(57)【要約】【課題】プローブ走査型形状測定器において、測定物１が長く、基準となる直進機構が長くなっても、高い測定精度で測定可能とする。【解決手段】プローブ走査装置で測定した走査真直度に関する測定結果を、誤差検出用鏡光学装置により検出した直進ステージに係る上記Ｘ軸及びＹ軸方向の変動成分、Ｚ軸方向の位置、並びにＸ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りの夫々の回転変動に基づいて、真直度補正装置で補正する。【選択図】    図３
2004325120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直進ガイド上に直進ステージがＺ軸方向に走行可能に設けられており、該直進ステージ上に測定プローブヘッドが設けられており、該直進ステージ上及び該直進ステージ外に真直度誤差検出用光学装置及び形状解析装置が設けられて成る真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器であって、
上記測定プローブヘッドと測定物の表面との間の距離を測定し、上記該直進ステージ上の真直度誤差検出用光学装置は、コーナーキューブミラーと平行二面鏡とを有し、上記コーナーキューブミラーは、直進ステージのＸ軸及びＹ軸方向の並進誤差成分並びに直進ステージＺ軸方向の位置を検出するためのものであり、上記平行二面鏡は、直進ステージのＸ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りの夫々の回転誤差成分を検出するためのものであり、上記測定プローブヘッドの走査真直度を検出して、該測定距離を、上記誤差検出用光学装置により検出した直進ステージに係る上記Ｘ軸及びＹ軸方向の並進誤差成分、Ｚ軸方向の位置、並びに、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りの夫々の回転誤差成分に基づいて、上記形状解析装置で補正することによって形状を高い精度で測定することを特徴とする真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定プローブヘッドで走査して、表面粗さ等の形状を測定する精密測定機器に関し、特に測定プローブヘッドの走査真直度を測定して測定結果を補正（校正）する真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプローブ走査型形状測定器は、あらかじめ高い精度で製作された直進機構を基準としてプローブを走査し、形状を測定するものであった（例えば、特許文献１〜３参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−３１２５３８号公報
【特許文献２】
特開平１１−２１１４２７号公報
【特許文献３】
特開２００１−１４１４４３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプローブ走査型形状測定器では、測定物が短い場合は基準となる直進機構が短くてすむため、高い測定精度を保てる。ところが、測定物が長くなると、基準となる直進機構も高い精度で製作することが困難となる。また、仮に製作できたとしても、それを保持する方法が難しく、いずれにしろ現状では長い測定対象の形状を高い精度で測定することは大変困難である。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題点を解決することを目的とし、プローブ走査型形状測定器において長い測定対象の形状を高い精度で測定することを課題とするものである。
【０００６】
ところで、本発明者は、直進ステージの真直度測定理論の提案と、真直度成分のうちの回転誤差３成分の測定実験についてはすでに実施し、「レーザービームを用いた直進テーブルの真直度計測、天神林、古川、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｊａｐａｎ２０００講演予稿集ｐｐ３３１−３３２」及び「リニアステージの真直度計測−回転誤差成分の計測実験−天神林、Ｏｐｔｉｃｓ  Ｊａｐａｎ２００１講演予稿集ｐｐ１５３−１５４」に発表している。
【０００７】
しかしながら、これは単に直進ステージの真直度の計測をする技術にすぎない。本発明者は、プローブ走査型形状測定器において長い測定対象の形状を高い精度で測定可能とする研究開発を鋭意進めていく課程において、直進ステージ上に形状測定用測定プローブヘッドを固定して走査した場合、プローブの真直度が測定できることを想到するに至ったのである。
【０００８】
従って、本発明は、測定プローブヘッドを走査させて測定物１の形状を測定しながら、同時に走査真直度を測定し、得られた真直度データによって形状測定データを補正することによって、高精度の基準直進機構無しに、長い測定物の形状を高い精度で測定可能とするプローブ走査型形状測定器を実現することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、直進ガイド上に直進ステージがＺ軸方向に走行可能に設けられており、該直進ステージ上に測定プローブヘッドが設けられており、該直進ステージ上及び該直進ステージ外に真直度誤差検出用光学装置及び形状解析装置が設けられて成る真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器であって、上記測定プローブヘッドと測定物の表面との間の距離を測定し、上記該直進ステージ上の真直度誤差検出用光学装置は、コーナーキューブミラーと平行二面鏡とを有し、上記コーナーキューブミラーは、直進ステージのＸ軸及びＹ軸方向の並進誤差成分並びに直進ステージＺ軸方向の位置を検出するためのものであり、上記平行二面鏡は、直進ステージのＸ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りの夫々の回転誤差成分を検出するためのものであり、上記測定プローブヘッドの走査真直度を検出して、該測定距離を、上記誤差検出用光学装置により検出した直進ステージに係る上記Ｘ軸及びＹ軸方向の並進誤差変動成分、Ｚ軸方向の位置、並びに、Ｘ軸周り、Ｙ軸周り及びＺ軸周りの夫々の回転誤差成分に基づいて、上記形状解析装置で補正することによって形状を高い精度で測定することを特徴とする真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係る真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器の実施の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
【００１１】
図１は、本発明に係る真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器の概念を説明する図である。直進ガイド５上に直進ステージ４が走行可能に設けられており、この直進ステージ４上に測定プローブヘッド２が設けられている。直進ステージ４を走行させて、測定対象である測定物１と測定プローブヘッド２との間の距離を測定し、同時に直進ステージ４の走査誤差を真直度測定ユニット２７で測定して補正し、測定物１の表面形状を高い精度で測定する。
【００１２】
直進ステージ４が直線ガイド５に沿って長い距離を移動する時は真直度誤差が生じる。本発明は、この直進ステージ４の走査誤差を計測して、この計測値に基づいて、真直度の誤差を補正する真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器である。
【００１３】
図２は、直進ステージ４の真直度の成分を、ＸＹＺ座標を基準にして示す図である。直進ステージ４の進行方向をＺ方向とし、進行方向に対して直交する方向のうち、水平方向をＸ方向とし、鉛直方向をＹ方向とする。このＸＹＺ座標を基準にして示す真直度誤差は、進行方向に対して直交する水平及び鉛直方向の並進とＸＹＺ軸周りの回転である次の５つの成分である。
【００１４】
真直度誤差の並進成分は、水平方向成分のΔＸ、鉛直方向成分のΔＹである。又、真直度誤差の回転成分は、Ｘ軸周りの回転ξ（ピッチ）、Ｙ軸周りの回転η（ヨー）、Ｚ軸周りの回転ζ（ロール）である。本発明では、これらの真直度誤差を全て計測して、前述の通り測定プローブヘッド２による測定値を補正するものである。
【００１５】
（実施例）
図３は、本発明に係る真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器の実施例を説明する図である。このプローブ走査型形状測定器は、測定プローブヘッド２、及び真直度測定ユニット２７を有する。図３において、本発明に係る真直度補正機能を備えたプローブ走査型形状測定器は、直進ガイド５上に直進ステージ４が走行可能に設けられており、この直進ステージ４上に、真直度誤差検出光学ユニット２６（図１参照）が設けられている。
【００１６】
真直度測定ユニット２７は、真直度誤差検出用光学ユニット２６、直進ステージ位置検出用干渉計１０、レーザービーム発生ユニット２３、レーザービーム検出ユニット２４、レーザービーム位置検出ユニット２５及び形状解析装置２８とからなる。
【００１７】
ここで形状解析装置２８は、レーザービーム検出ユニット２４およびレーザービーム位置検出ユニット２５の出力信号から真直度を計算し、測定プローブヘッド２と測定物１の表面との間の距離を補正して測定物表面の形状を算出する計算機である。
【００１８】
測定プローブヘッド２は、Ｙ軸方向に向けて真直度誤差検出用光学ユニット２６に取り付けられており、例えば、測定プローブヘッド２（投光した光の反射強度を検出する光測定プローブヘッド）等の手段が採用される。この測定プローブヘッド２により、測定プローブヘッド２と測定物１の表面との間の距離を測定することができる。
【００１９】
直進ステージ４を走行させて、測定プローブヘッド２で測定物１の表面を走査して、測定物１の表面との距離を連続的に測定し、この測定値に基づき測定対象である測定物１の表面形状を測定する。
【００２０】
図１に示す真直度誤差検出用光学ユニット２６は図３に示すように、並進誤差及び位置検出用コーナーキューブミラー７と二組の回転角度誤差検出用平行二面鏡ユニット１３とからなる。
【００２１】
本発明の装置では検出器として次の▲１▼〜▲４▼の検出器が設けられている。
▲１▼並進誤差検出用レーザービーム位置検出器８
▲２▼直進ステージ位置検出用レーザー検出器１１
▲３▼垂直平行二面鏡反射レーザービーム位置検出器１４
▲４▼水平平行二面鏡反射レーザービーム位置検出器１６
【００２２】
図４は本発明に係る真直度補正装置を備えたプローブ走査型形状測定器の原理を説明するブロック図である。この図４によると、測定プローブ光３及び測定プローブヘッド２によって測定物とプローブヘッドの間の距離を測定し、プローブ測定データが得られる。
【００２３】
そしてこのプローブ測定データについて、並進誤差検出用レーザービーム位置検出器８によって得られる並進誤差と、垂直平行二面鏡反射レーザービーム位置検出器１４、水平平行二面鏡反射レーザービーム位置検出器１６で得られる回転角度誤差と直進ステージ位置検出用レーザー検出器１１とから、プローブ走査真直度補正（校正）が行われ、真の形状データが得られる。
【００２４】
図５、６は、直進ステージ４の真直度誤差の５成分を検出する、ための、レーザービームに対する鏡の作用を夫々説明する図であり、この図に従って、各真直度誤差成分の検出について説明する。
【００２５】
並進誤差及び位置検出用コーナーキューブミラーユニット７は、コーナーキューブミラー１８を有している。図５（ａ）（ｂ）はそれぞれコーナーキューブミラー１８の平面図、側面図を示している。コーナーキューブミラー１８は、直進ステージ４の並進誤差及び直進ステージの位置を検出するためのものであり、周知のコーナーキューブミラーを利用する。
【００２６】
並進誤差及び位置検出用コーナーキューブミラーユニット７は、並進誤差検出用レーザービーム６を、コーナーキューブミラー１８で受光して、その反射光を並進誤差検出用レーザービーム位置検出器８で検出し、測定プローブヘッド２の水平方向及び鉛直方向の並進誤差ΔＸ及びΔＹを検出する。
【００２７】
さらに、並進誤差及び位置検出用コーナーキューブミラーユニット７は、直進ステージ位置検出用レーザービーム９を、直進ステージ位置検出用干渉計１０のビームスプリッタによって二つのレーザービームに分割し、一方のレーザービームをコーナーキューブミラー１８で受光して、その反射光を直進ステージ位置検出用干渉計１０を通して直進ステージ位置検出用レーザー検出器１１で受光する。
【００２８】
他方のレーザービームは、直進ステージ位置検出用干渉計１０の内部の平面鏡で反射し、もとの光路を戻り、上記一方のレーザービームと重なり合って干渉光となり、直進ステージ位置検出用レーザー検出器１１で受光される。この干渉光の縞の数を数えることによって測定プローブヘッドのＺ方向の位置を検出する。このようにして、並進誤差検出用レーザービーム位置検出器８、直進ステージ位置検出用レーザー検出器で、直進ステージ４の並進誤差ΔＸ、ΔＹと位置Ｚを検出することができる。
【００２９】
回転角度誤差検出用平行二面鏡ユニット１３は、二組の平行二面鏡を有する。図６（ａ）（ｂ）はそれぞれ二面鏡の平面図、側面図を示している。この二組の平行二面鏡は具体的には水平平行二面鏡の一枚目、二枚目の鏡１９ａ、１９ｂと垂直平行二面鏡の一枚目、二枚目の鏡２０ａ、２０ｂを有する。これらの二組の平行二面鏡により、Ｘ軸周り回転変動（ピッチ）、Ｙ軸周りの回転変動（ヨー）、及びＺ軸周りの回転変動（ロール）を検出する。
【００３０】
回転角度誤差検出用平行二面鏡ユニット１３は、回転角度誤差検出用垂直平行二面鏡入射レーザービーム１２と回転角度誤差検出用水平平行二面鏡入射レーザービーム１５を受光し、それぞれ図６（ａ）（ｂ）に示すように、垂直平行二面鏡２０ａ、２０ｂ及び水平平行二面鏡１９ａ、１９ｂで反射してから、垂直平行二面鏡入射レーザービーム位置検出器１４及び水平平行二面鏡入射レーザービーム位置検出器１６で検出する。これにより、Ｘ軸周りの垂直面内での回転変動（ピッチ）、Ｙ軸周りの回転変動（ヨー）、及びＺ軸周りの回転変動（ロール）を検出する。
【００３１】
直進ステージ位置検出用干渉計１０は、コーナーキューブミラー１８を有し、直進ステージ位置検出用レーザービーム９を受光して、その干渉光を直進ステージ位置検出用レーザービーム位置検出器１１で検出し、測定プローブヘッド２のＺ方向位置を検出するものである。
【００３２】
以上、本発明に係る真直度補正装置を備えたプローブ走査型形状測定器の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は、このような実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００３３】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明によれば、プローブ走査型形状測定器において、測定物が長く、基準となる直進機構が長くなっても、高い測定精度で測定可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的概念を説明するための図である。
【図２】本発明に係るプローブ走査型形状測定器の測定プローブヘッドによる検出の誤差の起因となる並進誤差成分及び回転誤差成分を説明する図である。
【図３】本発明に係る真直度補正装置を備えたプローブ走査型形状測定器の実施例を説明する図である。
【図４】実施例のプローブ走査型形状測定器の測定の原理を説明するための図である。
【図５】実施例のプローブ走査型形状測定器の要部及びその作用を説明する図である。
【図６】実施例のプローブ走査型形状測定器の要部及びその作用を説明する図である。
【符号の説明】
１  測定物
２  測定プローブヘッド
３  測定プローブ光
４  直進ステージ
５  直進ガイド
６  並進誤差検出用レーザービーム
７  並進誤差及び位置検出用コーナーキューブミラーユニット
８  並進誤差検出用レーザービーム位置検出器
９  直進ステージ位置検出用レーザービーム
１０  直進ステージ位置検出用干渉計
１１  直進ステージ位置検出用レーザー検出器
１２  回転角度誤差検出用垂直平行二面鏡入射レーザービーム
１３  回転角度誤差検出用平行二面鏡ユニット
１４  垂直平行二面鏡反射レーザービーム位置検出器
１５  回転角度誤差検出用水平平行二面鏡入射レーザービーム
１６  水平平行二面鏡反射レーザービーム位置検出器
１７  コーナーキューブミラー頂点
１８  コーナーキューブミラー
１９ａ  水平平行二面鏡の一枚目の鏡
１９ｂ  水平平行二面鏡の二枚目の鏡
２０ａ  垂直平行二面鏡の一枚目の鏡
２０ｂ  垂直平行二面鏡の二枚目の鏡
２３  レーザービーム発生ユニット
２４  レーザービーム検出ユニット
２５  レーザービーム位置検出ユニット
２６  真直度検出用光学ユニット
２７  真直度測定ユニット
２８  形状解析装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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