(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が三次元形状である被計測体の微細形状を計測するための装置であって、
被計測体の表面形状を計測する走査型プローブマイクロスコープと、
前記走査型プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させるための回転装置と、
前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動することによって計測した被計測体の三次元形状の形状データを処理するための処理装置と、
を有し、
前記走査型プローブマイクロスコープは、プローブと、プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、
当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プローブ変位検出装置とを共に微動させるよう構成され、
前記プローブは、先端曲率半径が２０〜４０ｎｍである探針を備え、
前記回転装置は、支持軸受として静圧空気軸受が用いられている
ことを特徴とする三次元形状計測装置。
【請求項２】
前記処理装置は、前記回転装置の回転中心に対する前記被計測体の偏心量を算出し、前記走査型プローブマイクロスコープによって得られた前記被計測体の計測値から前記偏心量を差し引いて被計測体の計測値とすることを特徴とする請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記処理装置は、被計測体の計測値をフーリエ変換して計測値から楕円成分を除去することにより、回転中心軸方向に対する被計測体の傾きによる影響を除去した計測値を得ることを特徴とする請求項１又は２記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記走査型プローブマイクロスコープは、原子間力マイクロスコープであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の三次元形状計測装置を用いて、表面が三次元形状である被計測体の微細形状を計測するための方法であって、
被計測体の表面形状を計測する走査型プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させて前記被計測体の微細形状データを測定する形状データ計測ステップと、
形状データ計測ステップにおいて計測した前記形状データを処理するための形状データ処理ステップと、
を含むことを特徴とする三次元形状計測方法。
【請求項６】
前記形状データ処理ステップは、前記回転の中心に対する前記被計測体の偏心量を算出し、前記走査型プローブマイクロスコープによって得られた前記被計測体の計測値から前記偏心量を差し引いて被計測体の計測値とする偏心量除去ステップを含むことを特徴とする請求項５記載の三次元形状計測方法。
【請求項７】
前記形状データ処理ステップは、被計測体の計測値をフーリエ変換して計測値から楕円成分を除去することにより、前記回転の中心軸方向に対する被計測体の傾きによる影響を除去した計測値を得る楕円成分除去ステップを含むことを特徴とする請求項５又は６記載の三次元形状計測方法。
【請求項８】
前記形状データ計測ステップは、走査型プローブマイクロスコープの有するプローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つように前記プローブを微動させる微動ステップを含み、
当該微動ステップでは、前記プローブと前記プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置との距離を一定に保つべく前記プローブ及び前記プローブ変位検出装置を共に微動させることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の三次元形状計測方法。
【請求項９】
支持軸受として静圧空気軸受が用いられている回転装置であって、被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させる回転装置、に対して装着可能な走査型プローブマイクロスコープと、
前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動することによって計測した被計測体の三次元形状の形状データを処理するための処理装置と、
を有し、
前記走査型プローブマイクロスコープは、プローブと、プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、
当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プローブ変位検出装置とを共に微動させるよう構成され、
前記プローブは、先端曲率半径が２０〜４０ｎｍである探針を備えており、
表面が三次元形状である被計測体の微細形状の計測用に用いられる
ことを特徴とする三次元形状走査ユニット。
【請求項１０】
前記処理装置は、前記被計測体周りを前記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転することによって得られた計測値から、前記回転の中心に対する前記被計測体の偏心量を算出し、前記計測値から前記偏心量を差し引いて前記被計測体の計測値とすることを特徴とする請求項９記載の三次元形状走査ユニット。
【請求項１１】
前記処理装置は、前記被計測体周りを前記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転することによって得られた計測値をフーリエ変換して計測値から楕円成分を除去することにより、前記回転の中心軸方向に対する被計測体の傾きによる影響を除去した計測値を得ることを特徴とする請求項９又は１０記載の三次元形状走査ユニット。
【請求項１２】
前記走査型プローブマイクロスコープは、原子間力マイクロスコープであることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の三次元形状走査ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三次元形状計測装置、三次元形状計測装置、及び三次元形状走査ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の三次元形状計測装置としては、差動トランスを内蔵する触針式検出器と被計測体台から構成され、検出器または被計測体台を回転させ形状を測定する真円度・円筒形状測定装置が存在する。
前記検出器における触針には、サファイヤ、ルビーあるいはタングステンカーバイド製の半径０．５〜５ｍｍ程度のボールが一般に用いられている。また、表面形状・粗さ計に使用される触針はダイヤモンドで、先端形状は頂角６０または９０の円すいで、先端丸み半径は、２〜１０ｍのものが一般に用いられている。
【０００３】
【解決しようとする課題】
前記触針によって被計測体の形状を測定する場合、触針の先端半径と測定力によっては、表面が変形したり、表面に損傷を与えるといった問題点があった。このため、髪や生体物などの柔らかいものの測定が困難であった。
また、触針の曲率半径が大きいため包絡線（エンベロップ）しか得られず、被計測体の微細形状を測定することができなかった。
【０００４】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、三次元形状を有する被計測体の計測にあたって、被計測体表面の変形又は損傷を防止しつつ、より微細なレベルでの形状計測が行える装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る三次元形状計測装置は、表面が三次元形状である被計測体の微細形状を計測するための装置であって、被計測体の表面形状を計測する走査型プローブマイクロスコープと、前記走査型プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させるための回転装置と、前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動することによって計測した被計測体の三次元形状の形状データを処理するための処理装置と、を有し、前記走査型プローブマイクロスコープは、プローブと、プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プローブ変位検出装置とを共に微動させるよう構成され、前記プローブは、先端曲率半径が２０〜４０ｎｍである探針を備え、前記回転装置は、支持軸受として静圧空気軸受が用いられている。
【０００６】
また、本発明に係る三次元形状計測方法は、上記三次元形状計測装置を用いて、表面が三次元形状である被計測体の微細形状を計測するための方法であって、被計測体の表面形状を計測する走査型プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させて前記被計測体の微細形状データを測定する形状データ計測ステップと、形状データ計測ステップにおいて計測した前記形状データを処理するための形状データ処理ステップと、を含むものである。
【０００７】
さらに、本発明に係る三次元形状走査ユニットは、支持軸受として静圧空気軸受が用いられている回転装置であって、被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させる回転装置、に対して装着可能な走査型プローブマイクロスコープと、前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動することによって計測した被計測体の三次元形状の形状データを処理するための処理装置と、を有し、前記走査型プローブマイクロスコープは、プローブと、プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プローブ変位検出装置とを共に微動させるよう構成され、前記プローブは、先端曲率半径が２０〜４０ｎｍである探針を備えており、表面が三次元形状である被計測体の微細形状の計測用に用いられる。
【０００８】
従来の真円度・円筒形状測定装置では、例えばナノメートルレベルでの微細な凹凸を計測することはできないが、上記した本発明のように走査型プローブマイクロスコープを用いることでより微細な凹凸を計測することが可能となる。また、単なる走査型プローブマイクロスコープでは平面の凹凸を測定することしかできず、曲面等の微細な凹凸を測定することができないが、走査型プローブマイクロスコープを被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させて処理装置によって形状データを処理することで、円柱・円筒・球などの三次元形状の表面凹凸の計測が可能となった。
【０００９】
また、走査型プローブマイクロスコープの場合、被計測体への押圧力が無いか又は極めて小さいため、表面を変形させたり、表面に損傷を与えることを防止でき、髪や生体物などの柔らかいものの測定も可能となる。
走査型プローブマイクロスコープとしては、走査型トンネルマイクロスコープ（ＳＴＭ）、原子間力マイクロスコープ（ＡＦＭ）、磁気力マイクロスコープ（ＭＦＭ）などを採用できるが、原子間力マイクロスコープが好ましい。
【００１０】
前記被計測体周りを前記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転する回転装置を採用することで、円柱・円筒・球を計測するのに適したものとなる。なお、回転装置は、被計測体を回転させるものでもよいし、走査型プローブマイクロスコープを被計測体の周りに回転させるものでもよい。
【００１１】
前記被計測体周りを前記走査型プローブマイクロスコープが相対的に回転して形状データを計測する場合には、前記処理装置は、前記回転の中心（回転装置の回転中心）に対する前記被計測体の偏心量を算出し、前記走査型プローブマイクロスコープによって得られた前記被計測体の計測値から前記偏心量を差し引いて被計測体の計測値とする偏心除去ステップを実行可能に構成されているのが好ましい。偏心量を除去することで、被計測体が偏心していてもその影響を除去できる。
【００１２】
また、被計測体が前記回転の中心軸に対して傾斜している場合には、被計測体が真円であっても楕円として計測される。前記処理装置によって、前被計測体の計測値をフーリエ変換して計測値から楕円成分を除去することにより、前記回転の中心軸方向に対する被計測体の傾きによる影響を除去した計測値を得る楕円成分除去ステップを実行することで、傾斜による弊害を除去できる。
【００１３】
さらに、前記走査型プローブマイクロスコープは、プローブと、プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置とを備え、更に、前記プローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つようにプローブを微動させる微動機構を具備し、当該微動機構は、プローブと前記プローブ変位検出装置との間の距離を一定に保つべく前記プローブと前記プローブ変位検出装置とを共に微動させるのが好適である。
【００１４】
また、前記形状データ計測ステップは、走査型プローブマイクロスコープの有するプローブと前記被計測体との間の接触荷重、又は前記プローブと前記被計測体との間の距離を一定に保つように前記プローブを微動させる微動ステップを含み、当該微動ステップでは、前記プローブと前記プローブの変位を検出するためのプローブ変位検出装置との距離を一定に保つべく前記プローブ及び前記プローブ変位検出装置を共に微動させるのが好適である。
【００１５】
プローブを微動させると、プローブとプローブ変位検出装置との間の距離が変化して変位検出に誤差が生じるおそれがあるが、プローブとプローブ変位検出装置を共に微動させることで、このような誤差の発生を防ぐことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先立ち、本発明に係る計測装置１に用いられる走査型プローブマイクロスコープ（Scanning Probe Microscope）の一例としての原子間力マイクロスコープ(AFM：Atomic Force Microscope)の一般的な測定原理を図１及び図２に基づいて説明する。
【００１７】
原子間マイクロスコープは、プローブとしてカンチレバー３を具備している。このカンチレバー３は、極めて剛性の低い板ばね４と、板ばね４に取り付けられた探針５とが一体化して構成されている。また、カンチレバー３にレーザ光を照射するレーザ光源６と、カンチレバー３からの反射光を反射鏡７を介して検出する検出器８とからなるカンチレバーの変位検出装置を備えている。さらに、被計測体１０を微動させるピエゾ素子（ピエゾスキャナ）をも備えている。
【００１８】
被計測体１０の表面に対してカンチレバー３の探針５をnm以下の距離に近づけてゆくと、ファン・デア・ワールス力などの原子間力が働き、カンチレバー３の板ばね４には原子間力によって曲がりが生じる。
一般的に、ＡＦＭ測定では被計測体１０と探針５との間に働く斥力を検出して被計測体表面の凹凸を画像化する。図２に示すように、探針５に斥力（通常〜１０−９Ｎ）が加わると、板ばね４が反りカンチレバー３は上方に押し上げられる。このカンチレバー３の変位をレーザ光の反射方向の変化として光てこ方式の変位検出装置によって検出する。
【００１９】
また、ＡＦＭ測定では、検出器８による検出信号を一定に保つようフィードバック制御により被計測体１０を載せたピエゾ素子１１を制御して被計測体１０の高さを上下させ、被計測体１０と探針５との間に働く力を一定に保つ。このときのフィードバック量が被計測体１０の凹凸として得られる。
【００２０】
図３は、本発明の実施形態に係る三次元形状計測装置１の基本構成を示している。この計測装置１は、三次元形状走査ユニットと、被計測体を回転させる回転装置（移動機構２１とを備えている。三次元形状走査ユニットは、走査型プローブマイクロスコープの一種である原子間力マイクロスコープ２０と、データ処理装置２２とを備えている。
【００２１】
計測対象である被計測体３０の三次元形状を測定するため、原子間力マイクロスコープ２０と前記被計測体３０とを被計測体３０の表面形状に沿って相対的に移動させる移動機構が必要である。本実施形態では、主に円柱又は円筒形の被計測体３０の計測のため、被計測体３０を回転装置２１で回転させ、回転装置２１に装着した原子間力マイクロスコープで計測を行っている。なお、移動機構としては回転装置２１に限られない。
【００２２】
回転精度を高めより高い解像度を得るため、回転装置２１の支持軸受には静圧空気軸受が用いられている。回転駆動はステッピングモータで行われ、被計測体３０が設置される被計測体台がプーリ、ベルトを介して回転される。あるいは、被計測体台がカップリングを介してステッピングモータに直接連結され、回転されてもよい。また、高精度のエンコーダを使用することもできる。なお、回転装置２１は処理装置２２によって動作制御される。
【００２３】
回転装置２１には、回転装置２１の回転軸中心と円柱又は円筒状の被計測体３０の軸心が一致するように被計測体３０が固定される。この固定は手動で行われる。
被計測体３０が回転装置２１によって回転することで、原子間力マイクロスコープ２０によって被計測体３０の形状データを測定する形状データ計測ステップが実行される。
【００２４】
前記原子間力マイクロスコープ２０は、回転装置２１に装着可能に構成されており、測定ヘッドであるプローブ２３と、プローブ２３の微動機構２４と、プローブの変位検出装置２５とを備えている。
プローブ２３は、剛性の低い板ばねと、板ばねに取り付けられた探針とを一体的に備えたカンチレバーとして構成されている。カンチレバーは原子間力マイクロスコープのコンタクトモード測定用のものを用いることができる。
【００２５】
カンチレバーの具体的な材質は、ＳｉあるいはＳｉ３Ｎ４を採用でき、探針の先端曲率半径は２０〜４０ｎｍとすることができる。ばね定数はカンチレバーの特性からサブＮ／ｍ以下であり、ばね定数の大きいものは硬い測定物（金属、セラミック等）、小さいものは生体等の測定に適している。また、原子間力マイクロスコープ２０をタッピングモードまたはノンコンタクトモードとする場合には、カンチレバーもタッピングモード用のものやノンコンタクト用のものが利用可能であり、これらの場合にはサブナノニュートンの測定ができる。
【００２６】
前記プローブ２３は、微動機構２４によってＸＹＺ軸方向にマイクロメートル単位での位置調整が可能となっている。
プローブ微動機構２４は、プローブホルダ２７に三本のピエゾ圧電素子２８，２８，２８を三次元（Ｘ，Ｙ，Ｚ）に組み合わせたトライポッドによって構成されており、各ピエゾ圧電素子２８に独立に電圧を印可し、伸縮させることでプローブ２３のＸＹＺ方向への微動が可能となっている。
【００２７】
被計測体３０と探針との間に働く力によってプローブ２３には変位が生じ、この変位は変位検出装置２５によって検出される。変位検出装置２５は、光てこ方式によるものであり、プローブ２３にレーザ光を照射するためのレーザ光源３１と、プローブ２３からの反射光を検出する検出器３２とを有している。
【００２８】
さらに具体的には、図４に示すように、レーザ光のスポット径をより小さくするためにフォーカッシングレンズ３３が備わっている。検出器３２及びレンズ３３は、プローブホルダ２７に取り付けられたフレーム３４に装着されている。プローブ２３はプローブホルダ２７に取り付けられたフレーム３４に対して取り付けられている。
【００２９】
微動機構２４は、フレーム３４を介してプローブ２３だけでなく、検出器３２又はレンズ３３も共に微動させることができる。プローブ２３と検出器３２が一体化していることで、プローブ２３を微動させてもプローブ２３と検出器３２との間の距離（光路）を一定に保つことができる。また、プローブ２３とレンズ３３が一体化していることで、プローブ２３を微動させてもレンズ３３とプローブとの間の距離（焦点距離）を一定に保つことができる。なお、レーザ光源３１はプローブ２３と一体化していないが、レンズを省略する場合など必要に応じてプローブと一体化させて焦点距離を一定化してもよい。
【００３０】
前記レーザ光源３１にはフォーカス調整付き半導体レーザが採用されている。レーザ光源３１からプローブ２３に照射されて反射し、この反射光は検出器３２である四分割フォトダイオードによって検出される。
【００３１】
４つの独立した素子を有するフォトダイオード３２は、各素子に入力される受光量を電流信号として独立に出力する。これらの電流信号はＯＰアンプから構成されたＩ−Ｖコンバータによってそれぞれ電圧信号に変換され、更にＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換されてデータ処理装置２２であるパーソナルコンピュータに入力される。
【００３２】
プローブ２３の変位は、フォトダイオード３２に入力されるレーザ光のスポットの変位として検出される。データ処理装置２２では、フォトダイオード３２の４つの独立した素子から出力された信号に基づき所定の演算を行ってフォトダイオード３２におけるスポットの２次元変位（垂直位置、水平位置）を算出し、プローブ２３の変位を求める。
【００３３】
スポットの垂直位置（垂直信号）は、図５のフォトダイオード３２の「１」の素子の出力と「２」の素子の出力との和から、フォトダイオード３２の「３」の素子の出力と「４」の素子の出力との和を減算することによって得られる。また、スポットの水平位置（水平信号）は、図５のフォトダイオードの「１」の素子の出力と「３」の出力の素子の出力との和から、フォトダイオード３２の「２」の素子の出力と「４」の素子の出力との和を減算することによって得られる。
【００３４】
データ処理装置２２が回転する被計測体３０の表面凹凸によって生じるプローブ２３の変位を検出すると、処理装置２２は、検出したプローブ２３の変位を基に微動機構２４のフィードバック制御を行う。このフィードバック制御は、比例制御であり、フォトダイオード３２からの出力が常に一定、すなわちプローブ２３の探針の被計測体３０への押圧力（接触荷重）が常に一定になるようにピエゾ圧電素子２８を伸縮制御するものである。
【００３５】
ピエゾ圧電素子２８へのフィードバック量はＤ／Ａコンバータ３８に与えられてアナログ信号となり、さらにピエゾ圧電素子ドライバ３９に与えられてピエゾ圧電素子２８を伸縮駆動する。なお、伸縮制御されるピエゾ圧電素子２８は図３のＹ方向（被計測体の径方向あるいは被計測体の表面と直交する方向）のもののみである。
【００３６】
また、フィードバック制御としては、プローブ２３の押圧力を一定にする場合の他、プローブ２３と被計測体３０との距離を一定とする制御でもよい。
図６は、フィードバック制御の様子を示している。図６の（ａ）で示す初期状態から被計測体３０の凹凸に伴いプローブ２３が（ｂ）の状態に変位するとレーザ光の反射角が変化し、レーザ光がフォトダイオード３２に入射する位置は「Ａ」の素子の位置から「Ｂ」の素子の方向へシフトする。
【００３７】
このシフト量をゼロにするためＹ方向のピエゾ圧電素子２４が縮められ（ｃ）の状態に至るとカンチレバー２３の撓みは初期状態に戻る。この時のピエゾ圧電素子２４の変位が被計測体３０の凹凸として記録される。すなわちプローブ２３の微動量が被計測体３０の凹凸量となり、このプローブ２３の微動量を求めて三次元形状を生成する処理が形状データ処理ステップとなる。
本実施形態のように原子間力マイクロスコープを用いることで、０．１ｎｍレベルの分解能で形状計測ができる。
【００３８】
先に説明した一般的な原子間力マイクロスコープでは、被計測体自体を微動させてフィードバックを行うのに対し、本実施形態では、装置の簡素化あるいは精度の確保のためプローブ２３の微動によってフィードバックを行っている。
【００３９】
また、フォトダイオード３２とレーザ３１に対してプローブ２３だけが独立して微動し、フォトダイオード３２やレーザ３１（のレンズ３３）の位置が変化しない場合、プローブ２３が微動するとレーザ３１からプローブ２３までの距離が変化する。これによりレーザ光のスポット径が変化したり、反射した光がフォトダイオード３２に届くまでの距離（光路差）も変化することになり、フォトダイオード３２によって検出される信号は光学誤差を含むことになる。本実施形態では、この問題を解消するために、プローブ２３と検出装置２５をともに微動させてフィードバック制御を行っている（微動ステップ）。
【００４０】
処理装置２２では、微動機構２４へのフィードバック量として得られた被計測体３０の凹凸と、回転装置２１の制御量（回転位置）とから、被計測体３０の軸方向にある位置における断面形状の画像（真円度グラフ）を生成することができ、被計測体３０の真円度を測定できる。
【００４１】
図７及び図８は計測例としての真円度グラフを示している。処理装置２２では、被計測体３０の偏心量を除去することが可能である（偏心量除去ステップ）。被計測体３０の回転装置２１への固定時に手動で偏心が除去されるが、手動で除去できない微小な偏心は処理装置２２で除去される。
【００４２】
図７は生の計測値であり、この図７のように真円度グラフが回転装置の回転中心から偏心している場合、処理装置２２では、最小二乗中心法により演算で偏心を除去する。すなわち、真円度グラフから被計測体３０の中心を求めて偏心量を算出し、演算によって被計測体３０の中心と回転中心とを一致させた真円度グラフを作成する。このようにして得られた真円度グラフは偏心量が生の計測値から偏心量が差し引かれたものとなっている。
【００４３】
また、被計測体３０の軸心が回転中心軸に対して傾斜している場合、被計測体３０の真円度グラフは実際の被計測体３０の形状に比べて楕円成分が含まれたものとなっている。被計測体３０の軸傾斜成分（楕円成分）を除去するため、処理装置２２では、被計測体３０の計測値である真円度グラフをフーリエ変換し、楕円成分を周波数フィルタによって除去している（楕円成分除去ステップ）。図８は、図７の真円度グラフから偏心を除去するとともに楕円成分を除去した真円度グラフを示している。
【００４４】
図９及び図１１は、円柱形状観測を行った結果を示している。円柱形状観測を行うことで、被計測体３０の円筒度又は同心度測定を行うことができる。
円柱形状観測には、被計測体３０を一回転させる度に、プローブ２３を被計測体３０の軸方向に走査することで行える。軸方向の走査は、微動機構２４を構成するピエゾ圧電素子２８のうち図３のＺ方向（上下方向）のピエゾ圧電素子を伸縮することで行える。ピエゾ圧電素子の伸縮量はさほど大きくないため、微動機構２４を用いた走査はショートレンジでの走査に適している。また、原子間力マイクロスコープ２１を高精度で上下機構させる機構を設けることでロングレンジでの走査を行うこともできる。
【００４５】
図９の走査像は、Ｗワイヤー（１００ｍ）の円周走査像を示しており、真円度グラフ（２０００倍）６０ラインを三次元的に表示したものであり、Ｚ方向の走査量は１８ｍである。像中で影として現れている部分が被計測体であるＷワイヤーの凹部である。Ｗワイヤーには引き抜き加工の際に微細な引き抜き線が凹部として存在しており、観測された走査像においても引き抜き線がはっきりと検出されており、高精度の観測が行われていることが確認できる。
【００４６】
図１０は毛髪（６０ｍ）のＳＥＭ像を示しており、図１１は本計測装置１による毛髪（６０ｍ）の円周走査像を示している。毛髪の表面には毛小皮（キューティクル）が存在し、キューティクルは屋根の瓦や魚の鱗のように一定方向に重なり合っている。図１１の走査像では、Ｚ方向の走査が１８ｍであり、キューティクルを認識するのに十分な表面形状が検出されている。本実施形態の装置１では、プローブ２３の測定荷重が１〜２００ｎＮ程度と小さいため、被計測体である毛髪の表面を変形させたり、表面に傷を付けることを防止できる。
【００４７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記の円周走査では、被計測体３０を一回転させるごとにＺ方向に走査したが、被計測体の回転を所定角度（例えば３０度）だけにし、所定角度の回転ごとにＺ方向への走査を行っても良い。
【００４８】
また、被計測体３０は回転装置２１に対して直立状に固定されているが、被計測体３０を吊り下げて固定してもよい。吊り下げ式とすることで、極めて細い被計測体３０や柔らかい被計測体であっても保持が可能となる。
さらに、被計測体３０を回転させるのではなく、プローブを被計測体３０周りに回転させてもよい。
【００４９】
また、上記の実施の形態では、回転装置（移動機構）２１を処理装置２２によって動作させる例を示したが、回転装置２２を他の制御装置によって動作させることも可能である。この場合、高精度な回転装置（移動機構）に、本発明の三次元形状走査ユニットの走査型プローブマイクロスコープを装着して三次元形状を計測することができる。この際、処理装置は既存のコンピュータに走査型プローブマイクロスコープで計測した被計測体の形状データを処理するためのプログラムをインストールすることによって構成できる。
【００５０】
なお、本装置１の応用分野としては、転がり軸受軌道のような円筒状の微小形状、例えばＨＤＤ用軸受の微小フレッチング摩耗痕、非金属介在物や微小亀裂の検出などがある。また、マイクロマシンの構成要素（シャフトなど）、ナノ構造体の形状測定にも適用できる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、走査型プローブマイクロスコープと前記被計測体とを前記被計測体表面の三次元形状に沿って相対的に回転させ、前記走査型プローブマイクロスコープが、被計測体の三次元形状に沿って相対的に移動することによって計測した被計測体の三次元形状の形状データを処理することで、被計測体表面の変形又は損傷を防止しつつ、より微細なレベルでの形状計測が行える。
さらに、プローブとプローブ変位検出装置を共に微動させることで、プローブ微動による誤差の発生を防ぐことができる。
【００５２】
また、計測値から偏心量を差し引くことで偏心による影響を除去できる。あるいは、計測値から楕円成分を除去することで、被計測体の傾斜による影響を除去できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一般的な原子間力マイクロスコープの構成図である。
【図２】  一般的な原子間力マイクロスコープの測定原理図である。
【図３】  本発明の三次元形状計測装置の構成図である。
【図４】  プローブとプローブ変位計測装置と微動機構の配置図である。
【図５】  変位計測装置の検出回路である。
【図６】  プローブのフィードバック制御の説明図である。
【図７】  偏心及び楕円成分を除去する前の真円度グラフである。
【図８】  偏心及び楕円成分を除去した後の真円度グラフである。
【図９】  Ｗワイヤーの円周走査像である。
【図１０】  毛髪のＳＥＭ像である。
【図１１】  毛髪の円周走査像である
【符号の説明】
１  三次元形状計測装置
２０  走査型プローブマイクロスコープ（原子間力マイクロスコープ）
２１  移動機構（回転装置）
２２  処理装置
２３  プローブ
２４  微動機構
２５  プローブ変位検出装置
３０  被計測体
【図１】
0003807970.tif 000002
【図２】
0003807970.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003807970.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003807970.tif 000007
【図７】
0003807970.tif 000008
【図８】
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【図９】
0003807970.tif 000010
【図１０】
0003807970.tif 000011
【図１１】
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