JP2012145569A

JP2012145569A - 形状測定装置

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Publication number: JP2012145569A
Application number: JP2011273238A
Authority: JP
Inventors: Ryusuke Nakajima; 隆介中島
Original assignee: Canon Inc
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Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2012-08-02
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: JP5959844B2

Abstract

【課題】プローブの撓みの影響を受けずに高精度の形状測定を行う。
【解決手段】プローブ先端部３に一体に平面ダイクロイックミラー１０及び球面ミラー１６を設ける。オートコリメータ光学系５により平面ダイクロイックミラー１０の傾斜量を測定し、並進移動量測定光学系１２により球面ミラー１６のＸ，Ｙ軸方向のずれ量を測定する。ずれ量算出部４２ｂは、測定した平面ダイクロイックミラー１０の傾斜量及び球面ミラー１６のずれ量に基づいて、プローブ先端部３において被測定物４の表面に接触する接触点となる球１９の基準位置に対するＸ，Ｙ軸方向のずれ量を算出する。推定部４２ｃは、ずれ量算出部４２ｂにより算出されたずれ量から、プローブ先端部３の球１９のＸ，Ｙ軸方向の位置を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非球面レンズ等の自由曲面の形状を有する被測定物の表面にプローブを接触させながら倣い動作することにより、被測定物表面の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。

三次元構造を有する被測定物表面の座標や形状を測定する三次元形状測定方法として、プローブを被測定物の表面に所定の測定力で押圧しながら被測定物の表面に倣って移動させ、プローブの移動位置から被測定物の座標や形状を測定する倣い測定法が知られている。

従来、このような三次元形状測定方法においては、エアー軸受けを用いて上下に移動可能にプローブシャフトを設け、ばねで自重を支えている構成を持つプローブを用いるものが知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、レンズ面等の傾斜面を測定する場合、被測定面の接触点での反力は被測定面の法線方向に働くが、これがプローブシャフトの移動可能方向と一致しないためプローブは法線方向と直交する成分の力を受け、プローブシャフトに傾きが生じる。これによりプローブシャフトの先端に設けたプローブ先端部の接触点が、測定器の想定している測定点（即ち、プローブシャフトが傾いていないとする接触点の位置）に存在しなくなり、特許文献１に開示された方法では、無視できない測定誤差が発生する。

そこで、プローブシャフトに設けた二つのセンサによりプローブシャフトの傾きを求め、真のプローブの被測定物への接触点を推定しようとする方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開平６−２６５３４０号公報特開２０００−１９３４４９号公報

しかしながら、プローブシャフトは、被測定物における反力によって傾くと同時に撓み変形することがある。このとき、プローブシャフトの先端に設けられたプローブ先端部においては、プローブシャフトの傾きに加えて撓み変形による傾きと並進の変位が生じることになる。このため、特許文献２に開示された方法では、プローブシャフトの傾きのみを想定して接触点の位置を推定しているので、プローブシャフトの撓み変形によって生じる測定誤差を低減させることができない。

そこで、本発明は、プローブシャフトの傾き及び撓み変形に起因した測定誤差を低減する形状測定装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、Ｚ軸方向に移動可能に支持され、中心軸がＺ軸と平行な状態を正姿勢とするプローブシャフトと、前記プローブシャフトの先端に設けられ、被測定物の表面に接触させるプローブ先端部とを有するプローブを備え、前記プローブを被測定物の表面に対してＸ，Ｙ軸方向に走査し、前記プローブ先端部における前記被測定物に接触する接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置に対する前記プローブのＺ軸方向の位置を測定することで、前記被測定物の表面の三次元の形状測定データを取得する形状測定装置であって、前記プローブ先端部に一体に設けられ、前記プローブシャフトが正姿勢から姿勢変化して前記プローブ先端部がＺ軸に対して傾斜した際に、前記プローブ先端部と共に傾斜する平面ミラーと、前記平面ミラーのＺ軸に対する傾斜量を、前記平面ミラーに第一レーザ光を照射して前記平面ミラーで反射した反射光により測定する第一測定光学系と、前記プローブ先端部に一体に設けられた球面ミラーと、前記プローブシャフトが正姿勢であるときの前記接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置を基準位置とし、前記基準位置に対する前記球面ミラーのＸ，Ｙ軸方向のずれ量を、前記球面ミラーに第二レーザ光を照射して前記球面ミラーで反射した反射光により測定する第二測定光学系と、前記第一測定光学系により測定された傾斜量、前記第二測定光学系により測定されたずれ量、及び前記接触点と前記球面ミラーとの距離から、前記基準位置に対する前記接触点のＸ，Ｙ軸方向のずれ量を算出するずれ量算出部と、前記ずれ量算出部により算出された前記基準位置に対する前記接触点のＸ，Ｙ軸方向のずれ量から前記接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置を推定する推定部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、プローブ走査時にプローブシャフトが傾いたり撓み変形したりしても、ずれ量算出部によりプローブの接触点のずれ量を算出することが可能となる。このずれ量からプローブ先端部の接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置が推定部により推定されるので、プローブシャフトの撓み変形を含む姿勢変化に依存しない、測定誤差が低減した三次元の形状測定データを得ることができる。

本発明の実施の形態に係る形状測定装置の概略構成を示す説明図である。プローブシャフトが撓み変形したときのプローブを示す模式図である。参考例の形状測定装置の概略構成を示す説明図である。

（第一の実施形態）
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る形状測定装置の概略構成を示す説明図である。なお、本実施の形態では、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸の三次元直交座標系で説明する。Ｚ軸に対して直交するＸ軸及びＹ軸は、互いに直交している。図１に示すように、形状測定装置１００は、接触式プローブであるプローブ１を備えている。プローブ１は、ベース２１に平行板ばね２０を介してＺ軸方向に移動可能に支持された軸状のプローブシャフト２と、プローブシャフト２の先端に設けられた先細り形状のプローブ先端部３とを有する。そして、プローブシャフト２は、傾斜も撓み変形もない正姿勢のときは、プローブシャフト２の中心軸ｃ_０がＺ軸と平行な状態で、ベース２１に平行板ばね２０を介して支持されている。このプローブシャフト２は、光が透過するように、透明部材、例えば透明低膨張ガラス等で形成されている。

また、プローブ先端部３は、プローブシャフト２よりも剛性が高い部材、例えばタングステンカーバイト等で形成されている。これにより、プローブ先端部３が撓むのを抑制している。プローブ先端部３は、プローブシャフト２よりも短く形成されている。プローブ先端部３の先端には、被測定物４の表面に接触させるための球１９が形成されている。この球１９は、被測定物４の表面に点接触すると見做せる程度の大きさである。

ベース２１は、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能に支持されており、不図示のＸ軸ステージ、Ｙ軸ステージ、Ｚ軸ステージにより各軸方向に移動する。各軸ステージは、それぞれ不図示のＸ，Ｙ，Ｚ軸駆動用モータによって駆動され、被測定物４の表面の形状測定を実施する際には、プローブ先端部３の球（接触点）１９を被測定物４の表面に接触させながらＸ，Ｙ軸方向に二次元的にプローブ１を移動させる。

形状測定装置１００は、第一測定光学系であるオートコリメータ光学系５と、第二測定光学系である並進移動量測定光学系１２と、押し込み量測定光学系３１と、データサンプリング装置４１と、コンピュータ４２とを備えている。また、形状測定装置１００は、プローブシャフト２の中心軸ｃ_０上にプローブシャフト２から遠ざかる方向に向かって順次配設された、ダイクロイックミラー２３、ダイクロイックミラー２７及びダイクロイックミラー１１を備えている。

オートコリメータ光学系５は、第一レーザ光Ｇを出射する第一レーザ光源６、第一ハーフミラー７、コリメートレンズ８、及びＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）等の第一光位置検出素子９を有している。

プローブシャフト２の中心軸ｃ_０と直交し、ダイクロイックミラー１１を通過する軸ｃ_１上には、ダイクロイックミラー１１から遠ざかる方向に向かって順次、コリメートレンズ８、第一ハーフミラー７及び第一光位置検出素子９が配置されている。

第一ハーフミラー７は、軸ｃ_１に対して４５度傾けて配置されている。そして、第一ハーフミラー７に対向する位置に、中心軸ｃ_０と平行に第一レーザ光Ｇを出射するように、第一レーザ光源６が配置されている。

並進移動量測定光学系１２は、第二レーザ光Ｈを出射する第二レーザ光源１３、第二ハーフミラー１４、対物レンズ１５、集光レンズ１７及びＰＳＤ等の第二光位置検出素子１８を有している。

プローブシャフト２の中心軸ｃ_０上には、プローブシャフト２（ダイクロイックミラー１１）から遠ざかる方向に順次、対物レンズ１５、第二ハーフミラー１４、集光レンズ１７及び第二光位置検出素子１８が配置されている。第二ハーフミラー１４は、中心軸ｃ_０に対して４５度傾けて配置されている。そして、第二レーザ光源１３は、中心軸ｃ_０と直交し、第二ハーフミラー１４を通過する軸ｃ_２上であって、第二ハーフミラー１４に対向する位置に配置されている。

押し込み量測定光学系３１は、所謂ヘテロダイン干渉計である。この押し込み量測定光学系３１は、第三レーザ光Ｉを出射する第三レーザ光源２４、第三レーザ光Ｉを測定光と参照光とに分割する偏光ビームスプリッタ２８、参照ミラー２５、１／４波長板２９，３０、及び光強度検出素子２６を有している。

プローブシャフト２の中心軸ｃ_０と直交し、ダイクロイックミラー２７を通過する軸ｃ_３上には、ダイクロイックミラー２７に近づく方向に順次、第三レーザ光源２４、偏光ビームスプリッタ２８及び１／４波長板２９が配置されている。中心軸ｃ_０と平行であり偏光ビームスプリッタ２８を通過する軸ｃ_４上には、参照ミラー２５と光強度検出素子２６とが偏光ビームスプリッタ２８を挟んで配置され、更に、参照ミラー２５と偏光ビームスプリッタ２８との間には１／４波長板３０が配置されている。

ここで、ダイクロイックミラー１１は、第一レーザ光Ｇは反射し、第二レーザ光Ｈは透過するミラーであり、中心軸ｃ_０に対して４５度傾けて配置されている。ダイクロイックミラー２７は、第三レーザ光Ｉは反射し、第一レーザ光Ｇ及び第二レーザ光Ｈは透過するミラーであり、中心軸ｃ_０に対して４５度傾けて配置されている。ダイクロイックミラー２３は、第三レーザ光Ｉは反射し、第一レーザ光Ｇ及び第二レーザ光Ｈは透過するミラーであり、プローブシャフト２の基端面に一体に設けられている。

更に、本実施の形態では、形状測定装置１００は、プローブ先端部３に一体に設けられた、平面ミラーとしての平面ダイクロイックミラー１０と、球面ミラー１６とを備えている。平面ダイクロイックミラー１０は、第一レーザ光Ｇは反射し、第二レーザ光Ｈは透過するミラーである。平面ダイクロイックミラー１０は、プローブシャフト２が正姿勢から姿勢変化（傾斜又は撓み変形）してプローブ先端部３がＺ軸に対して傾斜した際にプローブ先端部３と共に傾斜するように、プローブ先端部３に固定されている。また、球面ミラー１６もプローブ先端部３と共に並進移動するようにプローブ先端部３に固定されている。

本実施の形態では、プローブシャフト２が透明部材であるので、平面ダイクロイックミラー１０及び球面ミラー１６は、プローブシャフト２とプローブ先端部３との間に配置されている。具体的には、平面ダイクロイックミラー１０及び球面ミラー１６は、プローブシャフト２の先端とプローブ先端部３の基端との間に配置されている。そして、球面ミラー１６は、平面ダイクロイックミラー１０とプローブ先端部３との間に配置されている。具体的には、球面ミラー１６は、平面ダイクロイックミラー１０とプローブ先端部３の基端との間に配置されている。この平面ダイクロイックミラー１０は、平凹レンズの平面側を基板とし、その表面に第一レーザ光Ｇの波長の光を選択的に反射する誘電体多層膜を施すことで構成されている。また同レンズの凹面側には銀コートを施すことで、球面ミラー１６が構成されている。

また、プローブシャフト２を透明部材とし、平面ダイクロイックミラー１０及び球面ミラー１６をプローブシャフト２とプローブ先端部３との間に配置した構成とすることで、各光学系５，１２における光路を、プローブシャフト２内で共有させている。更に、ダイクロイックミラー１１，２３，２７を配置した構成とすることで、各光学系５，１２，３１における光路を、一部共有させている。

データサンプリング装置４１は、所定のサンプリング間隔で、第一光位置検出素子９、第二光位置検出素子１８及び光強度検出素子２６からの信号を取り込んでデータ化し、各測定データをサンプリングの度にコンピュータ４２に出力する。また、データサンプリング装置４１は、所定のサンプリング間隔で、不図示のＸ軸ステージ、Ｙ軸ステージの位置を検出する位置検出素子から出力された信号も取り込んでデータ化し、各測定データをサンプリングの度にコンピュータ４２に出力する。

コンピュータ４２は、不図示のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されており、ＣＰＵは、ＲＯＭ等に格納された制御プラグラムに基づいて演算処理を行う。この制御プログラムは、コンピュータ４２に被測定物４の表面の三次元の形状測定データを求めさせるものである。つまり、コンピュータ４２は、データサンプリング装置４１から入力した各測定データに基づき、形状測定データを求める。本実施の形態では、コンピュータ４２は、この制御プログラムにより、位置算出部４２ａ、ずれ量算出部４２ｂ、推定部４２ｃ及び形状測定データ作成部４２ｄとしての機能を有する。

次に、各部の動作について説明する。まず、オートコリメータ光学系５において、第一レーザ光源６から出射された第一レーザ光Ｇは、第一ハーフミラー７で直角に反射され、その反射光はコリメートレンズ８により平行光となる。この平行光となった第一レーザ光Ｇは、ダイクロイックミラー１１により直角に反射され、ダイクロイックミラー２７及びダイクロイックミラー２３を通過し、プローブシャフト２内を通過して、平面ダイクロイックミラー１０で反射する。この反射光は、プローブシャフト２、ダイクロイックミラー２３及びダイクロイックミラー２７を再度通過し、ダイクロイックミラー１１で直角に反射され、コリメートレンズ８に入射する。この入射光は、コリメートレンズ８で第一光位置検出素子９上に焦点が合わせられ、第一ハーフミラー７を通過して、第一光位置検出素子９で受光される。

ここで、図２に、プローブシャフト２が撓み変形したときのプローブ１の模式図を示す。なお、この図２において、説明の便宜上、プローブシャフト２を実際よりも極端に湾曲させている。また、プローブ１をＸ軸方向に走査させた場合について図示しているが、この動作に限定するものではなく、Ｘ，Ｙ軸を含む平面内で走査した場合において同様のことが言える。

この図２に示すように、プローブシャフト２が撓み変形すると、プローブ先端部３（平面ダイクロイックミラー１０）が傾斜する。また、プローブシャフト２が傾斜した際も、プローブ先端部３（平面ダイクロイックミラー１０）は傾斜する。

そして、平面ダイクロイックミラー１０のＺ軸に対する傾斜量θに対応して、第一光位置検出素子９（図１）の受光面における受光位置が変位するので、第一光位置検出素子９による受光位置の検出結果から、平面ダイクロイックミラー１０の傾斜量θがわかる。つまり、プローブシャフト２が正姿勢のときの第一光位置検出素子９の受光面における受光位置を座標基準とし、第一光位置検出素子９の受光面のどの座標位置で受光されたかにより、ミラー１０（プローブ先端部３）の傾斜の方向及び傾斜量θが特定される。このように、オートコリメータ光学系５は、平面ダイクロイックミラー１０に第一レーザ光Ｇを照射して平面ダイクロイックミラー１０で反射した反射光により、平面ダイクロイックミラー１０のＺ軸に対する傾斜量θを測定する。

また、並進移動量測定光学系１２において、第二レーザ光源１３から出射された第二レーザ光Ｈは、第二ハーフミラー１４で直角に反射され、その反射光は対物レンズ１５によりほぼ球面ミラー１６の位置に焦点が合わせられる。そして、対物レンズ１５を通過した第二レーザ光Ｈは、ダイクロイックミラー１１，２７，２３を順次通過し、プローブシャフト２内を通過し、平面ダイクロイックミラー１０を通過して、球面ミラー１６に到達する。球面ミラー１６で反射した第二レーザ光Ｈは、再び平面ダイクロイックミラー１０、プローブシャフト２、ダイクロイックミラー２３，２７，１１、対物レンズ１５を順次通過し、第二ハーフミラー１４を通過して、集光レンズ１７に到達する。集光レンズ１７で集光された第二レーザ光Ｈは、第二光位置検出素子１８上に焦点が合わせられ、第二光位置検出素子１８で受光される。

ここで、図２に示すように、プローブシャフト２が撓み変形すると、プローブ先端部３（球面ミラー１６）がＸ，Ｙ軸方向（図２ではＸ軸方向）に並進移動する。プローブシャフト２が正姿勢であるとき、プローブ先端部３の球（接触点）１９及び球面ミラー１６は、Ｚ軸と平行な中心軸ｃ_０上にある。

プローブシャフト２が正姿勢であると仮定したときのプローブ先端部３の球１９のＸ，Ｙ軸方向の位置は、不図示のＸ軸ステージ、Ｙ軸ステージの位置を検出する位置検出素子を用いて測定される。ここで、プローブシャフト２が正姿勢であるときのプローブ先端部３の球１９のＸ，Ｙ軸方向の位置を基準位置２２とする。

そして、基準位置２２に対する球面ミラー１６のＸ，Ｙ軸方向のずれ量（変位量）ｘ２に対応して、第二光位置検出素子１８（図１）の受光面における受光位置が変位する。したがって、第二光位置検出素子１８による受光位置の検出結果から、基準位置２２に対する球面ミラー１６のＸ，Ｙ軸方向のずれ量ｘ２がわかる。つまり、プローブシャフト２が正姿勢のときの第二光位置検出素子１８の受光面における受光位置を座標基準とし、第二光位置検出素子１８の受光面のどの座標位置で受光されたかにより、球面ミラー１６の基準位置２２からのずれ量ｘ２が特定される。このように、並進移動量測定光学系１２は、球面ミラー１６に第二レーザ光Ｈを照射して球面ミラー１６で反射した反射光により、基準位置２２に対する球面ミラー１６のＸ，Ｙ軸方向のずれ量ｘ２を測定する。

また、押し込み量測定光学系３１において、第三レーザ光源２４から出射された第三レーザ光Ｉは、偏光ビームスプリッタ２８で測定光（Ｐ偏光）と参照光（Ｓ偏光）とに分割される。第三レーザ光Ｉの内の測定光は、Ｐ偏光であるので偏光ビームスプリッタ２８を通過し、１／４波長板２９を通過し、ダイクロイックミラー２７で直角に反射して、ダイクロイックミラー２３に入射する。ダイクロイックミラー２３で反射した測定光は、再びダイクロイックミラー２７で反射して１／４波長板２９を通過し、Ｓ偏光となる。このＳ偏光となった測定光は、偏光ビームスプリッタ２８で直角に反射して、光強度検出素子２６にて受光される。他方、第三レーザ光Ｉの内の参照光は、Ｓ偏光であるので偏光ビームスプリッタ２８で直角に反射し、参照ミラー２５にて反射する。このとき、参照ミラー２５の近傍にある１／４波長板３０を２度通過するので、Ｓ偏光であった参照光は、Ｐ偏光となり、偏光ビームスプリッタ２８を直進して通過し、光強度検出素子２６にて受光される。

なお、押し込み量測定光学系３１がヘテロダイン干渉計である場合について説明したが、ホモダイン干渉計、或いは差動トランスや、静電容量センサなどの非接触式の変位計測手段を用いても良い。

データサンプリング装置４１は、光学系５により測定された傾斜量θを示す信号、光学系１２により測定されたずれ量ｘ２を示す信号、光学系３１により測定された測定光と参照光との干渉光を示す信号を所定のサンプリング間隔で取り込む。また、同時に、データサンプリング装置４１は、不図示のＸ，Ｙ軸ステージの位置を示す信号を所定のサンプリング間隔で取り込む。そして、データサンプリング装置４１は、各サンプリングタイミングで取り込んだ各測定データを、コンピュータ４２に出力する。

押し込み量測定光学系３１の測定データには、プローブ１（プローブシャフト２の基端面）のＺ軸方向の位置情報が含まれており、位置算出部４２ａは、この測定データに基づいてプローブ１のＺ軸方向の位置を算出する。

同時に位置算出部４２ａは、データサンプリング装置４１を介して取得した不図示のＸ，Ｙ軸ステージの位置を示す測定データから、プローブシャフト２が正姿勢であるとしたときのプローブ先端部３の球（接触点）１９のＸ，Ｙ軸方向の基準位置２２を算出する。

そして、ずれ量算出部４２ｂは、光学系５により測定された傾斜量θ、光学系１２により測定されたずれ量ｘ２、及び球１９と球面ミラー１６の中心との距離Ｒから、基準位置２２に対する球１９のＸ，Ｙ軸方向のずれ量ｘ１を算出する。なお、コンピュータ４２のＲＯＭ等には、ずれ量ｘ１を求めるための以下の式（１）が予め記憶されている。
ｘ１＝Ｒ×ｓｉｎθ＋ｘ２・・・式（１）

ここで、距離Ｒは、予め設定されている定数である。ずれ量算出部４２ｂは、取得した傾斜量θ及びずれ量ｘ２から、式（１）を用いて、ずれ量ｘ１を求めている。

推定部４２ｃは、位置算出部４２ａから得られた基準位置２２のデータと、ずれ量算出部４２ｂにより算出された、基準位置２２に対する球１９のＸ，Ｙ軸方向のずれ量ｘ１のデータからプローブ先端部３における球１９のＸ，Ｙ軸方向の位置を推定する。

形状測定データ作成部４２ｄは、推定部４２ｃにより推定されたプローブ先端部３における球１９のＸ，Ｙ軸方向の位置と、この位置に対して、位置算出部４２ａにより算出されたプローブ１のＺ軸方向の位置と、を取得する。これにより、被測定物４の表面の一点における形状データが求まる。

以上のコンピュータ４２の動作は、被測定物４の表面を走査してデータサンプリング装置４１によりデータサンプリングされる度に行われる。そして、形状測定データ作成部４２ｄは、被測定物４の表面の各点における形状データにより、被測定物４の表面の形状測定データを作成する。

以上、本実施の形態では、プローブ走査時にプローブシャフト２が傾いたり撓み変形したりしても、ずれ量算出部４２ｂによりプローブ先端部３における接触点である球１９のずれ量ｘ１を算出することが可能となる。このずれ量ｘ１からプローブ先端部３における接触点である球１９のＸ，Ｙ軸方向の位置が推定部４２ｃにより推定されるので、プローブシャフト２の撓み変形を含む姿勢変化に依存しない、測定誤差が低減した三次元の形状測定データを得ることができる。

また、プローブ先端部３の傾斜及び並進を光学系５，１２で測定することにより、プローブ１に形状計測誤差をもたらし得る力学的作用を及ぼさずにプローブ先端部３の傾斜及び並進の変位を測定することが可能となる。

また、プローブ１のプローブシャフト２を透明部材とし、第一レーザ光Ｇ及び第二レーザ光Ｈを透過させ、プローブ１の内部に配置したミラー１０，１６を用いてミラー１０の傾斜量及びミラー１６の並進量を測定するようにしている。これにより、コンパクトな構造となり、装置が小型化する。そして、各レーザ光Ｇ，Ｈがプローブシャフト２の内部を透過することで、光学系５におけるミラー１０上の測定点及び光学系１２におけるミラー１６上の測定点を、被測定物４の表面に接触させる球１９に近接させることが可能となる。これにより、各測定点と接触点となる球１９との相対位置が変化しにくい位置関係をとらせることが可能となる。従って、プローブ１における接触点となる球１９の位置の算出精度を向上させることができる。

また、平面ミラーが平面ダイクロイックミラー１０であり、平面ダイクロイックミラー１０とプローブ先端部３との間に球面ミラー１６を配置したので、光学系５の測定点と、光学系１２の測定点とを近接させることができる。これにより、二つの測定点の相対位置が変化しにくい位置関係をとらせることが可能となる。従って、プローブ１における接触点となる球１９の位置の算出精度を向上させることができる。

また、プローブシャフト２を透明部材として光学系５，１２の光路の一部を共有させているので、各光学系５，１２の測定点を、プローブ１の動作方向軸上に配置することが可能となる。これにより、光学系５，１２の方向依存性を減らすことができ、光学系５，１２に必要となる構成要素の数及び容積を減らすことが可能となる。

なお、上記実施の形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。上記実施の形態では、平面ダイクロイックミラー１０とプローブ先端部３との間に球面ミラー１６を配置した場合について説明したが、この配置関係に限定するものではない。各ミラー１０，１６がプローブ先端部３に一体に設けられていれば、各光学系５，１２で測定可能な範囲で各ミラー１０，１６の位置を任意に設定することが可能である。そして、球面ミラーとの関係上、平面ミラーがダイクロイックミラーである必要がない場合は、平面ミラーをダイクロイックミラー以外のミラーで構成してもよい。

また、上記実施の形態では、プローブ先端部３において被測定物４の表面に接触する接触点となる部分を球１９としたが、この形状に限定するものではなく、被測定物４の表面に点接触すると見做せる形状であれば、その形状は任意に設定することができる。

また、上記実施の形態では、プローブ１を被測定物４に対してＸ，Ｙ軸方向に移動させてプローブ１を走査させる場合について説明したが、被測定物４をプローブ１に対してＸ，Ｙ軸方向に移動させてプローブ１を走査させる場合であってもよい。

（参考例）
図３は参考例の形状測定装置１００Ａの概略構成を示す説明図である。図３において形状測定装置１００Ａは、プローブ１０１を備え、プローブ１０１は、ベース１２１に平行板ばね１２０によって懸架されている。プローブ１０１は、例えばＵＬＥ（登録商標）（Ｃｏｒｎｉｎｇ）のような透明低熱膨張ガラスで形成されたプローブシャフト１０２と、被測定物１０４に接触点１１９において接触する超硬合金製のプローブ先端部１０３とを有する。プローブシャフト１０２の上端には、プローブシャフト１０２の回転角度を測定するためのターゲットとなる第一平面ミラー１１０、下端には下端面の回転角度を測定するためのターゲットとなる第二平面ミラー１１６が構成されている。第一平面ミラー１１０は、プローブシャフト１０２の上端面に第一レーザ光Ｇａの波長の光を選択的に反射する誘電体多層膜を施すことで構成されている。また第二平面ミラー１１６は、プローブシャフト１０２の下端面に誘電体多層膜を施すことで構成され、全反射面となっている。

また、形状測定装置１００Ａは、第一の角度測定手段及び第二の角度測定手段を構成するオートコリメータ光学系１１２を備えている。オートコリメータ光学系１１２において、第一レーザ光源１０６は波長６３５ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザであり、第二レーザ光源１１３は第一レーザ光源１０６の波長とは異なる波長６７０ｎｍのレーザ光を出射する半導体レーザである。第一レーザ光源１０６及び第二レーザ光源１１３は、それぞれ第一ハーフミラー１０７と第二ハーフミラー１１４を落射用に備えている。また両レーザ光源用にコリメートレンズ１０８、信号検出用の光位置検出素子１１８も備えられている。また外部には、基準信号発生用のファンクションジェネレータ１１５、光位置検出素子１１８からの信号を演算する演算部１１７を備える。

第一レーザ光源１０６から出射した第一レーザ光Ｇａは、第一ハーフミラー１０７にてプローブ１０１に向かって曲げられる。更に、第二レーザ光源１１３から出射した第二レーザ光Ｈａについても同様に、第二ハーフミラー１１４にてプローブ１０１に向かって曲げられ、第一レーザ光Ｇａと同軸となる。そして、両レーザ光ともにコリメートレンズ１０８において平行光となり、同軸光としてプローブ１０１へ入射する。第一平面ミラー１１０は６３２．８ｎｍを中心波長とする狭帯域反射特性を持たせており、ここで第一レーザ光Ｇａは反射され、第二レーザ光Ｈａは透過し、プローブシャフト１０２を通過して下端の第二平面ミラー１１６にて反射される。第一レーザ光Ｇａ、第二レーザ光Ｈａのそれぞれの戻り光は、共にＰＳＤの光位置検出素子１１８へ入射する。

第一レーザ光源１０６と第二レーザ光源１１３には、外部からの電圧印加により強度変調が可能なものを用いている。第一レーザ光源１０６に対し、ファンクションジェネレータ１１５より発振させた基準信号を増幅して印加することにより、該基準信号に同期した強度変化を持つ第一レーザ光Ｇａを得ることができる。そして、第二レーザ光源１１３に対しては、基準信号の反転信号を増幅して印加することにより、第二レーザ光Ｈａには第一レーザ光Ｇａに対し位相が１８０°ずれた強度変化を持たせることができる。これにより同軸光は第一レーザ光Ｇａと第二レーザ光Ｈａが交互に強度を持つ光線で構成することができる。従って光位置検出素子１１８から得られた検出信号について、演算部１１７において基準信号とその反転信号に同期した成分を分離することができる。即ち、一つのオートコリメータ光学系を時間的に入れ替えて第一平面ミラー１１０と第二平面ミラー１１６の傾きを測定することが可能となる。以上により、一つのオートコリメータ光学系で複数のミラーの傾きを測定することで、複数のオートコリメータ光学系を用いた場合に比して、より小型、軽量な測定手段を得ることができる。

１…プローブ、２…プローブシャフト、３…プローブ先端部、４…被測定物、５…オートコリメータ光学系（第一測定光学系）、１０…平面ダイクロイックミラー（平面ミラー）、１２…並進移動量測定光学系（第二測定光学系）、１６…球面ミラー、１９…球（接触点）、４２ｂ…ずれ量算出部、４２ｃ…推定部、１００…形状測定装置、ｃ_０…中心軸、Ｇ…第一レーザ光、Ｈ…第二レーザ光

Claims

Ｚ軸方向に移動可能に支持され、中心軸がＺ軸と平行な状態を正姿勢とするプローブシャフトと、前記プローブシャフトの先端に設けられ、被測定物の表面に接触させるプローブ先端部とを有するプローブを備え、前記プローブを被測定物の表面に対してＸ，Ｙ軸方向に走査し、前記プローブ先端部における前記被測定物に接触する接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置に対する前記プローブのＺ軸方向の位置を測定することで、前記被測定物の表面の三次元の形状測定データを取得する形状測定装置であって、
前記プローブ先端部に一体に設けられ、前記プローブシャフトが正姿勢から姿勢変化して前記プローブ先端部がＺ軸に対して傾斜した際に、前記プローブ先端部と共に傾斜する平面ミラーと、
前記平面ミラーのＺ軸に対する傾斜量を、前記平面ミラーに第一レーザ光を照射して前記平面ミラーで反射した反射光により測定する第一測定光学系と、
前記プローブ先端部に一体に設けられた球面ミラーと、
前記プローブシャフトが正姿勢であるときの前記接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置を基準位置とし、前記基準位置に対する前記球面ミラーのＸ，Ｙ軸方向のずれ量を、前記球面ミラーに第二レーザ光を照射して前記球面ミラーで反射した反射光により測定する第二測定光学系と、
前記第一測定光学系により測定された傾斜量、前記第二測定光学系により測定されたずれ量、及び前記接触点と前記球面ミラーとの距離から、前記基準位置に対する前記接触点のＸ，Ｙ軸方向のずれ量を算出するずれ量算出部と、
前記ずれ量算出部により算出された前記基準位置に対する前記接触点のＸ，Ｙ軸方向のずれ量から前記接触点のＸ，Ｙ軸方向の位置を推定する推定部と、
を備えたことを特徴とする形状測定装置。
前記プローブ先端部は、前記プローブシャフトよりも剛性が高い部材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記プローブシャフトが透明部材からなり、前記平面ミラー及び前記球面ミラーが前記プローブシャフトと前記プローブ先端部との間に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の形状測定装置。
前記平面ミラーが、前記第一レーザ光を反射し、前記第二レーザ光を透過するダイクロイックミラーであり、
前記球面ミラーが、前記平面ミラーと前記プローブ先端部との間に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。