表面形状測定機
【課題】 プローブの他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する表面形状測定機において、プローブの振れを簡単な構造で検出可能にする。
【解決手段】 ステージ7と、ステージの移動位置を検出する検出器9,11と、第３の軸方向に移動可能な移動台22と、移動台に対して第３の軸方向に移動可能に保持され、一端が被測定物の表面に接触し、他端に鏡面34を有するプローブ25と、プローブの鏡面と基準平面との距離を検出する距離検出器とを備える表面形状測定機において、鏡面に斜めに入射する平行ビームを出射するビーム源35,36と、反射ビームを分割するビーム分割手段38と、分割されたビームの一方が入射される第１のビーム位置検出器39と、他方が入射される集束手段40と、集束ビームが入射される第２のビーム位置検出器41と、第１及び第２のビーム位置検出器の検出信号から、鏡面34の傾斜を検出する演算回路とを備える。
【解決手段】 ステージ7と、ステージの移動位置を検出する検出器9,11と、第３の軸方向に移動可能な移動台22と、移動台に対して第３の軸方向に移動可能に保持され、一端が被測定物の表面に接触し、他端に鏡面34を有するプローブ25と、プローブの鏡面と基準平面との距離を検出する距離検出器とを備える表面形状測定機において、鏡面に斜めに入射する平行ビームを出射するビーム源35,36と、反射ビームを分割するビーム分割手段38と、分割されたビームの一方が入射される第１のビーム位置検出器39と、他方が入射される集束手段40と、集束ビームが入射される第２のビーム位置検出器41と、第１及び第２のビーム位置検出器の検出信号から、鏡面34の傾斜を検出する演算回路とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージに載置された被検査物の表面形状を高精度に測定する表面形状測定機に関し、特に、プローブの一端が略一定の測定圧で被検査物の表面に接触し、プローブの他端の鏡面の位置をレーザ干渉計で高精度に検出する表面形状測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面形状を高精度に測定する表面形状測定機は、第１の軸（Ｘ）方向及び第２の軸（Ｙ）方向に移動可能なステージと、第３の軸（Ｚ）方向に移動可能なプローブとを有し、ステージに被測定物を載置して表面にプローブの一端を接触させた状態でステージを移動させた時のプローブの他端のＺ方向の変位を検出する構成を有する。プローブは、支点を回転軸にして円弧運動（ピボット運動）するものもあるが、比較的広い測定範囲で高精度の測定が行える測定機では、直線運動するものが使用される。
【０００３】
特許文献１は、直線運動するプローブを有する表面形状測定機を記載している。特許文献１に記載された表面形状測定機では、エアー軸受けでＺ方向に移動可能に支持されたプローブを使用し、プローブの被検査物の表面に接触する一端と反対側の他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する構成を記載しているが、小さな一定の測定圧を得るために、エアー軸受けが取り付けられる光プローブ（移動台）をＺ方向に移動可能にして、プローブが移動台に対して所定の位置関係になるようにフィードバック制御することが行われている。具体的には、プローブの他端の鏡面に光ビームを集束し、反射ビームから集束状態を検出してオートフォーカス信号を生成するオートフォーカス機構を移動台に設け、オートフォーカス信号に基づいてフィードバック制御を行う。特許文献１は、プローブの振れについては記載していない。
【０００４】
特許文献２は、直線運動するプローブとして使用されるエアシリンダを記載している。特許文献２によれば、芯材と支持部材の接合部分を隙間なく一体的に固定した構造とすることにより、芯材の振れを低減した構造を記載している。
【０００５】
しかし、直線運動するプローブは、隙間がないと移動できないため、支持部材との間に微小な隙間が必要である。そのため、プローブに横方向から力がかかると、プローブが傾き、プローブの先端と被測定物の表面との接触位置に誤差を生じ、測定精度が低下するという問題を生じる。
【０００６】
特許文献３は、触針プローブの他端の振れを検出して補正する構成を記載している。特許文献３によれば、プローブの軸に垂直な２方向の振れを検出するために、２個の被接触式センサが設けられる。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２６５３４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２２２０号公報
【特許文献３】特開平５−６０５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、直線運動するプローブは、横方向から力がかかると、プローブが傾き、測定精度が低下するので、プローブの振れを検出して補正する必要がある。正確な補正を行うには、プローブの振れを、プローブの軸に垂直な２方向で、例えば、プローブの軸をＺ軸とすると、Ｘ軸とＹ軸に対する回転として検出する必要があり、２個の被接触式センサを用いている。しかし、２個の被接触式センサを設けるとコスト増になるだけでなく、プローブの支持部分が大きくなるという問題がある。
【０００９】
また、被接触式センサとして、光センサを用いる場合、プローブの２つの側面を鏡面として、２つの検出ビームを発生する２つの光源を設ける必要がある。プローブの２つの側面を鏡面とするため、プローブを大きくする必要があり、プローブの移動質量が増加し、プローブの運動性能（追従性）が低下するという問題を生じる。また、２つの光源を設けるため、コスト増になるだけでなく、プローブの支持部分が大きくなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、プローブの他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する表面形状測定機において、プローブの振れを簡単な構造で検出可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を実現するため、本発明の表面形状測定機は、プローブの変位を検出するためにプローブの他端に設けられた鏡面を、プローブの振れの検出にも利用し、１個の光源からの平行ビームをこの鏡面に斜めに入射させ、反射ビームを２つに分割して、一方のビームで鏡面の振れによる変化を検出し、他方のビームで鏡面の位置と振れによる変化を検出し、２つの検出結果を合わせてプローブの振れを検出する。
【００１２】
すなわち、本発明の表面形状測定機は、第１及び第２の軸方向に移動可能なステージと、前記ステージの前記第１及び第２の軸方向の移動位置を検出する第１及び第２の軸方向位置検出器と、第３の軸方向に移動可能な移動台と、前記移動台に対して、前記第３の軸方向に移動可能に保持され、一端が前記ステージ上に載置された被測定物の表面に接触し、他端に前記第３の軸方向に垂直な鏡面を有するプローブと、前記プローブの前記鏡面と前記第３の軸方向に垂直な基準平面との距離を検出する第３の軸方向距離検出器とを備える表面形状測定機において、前記プローブの前記鏡面に斜めに入射する平行ビームを出射するビーム源と、前記鏡面で反射された前記平行ビームを分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの一方が入射され、入射位置を検出する第１のビーム位置検出器と、前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの他方が入射される集束手段と、前記集束手段で集束される他方の前記平行ビームが入射され、前記平行ビームの入射位置を検出する第２のビーム位置検出器と、前記第１及び第２のビーム位置検出器の検出信号から、前記鏡面の前記第１及び第２の軸方向に垂直な方向を軸とする傾斜を検出する演算回路とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、プローブの変位を検出するためにプローブの他端に設けられた鏡面を利用してプローブの振れを検出するため、プローブの側面を鏡面とする必要がなく、プローブを小さくできる。また、平行ビームを鏡面に斜めに入射させることにより、反射ビームにはプローブの振れ、すなわち、プローブの軸（第３の軸）方向に垂直な２方向を軸とする回転による変化が含まれるので、その変化を分離して検出することにより、１個の光源からの１つのビームでプローブの２方向の振れを検出できる。このように、本発明によれば、プローブに新たに鏡面を設ける必要がなく、プローブの２方向の振れを１つのビームで検出するので、構成が簡単である。
【００１４】
プローブの鏡面の第３の軸方向の位置は非常に高精度に検出する必要があるので、第３の軸方向距離検出器は、例えば、干渉計などを使用して基準平面との距離を検出する。
【００１５】
演算回路の検出した鏡面の傾斜に対応するプローブの傾斜に基づいて、プローブの一端の位置を補正する。補正方法については、特許文献３に記載された方法と同様の方法が適用できる。
【００１６】
プローブの被測定物の表面に対する接触圧を一定にするために、プローブの他端の移動台に対する相対位置をできるだけ一定にするように、移動台の第３の軸方向の移動を制御する移動台制御部を備えることが望ましい。
【００１７】
移動台制御部の制御方法には各種の方法があり、例えば、被測定物の表面の形状データに基づいて、ステージの移動に伴う被測定物の表面の第３の軸方向の位置を算出して、移動台の第３の軸方向の移動を制御したり、第３の軸方向距離検出器の検出したプローブの鏡面の第３の軸方向の位置に応じて、移動台の前記第３の軸方向の移動を制御したり、演算回路がプローブの振れを算出する過程で算出するプローブの鏡面の第３の軸方向の位置に応じて、移動台の第３の軸方向の移動を制御する。
【００１８】
第１のビーム位置検出器は、２分割光検出器で実現でき、第２のビーム位置検出器は、４分割光検出器で実現できる。また、第１及び第２のビーム位置検出器は、ポジションセンサで実現することもできる。
【００１９】
また、本発明の表面形状測定機のような非常な高精度で表面形状を測定する場合、被測定物を含めて周囲環境を安定させる必要があり、表面形状測定機を覆うカバーを設ける必要があるが、その場合、プローブと被測定物の表面の接触部分を確認することが難しくなるので、プローブの他端付近を照明する照明手段と、プローブの他端付近を撮影するＴＶカメラとを設けることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、プローブの他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する表面形状測定機において、プローブの振れを簡単な構造で検出できる。また、プローブの可動質量を小さくできるので、プローブの運動性能（追従性）が低下しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施例の表面形状測定機の全体構成を示す図であり、（Ａ）が上面図を、（Ｂ）が側面図を示す。図１の（Ａ）の上面図では、カバー２９を除いている。
【００２２】
図１に示すように、実施例の表面形状測定機は、防振台で支持されたベース１と、ベース１上に設けられたアーチ型の支持部材３、４と、ベース１上に設けられたＹ（第２）移動軸５と、Ｙ移動軸５の上をＹ軸方向に移動可能に設けられたＸ（第１）移動軸６と、Ｘ移動軸６の上をＸ軸方向に移動可能に設けられたステージ７と、支持部材４に設けられたＺ（第３）軸方向検出部８と、カバー２９とを有する。
【００２３】
ステージ７は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。Ｘ移動軸６及びＹ移動軸５は、例えば、ボールネジと平行ガイドを組み合わせた移動機構で実現できる。ステージ７のＹ軸方向の移動量は、ベース９に設けられたＹ軸レーザ干渉ヘッド９により検出され、ステージ７のＸ軸方向の移動量は、支持部材３に設けられたＸ軸レーザ干渉ヘッド１１により検出される。Ｙ軸レーザ干渉ヘッド９から出射されたレーザビーム１０は、ステージ７の側面に設けられた平面ミラーでＹ軸レーザ干渉ヘッド９に反射され、Ｙ軸レーザ干渉ヘッド９と平面ミラーの間の距離変化が検出される。同様に、Ｘ軸レーザ干渉ヘッド１１から出射されたレーザビーム１２は、ステージ７の側面に設けられた平面ミラーでＸ軸レーザ干渉ヘッド１１に反射され、Ｘ軸レーザ干渉ヘッド１１と平面ミラーの間の距離変化が検出される。Ｘ軸レーザ干渉ヘッド１１は、基準ビームと、基準ビームとＹ軸方向の位置が異なる第２ビームと、基準ビームとＺ軸方向の位置が異なる第３ビームとを出力し、ステージのＸ軸方向の移動量と共に、Ｚ軸を中心とする回転（ヨーイング）及びＹ軸を中心とする回転（ピッチング）を検出する。Ｙ軸レーザ干渉ヘッド９は、基準ビームと、基準ビームとＺ軸方向の位置が異なる第２ビームとを出力し、ステージのＹ軸方向の移動量と共に、Ｘ軸を中心とする回転（ピッチング）を検出する。
【００２４】
更に、移動に伴って、ステージ７のＺ軸方向の位置が変化するので、ステージ７に設けた干渉計１３により、ステージ７と後述するＺ基準平面ミラー２８との間の距離変化を測定して補正を行う。
【００２５】
ステージの移動機構は、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００２６】
Ｚ軸方向検出部８は、Ｚ（第３）移動軸２１と、Ｚ移動軸２１上を移動可能に設けられた移動台２２と、レーザ干渉計２３と、移動台２２に設けられたプローブ支持部材２４と、プローブ支持部材２４に設けられたＺ方向移動可能なプローブ２５と、レーザ干渉計２３からのビーム２６を反射するミラー２７と、Ｚ基準平面ミラー２８とを有する。
【００２７】
図２は、Ｚ軸方向検出部８の詳細な構成を示す図である。移動台２２には、プローブ支持部材２４と、プローブ２５の振れ（傾き）を検出するための光学系３３と、プローブ２５の一端（先端）を照明するＬＥＤ５１と、プローブ２５の先端部の画像を撮影する小型ＴＶカメラ５２とが設けられる。プローブ支持部材２４及びプローブ２５は、例えば、特許文献２に記載されたエアシリンダであり、プローブ２５をＺ軸方向に移動可能に支持し、プローブ２５の先端がステージ７上に載置された被測定物１００の表面に接触する時の接触圧をＺ軸方向の比較的広い範囲で略一定に保持する。プローブ２５の他端にはミラー３４が設けられている。プローブ支持部材２４及びプローブ２５の詳細な構成は、特許文献２に記載されているので、ここでは説明を省略する。
【００２８】
レーザ干渉計２３は、レーザ光源と、光検出器などを含むレーザ干渉ユニット３１と、ビームスプリッタ３２とを有する。レーザ干渉ユニット３１から出射されたレーザビームはビームスプリッタ３２で２つのビームに分割され、一方のビーム４２はプローブ２５のミラー３４に入射して反射され、逆の経路を通って再びビームスプリッタ３２を通過する。他方のビーム２６は前述のミラー２７で反射された後、Ｚ基準平面ミラー２８に入射して反射され、逆の経路を通って再びビームスプリッタ３２で反射され、プローブ２５のミラー３４で反射されたビームと干渉する。干渉した光の強度変化をカウントすることにより、ミラー３４とＺ基準平面ミラー２８の相対距離の変化を検出することができ、Ｚ基準平面ミラー２８は固定であるので、ミラー３４の移動量、すなわちプローブ２５の移動量を検出できる。前述のように、移動台２２は、Ｚ移動軸２１上を移動するが、レーザ干渉計２３、ミラー２７及びＺ基準平面ミラー２８は固定であるので、プローブ２５の移動及び移動台２２の移動を合わせたミラー３４の絶対位置が検出できる。レーザ干渉計の構成は広く知られているので、ここでは説明を省略する。
【００２９】
光学系３３は、半導体レーザ（ＬＤ）又はＬＥＤなどの光源３５と、光源３５からの光ビームを平行光にするコリメータレンズ３６と、ミラー３４で反射された平行ビームを反射するミラー３７と、ミラー３７で反射された平行ビームを２つのビームに分割するビームスプリッタ（ハーフミラー）３８と、分割された一方の平行ビームが入射する２分割光検出器３９と、分割された他方の平行ビームを集束するレンズ４０と、レンズ４０を通過した集束ビームが入射する４分割光検出器４１とを有する。２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１については、広く知られているので説明は省略する。また、これらの検出器の代わりに、正方形の受光部の中心及び４辺に電極を有し、４辺の各電極に流れる電流から光ビームの照射位置を検出するポジションセンサを使用することも可能である。
【００３０】
実施例の表面形状測定機は、例えばレンズなどの表面形状を非常な高精度で測定する装置であり、精密な測定を行うには被測定物を含めた表面形状測定機の測定部分全体を一定の温度条件などに保持する必要がある。そのため、図１の（Ｂ）に示すように、カバー２９が設け、内部を安定した状態にしている。なお、カバー２９を閉めた後、安定した測定が行えるようになるのは数十分間を要する場合もある。測定を行う場合には、被測定物の所定部分にプローブを接触させるなどの動作が必要であるが、カバー２９で覆うと内部を観察できず、このような動作を行うことができない。そこで、ＬＥＤ５１でプローブ２５の先端を照明し、小型ＴＶカメラ５２でプローブ２５の先端部の画像を撮影することにより、カバー２９を開けなくても観察が行えるようにしている。これにより、カバー２９を開けずに上記の動作が行え、内部の安定状態が持続されるので、安定状態まで待機する必要がなくなり、測定のスループットが向上する。
【００３１】
図３は、光学系３３の構成を説明する図である。図３に示すように、ＬＤ又はＬＥＤなどの光源３５から広がる光ビームはコリメータレンズ３６で平行ビームにされ、ミラー３４で反射される。反射された平行ビームはビームスプリッタ３８で２つのビームに分割され、一方は２分割光検出器３９に垂直に入射し、他方は集束レンズ４０で集束ビームに変換されて４分割光検出器４１に垂直に入射する。平行ビームは、Ｘ軸又はＹ軸とＺ軸とのなす平面内を進むように配置され、２分割光検出器３９の２つの受光部を分割する線が、この平面に垂直になるように配置される。４分割光検出器４１は、４つの受光部を分割する２本の線の一方がこの平面に垂直になるように配置される。
【００３２】
図４は、光学系３３の検出原理を説明する図であり、（Ａ）はミラー３４がＺ軸方向に変位した場合の２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１でのビーム位置の変化を示し、（Ｂ）はミラー３４がＺ軸に垂直な方向を中心として回転した場合の２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１でのビーム位置の変化を示す。
【００３３】
図４の（Ａ）に示すように、ミラー３４がＺ軸方向に変位すると、２分割光検出器３９へのビームの入射位置がリニアに変化する。入射位置の変化は、ミラー３４への入射角をθ、ミラー３４のＺ軸方向の変位をＤとすると、Ｄｓｉｎθで表される。集束レンズ４０への入射高さが変化しても集束位置は変化しないので、４分割光検出器４１へのビームの入射位置は変化しない。
【００３４】
図４の（Ｂ）に示すように、ミラー３４が紙面に垂直な軸を中心として回転すると、２分割光検出器３９へのビームの入射位置はほぼリニアに変化する。２分割光検出器３９への入射位置の変化は、ミラー３４から２分割光検出器３９までの距離に回転角度の２倍を乗じた量である。また、４分割光検出器４１へのビームの入射位置も変化する。４分割光検出器４１への入射位置の変化は、レンズ４０の焦点距離、レンズ４０に対するミラー３４及び４分割光検出器４１の入射面の位置関係で決定されるが、入射位置はほぼリニアに変化する。図４の（Ｂ）ではミラー３４が紙面に垂直な軸を中心として回転する場合を示したが、ミラー３４が紙面内の軸を中心として回転する場合も同様であるが、２分割光検出器３９はこの方向の変位を検出することはできない。４分割光検出器４１は、各受光部の出力信号を加減算することにより、２方向の回転に対応するビームの入射位置の変化を検出できる。
【００３５】
図５は、２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１の各受光部の出力を演算する演算回路の構成を示す図である。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは受光部と、その出力信号を表す。図５に示すように、演算回路は、各受光部の出力信号の増幅回路と、４分割光検出器４１の４つの受光部の信号のＡとＢ、ＣとＤ、ＡとＣ、ＢとＤの和を演算する第１から第４の加算回路と、第１加算回路と第２加算回路の差を演算する第１減算回路と、第３加算回路と第４加算回路の差を演算する第２減算回路と、２分割光検出器３９の２つの受光部の出力信号Ｅ、Ｆの差を演算する第３減算回路と、第１減算回路と第３減算回路の差を演算する第４減算回路とを有する。第１減算回路からは信号（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）が、第２減算回路からは信号（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）が、第３減算回路からは信号（Ｅ＋Ｆ）−（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）が出力される。配置に応じて、例えば、信号（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）はＸ軸を中心とする回転（傾き）を、信号（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）はＹ軸を中心とする回転（傾き）を、信号（Ｅ＋Ｆ）−（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）はＺ軸方向の変位を表す。実際には、光学系の配置に応じて、各種係数を乗じることが必要である。
【００３６】
以上説明したように、光学系３３により、プローブの他端に設けられたミラー３４の傾き、すなわちプローブ２５の振れが検出できる。
【００３７】
被測定物、例えば非球面レンズの表面形状を測定する場合には、被測定物を載置したステージ７を、Ｘ軸方向の位置を固定してＹ軸方向に移動させた時の、干渉計２３によるプローブのＺ軸方向の変位を測定する。このような測定をＸ軸方向の位置を変えて繰り返すことにより、被測定物の表面形状が測定できる。なお、この時光学系３３により検出したプローブの傾き（振れ）に応じてプローブの先端のＸ軸方向及びＹ軸方向の誤差を算出して位置を補正する。これについては、特許文献３に記載されているので説明を省略する。
【００３８】
上記のように、エアシリンダは、プローブ２５の被測定物との接触圧をＺ軸方向の比較的広い範囲で略一定に保持することが可能であるが、形状測定機の測定範囲に比べれば変位可能な範囲は狭い。そのため、被測定物の表面位置に応じて移動台２２を移動させて、プローブ２５がプローブ支持部材２４に対して所定の範囲内に位置するように制御する必要がある。この制御方法を説明する。
【００３９】
１つの方法は、被測定物の表面形状の設計データがあらかじめ分かっており、実際の形状はそれから大きく変動することがない場合である。このような場合には、図６の（Ａ）のように、Ｘ軸又はＹ軸方向の移動に伴うＺ軸方向の変位を設計データに従って算出し、算出した変位から移動台２２の移動軌跡Ｔを算出し、移動軌跡Ｔに従って移動台２２を移動させる。この時、実際の測定データはＰのように変化する。前述のように、移動台２２を移動しても干渉計２３が検出するミラー３４、すなわちプローブ２５の先端位置はＺ基準平面ミラーに対する距離として検出されるので、正確な測定が可能である。
【００４０】
被測定物の表面形状の設計データが得られない時には、例えば、図６の（Ｂ）に示すように、干渉計２３が検出するミラー３４、すなわちプローブ２５の先端位置に基づいて、プローブ２５とプローブ支持部材２４の相対位置を算出し、相対位置の差が所定値以上になった時には、相対位置の差を小さくするように、移動台２２の位置を制御する。図６の（Ｂ）において、Ｐが干渉計２３が検出するミラー３４、すなわちプローブ２５の先端位置を表し、Ｔが移動台２２の制御軌跡を表す。
【００４１】
なお、干渉計２３が検出するミラー３４の位置の代わりに、光学系３３の演算回路の第４の減算回路の出力する信号（Ｅ＋Ｆ）−（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）を使用して制御を行うことも可能である。
【００４２】
また、測定中にミラー３４の傾きが所定値以上大きくなった時には、プローブに側方から過負荷がかかっていると考えられるので、測定を直ちに停止する。これにより、プローブ２５、プローブ支持部材２４などの破損を防止することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であることはいうまでもない。例えば、実施例では、プローブとしてエアシリンダを使用したが、図７に示すような支持部材６２にボールベアリングを介してＺ軸方向に移動可能に保持されたプローブ６１を使用し、プローブ６１の自重を相殺するバネ６４を設けて、微小な接触圧が得られるようにしたプローブを使用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、プローブの他端に設けたミラーの位置を検出することにより表面形状を測定する表面形状測定機であればどのようなものにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例の表面形状測定機の全体構成を示す図である。
【図２】Ｚ軸方向検出部の詳細な構成を示す図である。
【図３】ミラーの回転（傾き）を検出する光学系の構成を示す図である。
【図４】ミラーの回転（傾き）を検出する光学系の検出原理を説明する図である。
【図５】ミラーの回転（傾き）を検出する光学系の出力信号の演算回路の構成を示す図である。
【図６】測定時の移動台の移動制御を説明する図である。
【図７】プローブの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
７ ステージ
８ Ｚ軸方向検出部
２１ Ｚ移動軸
２２ 移動台
２３ 干渉計
２４ プローブ支持部材
２５ プローブ
３３ プローブ振れ検出光学系
３４ ミラー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ステージに載置された被検査物の表面形状を高精度に測定する表面形状測定機に関し、特に、プローブの一端が略一定の測定圧で被検査物の表面に接触し、プローブの他端の鏡面の位置をレーザ干渉計で高精度に検出する表面形状測定機に関する。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の表面形状を高精度に測定する表面形状測定機は、第１の軸（Ｘ）方向及び第２の軸（Ｙ）方向に移動可能なステージと、第３の軸（Ｚ）方向に移動可能なプローブとを有し、ステージに被測定物を載置して表面にプローブの一端を接触させた状態でステージを移動させた時のプローブの他端のＺ方向の変位を検出する構成を有する。プローブは、支点を回転軸にして円弧運動（ピボット運動）するものもあるが、比較的広い測定範囲で高精度の測定が行える測定機では、直線運動するものが使用される。
【０００３】
特許文献１は、直線運動するプローブを有する表面形状測定機を記載している。特許文献１に記載された表面形状測定機では、エアー軸受けでＺ方向に移動可能に支持されたプローブを使用し、プローブの被検査物の表面に接触する一端と反対側の他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する構成を記載しているが、小さな一定の測定圧を得るために、エアー軸受けが取り付けられる光プローブ（移動台）をＺ方向に移動可能にして、プローブが移動台に対して所定の位置関係になるようにフィードバック制御することが行われている。具体的には、プローブの他端の鏡面に光ビームを集束し、反射ビームから集束状態を検出してオートフォーカス信号を生成するオートフォーカス機構を移動台に設け、オートフォーカス信号に基づいてフィードバック制御を行う。特許文献１は、プローブの振れについては記載していない。
【０００４】
特許文献２は、直線運動するプローブとして使用されるエアシリンダを記載している。特許文献２によれば、芯材と支持部材の接合部分を隙間なく一体的に固定した構造とすることにより、芯材の振れを低減した構造を記載している。
【０００５】
しかし、直線運動するプローブは、隙間がないと移動できないため、支持部材との間に微小な隙間が必要である。そのため、プローブに横方向から力がかかると、プローブが傾き、プローブの先端と被測定物の表面との接触位置に誤差を生じ、測定精度が低下するという問題を生じる。
【０００６】
特許文献３は、触針プローブの他端の振れを検出して補正する構成を記載している。特許文献３によれば、プローブの軸に垂直な２方向の振れを検出するために、２個の被接触式センサが設けられる。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２６５３４０号公報
【特許文献２】特開２００２−１６２２２０号公報
【特許文献３】特開平５−６０５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のように、直線運動するプローブは、横方向から力がかかると、プローブが傾き、測定精度が低下するので、プローブの振れを検出して補正する必要がある。正確な補正を行うには、プローブの振れを、プローブの軸に垂直な２方向で、例えば、プローブの軸をＺ軸とすると、Ｘ軸とＹ軸に対する回転として検出する必要があり、２個の被接触式センサを用いている。しかし、２個の被接触式センサを設けるとコスト増になるだけでなく、プローブの支持部分が大きくなるという問題がある。
【０００９】
また、被接触式センサとして、光センサを用いる場合、プローブの２つの側面を鏡面として、２つの検出ビームを発生する２つの光源を設ける必要がある。プローブの２つの側面を鏡面とするため、プローブを大きくする必要があり、プローブの移動質量が増加し、プローブの運動性能（追従性）が低下するという問題を生じる。また、２つの光源を設けるため、コスト増になるだけでなく、プローブの支持部分が大きくなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、プローブの他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する表面形状測定機において、プローブの振れを簡単な構造で検出可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を実現するため、本発明の表面形状測定機は、プローブの変位を検出するためにプローブの他端に設けられた鏡面を、プローブの振れの検出にも利用し、１個の光源からの平行ビームをこの鏡面に斜めに入射させ、反射ビームを２つに分割して、一方のビームで鏡面の振れによる変化を検出し、他方のビームで鏡面の位置と振れによる変化を検出し、２つの検出結果を合わせてプローブの振れを検出する。
【００１２】
すなわち、本発明の表面形状測定機は、第１及び第２の軸方向に移動可能なステージと、前記ステージの前記第１及び第２の軸方向の移動位置を検出する第１及び第２の軸方向位置検出器と、第３の軸方向に移動可能な移動台と、前記移動台に対して、前記第３の軸方向に移動可能に保持され、一端が前記ステージ上に載置された被測定物の表面に接触し、他端に前記第３の軸方向に垂直な鏡面を有するプローブと、前記プローブの前記鏡面と前記第３の軸方向に垂直な基準平面との距離を検出する第３の軸方向距離検出器とを備える表面形状測定機において、前記プローブの前記鏡面に斜めに入射する平行ビームを出射するビーム源と、前記鏡面で反射された前記平行ビームを分割するビーム分割手段と、前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの一方が入射され、入射位置を検出する第１のビーム位置検出器と、前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの他方が入射される集束手段と、前記集束手段で集束される他方の前記平行ビームが入射され、前記平行ビームの入射位置を検出する第２のビーム位置検出器と、前記第１及び第２のビーム位置検出器の検出信号から、前記鏡面の前記第１及び第２の軸方向に垂直な方向を軸とする傾斜を検出する演算回路とを備えることを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、プローブの変位を検出するためにプローブの他端に設けられた鏡面を利用してプローブの振れを検出するため、プローブの側面を鏡面とする必要がなく、プローブを小さくできる。また、平行ビームを鏡面に斜めに入射させることにより、反射ビームにはプローブの振れ、すなわち、プローブの軸（第３の軸）方向に垂直な２方向を軸とする回転による変化が含まれるので、その変化を分離して検出することにより、１個の光源からの１つのビームでプローブの２方向の振れを検出できる。このように、本発明によれば、プローブに新たに鏡面を設ける必要がなく、プローブの２方向の振れを１つのビームで検出するので、構成が簡単である。
【００１４】
プローブの鏡面の第３の軸方向の位置は非常に高精度に検出する必要があるので、第３の軸方向距離検出器は、例えば、干渉計などを使用して基準平面との距離を検出する。
【００１５】
演算回路の検出した鏡面の傾斜に対応するプローブの傾斜に基づいて、プローブの一端の位置を補正する。補正方法については、特許文献３に記載された方法と同様の方法が適用できる。
【００１６】
プローブの被測定物の表面に対する接触圧を一定にするために、プローブの他端の移動台に対する相対位置をできるだけ一定にするように、移動台の第３の軸方向の移動を制御する移動台制御部を備えることが望ましい。
【００１７】
移動台制御部の制御方法には各種の方法があり、例えば、被測定物の表面の形状データに基づいて、ステージの移動に伴う被測定物の表面の第３の軸方向の位置を算出して、移動台の第３の軸方向の移動を制御したり、第３の軸方向距離検出器の検出したプローブの鏡面の第３の軸方向の位置に応じて、移動台の前記第３の軸方向の移動を制御したり、演算回路がプローブの振れを算出する過程で算出するプローブの鏡面の第３の軸方向の位置に応じて、移動台の第３の軸方向の移動を制御する。
【００１８】
第１のビーム位置検出器は、２分割光検出器で実現でき、第２のビーム位置検出器は、４分割光検出器で実現できる。また、第１及び第２のビーム位置検出器は、ポジションセンサで実現することもできる。
【００１９】
また、本発明の表面形状測定機のような非常な高精度で表面形状を測定する場合、被測定物を含めて周囲環境を安定させる必要があり、表面形状測定機を覆うカバーを設ける必要があるが、その場合、プローブと被測定物の表面の接触部分を確認することが難しくなるので、プローブの他端付近を照明する照明手段と、プローブの他端付近を撮影するＴＶカメラとを設けることが望ましい。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、プローブの他端を鏡面として、鏡面の位置変化を干渉計で検出する表面形状測定機において、プローブの振れを簡単な構造で検出できる。また、プローブの可動質量を小さくできるので、プローブの運動性能（追従性）が低下しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施例の表面形状測定機の全体構成を示す図であり、（Ａ）が上面図を、（Ｂ）が側面図を示す。図１の（Ａ）の上面図では、カバー２９を除いている。
【００２２】
図１に示すように、実施例の表面形状測定機は、防振台で支持されたベース１と、ベース１上に設けられたアーチ型の支持部材３、４と、ベース１上に設けられたＹ（第２）移動軸５と、Ｙ移動軸５の上をＹ軸方向に移動可能に設けられたＸ（第１）移動軸６と、Ｘ移動軸６の上をＸ軸方向に移動可能に設けられたステージ７と、支持部材４に設けられたＺ（第３）軸方向検出部８と、カバー２９とを有する。
【００２３】
ステージ７は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に移動可能である。Ｘ移動軸６及びＹ移動軸５は、例えば、ボールネジと平行ガイドを組み合わせた移動機構で実現できる。ステージ７のＹ軸方向の移動量は、ベース９に設けられたＹ軸レーザ干渉ヘッド９により検出され、ステージ７のＸ軸方向の移動量は、支持部材３に設けられたＸ軸レーザ干渉ヘッド１１により検出される。Ｙ軸レーザ干渉ヘッド９から出射されたレーザビーム１０は、ステージ７の側面に設けられた平面ミラーでＹ軸レーザ干渉ヘッド９に反射され、Ｙ軸レーザ干渉ヘッド９と平面ミラーの間の距離変化が検出される。同様に、Ｘ軸レーザ干渉ヘッド１１から出射されたレーザビーム１２は、ステージ７の側面に設けられた平面ミラーでＸ軸レーザ干渉ヘッド１１に反射され、Ｘ軸レーザ干渉ヘッド１１と平面ミラーの間の距離変化が検出される。Ｘ軸レーザ干渉ヘッド１１は、基準ビームと、基準ビームとＹ軸方向の位置が異なる第２ビームと、基準ビームとＺ軸方向の位置が異なる第３ビームとを出力し、ステージのＸ軸方向の移動量と共に、Ｚ軸を中心とする回転（ヨーイング）及びＹ軸を中心とする回転（ピッチング）を検出する。Ｙ軸レーザ干渉ヘッド９は、基準ビームと、基準ビームとＺ軸方向の位置が異なる第２ビームとを出力し、ステージのＹ軸方向の移動量と共に、Ｘ軸を中心とする回転（ピッチング）を検出する。
【００２４】
更に、移動に伴って、ステージ７のＺ軸方向の位置が変化するので、ステージ７に設けた干渉計１３により、ステージ７と後述するＺ基準平面ミラー２８との間の距離変化を測定して補正を行う。
【００２５】
ステージの移動機構は、広く知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００２６】
Ｚ軸方向検出部８は、Ｚ（第３）移動軸２１と、Ｚ移動軸２１上を移動可能に設けられた移動台２２と、レーザ干渉計２３と、移動台２２に設けられたプローブ支持部材２４と、プローブ支持部材２４に設けられたＺ方向移動可能なプローブ２５と、レーザ干渉計２３からのビーム２６を反射するミラー２７と、Ｚ基準平面ミラー２８とを有する。
【００２７】
図２は、Ｚ軸方向検出部８の詳細な構成を示す図である。移動台２２には、プローブ支持部材２４と、プローブ２５の振れ（傾き）を検出するための光学系３３と、プローブ２５の一端（先端）を照明するＬＥＤ５１と、プローブ２５の先端部の画像を撮影する小型ＴＶカメラ５２とが設けられる。プローブ支持部材２４及びプローブ２５は、例えば、特許文献２に記載されたエアシリンダであり、プローブ２５をＺ軸方向に移動可能に支持し、プローブ２５の先端がステージ７上に載置された被測定物１００の表面に接触する時の接触圧をＺ軸方向の比較的広い範囲で略一定に保持する。プローブ２５の他端にはミラー３４が設けられている。プローブ支持部材２４及びプローブ２５の詳細な構成は、特許文献２に記載されているので、ここでは説明を省略する。
【００２８】
レーザ干渉計２３は、レーザ光源と、光検出器などを含むレーザ干渉ユニット３１と、ビームスプリッタ３２とを有する。レーザ干渉ユニット３１から出射されたレーザビームはビームスプリッタ３２で２つのビームに分割され、一方のビーム４２はプローブ２５のミラー３４に入射して反射され、逆の経路を通って再びビームスプリッタ３２を通過する。他方のビーム２６は前述のミラー２７で反射された後、Ｚ基準平面ミラー２８に入射して反射され、逆の経路を通って再びビームスプリッタ３２で反射され、プローブ２５のミラー３４で反射されたビームと干渉する。干渉した光の強度変化をカウントすることにより、ミラー３４とＺ基準平面ミラー２８の相対距離の変化を検出することができ、Ｚ基準平面ミラー２８は固定であるので、ミラー３４の移動量、すなわちプローブ２５の移動量を検出できる。前述のように、移動台２２は、Ｚ移動軸２１上を移動するが、レーザ干渉計２３、ミラー２７及びＺ基準平面ミラー２８は固定であるので、プローブ２５の移動及び移動台２２の移動を合わせたミラー３４の絶対位置が検出できる。レーザ干渉計の構成は広く知られているので、ここでは説明を省略する。
【００２９】
光学系３３は、半導体レーザ（ＬＤ）又はＬＥＤなどの光源３５と、光源３５からの光ビームを平行光にするコリメータレンズ３６と、ミラー３４で反射された平行ビームを反射するミラー３７と、ミラー３７で反射された平行ビームを２つのビームに分割するビームスプリッタ（ハーフミラー）３８と、分割された一方の平行ビームが入射する２分割光検出器３９と、分割された他方の平行ビームを集束するレンズ４０と、レンズ４０を通過した集束ビームが入射する４分割光検出器４１とを有する。２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１については、広く知られているので説明は省略する。また、これらの検出器の代わりに、正方形の受光部の中心及び４辺に電極を有し、４辺の各電極に流れる電流から光ビームの照射位置を検出するポジションセンサを使用することも可能である。
【００３０】
実施例の表面形状測定機は、例えばレンズなどの表面形状を非常な高精度で測定する装置であり、精密な測定を行うには被測定物を含めた表面形状測定機の測定部分全体を一定の温度条件などに保持する必要がある。そのため、図１の（Ｂ）に示すように、カバー２９が設け、内部を安定した状態にしている。なお、カバー２９を閉めた後、安定した測定が行えるようになるのは数十分間を要する場合もある。測定を行う場合には、被測定物の所定部分にプローブを接触させるなどの動作が必要であるが、カバー２９で覆うと内部を観察できず、このような動作を行うことができない。そこで、ＬＥＤ５１でプローブ２５の先端を照明し、小型ＴＶカメラ５２でプローブ２５の先端部の画像を撮影することにより、カバー２９を開けなくても観察が行えるようにしている。これにより、カバー２９を開けずに上記の動作が行え、内部の安定状態が持続されるので、安定状態まで待機する必要がなくなり、測定のスループットが向上する。
【００３１】
図３は、光学系３３の構成を説明する図である。図３に示すように、ＬＤ又はＬＥＤなどの光源３５から広がる光ビームはコリメータレンズ３６で平行ビームにされ、ミラー３４で反射される。反射された平行ビームはビームスプリッタ３８で２つのビームに分割され、一方は２分割光検出器３９に垂直に入射し、他方は集束レンズ４０で集束ビームに変換されて４分割光検出器４１に垂直に入射する。平行ビームは、Ｘ軸又はＹ軸とＺ軸とのなす平面内を進むように配置され、２分割光検出器３９の２つの受光部を分割する線が、この平面に垂直になるように配置される。４分割光検出器４１は、４つの受光部を分割する２本の線の一方がこの平面に垂直になるように配置される。
【００３２】
図４は、光学系３３の検出原理を説明する図であり、（Ａ）はミラー３４がＺ軸方向に変位した場合の２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１でのビーム位置の変化を示し、（Ｂ）はミラー３４がＺ軸に垂直な方向を中心として回転した場合の２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１でのビーム位置の変化を示す。
【００３３】
図４の（Ａ）に示すように、ミラー３４がＺ軸方向に変位すると、２分割光検出器３９へのビームの入射位置がリニアに変化する。入射位置の変化は、ミラー３４への入射角をθ、ミラー３４のＺ軸方向の変位をＤとすると、Ｄｓｉｎθで表される。集束レンズ４０への入射高さが変化しても集束位置は変化しないので、４分割光検出器４１へのビームの入射位置は変化しない。
【００３４】
図４の（Ｂ）に示すように、ミラー３４が紙面に垂直な軸を中心として回転すると、２分割光検出器３９へのビームの入射位置はほぼリニアに変化する。２分割光検出器３９への入射位置の変化は、ミラー３４から２分割光検出器３９までの距離に回転角度の２倍を乗じた量である。また、４分割光検出器４１へのビームの入射位置も変化する。４分割光検出器４１への入射位置の変化は、レンズ４０の焦点距離、レンズ４０に対するミラー３４及び４分割光検出器４１の入射面の位置関係で決定されるが、入射位置はほぼリニアに変化する。図４の（Ｂ）ではミラー３４が紙面に垂直な軸を中心として回転する場合を示したが、ミラー３４が紙面内の軸を中心として回転する場合も同様であるが、２分割光検出器３９はこの方向の変位を検出することはできない。４分割光検出器４１は、各受光部の出力信号を加減算することにより、２方向の回転に対応するビームの入射位置の変化を検出できる。
【００３５】
図５は、２分割光検出器３９及び４分割光検出器４１の各受光部の出力を演算する演算回路の構成を示す図である。Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆは受光部と、その出力信号を表す。図５に示すように、演算回路は、各受光部の出力信号の増幅回路と、４分割光検出器４１の４つの受光部の信号のＡとＢ、ＣとＤ、ＡとＣ、ＢとＤの和を演算する第１から第４の加算回路と、第１加算回路と第２加算回路の差を演算する第１減算回路と、第３加算回路と第４加算回路の差を演算する第２減算回路と、２分割光検出器３９の２つの受光部の出力信号Ｅ、Ｆの差を演算する第３減算回路と、第１減算回路と第３減算回路の差を演算する第４減算回路とを有する。第１減算回路からは信号（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）が、第２減算回路からは信号（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）が、第３減算回路からは信号（Ｅ＋Ｆ）−（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）が出力される。配置に応じて、例えば、信号（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）はＸ軸を中心とする回転（傾き）を、信号（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）はＹ軸を中心とする回転（傾き）を、信号（Ｅ＋Ｆ）−（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）はＺ軸方向の変位を表す。実際には、光学系の配置に応じて、各種係数を乗じることが必要である。
【００３６】
以上説明したように、光学系３３により、プローブの他端に設けられたミラー３４の傾き、すなわちプローブ２５の振れが検出できる。
【００３７】
被測定物、例えば非球面レンズの表面形状を測定する場合には、被測定物を載置したステージ７を、Ｘ軸方向の位置を固定してＹ軸方向に移動させた時の、干渉計２３によるプローブのＺ軸方向の変位を測定する。このような測定をＸ軸方向の位置を変えて繰り返すことにより、被測定物の表面形状が測定できる。なお、この時光学系３３により検出したプローブの傾き（振れ）に応じてプローブの先端のＸ軸方向及びＹ軸方向の誤差を算出して位置を補正する。これについては、特許文献３に記載されているので説明を省略する。
【００３８】
上記のように、エアシリンダは、プローブ２５の被測定物との接触圧をＺ軸方向の比較的広い範囲で略一定に保持することが可能であるが、形状測定機の測定範囲に比べれば変位可能な範囲は狭い。そのため、被測定物の表面位置に応じて移動台２２を移動させて、プローブ２５がプローブ支持部材２４に対して所定の範囲内に位置するように制御する必要がある。この制御方法を説明する。
【００３９】
１つの方法は、被測定物の表面形状の設計データがあらかじめ分かっており、実際の形状はそれから大きく変動することがない場合である。このような場合には、図６の（Ａ）のように、Ｘ軸又はＹ軸方向の移動に伴うＺ軸方向の変位を設計データに従って算出し、算出した変位から移動台２２の移動軌跡Ｔを算出し、移動軌跡Ｔに従って移動台２２を移動させる。この時、実際の測定データはＰのように変化する。前述のように、移動台２２を移動しても干渉計２３が検出するミラー３４、すなわちプローブ２５の先端位置はＺ基準平面ミラーに対する距離として検出されるので、正確な測定が可能である。
【００４０】
被測定物の表面形状の設計データが得られない時には、例えば、図６の（Ｂ）に示すように、干渉計２３が検出するミラー３４、すなわちプローブ２５の先端位置に基づいて、プローブ２５とプローブ支持部材２４の相対位置を算出し、相対位置の差が所定値以上になった時には、相対位置の差を小さくするように、移動台２２の位置を制御する。図６の（Ｂ）において、Ｐが干渉計２３が検出するミラー３４、すなわちプローブ２５の先端位置を表し、Ｔが移動台２２の制御軌跡を表す。
【００４１】
なお、干渉計２３が検出するミラー３４の位置の代わりに、光学系３３の演算回路の第４の減算回路の出力する信号（Ｅ＋Ｆ）−（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）を使用して制御を行うことも可能である。
【００４２】
また、測定中にミラー３４の傾きが所定値以上大きくなった時には、プローブに側方から過負荷がかかっていると考えられるので、測定を直ちに停止する。これにより、プローブ２５、プローブ支持部材２４などの破損を防止することができる。
【００４３】
以上、本発明の実施例を説明したが、各種の変形例が可能であることはいうまでもない。例えば、実施例では、プローブとしてエアシリンダを使用したが、図７に示すような支持部材６２にボールベアリングを介してＺ軸方向に移動可能に保持されたプローブ６１を使用し、プローブ６１の自重を相殺するバネ６４を設けて、微小な接触圧が得られるようにしたプローブを使用することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明は、プローブの他端に設けたミラーの位置を検出することにより表面形状を測定する表面形状測定機であればどのようなものにも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施例の表面形状測定機の全体構成を示す図である。
【図２】Ｚ軸方向検出部の詳細な構成を示す図である。
【図３】ミラーの回転（傾き）を検出する光学系の構成を示す図である。
【図４】ミラーの回転（傾き）を検出する光学系の検出原理を説明する図である。
【図５】ミラーの回転（傾き）を検出する光学系の出力信号の演算回路の構成を示す図である。
【図６】測定時の移動台の移動制御を説明する図である。
【図７】プローブの他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
７ ステージ
８ Ｚ軸方向検出部
２１ Ｚ移動軸
２２ 移動台
２３ 干渉計
２４ プローブ支持部材
２５ プローブ
３３ プローブ振れ検出光学系
３４ ミラー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の軸方向に移動可能なステージと、
前記ステージの前記第１及び第２の軸方向の移動位置を検出する第１及び第２の軸方向位置検出器と、
第３の軸方向に移動可能な移動台と、
前記移動台に対して、前記第３の軸方向に移動可能に保持され、一端が前記ステージ上に載置された被測定物の表面に接触し、他端に前記第３の軸方向に垂直な鏡面を有するプローブと、
前記プローブの前記鏡面と前記第３の軸方向に垂直な基準平面との距離を検出する第３の軸方向距離検出器とを備える表面形状測定機において、
前記プローブの前記鏡面に斜めに入射する平行ビームを出射するビーム源と、
前記鏡面で反射された前記平行ビームを分割するビーム分割手段と、
前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの一方が入射され、入射位置を検出する第１のビーム位置検出器と、
前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの他方が入射される集束手段と、
前記集束手段で集束される他方の前記平行ビームが入射され、集束ビームの入射位置を検出する第２のビーム位置検出器と、
前記第１及び第２のビーム位置検出器の検出信号から、前記鏡面の前記第１及び第２の軸方向に垂直な方向を軸とする傾斜を検出する演算回路とを備えることを特徴とする表面形状測定機。
【請求項２】
前記演算回路の検出した前記鏡面の傾斜に対応する前記プローブの傾斜に基づいて、前記プローブの一端の位置を補正する請求項１に記載の表面形状測定機。
【請求項３】
前記プローブの他端の前記移動台に対する相対位置が一定になるように、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する移動台制御部を備える請求項１又は２に記載の表面形状測定機。
【請求項４】
前記移動台制御部は、被測定物の表面の形状データに基づいて、前記ステージの移動に伴う前記被測定物の表面の前記第３の軸方向の位置を算出して、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する請求項３に記載の表面形状測定機。
【請求項５】
前記移動台制御部は、前記第３の軸方向距離検出器の検出した前記プローブの鏡面の前記第３の軸方向の位置に応じて、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する請求項３に記載の表面形状測定機。
【請求項６】
前記移動台制御部は、前記演算回路の検出した前記プローブの鏡面の前記第３の軸方向の位置に応じて、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する請求項３に記載の表面形状測定機。
【請求項７】
前記第１のビーム位置検出器は、２分割光検出器である請求項１から６のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項８】
前記第２のビーム位置検出器は、４分割光検出器である請求項１から７のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項９】
前記第１及び第２のビーム位置検出器の少なくとも一方は、ポジションセンサである請求項１から７のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項１０】
当該表面形状測定機を覆うカバーと、前記プローブの他端付近を照明する照明手段と、プローブの他端付近を撮影するＴＶカメラとを備える請求項１から９のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項１】
第１及び第２の軸方向に移動可能なステージと、
前記ステージの前記第１及び第２の軸方向の移動位置を検出する第１及び第２の軸方向位置検出器と、
第３の軸方向に移動可能な移動台と、
前記移動台に対して、前記第３の軸方向に移動可能に保持され、一端が前記ステージ上に載置された被測定物の表面に接触し、他端に前記第３の軸方向に垂直な鏡面を有するプローブと、
前記プローブの前記鏡面と前記第３の軸方向に垂直な基準平面との距離を検出する第３の軸方向距離検出器とを備える表面形状測定機において、
前記プローブの前記鏡面に斜めに入射する平行ビームを出射するビーム源と、
前記鏡面で反射された前記平行ビームを分割するビーム分割手段と、
前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの一方が入射され、入射位置を検出する第１のビーム位置検出器と、
前記ビーム分割手段で分割された前記平行ビームの他方が入射される集束手段と、
前記集束手段で集束される他方の前記平行ビームが入射され、集束ビームの入射位置を検出する第２のビーム位置検出器と、
前記第１及び第２のビーム位置検出器の検出信号から、前記鏡面の前記第１及び第２の軸方向に垂直な方向を軸とする傾斜を検出する演算回路とを備えることを特徴とする表面形状測定機。
【請求項２】
前記演算回路の検出した前記鏡面の傾斜に対応する前記プローブの傾斜に基づいて、前記プローブの一端の位置を補正する請求項１に記載の表面形状測定機。
【請求項３】
前記プローブの他端の前記移動台に対する相対位置が一定になるように、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する移動台制御部を備える請求項１又は２に記載の表面形状測定機。
【請求項４】
前記移動台制御部は、被測定物の表面の形状データに基づいて、前記ステージの移動に伴う前記被測定物の表面の前記第３の軸方向の位置を算出して、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する請求項３に記載の表面形状測定機。
【請求項５】
前記移動台制御部は、前記第３の軸方向距離検出器の検出した前記プローブの鏡面の前記第３の軸方向の位置に応じて、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する請求項３に記載の表面形状測定機。
【請求項６】
前記移動台制御部は、前記演算回路の検出した前記プローブの鏡面の前記第３の軸方向の位置に応じて、前記移動台の前記第３の軸方向の移動を制御する請求項３に記載の表面形状測定機。
【請求項７】
前記第１のビーム位置検出器は、２分割光検出器である請求項１から６のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項８】
前記第２のビーム位置検出器は、４分割光検出器である請求項１から７のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項９】
前記第１及び第２のビーム位置検出器の少なくとも一方は、ポジションセンサである請求項１から７のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【請求項１０】
当該表面形状測定機を覆うカバーと、前記プローブの他端付近を照明する照明手段と、プローブの他端付近を撮影するＴＶカメラとを備える請求項１から９のいずれか１項に記載の表面形状測定機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００７−６４６７０（Ｐ２００７−６４６７０Ａ）
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４７８２２（Ｐ２００５−２４７８２２）
【出願日】平成１７年８月２９日（２００５．８．２９）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１５日（２００７．３．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月２９日（２００５．８．２９）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
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