JP2012145569A - Shape measuring device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately carry out shape measurement without being influenced by a warp of a probe.SOLUTION: A plane dichroic mirror 10 and a spherical mirror 16 are integrally provided at a probe tip end portion 3. The tilting amount of the plane dichroic mirror 10 is measured by an autocollimator optical system 5, and the deviation amount in X-axis and Y-axis directions of the spherical mirror 16 is measured by a translational moving amount measuring optical system 12. A deviation amount calculating portion 42b calculates the deviation amount in the X-axis and Y-axis directions to a reference position of a sphere 19 which is a contact point contacting with a surface of a measured article 4 at the probe tip end portion 3, on the basis of the measured tilting amount of the plane dichroic mirror 10 and the deviation amount of the spherical mirror 16. An estimating portion 42c estimates positions in the X-axis and Y-axis directions of the sphere 19 of the probe tip end portion 3, from the deviation amount calculated by the deviation amount calculating portion 42c.

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。   The present invention relates to a shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of a surface of a measurement object by performing a copying operation while contacting a probe with the surface of the measurement object having a free-form surface such as an aspheric lens.

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。   As a three-dimensional shape measuring method for measuring the coordinates and shape of the surface of the object to be measured having a three-dimensional structure, the probe is moved along the surface of the object to be measured while pressing the probe against the surface of the object to be measured with a predetermined measuring force. A scanning measurement method is known in which the coordinates and shape of an object to be measured are measured from the movement position of a probe.

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）。   Conventionally, in such a three-dimensional shape measuring method, there is known a method using a probe having a structure in which a probe shaft is provided so as to be movable up and down using an air bearing and its own weight is supported by a spring (Patent Document). 1).

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。   However, when measuring an inclined surface such as a lens surface, the reaction force at the contact point of the surface to be measured works in the normal direction of the surface to be measured, but this does not coincide with the movable direction of the probe shaft, so the probe is normal. The probe shaft is tilted by the force of the component orthogonal to the direction. As a result, the contact point of the probe tip provided at the tip of the probe shaft does not exist at the measurement point assumed by the measuring instrument (that is, the position of the contact point at which the probe shaft is not inclined). In the method disclosed in, a measurement error that cannot be ignored occurs.

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）。   Therefore, a method has been proposed in which the inclination of the probe shaft is obtained by two sensors provided on the probe shaft and the contact point of the true probe with the object to be measured is estimated (see Patent Document 2).

特開平６−２６５３４０号公報JP-A-6-265340 特開２０００−１９３４４９号公報JP 2000-193449 A

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。   However, the probe shaft may be bent and deformed at the same time as being tilted by a reaction force in the object to be measured. At this time, in the probe tip provided at the tip of the probe shaft, in addition to the inclination of the probe shaft, an inclination and a translational displacement due to bending deformation occur. For this reason, in the method disclosed in Patent Document 2, since the position of the contact point is estimated assuming only the inclination of the probe shaft, the measurement error caused by the bending deformation of the probe shaft cannot be reduced.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a shape measuring device that reduces measurement errors caused by inclination and bending deformation of a probe shaft.

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。   The present invention relates to a probe shaft that is supported so as to be movable in the Z-axis direction and whose center axis is parallel to the Z-axis, and a probe that is provided at the tip of the probe shaft and that contacts the surface of the object to be measured A probe having a tip portion, and scanning the probe in the X and Y axis directions with respect to the surface of the object to be measured, in the X and Y axis directions of contact points that contact the object to be measured at the probe tip portion. A shape measuring device that acquires three-dimensional shape measurement data of the surface of the object to be measured by measuring a position of the probe in the Z-axis direction with respect to a position, and is provided integrally with the probe tip, A flat mirror that tilts with the probe tip when the probe shaft changes its posture from a normal posture and the probe tip tilts with respect to the Z axis, and the tilt of the flat mirror with respect to the Z axis A first measurement optical system for measuring the reflected light reflected by the plane mirror by irradiating the plane mirror with a first laser beam, a spherical mirror integrally provided at the probe tip, and the probe shaft The position of the contact point in the normal posture in the X and Y axis directions is set as a reference position, and the amount of deviation of the spherical mirror in the X and Y axis directions with respect to the reference position is irradiated with the second laser beam to the spherical mirror. A second measurement optical system that measures the reflected light reflected by the spherical mirror, an inclination amount measured by the first measurement optical system, a deviation amount measured by the second measurement optical system, and the contact point A displacement amount calculation unit for calculating a displacement amount of the contact point in the X and Y axis directions with respect to the reference position from a distance between the reference position and the spherical mirror, and the contact with the reference position calculated by the displacement amount calculation unit. Characterized by comprising X of point, X of the contact point from the deviation amount in the Y-axis direction, an estimation unit that estimates a position of the Y-axis direction.

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。   According to the present invention, even if the probe shaft is tilted or bent and deformed during probe scanning, the displacement amount calculation unit can calculate the displacement amount of the probe contact point. Since the position of the contact point of the probe tip in the X and Y axis directions is estimated from this deviation amount, the three-dimensional shape measurement with reduced measurement error that does not depend on the posture change including the bending deformation of the probe shaft. Data can be obtained.

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。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the shape measuring apparatus which concerns on embodiment of this invention. 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。It is a schematic diagram which shows a probe when a probe shaft is bent and deformed. 参考例の形状測定装置の概略構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows schematic structure of the shape measuring apparatus of a reference example.

（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ｃ０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。 (First embodiment)
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, a description will be given using a three-dimensional orthogonal coordinate system of X, Y, and Z axes orthogonal to each other. The X axis and Y axis orthogonal to the Z axis are orthogonal to each other. As shown in FIG. 1, the shape measuring apparatus 100 includes a probe 1 that is a contact probe. The probe 1 includes an axial probe shaft 2 supported by a base 21 via a parallel leaf spring 20 so as to be movable in the Z-axis direction, and a tapered probe tip 3 provided at the tip of the probe shaft 2. Have. The probe shaft 2, when the normal posture nor incline flexural deformation, the central axis c 0 of the probe shaft 2 in parallel to the Z axis, and is supported by a parallel plate spring 20 to the base 21 . The probe shaft 2 is formed of a transparent member such as transparent low expansion glass so that light can pass through.

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。   The probe tip 3 is formed of a member having higher rigidity than the probe shaft 2, such as tungsten carbide. Thereby, bending of the probe tip 3 is suppressed. The probe tip 3 is formed shorter than the probe shaft 2. A sphere 19 is formed at the tip of the probe tip 3 to contact the surface of the object 4 to be measured. The sphere 19 has a size that can be regarded as a point contact with the surface of the DUT 4.

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。   The base 21 is supported so as to be movable in the X, Y, and Z axis directions, and is moved in each axis direction by an X axis stage, a Y axis stage, and a Z axis stage (not shown). Each axis stage is driven by an X, Y, Z axis driving motor (not shown), and when measuring the shape of the surface of the object 4 to be measured, a sphere (contact point) 19 of the probe tip 3 is used. The probe 1 is moved two-dimensionally in the X and Y axis directions while being in contact with the surface of the object 4 to be measured.

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ｃ０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。 The shape measuring apparatus 100 includes an autocollimator optical system 5 that is a first measuring optical system, a translational movement measuring optical system 12 that is a second measuring optical system, an indentation measuring optical system 31, a data sampling device 41, And a computer 42. The shape measuring apparatus 100 includes sequentially disposed in a direction away from the probe shaft 2 on the center axis c 0 of the probe shaft 2, the dichroic mirror 23, the dichroic mirror 27 and the dichroic mirror 11.

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（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ）等の第一光位置検出素子９を有している。   The autocollimator optical system 5 includes a first laser light source 6 that emits a first laser light G, a first half mirror 7, a collimator lens 8, and a first light position detection element 9 such as a PSD (Position Sensitive Detector). Yes.

プローブシャフト２の中心軸ｃ０と直交し、ダイクロイックミラー１１を通過する軸ｃ１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。 Perpendicular to the central axis c 0 of the probe shaft 2, dichroic on the axis c 1 passing through the dichroic mirror 11 sequentially toward the direction away from the dichroic mirror 11, the collimator lens 8, a first half mirror 7 and the first light position A detection element 9 is arranged.

第一ハーフミラー７は、軸ｃ１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ｃ０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。 The first half mirror 7 is disposed with an inclination of 45 degrees with respect to the axis c 1 . Then, at a position opposed to the first half mirror 7, to emit a first laser beam G parallel to the central axis c 0, a first laser light source 6 is disposed.

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。   The translational movement measuring optical system 12 includes a second laser light source 13 that emits a second laser beam H, a second half mirror 14, an objective lens 15, a condensing lens 17, and a second optical position detection element 18 such as a PSD. is doing.

プローブシャフト２の中心軸ｃ０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ｃ０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ｃ０と直交し、第二ハーフミラー１４を通過する軸ｃ２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。 On the central axis c 0 of the probe shaft 2, an objective lens 15, a second half mirror 14, a condensing lens 17, and a second optical position detection element 18 are sequentially arranged in a direction away from the probe shaft 2 (dichroic mirror 11). Has been. Second half mirror 14 is 45 degrees inclined are arranged with respect to the central axis c 0. The second laser light source 13 is disposed on the axis c 2 that is orthogonal to the central axis c 0 and passes through the second half mirror 14, and at a position facing the second half mirror 14.

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。   The push-in amount measuring optical system 31 is a so-called heterodyne interferometer. This indentation amount measuring optical system 31 includes a third laser light source 24 that emits the third laser light I, a polarization beam splitter 28 that divides the third laser light I into measurement light and reference light, a reference mirror 25, and 1/4. Wave plates 29 and 30 and a light intensity detecting element 26 are provided.

プローブシャフト２の中心軸ｃ０と直交し、ダイクロイックミラー２７を通過する軸ｃ３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ｃ０と平行であり偏光ビームスプリッタ２８を通過する軸ｃ４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。 Perpendicular to the central axis c 0 of the probe shaft 2, dichroic on the axis c 3 passing through the dichroic mirror 27 sequentially toward the dichroic mirror 27, the third laser light source 24, polarizing beam splitter 28 and the quarter-wave plate 29 is arranged. On the axis c 4 that is parallel to the central axis c 0 and passes through the polarization beam splitter 28, the reference mirror 25 and the light intensity detection element 26 are arranged with the polarization beam splitter 28 interposed therebetween, and further, the reference mirror 25 and the polarization beam are polarized. A quarter-wave plate 30 is disposed between the beam splitter 28 and the beam splitter 28.

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ｃ０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ｃ０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。 Here, the dichroic mirror 11, the first laser beam G reflected, the second laser beam H is a mirror that transmits, are arranged to be inclined by 45 ° relative to the central axis c 0. The dichroic mirror 27, the third laser beam I reflected, first laser beam G and the second laser beam H is a mirror that transmits, are arranged to be inclined by 45 ° relative to the central axis c 0. The dichroic mirror 23 is a mirror that reflects the third laser beam I and transmits the first laser beam G and the second laser beam H, and is provided integrally with the base end surface of the probe shaft 2.

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。   Furthermore, in the present embodiment, the shape measuring apparatus 100 includes a flat dichroic mirror 10 as a flat mirror and a spherical mirror 16 that are provided integrally with the probe tip 3. The planar dichroic mirror 10 is a mirror that reflects the first laser beam G and transmits the second laser beam H. The flat dichroic mirror 10 has a probe tip portion that is tilted together with the probe tip portion 3 when the probe shaft 2 is changed in posture (inclined or deformed) from the normal posture and the probe tip portion 3 is tilted with respect to the Z axis. 3 is fixed. The spherical mirror 16 is also fixed to the probe tip 3 so as to translate with the probe tip 3.

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。   In the present embodiment, since the probe shaft 2 is a transparent member, the planar dichroic mirror 10 and the spherical mirror 16 are disposed between the probe shaft 2 and the probe tip 3. Specifically, the planar dichroic mirror 10 and the spherical mirror 16 are disposed between the distal end of the probe shaft 2 and the proximal end of the probe distal end portion 3. The spherical mirror 16 is disposed between the flat dichroic mirror 10 and the probe tip 3. Specifically, the spherical mirror 16 is disposed between the planar dichroic mirror 10 and the proximal end of the probe distal end portion 3. The planar dichroic mirror 10 is configured by using a plane side of a plano-concave lens as a substrate and applying a dielectric multilayer film that selectively reflects light having the wavelength of the first laser beam G on the surface thereof. A spherical mirror 16 is formed by applying a silver coat to the concave surface side of the lens.

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。   In addition, the probe shaft 2 is a transparent member, and the planar dichroic mirror 10 and the spherical mirror 16 are arranged between the probe shaft 2 and the probe tip 3 so that the optical path in each of the optical systems 5 and 12 can be changed. Shared within the shaft 2. Furthermore, by adopting a configuration in which the dichroic mirrors 11, 23, 27 are arranged, a part of the optical path in each of the optical systems 5, 12, 31 is shared.

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。   The data sampling device 41 takes in signals from the first light position detecting element 9, the second light position detecting element 18 and the light intensity detecting element 26 at predetermined sampling intervals and converts them into data, and each measurement data is sampled each time it is sampled. It outputs to the computer 42. In addition, the data sampling device 41 takes in signals output from position detection elements that detect the positions of the X-axis stage and the Y-axis stage (not shown) at predetermined sampling intervals, and converts them into data. To the computer 42.

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。   The computer 42 includes a CPU, a ROM, a RAM, and the like (not shown), and the CPU performs arithmetic processing based on a control program stored in the ROM or the like. This control program causes the computer 42 to obtain three-dimensional shape measurement data of the surface of the object 4 to be measured. That is, the computer 42 obtains shape measurement data based on each measurement data input from the data sampling device 41. In the present embodiment, the computer 42 functions as a position calculation unit 42a, a deviation amount calculation unit 42b, an estimation unit 42c, and a shape measurement data creation unit 42d by this control program.

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。   Next, the operation of each unit will be described. First, in the autocollimator optical system 5, the first laser light G emitted from the first laser light source 6 is reflected at a right angle by the first half mirror 7, and the reflected light becomes parallel light by the collimating lens 8. The first laser light G that has become the parallel light is reflected at a right angle by the dichroic mirror 11, passes through the dichroic mirror 27 and the dichroic mirror 23, passes through the probe shaft 2, and is reflected by the planar dichroic mirror 10. The reflected light passes again through the probe shaft 2, the dichroic mirror 23 and the dichroic mirror 27, is reflected at a right angle by the dichroic mirror 11, and enters the collimating lens 8. The incident light is focused on the first light position detection element 9 by the collimator lens 8, passes through the first half mirror 7, and is received by the first light position detection element 9.

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。   Here, FIG. 2 shows a schematic diagram of the probe 1 when the probe shaft 2 is bent and deformed. In FIG. 2, for convenience of explanation, the probe shaft 2 is curved extremely more than actual. Although the case where the probe 1 is scanned in the X-axis direction is illustrated, the present invention is not limited to this operation, and the same can be said when scanning is performed in a plane including the X and Y axes.

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。   As shown in FIG. 2, when the probe shaft 2 is bent and deformed, the probe tip 3 (planar dichroic mirror 10) is inclined. Also, when the probe shaft 2 is tilted, the probe tip 3 (planar dichroic mirror 10) is tilted.

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。   Then, since the light receiving position on the light receiving surface of the first light position detecting element 9 (FIG. 1) is displaced corresponding to the tilt amount θ with respect to the Z axis of the planar dichroic mirror 10, the light receiving position by the first light position detecting element 9 is displaced. From this detection result, the tilt amount θ of the planar dichroic mirror 10 can be found. In other words, the light receiving position on the light receiving surface of the first light position detecting element 9 when the probe shaft 2 is in the normal posture is used as a coordinate reference, and the mirror position depends on which coordinate position on the light receiving surface of the first light position detecting element 9 is received. 10 (probe tip 3) and the inclination direction and the inclination amount θ are specified. As described above, the autocollimator optical system 5 measures the tilt amount θ with respect to the Z axis of the planar dichroic mirror 10 by the reflected light reflected by the planar dichroic mirror 10 by irradiating the planar dichroic mirror 10 with the first laser light G. .

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。   Further, in the translational movement measuring optical system 12, the second laser light H emitted from the second laser light source 13 is reflected at a right angle by the second half mirror 14, and the reflected light is substantially spherical mirror 16 by the objective lens 15. Is focused on. The second laser light H that has passed through the objective lens 15 sequentially passes through the dichroic mirrors 11, 27, and 23, passes through the probe shaft 2, passes through the flat dichroic mirror 10, and reaches the spherical mirror 16. . The second laser light H reflected by the spherical mirror 16 again passes through the planar dichroic mirror 10, the probe shaft 2, the dichroic mirrors 23, 27, 11, and the objective lens 15 in order, and then passes through the second half mirror 14 to be collected. It reaches the optical lens 17. The second laser beam H condensed by the condenser lens 17 is focused on the second optical position detection element 18 and received by the second optical position detection element 18.

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ｃ０上にある。 Here, as shown in FIG. 2, when the probe shaft 2 is bent and deformed, the probe tip 3 (spherical mirror 16) translates in the X and Y axis directions (X axis direction in FIG. 2). When the probe shaft 2 is in the normal posture, the sphere (contact point) 19 and the spherical mirror 16 of the probe tip 3 are on the central axis c 0 parallel to the Z axis.

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。   Assuming that the probe shaft 2 is in a normal posture, the position of the sphere 19 of the probe tip 3 in the X and Y axis directions is a position detection element that detects the positions of the X axis stage and the Y axis stage (not shown). Measured. Here, the position in the X and Y axis directions of the sphere 19 of the probe tip 3 when the probe shaft 2 is in the normal posture is defined as a reference position 22.

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。   Then, the light receiving position on the light receiving surface of the second light position detecting element 18 (FIG. 1) is displaced corresponding to the amount of displacement (displacement amount) x2 of the spherical mirror 16 with respect to the reference position 22 in the X and Y axis directions. Therefore, from the detection result of the light receiving position by the second light position detecting element 18, the deviation amount x2 of the spherical mirror 16 with respect to the reference position 22 in the X and Y axis directions is known. In other words, the light receiving position on the light receiving surface of the second light position detecting element 18 when the probe shaft 2 is in the normal posture is used as a coordinate reference, and the spherical surface depends on which coordinate position on the light receiving surface of the second light position detecting element 18 is received. A deviation x2 from the reference position 22 of the mirror 16 is specified. As described above, the translational movement measuring optical system 12 irradiates the spherical mirror 16 with the second laser light H and reflects the reflected light by the spherical mirror 16 in the X and Y axis directions of the spherical mirror 16 with respect to the reference position 22. The deviation amount x2 is measured.

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。   Further, in the indentation amount measuring optical system 31, the third laser light I emitted from the third laser light source 24 is split into measurement light (P-polarized light) and reference light (S-polarized light) by the polarization beam splitter 28. Since the measurement light in the third laser light I is P-polarized light, it passes through the polarization beam splitter 28, passes through the quarter-wave plate 29, is reflected at a right angle by the dichroic mirror 27, and enters the dichroic mirror 23. To do. The measurement light reflected by the dichroic mirror 23 is reflected again by the dichroic mirror 27 and passes through the quarter-wave plate 29 to become S-polarized light. The measurement light converted to S-polarized light is reflected at a right angle by the polarization beam splitter 28 and received by the light intensity detecting element 26. On the other hand, since the reference light in the third laser light I is S-polarized light, it is reflected at a right angle by the polarization beam splitter 28 and reflected by the reference mirror 25. At this time, since the quarter-wave plate 30 in the vicinity of the reference mirror 25 passes twice, the reference light which has been S-polarized light becomes P-polarized light, passes straight through the polarization beam splitter 28, and detects the light intensity. Light is received by the element 26.

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。   Although the case where the push-in amount measuring optical system 31 is a heterodyne interferometer has been described, a homodyne interferometer, a non-contact displacement measuring means such as a differential transformer or a capacitance sensor may be used.

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。   The data sampling device 41 includes a signal indicating the tilt amount θ measured by the optical system 5, a signal indicating the deviation amount x 2 measured by the optical system 12, and interference light between the measurement light measured by the optical system 31 and the reference light. Is taken at a predetermined sampling interval. At the same time, the data sampling device 41 captures a signal indicating the position of the X and Y axis stages (not shown) at a predetermined sampling interval. Then, the data sampling device 41 outputs each measurement data captured at each sampling timing to the computer 42.

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。   The measurement data of the push-in amount measurement optical system 31 includes position information in the Z-axis direction of the probe 1 (the base end surface of the probe shaft 2), and the position calculation unit 42a determines the probe 1 based on the measurement data. The position in the Z-axis direction is calculated.

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。   At the same time, the position calculation unit 42a uses the measurement data indicating the position of the X and Y axis stages (not shown) acquired via the data sampling device 41, and the ball of the probe tip 3 when the probe shaft 2 is in the normal posture. A reference position 22 of (contact point) 19 in the X and Y axis directions is calculated.

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） The deviation amount calculation unit 42b then determines the reference position 22 from the inclination amount θ measured by the optical system 5, the deviation amount x2 measured by the optical system 12, and the distance R between the sphere 19 and the center of the spherical mirror 16. A displacement amount x1 of the sphere 19 in the X and Y axis directions is calculated. The ROM or the like of the computer 42 stores in advance the following formula (1) for obtaining the deviation amount x1.
x1 = R × sin θ + x2 Formula (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。   Here, the distance R is a preset constant. The deviation amount calculation unit 42b obtains the deviation amount x1 from the acquired inclination amount θ and deviation amount x2 using Equation (1).

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。   The estimation unit 42c is a probe based on the data of the reference position 22 obtained from the position calculation unit 42a and the data of the deviation amount x1 in the X and Y axis directions of the sphere 19 with respect to the reference position 22 calculated by the deviation amount calculation unit 42b. The position of the sphere 19 in the X and Y axis directions at the tip 3 is estimated.

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。   The shape measurement data creation unit 42d determines the position of the sphere 19 in the X and Y axis directions at the probe tip 3 estimated by the estimation unit 42c and the Z of the probe 1 calculated by the position calculation unit 42a with respect to this position. Get the axial position. Thereby, the shape data at one point on the surface of the DUT 4 is obtained.

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。   The above-described operation of the computer 42 is performed every time data is sampled by the data sampling device 41 by scanning the surface of the DUT 4. Then, the shape measurement data creation unit 42 d creates the shape measurement data of the surface of the device under test 4 from the shape data at each point on the surface of the device under test 4.

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。   As described above, in the present embodiment, even if the probe shaft 2 is tilted or bent and deformed during probe scanning, the displacement amount calculation unit 42b calculates the displacement amount x1 of the sphere 19 that is the contact point in the probe tip portion 3. Is possible. Since the estimation unit 42c estimates the position in the X and Y axis directions of the sphere 19 that is the contact point at the probe tip 3 from the deviation x1, the measurement error does not depend on the posture change including the bending deformation of the probe shaft 2. 3D shape measurement data with reduced can be obtained.

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。   Further, by measuring the inclination and translation of the probe tip 3 with the optical systems 5 and 12, the inclination and translation displacement of the probe tip 3 can be measured without exerting a mechanical action that may cause a shape measurement error to the probe 1. It becomes possible to do.

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。   The probe shaft 2 of the probe 1 is a transparent member, transmits the first laser light G and the second laser light H, and uses the mirrors 10 and 16 disposed inside the probe 1 to tilt the mirror 10 and the mirror 16. The amount of translation is measured. Thereby, it becomes a compact structure and the apparatus is miniaturized. Then, each laser beam G, H passes through the inside of the probe shaft 2 so that the measurement point on the mirror 10 in the optical system 5 and the measurement point on the mirror 16 in the optical system 12 are placed on the surface of the object 4 to be measured. It is possible to make it close to the sphere 19 to be contacted. As a result, it is possible to take a positional relationship in which the relative position between each measurement point and the sphere 19 serving as the contact point is unlikely to change. Accordingly, it is possible to improve the calculation accuracy of the position of the sphere 19 serving as a contact point in the probe 1.

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。   Further, since the plane mirror is the plane dichroic mirror 10 and the spherical mirror 16 is disposed between the plane dichroic mirror 10 and the probe tip 3, the measurement point of the optical system 5 and the measurement point of the optical system 12 are brought close to each other. Can be made. This makes it possible to establish a positional relationship in which the relative positions of the two measurement points are unlikely to change. Accordingly, it is possible to improve the calculation accuracy of the position of the sphere 19 serving as a contact point in the probe 1.

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。   In addition, since the probe shaft 2 is used as a transparent member and a part of the optical path of the optical systems 5 and 12 is shared, the measurement points of the optical systems 5 and 12 can be arranged on the operation direction axis of the probe 1. It becomes. Thereby, the direction dependency of the optical systems 5 and 12 can be reduced, and the number and volume of components required for the optical systems 5 and 12 can be reduced.

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。   Although the present invention has been described based on the above embodiment, the present invention is not limited to this. In the above embodiment, the case where the spherical mirror 16 is disposed between the planar dichroic mirror 10 and the probe tip 3 has been described, but the present invention is not limited to this arrangement relationship. If the mirrors 10 and 16 are provided integrally with the probe tip 3, the positions of the mirrors 10 and 16 can be arbitrarily set within a range that can be measured by the optical systems 5 and 12. If the plane mirror does not need to be a dichroic mirror in relation to the spherical mirror, the plane mirror may be configured by a mirror other than the dichroic mirror.

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。   In the above embodiment, the portion of the probe tip 3 that becomes the contact point that contacts the surface of the object to be measured 4 is the sphere 19. However, the shape is not limited to this and the surface of the object to be measured 4 is not limited to this shape. The shape can be arbitrarily set as long as it can be regarded as a point contact.

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。   In the above-described embodiment, the case where the probe 1 is moved in the X and Y axis directions with respect to the object to be measured 4 to scan the probe 1 has been described. The probe 1 may be scanned by moving in the Y-axis direction.

（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。 (Reference example)
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a shape measuring apparatus 100A of a reference example. In FIG. 3, the shape measuring apparatus 100 </ b> A includes a probe 101, and the probe 101 is suspended from a base 121 by a parallel leaf spring 120. The probe 101 includes, for example, a probe shaft 102 formed of transparent low thermal expansion glass such as ULE (registered trademark) (Corning), and a probe tip 103 made of cemented carbide that contacts the object 104 to be measured at a contact point 119. Have A first flat mirror 110 serving as a target for measuring the rotation angle of the probe shaft 102 is provided at the upper end of the probe shaft 102, and a second flat mirror 116 serving as a target for measuring the rotation angle of the lower end surface is provided at the lower end. It is configured. The first flat mirror 110 is configured by applying a dielectric multilayer film that selectively reflects light having the wavelength of the first laser beam Ga to the upper end surface of the probe shaft 102. The second flat mirror 116 is configured by applying a dielectric multilayer film to the lower end surface of the probe shaft 102, and is a total reflection surface.

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。   Further, the shape measuring apparatus 100A includes an autocollimator optical system 112 that constitutes a first angle measuring unit and a second angle measuring unit. In the autocollimator optical system 112, the first laser light source 106 is a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength of 635 nm, and the second laser light source 113 emits laser light having a wavelength of 670 nm different from the wavelength of the first laser light source 106. It is a semiconductor laser. The first laser light source 106 and the second laser light source 113 respectively include a first half mirror 107 and a second half mirror 114 for incident light. A collimating lens 108 and a light position detecting element 118 for signal detection are also provided for both laser light sources. In addition, a function generator 115 for generating a reference signal and a calculation unit 117 for calculating a signal from the optical position detection element 118 are provided outside.

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。   The first laser light Ga emitted from the first laser light source 106 is bent toward the probe 101 by the first half mirror 107. Further, the second laser light Ha emitted from the second laser light source 113 is similarly bent toward the probe 101 by the second half mirror 114 and becomes coaxial with the first laser light Ga. Both laser beams become parallel light at the collimator lens 108 and enter the probe 101 as coaxial light. The first plane mirror 110 has a narrow-band reflection characteristic having a center wavelength of 632.8 nm. Here, the first laser beam Ga is reflected, the second laser beam Ha is transmitted, and passes through the probe shaft 102. And reflected by the second flat mirror 116 at the lower end. The return lights of the first laser beam Ga and the second laser beam Ha are both incident on the PSD optical position detection element 118.

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。   As the first laser light source 106 and the second laser light source 113, those capable of intensity modulation by applying an external voltage are used. By amplifying and applying the reference signal oscillated from the function generator 115 to the first laser light source 106, the first laser light Ga having an intensity change synchronized with the reference signal can be obtained. Then, by amplifying and applying an inverted signal of the reference signal to the second laser light source 113, the second laser light Ha has a change in intensity that is 180 ° out of phase with the first laser light Ga. Can be made. As a result, the coaxial light can be composed of light beams in which the first laser light Ga and the second laser light Ha have alternating intensities. Therefore, with respect to the detection signal obtained from the optical position detection element 118, the arithmetic unit 117 can separate a component synchronized with the reference signal and its inverted signal. That is, it is possible to measure the inclination of the first plane mirror 110 and the second plane mirror 116 by temporally switching one autocollimator optical system. As described above, by measuring the inclinations of a plurality of mirrors with one autocollimator optical system, a smaller and lighter measuring means can be obtained as compared with the case where a plurality of autocollimator optical systems are used.

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、ｃ０…中心軸、Ｇ…第一レーザ光、Ｈ…第二レーザ光 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Probe, 2 ... Probe shaft, 3 ... Probe tip part, 4 ... Object to be measured, 5 ... Autocollimator optical system (first measurement optical system), 10 ... Planar dichroic mirror (plane mirror), 12 ... Translational movement amount measuring optical system (the second measuring optical system), 16 ... spherical mirror, 19 ... ball (contact point), 42b ... shift amount calculating section, 42c ... estimator, 100 ... shape measuring device, c 0 ... central axis, G ... First laser beam, H ... second laser beam

Claims (4)

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。 A probe shaft that is supported so as to be movable in the Z-axis direction and whose center axis is parallel to the Z-axis, and a probe tip that is provided at the tip of the probe shaft and contacts the surface of the object to be measured. The probe is scanned in the X and Y axis directions with respect to the surface of the object to be measured, and the probe is in contact with the object in the X and Y axes at the probe tip portion in contact with the object to be measured. A shape measuring device for acquiring three-dimensional shape measurement data of the surface of the object to be measured by measuring the position in the Z-axis direction of
A flat mirror that is provided integrally with the probe tip, and is tilted together with the probe tip when the probe shaft is changed from a normal posture and the probe tip is tilted with respect to the Z axis;
A first measurement optical system that measures the amount of inclination of the plane mirror with respect to the Z-axis by reflected light reflected on the plane mirror by irradiating the plane mirror with a first laser beam;
A spherical mirror integrally provided at the probe tip;
A position in the X and Y axis directions of the contact point when the probe shaft is in a normal posture is set as a reference position, and a deviation amount in the X and Y axis directions of the spherical mirror with respect to the reference position is set to the second position in the spherical mirror. A second measurement optical system for measuring the reflected light reflected by the spherical mirror by irradiating a laser beam;
From the amount of tilt measured by the first measuring optical system, the amount of deviation measured by the second measuring optical system, and the distance between the contact point and the spherical mirror, X and Y of the contact point with respect to the reference position A deviation amount calculating unit for calculating an axial deviation amount;
An estimation unit that estimates the position of the contact point in the X and Y axis directions from the amount of shift of the contact point in the X and Y axis directions with respect to the reference position calculated by the deviation amount calculation unit;
A shape measuring apparatus comprising: 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。   The shape measuring device according to claim 1, wherein the probe tip is formed of a member having higher rigidity than the probe shaft. 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。   The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the probe shaft is made of a transparent member, and the planar mirror and the spherical mirror are disposed between the probe shaft and the probe tip. 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。 The plane mirror is a dichroic mirror that reflects the first laser beam and transmits the second laser beam;
The shape measuring apparatus according to claim 3, wherein the spherical mirror is disposed between the flat mirror and the probe tip.
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