JP4500736B2

JP4500736B2 - Shape measuring device

Info

Publication number: JP4500736B2
Application number: JP2005170265A
Authority: JP
Inventors: 光太郎保坂; 正行飯野
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-06-10
Filing date: 2005-06-10
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2025-06-10
Also published as: JP2006343249A

Description

本発明は、非球面、球面、あるいは自由曲面を有する結像レンズ等の光学部品、金型およびその成型品等の三次元形状を高精度に測定する形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of an optical component such as an imaging lens having an aspherical surface, a spherical surface, or a free-form surface, a mold, and a molded product thereof with high accuracy.

従来、高精度な面形状を有する光学部品等の自由曲面や球面を計測する三次元形状測定装置においては、プローブの制御方法として、例えば特許文献１に開示された装置では、Ｚ方向の形状測定用にはレーザ測長器を用いる一方で、プローブを形状にトレースさせるための制御にはオートフォーカス機構を利用している。 Conventionally, in a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a free curved surface or a spherical surface of an optical component or the like having a highly accurate surface shape, as a probe control method, for example, in the apparatus disclosed in Patent Document 1, shape measurement in the Z direction is performed. For this purpose, a laser length measuring device is used, while an autofocus mechanism is used for control for tracing the probe into a shape.

図２は、オートフォーカス機構を利用した従来例を示すもので、半導体レーザ２０１から発したレーザ光はコリメーターレンズ２０２、偏光ビームスプリッタ２０３、λ／４波長板２０４を透過した後、ダイクロイックミラー２０５を反射して、対物レンズ２０６によってプローブ２０７の上面に取り付けられたミラー２２３に焦点を結ぶ。ミラー２２３で反射して対物レンズ２０６に戻ったレーザ光の反射光はダイクロイックミラー２０５および偏光ビームスプリッタ２０３で今度は反射し、レンズ２０８で集光されてハーフミラー２０９で２つに分離され、ピンホール２１０を通過し、２つの光検出器２１１で受光される。２つの光検出器２１１の出力は誤差信号発生部２１２によってフォーカス誤差を表す信号となり、サーボ回路２１３によってこのフォーカス誤差信号がゼロとなるようにリニアモータ２１４を制御する。こうしてプローブ筐体２１５に対するプローブ２０７の位置を一定位置に保持することができる。さらにこの状態でワーク２２１の表面上をプローブ２０７が倣い走査することでワーク２２１の形状を測定することができる。 FIG. 2 shows a conventional example using an autofocus mechanism. Laser light emitted from a semiconductor laser 201 is transmitted through a collimator lens 202, a polarization beam splitter 203, and a λ / 4 wavelength plate 204, and then a dichroic mirror 205. Is focused on the mirror 223 attached to the upper surface of the probe 207 by the objective lens 206. The reflected laser beam reflected by the mirror 223 and returned to the objective lens 206 is now reflected by the dichroic mirror 205 and the polarization beam splitter 203, collected by the lens 208, and separated into two by the half mirror 209. The light passes through the hole 210 and is received by the two photodetectors 211. The outputs of the two photodetectors 211 become signals representing a focus error by the error signal generator 212, and the linear motor 214 is controlled by the servo circuit 213 so that the focus error signal becomes zero. Thus, the position of the probe 207 with respect to the probe housing 215 can be held at a fixed position. Further, in this state, the probe 207 scans the surface of the work 221 so that the shape of the work 221 can be measured.

また、三次元形状測定装置におけるプローブの別の制御方法として、特許文献２に開示されたように、プローブの制御用位置検出手段として変位計を用いるものが知られている。 Further, as another probe control method in the three-dimensional shape measuring apparatus, as disclosed in Patent Document 2, a probe using a displacement meter as a probe control position detecting means is known.

図３は、プローブの制御用位置検出手段として変位計を利用した従来例を示すもので、エアー供給口３０６から供給されるエアーによって多孔質パッド３０５によってプローブ軸３０２との間にエアーベアリングが形成され、プローブ軸３０２は紙面に対して上下に移動可能に保持される。プローブ先端３０１がワークに接触したとき平行板バネ３０９の撓み量を予め設定した量に制御する必要があり、その量は変位計３０３とプローブ軸３０２のギャップを予め設定した値になるように制御することで達せられる。従って変位計３０３からの信号を予め設定した数値に保ったままプローブ筐体３０４を移動させることで、プローブ先端３０１はワーク表面を倣い走査することができる。
特開平０６−２６５３４０号公報特開２０００−２９８０１３号公報 FIG. 3 shows a conventional example in which a displacement meter is used as a probe control position detection means, and an air bearing is formed between the probe shaft 302 and the porous pad 305 by the air supplied from the air supply port 306. The probe shaft 302 is held so as to be movable up and down with respect to the paper surface. When the probe tip 301 comes into contact with the workpiece, it is necessary to control the deflection amount of the parallel leaf spring 309 to a preset amount, and the amount is controlled so that the gap between the displacement meter 303 and the probe shaft 302 becomes a preset value. Can be achieved. Therefore, the probe tip 301 can follow the workpiece surface by moving the probe housing 304 while keeping the signal from the displacement meter 303 at a preset value.
Japanese Patent Laid-Open No. 06-265340 JP 2000-298013 A

しかしながら、特許文献１に開示されたオートフォーカス機構によるプローブ位置の検出方法はピント面近傍ではほぼ正しい信号が出力されるが、ピント面から大きく離れると位置と信号の関係が崩れて正しい位置を計測することができない。 However, the probe position detection method using the autofocus mechanism disclosed in Patent Document 1 outputs a substantially correct signal in the vicinity of the focus surface, but if the distance from the focus surface is far away, the relationship between the position and the signal collapses and the correct position is measured. Can not do it.

さらに、プローブ位置と信号の関係が大きく崩れた状態ではプローブがワークに対して押し込まれているのか、離れる方向なのかをも区別することができなくなり、プローブとワークが衝突し破損させるおそれがある。 Furthermore, when the relationship between the probe position and the signal is greatly broken, it is impossible to distinguish whether the probe is pushed into the workpiece or away from the workpiece, and the probe and the workpiece may collide and be damaged. .

また、特許文献２に開示されたプローブの位置検出手段として変位計を用いる方法では、変位計の検出範囲が狭いので変位計とプローブターゲットの間隔を精密に調整する必要がある。またプローブターゲットと変位計は対向して取り付ける必要があるのでプローブの位置が大きくずれるとセンサーとプローブターゲットが衝突し破損するおそれがある。衝突を回避するためにメカ的なストッパーを用意するとさらにプローブと変位計とストッパーの位置関係を精密に調整する必要が出てくる。 In the method using a displacement meter as the probe position detection means disclosed in Patent Document 2, the detection range of the displacement meter is narrow, and therefore it is necessary to precisely adjust the distance between the displacement meter and the probe target. In addition, since the probe target and the displacement meter need to be mounted to face each other, the sensor and the probe target may collide and be damaged if the position of the probe is greatly displaced. If a mechanical stopper is prepared in order to avoid a collision, the positional relationship among the probe, the displacement meter, and the stopper needs to be precisely adjusted.

本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、プローブの位置が大きくずれた場合でも正しくプローブ位置を計測し、被測定物の三次元形状を常時安定して高精度で測定でき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。 The present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art, and even when the position of the probe is greatly deviated, the probe position is correctly measured, and the three-dimensional shape of the object to be measured is always stable. An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus capable of measuring with high accuracy.

上記目的を達成するため、本発明の形状測定装置は、架台に対して移動可能な移動体と、前記移動体にＺ方向に移動可能に保持されたプローブと、を備え、前記プローブによって被測定面をＸＹ方向に走査するとともに前記プローブのＺ方向の位置を測定することで、前記被測定面の形状を測定する形状測定装置であって、前記移動体をＺ方向に移動させるＺ軸ステージと、前記プローブのＺ方向の端部に設けられたターゲットミラーと、前記ターゲットミラーに相対するよう前記架台に固定された第一の基準ミラーと、前記第一の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの間に配置され、前記移動体に固定された干渉手段と、前記プローブのＺ方向の位置として、前記干渉手段にレーザ光を出射し、前記第一の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの間を往復したレーザ光を入射して前記第一の基準ミラーと前記ターゲットミラーとのＺ方向の距離を測定する第一のレーザ測長器と、前記干渉手段と前記第一の基準ミラーとの間に配置され、前記移動体に固定された第二の基準ミラーと、前記干渉手段にレーザ光を出射し、前記第二の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの間を往復したレーザ光を入射して前記第二の基準ミラーと前記ターゲットミラーとのＺ方向の離間距離を測定する第二のレーザ測長器と、前記第二のレーザ測長器により測定された前記第二の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの離間距離があらかじめ設定された値となるように前記Ｚ軸ステージを駆動して前記移動体のＺ方向の位置を制御するコントローラーと、を備え、前記第一の基準ミラー、前記第二の基準ミラー及び前記干渉手段を前記プローブに対してＺ方向に同軸上に配置したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a shape measuring apparatus according to the present invention includes a movable body that is movable with respect to a gantry , and a probe that is held by the movable body so as to be movable in the Z direction. A shape measuring apparatus for measuring the shape of the surface to be measured by scanning the surface in the XY direction and measuring the position of the probe in the Z direction, and a Z-axis stage for moving the movable body in the Z direction; A target mirror provided at an end in the Z direction of the probe, a first reference mirror fixed to the gantry so as to face the target mirror, and between the first reference mirror and the target mirror The laser beam is emitted to the interference unit as a position in the Z direction of the probe and the interference unit fixed to the moving body, and the first reference mirror and the target mirror A first laser length measuring device for measuring the distance in the Z direction between the first reference mirror and the target mirror by entering a laser beam reciprocating between the first reference mirror, the interference means and the first reference A second reference mirror arranged between the mirror and fixed to the movable body; and a laser beam which emits laser light to the interference means and reciprocates between the second reference mirror and the target mirror. a second laser length measuring instrument for measuring the Z-direction separation distance of the incident and the second reference mirror and the target mirror, said second laser measurement device said second reference measured by comprising a controller which distance mirrors and the target mirror by driving the Z-axis stage such that the predetermined value for controlling the position in the Z direction of the movable body, wherein the first reference mirror The first Characterized in that arranged coaxially in the Z direction with respect to the reference mirror and the interference means the probe.

接触式または非接触式のプローブをワークの表面（被測定面）に対して倣い走査する工程で、プローブが倣い走査中心から大きくずれても、第二のレーザ測長器によってプローブ位置を正しく検出して、直ちに倣い走査中心にプローブ位置を直すことができる。また、プローブ位置が倣い走査中心から大きくずれたとき、プローブがワークに対して押し込まれているのか離れているのかが正確に読みとることができるため、プローブをワークに衝突させてしまうおそれもなく、安全性の高い形状測定を行うことが可能となる。 In the process of scanning a contact or non-contact type probe with respect to the surface of the workpiece (surface to be measured), the probe position is correctly detected by the second laser length measuring device even if the probe deviates greatly from the scanning center. Thus, the probe position can be immediately corrected to the scanning center. In addition, when the probe position deviates greatly from the scanning center, it is possible to accurately read whether the probe is pushed into or away from the workpiece, so there is no risk of causing the probe to collide with the workpiece. It is possible to perform highly safe shape measurement.

共通のターゲットミラーとして、プローブに取り付けられたターゲットミラーを用いることで、装置を小型化するとともに、プローブの実効質量を軽減することができる。 By using a target mirror attached to the probe as a common target mirror, the apparatus can be miniaturized and the effective mass of the probe can be reduced.

さらに、２つのレーザ測長光路をプローブに対して同軸上に配置することで、プローブ軸の傾きによる誤差の影響を受けない高精度な測長が可能となる。
Further, by arranging the two laser measurement optical paths coaxially with respect to the probe, it is possible to perform highly accurate length measurement that is not affected by errors due to the inclination of the probe axis.

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は一実施の形態による形状測定装置を示す模式図である。この装置は、本体架台１０１と、高さ方向であるＺ方向の測定基準となる第一の基準ミラー１０２とを有し、第一の基準ミラー１０２は本体架台１０１に取り付けられている。Ｚ軸アーム１０３は、Ｚ軸ステージ１０４によってＺ方向に移動する移動体であり、ガイド構造としてエアーベアリングを採用し、Ｚ軸ステージ１０４の駆動機構としては、例えばリニアモータを搭載している。 FIG. 1 is a schematic view showing a shape measuring apparatus according to an embodiment. This apparatus has a main body base 101 and a first reference mirror 102 that serves as a measurement reference in the Z direction, which is the height direction, and the first reference mirror 102 is attached to the main body base 101. The Z-axis arm 103 is a moving body that moves in the Z direction by the Z-axis stage 104, adopts an air bearing as a guide structure, and mounts, for example, a linear motor as a drive mechanism of the Z-axis stage 104.

Ｚ軸アーム１０３に支持されたプローブハウジング１０５は、プローブ軸１０６を、板バネ１０７、１０８を介してプローブハウジング１０５に対してＺ方向に移動可能なように保持している。プローブ軸１０６とともに接触式のプローブを構成するプローブ先端球１０９は、プローブ軸１０６に接着あるいは図示していない真空バキューム機構によって固定されている。 The probe housing 105 supported by the Z-axis arm 103 holds the probe shaft 106 so as to be movable in the Z direction with respect to the probe housing 105 via leaf springs 107 and 108. A probe tip sphere 109 that constitutes a contact-type probe together with the probe shaft 106 is bonded to the probe shaft 106 or fixed by a vacuum vacuum mechanism (not shown).

このようにプローブ軸１０６は板バネ１０７、１０８を介してプローブハウジング１０５に保持され、プローブハウジング１０５はＺ軸アーム１０３に固定され、プローブ先端球１０９がワークＷの表面（被測定面）を倣い走査することでワークＷの三次元形状を計測する。 In this way, the probe shaft 106 is held by the probe housing 105 via the leaf springs 107 and 108, the probe housing 105 is fixed to the Z-axis arm 103, and the probe tip sphere 109 follows the surface (surface to be measured) of the workpiece W. The three-dimensional shape of the workpiece W is measured by scanning.

Ｚ軸アーム１０３には、プローブ位置検出系の測定基準となる第二の基準ミラー１１１と、λ／４板を有する干渉計（干渉手段）１１２が搭載され、干渉計１１２にはコーナーキューブ１１３が取り付けられる。プローブ軸１０６の上端にはターゲットミラー１１４が固定される。 The Z-axis arm 103 is equipped with a second reference mirror 111 serving as a measurement reference for the probe position detection system and an interferometer (interference means) 112 having a λ / 4 plate. The interferometer 112 has a corner cube 113. It is attached. A target mirror 114 is fixed to the upper end of the probe shaft 106.

すなわち、第二の基準ミラー１１１は干渉計１１２およびコーナーキューブ１１３とともにＺ軸アーム１０３に固定されている。また、第二の基準ミラー１１１には、第一の基準ミラー１０２に向かうレーザ光が通過できるように貫通穴が１箇所以上、例えば２箇所に設けられている。 That is, the second reference mirror 111 is fixed to the Z-axis arm 103 together with the interferometer 112 and the corner cube 113. In addition, the second reference mirror 111 is provided with one or more through holes, for example, two places, so that the laser beam directed to the first reference mirror 102 can pass therethrough.

第一の基準ミラー１０２および干渉計１１２を用いる第一のレーザ測長器は、レーザ投光部１１５およびレーザ受光部１１６を有し、レーザ受光部１１６は、レーザ測長アンプとつながっている。また、第二の基準ミラー１１１および干渉計１１２を用いる第二のレーザ測長器は、図１の紙面に向かって奥にあるレーザ投光部１１７と、図１の紙面に向かって手前にあるレーザ受光部１１８を有する。 The first laser length measuring device using the first reference mirror 102 and the interferometer 112 has a laser light projecting unit 115 and a laser light receiving unit 116, and the laser light receiving unit 116 is connected to a laser length measuring amplifier. Further, the second laser length measuring device using the second reference mirror 111 and the interferometer 112 is located in front of the laser projector 117 and the front of the paper in FIG. A laser light receiving unit 118 is included.

レーザ投光部１１５からのレーザ光は互いに直交する偏向をもった２種類の光、すなわちＰ偏光とＳ偏光と呼ばれる光を持っている。今、Ｓ偏光が干渉計１１２で反射する方向の光とする。Ｓ偏光は干渉計１１２に入り、図示下方に反射し、プローブ軸１０６に固定されたターゲットミラー１１４で図示上方に反射する。次に干渉計１１２に入ったときはλ／４板を２回通るので今度は透過し、第二の基準ミラー１１１に設けられた穴を抜けて第一の基準ミラー１０２に達する。次に第一の基準ミラー１０２で反射した光は再び第二の基準ミラー１１１の穴を抜けて干渉計１１２に入る。このときλ／４板を２回通るので今度は干渉計１１２で反射し図に向かって左側に光が進みコーナーキューブ１１３に入る。コーナーキューブ１１３では光は図に向かって下側に移動し、今度は右側へ入ってきたときと平行に射出し、再び干渉計１１２に入る。干渉計１１２では今度は図示上方に反射し、第二の基準ミラー１１１の前回とは異なる穴を抜けて第一の基準ミラー１０２に達する。第一の基準ミラー１０２で反射した光は再びＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１に設けられた穴を通って干渉計１１２に入る。λ／４板を２回通っているので今度は干渉計１１２を透過し、プローブ軸１０６に固定されたターゲットミラー１１４で反射して再び干渉計１１２に入り、再びλ／４板を２回通っているので今度は干渉計１１２で反射してレーザ受光部１１６に入る。 The laser light from the laser projection unit 115 has two types of light having polarizations orthogonal to each other, that is, light called P-polarized light and S-polarized light. Now, it is assumed that the S-polarized light is reflected in the direction reflected by the interferometer 112. The S-polarized light enters the interferometer 112, is reflected downward in the figure, and is reflected upward in the figure by the target mirror 114 fixed to the probe shaft 106. Next, when entering the interferometer 112, it passes through the λ / 4 plate twice, so that it passes through this time, passes through the hole provided in the second reference mirror 111, and reaches the first reference mirror 102. Next, the light reflected by the first reference mirror 102 passes through the hole of the second reference mirror 111 and enters the interferometer 112 again. At this time, since it passes through the λ / 4 plate twice, this time it is reflected by the interferometer 112, and the light advances to the left as viewed in the figure and enters the corner cube 113. In the corner cube 113, the light moves downward as viewed in the figure, and is then emitted in parallel with the light entering the right side and enters the interferometer 112 again. The interferometer 112 now reflects upward in the figure, and reaches the first reference mirror 102 through a hole different from the previous time of the second reference mirror 111. The light reflected by the first reference mirror 102 enters the interferometer 112 again through a hole provided in the second reference mirror 111 for Z-axis control. Since it passes through the λ / 4 plate twice, this time it passes through the interferometer 112, is reflected by the target mirror 114 fixed to the probe shaft 106, enters the interferometer 112 again, and passes again through the λ / 4 plate twice. This time, the light is reflected by the interferometer 112 and enters the laser light receiving unit 116.

次にＰ偏光はレーザ投光部１１５から干渉計１１２に入ると干渉計１１２を透過し、そのままコーナーキューブ１１３に入る。コーナーキューブ１１３では前回の光のときと同様に光は図示下方に移動し今度は右側へ入ってきたときと平行に射出する。光はλ／４板を通っていないので干渉計１１２でそのまま透過し、レーザ受光部１１６へ入る。このとき先ほどのＳ偏光とＰ偏光が干渉する。Ｐ偏光は固定されたコーナーキューブを通るだけなので一定であるが、Ｓ偏光は第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の間を２往復している。従ってＳ偏光とＰ偏光の干渉縞を計測することで第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の距離の変化を計測することができる。 Next, when the P-polarized light enters the interferometer 112 from the laser projector 115, it passes through the interferometer 112 and enters the corner cube 113 as it is. In the corner cube 113, the light moves downward in the figure as in the case of the previous light, and this time it is emitted in parallel with the light entering the right side. Since the light does not pass through the λ / 4 plate, it passes through the interferometer 112 as it is and enters the laser light receiving unit 116. At this time, the previous S-polarized light and P-polarized light interfere. P-polarized light is constant because it passes through a fixed corner cube, but S-polarized light makes two round trips between the first reference mirror 102 and the target mirror 114. Therefore, the change in the distance between the first reference mirror 102 and the target mirror 114 can be measured by measuring the interference fringes of S polarization and P polarization.

すなわち、ワークＷの三次元形状を測定する形状検出系は、レーザ投光部１１５からのレーザ光をレーザ受光部１１６で受けて測長することで、第一の基準ミラー１０２とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４間の距離を測定する。 That is, the shape detection system for measuring the three-dimensional shape of the workpiece W receives the laser beam from the laser projection unit 115 by the laser receiving unit 116 and measures the length, whereby the first reference mirror 102 and the probe shaft 106 are measured. The distance between the target mirrors 114 is measured.

プローブのＺ軸制御を行うプローブ位置検出系のレーザ投光部１１７から射出したレーザ光も、同様に互いに直交する偏向をもったＳ偏光とＰ偏光を持っている。レーザ投光部１１７からのＳ偏光は、第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の間で２往復してレーザ受光部１１８に入る。これに対してレーザ投光部１１７からのＰ偏光はコーナーキューブ１１３を回ってレーザ受光部１１８に入る。ここで、Ｓ偏光とＰ偏光が干渉するので、レーザ受光部１１８に入ったＳ偏光とＰ偏光の干渉縞を計測することで今度は第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離の変化を計測することができる。 Similarly, the laser light emitted from the laser projection unit 117 of the probe position detection system that performs Z-axis control of the probe also has S-polarized light and P-polarized light having deflections orthogonal to each other. The S-polarized light from the laser projector 117 enters the laser receiver 118 after two reciprocations between the second reference mirror 111 and the target mirror 114. On the other hand, the P-polarized light from the laser projector 117 enters the laser light receiver 118 around the corner cube 113. Here, since the S-polarized light and the P-polarized light interfere with each other, by measuring the interference fringes of the S-polarized light and the P-polarized light that have entered the laser light receiving unit 118, the change in the distance between the second reference mirror 111 and the target mirror 114 can be changed. It can be measured.

すなわち、プローブ位置を制御するためのプローブ位置検出系は、レーザ投光部１１７で射出したレーザ光をレーザ受光部１１８で受けて距離を測長することで、第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４間の距離を測定する。 That is, the probe position detection system for controlling the probe position receives the laser beam emitted from the laser projection unit 117 by the laser light receiving unit 118 and measures the distance, thereby measuring the second reference mirror 111 and the probe axis. The distance between the target mirrors 114 on 106 is measured.

次に、プローブ先端球１０９をワークＷにトレースさせながらその表面形状を計測する方法を説明する。 Next, a method for measuring the surface shape of the probe tip sphere 109 while tracing it on the workpiece W will be described.

まず、図示しない形状測定装置制御用のコントローラーからＺ軸ステージ１０４を所定の原点位置に移動させる。このとき、第一、第二のレーザ測長用のレーザ受光部１１６、１１８を所定の数値にリセットする。上記コントローラーにはワークＷを初めとする各種のデータが記憶されている。コントローラーは、次にワークＷの情報からプローブ先端球１０９をワークＷに接触させる初期位置へＺ軸座標に対して直交するＸＹ軸方向、すなわち図１に対して水平方向の位置へ図示していないＸ軸、Ｙ軸ステージを駆動して移動させる。次にコントローラーはＺ軸ステージ１０４を駆動してプローブ先端球１０９をワークＷへ近づける。このとき、コントローラーは第二のレーザ測長用のレーザ受光部１１８からの信号を同時に読みとり続ける。 First, the Z-axis stage 104 is moved to a predetermined origin position from a controller (not shown) for controlling the shape measuring apparatus. At this time, the first and second laser light receiving units 116 and 118 for laser length measurement are reset to predetermined numerical values. Various data including the work W are stored in the controller. The controller is not shown in the XY-axis direction perpendicular to the Z-axis coordinate, that is, in the horizontal direction with respect to FIG. Drive and move the X-axis and Y-axis stages. Next, the controller drives the Z-axis stage 104 to bring the probe tip sphere 109 closer to the workpiece W. At this time, the controller continues to simultaneously read signals from the laser receiving unit 118 for the second laser length measurement.

プローブ先端球１０９がワークＷに接触し、プローブ軸１０６を支持している板バネ１０７、１０８が所定の量撓んだときの第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離を予めコントローラーに記憶しておき、その距離になったときにＺ軸の降下を停止する。この後は、コントローラーによって第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離を第二のレーザ測長用のレーザ受光部１１８からの信号から常に読みとり、常に第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるようにＺ軸ステージ１０４を駆動してＺ軸アーム１０３のＺ方向位置を制御するＺ軸制御を行う。 The distance between the second reference mirror 111 and the target mirror 114 on the probe shaft 106 when the probe tip sphere 109 is in contact with the workpiece W and the leaf springs 107 and 108 supporting the probe shaft 106 are bent by a predetermined amount. Is stored in advance in the controller, and when the distance is reached, the lowering of the Z-axis is stopped. Thereafter, the controller always reads the distance between the second reference mirror 111 and the target mirror 114 on the probe shaft 106 from the signal from the laser receiving unit 118 for the second laser measurement, and the second reference mirror 111 is always read. Z-axis control is performed to control the Z-axis position of the Z-axis arm 103 by driving the Z-axis stage 104 so that the distance between the target mirror 114 and the target mirror 114 becomes a preset value.

すなわち、レーザ受光部１１８からの信号によってＺ軸ステージ１０４はサーボ状態となる。このＺ軸ステージ１０４のサーボ状態をコントロールするのに、前記コントローラー以外のサーボ専用のコントローラーを用意してもよい。このとき、何らかの原因でＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離が設定値より大きく変化してしまっても、第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離を測定する手段が上記のようにレーザ測長器であって測定範囲にほぼ制限が無いので、距離信号が途切れたり、リニアリティが悪化することがなく、第二の基準ミラー１１１からのターゲットミラー１１４の距離、すなわちプローブ軸１０６のＺ方向位置を正確に検出することができる。従って、前記コントローラーあるいはサーボ専用のコントローラーからの指令で、Ｚ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の距離を予め設定された値に戻すことが可能となる。 That is, the Z-axis stage 104 is in a servo state by a signal from the laser light receiving unit 118. In order to control the servo state of the Z-axis stage 104, a servo-dedicated controller other than the controller may be prepared. At this time, even if the distance between the second reference mirror 111 for Z-axis control and the target mirror 114 on the probe shaft 106 has changed more than the set value for some reason, the second reference mirror 111 and the target mirror 114 Since the distance measuring means is a laser length measuring device as described above and there is almost no limit to the measurement range, the distance signal is not interrupted and the linearity is not deteriorated, and the target from the second reference mirror 111 is not affected. The distance of the mirror 114, that is, the position of the probe shaft 106 in the Z direction can be accurately detected. Accordingly, it is possible to return the distance between the second reference mirror 111 for Z-axis control and the target mirror 114 on the probe shaft 106 to a preset value by a command from the controller or a controller dedicated to servos.

Ｚ軸ステージ１０４が常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるように駆動するサーボ状態になったら、次にコントローラーは予め設定しておいた通りプローブ先端球１０９がワークＷの表面を走査するように図示しないＸＹ軸に移動指令を与える。プローブ先端球１０９はワークＷの表面上を移動するが、ワークＷの表面形状によってプローブ先端球１０９を接着したプローブ軸１０６は図示上下方向に動く。このとき、Ｚ軸ステージ１０４が、常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の離間距離を予め設定された値に保つように、Ｚ軸アーム１０３のＺ方向位置を制御している。 When the Z-axis stage 104 is in a servo state where the distance between the second reference mirror 111 for controlling the Z-axis and the target mirror 114 is always set to a preset value, the controller then sets in advance. A movement command is given to an XY axis (not shown) so that the probe tip sphere 109 scans the surface of the workpiece W as it is. The probe tip sphere 109 moves on the surface of the workpiece W, but the probe shaft 106 to which the probe tip sphere 109 is bonded according to the surface shape of the workpiece W moves in the vertical direction in the figure. At this time, the Z-axis stage 104 controls the position of the Z-axis arm 103 in the Z direction so that the separation distance between the second reference mirror 111 for Z-axis control and the target mirror 114 is always maintained at a preset value. ing.

すなわち、常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になっているので、プローブ軸１０６を固定している板バネ１０７、１０８の撓み量を一定にしたままプローブ先端球１０９はワークＷの表面を走査することになる。すなわち、プローブ先端球１０９がワークＷに対して一定の圧力を保ったまま接触し、表面形状を倣い走査することになる。 That is, since the distance between the second reference mirror 111 for Z-axis control and the target mirror 114 is always a preset value, the amount of bending of the leaf springs 107 and 108 that fix the probe shaft 106 is constant. The probe tip sphere 109 scans the surface of the workpiece W while keeping the position. That is, the probe tip sphere 109 comes into contact with the workpiece W while maintaining a constant pressure, and scans the surface shape.

コントローラーの指令によって図示しないＸＹ軸を駆動し、Ｚ軸ステージ１０４が常にＺ軸制御用の第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるように駆動することでプローブ先端球１０９がワークＷの表面を倣い走査するのと同時に、前記コントローラー、または専用のレーザ計測装置によって第一の基準ミラー１０２とプローブ軸１０６上のターゲットミラー１１４の間の距離変化をレーザ受光部１１６の信号として受け取る。すなわち、第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の間の距離変化データがワークＷの表面形状を表すデータとなる。このとき、ＸＹ軸の座標は、ＸＹ軸に設けられた図示しないエンコーダーを用いたり、あるいはレーザ測長器を２軸増やし、図示水平方向にＸ軸用の第三の基準ミラーおよびＹ軸用の第四の基準ミラーを配置し、干渉計をＺ軸アーム１０３に２軸分用意することによって、ＸＹ軸座標をレーザ測長器によって知ることも可能である。 The probe is driven by driving the XY axes (not shown) in accordance with a command from the controller so that the distance between the second reference mirror 111 for controlling the Z axis and the target mirror 114 is always set to a predetermined value. At the same time that the tip sphere 109 scans the surface of the workpiece W, the controller or a dedicated laser measuring device simultaneously changes the distance between the first reference mirror 102 and the target mirror 114 on the probe shaft 106 by the laser light receiving unit. 116 is received as a signal. That is, the distance change data between the first reference mirror 102 and the target mirror 114 is data representing the surface shape of the workpiece W. At this time, the coordinates of the XY axes are obtained by using an encoder (not shown) provided on the XY axes, or increasing the number of laser length measuring instruments by two axes, and the third reference mirror for the X axis and the Y axis in the horizontal direction shown in the figure. By arranging a fourth reference mirror and preparing two interferometers for the Z-axis arm 103, the XY-axis coordinates can be obtained by the laser length measuring device.

このように、Ｚ軸ステージ１０４が常に第二の基準ミラー１１１とターゲットミラー１１４の距離が予め設定された値になるようにＺ軸制御しながらＸＹ軸を移動している間、コントローラーは、第一の基準ミラー１０２とターゲットミラー１１４の間の距離変化をレーザ受光部１１６の信号として受け取るデータをＺ方向データとし、そのときのＸＹ軸座標を、例えば前記第三の基準ミラーおよび第四の基準ミラーからの距離として受け取りＸＹ座標データとすることで、ＸＹ座標に対するＺ方向データとして取り込むことができる。すなわちこのＸＹ座標に対するＺ方向データがワークＷの表面形状となる。 In this way, while the Z-axis stage 104 always moves the XY axes while controlling the Z-axis so that the distance between the second reference mirror 111 and the target mirror 114 becomes a preset value, the controller Data that receives a change in the distance between one reference mirror 102 and the target mirror 114 as a signal of the laser light receiving unit 116 is taken as Z direction data, and the XY axis coordinates at that time are, for example, the third reference mirror and the fourth reference By receiving it as the XY coordinate data as the distance from the mirror, it can be taken in as the Z direction data for the XY coordinate. That is, the Z direction data with respect to the XY coordinates is the surface shape of the workpiece W.

上記の構成によれば、プローブの位置変位を計測するためのレーザ測長光学系を、Ｚ方向の形状測定データを得るためのレーザ測長光学系と同軸上に組むことによって、コンパクトなレーザ測長系を用いたプローブの位置制御が可能となり、大きなストローク変位が発生しても信号が途切れることなく、また正確なプローブ位置を計測することが可能となる。 According to the above configuration, the laser length measurement optical system for measuring the position displacement of the probe is assembled coaxially with the laser length measurement optical system for obtaining the shape measurement data in the Z direction. It is possible to control the position of the probe using the long system, and even if a large stroke displacement occurs, the signal is not interrupted, and an accurate probe position can be measured.

一実施の形態による形状測定装置を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing the shape measuring device by one embodiment. 一従来例による形状測定装置を示す図である。It is a figure which shows the shape measuring apparatus by one prior art example. 別の従来例による形状測定装置の主要部を示す図である。It is a figure which shows the principal part of the shape measuring apparatus by another prior art example.

符号の説明Explanation of symbols

１０２、１１１基準ミラー
１０３Ｚ軸アーム
１０４Ｚ軸ステージ
１０６プローブ軸
１０９プローブ先端球
１１２干渉計
１１３コーナーキューブ
１１４ターゲットミラー 102, 111 Reference mirror 103 Z-axis arm 104 Z-axis stage 106 Probe axis 109 Probe tip sphere 112 Interferometer 113 Corner cube 114 Target mirror

Claims

架台に対して移動可能な移動体と、前記移動体にＺ方向に移動可能に保持されたプローブと、を備え、前記プローブによって被測定面をＸＹ方向に走査するとともに前記プローブのＺ方向の位置を測定することで、前記被測定面の形状を測定する形状測定装置であって、
前記移動体をＺ方向に移動させるＺ軸ステージと、
前記プローブのＺ方向の端部に設けられたターゲットミラーと、
前記ターゲットミラーに相対するよう前記架台に固定された第一の基準ミラーと、
前記第一の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの間に配置され、前記移動体に固定された干渉手段と、
前記プローブのＺ方向の位置として、前記干渉手段にレーザ光を出射し、前記第一の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの間を往復したレーザ光を入射して前記第一の基準ミラーと前記ターゲットミラーとのＺ方向の距離を測定する第一のレーザ測長器と、
前記干渉手段と前記第一の基準ミラーとの間に配置され、前記移動体に固定された第二の基準ミラーと、
前記干渉手段にレーザ光を出射し、前記第二の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの間を往復したレーザ光を入射して前記第二の基準ミラーと前記ターゲットミラーとのＺ方向の離間距離を測定する第二のレーザ測長器と、
前記第二のレーザ測長器により測定された前記第二の基準ミラーと前記ターゲットミラーとの離間距離があらかじめ設定された値となるように前記Ｚ軸ステージを駆動して前記移動体のＺ方向の位置を制御するコントローラーと、を備え、
前記第一の基準ミラー、前記第二の基準ミラー及び前記干渉手段を前記プローブに対してＺ方向に同軸上に配置したことを特徴とする形状測定装置。 A moving body movable with respect to the gantry, and a probe which is movably held in the Z direction on the movable body, the position in the Z direction of the probe while scanning the surface to be measured in the XY direction by the probe Is a shape measuring device for measuring the shape of the surface to be measured,
A Z-axis stage for moving the movable body in the Z direction;
A target mirror provided at an end of the probe in the Z direction;
A first reference mirror fixed to the gantry to face the target mirror;
An interference means disposed between the first reference mirror and the target mirror and fixed to the moving body;
As the position of the probe in the Z direction, a laser beam is emitted to the interference means, and a laser beam reciprocating between the first reference mirror and the target mirror is incident to enter the first reference mirror and the target. A first laser length measuring device for measuring the distance in the Z direction from the mirror;
A second reference mirror disposed between the interference means and the first reference mirror and fixed to the movable body;
A laser beam is emitted to the interference means, a laser beam reciprocating between the second reference mirror and the target mirror is incident, and a separation distance in the Z direction between the second reference mirror and the target mirror is set. A second laser length measuring device,
The Z-axis stage is driven so that the separation distance between the second reference mirror measured by the second laser length measuring instrument and the target mirror becomes a preset value, and the Z direction of the movable body And a controller for controlling the position of the
The shape measuring apparatus, wherein the first reference mirror, the second reference mirror, and the interference means are arranged coaxially with respect to the probe in the Z direction .

前記第二の基準ミラーには前記第一のレーザ測長器におけるレーザ光が通過する１箇所以上の貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。 It said second shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the laser beam is one place or more through holes passes is formed in said first laser measurement device is a reference mirror.