JP5301778B2 - 表面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学関連素子等の表面形状測定装置に関する。

従来、レンズや金型等の光学関連素子の表面形状評価を行う装置として、触針子を光学関連素子等の被検物の面上に追従させる接触走査式の測定方法を採用した表面形状測定装置が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。以下、図７を参照して、本装置の測定原理について説明する。

触針子１０１を先端に有する触針軸１０２は、静圧軸受１０３により滑らかに摺動可能な状態で保持されている。触針軸１０２の摺動する距離は変位計１０４によって測定可能であり、静圧軸受１０３及び変位計１０４は平板部材１０５上に載置され、触針ユニットとして構成されている。

角度調整部材１０６の後部をＹ軸正方向に上昇させると、触針ユニット全体が水平方向に対して傾斜した状態となる。このとき、触針軸１０２は静圧軸受１０３によって滑らかに摺動可能に保持されているので、自らの重力により傾斜方向（Ｚ軸負方向）へ進もうとする力が作用する。この結果、触針子１０１は前方に位置する被検物１０７に向かって摺動し、その表面に接触する。

触針子１０１が被検物１０７に接触している状態で、駆動機構１０８により被検物１０７をＸ軸方向に走査すると、被検物１０７の形状に沿って触針子１０１が追従し、これに従って触針軸１０２が変位する。変位する触針軸１０２の位置座標を変位計１０４により、また、走査される被検物１０７の位置座標を変位計１０９により時系列的に取得することで被検物１０７の形状が得られる。本装置においては、触針子１０１を被検物１０７の表面に接触させる力（以下、測定力と称する。）を発生させるために、バネによる弾性力やエアによる圧力によらず、触針軸１０２自身の重力を利用する自重傾斜方式が採用されている。本装置によれば、例えば５ｍｇｆといった非常に小さな測定力を得ることが可能であり、かつ角度調整部材１０６により容易に測定力を調整することができる。
特表２００５−５０２８７６号公報

しかしながら、本装置においては、触針軸１０２と静圧軸受１０３の間隙が数μｍ程度と非常に狭くなっていること、測定力を重力のみに頼っていること等の理由から、埃や微粒子といった異物が上記間隙に混入したり、上記間隙内で結露を生じたりした場合に、触針軸１０２が静圧軸受１０３内で滑らかに摺動せず、被検物１０７の表面を正確に追従しなくなることがある。さらに、異物の混入や結露の程度と状態によっては、摺動が停止してしまうこともあり得る。

測定中にこのような状態が発生すると、得られる測定データは被検物の形状を反映せず、無意味なものとなってしまう。また、測定中にこのような状態の発生に気づいたとしても、再測定が必要となるため、余計な時間がかかる。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、被検物の表面形状測定中に発生する触針子の接触異常(測定中であるにもかかわらず被検物に接触していない状態等)を迅速かつ的確に検知することができる表面形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明の表面形状測定装置は、触針子を被検物に接触させた状態で相対的に水平走査させて、前記被検物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、所定時間内の前記触針子の変位量の変動に相当する周波数を求める演算部と、前記周波数の相対的時間変化量に基づいて、前記触針子と前記被検物の接触状態を判定する判定部とを備え、前記判定部は、前記演算部によって求められた前記周波数の時間推移を観測し、前記周波数の前記相対的時間変化量の不連続点の有無を検出することによって前記接触状態を判定することを特徴とする。

本発明の表面形状測定装置によれば、被検物の表面形状測定中に、触針子と被検物の接触状態を判定することが可能であり、触針子が被検物表面上を追従していない等の異常状態の発生を迅速に検知することができる。

前記演算部は、フーリエ変換又はウェーブレット変換を用いて、前記周波数を求めてもよい。この場合、測定中における触針子の変位量の変動を適切に周波数に変換することができる。

本発明によれば、被検物の表面形状測定中に発生する触針子の接触異常を、迅速かつ的確に検知することができる。

本発明の第１の実施形態について、図１から図４を参照して説明する。なお、特に説明のない限り、「前方」および「後方」とは、それぞれＺ軸の負方向及び正方向を指すものとする。本実施形態の表面形状測定装置１は、触針子２と、Ｙ軸駆動機構３と、Ｘ軸駆動機構４と、コンピュータ５とを備えて構成されている。

触針子２は静圧軸受６を貫通した状態で静圧軸受６内を滑らかに摺動可能に配置され、静圧軸受６は触針子２を前方に向けてベース平板８上に固定される。
Ｙ軸駆動機構３は、モータ等の公知の機構からなり、基台１１上に固定される。Ｙ軸駆動機構３の上部後方には、静圧軸受６の傾斜角度を調整する傾斜角度調整機構９が設けられ、傾斜角度調整機構９の前方には、静圧軸受６が傾斜角度調整機構９によって傾斜する際の支点となる支柱１０が設けられる。傾斜角度調整機構９は、例えばＹ軸方向に伸縮可能なアクチュエータで構成されるが、これに代えて上述の特許文献１に記載されているような、ねじと角度調整部材とを用いて構成された機構を用いてもよい。またＹ軸駆動機構３の後方には、触針子２のＹ軸方向位置を検出する変位計１２が設けられる。
傾斜角度調整機構９および支柱１０の上にはベース平板８が載置されている。したがって、静圧軸受６および触針子２は、Ｙ軸駆動機構３によってＹ軸方向（図１における上下方向）に移動可能に構成されている。

Ｘ軸駆動機構４は、例えばモータや圧電アクチュエータ等で構成され、基台１１上であってＹ軸駆動機構３の前方に設けられる。Ｘ軸駆動機構４の上には、レンズ、金型又は光学素子等の被検物１３を支持固定する保持部材１４が設けられる。保持部材１４に支持固定された被検物１３は、Ｘ軸駆動機構４によってＸ軸方向（図１における紙面に垂直な方向）に移動可能に構成されている。Ｘ軸駆動機構４の前方には、被検物１３のＸ軸方向の変位を検出する変位計１５が設けられる。

図２はコンピュータ５の構成を示すブロック図である。コンピュータは、制御部１６と、演算部１７と、判定部１８とを備えて構成されている。制御部１６は、Ｙ軸駆動機構３およびＸ軸駆動機構４と接続されており、表面形状測定装置１全体の動作制御を行う。演算部１７および判定部１８は、被検物１３の形状測定及び後述する触針子２の状態判定を行う。各変位計７、１２および１５は、制御部１６に接続されており、それぞれの検出値が制御部１６に入力される。

上記の構成を備えた表面形状測定装置１の動作について、以下に説明する。
まず、被検物１３を、形状測定を行う面が触針子２に対向するように、保持部材１４に支持固定する。次に、傾斜角度調整機構９を操作して、ベース平板８の後部を上方に移動させると、ベース平板８は支柱１０を支点として傾斜する。静圧軸受６で保持された触針子２は、自身の重力によって、静圧軸受６内を滑らかに摺動し、その先端は前方に向かって移動し、被検物１３の表面に接触して停止する。

この状態で、制御部１６によってＸ軸駆動機構４とＹ軸駆動機構３とを駆動し、被検物１３と触針子２を相対的に動かすことにより、被検物１３の表面を触針子２によって走査させる。各変位計７、１２及び１５の検出値は制御部１６に入力され、演算部１７によって解析、再構成が行われ、被検物１３の表面形状が測定される。このとき、並行して変位計７の検出値を解析することにより、被検物１３と触針子２との接触状態および触針子２の異常の有無の判定が行われる。

上記接触状態等の判定について、図３および図４を参照して説明する。図３はコンピュータ５内で行われる接触状態等判定のフローチャートである。

まず、ステップＳ１において、制御部１６が、測定が完了したかどうかを判定する。判定結果が「ＹＥＳ」の場合は一連の処理を終了し、判定結果が「ＮＯ」の場合はステップＳ２に進む。
ステップＳ２において、制御部１６が変位計７の出力値Ｚを所定のサンプリング周波数で取得し、点群データとして蓄積する。サンプリング周波数は例えば１ＭＨｚに設定されるが、これに限らず、他の周波数でもよい。

次にステップＳ３において、ステップＳ２で例えば０．１秒間に蓄積した点群データに対し、図４に示すように、演算部１７がフーリエ変換を行う。

ステップＳ４において、演算部１７は変換後に得られるパワースペクトルから１次ピーク周波数f_tを求めて判定部１８に送信し、被検物１３の表面形状測定中、f_tの監視を継続する。

ステップＳ５において、判定部１８は、取得した周波数f_tの値とその直前のタイミングで取得した周波数f_t−1の値との差が所定範囲内の量であるかどうかを判定する。この判定結果が「ＹＥＳ」の場合は、処理はステップＳ１に戻り、f_tの監視が継続される。判定結果が「ＮＯ」の場合、周波数f_tの変化量が所定範囲を超えており、周波数f_tの変化が不連続であると判定する。このとき、触針子２と被検物１３との接触状態あるいは触針子２自体に何らかの変化が発生している可能性があるので、判定部１８は、当該判定結果を制御部１６に送信する。

ステップＳ６において、制御部１６は、異常発生を知らせる或いは触針子２の状態の確認を促す旨を、図示しないディスプレイに表示したり、図示しないスピーカーから音声として出力する等の処理を行い、装置の操作者に告知を行って、一連の処理を終了する。

本実施形態の表面形状測定装置１によれば、測定中の周波数f_tの値の変化について継続的に監視するので、測定中に触針子２が被検物１３の表面から離れた場合や、触針子２自体が破損した場合など、何らかの変化が触針子２に生じたことを自動的に検知することができる。よって、これらの問題に対して、測定を一旦中止して再測定を行うなど、迅速かつ柔軟に対応することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図５および図６を参照しながら説明する。本実施形態と上述の第１実施形態の異なる点は、被検物１３と触針子２との接触状態及び触針子２の異常の有無の判定を、あらかじめ設定した表を参照することによって行う点である。
本実施形態の表面形状測定装置は、コンピュータ５に代えて、図５に示すコンピュータ２５を備えている。コンピュータ２５は判定部１８に代えて、判定部２８を備えている。コンピュータ２５以外の構成要素は第１実施形態と同一である。

以下、本実施形態の表面形状測定装置の動作を、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態における、被検物１３と触針子２との接触状態および触針子２の異常の有無の判定のフローチャートである。

まずステップＳ１からステップＳ４において、第１実施形態と同様の手順で周波数f_tの値を算出し、判定部１８に送信する。

ステップＳ１５において、ステップＳ４で得られたf_tに対応する状態を識別するため、判定部２８があらかじめ用意された表１を参照して、触針子２の状態を判定する。

表１にはある時間tにおける周波数f_tの帯域と、それに対応する触針子２と被検物１３との接触状態あるいは触針子２自体の状態と、この状態に対応する戻り値d_tとが格納されている。例えばf_tが所定の値f₁未満である場合は、触針子２と被検物１３とが接触状態にあること（接触）を示す戻り値d₁が判定部２８に返される。同様に、触針子２が何ものにも接触していない状態（非接触）と判定されたときは戻り値d₂が判定部２８に返され、触針子２先端の破損もしくは異物が付着した状態（異常）と判定されたときは戻り値d₃が判定部２８に返される。

ステップＳ１６において、戻り値としてd₂およびd₃のいずれかが返されたかどうかを判定部２８が判定する。判定結果が「ＮＯ」の場合は、処理はステップＳ１に戻り、f_tの監視が継続される。判定結果が「ＹＥＳ」の場合、触針子２と被検物１３との接触状態あるいは触針子２自体に何らかの変化が発生している可能性があるので、判定部２８は当該判定結果を制御部１６に送信する。

ステップＳ１７において、制御部１６は、戻り値に応じて、異常発生を知らせるあるいは触針子２の状態の確認を促す旨を、図示しないディスプレイに表示したり、図示しないスピーカーから音声として出力する等の処理を行い、装置の操作者に告知を行って、一連の処理を終了する。

本実施形態の表面形状測定装置によれば、表１を参照することによって、触針子２の状態を周波数f_tの値に応じて具体的に識別するため、測定中何らかの変化が触針子２に生じたことに加えて、具体的な状態まで自動的に検知することができる。したがって、操作者はより迅速かつ適切に、触針子２のトラブルに対応することができる。

さらに、検知された各状態に応じた処置を自動的に施すように装置全体を構成および制御すれば、異常の検知のみならず、トラブル処理まで自動的に行う表面形状測定装置とすることも可能である。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上述した各実施形態においては、変位計７の出力値Ｚに対して、フーリエ変換を行っているが、これに代えて、ウェーブレット変換等の他の変換を行ってから判定処理を行ってもよい。また、上述の第２実施形態においては、触針子２の状態が「接触」、「非接触」、「異常」の３つに分類されているが、これに限らず、周波数f_tの帯域によってユーザがさらに細かく定義した状態およびパラメータを格納した表を判定部２８に参照させることによって、より詳細な状態検知を自動的に行うようにすることも可能である。

本発明は光学関連素子等の表面形状測定装置に利用することができる。

本発明の第１実施形態の表面形状測定装置の左側面図である。 同実施形態におけるコンピュータの構成を示すブロック図である。 同実施形態における触針子状態判定のフローチャートである。 同実施形態の変位計の出力値とフーリエ変換後のパワースペクトルを示す図である。 本発明の第２実施形態の表面形状測定装置におけるコンピュータの構成を示すブロック図である。 同実施形態における触針子状態判定のフローチャートである。 従来の表面形状測定装置の構成を示す図である。

符号の説明

１…表面形状測定装置、２…触針子、１３…被検物、１７…演算部、１８、２８…判定部

Claims (3)

1. 触針子を被検物に接触させ、相対的に水平走査させて前記被検物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
   所定時間内の前記触針子の変位量の変動に相当する周波数を求める演算部と、
   前記周波数の相対的時間変化量に基づいて、前記触針子と前記被検物の接触状態を判定する判定部と、
   を備え、
   前記判定部は、前記演算部によって求められた前記周波数の時間推移を観測し、前記周波数の前記相対的時間変化量の不連続点の有無を検出することによって前記接触状態を判定することを特徴とする表面形状測定装置。
2. 触針子を被検物に接触させ、相対的に水平走査させて前記被検物の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、
   所定時間内の前記触針子の変位量の変動に相当する周波数を求める演算部と、
   前記周波数に基づいて、前記触針子と前記被検物の接触状態を判定する判定部と、
   を備え、
   前記判定部は、前記演算部によって求められた前記周波数の値と前記接触状態または前記触針子の状態とが関連付けられ、これら各状態に対応する戻り値が格納された表を有し、
   前記表における前記接触状態または前記触針子の状態は、前記触針子と前記被検物とが非接触の状態を含むことを特徴とする表面形状測定装置。
3. 前記演算部は、フーリエ変換又はウェーブレット変換を用いて、前記周波数を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の表面形状測定装置。

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