JP5064725B2 - 形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子や、光学素子成形用の金型等の三次元形状を測定するための形状測定方法に関するものである。

光学素子や光学素子成形用の金型等の被測定物（ワーク）の面形状を測定する場合、一般的に、接触式または非接触式のプローブを用いて被測定面をトレースし、被測定面の高さを計測する方法が採用されている。このような倣い走査方式のプローブ測定方法で、測定誤差を補正して高精度な形状測定を実現している。

従来技術によるレンズ面等の形状測定では、例えば、非接触のレーザープローブ式形状測定装置を使用する場合は、測定点の傾きやレンズの固有差による影響を是正するため、まず基準体の表面を測定して得た高さ寸法データを取得する。これを、既知の寸法から演算して得た基準体表面の演算高さ寸法データと比較して、測定点の傾きに基づいた誤差を是正する補正値を予め検出しておく。この補正値を、測定したワーク表面の高さ寸法データに加算し、傾きやレンズ固有差による誤差を補正する方法が採られている。このような測定手順を採る例として、例えば特許文献１に開示されているような形状測定方法が挙げられる。
特開２００３−１４４３１号公報

接触式のプローブによる測定では、プローブをある荷重で被測定面に押し付けるため、被測定面からの反力によりプローブが弾性変形することや、プローブが倒れてしまうことにより横方向位置がずれてしまうことがある。これらの現象は、被測定面に傾斜角度が存在する場合に顕著に現れるもので、プローブの弾性変形やプローブ倒れによりプローブの高さ方向に変化を与え、本来計測すべき被測定面の形状を正しく測定できない。この測定誤差は、同じ被測定面位置を同じ測定条件で測定すれば再現する。

接触式のプローブの場合、ある材質、形状を持った被測定面を、ある走査速度、走査方向、押し付け荷重、接触面積、接触状態で倣い測定したとき、被測定面からの反力の大きさおよび方向に起因する測定誤差が発生する。また、プローブと被測定面との摩擦力に起因する測定誤差が発生する。このように、測定誤差変動要因を多く持つ形状測定方法の場合、全測定条件について測定誤差を取得することが難しくなる。

従来技術では被測定面形状と装置固有の特徴のみで決定する測定誤差を算出していた。しかしその方法では、同様の被測定面形状の測定点を、同様の形状測定装置で測定しても測定条件によって測定誤差が変動する現象が発生する場合に対応できない。このような測定誤差変動要因が多い接触式のプローブを用いる形状測定装置では、全ての誤差変動要因を変化させて測定誤差を実測定で取得することは非常に困難であった。

また、接触式、非接触式のプローブを問わず、上記従来例のように補正データを作成するために基準体の表面形状をプローブによって測定することで、全測定時間が長くなってしまうという問題があった。

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、プローブの倣い走査による被測定物の形状測定時に発生する測定誤差を、高精度でしかも効率的に補正することが可能である形状測定方法を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の形状測定方法は、プローブの倣い走査により特定の測定条件で被測定物の三次元形状を測定する形状測定工程と、前記形状測定工程と同じ測定条件に基づく解析によって、前記被測定物の設計形状のシミュレーション測定を行い、得られたシミュレーション計算値と前記設計形状とを比較して誤差を補正するための補正テーブルを作成する補正テーブル作成工程と、前記補正テーブルを用いて、前記形状測定工程において得られた前記プローブによる形状測定値を補正する工程と、を有することを特徴とする。

被測定面の形状測定の際に発生する測定誤差をシミュレーションにより算出し、算出した補正値を被測定面の設計形状へマッピングし、プローブによる測定誤差を除去するための補正テーブルを作成する。プローブによる形状測定値を、シミュレーションによる補正テーブルを用いて補正することで、高精度な形状測定を行うことが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、一実施の形態による形状測定方法に用いる三次元形状測定装置の概略を示すもので、接触式のプローブ１０１は、先端に球面形状のプローブ先端球１０２を有する。なお、プローブ先端球１０２は、プローブ１０１に対して球を何らかの固定方法により配置した構造であっても、プローブ１０１と一体構造になっていても、どちらでもよい。

プローブ１０１は、被測定物（ワーク）１０３に対してプローブ先端球１０２を接触させながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向に相対的に移動自在となるように支持されている。このようにプローブ１０１を相対移動させるプローブ移動機構は、Ｘ軸ステージ２０１、Ｙ軸ステージ２０２、Ｚ軸ステージ２０３を有する。各軸ステージ２０１、２０２、２０３は、それぞれ駆動用モータ２０４、２０５、２０６によって駆動され、被測定物１０３に対し形状測定を実施する際には、プローブ先端球１０２を被測定物１０３の被測定面に接触させながら相対移動させる。

このとき、プローブ先端球１０２の中心位置の移動軌跡が図示しない位置検出センサにより検出され、データサンプリング装置２０９に移動軌跡データが転送され、サンプリングされる構成になっている。なお、位置検出センサとしては、高精度な形状測定を実現するための位置検出方法として、具体的にはレーザー測長器やリニアスケールエンコーダなどが用いられるが、これらの位置検出センサに限定するものではない。

各軸駆動用モータ２０４、２０５、２０６に対して、ＸＹ軸制御装置２０７およびＺ軸制御装置２０８から駆動制御信号に基づく電力供給がなされることで、前記駆動用モータ２０４、２０５、２０６がそれぞれ駆動される。ＸＹ軸制御装置２０７およびＺ軸制御装置２０８は、制御／解析用コンピュータ２１０からの駆動制御信号に応じて動作する。制御／解析用コンピュータ２１０は、ＣＰＵなどを主体として構成される図示しないプロセッサと、同じく図示しないハードディスクドライブやその他の記憶手段とによって構成されるものである。この制御／解析用コンピュータ２１０には、形状測定プログラムがインストールされている。

ここで、形状測定時におけるＺ軸ステージ２０３の駆動について詳細に説明する。図１の形状測定装置においては、接触式のプローブ１０１の被測定物１０３に対する接触力を検出する機能を備えており、検出した接触力の大きさに応じた接触力信号が出力され、Ｚ軸制御装置２０８に取り込まれる。Ｚ軸制御装置２０８には、ＤＳＰなどを主体として構成される図示しないプロセッサ、および同じく図示しないＲＯＭなどで構成される記憶手段が内蔵されており、前記接触力信号を常に一定に保つような制御を行うための制御プログラムがインストールされている。この制御プログラムに従い、Ｚ軸制御装置２０８は接触力信号を一定値に維持するようなＺ軸駆動電力を出力し、出力された駆動電力はＺ軸駆動用モータ２０６に供給される。さらに、Ｚ軸駆動用モータ２０６によってＺ軸ステージ２０３が駆動され、プローブ１０１の被測定物１０３に対する接触力を一定に維持する。

つぎに、形状測定時におけるＸ、Ｙ各軸ステージ２０１、２０２の駆動について説明する。制御／解析用コンピュータ２１０は、形状測定時に実行される前記形状測定プログラムの命令に従い、ＸＹ軸制御装置２０７に対し駆動制御信号を送信する。ＸＹ軸制御装置２０７は制御／解析用コンピュータ２１０から受信した駆動制御信号に基づき、Ｘ、Ｙ軸駆動用モータ２０４、２０５に駆動電力を供給する。さらに、駆動電力に従い動作するＸ、Ｙ軸駆動用モータ２０４、２０５によってＸ軸ステージ２０１、およびＹ軸ステージ２０２が駆動され、プローブ１０１、詳しくはプローブ先端球１０２の中心位置が、被測定物１０３に対しＸＹ軸方向に位置決め制御される。

以上説明したＸ、Ｙ、Ｚ各軸ステージ２０１、２０２、２０３の駆動により、前記した形状測定プログラムにより設定される測定経路に従い、被測定物１０３の被測定面上をプローブ１０１は走査する。プローブ走査中、プローブ先端球１０２の中心位置を検出する位置検出センサの出力信号は、データサンプリング装置２０９によって一定のサンプリング間隔で取り込まれる。さらに取り込まれたデータはデータサンプリング装置２０９から制御／解析用コンピュータ２１０へ、形状測定プログラムが設定する測定条件に応じた適切なサンプリング間隔で逐次測定され、被測定面形状データがＸ、Ｙ、Ｚ座標点群データとして取得される。最終的には、プローブ走査終了後の後述する形状解析処理を実施することで表面形状データが得られる。

なお、接触式のプローブ１０１の代わりに非接触式のプローブを搭載していてもよい。接触式のプローブ１０１は、プローブ先端球１０２を被測定物１０３に接触させながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向に相対的に移動自在となるように支持されている。これに対して、非接触式のプローブは、被測定物に光波を照射しながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向に相対的に移動自在となるように支持されている。また、接触式のプローブ１０１は被測定物１０３に対する接触力を一定に保つようにＺ軸を駆動するのに対して、非接触式のプローブを搭載した形状測定装置では、非接触のプローブと被測定物との距離を検出する機能を備えている。このため同距離を一定に保つように制御しながらＺ軸が駆動させられる点が異なる。その他の装置構成については、接触式のプローブを備える形状測定装置と同様である。

図２は接触式のプローブ１０１を有する三次元形状測定装置を用いて被測定物１０３の被測定面１０３ａを測定する場合を示す。プローブ１０１のプローブ先端球１０２を被測定物１０３の被測定面１０３ａに接触させ、倣い走査することによって被測定面１０３ａの形状測定を行う。また、図３は、非接触式のプローブ１０５を有する形状測定装置において、プローブ１０５の先端からレーザー１０６を照射し、倣い走査することによって被測定物１０３の被測定面１０３ａの形状測定を行う場合を示す。なお、図１に示す座標系は三次元形状測定装置における座標系であり、図２および図３に示す座標系は被測定面１０３ａにおける座標系であり、両者は異なるものである。

図４は、光学素子成形用の金型および光学素子の形状をプローブで倣い走査することによる形状測定工程で最初に設定しなければならない測定条件３０１〜３１２を示す。

図５および図６は、本実施の形態による形状測定方法を説明するための工程図である。

図５に示すように、ステップＳ１で測定開始後、一番目の工程であるステップＳ２で、光学素子成形用の金型および光学素子の三次元形状を測定するための測定条件３０１〜３１２を設定する。例えば、図４におけるプローブ走査速度３０７、走査方向３０８、被測定面の測定領域３０３などを設定する。プローブが接触式の場合であれば、プローブ先端球の球径３０６、プローブ材質３０５、被測定面材質３０１、プローブの押し付け荷重３０４など接触式特有の条件を決定する。

次に、ステップＳ２で決定した測定条件について、ステップＳ３においてシミュレーションを行い、前記測定条件による測定誤差を補正するための補正値を算出する。

図６は、図５のシミュレーションによる補正値の算出方法を説明する工程図である。図１の三次元形状測定装置を用いて、ステップＳ２で設定した測定条件データ１１０をステップＳ１１でシミュレータに入力する。ここで入力する測定条件は被測定面の実測定を行うステップＳ４で使用する測定条件と同一のものとする。

測定条件データ１１０の入力が完了すると、ステップＳ１２でシミュレータによって仮想的に被測定面の設計形状の計算を行い、各測定ポイントにおけるシミュレーション計算値である仮想測定形状データ１１３を算出する。ここで出力した仮想測定形状データ１１３は、ステップＳ１１で入力した測定条件に起因する、例えばプローブの弾性変形および倒れによる測定誤差を含んだものである。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２のシミュレーションにより得られた仮想測定形状データ１１３と、被測定面の設計形状とを用いて、実測定で発生する測定誤差を補正するための補正値を算出する。すなわち、仮想測定形状データ１１３から被測定面の設計形状を差し引くことで誤差を補正するための補正値データ１１５を算出し、補正テーブルを作成する。

ステップＳ４では、測定条件データ１１０をもとに、プローブによる被測定面の実測定（形状測定）を行い、被測定面の形状測定値を取得する。被測定面の実測定を行うステップＳ４は図１の装置を使用し、シミュレーションによる補正値の算出を行うステップＳ３はコンピュータ上で行うため、両ステップは独立している。したがって、シミュレーションによるステップＳ３は実測定を行うステップＳ４と並行して行うか、あるいはステップＳ４の前後で行うことができる。このため、従来例のように基準球を実測定して補正値を算出する場合と比較して、全測定時間を短縮することができる。

ステップＳ５では、シミュレーションによる補正値データ１１５による補正テーブルを用いて、被測定面の実測定を行うステップＳ４で得たプローブによる形状測定値である実測定形状データを補正する処理を行う。この処理を全測定点において行うことで被測定面全面の測定誤差を補正することができる。

ステップＳ６では、ステップＳ５で得られた測定誤差を除去した形状測定結果をもとに、被測定面の設計形状に対しフィッティング演算処理を実施する。これより、測定誤差を除去した状態で被測定面の設計形状とのずれ量を算出する。

ステップＳ３において作成された補正テーブルを用いて、形状測定装置が持つ測定誤差要因、あるいは測定条件、被測定面形状に起因した測定誤差を除去しているため、高精度な形状測定データを得ることができる。

本実施例では接触式のプローブを用いて、図２に示すような被測定物の面形状を測定する。図５の工程図におけるステップＳ１で測定開始後、一番目の工程であるステップＳ２で、被測定物の三次元形状を測定するための測定条件を決定する。すなわち、図４に示すように、被測定面の材質３０１、被測定面の設計形状３０２、測定領域３０３を決定する。また、プローブの押し付け荷重３０４、プローブ材質３０５、プローブ球径３０６、プローブの走査速度３０７、プローブの走査方向３０８、走査ライン数３０９、プローブと被測定面との接触状態３１０の各パラメータを決定する。これらの決定したパラメータはステップＳ４の被測定面１０３ａの実測定で使用する測定条件であるが、ステップＳ３のシミュレーションを行う際の条件と同様のものとする。

測定条件決定後の工程は、ステップＳ３とステップＳ４に分岐する。ステップＳ３はシミュレーションを用いて補正値を算出する補正テーブル作成工程であり、図６のステップＳ１１で、被測定面の測定条件データ１１０を入力する。例えば、図４に示す画面で被測定面材質３０１を選択すると被測定面１０３ａの材質を選択する項目がプルダウンメニューとして表示され、そこから材質を選択する。あるいは、被測定面材質の物性値入力画面へ移行し、ファイルによる入力を行う。このような形で被測定面設計形状３０２、測定領域３０３、押し付け荷重３０４、プローブ材質３０５、プローブ球径３０６、走査速度３０７、走査方向３０８、走査ライン数３０９、プローブと被測定面との接触状態３１０を入力する。ここで、被測定面設計形状３０２、測定領域３０３は図２に示す座標系において設定を行い、測定領域３０３はその座標系におけるＸ、Ｙ座標の領域を表している。また、プローブの走査方向３０８は図１に示す座標系において設定するが、例えばここで、Ｘ方向に倣い走査すると決定した場合、測定領域３０３で決定したＹ座標の領域を走査ライン数３０９で割ることによって、倣い走査を行うＸ座標値が決定する。これら測定誤差に影響を与えるパラメータの入力が完了すると、図４の画面の仮想測定開始３１１でシミュレーションを開始する。

シミュレーションにより仮想的に測定（シミュレーション測定）したときの測定結果から、ある１ラインを抜き出したものを図７の（ａ）に示す。これは、図２に示す被測定面を、図１の三次元形状測定装置の座標系におけるＸ軸方向に倣い走査したときの仮想測定形状データ１１３を表すグラフである。この図は横軸が走査距離、縦軸が被測定面形状を表すが、図中のＸ、Ｚは図２に示すような被測定面における座標系で表している。これに対し、図７の（ｂ）は被測定面における座標系において、（ａ）と同位置における被測定面設計形状データ１１４を表すグラフである。

ステップＳ１２で仮想測定が終了すると仮想測定形状データ１１３が出力されるが、次のステップＳ１３で被測定面設計形状データ１１４と仮想測定形状データ１１３を使用して、実測定で発生する測定誤差を補正するための補正値を算出する。すなわち、仮想測定形状データ１１３から被測定面設計形状データ１１４を差し引くことで図７の（ｃ）に示す補正値データ１１５を算出する。図４に示す画面で補正値算出開始３１２を行うと、仮想測定形状データ１１３から被測定面設計形状データ１１４を差し引く演算が行われ、補正値データ１１５を算出する。このデータは、設計形状に対する仮想測定した測定形状の形状誤差であり、測定条件に起因した測定誤差を含んでいる。つまり、ある測定条件のある横座標における補正値を表す。図７の（ｃ）は図２の座標系におけるＸ軸方向の補正値を表しているが、この補正値は被測定面全面に渡って算出している。

ここで、測定条件が決定した後、測定誤差を除去する補正処理を行わずに測定形状解析をした場合について説明する。図８の（ａ）はステップＳ２で決定した測定条件に従ってＸ軸方向に倣い走査したときのプローブによる被測定面の形状測定値である測定形状データ１１６を表すグラフである。また、図８の（ｂ）は（ａ）の測定結果に対する測定形状解析データ１１７を表すグラフである。ここで行われる測定形状解析は、一般的にカーブフィッティング計算などと呼ばれている計算処理であり、例えば最小二乗法などを適用し、被測定面設計形状に対する測定形状の形状誤差を最小とするような推定計算である。この推定計算を実施することで、被測定物の形状測定装置に対するセッティング誤差（取り付け誤差）、および被測定面測定形状について同誤差を除去した状態での設計形状に対する形状誤差が求められる。一般的に高精度な形状精度が要求される光学素子や光学素子成形用の金型においては、前記形状誤差がｎｍオーダーで算出される。なお、図８の（ｂ）は被測定面全面に渡って測定した結果を使用してカーブフィッティング計算をし、それをある断面で切り出したものである。また、図８の（ａ）で表される測定形状には、測定条件に起因した測定誤差を含んでいるため、被測定面設計形状に対する測定形状の形状誤差は、真の被測定面形状と、設計形状とがカーブフィッティングされているのではない。

この測定誤差を除去する工程がステップＳ５である。ここではシミュレーションによって補正値を算出するステップＳ３で得た補正値データ１１５と被測定面の実測定ステップＳ４で得た実測定形状データ１１６をもとに、補正値を加算する処理を行う。すなわち、図８の（ａ）の実測定形状データ１１６に図７の（ｃ）に示す補正値データ１１５を加算することで、図９の（ａ）に示すように、測定条件に起因した測定誤差を除去した実測定データ１１８を算出する。

ステップＳ６では、図８の（ａ）に示した実測定データ１１８に対し、カーブフィッティング計算処理を行う。実測定データ１１８は、被測定面の材質、被測定面の設計形状、測定領域、プローブ材質、プローブの押し付け荷重、プローブの走査速度、プローブ球径、プローブの走査方向、走査ライン数、接触状態などによって決定した測定誤差を除去したデータである。従って、従来よりも高精度に被測定面の形状測定が行われた測定形状データとなっている。この測定形状データと設計形状を使用してカーブフィッティング計算処理を行った結果を図９の（ｂ）に示す。このグラフから分かるように、上記の測定誤差が除去された状態で形状解析を行っているので、精度のよい被測定面の形状測定が可能となる。

一実施の形態による三次元形状測定装置を説明する図である。 接触式のプローブを用いる場合を説明する図である。 非接触式のプローブを用いる場合を説明する図である。 測定条件を説明する図である。 図１の装置を用いた形状測定方法を説明する工程図である。 シミュレーション工程を説明する工程図である。 補正値算出方法を説明する図である。 形状測定方法を説明する図である。 補正処理の効果を示す図である。

符号の説明

１０１ 接触式のプローブ
１０２ プローブ先端球
１０３ 被測定物
１０３ａ 被測定面
１０５ 非接触式のプローブ
１０６ レーザー
２０１ Ｘ軸ステージ
２０２ Ｙ軸ステージ
２０３ Ｚ軸ステージ
２０４ Ｘ軸駆動用モータ
２０５ Ｙ軸駆動用モータ
２０６ Ｚ軸駆動用モータ
２０７ ＸＹ軸制御装置
２０８ Ｚ軸制御装置
２０９ データサンプリング装置
２１０ 制御／解析用コンピュータ

Claims (6)

1. プローブの倣い走査により特定の測定条件で被測定物の三次元形状を測定する形状測定工程と、
   前記形状測定工程と同じ測定条件に基づく解析によって、前記被測定物の設計形状のシミュレーション測定を行い、得られたシミュレーション計算値と前記設計形状とを比較して誤差を補正するための補正テーブルを作成する補正テーブル作成工程と、
   前記補正テーブルを用いて、前記形状測定工程において得られた前記プローブによる形状測定値を補正する工程と、を有することを特徴とする形状測定方法。
2. 前記プローブに、接触式のプローブを用いることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
3. 前記プローブに、非接触式のプローブを用いることを特徴とする請求項１記載の形状測定方法。
4. 前記補正テーブル作成工程において、倣い走査中の前記プローブの弾性変形および倒れによる測定誤差を、前記シミュレーション計算値に基づいて算出することを特徴とする請求項２記載の形状測定方法。
5. 前記補正テーブル作成工程を、前記プローブによる前記形状測定工程と並行して行うことを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項記載の形状測定方法。
6. 前記被測定物は光学素子成形用の金型もしくは光学素子であることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項記載の形状測定方法。

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