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JP2001324311A - Three-dimensional shape measuring machine and its measuring method - Google Patents

Three-dimensional shape measuring machine and its measuring method

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Publication number
JP2001324311A
JP2001324311A JP2000140118A JP2000140118A JP2001324311A JP 2001324311 A JP2001324311 A JP 2001324311A JP 2000140118 A JP2000140118 A JP 2000140118A JP 2000140118 A JP2000140118 A JP 2000140118A JP 2001324311 A JP2001324311 A JP 2001324311A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical probe
measured
axis
shape
stage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2000140118A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3604996B2 (en
Inventor
Seiichi Kamiya
誠一 神谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
Priority to JP2000140118A priority Critical patent/JP3604996B2/en
Publication of JP2001324311A publication Critical patent/JP2001324311A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3604996B2 publication Critical patent/JP3604996B2/en
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物を反転させたり、干渉を利用したり
することなく、被測定物を使用時と同じ水平方向に保持
したまま、その両面形状を高精度に測定することができ
る、簡単な構成の3次元形状測定機及びその測定方法を
提供すること。 【解決手段】 被測定物の上面を走査する上面光プロー
ブと、被測定物の下面を走査する下面光プローブは、水
平方向となるR軸方向の上面Rステージと下面Rステー
ジ、及び垂直方向となるZ軸方向の上面Zステージと下
面Zステージ上にそれぞれ設けられ、被測定物はZ軸の
回転成分となるθ軸方向のθステージ上に水平方向に載
置され、且つ、双方の光プローブの走査位置及び被測定
物のθ軸回転角度を検出する位置検出手段と、光プロー
ブの走査や被測定物の回転に起因する運動誤差を検出す
る運動誤差検出手段とを備え、位置検出手段と運動誤差
検出手段の検出結果から被測定物の形状を算出するこ
と。
(57) [Problem] To accurately measure the shape of both sides of an object to be measured, without inverting the object or using interference, while holding the object to be measured in the same horizontal direction as used. Provided is a three-dimensional shape measuring instrument having a simple configuration and a measuring method therefor. An upper surface optical probe that scans an upper surface of an object to be measured and a lower surface optical probe that scans a lower surface of the object to be measured include an upper surface R stage and a lower surface R stage in a horizontal R axis direction, and a vertical direction. The object to be measured is mounted on the upper and lower Z-stages in the Z-axis direction, respectively, and the object to be measured is mounted horizontally on the θ-stage in the θ-axis direction, which is the rotation component of the Z-axis. A position detecting means for detecting a scanning position and a θ-axis rotation angle of the object to be measured, and a movement error detecting means for detecting a movement error caused by scanning of the optical probe or rotation of the object to be measured, and Calculating the shape of the measured object from the detection result of the motion error detecting means.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光学部品や金型等
の表面形状を高精度に測定する3次元形状測定機及びそ
の測定方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional shape measuring machine for measuring the surface shape of an optical component, a mold or the like with high accuracy and a measuring method therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、光学部品や金型等の物体表面
形状を高精度に測定するために、3次元形状測定機を利
用することが広く知られている。一般に、3次元形状測
定機は接触型若しくは非接触型のプローブを被測定物に
近付け、両者が略一定の距離、若しくは略一定の力関係
になるようにプローブ位置を制御した上で、これを被測
定物上を走査させることにより形状測定を行うものであ
る。
2. Description of the Related Art Conventionally, it has been widely known to use a three-dimensional shape measuring machine to measure the surface shape of an object such as an optical component or a mold with high accuracy. Generally, a three-dimensional shape measuring instrument moves a probe of a contact type or a non-contact type close to an object to be measured, and controls a probe position so that the two have a substantially constant distance or a substantially constant force relationship. The shape is measured by scanning the object to be measured.

【0003】このような3次元形状測定機の一例とし
て、特開平4−299206号公報に開示されている超
高精度3次元形状測定機について図9を参照して説明す
る。同図において、27はXステージであり、その上に
Yステージ28、さらにその上にZステージ4が構成さ
れている。X−Y−Z軸に対してそれぞれ垂直な平面上
となるYZ−XZ−XY面上にそれぞれX基準ミラー2
9、Y基準ミラー30、Z基準ミラー5が配置されてい
る。Zステージ4上には被測定物1とZステージ4上の
特定点の距離Z1を検出する光プローブ26、Zステー
ジ4上の特定点と位置固定のZ基準ミラー5の距離Z2
を検出する測定手段9c、Zステージ4上の特定点と位
置固定のX基準ミラー29の距離Xを検出する測定手段
9j、Zステージ4上の特定点と位置固定のY基準ミラ
ー30の距離Yを検出する測定手段9k(Zステージ4
の裏側になるため図示せず)が配置されている。
As an example of such a three-dimensional shape measuring instrument, an ultra-high precision three-dimensional shape measuring instrument disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-299206 will be described with reference to FIG. In the figure, reference numeral 27 denotes an X stage, on which a Y stage 28 and a Z stage 4 are further formed. X reference mirrors 2 on YZ-XZ-XY planes which are on planes perpendicular to the XYZ axes, respectively
9, a Y reference mirror 30, and a Z reference mirror 5 are arranged. On the Z stage 4, an optical probe 26 for detecting a distance Z1 between the DUT 1 and a specific point on the Z stage 4, a distance Z2 between the specific point on the Z stage 4 and a fixed position Z reference mirror 5
Means 9c for detecting the distance X, a specific point on the Z stage 4 and a distance X between the fixed position X reference mirror 29, and a distance Y between the specific point on the Z stage 4 and the position fixed Y reference mirror 30. Measuring means 9k (Z stage 4
(Not shown in the figure).

【0004】したがって、Zステージ4上に設置された
光プローブ26はX−Y−Z軸方向への移動が可能であ
り、また、その時の3次元座標は(X,Y,Z1とZ2
とから算出したZ)とすることができる。光プローブ2
6を被測定物1の全面に走査させ、その時の3次元座標
を検出することで、被測定物の3次元形状を測定するこ
とができる。
Accordingly, the optical probe 26 installed on the Z stage 4 can move in the XYZ axis directions, and the three-dimensional coordinates at that time are (X, Y, Z1 and Z2).
Z) calculated from the following. Optical probe 2
6 is scanned over the entire surface of the DUT 1 and the three-dimensional coordinates at that time are detected, whereby the three-dimensional shape of the DUT can be measured.

【0005】また、別の従来例として、特許番号第26
71479号公報に開示されている面形状測定装置につ
いて図10を参照して説明する。同図において、フィゾ
ー型干渉計を利用し、被測定物1を使用状態と同じ水平
方向に保持したまま両面1a,1b測定を実現してい
る。
As another conventional example, Japanese Patent No.
The surface shape measuring device disclosed in Japanese Patent No. 71479 will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a Fizeau interferometer is used to measure both surfaces 1a and 1b while the DUT 1 is held in the same horizontal direction as that in use.

【0006】レーザ光源15から射出された光束は、レ
ンズ31及びハーフミラー32及びコリメータレンズ3
3を介して、反射ミラー34aに進んで行く。反射ミラ
ー34aは光路への出し入れが可変であり、光路へ入れ
た場合は、光束が反射ミラー34aで垂直方向に曲げら
れ、さらに反射ミラー34b及び34cで反射された
後、基準レンズ35に入射する。ここで光束の一部は基
準レンズ35の基準面35aにて反射し、他は透過する
ことになる。基準レンズ35を透過して被測定物1に入
射した光束は、被測定物1の表面1aにて反射して測定
光波となる。また、基準レンズ35の基準面35aで反
射した光波は、基準光波となる。基準光波と測定光波は
再び重なり合い干渉して、来た光路を戻ることになる。
反射ミラー34c,34b,34aで光路を垂直方向に
それぞれ曲げられた後、コリメータレンズ33を介して
ハーフミラー32に入射する。ここで干渉光波は垂直方
向に曲げられ、集光レンズ37を介してCCDカメラ等
の干渉検出手段38で検出される。これにより、基準レ
ンズ35の基準面35aと被測定物1の表面1aの面形
状の差が測定できたことになる。
The light beam emitted from the laser light source 15 is divided into a lens 31, a half mirror 32 and a collimator lens 3.
Through 3, the light goes to the reflection mirror 34 a. The reflecting mirror 34a is variable in and out of the optical path. When the reflecting mirror 34a enters the optical path, the light beam is bent in the vertical direction by the reflecting mirror 34a, is reflected by the reflecting mirrors 34b and 34c, and then enters the reference lens 35. . Here, a part of the light beam is reflected by the reference surface 35a of the reference lens 35, and the other light is transmitted. The light beam transmitted through the reference lens 35 and incident on the DUT 1 is reflected by the surface 1 a of the DUT 1 to be a measurement lightwave. The light wave reflected by the reference surface 35a of the reference lens 35 becomes a reference light wave. The reference lightwave and the measurement lightwave overlap again and interfere with each other, and return along the optical path from which they came.
After the optical path is bent in the vertical direction by the reflection mirrors 34c, 34b, and 34a, the light enters the half mirror 32 via the collimator lens 33. Here, the interference light wave is bent in the vertical direction, and is detected by the interference detection means 38 such as a CCD camera via the condenser lens 37. This means that the difference between the surface shape of the reference surface 35a of the reference lens 35 and the surface shape of the surface 1a of the DUT 1 has been measured.

【0007】さらに、被測定物1の裏面1bの面形状測
定方法について説明する。先程光路に入れた反射ミラー
34aを光路から出しておく。上記と同様に、レーザ光
源15から射出した光束は反射ミラー34aまで進んで
くるが、ここでは、反射ミラー34aが光路外に出され
ているので、光束はそのまま直進し、次の反射ミラー3
4dで垂直方向に曲げられることになる。その後、この
光束は基準レンズ36に入射するが光束のほとんどは透
過して、被測定物1の裏面1bで反射し、測定光波とな
る。一方、基準レンズ36の基準面36aで反射した光
波は基準光波となる。この基準光波と測定光波は再び重
なり合うことにより干渉して、来た光路を戻ることにな
る。反射ミラー34d、コリメータレンズ33、ハーフ
ミラー32、集光レンズ37を介して、CCDカメラ等
の干渉縞検出手段38で検出される。これにより、基準
レンズ36の基準面36aと被測定物1の裏面1bの面
形状の差が測定できることになる。
Next, a method of measuring the surface shape of the back surface 1b of the DUT 1 will be described. The reflection mirror 34a that has just been put into the optical path is put out of the optical path. Similarly to the above, the light beam emitted from the laser light source 15 travels to the reflection mirror 34a, but here, since the reflection mirror 34a is out of the optical path, the light beam proceeds straight and continues to the next reflection mirror 3a.
It will bend in the vertical direction at 4d. After that, this light beam enters the reference lens 36, but most of the light beam is transmitted, reflected on the back surface 1b of the DUT 1, and becomes a measurement light wave. On the other hand, the light wave reflected by the reference surface 36a of the reference lens 36 becomes a reference light wave. The reference light wave and the measurement light wave overlap again to interfere with each other and return along the optical path where they came. The light is detected by an interference fringe detecting means 38 such as a CCD camera via a reflection mirror 34d, a collimator lens 33, a half mirror 32, and a condenser lens 37. Thereby, the difference between the surface shapes of the reference surface 36a of the reference lens 36 and the back surface 1b of the DUT 1 can be measured.

【0008】このように、反射ミラー34aを光路から
出し入れすることにより、光路の切り替えを行い、被測
定物1を使用状態と同様に水平方向に保持したまま、被
測定物1の表面1aの面形状あるいは被測定物1の裏面
1bの面形状が測定することができる。
As described above, the optical path is switched by moving the reflection mirror 34a in and out of the optical path, and the surface of the surface 1a of the device 1 is held while the device 1 is held in the horizontal direction as in the use state. The shape or the surface shape of the back surface 1b of the DUT 1 can be measured.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
上記3次元形状測定機の内、図9に示した装置において
は、X−Y−Z軸に対してそれぞれ垂直なYZ−XZ−
ZY面上に基準ミラー29,30,5を各々配置して高
精度測定を可能としているが、被測定物1の両面を測定
する場合、片面測定後に被測定物1の向きを反転させる
手間が必要となる。また、被測定物1を水平方向に保持
して使用する場合は、被測定物1の下面形状は使用時と
異なる状態、即ち被測定物1の下面を反転させて上にし
た状態で測定することになり、測定結果には重力による
歪みの影響分が誤差として含まれてしまうという問題点
があった。
However, among the above-mentioned conventional three-dimensional shape measuring machines, in the apparatus shown in FIG. 9, YZ-XZ-Z perpendicular to the XYZ axes are respectively used.
Although the reference mirrors 29, 30, and 5 are arranged on the ZY plane to enable high-accuracy measurement, when measuring both sides of the DUT 1, it is troublesome to reverse the direction of the DUT 1 after single-sided measurement. Required. When the DUT 1 is used while being held in the horizontal direction, the measurement is performed in a state in which the shape of the lower surface of the DUT 1 is different from that in use, that is, with the lower surface of the DUT 1 turned upside down. As a result, there is a problem in that the measurement result includes an error due to the distortion due to gravity as an error.

【0010】また、図10に示した面形状測定装置で
は、被測定物1を水平方向に保持して使用する場合は、
光学系の切り替えにより、被測定物1は使用状態と同様
に水平方向に保持したまま、被測定物1の両面の面形状
測定が可能であるが、面形状測定に干渉を利用している
ため、測定光波と基準光波との差が大き過ぎると測定で
きなくなる等の問題点があった。
In the surface shape measuring device shown in FIG. 10, when the device under test 1 is used while being held in a horizontal direction,
By switching the optical system, the surface shape of both surfaces of the device under test 1 can be measured while the device under test 1 is held in the horizontal direction as in the use state, but interference is used in the surface shape measurement. In addition, if the difference between the measurement lightwave and the reference lightwave is too large, the measurement cannot be performed.

【0011】本発明は、かかる従来例の有する不都合を
改善し、被測定物を反転させたり、干渉を利用したりす
ることなく、被測定物を使用時と同じ水平方向に保持し
たまま、その面形状を高精度に測定することができる、
簡単な構成の3次元形状測定機及びその測定方法を提供
することを課題としている。
The present invention solves the inconveniences of the conventional example, and allows the object to be measured to be held in the same horizontal direction as at the time of use without inverting the object or utilizing interference. Surface shape can be measured with high accuracy.
It is an object of the present invention to provide a three-dimensional shape measuring instrument having a simple configuration and a measuring method therefor.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、請求項1の発明において、水平方向及びこれに
垂直方向に移動可能な非接触型の光プローブを、被測定
物の形状に沿って走査させて被測定物の3次元形状を測
定する3次元形状測定機において、前記光プローブは、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プロー
ブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光
プローブとから成っており、前記上面光プローブと前記
下面光プローブの走査位置、又は当該走査位置及び前記
被測定物の回転角度を3次元位置情報として検出する位
置検出手段と、前記光プローブの走査や前記被測定物の
回転に起因する運動誤差を検出する運動誤差検出手段
と、を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段
の検出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算
出することを特徴としている。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a non-contact optical probe which can be moved in a horizontal direction and in a direction perpendicular thereto is provided in a shape of an object to be measured. In a three-dimensional shape measuring device that scans along a three-dimensional shape of an object to be measured, the optical probe includes:
An upper surface optical probe that scans along the upper surface shape of the object to be measured, and a lower surface optical probe that scans along the lower surface shape of the object to be measured, and the scanning positions of the upper surface optical probe and the lower surface optical probe Or position detection means for detecting the scanning position and the rotation angle of the object as three-dimensional position information, and movement error detection means for detecting a movement error caused by scanning of the optical probe or rotation of the object. And calculating the shapes of the upper surface and the lower surface of the measured object from the detection results of the position detecting means and the motion error detecting means.

【0013】請求項2の発明は、水平方向をR軸、垂直
方向をZ軸、Z軸周りの回転方向をθ軸としたR−θ−
Z座標系を用いて、使用時と同じ水平方向に保持された
被測定物の形状を非接触型の光プローブを走査させて測
定する3次元形状測定機において、前記光プローブは、
前記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プロー
ブと、前記被測定物の下面形状に沿って走査する下面光
プローブとから成り、前記上面光プローブは前記R軸方
向に移動可能な上面Rステージ及び前記Z軸方向に移動
可能な上面Zステージ上に配置され、前記下面光プロー
ブは前記R軸方向に移動可能な下面Rステージ及び前記
Z軸方向に移動可能な下面Zステージ上に配置され、前
記被測定物は、ロータ部とこのロータ部を支持するハウ
ジング部より成る、前記θ軸方向に回転可能なθステー
ジ上に載置されており、且つ、前記上面光プローブと前
記下面光プローブの走査位置、及び前記被測定物のθ軸
回転角度を3次元位置情報として検出するもので、同一
なR−Z面上に配置された位置検出手段と、前記光プロ
ーブの走査や前記被測定物の回転に起因する運動誤差を
検出するもので、同一なR−Z面上に配置された運動誤
差検出手段と、を備え、前記位置検出手段と前記運動誤
差検出手段の検出結果から前記被測定物の上面及び下面
の形状を算出することを特徴としている。
The invention according to claim 2 is characterized in that the horizontal direction is the R axis, the vertical direction is the Z axis, and the rotation direction around the Z axis is the θ axis.
In a three-dimensional shape measuring machine that uses a Z coordinate system to scan a non-contact optical probe to measure the shape of an object to be measured held in the same horizontal direction as at the time of use, the optical probe includes:
An upper surface optical probe that scans along the upper surface shape of the object to be measured, and a lower surface optical probe that scans along the lower surface shape of the object to be measured, wherein the upper surface optical probe is movable on the upper surface in the R-axis direction. The lower surface optical probe is disposed on an R stage and an upper surface Z stage movable in the Z axis direction, and the lower surface optical probe is disposed on a lower surface R stage movable in the R axis direction and a lower surface Z stage movable in the Z axis direction. The device under test is mounted on a θ stage that is rotatable in the θ axis direction and includes a rotor portion and a housing portion that supports the rotor portion, and the upper surface optical probe and the lower surface light It detects the scanning position of the probe and the θ-axis rotation angle of the object to be measured as three-dimensional position information, and includes position detecting means arranged on the same RZ plane, scanning of the optical probe, and scanning of the object. It is for detecting a motion error caused by rotation of the fixed object, and comprises a motion error detecting means arranged on the same R-Z plane, wherein the position detecting means and the motion error detecting means detect It is characterized in that the shapes of the upper surface and the lower surface of the object to be measured are calculated.

【0014】請求項3の発明は、請求項2の発明におい
て、前記位置検出手段は、前記光プローブのR軸方向の
位置情報を検出するためのR軸位置検出手段と、前記光
プローブのZ軸方向の位置情報を検出するためのZ軸位
置検出手段と、前記θステージの回転角度を検出するた
めのθ軸位置検出手段とから成ることを特徴としてい
る。
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the position detecting means includes an R-axis position detecting means for detecting position information of the optical probe in the R-axis direction; It is characterized by comprising Z-axis position detecting means for detecting axial position information, and θ-axis position detecting means for detecting the rotation angle of the θ stage.

【0015】請求項4の発明は、請求項2、又は3の発
明において、前記R軸位置検出手段は、前記Z軸方向に
配置されたR基準ミラー、及び前記上面Zステージ及び
下面Zステージに各々2つずつ取り付けられ、前記R基
準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とか
ら成ることを特徴としている。
According to a fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the R-axis position detecting means includes an R reference mirror disposed in the Z-axis direction, and the upper and lower Z stages. And a laser length measuring device which is mounted two by two and emits in a direction perpendicular to the R reference mirror.

【0016】請求項5の発明は、請求項2、又は3の発
明において、前記Z軸位置検出手段は、前記R軸方向に
配置されたZ基準ミラー、及び前記上面Zステージ及び
下面Zステージに各々1つずつ取り付けられ、前記Z基
準ミラーに対して垂直方向に射出するレーザ測長器とか
ら成ることを特徴としている。
According to a fifth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the Z-axis position detecting means includes a Z reference mirror disposed in the R-axis direction, and the upper and lower Z stages. And a laser length measuring device which is attached one by one and emits in a direction perpendicular to the Z reference mirror.

【0017】請求項6の発明は、請求項2、又は3の発
明において、前記θ軸位置検出手段は、前記θステージ
の回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置され
たθスケールと、これを検出するスケール検出部とから
成ることを特徴としている。
According to a sixth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the θ-axis position detecting means includes a θ scale provided on the rotor section for detecting a rotation angle of the θ stage. , And a scale detecting unit for detecting this.

【0018】請求項7の発明は、請求項2の発明におい
て、前記運動誤差検出手段は、前記θステージの前記ロ
ータ部上に配置されたθスラスト基準ミラー、前記ロー
タ部の外周面に配置されたθラジアル基準ミラー、この
θラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置いて対向して
少なくとも2面設けたθラジアル測定用基準ミラー、前
記上面及び下面Z基準ミラーの両端側近傍にそれぞれ配
置され、当該上面及び下面Z基準ミラーの距離変動を検
出するために4面設けた上下伸縮測定用基準ミラー、こ
れらの基準ミラー間の距離を測定するための少なくとも
6つのレーザ測長器とから成ることを特徴としている。
According to a seventh aspect of the present invention, in the second aspect of the present invention, the motion error detecting means is disposed on a θ thrust reference mirror disposed on the rotor section of the θ stage, and on an outer peripheral surface of the rotor section. A radial reference mirror, a θ radial measurement reference mirror provided at least on two sides facing the θ radial reference mirror at a predetermined interval, and disposed near both ends of the upper surface and the lower surface Z reference mirror, respectively. It is characterized by comprising a reference mirror for measuring up-and-down expansion and contraction provided on four sides for detecting a distance variation between the upper and lower Z reference mirrors, and at least six laser length measuring devices for measuring the distance between these reference mirrors. And

【0019】請求項8の発明は、水平方向及びこれに垂
直方向に移動可能な非接触型の光プローブを、被測定物
の形状に沿って走査させて被測定物の3次元形状を測定
する3次元形状測定方法において、前記被測定物の上面
形状及び下面形状を前記光プローブで走査させる際、前
記被測定物と光プローブの距離が常に略一定となるよう
に、当該光プローブを水平方向及び垂直方向に移動させ
ながら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に
複数の任意の位置で、前記光プローブの位置情報とその
運動誤差情報を検出し、これらの情報から算出した3次
元位置情報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形
状を算出することを特徴としている。
According to an eighth aspect of the present invention, the three-dimensional shape of the measured object is measured by scanning the non-contact type optical probe movable in the horizontal direction and the vertical direction along the shape of the measured object. In the three-dimensional shape measuring method, when the upper surface shape and the lower surface shape of the object to be measured are scanned by the optical probe, the optical probe is moved in a horizontal direction so that the distance between the object and the optical probe is always substantially constant. Scanning along the shape of the object to be measured while moving in the vertical direction, and at this plurality of arbitrary positions during this scanning, the position information of the optical probe and its motion error information were detected and calculated from these information. It is characterized in that the shapes of the upper surface and the lower surface of the object to be measured are calculated based on the three-dimensional position information.

【0020】請求項9の発明は、水平方向をR軸、垂直
方向をZ軸、Z軸周りの回転方向をθ軸としたR−θ−
Z座標系を用い、使用時と同じ水平方向に保持された被
測定物の3次元形状を光プローブを走査させて測定する
3次元形状測定方法において、前記被測定物の上面形状
及び下面形状を前記光プローブで走査させる際、前記被
測定物と光プローブの距離が常に略一定となるように、
当該光プローブをR軸方向及びZ軸方向に移動させなが
ら被測定物の形状に沿って走査させ、この走査中に複数
の任意の位置で、前記光プローブの位置情報と運動誤差
情報を検出し、これらの情報から算出した3次元位置情
報を基にして前記被測定物の上面及び下面の形状を算出
することを特徴としている。
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an R-θ-axis in which the horizontal direction is the R axis, the vertical direction is the Z axis, and the rotation direction around the Z axis is the θ axis.
In a three-dimensional shape measuring method for measuring the three-dimensional shape of an object held in the same horizontal direction as the time of use by scanning the optical probe using a Z coordinate system, the upper surface shape and the lower surface shape of the object are measured. When scanning with the optical probe, so that the distance between the object to be measured and the optical probe is always substantially constant,
While moving the optical probe in the R-axis direction and the Z-axis direction, the optical probe is scanned along the shape of the object to be measured. During this scanning, position information and motion error information of the optical probe are detected at a plurality of arbitrary positions. The shape of the upper surface and the lower surface of the object to be measured is calculated based on the three-dimensional position information calculated from these information.

【0021】請求項10の発明は、請求項4、5、6、
又は9の発明において、前記位置情報は、上面R基準ミ
ラーと上面光プローブ問の距離Ru、上面Z基準ミラー
と上面光プローブ間の距離Zu、下面R基準ミラーと下
面光プローブ間の距離Rd、下面Z基準ミラーと下面光
プローブ間の距離Zd、上面光プローブ及び下面光プロ
ーブの走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の
偏差Pu及びPd、被測定物の回転角度Rθ、から検出
することを特徴としている。
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the fourth aspect of the present invention.
Or the position information includes a distance Ru between the upper surface R reference mirror and the upper surface optical probe, a distance Zu between the upper surface Z reference mirror and the upper surface optical probe, a distance Rd between the lower surface R reference mirror and the lower surface optical probe, Detected from the distance Zd between the lower Z reference mirror and the lower optical probe, deviations Pu and Pd of the distance between the optical probe and the DUT generated during scanning of the upper and lower optical probes, and the rotation angle Rθ of the DUT. It is characterized by doing.

【0022】請求項11の発明は、請求項7、又は9の
発明において、前記運動誤差情報は、前記θステージの
スラスト方向の運動誤差θSD、当該θステージのラジ
アル方向の運動誤差θRD、前記上面Z基準ミラーと下
面Z基準ミラー間の変動VD、から検出することを特徴
としている。
According to an eleventh aspect, in the seventh or ninth aspect, the motion error information includes a motion error θSD in the thrust direction of the θ stage, a motion error θRD in the radial direction of the θ stage, and the upper surface. It is characterized in that it is detected from the fluctuation VD between the Z reference mirror and the lower surface Z reference mirror.

【0023】請求項12の発明は、請求項2、又は9の
発明において、前記被測定物の上面形状を測定する際、
前記上面光プローブが上面形状に沿って走査している
間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上に
留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記被
測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブが
下面形状に沿って走査している間、前記上面光プローブ
を前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下振
動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基にし
て前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加えるこ
とを特徴としている。
According to a twelfth aspect of the present invention, in the method of the second or ninth aspect, when measuring the top surface shape of the object to be measured,
While the upper surface optical probe is scanning along the upper surface shape, the lower surface optical probe is held on the rotation axis of the θ stage to detect a vertical vibration component of the object to be measured, and the lower surface of the object to be measured. When measuring the shape, while the lower surface optical probe scans along the lower surface shape, the upper surface optical probe is held on the rotation axis of the θ stage to detect vertical vibration components of the object to be measured, and these are detected. It is characterized in that the upper surface shape or the lower surface shape is corrected based on the vertical vibration component obtained.

【0024】請求項13の発明は、請求項1、2、8、
又は9の発明において、前記被測定物の上面形状を測定
する際、前記上面光プローブを被測定物の上面形状に沿
って、前記下面光プローブを下面形状に沿って同時に走
査させることを特徴としている。
According to a thirteenth aspect of the present invention,
In the invention according to the ninth aspect, when measuring the upper surface shape of the object to be measured, the upper surface optical probe is simultaneously scanned along the upper surface shape of the object to be measured, and the lower surface optical probe is simultaneously scanned along the lower surface shape. I have.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図面を参照
して説明する。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0026】図1は本発明の実施形態を示す3次元形状
測定機の要部構成図、図2は図1の3次元形状測定機を
示す側面図、図3はR−Z面上の光プローブ及びレーザ
測長器を示す配置構成図、図4はθステージを示す配置
構成図、図5は光プローブを示す光学配置図、図6はZ
軸のサーボ構成を示すブロック図、図7はレーザ測長器
を示す光学配置図である。 図1及び図2において、1
は被測定物であり、ここでは水平方向に保持して使用さ
れる軸対象の非球面レンズとしている。被測定物1の上
面側及び下面側には、被測定物1の形状に沿って走査す
る上面光プローブ2u、及び下面光プローブ2dを配置
している。ここでは、レンズに傷を付けない非接触型の
光プローブを採用している。
FIG. 1 is a structural view of a main part of a three-dimensional shape measuring instrument showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a side view showing the three-dimensional shape measuring instrument of FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is an arrangement diagram showing a θ stage, FIG. 5 is an optical diagram showing an optical probe, and FIG. 6 is a Z diagram.
FIG. 7 is a block diagram showing a servo configuration of the axis, and FIG. 7 is an optical arrangement diagram showing a laser length measuring device. 1 and 2, 1
Denotes an object to be measured, which is an axisymmetric aspheric lens which is used while being held in the horizontal direction. On the upper surface side and the lower surface side of the DUT 1, an upper surface optical probe 2u and a lower surface optical probe 2d that scan along the shape of the DUT 1 are arranged. Here, a non-contact type optical probe that does not damage the lens is employed.

【0027】先ず、被測定物1の上面1u側の測定系の
構成について説明する。3uは被測定物1と平行、即ち
水平方向に移動する上面Rステージ、4uは被測定物1
に対して垂直方向に移動する上面Zステージである。し
たがって、上面Rステージ3u及び上面Zステージ4u
上にある光プローブ2uはR−Z方向に移動可能な構成
となっている。5uはR軸に対して平行で且つR−Z面
の位置に配置した上面Z基準ミラー、6uはZ軸に対し
て平行で且つR−Z面の位置に配置した上面R基準ミラ
ーである。
First, the configuration of the measurement system on the upper surface 1u side of the DUT 1 will be described. Reference numeral 3u denotes an upper surface R stage that moves in parallel with the DUT 1, that is, moves in the horizontal direction.
Is an upper surface Z stage that moves in the vertical direction with respect to. Therefore, upper surface R stage 3u and upper surface Z stage 4u
The upper optical probe 2u is configured to be movable in the RZ direction. 5u is an upper surface R reference mirror arranged parallel to the R axis and at the position of the RZ surface, and 6u is an upper surface R reference mirror arranged parallel to the Z axis and at the position of the RZ surface.

【0028】次に、被測定物1の下面1dの測定系の構
成について説明する。3dは被測定物1と平行、即ち水
平方向に移動する下面Rステージ、4dは被測定物1に
対して垂直方向に移動する下面Zステージである。した
がって、下面Rステージ3d及び下面Zステージ4d上
にある光プローブ2dはR−Z方向に移動可能な構成と
なっている。5dはR軸に対して平行、且つR−Z面の
位置に配置した下面Z基準ミラー、6dはZ軸に対して
平行で、且つR−Z面の位置に配置した下面R基準ミラ
ーである。40はエアーベアリングより成るθステージ
で、被測定物1をθ軸方向(Z軸の回転方向)に回転さ
せる手段である。θステージ40は、回転側のロータ部
8と、このロータ部を回転可能に支持する固定側のハウ
ジング部7とから成っている。詳細は後述するが、ロー
タ部8上にはスケール13及びθ基準ミラー14a,1
4b(図4参照)が配置されている。
Next, the configuration of the measurement system on the lower surface 1d of the DUT 1 will be described. Reference numeral 3d denotes a lower surface R stage that moves in parallel with the DUT 1, that is, moves in the horizontal direction, and 4d denotes a lower Z stage that moves in a direction perpendicular to the DUT 1. Therefore, the optical probe 2d on the lower surface R stage 3d and the lower surface Z stage 4d is configured to be movable in the RZ direction. 5d is a lower surface Z reference mirror arranged parallel to the R axis and at the position of the RZ surface, and 6d is a lower surface R reference mirror arranged parallel to the Z axis and at the position of the RZ surface. . Numeral 40 denotes a θ stage comprising an air bearing, which is means for rotating the DUT 1 in the θ-axis direction (Z-axis rotation direction). stage 40 is composed of a rotating-side rotor section 8 and a fixed-side housing section 7 that rotatably supports the rotor section. Although details will be described later, the scale 13 and the θ reference mirrors 14a, 1
4b (see FIG. 4).

【0029】9が付されている部品はR−Z面上におけ
る光プローブ2u,2dの位置を検出するためのレーザ
測長器(総称してレーザ測長器9と言う)である。9a
u,9buは上面R測定用、9ad,9bdは下面R測
定用であり、ここではアッベ誤差の影響をなくすために
それぞれ2つずつ用いている。9cuは上面Z測定用、
9cdは下面Z測定用であり、それぞれ光プローブ2
u,2dが作り出すキャッツアイポイントをZ軸と平行
に延長させた線上にそれぞれ配置されているので、アッ
ベ誤差は発生しない。
The component denoted by 9 is a laser length measuring device (collectively referred to as a laser length measuring device 9) for detecting the positions of the optical probes 2u and 2d on the RZ plane. 9a
u and 9bu are for upper surface R measurement, and 9ad and 9bd are for lower surface R measurement. Here, two are each used to eliminate the influence of Abbe error. 9cu is for upper surface Z measurement,
9cd is for lower surface Z measurement,
Since the cat's eye points created by u and 2d are arranged on lines extending in parallel with the Z axis, Abbe errors do not occur.

【0030】これら上面及び下面R基準ミラー6u,6
d、レーザ測長器9au,9bu,9ad,9bdによ
り光プローブ2u,2dのR軸位置検出手段が構成さ
れ、上面及び下面Z基準ミラー5u,5d、レーザ測長
器9cu,9cdによりZ軸位置検出手段が構成されて
いる。
The upper and lower surface R reference mirrors 6u, 6
d, R-axis position detection means of the optical probes 2u, 2d is constituted by the laser length measuring devices 9au, 9bu, 9ad, 9bd, and the Z-axis position is determined by the upper and lower surface Z reference mirrors 5u, 5d and the laser length measuring devices 9cu, 9cd. Detection means is configured.

【0031】さらに、9d,9eはθスラスト測定用、
9f,9gはθラジアル測定用、9h,9iは上下伸縮
測定用のレーザ測長器であり、それぞれ測定中における
距離変動分を検出する運動誤差検出手段の一部として使
用される。10はエアーベアリングのロータ部8上のθ
スケール13(図4参照)の回転角度の検出を行うスケ
ール検出部である。このスケール13及びスケール検出
部10によりθ軸位置検出手段が構成されている。
Further, 9d and 9e are for measuring θ thrust,
9f and 9g are laser length measuring devices for θ radial measurement, and 9h and 9i are laser length measuring devices for vertical expansion and contraction measurement, each of which is used as a part of a motion error detecting means for detecting a distance variation during the measurement. 10 is θ on the rotor portion 8 of the air bearing.
This is a scale detection unit that detects the rotation angle of the scale 13 (see FIG. 4). The scale 13 and the scale detector 10 constitute a θ-axis position detector.

【0032】11a,11bはθラジアル測定用基準ミ
ラー、11c,11dは上面Z基準ミラー5uの両側近
傍に、11e,11fは下面Z基準ミラー5dの両側近
傍にそれぞれ配置された上下伸縮測定用基準ミラーであ
る。12uは上面Rステージ3uと上面Zステージ4u
を搭載する架台、12dは下面Rステージ3dと下面Z
ステージ4dを搭載する架台である。
11a and 11b are reference mirrors for θ radial measurement, 11c and 11d are near both sides of the upper Z reference mirror 5u, and 11e and 11f are reference mirrors for vertical expansion and contraction arranged near both sides of the lower Z reference mirror 5d. It is a mirror. 12u is upper surface R stage 3u and upper surface Z stage 4u
12d is lower surface R stage 3d and lower surface Z
This is a mount on which the stage 4d is mounted.

【0033】図2に示すように、上面光プローブ2u、
下面光プローブ2d、及び光プローブ2u,2dのレー
ザ測長器9(同図では代表的なレーザ測長器のみ図示)
は、全てR−Z面上に配置されていることが分かる。
As shown in FIG. 2, the upper surface optical probe 2u,
Laser length measuring device 9 for lower surface optical probe 2d and optical probes 2u and 2d (only a typical laser length measuring device is shown in the figure)
Are all arranged on the RZ plane.

【0034】上記R軸位置検出手段、Z軸位置検出手
段、θ軸位置検出手段により位置検出手段が構成されて
いる。
The R axis position detecting means, the Z axis position detecting means, and the θ axis position detecting means constitute a position detecting means.

【0035】レーザ測長器9の配置を図3に示してい
る。同図において、レーザ測長器9と上面R基準ミラー
6u間の距離はRuであって、Rluはレーザ測長器9
auと上面R基準ミラー6u間の距離を、R2uはレー
ザ測長器9buと上面R基準ミラー6u間の距離をそれ
ぞれ示しており、上面Rステージ3u移動量及び移動時
に発生するアッベ誤差補正に使用する。Zuはレーザ測
長器9cuと上面Z基準ミラー5u間の距離を示し、又
Puは上面光プローブ2uから出力される位相差の偏差
を示し、上面Zステージ4u移動量及びZ方向振動等の
Z方向に発生する測定誤差要因の補正に使用する。同様
に、レーザ測長器9と下面R基準ミラー6d間の距離は
Rdであって、Rldはレーザ測長器9adと下面R基
準ミラー6d間の距離を、R2dはレーザ測長器9bd
と下面R基準ミラー6d問の距離を示し、下面Rステー
ジ3d移動量及び移動時に発生するアッベ誤差補正に使
用する。Zdはレーザ測長器9cdと下面Z基準ミラー
5d間の距離を示し、又Pdは下面光プローブ2dから
出力される位相差の偏差を示し、下面Zステージ4d移
動量及びZ方向振動等のZ方向に発生する測定誤差要因
の補正に使用する。θSD(θSDl,θSD2)はθ
ステージ40のスラスト面にあるθ基準ミラー14aと
上面Z基準ミラー5u間の距離を示し、θステージ40
のスラスト方向のぶれ量(面ぶれ)の検出に使用する。
又、θRD(θRD1,θRD2)はθステージ40の
ラジアル面にあるθ基準ミラー14bとラジアル測定用
ミラー11a,11b間の距離をそれぞれ示し、θステ
ージ40のラジアル方向のぶれ量(軸ぶれ)の検出に使
用する。VD(VDl,VD2)は上面及び下面に設置
された上下伸縮測定用基準ミラー11c,11d,11
e,11f間の距離を示し、測定中における上面Z基準
ミラー5uと下面Z基準ミラー5d問の距離変動分の誤
差補正に使用する。Rθはθスケール13を基準に検出
されたθステージ40の回転角度を示す。
FIG. 3 shows the arrangement of the laser length measuring device 9. In the figure, the distance between the laser length measuring device 9 and the upper surface R reference mirror 6u is Ru, and Rlu is the laser length measuring device 9
au and the distance between the upper surface R reference mirror 6u, and R2u the distance between the laser length measuring device 9bu and the upper surface R reference mirror 6u, respectively, which are used for the amount of movement of the upper surface R stage 3u and the Abbe error correction generated during the movement. I do. Zu indicates the distance between the laser length measuring device 9cu and the upper surface Z reference mirror 5u, Pu indicates the deviation of the phase difference output from the upper surface optical probe 2u, and indicates the movement amount of the upper surface Z stage 4u and Z such as Z direction vibration. Used to correct measurement error factors that occur in the direction. Similarly, the distance between the laser length measuring device 9 and the lower surface R reference mirror 6d is Rd, Rld is the distance between the laser length measuring device 9ad and the lower surface R reference mirror 6d, and R2d is the laser length measuring device 9bd.
And the distance between the lower R reference mirror 6d and the distance between the lower R stage 3d and the Abbe error generated during the movement. Zd indicates the distance between the laser length measuring device 9cd and the lower surface Z reference mirror 5d, Pd indicates the deviation of the phase difference output from the lower surface optical probe 2d, and the Z amount such as the movement amount of the lower surface Z stage 4d and the vibration in the Z direction. Used to correct measurement error factors that occur in the direction. θSD (θSD1, θSD2) is θ
The distance between the θ reference mirror 14a on the thrust surface of the stage 40 and the upper surface Z reference mirror 5u is shown.
Is used to detect the amount of shake (surface shake) in the thrust direction.
ΘRD (θRD1, θRD2) indicates the distance between the θ reference mirror 14b and the radial measurement mirrors 11a, 11b on the radial surface of the θ stage 40, respectively, and indicates the amount of radial shake (axis shake) of the θ stage 40. Used for detection. VD (VD1, VD2) is reference mirrors 11c, 11d, 11 for vertical expansion and contraction installed on the upper and lower surfaces.
Indicates the distance between e and 11f, and is used for error correction of a distance variation between the upper surface Z reference mirror 5u and the lower surface Z reference mirror 5d during measurement. Rθ indicates the rotation angle of the θ stage 40 detected based on the θ scale 13.

【0036】θステージ40となるエアーベアリング部
は、図4に示すように、被測定物1をθ軸方向に回転さ
せる手段である。同図において、7は固定側のハウジン
グ部、8は回転側のロータ部である。ロータ部8の表面
の一部には、精密加工後にアルミ蒸着と研磨によりθ基
準ミラー14a,14bを形成しており、ロータ部8の
上面の一部に、スラスト方向用のθスラスト基準ミラー
14aを、ロータ部8の外周面全体にラジアル方向用の
θラジアル基準ミラー14bを設けている。レーザ測長
器9d及び9e(図2参照)を用いて上面Z基準ミラー
5uとθスラスト基準ミラー14a間の距離を測ること
で、θステージ駆動時のスラスト方向変動が検出でき
る。同様に、レーザ測長器9f及び9g(図2参照)を
用いてラジアル測定用基準ミラー11a,11bとθラ
ジアル基準ミラー14b間の距離を測ることで、θステ
ージ運動時のラジアル方向変動が検出できる。また、ラ
ジアル方向にはθスケール13が貼り付けられており、
スケール検出部10を利用してθステージ40の回転角
度Rθが検出できる。
The air bearing portion serving as the θ stage 40 is means for rotating the DUT 1 in the θ axis direction as shown in FIG. In the figure, reference numeral 7 denotes a fixed housing part, and reference numeral 8 denotes a rotating rotor part. The θ reference mirrors 14a and 14b are formed on a part of the surface of the rotor unit 8 by aluminum deposition and polishing after precision processing, and the θ thrust reference mirror 14a for the thrust direction is formed on a part of the upper surface of the rotor unit 8. A radial reference mirror 14b for the radial direction is provided on the entire outer peripheral surface of the rotor unit 8. By measuring the distance between the upper surface Z reference mirror 5u and the θ thrust reference mirror 14a using the laser length measuring devices 9d and 9e (see FIG. 2), it is possible to detect a change in the thrust direction when the θ stage is driven. Similarly, by measuring the distance between the radial measurement reference mirrors 11a and 11b and the θ radial reference mirror 14b using the laser length measuring devices 9f and 9g (see FIG. 2), the radial direction fluctuation during the θ stage movement is detected. it can. Also, a θ scale 13 is attached in the radial direction,
The rotation angle Rθ of the θ stage 40 can be detected using the scale detection unit 10.

【0037】上記θスラスト基準ミラー14a、θラジ
アル基準ミラー14b、ラジアル測定用基準ミラー11
a,11b、上下伸縮測定用基準ミラー11c,11
d,11e,11f、レーザ測長器9d,9e,9f,
9g,9h,9iにより運動誤差検出手段が構成されて
いる。
The θ thrust reference mirror 14a, θ radial reference mirror 14b, radial measurement reference mirror 11
a, 11b, reference mirrors 11c, 11 for vertical expansion and contraction measurement
d, 11e, 11f, laser length measuring devices 9d, 9e, 9f,
The motion error detecting means is constituted by 9g, 9h and 9i.

【0038】上記上面及び下面光プローブ2u,2dの
詳細構成を図5に示している。同図において、15は偏
光方向が互いに直交する2つの光波を作り出すレーザ光
源である。レーザ光源15から射出した光波は、ビーム
エキスパンダ16で光波を拡大された後、偏光ビームス
プリッタ17aで反射光波と透過光波に分けられる。反
射光波はλ/4板18aを通ることで直線偏光から円偏
光へ変わり、集光レンズ20aを介して被測定物1へ入
射する。ここでは、集光レンズ20aにより光束が焦点
に絞られた状態(キャッツアイポイント)で被測定物1
に入射し、測定光波となって反射させている。尚、詳細
は後述するが、被測定物1には常にキャッツアイポイン
トで入射するようにZ軸サーボで調整されることにな
る。反射した測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ/
4板18aで往きと比べて90°回転した直線偏光とな
って、偏光ビームスプリッタ17aで今度は透過するこ
とになる。偏光ビームスプリッタ17aでのもう一方の
透過光波は、λ/4板18bを通って直線偏光から円偏
光へ変わって参照平面ミラー19に入射し、参照光波と
なって反射する。反射した参照光波は、再び通るλ/4
板18bで往きと比べて90°回転した直線偏光とな
り、偏光ビームスプリッタ17aで今度は反射すること
になる。偏光ビームスプリッタ17aで測定光波と参照
光波が重なり合い、45°方位の偏光板21を通ること
で干渉光波となる。この干渉光波はビームスプリッタ1
7bで2分割され、そのまま透過した干渉光波はライン
センサ22で検出されることになる。ラインセンサ22
が通常数十から数千チャンネル数のものがあり、ここで
は干渉光波を検出可能な高周波応答タイプの数10チャ
ンネル程度のものを使用する。また、複数のラインセン
サ出力のチャンネルから1チャンネルを選び出して測定
信号とする際の選択条件は、測定点上での被測定物1の
設計形状から傾斜角を算出し、被測定物1に対して法線
方向、即ち正反射する光波の光線追跡により、その光束
がラインセンサ22上のどのチャンネルに取り込まれる
か、予め算出して記憶しておき、測定位置によって使用
するチャンネルをマルチプレクサによって選択すること
になる。又、ビームスプリッタ17bで反射した干渉光
波は集光レンズ20bを介してフォトディテクタ23で
取り込み、参照信号となる。
FIG. 5 shows the detailed structure of the upper and lower optical probes 2u and 2d. In the figure, reference numeral 15 denotes a laser light source that generates two light waves whose polarization directions are orthogonal to each other. The light wave emitted from the laser light source 15 is expanded by the beam expander 16 and then divided into a reflected light wave and a transmitted light wave by the polarization beam splitter 17a. The reflected light wave changes from linearly polarized light to circularly polarized light by passing through the λ / 4 plate 18a, and is incident on the DUT 1 via the condenser lens 20a. Here, the object 1 is measured in a state where the light beam is focused on the light by the condenser lens 20a (cat's eye point).
And is reflected as a measurement light wave. Although details will be described later, the Z axis servo is adjusted so that the object to be measured 1 is always incident at the cat's eye point. The reflected measurement light wave returns to the original optical path and passes again through λ /
The linearly polarized light is rotated by 90 ° as compared with the outgoing light by the four plates 18a, and is transmitted by the polarizing beam splitter 17a this time. The other transmitted light wave at the polarization beam splitter 17a is changed from linearly polarized light to circularly polarized light through the λ / 4 plate 18b, enters the reference plane mirror 19, and is reflected as a reference light wave. The reflected reference light wave passes again through λ / 4.
The light becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light at the plate 18b, and is reflected at this time by the polarizing beam splitter 17a. The measurement lightwave and the reference lightwave overlap each other in the polarization beam splitter 17a, and pass through the polarizing plate 21 in the 45 ° azimuth to become an interference lightwave. This interference light wave is transmitted to the beam splitter 1
The interference light wave split into two by 7b and transmitted as it is is detected by the line sensor 22. Line sensor 22
There are usually several tens to several thousand channels, and here, a high frequency response type capable of detecting an interference light wave having about several tens channels is used. The selection condition when one channel is selected from a plurality of line sensor output channels and used as a measurement signal is such that an inclination angle is calculated from a design shape of the DUT 1 at a measurement point, and In the normal direction, that is, by tracing the light wave of the specularly reflected light, which channel on the line sensor 22 receives the light flux is calculated and stored in advance, and the multiplexer selects the channel to be used depending on the measurement position. Will be. Further, the interference light wave reflected by the beam splitter 17b is captured by the photodetector 23 via the condenser lens 20b and becomes a reference signal.

【0039】Z軸サーボの構成を図6に示している。但
し、被測定物1の上面1u側及び下面1d側共に同様な
構成となるが、ここでは上面1u側を例に説明する。光
プローブ2uからの光束がキャッツアイポイントで被測
定物1に入射するように上面Zステージ4uを移動させ
る。その状態における干渉光波から、ラインセンサ22
(図5参照)及びマルチプレクサ44を介して検出した
測定信号、及びフォトディテクタ23(図5参照)から
の参照信号は、それぞれ位相計41に入力される。この
位相計41にて位相差Puoを算出し、コンピュータ4
2に記憶すると、Zサーボコントローラ43によるZ軸
サーボが開始状態となる。次に、上面Rステージ4uや
θステージ40を同時に若しくは単独で移動させ、その
時得られる位相差Puiと記憶させている位相差Puoを
比較し、その偏差量ΔPuiが常にゼロ若しくは略ゼロ
となるように、Zサーボコントローラ43は上面Zステ
ージ4uを移動させる(サーボロック状態)。
FIG. 6 shows the configuration of the Z-axis servo. However, the upper surface 1u side and the lower surface 1d side of the DUT 1 have the same configuration, but here, the upper surface 1u side will be described as an example. The upper surface Z stage 4u is moved so that the light beam from the optical probe 2u enters the DUT 1 at the cat's eye point. From the interference light wave in that state, the line sensor 22
The measurement signal detected via the multiplexer 44 (see FIG. 5) and the reference signal from the photodetector 23 (see FIG. 5) are input to the phase meter 41, respectively. The phase difference Puo is calculated by the phase meter 41, and the computer 4
When it is stored in 2, the Z-axis servo by the Z servo controller 43 is started. Next, the upper surface R stage 4u and the θ stage 40 are moved simultaneously or independently, and the phase difference Pui obtained at that time is compared with the stored phase difference Puo, so that the deviation ΔPui is always zero or almost zero. Then, the Z servo controller 43 moves the upper surface Z stage 4u (servo lock state).

【0040】偏差量ΔPui = Pui − Puo この時の偏差量ΔPuiは、後ほど測定データに補正し
て反映させれば、サーボロックでの誤差を補正した正確
な値が得られる。このようにして、被測定物1と上面光
プローブ2u間の距離を常に一定若しくは略一定に保ち
ながら、被測定物1の上面1uを上面光プローブ2uが
スキャンして測定する。
Deviation ΔPui = Pui−Puo At this time, if the deviation ΔPui is corrected and reflected in the measurement data later, an accurate value obtained by correcting the error in the servo lock can be obtained. In this manner, the upper surface optical probe 2u scans and measures the upper surface 1u of the object 1 while the distance between the object 1 and the upper surface optical probe 2u is always kept constant or substantially constant.

【0041】レーザ測長器9の構成を図7に示してい
る。図7(A)は、レーザ測長器と一つの基準ミラー間
の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器9a
u,9bu,9cu,9ad,9bd,9cdの構成を
示す。ここでは共に、測定したい光路を2往復させるダ
ブルパス方式としているため、レーザ測長器の測定分解
能は2倍となる。同図(A)において、15は偏光方向
が互いに直交する2つの光波を作り出すレーザ光源であ
る。レーザ光源15から出射した光束は、偏光ビームス
プリッタ17cで反射光波と透過光波に分けられる。透
過光波はコーナーキューブ24aで2度反射して参照光
波となり、再び偏光ビームスプリッタ17cを透過する
ことになる。一方の反射光波は、λ/4板18cを通る
ことで直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー(例え
ば上面Z基準ミラー5u)で反射して測定光波となる。
測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ/4板18cで
往きと比べて90°回転した直線偏光となって、偏光ビ
ームスプリッタ17cで今度は透過し、コーナーキュー
ブ24bで2度反射して再び偏光ビームスプリッタ17
c及びλ/4板18cを通り、基準ミラーに戻ってく
る。再度反射した測定光波はλ/4板18cで往きと比
べて90°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプ
リッタ17cで反射することになる。ここでは測定光波
と参照光波が重なり、偏光板21を通過すると干渉光波
となり、測長器レシーバ25で検出される。測定光波と
参照光波の位相差の変動は、干渉光波の縞のカウントと
して測長器レシーバ25で観測される。参照光波の光路
長は常に一定となっているため、ここでは干渉光波の縞
のカウントから測定光波の変動、即ち、ここでは各基準
ミラーからの各ステージ移動量の2往復分が検出でき
る。
FIG. 7 shows the structure of the laser length measuring device 9. FIG. 7A shows a type for measuring the distance between a laser length measuring device and one reference mirror.
The configuration of u, 9bu, 9cu, 9ad, 9bd, 9cd is shown. In this case, the measurement resolution of the laser length measuring device is doubled because the double path method is used in which the optical path to be measured is reciprocated twice. In FIG. 1A, reference numeral 15 denotes a laser light source that generates two light waves whose polarization directions are orthogonal to each other. The light beam emitted from the laser light source 15 is divided into a reflected light wave and a transmitted light wave by the polarization beam splitter 17c. The transmitted light wave is reflected twice by the corner cube 24a to become a reference light wave, and passes through the polarization beam splitter 17c again. One reflected light wave changes from linearly polarized light to circularly polarized light by passing through the λ / 4 plate 18c, and is reflected by a reference mirror (for example, the upper surface Z reference mirror 5u) to become a measurement light wave.
The measurement light wave returns to the original optical path, becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light at the λ / 4 plate 18c passing again, transmitted through the polarization beam splitter 17c, and reflected twice by the corner cube 24b. Again the polarizing beam splitter 17
c and returns to the reference mirror through the λ / 4 plate 18c. The measurement light wave reflected again becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light on the λ / 4 plate 18c, and is reflected on the polarization beam splitter 17c. Here, the measurement lightwave and the reference lightwave overlap each other, become an interference lightwave when passing through the polarizing plate 21, and are detected by the length measuring device receiver 25. The change in the phase difference between the measurement lightwave and the reference lightwave is observed by the length measuring device receiver 25 as the count of the fringe of the interference lightwave. Since the optical path length of the reference light wave is always constant, the variation of the measurement light wave, that is, two round trips of each stage movement from each reference mirror can be detected here from the count of the interference light wave fringes.

【0042】同様に、図7(B)は、2つの基準ミラー
間の距離を測定するタイプであって、レーザ測長器9
f,9g,9i,9hの構成を示している。同図(B)
において、レーザ光源15から出射した直交する2つの
光波は、偏光ビームスプリッタ17cで反射光波と透過
光波に分けられる。透過光波はコーナーキューブ24a
で2度反射して参照光波となり、再び偏光ビームスプリ
ッタ17cを透過することになる。一方の反射光波は、
λ/4板18cを通ることで直線偏光から円偏光へ代わ
り、基準ミラー(例えば上面Z基準ミラー5u)で反射
して測定光波となる。測定光波は元の光路を戻り、再び
通るλ/4板18cで往路と比べて90°回転した直線
偏光となって、偏光ビームスプリッタ17cで今度は透
過し、λ/4板18dを通って基準ミラー(例えばθス
ラスト基準ミラー14a)で反射して元の光路を戻る。
再びλ/4板18dに入射した測定光波は、往路と比べ
て90°回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリ
ッタ17cで今度は反射してコーナーキューブ24aに
入射する。測定光波はコーナーキューブ24aで2度反
射して再び偏光ビームスプリッタ17cに入射し、ここ
で反射する。この後、測定光波はλ/4板18dを通っ
て再び基準ミラー(例えばθスラスト基準ミラー14
a)で反射し、λ/4板18d及び偏光ビームスプリッ
タ17c及びλ/4板18cを透過して、再度基準ミラ
ー(例えば上面Z基準ミラー5u)に入射し反射する。
この基準ミラーで反射した測定光波は、再度λ/4板1
8cを通過することで往路と比べて90°回転した直線
偏光となって、偏光ビームスプリッタ17cで今度は反
射する。ここでは測定光波と参照光波が重なり、偏光板
21を通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ25
で検出される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、
干渉光波の縞のカウントとして測長器レシーバ25で観
測される。参照光波の光路長は常に一定となっているた
め、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の光
路長の変動、即ちここでは2つの基準ミラー間の距離の
変動量の2往復分が検出できる。
Similarly, FIG. 7B shows a type for measuring the distance between two reference mirrors.
f, 9g, 9i, 9h are shown. Fig. (B)
In, two orthogonal light waves emitted from the laser light source 15 are divided into a reflected light wave and a transmitted light wave by the polarization beam splitter 17c. Transmitted light wave is corner cube 24a
Are reflected twice, become reference light waves, and again pass through the polarization beam splitter 17c. One reflected light wave is
When the light passes through the λ / 4 plate 18c, the light is changed from linearly polarized light to circularly polarized light. The measurement light wave returns to the original optical path, becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the forward path at the λ / 4 plate 18c which passes again, passes through the polarization beam splitter 17c, and passes through the λ / 4 plate 18d for reference. The light is reflected by a mirror (for example, the θ thrust reference mirror 14a) and returns to the original optical path.
The measurement light wave again incident on the λ / 4 plate 18d becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outward path, is reflected by the polarization beam splitter 17c, and is incident on the corner cube 24a. The measurement light wave is reflected twice by the corner cube 24a, reenters the polarization beam splitter 17c, and is reflected there. Thereafter, the measuring light wave passes through the λ / 4 plate 18d again and returns to the reference mirror (for example, the θ thrust reference mirror 14).
The light is reflected by a), transmitted through the λ / 4 plate 18d, the polarization beam splitter 17c, and the λ / 4 plate 18c, again incident on the reference mirror (for example, the upper surface Z reference mirror 5u) and reflected.
The measurement light wave reflected by the reference mirror is again applied to the λ / 4 plate 1.
8c, the light becomes linearly polarized light rotated by 90 ° compared to the outward path, and is reflected by the polarization beam splitter 17c. Here, the measurement lightwave and the reference lightwave overlap, and when passing through the polarizing plate 21, become an interference lightwave.
Is detected by The variation of the phase difference between the measurement lightwave and the reference lightwave is
It is observed by the length measuring device receiver 25 as the count of the fringe of the interference light wave. Since the optical path length of the reference light wave is always constant, a change in the optical path length of the measured light wave, that is, two round trips of the amount of change in the distance between the two reference mirrors is detected from the count of the interference light wave fringes. it can.

【0043】次に、本実施形態の3次元形状測定機を用
いた具体的な測定方法について、図1を参照して説明す
る。被測定物1である軸対象非球面レンズを、その軸を
θステージ40の回転軸と略一致するようにセッティン
グする。これにより、被測定物1側でのθ軸回転、及び
光プローブ2u,2d側でのR−Z軸走査を組み合わせ
ることで、光プローブ2u,2dを被測定物1の形状に
合わせて全面に走査できることになる。
Next, a specific measuring method using the three-dimensional shape measuring instrument of this embodiment will be described with reference to FIG. The axisymmetric symmetric lens, which is the DUT 1, is set so that its axis substantially coincides with the rotation axis of the θ stage 40. Thus, by combining the θ-axis rotation on the DUT 1 side and the RZ-axis scanning on the optical probes 2u and 2d, the optical probes 2u and 2d are adjusted to the shape of the DUT 1 over the entire surface. You will be able to scan.

【0044】先ず、被測定物1の上面1u形状の測定方
法について説明する。上面光プローブ2uをθ軸の回転
中心まで上面Rステージ3uを用いて移動させ、その後
に上面Zステージ4uを下げて被測定物1に近付けて行
き、上面光プローブ2uの光束が作り出すキャッツアイ
ポイントが被測定物1に入射する状態に調整し、サーボ
ロックを開始させる。尚、上面光プローブ2uは、上面
Rステージ3uをスキャンさせながら被測定物1の面形
状に合わせてZ軸サーボを追従させて使用し、上面Zス
テージ4uを動かすことになる。
First, a method for measuring the shape of the upper surface 1u of the DUT 1 will be described. The upper surface optical probe 2u is moved to the rotation center of the θ axis using the upper surface R stage 3u, and then the upper surface Z stage 4u is lowered to approach the DUT 1, and a cat's eye point generated by the light beam of the upper surface optical probe 2u. Is adjusted to be incident on the DUT 1, and servo lock is started. The upper surface optical probe 2u is used while scanning the upper surface R stage 3u and following the Z-axis servo according to the surface shape of the DUT 1 to move the upper surface Z stage 4u.

【0045】また、同様にして、下面光プローブ2dを
θ軸の回転中心まで下面Rステージ3dを用いて移動さ
せ、その後に下面Zステージ4dを上げて被測定物1に
近づけていき、下面光プローブ2dの光束が作り出すキ
ャッツアイポイントが被測定物1に入射する状態に調整
し、サーボロックを開始させる。尚、下面光プローブ2
dは、測定している間はR軸の位置は保持したまま動か
さず、被測定物1が振動等によりZ軸の上下変動した分
のみZ軸サーボで追従させて動かすことになる。
Similarly, the lower surface optical probe 2d is moved to the rotation center of the θ axis by using the lower surface R stage 3d, and thereafter, the lower surface Z stage 4d is raised to approach the DUT 1, and The state is adjusted so that the cat's eye point generated by the light beam of the probe 2d is incident on the DUT 1, and servo lock is started. In addition, the lower surface optical probe 2
During the measurement, d is not moved while the position of the R-axis is maintained during the measurement, and the DUT 1 is moved by following the Z-axis servo only by the vertical movement of the Z-axis due to vibration or the like.

【0046】ここで、サーボロックを開始するに当た
り、開始時の各測定データを基準データとして取り込
む。即ち、レーザ測長器9au〜9cu,9cd,9d
〜9iの出力値のR1u,R2u,Z1u,Z1d,θ
D1,θD2,θD3,θD4,VD1,VD2、ロー
タリーエンコーダ10の出力値RE、及びZ軸サーボの
位相の偏差Pu,Pdのデータをそれぞれ、R1uo,
R2o,Z1o,Z1o,θD1o,θD2o,θD3o,θ
D4o,VD1o,VD2o,REo,Puo,Pdoとして
コンピュータ42に記憶させておく。次に、サーボロッ
ク状態のまま、上面Rステージ3u及びθステージ40
を単独で、若しくは同時に移動させ、測定した任意の複
数点(i=1〜n,i:取り込み順)でレーザ測長器9
au〜9cu,9cd,9d〜9iの出力値、ロータリ
ーエンコーダ10の出力値RE、Z軸サーボの位相の偏
差を同時に取り込み、それぞれR1ui,R2ui,Z1
i,Z1i,θD1i,θD2i,θD3i,θD4i,VD
1i,VD2i,REi,Pui,Pdiとしてコンピュー
タ42に記憶させておく。同様にして、被測定物1の測
定エリアに光プローブ2u,2dを走査させながら、合
計n組の測定データを取り込んでおく。例えば、この
後、次に示すような演算処理を行うと、被測定物1の上
面1u形状はn組のR−θ−Z座標系の3次元データ
(R2ui,θui,Zui)として表現でき、測定精度
はnmオーダーを実現できる。
Here, when the servo lock is started, each measurement data at the start is taken as reference data. That is, the laser length measuring devices 9au to 9cu, 9cd, 9d
R1u, R2u, Z1u, Z1d, θ
D1, θD2, θD3, θD4, VD1, VD2, the output value RE of the rotary encoder 10, and the data of the phase deviations Pu, Pd of the Z-axis servo are R1uo,
R2o, Z1o, Z1o, θD1o, θD2o, θD3o, θ
D4o, VD1o, VD2o, REo, Puo, and Pdo are stored in the computer 42. Next, the upper surface R stage 3u and the θ stage 40 remain in the servo locked state.
Are moved independently or simultaneously, and the laser length measuring device 9 is measured at arbitrary plural points (i = 1 to n, i: order of capture).
The output values of au to 9cu, 9cd, 9d to 9i, the output value RE of the rotary encoder 10, and the deviation of the phase of the Z-axis servo are simultaneously captured, and R1ui, R2ui, Z1 are respectively obtained.
i, Z1i, θD1i, θD2i, θD3i, θD4i, VD
1i, VD2i, REi, Pui, and Pdi are stored in the computer 42. Similarly, a total of n sets of measurement data are fetched while scanning the measurement areas of the DUT 1 with the optical probes 2u and 2d. For example, by performing the following arithmetic processing, the shape of the upper surface 1u of the DUT 1 can be expressed as n sets of three-dimensional data (R2ui, θui, Zui) of the R-θ-Z coordinate system. Measurement accuracy can be realized on the order of nm.

【0047】1.R座標:Rui Ridata =((R1ui−R1uo)+(R2ui−R2
uo))/2 アッベ誤差 =((R1ui−R1uo)+(R2ui−
R2uo))×(D1u/D2u) 軸振れ誤差 =((θD3i−θD3o)+(θD4i−
θD4o))/2 Rui = Ridata + アッベ誤差 + 軸振れ誤差 2.θ座標:θui θui = REi − REo 3.Z座標:Zui サーボ偏差 = Pui − Puo 面振れ誤差 =((θD1i−θD1o)+(θD2i−
θD2o))/D3×formu(Ridata) Z方向振動 = (Z1di−Z1do)+ (Pdi−
Pdo) Zui = Z1ui + サーボ偏差 + 面振れ誤差
+ Z方向振動 尚、D1u:レーザ測長器9au,9buの中間と光プ
ローブのキャッツアイポイント間のZ方向成分の距離 D2u:レーザ測長器9au,9buのZ方向成分の距
離 D3 :レーザ測長器9d,9e間のR方向成分の距離 formu(Ridata):上面設計形状とRidataの関係から
算出される関数 また、被測定物1の下面1d形状の測定は、次のように
して行う。上面光プローブ2uはθ軸の回転軸上のサー
ボロック位置まで上面Rステージ3u及び上面Zステー
ジ4uを用いて移動させた後に、測定中はR軸の位置は
保持したまま動かさず、被測定物1が振動等によりZ軸
の上下変動した分のみZ軸サーボで追従させて動かす。
下面光プローブ2dはθ軸の回転軸上のサーボロック位
置まで、下面Rステージ3d及び下面Zステージ4dを
用いて移動させた後、下面Rステージ3d及びθステー
ジ40を単独に若しくは同時に移動させることになる。
上面1uの場合と同様に、サーボロック開始時の基準デ
ータを取り込めば良い。尚、この時の取り込む測定デー
タは、上面測定時と同じデータであるR1d,R2d,
Z1u,Z1d,θD1,θD2,θD3,θD4,R
E,Pu,Pdである。
1. R coordinate: Rui Ridata = ((R1ui−R1uo) + (R2ui−R2)
uo)) / 2 Abbe error = ((R1ui−R1uo) + (R2ui−
R2uo)) × (D1u / D2u) Shaft runout error = ((θD3i−θD3o) + (θD4i−
θD4o)) / 2 Rui = Ridata + Abbe error + Shaft runout error 2. θ coordinate: θui θui = REi-REo Z coordinate: Zui Servo deviation = Pui−Pu Surface runout error = ((θD1i−θD1o) + (θD2i−
θD2o)) / D3 × formu (Ridata) Z direction vibration = (Z1di−Z1do) + (Pdi−
Pdo) Zui = Z1ui + servo deviation + surface runout error + Z direction vibration D1u: distance of the Z direction component between the middle of laser length measuring devices 9au, 9bu and the cat's eye point of the optical probe D2u: laser length measuring device 9au , 9bu in the Z direction D3: distance in the R direction between the laser length measuring devices 9d and 9e formu (Ridata): function calculated from the relationship between the upper surface design shape and Ridata In addition, the lower surface 1d of the DUT 1 The shape is measured as follows. After moving the upper surface optical probe 2u to the servo lock position on the rotation axis of the θ axis by using the upper surface R stage 3u and the upper surface Z stage 4u, the measurement object is not moved while the position of the R axis is maintained during the measurement. 1 is moved by following the Z-axis servo only by the amount that the Z-axis vertically moves due to vibration or the like.
After moving the lower surface optical probe 2d to the servo lock position on the rotation axis of the θ axis using the lower surface R stage 3d and the lower surface Z stage 4d, the lower surface R stage 3d and the θ stage 40 are moved independently or simultaneously. become.
As in the case of the upper surface 1u, the reference data at the start of the servo lock may be fetched. Note that the measurement data taken in at this time is the same data R1d, R2d,
Z1u, Z1d, θD1, θD2, θD3, θD4, R
E, Pu, and Pd.

【0048】被測定物1の下面1d形状は以下のように
演算処理を行うことで、n組のR−θ−Z座標系の3次
元データ(Rdi,θdi,Zdi)として表現すること
ができ、測定精度はnmオーダーを実現できる。
The shape of the lower surface 1d of the DUT 1 can be represented as three-dimensional data (Rdi, θdi, Zdi) of n sets of R-θ-Z coordinate systems by performing arithmetic processing as follows. The measurement accuracy can be realized on the order of nm.

【0049】1.R座標:Rdi Ridata =((R1di−R1do)+(R2di−R2
do))/2 アッベ誤差 =((R1di−R1do)+(R2di−
R2do))×(D1d/D2d) 軸振れ誤差 =((θD3i−θD3o)+(θD4i−
θD4o))/2 Rdi = Ridata + アッベ誤差 + 軸振れ誤差 2.θ座標:θdi θdi = REi − REo 3.Z座標:Zdi サーボ偏差 = Pdi − Pdo 面振れ誤差 =((θD1i−θD1o)+(θD2i−
θD2o))/D3×formd(Ridata) Z方向振動 = (Z1ui−Z1uo)+ (Pui−
Puo) 基準ミラー間伸縮=((VD1i−VD1o)+(VD2
i−VD2o))/2 Zdi = Z1di + サーボ偏差 + 面振れ誤差
+ Z方向振動+ 基準ミラー間伸縮 尚、D1d:レーザ測長器9ad,9bdの中間と光プ
ローブのキャッツアイポイント間のZ方向成分の距離 D2d:レーザ測長器9ad,9bdのZ方向成分の距
離 D3 :レーザ測長器9d,9e間のR方向成分の距離 formu(Ridata):上面設計形状とRidataの関係から
算出される関数 尚、運動誤差の内、θスラスト測定は上面Z基準ミラー
5uを基準にして測定しており、また被測定物1の厚み
を測定することも考えられるので、下面形状の測定結果
には上記したように基準ミラー間伸縮分の補正分を加え
ることになる。
1. R coordinate: Rdi Ridata = ((R1di−R1do) + (R2di−R2)
do)) / 2 Abbe error = ((R1di−R1do) + (R2di−
R2do)) × (D1d / D2d) Shaft runout error = ((θD3i−θD3o) + (θD4i−
θD4o)) / 2 Rdi = Ridata + Abbe error + shaft run-out error θ coordinate: θdi θdi = REi−REo Z coordinate: Zdi Servo deviation = Pdi−Pdo Plane runout error = ((θD1i−θD1o) + (θD2i−
θD2o)) / D3 × formd (Ridata) Z-direction vibration = (Z1ui−Z1uo) + (Pui−
Puo) Expansion / contraction between reference mirrors = ((VD1i−VD1o) + (VD2
i-VD2o)) / 2 Zdi = Z1di + servo deviation + surface deflection error + Z direction vibration + expansion between reference mirrors D1d: Z direction between the middle of the laser length measuring devices 9ad and 9bd and the cat's eye point of the optical probe Component distance D2d: distance in the Z direction of laser length measuring devices 9ad, 9bd D3: distance in the R direction between laser length measuring devices 9d, 9e formu (Ridata): calculated from the relationship between the top surface design shape and Ridata Function Among the motion errors, the θ thrust measurement is performed with reference to the upper surface Z reference mirror 5u, and the thickness of the DUT 1 may be measured. As described above, a correction for the expansion and contraction between the reference mirrors is added.

【0050】R−θ断面上で見た3パターンのデータ取
り込み例を、図8に示している。但し、同図における軸
は、一般によく使われているX−Y座標系に変換したも
のを示している。 本発明では、Rステージ3u,3d
及びθステージ40を単独で動かしながらデータを等間
隔で取り込めば、同図(A)に示す渦巻きデータとし
て、またRステージ3u,3dとθステージ40とを同
時に動かさず、いずれかのステージのみを単独で動かし
ながらデータを等間隔で取り込めば、同図(B)に示す
同心円データとして検出できる。また、一般に、3次元
形状測定機等でよく用いられる同図(C)に示す格子デ
ータは、Rステージ3u,3d及びθステージ40の移
動量を格子状に合わせる、若しくは渦巻きデータや同心
円データを座標変換や補間を用いて変換するといった方
法により本発明でも対応可能となる。
FIG. 8 shows an example of taking in data of three patterns viewed on the R-θ cross section. However, the axes in the figure are those converted to the commonly used XY coordinate system. In the present invention, the R stages 3u, 3d
If the data is captured at equal intervals while independently moving the θ stage 40 and the θ stage 40, the R stage 3u, 3d and the θ stage 40 are not moved at the same time as the spiral data shown in FIG. If data is captured at regular intervals while moving independently, it can be detected as concentric circle data shown in FIG. In general, the grid data shown in FIG. 3C, which is often used in a three-dimensional shape measuring instrument, is such that the movement amounts of the R stages 3u and 3d and the θ stage 40 are adjusted in a grid pattern, or spiral data or concentric data is obtained. The present invention can also cope with a method of performing conversion using coordinate conversion or interpolation.

【0051】本発明では、被測定物1の形状が軸対象の
場合、渦巻データによってデータ検出を行うとθステー
ジ40や微小なRステージ3u,3d移動に対して、サ
ーボロック状態によって移動する光プローブ2u,2d
のZ方向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プロ
ーブ走査が可能となる。また、同心円データによってデ
ータ検出を行う場合は、Rステージ3u,3d移動後
に、その状態を保持しておき、θステージ40を単独で
動かしながらデータを等間隔で取り込むようにすれば、
上記と同様に、θステージ40移動に対して、サーボロ
ック状態によって移動する光プローブ2u,2dのZ方
向移動量は極めて小さくなるため、高速な光プローブ走
査が可能となる。
In the present invention, when the shape of the DUT 1 is axially symmetric, when data is detected by the spiral data, the light that moves in the servo lock state with respect to the θ stage 40 and the minute R stages 3 u and 3 d moves. Probe 2u, 2d
Is extremely small in the Z direction, so that high-speed optical probe scanning becomes possible. When data detection is performed using concentric circle data, after moving the R stages 3u and 3d, the state is maintained, and the data can be captured at equal intervals while the θ stage 40 is independently moved.
Similarly to the above, the amount of movement of the optical probes 2u and 2d moving in the Z direction in the Z direction with respect to the movement of the θ stage 40 becomes extremely small, so that high-speed optical probe scanning becomes possible.

【0052】このように、本発明の3次元形状測定機
は、被測定物1をθステージ40に搭載し、光プローブ
2u,2dを被測定物1の上面1u側及び下面1d側に
それぞれ配置し、光プローブ2u,2d走査中に複数の
任意の位置で光プローブ2u,2dのR軸及びZ軸の位
置、及び被測定物1のθ軸回転位置、及び各種の運動誤
差を同期で検出し、そこから算出した3次元位置情報を
基にして被測定物1の上面1u及び下面1dの形状測定
を行うものである。
As described above, in the three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention, the DUT 1 is mounted on the θ stage 40, and the optical probes 2u and 2d are arranged on the upper surface 1u side and the lower surface 1d side of the DUT 1, respectively. During the scanning of the optical probes 2u and 2d, the positions of the R and Z axes of the optical probes 2u and 2d, the rotational position of the θ-axis of the DUT 1, and various motion errors are detected at a plurality of arbitrary positions in synchronization. Then, the shape measurement of the upper surface 1u and the lower surface 1d of the DUT 1 is performed based on the three-dimensional position information calculated therefrom.

【0053】以上説明した本実施形態が、図9及び図1
0に示した従来例と大きく異なる3つの点を挙げること
ができる。その1つは、被測定物1の上面1u側及び下
面1d側にそれぞれに独立した上面光プローブ2u及び
下面光プローブ2dを配置し、被測定物1を水平方向に
保持したまま光プローブ2u,2dを被測定物1の上面
1u及び下面1dにスキャンさせて、被測定物1の上面
1u及び下面1dの3次元形状を測定する点である。2
番目は、座標系をR−θ−Z系として構成し、R軸及び
Z軸における光プローブ2u,2dの位置情報の検出手
段として、被測定物1の上面1u側と下面1d側にそれ
ぞれにR基準ミラー5u,5d、Z基準ミラー6u,6
dを配置して、レーザ測長器9au,9ad等を用いて
検出し、又θ軸の位置情報の検出手段として、θステー
ジ40に取り付けられたθスケール13をスケール検出
器10で読み込む点である。3番目は、測定中の運動誤
差を検出するために、複数の基準ミラーを配置して測定
結果を補正している点である。
The present embodiment described above corresponds to FIGS.
There are three points significantly different from the conventional example shown in FIG. One of them is to dispose an upper optical probe 2u and a lower optical probe 2d independently on the upper surface 1u side and the lower surface 1d side of the DUT 1, and to hold the DUT 1 in the horizontal direction while keeping the DUT 1 horizontal. This is the point where the 3D shape of the upper surface 1u and the lower surface 1d of the DUT 1 is measured by scanning 2d on the upper surface 1u and the lower surface 1d of the DUT 1. 2
The third is to configure the coordinate system as an R-θ-Z system, and as means for detecting the position information of the optical probes 2u and 2d on the R axis and the Z axis, respectively, on the upper surface 1u side and the lower surface 1d side of the DUT 1. R reference mirrors 5u, 5d, Z reference mirrors 6u, 6
d is arranged and detected using the laser length measuring devices 9au, 9ad, etc., and the scale detector 10 attached to the θ stage 40 is read by the scale detector 10 as means for detecting the position information of the θ axis. is there. Third, in order to detect a motion error during measurement, a plurality of reference mirrors are arranged to correct the measurement result.

【0054】したがって、被測定物1を水平方向に保持
して使用する場合に、使用時と同じ状態で被測定物1の
上面1u及び下面1dの形状測定が可能になるため、従
来のように、下面1d形状の測定結果には被測定物1を
反転させることによる重力による歪み誤差が生じること
なく、高精度な面形状測定が可能となる。また、光プロ
ーブ2u,2dを利用して面形状測定を行うため、干渉
測定で用いる基準波面を必要とせず、多様な被測定物の
形状測定に対応することができる。
Therefore, when the device under test 1 is used while being held in the horizontal direction, the shape measurement of the upper surface 1u and the lower surface 1d of the device 1 under test can be performed in the same state as at the time of use. In addition, the measurement results of the shape of the lower surface 1d do not cause a distortion error due to gravity caused by inverting the DUT 1, thereby enabling highly accurate surface shape measurement. In addition, since the surface shape is measured using the optical probes 2u and 2d, a reference wavefront used in interference measurement is not required, and it is possible to cope with various shape measurements of an object to be measured.

【0055】また、被測定物1の上面1u及び下面1d
形状を同時に測定することで、測定時間の短縮を図るこ
とができる。
The upper surface 1u and the lower surface 1d of the DUT 1
By measuring the shape at the same time, the measurement time can be reduced.

【0056】次に、第2の実施形態について説明する。
この実施形態は上記第1の実施形態と同様に、被測定物
1の上面1u形状及び下面1d形状の測定を同時に行う
構成であるが、多少の測定精度を犠牲にしても、測定時
間を略半分程度に短縮することができる例である。 図
1に示すように、上面光プローブ2uをθ軸の回転中心
まで上面Rステージ3uを用いて移動させ、その後に上
面Zステージ4uを下げて被測定物1に近付けていき、
上面光プローブ2uの光束が作り出すキャッツアイポイ
ントが被測定物1に入射する状態に調整し、サーボロッ
クを開始させる。また同様に、下面光プローブ2dをθ
軸の回転中心まで下面Rステージ3dを用いて移動させ
た後、下面Zステージ4dを上げて被測定物1に近付け
ていき、下面光プローブ2dの光束が作り出すキャッツ
アイポイントが被測定物1に入射する状態に調整し、サ
ーボロックを開始させる。尚、上面光プローブ2u、下
面光プローブ2dの走査は、被測定物1の面形状に合わ
せてZ軸サーボを追従させて使用することになる。
Next, a second embodiment will be described.
In this embodiment, as in the first embodiment, the upper surface 1u shape and the lower surface 1d shape of the DUT 1 are measured at the same time, but the measurement time is substantially reduced even if some measurement accuracy is sacrificed. This is an example that can be reduced to about half. As shown in FIG. 1, the upper surface optical probe 2u is moved to the rotation center of the θ axis using the upper surface R stage 3u, and then the upper surface Z stage 4u is lowered to approach the DUT 1;
The state where the cat's eye point generated by the light beam of the upper surface optical probe 2u is incident on the DUT 1 is started, and the servo lock is started. Similarly, the lower surface optical probe 2d is set to θ
After being moved to the rotation center of the shaft using the lower surface R stage 3d, the lower surface Z stage 4d is raised to approach the DUT 1, and the cat's eye point generated by the light beam of the lower surface optical probe 2d becomes the DUT 1. Adjust to the incident state and start servo lock. The scanning by the upper surface optical probe 2u and the lower surface optical probe 2d is performed by following the Z-axis servo according to the surface shape of the DUT 1.

【0057】サーボロック開始時の基準データ(i=
0)及び測定したい任意の複数点(i=1〜n,i:取
込み順)での各測定データを取り込めば良い。尚、この
取り込む測定データは、R1u,R2u,Z1,Z1,
θSD1,θSD2,θRD1,θRD2,VD1,V
D2,Rθ,Pu,Pdである。
Reference data (i =
0) and any measurement data at arbitrary points (i = 1 to n, i: acquisition order) to be measured. Note that the measurement data to be captured are R1u, R2u, Z1, Z1,
θSD1, θSD2, θRD1, θRD2, VD1, V
D2, Rθ, Pu, and Pd.

【0058】被測定物1の上面1u形状及び下面1d形
状は、以下のように演算処理を行うことで、n組みのR
−θ−Z座標系の3次元データ(Rui−θui−Zu
i)及び(Rdi−θdi−Zdi)として表現でき、精度
測定はnmオーダーを実現できる。尚、Rui−θui−
Zui、Rdi−θdi−Zdiは、実施例1と同じ式で表
せるのでここでは省略する。
The shape of the upper surface 1u and the shape of the lower surface 1d of the DUT 1 are calculated as follows to obtain n sets of R
-Three-dimensional data of the θ-Z coordinate system (Rui-θui-Zu
i) and (Rdi-θdi-Zdi), and the accuracy measurement can be realized on the order of nm. In addition, Rui-θui-
Since Zui and Rdi-θdi-Zdi can be expressed by the same formula as in the first embodiment, they are omitted here.

【0059】・上面Z座標:Zui サーボ偏差 = Pui − Puo 面振れ誤差 =((θSD1i−θSD1o)+(θSD2
i−θSD2o))/D3×formu(Ridata) Zui = Z1ui + サーボ偏差 + 面振れ誤差 ・下面Z座標:Zdi サーボ偏差 = Pdi − Pdo 面振れ誤差 =((θSD1i−θSD1o)+(θSD2
i−θSD2o))/D3×formd(Ridata) 基準ミラー間伸縮=((VD1i−VD1o)+(VD2
i−VD2o))/2 Zdi = Z1di + サーボ偏差 + 面振れ誤差
+ 基準ミラー間伸縮 このように、被測定物1の上面1u形状及び下面1d形
状の測定を同時に行うと、測定時間の短縮を期待するこ
とができる。
Upper surface Z coordinate: Zui servo deviation = Pui−Pu surface runout error = ((θSD1i−θSD1o) + (θSD2)
i−θSD2o)) / D3 × formu (Ridata) Zui = Z1ui + servo deviation + surface deflection error • Lower surface Z coordinate: Zdi servo deviation = Pdi−Pdo surface deflection error = ((θSD1i−θSD1o) + (θSD2)
i−θSD2o)) / D3 × formd (Ridata) Expansion / contraction between reference mirrors = ((VD1i−VD1o) + (VD2)
i−VD2o)) / 2 Zdi = Z1di + servo deviation + surface deflection error + expansion between reference mirrors As described above, when the shape of the upper surface 1u and the lower surface 1d of the DUT 1 are measured at the same time, the measurement time can be reduced. You can expect.

【0060】[0060]

【発明の効果】以上説明したように、光プローブは、前
記被測定物の上面形状に沿って走査する上面光プローブ
と、及び被測定物の下面形状に沿って走査する下面光プ
ローブとから成っており、前記上面光プローブは、水平
方向となるR軸方向に移動可能な上面Rステージ、及び
鉛直方向となるZ軸方向に移動可能な上面Zステージ上
に設けられ、前記下面光プローブは、前記R軸方向に移
動可能な下面Rステージ、及び前記Z軸方向に移動可能
な下面Zステージ上に設けられ、前記被測定物はZ軸回
転成分となるθ軸方向に移動可能なθステージ上に水平
方向に保持された状態で載置され、前記上面光プローブ
と前記下面光プローブの走査位置、及び前記被測定物の
θ軸回転角度を3次元位置情報として検出するもので、
同一なR−Z面上に配置された位置検出手段と、前記光
プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する運動誤
差を検出するもので、同一なR−Z面上に配置された運
動誤差検出手段とを備え、前記光プローブは前記被測定
物との距離が常に略一定となるようにZ軸方向に移動さ
せながら当該被測定物の形状に沿って走査させ、走査中
に複数の任意の位置で、前記位置検出手段と前記運動誤
差検出手段により光プローブの位置及びその運動誤差を
同期で検出し、この情報から前記被測定物の上面及び下
面の形状を算出するので、被測定物を水平方向に保持し
て使用する場合、反転機構等を設けることなく、使用時
と同じ状態で被測定物の上面及び下面の形状測定を実施
することができるため、従来のように、下面形状の測定
結果に、被測定物を反転させて生じた重力による歪み誤
差が付加されるといった不具合を避けることができ、高
精度な面形状測定が行うことができる。 また、光プロ
ーブを利用した面形状測定であって、光の干渉を利用し
ていないため、干渉測定で用いる基準波面を必要とせ
ず、干渉を利用した装置よりも多様な形状の被測定物の
測定が可能となる。
As described above, the optical probe comprises the upper surface optical probe that scans along the upper surface shape of the object to be measured and the lower surface optical probe that scans along the lower surface shape of the object to be measured. The upper surface optical probe is provided on an upper surface R stage movable in the horizontal R axis direction, and an upper surface Z stage movable in the vertical Z axis direction. The object to be measured is provided on a lower surface R stage movable in the R axis direction and a lower surface Z stage movable in the Z axis direction, and the object to be measured is on a θ stage movable in the θ axis direction as a Z axis rotation component. It is placed in a state held in the horizontal direction, the scanning position of the upper surface optical probe and the lower surface optical probe, and detects the θ-axis rotation angle of the DUT as three-dimensional position information,
Position detecting means arranged on the same R-Z plane, and for detecting a motion error caused by scanning of the optical probe and rotation of the object to be measured, are arranged on the same R-Z plane. Movement error detecting means, wherein the optical probe scans along the shape of the measured object while moving in the Z-axis direction so that the distance to the measured object is always substantially constant. At any given position, the position of the optical probe and the movement error thereof are synchronously detected by the position detection means and the movement error detection means, and the top and bottom surfaces of the object to be measured are calculated from this information. When the measurement object is used while being held in the horizontal direction, the shape measurement of the upper surface and the lower surface of the measurement object can be performed in the same state as at the time of use without providing a reversing mechanism or the like. The measurement result of the bottom surface Is inverted can avoid such a disadvantage distortion error due to gravity, resulting in is added, it is possible to highly accurate surface shape measurement performed. In addition, since the surface shape is measured using an optical probe and does not use light interference, a reference wavefront used in interference measurement is not required, and a device to be measured having a more diverse shape than an apparatus using interference can be obtained. Measurement becomes possible.

【0061】さらに、被測定物の上面形状及び下面形状
の同時測定を実施するなら、測定時間の短縮を図ること
ができるという、以上のような効果を奏するものであ
る。
Further, if simultaneous measurement of the upper surface shape and the lower surface shape of the object to be measured is performed, it is possible to shorten the measurement time, which has the above-described effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態を示す3次元形状測定機の
要部概略図
FIG. 1 is a schematic view of a main part of a three-dimensional shape measuring machine showing an embodiment of the present invention.

【図2】図1の3次元形状測定機を示す側面図FIG. 2 is a side view showing the three-dimensional shape measuring machine of FIG. 1;

【図3】R−Z面上の光プローブ及びレーザ測長器を示
す配置構成図
FIG. 3 is an arrangement configuration diagram showing an optical probe and a laser length measuring device on the RZ plane.

【図4】θステージを示す概略構成図FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing a θ stage.

【図5】光プローブの概略構成を示す光学配置図FIG. 5 is an optical layout diagram showing a schematic configuration of an optical probe.

【図6】Z軸のサーボの構成を示すブロック図FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration of a Z-axis servo.

【図7】レーザ測長器の概略構成を示す光学配置図FIG. 7 is an optical layout diagram showing a schematic configuration of a laser length measuring device.

【図8】光プローブの位置データの取り込みパターン例
を示す説明図
FIG. 8 is an explanatory diagram showing an example of a capturing pattern of position data of an optical probe.

【図9】従来のX−Y−Z座標を用いた3次元形状測定
機を示す概略構成図
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing a conventional three-dimensional shape measuring machine using XYZ coordinates.

【図10】従来の干渉を利用した3次元形状測定機を示
す光学配置図
FIG. 10 is an optical layout diagram showing a conventional three-dimensional shape measuring instrument using interference.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 被測定物 1u 被測定物の上面 1d 被測定物の下面 2u 上面光プローブ 2d 下面光プローブ 3u 上面Rステージ 3d 下面Rステージ 4u 上面Zステージ 4d 下面Zステージ 5u 上面Z基準ミラー 5d 下面Z基準ミラー 6u 上面R基準ミラー 6d 下面R基準ミラー 7 ハウジング部(θステージ) 8 ロータ部(θステージ) 9au等 レーザ測長器 10 スケール検出部(ロータリーエンコーダ) 11a,11b θラジアル測定用基準ミラー 11c〜11f 上下伸縮測定用基準ミラー 12u,12d 架台 13 スケール 14a θスラスト基準ミラー 14b θラジアル基準ミラー 15 レーザ光源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 DUT 1u Upper surface of DUT 1d Lower surface of DUT 2u Upper surface optical probe 2d Lower surface optical probe 3u Upper surface R stage 3d Lower surface R stage 4u Upper surface Z stage 4d Lower surface Z stage 5u Upper surface Z reference mirror 5d Lower surface Z reference mirror 6u Upper surface R reference mirror 6d Lower surface R reference mirror 7 Housing unit (θ stage) 8 Rotor unit (θ stage) 9au, etc. Laser length measuring device 10 Scale detector (rotary encoder) 11a, 11b Reference mirror for θ radial measurement 11c to 11f Reference mirror for vertical expansion / contraction measurement 12u, 12d Mount 13 Scale 14a Thrust reference mirror 14b θ radial reference mirror 15 Laser light source

フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA04 AA39 AA53 DD14 FF17 FF49 FF52 FF55 GG04 HH04 HH13 JJ02 JJ05 JJ15 JJ25 LL09 LL12 LL17 LL36 LL37 MM04 MM07 PP22 2F069 AA04 AA66 AA83 EE03 GG04 GG07 GG58 GG59 HH09 HH15 JJ08 JJ17 2H045 AG09 BA14 BA15 BA20 BA22Continued on the front page F term (reference) 2F065 AA04 AA39 AA53 DD14 FF17 FF49 FF52 FF55 GG04 HH04 HH13 JJ02 JJ05 JJ15 JJ25 LL09 LL12 LL17 LL36 LL37 MM04 MM07 PP22 2F069 AA04 AA66 GG07H08 GG03H BA20 BA22

Claims (13)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水平方向及びこれに垂直方向に移動可能
な非接触型の光プローブを、被測定物の形状に沿って走
査させて被測定物の3次元形状を測定する3次元形状測
定機において、 前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走
査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿
って走査する下面光プローブとから成っており、前記上
面光プローブと前記下面光プローブの走査位置、又は当
該走査位置及び前記被測定物の回転角度を3次元位置情
報として検出する位置検出手段と、 前記光プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する
運動誤差を検出する運動誤差検出手段と、 を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検
出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出す
ることを特徴とする3次元形状測定機。
1. A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of an object by scanning a non-contact optical probe movable in a horizontal direction and a direction perpendicular thereto along the shape of the object. In the optical probe, an upper surface optical probe that scans along the upper surface shape of the object to be measured, and a lower surface optical probe that scans along the lower surface shape of the object to be measured, the upper surface optical probe and Position detecting means for detecting the scanning position of the lower surface optical probe, or the scanning position and the rotation angle of the object to be measured as three-dimensional position information; and a motion error caused by scanning of the optical probe and rotation of the object to be measured. A three-dimensional shape measurement, comprising: calculating a shape of an upper surface and a lower surface of the object to be measured based on detection results of the position detecting device and the motion error detecting device. Machine.
【請求項2】 水平方向をR軸、垂直方向をZ軸、Z軸
周りの回転方向をθ軸としたR−θ−Z座標系を用い
て、使用時と同じ水平方向に保持された被測定物の形状
を非接触型の光プローブを走査させて測定する3次元形
状測定機において、 前記光プローブは、前記被測定物の上面形状に沿って走
査する上面光プローブと、前記被測定物の下面形状に沿
って走査する下面光プローブとから成っており、前記上
面光プローブは前記R軸方向に移動可能な上面Rステー
ジ及び前記Z軸方向に移動可能な上面Zステージ上に配
置され、前記下面光プローブは前記R軸方向に移動可能
な下面Rステージ及び前記Z軸方向に移動可能な下面Z
ステージ上に配置され、前記被測定物は、ロータ部とこ
のロータ部を支持するハウジング部より成る、前記θ軸
方向に回転可能なθステージ上に載置されており、且
つ、前記上面光プローブと前記下面光プローブの走査位
置及び前記被測定物のθ軸回転角度を3次元位置情報と
して検出するもので、同一なR−Z面上に配置された位
置検出手段と、 前記光プローブの走査や前記被測定物の回転に起因する
運動誤差を検出するもので、同一なR−Z面上に配置さ
れた運動誤差検出手段と、 を備え、前記位置検出手段と前記運動誤差検出手段の検
出結果から前記被測定物の上面及び下面の形状を算出す
ることを特徴とする3次元形状測定機。
2. An object held in the same horizontal direction as in use using an R-θ-Z coordinate system in which a horizontal direction is an R axis, a vertical direction is a Z axis, and a rotation direction around the Z axis is a θ axis. In a three-dimensional shape measuring instrument for measuring the shape of a measured object by scanning a non-contact type optical probe, the optical probe is configured to scan along an upper surface shape of the measured object; A lower surface optical probe that scans along the lower surface shape of the above, the upper surface optical probe is disposed on the upper surface R stage movable in the R axis direction and the upper surface Z stage movable in the Z axis direction, The lower surface optical probe has a lower surface R stage movable in the R axis direction and a lower surface Z movable in the Z axis direction.
The object to be measured is placed on a stage, the object to be measured is mounted on a θ stage rotatable in the θ axis direction, which is composed of a rotor part and a housing part supporting the rotor part, and the upper surface optical probe And a position detecting means disposed on the same RZ plane for detecting a scanning position of the lower surface optical probe and a θ-axis rotation angle of the object to be measured as three-dimensional position information, and scanning the optical probe. And motion error detection means for detecting a motion error caused by rotation of the object to be measured, the motion error detection means being arranged on the same RZ plane, and detecting the position detection means and the motion error detection means. A three-dimensional shape measuring machine, wherein the shape of the upper surface and the lower surface of the object to be measured is calculated from the result.
【請求項3】 前記位置検出手段は、前記光プローブの
R軸方向の位置情報を検出するためのR軸位置検出手段
と、前記光プローブのZ軸方向の位置情報を検出するた
めのZ軸位置検出手段と、前記θステージの回転角度を
検出するためのθ軸位置検出手段とから成ることを特徴
とする請求項2記載の3次元形状測定機。
3. The optical system according to claim 1, wherein the position detecting unit detects an R-axis position of the optical probe in an R-axis direction, and a Z-axis position information of the optical probe in a Z-axis direction. 3. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2, further comprising: a position detecting means; and a θ-axis position detecting means for detecting a rotation angle of the θ stage.
【請求項4】 前記R軸位置検出手段は、前記Z軸に対
して平行配置された上面及び下面R基準ミラーと、前記
上面Zステージ及び下面Zステージに各々2つずつ取り
付けられ、前記上面及び下面R基準ミラーに対して垂直
方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴とす
る請求項2、又は3記載の3次元形状測定機。
4. The R-axis position detecting means is mounted on the upper and lower Z-stages, two each for the upper and lower R reference mirrors arranged in parallel to the Z-axis. 4. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2, further comprising a laser length measuring device that emits light in a direction perpendicular to the lower surface R reference mirror.
【請求項5】 前記Z軸位置検出手段は、前記R軸に対
して平行配置された上面及び下面Z基準ミラーと、前記
上面Zステージ及び下面Zステージに各々1つずつ取り
付けられ、前記上面及び下面Z基準ミラーに対して垂直
方向に射出するレーザ測長器とから成ることを特徴とす
る請求項2、又は3記載の3次元形状測定機。
5. The Z-axis position detecting means is attached to the upper and lower Z-stage mirrors, one each for the upper and lower Z-stage mirrors, which are arranged in parallel to the R-axis. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2, further comprising a laser length measuring device that emits light in a direction perpendicular to the lower surface Z reference mirror.
【請求項6】 前記θ軸位置検出手段は、前記θステー
ジの回転角度を検出するために前記ロータ部上に設置さ
れたθスケールと、これを検出するスケール検出部とか
ら成ることを特徴とする請求項2、又は3記載の3次元
形状測定機。
6. The θ-axis position detecting means includes a θ scale installed on the rotor unit for detecting a rotation angle of the θ stage, and a scale detecting unit for detecting the θ scale. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2 or 3, wherein
【請求項7】 前記運動誤差検出手段は、前記θステー
ジの前記ロータ部上に配置されたθスラスト基準ミラ
ー、前記ロータ部の外周面に配置されたθラジアル基準
ミラー、このθラジアル基準ミラーに対し所定間隔を置
いて対向して少なくとも2面設けたθラジアル測定用基
準ミラー、前記上面及び下面Z基準ミラーの両端側近傍
にそれぞれ配置され、当該上面及び下面Z基準ミラーの
距離変動を検出するために4面設けた上下伸縮測定用基
準ミラー、これらの基準ミラー間の距離を測定するため
の少なくとも6つのレーザ測長器とから成ることを特徴
とする請求項2記載の3次元形状測定機。
7. The θ-thrust reference mirror disposed on the rotor section of the θ-stage, the θ-radial reference mirror disposed on the outer peripheral surface of the rotor section, and the θ-radial reference mirror. On the other hand, a θ radial measurement reference mirror provided at least on two surfaces facing each other at a predetermined interval is disposed near both ends of the upper and lower surface Z reference mirrors, respectively, and detects a distance variation between the upper and lower surface Z reference mirrors. 3. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 2, comprising four reference mirrors for measuring vertical expansion and contraction, and at least six laser length measuring devices for measuring the distance between the reference mirrors. .
【請求項8】 水平方向及びこれに垂直方向に移動可能
な非接触型の光プローブを、被測定物の形状に沿って走
査させて被測定物の3次元形状を測定する3次元形状測
定方法において、 前記被測定物の上面形状及び下面形状を前記光プローブ
で走査させる際、前記被測定物と光プローブの距離が常
に略一定となるように、当該光プローブを水平方向及び
垂直方向に移動させながら被測定物の形状に沿って走査
させ、この走査中に複数の任意の位置で、前記光プロー
ブの位置情報とその運動誤差情報を検出し、これらの情
報から算出した3次元位置情報を基にして前記被測定物
の上面及び下面の形状を算出することを特徴とする3次
元形状測定方法。
8. A three-dimensional shape measuring method for measuring a three-dimensional shape of an object by scanning a non-contact optical probe movable in a horizontal direction and a direction perpendicular thereto along the shape of the object. In the above, when scanning the upper surface shape and the lower surface shape of the object to be measured with the optical probe, the optical probe is moved in a horizontal direction and a vertical direction so that a distance between the object to be measured and the optical probe is always substantially constant. While scanning along the shape of the object to be measured, and at this plurality of arbitrary positions during this scanning, the position information of the optical probe and its motion error information are detected, and the three-dimensional position information calculated from these information is obtained. A three-dimensional shape measuring method, wherein the shapes of the upper surface and the lower surface of the object to be measured are calculated based on the three-dimensional shape.
【請求項9】 水平方向をR軸、垂直方向をZ軸、Z軸
周りの回転方向をθ軸としたR−θ−Z座標系を用い、
使用時と同じ水平方向に保持された被測定物の3次元形
状を光プローブを走査させて測定する3次元形状測定方
法において、前記被測定物の上面形状及び下面形状を前
記光プローブで走査させる際、前記被測定物と光プロー
ブの距離が常に略一定となるように、当該光プローブを
R軸方向及びZ軸方向に移動させながら被測定物の形状
に沿って走査させ、この走査中に複数の任意の位置で、
前記光プローブの位置情報とその運動誤差情報を検出
し、これらの情報から算出した3次元位置情報を基にし
て前記被測定物の上面及び下面の形状を算出することを
特徴とする3次元形状測定方法。
9. An R-θ-Z coordinate system in which a horizontal direction is an R axis, a vertical direction is a Z axis, and a rotation direction around the Z axis is a θ axis,
In a three-dimensional shape measuring method for measuring the three-dimensional shape of an object held in the same horizontal direction as in use by scanning an optical probe, the upper surface shape and the lower surface shape of the object are scanned by the optical probe. At this time, the optical probe is scanned along the shape of the object to be measured while moving the optical probe in the R-axis direction and the Z-axis direction so that the distance between the object and the optical probe is always substantially constant. At multiple arbitrary positions,
Detecting a position information of the optical probe and its motion error information, and calculating a shape of an upper surface and a lower surface of the object to be measured based on the three-dimensional position information calculated from the information; Measuring method.
【請求項10】 前記位置情報は、上面R基準ミラーと
上面光プローブ問の距離Ru、上面Z基準ミラーと上面
光プローブ間の距離Zu、下面R基準ミラーと下面光プ
ローブ間の距離Rd、下面Z基準ミラーと下面光プロー
ブ間の距離Zd、上面光プローブ及び下面光プローブの
走査中に生じる光プローブと被測定物問の距離の偏差P
u及びPd、被測定物の回転角度Rθ、から検出するこ
とを特徴とする請求項4、5、6、又は9記載の3次元
形状測定方法。
10. The position information includes a distance Ru between the upper surface R reference mirror and the upper surface optical probe, a distance Zu between the upper surface Z reference mirror and the upper surface optical probe, a distance Rd between the lower surface R reference mirror and the lower surface optical probe, and a lower surface. The distance Zd between the Z reference mirror and the lower surface optical probe, the deviation P of the distance between the optical probe and the object to be measured generated during scanning of the upper surface optical probe and the lower surface optical probe.
10. The three-dimensional shape measuring method according to claim 4, wherein the detection is performed from u and Pd, and the rotation angle Rθ of the measured object.
【請求項11】 前記運動誤差情報は、前記θステージ
のスラスト方向の運動誤差θSD、当該θステージのラ
ジアル方向の運動誤差θRD、前記上面Z基準ミラーと
下面Z基準ミラー間の変動VD、から検出することを特
徴とする請求項7、又は9記載の3次元形状測定方法。
11. The motion error information is detected from a motion error θSD of the θ stage in a thrust direction, a motion error θRD of the θ stage in a radial direction, and a variation VD between the upper Z reference mirror and the lower Z reference mirror. The method of measuring a three-dimensional shape according to claim 7, wherein the method is performed.
【請求項12】 前記被測定物の上面形状を測定する
際、前記上面光プローブが上面形状に沿って走査してい
る間、前記下面光プローブを前記θステージの回転軸上
に留めて被測定物の上下振動成分を検出し、且つ、前記
被測定物の下面形状を測定する際、前記下面光プローブ
が下面形状に沿って走査している間、前記上面光プロー
ブを前記θステージの回転軸上に留めて被測定物の上下
振動成分を検出し、これら検出した上下振動成分を基に
して前記上面形状あるいは前記下面形状に補正を加える
ことを特徴とした請求項2、又は9記載の3次元形状測
定方法。
12. When measuring the shape of the upper surface of the object to be measured, the lower surface optical probe is held on the rotation axis of the θ stage while the upper surface optical probe scans along the upper surface shape. When detecting the vertical vibration component of the object, and measuring the lower surface shape of the object to be measured, while the lower surface optical probe scans along the lower surface shape, the upper surface optical probe is rotated by the rotation axis of the θ stage. 10. The method according to claim 2, wherein the vertical vibration component of the object to be measured is detected while being held at the top, and the upper surface shape or the lower surface shape is corrected based on the detected vertical vibration component. Dimensional shape measurement method.
【請求項13】 前記被測定物の上面形状を測定する
際、前記上面光プローブを被測定物の上面形状に沿っ
て、前記下面光プローブを下面形状に沿って同時に走査
させることを特徴とする請求項1、2、8、又は9記載
の3次元形状測定方法。
13. When measuring the upper surface shape of the object to be measured, the upper surface optical probe is simultaneously scanned along the upper surface shape of the object to be measured and the lower surface optical probe is simultaneously scanned along the lower surface shape. The three-dimensional shape measuring method according to claim 1, 2, 8, or 9.
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