JP2006098251A - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定面の形状測定を行う前の演算による測定シミュレーションによって、プローブと測定治具等との干渉の有無を確認することで、実際の形状測定におけるプローブ干渉によるトラブルを防ぐ。
【解決手段】ステップＳ２において、被測定物を保持する測定治具に設けられた基準球によって形状測定装置に対する被測定物の取付状態を検出し、座標変換を行ったうえで、被測定物の設計形状データＤ２、測定治具形状データＤ３等を用いた演算による測定シミュレーションを行い、測定治具や、被測定物の被測定面以外の面に対するプローブ干渉の有無を確認したうえで、走査中のプローブ傾斜角度を算出し、ステップＳ１２の形状測定工程におけるプローブ走査速度を自動設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子や光学素子成形用金型の曲面形状等を高精度に測定する技術に関するものであり、特に、接触式あるいは非接触式のプローブを用いて被測定面の形状を高精度に測定するための形状測定装置および形状測定方法に関するものである。

近年、撮像カメラをはじめレーザビームプリンタ、複写機、半導体露光装置など各種光学装置の性能向上に伴い、これらの光学装置に組み込まれるレンズ、ミラー、プリズムなどの光学素子の品質、特に形状精度への要求が高度化してきている。具体的には、光学素子の形状は従来の平面、球面、あるいは軸対象非球面から自由曲面へと複雑化しており、形状が複雑化するほど要求される光学面形状精度も厳しくなっている。

このような状況下において、これら光学素子の製造工程において不可欠である光学素子の形状測定あるいは光学素子成形用金型の形状測定では、自由曲面形状などの複雑な形状の測定が可能であるという理由から、接触式あるいは非接触式のプローブを用いた形状測定装置が広く用いられている。特に高精度な測定精度を実現する形状測定装置としては、前記接触式あるいは非接触式のプローブを被測定面形状に対し倣い走査させて測定する形状測定装置が使用される。

接触式のプローブを備える形状測定装置では、一般に被測定面に対する接触荷重を一定に保つように制御しながら、被測定面を倣い走査させて形状を測定する方式が採られている。このため、単位時間当たりの被測定面の形状変化が大きい場合、走査速度が速すぎると前記荷重制御動作が追従せずに、倣い走査が不可能となる。

また、非接触式のプローブを備える形状測定装置では、一般にプローブ先端と被測定面の距離を一定に保つように制御しながら、被測定面を倣い走査させて形状測定する方式が採られている。このため、接触式のプローブと同様に単位時間当たりの被測定面の形状変化が大きい場合、走査速度が速すぎると上記の距離制御動作が追従できず、倣い走査が不可能となる。

このように、接触式、非接触式にかかわらず、プローブを被測定面の形状に対して倣い走査させて測定する機能を有する形状測定装置では、プローブの走査速度が被測定面の傾斜角度の制約を受ける。換言すると、プローブが走査する被測定面の傾斜角度に依存して、走査可能な最大走査速度が定まる。この性質に着目した従来技術として、例えば特許文献１に開示された形状測定方法が挙げられる。

この形状測定方法は、図９のフローチャートに示すように、ステップＳ１０１において形状測定を開始後、予め被測定物設計形状データＤ２を用いた測定シミュレーションをステップＳ１０４において行う。測定シミュレーションでは、具体的には被測定物設計形状データＤ２により与えられる被測定面の曲率、傾斜角度などから、倣い走査が可能となる適正なプローブ走査速度の算出が行われる。この測定シミュレーションをプローブ全走査経路に対し実施し、ステップＳ１１１において形状測定装置に対する測定条件としてプローブ走査速度を設定する。プローブ走査速度設定後、図示しないその他の測定条件についても形状測定装置に対し設定した上で、ステップＳ１１２において被測定面の形状測定が行われ、ステップＳ１１３にて測定終了となる。

上記のとおり、被測定面測定（ステップＳ１１２）前に予め被測定物設計形状データＤ２をもとにプローブ倣い走査のシミュレーションを実施する（ステップＳ１０４）ことで、測定しようとしている被測定面の形状に対して適正なプローブ走査速度を設定することができ、前記したように倣い走査が不可能となることに起因する測定エラーの防止が可能となっている。
特開平９−２８０８３４号公報

従来技術による形状測定方法においては、形状測定装置に対して予め想定している被測定物の取付状態（位置および姿勢）については、被測定面の設計形状データをもとにプローブ走査経路上における傾斜角度を計算する測定シミュレーションにより、プローブ走査速度を自動的に設定できる。すなわち、従来技術によれば被測定面の形状測定実施前に、あくまでも予め想定した装置に対する被測定物の取付状態についてのみ、プローブ走査速度の自動設定を可能とするものであるから、実際の装置に対する被測定物の取付状態に対し厳密に測定シミュレーションを行い、形状測定装置に対する被測定物の取付状態を反映したプローブ走査速度の自動設定はできない。また、言うまでもなく被測定物の取付状態を変更した場合には、即座にプローブ走査速度を自動設定することは不可能となる。

近年、光学素子の形状は小型化、複雑化してきており、素子形状が制約となり被測定物となる光学素子あるいは光学素子成形用金型の形状測定装置に対する取付状態（位置、姿勢）が、狭い許容範囲で限定されてしまうことがある。このような場合の形状測定では、例えば想定していた取付状態に対して、被測定物をわずかに傾けて装置に取り付けた状態で測定してしまうと、その傾斜角度が原因となり測定領域内においてプローブが走査可能な最大傾斜角度を超えてしまい、プローブが倣い制御不可能となり測定がエラー終了してしまうことになる。

このように従来技術では、被測定物の形状測定装置に対する実際の取付状態を反映させた測定シミュレーションが行われないため、想定外の傾斜角度に対しプローブが被測定面形状を倣い走査できず、測定途中でエラー終了となる。その結果、取付状態を調整後、再測定を実施する必要が生じ、測定タクトが長くなってしまうという未解決の課題があった。

また、測定前に予め想定していた被測定物の取付状態に対し、実際の取付状態がずれていることが原因となり、被測定面測定中に形状測定用のプローブと被測定物を保持する測定治具が干渉してしまい、測定途中でエラー終了となることがある。従来技術では被測定面形状測定前に実施する測定シミュレーションにおいて、被測定面の傾斜角度については計算する機能を備えているものの、被測定物の形状測定装置に対する取付状態によって変化するプローブ干渉条件について演算する機能は備えられていない。このため、仮に想定していた通りの取付状態で被測定物が形状測定装置に取り付けられていた場合でも、被測定面の形状測定中に測定治具とプローブが干渉すると、測定がエラー終了してしまう。被測定物が予め想定していた取付状態からずれた状態で形状測定装置に取り付けられている場合についても、同様であることは言うまでもない。

被測定面の形状測定中に発生するプローブ干渉は、前記した測定治具に対する干渉だけでなく、被測定物となる光学素子あるいは光学素子成形用金型の形状によっては、測定対象となる光学面に隣接して配置されている別の光学面等とプローブが干渉することがある。この場合、プローブの倣い制御は維持したまま測定が続行できたとしても、同測定で得られた被測定面形状データには、隣接する光学面とプローブが干渉したために被測定面からプローブが一時的に離れたことによる異常な座標データが取り込まれることになる。光学素子あるいは光学素子成形用金型などの形状測定においては、このような被測定面形状とは異なる異常な座標データがあたかも被測定物形状として測定されてしまうことは、要求される高精度な形状測定精度を実現できない点で問題となる。従って、このような場合には測定条件を変更するなどして再測定を実施することになり、結果として測定タクトが長くなってしまうという課題があった。

さらに、被測定面の形状測定中におけるプローブと測定治具の干渉は、プローブ倣い走査不可能となり測定がエラー終了するだけでなく、場合によってはプローブを破損してしまうこともある。すなわち、プローブが測定治具と干渉した際に、プローブの走査速度に対し被測定面に対するプローブの倣い制御がエラーを検知する速度が十分に早くない場合、プローブ倣い制御エラーによる被測定面からのプローブ待避動作が間に合わず、プローブが測定治具と大きな衝撃を受けながら接触することでプローブが破損してしまうことがあり、プローブ破損によりコストが増大してしまうという未解決の課題もあった。

なお、接触式あるいは非接触式プローブを有する形状測定装置においてプローブが破損（故障）した場合には、別の正常なプローブに交換する間、あるいは破損したプローブを修理するまでの間、他の被測定物についても測定ができなくなることは言うまでもなく、可能な限りこのような故障を回避しなければならない。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、特に形状が複雑でしかも小型である光学素子、および光学素子成形用金型の形状測定において、被測定面形状を測定する前に実施する測定シミュレーションにおいて、被測定物が予め想定していた取付状態とは異なる状態で形状測定装置に取り付けられていた場合でも適正なプローブ走査速度を自動設定可能とし、被測定物の取付状態を反映させた上でプローブ干渉の有無を検証できる、高精度で信頼性の高い形状測定装置および形状測定方法を提供することを目的とするものである。

本発明の形状測定装置は、被測定物の被測定面に対してプローブを倣い走査させて前記被測定面の形状を測定する形状測定装置であって、前記被測定面の設計形状に基づく測定シミュレーションにおいて、前記被測定物を保持する測定治具に対する前記プローブの干渉の有無を判定する演算機能と、前記被測定面以外の前記被測定物の面に対する前記プローブの干渉の有無を判定する演算機能と、前記被測定面に対する前記プローブの傾斜角度を算出する演算機能と、前記プローブの傾斜角度が許容範囲内であるか否かを判定する演算機能とを備えた測定シミュレーション手段と、前記シミュレーション手段により許容範囲内にありと判定した前記プローブの傾斜角度に基づく走査速度で前記プローブを前記被測定面に対して走査させて前記被測定面の形状を測定するための測定制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の形状測定方法は、被測定物の被測定面に対してプローブを倣い走査させて前記被測定面の形状を測定する形状測定方法であって、形状測定装置に対する被測定物の取付状態を取付状態検出手段によって検出する工程と、被測定物の設計形状と取付状態検出手段の出力に基づく演算による測定シミュレーションを行う工程と、前記測定シミュレーションにおいて算出されたプローブの傾斜角度に基づく走査速度でプローブを走査させて被測定面の形状を測定する形状測定工程とを有しており、前記測定シミュレーションにおいて被測定物を保持する測定治具に対するプローブの干渉の有無を判定する工程と、測定シミュレーションにおいて被測定面以外の被測定物の面に対するプローブの干渉の有無を判定する工程と、被測定面に対するプローブの傾斜角度を算出する工程と、プローブの傾斜角度が許容範囲内であるか否かを判定する工程とを有することを特徴とする。

形状測定装置に対する被測定物の取付状態（位置および姿勢）を形状測定装置上で検出し、その検出結果をもとに測定シミュレーションによってプローブ干渉の有無の確認および被測定面に対するプローブの傾斜角度の計算等を行うものであるため、被測定物の取付状態変更時についても、プローブの干渉によるトラブルを防ぎ、プローブの傾斜角度の計算値に基づいた適正なプローブ走査速度の自動設定が可能となる。このようにして、予め想定していた取付状態とは異なる状態で被測定物が形状測定装置に取り付けられた場合でも、形状測定中に測定治具等とプローブが干渉し、測定がエラー終了してしまうのを防ぐ。

すなわち、前記プローブ干渉の発生を被測定面の形状測定実施前に、測定シミュレーション手段の計算結果から事前に予測し、自動的に測定をエラー終了させるものであるため、従来例のように被測定面の形状測定においてプローブ干渉が発生してからエラー終了させる場合に比べて、測定タクトを大幅に短縮できる。

被測定面の形状測定実施前に測定をエラー終了させるだけでなく、同時にエラー回避条件についても測定シミュレーションが出力するように構成すれば、この回避条件に従い再測定することでより一層大幅な測定タクト短縮が可能となる。

また、前記プローブ干渉発生時には、場合によってはプローブを破損してしまうという問題を回避可能であり、プローブ破損によるコスト増大を防ぐことができる。

さらにプローブ干渉が発生しない場合においても、被測定物の取付状態を反映させた測定シミュレーションにより高精度にプローブ傾斜角度の算出が可能となり、その算出結果に基づきプローブの走査速度を自動設定することから、プローブの走査速度過大による測定エラーを回避することが可能となり、測定効率の大幅な向上が期待できる。

図１に示すように、被測定面に対しプローブを倣い走査させて被測定面形状を測定する形状測定装置において、被測定物の取付状態に関する座標変換データＤ１と被測定物設計形状データＤ２と測定治具形状データＤ３を用いた測定シミュレーション(ステップＳ４)により、測定条件として指定するプローブ走査経路上における測定治具に対するプローブ干渉の有無や、前記プローブ走査経路上における被測定面に隣接する被測定面以外の被測定物の面に対するプローブ干渉の有無を判定し（ステップＳ５）、次いで、前記プローブ走査経路上の各点における被測定面の傾斜角度を算出し、その算出結果が前記プローブ走査経路上においてプローブ走査可能最大傾斜角度内に収まっているかを判定する（ステップＳ８）。

上記のプローブ干渉の有無を判別する演算機能等を備える測定シミュレーション手段である測定シミュレータが、形状測定装置の制御プログラムから呼び出し可能となっており、前記測定シミュレータの演算結果に従い前記制御プログラムが動作し、被測定面の形状を測定する。

形状測定装置には、被測定物を保持する測定治具の位置や姿勢を測定する取付状態検出手段が設けられ、検出された被測定物の取付位置や取付姿勢を表わすデータを用いて測定シミュレータによる各種演算処理が行われる。

形状測定装置のプローブは、先端形状が球面である接触式プローブであって、被測定物に対し前記プローブを接触させて被測定面形状を測定するものでもよいし、あるいは、光波を照射する非接触式プローブであって、被測定物に対し前記プローブから光波を照射させ、プローブと被測定面の距離を一定に保つようにプローブを倣い制御しながら被測定面形状を測定するものでもよい。

また、測定シミュレータは、形状測定装置の測定制御手段を含む制御兼解析用コンピュータにインストールされていてもよいし、形状測定装置の測定制御手段である測定制御コンピュータと双方向に通信可能な状態で接続された解析用コンピュータにインストールされていてもよい。

形状測定装置に対する被測定物の取付位置や取付姿勢を形状測定装置上で測定し、その測定結果に基づく測定シミュレータにより演算処理を実施した結果、測定治具に対するプローブ干渉が発生する演算結果が得られた場合には、前記プローブ干渉を回避する条件を出力した後に測定をエラー終了させる。

また、形状測定装置に対する被測定物の取付位置や取付姿勢を前記形状測定装置上で測定し、同測定結果に基づく測定シミュレータにより演算処理を実施した結果、被測定面に隣接する被測定面以外の面に対するプローブ干渉が発生する演算結果が得られた場合には、前記プローブ干渉を回避する条件を出力した後に測定をエラー終了させる。

プローブの傾斜角度の算出結果がプローブ走査可能な最大傾斜角度範囲内に収まらない場合には、前記傾斜角度がプローブ走査可能な最大傾斜角度内に収まる条件を出力した後に測定をエラー終了させる。

前記傾斜角度の算出結果がプローブ走査可能な最大傾斜角度範囲内に収まる場合には、プローブ走査経路上において連続的に算出された前記傾斜角度をもとに、実際の測定工程におけるプローブ走査速度を自動設定する。

図２は、実施例１による形状測定装置を示すもので、図示したようにＸ軸方向およびＺ軸方向を定義し、両二軸に直交し右手座標系の関係となる方向、すなわち紙面の表面から裏面の方向に直交する方向を、図示しないＹ軸方向としている。図２に示すとおり、実施例１による形状測定装置は接触式のプローブ１を備える。接触式のプローブ１は、その先端に球面形状部である先端球２を有する。なお、先端球２は、プローブ１に対して固定手段によって固定した構造であっても、接触式のプローブ１と一体構造になっていても、どちらでもよい。

接触式のプローブ１は、被測定物３に対して先端球２を接触させながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向に相対的に移動自在となるように支持されている。この支持状態を実現するために、Ｘ軸ステージ１１、Ｙ軸ステージ１２、Ｚ軸ステージ１３を有するプローブ移動機構が設けられている。各軸ステージ１１、１２、１３は、それぞれ駆動用モータ１４、１５、１６によって駆動され、被測定物３の形状測定を実施する際には、先端球２を被測定物３の被測定面に接触させながら相対移動させる。このとき、先端球２の中心位置の移動軌跡が図示しない位置検出センサにより検出され、データサンプリング装置１９に移動軌跡データが転送され、サンプリングされる構成になっている。なお、ここでの位置検出センサとしては、高精度な形状測定を実現するための位置検出方法として、具体的にはレーザ測長器やリニアスケールエンコーダなどが用いられるが、これらの位置検出センサに限定するものではない。

各軸駆動用モータ１４、１５、１６に対し、図示するそれぞれの制御装置、すなわちＸＹ軸制御装置１７およびＺ軸制御装置１８から駆動制御信号に基づく電力供給がなされることで、前記駆動用モータ１４、１５、１６がそれぞれ駆動される。ＸＹ制御装置１７およびＺ軸制御装置１８は、制御／解析用コンピュータ２０からの駆動制御信号に応じて動作する。制御／解析用コンピュータ２０は、ＣＰＵなどを主体として構成される図示しないプロセッサと、同じく図示しないハードディスクドライブやその他の記憶手段とによって構成されるものである。この制御／解析用コンピュータ２０には、後述する測定シミュレータ２１を機能の一部として備える形状測定プログラムがインストールされており、この形状測定プログラムに従いプローブ１を用いた形状測定のための各種処理を実行する。

ここで、形状測定時におけるＺ軸ステージ１３の駆動について詳細を説明する。接触式のプローブ１の被測定物３に対する接触力を検出する機能を備えており、検出した接触力の大きさに応じた接触力信号が出力され、Ｚ軸制御装置１８に取り込まれる。Ｚ軸制御装置１８には、ＤＳＰなどを主体として構成される図示しないプロセッサ、および同じく図示しないＲＯＭなどで構成される記憶手段が内蔵されており、前記接触力信号を常に一定に保つような制御を行うためのＺ軸制御プログラムがインストールされている。このＺ軸制御プログラムに従い、Ｚ軸制御装置１８は接触力信号を一定値に維持するようなＺ軸駆動電力を出力し、出力された駆動電力はＺ軸駆動用モータ１６に供給される。さらに、Ｚ軸駆動用モータ１６によってＺ軸ステージ１３が駆動され、プローブ１の被測定物３に対する接触力を一定に維持する。

次に、形状測定時におけるＸＹ各軸ステージ１１、１２の駆動について詳細を説明する。制御／解析用コンピュータ２０は、形状測定時に実行される前記形状測定プログラムの命令に従い、ＸＹ制御装置１７に対し駆動制御信号を送信する。ＸＹ制御装置１７は制御／解析用コンピュータ２０から受信した駆動制御信号に基づき、ＸＹ軸駆動用モータ１４、１５に駆動電力を供給する。さらに、駆動電力に従い動作するＸＹ軸駆動用モータ１４、１５によってＸ軸ステージ１１、およびＹ軸ステージ１２が駆動され、プローブ１の先端球２の中心位置が、被測定物３に対しＸＹ軸方向に位置決め制御される。

以上説明したＸＹＺ各軸ステージ１１、１２、１３の駆動により、前記形状測定プログラムにより設定されるプローブ走査経路に従い、被測定物３の被測定面上をプローブ１が倣い走査する。プローブ走査中、前述のように先端球２の中心位置を検出する位置検出センサの出力信号は、データサンプリング装置１９によって一定のサンプリング間隔で取り込まれ、さらに取り込まれたデータはデータサンプリング装置１９から制御／解析用コンピュータ２０へ、形状測定プログラムが設定する測定条件に応じた適切なサンプリング間隔で逐次測定され、被測定面形状データがＸ、Ｙ、Ｚ座標点群データとして取得される。最終的には、プローブ走査終了後に形状解析処理を実施することで表面形状データが得られる。

図２に示す形状測定装置を用いて、図１のフローチャートに示す形状測定方法により、以下のように、光学素子あるいは光学素子成形用金型の光学面形状を測定する。

ステップＳ１において形状測定を開始し、まずステップＳ２で、図３に示すように、形状測定装置の測定治具４に取り付けられた取付状態検出手段である基準球５ａ〜５ｃに対する基準球測定を行う。続いてステップＳ３において、形状測定装置座標系から後述する基準球座標系への座標変換行列を算出する。この基準球測定および座標変換行列算出では、具体的にはつぎのような形状測定および形状解析が実施される。

図３に示すＸＹＺ直交座標系は、図２に示す形状測定装置の装置座標系であり、図２のＸ軸方向およびＺ軸方向は、図３の同軸方向にそれぞれ一致する。図１のステップＳ２における基準球測定の一例として、図３においては、装置座標系に対し測定雇６を用いて、被測定物３が取り付けられている測定治具４を角度θだけ傾けた姿勢で形状測定装置に対し被測定物３を取り付けた状態を示している。測定治具４には３つの基準球５ａ、５ｂ、５ｃが取り付けられており、この各基準球５ａ〜５ｃの球中心位置を測定することで、形状測定装置に対する被測定物３の取付状態（位置および姿勢）を求めることができる。

具体的には、図中に示すプローブ１により、先端球２を基準球５ａ〜５ｃの表面に接触させながら、被測定面の形状測定時と同様に表面上を倣い走査させて基準球面形状を測定する。ここで得られた基準球面測定形状データに対し、図２の制御／解析用コンピュータ２０にインストールされている形状解析プログラムを実行することで、測定した基準球の中心座標を形状測定装置座標系における座標データとして取得する。この基準球測定処理を各基準球５ａ、５ｂ、５ｃに対してそれぞれ実施し、形状測定装置座標系における３つの基準球中心座標データを得る。ここまでが図１のステップＳ２である。

次に、取得した３つの座標データに対し図２に示す制御／解析用コンピュータ２０にインストールされている形状解析プログラムを実行することで、基準球中心位置３点で規定される座標系を定めることができ、同座標系と図中の形状測定装置座標系との関係を表す座標変換行列が求められる。形状測定装置座標系に対する測定治具４の取付状態を表わす基準球測定結果は、図２の制御／解析用コンピュータ２０内の記憶手段に保存される（基準球測定に関する詳細については、例えば特開２０００−２５８１５０号公報で開示されている方法を採用する）。この計算処理が、図１のステップＳ３に相当する。

なお、上記の基準球測定は、図３に示すような形状測定装置に対する被測定物の取付状態に限定するものではない。図３においては、形状測定装置に対し測定雇６を用いて測定治具４ごと被測定物３を取り付けているが、測定雇６を使用せずに直接形状測定装置に対して測定治具４および被測定物３を取り付けた場合についても、同様に基準球測定が行われることは言うまでもない。

図１の基準球測定（ステップＳ２）および基準球座標系への座標変換行列算出（ステップＳ３）を実施後、測定シミュレーションをステップＳ４にて行う。この測定シミュレーションは、具体的には図２に示す制御／解析用コンピュータ２０内にインストールされている測定シミュレータ２１を用いて行われる。測定シミュレーションの詳細は次のとおりである。

測定シミュレーション（ステップＳ４）を実施する際に、まず、測定シミュレーションの入力データとして、図１に示すとおり基準球座標系から被測定面座標系への座標変換行列を同座標変換データＤ１として入力する。このとき、被測定面座標系は形状測定装置座標系あるいは基準球座標系と同様にＸＹＺ直交座標系として規定されている。被測定面座標系の詳細について図３を用いて説明すると、基準球座標系から被測定面座標系への座標変換行列は、基準球５ａ〜５ｃを含む測定治具４の仕上がり寸法と、被測定物３の設計寸法から定まる。すなわち、測定治具４については予め三次元形状測定を実施し、被測定物３の取付基準点および基準球５ａ〜５ｃそれぞれの球中心位置の相対的な位置関係を明らかにしておく。さらに、被測定物３において、取付基準点から被測定面となる光学面の設計形状が定義される被測定面座標系までの相対的な位置関係は、被測定物３の設計寸法から得られる。これら二つの情報から、測定治具４内に配置された基準球５ａ〜５ｃの各球中心座標から規定される基準球座標系に対し、被測定面座標系までの座標変換行列が求まる。

測定シミュレーション（ステップＳ４）では、基準球座標系から被測定面座標系への座標変換データＤ１と同時に、被測定面座標系においてｚ＝ｆ（ｘ，ｙ）の形式で関数として定義される被測定面設計形状データを入力する。さらに、被測定面となる光学有効面以外の部分に関する形状情報も含まれた、被測定物全体の形状を表すデータを入力する。このデータ形式としては、被測定物３の全体形状を表現できる三次元ＣＡＤデータなどが好ましいが、本実施例ではそのデータ形式を限定しない。すなわち、後述するようにプローブ干渉の有無を判別する測定シミュレーションを実施するために必要となる被測定物３の形状に関する情報が全て含まれているデータであればよい。前記被測定面設計形状データと被測定物の全体形状データをあわせて、被測定物設計形状データＤ２としてステップＳ４にて実施される測定シミュレータ２１に入力する。

さらに、ステップＳ４の測定シミュレーションの入力データとして、測定治具形状データＤ３についても同時に入力する。既に基準球座標系から被測定面座標系への座標変換データ（座標変換行列）Ｄ１を入力しているが、この座標変換データＤ１とは別に、例えば図３に示すような測定治具４の全体形状を表す測定治具形状データＤ３を、被測定物設計形状データＤ２と同様に入力する。測定治具形状データＤ３についてもそのデータ形式は全体形状を表現可能な三次元ＣＡＤデータなどが好ましいが、本実施例ではそのデータ形式を限定しない。ここで入力する測定治具形状データＤ３は、測定治具４の設計形状データであってもよいが、予め測定治具４の三次元形状測定を実施し、その測定結果（寸法）を反映させた形状データが入力される方が、厳密に測定治具形状を計算できるため好ましい。

また、ステップＳ４の測定シミュレーションの入力データとして、前記した入力データの他に、図１に示すとおり前段のステップＳ３において算出された形状測定装置座標系から基準球座標系への座標変換データ（座標変換行列）が入力される。このデータ入力に関しては、図２に示した測定シミュレータ２１のプログラムにより、制御／解析用コンピュータ２０内の記憶手段に保存された同座標変換データが自動的に入力される。

このように本実施例による形状測定装置では、基準球座標系から被測定面座標系への座標変換データＤ１、被測定物形状データＤ２、測定治具形状データＤ３、および前段のステップＳ３にて求められた形状測定装置座標系から基準球座標系への座標変換データを測定シミュレータ２１に入力データとして与えて、測定シミュレーションを実施する。

測定シミュレータ２１は、以下の３点をチェックする演算機能を有する。第一番目の演算では、被測定面上を接触させながら倣い走査するプローブ１と、被測定物３を保持する測定治具４との干渉の有無を判別する干渉チェックを以下のように実施する。

図４に示す座標系は、図２および図３に示す形状測定装置座標系のＸ軸方向およびＺ軸方向にそれぞれ一致する。また、図４は図３に示す被測定物３および被測定物３を保持する測定治具４の形状測定装置に対する取付状態を、形状測定装置座標系のＸＺ断面図で示している。図４に示すとおり、被測定物３の形状、測定治具４の形状、あるいは、傾斜角度θで表されるような被測定物３の取付状態によっては、被測定面の形状測定中にプローブ１と測定治具４が干渉してしまう場合がある。このプローブ１と測定治具４の干渉の有無については、前記したステップＳ４において入力データとして与えられる基準球座標系から被測定面座標系への座標変換データＤ１、被測定物３の設計形状データＤ２、および測定治具４の形状データＤ３をもとに、プローブ１の走査軌跡を計算する測定シミュレーションにおいて判定可能である。図４では測定治具４および被測定物３の取付状態をＸＺ断面で二次元的に示しているが、実際にはその取付状態（姿勢）は三次元的に表す必要がある。このとき、前記したとおり図１におけるステップＳ３において求めた装置座標系から基準球座標系への座標変換データは三次元座標空間における座標変換行列で表されるデータであり、同データを用いて測定治具４および被測定物３の取付状態を三次元的に表すことが可能である。また、被測定面形状測定に使用するプローブ１および先端球２の形状に関するデータについては、ともに図２に示す形状測定装置の装置パラメータとして制御／解析用コンピュータ２０に予め保存されており、同データを測定シミュレータ２１に呼び出すことができるようになっている。

以上の構成により、形状測定装置にインストールされている測定シミュレータ２１では、形状測定装置に対する被測定物３の取付状態を反映させた上で、別に条件設定する測定領域データに対し測定シミュレーションによりプローブ１の走査軌跡を算出し、プローブ走査軌跡内において図４に示すような測定治具４とプローブ１の干渉が発生するかについて、実際に被測定面の形状測定を行わずにして求めることができる。

次に、ステップＳ４の測定シミュレーションにおける第二番目の演算は、被測定面以外の被測定物３の形状部と接触式のプローブ１との干渉チェックのための演算である。

被測定物３となる光学素子あるいは光学素子成形用金型の形状によっては、被測定面となる光学面に隣接して配置される別の光学面、あるいは隣接する光学面と被測定面を接続する面、あるいは被測定面の外周部分の面と、プローブ１の先端球２が干渉することがある。ここで言う干渉とは、被測定面の形状測定中において本来被測定面と連続的に接しているプローブ１の先端球２が、被測定物３の形状と先端球２の形状の関係から、プローブ１の先端球２上の接触点が測定中の被測定面上から隣接する別の光学面等に移り、その結果プローブ１の先端球２が被測定面上から離れてしまうことを意味している。プローブ１の先端球２は被測定面上を離れることなく倣い走査することで、被測定面形状を高精度に測定可能としているため、前記プローブ干渉が発生しプローブ１の先端球２が被測定面上から離れる測定点が指定した測定領域内に存在する場合、その点については実際の被測定面形状とは異なる形状を測定してしまうことになる。

ステップＳ４の測定シミュレーションでは、このようなプローブ干渉についても、前述の測定治具４とプローブ１の干渉チェックと同様に計算可能であり、実際に被測定面形状を測定することなくプローブ干渉有無を判定可能である。

ステップＳ４の測定シミュレーションにおける第３番目の演算は、従来技術と同様にプローブ１に対する被測定面の傾斜角度を測定領域全域について計算することである。具体的には、図１に示す基準球座標系から被測定面座標系への座標変換データＤ１、被測定物設計形状データＤ２の中に含まれる被測定面設計形状データ、およびステップＳ３において算出した装置座標系から基準球座標系への座標変換データを用いて、第一番目および第二番目の演算と同様に形状測定装置に対する被測定物の取付状態を反映させた上で、高精度にプローブに対する被測定面の傾斜角度を測定領域全域に対し計算する。

前記した三つの演算を図１におけるステップＳ４の測定シミュレーションにおいて実施する。その後、ステップＳ５において、第一番目および第二番目の演算によるプローブ干渉チェック結果をもとに、プローブ干渉の有無を判定する。この判定機能については、具体的には図２に示す測定シミュレータ２１により処理され、プログラムによる自動判定が行われる。図１のステップＳ５においてプローブ干渉有りと判定された場合、図中のｎｏが示すフローに進む。このとき、ステップＳ５における判定結果（プローブ干渉有り）を、形状測定装置の制御用コンピュータが接続されたディスプレイ画面上に出力する。同時に、プローブ干渉を回避するための条件についても同画面上に出力する（ステップＳ６）。

ここで画面出力されるプローブ干渉回避条件としては、例えば形状測定装置に対する被測定物または被測定物が取り付けられた測定治具の取付状態変更、被測定面の形状測定に使用するプローブの変更、測定治具の形状変更などが挙げられるが、本実施例ではこれらの出力内容を特に限定することはなく、前記したプローブ干渉を回避するための条件であればいかなる条件であってもよい。

ステップＳ６でプローブ干渉回避条件を形状測定装置の制御用コンピュータが接続されたディスプレイ画面上に出力した後、ステップＳ７において今回の測定動作がプローブ干渉発生のため続行不可能であり測定がエラー終了することを、前記したプローブ干渉回避条件出力と同様に画面出力し、測定はエラー終了する。

一方、図１のステップＳ５においてプローブ干渉無しと判定された場合には、図中のｙｅｓが示すフローに進む。すなわち、ステップＳ８において、第三番目の演算によりプローブ１に対する被測定面の傾斜角度の計算結果をもとに、プローブ１が走査可能な最大傾斜角範囲内に測定領域全域において求められた前記傾斜角度が収まっているかを判定する。

ここで、プローブ１が走査可能な最大傾斜角度は、使用するプローブごとに予め規定されており、被測定面形状を測定する際に使用するプローブとして予め装置制御プログラムに対し条件設定している情報をもとに、測定シミュレータ２１において走査可能な最大傾斜角度が決定される。この最大傾斜角度をわずかにでも超える角度が測定領域全域内において存在する場合には、ステップＳ８において測定シミュレータ２１が自動判定し、図中のｎｏが示すフローに進む。すなわち、ステップＳ６と同様に形状測定装置の制御用コンピュータが接続されたディスプレイ画面上に、プローブ走査可能最大傾斜角度を超える点が測定領域内に存在するという計算結果を出力する。同時に、プローブ走査可能最大傾斜角度内に収まる条件を同画面上に出力する。

ここで画面出力される前記条件は、具体的には形状測定装置に対する被測定物および被測定物が取り付けられた測定治具の取付状態変更であり、図３に示すような三次元的な概略図で形状測定装置に対する傾斜角度など取付状態が視覚的にわかりやすい画面出力をすることが好ましい。なお本実施例においては、ＧＵＩを使用せずにＣＵＩで測定治具の取付状態（姿勢）を画面出力しても良いことは言うまでもない。

ステップＳ９で被測定面に対するプローブ１の傾斜角度がプローブ走査可能最大傾斜角度内に測定領域全域において収まる条件を画面出力した後、ステップＳ１０において今回の測定動作が傾斜角度が原因で続行不可能であり測定がエラー終了することを前記ディスプレイ画面上に出力し、測定はエラー終了する。

ステップＳ８において、被測定面の測定領域全域に対しプローブ走査可能最大傾斜角範囲内と前記測定シミュレータ２１が判定した場合には、図中のｙｅｓが示すフローに進む。ここでは、測定シミュレータ２１が自動的に機能して処理する最後の計算処理として、従来技術と同様にプローブ走査経路に対し算出した前記傾斜角度に基づいたプローブ走査速度の自動設定が行われる（ステップＳ１１）。前記したとおり、プローブを被測定面形状に対し倣い走査させて測定する機能を有する形状測定装置では、被測定面の傾斜角度に依存して走査可能な最大走査速度が定まる。この性質に基づき、算出した傾斜角度に従い測定シミュレータ２１が走査経路上の各点について走査可能なプローブ最大走査速度を求め、走査経路に対し連続的に求められた走査速度データを測定条件として装置制御プログラムへの入力データとして出力する。

なお、本実施例では、前段のステップＳ４における測定シミュレーションにおいて、形状測定装置に対する被測定物の取付状態を表す装置座標系から基準球座標系への座標変換データをもとに被測定面に対するプローブの傾斜角度を算出しているため、形状測定装置に対する実際の被測定物の取付状態が反映された上で、高精度に算出された傾斜角度をもとにプローブ走査速度を自動設定している点が従来技術とは大きく異なる点である。

ステップＳ１１においてプローブ走査速度が自動設定された後、ステップＳ１２において被測定面の形状測定を実施する。このとき、プローブ１はステップＳ１１で設定された走査速度で被測定面上を連続的に変速しながら倣い走査する。前記したとおり、測定シミュレーションによってプローブ１の測定治具４に対する干渉、および被測定面に隣接する形状との干渉が無いこと、およびプローブ走査可能最大傾斜角度内に測定領域全域内の傾斜角度が収まっていることが確認されているため、これらが原因となる測定エラーが発生することなくステップＳ１２の被測定面の形状測定が実施可能である。指定した測定領域全域をプローブ１が走査し終わったところで、測定は正常終了する（ステップＳ１３）。

以上説明したとおり、本実施例においては、測定治具に設けられた基準球の測定結果をもとにステップＳ４の測定シミュレーションを実施し、測定エラーが発生しないことを自動判定した上で被測定面の形状測定（ステップＳ１２）が実施される。

図５は実施例２による形状測定装置を示すもので、図２の形状測定装置に対し、図５に示す形状測定装置は、形状測定装置の制御用コンピュータ３０と、測定シミュレータ３１がインストールされている解析用コンピュータ３２が別途接続されている点のみが異なる。このように、制御用コンピュータ３０と解析用コンピュータ３２が別々に備えられている構成では、２つのコンピュータ３０、３２が双方向に通信可能な形態で接続されていればよい。このとき形状測定方法は、図１のフローチャートに基づく実施例１と全く同様に実施される。

図６は実施例３による形状測定装置を示す。これは、図２に示す接触式のプローブの代わりに非接触式のプローブ４１を用いるもので、プローブ４１は、被測定物３に対し光波４２を照射しながら、Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向に相対的に移動自在となるように支持されている。また、図２に示す形状測定装置では接触式のプローブ１の被測定物３に対する接触力を一定に保つようにＺ軸を駆動するのに対し、図６に示す形状測定装置では、非接触式のプローブ４１と被測定物３との距離を検出する機能を備えており、同距離を一定に保つように制御しながらＺ軸が駆動される点が異なる。その他の装置構成については、図２に示す形状測定装置と同様である。また、被測定物３の面形状を測定する際の装置各部の動作、および測定データの取り込み方についても概ね同様である。厳密には、図２に示す形状測定装置が、プローブ１の先端球２の中心座標を被測定面形状測定データとして取り込み、後でプローブの接触点を補正する解析を行い被測定面形状を算出するのに対し、図６に示す形状測定装置では、非接触式のプローブ４１の形状測定装置内における位置情報と、前記した被測定物３との距離の測長データから算出する点が異なる。

このような非接触式のプローブを搭載した形状測定装置を使用する場合、図１に示すステップＳ２の基準球測定では、被測定面形状測定時と同様に図６に示す非接触式のプローブ４１により基準球の面形状を測定することになる。その後のステップＳ３における装置座標系から基準球座標系への座標変換データ算出方法に関しては、接触式のプローブを用いた場合と全て同じである。次のステップである測定シミュレーション（ステップＳ４）でも、接触式のプローブを用いた場合と同様に、プローブ干渉チェックを行う。ここで非接触式のプローブ４１を使用した際の、測定治具４に対するプローブ干渉の詳細について図７を用いて説明する。

図７の座標系は、図６に示した形状測定装置の座標系に一致する。図７に示すとおり、非接触式のプローブ４１を使用して被測定物３の面形状を測定する場合、プローブ４１から照射される光波４２が測定治具４と干渉する場合がある。このような干渉が発生した場合、非接触式のプローブ４１と測定治具４は衝突していないためプローブが破損することはないが、光波４２が正常に被測定面に照射されていないため、被測定面形状の測定結果に誤差が含まれることになる。また、測定誤差の発生にとどまらず、場合によっては非接触式のプローブ４１の倣い走査制御エラーが発生し、測定がエラー終了してしまう可能性がある。

このような非接触式のプローブに特有のプローブ干渉についても、本実施例による形状測定装置および形状測定方法によれば、図１のステップＳ１２で実施する被測定面の形状測定の実施前に検出可能である。すなわち、ステップＳ４で実施する測定シミュレーションにより、図７に示すような非接触式のプローブ４１と測定治具４との干渉有無について自動判定可能であり、ステップＳ５におけるプローブ干渉有無の自動判定を経て、干渉が無いと判定された場合にはステップＳ８に進む。

ステップＳ８におけるプローブと被測定物との傾斜角度の判定においては、接触式のプローブと同様に非接触式のプローブについてもプローブが走査可能な最大傾斜角度がプローブ毎に規定されるので、同様に測定シミュレータ２１により処理される。図１におけるその他のステップの処理については、接触式のプローブを用いた場合と同様に実施される。

図８は実施例４による形状測定装置を示すもので、図６の実施例３による形状測定装置に対して、装置の制御用コンピュータ３０の他に測定シミュレータ３１がインストールされている解析用コンピュータ３２が別途接続されている点のみが異なる。この場合は、図５の実施例２による形状測定装置と同様の形状測定方法を実施可能である。

一実施の形態による形状測定方法を説明するフローチャートである。 実施例１による形状測定装置の概要を示す模式図である。 基準球測定において、形状測定装置に対する測定治具と被測定物の取付状態、および接触式のプローブが基準球面形状を測定している様子を示す斜視図である。 接触式のプローブと測定治具が干渉している様子を説明するための模式図である。 実施例２による形状測定装置の概要を示す模式図である。 実施例３による形状測定装置の概要を示す模式図である。 非接触式のプローブと測定治具が干渉している様子を説明するための模式図である。 実施例４による形状測定装置の概要を示す模式図である。 従来技術による形状測定方法を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 接触式のプローブ
２ 先端球
３ 被測定物
４ 測定治具
５ａ〜５ｃ 基準球
６ 測定雇
１１ Ｘ軸ステージ
１２ Ｙ軸ステージ
１３ Ｚ軸ステージ
１４ Ｘ軸駆動用モータ
１５ Ｙ軸駆動用モータ
１６ Ｚ軸駆動用モータ
１７ ＸＹ軸制御装置
１８ Ｚ軸制御装置
１９ データサンプリング装置
２０ 制御／解析用コンピュータ
２１、３１ 測定シミュレータ
３０ 制御用コンピュータ
３２ 解析用コンピュータ
４１ 非接触式のプローブ
４２ 光波

Claims (7)

1. 被測定物の被測定面に対してプローブを倣い走査させて前記被測定面の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記被測定面の設計形状に基づく測定シミュレーションにおいて、前記被測定物を保持する測定治具に対する前記プローブの干渉の有無を判定する演算機能と、前記被測定面以外の前記被測定物の面に対する前記プローブの干渉の有無を判定する演算機能と、前記被測定面に対する前記プローブの傾斜角度を算出する演算機能と、前記プローブの傾斜角度が許容範囲内であるか否かを判定する演算機能とを備えた測定シミュレーション手段と、
   前記シミュレーション手段により許容範囲内にありと判定した前記プローブの傾斜角度に基づく走査速度で、前記プローブを前記被測定面に対して走査させて前記被測定面の形状を測定するための測定制御手段と、を有することを特徴とする形状測定装置。
2. 前記形状測定装置はさらに、前記形状測定装置に対する被測定物の取付状態を検出する取付状態検出手段を備えており、前記シミュレーション手段はさらに、前記取付状態検出手段の出力と前記被測定物の設計形状に基づく測定シミュレーションを行うことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記プローブが、先端球を被測定物に接触させる接触式のプローブであることを特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。
4. 前記プローブが、被測定物に光波を照射する非接触式のプローブであることを特徴とする請求項１または２記載の形状測定装置。
5. 被測定物の被測定面に対してプローブを倣い走査させて前記被測定面の形状を測定する形状測定方法であって、
   形状測定装置に対する被測定物の取付状態を検出する工程と、
   被測定物の設計形状と前記検出した取付状態に基づく演算により測定シミュレーションを行う工程と、
   前記測定シミュレーションにおいて算出されたプローブの傾斜角度に基づく走査速度でプローブを走査させて被測定面の形状を測定する形状測定工程とを有しており、
   前記測定シミュレーションは、被測定物を保持する測定治具に対するプローブの干渉の有無を判定する工程と、被測定面以外の被測定物の面に対するプローブの干渉の有無を判定する工程と、被測定面に対するプローブの傾斜角度を算出する工程と、プローブの傾斜角度が許容範囲内であるか否かを判定する工程とを有することを特徴とする形状測定方法。
6. 前記測定シミュレーションにおいて被測定物を保持する測定治具に対するプローブの干渉が有ると判定された場合に、前記プローブの干渉を回避する条件を出力した後にエラー終了させることを特徴とする請求項５記載の形状測定方法。
7. 前記測定シミュレーションにおいて被測定面以外の被測定物の面に対するプローブの干渉が有ると判定された場合に、前記プローブの干渉を回避する条件を出力した後にエラー終了させることを特徴とする請求項５または６記載の形状測定方法。

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