JP3524385B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１面あるいは複数
の曲面からなる対象物の三次元形状を測定する三次元形
状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、非球面を有する光学レンズ等の表
面形状の測定には三次元形状測定装置が使用されてお
り、この種の三次元形状測定装置としては、特開平８−
５３４６号公報に記載されている測定装置が知られてい
る。この種の三次元形状測定装置は、図５に図示するよ
うに、ワーク載置台１０２に載置された測定対象物であ
るワーク１０１をトレースするプローブ１０３、このプ
ローブ１０３を保持して垂直方向に移動するＺステージ
１０４と、Ｚステージ１０４を保持して水平方向に移動
可能なＸＹステージ１０５と、ＸＹステージ１０５上に
設けられたレーザ測長機１０６を有し、レーザ測長機１
０６の光路上にビームスプリッタ１０７とレーザ光を反
射させる複数のミラー１０８、１０９、１１０を配し
て、複数のミラーの内の１つのミラー１０８をレーザ測
長用ミラーとしてプローブ１０３を保持するＺステージ
１０４上に配設し、また他の１つのミラー１０９をミラ
ー１０８に対向する位置であってワーク載置台１０２よ
り一定の距離Ｈにある固定位置に配設してある。そし
て、ＸＹステージ１０５の水平方向の移動により、プロ
ーブ１０３は、ワーク１０１の表面を走査し、ワーク１
０１のＺ方向の面の高さに従ってＺステージ１０４を上
下動させるとともにＺステージ１０４に固定されたレー
ザ測長用ミラー１０８を上下動させる。このレーザ測長
用ミラー１０８の動きをレーザ測長機１０６により測定
し、その測定結果からワーク１０１の三次元形状を算出
するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、測定する測
定対象物は、上面の１面のみで構成される物体とは限ら
ず、例えば、通常の光学レンズでも表裏の２面が存在
し、また、今日の光学部品では、各面が非球面や自由曲
面で構成されている２面以上の複数の面から構成される
プリズム等の光学素子が存在している。

【０００４】このように２面以上の面から構成されるプ
リズム等の光学素子を前述した従来のような三次元形状
測定装置で測定する場合、各測定面をプローブ側に向け
て設置するための段取りが必要となる。この段取りは手
数がかかりかつ熟練を要するために、測定が非常に煩雑
になるという問題点があった。

【０００５】また、前述した従来のような三次元形状測
定装置で２面以上の複数面から構成されるプリズム等の
光学素子を測定する際に該光学素子の各面の相対位置誤
差を測定することは不可能であった。

【０００６】そこで、本発明は、上記のような従来技術
の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、
２面以上の複数の面から構成される光学素子等の測定対
象物の三次元形状を簡単にかつ高精度に測定することが
できる三次元形状測定装置を提供することを目的とする
ものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の三次元形状測定装置は、測定対象物の三次
元形状を接触または非接触プローブで走査することによ
って測定対象物の形状を測定する三次元形状測定装置に
おいて、前記測定対象物を保持する測定対象物保持具
に、前記測定対象物の回転割り出しを行なう手段と、前
記測定対象物の相対位置を測定するための少なくとも３
個以上の球体とが配置され、前記回転割り出しを行なう
手段の回転軸はエアーベアリングにより支持されている
ことを特徴とする。

【０００８】そして、本発明の三次元形状測定装置にお
いては、前記測定対象物の回転割り出しを行なう手段
は、エアーベアリングにより支持される回転軸に取り付
けられた測定対象物保持具と、該測定対象物保持具を割
り出し駆動する装置とを有し、該割り出し駆動する装置
に前記回転軸の回転角度を検出するエンコーダを付設す
ることが好ましい。

【０００９】

【００１０】また、本発明の三次元形状測定装置におい
ては、前記測定対象物の回転割り出しを行なう手段を複
数備えていることが好ましい。

【００１１】

【作用】本発明の三次元形状測定装置によれば、測定対
象物の割り出しを行なう手段を備え、さらに割り出しを
行なう手段の回転軸をエアーベアリングにより支持する
ことにより、２面以上の複数の面から構成される光学素
子等の測定対象物の各面の三次元形状を接触または非接
触プローブにて走査することにより測定する際に、測定
対象物の測定面を測定プローブに対して適切に設置する
際の段取りが簡略化され時間も短縮でき、さらに、段取
りのために熟練を要する作業も必要とすることなく、測
定対象物の各測定面の割り出しを精度良く行なうことが
可能となる。さらに、２面以上の複数の面から構成され
る測定対象物の各面の三次元形状の測定を高精度に行な
うことができ、また、回転軸をエアーベアリングで支持
する構成とすることによって、可動部の偏心誤差をなく
すことができ、回転精度を向上させ、２面以上の複数の
面から構成される測定対象物の各面の相対位置誤差の測
定を極めて精度良く行なうことが可能となる。

【００１２】さらに、測定対象物保持具に配置した少な
くとも３個以上の基準球としての真球を用いて、これら
の真球の形状を測定することにより真球の中心点を求
め、それらの中心点を通る仮想平面を基準平面とし、該
基準平面から２面以上の複数の面から構成される光学素
子等の測定対象物の各面の相対位置を測定することがで
き、この場合においても、測定操作が簡略化され、測定
時間を短縮することができる。

【００１３】また、測定対象物の割り出しを行なう手段
を複数設けることにより、２面以上の複数の面から構成
される光学素子等の測定対象物の各測定面を適確にかつ
精度よく最適となる割り出し位置に設定することが可能
となり、各測定面を精度良く測定することができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。

【００１５】図１は、本発明の三次元形状測定装置の全
体構成の概略図であり、図２は、本発明の三次元形状測
定装置における割り出し装置および測定治具の部分を拡
大して示す模式的な斜視図であり、図３は、同じく割り
出し装置および測定治具の部分を測定対象物を測定して
いる状態で示す模式的な斜視図である。

【００１６】図１において、１は測定治具２に搭載され
る測定対象物（図１には図示しない）の表面を走査する
プローブであり、このプローブ１はＺ方向（図１におけ
る上下方向）に移動可能なＺスライド３に保持されてい
る。プローブ１は測定治具２に搭載された測定対象物の
測定表面に接触してトレースするためのセンサーが組み
込まれており、その構造は例えば特開平５−６０５４２
号公報等に開示されているような構造を有するものを用
いる。なお、本実施例では接触式のプローブを例にとっ
て説明するけれども、接触式プローブに代えて非接触プ
ローブを用いることも可能である。

【００１７】三次元形状測定装置の架台６上にはＹスラ
イド５がＹ方向に移動可能に設けられ、Ｘスライド４
は、Ｙスライド５に支持されてＸ方向に移動可能に設け
られ、また、Ｚ方向に移動可能なＺスライド３はＸスラ
イド４に支持されており、これらのＺスライド３、Ｘス
ライド４およびＹスライド５は、後述する電装ラック８
内に配設される各駆動ドライバーにより、それぞれＺ、
ＸおよびＹ方向に駆動されるように構成されている。こ
れらの各スライド３、４、５を駆動させることにによっ
て、Ｚスライド３に保持されるプローブ１を架台６上を
Ｘ方向およびＹ方向に移動させ、Ｚ方向に移動させるこ
とができ、そして、Ｚスライド３のＺ方向の移動量（図
１の上下方向）、Ｘスライド４のＸ方向の移動量（図１
の左右方向）およびＹスライド５のＹ方向の移動量（図
１の紙面に対し垂直な方向）は、図示しないレーザ測長
機または光学スケール等のスケールなどにより測長す
る。

【００１８】架台６上に配設された割り出し装置７は、
先端に測定治具２が装着された回転軸７ａとこの回転軸
７ａを回転駆動しかつその回転割り出し角度を検出する
ように構成されたエンコーダ付きモータ７ｃを具備し、
また、回転軸７ａは、エアーベアリング７ｂ（図２およ
び図３参照）で支持されており、エンコーダ付きモータ
７ｃを駆動することによって、回転軸７ａおよびその先
端に装着された測定治具２の回転および割り出しを精度
良く行なうことができ、その結果、測定治具２に搭載さ
れる測定対象物をその各測定面がプローブ１に対向する
ように精度良く割り出し位置決めすることができる。８
は、Ｘスライド４、Ｙスライド５およびＺスライド３の
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の各駆動を行なうドライバーや割り出し装
置７の駆動ドライバー、およびＸ、Ｙ、Ｚ軸の各スライ
ドの移動量を測長するレーザ測長データや回転割り出し
量を測定するエンコーダの出力データを取り込む電気系
等が搭載された電装ラックであり、９は、電装ラック８
のＸ、Ｙ、Ｚ軸の各駆動用のドライバーや割り出し装置
７の駆動ドライバー等に対して駆動量や駆動方法を指令
するための制御用コンピュータであり、１０は、マンマ
シンインターフェイスを備えたコンピュータであり、測
定のために必要な設計値や測定手順の設定等を行なう機
能や測定結果をモニターに表示したり記憶装置に記録し
たりする機能を備えている。

【００１９】測定対象物を保持する測定対象物保持具で
ある測定治具２は、図２および図３に図示するように、
測定対象物としての測定ワーク１５を測定しようとする
各面をプローブ１に対向するように上方に向けて保持す
ることができるような矩形状枠体に構成され、割り出し
装置７の回転軸７ａの先端部に装着されている。そし
て、割り出し装置７は、前述したように、エンコーダ付
きモータ７ｃによりエアーベアリング７ｂに支持された
回転軸７ａを回転駆動し、その回転割り出し角度を検出
して所定の回転割り出し角度に回転軸７ａを位置決めす
る。したがって、割り出し装置７が制御用コンピュータ
９から駆動ドライバーへ送信される割り出し指令に応じ
て駆動されると、測定治具２は、回転軸７ａを介して回
転され、エンコーダ付きモータ７ｃのエンコーダにより
順次その回転角度を読み取り、所定の回転割り出し角度
に達すると回転駆動が停止され、測定治具２に搭載され
る測定ワーク１５の測定面をプローブ１に対向するよう
に割り出し位置決めされる。

【００２０】また、測定治具２には少なくとも３個以上
の基準球としての真球が取り付けられ、図２および図３
においては、３個の基準球（真球）１１ａ、１１ｂおよ
び１１ｃが、測定治具２の矩形状枠体の回転軸７ａに装
着された辺を除く３辺にそれぞれ支持体１２ａ、１２ｂ
および１２ｃを介して取り付けられている。これらの少
なくとも３個の基準球（真球）１１ａ、１１ｂ、１１ｃ
は、後述するように、プローブ１により各基準球の表面
形状を測定することにより各基準球の中心座標を求めて
それらの中心座標が作る仮想平面を算出し、この仮想平
面を基準平面とすることにより、測定ワーク１５の各測
定表面の相対位置を測定することができるようにするも
のである。

【００２１】次に、以上のように構成された本発明の三
次元形状測定装置について、図４に図示する測定フロー
にしたがって説明する。なお、本実施例における測定ワ
ーク１５は、表面と裏面の２面の形状を測定する光学素
子を例にとって説明する。

【００２２】図１のコンピュータ１０で測定を選択する
と制御用コンピュータ９により図４に図示する測定フロ
ーが開始する。ステップＳ０１（設計データ読み込み）
において、制御用コンピュータ９に予め記憶されている
測定ワーク１５の設計値ならびに測定範囲等の測定条件
データを読み込む。また、設計データや測定条件データ
が予め記憶されていない場合にはコンピュータ１０によ
ってキーボード等から種々のデータを入力することも可
能である。ステップＳ０２（割り出し駆動）では、測定
条件データが制御用コンピュータ９からコンピュータ１
０へ送られ、さらに、制御用コンピュータ９から電装ラ
ック８の割り出し装置７の駆動ドライバーへ測定ワーク
１５の第１面を割り出すべく指令が送られる。これによ
り、割り出し装置７が回転駆動を始める。ステップＳ０
３（割り出しＯＫ？）において、割り出し装置７のエン
コーダにより回転データを読み取り、割り出し回転角度
が前記指令値になったか否かを判断し、まだ指令値に達
していない場合にはステップＳ０２へ戻り割り出し装置
７の回転駆動を継続する。そして、割り出し回転角度が
前記指令値になると、測定治具２に搭載されている測定
ワーク１５の第１面が前記指令とおりの方向（すなわ
ち、プローブ１に対向する方向）に向き、測定可能の状
態となる。

【００２３】次に、ステップＳ０４（基準球測定）で、
３個の基準球１１ａ、１１ｂおよび１１ｃの中心座標を
計測する。すなわち、先ず、Ｘスライド４およびＹスラ
イド５を駆動してプローブ１を予め設定されている基準
球１１ａの中心位置へ位置決めし、そして、Ｚスライド
３を駆動してプローブ１を基準球１１ａの表面に接触さ
せる。なお、プローブ１を最初に位置決めする基準球１
１ａに対する位置は、プローブ１が基準球１１ａを測定
できれば良いので、正確に基準球１１ａの中心位置とす
る必要はなく、通常は、設計図面から読みとった座標位
置で十分である。その後、プローブ１が基準球１１ａの
表面に接触した状態でＸスライド４およびＹスライド５
を駆動させて、Ｚスライド３、Ｘスライド４およびＹス
ライド５の各測長データを取り込み、これらの測長デー
タから基準球１１ａの表面形状が計測される。基準球１
１ａの形状測定が終わると、同様に基準球１１ｂおよび
１１ｃの表面形状の測定を順次行なう。そして、これら
の各基準球１１ａ、１１ｂ、１１ｃの形状測定データか
ら各基準球の正確な中心位置を算出して、記憶される。

【００２４】次に、ステップＳ０５（ワーク第１面測
定）において、測定ワーク１５の第１面の形状測定を行
なう。すなわち、先ず、Ｘスライド４およびＹスライド
５を駆動してプローブ１を測定ワーク１５の予め設定さ
れている測定開始点へ位置決めし、そして、Ｚスライド
３を駆動してプローブ１を測定ワーク１５の表面に接触
させる。その後、予め測定条件データとして制御用コン
ピュータ９から送られているデータにしたがって、Ｘス
ライド４およびＹスライド５を駆動させ、Ｚスライド
３、Ｘスライド４およびＹスライド５の各測長データを
取り込む。これにより、これらの測長データから測定ワ
ーク１５の第１面の三次元形状が計測される。ステップ
Ｓ０５（ワーク第１面測定）が終わると、ステップＳ０
６（計算処理）において座標変換処理演算が行なわれ、
測定ワーク１５の第１面の形状が３個の基準球１１ａ、
１１ｂおよび１１ｃの中心３点を通る基準平面上の基準
球１１ａの中心を基準として算出される。

【００２５】その後、ステップＳ０７（割り出し駆動）
で測定ワーク１５の第２面を測定しうるように割り出し
駆動が行なわれる。制御用コンピュータ９から電装ラッ
ク８の割り出し装置７の駆動ドライバーへ測定ワーク１
５の第２面を割り出すべく指令が送られ、この指令に応
じて、割り出し装置７が回転して測定ワーク１５を測定
治具２とともに回転させる。ステップＳ０８（割り出し
ＯＫ？）において、ステップＳ０３と同様に、割り出し
装置７のエンコーダからのデータによりその回転角度が
測定ワーク１５の第２面を測定するための指令値に一致
したか否かを判断する。まだその指令値に達していない
場合にはステップＳ０７へ戻り回転駆動を継続する。そ
して、割り出し回転角度が前記指令値に一致すると、測
定治具２に搭載されている測定ワーク１５の第２面が前
記指令とおりの方向（すなわち、プローブ１に対向する
方向）に向き、測定可能の状態となる。本実施例におい
ては測定ワーク１５は表裏２面を持つ光学素子であるの
で、１８０度回転の割り出し駆動が行なわれる。

【００２６】次に、ステップＳ０９（ワーク第２面測
定）では、前述したステップＳ０５（ワーク第１面測
定）と同様に、測定ワーク１５の第２面の形状測定を行
ない、さらに、ステップＳ１０（計算処理）において、
ステップＳ０４（基準球測定）で測定した第１面に対す
る基準球座標位置と第２面を割り出したときの割り出し
回転角度によって計算した基準座標から、前述したステ
ップＳ０６（計算処理）と同様に、測定ワーク１５の第
２面の形状が前記基準球を基準として算出される。ま
た、測定ワーク１５の第１面の三次元形状と第２面の三
次元形状は、同じ基準球１１ａ、１１ｂ、１１ｃの中心
座標が作る平面でかつ同じ基準球１１の中心を基準とし
ているので、測定ワーク１５の第１面と第２面の位置関
係も算出することができる。

【００２７】ステップＳ１０（計算処理）が終わると、
ステップ１１（結果出力）にて測定および算出の結果が
コンピュータ１０を介してモニターあるいはプリンター
等の出力機器（図示しない）で出力され、さらに、ステ
ップＳ１２（測定データ記憶）では測定および算出の結
果が制御用コンピュータ９あるいはコンピュータ１０に
内蔵の記憶装置あるいは外部の記憶装置（図示しない）
に記憶され、測定ワーク１５の表裏２面の形状測定が完
了する。

【００２８】以上のように、本実施例における割り出し
装置７において、その回転軸７ａをエアーベアリング７
ｂで支持するとともにエンコーダ付きモータ７ｃで駆動
することにより、所定の回転割り出し角度に精度良く割
り出し位置決めすることができ、複数の面から構成され
る測定ワークの各面の三次元形状の測定を高精度に行な
うことを可能とし、また、回転軸７ａをエアーベアリン
グ７ｂで支持する構成とすることによって、可動部の偏
心誤差をなくすことができ、回転精度を向上させ、複数
の面から構成される測定ワークの各面の相対位置誤差の
測定を極めて精度良く行なうことが可能となる。

【００２９】また、本実施例においては、測定ワーク１
５として表裏２面を持つ光学素子について説明したけれ
ども、３面以上の面から構成されるプリズム等の光学素
子の場合でも同様に各面を割り出し装置において適切に
割り出しそして各面を精度良く測定できることはいうま
でもない。また、測定面形状によっては基準となる位置
で割り出すよりも測定面を傾けた方が測定プローブに対
する測定面の傾斜が緩くなる場合には測定条件において
最適となる割り出し角度を適宜選ぶことも可能である。
さらに、本実施例においては、割り出し装置はＸ軸回り
に回転する割り出しを行なう機構としているけれども、
その他の割り出し機構あるいは傾斜機構を設けることに
より、さらにＹ軸回りの回転により割り出しを行なう機
構を追加することも可能である。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定対象物の三次元形状を接触または非接触プローブに
て走査することにより測定する三次元形状測定装置に測
定対象物の割り出しを行なう手段を備えることによっ
て、２面以上の複数の面から構成される光学素子等の測
定対象物の各面の三次元形状を測定する際に、測定プロ
ーブに対して測定面を適切に設置する際の段取りが簡略
化され時間も短縮でき、さらに、段取りのために熟練を
要する作業も必要でなくなる。

【００３１】また、測定対象物保持具に配置した少なく
とも３個以上の基準球としての球体を用いて、これらの
球体の形状を測定することにより球体の中心点を求め、
それらの中心点を通る仮想平面を基準平面とし、該基準
平面から２面以上の複数の面から構成される光学素子等
の測定対象物の各面の相対位置を測定することができ、
この場合においても、測定操作が簡略化され、測定時間
を短縮することができる。

【００３２】さらに、測定対象物の割り出しを行なう手
段において、その回転軸をエアーベアリングで支持する
構成とすることにより、可動部の偏心誤差をなくすこと
ができ回転精度を向上させることができ、また、回転軸
の回転角度を検出するエンコーダを付設することによ
り、所定の回転割り出し角度に精度良く割り出し位置決
めすることが可能となり、２面以上の複数の面から構成
される光学素子等の測定対象物の各面の三次元形状の測
定を高精度に行なうことができるとともに、各面の相対
位置誤差の測定を極めて精度良く行なうことが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の三次元形状測定装置の全体構成の概略
図である。

【図２】本発明の三次元形状測定装置における割り出し
装置および測定治具の部分を拡大して示す模式的な斜視
図である。

【図３】本発明の三次元形状測定装置における割り出し
装置および測定治具の部分を測定対象物を測定している
状態で示す模式的な斜視図である。

【図４】本発明の三次元形状測定装置の測定フロー図で
ある。

【図５】従来の三次元形状測定装置の概略図である。

【符号の説明】

１ プローブ ２ 測定治具 ３ Ｚスライド ４ Ｘスライド ５ Ｙスライド ７ 割り出し装置 ７ａ 回転軸 ７ｂ エアーベアリング ７ｃ エンコーダ付きモータ ８ 電装ラック ９ 制御用コンピュータ １０ コンピュータ １１ａ、１１ｂ… 基準球（真球） １５ 測定ワーク（測定対象物）

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物の三次元形状を接触または非
   接触プローブで走査することによって測定対象物の形状
   を測定する三次元形状測定装置において、前記測定対象
   物を保持する測定対象物保持具に、前記測定対象物の回
   転割り出しを行なう手段と、前記測定対象物の相対位置
   を測定するための少なくとも３個以上の球体とが配置さ
   れ、前記回転割り出しを行なう手段の回転軸はエアーベ
   アリングにより支持されていることを特徴とする三次元
   形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記測定対象物の回転割り出しを行なう
   手段は、エアーベアリングにより支持される回転軸に取
   り付けられた測定対象物保持具と、該測定対象物保持具
   を割り出し駆動する装置とを有し、該割り出し駆動する
   装置に前記回転軸の回転角度を検出するエンコーダを付
   設したことを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定
   装置。
3. 【請求項３】 前記測定対象物の回転割り出しを行なう
   手段を複数備えていることを特徴とする請求項１または
   ２記載の三次元形状測定装置。