JP4462772B2

JP4462772B2 - Shape measuring device

Info

Publication number: JP4462772B2
Application number: JP2001039278A
Authority: JP
Inventors: 宏治半田; 博之竹内; 圭司久保; 恵一吉住
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002243435A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば非球面レンズ、その金型、Ｘ線ミラー等における表面形状を高精度にて測定し得る形状測定方法および形状測定装置並びにこの形状測定方法等を用いた加工方法および加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非球面レンズ、その金型などの被測定物の表面形状を５０ｎｍ以下の超高精度にて測定し得る三次元の形状測定装置には、少なくとも被測定物の表面に接触して三次元方向にて移動し得るプローブを有する測定部と、この測定部にて得られた三次元座標値を入力して、予め、定められた所定の設計式との差を求め得るデータ処理部を有する演算処理装置とが具備されていた。
【０００３】
そして、上記データ処理部においては、通常、光学設計などでよく使用される、例えば回転対称非球面、円筒面、ドーナツ面、円弧面＋円弧面、円弧面＋非円弧面等の表面形状を表す設計式が数種類組み込まれている。
【０００４】
したがって、形状測定装置により、被測定物の表面形状を測定する場合、プローブにてその表面を、一定圧でもって接触させて移動させることにより、その表面の三次元座標値を得るとともに、その被測定物の表面形状を表す所定の設計式との差を求めて、表面形状の評価が行われていた。
【０００５】
なお、設計式と被測定物表面との差が大きい場合には、その差データを加工装置にフィードバックして、被測定物の表面形状が所望の精度以内になるように加工が繰り返し行われ、非球面レンズ、金型などが高精度に製作されている。
【０００６】
ところで、上述した従来の形状測定装置には、通常よく使用される標準の設計式が組み込まれているが、近年、光学設計が年々複雑になるに従い、標準設計式では対応できない設計式を有した被測定物が多くなってきている。
【０００７】
このような場合、（１）形状測定装置で得た測定データをもとに、ユーザ側で独自のデータ解析プログラムを作成するか、（２）ユーザが測定装置のメーカ側に独自の設計式情報を開示して、データ処理部に標準設計式に加えて新たな設計式を組み込むようにするか、（３）ユーザ側が独自に形状測定装置を開発するしか、対処方法がなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した各対処方法（１）〜（３）については、下記のような問題がある。
（１）については、形状測定装置側のデータ処理にはメーカ独自の解析方法をとっていることが多く、その解析アルゴリズムまではユーザ側に公開されず、したがってユーザ側で独自のデータ解析プログラムを作成するのが困難であった。
（２）については、多くの場合、ユーザ独自の設計式の情報は、メーカ側とユーザ側とで守秘契約を結ぶことが多く、メーカ側では標準式として組み込むことができない。このため、形状測定装置を購入した各ユーザに対して、データ処理部であるデータ解析プログラムがそれぞれ個別仕様となり、プログラムの共通・共用化が難しく、したがってプログラムのバージョン管理などについては、メーカにとって負担が増加するとともに、ユーザ独自の設計式は年々複雑化するため、これを組み込んだプログラムの容量増加につながっていた。
（３）については、ユーザ側で、ナノメートルオーダの超高精度を必要とする非球面レンズおよびその金型の表面状態を評価し得る形状測定装置の開発を行うことが、非常に困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は、形状測定装置に標準として組み込まない設計式を用いた被測定物の表面形状を測定する際に、ユーザ側にて、独自の設計式を容易に組み込むことができる形状測定装置および形状測定方法並びにこの形状測定方法等を用いた加工方法および加工装置を提供することを目的とする。
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の形状測定装置は、形状設計式に基づき加工された被測定物の形状を検出する測定部と、この測定部にて得られた測定形状データを入力して被測定物表面と形状設計式に基づく設計形状データとの差を求めるデータ処理手段を有する演算処理装置とを具備するとともに、上記データ処理手段を、予め組み込まれた形状設計式に基づき設計形状データを演算するためのライブラリファイルを格納するライブラリ部と、このライブラリ部からライブラリファイルを読み込むとともに上記測定部から入力された測定形状データと設計形状データとの差を演算する演算部と、上記ライブラリ部から上記演算部に読み込まれるライブラリファイルに設計パラメータの値を与える設計パラメータ入力部とから構成し、さらに上記ライブラリ部に組み込まれた形状設計式以外の新たな形状設計式を定義し得るとともにそのライブラリファイルを作成し得る設計式作成手段を具備し、且つこの設計式作成手段にて作成されたライブラリファイルを、上記ライブラリ部に格納し得るように構成したものである。
【００１３】
また、上記各形状測定装置における設計形状データを演算するライブラリファイルに、形状設計式の偏微分式またはこの偏微分式の近似値を計算する近似計算式を含ませたものである。
【００１４】
さらに、上記各形状測定装置における設計式作成手段を、所定の係数が未定義にされた基本設計式を格納する基本設計式格納部と、この基本設計式格納部から基本設計式を読み込むとともに上記未定義な係数に定義を与えて新たな形状設計式を作成し且つライブラリファイルに変換し得る定義式作成部とから構成したものである。
【００１５】
上記各形状測定装置によると、予め、組み込まれていない形状設計式を、設計式作成部にて、ユーザが自由に定義し得るので、例えばユーザ側で独自のデータ解析プログラムを作成する必要がないとともに、ユーザ側で、超高精度の形状測定装置の開発を行う必要もない。
【００１６】
また、測定装置のメーカ側で、ユーザ毎に応じて、データ解析プログラムを用意する必要がなくなるとともにそのバージョンの管理についても行う必要もない。
【００１８】
また、本発明の加工装置は、上記各形状測定装置により測定された被測定物を、新たに作成された形状設計式により得られた形状設計データに基づき加工するように構成したものである。
【００１９】
上記加工装置によると、上記本発明の形状測定装置により測定された被測定物の誤差データを使用して迅速に且つ正確に被測定物の形状の修正を行うことができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態における形状測定方法および形状測定装置並びにこれらにより形状が測定された被測定物の加工方法および加工装置を、図１〜図３に基づき説明する。
【００２１】
この形状測定装置は、図１に示すように、所定の形状設計式に基づき加工された非球面レンズなどの被測定物Ｍの表面Ｓに接触し得るプローブ１を有して被測定物表面Ｓにおける三次元座標値すなわち三次元座標データを検出する測定部２と、この測定部２におけるプローブ１の移動をこの測定部２に設けられた移動ステージ（図示せず）を介して制御する制御部３と、この制御部３にプローブ１の移動を制御するための制御データを出力するとともに測定部２からの三次元座標データ（以下、測定形状データという）を入力して被測定物表面と形状設計式（具体的にいうと、形状設計式により求められる設計形状データ）との差（以下、誤差データという）を求めるデータ処理部（データ処理手段）１１を有するコンピュータ装置（演算処理装置）４と、このコンピュータ装置４にて得られた誤差データを表示するディスプレイなどの表示部５と、上記コンピュータ装置４に接続されたハードディスクなどのデータの記憶部６とから構成されている。
【００２２】
上記データ処理部１１は、測定部２から入力される測定形状データと、被測定物の形状設計式に基づく表面形状を表す設計形状データとの誤差データを求める演算プログラム部（演算部）１２と、予め標準で組み込まれた複数種の組込形状設計式に係る設計形状データを得るための各ライブラリファイル［ＯＳがＷｉｎｄｏｗｓ（登録商標）の場合は、ＤＬＬ（ダイナミックリンクライブラリ］形式のもの）が格納（登録）されたライブラリ部（格納部）１３とから構成されている。
【００２３】
また、上記コンピュータ装置４には、上記組込形状設計式以外の新たな形状設計式（以下、非組込形状設計式といい、具体的には、円錐面、楕円面、双曲面、放物面やそれ以外の拡張トーリック面や自由曲面などを表す設計式である）を作成し得る設計式作成部（設計式作成手段）１４とが具備されている。
【００２４】
ところで、上記演算プログラム部１２には、ライブラリ部１３から、被測定物の表面形状に合致する組込形状設計式のライブラリファイルを読み込むとともに、この組込形状設計式の係数（設計情報）である設計パラメータに具体的数値をデータとして入力する設計パラメータ入力部が設けられている。この設計パラメータにデータが与えられると、形状設計式が決定されて設計形状データが具体的に求められる。すなわち、このライブラリファイルに（ｘ，ｙ）座標値が与えられると、ｚ座標値が得られる。
【００２５】
ここで、演算プログラム部１２にて実行される演算内容、特に測定形状データの補正について説明する。
すなわち、プローブ１の先端が所定の曲率半径Ｒを有していることで生じる誤差、言い換えれば、プローブ１の被測定物への接触位置とプローブ１の先端中心位置との差を補正する補正機能（以下、プローブ補正という）およびプローブ補正が行われた補正形状データについても、被測定物の測定部における測定面への設置誤差があるため、設計形状データと補正形状データとを比較して、両者の差が最小となるように、座標変換により、一方の形状データを三次元的に回転および平行移動させて他方の形状データに重ね合わせて、両者（両形状データ）の位置合わせを行う補正機能（以下、位置補正という）を有している。
【００２６】
まず、プローブ補正を図２に基づき説明する。
図２に示すように、被測定物Ｍの表面Ｓとプローブ１との接触位置すなわち測定点Ｐ（Ｘ_i，Ｙ_i，Ｚ_i）とプローブ１の先端中央位置Ｔ（Ｘ₀，Ｙ₀，Ｚ₀）との間には、被測定物Ｍの測定点Ｐでの傾斜角をθとすると、下記▲１▼〜▲３▼式の関係が成立する。
【００２７】
【数１】
Ｘ_i＝Ｘ₀−Ｒ・ｓｉｎθ・・・・・・▲１▼
Ｙ_i＝Ｙ₀ ・・・・・・▲２▼
Ｚ_i＝Ｚ₀＋Ｒ（１−ｃｏｓθ）・・・▲３▼
すなわち、傾斜角θが分かると、プローブ補正を行うことができる。
【００２８】
例えば、ｘ−ｚ座標系において、被測定物表面Ｓの傾斜角θを求めるためには、任意のＸにおける被測定物の表面を表す形状設計式の一階微分式が必要となり、三次元座標系においては、形状設計式のｘ方向およびｙ方向での偏微分式が必要となる。したがって、各ライブラリファイルには、設計情報として、形状設計式に加えて当該形状設計式の偏微分式がルーチンの１つとして含まれており、（ｘ，ｙ）座標値が与えられると、偏微分値すなわち傾斜角の値が得られる。
【００２９】
また、位置補正については、設計形状データと補正形状データとを比較して、両者の差が最小となるように、座標変換により、一方の形状データを回転させるとともに平行移動を行い、他方の形状データに重ね合わせられる。なお、この位置補正の際にも、プローブ補正と同様に、形状設計式の偏微分式が使用される。
【００３０】
したがって、ライブラリ部１３には、各組込形状設計式およびその偏微分式などの付属の設計情報がライブラリファイルとして格納されており、この組込形状設計式に係る（組込形状設計式に基づき加工された）被測定物である場合には、そのまま、入力設定画面にてその組込形状設計式を選択するとともに設計パラメータを入力することにより、ライブラリ部１３からそのライブラリファイルが読み込まれるとともに設計パラメータにデータが与えられて、上述した所定の演算処理、すなわち両形状データの差が求められる。
【００３１】
一方、被測定物が非組込形状設計式である場合には、設計式作成部１４にて、そのライブラリファイルを作成することができる。
ここで、設計式作成部１４の内容について説明する。なお、この設計式作成部１４は、アプリケーションプログラム（ソフトウエア）により実現される。
【００３２】
この設計式作成部１４は、図１に示すように、例えば所定の係数が未定義にされた基本設計式（ソースプログラム）が格納された基本プログラム格納部（基本設計式格納部）２１と、この基本プログラム格納部２１から基本設計式のソースプログラムを読み込み、未定義の係数に定義を行い新たな形状設計式、すなわち非組込形成設計式を定義するとともに、この新しい非組込形状設計式のソースプログラムを変換して（コンパイルおよびデバッグが行われる）ＤＬＬ形式のライブラリファイルを作成し得る定義式作成部２２とを有している。このＤＬＬ形式のライブラリファイルを作成するものとしては、例えばマイクロソフト社製の「ＶＩＳＵＡＬＢＡＳＩＣ」（登録商標）、「ＶＩＳＵＡＬＣ＋＋」（登録商標）などを用いることができる。
【００３３】
そして、この設計式作成部１４にて作成された非組込形状設計式のライブラリファイルは、ライブラリ部１３に格納されて、組込形状設計式による場合と同様に扱われる。
【００３４】
さらに、上記ライブラリ部１３に格納される各形状設計式の実行プログラムの概略内容について説明する。
各形状設計式の実行プログラムは、図３に示すように、ルーチン１〜５により構成されている。
【００３５】
ルーチン１では、形状設計式の設計パラメータを示す係数文字列、例えば”Ｒ［mm］=”, ”ｋ=”,・・・・などが定義されている。
この設計パラメータは、その入力設定画面（データ処理部での設計パラメータの入力時や、その形状を表示する際に表示される）において、入力すべき形状設計式に係る設計パラメータを表示する係数文字で、設計式ごとに変化するため、選択された形状設計式に応じて、自動的に画面に表示される。
【００３６】
ルーチン２では、形状設計式（ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ））そのものを定義したものであり、任意の（ｘ，ｙ）座標値を与えると、ｚ座標値が返される。
ルーチン３は、形状設計式（ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ））のｘ方向での偏微分式を定義したものであり、ルーチン４は、形状設計式（ｚ＝ｆ（ｘ，ｙ））のｙ方向での偏微分式を定義したものであり、任意の（ｘ，ｙ）座標値を与えると、その位置で且つｘ方向およびｙ方向での表面の傾斜角θが返される。
【００３７】
ルーチン５は、設計パラメータの個数、被測定物の中心位置検出用パラメータなどの諸設定について定義したものであり、入力設定画面で入力し得るパラメータの個数を設定したり、被測定物の中心位置検出用に使用する設計パラメータのデータなどが定義されている。
【００３８】
次に、被測定物の形状測定方法の概略手順について説明する。
この形状測定方法を概略的に説明すると、形状設計式に基づき加工された被測定物の形状を測定部により検出するとともに、この検出された測定形状データと予め格納されている上記形状設計式により求められた設計形状データとの差を求めることにより被測定物の形状を測定する方法であって、上記形状設計式以外の新たな形状設計式を設計式作成手段にて作成し、この新たに作成された形状設計式にて得られた設計形状データに基づき、被測定物の形状を測定する方法である。
【００３９】
以下、被測定物の形状測定方法を詳しく説明する。
ここでは、被測定物として、組込形状設計式以外の非組込形状設計式に基づく表面形状に加工された非球面レンズの表面形状を測定する場合について説明する。
【００４０】
この場合、まずコンピュータ装置４を起動させて、設計式作成部１４の定義式作成部２２を立ち上げ、基本プログラム格納部２１から基本設計式を呼び出すとともに、この基本設計式に従って、すなわちメーカ側の内部書式に従って、この非球面レンズに係る形状設計式（レンズの場合には、光学設計式ともいう）を作成する。この時、この形状設計式に使用される設計パラメータ（係数）は文字情報として付加される。
【００４１】
そして、非組込形状設計式が作成されると、コンパイルおよびデバッグを経てライブラリファイルに変換される。勿論、このライブラリファイルについては、その動作確認も併せて行われる。この実行プログラムは、ライブラリイ部１３に送られて、格納（登録）される。
【００４２】
なお、被測定物が組込形状設計式に係る場合には、上記手順は必要としない。
次に、コンピュータ装置４の表示部５に表示された入力設定画面にて、被測定物に対応する形状設計式、すなわちライブラリ部１３に登録された上記非組込形状設計式を選択した後、演算プログラム部１２に有効計算範囲を認識させるために、入力設定画面にて、すなわち設計パラメータ入力部から、被測定物の外形を表す設計パラメータ、例えば円形状のレンズである場合には有効半径（Ｒ＝）の入力欄に、その半径の値（データ）を入力する。例えば、被測定物が長方形である場合には、短辺の長さおよび長辺の長さの入力欄に、それぞれの値を入力する。勿論、その他、必要な設計パラメータについても、それぞれの値を入力する。
【００４３】
これら設計パラメータの値が入力されると、演算プログラム部１２において、プローブ１を移動させるＮＣデータが作成されるとともに、このＮＣデータが制御部３に送られた後、被測定物の表面を実際に測定する前の準備作業として、被測定物の中心位置の検出が行われる。
【００４４】
すなわち、測定部２の測定面に被測定物である非球面レンズが載置されると、プローブ１を被測定物の表面に接触または接近させて作業を開始する。
この開始指示により、制御部３によりプローブ１が所定経路でもって移動され、このとき、所定の接触圧で被測定物表面に押えられているプローブ１が、その表面形状に応じて上下に移動し、その高さ、すなわちｚ座標値が、プローブ１の（ｘ，ｙ）座標値とともに、測定部２から演算プログラム部１２に送られて、被測定物の中心位置の検出が行われる。
【００４５】
この中心位置の検出方法は、被測定物がレンズである場合、被測定レンズ面の任意の点を初期原点とし、この初期原点近傍の同一ｘ座標位置または同一ｙ座標位置における二位置のｙ−ｚ座標またはｘ−ｚ座標を測定し、初期原点の上記座標位置における被測定レンズ面の中心からのずれ量を求めて第１の目標原点を得た後、この第１の目標原点近傍の同一ｙ座標位置または同一ｘ座標位置における二位置のｘ−ｚ座標またはｙ−ｚ座標を測定し、第１の目標原点の上記座標位置における上記中心からのずれ量を求めて第２の目標原点を得、この第２の目標原点を被測定レンズ面のｘ−ｙ−ｚ座標における測定原点とする方法である。（例えば、特開平２−２５４３０７号公報参照）
このようにして、被測定物の中心位置が検出されると、この中心位置に基づき、プローブ１による表面形状の本来の測定が開始され、測定部２にて、全表面に亘る（ｘ，ｙ）座標値に対してｚ座標値が検出される。
【００４６】
この検出された三次元座標データ列（Ｘ_n，Ｙ_n，Ｚ_n）、すなわち測定形状データは、例えばコンピュータ装置４側のメモリまたは記憶部６に記憶される。なお、上記入力設定画面にて、入力された設計パラメータの値についても、記憶部６に記憶されるとともに、必要に応じて読み出される。
【００４７】
次に、この測定形状データに対して、上述したプローブ補正が行われ、この補正形状データと設計形状データとが互いに重なり合うように、位置補正が行われた後、両形状データの誤差データが求められる。
【００４８】
このようにして求められた誤差データが、表示部５で、例えばグラフ形式にて表示され、このグラフから、被測定物が所定の形状設計式にどれだけ近似しているか否かが判断される。誤差が許容値を超えている場合には、この誤差データが加工装置に送られて修正加工が行われる。勿論、誤差が許容値内である場合には、製品として認められる。
【００４９】
すなわち、この加工装置および加工方法においては、上記形状測定装置および形状測定方法により測定された被測定物の測定形状データと、新たに作成された形状設計式により得られた形状設計データとの誤差を求め、この誤差データに基づき被測定物の表面（形状）が修正（加工）される。
【００５０】
このように、予め、組み込まれていない形状設計式を、設計式作成部にて、ユーザが自由に定義し得るとともにそのライブラリファイルを作成し得るので、従来のように、ユーザ側で独自のデータ解析プログラムを作成する必要がないとともに、ユーザ側で、超高精度の形状測定装置の開発を行う必要もない。
【００５１】
また、測定装置のメーカ側で、ユーザ毎に応じて、データ解析プログラムを用意する必要がなくなるとともにプログラムのバージョンの管理についても行う必要もなく、したがって経費の増加の負担もなくなるとともに、アプリケーションプログラムの容量増加の心配もなくなる。
【００５２】
より具体的に言えば、測定装置のメーカは、設計式作成用プログラム（ユーザ定義式作成ツール）を測定装置のユーザに提供し、ユーザ独自の定義式をライブラリとしてデータ処理部に登録し得るようにすることで、測定装置メーカ自身の開発したデータ解析プログラムについては、どのユーザに対しても共通・共用化できるメリットがある。
【００５３】
また、測定装置のメーカは、ユーザ定義式を作成・登録できるツールをユーザ側に提供することで、あらゆる形状設計式に、例えば全てのレンズの設計式に対応可能となり、したがってユーザは測定装置の制約にとらわれることなく、自らの必要な設計式を独自に測定装置に組み込みカスタマイズすることで、レンズの設計・開発において独自性を発揮することができ、またユーザ定義式を有効に活用することで、開発・製造のスピードアップを図り得るとともに、コスト面での大幅な節約を図ることができる。
【００５４】
ところで、上記実施の形態においては、設計式作成部をコンピュータ装置４側に具備した場合について説明したが、勿論、設計式作成部を別のコンピュータ装置に組み込み、ここでユーザ独自の形状設計式に係るライブラリファイルを作成し、この作成されたライブラリファイルをコンピュータ装置４のライブラリ部１３に格納させるようしてもよい。
【００５５】
また、上記実施の形態においては、予め標準で組み込まれた複数種の組込形状設計式に係る設計形状データの情報が、演算プログラム部１２から独立させてライブラリ部１３に格納した例について説明したが、この標準で組み込まれた複数種の組込形状設計式に係る設計形状データの情報を、演算プログラム部１２に含んだ形態にしてもよい。
【００５６】
また、上記実施の形態においては、プローブ補正および位置補正を行う際に、形状設計式の一階微分式である偏微分式を使用したが、その近似値を使用してもよい。この場合、偏微分式の替わりに、近似計算式が具備される。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、ライブラリ部１３に格納される形状設計式のライブラリファイルにおける設計パラメータの値については、設計式本体から分離させるようにしたが、設計式本体に一体的に組み込むこともできる。
【００５８】
また、上記実施の形態においては、被測定物の形状表面に一定圧で接触させて移動することにより、表面形状データを得るプローブを有する測定機の例について説明したが、被測定物の表面に、直接、レーザ光などを当てて形状を測定する測定機などの一般の形状測定機にも適用し得るものであり、この場合、上記実施の形態において述べたプローブ補正は必要としないが、他の構成については、同一の構成を有する。
【００５９】
さらに、上記実施の形態においては、被測定物として、レンズの場合について説明したが、勿論、レンズ以外の被測定物、例えばレンズの金型、精密部品の表面形状の測定にも適用し得るものである。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように本発明の形状測定装置および形状測定方法によると、予め、組み込まれていない形状設計式を、設計式作成手段にて、ユーザが自由に定義し得るので、例えば従来のように、ユーザ側で独自のデータ解析プログラムを作成する必要がないとともに、ユーザ側で、超高精度の形状測定装置の開発を行う必要もない。
【００６１】
また、測定装置のメーカ側で、ユーザ毎に応じて、データ解析プログラムを用意する必要がなくなるとともにそのバージョンの管理についても行う必要もなく、したがって経費の増加の負担もなくなるとともに、プログラムの容量増加の心配もなくなる。
【００６２】
さらに、本発明の加工装置および加工方法によると、上記本発明の形状測定装置および形状測定方法により測定された被測定物の誤差データを使用して迅速に且つ正確に被測定物の形状の修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における形状測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】同形状測定装置におけるプローブ補正を説明する要部拡大図である。
【図３】同形状測定装置におけるライブラリ部に格納される実行プログラムの内容を説明する図である。
【符号の説明】
Ｍ被測定物
Ｓ表面
１プローブ
２測定部
３制御部
４コンピュータ装置
５表示部
１１データ処理部
１２換算プログラム部
１３ライブラリ部
１４設計式作成部
２１基本プログラム格納部
２２定義式作成部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a shape measuring method and a shape measuring apparatus capable of measuring the surface shape of, for example, an aspheric lens, its mold, an X-ray mirror and the like with high accuracy, and a processing method and a processing apparatus using the shape measuring method. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a three-dimensional shape measuring apparatus capable of measuring the surface shape of an object to be measured such as an aspheric lens or its mold with an ultra-high accuracy of 50 nm or less is at least in contact with the surface of the object to be measured. A measurement unit having a probe that can move in a direction, and a data processing unit that inputs a three-dimensional coordinate value obtained by the measurement unit and obtains a difference from a predetermined design formula determined in advance. And an arithmetic processing unit.
[0003]
In the data processing unit, usually, surface shapes such as rotationally symmetric aspherical surfaces, cylindrical surfaces, donut surfaces, arc surfaces + arc surfaces, arc surfaces + non-arc surfaces, etc., which are often used in optical design and the like are represented. Several types of design formulas are incorporated.
[0004]
Therefore, when measuring the surface shape of an object to be measured with a shape measuring device, the surface is brought into contact with the probe with a constant pressure and moved to obtain a three-dimensional coordinate value of the surface, and the object is measured. The surface shape was evaluated by obtaining a difference from a predetermined design formula representing the surface shape of the measurement object.
[0005]
In addition, when the difference between the design formula and the surface of the object to be measured is large, the difference data is fed back to the processing apparatus, and the processing is repeatedly performed so that the surface shape of the object to be measured is within the desired accuracy. Aspherical lenses and molds are manufactured with high precision.
[0006]
By the way, the above-described conventional shape measuring apparatus incorporates standard design formulas that are normally used. However, in recent years, as the optical design has become more complex year by year, it has design formulas that cannot be handled by the standard design formula. The number of objects to be measured is increasing.
[0007]
In such a case, (1) the user creates an original data analysis program based on the measurement data obtained by the shape measuring device, or (2) the user provides the original design formula information to the manufacturer of the measuring device. And a new design formula is incorporated in the data processing unit in addition to the standard design formula, or (3) the user side develops a shape measuring device independently.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above countermeasures (1) to (3) have the following problems.
As for (1), the shape measuring apparatus side data processing often uses a manufacturer's original analysis method, and even the analysis algorithm is not disclosed to the user side, so the user side has its own data analysis program. It was difficult to create.
As for (2), in many cases, the information on the design formula unique to the user often has a confidentiality agreement between the manufacturer and the user, and cannot be incorporated as a standard formula on the manufacturer side. Therefore, for each user who purchased a shape measuring device, the data analysis program, which is a data processing unit, becomes an individual specification, making it difficult to share and share the program. In addition, the user's own design formula becomes more complex year by year, leading to an increase in the capacity of the program incorporating this.
Regarding (3), it is very difficult for the user to develop an aspheric lens that requires ultra-high accuracy on the order of nanometers and a shape measuring device that can evaluate the surface condition of the mold. It was.
[0009]
Therefore, the present invention provides a shape measuring apparatus that allows a user to easily incorporate an original design formula when measuring the surface shape of an object to be measured using a design formula that is not incorporated as a standard in the shape measuring apparatus. It is another object of the present invention to provide a shape measuring method and a processing method and a processing apparatus using the shape measuring method.
[0011]
In order to solve the above-described problems, the shape measuring apparatus of the present invention inputs a measurement unit that detects the shape of an object to be measured processed based on a shape design formula, and measurement shape data obtained by the measurement unit. And an arithmetic processing unit having data processing means for obtaining a difference between the surface of the object to be measured and the design shape data based on the shape design formula, and the data processing means is designed based on the shape design formula incorporated in advance. A library unit for storing a library file for calculating data, a calculation unit for reading the library file from the library unit and calculating a difference between the measured shape data input from the measurement unit and the design shape data, and the library It consists of the design parameter input unit giving the values of the design parameters in a library file that is read into the arithmetic unit from the parts, and In addition to the shape design formula incorporated in the library section, a new shape design formula can be defined and a design formula creation means capable of creating the library file is provided, and the library created by the design formula creation means The file is configured to be stored in the library unit.
[0013]
In addition, the library file for calculating the design shape data in each of the shape measuring apparatuses includes a partial differential expression of the shape design expression or an approximate calculation expression for calculating an approximate value of the partial differential expression.
[0014]
Furthermore, the design formula creation means in each of the shape measuring devices described above includes a basic design formula storage unit that stores a basic design formula in which a predetermined coefficient is undefined, and reads the basic design formula from the basic design formula storage unit and It is composed of a definition formula creation unit that gives a definition to an undefined coefficient to create a new shape design formula and can convert it into a library file.
[0015]
According to each of the above-described shape measuring apparatuses , since the user can freely define a shape design formula that is not incorporated in advance in the design formula creation unit, for example, it is not necessary to create a unique data analysis program on the user side. At the same time, it is not necessary for the user to develop an ultra-high precision shape measuring device.
[0016]
Further, it is not necessary for the manufacturer of the measuring apparatus to prepare a data analysis program for each user, and it is not necessary to manage the version.
[0018]
Moreover, the processing apparatus of this invention is comprised so that the to-be-measured object measured by each said shape measuring apparatus may be processed based on the shape design data obtained by the newly created shape design formula.
[0019]
According to the processing apparatus , it is possible to quickly and accurately correct the shape of the measurement object using the error data of the measurement object measured by the shape measurement apparatus of the present invention.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a shape measuring method and a shape measuring device according to an embodiment of the present invention, and a processing method and a processing device for an object whose shape is measured by these will be described with reference to FIGS.
[0021]
As shown in FIG. 1, this shape measuring apparatus has a probe 1 that can come into contact with the surface S of an object M such as an aspheric lens processed based on a predetermined shape design formula. A measuring unit 2 for detecting a three-dimensional coordinate value, that is, three-dimensional coordinate data, and a control unit for controlling the movement of the probe 1 in the measuring unit 2 via a moving stage (not shown) provided in the measuring unit 2. 3 and control data for controlling the movement of the probe 1 are output to the control unit 3 and three-dimensional coordinate data (hereinafter referred to as measurement shape data) from the measurement unit 2 is input to input the surface and shape of the object to be measured. A computer apparatus (arithmetic processing unit) having a data processing unit (data processing means) 11 for obtaining a difference (hereinafter referred to as error data) from a design formula (specifically, design shape data obtained from the shape design formula). A device) 4, a display unit 5 such as a display for displaying the error data obtained in the computer apparatus 4, and a storage unit 6 which data, such as hard disks connected to the computer unit 4.
[0022]
The data processing unit 11 includes an operation program unit (calculation unit) 12 for obtaining error data between the measurement shape data input from the measurement unit 2 and the design shape data representing the surface shape based on the shape design formula of the object to be measured; Each library file [in the case of Windows (registered trademark), DLL (dynamic link library) format) for obtaining design shape data relating to a plurality of types of built-in shape design formulas incorporated in advance as standard The library section (storage section) 13 is stored (registered).
[0023]
In addition, the computer device 4 includes a new shape design formula (hereinafter referred to as a non-built-in shape design formula, specifically, a conical surface, an ellipsoid, a hyperboloid, a paraboloid, and the like. And a design formula creation unit (design formula creation means) 14 that can create a design formula representing a surface, an extended toric surface, a free-form surface, and the like.
[0024]
By the way, the calculation program unit 12 reads the library file of the built-in shape design formula that matches the surface shape of the object to be measured from the library unit 13, and also has coefficients (design information) of this built-in shape design formula. A design parameter input unit for inputting specific numerical values as data to the design parameters is provided. When data is given to this design parameter, a shape design formula is determined, and design shape data is specifically obtained. That is, if an (x, y) coordinate value is given to this library file, a z coordinate value is obtained.
[0025]
Here, calculation contents executed by the calculation program unit 12, particularly correction of measurement shape data will be described.
That is, a correction function for correcting an error caused by the tip 1 of the probe 1 having a predetermined radius of curvature R, in other words, a difference between the contact position of the probe 1 with the object to be measured and the tip center position of the probe 1. (Hereinafter referred to as probe correction) and correction shape data subjected to probe correction, since there is an installation error on the measurement surface of the measurement part of the object to be measured, the design shape data and the correction shape data are compared, Correction to coordinate the two (both shape data) by rotating and translating one shape data three-dimensionally and superimposing it on the other shape data by coordinate transformation so that the difference between them is minimized It has a function (hereinafter referred to as position correction).
[0026]
First, probe correction will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 2, the contact position between the surface S of the object to be measured M and the probe 1, that is, the measurement point P (X _i , Y _i , Z _i ) and the center position T (X ₀ , Y ₀ , Z ₀ ), the following _{equations (1} ) to ( ₃ ) are established, where θ is the inclination angle of the object M to be measured at the measurement point P.
[0027]
[Expression 1]
X _i = X ₀ −R · sin θ.... (1)
Y _i = Y ₀・・・・・・ ▲ 2 ▼
Z _i = Z ₀ + R (1-cos θ) (3)
That is, when the inclination angle θ is known, probe correction can be performed.
[0028]
For example, in the xz coordinate system, in order to obtain the inclination angle θ of the object surface S to be measured, a first-order differential expression of the shape design expression representing the surface of the object to be measured at an arbitrary X is required. In the system, partial differential expressions in the x direction and y direction of the shape design formula are required. Therefore, each library file includes, as design information, a partial differential expression of the shape design expression in addition to the shape design expression as one of the routines, and given (x, y) coordinate values, A differential value, that is, a value of the inclination angle is obtained.
[0029]
As for position correction, the design shape data and the corrected shape data are compared, and one shape data is rotated and translated by coordinate transformation so that the difference between the two is minimized, and the other shape is Superimposed on the data. In this position correction, a partial differential expression of a shape design expression is used as in the probe correction.
[0030]
Accordingly, the library unit 13 stores attached design information such as each built-in shape design formula and its partial differential formula as a library file, and the library unit 13 relates to this built-in shape design formula (based on the built-in shape design formula). If the measured object is processed, the built-in shape design formula is selected on the input setting screen and the design parameters are input, so that the library file is read from the library unit 13 and designed. Data is given to the parameter, and the above-described predetermined calculation process, that is, the difference between the two shape data is obtained.
[0031]
On the other hand, when the object to be measured is a non-built-in shape design formula, the design formula creation section 14 can create the library file.
Here, the contents of the design formula creation unit 14 will be described. The design formula creation unit 14 is realized by an application program (software).
[0032]
As shown in FIG. 1, the design formula creation unit 14 includes a basic program storage unit (basic design formula storage unit) 21 in which a basic design formula (source program) in which a predetermined coefficient is undefined, for example, A basic design equation source program is read from the basic program storage unit 21 and defined as an undefined coefficient to define a new shape design equation, that is, a non-embedded formation design equation, and this new non-embedded shape design equation. And a definition formula creating unit 22 that can create a DLL-format library file (which is compiled and debugged). As for creating the library file in the DLL format, for example, “VISUAL BASIC” (registered trademark), “VISUAL C ++” (registered trademark) manufactured by Microsoft Corporation can be used.
[0033]
Then, the library file of the non-built-in shape design formula created by the design formula creation unit 14 is stored in the library unit 13 and handled in the same manner as in the case of the built-in shape design formula.
[0034]
Furthermore, the outline content of the execution program of each shape design formula stored in the library unit 13 will be described.
As shown in FIG. 3, the execution program for each shape design formula includes routines 1 to 5.
[0035]
In the routine 1, coefficient character strings indicating design parameters of the shape design formula, for example, “R [mm] =”, “k =”,.
This design parameter is a coefficient character that displays the design parameter related to the shape design formula to be input on the input setting screen (displayed when inputting the design parameter in the data processing unit or when displaying the shape). Therefore, since it changes for each design formula, it is automatically displayed on the screen according to the selected shape design formula.
[0036]
Routine 2 defines the shape design formula (z = f (x, y)) itself. If an arbitrary (x, y) coordinate value is given, the z coordinate value is returned.
Routine 3 defines a partial differential expression in the x direction of the shape design formula (z = f (x, y)), and routine 4 defines the shape design formula (z = f (x, y)). A partial differential expression in the y direction is defined. When an arbitrary (x, y) coordinate value is given, the inclination angle θ of the surface at that position and in the x and y directions is returned.
[0037]
Routine 5 defines various settings such as the number of design parameters and parameters for detecting the center position of the object to be measured. The number of parameters that can be input on the input setting screen is set, and the center position of the object to be measured is set. Design parameter data used for detection are defined.
[0038]
Next, an outline procedure of the method for measuring the shape of the object to be measured will be described.
The shape measuring method will be schematically described. The shape of the object to be measured processed based on the shape design formula is detected by the measuring unit, and the measured shape data and the shape design formula stored in advance are used. This is a method for measuring the shape of an object to be measured by obtaining the difference from the obtained design shape data, and a new shape design formula other than the above shape design formula is created by the design formula creation means. This is a method for measuring the shape of an object to be measured based on design shape data obtained by the created shape design formula.
[0039]
Hereinafter, a method for measuring the shape of the object to be measured will be described in detail.
Here, a case where the surface shape of an aspheric lens processed into a surface shape based on a non-embedded shape design formula other than the built-in shape design formula is measured as an object to be measured will be described.
[0040]
In this case, first, the computer device 4 is started up, the definition formula creation unit 22 of the design formula creation unit 14 is started, the basic design formula is called from the basic program storage unit 21, and the manufacturer's side follows this basic design formula. In accordance with the internal format, a shape design formula (also referred to as an optical design formula in the case of a lens) for the aspheric lens is created. At this time, design parameters (coefficients) used in the shape design formula are added as character information.
[0041]
When a non-embedded shape design formula is created, it is converted into a library file through compilation and debugging. Of course, this library file is also checked for operation. This execution program is sent to the library unit 13 and stored (registered).
[0042]
Note that the above procedure is not necessary when the object to be measured relates to the built-in shape design formula.
Next, on the input setting screen displayed on the display unit 5 of the computer device 4, after selecting the shape design formula corresponding to the object to be measured, that is, the non-built-in shape design formula registered in the library unit 13, In order for the calculation program unit 12 to recognize the effective calculation range, on the input setting screen, that is, from the design parameter input unit, a design parameter representing the outer shape of the object to be measured, for example, an effective radius (for a circular lens) The radius value (data) is entered in the input field for R =). For example, when the object to be measured is a rectangle, the respective values are entered in the input fields for the length of the short side and the length of the long side. Of course, other values are also input for other necessary design parameters.
[0043]
When these design parameter values are input, NC data for moving the probe 1 is created in the arithmetic program unit 12 and the NC data is sent to the control unit 3 and then the surface of the object to be measured is actually measured. As a preparatory work before measurement, the center position of the object to be measured is detected.
[0044]
That is, when an aspherical lens that is an object to be measured is placed on the measurement surface of the measurement unit 2, the probe 1 is brought into contact with or close to the surface of the object to be measured, and the operation is started.
In response to this start instruction, the probe 1 is moved by the control unit 3 along a predetermined path. At this time, the probe 1 held on the surface of the object to be measured with a predetermined contact pressure moves up and down according to the surface shape. The height, that is, the z-coordinate value, together with the (x, y) coordinate value of the probe 1, is sent from the measurement unit 2 to the calculation program unit 12, and the center position of the object to be measured is detected.
[0045]
In this center position detection method, when the object to be measured is a lens, an arbitrary point on the surface of the lens to be measured is set as the initial origin, and y-positions at two positions in the same x coordinate position or the same y coordinate position near the initial origin. The z coordinate or the xz coordinate is measured, the amount of deviation from the center of the lens surface to be measured at the above coordinate position of the initial origin is obtained to obtain the first target origin, and then the same in the vicinity of the first target origin. The x-coordinate or yz-coordinate of two positions at the y-coordinate position or the same x-coordinate position is measured, and the amount of deviation of the first target origin from the center at the coordinate position is obtained to determine the second target origin. The second target origin is obtained as a measurement origin in the xyz coordinates of the lens surface to be measured. (For example, see JP-A-2-254307)
When the center position of the object to be measured is detected in this way, the original measurement of the surface shape by the probe 1 is started based on the center position, and the measurement unit 2 covers the entire surface (x, y ) A z-coordinate value is detected with respect to the coordinate value.
[0046]
The detected three-dimensional coordinate data string (X _n , Y _n , Z _n ), that is, measured shape data is stored in, for example, a memory or storage unit 6 on the computer device 4 side. In addition, the value of the design parameter input on the input setting screen is also stored in the storage unit 6 and read out as necessary.
[0047]
Next, the probe correction described above is performed on the measured shape data, and after position correction is performed so that the corrected shape data and the design shape data overlap each other, error data of both shape data is obtained. It is done.
[0048]
The error data obtained in this way is displayed on the display unit 5 in, for example, a graph format. From this graph, it is determined how close the object to be measured is to a predetermined shape design formula. . If the error exceeds the allowable value, this error data is sent to the processing apparatus and correction processing is performed. Of course, if the error is within the tolerance, it is accepted as a product.
[0049]
That is, in this processing apparatus and processing method, there is an error between the measured shape data of the object measured by the shape measuring apparatus and the shape measuring method and the shape design data obtained by the newly created shape design formula. And the surface (shape) of the object to be measured is corrected (processed) based on the error data.
[0050]
In this way, shape design formulas that are not incorporated in advance can be freely defined by the user in the design formula creation unit, and the library file can be created. There is no need to create an analysis program and it is not necessary for the user to develop an ultra-high-precision shape measuring device.
[0051]
In addition, it is not necessary for the manufacturer of the measuring apparatus to prepare a data analysis program for each user, and it is not necessary to manage the version of the program. No need to worry about increasing capacity.
[0052]
More specifically, the manufacturer of the measurement apparatus can provide a program for creating a design formula (user-defined formula creation tool) to the user of the measurement apparatus and register the user-defined definition formula as a library in the data processing unit. By doing so, there is a merit that the data analysis program developed by the measuring device manufacturer itself can be shared and shared by all users.
[0053]
In addition, the manufacturer of the measurement device provides the user with a tool that can create and register a user-defined equation, so that it can support any shape design equation, for example, all lens design equations. By incorporating and customizing your own design formulas into the measurement equipment without any restrictions, you can demonstrate uniqueness in lens design and development, and by effectively using user-defined formulas In addition to speeding up development and manufacturing, significant cost savings can be achieved.
[0054]
By the way, in the said embodiment, although the case where the design formula preparation part was provided in the computer apparatus 4 side was demonstrated, of course, a design formula preparation part is built in another computer apparatus, and here it is a user's original shape design formula. Such a library file may be created, and the created library file may be stored in the library unit 13 of the computer device 4.
[0055]
Further, in the above-described embodiment, an example has been described in which information on design shape data related to a plurality of types of built-in shape design formulas incorporated in advance as standard is stored in the library unit 13 independently of the operation program unit 12. However, the calculation program unit 12 may include information on design shape data related to a plurality of types of built-in shape design formulas incorporated in the standard.
[0056]
Further, in the above embodiment, when performing probe correction and position correction, a partial differential expression that is a first-order differential expression of the shape design expression is used, but an approximate value thereof may be used. In this case, an approximate calculation formula is provided instead of the partial differential formula.
[0057]
In the above embodiment, the design parameter values in the shape design equation library file stored in the library unit 13 are separated from the design equation main body. However, they are integrated into the design equation main body. You can also.
[0058]
In the above-described embodiment, an example of a measuring instrument having a probe that obtains surface shape data by moving in contact with the shape surface of the object to be measured at a constant pressure has been described. It can also be applied to a general shape measuring instrument such as a measuring instrument that directly measures the shape by applying a laser beam. In this case, the probe correction described in the above embodiment is not necessary, About the structure of, it has the same structure.
[0059]
Furthermore, in the above embodiment, the case of a lens has been described as an object to be measured, but of course, the object to be measured other than the lens, for example, a lens mold, or a surface shape of a precision part can be applied. It is.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the shape measuring apparatus and the shape measuring method of the present invention, the shape design formula that is not incorporated in advance can be freely defined by the user in the design formula creation means. There is no need to create a unique data analysis program on the user side, and there is no need to develop an ultra-high accuracy shape measuring apparatus on the user side.
[0061]
In addition, it is not necessary for the manufacturer of the measuring device to prepare a data analysis program according to each user, and it is not necessary to manage the version of the measuring device, thus eliminating the burden of increasing expenses and increasing the capacity of the program. No worries.
[0062]
Furthermore, according to the processing apparatus and the processing method of the present invention, the shape of the object to be measured can be corrected quickly and accurately using the error data of the object measured by the shape measuring apparatus and the shape measuring method of the present invention. It can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part for explaining probe correction in the same shape measuring apparatus.
FIG. 3 is a diagram for explaining the contents of an execution program stored in a library unit in the same shape measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
M object to be measured S surface 1 probe 2 measurement unit 3 control unit 4 computer device 5 display unit 11 data processing unit 12 conversion program unit 13 library unit 14 design formula creation unit 21 basic program storage unit 22 definition formula creation unit

Claims

A measurement unit that detects the shape of the object to be measured processed based on the shape design formula, and the measurement shape data obtained by the measurement unit are input to the surface of the measurement object and the design shape data based on the shape design formula An arithmetic processing unit having data processing means for obtaining the difference, and
A library unit that stores a library file for calculating design shape data based on a shape design formula incorporated in advance, and a measurement shape that is read from the library unit and input from the measurement unit. A calculation unit that calculates a difference between the data and the design shape data, and a design parameter input unit that gives a design parameter value to the library file read from the library unit into the calculation unit ,
Furthermore, it has a design formula creation means capable of defining a new shape design formula other than the shape design formula incorporated in the library section and creating the library file,
A shape measuring apparatus configured to store the library file created by the design formula creating means in the library section.

The shape measuring apparatus according to claim 1 , wherein the library file for calculating the design shape data includes a partial differential expression of the shape design expression or an approximate calculation expression for calculating an approximate value of the partial differential expression.

The design formula creation means is a basic design formula storage unit that stores a basic design formula in which a predetermined coefficient is undefined, and the basic design formula is read from the basic design formula storage unit and a definition is given to the undefined coefficient. The shape measuring apparatus according to claim 1 , further comprising: a definition formula creating unit that creates a new shape design formula and converts the formula design formula into a library file.

It is configured to process the object measured by the shape measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3 based on shape design data obtained by a newly created shape design formula. Processing equipment.