JP4802134B2 - 姿勢変化測定方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検面の移動に伴う該被検面の姿勢の変化を、干渉計を用いて測定する姿勢変化測定方法および装置に関する。

従来、被検面の傾斜角度を測定する方法としては、オートコリメータを用いるものが一般的であるが、干渉計を用いた測定方法も知られている。

干渉計を用いた測定方法は、被検面に照射した光束の戻り光を参照光と干渉させることにより得られる干渉縞画像に基づき、被検面の傾斜角度を求めるものであり、被検面の移動過程の複数時点で撮像された各干渉縞画像を比較解析することにより、被検面の移動前後の姿勢の変化を求めることが可能となる。

また、干渉計を用いる方法では、縞感度（角度感度）の較正を事前に行う必要があるが、所定の反射平面を備えた較正用治具を用いることにより、このような較正を容易に行うことが可能な方法が、本願出願人により提案されている（下記特許文献１、２参照）。

特開２００６−２８４３０４号公報 特願２００６−２８５７０７号明細書

近年、所定の回転軸回りに回転するような被検面（例えば、旋盤機の主軸先端面）の姿勢の変化量を３次元的に求めること、すなわち、被検面の姿勢の変化量を、互いに直交する３軸それぞれの軸回りの各回転角度（傾斜角度の変化量）に成分分解して求めることが要望されている。

しかしながら、オートコリメータや干渉計を用いた従来方法では、オートコリメータや干渉計の光軸と平行な軸回りの被検面の傾斜角度の変化に対する測定感度が低いので、上述のような３次元的な測定を高精度に行うことが難しいという問題がある。

また、被検面の３次元的な姿勢変化を、ホログラムを用いて測定する方法も知られているが、高精度な測定は望めないのが実状である。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、回転移動するような被検面の姿勢の変化を、３次元的かつ高精度に測定することが可能な姿勢変化測定方法および装置を提供することを目的とする。

本発明に係る姿勢変化測定方法は、被検面の移動に伴う該被検面の姿勢の変化を、干渉計を用いて測定するものであって、
各々の面法線の向きが互いに異なる２つの反射平面を有する測定用治具を、該２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように、前記被検面上に設置する測定用治具設置ステップと、
前記被検面が移動する過程の複数時点において、前記２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を、前記干渉計によりそれぞれ撮像する干渉縞画像撮像ステップと、
撮像された各々の前記干渉縞画像を解析することにより、前記２つの反射平面それぞれの前記面法線の向きの変化分、および前記２つの反射平面同士の交線の向きの変化分を求め、この求められた結果に基づいて、直交３軸回りの前記被検面の各回転角度を算定する回転角度算定ステップと、をこの順に行うことを特徴とする。

前記回転角度算定ステップにおいては、前記直交３軸のうちの１軸を、前記干渉計の光軸と平行に設定するとともに、前記交線の向きの変化分に基づき、前記第１軸回りの前記被検面の回転角度を算定し、前記２つの反射平面の各面法線の向きの変化分に基づき、前記直交３軸のうちの他の２軸回りの前記被検面の各回転角度を算定するようにすることができる。

また、本発明に係る姿勢変化測定方法は、前記被検面が所定の回転軸回りに回転移動するものである場合に好適である。

また、本発明に係る姿勢変化測定装置は、干渉計と解析装置とを備え、被検面の移動に伴う該被検面の姿勢の変化を測定するものであって、
各々の面法線の向きが互いに異なる２つの反射平面を有し、該２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように、前記被検面上に設置される測定用治具と、
前記被検面が移動する過程の複数時点において、前記２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を、前記干渉計によりそれぞれ撮像せしめる干渉縞画像撮像指令手段と、
撮像された各々の前記干渉縞画像を解析することにより、前記２つの反射平面それぞれの前記面法線の向きの変化分、および前記２つの反射平面同士の交線の向きの変化分を求め、この求められた結果に基づいて、直交３軸回りの前記被検面の各回転角度を算定する回転角度算定手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明に係る姿勢変化測定方法および装置によれば、被検面が移動する過程の複数時点において撮像された各々の干渉縞画像に基づき、被検面上に設置された測定用治具の２つの反射平面の各面法線および２つの反射平面同士の交線のそれぞれの向きの変化分を求め、その結果に基づいて、直交３軸回りの被検面の各回転角度を算定するように構成されていることにより、以下のような効果を奏する。

すなわち、干渉計を用いた従来の測定方法は、原理的には、被検面の面法線の向きという１つの情報に基づいて、被検面の姿勢の変化を解析するものである。また、被検面の傾斜情報が担持された適正な干渉縞画像を得るためには、被検面の面法線と干渉計の光軸とが互いに平行に近い状態となるように被検面を配置する必要があり、このことが、従来の測定方法において、干渉計の光軸と平行な軸回りの被検面の傾斜角度の変化に対する測定感度が低いことの原因となっている。

これに対し本発明は、原理的には、被検面上に設置された測定用治具の２つの反射平面の各面法線の向きおよび２つの反射平面同士の交線の向きという相異なる複数の情報に基づいて、被検面の姿勢の変化を解析するものである。また、２つの反射平面の各面法線と、２つの反射平面同士の交線とは互いに垂直な関係にあるので、２つの反射平面の各面法線が干渉計の光軸と平行に近い状態となる場合には、２つの反射平面同士の交線は干渉計の光軸と垂直に近い状態となる。このため、干渉計の光軸と平行な軸回りの被検面の傾斜角度の変化に対する測定感度も高くすることが可能である。

したがって、本発明に係る姿勢変化測定方法および装置によれば、被検面の姿勢の変化を３次元的かつ高精度に求めることが可能となる。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る姿勢変化測定装置の概略構成図であり、図２は図１に示す測定用治具の斜視図である。

図１に示す姿勢変化測定装置は、回転軸Ａを中心に回転する被検面５（例えば、旋盤機の主軸先端面）の姿勢の変化量を３次元的に求めるものであり、フィゾータイプの干渉計１と解析表示部２と測定用治具３とを備えてなる。なお、上記被検面５は、その回転軸Ａに対し略垂直に形成されており、また、回転軸Ａと上記干渉計１の光軸Ｃとが互いに略平行となるように配置されている。

上記干渉計１は、図１に示すように、高可干渉性の光束を出力する光源部１１と、該光源部１１から出力された光束のビーム径を拡大するビーム径拡大用レンズ１２と、光束分割面１３ａを有するビームスプリッタ１３と、該ビームスプリッタ１３からの光束を平行光束に変換するコリメータレンズ１４と、参照基準面１５ａを有する透過型の参照基準板１５とが、その光軸Ｃ上において、この順に配置されてなる。また、この干渉計１は、干渉縞画像を撮像するための結像レンズ１６およびＣＣＤ等の撮像素子１７ａを有する撮像カメラ１７を備えている。なお、上記参照基準板１５は、不図示のフリンジスキャンアダプタにより支持されており、該フリンジスキャンアダプタによって干渉計１の光軸Ｃの方向に微動せしめられることにより、光路上での参照基準面１５ａの位置を微小変化させ得るように構成されている。

上記解析表示部２は、図１に示すように、画像処理や縞解析等の各種演算処理を行う解析装置２１と、キーボード等の入力装置２２と、画像表示装置２３とを備えてなる。上記解析装置２１は、コンピュータ等により構成されており、各種プログラムを格納したメモリや、各種演算処理を行うＣＰＵ等を備えている。

上記測定用治具３は、図２に示すように、各々の面法線Ｎ_１，Ｎ_２の向きが互いに異なる２つの反射平面（第１の反射平面３１および第２の反射平面３２）と、該第１および第２の反射平面３１，３２の交線３３とを備えてなる。

この測定用治具３は、図１に示すように、被検面５上に載置固定されて使用されるものであり、被検面５上に設置された状態において、上記第１および第２の反射平面３１，３２の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を干渉計１により撮像し得るように構成されている。すなわち、参照基準板１５を透過して第１および第２の反射平面３１，３２に照射された光束の戻り光と、参照基準面１５ａで反射された参照光との干渉によって、第１および第２の反射平面３１，３２の傾斜情報を解析するのに適した干渉縞画像が得られるように、第１および第２の反射平面３１，３２の各面法線Ｎ_１，Ｎ_２の向きが設定されている。

また、この測定用治具３において、上記交線３３は、該測定用治具３の底面（被検面５上に載置されたときに被検面５と当接する面；図示略）と平行になるように設定されており、該測定用治具３が上記被検面５上に載置されたときに、上記交線３３と上記被検面５の回転軸Ａとが互いに略垂直となるようになっている。

なお、この測定用治具３は、前掲の特許文献１の図２に記載された較正用治具と類似した構成を有するものであるが、特許文献１に記載の較正用治具は、２つの反射平面の互いになす角度が所定の値に設定されていること（既知であること）が必要とされている点において、本発明の測定用治具３とは異なっている。

また、図１に示す姿勢変化測定装置は、上記被検面５が回転移動する過程の複数時点において、上記第１および第２の反射平面３１，３２の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を、上記干渉計１（の撮像カメラ１７）によりそれぞれ撮像せしめる干渉縞画像撮像指令手段と、撮像された各々の干渉縞画像を解析することにより、上記第１および第２の反射平面３１，３２の各面法線Ｎ_１，Ｎ_２の向きの変化分、および上記交線３３のそれぞれの向きの変化分を求め、この求められた結果に基づいて、図１に示す直交３軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸）回りの被検面５の各回転角度を算定する回転角度算定手段と、を備えている。なお、上述の干渉縞画像撮像指令手段、および面回転角度算定手段は、上記解析装置２１内のＣＰＵおよびメモリ内のプログラム等により構成される。

次に、本発明の一実施形態に係る姿勢変化測定方法について説明する。この本実施形態に係る姿勢変化測定方法は、上述の姿勢変化測定装置を用いて行われる。また、上記干渉計１の角度感度の較正や各光学部材のアライメント調整は、完了しているものとする。

〈１〉図１に示すように測定用治具３を、第１および第２の反射平面３１，３２の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を上記干渉計１により撮像し得るように、上記被検面５上に載置固定する（測定用治具設置ステップ）。

なお、縞解析に適した干渉縞画像を得るには、第１および第２の反射平面３１，３２の各面法線Ｎ_１，Ｎ_２と干渉計１の光軸Ｃとが互いに平行に近い状態（面法線Ｎ_１，Ｎ_２と光軸Ｃとのなす角度が、例えば、−０．０５度〜０．０５度の範囲）となるように、測定用治具３を設置することが好ましい。一方、このとき第１および第２の反射平面３１，３２の交線３３は、干渉計１の光軸Ｃに対し略垂直に配置されることとなる。

〈２〉被検面５を回転軸Ａ回りに回転移動せしめ、その回転移動する過程の複数時点において、上記第１および第２の反射平面３１，３２の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を、干渉計１により撮像する（干渉縞画像撮像ステップ）。

図３に上記干渉縞画像の一例を示す。図３に示す干渉縞画像４には、上記第１および第２の反射平面３１，３２それぞれの傾斜情報を担持した画像領域４１，４２が含まれている。

〈３〉撮像された各々の干渉縞画像を解析することにより、上記第１および第２の反射平面３１，３２の各面法線Ｎ_１，Ｎ_２の向きの変化分、および上記交線３３の向きの変化分を求め、この求められた結果に基づいて、上記直交３軸回りの被検面５の各回転角度を算定する（回転角度算定ステップ）。

なお、この回転角度算定ステップにおいては、撮像された各々の干渉縞画像（干渉縞画像４を含む）を解析するための直交座標系（直交３軸）を予め設定する。本実施形態では、図１に示すように、直交３軸のうちのＺ軸が干渉計１の光軸Ｃと平行となるように設定するとともに、他の２軸（Ｘ軸，Ｙ軸）が上記光軸Ｃに対し垂直となるように（Ｘ軸が紙面に対し垂直に、Ｙ軸が紙面と平行に）設定する。

以下、上記回転角度算定ステップにおける具体的な算定手順について、数式を用いて説明する。なお、以下の説明では簡単化のため、被検面５が回転移動する過程の所定の２つの時点（「第１の時点」および「第２の時点」と称する）においてそれぞれ撮像された干渉縞画像（「第１の干渉縞画像」および「第２の干渉縞画像」と称する）に基づき、解析を行う場合を例にとって説明する。

まず、上記第１の干渉縞画像を解析することにより、上記直交座標系において、上記第１の時点における上記第１の反射平面３１を表す方程式（下式（１））と、上記第２の反射平面３２を表す方程式（下式（２））とをそれぞれ求める。

ａ_１０ｘ＋ｂ_１０ｙ＋ｃ_１０ｚ＝ｄ_１０ …… （１）
ａ_２０ｘ＋ｂ_２０ｙ＋ｃ_２０ｚ＝ｄ_２０ …… （２）
ここで、ｘ，ｙ，ｚは上記直交座標系（図１参照）の座標を示し、ａ_１０，ｂ_１０，ｃ_１０，ａ_２０，ｂ_２０，ｃ_２０は、上記第１の時点における上記第１および第２の反射平面３１，３２の各面法線Ｎ_１，Ｎ_２の傾きに対応する係数を示す。

また、上式（１）、（２）に基づいて、上記第１の時点における上記第１および第２の反射平面３１，３２の交線３３の方向数ｐ_０，ｑ_０，ｒ_０を下式（３）〜（５）に示すように求める。

次に、上記第２の干渉縞画像を解析することにより、上記直交座標系において、上記第２の時点における上記第１の反射平面３１を表す方程式（下式（６））と、上記第２の反射平面３２を表す方程式（下式（７））とをそれぞれ求める。

ａ_１１ｘ＋ｂ_１１ｙ＋ｃ_１１ｚ＝ｄ_１１ …… （６）
ａ_２１ｘ＋ｂ_２１ｙ＋ｃ_２１ｚ＝ｄ_２１ …… （７）
ここで、ａ_１１，ｂ_１１，ｃ_１１，ａ_２１，ｂ_２１，ｃ_２１は、上記第２の時点における上記第１および第２の反射平面３１，３２の各面法線Ｎ_１，Ｎ_２の傾きに対応する係数を示す。

また、上式（６）、（７）に基づいて、上記第２の時点における上記第１および第２の反射平面３１，３２の交線３３の方向数ｐ_１，ｑ_１，ｒ_１を下式（８）〜（１０）に示すように求める。

次いで、上式（３）〜（５）、（８）〜（１０）に基づいて、上記第１および第２の時点の間における上記交線３３の向きの変化分（第１の時点における交線３３と第２の時点における交線３３とのなす角度）を、上記被検面５の上記Ｚ軸回りの回転角度Δφ_ｚとして、下式（１１）により求める。

次に、上式（１１）により求められたＺ軸回りの回転角度Δφ_ｚに基づき、上記第２の時点における上記第１の反射平面３１を表す上式（６）と、上記第２の反射平面３２を表す上式（７）の各係数ａ_１１，ｂ_１１，ｃ_１１，ａ_２１，ｂ_２１，ｃ_２１の値を、上記Ｚ軸回りの回転が無かった場合の値に補正する。

そして、補正された各係数ａ_１１，ｂ_１１，ｃ_１１，ａ_２１，ｂ_２１，ｃ_２１に基づいて、上記Ｘ軸回りおよび上記Ｙ軸回りの各回転角度Δφ_ｘ、φ_ｙを、下式（１２）または（１３）により求める。

なお、上記Ｚ軸回りの回転角度Δφ_ｚについては、下式（１４）または（１５）を用いて求めることも可能であるが、上式（１１）を用いた場合の方が、より高精度な算定を行うことが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、種々に態様を変更することが可能である。

例えば、上記実施形態においては、上式（１１）により求められた値（第１の時点における交線３３と第２の時点における交線３３とのなす角度）を、上記Ｚ軸回りの回転角度Δφ_ｚとしているが、これは、上記測定用治具３が上記被検面５上に載置されたときに、上記交線３３が上記干渉計１の光軸Ｃに対し略垂直になることを前提としたものである。このような前提が成立しない場合には、第１の時点における交線３３と第２の時点における交線３３とをＸＹ平面に射影し、射影されたそれぞれの交線のなす角度を、上記Ｚ軸回りの回転角度Δφ_ｚとすることが好ましい。

また、測定用治具についても、図３に示す態様のものに限られるものではなく、前掲の特許文献１の図４や図５に示す態様のものと同様のものを用いることができる。

また、上記実施形態においては、フィゾータイプの干渉計１を測定に用いているが、本発明は、マイケルソンタイプやマッハツェンダタイプ等の干渉計を用いるものにも適用することが可能である。

本発明の一実施形態に係る姿勢変化測定装置の概略構成図 測定用治具の斜視図 撮像された干渉縞画像の一例を示す図

符号の説明

１ 干渉計
２ 解析表示部
３ 測定用治具
４ 干渉縞画像
５ 被検面
１１ 光源部
１２ ビーム径拡大用レンズ
１３ ビームスプリッタ
１３ａ 光束分割面
１４ コリメータレンズ
１５ 参照基準板
１５ａ 参照基準面
１６ 結像レンズ
１７ 撮像カメラ
１７ａ 撮像素子
２１ 縞解析装置
２２ 入力装置
２３ 表示装置
３１ 第１の反射面
３２ 第２の反射面
３３ 交線
４１，４２ 画像領域
Ｎ_１ （第１の反射面の）面法線
Ｎ_２ （第２の反射面の）面法線
Ａ （被検面の）回転軸
Ｃ （干渉計の）光軸
Ｘ，Ｙ，Ｚ 直交３軸

Claims (4)

1. 被検面の移動に伴う該被検面の姿勢の変化を、干渉計を用いて測定する姿勢変化測定方法であって、
   各々の面法線の向きが互いに異なる２つの反射平面を有する測定用治具を、該２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように、前記被検面上に設置する測定用治具設置ステップと、
   前記被検面が移動する過程の複数時点において、前記２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を、前記干渉計によりそれぞれ撮像する干渉縞画像撮像ステップと、
   撮像された各々の前記干渉縞画像を解析することにより、前記２つの反射平面それぞれの前記面法線の向きの変化分、および前記２つの反射平面同士の交線の向きの変化分を求め、この求められた結果に基づいて、直交３軸回りの前記被検面の各回転角度を算定する回転角度算定ステップと、をこの順に行うことを特徴とする姿勢変化測定方法。
2. 前記回転角度算定ステップにおいては、前記直交３軸のうちの１軸を、前記干渉計の光軸と平行に設定するとともに、前記交線の向きの変化分に基づき、前記第１軸回りの前記被検面の回転角度を算定し、前記２つの反射平面の各面法線の向きの変化分に基づき、前記直交３軸のうちの他の２軸回りの前記被検面の各回転角度を算定する、ことを特徴とする請求項１記載の姿勢変化測定方法。
3. 前記被検面が所定の回転軸回りに回転移動するものである、ことを特徴とする請求項１または２記載の姿勢変化測定方法。
4. 干渉計と解析装置とを備え、被検面の移動に伴う該被検面の姿勢の変化を測定する姿勢変化測定装置であって、
   各々の面法線の向きが互いに異なる２つの反射平面を有し、該２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を前記干渉計により撮像し得るように、前記被検面上に設置される測定用治具と、
   前記被検面が移動する過程の複数時点において、前記２つの反射平面の各傾斜情報が担持された干渉縞画像を、前記干渉計によりそれぞれ撮像せしめる干渉縞画像撮像指令手段と、
   撮像された各々の前記干渉縞画像を解析することにより、前記２つの反射平面それぞれの前記面法線の向きの変化分、および前記２つの反射平面同士の交線の向きの変化分を求め、この求められた結果に基づいて、直交３軸回りの前記被検面の各回転角度を算定する回転角度算定手段と、を備えてなることを特徴とする姿勢変化測定装置。
   

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