JPH03186709A

JPH03186709A - 光学式形状測定方法

Info

Publication number: JPH03186709A
Application number: JP32613589A
Authority: JP
Inventors: Koji Nishimura; 孝司西村; Akira Arimoto; 昭有本; Toshio Honda; 本田　捷夫
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-18
Filing date: 1989-12-18
Publication date: 1991-08-14
Anticipated expiration: 2013-12-02
Also published as: JP2830943B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野１この発明は、光学反射面を有する任意の曲面形状を測定
する技術に関する。【従来の技術】従来、光学反射面の形状を測定する方法としては、機械
的な触針式面粗さ計を用いる方法、干渉計を用いる方法
、モアレ縞を用いる方法、あるいは三角測定法を用いた
光学的測定方法等が知られている。上記の各方法は、例えば、特開昭５７−６３０２号公報
、特開昭５７−１０４０６号公報、特開昭５８−１７２
５０６号公報、特開昭５８−１７２５０５号公報等に記
載されている。【発明が解決しようとする課題］上記の機械的な触針法は、測定に熟練を要し、さらに測
定時に被測定面を傷つける恐れがある。また、干渉計やモアレ縞を用いる方法は、測定も比較的
簡単であり、測定精度も良いが、被測定面が球面以外の
場合には、縞の数が増加して解析が困難になるという問
題がある。また、三角測定法の原理を利用した形状測定方法は、非
接触であるため非測定面に傷をつけることなく、解析も
容易であるが、従来方法では測定に用いられる光のビー
ム幅が大きいために反射光の位置を検出する際の受光感
度が悪く、反射光の位置決め精度が悪くなるという問題
があった。例えば、第４図の（Ａ−１）〜（Ａ−３）に
示すように、従来のごとく受光素子面上のビーム１３の
幅が受光素子７よりも大きいと、計測時に、受光素子の
移動に伴ってビーム１３が受光素子面上で移動しても（
Ａ−１）〜（Ａ−３）の範囲では、受光素子の出力は変
化しない。したがって受光素子の出力から中心位置を求
めるには熟練が必要であり、中心位置の精密な位置決め
を簡単に行うことは困難であった。本発明の目的は、被測定物の表面を傷つけることなく、
容易に高精度の形状測定を行うことのできる測定方法を
提供することにある。［課題を解決するための手段及び作用１上記の目的を遠
戚するため、本発明においては、特許請求の範囲に記載
するように構成している。すなわち、本発明においては、反射光の位置を検出する
受光素子の表面上に焦点を結ばせるように光学系を設定
することにより、上記受光素子表面上で反射光のビーム
幅が最小となるように設定したものである。また、本発明においては、上記受光素子の表面上におけ
るビーム幅を、少なくとも上記受光素子の幅より小さく
するように構成している。また、本発明においては、位置測定精度を更に向上させ
るため、上記受光素子として、互いに隣接する２個の素
子を用い、かつ、該２個の素子の出力の差を検出する差
動回路を設け、該作動回路の出力によって位置検出を行
うように構成している。〔作　用］本発明においては、反射光の位置を検出する受光素子の
表面上に焦点を結ばせるように光学系を設定することに
より、上記受光素子表面上で反射光のビーム幅が最小と
なるように設定しているので、位置測定精度を向上させ
ることができる。例えば、第４図（Ｂ−１）〜（Ｂ−３）に示すように、
ビーム幅が受光素子７よりも小さいビーム１４の場合に
は、（Ｂ−１）および（Ｂ−３）に示すように、ビーム
の一部が受光素子に当たっている場合と、（Ｂ−２）に
示すように、ビーム全体が受光素子に当たっている場合
とでは、受光素子の出力が異なり、（Ｂ−２）の場合に
最大出力となる。したがって位置決め精度は、前記（Ａ
−１）〜（Ａ−３）示した従来例よりも大幅に向上する
。また、上記受光素子として、互いに隣接する２個の素子
を用い、かつ、該２個の素子の出力の差を検出する差動
回路を設け、該作動回路の出力によって位置検出を行う
ように構成した場合には、更に測定精度を向上させるこ
とができる。例えば、第４図（Ｃ−１）〜（Ｃ−３）に
示すように、２個の受光素子７−１と７−２を隣接して
設け、それらの出力の差を求めると、ビーム１４が一方
の受光素子に偏っている場合には出力が検出されるが、
（Ｃ−２）に示すように、ビーム１４が２個の受光素子
の真中に位置した場合は出力がＯになる。したがって、
はじめ作動回路の検出出力が得られ、次にその出力がＯ
になった点を求めれば、正確な中心位置を極めて容易に
検出することができる。なお、通常の受光素子の幅（１辺の長さ）は数１００μ
ｍであるが、その場合、受光素子面上におけるビーム幅
を数１０μｍ程度にすると良好な結果が得られた。また、本発明の測定方法によれば、−通りの測定で、被
測定物表面の任意の点における局所的な曲率半径と被測
定物表面の全体形状を同時に求めることが可能である。〔実施例〕第１図は本発明の一実施例図である。第１図において、レーザ出射口１から出たレーザビーム
は、収光レンズ２及びコリメートレンズ３を通過し、ビ
ーム径が拡大された後、再び収光レンズ４を通過し、ミ
ラー５によって方向を変え。被測定物６の表面に照射される。そして被測定物６の表
面で反射し、受光素子７へ照射される。また、受光素子７は、スケール付きりニアレル８−１上
を移動することが出来るようになっており、その移動量
はインデイケータ９−１に表示される。同様に、被測定
物６もスケール付きリニアレール８−２上を移動するこ
とが出来るようになっており、その移動量はインデイケ
ータ９−２に表示される。上記の装置において、本発明では、上記各レンズ等の光
学系の位置を適当に調整し、受光素子７の表面上にレー
ザビームの焦点を結ばせることにより、被測定物表面で
反射したレーザビームを絞り込み、受光素子７表面での
ビーム幅を最小にするように構成している。さらに、前記第１図および第４図（Ｃ−１）〜（Ｃ−３
）に示したように、受光素子を２個並べて配置し、２個
の素子の出力の差を検出する差動回路を設け、該作動回
路の出力によって位置検出を行うように構成することに
より、反射光の位置決め精度を著しく向上させることが
出来る。次に、上記の装置を用いた三角測定法の原理について第
２図に基づいて説明する。第２図に示す測定原理図においては、被測定物６をＸ軸
方向にｄだけ移動させたときの反射光の移動量Ｕを知る
ことによって幾何学的に被測定曲面の曲率半径を求める
。測定は入射光１０に垂直な平面を観測面とし、被測定曲
面からの反射光１１が観測面１２と交わる位置を受光素
子を用いて求める。被測定曲面上の−６Ａを基準点とし、この場合の反射光
の位置をＢとする。ここで計算を簡単にするために、反
射光の位置Ｂが観測面の原点に一致するように被測定曲
面上の基準点を設定する。すなわち、このときの反射角はＯｏとなる。次に、被測
定物をＸ方向にｄだけ移動させた場合の反射光の位置を
Ｃとし、このときの移動量をＵ、反射角をθとする。ま
た、求めるべき被測定曲面の曲率半径をＲ１原点におけ
る被測定物表面と観測面との距離をＬとすると、曲率半
径Ｒは以下のようにして求めることができる。５ｉｎＯ＝　ｄ　／　Ｒ’；　ｅｔａｎ　２θ＝２０＝２ｄ／ＲＵ　＝（２Ｌ　ｄ　／Ｒ）＋　２　ｄ　（Ｒ−ｎ）／Ｒ
上記の式は、第２図から幾何学的に求めた原理式である
。次に、曲率半径及び全体形状の求め方について具体的に
説明する。ここでは被測定物のプロファイルを半径Ｒの
円とする。本方法は測定面の各点における接平面の傾斜角の変化に
よって反射光の方向が変化することを利用している。す
なわち、各点の反射光の方向を測定すれば、その点にお
ける傾きが判り、次にその傾きを積分することによって
被測定曲面の全体形状を求める。さらに、求めた面形状
に最適な円を最小二乗法によって求め、曲率半径を求め
る。上記の傾きｄ　ｙ　／　ｄ　ｘは下式によって求める。ｄｙ／ｄｘ＝ｔａｎθ−１−ｃｏｓ　　　　１＋ｃｏｓ
　　θただし、悲＝Ｌ＋　（Ｒ，−Ｊ下７）Ｒｏは設計値また、面形状は、面形状＝ｆ　（ｄ　ｙ／ｄ　ｘ）ｄ　ｘである。上記のごとき傾き、曲率半径および面形状をコンピュー
タ等を用いて実際に求める際のアルゴリズムを第３図に
示す。上記曲率半径の算出式から分かるように、被測定物の移
動量Ｘ、受光素子の移動量Ｕ及び原点における被測定物
表面と観測面の距離りを測定することにより、被測定物
表面の任意の点における局所的な曲率半径と全体形状を
同時に求めることが可能となる。上記の３個の変数ｘ、Ｕ、Ｌのうち、被測定物の移動量
Ｘは第１図のスケール付きリニアレール８−２のインジ
ケータ９−２の数値を読み取ることによって求められ、
また、原点における被測定物表面と観測面の距離りは予
め設定した値なので既知である。したがって反射ビーム
の移動量Ｕを求めることによって被測定物の曲率半径お
よび全体形状を求めることが出来る。上記の移動Ｊｉ［Ｊは受光素子７を移動させて求める。すなわち、第１図において、受光素子７をスケール付き
リニアレール８−１上を移動させ、反射ビームの中心位
置に一致するように受光素子を移動させる。このとき受
光素子が１個の場合は受光素子の出力が最大（第４図Ｃ
−２の状態）となり、２個の受光素子の差動出力の場合
はその出力がＯ（第４図Ｃ−２の状態）となることから
中心位置に一致したことが判る。そしてその位置におけ
るインデイケータ９−１の表示を読み取ることによって
移動量Ｕを求め、その値を上記の式に代入することによ
って曲率半径Ｒおよび全体形状を求めることが出来る。次に、具体的な測定例について説明する。（測定例１）まず、球面の測定について、曲率半径が予め分かってい
る玉軸受用鋼球の形状を測定し、本計測方法の測定精度
を調べた。最初に局所的な曲率半径を求めた。サンプルの送り量は
１０μｍピッチで総計１００μｍ、測定点数は４０ポイ
ントである。なお、本測定に用いた受光素子の幅（１辺
の長さ）は３５０μｍ１受光素子面上におけるビーム幅
は５０μｍである。第１表に上記の測定結果を示す。例えば、本発明を測定に適用したい非球面レンズの曲率
半径は下二桁までの正確な値を必要としているが、上記
第１表の結果を見ると、測定試験に用いた鋼球の曲率半
径は下三桁までは設計値と概ね合っており、十分実用に
耐えることが判る。次に、鋼球の全体形状を求め、それから曲率半径を算出
した結果を第２表に示す。測定範囲は前記に同じである
が、測定点数はＩＯポイントとし、１０次の多項式を作
り、最近似の円の半径を計算し、鋼球の曲率半径を求め
た。なお、測定は５回行なった。平均値　　１０．３１７２ｍｍ標準偏差　　０．０２９０１第２表の結果を見ると、求めるべき鋼球の曲率半径は下
二桁まで設計値と概ね合っている。したがって本発明の
測定方法は、非球面レンズの形状評価に使用できるもの
と判断出来る。（測定例２）次に、非球面レンズの曲率半径の測定結果を示す。サン
プルの送り量は、１０μｍピッチで総計１００μｍ、測
定点数は４０ポイントとした。第３表は局所的曲率半径の測定結果を示す図である。第３表　非球面レンズの曲率半径測定結果平均値　　４
９．２２２６ｍｍ標準偏差　　０．１１０５０次に、非球面レンズの全体形状を求め、それから曲率半
径を算出した結果を第４表に示す。測定範囲は前記に同
じであるが、測定点数は１０ポイントとし、１０次の多
項式を作り、最近似の円の半径を計算して曲率半径を求
めた。なお、測定は５回行なった。第４表　非球面レンズの曲率半径測定結果平均値　　４
９．２２３３ｍｍ標準偏差　　０．００７２８なお、本測定で用いた非球面レンズの曲率半径は、目標
とする設計値で４９．２２ｍｍである。以上の結果から、本発明の計測法を用いることにより、
非球面レンズの曲率半径を精度良く測定出来たことが分
かる。ただし、鋼球の曲率半径を測定した場合の標準偏
差と非球面レンズの場合のそれとを比較すると、必ず非
球面レンズの標準偏差の方が大きくなっている。これは
鋼球に比べて非球面レンズの加工精度が劣るため、曲率
半径のばらつきが大きいためである。次に、非球面レンズの曲率半径測定の比較例として、触
針式面粗さ計であるフォームタリサーフ（テーラーホブ
ソン社製）を用いて同一レンズの曲率半径を測定した。その結果は、４９．２４９ｍとなり、本発明の計測法に
比べて測定精度がやや劣ることが分かった。なお、測定
範囲はレンズ中心付近４ｍである。（発明の効果１上記に示したように、本発明の計測方法によれば、曲面
の形状を高精度で、しかも容易に測定することが可能と
なる。また、本計測方法はレーザビームの反射を利用し
た非接触式計測方法であるため、ガラスやプラスチック
などの傷がつきやすい材料の表面形状を測定するのに適
している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に用いる測定装置の一例図、第２図は本
発明の測定原理を示す図、第３図は本発明においてサン
プル形状のプロファイルを求めるアルゴリズムを示す図
、第４図は従来例と本発明におけるレーザビームの幅と
測定精度の関係を示す概念図である。〈符号の説明〉ｌ・・・レーザ出射口　　　　　２・・・収光レンズ３
・・・コリメートレンズ　　　４・・・収光レンズ５・
・・ミラー　　　　　　　　６・・・被測定物７．７−
１．７−２・・・受光素子８−１．８−２・・・リニアレール９−１．９−２・・・インデイケータ１０・・・入射光１１・・・反射光１２・・観測面１３．１４・・・レーザビーム

Claims

【特許請求の範囲】１、光学反射面を有する曲面の形状を測定する方法であ
って、被測定物表面にレーザビームを照射し、その反射
光の位置を検出し、三角測定法の原理を用いることによ
って被測定物の表面形状を測定する方法において、反射光の位置を検出する受光素子の表面上にレーザビー
ムの焦点を結ばせるように光学系を設定することにより
、上記受光素子表面上で反射光のビーム幅が最小となる
ように設定したことを特徴とする光学式形状測定方法。２、上記受光素子の表面上におけるビーム幅を、少なく
とも上記受光素子の幅より小さくするように設定したこ
とを特徴とする第１請求項に記載の光学式形状測定方法
。３、上記受光素子として、互いに隣接する２個の素子を
用い、かつ、該２個の素子の出力の差を検出する差動回
路を設け、該作動回路の出力によって位置検出を行うこ
とを特徴とする第１請求項に記載の光学式形状測定方法
。４、上記受光素子の表面上におけるビーム幅を、少なく
とも上記受光素子１個の幅より小さくするように設定し
たことを特徴とする第３請求項に記載の光学式形状測定
方法。