JPS63243708A - 形状測定装置 - Google Patents

形状測定装置

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JPS63243708A
JPS63243708A JP62077755A JP7775587A JPS63243708A JP S63243708 A JPS63243708 A JP S63243708A JP 62077755 A JP62077755 A JP 62077755A JP 7775587 A JP7775587 A JP 7775587A JP S63243708 A JPS63243708 A JP S63243708A
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Keiichi Yoshizumi
恵一 吉住
Tsugio Murao
村尾 次男
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    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • GPHYSICS
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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 本発明は、面の形状を測定する三次元の形状測定装置に
関し、例えば、レーザ光を被測定面上に集光し、この反
射光から被測定面の形状を0.01μm台の超高精度で
測定する光学プローブのように、直交座標測定だけでは
大きな傾きを持つ面の測定ができないプローブを使用し
た測定機で、大きな傾きを持つ面も測定し、正しい直交
座標測定データが得られるようにした測定装置に関する
ものである。
従来の技術 従来、非球面レンズの形状測定のように0.1μm以下
の精度で測定しなければいけない用途に使える適切な測
定器はなかった。即ち、接触型プローブを備えた三次元
測定機は測定精度が不十分であったし、トワトマングリ
ーンとかフィゾー等の干渉計では測定精度は高くても救
面しか側れない等の問題があった。
そこで、測定精度が十分高く、非球面も測定できる測定
機として考えられたものが特開昭69−79104号公
報や特開昭9211号公報に記されている被測定面上に
光を集光し、反射光から面形状を測定する光プローブを
利用した測定機である。
しかしながら、これらの測定機でも、直交座標測定だけ
では大きな傾き角を持った面の測定ができないという問
題点があった。即ち、NA=0.6という大きな開口数
を持ったレンズを使用しても精度良く測定できるのは被
測定面の傾きが±25゜程度までであった。
接触型プローブにおいても、大きな傾きを持つ面の測定
には球状のプローブが必要であるが、ミクロンオーダー
の小さい半径の先端を持つプローブは大きな傾きを持つ
面の測定はできない。
一方、ディー・ピザ−(D、Visser)らによるモ
ールス アンド メジャーメンツ フォア レプリケー
ト アスフエリック レンズ フォアオプティカル レ
コーディング(Molds andmeasureme
nts for rep’1icate aspher
iclenses for optical reco
rding) 、アプライド オプティク、x、 (A
ppiied 0ptics)Vol、24 。
p184B−1862に記されているように大きな面の
傾きを持つ非球面形状を測定するために極座標測定機と
いって、非球面の近似球面の中心を中心に回転させて、
角度と回転中心からの距離を測定するような測定機が発
表されている。ところが、形状を測るということは、直
交座標を得るということあって、この測定機においては
、回転中心の位置に関する情報が得られないために、正
確な直交座標が得られない、つまり、正確な測定ができ
ないという問題があった。
発明が解決しようとする問題点 本発明は上記の光プローブ等の、被測定面の傾きが一定
角度(例えば25°)までしか測定できないという問題
点と、従来の極座標測定機の回転中心がわからない為に
正確な測定ができないという問題点を解決しようとする
ものである。
問題点を解決するための手段 本発明は、上記間頃点を解決するために、直交座標測定
機に極座標測定機能を付は加え、被測定面上の第一の点
列の、直交座標系X、Y、Z上での座標値列と、前記被
測定面上の第二の点列の、極座標系R(半径)、Q(角
度)での座標値列が、それぞれ測定値として得られ、前
記、第一の点列の一部の点列Aと第二の点列の一部の点
列Bが、同一平面上にあることを可能とする手段を備え
、極座標系の点列Bの座標列を直交座標系に座標変換し
た座標列が作る被測定物の断面形状が直交座標系の点列
Aが作る被測定物の断面形状に一致するように、極座標
測定の回転中心位置の直交座標を求めて座標し、前記第
二の点列のすべてを同様の座標変換によって直交座標に
変換することによって、極座標測定データを正しく直交
座標系に変換する手段を備えたものである。
作用 本発明は上述のように直交座標測定機に極座標測定機能
を付は加え、直交座標測定できる部分のみ直交座標測定
を行い、その結果、直交座標の測定値のわかっている部
分を含めて、直交座標測定のできない傾きの大きな面ま
で極座標測定を行い、直交座標の測定値のわかっている
部分に極座標測定の測定値の直交座標への座標変換値が
一致するように極座標測定の回転中心を求めて、極座標
測定値全体に対して正しい座標変換を行い、結果的に傾
きの大きな面に対しても直交座標の測定データが得られ
るような作用を有する。
実施例 第1図が本発明の第一実施例の形状測定装置の構成図を
示す。X−Y−Z測定光学系2はX、Yステージ3,4
上をモータ1によってX、Y方向に移動し、X−Y−Z
測定光学系に取り付けられたZステージ5に本実施例で
の測定プローブである対物レンズ6が取り付けられ、被
測定面7からこの対物レンズまでの距離がほぼ一定にな
るようにフォーカスサーボによって対物レンズが2方向
に動く。X−Y−Z測定光学系は特開昭62−9211
号公報「光学測定装置」、特開昭61−106408号
公報「光学測定装置」等に詳しく記載されているとおり
であるので、ここでは詳細な説明は省略する。
X−Y−Z測定光学系は測定精度が0.01〜O,O5
μmと超高精度な測定が可能であるが、直交座標測定だ
けでは被測定面の傾きが±25°までしか測定できない
。そこで、傾きが±25’を越える被測定面を測定する
時には、被測定面の近似球面の中心付近を通り、Y軸に
平行な軸を中心に被測定面をエアースピンドル9上で回
転させる。駆動はモータ1で行い、極座標の回転角Qは
ロータリーエンコーダ10で検出し、半径RはZ測定光
学系で測定する。第2図が被測定物に対する測定座標系
を示す。
次に本実1m 1FIJの形状測定装置で、周辺の傾き
が例えば66°と大きい非球面レンズ面を測定する時の
測定プロセスを説明する。測定光学系をX軸方向にのみ
動かす測定をX−Z測定、Y軸方向のみに動かす測定を
Y−Z測定と呼ぶことになる。
第2図で破線で示す経路は傾きが±260以内のx−Z
とY−Zの測定経路である。一方、一点鎖線で示した経
路が極座標測定経路であって、面の傾きの大きなレンズ
の周辺まで伸びてはいるが、面の傾きが±26°以内の
部分では、x−2の直交座標測定経路と一致している。
なお、第2図では線が重なるとわかりにくいので、少し
位置をずらせて書いている。極座標測定値は直交座標に
変換しなければならない。回転軸がY軸と平行なので、
Y座標はゼロか一定値であるので考える必要はなく、R
(半径)Q(角度)座標をX−Zに変換すればよい。第
3図はx−Z測定した点列Aが作る平面上での点9列A
をつなぎあわせた被測定面の断面形状Afと、極座標測
定した点列Bを座標変換した座標列(xp、Zp)をつ
なぎあわせた形状Bf  を示す。これらは同じ所の測
定値であるが、当初は図のようにこれらの形状は一致し
ない。そこで形状AfとB1が一致するようにRoの値
や極座標測定の回転中心の座標を求める手順を示す。
X−X座標系の原点が極座標測定の回転中心にあるなら
ば、次式が成立する。
X = R51nQ           (1)Z=
RcosQ           (謁この座標変換に
より極座標測定値はX−Z測定値と完全に一致するはず
である。
ところが測定当初は回転中心の座標はわからないので第
3図に示すように、x−Z測定時の直交座標の原点は、
極座標測定の回転中心ではなく。
0=oの時の被測定面上の一点Fにおく。Fの位置は、
例えば被測定面が凸面の場合被測定面の先端、凹面の場
合は底に選ぶと便利である。
極座標測定においては、Q=oの時の測定位置を直交座
標測定の原点Fとし、その時のRの値をRoとする。た
だし、Ro の値はわからないので、R−Ro、、、、
dRとして、極座標画定値はQとdRである。
上記直交座標測定時の座標系での、極座標測定の回転中
心Cの座標を(xc r Zo)、直iCFとZ軸のな
す角をQCとすると、極座標測定値は1,2式から次式
のように直交座標に変換できる。
X十Xc=(R0+dR)sin(Q十Qc)    
     (3)Z+Z、=(R0+dR)cos(Q
+Qc)      (4)とこで、XC,Z、は次式
で表わされる。
X  =−R5inQ Co    C Z=−RcosQ OC まず、3,4式で、未知数R0の値を被測定面の設計値
の近似球面の半径、Q0=0 とおいて点列Bの極座標
測定座標列を座標変換した座標列(xp、zp)を求め
る。
これらをつなぎあわせた形状をBfとする。
次に、断面形状Af と形状BfのX座標がプラスの位
置でのX座標の差と、X座標がマイナスの位置でのX座
標の差が等しくなるようなQoの値を最少二乗法で求め
、3,4式で座標変換した座標列(xp′、Zp′)を
つないだ形状811は第4図のようになる。
次に形状Af とBfが一致するようにRoの値を最少
二乗法で求め、3,4式で座標変換する。
以上により、極座標測定値全体を正しく直交座標に変換
でき、第6図のように直交座標測定した点列と極座標測
定した点列を座標変換したものは完全に同じ断面形状A
f上に重なる。
但し、厳密に言うと、測定誤差がらればその分だけ極座
標測定値と直交座標測定値は一致させられず、測定誤差
として残る。また、極座標測定した点列Bと直交座標測
定した点列Aを同一平面上にするというのも、機械精度
等の範囲内においてであって、その範囲内で測定精度に
問題となるほどの形状の差がないことがあらかじめわが
っていれば、わずかに測定位置がずれても、本発明が適
用できる。
直交座標測定で測定可能な傾きの範囲は±25゜に限ら
ず、測定プローブによって変わるが、同様のプロセスで
極座標測定値を直交座標測定値に変換できるのも当然で
ある。
本実施例の説明において、Y座標はゼロか一定値とした
が、極座標測定位置はどこであっても同じ付近を直交座
標測定できれば同様の座標変換ができる。また、直交座
標測定を三次元測定機で示したが、x−Zのみの二次元
測定機にも適用できることも言うまでもない。
発明の効果 このように、本発明は、面の形状を測定する三次元測定
機に関し、レーザ光を被測定面上に集光し、この反射光
から被測定面の形状を0.01μm台の超高精度で測定
する光学プローブや、接触型プロ・−ブで、先端が小さ
いプローブのように、直交座標測定だけでは大きな傾き
を持つ面の測定ができないプローブを使用した測定機で
も、精度を落とさずに大きな傾きを持つ面の測定ができ
、直交座標測定データが得られるという大きな効果を有
する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明第一実施91Jの形状測定装置の構成を
示すブロック図、第2図は同形状測定装置の測定座標系
と測定経路を説明する模式図、第3図、第4図、第5図
は同形状測定装置の測定値の処理プロセスを示す特性図
である。 1・・・・・・モータ、2・・・・・・x−y−z測定
光学系、3・・・・・・Xステージ、4・・・・・・Y
ステージ、6・・・・・・Z移動台、θ・・・・・・対
物レンズ、7・・・・・・被測定面、8・・・・・・微
調台、被測定面ホルダー、9・・・・・・エアースピン
ドル、10・・・・・・ロータリーエンコーダ、14・
・・・・・角度駆動装置、16・・・・・・角度測定値
出力、16・・・・・・X、Y、Z軸モータ駆動装置、
17・・・・・・測定値出力X−Y−Z(dR)。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 はが1名′1
jS3図 C,I、Xc、ごCノ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)被測定面上の第一の点列の直交座標系X、Y、Z
    軸上での少なくとも2軸の座標値列と、前記被測定面上
    の第二の点列の極座標系R(半径)、Q(角度)での座
    標値列を、それぞれ測定値として得、前記第一の点列の
    一部の点列Aと第二の点列の一部の点列Bが、ほぼ同一
    平面内にあることを可能とした形状測定装置。
  2. (2)極座標系の点列Bの座標列を直交座標系に座標変
    換した座標列が作る被測定物の断面形状が直交座標系の
    点列Aが作る被測定物の断面形状に一致するように、極
    座標測定の回転中心位置の直交座標を求めて座標変換し
    、前記第二の点列のすべてを同様の座標変換によって直
    交座標に変換することによって、極座標測定データを正
    しく直交座標系に交換する手段を備えた特許請求の範囲
    第1項記載の形状測定装置。
JP62077755A 1987-03-31 1987-03-31 形状測定装置 Expired - Lifetime JPH0629715B2 (ja)

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JPH0629715B2 JPH0629715B2 (ja) 1994-04-20

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