KR101011203B1 - Three-dimensional shape measuring method - Google Patents
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Abstract
피측정물이 비구면 형상이어도 고정밀도로 측정 데이터를 취득할 수 있는 3차원 형상 측정 방법을 제공한다. 서로 직교되는 X축 방향 및 Y축 방향으로 구동되는 이동체에 Z축 방향으로 이동 가능하게 지지된 프로브를 피측정물 측정면에 소정 경로를 따라 주사시켜서 피측정물의 형상을 측정하는 3차원 형상 측정 방법이다. 피측정물의 기득 형상 정보로부터 얻어지는 주사 상의 각 위치에 있어서의 피측정물의 측정면의 법선 방향으로 그은 직선과 피측정물의 중심선이 교차되는 점을 중심으로 해서 피측정물의 표면 상 위치에서 피측정물의 표면 형상과 접하는 원을 근사원으로 하고, 그 근사원의 반경으로부터 피측정물의 측정 데이터를 취득하는 샘플링 피치를 산출한다. 이로 인해 피측정물의 표면 형상을 따르는 일정한 피치로 측정 데이터를 도입할 수 있다.Provided is a three-dimensional shape measuring method capable of acquiring measurement data with high accuracy even if the object under test has an aspheric shape. A three-dimensional shape measuring method of measuring a shape of an object to be measured by scanning a probe supported to be movable in the Z-axis direction on a moving object driven in an X-axis direction and a Y-axis direction orthogonal to each other along a predetermined path to be. The surface of the measurement object at a position on the surface of the measurement object, centered on the intersection of the straight line drawn in the normal direction of the measurement surface of the measurement object and the centerline of the measurement object at each position on the scan obtained from the acquired shape information of the measurement object. Using a circle in contact with the shape as an approximate circle, a sampling pitch for acquiring measurement data of the object to be measured is calculated from the radius of the approximate circle. This makes it possible to introduce the measurement data at a constant pitch along the surface shape of the object under test.
3차원 형상 측정 방법, 3차원 형상 측정 장치 3D shape measuring method, 3D shape measuring device
Description
본 발명은 비구면 렌즈 등의 광학 부품이나 금형 등의 피측정물의 표면을 주사하여 피측정물의 형상 측정이나 조도(粗度) 측정 등을 초고정밀도로 행하는 3차원 형상 측정 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
광학 부품이나 금형 등의 피측정물의 표면을 주사하여 피측정물의 형상을 고정밀도로 측정하는 방법으로서 3차원 형상 측정 장치의 이용이 이미 널리 알려져 있다. 일반적으로 3차원 형상 측정 장치는 접촉형 또는 비접촉형의 프로브를 피측정물에 접근시키고, 양자가 대략 일정한 거리 또는 대략 일정한 힘으로 되도록 프로브 위치를 제어하면서 상기 피측정물의 측정면을 따라 상기 프로브를 이동시켜 상기 피측정물의 측정면 형상을 측정하는 것이다.The use of a three-dimensional shape measuring apparatus has already been widely known as a method of scanning the surface of an object to be measured, such as an optical component or a mold, to accurately measure the shape of the object to be measured. In general, a three-dimensional shape measuring apparatus approaches a probe of a contact type or a non-contact type to an object to be measured, and controls the probe position along the measuring surface of the object while controlling the probe position so that both are approximately at a constant distance or approximately constant force. It moves to measure the shape of the measurement surface of the object under test.
이러한 3차원 형상 측정 장치의 하나로서 레이저 측장기와 기준 평면 미러를 이용한 3차원 형상 측정 장치가, 예를 들면 일본 특허 공개 2006-105717호 공보에 개시되어 있다. 이 3차원 형상 측정 장치에 대해 도 9를 이용하여 설명한다.As one of such three-dimensional shape measuring devices, a three-dimensional shape measuring device using a laser measuring instrument and a reference plane mirror is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 2006-105717. This three-dimensional shape measuring apparatus will be described with reference to FIG. 9.
3차원 형상 측정 장치(20)는 석정반(1) 상에 설치된 렌즈 등의 피측정물(2)의 측정면(2a)에 X축 방향, Y축 방향, Z축 방향으로 이동 가능한 원자간력 프로 브(5)의 선단을 추종시켜 피측정물(2)의 측정면 형상을 측정하도록 구성되어 있다. 여기에서, 피측정물(2)을 탑재하는 석정반(1)에는 X 스테이지(9) 및 Y 스테이지(10)를 통해 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동 가능한 이동체(3)가 놓여지고, 이 이동체(3)에 Z축 방향으로 이동 가능한 Z축 이동체(11)가 부착되며, 또한 이 Z축 이동체(11)에 상기 원자간력 프로브(5)가 부착되어 있다. 그리고, 이동체(3)를 X축 방향, Y축 방향으로 이동시켰을 때에 Z축 이동체(11) 및 원자간력 프로브(5)가 Z축 방향으로 이동됨으로써 피측정물(2)의 측정면(2a)의 형상에 추종하여 원자간력 프로브(5)를 주사할 수 있는 구성으로 되어 있다.The three-dimensional
석정반(1)에는 지지부를 통해 X 참조 미러(6), Y 참조 미러(7), Z 참조 미러(8)가 배치되어 있음과 아울러 이동체(3)에는 레이저 측장 광학계(4)가 설치되어 있고, 기지의 광간섭법에 의해 X 참조 미러(6)를 기준으로 한 프로브(5)의 X 좌표, Y 참조 미러(7)를 기준으로 한 프로브(5)의 Y 좌표, Z 참조 미러(8)를 기준으로 한 프로브(5)의 Z 좌표가 각각 측장된다.An
이러한 3차원 형상 측정 장치(20)에 있어서의 3차원 형상의 측정 순서에 대해 이하에 설명한다. 처음으로, 피측정물(2)의 측정면(2a)에 있어서의 형상에 관한 설계 정보를 3차원 형상 측정 장치(20)에 부속되는 연산 처리 장치에 입력한다. 다음으로, 프로브(5)를 피측정물(2)의 측정면(2a)에 일정한 측정압으로 추종시키고, 일본 특허 공개 평2-254307호 공보에 기재되어 있는 방법 등으로 측정면(2a)의 중심 맞추기를 행한다. 다음으로, 측정면(2a) 상에 있어서 프로브(5)를 2차원 방향(X축 및 Y축 방향) 또는 1차원 방향(X축 방향 또는 Y축 방향)으로 면주사 또는 선주 사하여 높이 방향 데이터(Z)를 구해 피측정물(2)의 측정면(2a)의 형상을 측정한다.The measurement procedure of the three-dimensional shape in such a three-dimensional
형상을 측정할 때에는 프로브(5)의 주사 방향을 따른 일정한 고정된 샘플링 피치를 미리 설정해 두고, 샘플링 피치마다 측정 데이터를 취득한다. 여기에서 말하는 프로브(5)의 주사 방향이란 2차원 방향(X축 및 Y축 방향) 또는 1차원 방향(X축 방향 또는 Y축 방향)이고, X-Y 평면 상의 이동 거리이다. 예를 들면, X축 방향만의 1차원 방향으로 선주사하는 경우에는 프로브(5)가 X축 방향으로 이동한 거리에 의해 소정값마다 측정 데이터를 도입하게 되어 있다.When measuring the shape, a fixed fixed sampling pitch along the scanning direction of the
상기한 바와 같이 프로브(5)의 주사 방향을 따른 샘플링 피치를 미리 설정하고나서 측정하는 경우, 피측정물(2)의 형상에 관계없이 일정한 샘플링 피치로 측정 데이터를 취득하게 된다. 즉, 예를 들면 미러와 같이 평면에 가까운 형상을 갖는 피측정물(2)을 측정하는 경우에도, 예를 들면 렌즈와 같이 측정면의 경사각이 60deg.(60도)를 초과하는 각도를 갖는 피측정물(2)을 측정한 경우에도 마찬가지(일정)의 샘플링 피치로 도입된다.As described above, when measuring the sampling pitch along the scanning direction of the
그러나, 이 경우에 미러와 같이 평면에 가까운 형상을 갖는 피측정물(2)을 측정한 경우, 프로브(5)의 주사 방향을 따른 샘플링 피치가 소정의 값으로 고정되어 있으면 표면 형상을 따른 샘플링 피치로 치환해 보아도 일정한 간격으로 측정 데이터를 취득하게 되지만, 렌즈와 같이 측정면의 경사 각도가 예를 들면 60deg.를 초과하는 각도를 갖는 피측정물(2)을 측정한 경우, 프로브(5)의 진행 방향에 일정한 피치로 고정된 샘플링 피치를 피측정물(2)의 표면 형상을 따른 샘플링 피치로 치환해 보면 X-Y 평면에 대한 피측정물(2)의 표면 형상의 경사로 나타내어지는 경 사 각도에 의해 실제로 프로브(5)가 이동하는 3차원의 샘플링 피치가 변화되고, 경사 각도가 큰 부분이 될수록 샘플링 피치가 커져 버린다.However, in this case, when the measured
예를 들면, 도 10에 나타내는 바와 같은 반경(R)=5㎜인 구면을 X축 방향으로 선주사하여 측정하는 경우를 생각한다. 여기에서, 이동체(3)를 X축 방향만의 1차원 방향으로 이동시키면서 프로브(5)에 의해 주사하는 경우, 프로브(5)의 진행 방향인 X축에 대하여 s'=0.1㎜의 등피치로 샘플링을 행하도록 설정하면 s'=s1'=s2'=…=sn'이라는 조건으로 측정 데이터가 취득된다. 피측정물(2)인 구면의 정점 부근의 경사 각도가 비교적 작은 부근에서는 표면 방향을 따른 피치(s1)도 대략 0.1㎜의 피치로 간주할 수 있다. 그러나, 정점으로부터 X축 방향으로 4.3㎜ 이동한 경우, 피측정물 표면의 경사 각도는 약 60deg.가 되는데, 그 위치에서의 샘플링 피치(sn')를 피측정물(2)의 표면 방향을 따른 피치(sn)로 치환하면 피치(sn)는 0.2㎜로 넓어져 버린다. 이는 피측정물(2)의 표면의 경사 각도가 커질수록 표면을 따른 피치(이동량)가 넓어져 버리는 것을 의미하고 있고, 실제 프로브(5)의 이동량에 편차가 있는 상태에서 피측정물(2)의 표면 형상을 측정하게 되어 바람직하지 못하다.For example, consider the case where a spherical surface having a radius R of 5 mm as shown in FIG. 10 is pre-scanned and measured in the X-axis direction. Here, when scanning by the
이러한 문제에 대처 가능한 샘플링 피치를 결정하는 별도 방법으로서 피측정물의 표면 상태의 판정 결과에 따라 파라미터를 결정하는 방법이, 예를 들면 일본 특허 공개 2005-345123호 공보에 기재되어 있다.As another method of determining the sampling pitch capable of coping with such a problem, a method of determining a parameter in accordance with the result of the determination of the surface state of the object under test is described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-345123.
여기에서, 표면 상태란 프로브의 진행 방향을 따른 상기 피측정물 표면의 표면 방향 변화율, 곡률 반경, 조도, 물결 중 적어도 어느 하나이고, 샘플링 피치 외에도 프로브의 진행 속도 등을 표면 상태의 판정 결과에 따라 조정함으로써 측정 시간의 단축, 또는 측정 정밀도의 향상으로 연결된다.Here, the surface state is at least one of the surface direction change rate, the radius of curvature, the roughness, and the wave of the surface of the object to be measured along the traveling direction of the probe, and the traveling speed of the probe in addition to the sampling pitch is determined according to the determination result of the surface state. By adjusting, it leads to shortening of measurement time or improvement of measurement precision.
특허문헌 3에 있어서는 표면 상태의 하나인 곡률 반경을 샘플링 피치를 결정하는 파라미터로서 이용하는 것이 기재되어 있고, 예를 들면 구면을 X축 방향으로 선주사하여 측정하는 경우, 상기 표면 상태의 하나인 곡률 반경을 샘플링 피치를 결정하는 파라미터로서 이용하는 경우를 생각하면 프로브의 진행 방향인 X축 방향에 대하여 항상 일정한 곡률 반경을 갖고 있기 때문에 표면을 따른 주사 위치를 좌표로 한 경우에 표면을 따른 샘플링 피치를 일정하게 하면서 측정하는 것이 가능해진다.In patent document 3, it is described that using the radius of curvature which is one of a surface state as a parameter which determines a sampling pitch. For example, when measuring a spherical surface in the X-axis direction by pre-scanning, the radius of curvature which is one of the said surface states is described. Considering the case where the sampling pitch is used as a parameter for determining the sampling pitch, since it always has a constant radius of curvature with respect to the X-axis direction, which is the direction in which the probe travels, the sampling pitch along the surface is made constant when the scan position is coordinated along the surface. It becomes possible to measure.
그러나, 도 11에 나타내는 바와 같은 비구면 형상을 갖는 렌즈를 일례로 해서 X축 방향으로 선주사하여 측정하는 경우를 생각하면 표면 형상을 따라 일정한 샘플링 피치로 측정 데이터를 취득하는 것이 어렵다. 이 점에 대해 이하에 기술한다. 이 일례로서 든 렌즈는 정점인 원점을 지나는 법선을 중심축으로 해서 회전 대칭인 비구면 형상을 갖고, 직경이 19㎜, Z축 방향의 변화량이 약 3.5㎜인 렌즈이다. 이 렌즈의 각 주사 위치에서 있어서의 곡률 반경을 구하면, 도 12에 나타내는 바와 같이, 곡률 반경이 서서히 변화되어 있고, 중심 부근의 곡률 반경이 약 16㎜인 것에 대하여 외주 부근의 곡률 반경은 약 8㎜가 되어 있어 반 정도의 곡률 반경으로까지 변화되어 있다. 여기에서, 도 12에 있어서의 가로축은 비구면 형상인 피측정물의 반경 방향의 위치(좌표)를 나타내고 있다. 상기 방법에 의해 결정되는 샘플링 피치는, 도 13에 나타내는 바와 같이, Rmin으로부터 Rmax까지 곡률 반경에 따라 서서히 변화되어 가기 때문에 중심에 가까운 곡률 반경이 큰 부분의 샘플링 피 치에 비해 중심으로부터 먼 곡률 반경이 작은 부분의 샘플링 피치가 작아지게 되어 표면 형상을 따라 일정한 샘플링 피치로 측정 데이터를 취득하는 것이 어렵다.However, considering the case where a lens having an aspheric shape as shown in Fig. 11 is taken as an example and pre-scanned in the X-axis direction, it is difficult to obtain measurement data at a constant sampling pitch along the surface shape. This point is described below. The lens mentioned as this example is a lens which has an aspherical shape which is rotationally symmetrical with the normal line passing through the origin which is a vertex as a center axis, and has a diameter of 19 mm and a change amount of about 3.5 mm in the Z-axis direction. When the radius of curvature at each scanning position of this lens is found, as shown in Fig. 12, the radius of curvature is gradually changed, and the radius of curvature of the outer circumference is about 8 mm while the radius of curvature near the center is about 16 mm. It changes to half radius of curvature. Here, the horizontal axis in FIG. 12 has shown the position (coordinate) of the radial direction of the to-be-tested object which is aspherical. As shown in Fig. 13, the sampling pitch determined by the above method gradually changes depending on the radius of curvature from Rmin to Rmax, so that the radius of curvature far from the center is larger than the sampling pitch of the portion with the large radius of curvature close to the center. The sampling pitch of a small portion becomes small, making it difficult to acquire measurement data at a constant sampling pitch along the surface shape.
여기에서, 도 13에 있어서 (1) Rmin=8㎜, Rmax=16㎜, 샘플링 피치 Lmin=0.1㎜, Lmax=0.2㎜로 가정한 경우, 및 (2) Rmin=8㎜, Rmax=16㎜, 샘플링 피치 Lmin=0.09㎜, Lmax=0.11㎜로 가정한 경우에, 도 11에 나타낸 피구면 형상을 갖는 렌즈를 X축 방향으로 선주사하여 측정할 때 샘플링 피치는 도 14와 같이 변화되면서 측정을 행하게 된다. 샘플링 피치의 설정을 바꿈으로써 등피치에 가까운 형상으로 측정할 수는 있게 되지만, 표면 형상을 따라 일정한 샘플링 피치로 측정 데이터를 취득하는 것이 어렵다.Here, in FIG. 13, when (1) Rmin = 8 mm, Rmax = 16 mm, sampling pitch Lmin = 0.1 mm, Lmax = 0.2 mm, and (2) Rmin = 8 mm, Rmax = 16 mm, In the case where the sampling pitch Lmin = 0.09mm and Lmax = 0.11mm are assumed, when the lens having the spherical shape shown in FIG. 11 is measured by pre-scanning in the X-axis direction, the sampling pitch is changed as shown in FIG. . By changing the setting of the sampling pitch, it is possible to measure in a shape close to the equal pitch, but it is difficult to obtain the measurement data at a constant sampling pitch along the surface shape.
상술한 바와 같이, 종래의 측정 방법에서는 광학 부품이나 금형 등 중에서 비구면 형상을 갖는 피측정물(2)에 대해서는 피측정물(2)의 표면 형상을 따라 일정한 샘플링 피치로 설정할 수 없기 때문에 고정밀도로 측정 데이터를 취득하는 것이 어렵다.As described above, in the conventional measurement method, the
본 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로, 피측정물이 비구면 형상을 갖는 것이어도 매우 고정밀도로 측정 데이터를 취득할 수 있는 3차원 형상 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.This invention solves the said subject and an object of this invention is to provide the three-dimensional shape measuring method which can acquire a measurement data with very high precision, even if an object to be measured has an aspherical shape.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 3차원 형상 측정 방법은 측정 데이터를 취득하는 샘플링 피치에 대해 설계 데이터 등의 피측정물의 기득(旣得) 형상 정보로부터 피측정물의 표면 형상을 따라 일정한 간격으로 측정 데이터를 취득할 수 있도록 프로브의 주사 방향을 따른 샘플링 피치를 산출해 나가고, 그 값을 기준으로 결정되는 샘플링 피치를 이용하여 측정 데이터를 취득한다.In order to solve the above problems, the three-dimensional shape measuring method of the present invention measures the sampling pitch for acquiring measurement data at regular intervals along the surface shape of the object from the acquired shape information of the object to be measured, such as design data. The sampling pitch along the scanning direction of a probe is calculated so that data can be acquired, and measurement data is acquired using the sampling pitch determined based on the value.
즉, 피측정물의 기득 형상 정보로부터 얻어지는 주사 상의 각 위치에 있어서의 피측정물의 측정면의 법선 방향으로 그은 직선과 피측정물의 중심선이 교차되는 점을 중심으로 해서 피측정물의 표면 상 위치에서 피측정물의 표면 형상과 접하는 원을 근사(近似)원으로 하고, 그 근사원의 반경으로부터 피측정물의 측정 데이터를 취득하는 샘플링 피치를 산출하는 것을 특징으로 한다.That is, the measured object is measured at the position on the surface of the measured object centered on the point where the straight line drawn in the normal direction of the measuring surface of the measured object at each position on the scan obtained from the acquired shape information of the measured object intersects with the centerline of the measured object. A circle in contact with the surface shape of water is used as an approximate circle, and a sampling pitch for acquiring measurement data of the object to be measured is calculated from a radius of the approximated circle.
보다 상세하게는, 설계 데이터 등의 피측정물의 기득 형상 정보로부터 피측정물의 표면 형상을 따라 일정한 간격으로 측정 데이터를 취득할 수 있는 샘플링 피치를 산출하는 방법으로서, 프로브가 주사하는 각 위치에서의 피측정물의 표면 형상의 경사 각도와 그 위치에서 근사적으로 구해지는 근사원의 반경으로부터 산출하는 방법이다. 근사원을 구하는 방법으로서는 프로브가 주사하는 각 위치에서의 표면 형상의 법선과 피측정물의 설계 데이터 등으로부터 알 수 있는 피측정물의 원 점을 지나는 법선이 교차되는 점을 작성하고, 그 점을 중심으로 해서 피측정물의 표면 상의 각 위치에서 표면 형상과 접하는 원을 근사원으로서 결정한다. 이 근사원의 반경을 이용하여 그 다음에 측정 데이터를 취득하는 위치를 계산하고, 계산 결과로부터 프로브의 주사 방향인 X-Y 평면 상의 샘플링 피치를 순차 결정해 나간다. 즉, 근사원의 원호에 해당하는 부분의 거리가 표면 형상에 걸친 거리와 동일 거리가 되도록 중심각의 각도를 산출하고, 상기 각도에 기초하여 표면 위치로부터 근사원을 따라 소정 거리만큼 나아간 곳이 다음 샘플 피치의 점으로 하여 프로브의 샘플링 피치를 구한다. 이로 인해 피측정물의 표면 형상을 따른 피치가 일정해지도록 설정할 수 있다.More specifically, as a method of calculating a sampling pitch for acquiring measurement data at regular intervals along the surface shape of the object under measurement from the acquired shape information of the object under measurement, such as design data, the object at each position scanned by the probe It is a method of calculating from the inclination angle of the surface shape of a workpiece and the radius of the approximation circle calculated | required approximately at the position. As a method for obtaining an approximation circle, a point where a normal crossing the origin of the measurement object, which can be known from the surface shape normal at each position scanned by the probe, and the design data of the measurement object intersect, is created. Thus, the circle contacting the surface shape at each position on the surface of the object to be measured is determined as an approximate circle. Using the radius of this approximation circle, the position which acquires a measurement data is calculated next, and the sampling pitch on the X-Y plane which is a scanning direction of a probe is sequentially determined from a calculation result. That is, the angle of the center angle is calculated so that the distance of the portion corresponding to the circular arc of the approximate circle is equal to the distance over the surface shape, and the next sample is moved from the surface position along the approximate circle by the predetermined distance based on the angle. The sampling pitch of the probe is obtained as the pitch point. Thus, the pitch along the surface shape of the object to be measured can be set to be constant.
본 발명의 3차원 형상 측정 방법에 의하면 피측정물의 형상이 비구면 형상인 경우에도 측정 위치의 경사 각도에 상관없이 표면 형상을 따라 일정한 샘플링 피치로 데이터를 도입할 수 있기 때문에 매우 고정밀도로 측정 데이터를 취득할 수 있다.According to the three-dimensional shape measuring method of the present invention, even when the object to be measured has an aspherical shape, data can be introduced at a constant sampling pitch along the surface shape regardless of the inclination angle of the measurement position, so that the measurement data can be obtained with high accuracy. can do.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 형상 측정 방법에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이 3차원 형상 측정 방법에 이용하는 3차원 형상 측정 장치의 구조에 대해서는 도 9에 나타낸 종래의 3차원 형상 측정 장치와 마찬가지이므로 이에 관해서는 설명을 생략한다. 또한, 3차원 형상 측정 장치의 각 구성 요소에는 같은 부호를 첨부한다.Hereinafter, a three-dimensional shape measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, since the structure of the three-dimensional shape measuring apparatus used for this three-dimensional shape measuring method is the same as that of the conventional three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 9, it abbreviate | omits description about this. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to each component of a three-dimensional shape measuring apparatus.
본 발명에 있어서의 3차원 형상 측정 방법에 대해 도 1에 나타내는 플로우 차트를 이용하여 설명한다. 우선, 피측정물(2)의 설계 정보(형상 정보를 포함함), X-Y축 방향을 따른 속도, 주사 범위 등의 프로브(5)의 동작 조건, 표면 형상을 따른 샘플링 피치 등을 연산 처리 장치에 입력한다(스텝 S1~S3). 다음으로, 형상 측정 전단계로서 프로브(5)를 피측정물(2)의 측정면에 일정한 측정압으로 추종시켜 피측정물(2)의 중심 부근을 주사한 결과와 설계 데이터 등의 형상 정보를 기준으로 하여 중심 맞추기를 행한다(스텝 S4). 중심 맞추기 후 형상 측정을 행한다. 이 형상 측정은 미리 설정한 속도 등의 동작 조건에 기초하여 X 스테이지(9) 및 Y 스테이지(10)를 구동시켜서 프로브(5)를 Z축 방향으로 이동 가능하게 지지하는 이동체(3)를 X-Y축 방향으로 이동시킨다(스텝 S5). 이로 인해 피측정물(2)의 Z축 방향의 형상 변화에 추종하여 프로브(5)가 Z축 방향으로 이동한다(스텝 S6). 이때의 X축, Y축, Z축의 각 축 방향의 좌표값을 미리 설정해 둔 샘플링 피치에 따라 측정 데이터를 취득해 나간다(스텝 S7, S8). The three-dimensional shape measuring method in this invention is demonstrated using the flowchart shown in FIG. First, the design information (including shape information) of the
그때의 측정 데이터의 취득 방법은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 피측정물(2)의 설계 정보를 취득(입력)한(스텝 S11) 후에 우선은 측정 전에 피측정물(2)의 표면 형상을 따른 샘플링 피치를 결정(입력)하지만(스텝 S12), 피측정물의 표면 형상을 따른 피치로서 설정한 샘플링 피치(s)를 기준으로 프로브의 진행 방향인 X-Y축 방향으로 이동한 거리에 대한 샘플링 피치(s')로 미리 치환해 두고, 실제 측정시에는 s'를 기준으로 하여 프로브(5)를 X-Y축 방향으로 이동시킨 거리를 기준으로 하여 측정 데이터를 취득해 나간다.In the acquisition method of the measurement data at that time, after acquiring (input) design information of the measurement target object 2 (step S11), the surface shape of the
여기에서, 피측정물(2)의 표면 형상을 따른 일정한 샘플링 피치(s)로 측정 데이터를 도입하도록 설정한 경우의 프로브(5)의 진행 방향인 X-Y축 방향으로 이동한 거리에 치환되는 샘플링 피치(s')의 결정 방법에 대해 설명한다. 우선은 프로브(5)를 X축 방향만의 1차원 방향으로 선주사하여 측정 데이터를 취득할 때의 방법에 대해 설명한다.Here, the sampling pitch replaced by the distance moved in the XY axis direction, which is the traveling direction of the
도 3에 나타내는 바와 같이, 프로브(5)의 진행 방향인 X-Y축 방향으로 이동하는 거리에 치환되는 샘플링 피치(s')를 결정하기 위해, 우선은 피측정물(2)의 표면 형상에 걸친 거리로서 설정한 샘플링 피치(s)와, 설계 데이터 등의 피측정물(2)의 기득 표면 형상 정보로부터 계산되는 피측정물(2)의 표면 형상의 경사 각도(θ)와, 표면 형상의 접선 방향으로 그은 직선으로부터 샘플링 피치(s')를 구해 나가는 경우를 생각한다. 여기에서는 프로브(5)를 X축 방향으로 선주사하여 측정하는 경우에 대해, 그 샘플링 피치(s')의 산출 방법에 대해 설명한다. 구체적으로는, 우선 표면 형상의 소정 위치에 접선을 긋는다. 다음으로, 그 접선을 그은 위치로부터 다음 측정 데이터를 취득하는 위치의 방향을 향해 접선의 길이가 샘플링 피치(s)와 같아지는 위치를 구하고, 이 위치까지의 프로브(5)의 이동 거리를 X-Y축 방향으로 이동한 거리에 치환되는 샘플링 피치(s')로서 결정해 나간다.As shown in FIG. 3, first, in order to determine the sampling pitch s' substituted for the distance moving in the XY axis direction, which is the travel direction of the
즉, 피측정물(2)의 경사 각도가 θ인 위치에서의 진행 방향의 이동량(샘플링 피치)(s')을 계산하면 That is, when the amount of movement (sampling pitch) s' in the advancing direction at the position where the inclination angle of the
s'=s·cosθs' = s
의 관계가 성립한다.The relationship is established.
이 식으로부터 피측정물(2)의 경사 각도(θ)에 따라 진행 방향을 따른 샘플 링 피치(s')의 설정을 간단한 계산으로 행할 수 있다.From this equation, the sampling pitch s' along the travel direction can be set by simple calculation according to the inclination angle θ of the
그러나, 이 식에 의해 샘플링 피치(s')를 설정한 경우, 취득한 측정 데이터는 피측정물(2)의 경사 각도가 커질수록 실제 표면 형상을 따른 샘플링 피치가 커지고, 설정한 샘플링 피치에 비해 오차가 커진다. 예를 들면, 반경 5㎜인 구면을 측정한 경우를 생각한다. 이때의 조건으로서 X축 방향을 따른 1방향만의 선주사의 경우를 생각하여 표면 형상을 따른 샘플링 피치를 0.1㎜로 설정하여 측정한 경우를 생각한다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 경사 각도(θ)가 커짐에 따라 표면 형상을 따른 실제 샘플링 피치(s)의 오차가 커져 버리기 때문에 피측정물(2)의 표면의 경사 각도(θ)만으로 샘플링 피치(s')를 결정해도 표면 형상을 따른 등피치로의 측정은 어렵다.However, when the sampling pitch s' is set by this equation, the acquired measurement data has a larger sampling pitch along the actual surface shape as the inclination angle of the
그래서, 본 발명의 3차원 형상 측정 방법에서는 상기 피측정물(2)의 표면의 경사 각도(θ)를 이용하여 산출하는 것(스텝 S13)에 추가로 표면의 접선을 그은 위치에서 표면 형상과 접하는 근사원을 설정하고, 그 근사원의 반경(R')을 이용하여 X-Y축 방향으로 이동한 거리에 치환되는 샘플링 피치(s')의 계산을 행한다(스텝 S14~S16). 이로 인해 보다 등피치로 측정(스텝 S17)이 가능해진다.Therefore, in the three-dimensional shape measuring method of the present invention, in addition to calculating using the inclination angle θ of the surface of the measurement target object 2 (step S13), the surface contact is made in contact with the surface shape at a position where the tangent of the surface is drawn. The approximate circle is set, and the sampling pitch s 'substituted for the distance moved in the XY axis direction using the radius R' of the approximate circle is calculated (steps S14 to S16). As a result, the measurement (step S17) can be carried out at the same pitch.
이 방법에 대해 보다 상세하게 설명하고, 이 경우에도 마찬가지로 프로브(5)를 X축 방향으로 선주사하여 측정하는 경우에 대해 설명한다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 우선은 피측정물(2)의 설계 데이터 등의 형상 정보로부터 표면 위치(Xi, Zi)에 있어서의 경사 각도(θi)를 구한다. 여기까지는 상기 방법과 변함없다. 다음 으로, 표면 위치(Xi, Zi)에 있어서의 경사 각도(θi)를 참조하여 법선 방향의 직선을 구한다. 또한, 피측정물(2)의 원점을 지나는 피측정물(2)의 중심선(T)을 구하고, 이들 2개의 직선이 교차되는 점을 작성한다. 이 점을 Pi(0, Z0i)로 하고, 이 점(Pi)을 중심으로 하여 피측정물(2)의 표면 위치(Xi, Zi)에서 피측정물(2)의 표면과 접하는 원을 작성하며, 이 원을 근사원으로 한다. 중심점(Pi(0, Z0i))과 표면 위치(Xi, Zi)의 거리가 근사원의 반경(Ri')이 되므로 Ri'은 This method will be described in more detail, and in this case as well, the case where the
Ri'=Xi/sinθi R i '= X i / sinθ i
로부터 산출할 수 있다. 이 원이 근사적으로 피측정물(2)의 형상을 나타낼 수 있다고 간주하고, 원호에 해당하는 부분의 거리가 표면 형상에 걸친 거리로서 설정된 샘플링 피치와 동일 거리가 되도록 각도(α)를 산출한다. 샘플링 피치(s)와 근사원 반경(R'), 및 각도(α)에는 다음 관계가 있다.It can be calculated from It is assumed that this circle can approximate the shape of the
s=R'·α s = R'α
이렇게 하여 산출한 각도(α)에 기초하여 표면 위치(Xi, Zi)로부터 반경(R')의 원을 따라 거리(s)만큼 나아간 곳이 다음 샘플 피치의 점(Xi+1, Zi+1)으로 하여 이 값을 구한다. 이 위치는 피측정물의 표면 상 위치와는 엄밀하게는 어긋나 있기 때문에 Xi의 좌표를 다음에 측정 데이터를 취득하는 점으로서 설정한다. 이렇게 하면 X-Y축 방향으로 이동한 거리에 치환되는 샘플링 피치(s')는On the basis of the angle α calculated in this way, the point X X + 1 , Z of the next sample pitch is moved from the surface position X i , Z i by the distance s along the circle of the radius R '. i + 1 ) to obtain this value. Since this position is strictly different from the position on the surface of the object to be measured, the coordinate of X i is set as a point to acquire measurement data next. In this case, the sampling pitch s' substituted for the distance moved in the XY axis direction is
s'=Xi +1-Xi s' = X i +1 -X i
가 되고, 이 계산을 순차 반복해 나감으로써 X-Y축 방향으로 이동한 거리에 치환되는 샘플링 피치(s')를 결정할 수 있다.By sequentially repeating this calculation, the sampling pitch s' substituted for the distance moved in the X-Y axis direction can be determined.
여기에서, 도 11에 나타내는 바와 같은 비구면 형상을 갖는 렌즈를 피측정물(2)의 일례로 하여 XX축 방향으로 선주사해서 측정하는 경우를 생각한다. 이 피측정물(2)의 일례로서 든 렌즈는 정점인 원점을 지나는 법선을 중심축으로 해서 회전 대조한 비구면 형상을 갖는다. 이러한 형상을 갖는 피측정물(2)은 원점을 지나는 법선은 중심축과 일치하기 때문에 근사원의 중심은 (0, Z0i)가 된다.Here, the case where the lens which has an aspherical surface shape as shown in FIG. 11 is pre-scanned in the XX axis direction and measured as an example of the to-
상기 표면 좌표(Xi, Zi)는 근사원의 중심(Pi)을 원점으로 한 새로운 좌표에서 생각하면 (Ri'·sinθ, Ri'·cosθ)이 된다. 근사 반경의 중심을 원점으로 한 각도(α)의 회전을 생각하는 경우, 다음 샘플링 위치의 계산식은 The surface coordinates (X i, Z i) is the one to think in the new coordinate of the approximate center of the circle (P i) to the reference point (R i '· sinθ, R i' · cosθ). Considering the rotation of the angle α with the origin of the approximate radius as the origin, the formula for the next sampling position is
이 된다. 여기에서, 상기 식으로부터 도출된 표면 좌표(Xi+1)로부터 상기와 마찬가지로 표면 좌표(Xi+1)에 있어서의 피측정물(2)의 근사원의 곡률 반경 및 경사 각도를 구하고, 그 값을 기준으로 다음 샘플링 위치(Xi+2)를 정해 나간다. 이러한 계산을 순차 반복해 나가고, 이것을 기준으로 미리 X-Y축 방향을 따른 피치로 변환하고 나서 측정을 행함으로써 측정 데이터를 보다 등피치로 취득할 수 있다.Becomes Here, from the surface coordinates (X i + 1 ) derived from the above formula, the radius of curvature and the inclination angle of the approximate circle of the
이렇게 하여 샘플링 피치를 결정했을 때에 비구면의 표면 형상을 따른 피치와의 오차에 대해 종래예와 비교하면서 도 6에 나타낸다. 여기에서는 도 11에 나타낸 비구면 형상을 갖는 렌즈를 피측정물(2)의 대상으로 하여 정점인 원점을 지나는 법선을 중심축으로 해서 회전 대칭인 비구면 형상을 갖고, 직경이 19㎜, Z축 방향의 변화량이 약 3.5㎜인 렌즈이다. 프로브(5)의 주사 방법은 X축 방향을 따른 1방향만의 선주사를 행하는 경우에 대해 검토했다. 도 6에 있어서의 종래예(1)이란 미리 프로브(5)의 주사 방향인 X축 방향을 따른 샘플링 피치를 고정값으로 설정해 두고 샘플링 피치마다 측정 데이터를 취득하는 종래의 방법이며, 샘플링 피치를 0.1㎜로 고정하여 측정 데이터를 취득했을 때의 결과이다. 종래예(2)는 피측정물의 표면의 곡률 반경으로부터 샘플링 피치를 변화시키면서 측정 데이터를 취득하는 방법으로, 도 13에 있어서의 설정값을 Rmin=8㎜, Rmax=16㎜, 샘플링 피치 Lmin=0.09㎜, Lmax=0.11㎜로 설정했을 경우에 측정 데이터를 취득했을 때의 결과이다. 이에 대하여, 표면 형상을 따른 샘플링 피치를 설정했을 때에 상기 방법으로 X-Y축 방향을 따른 피치로 변환하고나서 측정 데이터를 취득한 경우, 비구면 형상을 갖는 렌즈를 측정했을 때에 대해서는 실제로는 측정 데이터 취득 위치의 오차 등에 의해 나노미터 오더에서의 오차가 발생하지만, 대략 일정한 피치로 고정밀도로 측정 데이터를 취득할 수 있었다는 것을 알 수 있었다.In this way, when determining the sampling pitch, it shows in FIG. 6, comparing with the conventional example about the error with the pitch along the aspherical surface shape. In this case, the lens having the aspherical surface shown in Fig. 11 is rotated symmetrically aspheric with a normal line passing through the origin, which is the vertex, as a target of the
또한, 상기 측정 방법에 관한 설명은 X축과 평행하게 프로브(5)를 이동, 또는 Y축과 평행하게 프로브(5)를 이동과 같이 1방향만으로 프로브(5)를 주사하는 선 주사 측정의 경우로 설명했지만, 그 밖의 주사 방법도 적용 가능하다. 우선, 첫 번째 방법으로서, 도 7(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 원주 형상으로 측정을 반복함으로써 표면 형상을 주사하는 방법이 있다. 이 측정은 X-Y축 방향으로 서로 직교하고 있는 Z축과 평행하게 회전 대칭축을 갖고, 그 축을 중심으로 해서 회전 대칭인 형상을 갖는 피측정물(2)을 측정하는 경우에 유효한 측정 방법이다. 이 측정에서는 회전 대칭축을 중심으로 해서 원을 그리도록 프로브(5)가 이동하고, 미리 설정한 샘플링 피치에 기초하여 측정 데이터를 취득한다. 이때에 설정하는 샘플링 피치는 프로브(5)의 X-Y축 방향으로의 이동 거리가 일정해지도록 설정, 또는 프로브(5)가 X-Y축 방향으로 이동한 궤적이 그리는 원을 등분할하도록 샘플링 피치를 설정해 두는 방법이어도 좋다. 1주회가 종료되면 프로브(5)가 이동한 궤적으로 그려진 원의 법선 방향을 따라 일정량만큼 이동하고, 그 후에 또한 프로브(5)의 궤적이 원을 그리도록 주사하면서 측정 데이터를 취득해 나간다. 이때의 프로브(5)가 이동한 궤적으로 그려진 원의 법선 방향을 따라 일정량만큼 이동하는 양을 피드량이라 한다. 이 피드량만큼 프로브(5)가 이동한 후에는 또한 조금 전과 마찬가지로 원점 둘레로 원을 그리도록 X 스테이지(9) 및 Y 스테이지(10)를 이동해 나가는 것이다. In addition, the description about the said measuring method is the case of the line scan measurement which scans the
이 측정의 경우, 주사시에 작성되는 원의 법선 방향으로의 이동량인 피드량으로서 상기 샘플링 피치를 산출한 방법에 의해 경사 각도에 따른 피드량을 설정함으로써 피측정물(2)의 표면 형상을 따라 일정한 피드량을 설정할 수 있다. In the case of this measurement, it sets along the surface shape of the to-
구체적인 방법으로서, 원주 형상으로 주사할 때의 개시점을 X축 상의 +측으로부터 개시하여 X-Y 평면 상에서 반시계 방향으로 원을 그리는 주사를 행한다. 1 주회한 후에 다시 X축 상까지 프로브(5)가 이동해 온 시점에서 소정의 피드량만큼 이동시키고, 또 X축 상의 +측으로부터 원주 상에 주사를 개시하는 것이지만, 이때의 피드량을 결정할 때에는 이 X축 상의 개시점을 결정함에 있어서 피측정물(2)의 경사 각도와 근사원으로부터 산출한 양을 피드량으로서 결정한다. 이 방법에 의해 예를 들면 X-Z 평면으로 단면을 작성한 경우에 단면 상의 측정 위치를 연결시켜 나가면 상기 축 방향으로만 스테이지가 이동했을 때와 마찬가지로 표면 형상을 따라 일정한 샘플링 피치로 측정 데이터를 도입할 수 있다. As a specific method, a scan is performed in which a circle is started in the counterclockwise direction on the X-Y plane, starting from the + side on the X axis when the scanning point is scanned in the columnar shape. After the first round, the
다음으로, 두 번째 방법으로서 예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 프로브(5)의 이동을 Y축 방향으로는 고정된 상태에서 X축 방향으로만 이동시키고, 미리 설정한 샘플링 피치에 기초하여 측정 데이터를 취득한다. 소정 구간의 측정이 종료되면 Y축 방향으로 일정량만큼 프로브(5)를 이동시킨다. 이 이동량을 피드량으로 한다. 그 후에는 조금 전과 마찬가지로 X축 방향으로 프로브(5)를 이동시켜 측정하는 것을 반복해 나간다.Next, as a second method, for example, as shown in FIG. 8, the movement of the
이때의 샘플링 피치의 결정 방법은, 예를 들면 도 8의 경우에 있어서는 주사시에 작성되는 선분을 지나는 X-Z 평면으로 단면을 작성하고, 그 단면 상에서 산출되는 경사 각도와 근사원의 반경을 구함으로써 각 선분 상에서의 샘플링 피치를 결정해 나갈 수 있다.In this case, for example, in the case of Fig. 8, the cross section is created by the XZ plane passing through the line segment created at the time of scanning, and the inclination angle calculated on the cross section and the radius of the approximate circle are determined. The sampling pitch on the line segment can be determined.
또한, 이때의 피드량에 대해서는, 상기 원주 형상으로 측정하는 첫 번째 방법과 마찬가지로, 상기 샘플링 피치를 산출한 방법에 의해 경사 각도에 따른 피드량을 결정해도 좋다.In addition, about the feed amount at this time, you may determine the feed amount according to the inclination angle by the method which computed the said sampling pitch similarly to the 1st method of measuring in the said cylindrical shape.
또한, 상기 실시예에서는 기득 설계 정보로서 설계 데이터의 형상 정보를 이용한 경우를 기술했지만 이에 한정되는 것은 아니고, 기득 설계 정보로서 피측정물을 측정함으로써 얻어진 형상 데이터의 정보를 이용해도 좋다.In addition, although the case where the shape information of design data was used as acquisition design information was described in the said Example, it is not limited to this, You may use the information of the shape data obtained by measuring a to-be-measured object as acquisition design information.
본 발명의 3차원 형상 측정 방법은 3차원 형상 측정 장치 외에도 표면 조도 측정기 등에도 이용할 수 있다.The three-dimensional shape measuring method of the present invention can be used for surface roughness measuring instruments and the like in addition to the three-dimensional shape measuring apparatus.
도 1은 본 발명의 실시예인 3차원 측정 방법의 측정 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.1 is a flowchart illustrating a measuring method of a three-dimensional measuring method according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시 형태인 표면 형상을 따라 일정한 간격으로 측정 데이터를 취득하기 위한 샘플링 피치를 결정하는 플로우 차트이다.2 is a flowchart for determining a sampling pitch for acquiring measurement data at regular intervals along the surface shape which is an embodiment of the present invention.
도 3은 피측정물의 각 위치에서의 경사 각도에만 의해 샘플링 피치를 변환하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a method of converting a sampling pitch only by the inclination angle at each position of the object to be measured.
도 4는 피측정물의 각 위치에서의 경사 각도에만 의해 샘플링 피치를 변환하는 방법으로 구면을 측정한 경우에 발생하는 샘플링 피치의 오차량을 나타내는 도면이다.4 is a diagram showing an error amount of a sampling pitch generated when a spherical surface is measured by a method of converting the sampling pitch only by the inclination angle at each position of the object to be measured.
도 5는 피측정물의 각 위치에서의 경사 각도, 근사원으로부터 샘플링 피치를 변환하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a method of converting a tilt angle at each position of a measurement object and a sampling pitch from an approximate circle.
도 6은 피측정물의 각 위치에서의 경사 각도, 근사원으로부터 샘플링 피치를 변환하는 방법으로 실제로 비구면을 측정했을 때에 발생한 오차량을 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a diagram showing an error amount generated when an aspherical surface is actually measured by a method of converting an inclination angle at each position of a measurement target and a sampling pitch from an approximate circle.
도 7의 (a) 및 (b)는 각각 피측정물을 원주 형상으로 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 사시도 및 평면도이다.7 (a) and 7 (b) are a perspective view and a plan view schematically illustrating a method of measuring a measurement target in a columnar shape, respectively.
도 8의 (a) 및 (b)는 각각 피측정물을 Y축 방향으로 일정량 이동시키면서 X축 방향으로 반복하여 측정하는 방법을 개략적으로 나타낸 사시도 및 평면도이다.8A and 8B are respectively a perspective view and a plan view schematically illustrating a method of repeatedly measuring the measured object in the X-axis direction while moving a certain amount of the measured object in the Y-axis direction.
도 9는 3차원 형상 측정 장치의 구성예를 나타내는 사시도이다.9 is a perspective view illustrating a configuration example of a three-dimensional shape measuring device.
도 10은 종래의 3차원 형상 측정 방법으로 측정 데이터를 취득한 경우의 샘플링 피치를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the sampling pitch at the time of acquisition of measurement data by the conventional three-dimensional shape measuring method.
도 11은 비구면 형상을 갖는 렌즈의 일례의 사시도이다.11 is a perspective view of an example of a lens having an aspheric shape.
도 12는 도 11에 나타내는 렌즈의 곡률 반경의 변화를 나타내는 도면이다. It is a figure which shows the change of the radius of curvature of the lens shown in FIG.
도 13은 종래의 방법에 있어서의 곡률 반경과 샘플링 피치의 관계를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the relationship between the radius of curvature and a sampling pitch in the conventional method.
도 14는 도 13에 나타내는 각종 조건을 설정한 경우에 프로브의 이동량과 샘플링 피치의 관계를 나타내는 도면이다.It is a figure which shows the relationship between the amount of movement of a probe, and a sampling pitch when various conditions shown in FIG. 13 are set.
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