JP3768822B2 - 三次元測定装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粗面を有する被測定物の連続した曲面の三次元形状を光プローブを用いて非接触で測定する三次元測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば球面レンズの製造工程において使用される三次元測定装置は、その加工工程において凹凸の粗さを有するレンズブランクの表面形状を三次元的に測定し、その研削工程において球面レンズの表面形状を三次元的に測定する。この種の装置の測定方式としては、光プローブを利用した反射アクティブ方式、光の入射位置、入射角度等を利用した三角測量法方式、モアレを利用した非接触方式をなどが知られている。
【０００３】
反射アクティブ方式の装置は、レーザー光源からのレーザー光を被測定物に照射し、その反射光が焦点に結像するようにレーザー光源を駆動し、分割した受光素子で結像を検出して座標を測定する。三角測量法方式の装置は、レーザー光の出射部とこの出射部に対して或る角度で対向する受光部とから成り、受光部の受光素子に入射したレーザー光の入射位置、入射角度、及び出射部との距離から座標を測定する。そして、非接触方式の装置は被測定物に格子模様を投影し、この投影した格子模様を別体のＣＣＤカメラで撮影し、格子模様の変化を読み取って座標を測定する。
【０００４】
これらの装置は光を被測定物の表面に照射し、反射光を処理することによって被測定物の表面を測定するので、被測定物が４０度を超える急峻な表面を有する場合には、一般に被測定物の表面に照射した光は受光素子、受光部等に戻らず、被測定物の表面の形状を測定することが困難になる。
【０００５】
これに対し、特開平１０−３１８７２９号公報で開示されている測定方法は、光の干渉を利用して上述の問題を解決している。即ち、この測定方法は１つ前の測定位置における被測定物の表面の平均高さを記憶しておき、この平均高さを基準とする所定の範囲にだけ検出器を測定面に対して垂直走査して、被測定物の表面の形状を測定する。従って、平均高さが検出器の測定視野内での測定可能幅よりも大きい場合でも、被測定物の表面の形状を短時間で測定することが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、平均高さが検出器の測定視野内にある場合でも、被測定物の急峻な表面で照射した光は検出器に戻らないので、被測定物の表面の形状を測定することが不可能である。即ち、被測定物が検出器の受光能力以上に傾斜した表面を有する場合には、その部分を測定できないので、被測定物の表面の全体を測定することが不可能である。
【０００７】
本発明の目的は、上述の従来の技術に鑑み、被測定物が急峻な表面を有する場合でも、被測定物の表面の全体を測定し得る三次元測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る三次元測定装置は、Ｘθ、Ｙθ方向に回転するＸθ、Ｙθステージと、これらのＸθ、Ｙθステージをそれぞれ微駆動する第１の駆動手段と、前記Ｘθ、Ｙθステージの上でＸ、Ｙ方向に移動するＸ、Ｙステージと、球面を有する被測定物を前記Ｘ、Ｙステージの上に固定する固定具と、前記Ｘ、Ｙステージをそれぞれ微駆動する第２の駆動手段と、被測定物の表面の三次元座標値を測定する光プローブと、前記第１の駆動手段と前記光プローブを制御すると共に信号を演算処理するコンピュータとを具備する三次元測定装置であって、前記Ｘθ、Ｙθステージのそれぞれの回転中心を共有回転中心とし、前記光プローブの光軸を前記共有回転中心に通し、前記Ｘθ、Ｙθステージと前記Ｘ、Ｙステージと前記固定具とを被測定物の外径をｄ、前記光プローブの受光センサの受光可能角度をα、被測定物の曲率半径をＲ、半開角をθ _o とした場合に、被測定物の球面中心と前記共有回転中心との距離が、（ｄ／２）／Ｒ・ｃｏｓθ _o −ｔａｎ（α−θ _o ）以下となるように設定したことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る三次元測定装置の実施の形態の構成を説明する斜視図であり、ベース１の上にＸθステージ２が矢印で示すＸθ方向に回転自在に設置され、更にＸθステージ２の上にはＹθステージ３が矢印で示すＹθ方向に回転自在に設置されている。これらのＸθステージ２とＹθステージ３は、図示しないステッピングモータによりそれぞれ微駆動されるようになっている。
【００１０】
Ｙθステージ３の上面は載置面３ａとされ、この載置面３ａの上にはＸステージ４がＸ方向に直線移動可能に配置され、このＸステージ４の上にはＹステージ５がＹ方向に直線移動自在に配置されている。これらのＸステージ４とＹステージ５は、図示しない手動ダイヤルによりそれぞれ微駆動されるようになっている。Ｙステージ５の上にはスペーサ６が配置され、このスペーサ６の上には被測定物である例えば凸形状の球面レンズＷが適宜な方法によって固定されている。
【００１１】
球面レンズＷの上方には、光プローブ部７を備えた測定器８が、ベース１に立設された支柱９に駆動固定装置を介して上下動可能に支持されている。光プローブ部７は球面レンズＷのＺ座標値を測定するためのレーザー光を球面レンズＷに向けて出射する光学系と、球面レンズＷからの反射光を取り込む光学系とから構成されている。測定器８は点光源型の図示しないレーザー発信回路、受光センサ、信号処理回路、光学系等から構成されている。
【００１２】
Ｘθ、Ｙθステージ２、３と測定器８は、コンピュータ１０によって制御されるようになっている。コンピュータ１０はコンピュータ本体１１、キーボード１２、ディスプレイ１３等から構成されている。Ｘθ、Ｙθステージ２、３の各ステッピングモータとコンピュータ本体１１は信号線１４、１５を介してそれぞれ接続され、Ｘθ、Ｙθステージ２、３はコンピュータ１０によって任意に制御されるようになっている。測定器８とコンピュータ本体１１は信号線１６を介して接続され、測定器８はコンピュータ１０によって任意に制御されると共に、測定器８からの信号がコンピュータ１０によって演算処理されるようになっている。
【００１３】
ここで、Ｘθステージ２の回転中心とＹθステージ３の回転中心は一点で交叉し共有されている。また、測定器８の光プローブ部７の光軸は、Ｘθ、Ｙθステージ２、３の共有の回転中心に通されている。そして、Ｘθ、Ｙθステージ２、３と、Ｘ、Ｙステージ４、５と、スペーサ６とは、一定のアルゴリズムにより得られる関係に設定されている。
【００１４】
即ち、図２は球面レンズＷの球面中心ＡとＸθ、Ｙθステージ２、３の共有回転中心Ｂとの一定の関係を示している。ただし、Ｃは球面レンズＷの中心軸、Ｄは球面レンズＷの縁部と共有回転中心Ｂとを結ぶ線であって光プローブ部７の照射光軸、Ｅは球面レンズＷの縁部と球面中心Ａとを結ぶ線であって照射された光の反射光軸、θは照射光軸Ｄと反射光軸Ｅとから成る角度であって測定器８の受光センサの受光角度、θ_０は中心軸Ｃと反射光軸Ｅとから成る半開角度、θ_１は中心軸Ｃと照射光軸Ｄから成る角度、ｔは球面中心Ａと共有回転中心Ｂとの距離、ｄは球面レンズＷの外径、Ｒは球面レンズＷの縁部と球面中心Ａとの距離である曲率半径を示している。
【００１５】
なお、測定器８の受光センサの受光角度θは、一般に約２０度以下とする必要があるので、測定可能角度は倍の約４０度となる。
【００１６】
光プローブ部７から出射した光が球面レンズＷの縁部、即ち最も急峻な傾斜面を照射した場合には、その光は反射光軸Ｅを中心に角度θで反射する。この角度θを約２０度以下にするためには、θ＝θ_o−θ₁≦２０゜の関係が必要となる。これらの関係を既知の半開角度θ_o、外径ｄ、曲率半径Ｒで表すと、図２から、
ｔａｎθ ₁ ＝（ｄ／２）／（Ｒ・ｃｏｓθ _o ＋ｔ）なので、
θ＝θ_o−θ₁＝θ_o−ｔａｎ^-1{(ｄ／２）／（Ｒ・ｃｏｓθ_o ＋ｔ)}≦２０゜
となり、これを距離ｔについて解くと、
ｔ≦（ｄ／２）／Ｒ・ｃｏｓθ_o−ｔａｎ（２０゜−θ_o） ・・（１）
となる。
【００１７】
従って、Ｙθステージ３の載置面３ａに載置したＸステージ４、Ｙステージ５及びスペーサ６の厚みは、球面中心Ａと共有回転中心Ｂとの距離ｔを満足させるような一定の関係に設定する。
【００１８】
この三次元測定装置では、コンピュータ１０からの制御信号が測定器８に入力すると、測定器８は光プローブ部７から照射するためのレーザー光のフォーカシングを行ってＺ座標値を検出し、このデータをコンピュータ１０に出力する。コンピュータ１０はキーボード１２から入力した指令に従って、コンピュータ本体１１に内蔵の図示しないハードディスクドライブ等からプログラムを読み出し、そのプログラムに従って制御と演算を行い、その結果をディスプレイ１３に表示する。
【００１９】
図３は球面レンズＷの表面形状を測定する手順のフローチャート図である。ステップＳ１では、球面レンズＷの外径ｄと曲率半径Ｒをキーボード１２から入力する。これらの外径ｄと曲率半径Ｒは、設計値又は実測値を用いることができる。
【００２０】
ステップＳ２では、光プローブ部７から出射したレーザー光が球面レンズＷの頂点近傍を照射するように、Ｘ、Ｙステージ４、５を手動ダイヤルでそれぞれ微駆動する。そして、ディスプレイ１３上のＺ座標値を監視しながらＸ、Ｙステージ４、５をそれぞれ微駆動し、Ｚ座標値の最大値を探して頂点位置を見い出すこと、つまり頂点出しを行う。このとき、球面中心Ａ、共有回転中心Ｂ及び中心軸Ｃは直線上に位置する。そして、この頂点出しで得たＸ、Ｙ、Ｚ座標値を基準値としてコンピュータ１０のメモリに記憶させる。
【００２１】
ステップＳ３では、頂点出しが終了したか否かを判断する。頂点出しが終了していないと判断した場合にはステップＳ２に戻り、頂点出しが終了したと判断したときにはステップＳ４に進む。ステップＳ４では、球面レンズＷのＹ座標の測定開始位置を探すこと、つまり測定開始位置出しを行う。
【００２２】
このときの手順を更に図４〜図７を参照して説明する。図４はＹθステージ３、Ｘステージ４、Ｙステージ５、スペーサ６及び球面レンズＷをＸ座標方向から見ており、球面レンズＷの頂点出しを終了している状態を示している。このとき、上述したようにＸステージ４、Ｙステージ５及びスペーサ６の厚みは、球面中心Ａと共有回転中心Ｂとの距離ｔとの間に一定の関係を保っており、中心軸Ｃ、照射光軸Ｄ及び反射光軸Ｅは一致し、球面中心Ａと共有回転中心Ｂは中心軸Ｃ上に位置している。
【００２３】
この状態からＹθステージ３のステッピングモータを制御し、図５に示すようにＹθステージ３を共有回転中心Ｂを中心に回転させ、球面レンズＷをＹθ方向に移動させる。このとき、光プローブ部７からの光は照射光軸Ｄに一致し、常に共有回転中心Ｂを通って球面レンズＷの表面を照射する。
【００２４】
そして、球面レンズＷの表面を照射した光は、照射光軸Ｄと球面レンズＷの交点において、反射光軸Ｅ即ち法線を中心として入射角度と同じ反射角度で反射する。これらの入射角度と反射角度の和を成して反射した光は、上記一定の関係から測定器８内の受光センサの受光範囲内に入射するので、この位置の表面形状を測定することが可能となる。即ち、光プローブ８からの光が球面レンズＷの縁部を照射するようにＹθステージ３を駆動して、測定開始位置出しを行うことができる。
【００２５】
ステップＳ５では測定開始位置出しが終了したが否かを判断し、終了していないと判断した場合にはステップＳ４に戻ってステップＳ４、Ｓ５を繰り返し、終了したと判断したときにはステップＳ６に進む。ステップＳ６では、Ｘθ、Ｙθ、Ｚ座標値を測定し、コンピュータ１０のメモリに格納し、ステップＳ７に進む。
【００２６】
ステップＳ７では、Ｙθステージ３を固定した状態で、Ｘθステージ２のステッピングモータを制御し、図６に示すようにＸθステージ２を所定の角度だけＸθ方向に微駆動する。ステップＳ８では、微駆動した位置が球面レンズＷの縁部であるか否かを判断する。縁部でないと判断した場合にはステップＳ６に戻り、ステップＳ６〜Ｓ８を繰り返し、Ｘθ、Ｙθ、Ｚ座標値をコンピュータ１０のメモリに蓄積する。そして、縁部であると判断したときにはステップＳ９に進む。ステップＳ９では、Ｙθステージ３のステッピングモータを制御し、Ｙθステージ３を所定角度だけＹθ方向に微駆動する。
【００２７】
ステップＳ１０では、微駆動した位置が球面レンズＷの縁部であるか否かを判断する。縁部でないと判断した場合にはステップＳ６に戻り、ステップＳ６〜Ｓ１０を繰り返す。このとき、図７に示すように球面レンズＷの表面を測定ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、…、Ｌｎ−２、Ｌｎ−１、Ｌｎと順次に測定し、球面レンズＷの表面全体のＸθ、Ｙθ、Ｚ座標値をコンピュータ１０のメモリに蓄積する。この際に、ステップＳ２で見い出した頂点を含むＸθ方向とＹθ方向でのラインＬｎのＸθ、Ｙθ、Ｚ座標値を測定するように制御する。そして、球面レンズＷの表面全体を測定した後にステップＳ１１に進む。
【００２８】
ステップＳ１１では、Ｘθ、Ｙθ、Ｚ座標値をＸ、Ｙ、Ｚ座標値に変換すること、つまり座標変換を行う。図８はＸθステージ２をＸθ方向に任意の角度回転させた状態を示し、Ｆは照射光軸Ｄと球面レンズＷとの交点であって光プローブ部７からの光が球面レンズＷに入射する点、ｍは光プローブ部７と共有回転中心Ｂとの距離であって装置によって一義的に決まる定数、ｚは光プローブ部７と入射点Ｆとの距離であって測定した座標値、ｎは共有回転中心Ｂと入射点Ｆとの距離、θｘは中心軸Ｃと照射光軸Ｄとから成る角度であってＸθステージ２の回転角度を示している。
【００２９】
測定したＺ座標値のＸ、Ｙ、Ｚ座標軸への変換は、Ｚ’＝ｎ・ｃｏｓθｘ＝（ｍ−Ｚ）ｃｏｓθｘとなる。ここで、定数ｍ、座標値Ｚ、回転角度θｘは既知であるので、測定したＺ座標値をＸ、Ｙ、Ｚ座標軸に変換することが可能となる。また、Ｘθ座標値のＸ、Ｙ、Ｚ座標軸への変換は、Ｘ’＝ｎ・ｓｉｎθｘから求めることができる。そして、Ｙθ座標値のＸ、Ｙ、Ｚ座標軸への変換は、図８と同様にＹθ方向で考えると、Ｙ’＝ｎ・ｓｉｎθｙとなる。このようにして、全てのＸ、Ｙ、Ｚ座標軸への変換を終了した後にステップＳ１２に進む。
【００３０】
ステップＳ１２では曲率半径の除去を行う。先ず、頂点を含むラインＬｎの変換したＸθ、Ｙθ、Ｚ座標値から、球面レンズＷの近似球面式を例えば最小二乗法を用いて算出する。その後に、球面近似式から求められる曲率成分を変換したＸ、Ｙ、Ｚ座標値から除去する。これにより、球面レンズＷは平面状態となり、表面形状が分かり易くなる。ステップＳ１３では、平面状態での表面形状をディスプレイ１３に表示する。
【００３１】
なお、上述の実施の形態では、凸形状の球面レンズＷを測定することについて説明したが、凹形状の球面レンズやその他の被測定物についても同様であって、Ｘステージ４、Ｙステージ５及びスペーサ６の厚みを上述の式（１）の距離ｔを満足させるような一定の関係に設定すれば、実施の形態と同様に測定することが可能となる。また、測定器８の光源はレーザー光を照射する点光源としたが、光を利用するのであればモアレ縞等の面光線とすることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る三次元測定装置は、Ｘθ、Ｙθステージのそれぞれの回転中心を共有回転中心とし、測定器の光軸を共有回転中心に通し、Ｘθ、ＹθステージとＸ、Ｙステージと固定具とを一定のアルゴリズムに基づく関係に設定したので、被測定物の縁部の急峻な面で反射する光の反射角度を小さくすることができる。従って、被測定物で反射した光を測定器で常に検出することが可能となり、被測定物の表面の三次元形状を高い精度で安定して測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の構成図である。
【図２】球面中心と共有回転中心の関係の説明図である。
【図３】測定手順のフローチャート図である。
【図４】ＹθステージをＸ座標方向から見た部分側面図である。
【図５】Ｙθステージを共有回転中心を中心として回転した部分側面図である。
【図６】Ｘθステージを共有回転中心を中心として回転した部分側面図である。
【図７】球面レンズの測定ラインの説明図である。
【図８】Ｘθ、Ｙθ、Ｚ座標値からＸ、Ｙ、Ｚ座標値に変換する方法の説明図である。
【符号の説明】
１ ベース
２ Ｘθステージ
３ Ｙθステージ
４ Ｘステージ
５ Ｙステージ
６ スペーサ
７ 光プローブ部
８ 測定器
１０ コンピュータ
１１ コンピュータ本体
１２ キーボード
１３ ディスプレイ
Ａ 球面中心
Ｂ 共有回転中心
Ｃ 中心軸
Ｄ 照射光軸
Ｅ 反射光軸
Ｆ 入射点
Ｒ 球面レンズの曲率半径
Ｗ 球面レンズ
ｄ 球面レンズの外径
α 受光センサの最大受光角度
θ_０ 半開角

Claims (5)

1. Ｘθ、Ｙθ方向に回転するＸθ、Ｙθステージと、これらのＸθ、Ｙθステージをそれぞれ微駆動する第１の駆動手段と、前記Ｘθ、Ｙθステージの上でＸ、Ｙ方向に移動するＸ、Ｙステージと、球面を有する被測定物を前記Ｘ、Ｙステージの上に固定する固定具と、前記Ｘ、Ｙステージをそれぞれ微駆動する第２の駆動手段と、被測定物の表面の三次元座標値を測定する光プローブと、前記第１の駆動手段と前記光プローブを制御すると共に信号を演算処理するコンピュータとを具備する三次元測定装置であって、前記Ｘθ、Ｙθステージのそれぞれの回転中心を共有回転中心とし、前記光プローブの光軸を前記共有回転中心に通し、前記Ｘθ、Ｙθステージと前記Ｘ、Ｙステージと前記固定具とを被測定物の外径をｄ、前記光プローブの受光センサの受光可能角度をα、被測定物の曲率半径をＲ、半開角をθ _o とした場合に、被測定物の球面中心と前記共有回転中心との距離が、（ｄ／２）／Ｒ・ｃｏｓθ _o −ｔａｎ（α−θ _o ）以下となるように設定したことを特徴とする三次元測定装置。
2. 前記コンピュータは前記Ｘ、Ｙステージによって頂点位置に駆動された被測定物の頂点座標値を取得かつ基準値として記憶し、前記頂点位置を基準に前記Ｘθ、Ｙθステージを駆動して被測定物を測定開始位置に駆動し、該測定開始位置から前記Ｘθ、Ｙθステージを駆動して被測定物のＸθ、Ｙθ、Ｚ座標値を取得かつ記憶し、前記頂点座標値を通るラインの被測定物のＸθ、Ｙθ、Ｚ座標値を取得し、被測定物の表面全体を測定した後に、前記頂点座標値を通るラインのＸθ、Ｙθ、Ｚ座標値から近似球面式を演算し、前記基準値と前記Ｘθ、Ｙθ、Ｚ座標値とからＸ、Ｙ、Ｚ座標軸のＸ、Ｙ、Ｚ座標値に演算変換し、前記近似球面式から求めた曲率成分を前記Ｘ、Ｙ、Ｚ座標値から除去して表示することを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
3. 前記光プローブはレーザー光、モアレ、又は光切断を用いた光学系から成ることを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
4. 前記第１の駆動手段はステッピングモータであることを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
5. 前記第２の駆動手段は手動ダイヤルであることを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。

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