JPH0629715B2 - 形状測定装置 - Google Patents
形状測定装置Info
- Publication number
- JPH0629715B2 JPH0629715B2 JP62077755A JP7775587A JPH0629715B2 JP H0629715 B2 JPH0629715 B2 JP H0629715B2 JP 62077755 A JP62077755 A JP 62077755A JP 7775587 A JP7775587 A JP 7775587A JP H0629715 B2 JPH0629715 B2 JP H0629715B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- coordinate
- measured
- measurement
- sequence
- coordinates
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- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
- G01B11/255—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring radius of curvature
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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。
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
しか測れない等の問題があった。
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
しか測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59−79104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。
機として考えられたものが特開昭59−79104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。
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・ビザー(D.Visser)らによるモールズ ア
ンド メジャーメンツ フォア レプリケート アスフ
ェリック レンズ ファア オプティカル レコーディ
ング(Molds and measurements for replicate aspheric
lenses for optical recording)、アプライド オプテ
ィクス(Appiied Optics)Vol.24,p1848-1852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。
ンド メジャーメンツ フォア レプリケート アスフ
ェリック レンズ ファア オプティカル レコーディ
ング(Molds and measurements for replicate aspheric
lenses for optical recording)、アプライド オプテ
ィクス(Appiied Optics)Vol.24,p1848-1852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。
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、上記問題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け加え、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)での座標直列が、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。
機に極座標測定機能を付け加え、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)での座標直列が、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
を付け加え、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。
を付け加え、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Z方
向に動く。X−Y−Z測定光学系は特開昭62−921
1号公報「光学測定装置」、特開昭61−105408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。
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Z方
向に動く。X−Y−Z測定光学系は特開昭62−921
1号公報「光学測定装置」、特開昭61−105408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0.01〜0.05μm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。
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。
次に本実施例の形状測定装置で、周辺の傾きが例えば5
5°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X−Y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±
25°以内のX−ZとY−Zの測定経路である。一定、
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±25°以内の部分では、X−Z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(X
p,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Bfが一致するようにR
o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。
5°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X−Y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±
25°以内のX−ZとY−Zの測定経路である。一定、
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±25°以内の部分では、X−Z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(X
p,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Bfが一致するようにR
o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−Z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。
ば、次式が成立する。
X=RsinQ (1) Z=RcosQ (2) 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。
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、Q=0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。
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、Q=0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=0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、
極座標測定値はQとdRである。
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、
極座標測定値は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,Zc)、直線CF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。
心Cの座標を(Xc,Zc)、直線CF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+Xc=(Ro+dR)sin(Q+Qc) (3) Z+Zc=(Ro+dR)cos(Q+Qc) (4) ここで、Xc,Zcは次式で表わされる。
Xc=-RosinQc Zc=-RocosQc まず、3,4式で、未知数Roの値を被測定面の設計値
の近似球面の半径、Qc=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。
の近似球面の半径、Qc=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Z座標の差と、X座標がマイナスの位置でのZ座標
の差が等しくなるようなQc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Bf′は第4図のようになる。
でのZ座標の差と、X座標がマイナスの位置でのZ座標
の差が等しくなるようなQc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Bf′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。
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5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。
でき、第5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、測定誤差があ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か
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。
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か
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。
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。
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、接触型プローブで、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。
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、接触型プローブで、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。
第1図は本発明第一実施例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、5……Z移動台、6……
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、15……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)。
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、5……Z移動台、6……
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、15……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)。
Claims (1)
- 【請求項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X,Z平面内における座標値列と、少な
くともX,Z軸上を動く2つのステージと、前記被測定
面をQ方向に回転させる回転ステージとこの被測定面上
の第二の点列の極座標系R(半径)(前記Zと同一ステ
ージ)、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
た形状測定装置であって、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変換する手段を備
えた形状測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62077755A JPH0629715B2 (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | 形状測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62077755A JPH0629715B2 (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | 形状測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63243708A JPS63243708A (ja) | 1988-10-11 |
JPH0629715B2 true JPH0629715B2 (ja) | 1994-04-20 |
Family
ID=13642748
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62077755A Expired - Lifetime JPH0629715B2 (ja) | 1987-03-31 | 1987-03-31 | 形状測定装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0629715B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2513500Y2 (ja) * | 1988-12-28 | 1996-10-09 | 株式会社島津製作所 | 3軸ステ―ジ上に支持されたステ―ジ上のレンズ系支持位置調節装置 |
JP4904844B2 (ja) * | 2006-02-20 | 2012-03-28 | 株式会社ジェイテック | 超精密形状測定方法 |
JP2011215016A (ja) * | 2010-03-31 | 2011-10-27 | Fujifilm Corp | 非球面形状測定装置 |
US20120133958A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | Widman Michael F | Laser confocal sensor metrology system |
CN113175893B (zh) * | 2021-04-15 | 2022-02-11 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 基于多误差实时补偿的光学自由曲面全口径检测方法 |
-
1987
- 1987-03-31 JP JP62077755A patent/JPH0629715B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS63243708A (ja) | 1988-10-11 |
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