JP2005069775A - Three dimensional-shape measuring method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定面に対してプローブを走査して、被測定物の表裏面の形状を測定する三次元形状測定方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape measuring method for measuring the shape of the front and back surfaces of an object to be measured by scanning a probe on the surface to be measured.
レンズ等の回転対称な形状である被測定物の表裏面の形状を測定する三次元形状測定機が知られている。 A three-dimensional shape measuring machine that measures the shape of the front and back surfaces of an object to be measured that is a rotationally symmetric shape such as a lens is known.
例えば、特開2002−71344号公報は、このような三次元形状測定機のひとつを開示している。この三次元形状測定機は、図23に示されるように、被測定物であるレンズ511の被測定面511a上を測定プローブ514がX方向とY方向に走査することにより、測定プローブ514のXY座標位置でのZ座標を求め、被測定面511aの形状測定を行うものである。ここで被測定物であるレンズ511は、三つの位置決め球513が飛び出した構成の測定治具512にレンズの表面511aと裏面511bが見える構成で支持され、定盤上に固定されている。
For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-71344 discloses one such three-dimensional shape measuring machine. As shown in FIG. 23, the three-dimensional shape measuring machine is configured such that the
この三次元形状測定機では、まずレンズの表面511aを上にして設置し、測定プローブ514により、三つの位置決め球513とレンズ511の表面511aの形状測定を行い、三つの位置決め球513の測定データから測定治具512の基準座標を決定し、測定治具512の基準座標に対するレンズ511の表面511aのずれを求める。その後測定治具512を180度回転(表裏反転)させレンズ511の裏面511bを上にして定盤上に固定し、三つの位置決め球513とレンズ511の裏面511bの形状測定を行い、三つの位置決め球513の測定データから測定治具512の基準座標を決定し、測定治具512の基準座標に対するレンズ511の裏面511bのずれを求める。測定治具512の基準座標に対するレンズ511の表面511aのずれと裏面511bのずれから、レンズ511の表面511aと裏面511bの相対的位置ずれを求めるものである。
In this three-dimensional shape measuring machine, first, the
また、特開2001−324311号公報は、別の三次元形状測定機を開示している。この三次元形状測定機は、図24に示されるように、θステージ521に支持された被測定物である非球面レンズ522の表面522aと裏面522bに対向して二つの光プローブ523aと523bが配置されている。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-324311 discloses another three-dimensional shape measuring machine. As shown in FIG. 24, this three-dimensional shape measuring machine has two
この三次元形状測定機では、θステージ521の回転軸に対して被測定物の軸が略一致するように非球面レンズ522をセッティングする。θステージ521により回転する非球面レンズ522に対して、二つの光プローブ523aと523bが、それぞれ非球面レンズ522の表面522aと裏面522bのZ方向の変化に追従しながら、θステージ521の回転軸に直交するX方向に走査する。光プローブ523aと光プローブ523bの位置座標は、レーザー測長器524aと524bにより測定される。このときの、θステージ521のθ座標と光プローブ523a,523bのX座標とZ座標から非球面レンズ522の表面522aと裏面522bの形状測定を行うものである。
図23に示される三次元形状測定機では、被測定物であるレンズ511の表面形状を測定するときには、レンズ511の表面511aの形状データだけでなく、三つの位置決め球513の表面形状データも必要である。このため、被測定物を交換したり、あるいは測定治具512から被測定物を着脱する毎に、被測定物の表面と三つの位置決め球513を測定する必要がある。また、レンズ511の裏面511bの形状測定を行うためには、測定治具512を180度回転(表裏反転)させ測定治具512のセッティングをやり直す必要がある。このため、工程が複雑化し測定時間が長くなってしまう。更に、プローブ514が被測定面上をX方向とY方向に走査する構成であるため、例えば非球面等の軸対称形状を有している被測定面の全面の形状を測定する場合には、プローブ514のX方向あるいはY方向の変化に対してZ方向の変化が大きくなる(プローブの上り下りの回数が多くなる)ことから、プローブの移動速度が上げられず、測定時間が長くなってしまう。
In the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. 23, not only the shape data of the
これに対して、図24に示される三次元形状測定機では、被測定物である非球面レンズ522のセッティングをやり直すことなく非球面レンズ522の表面522aと裏面522bの形状測定が可能である。また被測定物である非球面レンズ522の軸とθステージ521の回転軸とをほぼ一致させて被測定物を回転させるので被測定物の同一半径上の形状は略一定となることから、プローブ523aと523bの位置制御が容易となり走査速度を早くできるので、X方向とY方向の走査に比べて測定時間の短縮が可能である。
On the other hand, the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. 24 can measure the shape of the
しかし、図24に示される三次元形状測定機では、光プローブ523aのXZ座標を測定するX1軸とZ1軸から構成される第一測定座標系と、光プローブ523bのXZ座標を測定するX2軸とZ2軸から構成される第二測定座標系を、θステージ521の回転軸を基準とした基準座標系に高精度に一致させる必要がある。各測定座標系に誤差があると、被測定物の表面と裏面の相対位置関係を含めた三次元形状を正確に測定できない。
However, in the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. 24, for measuring a first measurement coordinate system composed of X 1 axis and Z 1 axis to measure the XZ coordinates of the
図25と図26に各測定座標系の誤差を示す。図25に示されるように、基準座標系は、θステージ521の回転軸方向をZ0軸とし、このZ0軸と直交するX0軸と回転方向であるθ軸とから定義される。第一測定座標系の誤差としては、基準座標系のX0軸に対する第一測定座標系のX1軸の傾き誤差と、基準座標系のZ0軸に対する第一測定座標系のZ1軸の傾き誤差(これは第一測定座標系としてみると、X1軸とZ1軸の直角度誤差である)がある。第二測定座標系についても同様の誤差がある。また、図26に示されるように、第一測定座標系のX1軸と第二測定座標系のX2軸のθ方向の相対的な誤差Δθがある。
25 and 26 show errors in each measurement coordinate system. As shown in FIG. 25, the reference coordinate system, the rotation axis direction of the
以上をまとめると、各測定座標系の誤差としては、(a)回転軸と直交する面に対する各測定座標系のX軸の傾き誤差、(b)各測定座標系のX軸とZ軸の直角度誤差、(c)各測定座標系のX軸のθ方向の角度誤差があり、これら(a)〜(c)の測定座標系の誤差が測定誤差となる。特に(a)の誤差と(b)の誤差は、これらの誤差があると、非球面レンズ522の表面522aと裏面522bの相対位置関係が正確に測定できないだけでなく、各面の形状も正確に把握できないことになるので、非常に重要である。
Summarizing the above, errors in each measurement coordinate system include (a) X-axis tilt error of each measurement coordinate system with respect to a plane orthogonal to the rotation axis, and (b) direct difference between the X-axis and Z-axis of each measurement coordinate system. There is an angle error, (c) an angle error in the θ direction of the X axis of each measurement coordinate system, and the errors in the measurement coordinate system of (a) to (c) are measurement errors. Particularly, the error (a) and the error (b) are not only accurate measurement of the relative positional relationship between the
また、(c)の誤差があると、表面522aと裏面522bの相対位置関係としてθ方向の角度の測定誤差となる。(c)の誤差に関しては、被測定物によっては高い測定精度は必要でなく、各測定座標系の機械的あるいは光学的な調整により必要な測定精度を満足できる場合もある。しかし、被測定物に求められる精度によっては、各測定座標系の調整だけでは必要な測定精度を達成することはできない場合もある。
Further, if there is an error (c), an angle measurement error in the θ direction is caused as a relative positional relationship between the
本発明は、これら従来技術の問題点に着目して成されたものであり、その目的は、被測定物のセッティングをやり直す必要なく、被測定物の表面と裏面の三次元形状を短時間で高精度に測定可能な三次元形状測定方法を提供することである。 The present invention has been made paying attention to the problems of these prior arts, and its purpose is to quickly change the three-dimensional shape of the front and back surfaces of the object to be measured without having to reset the object to be measured. It is to provide a three-dimensional shape measuring method capable of measuring with high accuracy.
本発明は、被測定物の表面と裏面の三次元形状をそれぞれ第一のプローブと第二のプローブとで測定する方法に向けられており、以下の各項に列記する三次元形状測定方法を含んでいる。 The present invention is directed to a method of measuring the three-dimensional shape of the front and back surfaces of the object to be measured with the first probe and the second probe, respectively, and the three-dimensional shape measuring method listed in the following items. Contains.
1. 本発明の三次元形状測定方法は、測定に先立って、被測定物を回転させる保持部で規定される座標系と、前記被測定物の表面を測定する第一のプローブで規定される第一測定座標系および前記被測定物の裏面を測定する第二のプローブで規定される第二測定座標系との誤差を補正する補正ステップを有し、この補正ステップは第一の補正ステップと第二の補正ステップとを含んでおり、前記第一の補正ステップは、互いに平行な二つの基準平面を有する第一の基準物を用いるものであって、前記第一の基準物の一方の平面の法線が前記保持部の回転軸と略平行になるように、前記第一の基準物を保持し、前記第一の基準物を前記回転軸の周りに回転させ、前記第一の基準物の一方の基準平面を第一のプローブで測定して形状測定データA1を得、前記第一の基準物の他方の基準平面を第二のプローブで測定して形状測定データA2を得、前記形状測定データA1と前記第一の基準物の設計形状データから補正係数L1を算出し、前記形状測定データA2と前記第一の基準物の設計形状データから補正係数L2を算出する処理を行い、前記第二の補正ステップは、同一の球面の一部である二つの基準球面を有する第二の基準物を用いるものであって、前記第二の基準物を保持し、前記第二の基準物を前記回転軸の周りに回転させ、前記第二の基準物の一方の基準球面を前記第一のプローブで測定して形状測定データB1を得、前記第二の基準物の他方の基準球面を前記第二のプローブで測定して形状測定データB2を得、前記形状測定データB1に前記補正係数L1を加えて新たな形状測定データB1’を得、前記形状測定データB2に前記補正係数L2を加えて新たな形状測定データB2’を得、前記形状測定データB1’と前記第二の基準物の設計形状データから補正係数M1を算出し、前記形状測定データB2’と前記第二の基準物の設計形状データから補正係数M2を算出し、前記形状測定データB1’と前記形状測定データB2’と前記第二の基準物の設計形状データ(より正確には第二の基準物の二つの基準球面の設計形状データ)とから補正値ΔNを算出する処理を行うことを特徴とする。 1. Prior to the measurement, the three-dimensional shape measuring method of the present invention includes a coordinate system defined by a holding unit that rotates the object to be measured, and a first probe defined by a first probe that measures the surface of the object to be measured. A correction step for correcting an error between the measurement coordinate system and the second measurement coordinate system defined by the second probe for measuring the back surface of the object to be measured; the correction step includes a first correction step and a second correction step; The first correction step uses a first reference object having two reference planes parallel to each other, and is a method of one plane of the first reference object. One of the first reference objects is held by holding the first reference object so that the line is substantially parallel to the rotation axis of the holding part, and rotating the first reference object around the rotation axis. The shape measurement data A1 is measured by measuring the reference plane of the first probe. The other reference plane of the first reference object is measured with the second probe to obtain shape measurement data A2, and the correction coefficient L1 is calculated from the shape measurement data A1 and the design shape data of the first reference object. Then, the correction coefficient L2 is calculated from the shape measurement data A2 and the design shape data of the first reference object, and the second correction step includes two reference spheres that are part of the same sphere. A second reference object having the second reference object, holding the second reference object, rotating the second reference object around the rotation axis, and one reference spherical surface of the second reference object. Is measured with the first probe to obtain the shape measurement data B1, and the other reference spherical surface of the second reference object is measured with the second probe to obtain the shape measurement data B2. The shape measurement data B1 The correction coefficient L1 is added to the new shape Measurement data B1 ′ is obtained, and the correction coefficient L2 is added to the shape measurement data B2 to obtain new shape measurement data B2 ′. The correction coefficient is obtained from the shape measurement data B1 ′ and the design shape data of the second reference object. M1 is calculated, a correction coefficient M2 is calculated from the shape measurement data B2 ′ and the design shape data of the second reference object, and the shape measurement data B1 ′, the shape measurement data B2 ′, and the second reference object are calculated. The correction value ΔN is calculated from the design shape data (more precisely, the design shape data of the two reference spheres of the second reference object).
この三次元形状測定方法において、第一測定座標系は互いに略直交するx軸とy軸とz軸を有し、z軸は保持部の回転軸に略平行に設定されており、第一のプローブは第一測定座標系のx軸に沿って移動される。また、第二測定座標系は互いに略直交するx軸とy軸とz軸を有し、z軸は保持部の回転軸に略平行に設定されており、第二のプローブは第二測定座標系のx軸に沿って移動される。 In this three-dimensional shape measurement method, the first measurement coordinate system has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are substantially orthogonal to each other, and the z-axis is set substantially parallel to the rotation axis of the holding unit. The probe is moved along the x-axis of the first measurement coordinate system. The second measurement coordinate system has an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are substantially orthogonal to each other, the z-axis is set substantially parallel to the rotation axis of the holding portion, and the second probe has the second measurement coordinate It is moved along the x-axis of the system.
この三次元形状測定方法においては、補正値L1に基づいて、保持部の回転軸と直交する面に対する第一測定座標系のx軸の傾き誤差を補正することができ、補正値L2に基づいて、保持部の回転軸と直交する面に対する第二測定座標系のx軸の傾き誤差を、補正値M1に基づいて、第一測定座標系のx軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差を、補正値M2に基づいて、第二測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のz軸の直角度誤差を、補正値ΔNに基づいて、第一測定座標系と第二測定座標系のz軸に沿った相対距離の誤差を補正することができる。 In this three-dimensional shape measuring method, the tilt error of the x-axis of the first measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the rotation axis of the holding unit can be corrected based on the correction value L1, and based on the correction value L2. The tilt error of the x-axis of the second measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the rotation axis of the holding unit is calculated based on the correction value M1, and the z-axis of the first measurement coordinate system is directly related to the x-axis of the first measurement coordinate system. Based on the correction value M2, the square error of the z-axis of the second measurement coordinate system with respect to the x-axis of the second measurement coordinate system is determined based on the correction value ΔN. The relative distance error along the z-axis of the coordinate system can be corrected.
2. 本発明の別の三次元形状測定方法は、第1項の三次元形状測定方法において、前記補正ステップは更に第三の補正ステップを有し、前記第三の補正ステップは、前記第一の基準物を用いるものであって、前記第一の基準物の一方の基準平面の法線が、前記保持部の回転軸に対して傾くように、前記第一の基準物を保持し、前記第一の基準物を前記回転軸の周りに回転させ、前記第一の基準物の一方の基準平面を前記第一のプローブで測定して形状測定データC1を得、前記第一の基準物の他方の基準平面を前記第二のプローブで測定して形状測定データC2を得、前記形状測定データC1に前記補正係数L1と前記補正係数M1を加えて新たな形状測定データC1’を得、前記形状測定データC2に前記補正係数L2と前記補正係数M2を加えて新たな形状測定データC2’を得、前記形状測定データC1’と前記形状測定データC2’と前記第一の基準物の設計形状データから角度誤差補正値Δθを算出する処理を行うことを特徴とする。 2. Another three-dimensional shape measuring method of the present invention is the three-dimensional shape measuring method according to the first item, wherein the correction step further includes a third correction step, and the third correction step is the first reference. The first reference object is held such that a normal line of one reference plane of the first reference object is inclined with respect to the rotation axis of the holding unit, and the first reference object is The reference object is rotated around the rotation axis, and one reference plane of the first reference object is measured by the first probe to obtain shape measurement data C1, and the other reference object of the first reference object is obtained. The shape measurement data C2 is obtained by measuring the reference plane with the second probe, and the shape measurement data C1 ′ is obtained by adding the correction coefficient L1 and the correction coefficient M1 to the shape measurement data C1. The correction coefficient L2 and the correction coefficient M2 are added to the data C2. New shape measurement data C2 ′ is obtained, and an angle error correction value Δθ is calculated from the shape measurement data C1 ′, the shape measurement data C2 ′, and the design shape data of the first reference object. And
この三次元形状測定方法においては、角度誤差補正値Δθに基づいて、第一測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差を補正することができる。 In this three-dimensional shape measurement method, the angle error in the θ direction of the x axis of the second measurement coordinate system relative to the x axis of the first measurement coordinate system can be corrected based on the angle error correction value Δθ.
3. 本発明の別の三次元形状測定方法は、測定に先立って、被測定物を回転させる保持部で規定される座標系と、前記被測定物の表面を測定する第一のプローブおよび前記被測定物の裏面を測定する第二のプローブとの相対的な位置誤差を補正する補正ステップを有し、この補正ステップは、対向する表裏面に基準面を有する基準物を用いるものであって、前記基準物を保持し、前記基準物を前記保持部の回転軸の周りに回転させ、前記基準物の一方の基準面を第一のプローブで測定して形状測定データD1を得、前記基準物の他方の基準面を第二のプローブで測定して形状測定データD2を得、前記形状測定データD1と前記基準物の設計形状データから補正値ΔX1を算出し、前記形状測定データD2と前記基準物の設計形状データから補正値ΔX2を算出する処理を行うことを特徴とする。 3. Another three-dimensional shape measurement method of the present invention includes a coordinate system defined by a holding unit that rotates a measurement object, a first probe that measures the surface of the measurement object, and the measurement object before measurement. A correction step for correcting a relative positional error with the second probe for measuring the back surface of the object, and this correction step uses a reference object having a reference surface on the front and back surfaces, A reference object is held, the reference object is rotated around the rotation axis of the holding part, and one reference surface of the reference object is measured with a first probe to obtain shape measurement data D1, The other reference surface is measured with a second probe to obtain shape measurement data D2, and a correction value ΔX1 is calculated from the shape measurement data D1 and the design shape data of the reference object, and the shape measurement data D2 and the reference object are calculated. Correction from design shape data And performing processing for calculating the .DELTA.X2.
この三次元形状測定方法においては、回転手段の回転軸に対する第一プローブの原点位置誤差と、回転手段の回転軸に対する第二プローブの原点位置誤差を補正することができる。 In this three-dimensional shape measuring method, it is possible to correct the origin position error of the first probe with respect to the rotation axis of the rotation means and the origin position error of the second probe with respect to the rotation axis of the rotation means.
4. 本発明の別の三次元形状測定方法は、被測定物を回転させる保持部で規定される座標系と、前記被測定物の表面を測定する第一のプローブおよび前記被測定物の裏面を測定する第二のプローブとの相対的な位置誤差を補正する補正ステップを有し、この補正ステップは、前記被測定物を保持し、前記被測定物を前記保持部の回転軸の周りに回転させ、前記被測定物の一方の面のうち、前記回転軸を基準として一方の側の範囲を第一のプローブで測定して形状測定データE1を得、前記回転軸を基準として他方の側の範囲を第一のプローブで測定して形状測定データE1’を得、前記被測定物の他方の面のうち、前記回転軸を基準として一方の側の範囲を第二のプローブで測定して形状測定データE2を得、前記回転軸を基準として他方の側の範囲を第二のプローブで測定して形状測定データE2’を得、前記形状測定データE1と前記形状測定データE1’と前記被測定物の設計形状データから補正値ΔX1’を算出し、前記形状測定データE2と前記形状測定データE2’と前記被測定物の設計形状データから補正値ΔX2’を算出する処理を行うことを特徴とする。 4). Another three-dimensional shape measuring method of the present invention measures a coordinate system defined by a holding unit for rotating the object to be measured, a first probe for measuring the surface of the object to be measured, and the back surface of the object to be measured. A correction step for correcting a relative position error with respect to the second probe. The correction step holds the object to be measured, and rotates the object to be measured around the rotation axis of the holding unit. Then, of one surface of the object to be measured, a range on one side with respect to the rotation axis is measured with a first probe to obtain shape measurement data E1, and a range on the other side with respect to the rotation axis Is measured with the first probe to obtain the shape measurement data E1 ′, and the shape of the other surface of the object to be measured is measured with the second probe on one side of the rotation axis as a reference. Data E2 is obtained and the other side of the rotation axis is used as a reference. The shape is measured with a second probe to obtain shape measurement data E2 ′, a correction value ΔX1 ′ is calculated from the shape measurement data E1, the shape measurement data E1 ′, and the design shape data of the object to be measured, and the shape A process of calculating a correction value ΔX2 ′ from the measurement data E2, the shape measurement data E2 ′, and the design shape data of the object to be measured is performed.
この三次元形状測定方法においては、基準物を用いることなく、回転手段の回転軸に対する第一プローブの原点位置誤差と、回転手段の回転軸に対する第二プローブの原点位置誤差を補正することができる。 In this three-dimensional shape measuring method, it is possible to correct the origin position error of the first probe with respect to the rotation axis of the rotation means and the origin position error of the second probe with respect to the rotation axis of the rotation means without using a reference object. .
本発明によれば、被測定物のセッティングをやり直す必要なく、被測定物の表面と裏面の三次元形状を短時間で高精度に測定可能な三次元形状測定方法が提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the three-dimensional shape measuring method which can measure the three-dimensional shape of the surface of a to-be-measured object and a back surface with high precision in a short time, without having to reset the to-be-measured object is provided.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第一実施形態]
前述したように、被測定物によっては、被測定物の表面と裏面のθ方向の角度に要求される測定精度はあまり高くなく、測定座標系の機械的な調整により要求される測定精度を達成できる場合がある。
[First embodiment]
As described above, depending on the object to be measured, the measurement accuracy required for the angle between the front and back surfaces of the object to be measured is not so high, and the measurement accuracy required by mechanical adjustment of the measurement coordinate system is achieved. There are cases where it is possible.
本実施形態は、このような場合に有効な三次元形状測定に向けられている。つまり、本実施形態は、(a)回転軸と直交する面に対する各測定座標系のX軸の傾き誤差と、(b)各測定座標系のX軸とZ軸の直角度誤差とを考慮した三次元形状測定に向けられている。 The present embodiment is directed to three-dimensional shape measurement effective in such a case. In other words, this embodiment takes into account (a) the tilt error of the X axis of each measurement coordinate system with respect to a plane orthogonal to the rotation axis, and (b) the squareness error of the X axis and Z axis of each measurement coordinate system. It is directed to 3D shape measurement.
図1は、本発明の第一実施形態における三次元形状測定機の主要部の構成を概略的に示す部分断面図である。 FIG. 1 is a partial cross-sectional view schematically showing the configuration of the main part of the three-dimensional shape measuring machine according to the first embodiment of the present invention.
図1に示されるように、本実施形態の三次元形状測定機は、被測定物104を保持する保持部102と、保持部102を回転させる回転手段であるエアースピンドル101と、被測定物104を挟んで対向配置されたプローブ103aとプローブ103bとを備えている。被測定物104は、表面104aと裏面104bの設計形状が既知であり、保持部102を介してエアースピンドル101に固定される。エアースピンドル101は、回転軸101Aを中心として高精度に回転し、その回転角度(θ)を出力する。プローブ103aと103bは被測定物104の被測定面104aと被測定面104bにそれぞれ対向するように配置されている。
As shown in FIG. 1, the three-dimensional shape measuring machine according to this embodiment includes a holding
プローブ103aは、不図示のxステージとyステージとzステージにより三次元方向に位置制御が可能である。zステージは、プローブ103aと被測定面104aとの間の接触圧を一定に保つ接触圧制御も可能となっている。同様に、プローブ103bは、不図示のxステージとyステージとzステージにより三次元方向に位置制御が可能である。zステージは、プローブ103bと被測定面104bとの間の接触圧を一定に保つ接触圧制御も可能となっている。
The position of the
ここで、プローブ103aに対して、互いに略直交するx軸とy軸とz軸とを有し、z軸がエアースピンドル101の回転軸101Aに略平行な第一測定座標系を設定する。同様に、プローブ103bに対しても、互いに略直交するx軸とy軸とz軸とを有し、z軸がエアースピンドル101の回転軸101Aに略平行な第二測定座標系を設定する。三次元形状測定機は、プローブ103aの第一測定座標系における三次元座標(x,y,z)と、プローブ103bの第二測定座標系における三次元座標(x,y,z)とを測定し得る。
Here, a first measurement coordinate system having an x-axis, a y-axis, and a z-axis that are substantially orthogonal to each other is set with respect to the
以下、本実施形態の三次元形状測定方法について説明する。 Hereinafter, the three-dimensional shape measurement method of this embodiment will be described.
本実施形態では、プローブをx軸に沿って移動させて被測定面の形状測定を行う。なお、プローブを移動する各ステージに高精度なステージを使用することにより、プローブはy軸方向に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量に抑えることができる。また、プローブ103aとプローブ103bのy軸方向の位置は、エアースピンドル101の回転軸101Aと一致(y=0)するようにyステージにより位置決めされているものとする。よって、y座標の誤差は基本的に無視できるものとして説明する。
In this embodiment, the shape of the measurement surface is measured by moving the probe along the x axis. By using a high-precision stage for each stage that moves the probe, the probe does not move along the y-axis direction, or can be kept to a minute amount even if it moves. The positions of the
(1)回転軸と直交する面に対する各測定座標系のx軸の傾き誤差の補正
図2は、図1に示される三次元形状測定機に、測定座標系のx軸の傾き誤差の補正のための基準物である平行平面板が取り付けられた様子を示している。図4は、本発明の第一実施形態における三次元形状測定において二つの測定座標系の各々の傾き誤差補正値を求める手順のフローチャートを示している。
(1) Correction of X-axis tilt error of each measurement coordinate system with respect to a plane orthogonal to the rotation axis FIG. 2 shows the correction of the x-axis tilt error of the measurement coordinate system to the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. It shows a state in which a parallel plane plate, which is a reference object, is attached. FIG. 4 shows a flowchart of a procedure for obtaining inclination error correction values of the two measurement coordinate systems in the three-dimensional shape measurement in the first embodiment of the present invention.
まず、図2に示されるように、第一の基準物として平行平面板105を保持部102を介してエアースピンドル101に固定する(Step1)。平行平面板105は、表面と裏面がそれぞれ面精度の良い平面(以下「基準平面105a,105b」という)であり、基準平面105aと基準平面105bは平行度が良い。つまり、平行平面板105は互いに平行な二つの基準平面105a,105bを有している。平行平面板105は、基準平面105aの法線が回転軸101Aと略平行となるように、エアースピンドル101に固定される。平行平面板105は表面と裏面の平行度が良いので、基準平面105bの法線も回転軸101Aと略平行となる。
First, as shown in FIG. 2, the plane
次に、エアースピンドル101により平行平面板105を回転させ、回転している基準平面105aのz軸に沿った変化にプローブ103aを追従させる接触圧制御を行う。更に、エアースピンドル101の回転軸101Aに略直交するx軸に沿ってプローブ103aを移動させる。その間、プローブ103aのxz座標(x,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を測定して、基準平面105aの形状測定データ(xc,zc,θc)(c=1,2,3…)を点列データとして取得する。同様にして、プローブ103bにより基準平面105bの形状測定データ(xd,zd,θd)(d=1,2,3…)を取得する(Step2)。
Next, the parallel
Step2において、x軸に沿ったプローブ103aとプローブ103bの移動は、間欠的に行っても、連続的に行ってもよい。つまり、プローブ103a,103bのx軸方向の位置を任意の複数箇所で固定して測定すると、エアースピンドル101の回転軸101Aを中心とした同心円状の形状測定データが得られる。また、プローブ103a,103bをx軸方向に移動しながら測定すると、スパイラル(渦巻き)状の形状測定データが得られる。取得する形状測定データは、このような同心円状の形状測定データやスパイラル状の形状測定データであってもよく、または、これらを複合した形状測定データであってもよい。また、プローブ103aとプローブ103bの移動は、同時に行っても、別々に行ってもよい。
In
次に、Step2で取得した基準平面105a,105bの形状測定データ(xc,zc,θc),(xd,zd,θd)を、それぞれXYZ直交座標系の測定データ(Xc,Yc,Zc),(Xd,Yd,Zd)に変換する(Step3)。
Next, the shape measurement data (x c , z c , θ c ) and (x d , z d , θ d ) of the
Step3で求めた基準平面105a,105bの測定データをそれぞれ座標変換して基準平面105a,105bの測定誤差データ(Xc,Yc,ΔZc),(Xd,Yd,ΔZd)を算出する(Step4)。
The measurement data of the
Step4の座標変換は、例えば、特開2002−116019号公報で開示されているような、被測定面の設計式にプローブの先端球の曲率半径を加味した設計形状データと測定データを比較し、最小二乗法やニュートン法等既知の方法を用いて、エアースピンドル101の回転軸101Aを基準として定義される被測定面の設計形状データと測定データの間の誤差が最小となるように、測定データを座標変換するものである。
The coordinate transformation of Step 4 is, for example, as compared with design shape data and measurement data in consideration of the radius of curvature of the tip sphere of the probe in the design equation of the surface to be measured as disclosed in JP 2002-1116019 A, Using known methods such as the least square method and the Newton method, the measurement data is such that the error between the design shape data of the measured surface defined with reference to the
この座標変換は、被測定面が平面の場合は、X軸とY軸との周りに回転移動させると共にZ軸に沿って並進移動させる変換である。被測定面が球面の場合は、X軸とY軸とZ軸に沿って並進移動させる変換である。被測定面が非球面の場合は、X軸とY軸との周りに回転移動させると共にX軸とY軸とZ軸に沿って並進移動させる変換である。Step4においては、被測定面が平面であるので、X軸とY軸との周りに回転移動させると共にZ軸に沿って並進移動させる変換である。 This coordinate conversion is a conversion in which when the surface to be measured is a plane, it is rotated around the X axis and the Y axis and translated along the Z axis. When the surface to be measured is a spherical surface, the conversion is performed by translation along the X, Y, and Z axes. When the surface to be measured is an aspherical surface, it is a conversion in which the surface to be measured is rotationally moved around the X axis and the Y axis and is translated along the X axis, the Y axis, and the Z axis. In Step 4, since the surface to be measured is a flat surface, the rotation is moved around the X axis and the Y axis and translated along the Z axis.
被測定面は面精度の良い基準平面であり、基準平面105aと基準平面105bの法線は回転軸101Aと略平行となるように配置されているので、エアースピンドル101を回転しても、プローブ103aとプローブ103bのz座標はほとんど変化しない。このため各測定座標系のx軸とz軸の直角度誤差や、各測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差による測定誤差はほとんど発生しない。従ってStep4で求めた測定誤差データに含まれる測定誤差は、回転軸と直交する面に対する各測定座標系のx軸の傾き誤差による測定誤差である。
The surface to be measured is a reference plane with good surface accuracy, and the normal lines of the
エアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対して測定座標系のx軸の傾き誤差がある場合の、基準平面を用いて求めた測定誤差データは、例えば図7に示すようなグラフとなる。図7は、同心円状の形状測定データから求めた測定誤差データ(Xc,Yc,ΔZc)のXcを横軸に、測定誤差であるΔZcを縦軸にしてグラフ表示したものであり、Xcに比例した測定誤差ΔZcが発生する。
The measurement error data obtained by using the reference plane when there is an x-axis tilt error of the measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the
次に、Step4で算出した基準平面105aの測定誤差データ(Xc,Yc,ΔZc)の測定誤差ΔZcの二乗平均値を評価値として、この測定誤差ΔZcの二乗平均値が設計上の許容値より小さいかを判断し、許容値より大きい場合には第一測定座標系のx軸の傾き誤差があるものとして、Step6に進む。同様にして、基準平面105bの測定誤差データ(Xd,Yd,ΔZd)の測定誤差ΔZdについても判断する(Step5)。
Next, the mean square value of the measurement error ΔZ c of the measurement error data (X c , Y c , ΔZ c ) of the
測定誤差ΔZcの二乗平均値が許容値より大きい場合には、傾き誤差を補正する補正値z=Cxをパラメータとして基準平面105aの形状測定データに加え、基準平面105aの新たな形状測定データ(xc,zc+Cxc,θc)とし、再びStep3に戻る。また測定誤差ΔZdの二乗平均値が許容値より大きい場合には、傾き誤差を補正する補正値z=Dxをパラメータとして基準平面105bの形状測定データに加え、基準平面105bの新たな形状測定データ(xd,zd+Dxd,θd)とし、再びStep3に戻る(Step6)。ここでCはエアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対する第一測定座標系のx軸の傾き誤差を補正する補正係数であり、Dはエアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対する第二測定座標系のx軸の傾き誤差を補正する補正係数である。
When the mean square value of the measurement error ΔZ c is larger than the allowable value, new shape measurement data (for the
Step3〜Step6のループは、測定誤差ΔZcとΔZdのそれぞれの二乗平均値が許容値より小さくなるまで繰り返す。測定誤差ΔZcとΔZdの二乗平均値が許容値より小さくなったらStep5からStep7に進む。 The loop of Step 3 to Step 6 is repeated until the respective mean square values of the measurement errors ΔZ c and ΔZ d become smaller than the allowable value. When the mean square value of the measurement errors ΔZ c and ΔZ d becomes smaller than the allowable value, the process proceeds from Step 5 to Step 7.
なお、Step5の判断基準である許容値としては、被測定面の形状に対する許容公差(P−V値,RMS値等)や、この三次元形状測定機における各測定座標系の誤差(前述の(a)から(c)の誤差等)により発生する測定誤差が無い状態で取得した測定誤差データに含まれるノイズ成分により発生する測定誤差ΔZcまたはΔZdの二乗平均値(すなわち三次元形状測定機の測定能力)等の設計上の許容範囲を加味して設定する。あるいは許容値として測定誤差ΔZcまたはΔZdの二乗平均値が最小値であるかを判断基準としてもよい。この場合には、傾きを補正する補正係数CあるいはDを所定量だけ順次変更し、傾き補正値の変更前後の測定誤差ΔZc,ΔZdの二乗平均値が最小値であるかを判断基準として傾き補正値を算出すると、三次元形状測定機のノイズ成分が大きい場合にも最適な傾き誤差の補正値が求められる。 In addition, as an allowable value which is a judgment criterion in Step 5, an allowable tolerance (P-V value, RMS value, etc.) with respect to the shape of the surface to be measured, or an error of each measurement coordinate system in the three-dimensional shape measuring machine (described above ( a) to (c) error), etc., and a mean square value of measurement error ΔZ c or ΔZ d generated by a noise component included in measurement error data acquired in a state where there is no measurement error (ie, a three-dimensional shape measuring machine) ) And taking into account design tolerances such as Alternatively, whether or not the mean square value of the measurement error ΔZ c or ΔZ d is the minimum value may be used as a tolerance. In this case, the correction coefficient C or D for correcting the inclination is sequentially changed by a predetermined amount, and whether or not the mean square value of the measurement errors ΔZ c and ΔZ d before and after the change of the inclination correction value is the minimum value is used as a criterion. When the tilt correction value is calculated, an optimal tilt error correction value can be obtained even when the noise component of the three-dimensional shape measuring machine is large.
Step3〜Step6のループにおいて求められた測定誤差ΔZc,ΔZdの二乗平均値が許容値より小さくなるプローブ103a,103bの傾き誤差の補正係数C,Dを記憶する(Step7)。
The correction coefficients C and D of the inclination errors of the
以上のように、プローブ103aにより測定した被測定面の形状測定データ(xc,zc,θc)にz座標の補正値(z=Cx)を加算して形状測定データ(xc,zc+Cxc,θc)とすることにより、エアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対する第一測定座標系のx軸の傾き誤差を補正できる。同様にしてプローブ103bにより測定した形状測定データについても、z座標の補正値(z=Dx)を加算して形状測定データ(xd,zd+Dxd,θd)とすることにより、エアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対する第二測定座標系のx軸の傾き誤差を補正できる。
As described above, the shape measurement data of the measurement surface measured by the probe 103a (x c, z c, θ c) correction value z coordinates (z = Cx) adding to the shape measurement data (x c, z c + Cx c , θ c ), it is possible to correct an inclination error of the x axis of the first measurement coordinate system with respect to a plane orthogonal to the
なお本実施形態では、プローブ103aとプローブ103bをx軸に沿って移動させて形状測定を行うので、プローブ103a,103bはx軸とz軸に直交するy軸に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量である。従って、プローブ103aとプローブ103bのy座標は共に無視できるもの(y=0)として説明した。しかし、プローブがy軸に沿って移動し、形状測定データに影響を与える場合には、プローブのy座標も無視できないので測定するのが好ましい。
In the present embodiment, the shape is measured by moving the
例えばプローブ103aのy座標が無視できない場合には、Step2において、プローブ103aのxyz座標(x,y,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を測定して、基準平面105aの形状測定データ(xc,yc,zc,θc)(c=1,2,3…)を点列データとして取得する。そしてStep3において、この形状測定データ(xc,yc,zc,θc)を直交座標系の測定データ(Xc,Yc,Zc)に変換する。Step4以降についてもy座標を加味して同様に行う。
For example, when the y coordinate of the
またプローブがy軸に沿って大きく移動する場合には、回転軸と直交する面に対する測定座標系のy軸の傾き誤差も無視できない場合がある。 When the probe moves greatly along the y-axis, the tilt error of the y-axis of the measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the rotation axis may not be ignored.
例えば第一測定座標系のy軸の傾き誤差が無視できない場合には、第一測定座標系のx軸の傾き誤差の算出と同様の手順で、第一測定座標系のy軸の傾き誤差の補正値z=Eyを求める。ここでEはエアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対する第一測定座標系のy軸の傾き誤差を補正する補正係数である。従って、x座標とy座標に対するz座標の補正値としては、z=Cx+Eyとなる。このz座標の補正値(z=Cx+Ey)を被測定面の形状測定データ(xc,yc,zc,θc)に加算して、形状測定データ(xc,yc,zc+Cxc+Eyc,θc)とすることにより、エアースピンドル101の回転軸101Aと直交する面に対する第一測定座標系のx軸の傾き誤差とy軸の傾き誤差とを補正できる。
For example, when the y-axis tilt error of the first measurement coordinate system cannot be ignored, the y-axis tilt error of the first measurement coordinate system is calculated in the same procedure as the calculation of the x-axis tilt error of the first measurement coordinate system. A correction value z = Ey is obtained. Here, E is a correction coefficient for correcting the tilt error of the y axis of the first measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the
(2)各測定座標系のx軸とz軸の直角度誤差の補正
図3は、図1に示される三次元形状測定機に、測定座標系のx軸とz軸の直角度誤差の補正のための基準物である基準球が取り付けられた様子を示している。図5は、本発明の第一実施形態における三次元形状測定において二つの測定座標系の各々の直角度誤差補正値と二つの測定座標系のz方向の相対距離の補正値とを求める手順のフローチャートを示している。
(2) Correction of perpendicularity error of x-axis and z-axis of each measurement coordinate system FIG. 3 shows correction of perpendicularity error of x-axis and z-axis of measurement coordinate system to the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. It shows a state in which a reference sphere that is a reference object for is attached. FIG. 5 shows a procedure for obtaining the squareness error correction value of each of the two measurement coordinate systems and the correction value of the relative distance in the z direction of the two measurement coordinate systems in the three-dimensional shape measurement in the first embodiment of the present invention. The flowchart is shown.
Step7に続いて、平行平面板105に代えて、図3に示されるように、第二の基準物として基準球106を保持部102を介してエアースピンドル101に固定する(Step8)。基準球106は直径が既知であり、表面と裏面はそれぞれ面精度の良い球面(以下「基準球面106a,106b」という)である。つまり、基準球106は二つの基準球面106aと106bを有し、それらは共に同一の球面の一部で構成されている。
Subsequent to Step 7, instead of the plane
Step2と同様にして、プローブ103aにより基準球面106aの形状測定データを点列データ(xe,ze,θe)(e=1,2,3…)として取得する。同様にして、プローブ103bにより基準球面106bの形状測定データ(xf,zf,θf)(f=1,2,3…)を取得する(Step9)。
Similarly to
Step7で記憶した第一測定座標系のx軸の傾き誤差の補正係数Cを読み出し、Step9で取得した基準球面106aの形状測定データ(xe,ze,θe)に加算し、形状測定データ(xe,ze+Cxe,θe)とする。同様にして、基準球面106bの形状測定データを、形状測定データ(xf,zf+Dxf,θf)とする(Step10)。
The correction coefficient C for the x-axis tilt error of the first measurement coordinate system stored in Step 7 is read out and added to the shape measurement data (x e , z e , θ e ) of the reference spherical surface 106a acquired in Step 9 to obtain the shape measurement data. (X e , z e + Cx e , θ e ). Similarly, the shape measurement data of the reference
Step10で取得した基準球面106aの形状測定データ(xe,ze+Cxe,θe)をXYZ直交座標系の測定データ(Xe,Ye,Ze)に変換する。同様にして、基準球面106bの形状測定データをXYZ直交座標系の測定データ(Xf,Yf,Zf)に変換する(Step11)。
The shape measurement data (x e , z e + Cx e , θ e ) of the reference spherical surface 106a acquired in Step 10 is converted into measurement data (X e , Y e , Z e ) in the XYZ orthogonal coordinate system. Similarly, the shape measurement data of the reference
Step4と同様に、最小二乗法やニュートン法等既知の方法を使用して、被測定面である基準球面の設計形状データと測定データの間の誤差が最小となるように基準球面106aの測定データを座標変換して、基準球面106aの測定誤差データ(Xe,Ye,ΔZe)を算出する。同様にして、基準球面106bの測定誤差データ(Xf,Yf,ΔZf)を算出する(Step12)。Step12の座標変換は、被測定面が球面であるので、X軸とY軸とZ軸に沿って並進移動させる変換である。
Similar to Step 4, using known methods such as the least square method and the Newton method, the measurement data of the reference sphere 106a is minimized so that the error between the design shape data of the reference sphere that is the surface to be measured and the measurement data is minimized. Is transformed to calculate measurement error data (X e , Y e , ΔZ e ) of the reference spherical surface 106a. Similarly, measurement error data (X f , Y f , ΔZ f ) of the reference
ここで回転軸101Aと直交する面に対する各測定座標系のx軸の傾き誤差はすでに補正されている。従ってStep12で求めた測定誤差データに含まれる測定誤差は、各測定座標系のx軸とz軸の直角度誤差と、各測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差による測定誤差である。しかし被測定物が面精度の良い球面であるので、測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差は影響しない。従って、Step12で求めた測定誤差データに含まれる測定誤差は、各測定座標系のx軸とz軸の直角度誤差による測定誤差である。
Here, the inclination error of the x-axis of each measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the
測定座標系のx軸に対してz軸の直角度誤差がある場合の、基準球面を用いて求めた測定誤差データの例を図8に示す。図8は、同心円状の形状測定データから求めた測定誤差データ(Xe,Ye,ΔZe)のXeを横軸に、測定誤差であるΔZeを縦軸にしてグラフ表示したものである。 FIG. 8 shows an example of measurement error data obtained using the reference spherical surface when there is a squareness error of the z axis with respect to the x axis of the measurement coordinate system. FIG. 8 is a graph showing measurement error data (X e , Y e , ΔZ e ) obtained from concentric circular shape measurement data with X e as the horizontal axis and ΔZ e as the measurement error as the vertical axis. is there.
次に、Step12で算出した基準球面106aの測定誤差データ(Xe,Ye,ΔZe)の測定誤差ΔZeの二乗平均値を評価値として、この測定誤差ΔZeの二乗平均値が設計上の許容値より小さいかを判断し、許容値より大きい場合には第一測定座標系に直角度誤差があるものとして、Step14に進む。同様にして、基準球面106bの測定誤差データ(Xf,Yf,ΔZf)の測定誤差ΔZfについても判断する(Step13)。
Next, the mean square value of the measurement error ΔZ e of the measurement error data (X e , Y e , ΔZ e ) of the reference spherical surface 106a calculated in Step 12 is used as an evaluation value, and the mean square value of the measurement error ΔZ e is designed by design. If it is larger than the allowable value, it is determined that there is a squareness error in the first measurement coordinate system, and the process proceeds to Step 14. Similarly, the measurement error ΔZ f of the measurement error data (X f , Y f , ΔZ f ) of the reference
測定誤差ΔZeの二乗平均値が許容値より大きい場合には、第一測定座標系のx軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差を補正する補正値x=Gzをパラメータとして基準球面106aの形状測定データに加え、基準球面106aの新たな形状測定データ(xe+Gze,ze,θe)とし、再びStep10に戻る。また測定誤差ΔZfの二乗平均値が許容値より大きい場合には、第二測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のz軸の直角度誤差を補正する補正値x=Hzをパラメータとして基準球面106bの形状測定データに加え、基準球面106bの新たな形状測定データ(xf+Hzf,zf,θf)とし、再びStep10に戻る(Step14)。ここでGは第一測定座標系のx軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差を近似的に補正する補正係数であり、Hは第二測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のz軸の直角度誤差を近似的に補正する補正係数である。
When the root mean square value of the measurement error ΔZ e is larger than the allowable value, the correction value x = Gz for correcting the squareness error of the z axis of the first measurement coordinate system with respect to the x axis of the first measurement coordinate system is used as a parameter. in addition to the shape measurement data of the spherical 106a, a new form measuring data of the reference spherical surface 106a (x e + Gz e, z e, θ e) and, returns to Step10. When the mean square value of the measurement error ΔZ f is larger than the allowable value, the correction value x = Hz for correcting the squareness error of the z axis of the second measurement coordinate system with respect to the x axis of the second measurement coordinate system is used as a parameter. In addition to the shape measurement data of the reference
Step10〜Step14のループは、測定誤差ΔZeとΔZfのそれぞれの二乗平均値が許容値より小さくなるまで繰り返す。測定誤差ΔZeとΔZfの二乗平均値が許容値より小さくなったらStep13からStep15に進む。 The loop of Step 10 to Step 14 is repeated until the respective mean square values of the measurement errors ΔZ e and ΔZ f become smaller than the allowable value. When the square mean value of the measurement error [Delta] Z e and [Delta] Z f is smaller than the allowable value proceeds from Step13 to Step 15.
なお、Step13の判断基準である許容値も、Step5と同様に、設計上の許容範囲を加味して設定する。あるいは許容値として測定誤差ΔZeまたはΔZfの二乗平均値が最小値であるかを判断基準としてもよい。 Note that the allowable value, which is the determination criterion in Step 13, is also set in consideration of the design allowable range, as in Step 5. Alternatively mean square value of the measurement error [Delta] Z e or [Delta] Z f as an allowable value may be determined based on whether the minimum value.
Step10〜Step14のループにおいて求められた、測定誤差ΔZe,ΔZfの二乗平均値が許容値より小さくなる各測定座標系のx軸に対するz軸の直角度誤差を近似的に補正する補正係数G,Hを記憶する(Step15)。 Correction coefficient G that approximately corrects the squareness error of the z-axis with respect to the x-axis of each measurement coordinate system in which the mean square value of the measurement errors ΔZ e and ΔZ f is smaller than the allowable value, obtained in the loop of Step 10 to Step 14 , H are stored (Step 15).
以上のように、プローブ103aにより測定した被測定面の形状測定データ(xe,ze,θe)にx座標の補正値(x=Gz)を加算して形状測定データ(xe+Gze,ze,θe)とすることにより、第一測定座標系のx軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差を補正できる。同様にしてプローブ103bにより測定した形状測定データについても、x座標の補正値(x=Hz)を加算して形状測定データ(xf+Hzf,zf,θf)とすることにより、第二測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のz軸の直角度誤差を補正できる。従って、第一測定座標系のz軸と第二測定座標系のz軸を、エアースピンドル101の回転軸101Aを基準として高精度に一致させることができる。
As described above, the shape measurement data of the measurement surface measured by the probe 103a (x e, z e, θ e) the correction value of x coordinates (x = Gz) and adds shape measurement data (x e + Gz e , Z e , θ e ), the squareness error of the z axis of the first measurement coordinate system with respect to the x axis of the first measurement coordinate system can be corrected. Similarly, the shape measurement data measured by the
また基準球面106aと基準球面106bは、基準球106の一部であることから、基準球面106aと基準球面106bの曲率中心は一致する。従って以下の手順により、プローブ103aとプローブ103bのz方向の相対距離を算出できる。
Since the reference spherical surface 106a and the reference
Step12で算出した基準球面106aの測定誤差データ(Xe,Ye,ΔZe)から、基準球面106aの曲率中心のz座標(Ze0)が求められる。同様に、基準球面106bの測定誤差データ(Xf,Yf,ΔZf)から、基準球面106bの曲率中心のz座標(Zf0)が求められる(Step16)。
From the measurement error data (X e , Y e , ΔZ e ) of the reference spherical surface 106a calculated in Step 12, the z coordinate (Z e0 ) of the center of curvature of the reference spherical surface 106a is obtained. Similarly, the z coordinate (Z f0 ) of the center of curvature of the reference
第一測定座標系と第二測定座標系の間にz方向の相対距離誤差がなければ、基準球面106aの曲率中心のz座標と基準球面106bの曲率中心のz座標は一致するのでZe0=Zf0となるはずである。z方向の相対距離誤差があると、基準球面106aの曲率中心のz座標と基準球面106bの曲率中心のz座標は一致せず差が生じる。この差が、第一測定座標系と第二測定座標系のz軸方向の相対距離誤差である。従って、第一測定座標系と第二測定座標系のz方向の相対距離誤差の補正値Δz=Ze0−Zf0を算出し、記憶する(Step17)。
If there is no relative distance error in the z direction between the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system, the z coordinate of the center of curvature of the reference spherical surface 106a and the z coordinate of the center of curvature of the reference
Step17で算出したz方向の相対距離誤差の補正値Δz=Ze0−Zf0を、例えばプローブ103bにより測定した被測定面の形状測定データ(xf,zf,θf)に加算して形状測定データ(xf,zf+Δz,θf)とすることにより、第一測定座標系と第二測定座標系のz方向の相対距離誤差を補正できる。
The correction value Δz = Z e0 −Z f0 of the relative distance error in the z direction calculated in Step 17 is added to, for example, the shape measurement data (x f , z f , θ f ) of the measured surface measured by the
なお本実施形態では、プローブ103aとプローブ103bをx軸に沿って移動させて形状測定を行うので、プローブ103a,103bはx軸とz軸に直交するy軸に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量である。従って、プローブ103aとプローブ103bのy座標は共に無視できるもの(y=0)として説明した。しかし、プローブがy軸に沿って移動し、形状測定データに影響を与える場合には、プローブのy座標も無視できないので測定するのが好ましい。
In the present embodiment, the shape is measured by moving the
例えばプローブ103aのy座標が無視できない場合には、Step9において、プローブ103aのxyz座標(x,y,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を測定して、基準球面106aの形状測定データ(xe,ye,ze,θe)(e=1,2,3…)を点列データとして取得する。そして、傾き誤差を補正した形状測定データを、Step11において直交座標系の測定データ(Xe,Ye,Ze)に変換する。Step12以降についてもy座標を加味して同様に行う。
For example, if the y-coordinate of the
またプローブがy軸に沿って大きく移動する場合には、y軸に対するz軸の直角度誤差も無視できない場合がある。 In addition, when the probe moves greatly along the y axis, the squareness error of the z axis with respect to the y axis may not be ignored.
例えば第一測定座標系のy軸に対するz軸の直角度誤差が無視できない場合には、測定座標系のx軸に対するz軸の直角度誤差の算出と同様の手順で、y軸に対するz軸の直角度誤差の補正値y=Izを求める。ここでIは第一測定座標系のy軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差を近似的に補正する補正係数である。x軸に対するz軸の直角度誤差の補正値(x=Gz)とy軸に対するz軸の直角度誤差の補正値(y=Iz)を形状測定データ(xe,ye,ze,θe)に加算して、形状測定データ(xe+Gze,ye+Ize,ze,θe)とすることにより、第一測定座標系のx軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差と、第一測定座標系のy軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差とを補正できる。 For example, when the squareness error of the z axis with respect to the y axis of the first measurement coordinate system cannot be ignored, the z axis relative to the y axis is calculated in the same procedure as the calculation of the squareness error of the z axis with respect to the x axis of the measurement coordinate system. A correction value y = Iz of the squareness error is obtained. Here, I is a correction coefficient for approximately correcting the squareness error of the z axis of the first measurement coordinate system with respect to the y axis of the first measurement coordinate system. The correction value (x = Gz) of the z-axis squareness error with respect to the x-axis and the correction value (y = Iz) of the z-axis squareness error with respect to the y-axis are measured with the shape measurement data (x e , y e , z e , θ by adding to e), the shape measurement data (x e + Gz e, y e + Iz e, z e, by the theta e), the z axis of the first measurement coordinate system with respect to the x axis of the first measurement coordinate system The squareness error and the squareness error of the z axis of the first measurement coordinate system with respect to the y axis of the first measurement coordinate system can be corrected.
(3)非球面レンズの形状測定
図6は、本発明の第一実施形態における三次元形状測定において被測定物の表面と裏面の三次元形状を評価する手順のフローチャートを示している。
(3) Aspherical Lens Shape Measurement FIG. 6 shows a flowchart of a procedure for evaluating the three-dimensional shape of the front and back surfaces of the object to be measured in the three-dimensional shape measurement in the first embodiment of the present invention.
Step17に続いて、基準球106に代えて、図1に示されるように、被測定物として例えば表面104aと裏面104bが共に非球面である非球面レンズ104を、保持部102を介してエアースピンドル101の回転軸101Aと略一致させてエアースピンドル101に固定する(Step18)。
Subsequent to Step 17, instead of the
次に、この非球面レンズ104をエアースピンドル101により回転させ、回転している被測定面である非球面104aのz軸に沿った変化にプローブ103aを追従させる接触圧制御を行う。更に、プローブ103aをx軸に沿って移動させる。その間、プローブ103aのxz座標(x,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を測定して、非球面104aの形状測定データを点列データ(xi,zi,θi)(i=1,2,3…)として取得する。同様にして、プローブ103bにより非球面104bの形状測定データを点列データ(xj,zj,θj)(j=1,2,3…)として取得する(Step19)。
Next, the
ここで、非球面レンズ104の軸とエアースピンドル101の回転軸101Aは略一致しているので、非球面レンズ104の同一半径上の形状は略一定となることから、プローブ103aとプローブ103bの接触圧制御が容易となり走査速度を早くできるので、図23に示される三次元形状測定機のようなx軸方向とy軸方向の走査に比べて測定時間の短縮が可能である。
Here, since the axis of the
Step19においても、Step2と同様に、x軸に沿ったプローブの移動は、間欠的に行っても、連続的に行ってもよい。また、プローブ103aとプローブ103bの移動は、同時に行っても、別々に行ってもよい。
In Step 19, as in
Step7で記憶した第一測定座標系および第二測定座標系のx軸の傾き誤差の補正係数CおよびDと、Step15で記憶した第一測定座標系および第二測定座標系のx軸に対するz軸の直角度誤差を補正する補正係数GおよびHと、Step17で記憶した第一測定座標系のz軸と第二測定座標系のz軸のz方向の相対距離誤差の補正値Δzとを読み出し、Step19で取得した非球面104aの形状測定データ(xi,zi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj,zj,θj)に加算し、非球面104aの形状測定データ(xi+Gzi,zi+Cxi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj+Hzj,zj+Dxj+Δz,θj)とする(Step20)。
Correction coefficients C and D for the tilt error of the x-axis of the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system stored in Step 7 and the z-axis with respect to the x-axis of the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system stored in Step 15 The correction coefficients G and H for correcting the squareness error of, and the correction value Δz of the relative distance error in the z direction of the z axis of the first measurement coordinate system and the z axis of the second measurement coordinate system stored in Step 17, The shape measurement data (x i , z i , θ i ) of the
これにより、非球面104aの形状測定データ(xi+Gzi,zi+Cxi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj+Hzj,zj+Dxj+Δz,θj)は、同一の測定座標系による形状測定データとみなすことができる。
Thereby, the shape measurement data (x i + Gz i , z i + Cx i , θ i ) of the
Step20で取得した非球面104aの形状測定データ(xi+Gzi,zi+Cxi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj+Hzj,zj+Dxj+Δz,θj)を、それぞれXYZ直交座標系の測定データ(Xi,Yi,Zi)と(Xj,Yj,Zj)に変換する(Step21)。
The shape measurement data (x i + Gz i , z i + Cx i , θ i ) and the shape measurement data (x j + Hz j , z j + Dx j + Δz, θ j ) of the
Step21で算出した非球面104aの測定データ(Xi,Yi,Zi)と非球面104bの測定データ(Xj,Yj,Zj)により、非球面104aと非球面104bの相対位置関係を含めた非球面レンズ104の三次元形状が分かる(Step22)。
Based on the measurement data (X i , Y i , Z i ) of the
なお非球面レンズ104の非球面104aの非球面軸と非球面104bの非球面軸の相対位置関係は、例えば以下のようにして求めることができる。
Note that the relative positional relationship between the aspherical axis of the
最小二乗法やニュートン法等既知の方法を使用して、被測定面である非球面104aの設計形状データとこの非球面の測定データの間の誤差が最小となるように測定データを座標変換して、非球面104aの形状誤差データ(Xi,Yi,ΔZi)を算出する。同様にして、非球面104bの形状誤差データ(Xj,Yj,ΔZj)を算出する。
Using known methods such as the least square method and the Newton method, the measurement data is coordinate-transformed so that the error between the design shape data of the
この座標変換は、被測定面が非球面であるので、X軸とY軸との周りに回転移動させると共にX軸とY軸とZ軸に沿って並進移動させる変換である。 This coordinate conversion is a conversion in which the surface to be measured is an aspherical surface and is rotated around the X and Y axes and translated along the X, Y, and Z axes.
この座標変換の結果から、エアースピンドル101の回転軸101Aを基準として定義された非球面104aの設計形状データに対する非球面104aの測定データの座標変換量(Ai,Bi,Ci,αi,βi)が求められる。ここで、Aiは非球面104aの測定データのX軸方向の並進移動量、BiはY軸方向の並進移動量、CiはZ軸方向の並進移動量、αiはX軸周りの回転転移動量、βiはY軸周りの回転移動量である。同様にして、非球面104bの測定データの座標変換量(Aj,Bj,Cj,αj,βj)が求められる。ここで、Ajは非球面104bの測定データのX軸方向の並進移動量、BjはY軸方向の並進移動量、CjはZ軸方向の並進移動量、αjはX軸周りの回転移動量、βjはY軸周りの回転移動量である。
From the result of this coordinate conversion, the coordinate conversion amount (A i , B i , C i , α i of the measurement data of the
非球面104aの座標変換量(Ai,Bi,Ci,αi,βi)と非球面104bの座標変換量(Aj,Bj,Cj,αj,βj)の差(Ai−Aj,Bi−Bj,Ci-Cj,αi−αj,βi−βj)から、非球面104aの非球面軸に対する非球面104bの非球面軸の相対的な位置関係が分かる。
The difference between the coordinate transformation amount (A i , B i , C i , α i , β i ) of the
本実施形態によれば、被測定物である非球面レンズ104のセッティングをやり直すことなく、かつ短時間で非球面104aと非球面104bの形状測定が可能である。また、測定座標系の誤差(前述の(a)と(b)の誤差)による測定誤差を、表面と裏面の面精度が良く、かつ表裏面の平行度が良い平行平面板105と、直径が既知で面精度の良い基準球106を用いて算出し、これを考慮することにより非球面104aと非球面104bの形状測定データを補正しているので、表面と裏面の相対位置関係も含めた非球面レンズ104の三次元形状を高精度に評価できる。
According to the present embodiment, it is possible to measure the shape of the
本実施形態における三次元形状測定機の説明に関連して、プローブ103aと103bの位置制御系(xステージとyステージとzステージ)と、三次元形状測定機の制御系(プローブ103aと103bにより得られた測定データを処理する処理装置を含む)は、特に図示していないが、それらは、後述する第四実施形態の三次元形状測定機と同じ構成が適用できる。
In connection with the description of the three-dimensional shape measuring machine in this embodiment, the position control system (x stage, y stage, and z stage) of the
[第二実施形態]
第一実施形態は、(a)回転軸と直交する面に対する各測定座標系のX軸の傾き誤差と(b)各測定座標系のX軸とZ軸の直角度誤差とは考慮しているが、(c)各測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差は考慮していない。しかし、被測定物によっては、被測定物の表面と裏面のθ方向の角度に高い測定精度が要求されることもある。
[Second Embodiment]
In the first embodiment, (a) the X-axis tilt error of each measurement coordinate system with respect to a plane orthogonal to the rotation axis and (b) the squareness error between the X-axis and Z-axis of each measurement coordinate system are considered. However, (c) the angle error in the θ direction of the x axis of each measurement coordinate system is not considered. However, depending on the object to be measured, high measurement accuracy may be required for the angle between the front surface and the back surface of the object to be measured in the θ direction.
本実施形態は、このような要請に対応し得る三次元形状測定に向けられている。すなわち、本実施形態は、(a)回転軸と直交する面に対する各測定座標系のX軸の傾き誤差と(b)各測定座標系のX軸とZ軸の直角度誤差とに加えて、(c)各測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差をも考慮した三次元形状測定に向けられている。 The present embodiment is directed to three-dimensional shape measurement that can meet such demands. That is, in this embodiment, in addition to (a) the tilt error of the X axis of each measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the rotation axis, and (b) the squareness error of the X axis and Z axis of each measurement coordinate system, (C) It is directed to three-dimensional shape measurement in consideration of an angle error in the θ direction of the x axis of each measurement coordinate system.
本実施形態の三次元形状測定方法は、途中までは第一実施形態と同じであり、Step17以降において、第一実施形態の測定方法と相違している。以下では、本実施形態の三次元形状測定方法について、第一実施形態と相違しているStep17以降の測定手順について説明する。 The three-dimensional shape measurement method of the present embodiment is the same as that of the first embodiment until halfway, and differs from the measurement method of the first embodiment after Step 17. Below, the measurement procedure after Step17 which is different from 1st embodiment is demonstrated about the three-dimensional shape measuring method of this embodiment.
(4)各測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差の補正
図9は、図1に示される三次元形状測定機に、測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差の補正のために、平行平面板が傾けて取り付けられた様子を示している。図10は、本発明の第二実施形態における三次元形状測定においてθ方向角度誤差補正値を求める手順のフローチャートを示している。
(4) Correction of the angle error in the θ direction of the x axis of each measurement coordinate system FIG. 9 is a diagram for correcting the angle error in the θ direction of the x axis of the measurement coordinate system shown in FIG. Fig. 5 shows a state in which the plane parallel plate is attached at an angle. FIG. 10 shows a flowchart of a procedure for obtaining the θ-direction angle error correction value in the three-dimensional shape measurement in the second embodiment of the present invention.
Step17に続いて、基準球106に代えて、図9に示されるように、回転軸101Aに対して基準平面105aの法線が傾くように、保持部102を介して平行平面板105をエアースピンドル101に固定する(Step31)。
Subsequent to Step 17, instead of the
Step2と同様にして、プローブ103aにより基準平面105aの形状測定データを点列データ(xg,zg,θg)(g=1,2,3…)として取得する。同様にして、プローブ103bにより基準平面105bの形状測定データ(xh,zh,θh)(h=1,2,3…)を取得する(Step32)。
Similarly to
Step7で記憶した第一測定座標系のx軸の傾き誤差の補正係数Cと、Step15で記憶した第一測定座標系のx軸に対する第一測定座標系のz軸の直角度誤差を補正する補正係数Gを読み出し、Step32で取得した基準平面105aの形状測定データ(xg,zg,θg)に加算し、基準平面105aの形状測定データ(xg+Gzg,zg+Cxg,θg)とする。同様にして、基準平面105bの形状測定データを、形状測定データ(xh+Hzh,zh+Dxh,θh)とする(Step33)。
Correction for correcting the inclination error of the x-axis of the first measurement coordinate system stored at Step 7 and the squareness error of the z-axis of the first measurement coordinate system with respect to the x-axis of the first measurement coordinate system stored at Step 15 The coefficient G is read and added to the shape measurement data (x g , z g , θ g ) of the
Step33で取得した基準平面105aの形状測定データ(xg+Gzg,zg+Cxg,θg)を、XYZ直交座標系の測定データ(Xg,Yg,Zg)に変換する。同様にして、基準平面105bの形状測定データをXYZ直交座標系の測定データ(Xh,Yh,Zh)に変換する(Step34)。
The shape measurement data (x g + Gz g , z g + Cx g , θ g ) acquired in Step 33 is converted into measurement data (X g , Y g , Z g ) in the XYZ orthogonal coordinate system. Similarly, the shape measurement data of the
Step4と同様に、最小二乗法やニュートン法等既知の方法を使用して、被測定面である基準平面105aの設計形状データと測定データの間の誤差が最小となるように基準平面105aの測定データを座標変換して、基準平面105aの測定誤差データ(Xg,Yg,ΔZg)を算出する。同様にして、基準平面105bの測定誤差データ(Xh,Yh,ΔZh)を算出する(Step35)。
As in Step 4, using a known method such as the least square method or the Newton method, the measurement of the
Step35で行った座標変換の結果から、基準平面105aの測定データのX軸周りの回転移動量αgとY軸周りの回転移動量βgとが分かる。同様に、プローブ103bによる基準平面105bの測定データのX軸周りの回転移動量αhとY軸周りの回動移動量βhとが分かる(Step36)。
From the result of the coordinate conversion performed in Step 35, the rotational movement amount α g around the X axis and the rotational movement amount β g around the Y axis of the measurement data of the
ここで回転軸101Aと直交する面に対する各測定座標系のx軸の傾き誤差と、各測定座標系のx軸に対するz軸の直角度誤差は補正されている。また被測定物が平行平面板105であることから、基準平面105aと基準平面105bの法線の向き(面の傾き)は高精度に一致している。従って、第一測定座標系のx軸と第二測定座標系のx軸との間に、θ方向の相対的な角度誤差が無ければ、Step36で求めた基準平面105aの測定データの回転移動量(αg,βg)と基準平面105bの測定データの回転移動量(αh,βh)は高精度に一致するはずである。θ方向に相対的な角度誤差があると、基準平面105aの測定データの回転移動量(αg,βg)と基準平面105bの測定データの回転移動量(αh,βh)は異なる値となる。
Here, the inclination error of the x axis of each measurement coordinate system with respect to the plane orthogonal to the
次に、Step36で算出した基準平面105aの測定データの回転移動量(αg,βg)と基準平面105bの測定データの回転移動量(αh,βh)の差(αg−αh)2+(βg−βh)2を評価値として、この回転移動量の差(αg−αh)2+(βg−βh)2が設計上の許容値より小さいかを判断し、許容値より大きい場合にはθ方向に相対的な角度誤差があるものとして、Step38に進む(Step37)。
Next, the difference (α g −α h ) between the rotational movement amount (α g , β g ) of the measurement data of the
回転移動量の差(αg−αh)2+(βg−βh)2が許容値より大きい場合には、例えば第二測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差を補正するθ方向角度誤差補正値Δθをパラメータとして基準平面105bの形状測定データに加え、基準平面105bの新たな形状測定データ(xh,zh,θh+Δθ)とし、再びStep33に戻る(Step38)。
When the difference (α g −α h ) 2 + (β g −β h ) 2 of the rotational movement amount is larger than the allowable value, for example, θ that corrects the angle error in the θ direction of the x axis of the second measurement coordinate system In addition to the shape measurement data of the
Step33〜Step38のループは、回転移動量の差(αg−αh)2+(βg−βh)2が許容値より小さくなるまで繰り返す。回転移動量の差(αg−αh)2+(βg−βh)2が許容値より小さくなったらStep37からStep39に進む。 The loop of Step 33 to Step 38 is repeated until the difference in rotational movement amount (α g −α h ) 2 + (β g −β h ) 2 becomes smaller than the allowable value. When the difference (α g −α h ) 2 + (β g −β h ) 2 in the rotational movement amount becomes smaller than the allowable value, the process proceeds from Step 37 to Step 39.
なお、Step37の判断基準である許容値も、Step5と同様に、設計上の許容範囲を加味して設定する。あるいは許容値として回転移動量の差(αg−αh)2+(βg−βh)2が最小値であるかを判断基準としてもよい。 Note that the allowable value, which is the determination criterion in Step 37, is set in consideration of the design allowable range, as in Step 5. Alternatively, as a permissible value, whether or not the difference (α g −α h ) 2 + (β g −β h ) 2 in the rotational movement amount is a minimum value may be used as a criterion.
Step33〜Step38のループにおいて求められた回転移動量の差(αg−αh)2+(βg−βh)2が許容値より小さくなる第二測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差補正値Δθを記憶する(Step39)。 The angle in the θ direction of the x-axis of the second measurement coordinate system in which the difference (α g −α h ) 2 + (β g −β h ) 2 obtained in the loop of Step 33 to Step 38 becomes smaller than the allowable value. The error correction value Δθ is stored (Step 39).
以上のように、プローブ103bにより測定した被測定面の形状測定データ(xh,zh,θh)にθ方向の角度誤差の補正値Δθを加算して形状測定データ(xh,zh,θh+Δθ)とすることにより、第一測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差を補正できる。従って、第一測定座標系のx軸と第二測定座標系のx軸を高精度に一致させることができる。なお、θ方向の角度誤差の補正は、第一測定座標系に対して行なっても、あるいは第一測定座標系と第二測定座標系の両方に対して行なってもよい。 As described above, the shape measurement data of the measurement surface measured by the probe 103b (x h, z h, θ h) in the by adding the correction value Δθ of theta direction angular error shape measurement data (x h, z h , Θ h + Δθ), the angle error in the θ direction of the x axis of the second measurement coordinate system with respect to the x axis of the first measurement coordinate system can be corrected. Therefore, the x axis of the first measurement coordinate system and the x axis of the second measurement coordinate system can be matched with high accuracy. The angle error in the θ direction may be corrected for the first measurement coordinate system or for both the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system.
以上のようにして、測定座標系の誤差(前述の(a)から(c)の誤差)により発生する測定誤差を補正することにより、エアースピンドル101の回転軸101Aを基準として、第一測定座標系と第二測定座標系を高精度に一致させることができる。従って、プローブ103aによる測定データとプローブ103bによる測定データは、同一の測定座標系による測定データとみなして扱うことができる。
As described above, by correcting the measurement error caused by the error in the measurement coordinate system (the errors from (a) to (c) described above), the first measurement coordinate is based on the
(5)非球面レンズの形状測定
図11は、本発明の第二実施形態における三次元形状測定において被測定物の表面と裏面の三次元形状を評価する手順のフローチャートを示している。
(5) Shape Measurement of Aspherical Lens FIG. 11 shows a flowchart of a procedure for evaluating the three-dimensional shape of the front and back surfaces of the object to be measured in the three-dimensional shape measurement in the second embodiment of the present invention.
Step39に続いて、平行平面板105に代えて、図1に示されるように、被測定物として例えば表面104aと裏面104bが共に非球面である非球面レンズ104を、保持部102を介してエアースピンドル101の回転軸101Aと略一致させてエアースピンドル101に固定する(Step40)。
Subsequent to Step 39, instead of the plane
次に、この非球面レンズ104をエアースピンドル101により回転させ、回転している被測定面である非球面104aのz軸に沿った変化にプローブ103aを追従させる接触圧制御を行う。更に、プローブ103aをx軸に沿って移動させる。その間、プローブ103aのxz座標(x,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を測定して、非球面104aの形状測定データを点列データ(xi,zi,θi)(i=1,2,3…)として取得する。同様にして、プローブ103bにより非球面104bの形状測定データを点列データ(xj,zj,θj)(j=1,2,3…)として取得する(Step41)。
Next, the
ここで、非球面レンズ104の軸とエアースピンドル101の回転軸101Aは略一致しているので、非球面レンズ104の同一半径上の形状は略一定となることから、プローブ103aとプローブ103bの接触圧制御が容易となり走査速度を早くできるので、図23に示される三次元形状測定機のようなx軸方向とy軸方向の走査に比べて測定時間の短縮が可能である。
Here, since the axis of the
Step41においても、Step2と同様に、x軸に沿ったプローブの移動は、間欠的に行っても、連続的に行ってもよい。また、プローブ103aとプローブ103bの移動は、同時に行っても、別々に行ってもよい。
Also in Step 41, as in
Step7で記憶した第一測定座標系および第二測定座標系のx軸の傾き誤差の補正係数CおよびDと、Step15で記憶した第一測定座標系および第二測定座標系のx軸に対するz軸の直角度誤差を補正する補正係数GおよびHと、Step17で記憶した第一測定座標系のz軸と第二測定座標系のz軸のz方向の相対距離誤差の補正値Δzと、Step39で記憶した第一測定座標系のx軸に対する第二測定座標系のx軸のθ方向の角度誤差補正値Δθを読み出し、Step41で取得した非球面104aの形状測定データ(xi,zi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj,zj,θj)に加算し、非球面104aの形状測定データ(xi+Gzi,zi+Cxi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj+Hzj,zj+Dxj+Δz,θj+Δθ)とする(Step42)。
Correction coefficients C and D for the tilt error of the x-axis of the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system stored in Step 7 and the z-axis with respect to the x-axis of the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system stored in Step 15 Correction coefficients G and H for correcting the squareness error in step S17, a correction value Δz of the relative distance error in the z direction between the z axis of the first measurement coordinate system and the z axis of the second measurement coordinate system stored in Step 17, and Step 39 Read the angle error correction value Δθ in the θ direction of the x-axis of the second measurement coordinate system with respect to the stored x-axis of the first measurement coordinate system, and shape measurement data (x i , z i , θ of the
これにより、非球面104aの形状測定データ(xi+Gzi,zi+Cxi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj+Hzj,zj+Dxj+Δz,θj+Δθ)は、同一の測定座標系による形状測定データとみなすことができる。
As a result, the shape measurement data (x i + Gz i , z i + Cx i , θ i ) of the
Step42で取得した非球面104aの形状測定データ(xi+Gzi,zi+Cxi,θi)と非球面104bの形状測定データ(xj+Hzj,zj+Dxj+Δz,θj+Δθ)を、それぞれXYZ直交座標系の測定データ(Xi,Yi,Zi)と(Xj,Yj,Zj)に変換する(Step43)。
The shape measurement data (x i + Gz i , z i + Cx i , θ i ) and the shape measurement data (x j + Hz j , z j + Dx j + Δz, θ j + Δθ) of the
Step43で算出した非球面104aの測定データ(Xi,Yi,Zi)と非球面104bの測定データ(Xj,Yj,Zj)により、非球面104aと非球面104bの相対位置関係を含めた非球面レンズ104の三次元形状が分かる(Step44)。
Based on the measurement data (X i , Y i , Z i ) of the
本実施形態によれば、被測定物である非球面レンズ104のセッティングをやり直すことなく、かつ短時間で非球面104aと非球面104bの形状測定が可能である。また、測定座標系の誤差(前述の(a)〜(c)の誤差)による測定誤差を、表面と裏面の面精度が良く、かつ表裏面の平行度が良い平行平面板105と、直径が既知で面精度の良い基準球106を用いて算出し、これを考慮することにより非球面104aと非球面104bの形状測定データを補正しているので、表面と裏面の相対位置関係も含めた非球面レンズ104の三次元形状を高精度に評価できる。
According to the present embodiment, it is possible to measure the shape of the
[第三実施形態]
前述の図24に示される三次元形状測定機においては、回転する被測定面に対してプローブを走査して被測定面の形状を測定する場合、θステージ521の回転軸に対する光プローブ523aと光プローブ523bの原点位置を正確に把握する必要がある。回転軸に対する各プローブの原点位置誤差があると測定誤差となり、結果として被測定物の表面と裏面の相対位置関係を含めた三次元形状を正確に測定できない。
[Third embodiment]
In the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. 24 described above, when the shape of the surface to be measured is measured by scanning the probe with respect to the surface to be rotated, the
本実施形態は、回転手段の回転軸に対してプローブの原点位置誤差がある場合に有効な三次元形状測定に向けられている。図12は、本発明の第三実施形態における三次元形状測定機の概略構成を示す部分断面図である。 The present embodiment is directed to three-dimensional shape measurement that is effective when there is an origin position error of the probe with respect to the rotation axis of the rotating means. FIG. 12 is a partial cross-sectional view showing a schematic configuration of the three-dimensional shape measuring machine in the third embodiment of the present invention.
図12に示されるように、本実施形態の三次元形状測定機は、第一実施形態の三次元形状測定機と比較して、接触式のプローブ103aとプローブ103bとがそれぞれ公知の光プローブ107aと光プローブ107bに置き換えられた構成を有している。光プローブ107aは、レーザー光108aを被測定面に照射し、その反射光を検出して、光プローブ107aと被測定面104aとの距離を一定に保つように、いわゆるオートフォーカス制御される。この光プローブ107aに対して、互いに略直交するx軸とy軸とz軸とを有し、z軸がエアースピンドル101の回転軸101Aに略平行な第一測定座標系を設定する。三次元形状測定機は、光プローブ107aの第一測定座標系における三次元座標(x,y,z)を測定し得る。光プローブ107bについても、同様の構成となっている。他の構成は第一実施形態と同様であり、説明を省略する。
As shown in FIG. 12, the three-dimensional shape measuring machine of this embodiment is different from the three-dimensional shape measuring machine of the first embodiment in that a
以下、本実施形態の三次元形状測定方法について説明する。 Hereinafter, the three-dimensional shape measurement method of this embodiment will be described.
本実施形態では、光プローブをx軸に沿って移動させて被測定面の形状測定を行う。なお、光プローブを移動する各ステージに高精度なステージを使用することにより、光プローブはy軸方向に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量に抑えることができる。また、光プローブ107aと光プローブ107bのy軸方向の位置は、エアースピンドル101の回転軸101Aと一致(y=0)するように不図示のyステージにより位置決めされているものとする。よって、y座標の誤差は基本的に無視できるものとして説明する。
In the present embodiment, the shape of the measurement surface is measured by moving the optical probe along the x axis. In addition, by using a highly accurate stage for each stage that moves the optical probe, the optical probe does not move along the y-axis direction, or can be suppressed to a minute amount even if it moves. Further, it is assumed that the positions of the
以下では簡単化のために、第一実施形態あるいは第二実施形態の測定方法を用いて測定座標系の誤差は補正されており、原点位置誤差以外の誤差は無視できるものとする。 In the following, for simplification, the measurement coordinate system error is corrected using the measurement method of the first embodiment or the second embodiment, and errors other than the origin position error can be ignored.
図13は、本発明の第三実施形態における三次元形状測定のフローチャートを示している。 FIG. 13 shows a flowchart of the three-dimensional shape measurement in the third embodiment of the present invention.
まず、表面と裏面の設計形状データが既知の基準面を持つ基準物を、保持部102を介してエアースピンドル101に固定する(Step51)。
First, a reference object having a reference surface whose design shape data on the front and back surfaces is known is fixed to the
ここで、基準物としては、第一実施形態で述べた基準球106あるいは平行平面板105を用いる。基準球106の場合には、図3に示されるように支持し、平行平面板105の場合には、図9に示されるように支持する。
Here, the
次に、基準物をエアースピンドル101により回転させながら、基準物の表面のz軸に沿った変化に光プローブ107aを追従させる。更に、エアースピンドル101の回転軸101Aに略直交するx軸に沿って光プローブ107aを移動させる。このときの、光プローブ107aのxz座標(x,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を点列データとして取り込み、基準物の表面の形状測定データ(xm,zm,θm)(m=1,2,3…)として取得する。同様にして、光プローブ107bにより基準物の裏面の形状測定データ(xn,zn,θn)(n=1,2,3…)を取得する(Step52)。
Next, the
Step52においても、第一実施形態のStep2と同様に、x軸に沿った光プローブ107aと107bの移動は、間欠的に行っても、連続的に行ってもよい。また、光プローブ107aと光プローブ107bの移動は、同時に行っても、別々に行ってもよい。
Also in Step 52, as in
次に、Step52で取得した基準物の表面と裏面の形状測定データ(xm,zm,θm),(xn,zn,θn)を、それぞれXYZ直交座標系の測定データ(Xm,Ym,Zm),(Xn,Yn,Zn)に変換する(Step53)。 Next, the shape measurement data (x m , z m , θ m ) and (x n , z n , θ n ) of the front and back surfaces of the reference object acquired in Step 52 are respectively measured in the XYZ orthogonal coordinate system (X m , Y m , Z m ), (X n , Y n , Z n ) are converted (Step 53).
更に、第一実施形態のStep4と同様に、最小二乗法やニュートン法等既知の方法を使用して、Step53で求めた基準物の表面と裏面の測定データをそれぞれ座標変換して測定誤差データ(Xm,Ym,ΔZm),(Xn,Yn,ΔZn)を算出する(Step54)。 Further, similarly to Step 4 of the first embodiment, using known methods such as the least square method and the Newton method, the measurement data on the front and back surfaces of the reference object obtained in Step 53 are coordinate-transformed to obtain measurement error data ( X m, Y m, ΔZ m ), calculates the (X n, Y n, ΔZ n) (Step54).
Step54において、X座標とY座標に対するZ方向の差が最小となるように座標変換を行うので、原点位置誤差がなければ、基準物の表面の測定誤差データのΔZmと裏面の測定誤差データのΔZnは、測定点列データに含まれるノイズ成分だけであり、無視できるほど小さいものになる。しかし、原点位置誤差があると、測定誤差データのΔZm,ΔZnが大きくなり測定誤差となる。 In Step 54, coordinate conversion is performed so that the difference in the Z direction with respect to the X coordinate and the Y coordinate is minimized. Therefore, if there is no origin position error, ΔZ m of the measurement error data on the surface of the reference object and the measurement error data of the back surface ΔZ n is only a noise component included in the measurement point sequence data, and is small enough to be ignored. However, if there is an origin position error, ΔZ m and ΔZ n of the measurement error data become large, resulting in a measurement error.
例えば光プローブ107aにx軸方向の原点位置誤差がある場合の、基準球面を用いて求めた測定誤差データの例を図14に、基準平面を用いて求めた測定誤差データの例を図15に示す。図14と図15は共に、同心円状の形状測定データから求めた測定誤差データ(Xm,Ym,ΔZm)のXmを横軸に、測定誤差であるΔZmを縦軸にしてグラフ表示したものである。光プローブ107aにx軸方向の原点位置誤差が無ければ測定誤差ΔZmは無くなる。
For example, when the
次に、Step54で算出した基準物の表面の測定誤差データ(Xm,Ym,ΔZm)の測定誤差ΔZmの二乗平均値を評価値として、この測定誤差ΔZmの二乗平均値が設計上の許容値より小さいかを判断し、許容値より大きい場合には光プローブ107aのx軸方向の原点位置誤差があるものとして、Step56に進む。同様にして、基準物の裏面の測定誤差データ(Xn,Yn,ΔZn)の測定誤差ΔZnについても判断する(Step55)。
Next, the mean square value of the measurement error ΔZ m of the measurement error data (X m , Y m , ΔZ m ) on the surface of the reference object calculated in Step 54 is used as an evaluation value, and the mean square value of the measurement error ΔZ m is designed. If it is smaller than the above allowable value, it is determined that there is an origin position error in the x-axis direction of the
測定誤差ΔZmの二乗平均値が許容値より大きい場合には、光プローブ107aのx軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δxaをパラメータとして基準物の表面の形状測定データに加え、新たな形状測定データ(xm+Δxa,zm,θm)とし、再びStep53に戻る。また測定誤差ΔZnの二乗平均値が許容値より大きい場合には、光プローブ107bのx軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δxbをパラメータとして基準物の裏面の形状測定データに加え、新たな形状測定データ(xn+Δxb,zn,θn)とし、再びStep53に戻る(Step56)。
If the mean square value of the measurement error ΔZ m is larger than the allowable value, the offset value Δx a for correcting the origin position error in the x-axis direction of the
Step53〜Step56のループは、測定誤差ΔZmとΔZnのそれぞれの二乗平均値が許容値より小さくなるまで繰り返す。測定誤差ΔZmとΔZnの二乗平均値が許容値より小さくなったらStep55からStep57に進む。 The loop of Step 53 to Step 56 is repeated until the respective mean square values of the measurement errors ΔZ m and ΔZ n become smaller than the allowable value. When the mean square value of the measurement errors ΔZ m and ΔZ n becomes smaller than the allowable value, the process proceeds from Step 55 to Step 57.
なお、Step55の判断基準である許容値としては、被測定面の形状に対する許容公差(P−V値,RMS値等)や、この三次元形状測定機において原点位置誤差等の測定誤差が無い状態で取得した測定誤差データに含まれるノイズ成分により発生する測定誤差ΔZmまたはΔZnの二乗平均値(すなわち三次元形状測定機の測定能力)等の設計上の許容範囲を加味して設定する。あるいは許容値として測定誤差ΔZmまたはΔZnの二乗平均値が最小値であるかを判断基準としてもよい。この場合には、オフセット値ΔxaあるいはΔxbを所定量だけ順次変更し、オフセット値の変更前後の測定誤差ΔZm,ΔZnの二乗平均値が最小値であるかを判断基準としてオフセット値を算出すると、三次元形状測定機のノイズ成分が大きい場合にも最適な原点位置誤差の補正値が求められる。 In addition, as an allowable value which is a judgment criterion of Step 55, there is no measurement error such as an allowable tolerance (PV value, RMS value, etc.) with respect to the shape of the surface to be measured or an origin position error in this three-dimensional shape measuring machine. This is set in consideration of a design tolerance such as a mean square value of measurement error ΔZ m or ΔZ n (that is, measurement capability of the three-dimensional shape measuring machine) generated by a noise component included in the measurement error data acquired in step (1). Alternatively, whether or not the mean square value of the measurement error ΔZ m or ΔZ n is a minimum value may be used as a criterion. In this case, the offset value Δx a or Δx b is sequentially changed by a predetermined amount, and the offset value is determined based on whether or not the mean square value of the measurement errors ΔZ m and ΔZ n before and after the offset value change is the minimum value. When calculated, an optimum correction value of the origin position error is obtained even when the noise component of the three-dimensional shape measuring machine is large.
Step53〜Step56のループにおいて求められた測定誤差ΔZmの二乗平均値が許容値より小さくなる光プローブ107aのオフセット値Δxaを光プローブ107aの原点位置補正値(Δxa)として記憶する。同様にして、光プローブ107bの原点位置補正値(Δxb)を記憶する(Step57)。
The offset value Δx a of the
つまり、Step53〜Step56のループによって、基準物の表面と裏面の測定誤差データの評価値を設計上の許容値よりも小さくする光プローブ107aのx座標の原点位置補正値(Δxa)と光プローブ107bのx座標の原点位置補正値(Δxb)とが求められる。
That is, the x-coordinate origin position correction value (Δx a ) and the optical probe of the
次に、基準物に代えて、被測定物として例えば表面104aと裏面104bが共に非球面である非球面レンズ104を、保持部102を介してエアースピンドル101の回転軸101Aと略一致させてエアースピンドル101に固定する(Step58)。
Next, in place of the reference object, for example, an
次に、非球面レンズ104をエアースピンドル101により回転させながら、被測定面である非球面104aのz軸に沿った変化に光プローブ107aを追従させる。更に、エアースピンドル101の回転軸101Aに略直交するx軸に沿って光プローブ107aを移動させる。このときの、光プローブ107aのxz座標(x,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を点列データとして取り込み、非球面104aの形状測定データ(xp,zp,θp)(p=1,2,3…)を取得する。同様にして、光プローブ107bにより非球面104bの形状測定データ(xq,zq,θq)(q=1,2,3…)を取得する(Step59)。
Next, while rotating the
ここで、非球面レンズ104の軸とエアースピンドル101の回転軸101Aは略一致しているので、非球面レンズ104の同一半径上の形状は略一定となることから、光プローブ107aと光プローブ107bの位置制御が容易となり走査速度を早くできるので、図23に示される三次元形状測定機のようなx軸方向とy軸方向の走査に比べて測定時間の短縮が可能である。
Here, since the axis of the
Step59においても、第一実施形態のStep2と同様に、x軸に沿ったプローブの移動は、間欠的に行っても、連続的に行ってもよい。また、光プローブ107aと光プローブ107bの移動は、同時に行っても、別々に行ってもよい。
Also in Step 59, as in
Step57において記憶した光プローブ107aと光プローブ107bの原点位置補正値(Δxa)と(Δxb)を読み出し、Step59で取得した非球面104aの形状測定データ(xp,zp,θp)と非球面104bの形状測定データ(xq,zq,θq)にそれぞれ加算し、非球面104aの形状測定データ(xp+Δxa,zp,θp)と非球面104bの形状測定データ(xq+Δxb,zq,θq)とする(Step60)。
The origin position correction values (Δx a ) and (Δx b ) of the
Step60で取得した非球面104aの形状測定データ(xp+Δxa,zp,θp)と非球面104bの形状測定データ(xq+Δxb,zq,θq)を、それぞれXYZ直交座標系の測定データ(Xp,Yp,Zp)と(Xq,Yq,Zq)に変換する(Step61)。
The shape measurement data (x p + Δx a , z p , θ p ) and the shape measurement data (x q + Δx b , z q , θ q ) of the
Step61で算出した非球面104aの測定データ(Xp,Yp,Zp)と非球面104bの測定データ(Xq,Yq,Zq)により、非球面104aと非球面104bの相対位置関係を含めた非球面レンズ104の三次元形状が分かる(Step62)。
Based on the measurement data (X p , Y p , Z p ) of the
なお本実施形態では、光プローブ107aと光プローブ107bをx軸に沿って移動させて形状測定を行うので、光プローブ107a,107bはx軸とz軸に直交するy軸に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量である。従って、光プローブ107aと光プローブ107bのy座標は共に無視できるもの(y=0)として説明した。しかし、プローブがy軸に沿って移動し、形状測定データに影響を与える場合には、プローブのy座標も無視できないので測定するのが好ましい。
In this embodiment, since the shape measurement is performed by moving the
例えば光プローブ107aのy座標が無視できない場合には、Step52において、光プローブ107aのxyz座標(x,y,z)とエアースピンドル101の回転角度(θ)を点列データとして取り込み、基準物の表面の形状測定データ(xm,ym,zm,θm)(m=1,2,3…)として取得する。そしてStep53において、この形状測定データ(xm,ym,zm,θm)を直交座標系の測定データ(Xm,Ym,Zm)に変換する。Step54以降についてもy座標を加味して同様に行う。
For example, when the y coordinate of the
また本実施形態のように、プローブをx軸とz軸に沿って移動させ被測定面の形状を測定する構成では、x軸方向の原点位置誤差に比べ、y軸方向の原点位置誤差の方が形状測定データに与える影響は小さい。従って、光プローブ107aと光プローブ107bとエアースピンドル101のy軸方向の位置調整を行うことにより、y軸方向の原点位置誤差の影響を小さくすることが可能であるので、y軸方向の原点位置誤差は無視できるものとして説明した。しかし、三次元形状測定機に求められる測定精度によっては、y軸方向の原点位置誤差も補正する必要がある。
Further, in the configuration in which the probe is moved along the x-axis and the z-axis to measure the shape of the surface to be measured as in this embodiment, the origin position error in the y-axis direction is greater than the origin position error in the x-axis direction. Has little effect on shape measurement data. Therefore, by adjusting the position of the
例えば光プローブ107aのy軸方向の原点位置誤差がある場合の、基準球面を用いて求めた測定誤差データの例を図16に示す。図16は、同心円状の形状測定データから求めた測定誤差データ(Xm,Ym,ΔZm)のXmを横軸に、測定誤差であるΔZmを縦軸にしてグラフ表示したものである。光プローブ107aにy軸方向の原点位置誤差が無ければ測定誤差ΔZmは無くなる。y軸方向の原点位置誤差についても、x軸方向の原点位置誤差の算出と同様の手順で、光プローブ107aのy軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δyaを求める。そして、光プローブ107aのx軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δxaとy軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δyaをパラメータとして形状測定データに加え、基準球面106aの形状測定データ(xm+Δxa,ym+Δya,zm,θm)とする。このようにすると、プローブのx軸方向の原点位置誤差だけでなくy軸方向の原点位置誤差も補正できる。
For example, FIG. 16 shows an example of measurement error data obtained using the reference spherical surface when there is an origin position error in the y-axis direction of the
本実施形態によれば、被測定物である非球面レンズ104のセッティングをやり直すことなく、かつ短時間で非球面104aと非球面104bの形状測定が可能である。また、エアースピンドル101の回転軸101Aに対する光プローブ107aと光プローブ107bのx軸方向とy軸方向の原点位置誤差を、直径が既知で表面と裏面の面精度が良い基準球106あるいは、表面と裏面の面精度が良い平行平面板105を基準物として用いて算出し、これを考慮することにより非球面104aと非球面104bの形状測定データを補正しているので、表面と裏面の相対位置関係も含めた非球面レンズ104の三次元形状を高精度に評価できる。
According to the present embodiment, it is possible to measure the shape of the
なお、本実施形態では、基準球106あるいは平行平面板105を用いて求めた光プローブ107aと光プローブ107bの原点位置補正値に基づいて被測定物の形状測定データを補正しているが、原点位置補正値に基づいて光プローブ107aと光プローブ107bの初期位置すなわち測定座標系の原点位置を補正してから測定を行ってもよい。
In this embodiment, the shape measurement data of the object to be measured is corrected based on the origin position correction values of the
また、本実施形態では、直径が既知で表面と裏面の面精度が良い基準球あるいは、表面と裏面の面精度が良い平行平面板を基準物としたが、表面と裏面の面精度が良く形状が既知であれば非球面レンズを基準物としてもよい。 In this embodiment, the reference object is a reference sphere with a known diameter and good surface accuracy on the front and back surfaces, or a parallel flat plate with good surface accuracy on the front and back surfaces. Is known, an aspheric lens may be used as a reference object.
また、本実施形態では、光プローブを用いた非接触式の三次元形状測定機を適用した例として説明したが、第一実施形態のような接触式の三次元形状測定機であってもよい。 In the present embodiment, the non-contact type three-dimensional shape measuring machine using the optical probe has been described as an example. However, the contact type three-dimensional shape measuring machine as in the first embodiment may be used. .
[第四実施形態]
本実施形態は、回転手段の回転軸に対して各プローブの原点位置誤差がある場合に有効な三次元形状測定に向けられている。特にプローブの位置座標を測定する測定座標系の測定原点の位置再現性が悪い場合や測定原点が変動する場合に有効な三次元形状測定に向けられている。
[Fourth embodiment]
The present embodiment is directed to effective three-dimensional shape measurement when there is an origin position error of each probe with respect to the rotation axis of the rotating means. In particular, it is directed to three-dimensional shape measurement that is effective when the position reproducibility of the measurement origin of the measurement coordinate system for measuring the position coordinates of the probe is poor or when the measurement origin fluctuates.
例えば、図24の従来技術のように、三次元形状測定機のプローブの位置座標を測定する手段として、レーザー測長器を用いることがある。レーザー測長器は、測定対象物の変位を高分解能かつ高精度に測定することが可能であるが、ある状態からの相対変位を測定するものであり、レーザー測長器には測定原点が存在しない。また、ある状態で測定原点を決定しても、測定環境等の変動があると、時間の経過と共にいわゆるドリフトが発生し測定原点が変化してしまうことがある。このような場合には、被測定面の形状測定を行う時点におけるプローブの原点位置を正確に把握する必要がある。 For example, as in the prior art of FIG. 24, a laser length measuring device may be used as means for measuring the position coordinates of the probe of the three-dimensional shape measuring machine. A laser length measuring instrument can measure the displacement of an object to be measured with high resolution and high accuracy, but it measures the relative displacement from a certain state. The laser length measuring instrument has a measurement origin. do not do. Even if the measurement origin is determined in a certain state, if the measurement environment or the like varies, a so-called drift may occur with time and the measurement origin may change. In such a case, it is necessary to accurately grasp the origin position of the probe at the time of measuring the shape of the surface to be measured.
図17は、本発明の第四実施形態における三次元形状測定機の構成を示している部分断面図である。また、図18は、図17に示される被測定物とプローブの一方とを拡大して示している。 FIG. 17 is a partial cross-sectional view showing the configuration of the three-dimensional shape measuring machine in the fourth embodiment of the present invention. FIG. 18 is an enlarged view of the object to be measured shown in FIG. 17 and one of the probes.
図17に示されるように、本実施形態の三次元形状測定機は、水平に配置されたベース214上に設置されている。ベース214上には、回転手段であるエアースピンドル201が架台203を介して固定されている。エアースピンドル201は回転部201Bと回転支持部201Cから構成され、回転部201Bの内部には被測定物204を保持する保持部202が設けられている。エアースピンドル201の回転部201Bは、回転軸201Aを中心として高精度に回転し得る。従って、保持部202により支持された被測定物204は、回転軸201Aを回転中心として回転され得る。エアースピンドル201は、図示されていないが、回転モータと回転角度θを出力するロータリーエンコーダとを内蔵している。
As shown in FIG. 17, the three-dimensional shape measuring machine of the present embodiment is installed on a base 214 arranged horizontally. On the
また、ベース214上には、架台203を挟んで二個のxステージ213a,213bが設置されている。xステージ213a,213bは、図17の紙面と直交するx軸方向と略一致する方向に移動可能なように調整されており、不図示のモータとレーザー測長器等からなる位置検出器を有している。また、xステージ213a,213b上には、図17に示すy軸方向と略一致する方向に移動可能なyステージ212a,212bがそれぞれ載置されており、不図示のモータとレーザー測長器等からなる位置検出器を有している。更に、yステージ212a,212b上には、被測定物204の表面である被測定面204aと裏面である被測定面204bに対向するように二個のプローブ205aと205bがそれぞれ載置されている。従って、xステージ213a,213bとyステージ212a,212bにより、プローブ205aと205bは個々にx軸方向とy軸方向に移動可能である。
On the
プローブ205aは、例えば特願2001−271500に記載されているような接触式プローブを用いる。この接触式プローブについて概略を説明する。
As the
プローブ205aには、先端にルビー球207aを備えた軸206aを有するエアースライド208aが設けられている。エアースライド208aは、その軸206aが図17と図18に示す矢印A,B方向には極めて小さな摩擦力で移動し得るが、矢印A,B方向と直交する方向には剛性が高く変位しない機構となっている。またエアースライド208aに対する軸206aの矢印A,B方向の変位量を検出するレーザー測長器等からなる位置検出器209aがある。エアースライド208aと位置検出器209aは、支持板210a上に載置されており、支持板210aは角度調整部211aを介してyステージ212aに載置されている。そして、角度調整部211aを調整して、図18に示されるように、軸206aをz軸方向に対して微小な傾斜角φを与えることにより、ルビー球207aを被測定面204aの表面上に軸206aの自重により接触させるように構成されている。プローブ205aをこのような構成とすることにより、被測定面204aの表面に対するルビー球207aの接触圧は、微小な角度φを与えることで極めて小さくすることができ、かつその接触圧は軸206aが矢印A,B方向に移動しても変化しないという特徴がある。
The
プローブ205bも、プローブ205aと同じ接触式プローブを向きを変えて設置したものであり説明を省略するが、図17ではサフィックスaをbに変えて図示している。
The
図19は、図17に示される三次元形状測定機の制御系を示すブロック図である。図19に示されるように、本実施形態の三次元形状測定機の制御系は、全体の制御を行う制御手段215と、三次元形状測定機の制御を行うための制御プログラムを格納したプログラムメモリ216と、被測定面の設計式、測定条件、各種データ等の入力を行う入力手段217と、形状測定データ等の各種データを記憶する記憶手段218と、形状測定データ等の座標変換を行う座標変換手段219と、形状測定データに含まれる測定誤差を補正する補正値を演算する補正値演算手段220と、形状測定データを補正するデータ修正手段221と、測定結果等の各種情報を表示する表示手段222とを備えている。
FIG. 19 is a block diagram showing a control system of the three-dimensional shape measuring machine shown in FIG. As shown in FIG. 19, the control system of the three-dimensional shape measuring machine according to the present embodiment includes a
図19において、制御手段215とプログラムメモリ216と記憶手段218と座標変換手段219と補正値演算手段220とデータ修正手段221は、プローブ205aと205bにより得られた測定データを処理する処理装置を構成している。
In FIG. 19, a control means 215, a program memory 216, a storage means 218, a coordinate conversion means 219, a correction value calculation means 220, and a data correction means 221 constitute a processing device for processing measurement data obtained by the
このような三次元形状測定機において、プローブ205aは、xステージ213aの不図示の位置検出器と、yステージ212aの不図示の位置検出器と、軸206aの位置検出器209aにより第一測定座標系が設定され、三次元座標(x,y,z)を測定できる。同様にプローブ205bも、第二測定座標系が設定され、三次元座標(x,y,z)を測定できる。ただし、第一測定座標系と第二測定座標系の三次元座標(x,y,z)には、測定座標系の誤差(前述の(a)から(c)の誤差)が存在する。また位置検出器209aと209bは、z軸に対して傾斜角φがあるため、各測定座標系のy軸に対するz軸の直角度誤差が発生し測定座標系の誤差となる。しかし、第一実施形態あるいは第二実施形態の測定方法を用いて、これらの測定座標系の誤差は補正することが可能である。
In such a three-dimensional shape measuring machine, the
以下では簡単化のために、第一実施形態あるいは第二実施形態の測定方法を用いて第一測定座標系と第二測定座標系の誤差は補正されており、原点位置誤差以外の誤差は無視できるものとする。ただし、プローブの三次元座標(x,y,z)を測定する各位置検出器はレーザー測長器を用いており、測定座標系の原点位置が正確に把握できないものとする。この場合には、第一測定座標系のz軸と第二測定座標系のz軸のz軸方向の相対距離は正確に分からないことになる。この点については、後述する。 In the following, for simplification, the errors of the first measurement coordinate system and the second measurement coordinate system are corrected using the measurement method of the first embodiment or the second embodiment, and errors other than the origin position error are ignored. It shall be possible. However, each position detector that measures the three-dimensional coordinates (x, y, z) of the probe uses a laser length measuring device, and the origin position of the measurement coordinate system cannot be accurately grasped. In this case, the relative distance in the z-axis direction between the z-axis of the first measurement coordinate system and the z-axis of the second measurement coordinate system cannot be accurately determined. This point will be described later.
図20は、本実施形態における三次元形状測定のフローチャートを示している。また、図21は、本実施形態の三次元形状測定における測定範囲を示している。以下、図20のフローチャートに従って本実施形態の三次元形状測定方法について説明する。 FIG. 20 shows a flowchart of the three-dimensional shape measurement in this embodiment. FIG. 21 shows a measurement range in the three-dimensional shape measurement of the present embodiment. Hereinafter, the three-dimensional shape measurement method of the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG.
図17と図21に示されるように、被測定面204aと被測定面204bを持つ被測定物204を、保持部202を介してエアースピンドル201の回転軸201Aと略一致させて回転部201Bに固定する(Step71)。ここで、被測定面204aと被測定面204bの有効半径(測定半径)をそれぞれRa,Rbとする。
As shown in FIGS. 17 and 21, the measured
制御系の入力手段217により、被測定物204の表面204aと裏面204bの設計式や有効半径(測定半径)Ra,Rb、測定条件等を入力する。入力された設計式等は、制御手段215の制御に基づき記憶手段218に記憶される。
The control system input means 217 inputs design formulas, effective radii (measurement radii) R a and R b , measurement conditions, and the like of the
次に、制御手段215の制御に基づき、xステージ213aとyステージ212aを駆動してプローブ205aを移動し、エアースピンドル201の回転軸201A付近(図21の位置205A)でルビー球207aを被測定面204aに接触させる。同様にプローブ205bについても、エアースピンドル201の回転軸201A付近(図21の位置205A’)でルビー球207bを被測定面204bに接触させる。プローブ205aとプローブ205bのxyz座標値とエアースピンドル201のロータリーエンコーダの回転角度をリセットする(Step72)。
Next, based on the control of the control means 215, the
Step72では、プローブ205aとプローブ205bの位置はエアースピンドル201の回転軸201Aに厳密に一致させる必要はなく、被測定面の形状測定時にルビー球207aあるいは207bが被測定面から外れない程度に合わせればよい。この後は、yステージ212aとyステージ212bの位置は保持したまま移動しない。
In Step 72, the positions of the
本実施形態でも、第一実施形態と同様に、プローブをx軸に沿って移動させて被測定面の形状測定を行う。プローブを移動する各ステージを高精度なものにすることにより、プローブはy軸方向に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量である。従って、以下ではプローブ205aとプローブ205bのy座標は無視できる(y=0)ものとして説明する。
Also in this embodiment, as in the first embodiment, the shape of the measurement surface is measured by moving the probe along the x axis. By making each stage that moves the probe with high accuracy, the probe does not move along the y-axis direction, or even if it moves, the amount is very small. Therefore, in the following description, it is assumed that the y-coordinates of the
次に、制御手段215の制御に基づき、被測定物204をエアースピンドル201により回転させながら、被測定面204aのz軸方向の変位にプローブ205aを追従させる。更に、xステージ213aを被測定面204aの測定範囲である±Raの範囲(図21の位置205Bから位置205Cまでの範囲)で駆動してプローブ205aをx軸に沿って移動させる。このときの、プローブ205aのxz座標(x,z)とエアースピンドル201の回転角度(θ)を点列データとして取り込み、被測定面204aの形状測定データ(xr,zr,θr)(r=1,2,3…)として記憶手段218に記憶する。同様にして、プローブ205bにより被測定面204bの測定範囲である±Rbの範囲(図21の位置205B’から位置205C’までの範囲)の形状測定データ(xs,zs,θs)(s=1,2,3…)を記憶する(Step73)。
Next, based on the control of the control means 215, the
Step73においても、第一実施形態のStep2と同様に、x軸に沿ったプローブ205aとプローブ205bの移動は、間欠的に行っても、連続的に行ってもよい。また、プローブ205aとプローブ205bの移動は、同時に行っても、別々に行ってもよい。
Also in Step 73, similarly to
Step73において取得された被測定面204aの形状測定データには、プローブ205aのx座標がマイナス(図21の位置205Aから位置205B)の範囲における形状測定データと、プローブ205aのx座標がプラス(図21の位置205Aから位置205C)の範囲における形状測定データが含まれている。つまり、Step73では、プローブ205aのx座標がプラスの範囲の被測定面204aの形状測定データ(x,z,θ)とプローブ205aのx座標がマイナスの範囲の被測定面204aの形状測定データ(x,z,θ)を取得する。プローブ205bによる被測定面204bの形状測定データも同様である。
In the shape measurement data of the measured
別の言い方をすれば、Step73では、被測定面204aのうち、回転軸201Aを基準として一方の側の範囲と、回転軸201Aを基準として他方の側の範囲とを、プローブ205aで測定して形状測定データ(x,z,θ)を取得する。また、被測定面204bのうち、回転軸201Aを基準として一方の側の範囲と、回転軸201Aを基準として他方の側の範囲とを、プローブ205bで測定して形状測定データ(x,z,θ)を取得する。
In other words, in Step 73, the
次に、Step73で取得した被測定面204aの形状測定データ(xr,zr,θr)と被測定面204bの形状測定データ(xs,zs,θs)を、座標変換手段219によりそれぞれXYZ直交座標系の測定データ(Xr,Yr,Zr)と(Xs,Ys,Zs)に変換する(Step74)。
Next, the shape measurement data (x r , z r , θ r ) and the shape measurement data (x s , z s , θ s ) of the measured
更に座標変換手段219により、第一実施形態のStep4と同様に、最小二乗法やニュートン法等既知の方法を使用して、被測定面204aの設計形状データと被測定面204aの測定データの誤差が最小となるように被測定面204aの測定データを座標変換して、被測定面204aの形状誤差データ(Xr,Yr,ΔZr)を算出して記憶手段218に記憶する。同様にして、被測定面204bの形状誤差データ(Xs,Ys,ΔZs)を算出して記憶手段218に記憶する(Step75)。
Further, the coordinate conversion means 219 uses a known method such as the least square method or Newton method as in Step 4 of the first embodiment, and the error between the design shape data of the measured
Step75で求めた被測定面204aの形状誤差データ(Xr,Yr,ΔZr)と被測定面204bの形状誤差データ(Xs,Ys,ΔZs)には、エアースピンドル201の回転軸201Aに対するプローブ205aとプローブ205bのx軸方向の原点位置誤差による測定誤差が含まれている。プローブ205aにx軸方向の原点位置誤差がある場合の形状誤差データの例を図22に示す。図22は被測定面204aの形状誤差データ(Xr,Yr,ΔZr)のXrを横軸に、形状誤差であるΔZrを縦軸にしてグラフ表示したものである。プローブ205aにx軸方向の原点位置誤差がある場合には、図22の形状誤差データのように、プローブ205aのx座標がマイナス(図21の位置205Aから位置205B)の範囲における形状誤差データ223とプラス(図21の位置205Aから位置205C)の範囲における形状誤差データ224との間で差が生じる。プローブ205aに原点位置誤差が無ければ、形状誤差データ223と形状誤差データ224は重なる。
The shape error data (X r , Y r , ΔZ r ) of the surface to be measured 204 a obtained in Step 75 and the shape error data (X s , Y s , ΔZ s ) of the surface to be measured 204 b are the rotation axis of the
次に補正値演算手段220において、Step75で算出した被測定面204aの形状誤差データ(Xr,Yr,ΔZr)のプローブ205aのx座標がマイナスの範囲における形状誤差データ223とプラスの範囲における形状誤差データ224の差を算出する。更に、形状誤差データ223と形状誤差データ224の差の二乗平均値を評価値として、この形状誤差データの差の二乗平均値が設計上の許容値より小さいかを判断し、許容値より大きい場合には原点位置誤差があるものとして、Step77に進む。同様にして、プローブ205bによる被測定面204bの形状誤差データ(Xs,Ys,ΔZs)についても判断する(Step76)。
Next, in the correction value calculation means 220, the
被測定面204aの形状誤差データの差の二乗平均値が許容値より大きい場合には、データ修正手段221において、プローブ205aのx軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δxa'をパラメータとして形状測定データに加算して、被測定面204aの形状測定データ(xr+Δxa',zr,θr)とし記憶手段218に記憶し、再びStep74に戻る。また被測定面204bの形状誤差データの差の二乗平均値が許容値より大きい場合には、プローブ205bのx軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δxb'をパラメータとして形状測定データに加え、被測定面204bの形状測定データ(xs+Δxb',zs,θs)とし記憶手段218に記憶し、再びStep74に戻る(Step77)。
If the mean square value of the difference in the shape error data of the measured
Step74〜Step77のループは、被測定面204aのx座標がマイナスの範囲における形状誤差データとプラスの範囲における形状誤差データの差の二乗平均値と、被測定面204bのx座標がマイナスの範囲における形状誤差データとプラスの範囲における形状誤差データの差の二乗平均値が、共に設計上の許容値より小さくなるまで繰り返す。被測定面204aの形状誤差の差の二乗平均値と、被測定面204bの形状誤差の差の二乗平均値が、共に許容値より小さくなったら、このときのオフセット値Δxa'とΔxb'を記憶手段218に記憶し、Step76からStep78に進む。
In the loop of Step 74 to Step 77, the mean square value of the difference between the shape error data in the range where the x coordinate of the measured
Step74〜Step77のループでは、被測定面204aの二つの形状誤差データ223と224の差の評価値を設計上の許容値よりも小さくするプローブ205aのx座標の原点位置補正値Δxa'を求め、被測定面204aの形状測定データ(x,z,θ)に原点位置補正値Δxa'を加算して形状測定データを補正し、被測定面204aの補正された形状測定データ(x+Δxa',z,θ)をXYZ直交座標系の形状測定データ(X,Y,Z)に変換している。被測定面204bの形状測定データについても同様である。
In the loop of Step 74 to Step 77, the origin position correction value Δx a ′ of the x coordinate of the
なお、Step76の判断基準である許容値としては、被測定面204aあるいは204bの形状に対する許容公差(P−V値,RMS値等)や、この三次元形状測定機において原点位置誤差等の測定誤差が無い状態で取得した形状誤差データに含まれるノイズ成分により発生する測定誤差ΔZrあるいはΔZsの二乗平均値(すなわち三次元形状測定機の測定能力)等の設計上の許容範囲を加味して設定する。あるいは許容値として形状誤差ΔZrあるいはΔZsの差の二乗平均値が最小値であるかを判断基準としてもよい。この場合には、オフセット値Δxa'あるいはΔxb'を所定量だけ順次変更し、オフセット値の変更前後の測定誤差ΔZr,ΔZsの差の二乗平均値が最小値であるかを判断基準としてオフセット値を算出すると、三次元形状測定機のノイズ成分が大きい場合にも最適な原点位置誤差の補正値が求められる。
In addition, as an allowable value which is a judgment criterion of Step 76, an allowable tolerance (PV value, RMS value, etc.) with respect to the shape of the measured
Step76で算出した被測定面204aの測定データ(Xr,Yr,Zr)と被測定面204bの測定データ(Xs,Ys,Zs)から、被測定面204aと被測定面204bの相対距離Tを算出し、記憶手段218に記憶する(Step78)。
From the measurement data (X r , Y r , Z r ) of the measured
Step78で算出した被測定面204aと被測定面204bの相対距離Tについてみると、プローブ205aとプローブ205bのx軸方向とy軸方向の原点位置誤差による測定誤差は補正されている。しかしプローブ205aとプローブ205bのz軸方向の原点位置誤差(第一測定座標系のz軸と第二測定座標系のz軸のz軸方向の相対距離誤差)による測定誤差については補正されていないので、相対距離Tにはz軸方向の原点位置誤差による測定誤差が含まれている。
Looking at the relative distance T between the measured
そこで本実施形態では、被測定物204の被測定面204aと被測定面204bの間隔(いわゆる被測定物204の肉厚)として、別の測定手段で測定した値T0を用いる。被測定物204の肉厚の測定手段としては、非接触式あるいは接触式の多数の公知手段があり、肉厚を高精度に測定することが可能である。あるいは、被測定物204の肉厚の測定精度が重要でない場合には、被測定物の設計値を用いることも可能である。
Therefore, in the present embodiment, the value T 0 measured by another measuring means is used as the distance between the measured
Step78で算出した被測定物204の相対距離Tが肉厚T0と一致するように、データ修正手段221において、被測定面204aの測定データ(Xr,Yr,Zr)または被測定面204bの測定データ(Xs,Ys,Zs)または両者を補正し、被測定面204aの測定データ(Xr',Yr',Zr')と被測定面204bの測定データ(Xs',Ys',Zs')とし記憶手段218に記憶する(Step79)。
In the data correction means 221, the measurement data (X r , Y r , Z r ) of the
Step79で算出した被測定面204aの測定データ(Xr',Yr',Zr')と被測定面204bの測定データ(Xs',Ys',Zs')により、被測定面204aと被測定面204bの相対位置関係を含めた被測定物204の三次元形状が分かる。被測定物204の測定結果を、数値あるいは二次元あるいは三次元の図形等の所望の形式として表示手段222に表示する(Step80)。
Measurement data of the
なお本実施形態では、プローブ205aとプローブ205bをx軸に沿って移動させて形状測定を行うので、プローブ205a,205bはy軸に沿っては移動しない、あるいは移動しても微小量である。従って、プローブ205aとプローブ205bのy座標は共に無視できるもの(y=0)として説明した。しかし、プローブがy軸に沿って移動し、形状測定データに影響を与える場合には、プローブのy座標も無視できないので測定するのが好ましい。
In the present embodiment, the shape is measured by moving the
例えばプローブ205aのy座標が無視できない場合には、Step73において、プローブ205aのxyz座標(x,y,z)とエアースピンドル201の回転角度(θ)を点列データとして取り込み、被測定面204aの形状測定データ(xr,yr,zr,θr)(r=1,2,3…)を取得する。そしてStep74において、この形状測定データ(xr,yr,zr,θr)を直交座標系の測定データ(Xr,Yr,Zr)に変換する。Step75以降についてもy座標を加味して同様に行う。
For example, when the y coordinate of the
また本実施形態のように、プローブをx軸とz軸に沿って移動させる構成では、x軸方向の原点位置誤差に比べ、y軸方向の原点位置誤差の方が形状測定データに与える影響は小さい。従って、プローブ205aとプローブ205bとエアースピンドル201のy軸方向の位置調整をyステージ212aとyステージ212bにより行うことにより、y軸方向の原点位置誤差の影響を小さくすることが可能であるので、y軸方向の原点位置誤差は無視できるものとして説明した。しかし、三次元形状測定機に求められる測定精度によっては、y軸方向の原点位置誤差も補正するのが好ましい。
Further, in the configuration in which the probe is moved along the x-axis and the z-axis as in this embodiment, the influence of the origin position error in the y-axis direction on the shape measurement data is smaller than the origin position error in the x-axis direction. small. Therefore, by adjusting the position of the
例えばプローブ205aのy軸方向の原点位置誤差が無視できない場合には、Step76において、x軸方向の原点位置誤差の算出と同様の手順で、プローブ205aのy軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δya'を求める。そしてStep77において、プローブ205aのx軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δxa'とy軸方向の原点位置誤差を補正するオフセット値Δya'をパラメータとして形状測定データに加え、被測定面204aの形状測定データ(xr+Δxa',yr+Δya',zr,θr)とする。このようにすると、プローブのx軸方向の原点位置誤差だけでなくy軸方向の原点位置誤差も補正できる。
For example, when the origin position error of the
本実施形態によれば、エアースピンドル201の回転軸201Aに対するプローブ205aとプローブ205bのx軸方向とy軸方向の原点位置誤差を、被測定物204の形状測定データを用いて算出している。従って、面精度の良い基準球や平行平面板を用いることなく、表面と裏面の相対位置関係も含めた被測定物の三次元形状を高精度に評価できる。
According to the present embodiment, the origin position errors in the x-axis direction and the y-axis direction of the
なお、本実施形態では、被測定物204を用いて求めたプローブ205aとプローブ205bの原点位置補正値に基づいて被測定物の形状測定データを補正しているが、原点位置補正値に基づいてプローブ205aとプローブ205bの初期位置すなわち測定座標系の原点位置を補正してから測定を行ってもよい。
In the present embodiment, the shape measurement data of the object to be measured is corrected based on the origin position correction values of the
また、本実施形態では、接触式プローブを用いた三次元形状測定機を適用した例として説明したが、第三実施形態のような公知の光プローブを用いた非接触式の三次元形状測定機であってもよい。 In the present embodiment, the three-dimensional shape measuring machine using the contact type probe has been described as an example. However, the non-contact type three-dimensional shape measuring machine using the known optical probe as in the third embodiment. It may be.
また、本実施形態では、Step72において、プローブ205aの位置が図21の位置205Aの位置にあるときに、プローブ205aのxyz座標値をリセットしたが、図21の位置205B付近でプローブ205aのxyz座標をリセットし被測定面204aの形状を測定することも可能である。この場合、プローブ205aのxyz座標の初期値を(−Ra,0,0)とする。そしてプローブ205aを図21の位置205Bから位置205Cまで一連の動作でx軸方向に沿って移動させて形状測定データを取得する。このようにすると、形状測定時のプローブ205aのx軸に沿った移動は一方向(図21の位置205Bから位置205Cの方向)で済むので、測定時間の更なる短縮が図れる。
Further, in this embodiment, in Step 72, when the position of the
また、プローブ205aのx座標がマイナスの範囲における形状測定データを取得した後、一旦、プローブ205aを被測定面204aから離し、xステージ213aによりプローブ205aのx座標がプラスの範囲となるまで移動し、再度プローブ205aを被測定面204aに接触させ、プローブ205aのx座標がプラスの範囲における形状測定データを取得してもよい。このようにすると、被測定面204aの中央部(回転軸201A付近)に円形の穴が開いたようなドーナツ状の被測定物の形状測定も可能となる。
Further, after acquiring the shape measurement data in the range where the x coordinate of the
また、本実施形態のStep73では、形状測定データは点列データとして取得しているが、以降のStep74〜Step80では、プローブ205aとプローブ205bのx座標がマイナスの範囲の形状測定データとプラスの範囲の形状測定データのそれぞれに対応する近似曲面式を適宜求めて、求めた近似曲面式を基に補正値の演算等を行ってもよい。
In Step 73 of the present embodiment, the shape measurement data is acquired as point sequence data. However, in the following Step 74 to Step 80, the shape measurement data in which the x coordinates of the
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. May be.
101…エアースピンドル、101A…回転軸、102…保持部、103a、103b…プローブ、104…被測定物、105…平行平面板、105a、105b…基準平面、106…基準球、106a、106b…基準球面、107a、107b…光プローブ、201…エアースピンドル、201A…回転軸、202…保持部、205a、205b…プローブ、207a、207b…ルビー球、208a、208b…エアースライド、209a、209b…位置検出器、212a、212b…yステージ、213a、213b…xステージ、215…制御手段、216…プログラムメモリ、218…記憶手段、219…座標変換手段、220…補正値演算手段、221…データ修正手段。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記第一の補正ステップは、互いに平行な二つの基準平面を有する第一の基準物を用いるものであって、
前記第一の基準物の一方の平面の法線が前記保持部の回転軸と略平行になるように、前記第一の基準物を保持し、
前記第一の基準物を前記回転軸の周りに回転させ、
前記第一の基準物の一方の基準平面を第一のプローブで測定して形状測定データA1を得、
前記第一の基準物の他方の基準平面を第二のプローブで測定して形状測定データA2を得、
前記形状測定データA1と前記第一の基準物の設計形状データから補正係数L1を算出し、
前記形状測定データA2と前記第一の基準物の設計形状データから補正係数L2を算出する処理を行い、
前記第二の補正ステップは、同一の球面の一部である二つの基準球面を有する第二の基準物を用いるものであって、
前記第二の基準物を保持し、
前記第二の基準物を前記回転軸の周りに回転させ、
前記第二の基準物の一方の基準球面を前記第一のプローブで測定して形状測定データB1を得、
前記第二の基準物の他方の基準球面を前記第二のプローブで測定して形状測定データB2を得、
前記形状測定データB1に前記補正係数L1を加えて新たな形状測定データB1’を得、
前記形状測定データB2に前記補正係数L2を加えて新たな形状測定データB2’を得、
前記形状測定データB1’と前記第二の基準物の設計形状データとから補正係数M1を算出し、
前記形状測定データB2’と前記第二の基準物の設計形状データとから補正係数M2を算出し、
前記形状測定データB1’と前記形状測定データB2’と前記第二の基準物の設計形状データとから補正値ΔNを算出する処理を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。 A method of measuring the three-dimensional shape of the front and back surfaces of the object to be measured with the first probe and the second probe, respectively, and coordinates defined by a holding unit that rotates the object to be measured prior to the measurement. A first measurement coordinate system defined by a first probe that measures the surface of the object to be measured and a second measurement coordinate system defined by a second probe that measures the back surface of the object to be measured A correction step for correcting the error, and the correction step includes a first correction step and a second correction step;
The first correction step uses a first reference object having two reference planes parallel to each other,
Holding the first reference object so that the normal of one plane of the first reference object is substantially parallel to the rotation axis of the holding unit;
Rotating the first reference object around the rotation axis;
One reference plane of the first reference object is measured with a first probe to obtain shape measurement data A1,
The other reference plane of the first reference object is measured with a second probe to obtain shape measurement data A2,
A correction coefficient L1 is calculated from the shape measurement data A1 and the design shape data of the first reference object,
A process of calculating a correction coefficient L2 from the shape measurement data A2 and the design shape data of the first reference object is performed,
The second correction step uses a second reference object having two reference spheres that are part of the same sphere,
Holding the second reference,
Rotating the second reference object around the axis of rotation;
Measuring one reference spherical surface of the second reference object with the first probe to obtain shape measurement data B1,
Measuring the other reference spherical surface of the second reference object with the second probe to obtain the shape measurement data B2,
The correction coefficient L1 is added to the shape measurement data B1 to obtain new shape measurement data B1 ′,
The correction coefficient L2 is added to the shape measurement data B2 to obtain new shape measurement data B2 ′,
A correction coefficient M1 is calculated from the shape measurement data B1 ′ and the design shape data of the second reference object,
A correction coefficient M2 is calculated from the shape measurement data B2 ′ and the design shape data of the second reference object,
A three-dimensional shape measurement method, comprising: performing a process of calculating a correction value ΔN from the shape measurement data B1 ′, the shape measurement data B2 ′, and the design shape data of the second reference object.
前記第一の基準物の一方の基準平面の法線が、前記保持部の回転軸に対して傾くように、前記第一の基準物を保持し、
前記第一の基準物を前記回転軸の周りに回転させ、
前記第一の基準物の一方の基準平面を前記第一のプローブで測定して形状測定データC1を得、
前記第一の基準物の他方の基準平面を前記第二のプローブで測定して形状測定データC2を得、
前記形状測定データC1に前記補正係数L1と前記補正係数M1を加えて新たな形状測定データC1’を得、
前記形状測定データC2に前記補正係数L2と前記補正係数M2を加えて新たな形状測定データC2’を得、
前記形状測定データC1’と前記形状測定データC2’と前記第一の基準物の設計形状データから角度誤差補正値Δθを算出する処理を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。 In claim 1, the correction step further includes a third correction step, the third correction step uses the first reference object,
Holding the first reference object so that the normal of one reference plane of the first reference object is inclined with respect to the rotation axis of the holding unit;
Rotating the first reference object around the rotation axis;
One reference plane of the first reference object is measured with the first probe to obtain shape measurement data C1,
Measuring the other reference plane of the first reference object with the second probe to obtain the shape measurement data C2,
Adding the correction coefficient L1 and the correction coefficient M1 to the shape measurement data C1 to obtain new shape measurement data C1 ′;
Adding the correction coefficient L2 and the correction coefficient M2 to the shape measurement data C2 to obtain new shape measurement data C2 ′;
A three-dimensional shape measurement method, comprising: performing an angle error correction value Δθ processing from the shape measurement data C1 ′, the shape measurement data C2 ′, and the design shape data of the first reference object.
前記基準物を保持し、
前記基準物を前記保持部の回転軸の周りに回転させ、
前記基準物の一方の基準面を第一のプローブで測定して形状測定データD1を得、
前記基準物の他方の基準面を第二のプローブで測定して形状測定データD2を得、
前記形状測定データD1と前記基準物の設計形状データから補正値ΔX1を算出し、
前記形状測定データD2と前記基準物の設計形状データから補正値ΔX2を算出する処理を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。 A method of measuring the three-dimensional shape of the front and back surfaces of the object to be measured with the first probe and the second probe, respectively, and coordinates defined by a holding unit that rotates the object to be measured prior to the measurement. A correction step for correcting a relative position error between the system and a first probe for measuring the surface of the object to be measured and a second probe for measuring the back surface of the object to be measured. , Using a reference object having a reference surface on the opposite front and back,
Holding the reference,
Rotating the reference object around the rotation axis of the holding unit;
One reference surface of the reference object is measured with a first probe to obtain shape measurement data D1,
The other reference surface of the reference object is measured with a second probe to obtain shape measurement data D2,
A correction value ΔX1 is calculated from the shape measurement data D1 and the design shape data of the reference object,
A three-dimensional shape measurement method, comprising: performing a process of calculating a correction value ΔX2 from the shape measurement data D2 and the design shape data of the reference object.
前記被測定物を保持し、
前記被測定物を前記保持部の回転軸の周りに回転させ、
前記被測定物の一方の面のうち、前記回転軸を基準として一方の側の範囲を第一のプローブで測定して形状測定データE1を得、前記回転軸を基準として他方の側の範囲を第一のプローブで測定して形状測定データE1’を得、
前記被測定物の他方の面のうち、前記回転軸を基準として一方の側の範囲を第二のプローブで測定して形状測定データE2を得、前記回転軸を基準として他方の側の範囲を第二のプローブで測定して形状測定データE2’を得、
前記形状測定データE1と前記形状測定データE1’と前記被測定物の設計形状データから補正値ΔX1’を算出し、
前記形状測定データE2と前記形状測定データE2’と前記被測定物の設計形状データから補正値ΔX2’を算出する処理を行うことを特徴とする三次元形状測定方法。 A method for measuring a three-dimensional shape of a front surface and a back surface of a measurement object, a coordinate system defined by a holding unit that rotates the measurement object, a first probe that measures the surface of the measurement object, and A correction step of correcting a relative position error with the second probe for measuring the back surface of the object to be measured;
Holding the object to be measured;
Rotate the object to be measured around the rotation axis of the holding unit,
Of one surface of the object to be measured, a range on one side with respect to the rotation axis is measured with a first probe to obtain shape measurement data E1, and a range on the other side with respect to the rotation axis is determined. The shape measurement data E1 ′ is obtained by measuring with the first probe,
Of the other surface of the object to be measured, a range on one side with respect to the rotation axis is measured with a second probe to obtain shape measurement data E2, and a range on the other side with respect to the rotation axis is determined. The shape measurement data E2 ′ is obtained by measuring with the second probe,
A correction value ΔX1 ′ is calculated from the shape measurement data E1, the shape measurement data E1 ′, and the design shape data of the object to be measured,
A three-dimensional shape measurement method, comprising: performing a process of calculating a correction value ΔX2 ′ from the shape measurement data E2, the shape measurement data E2 ′, and the design shape data of the object to be measured.
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---|---|---|---|---|
JP2006343255A (en) * | 2005-06-10 | 2006-12-21 | Olympus Corp | Three-dimensional shape measurement device and method |
TWI416357B (en) * | 2008-05-02 | 2013-11-21 | Hon Hai Prec Ind Co Ltd | System and method for calculating dimensions of a component |
CN110095100A (en) * | 2018-01-31 | 2019-08-06 | 扬明光学股份有限公司 | Coordinate measure system and its jig |
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2003
- 2003-08-21 JP JP2003297734A patent/JP2005069775A/en active Pending
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