JP6478603B2 - Surface shape measuring method and surface shape measuring apparatus - Google Patents
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Description
本発明はレンズに代表される光学素子、またはそれに類する構造物の三次元形状を測定する形状測定装置の測定方法に関する。 The present invention relates to a measuring method of a shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of an optical element typified by a lens or a similar structure.
光の波長以下の加工精度、形状精度が要求される対象物としてレンズ等の光学素子がある。このような高い精度が要求される対象物は、接触式または非接触式の形状測定装置で形状を計測し、加工精度、形状精度が満たされているかどうかを評価することが広く行われている。 An optical element such as a lens is an object that requires processing accuracy and shape accuracy below the wavelength of light. For such an object requiring high accuracy, it is widely performed to measure the shape with a contact-type or non-contact-type shape measuring device and evaluate whether the processing accuracy and the shape accuracy are satisfied. .
光学素子は、軸対称で非球面の形状のものが多い。このような軸対称非球面の光学素子を製造する際には、まず所望の軸対称非球面の設計形状を決定し、その設計形状に従って加工が行われ、光学素子を得る。この光学素子の形状を形状測定装置で測定し、測定データと設計形状のデータとを比較することで、光学素子のできを評価する。 Many optical elements are axisymmetric and aspherical. When manufacturing such an axially symmetric aspherical optical element, first, a desired axisymmetric aspherical design shape is determined and processed according to the design shape to obtain an optical element. The shape of the optical element is measured by a shape measuring device, and the measurement of the optical element is evaluated by comparing the measurement data with the design shape data.
軸対称非球面の設計形状は、対象物の回転中心軸の一点を原点とし、原点から端に向かう径方向の座標に対する高さ方向の座標を表す多項式として表現される。 The design shape of the axisymmetric aspheric surface is expressed as a polynomial that represents a coordinate in the height direction with respect to a radial coordinate from the origin to the end with one point of the rotation center axis of the object as the origin.
測定データと多項式で表わされる設計形状のデータとを比較するためには、まず被測定物(以下ワークと呼ぶことがある)の回転中心軸を通り、径に沿った二次元の断面を測定(以下、断面測定と呼ぶことがある)し測定データを得ることが求められる。 In order to compare the measured data with the data of the design shape expressed by a polynomial, first measure a two-dimensional cross section along the diameter through the rotation center axis of the object to be measured (hereinafter referred to as workpiece). Hereinafter, it may be referred to as cross-sectional measurement) to obtain measurement data.
ワークが理想的な軸対称の形状である場合、ワークの回転中心軸を通り、径に沿った断面の形状はどの方向でも同じ形状となる。したがってこのような理想的なワークの場合は形状の測定データをただ一つ得れば十分である。 When the workpiece has an ideal axisymmetric shape, the cross-sectional shape along the diameter passing through the rotation center axis of the workpiece is the same shape in any direction. Therefore, it is sufficient to obtain only one shape measurement data for such an ideal workpiece.
しかし、実際には加工工程における加工誤差などが原因で完全に軸対称な仕上がりのワークが得られることは稀である。このような現実のワークの形状は、軸対称な設計形状に対し、部分的な凹凸などの非軸対称な形状誤差が含まれている場合が多い。 However, in reality, it is rare that a workpiece having a completely axisymmetric finish is obtained due to a machining error in the machining process. Such an actual workpiece shape often includes non-axisymmetric shape errors such as partial unevenness with respect to an axisymmetric design shape.
したがって現実的にはひとつの方位の測定データだけでは、ワークの形状を正しく評価することができない。 Therefore, in reality, it is impossible to correctly evaluate the shape of the workpiece only with measurement data in one direction.
そこで従来、プローブをワークに対して一方向に走査する機構とワークが載置される回転ステージを使用して複数の方位に対するワークの測定データを得てそれらの合成データからワークの形状を評価する形状測定装置があった。このような形状測定装置は、ワークを回転させながら複数の同心円状のデータを得たり、螺旋状に測定したりすることで、ワークの形状を取得して評価することもできる。(特許文献1) Therefore, conventionally, using a mechanism for scanning the probe in one direction with respect to the workpiece and a rotary stage on which the workpiece is mounted, workpiece measurement data for a plurality of directions is obtained, and the shape of the workpiece is evaluated from the combined data. There was a shape measuring device. Such a shape measuring apparatus can also acquire and evaluate the shape of a workpiece by obtaining a plurality of concentric data while rotating the workpiece, or measuring in a spiral manner. (Patent Document 1)
このような、形状測定装置では、直交ステージ機構に設けられたプローブの座標と回転ステージの回転角に基づき、ワーク回転ステージの回転軸上を原点とした直交座標系へと測定データを座標変換する。なお、この座標変換は回転ステージの回転軸とワークの回転軸とを十分な位置合わせがなされており、その上でプローブと回転ステージの回転軸も十分な精度で位置調整されていることを前提としている。 In such a shape measuring apparatus, based on the coordinates of the probe provided in the orthogonal stage mechanism and the rotation angle of the rotary stage, the measurement data is coordinate-converted into an orthogonal coordinate system with the rotation axis of the work rotation stage as the origin. . This coordinate transformation assumes that the rotary axis of the rotary stage and the rotary axis of the workpiece are sufficiently aligned, and that the probe and rotary axis of the rotary stage are also positioned with sufficient accuracy. It is said.
そのため、直交ステージ機構でプローブを回転ステージの回転軸に対して厳密に配置する調整工程が必要であった。上述したような光の波長以下の精度で機械的精度を追求すると、さらに精度の高い位置計測装置を別途設ける必要があるなど装置が大掛かりになる。また、たとえ機械的精度を達成したところで温度環境や経時変化により、ずれは生じえる。 Therefore, an adjustment process is required in which the probe is strictly arranged with respect to the rotation axis of the rotary stage by the orthogonal stage mechanism. When the mechanical accuracy is pursued with the accuracy below the wavelength of light as described above, the apparatus becomes large, for example, it is necessary to separately provide a highly accurate position measuring device. Further, even when the mechanical accuracy is achieved, the deviation may occur due to the temperature environment and the change with time.
プローブを回転ステージの回転軸に厳密に配置する調整工程を行わずにワークの形状を測定する方法が特許文献2に開示されている。
すなわち、円周または螺旋状の測定を、直交ステージのプローブの座標が回転軸に対しプラスの範囲とマイナスの範囲で行うことで解決していた。この方法では、プラスの範囲で得られた形状データとマイナスの範囲で得られた形状データの差が、許容値以下となるように、プローブのオフセット量を修正しながら繰り返し補正をかけることでワーク全面の形状データを取得している(特許文献2)。しかし、この方法は、ワークを測定する工程で、プローブがプラスの範囲とマイナスの範囲で、合計2回の測定をしなければならないため、2倍の測定時間を要し生産性が低いという課題があった。 That is, circumferential or spiral measurement has been solved by making the coordinates of the probe of the orthogonal stage within the plus range and minus range with respect to the rotation axis. In this method, the workpiece is repeatedly corrected while correcting the probe offset so that the difference between the shape data obtained in the plus range and the shape data obtained in the minus range is less than the allowable value. The shape data of the entire surface is acquired (Patent Document 2). However, this method requires two times of measurement time in the process of measuring the workpiece, and the probe needs to perform measurement twice in the plus and minus ranges, resulting in low productivity. was there.
上記事項を鑑み、一方向に走査可能なプローブと回転ステージを備えた形状測定装置にて、プローブを回転軸上に厳密に位置決めすることなく、かつ測定時間を大幅に増やさずに形状データを正確に取得することを目的とする。 In view of the above, the shape measurement device with a probe that can scan in one direction and a rotary stage can accurately obtain shape data without positioning the probe strictly on the rotation axis and without significantly increasing the measurement time. The purpose is to get to.
上記の課題を解決するため、本発明の形状測定方法は、一方向に走査可能なプローブと回転テーブルを備えた形状測定装置を用いて、ワークの表面を前記プローブで倣い走査するとともに前記プローブの位置を計測することで前記ワークの形状を測定する形状測定方法であって、前記ワークを前記回転テーブルにセットする工程と、前記回転テーブルの異なる回転角度でそれぞれ測定データを得る工程と、前記測定データのうち少なくとも一つの順方向測定データに対応する回転角度に対して180°回転させた状態で前記ワークの反転測定データを得る工程と、前記順方向測定データと前記反転測定データとから前記回転テーブルの回転中心Xcを算出する工程と、前記回転中心Xcのデータに基づき前記測定データを補正した上で座標変換して、前記ワークの表面の形状を算出し、前記回転中心Xcは前記順方向測定データと前記反転測定データとを前記ワークの設計形状データにそれぞれフィッティングした際に生じた移動量x1とx2に基づき、下記一般式1によって求めることを特徴とする。
形状測定機にて、プローブを回転軸上に厳密に位置決めすることなく、かつ測定時間を大幅に増やすことなく正し形状データを取得することが可能となる。 With the shape measuring machine, correct shape data can be acquired without strictly positioning the probe on the rotation axis and without significantly increasing the measurement time.
(実施例1)
本発明にかかる一つの実施例について、図面を適宜参照しつつ以下に説明する。図1に形状測定装置を示す。なお、図1においては回転ステージ2あるいは回転ステージにさらに設けられたチルトステージ等が描かれており、これらステージに対してワークが取り付けられていない状態を示している。ワークを形状測定装置に載置するためのこれらステージの一群を“ワークステージ”と呼ぶことがある。
Example 1
An embodiment according to the present invention will be described below with reference to the drawings as appropriate. FIG. 1 shows a shape measuring apparatus. In FIG. 1, a
ワークは、雇(ヤトイ)を介してワークステージに載置されてもよいし、直接にワークステージに載置されてもよい。 The work may be placed on the work stage through hiring (Yatoi), or may be placed directly on the work stage.
図1の(a)は前方から見た斜視図であり、(b)は後方から見た斜視図である。 (A) of FIG. 1 is the perspective view seen from the front, (b) is the perspective view seen from back.
以下、図1にそって本発明の形状測定装置の本体構成と作用について説明する。 Hereinafter, the main body configuration and operation of the shape measuring apparatus of the present invention will be described with reference to FIG.
基準ベース1に回転ステージ2が固定され、回転ステージ2上にXワークステージ3とYワークステージ4が固定されている。Yワークステージ4上には雇取付面5、雇取付基準6、7が設置されている。これらの一群からなるワークステージに対してワークを載置する。
A
ワークをワークステージに載置する際には、雇にワークを保持して図1中の雇取付面5、雇取付基準6、7に取り付けることもできる。雇を使用せずに、ワークを直接ワークステージに取り付けてももちろん良い。そのほか形状測定装置に対するワークの載置は使用者の希望にあわせて様々な構成をとることができる。 When placing the work on the work stage, the work can be held and attached to the hire mounting surface 5 and hiring mounting standards 6 and 7 in FIG. Of course, you can attach the work directly to the work stage without using hire. In addition, the workpiece can be placed on the shape measuring device in various configurations according to the user's wishes.
基準ベース1にはコラム12、13が固定されており、この2つのコラムがXガイド固定部14の端部を支持している。Xガイド可動部16は、図示しない静圧パッドによりXガイド固定部14上に支持される。図1(b)に示すようにXガイド可動部16はXガイド固定部に固定されたXリニアモータ固定子17とXガイド可動部16に固定されたXリニアモータ可動子19の間に発生する力によって図中のX方向に駆動する。Xガイド可動部16上にXレーザスケールヘッド20が取り付けられ、基準ベース1上に取り付けられたXスケールベース21上のXレーザスケール22を基準としたXの座標を測定する。
再び図1(a)を参照すると、Xガイド可動部16にはZガイド固定部23、Zリニアモータ固定子25、26、Zレーザスケールヘッド27、28が固定されている。Zガイド固定部23は図示しない静圧パッドを介してZガイド可動部30を支持している。Zガイド可動部30にはZリニアモータ可動子31、32が取り付けられ、Zリニアモータ固定子25、26との間に力が発生し、駆動する。
Referring to FIG. 1A again, the X guide movable portion 16 is fixed with a Z
Zガイド可動部30にはZレーザスケール33、34が固定されており、Zレーザスケールヘッド27、28を基準としたZの座標を測定する。また、ワークを測定するためのプローブ38が固定されている。
回転ステージ2は図示しないエアベアリング、カップリング、サーボモータを使用した回転ステージである。しかし、どのような機構を用いた回転ステージでも構わず、特に限定をするものではない。また、回転ステージ2は回転角を検出するエンコーダが取り付けられている。
The
Xワークステージ3、Yワークステージ4は図示しないクロスローラガイド、ボールネジ、カップリング、ステッピングモータを使用した一般的な一軸ステージである。駆動機構やガイドについて特に限定をするものではなく、どのような機構を用いても構わない。Xワークステージ3、Yワークステージ4があることにより、並進方向のワークや雇の取付誤差を補正しアライメントすることが可能であるが、補正をしない場合、どちらもなくても構わない。Xワークステージ3とYワークステージ4は概略直交に調整されていることが望ましい。 The X work stage 3 and the Y work stage 4 are general uniaxial stages using a cross roller guide, a ball screw, a coupling, and a stepping motor (not shown). The drive mechanism and the guide are not particularly limited, and any mechanism may be used. By having the X work stage 3 and the Y work stage 4, it is possible to correct and align the work error in the translational direction and the employment, but if there is no correction, neither may be necessary. It is desirable that the X work stage 3 and the Y work stage 4 are adjusted substantially orthogonally.
XガイドとZガイドとして圧縮空気による静圧ガイドを使用したが、LMガイドやクロスローラガイドなど他のガイドを用いても構わない。 Although a static pressure guide using compressed air is used as the X guide and the Z guide, other guides such as an LM guide and a cross roller guide may be used.
X駆動モータとしてシャフトタイプのリニアモータ、Z駆動モータとして2つのリニアモータを使用したが、回転モータとボールネジの組合せなど、駆動機構について特に限定をするものではない。 Although a shaft type linear motor is used as the X drive motor and two linear motors are used as the Z drive motor, the drive mechanism is not particularly limited, such as a combination of a rotary motor and a ball screw.
またXZの座標測定、駆動制御にはレーザスケールを用いたが、位置の測定ができれば、レーザ干渉計とミラー、変位計、磁気スケールなど、どのような位置測定手段を用いても良く、特に限定をするものではない。 Although the laser scale was used for XZ coordinate measurement and drive control, any position measurement means such as a laser interferometer, mirror, displacement meter, and magnetic scale may be used as long as the position can be measured. It is not something to do.
プローブは板ばね(不図示)にて支持した接触子と、基準位置から接触子までの距離を測定するレーザ変位計(不図示)にて構成されている公知のプロ―ブを用いると良い。接触子は板ばねに支持されており、形状測定を行う際に接触圧を一定になるよう制御される。レーザ変位計は板ばねに支持された接触子の変位を測定することで接触圧を制御できる。したがって、フォーカスによって距離を測定する非接触測長機構など、どのような機構を採用しても構わない。 The probe may be a known probe composed of a contact supported by a leaf spring (not shown) and a laser displacement meter (not shown) for measuring the distance from the reference position to the contact. The contact is supported by a leaf spring and is controlled so that the contact pressure is constant when measuring the shape. The laser displacement meter can control the contact pressure by measuring the displacement of the contact supported by the leaf spring. Therefore, any mechanism such as a non-contact length measuring mechanism that measures the distance by focusing may be adopted.
モータや各スケール、センサの配線、静圧パッドの配管については図示しないが、適宜ケーブルベア(登録商標)などを用意して支持する。また、モータに電流を供給するドライバ、測定者や上位のコントローラからの指示を出すインタフェースについても図示しないが、適宜準備する。 Although not shown for the motor, each scale, sensor wiring, and static pressure pad piping, a cable bear (registered trademark) or the like is appropriately prepared and supported. Also, although not shown, a driver for supplying current to the motor and an interface for issuing instructions from a measurer and a host controller are prepared as appropriate.
他方、制御部74における駆動処理部70では以下の動作を司る。すなわち回転ステージ2を任意の角度に回転させる動作、プローブをワーク表面に接触させた状態で、Xリニアモータ可動子19およびZリニアモータ可動子31、32を駆動させて倣い走査する動作である。
On the other hand, the
また、プローブ38を回転ステージ2の回転軸中心から所望の径だけ移動させ、プローブ38をワークに接触させた状態で、回転ステージ2によりワークを回転させてワークを円状に走査する動作も同様である。
Also, the operation of moving the probe 38 by a desired diameter from the center of the rotation axis of the
その際、回転ステージ2の回転角はエンコーダで検知される。
At that time, the rotation angle of the
同様に、Xリニアモータ可動子19とZリニアモータ可動子31、32の位置は、Xレーザスケールヘッド20とXレーザスケール35とZレーザスケールヘッド27、28とZレーザスケール33、34で検知される。
Similarly, the positions of the X linear motor
検知した各値は測定データ処理部71によってデータ処理され、記憶部72に保存される。さらに、解析処理部73では、測定データ処理部71によって記憶部72に保存された各センサの検出値を、ワーク表面の座標に座標変換し、設計形状へのフィッティング処理を行い、形状誤差を算出する。形状誤差とは測定データと設計形状データとの差分を指すものであり、この差分に基づきワークの形状精度の良否判定を行ったり、差分を小さくするために再加工したりしてもよい。
Each detected value is processed by the measurement
図3(A)は装置座標系とワーク座標系の関係を示しており、図中の51は装置座標系の原点であり、52はワーク座標系の原点である。なお、回転ステージ2に搭載されているXワークステージ3、Yワークステージ4などは説明の簡略化のため省略している。装置座標系とは、形状測定装置における既知の位置を原点にとり、原点からX軸、Y軸、Z軸を定めた座標系である。
FIG. 3A shows the relationship between the apparatus coordinate system and the work coordinate system. In FIG. 3, 51 is the origin of the apparatus coordinate system, and 52 is the origin of the work coordinate system. Note that the X work stage 3 and the Y work stage 4 mounted on the
本実施例ではXガイド可動部16とZガイド可動部30の駆動方向にそれぞれX軸とZ軸をとった直交座標系である。
In this embodiment, the coordinate system is an orthogonal coordinate system in which the X axis and the Z axis are taken in the drive directions of the X guide movable unit 16 and the Z guide
一般的には、各軸の計測器の原点を装置座標系の原点とするのが通例であり、本実施例においてもそのように原点をとっている。 In general, the origin of the measuring instrument for each axis is usually the origin of the apparatus coordinate system, and this origin is also taken in this embodiment.
また本実施例の形状測定装置においてはプローブやXレーザスケール22を取り付ける際にはワークステージの回転軸に対してXレーザスケール22のX方向の軸ずれを1μm以下となるように微調整してある。
Further, in the shape measuring apparatus of the present embodiment, when the probe or the
ただし、前述したようにXレーザスケール22をさらに光の波長以下の精度で機械的精度を追求しようとすると、装置が大掛かりになり現実的ではない。また、光学素子の測定に適用できるほどの機械的精度を追求したとしても温度環境や経時変化により、ずれは生じ得ることも前述した。以下に、具体的に本実施例における技術的特徴を説明する。
However, as described above, if the
本願発明は一方向に走査可能なプローブと回転テーブルを備えた形状測定装置を用いて、ワークの表面を前記プローブで倣い走査するとともに前記プローブの位置を計測することで前記ワークの形状を測定する形状測定を行う。 The present invention measures the shape of the workpiece by scanning the surface of the workpiece with the probe and measuring the position of the probe using a shape measuring device having a probe capable of scanning in one direction and a rotary table. Perform shape measurement.
具体的な形状測定工程としては、ワークを回転テーブルにセットする工程と、回転テーブルの異なる回転角度でそれぞれ測定データを得る工程を備えている。 As specific shape measuring steps, there are a step of setting a workpiece on the rotary table and a step of obtaining measurement data at different rotation angles of the rotary table.
さらに本発明のひとつの技術的特徴として、測定データのうち少なくとも一つの順方向測定データに対応する回転角度に対して180°回転させた状態でワークの反転測定データを得る点が大切である。 Furthermore, as one technical feature of the present invention, it is important to obtain the workpiece reversal measurement data in a state of being rotated by 180 ° with respect to the rotation angle corresponding to at least one of the measurement data in the forward direction.
その結果、順方向測定データと反転測定データとから回転テーブルの回転中心Xcを算出することができるので、回転中心Xcのデータに基づき測定データを補正した上で座標変換し、ワークの表面の形状を算出することができる。 As a result, the rotation center Xc of the rotary table can be calculated from the forward direction measurement data and the reverse measurement data, so that the measurement data is corrected based on the data of the rotation center Xc, the coordinates are converted, and the shape of the surface of the workpiece is obtained. Can be calculated.
図3(A)に示したワーク座標系とは、ワークの回転軸に沿った方向にZ軸をとり、Z軸と直交する平面にそれぞれX軸、Y軸をとった直交座標系である。 The workpiece coordinate system shown in FIG. 3A is an orthogonal coordinate system in which the Z axis is taken in the direction along the rotation axis of the workpiece, and the X axis and the Y axis are taken on a plane orthogonal to the Z axis.
図3(A)を参照して説明すると、理想的には装置座標系のY軸とワーク座標系のY軸とは同一直線上にある場合、あるいはこのふたつのY軸の相対位置が既知の場合には、そもそも本発明および本実施例が解決する課題は生じない。 Referring to FIG. 3A, ideally, when the Y axis of the apparatus coordinate system and the Y axis of the workpiece coordinate system are on the same straight line, or the relative positions of the two Y axes are known. In that case, the problem to be solved by the present invention and this embodiment does not arise in the first place.
このような理想的な状態は、装置座標系と回転ステージの回転軸とが高い精度でアライメントされていて、かつ回転ステージの回転軸とワークの回転軸とが良い精度で一致していることに対応する。 In such an ideal state, the apparatus coordinate system and the rotary axis of the rotary stage are aligned with high accuracy, and the rotary axis of the rotary stage and the rotary axis of the workpiece are aligned with good accuracy. Correspond.
しかし現実的には機械的精度を追求するのにも限界があり、光の波長以下の精度で形状計測する場合に必要な精度を考慮すると、図示した2つのY軸は同一直線上にはないし、相対位置も既知ではないとみなされる。これはすなわちX軸方向の原点の位置に、無視できないズレが存在することを意味している。 However, in reality, there is a limit to pursuing mechanical accuracy, and the two Y axes shown in the figure do not lie on the same straight line in consideration of the accuracy required when measuring the shape with accuracy below the wavelength of light. The relative position is also considered unknown. This means that there is a non-negligible deviation at the origin position in the X-axis direction.
本装置において、装置座標系におけるプローブ38の測定原点は、回転ステージ2の回転軸上に概略一致するように調整されている。仮に、プローブ38の測定原点が、回転ステージ2の回転軸上に厳密に一致するように調整されていれば、次の一般式1が成り立つ。
In this apparatus, the measurement origin of the probe 38 in the apparatus coordinate system is adjusted so as to substantially coincide with the rotation axis of the
(1)式において、Xw、Ywはワーク座標系のXY座標であり、Xpは装置座標系のプローブの測定原点に対するプローブ38のX座標であり、θcは形状測定装置に対する回転ステージ2の回転角であり、反時計回りを正の向きとしている。例えば、図3(B)にそれぞれ示したように、装置座標系で回転ステージ2を+θC回転させた状態で断面測定した測定データは、ワーク座標系では、回転ステージ2の回転軸を中心に−θC回転する座標変換を受ける。
In equation (1), Xw and Yw are XY coordinates of the workpiece coordinate system, Xp is the X coordinate of the probe 38 with respect to the measurement origin of the probe in the apparatus coordinate system, and θc is the rotation angle of the
(1)式に基づけば、プローブ38による測定データであるXpと、回転ステージ2の回転角θcからワーク表面上の座標Xw、Ywに変換することが可能となる。
(1) Based on equation, it is possible to convert the Xp is measurement data obtained by the probe 38, the rotation angle theta c of the
つまり、いくつかの回転角θCにて測定データをそれぞれ得て、ワーク座標系を基準に得られた複数の測定データを合成すれば、ワークの三次元的な面形状を示すデータを算出することができる。 That is, by obtaining measurement data at several rotation angles θ C and combining a plurality of measurement data obtained with reference to the workpiece coordinate system, data indicating the three-dimensional surface shape of the workpiece is calculated. be able to.
しかし、プローブ38の測定原点を、回転ステージ2の回転軸上に厳密に一致するように調整することは困難であり、また温度環境などの変化によってプローブ38の測定原点と回転ステージ2の回転軸の位置関係は変化し得る。
However, it is difficult to adjust the measurement origin of the probe 38 so as to be exactly coincident with the rotation axis of the
プローブ38の測定原点の位置と回転ステージ2の回転軸の位置との間にズレ(誤差)がある場合、測定点列を三次元に回転させる座標変換の軸と、実際にワークが回転した軸がずれているため、測定データを正しく取得することができなくなる。
When there is a deviation (error) between the position of the measurement origin of the probe 38 and the position of the rotation axis of the
このとき、プローブ38の測定原点と回転ステージ2の回転軸の位置関係が分かっていれば、次の一般式2を使用することによって、実際にワークが回転した回転ステージ2の回転軸上で測定点列を座標変換することが可能である。
At this time, if the positional relationship between the measurement origin of the probe 38 and the rotary axis of the
(2)式において、Xcは回転ステージ2の回転軸の回転中心である。
In the equation (2), Xc is the rotation center of the rotation axis of the
したがってXp−Xcとは、回転ステージ2の回転軸を原点とする測定データに対応している。つまりXpではなくXp−Xcを用いてワーク座標を算出することは、回転中心を正しい位置に補正することに対応している。
Therefore, Xp-Xc corresponds to measurement data having the rotation axis of the
本実施例では、面形状を測定するたびに、測定時のプローブ38の測定原点に対する回転ステージ2の回転軸のX座標を測定結果から算出し、(2)式による座標変換を行うことで、残次元の面形状を正しく取得することが可能となる。
In this embodiment, every time the surface shape is measured, the X coordinate of the rotation axis of the
なお、本実施例に代表されるいわゆる断面測定機においては、軸対称の測定物の赤道径を測定して評価を行うケースが多い。したがって、本実施例の形状測定装置の測定対象となる軸対称のレンズや型は、赤道径を僅か(ワークの径の数%)に外れた測定ラインに沿って形状を測定しても、誤差はごく僅かである。したがってまず、軸対称のワークを、回転ステージ2を180°回転させたときに、中心軸が回転ステージ2の回転軸にY方向が概略一致するようワークを形状測定装置にセットする。断面形状の変化が、ワークの形状精度に対して十分小さくなる程度にセットすることが肝要である。
In the so-called cross-section measuring machine represented by this embodiment, there are many cases in which the equator diameter of an axisymmetric measuring object is measured and evaluated. Therefore, an axially symmetric lens or mold that is a measurement target of the shape measuring apparatus of the present embodiment is not subject to error even if the shape is measured along a measurement line that deviates slightly from the equator diameter (a few percent of the workpiece diameter). Is negligible. Therefore, first, the workpiece is set in the shape measuring device so that the center axis is substantially coincident with the rotation axis of the
このような前提のもとで以下、本実施例の形状測定装置について、図2に示すフローチャートを参照し説明する。 Based on such a premise, the shape measuring apparatus of the present embodiment will be described below with reference to the flowchart shown in FIG.
ステップS101では、駆動処理部70と測定データ処理部71によって、予め定めた複数方位の断面測定を行う。このときの方位は測定する断面数に応じた等分割の方位でも、自由に定めた方位でも構わない。図5(B)はステップS101の複数断面測定の模式図である。図4(A)(a)は複数断面測定の様子を表しており、図4(A)(b)は複数断面測定の軌跡を表している。回転ステージ2を指定した各方位で割り出し、それぞれの方位でプローブ38をワーク41に接触させ、倣い走査させることで、複数方位の断面測定を行う。
In step S101, the
ステップS102では、計測した測定断面201をひとつ選び、測定した際の方位から回転ステージ2を180°回転させた状態(反転)で反転測定断面202を測定する(反転測定)。図4(B)はステップS102の反転断面測定の模式図である。図4(B)(a)は反転断面測定の様子を表しており、図4(B)(b)は反転断面測定の軌跡を表している。ワークの中心軸と回転ステージ2の回転軸を概略一致させているため、測定断面201と反転測定断面202はワークの左右が反転した概略同一の断面となる。
In step S102, one
ステップS103では、解析処理部73によって、ステップS101で測定した測定断面201をワーク座標系の原点を原点にもつ設計形状にフィッティングする計算を行う。フィッティングは最小二乗法などで行われ、この際にフィッティングした際の座標の移動量についても算出する。
In step S103, the
ステップS104では、解析処理部73によって、ステップS102で測定した反転測定断面202を、ステップS103と同様にワーク座標系の原点を原点にもつ設計形状にフィッティングする計算を行う。フィッティングは最小二乗法などで行われ、この際にフィッティングした際の座標の移動量についても算出する。
In step S104, the
ステップS105では、解析処理部73によって、ステップS103とステップS104で算出したフィッティングした際の各座標の移動量からプローブの原点に対する回転ステージの回転軸の相対位置を算出する。
In step S105, the
実際の計測を行う際には、ワーク中心軸は回転ステージ2の回転軸と厳密には一致してセットされていない場合がほとんどである。図5(A)は、そのときのワークの状態とフィッティングの様子を示した図である。回転ステージ2の回転軸304に対してワークの中心軸301がX方向にaという量ずれている場合を想定する。図5(A)(a)は、ステップS101で測定した複数の断面のうちの一つの測定断面201を、ステップS103で、設計形状203にフィッティングする際の様子を表している。一方、図5(A)(b)は、ステップS102で測定した、反転測定断面202を、ステップS104で、設計形状203にフィッティングする際の様子を表している。いずれも、設計形状203の中心軸303はプローブのX原点である。回転ステージ2の回転軸304に対してワークの中心軸301がX方向にaという量でずれている場合、測定断面201と反転測定断面202のフィッティング時のX方向の移動量はそれぞれ次の(3)式となる。
In actual measurement, the workpiece center axis is not set to be strictly coincident with the rotation axis of the
(3)式をXcについて解くと次の(4)式となり、測定断面201と反転測定断面202のフィッティング時のX方向の移動量を平均することで、ワークの中心軸と回転ステージ2の回転軸のずれによって生じる誤差は打ち消される。
Solving the equation (3) with respect to Xc, the following equation (4) is obtained, and the movement amount in the X direction at the time of fitting of the
また、ワークに非対称な形状誤差がある場合、フィッティングによって収束する位置に誤差が生じる。図5(B)は、そのときの断面測定とフィッティングを示した模式図である。 In addition, when the workpiece has an asymmetric shape error, an error occurs at the position where the workpiece converges by fitting. FIG. 5B is a schematic diagram showing cross-sectional measurement and fitting at that time.
図5(B)の(a)及び(b)はステップS101で測定した複数の断面のうちの一つの測定断面201(順方向測定データ)を、ステップS103で、設計形状203(設計形状データ)にフィッティングする際の様子を表している。測定断面201に非対称な形状誤差がある場合、最小二乗法によってフィッティングした際に、形状誤差により設計形状203に対してdという量ずれた位置の収束断面211に収束する。
FIGS. 5B and 5B show one measurement cross section 201 (forward measurement data) among the plurality of cross sections measured in step S101, and design shape 203 (design shape data) in step S103. This shows the situation when fitting. When the
一方、図5(B)の(c)及び(d)はステップS102で測定した反転測定断面202を、ステップS104で、設計形状203にフィッティングする際の様子を表している。180°異なる方位で測定した場合、ワークの形状データ(反転測定データ)は回転ステージ2の回転軸304に対してX方向に反転し、測定した断面は反転測定断面202のようになる。フィッティングした際の収束位置は、形状がX方向に反転したことによって、設計形状データに対し収束位置も収束断面211と反転し、−dという量ずれた反転収束断面311に収束する。したがって、フィッティングした際のX方向移動量x1とx2はそれぞれ次の(5)式となる。
On the other hand, (c) and (d) of FIG. 5 (B) show how the inverted
(5)式を解くと次の(6)式となり、測定断面201と反転測定断面202のフィッティング時のX方向の移動量を平均することで、ワークの非対称な形状誤差によって生じるフィッティング誤差は打ち消される。
When equation (5) is solved, the following equation (6) is obtained, and the fitting error caused by the asymmetrical shape error of the workpiece is canceled by averaging the amount of movement in the X direction when fitting the
以上のように、ワークの中心軸と回転ステージ2の回転軸のセッティングずれによる誤差aも、ワークの非対称な形状誤差による誤差dも、本実施例における反転測定を利用することで、その悪影響を抑制できる。すなわち測定断面201と反転測定断面202のフィッティング時のX方向の移動量を平均することで打ち消される。したがって、プローブ38の測定原点に対する回転ステージ2の回転軸の回転中心Xcは順方向測定と反転測定とで得られた測定データをフィッティングした際のX方向の移動量x1、x2を平均することで求めることができる。
As described above, the error a caused by the setting deviation between the center axis of the workpiece and the rotation axis of the
ステップS106では、解析処理部73によって、ステップS101で測定した複数の断面を、それぞれ測定した際の回転ステージの回転角によって(2)式を用いて座標変換を行う。
In step S106, the
このとき、(2)式において、ステップS105で算出したプローブ38の測定原点に対する回転ステージ2の回転中心Xcを用いて回転中心を補正する。この補正によりワークの三次元の面形状をより正確に算出することが可能となる。
At this time, in the equation (2), the rotation center is corrected using the rotation center Xc of the
以上のように、従来の複数の方位で断面測定する工程に、反転測定の工程を追加するだけで、プローブ38の原点の位置と回転ステージ2の回転軸の位置を補正して座標変換し、三次元の面形状を正しく取得することができる。
As described above, the coordinate conversion is performed by correcting the position of the origin of the probe 38 and the position of the rotation axis of the
また、プローブ38の測定原点を回転ステージ2の回転軸上に厳密に一致するような煩雑な調整をする工程を省略することもできる。
Further, it is possible to omit a complicated adjustment process in which the measurement origin of the probe 38 exactly matches the rotation axis of the
なお、ステップS106で取得した三次元の面形状はワークの中心軸と回転ステージ2の回転軸のセッティング後、差分オフセットしている。
Note that the three-dimensional surface shape acquired in step S106 is differentially offset after setting the center axis of the workpiece and the rotation axis of the
解析処理部73によって、面の形状誤差を評価する場合は、面形状にフィッティングした後、残差計算を行うという公知の手法を用いてユーザーは測定データを所望の用途に活用して良い。
When the surface shape error is evaluated by the
また、上述では一対の順方向測定データと反転測定データとからXcを算出したが、複数の方向のデータでそれぞれ反転測定を行って算出したXc1、Xc2・・から、平均値を出したりすることでより正確なXcを算出することももちろん行って良い。 In the above description, Xc is calculated from a pair of forward measurement data and inverted measurement data. However, an average value is obtained from Xc1, Xc2,... Of course, more accurate Xc may be calculated.
上述の形状測定方法にかかる制御プログラムをあらかじめ制御部に蓄積しておき、形状測定機の制御部をして実行させ自動制御する構成をとってももちろん良い。そのようなプログラムが格納されたコンピュータ読みとり可能な記録媒体に記録しておいても良い。 Of course, a configuration may be adopted in which a control program according to the above-described shape measuring method is stored in the control unit in advance, and the control unit of the shape measuring machine is executed and automatically controlled. You may record on the computer-readable recording medium in which such a program was stored.
上記方法によれば、形状測定する際に、従来の複数の方位で断面を測定する工程に、反転した一断面を追加で測定するだけで、プローブの原点と回転軸の位置関係を算出することができる。そして、複数の方位で測定した各断面を、算出したプローブの原点と回転軸の位置関係をもとに補正して、三次元の面形状に座標変換することができる。したがって、プローブを回転軸上に正確に位置決めすることなく、かつ測定時間を大幅に増やすことなく軸対称非球面形状を取得することが可能となる。 According to the above method, when measuring the shape, the positional relationship between the origin of the probe and the rotation axis can be calculated by simply measuring one inverted section in addition to the conventional process of measuring the section in a plurality of directions. Can do. Then, each cross section measured in a plurality of directions can be corrected based on the calculated positional relationship between the origin of the probe and the rotation axis, and coordinate-converted into a three-dimensional surface shape. Therefore, it is possible to acquire an axisymmetric aspherical shape without accurately positioning the probe on the rotation axis and without significantly increasing the measurement time.
1 基準ベース
2 回転ステージ
9 雇側取付基準
10 雇側取付基準
15 Xガイド固定部
16 Xガイド可動部
20 Xレーザスケールヘッド
38 プローブ
41 ワーク
51 装置座標系の原点
52 ワーク座標系の原点
DESCRIPTION OF
Claims (7)
ワークの表面を前記プローブで倣い走査するとともに前記プローブの位置を計測することで前記ワークの形状を測定する形状測定方法において、
前記ワークを前記回転テーブルにセットする工程と、
前記回転テーブルの異なる回転角度でそれぞれ測定データを得る工程と、
前記測定データのうち少なくとも一つの順方向測定データに対応する回転角度に対して180°回転させた状態で前記ワークの反転測定データを得る工程と、
前記順方向測定データと前記反転測定データとから前記回転テーブルの回転中心Xcを算出する工程と、
前記回転中心Xcのデータに基づき前記測定データを補正した上で座標変換して、前記ワークの表面の形状を算出し、
前記回転中心Xcは前記順方向測定データと前記反転測定データとを前記ワークの設計形状データにそれぞれフィッティングした際に生じた移動量x1とx2に基づき、下記一般式1によって求めることを特徴とする形状測定方法。
In the shape measuring method for measuring the shape of the workpiece by scanning the surface of the workpiece with the probe and measuring the position of the probe,
Setting the workpiece on the rotary table;
Obtaining measurement data respectively at different rotation angles of the rotary table;
Obtaining inverted measurement data of the workpiece in a state rotated by 180 ° with respect to a rotation angle corresponding to at least one forward measurement data among the measurement data;
Calculating a rotation center Xc of the rotary table from the forward direction measurement data and the reverse measurement data;
After correcting the measurement data based on the data of the rotation center Xc, coordinate conversion is performed to calculate the shape of the surface of the workpiece,
The rotation center Xc is based on the movement amount x 1 and x 2 produced upon fitting each said inverted measurement data and the forward measurement data to the design shape data of the workpiece, characterized in that calculated according to the following general formula 1 The shape measurement method.
前記回転テーブルにセットされた前記ワークを、前記回転テーブルの異なる回転角度でそれぞれ測定して測定データを得る測定手段と、
前記測定手段で測定された一つの順方向測定データと、前記順方向データに対応する回転角度に対して180°回転させた状態の測定データである反転測定データとから前記回転テーブルの回転中心Xcを算出する算出手段と、
前記回転中心Xcのデータに基づき前記測定データを補正した上で座標変換して、前記ワークの表面の形状を算出する補正手段とを有し、
前記回転中心Xcは前記順方向測定データと前記反転測定データとを前記ワークの設計形状データにそれぞれフィッティングした際に生じた移動量x1とx2に基づき、下記一般式1によって求めることを特徴とする形状測定装置。
Measuring means for obtaining measurement data by measuring the workpiece set on the rotary table at different rotation angles of the rotary table;
The rotation center Xc of the rotary table from one forward measurement data measured by the measuring means and inverted measurement data which is measurement data rotated by 180 ° with respect to the rotation angle corresponding to the forward data. Calculating means for calculating
Correcting means for correcting the measurement data based on the data of the rotation center Xc and then converting the coordinates to calculate the shape of the surface of the workpiece;
The rotation center Xc is based on the movement amount x 1 and x 2 produced upon fitting each said inverted measurement data and the forward measurement data to the design shape data of the workpiece, characterized in that calculated according to the following general formula 1 A shape measuring device.
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