(57)【要約】【課題】被測定物の３次元形状を高精度に測定することが可能となる３次元形状測定装置及び方法の提供。【解決手段】一対のプローブ２０ａ，２０ｂを、その先端同士が所定の間隔を開けて一直線状に対向するように配置し、被測定物１を、被測定物１の表面側及び裏面側がそれぞれ一対のプローブに対向するように位置させた後に、一対のプローブ２０ａ，２０ｂのお互いの位置関係を変更することなく、該一対のプローブ間における被測定物１の相対的な位置を、プローブ固定部材２０やプローブ２０ａ，２０ｂ等の質量体にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、スライド移動させて、一方のプローブにより被測定物１表面の３次元形状を測定し、次いで、他方のプローブにより被測定物１裏面の３次元形状を測定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、
一対のプローブと、
前記一対のプローブが所定の間隔を開けて一直線状に対向するように取り付けられるプローブ固定部材と、
被測定物を前記一対のプローブ間で保持する被測定物保持部材と、
前記プローブ固定部材に対する前記被測定物保持部材の相対的な位置をスライド移動可能とするスライド機構と、
前記スライド機構と基準面との間に配置され、前記スライド機構の該基準面に対する前記一対のプローブの対向方向における傾斜角度を調整可能として、前記一対のプローブのいずれか一方を被測定物の被測定面上に接触させる傾斜角度調整手段と、
前記プローブ固定部材及び前記被測定物保持部材の少なくとも一方を移動させる移動手段と、
前記プローブ固定部材に対する前記被測定物保持部材の相対的な移動量を測定する相対位置測定手段とを備えることを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記一対のプローブの配置方向と平行な方向をＺ軸、該Ｚ軸に直交する方向をＸ軸として、前記スライド機構が、Ｚ軸方向及びＸ軸方向スライド機構を備え、
前記傾斜角度調整手段が、前記基準面に対するＺ軸方向における傾斜角度を調整可能としてなる請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記Ｚ軸及びＸ軸のそれぞれに直交する方向をＹ軸として、前記スライド機構が、Ｙ軸方向スライド機構を備える請求項１から２のいずれかに記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記スライド機構が、前記被測定物保持部材に対して前記プローブ固定部材を移動させてなる請求項１から３のいずれかに記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記スライド機構が、前記プローブ固定部材に対して前記被測定物保持部材を移動させてなる請求項１から４のいずれかに記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
前記スライド機構が、前記プローブ固定部材及び前記被測定物保持部材を移動させてなる請求項１から５のいずれかに記載の３次元形状測定装置。
【請求項７】
被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、
所定の間隔を開けて一直線状に対向配置された一対のプローブ間に、被測定物を、該被測定物の表面及び裏面がそれぞれ該一対のプローブに対向するように位置させた後に、
前記一対のプローブのお互いの位置関係を変更することなく、前記一対のプローブ間における被測定物の相対的な位置を、重力による前記一対のプローブの対向方向成分を駆動力として、スライド移動させて、一方のプローブによる被測定物の表面の３次元形状を測定し、
次いで、他方のプローブにより被測定物の裏面の３次元形状を測定することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項８】
前記一方のプローブを被測定物の表面に接触させて被測定物の３次元形状を測定し、次いで、前記他方のプローブを被測定物の裏面に接触させて被測定物の３次元形状を測定する請求項７に記載の３次元形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズや鏡などの被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図７に従来の非球面や自由曲面レンズ等における３次元形状及び該レンズ等の表裏面の相対位置関係を測定するための３次元形状測定装置の概略構成を示す。
図７に示すように、従来の３次元形状測定装置１００は、２組のプローブ１０１ａ，１０１ｂと、この２組のプローブを夫々独立に３次元的に移動させるためのＸ軸方向移動機構１０２と、該Ｘ方向移動機構１０２に直交するＹ軸方向移動機構１０３と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に直交し前記２組のプローブ１０１ａ，１０１ｂが取り付けられるＺ軸方向移動機構１０４ａ，１０４ｂと、プローブの被測定物表面への接触圧を一定に制御する接触圧制御装置（図示せず）とを備えている。更に、被測定物２００の周囲に、３つの基準球１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃを備えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
そして、被測定物２００の３次元形状を測定する場合には、２組のプローブ１０１ａ，１０１ｂを夫々独立に、被測定物２００の表裏面の異なる位置に接触させて、被測定物２００の表裏面の３次元形状を測定する。ここで、被測定物２００表面に対するプローブ１０１ａ，１０１ｂの接触圧は、接触圧制御装置により所定の接触圧となるように制御される。また、被測定物２００の表面側及び裏面側から同時に基準球１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃの中心位置を測定することにより、被測定物２００の表面と裏面との相対的位置を算出する。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６００３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、かかる従来の３次元形状測定装置では、２組のプローブを夫々独立に移動させている為に、該プローブの移動機構が複雑となり、被測定物の３次元形状を高精度に測定することが困難であるという問題があった。更に、被測定物表面に対するプローブの接触圧制御は、接触圧測定系及びプローブ位置制御系を構成する接触圧制御装置により電気的に制御している為に、微小な接触圧制御が困難であると共に、装置構成が複雑になるという問題があった。また、被測定物の表面及び裏面の相対位置関係を測定する場合には、２組のプローブの座標系をそれぞれ合わせる必要があり、このためには３つの基準球を用いて中心座標を算出する事が必要となる。このため基準球製作コストの増加や、測定工数の増加という問題があった。
【０００６】
本発明は、上記した従来技術の課題を解決し、簡単な装置構成で被測定物の３次元形状を高精度に測定することが可能である３次元形状測定装置及び方法を提供することを目的とする。更に、被測定物の表面及び裏面の相対位置関係の算出を１つの基準球のみで行うことを可能として、測定工数の低減を図ることが可能となる３次元形状測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する為に、本発明の３次元形状測定装置にあっては、被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、一対のプローブと、前記一対のプローブが所定の間隔を開けて一直線状に対向するように取り付けられるプローブ固定部材と、被測定物を前記一対のプローブ間で保持する被測定物保持部材と、前記プローブ固定部材に対する前記被測定物保持部材の相対的な位置をスライド移動可能とするスライド機構と、前記スライド機構と基準面との間に配置され、前記スライド機構の該基準面に対する前記一対のプローブの対向方向における傾斜角度を調整可能として、前記一対のプローブのいずれか一方を被測定物の被測定面上に接触させる傾斜角度調整手段と、前記プローブ固定部材及び前記被測定物保持部材の少なくとも一方を移動させる移動手段と、前記プローブ固定部材に対する前記被測定物保持部材の相対的な移動量を測定する相対位置測定手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
また、上記目的を達成する為に、本発明の３次元形状測定方法にあっては、被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、所定の間隔を開けて一直線状に対向配置された一対のプローブ間に、被測定物を、該被測定物の表面及び裏面がそれぞれ該一対のプローブに対向するように位置させた後に、前記一対のプローブのお互いの位置関係を変更することなく、前記一対のプローブ間における被測定物の相対的な位置を、重力による前記一対のプローブの対向方向成分を駆動力として、スライド移動させて、一方のプローブにより被測定物の表面の３次元形状を測定し、次いで、他方のプローブにより被測定物の裏面の３次元形状を測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように、本発明の３次元形状測定装置及び方法によれば、簡単な装置構成で被測定物の３次元形状を高精度に測定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００１１】
＜３次元形状測定装置＞
図１は、第１の実施の形態に係る３次元形状測定装置１０の概略構成説明図である。
本実施の形態に係る３次元形状測定装置１０は、一対のプローブ２０ａ，２０ｂと、一対のプローブ２０ａ，２０ｂが所定の間隔を開けて一直線状に対向するように取り付けられるプローブ固定部材２０と、被測定物１を一対のプローブ２０ａ，２０ｂ間で保持する被測定物保持部材３０と、プローブ固定部材２０に対する被測定物保持部材３０の相対的な位置をスライド移動可能とするスライド機構４１〜４３と、スライド機構４１〜４３と基準面Ｃとの間に配置される傾斜角度調整手段９０と、前記プローブ固定部材又は前記被測定物保持部材を、前記スライド機構をスライド移動方向に移動させる移動手段（図示せず）と、プローブ固定部材２０に対する被測定物保持部材３０の相対的な移動量を測定する相対位置測定手段６１〜６３とを備えている。
【００１２】
プローブ固定部材２０は、矩形状の基部２１と、基部２１の長手方向両端からそれぞれ上方に立設されるプローブ固定部２２ａ及び２２ｂとを有している。そして、プローブ固定部２２ａ及び２２ｂの対向面側には、一対のプローブ２０ａ，２０ｂが、その先端同士が所定の間隔を開けて、且つ、一直線状に対向するように取り付けられている。尚、プローブ２０ａ，２０ｂは、プローブ固定部２２ａ及び２２ｂに直接固定されてもよいが、被測定物１に対する接触圧を測定する接触圧検知手段を介して固定されていてもよい。接触圧検知手段としては、特に制限はないが、例えば、ロードセルや圧力センサなどが挙げられる。
【００１３】
本実施の形態に係る３次元形状測定装置は、箱状の枠体部７０を有している。そして、枠体部７０の底板７１の上面側には、スライド機構４３が載置されている。スライド機構４３上には、スライド機構４１、４２及びプローブ固定部材２０が、この順に載置されている。また、枠体部７０の天板７２の下面側には、被測定物保持部材３０が垂架固定されている。尚、枠体部７０の形状としては、被測定物保持部材３０に固定された被測定物１が、プローブ固定部材２０に備えられた一対のプローブ２０ａ，２０ｂ間の所定の位置に配置可能であれば、特に制限はなく、枠形状、コの字形状、底板から側板のみ上方に立設したＬ字形状等が挙げられる。また、被測定物保持部材３０の枠体部７０への取り付け位置としては、天板側、側板側など特に制限はない。
【００１４】
スライド機構４１は、一対のプローブ２０ａ，２０ｂの配置方向と平行な方向をＺ軸として、Ｚ軸方向にスライド移動可能とされる。スライド機構４２は、枠体部７０の底板７１と平行な平面内で、Ｚ軸に直交する方向をＸ軸として、Ｘ軸方向にスライド移動可能とされる。スライド機構４３は、Ｘ軸及びＺ軸のそれぞれに直交する方向をＹ軸（図中、紙面上下方向）として、Ｙ軸方向にスライド移動可能とされる。
【００１５】
スライド機構４１としては、極めて小さな摩擦力でＺ軸方向のスライド移動を可能とするエアスライド支持機構、ボール支持機構等のスライド機構を有するものが好ましい。
【００１６】
尚、スライド機構としては、Ｚ軸方向及びＸ軸方向スライド機構のみを備え、これらのスライド機構に加えて、Ｚ軸を回転軸として、被測定物１を回転させる回転機構を備えることにより、被測定物の３次元形状を測定することも可能である。
【００１７】
被測定物保持部材３０は、一部にレンズ等の被測定物の外周を保持する被測定物保持部が形成されている。被測定物保持部による被測定物の保持方法としては、特に制限はなく、ネジや押さえ環等を介して被測定物を保持するものや、接着や嵌合等により被測定物を被測定物保持部材３０に直接固定する方法等が挙げられるが、できるだけ被測定面に撓みが発生しない方法が好ましい。
【００１８】
図示しない移動手段は、スライド機構４２及びスライド機構４３にそれぞれ取り付けられている。移動手段の具体的構成としては、スライド機構を移動可能なものであれば特に制限はないが、例えば、モータ、ボールネジ、及びボールネジ受け等から構成され、モータの回転運動をボールネジの併進運動に変換して、スライド機構４２及びスライド機構４３をそれぞれスライド移動させて、プローブ固定部材２０をＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させるものが挙げられる。
【００１９】
相対位置測定手段６１としては、例えば、スライド機構４１の直線移動量を検出するリニアスケールが挙げられる。また、相対位置測定手段６２及び６３としては、スライド機構４２及び４３のＸ軸方向及びＹ軸方向の移動量を測定可能であれば、特に制限はなく、例えば、スライド機構の直線移動量を検出するリニアスケール、スライド機構をスライド移動させる移動手段であるモータの回転角を検出するロータリーエンコーダ等が挙げられる。本実施の形態に係る３次元形状測定装置では、リニアスケールが用いられる。そして、相対位置測定手段６１により、プローブ固定部材２０に対する被測定物保持部材３０のＺ軸方向の移動量を測定することが可能となる。
【００２０】
傾斜角度調整手段９０は、スライド機構４１〜４３を載置する枠体部７０と基準面Ｂとの間であって、Ｚ軸方向の両端近傍に配置される。また、傾斜角度調整手段９０は、支柱９１、及び支柱９１を伸縮させる図示しないアクチュエータを備えている。そして、枠体部７０の両端に配置される一対の傾斜角度調整手段９０の支柱９１を適宜伸縮させることにより、枠体部７０の基準面Ｃに対するＺ軸方向の微小な傾斜角度αを適宜変更させて、スライド機構４１の基準面Ｃに対するＺ軸方向における傾斜角度αを調整可能とする。
【００２１】
第１の実施の形態に係る３次元形状測定装置１０によれば、傾斜角度調整手段９０により、スライド機構４１は、基準面Ｃに対してＺ軸方向における微小な傾斜角度αを与えられる。そして、スライド機構４１上に配置されるプローブ固定部材２０やプローブ２０ａ，２０ｂ等の質量体（以下、「プローブ自重成分」という。）にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、枠体部７０の天板７２から垂架される被測定物保持部材３０に対して、プローブ固定部材２０をＺ軸方向にスライド移動させる。
【００２２】
ここで、スライド機構４１が基準面Ｃに対してＺ軸方向に微小な傾斜角度αで傾斜されている時に、被測定物１の被測定面１ａ又は１ｂに対するプローブ２０ａ又は２０ｂの接触圧は、スライド機構４１上のプローブ自重成分にかかる重力のＺ軸方向成分で表される。即ち、プローブ自重成分をＭ、重力をｇとしたときに、Ｚ軸方向成分の駆動力Ｆは、Ｆ＝｜Ｍｇ×ｓｉｎα｜で示される。従って、スライド機構４１の基準面Ｃに対するＺ軸方向の微小な傾斜角度αを制御することで、被測定物１の被測定面１ａ又は１ｂに対するプローブ２０ａ又は２０ｂの接触圧を、極めて小さな接触圧で制御することが可能となる。また、被測定物１の被測定面１ａ又は１ｂの面形状測定中には、傾斜角度αを固定することにより、被測定面１ａ又は１ｂに接触するプローブ２０ａ又は２０ｂの接触圧を常に一定に保つことが可能となる。
【００２３】
また、一対の傾斜角度調整手段９０は、枠体部７０のＺ軸方向における傾斜方向を適宜選択して、被測定物１の被測定面１ａを測定した後に、枠体部７０のＺ軸方向における傾斜方向を逆方向に傾斜させて、被測定物１の被測定面１ｂを測定する。このようにして、被測定物１の表裏面側において、プローブ２０ａ，２０ｂを順次、３次元的に移動させることが可能となる。また、プローブ２０ａ，２０ｂの被測定物表裏面上における３次元的な移動量は、相対位置測定手段６１〜６３により被測定物保持部材３０に対するプローブ固定部材２０のＸ、Ｙ及びＺ軸方向の相対的な移動量として測定される。
【００２４】
図２は、第２の実施の形態に係る３次元形状測定装置１１の概略構成説明図である。
本実施の形態に係る３次元形状測定装置１１は、被測定物保持部材３１が、スライド機構４１の上面板２４上に取り付けられている。また、枠状の枠体部７０を有し、枠体部７０の側板７３、７４には、プローブ固定部８０ａ及び８０ｂが取り付けられている。そして、プローブ固定部８０ａ及び８０ｂの対向面側には、一対のプローブ２０ａ，２０ｂが、その先端同士が所定の間隔を開けて、且つ、一直線状に対向するように取り付けられている。尚、プローブ２０ａ，２０ｂは、プローブ固定部８０ａ及び８０ｂに直接固定されていてもよいが、被測定物１に対する接触圧を測定する接触圧検知手段２３ａ，２３ｂを介して固定してもよい。接触圧検知手段２３ａ，２３ｂとしては、第１の実施の形態におけるものと同様のものを選択することができる。その他の構成は、第１の実施の形態に係る３次元形状測定装置１０と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００２５】
第２の実施の形態に係る３次元形状測定装置１１によれば、傾斜角度調整手段９０により、スライド機構４１は、基準面Ｃに対してＺ軸方向における微小な傾斜角度αを与えられる。そして、スライド機構４１上に配置される被測定物保持部材３１や被測定物１等の質量体（以下、「被測定物自重成分」という。）にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、枠体部７０の側板７３、７４に取り付けられるプローブ２０ａ又は２０ｂに対して、被測定物保持部材３１をＺ軸方向にスライド移動させる。
【００２６】
従って、スライド機構４１の基準面Ｃに対するＺ軸方向の微小な傾斜角度αを制御することにより、被測定物１の被測定面１ａ又は１ｂに対するプローブ２０ａ又は２０ｂの接触圧を、極めて小さな接触圧で制御することが可能となる。また、プローブ２０ａ又は２０ｂに対する被測定物１の３次元的な移動量は、Ｚ軸方向相対位置測定手段６１、Ｘ軸方向相対位置測定手段６２及びＹ軸方向相対位置測定手段６３により、プローブ２０ａ又は２０ｂに対する被測定物保持部材３０のＸ、Ｙ及びＺ軸方向の相対的な移動量として測定することが可能となる。
【００２７】
図３は、第３の実施の形態に係る３次元形状測定装置１２の概略構成説明図である。
本実施の形態に係る３次元形状測定装置１２は、被測定物保持部材３２が、Ｘ方向のスライド機構４２の上面に取り付けられている。また、底板７１及び背面板７２を有するＬ字状の枠体部７０を有し、枠体部７０の背面板７２には、スライド機構４４が取り付けられている。また、スライド機構４４上には、プローブ固定部材２０Ａが取り付けられている。
【００２８】
プローブ固定部材２０Ａは、矩形状の基部２５と、基部２５の長手方向両端からそれぞれ図中、紙面手前方向に立設されるプローブ固定部２６ａ及び２６ｂとを有している。そして、プローブ固定部２６ａ及び２６ｂの対向面側には、一対のプローブ２０ａ，２０ｂが、その先端同士が所定の間隔を開けて、且つ、一直線状に対向するように取り付けられている。尚、プローブ２０ａ，２０ｂは、プローブ固定部２６ａ及び２６ｂに直接固定されてもよいが、被測定物１に対する接触圧を測定する接触圧検知手段を介して固定されていてもよい。接触圧検知手段としては、特に制限はないが、例えば、ロードセルや圧力センサなどが挙げられる。
【００２９】
スライド機構４４は、一対のプローブ２０ａ，２０ｂの配置方向と平行な方向をＺ軸として、Ｚ軸方向にスライド移動可能とされる。スライド機構４２は、枠体部７０の底板７１と平行な平面内で、Ｚ軸に直交する方向をＸ軸として、Ｘ軸方向にスライド移動可能とされる。スライド機構４３は、Ｘ軸及びＺ軸のそれぞれに直交する方向をＹ軸（図中、紙面上下方向）として、Ｙ軸方向にスライド移動可能とされる。
【００３０】
被測定物保持部材３２は、スライド機構４２の上面に取り付けられている。また、傾斜角度調整手段９０は、スライド機構４２及び４３を載置する枠体部７０の底板７１と基準面Ｃとの間であって、Ｚ軸方向の両端近傍に配置される。その他の構成は、第１の実施の形態に係る３次元形状測定装置１０と同様であるので、同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００３１】
第３の実施の形態に係る３次元形状測定装置１２によれば、傾斜角度調整手段９０により、枠体部７０に取り付けられたスライド機構４４は、基準面Ｃに対してＺ軸方向における微小な傾斜角度αを与えられる。そして、スライド機構４４上に配置されるプローブ固定部材２０Ａや一対のプローブ２０ａ，２０ｂ等の質量体（以下、「プローブ自重成分」という。）にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、スライド機構４２上に取り付けられる被測定物保持部材３２に対して、プローブ２０ａ又は２０ｂをＺ軸方向にスライド移動させる。
【００３２】
従って、枠体部７０の基準面Ｃに対するＺ軸方向の微小な傾斜角度αを制御することにより、プローブ２０ａ又は２０ｂの被測定物１の被測定面１ａ又は１ｂに対する接触圧を、極めて小さな接触圧で制御することが可能となる。また、被測定物１に対するプローブ２０ａ又は２０ｂの３次元的な移動量は、Ｚ軸方向相対位置測定手段６１、Ｘ軸方向相対位置測定手段６２及びＹ軸方向相対位置測定手段６３により、被測定物保持部材３２に対するプローブ２０ａ又は２０ｂのＸ、Ｙ及びＺ軸方向の相対的な移動量として測定することが可能となる。
【００３３】
＜３次元形状測定方法＞
次に、本発明に係る３次元形状測定方法を説明する。
本発明に係る３次元形状測定方法は、所定の間隔を開けて一直線状に対向配置された一対のプローブ間に、被測定物を、被測定物の表面及び裏面がそれぞれ一対のプローブに対向するように位置させた後に、一対のプローブのお互いの位置関係を変更することなく、一対のプローブ間における被測定物の相対的な位置を、重力のスライド方向成分を駆動力として、スライド移動させて、一方のプローブによる被測定物の表面の３次元形状を測定し、次いで、他方のプローブによる被測定物の裏面の３次元形状を測定する。
【００３４】
図４において、本発明に係る３次元形状測定方法をフローチャートに従い説明する。
まず、被測定物が、所定の間隔を開けて一直線状に対向配置された一対のプローブ間に、該被測定物の表面１ａ及び裏面１ｂが、一対のプローブの夫々に対向するように位置させられる（ステップＳ２１）。
【００３５】
被測定物は被測定物保持部材に固定されるが、被測定物表裏面の全ての形状測定が終了するまでは、被測定物を被測定物保持部材から外さずに、一対のプローブのお互いの位置関係を変更することなく、全ての形状測定を行う。尚、一対のプローブは、お互いの位置関係が厳密に一直線状に対向配置されている必要はなく、後述する相対的な位置の誤差量を算出する補正値算出手順により算出された補正値を利用することも可能である。
【００３６】
次に、傾斜角度調整手段を制御して、スライド機構の基準面に対するＺ軸方向における傾斜角度を調整して、スライド機構に対してＺ軸方向の微小な傾斜角度αを与える。その結果、前記被測定物自重成分又は前記プローブ自重成分にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、一方のプローブの先端が被測定物の表面１ａ上に接触させられる（ステップＳ２２）。ここで、前記傾斜角度αは、任意に調整可能であるが、被測定物の面形状測定中には、固定されていることが望ましい。
【００３７】
次に、一方のプローブの先端が、被測定物の表面１ａ上に接する状態を保ちつつ、Ｘ軸方向スライド機構及びＹ軸方向スライド機構により、一方のプローブ及び被測定物の相対位置が移動させられる。ついで、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のプローブ及び被測定物の相対位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を相対位置測定手段により測定する。このように、Ｚ軸方向スライド機構の自由なスライド移動を担保しつつ、Ｘ軸方向、及びＹ軸方向に、一対のプローブ間における被測定物の相対的な位置を走査移動させて、被測定物の表面１ａの三次元形状測定データ（Ｙa、Ｙa、Ｚa）（ａ＝１，２，３，・・）を点列データとして取得して、記憶手段に記憶する（ステップＳ２３）。
【００３８】
ステップＳ２３において、被測定物に対するプローブの相対的な走査移動方向としては、特に制限はないが、例えば、図５に示すように、測定開始位置からライン状に走査移動させる方法、図６に示すように、測定開始位置からスパイラル状に走査移動させる方法、またはこれらを複合した走査移動方法等が挙げられる。
【００３９】
次に、傾斜角度調整手段を制御して、スライド機構の基準面に対するＺ軸方向における傾斜角度を前記ステップＳ２２における場合とは逆方向に調整して、スライド機構に対してＺ軸方向の微小な傾斜角度−αを与える。その結果、前記被測定物自重成分又は前記プローブ自重成分にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、他方のプローブの先端が被測定物の表面１ｂ上に接触させられる（ステップＳ２４）。
【００４０】
次に、被測定物の表面１ａと同様に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向のプローブ及び被測定物の相対位置（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を相対位置測定手段により測定する。このように、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に、被測定物に対するプローブの位置を相対的に走査移動させて、被測定物の裏面１ｂの三次元形状測定データ（Ｘb、Ｙb、Ｚb）（ｂ＝１，２，３，・・）を点列データとして取得して、記憶手段に記憶する（ステップＳ２５）。
以上ステップＳ２１からＳ２５により、被測定物の表面１ａと裏面１ｂの形状測定データを同一座標系のデータとして取得することができる。
【００４１】
次に、同一座標系として得られた被測定物の表面１ａと裏面１ｂの形状測定データから、被測定物の表面及び裏面の相対的位置関係を考慮した３次元形状測定方法について説明する（ステップＳ２６）。
【００４２】
本発明に係る３次元形状測定方法において、一対のプローブのお互いの位置関係が厳密に一直線状に対向配置されていない場合には、夫々のプローブの相対的な位置の誤差量を求め、該誤差量から被測定物の表面及び裏面の相対位置関係を算出する必要がある。以下、夫々のプローブの相対的な位置の誤差量を補正する補正値の算出手順について説明する。
【００４３】
まず、前記ステップＳ２１において、被測定物として、基準球を用いる。次に、前記ステップＳ２２及びＳ２４において、基準球の被測定面である表面１ａ及び裏面１ｂを測定した形状測定データ（ＸMa、ＹMa、ＺMa）（Ｍａ＝１，２，３・・）及び（ＸMb、ＹMb、ＺMb）（Ｍｂ＝１，２，３・・）を得る。得られた表面１ａ及び裏面１ｂの形状測定データに対して、表面１ａの球心Ｃａと裏面１ｂの球心Ｃｂの位置を算出する。
【００４４】
次に、球心Ｃａ及び球心Ｃｂの位置の誤差量を算出する。ここで、本来、被測定物の表面を測定する一方のプローブと、被測定物の裏面を測定する他方のプローブとのＸ、Ｙ、及びＺ軸方向の位置が一致していれば、基準球における球心Ｃａ及び球心Ｃｂの位置のは一致するはずである。このため、球心Ｃａ及び球心Ｃｂの位置の誤差量は、一方のプローブと他方のプローブとの相対的な位置の誤差量に等しくなる。即ち、基準球における球心Ｃａ及び球心Ｃｂの位置のＺ軸方向の誤差量は、一対のプローブにおけるＺ軸方向の間隔を表し、基準球における球心Ｃａ及び球心ＣｂのＸ軸及びＹ軸方向の位置の誤差量は、Ｘ軸及びＹ軸方向のプローブの相対位置の誤差量を表している。
【００４５】
ここで、基準球における球心Ｃａの算出方法は、最小ニ乗法やニュートン法等の既知の方法を使用して、被測定面である基準球の設計形状データと、実際の測定データとの誤差が最小となるように測定データを座標変換して、設計形状データに対する測定データの座標変換量（Ａ、Ｂ、Ｃ、α、β、θ）を算出する。ここで、Ａは基準球面測定データのＸ軸方向の並進移動量、ＢはＹ軸方向の並進移動量、ＣはＺ軸方向の並進移動量、αはＸ軸周りでの回転移動量、βは、Ｙ軸周りでの回転移動量、θはＺ軸周りでの回転移動量である。これらの座標変換量のうち、球面の測定データに対しては、３軸方向の並進移動量のみ独立であるため、（Ａ、Ｂ、Ｃ）を球心Ｃａの位置とする。また、基準球における球心Ｃｂも同様に（Ａ´、Ｂ´、Ｃ´）を球心Ｃｂの位置とする。
【００４６】
このように算出された、球心Ｃａの位置（Ａ、Ｂ、Ｃ）、及び球心Ｃｂの位置（Ａ´、Ｂ´、Ｃ´）から、一対のプローブの相対的な位置の誤差量（ＡM、ＢM、ＣM）が求められる。そして、算出された一対のプローブの相対的な位置の誤差量を補正する補正値として記憶手段に記憶される。尚、該補正値は、被測定物の形状測定前に行ってもよく、後に行ってもよい。また、被測定物の測定環境が一定であれば、複数の被測定物を測定するときでも、同一の補正値を用いることが可能である。
【００４７】
次に、一対のプローブの相対的な位置の誤差量を補正する補正値（ＡM、ＢM、ＣM）を利用して、被測定物の裏面１ｂの形状測定データ（Ｘb、Ｙb、Ｚb）を座標変換することで、一対のプローブの相対的な位置の誤差量を補正した被測定物裏面１ｂの形状測定データ（Ｘc、Ｙc、Ｚc）（ｃ＝１，２，３・・）を得ることができる。ここで、座標変換の式を以下、式１に示す。
【００４８】
【数１】
2006343256.tif 000003
【００４９】
尚、本発明に係る３次元形状測定方法では、被測定物１の表面１ａを基準として、裏面１ｂの形状測定データの座標を補正したが、裏面１ｂを基準に表面１ａの形状測定データの座標を補正してもよい。
【００５０】
ここで、ステップＳ２３において算出された被測定物の表面１ａの三次元形状測定データ（Ｘa、Ｙa、Ｚa）（ａ＝１，２，３，・・）と、一対のプローブの相対的な位置の誤差量を補正した被測定物裏面１ｂの形状測定データ（Ｘc、Ｙc、Ｚc）（ｃ＝１，２，３・・）とは、同一座標系のデータとして取得されてものであるため、１つの点列データ（Ｘp、Ｙp、Ｚp）（ｐ＝１，２，３・・）としてまとめることができる。以上の方法により、被測定物の表面及び裏面の相対位置関係を考慮した３次元形状を算出することができる。
【００５１】
本発明の３次元形状測定装置及び方法によれば、スライド機構に対してＺ軸方向の微小な傾斜角度αを与えことにより、前記被測定物自重成分又は前記プローブ自重成分にかかる重力のＺ軸方向成分を駆動力として、プローブの先端が被測定物の表裏面上に接触させられる。このため、簡単な装置構成で被測定物に対するプローブの微小な接触圧制御が可能となる。また、一対のプローブのそれぞれに対して、該プローブと被測定物との相対位置移動機構や、相対位置測定手段を設ける必要がなく、３次元形状測定装置の複雑化、大型化を防止できる。また、被測定物表裏面の３次元形状測定時におけるプローブと被測定物との相対移動距離を小さくすることができるので、一対のプローブと被測定物とを相対移動させる移動機構の運動誤差を最小として、高精度な測定が可能となる。更に、被測定物の表面及び裏面の相対位置関係を考慮した３次元形状を算出する場合において、被測定物の表面１ａ及び裏面１ｂの３次元形状測定データを同一座標系のデータとして取得することができるので、一対のプローブのお互いの位置関係が厳密に一直線状に対向配置されていない場合でも、夫々のプローブの相対的な位置の誤差量を補正する補正値を１つの基準球のみから求めることができる。このため、測定時間や処理時間を短縮することができると共に、基準球製作コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、第１の実施の形態に係る３次元形状測定装置の概略構成説明図である。
【図２】図２は、第２の実施の形態に係る３次元形状測定装置の概略構成説明図である。
【図３】図３は、第３の実施の形態に係る３次元形状測定装置の概略構成説明図である。
【図４】図４は、３次元形状測定方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】図５は、被測定物に対するプローブの相対的な走査移動方向を示す図である。
【図６】図６は、被測定物に対するプローブの相対的な走査移動方向を示す図である。
【図７】図７は、従来の３次元形状測定装置の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０、１１、１２  …３次元形状測定装置
２０ａ，２０ｂ  …プローブ
２０、２５、（８０ａ，８０ｂ）…プローブ固定部材
３０、３１、３２  …被測定物保持部材
４１、４４  …Ｚ軸方向スライド機構
４２  …Ｘ軸方向スライド機構
４３  …Ｙ軸方向スライド機構
６１  …Ｚ軸方向相対位置測定手段
６２  …Ｘ軸方向相対位置測定手段
６３  …Ｙ軸方向相対位置測定手段
９０  …傾斜角度調整手段
Ｂ  …基準面
【図１】
2006343256.tif 000004
【図２】
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【図３】
2006343256.tif 000006
【図４】
2006343256.tif 000007
【図５】
2006343256.tif 000008
【図６】
2006343256.tif 000009
【図７】
2006343256.tif 000010