(57)【要約】【課題】  プローブ等の測定系に対する被測定物の基準平面及び座標を短時間で検出することができる被測定物保持装置を提供すること。【解決手段】  保持治具１は、測定系に対してレンズ等の光学部品（被測定物）１５を保持するものであって、保持治具本体１６と、測定光学系に対する保持治具本体１６の傾きを表すオプティカルパラレル（角度基準部）１７と、保持治具本体１６の原点位置を表す位置基準部１８とを備え、オプティカルパラレル１７と位置基準部１８とが保持治具本体１６に別々に配されている。【選択図】  図２
2006170913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の三次元形状を測定するための測定系に対して被測定物を保持する被測定物保持装置であって、
本体と、
前記測定系に対する前記本体の傾きを表す角度基準部と、
前記本体の原点位置を表す位置基準部とを備え、
前記角度基準部と前記位置基準部とが別々に配されていることを特徴とする被測定物保持装置。
【請求項２】
前記本体が、互いに離間してそれぞれ前記測定系に対向可能な第一の面と第二の面とを備え、
前記角度基準部が、前記第一の面及び前記第二の面の傾きをそれぞれ表していることを特徴とする請求項１に記載の被測定物保持装置。
【請求項３】
前記角度基準部が、前記第一の面の傾きを表す第一基準面と、
前記第二の面の傾きを表す第二基準面とを備え、
前記第一基準面と前記第二基準面とが互いに平行に配されていることを特徴とする請求項２に記載の被測定物保持装置。
【請求項４】
前記位置基準部が、ピンホールを備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の被測定物保持装置。
【請求項５】
前記位置基準部を複数備えていることを特徴とする請求項４に記載の被測定物保持装置。
【請求項６】
前記位置基準部が、線部及び点部の少なくとも一方を備えていることを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の被測定物保持装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学部品等の被測定物に係る形状や偏心等を測定する際に、被測定物を保持するための被測定物保持装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元形状測定用のプローブにて三次元形状を有する被測定物を測定する場合、被測定物の各面を測定する際に、プローブに対する被測定物の取付位置によって相対位置誤差を生じてしまう。この誤差を生じさせないで測定する方法として種々の方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この特許文献１に記載の技術は、被測定物の測定治具が備える三つの基準球を、被測定物を保持した状態でプローブにてそれぞれ測定して角度及び位置の対応をとるものであって、各基準球の中心点を通る仮想平面を基準平面としてこの面と表裏関係のある測定面の座標の対応を図っている。この方法では、小さい球を配することによって、スペースをとらずに配置することができる等の利点を有することができる。
【０００４】
しかしながら、上記従来の技術では、各球の中心点を求めるために、例えば、１つの球について１００点程度の三次元の位置データを測定する必要があり、三つの球について表裏面の位置データを取得するためには６００点ものデータを測定することになってしまい、測定に非常に時間がかかるという問題がある。
【特許文献１】特開平１１−３４４３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、プローブ等の測定系に対する被測定物の基準平面及び座標を短時間で検出することができる被測定物保持装置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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る被測定物保持装置は、被測定物の三次元形状を測定するための測定系に対して被測定物を保持する被測定物保持装置であって、本体と、前記測定系に対する前記本体の傾きを表す角度基準部と、前記本体の原点位置を表す位置基準部とを備え、前記角度基準部と前記位置基準部とが別々に配されていることを特徴とする。
【０００７】
この被測定物保持装置は、角度基準部と位置基準部とが別々に配されているので、角度基準部の測定によって本体を介して被測定物の傾きのみを短時間に検出することができ、位置基準部の測定によって、本体の座標系から被測定物の測定位置の座標を短時間に検出することができる。
【０００８】
また、本発明に係る被測定物保持装置は、前記被測定物保持装置であって、前記本体が、互いに離間してそれぞれ前記測定系に対向可能な第一の面と第二の面とを備え、前記角度基準部が、前記第一の面及び前記第二の面の傾きをそれぞれ表していることを特徴とする。
【０００９】
この被測定物保持装置は、角度基準部の測定にて測定系に対する第一の面と第二の面との傾きをそれぞれ表すことができる。そして、被測定物を第一の面及び第二の面のそれぞれの側から測定系にて測定する際、第一の面及び第二の面のそれぞれの傾きから測定系に対する被測定物の測定面の違いによる誤差を検出することができる。
【００１０】
また、本発明に係る被測定物保持装置は、前記被測定物保持装置であって、前記角度基準部が、前記第一の面の傾きを表す第一基準面と、前記第二の面の傾きを表す第二基準面とを備え、前記第一基準面と前記第二基準面とが互いに平行に配されていることを特徴とする。
【００１１】
この被測定物保持装置は、第一基準面に対する第一の面の傾きと第二基準面に対する第二の面の傾きとから、第一の面と第二の面との相対的な傾きを容易に検出することができる。
【００１２】
また、本発明に係る被測定物保持装置は、前記被測定物保持装置であって、前記位置基準部が、ピンホールを備えていることを特徴とする。
この被測定物保持装置は、測定系によってピンホールを検出することによって、本体の原点を容易に、かつ、短時間に表すことができる。
【００１３】
また、本発明に係る被測定物保持装置は、前記被測定物保持装置であって、前記位置基準部を複数備えていることを特徴とする。
この被測定物保持装置は、位置基準部の何れか一つをこれらの基準原点とし、基準原点に対する他のピンホールの相対位置を測定面別に検出することによって、測定面を変えた際の測定系の光軸に対する回転誤差を検出することができ、より高精度の測定を行うことができる。
【００１４】
また、本発明に係る被測定物保持装置は、前記被測定物保持装置であって、前記位置基準部が、線部及び点部の少なくとも一方を備えていることを特徴とする。
この被測定物保持装置は、線部の何れか一方の端部又は複数の点部の何れか一つを本体の原点として検出することができる。また、線部の何れか一方の端部に対する他の端部の相対位置又は何れか一つの点部に対する他の点部の相対位置を測定面別に検出することによって、測定面を変えた際の測定系の光軸に対する回転誤差を検出することができ、より高精度の測定を行うことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被測定物の形状データの補正に必要な測定系に対する被測定物の基準平面及び座標の測定回数を減らすことができ、実際の形状データに対する補正を短時間に行って特性値を算出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る第１の実施形態について、図１から図９を参照して説明する。
本実施形態に係る保持治具（被測定物保持装置）１は、図１に示すように、測定系が光学式である三次元形状測定機２に取り付けられる。
この三次元形状測定機２は、保持治具１をＸＹ方向に移動させるＸＹ電動ステージ３と、Ｚ方向に移動させるＺ電動ステージ５と、Ｚ電動ステージ５に配されて測定系となる測定光学系６と、Ｚ電動ステージ５及び測定光学系６を保持する支柱７と、これらを載置する架台８と、ＸＹ電動ステージ３を制御するＸＹステージコントローラ１０と、Ｚ電動ステージ５を制御するＺステージコントローラ１１と、各ステージコントローラ１０、１１及び測定光学系６を制御するパソコン１２と、これらを電気的に接続するケーブル１３とを備えている。
【００１７】
保持治具１は、測定光学系６に対してレンズ等の光学部品（被測定物）１５を保持するものであって、図２及び図３に示すように、保持治具本体１６と、測定光学系６に対する保持治具本体１６の傾きを表すオプティカルパラレル（角度基準部）１７と、保持治具本体１６の原点位置を表す位置基準部１８とを備え、オプティカルパラレル１７と位置基準部１８とが保持治具本体１６に別々に配されている。
【００１８】
保持治具本体１６は略直方体形状とされ、互いに平行に離間してそれぞれ測定光学系６に対向可能とされる表面（第一の面）２０と裏面（第二の面）２１と、互いに平行な第一の長側面２２及び第二の長側面２３と第一の短側面２５及び第二の短側面２６とを備えている。
保持治具本体１６には三角形状とされて内部に挿入した光学部品１５の外周面が当接する二つの壁面２７を有して表面２０から裏面２１まで貫通する貫通孔２８が配されており、貫通孔２８に隣接して表面２０側には凹部３０が配されている。
【００１９】
凹部３０の底面３０Ａには、第一の長側面２２及び第二の長側面２３に沿う方向に延びる凸部３１が配されており、押し部材３２が凸部３１上をスライド自在に配されている。
押し部材３２には、貫通孔２８内に挿入した光学部品１５を貫通孔２８の壁面２７に押圧可能に付勢されたバネ３３が接続されている。
【００２０】
押し部材３２の先端は、第一の短側面２５及び第二の短側面２６と略平行とされた当接面３５が配されている。即ち、貫通孔２８の二つの壁面２７と当接面３５との間の三点で接触して光学部品１５を支持する。
第一の長側面２２及び第二の長側面２３のそれぞれと第一の短側面２５との隅部３６、３７は、それぞれ斜め方向に面取りされている。
【００２１】
オプティカルパラレル１７は、保持治具本体１６の表面２０及び裏面２１の傾きをそれぞれ表すものとされ、図４に示すように、表面２０の傾きを表す第一基準面３８と、裏面２１の傾きを表す第二基準面４０とを備えており、第一基準面３８と第二基準面４０とが互いに±２秒以内の平行度で配されている。
【００２２】
位置基準部１８は、図５に示すように、薄い円板部材４１と、この円板部材４１に配されたピンホール４２とを備えている。円板部材４１の径は略１０ｍｍとされ、中央部分の板厚は２〜３μｍとされてピンホール４２が配されている。ピンホール４２は略１μｍの径とされている。
【００２３】
ＸＹ電動ステージ３には、図６に示すように、保持治具１を測定光学系６に対して位置決めするための複数のピン４３と、ピン４３に対して保持治具１を押圧して固定するための治具押さえ部材４５とが配されている。
【００２４】
測定光学系６は、図１及び図７に示すように、Ｚ電動ステージ５上に配され、オートフォーカス機能を有する顕微鏡ユニット４６と、顕微鏡ユニット４６に接続されたＣＣＤカメラ４７と対物レンズ４８とを備えている。
ＣＣＤカメラ４７とパソコン１２とはケーブル１３によって接続されており、ＣＣＤカメラ４７で撮像された画像はパソコン１２で読み取り可能とされている。ここで、ＣＣＤカメラ４７と対物レンズ４８とを結ぶ軸線を光軸Ｃとする。
【００２５】
次に、本実施形態に係る保持治具１による光学部品１５の測定方法、及び、作用・効果について説明する。
この測定方法は、図８に示すように、保持治具１保持治具本体１６の表面２０のＺ軸方向に対する傾きを測定する角度基準測定工程（Ｓ０１）と、測定光学系６に対する表面２０側のＸＹ平面上の原点を検出する位置基準測定工程（Ｓ０２）と、各ステージ３、５を駆動して表面２０側からの光学部品１５の形状を測定する形状測定工程（Ｓ０３）と、保持治具１保持治具本体１６の裏面２１において上述と同様の角度基準測定工程（Ｓ１１）、位置基準測定工程（Ｓ１２）、形状測定工程（Ｓ１３）と、測定した光学部品１５の形状データを、角度基準と位置基準に従って座標変換して光学部品１５の特性を算出する工程（Ｓ４）とを備えている。
【００２６】
まず、最初に、ＸＹ電動ステージ３及びＺ電動ステージ５を駆動してそれぞれ原点復帰を行う。
また、バネ３３を伸ばしながら凸部３１上を貫通孔２８から離間する方向に一旦押し部材３２を移動した後、光学部品１５を保持治具１の貫通孔２８に挿入し、バネ３３の付勢力によって押し部材３２の当接面３５と貫通孔２８の二つの壁面２７との間で光学部品１５を挟持する。
【００２７】
次に、保持治具１の保持治具本体１６の表面２０を対物レンズ４８に対向させる方向とし、かつ、第一の長側面２２と第二の短側面２６とがピン４３に係止され、治具押さえ部材４５が隅部３６を押圧するようにして、図７に示すように、保持治具１をＸＹ電動ステージ３上に載置する。
【００２８】
そして、角度基準測定工程（Ｓ０１）を行う。
即ち、ＸＹ電動ステージ３を駆動してオプティカルパラレル１７の第一基準面３８を対物レンズ４８に対向する位置に移動する。また、Ｚ電動ステージ５を駆動して、オプティカルパラレル１７の第一基準面３８を観察可能な位置に測定光学系６を移動する。
この状態で、Ｚ電動ステージ５の図示しない原点位置に対する、第一基準面３８のＸＹ座標が異なる少なくとも任意の三点の高さデータを測定し、パソコン１２に取り込む。
【００２９】
続いて、位置基準測定工程（Ｓ０２）を行う。
即ち、ＸＹ電動ステージ３を駆動してピンホール４２を対物レンズ４８に対向する位置に移動し、Ｚ電動ステージ５を駆動してピンホール４２を観察可能な位置に測定光学系６を移動する。
この状態で、ピンホール４２の画像をＣＣＤカメラ４７で撮像してパソコン１２に取り込む。
【００３０】
次に、形状測定工程（Ｓ０３）に移行して、光学部品１５の所定の点数で三次元形状データを測定する。
その後、光学部品１５を保持したままの状態で、治具押さえ部材４５を保持治具１から離間して保持治具１を取り出し、保持治具１の保持治具本体１６の裏面２１が対物レンズ４８に対向する向きとなるように保持治具１を反転する。そして、第二の長側面２３と第二の短側面２６とがピン４３に係止され、治具押さえ部材４５が隅部３７を押圧するようにして、保持治具１をＸＹ電動ステージ３上に載置する。
【００３１】
この状態で、角度基準測定工程（Ｓ１１）、位置基準測定工程（Ｓ１２）、形状測定工程（Ｓ１３）をそれぞれ上述した角度基準測定工程（Ｓ０１）、位置基準測定工程（Ｓ０２）、形状測定工程（Ｓ０３）と同様の方法にて行う。
【００３２】
そして、特性算出工程（Ｓ４）に移行する。
ここでは、パソコン１２に取り込まれたオプティカルパラレル１７の第一基準面３８及び第二基準面４０の高さデータから、オプティカルパラレル１７の測定光学系６に対する傾きを算出し、これを基準平面として保持治具１が表向きと裏向きとに載置された際の傾きの対応をとる。また、表面２０及び裏面２１双方のピンホール４２の位置をＸＹ平面上の原点とし、図９に示すように、Ｙ軸の符号を逆にして考えることにより表面２０と裏面２１との位置座標を対応させる。
こうして得られた光学部品１５の形状データを座標変換して補正して、光学部品１５の両面の正確な形状データを得て、偏心等の特性値を算出してパソコン１２のモニタに表示する。
【００３３】
この保持治具１によれば、保持治具本体１６にオプティカルパラレル１７と位置基準部１８とが別々に配されているので、オプティカルパラレル１７の傾きを測定することによって保持治具本体１６を介して光学部品１５の傾きのみを短時間に測定することができ、位置基準部１８の測定によって、光学部品１５の測定位置の座標を短時間に検出することができる。
【００３４】
また、オプティカルパラレル１７の第一基準面３８に対する保持治具本体１６の表面２０の傾きと第二基準面４０に対する裏面２１の傾きとから、表面２０と裏面２１との相対的な傾きを容易に検出することができる。そして、光学部品１５を表面２０及び裏面２１のそれぞれの側から測定光学系６にて測定する際、表面２０及び裏面２１のそれぞれの傾きから測定光学系６に対する測定面の違いによる誤差を検出することができる。
【００３５】
さらに、測定光学系６にてピンホール４２を検出することにより、保持治具本体１６の原点を容易に、かつ、短時間に表すことができる。従って、光学部品１５の形状データを表面２０側及び裏面２１側からそれぞれ測定してもそれぞれの座標を特定することができ、短時間で形状データを補正することができる。
【００３６】
次に、第２の実施形態について図１０を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る保持治具５０が、保持治具本体５１に配された二つの位置基準部５２、５３を備えているとした点である。
【００３７】
この保持治具５０による光学部品１５の測定方法、及び、作用・効果について説明する。
まず、第１の実施形態と同様に角度基準測定工程（Ｓ０１）まで行い、位置基準測定工程に移行する。
ここでは、それぞれの位置基準部５２、５３に係るピンホール４２の位置を測定光学系６にてそれぞれ検出する。
さらに、形状測定工程（Ｓ０３）の後、保持治具５０を上述のように反転し、角度基準測定工程（Ｓ１１）を実施後、位置基準測定工程に移行して、再びそれぞれのピンホール４２の位置を検出する。
【００３８】
この際、二つの位置基準部５２、５３のうち何れか一方のピンホール４２の位置を、保持治具５０を表向きに載置した場合と裏向きに載置した場合とにおけるＸＹ平面上の基準原点とする。
そして、特性算出工程（Ｓ４）にて、得られた光学部品１５の形状データを座標変換して補正する。
【００３９】
この際、基準原点に対する他のピンホール４２の相対位置を表面２０側及び裏面２１側それぞれ別に検出することによって、測定光学系６の光軸Ｃに対する光学部品１５の測定面を変えた際のＸＹ平面上の回転量をさらに算出して補正する。
この保持治具５０によれば、ＸＹ平面における回転誤差を検出することができ、光学部品１５をより高精度で測定することができる。
【００４０】
次に、第３の実施形態について図１１を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る保持治具５５の位置基準部５６が、ピンホール４２の代わりに、第一の線（線部）５７と第二の線（線部）５８とが直交するチャート６０を備えているとした点である。
【００４１】
この保持治具５５による光学部品１５の測定方法、及び、作用・効果について説明する。
まず、上記他の実施形態と同様に角度基準測定工程（Ｓ０１）まで行い、位置基準測定工程に移行する。
ここでは、例えば、第一の線５７と第二の線５８との交点６１を原点とし、交点６１に対する第一の線５７及び第二の線５８の延びる方向を測定光学系６にて検出する。
さらに、形状測定工程（Ｓ０３）の後、保持治具５５を上述のように反転し、角度基準測定工程（Ｓ１１）を実施後、位置基準測定工程に移行して、再び交点６１、第一の線５７及び第二の線５８の位置を検出する。
【００４２】
特性算出工程（Ｓ４）にて、得られた光学部品１５の形状データを座標変換して補正する際、ピンホール４２の代わりに交点６１の位置を基準原点とし、第一の線５７及び第二の線５８の位置と方向とを表面２０側及び裏面２１側それぞれ別に検出することによって、測定光学系６と光学部品１５とを結ぶ光軸Ｃに対する光学部品１５の測定面を変えた際のＸＹ平面上の回転量を算出して補正する。
この保持治具５５によれば、位置基準部５６が一つであっても第２の実施形態と同様に、ＸＹ平面における回転誤差を検出することができ、光学部品１５をより高精度で測定することができる。
【００４３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、チャートは、図１２（ａ）に示すような上記実施形態のチャート６０に限らず、図１２（ｂ）〜（ｆ）に示すように、第一の線５７のみの場合、同心円６２が追加された場合、点部６３が複数配されている場合、点部６３と第一の線５７の一部とが配されている場合でも構わない。
これらの場合であっても、第一の線５７の一端を原点としたり、何れかの点部６３を基準原点とすることによって、上述の要領で基準原点及びＸＹ平面の回転量を測定することができ、形状データの補正を高精度で行うことができる。
また、上記実施形態では、測定系が光学式である測定光学系としたが、プローブ等を用いる接触式の測定系でもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る保持治具を使用する三次元形状測定機を示すシステム構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る保持治具を示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る保持治具を示す平面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る保持治具のオプティカルパラレルを示す断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る保持治具の位置基準部を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る保持治具を三次元形状測定機に載置した状態を示す説明図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る保持治具による光学部品の特性値の測定状態を示す説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る保持治具による光学部品の特性値の測定方法を示すフロー図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る保持治具を反転した際の座標系の関係を示す説明図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る保持治具を示す平面図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る保持治具を示す平面図である。
【図１２】本発明の（ａ）第３の実施形態に係る保持治具の位置基準部、（ｂ）〜（ｆ）他の位置基準部を示す平面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１、５０、５５  保持治具（被測定物保持装置）
６  測定光学系
１５  光学部品（被測定物）
１７  オプティカルパラレル（角度基準部）
１８、５２、５３、５６  位置基準部
２０  表面（第一の面）
２１  裏面（第二の面）
３８  第一基準面
４０  第二基準面
４２  ピンホール
５７  第一の線（線部）
５８  第二の線（線部）
６３  点部
【図１】
2006170913.tif 000003
【図２】
2006170913.tif 000004
【図３】
2006170913.tif 000005
【図４】
2006170913.tif 000006
【図５】
2006170913.tif 000007
【図６】
2006170913.tif 000008
【図７】
2006170913.tif 000009
【図８】
2006170913.tif 000010
【図９】
2006170913.tif 000011
【図１０】
2006170913.tif 000012
【図１１】
2006170913.tif 000013
【図１２】
2006170913.tif 000014