(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非球面ワークの形状を測定する形状測定装置であって、
前記非球面ワークの面における所定方向に亘る３次元測定により３次元測定値を取得する測定値取得部と、
予め定められた非球面ワークの設計関数にて特定されるワークモデルを前記測定値取得部により取得された３次元測定値と照合させて、前記非球面ワークの傾きを含む配置状態を推定する配置状態推定部と、
推定された前記配置状態に基づき、前記ワークモデルが当該配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路を推定する測定経路推定部と、
推定された前記測定経路で前記ワークモデルを前記断面測定した場合に得られる前記非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定する対応値推定部と
を備えることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
前記非球面ワークを載置可能であり且つ傾斜可能に構成されたテーブルと、
前記対応値推定部により推定された対応値に基づき前記テーブルの傾斜を調整する傾斜制御部とを備え、
前記測定値取得部は、前記傾斜制御部により前記テーブルの傾斜が調整された場合に、前記配置状態の推定に用いられる３次元測定値を再度取得する
ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記対応値推定部によって前記ワークモデルを用いて推定された対応値と、前記非球面ワークの測定値とを照合し、当該非球面ワークの測定値が許容範囲内であるか否かを判定するワーク形状判定部を備える
ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の形状測定装置。
【請求項４】
非球面ワークの形状を測定する形状測定方法であって、
前記非球面ワークの面における所定方向に亘る３次元測定により３次元測定値を取得する測定値取得ステップと、
予め定められた非球面ワークの設計関数にて特定されるワークモデルを前記測定値取得部により取得された３次元測定値と照合させて、前記非球面ワークの傾きを含む配置状態を推定する配置状態推定ステップと、
推定された前記配置状態に基づき、前記ワークモデルが当該配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路を推定する測定経路推定ステップと、
推定された前記測定経路で前記ワークモデルを前記断面測定した場合に得られる前記非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定する対応値推定ステップと
を備えることを特徴とする形状測定方法。
【請求項５】
非球面ワークの形状を測定させる形状測定プログラムであって、
コンピュータに、
前記非球面ワークの面における所定方向に亘る３次元測定により３次元測定値を取得する測定値取得ステップと、
予め定められた非球面ワークの設計関数にて特定されるワークモデルを前記測定値取得部により取得された３次元測定値と照合させて、前記非球面ワークの傾きを含む配置状態を推定する配置状態推定ステップと、
推定された前記配置状態に基づき、前記ワークモデルが当該配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路を推定する測定経路推定ステップと、
推定された前記測定経路で前記ワークモデルを前記断面測定した場合に得られる前記非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定する対応値推定ステップと
を実行させるための形状測定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、輪郭形状の測定が可能な表面性状測定器等に適用され、非球面ワークの形状を測定する形状測定装置、形状測定方法、及び形状測定プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、非球面レンズのような非球面形状を測定する面形状測定装置として、光学的な測定プローブを、所定の角度をなす第１の回転手段と第２の回転手段によって回転させることにより、被測定面の全ての法線方向に測定プローブの光軸を一致させることを可能にして、複雑な非球面であっても面形状を高精度に測定することを可能にした面形状測定装置が知られている（特許文献１）。
【０００３】
また、被測定面上を接触子により走査して被測定面の表面性状を測定する表面性状測定装置では、円筒形状や円錐形状等の芯出しを行うため、測定テーブル上に傾斜調整装置を設けたものが知られている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２１１４２６号公報、段落０００７、図１
【特許文献２】特開２０００−２６６５３４公報、段落０００５、図１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献２などの従来技術にて、非球面ワークの設計値を照合する照合計算は、所定条件の下に測定された断面測定データ（測定値）に基づき行われる。測定値は、水平に置かれた非球面ワークの非球面頂点を通るＸＺ面もしくはＹＺ面内に測定経路が存在するように測定された値であり、その測定に際しては、非球面ワークの水平出しと頂点検出が必要となる。したがって、測定から照合計算までに多くの時間を要する。
【０００６】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、非球面ワークの測定から照合計算までに要する時間を短縮化した形状測定装置、形状測定方法、及び形状測定プログラム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】
本発明に係る形状測定装置は、非球面ワークの形状を測定する形状測定装置であって、前記非球面ワークの面における所定方向に亘る３次元測定により３次元測定値を取得する測定値取得部と、予め定められた非球面ワークの設計関数にて特定されるワークモデルを前記測定値取得部により取得された３次元測定値と照合させて、前記非球面ワークの傾きを含む配置状態を推定する配置状態推定部と、推定された前記配置状態に基づき、前記ワークモデルが当該配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路を推定する測定経路推定部と、推定された前記測定経路で前記ワークモデルを前記断面測定した場合に得られる前記非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定する対応値推定部とを備えることを特徴とする。
【０００８】
上記構成により、形状測定装置は、非球面ワークの配置状態に基づき測定経路を推定し、推定された測定経路から非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定することができる。したがって、照合計算の前段階における非球面ワークを水平に配置する手順を省略することができる。
【０００９】
また、前記非球面ワークを載置可能であり且つ傾斜可能に構成されたテーブルと、前記対応値推定部により推定された対応値に基づき前記テーブルの傾斜を調整する傾斜制御部とを備え、前記測定値取得部は、前記傾斜制御部により前記テーブルの傾斜が調整された場合に、前記配置状態の推定に用いられる３次元測定値を再度取得する構成としてもよい。このような構成により、非球面ワークの水平出しを行うことが可能となる。
【００１０】
また、前記対応値推定部によって前記ワークモデルを用いて推定された対応値と、前記非球面ワークの測定値とを照合し、当該非球面ワークの測定値が許容範囲内であるか否かを判定するワーク形状判定部を備える構成としてもよい。
【００１１】
本発明に係る形状測定方法は、非球面ワークの形状を測定する形状測定方法であって、前記非球面ワークの面における所定方向に亘る３次元測定により３次元測定値を取得する測定値取得ステップと、予め定められた非球面ワークの設計関数にて特定されるワークモデルを前記測定値取得部により取得された３次元測定値と照合させて、前記非球面ワークの傾きを含む配置状態を推定する配置状態推定ステップと、推定された前記配置状態に基づき、前記ワークモデルが当該配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路を推定する測定経路推定ステップと、推定された前記測定経路で前記ワークモデルを前記断面測定した場合に得られる前記非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定する対応値推定ステップとを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る形状測定プログラムは、非球面ワークの形状を測定させる形状測定プログラムであって、コンピュータに、前記非球面ワークの面における所定方向に亘る３次元測定により３次元測定値を取得する測定値取得ステップと、予め定められた非球面ワークの設計関数にて特定されるワークモデルを前記測定値取得部により取得された３次元測定値と照合させて、前記非球面ワークの傾きを含む配置状態を推定する配置状態推定ステップと、推定された前記配置状態に基づき、前記ワークモデルが当該配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路を推定する測定経路推定ステップと、推定された前記測定経路で前記ワークモデルを前記断面測定した場合に得られる前記非球面ワークの測定値に対応する対応値を推定する対応値推定ステップとを実行させるためのものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、非球面ワークの測定から照合計算までに要する時間を短縮化した形状測定装置、形状測定方法、及び形状測定プログラムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明に係る実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
［第１実施形態］
（形状測定装置の概略構成）
先ず、図１を参照して、第１実施形態に係る形状測定装置を説明する。図１は、第１実施形態に係る形状測定装置（表面性状測定機）の外観斜視図である。なお、形状測定装置は、輪郭形状測定機、表面粗さ測定機、真円度測定機あるいは３次元測定機や非接触画像測定機等、他の表面性状測定機などであってもよい。
【００１６】
この形状測定装置は、測定機本体（測定部）１と、駆動制御装置１ａを介して測定機本体１に接続された演算処理装置２とから構成される。測定機本体１は、基台３と、この基台３上に設けられてワーク４を載置するテーブル５と、このテーブル５に載置されたワーク４の表面の変位を検出する変位検出装置６と、これらを操作するための操作部７とを備えて構成されている。テーブル５は、基台３上を図中Ｘ軸方向（左右方向）、及び図中Ｙ軸方向（紙面と直交する方向）に移動可能に構成されている。また、テーブル５は、ワーク４の載置面を任意の姿勢に調整可能な傾斜調整機能付きの構成を有している。
【００１７】
変位検出装置６は次のように構成されている。即ち、基台３には上方に延びるコラム２１が立設されており、このコラム２１にスライダ２２が上下動可能に装着されている。スライダ２２にはアーム２３が装着されている。アーム２３は水平（Ｘ軸）方向に駆動可能に構成されており、その先端には測定子２４が設けられている。上記スライダ２２、アーム２３を移動させ、測定子２４をワーク４の表面をトレースすることによって、Ｘ軸方向の各位置における表面の高さＺが測定データとして得られるようになっている。また、テーブル５でワーク４をＹ軸方向に移動させることにより、Ｘ軸方向に延びるスキャンライン（測定経路）を切り替えることができる。
【００１８】
変位検出装置６で得られた３次元測定値Ｍｉｊ（ｉ＝１〜ｍ，ｊ＝１〜ｎ）は、演算処理装置２に取り込まれる。演算処理装置２は、演算処理を実行する演算処理装置本体３１、及び操作部３２、表示画面３３を有する。また、演算処理装置２は、操作部７と同様に測定機本体１の動作を制御可能に構成されている。
【００１９】
次に、図２を参照して、演算処理装置本体３１の構成について説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る演算処理装置本体３１の構成を示すブロック図である。
【００２０】
演算処理装置本体３１は、主に、制御部（ＣＰＵ：Central Processing Unit）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２、ＲＯＭ（Read Only Memory）４３、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）４４、表示制御部４５を有する。演算処理装置本体３１において、操作部３２から入力されるコード情報及び位置情報は、Ｉ／Ｆ４６ａを介して制御部４１に入力される。制御部４１は、ＲＯＭ４３に格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ４４からＩ／Ｆ４６ｂを介してＲＡＭ４２に格納された各種プログラムに従って、測定実行処理、表面性状演算処理を実行する。
【００２１】
制御部４１は、測定実行処理に従って、Ｉ／Ｆ４６ｃを介して測定機本体１を制御する。ＨＤＤ４４は、各種制御プログラムを格納する記録媒体である。ＲＡＭ４２は、各種プログラムを格納する他、各種処理のワーク領域を提供する。また、制御部４１は、表示制御部４５を介して表示画面３３に測定結果等を表示する。
【００２２】
制御部４１は、ＨＤＤ４４から各種プログラムを読み出し、そのプログラムを実行することにより、後述する図８に示す動作を実行する。
【００２３】
（ワーク４の配置に伴う測定経路）
次に、ワーク４の配置に伴う測定経路について説明する。ワーク４は、図３に示すように、非球面形状に構成され頂点Ｔを有する上部４ａと、円形平面状の底部４ｂとから構成されている。
【００２４】
Ｙ軸方向の所定位置において、Ｘ軸方向と平行に始点Ｐ１から終点Ｐ２までワーク４の表面を測定子２４によりトレースし、Ｘ軸方向の値に対するＺ軸方向の値を測定する。なお、始点Ｐ１及び終点Ｐ２は、底部４ｂの中心を通る直線上に位置する。
【００２５】
ワーク４が水平に載置された場合、底部４ｂは、Ｘ軸−Ｙ軸平面に平行となる。図４及び図５に示すように、その測定経路Ｌ１は、始点Ｐ１から終点Ｐ２まで、頂点Ｔを通過する経路となる。また、頂点Ｔから底部４ｂの中心方向にワーク４を見ると、測定経路Ｌ１は、直線状となる。
【００２６】
続いて、ワーク４が、水平に配置されていない場合を説明する。ワーク４が水平に配置されていない場合とは、例えば、その底部４ｂの中心から上部４ａの頂点Ｔへ延びる軸がＺ軸方向から所定角度θだけ傾いて載置された場合を示す。このような場合、図６及び図７に示すように、その測定経路Ｌ２は、始点Ｐ１から終点Ｐ２まで、頂点Ｔを通過しない経路となる。また、頂点Ｔから底部４ｂの中心方向にワーク４を見ると、測定経路Ｌ２は、湾曲した曲線状となる。
【００２７】
なお、３次元測定において、上記測定経路は、Ｙ軸方向の位置を変えて複数回にわたって設定される。
【００２８】
（第１実施形態に係る形状測定装置の制御部４１の動作）
次に、図８を参照して、制御部４１の動作を説明する。図８は、制御部４１の動作を示すフローチャートである。図８に示すフローチャートは、主に、上記のようにワーク４が水平に配置されていない場合（図６，図７）を想定したものである。
【００２９】
まず、制御部４１は、ワーク４の面における３次元測定により３次元測定値Ｍｉｊ（ｉ＝１〜ｍ，ｊ＝１〜ｎ）を取得する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１において、図９に示すように、制御部４１は、例えば、測定子２４のＹ方向の位置を複数回に亘って変えて（測定経路Ｌｉを変えて）、測定子２４をワーク４上でＸ方向に走査し、３次元測定値Ｍｉｊを取得する。
【００３０】
続いて、制御部４１は、ワークモデルＦを３次元測定値Ｍｉｊと照合させて、ワーク４の傾きを含む配置状態を推定する（ステップＳ１２）。ここで、ワークモデルＦは、予め決められたパラメータが設定されたワーク４の設計関数にて特定されるものである。換言すると、ワークモデルＦは、設計段階の設計値にて特定されるものである。ここで、例えば、制御部４１は、ステップＳ１１以前に、ワークモデルＦの入力を受け付けるものとする。
【００３１】
例えば、設計関数は、以下の（式１）に示す関数である。なお、（式１）に示す設計関数は、回転対称非球面に対応する関数である。設計関数は、この他、ワーク４の設計値にて特定される関数であれば、どのような関数であってもよい。
【００３２】
【数１】
0005218957.tif 000002
【００３３】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に示すように、ステップＳ１２において、例えば、制御部４１は、ワークモデルＦに配置状態（傾きを含む状態）を定めるパラメータを設けた配置状態ワークモデルＧを生成する。そして、制御部４１は、配置状態ワークモデルＧのパラメータを変化させ、配置状態ワークモデルＧと３次元測定値Ｍｉｊとを用いて最小自乗法による照合計算を行い、ワーク４の配置状態を推定する。
【００３４】
次に、制御部４１は、図１１に示すように、推定されたワーク４の配置状態に基づき、対応測定経路Ｌａｉを推定する（ステップＳ１３）。ここで、対応測定経路Ｌａｉは、ワークモデルＦがその配置状態とされている場合における断面測定の際の測定経路である。
【００３５】
続いて、制御部４１は、図１２に示すように、各対応測定経路Ｌａｉに基づき、対応値Ｄｘｉ（ｉ＝１〜ｎ）を推定する（ステップＳ１４）。ここで、対応値Ｄｘｉは、対応測定経路ＬａｉでワークモデルＦを断面測定した場合に得られる非球面ワークの測定値に対応する値である。例えば、対応値Ｄｘｉは、ワーク４の測定値からなる２次元測定ラインに対応する対応２次元ライン上の値である。例えば、図６及び図７に示す始点Ｐ１から終点Ｐ２までの測定において、対応値Ｄｘｉは、ワーク４の配置状態（傾き）を考慮していない設計値ＶｉよりもＺ軸方向の最大値が大きい放物線上に推定される。なお、換言すると、設計値Ｖｉは、ワーク４が水平に置かれた状態における、対応測定経路Ｌａｉにて推定される対応値Ｄｘｉである。
【００３６】
次に、制御部４１は、任意の対応測定経路Ｌａｉにおける対応値Ｄｘｉと測定経路Ｌｉにおける３次元測定値Ｍｉｊとを照合し（ステップＳ１５）、その後、動作を終了する。このステップＳ１５における照合計算は、３次元測定値Ｍｉｊと対応値Ｄｘｉとの間の差分値Ｄｆｏｉ（ｉ＝１〜ｎ）を用いて判断する。例えば、図１４に示すように、差分値Ｄｆｏｉは、Ｘ軸（Ｚ＝０）を中心にＸ軸−Ｚ軸平面上に分布したものとなる。一方、３次元測定値Ｍｉｊと設計値Ｖｉとの間の差分値Ｄｆｉ（ｉ＝１〜ｎ）は、Ｘ軸−Ｚ軸平面上にＺ軸方向に最大値を有する放物線上に分布する。
【００３７】
また、ステップＳ１５において、制御部４１は、照合結果に応じて、ワーク４の測定値が許容範囲内であるか否かを判定する。換言すると、制御部４１は、ステップＳ１５にてワーク４の品質良否判定を行う。例えば、制御部４１は、照合率が９０％未満であれば、ワーク４は不良品であると判定し、照合率が９０％以上であれば、ワーク４は良品であると判定する。
【００３８】
（第１実施形態に係る形状測定装置の効果）
次に、第１実施形態に係る形状測定装置の効果を説明する。上記のように、第１実施形態に係る形状測定装置は、ワーク４の配置状態に基づき対応測定経路Ｌａｉを推定し、対応測定経路Ｌａｉからワーク４の対応値Ｄｘｉを推定することができる。したがって、照合計算の前段階において、ワーク４を水平に配置する手順を省略することができる。つまり、第１実施形態に係る形状測定装置によれば、ワーク４の測定から照合計算までに要する時間を短縮化することができる。
【００３９】
また、上記第１実施形態においては、テーブル５は、傾斜可能な機能を有するものとしたが、上記第１実施形態に係る形状測定装置は、ワーク４を水平に配置する手順を省略可能としたものである。したがって、第１実施形態のテーブル５は、傾斜機能を有していなくともよい。つまり、第１実施形態に係る形状測定装置は、形状測定装置の構成を簡素化し、製造コストを抑制することができる。
【００４０】
［第２実施形態］
（第２実施形態に係る形状測定装置の制御部４１の動作）
次に、図１５を参照して、本発明の第２実施形態に係る形状測定装置の制御部４１の動作を説明する。図１５は、第２実施形態における制御部４１の動作を示すフローチャートである。第２実施形態に係る形状測定装置の構成は、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。その他、第２実施形態に係る形状測定装置において、第１実施形態と同様の工程については、その説明を省略し、同一符号を付す。
【００４１】
図１５に示すように、先ず、制御部４１は、第１実施形態と同様のステップＳ１１〜ステップＳ１４の工程を実行する。ステップＳ１４に続いて、制御部４１は、対応値Ｄｘｉと設計値Ｖｉとの間の差の２乗和である判定値Ｄｈを算出する（ステップＳ２５）。
【００４２】
続いて、制御部４１は、判定値Ｄｈが所定値内（許容範囲内）であるか否かを判断する（ステップＳ２６）。ここで、図１６の矢印Ａに示すように、対応値Ｄｘｉは、ワーク４の傾きが小さくなる（略水平になる）につれて、設計値Ｖｉに近づく。したがって、判定値Ｄｈは、ワーク４の傾きが小さくなる（略水平になる）につれて、小さくなる。つまり、ステップＳ２６において、制御部４１は、判定値Ｄｈが所定の範囲内であるか否かを判断することにより、ワーク４が略水平であるか否かを判断する。
【００４３】
ステップＳ２６において、制御部４１は、判定値Ｄｈが所定値内でない（ワーク４が略水平に載置されていない）と判断すると（ステップＳ２６、Ｎ）、判定値Ｄｈに基づきテーブル５の傾斜角度を調整し（ステップＳ２７）、再びステップＳ１１の処理から実行する。
【００４４】
一方、ステップＳ２６において、制御部４１は、判定値Ｄｈが所定値内にある（ワーク４が略水平に載置されている）と判断すると（ステップＳ２６、Ｙ）、第１実施形態のステップＳ１５の工程を実行した後、その動作を終了する。
【００４５】
（第２実施形態に係る形状測定装置の効果）
次に、第２実施形態に係る形状測定装置の効果を説明する。上記のような動作により、第２実施形態に係る形状測定装置は、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００４６】
また、第２実施形態に係る形状測定装置は、ワーク４が略水平になるまで、テーブル５の傾斜角度を調整した後、照合計算（ステップＳ１５）を行うので、第１実施形態よりも照合計算にかかる処理負荷を低減することができる。
【００４７】
以上、発明の一実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。
【００４８】
例えば、上記第１及び第２実施形態のステップＳ１５における照合計算は、ステップＳ１１において取得した３次元測定値Ｍｉｊに基づき行う。しかしながら、ステップＳ１５における照合計算は、新たに任意のＹ座標にてＸ方向に沿って測定（断面測定）し、その測定値に基づき行ってもよい。この場合、ステップＳ１１における３次元測定は、ステップＳ１２におけるワーク４の姿勢測定のみのための測定となるため、上述した２次元断面測定よりも粗いピッチで測定するようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る形状測定装置の概略構成を示す外観斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る演算処理装置本体３１の構成を示すブロック図である。
【図３】ワーク４の形状を示す斜視図である。
【図４】ワーク４が水平に置かれた場合における測定経路Ｌ１を示すＸ軸方向正面図である。
【図５】ワーク４が水平に置かれた場合における測定経路Ｌ１を示すＺ軸方向正面図である。
【図６】ワーク４がＺ軸から傾いて置かれた場合における測定経路Ｌ２を示すＸ軸方向正面図である。
【図７】ワーク４がＺ軸から傾いて置かれた場合における測定経路Ｌ２を示すＺ軸方向正面図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る演算処理装置本体３１の動作を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第１実施形態に係る３次元測定値を取得する動作を説明する図である。
【図１０】本発明の第１実施形態に係る配置状態を推定する動作を説明する図である。
【図１１】本発明の第１実施形態に係る対応測定経路Ｌａｉを推定する動作を説明する図である。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る対応値Ｄｘｉを推定する動作を説明する図である。
【図１３】Ｘ−Ｚ座標における対応値Ｄｘｉを示す図である。
【図１４】Ｘ−Ｚ座標における差分値Ｄｆｉ、及び差分値Ｄｆｏｉを示す図である。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る演算処理装置本体３１の動作を示すフローチャートである。
【図１６】Ｘ−Ｚ座標における対応値Ｄｘｉの変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１…測定機本体、２…演算処理装置、３…基台、４…ワーク、５…テーブル、６…変位検出装置、７…操作部、２１…コラム、２２…スライダ、２３…アーム、２４…測定子、３１…演算処理装置本体、３２…操作部、３３…表示画面。
【図１】
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【図２】
0005218957.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005218957.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
0005218957.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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