(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物の表面をプローブでなぞって前記被測定物の表面形状を測定するに先立って、予め入力されている前記被測定物の設計半径と前記プローブによる形状測定によって求まる形状データとを比較して、前記プローブを前記被測定物の中心位置に追い込むように制御ルーチンを実行する際に、
中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値以上の場合、
前記プローブの中心位置ずれ量が前記設計半径の大きさに応じて決まる第一の規定値以下になるまで前記制御ルーチンを繰り返し実行し、
中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値より小さい場合、
設計半径と測定機の測定精度と中心出し測定に使用できる範囲とゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる定数とから第二の規定値を決定し、
前記第一の規定値が前記第二の規定値より大きい場合には、
前記プローブの中心位置ずれ量が第一の規定値以下になるまで前記制御ルーチンを繰り返し実行し、
前記第一の規定値が前記第二の規定値以下の場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第二の規定値以下になるまで前記制御ルーチンを繰り返し実行し、
前記被測定物の中心位置に追い込まれた前記プローブの位置を測定原点として前記プローブで前記被測定物をなぞって表面形状を測定する
形状測定方法。
【請求項２】
被測定物の表面をプローブでなぞって前記被測定物の表面形状を測定する形状測定装置であって、
前記プローブを前記被測定物の中心位置に追い込む制御ルーチンを、中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値以上の場合、前記プローブの中心位置ずれ量が前記設計半径の大きさに応じて決まる第一の規定値以下になるまで前記プローブの位置修正を繰り返し実行するよう構成し、中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値より小さい場合、設計半径と測定機の測定精度と中心出し測定に使用できる範囲とゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる定数とから第二の規定値を決定して、前記第一の規定値が前記第二の規定値より大きい場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第一の規定値以下になるまで前記プローブの位置修正を繰り返し実行するよう構成し、前記第一の規定値が前記第二の規定値以下の場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第二の規定値以下になるまで前記プローブの位置修正を繰り返し実行するよう構成し、
前記被測定物の中心位置に追い込まれた前記プローブの位置を測定原点として前記プローブで前記被測定物をなぞって表面形状を測定するように構成した
形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の表面をプローブでなぞって前記被測定物の表面形状を測定する形状測定方法および形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非球面レンズ等の三次元形状を５０ｎｍ以下の超高精度でかつ非破壊で測定する超高精度三次元測定機として、特開平４−２９９２０６号公報には、図３に示す形状測定装置が開示されている。
【０００３】
形状測定装置は、固定側としての石定盤１にセットされたレンズ等の被測定物２の測定面２ａを、移動体３に取り付けられたプローブ５でなぞって被測定物２の表面形状を測定するよう構成されている。
【０００４】
詳細には、被測定物２が載置される石定盤１には、支持部を介してＸ参照ミラー６，Ｙ参照ミラー７，Ｚ参照ミラー８が配置されている。
プローブ５が設けられた移動体３には、Ｘステージ９及びＹステージ１０が設けられており、被測定物２の測定面２ａの表面形状に追従してＸ軸方向，Ｙ軸方向に走査可能となっている。
【０００５】
移動体３にはレーザー測長光学系４が設けられており、既知の光干渉法によりＸ参照ミラー６を基準としたプローブ５のＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準としたプローブ５のＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準としたプローブ５のＺ座標がそれぞれ測長される。
【０００６】
上記のように構成された形状測定装置で被測定物２の形状測定を行う際には、あらかじめ被測定物２の測定面２ａ上にプローブ５を形状に沿ってＺ方向に追従させて測定面２ａの中心が求められる。
【０００７】
具体的には、最初に図４（ａ）に示すようにプローブ５を５０ｍｇ以下の測定圧で測定面２ａに追従させ、Ｘ，Ｙ，Ｚ座標値をリセットし、Ｘ軸走査１１ａおよびＹ軸走査１１ｂを行い、測定面２ａの中心を特開平２−２５４３０７号公報に記載の方法で求め、求めた中心座標にプローブ５を移動させる。
【０００８】
このようにして中心出しが行われた後、図４（ｂ）に示すように、プローブ５を測定面２ａの表面形状に追従させながら面走査１１ｃが実行され、三次元形状測定が行われる。
【０００９】
上記の形状測定方法において、中心出しの手順は、詳細には図５に示すフローチャートに従って行われる。
ステップＳ１では、現在のプローブ５の位置座標をリセットし、この位置座標を座標原点とする。
【００１０】
ステップＳ２では、図４（ａ）に示すように、プローブ５を被測定物２の測定面２ａ上を現在位置より±ＸｄだけＸ軸方向に移動して、中心出し測定を行う。
ステップＳ３では、図６に示すように、ステップＳ２のＸ軸方向の測定により得られた被測定物２の形状データＮ１と、予め入力された被測定物の設計データＮ２から、特開平２−２５４３０７に記載された方法で中心位置ずれ量ｍ１を求める。
【００１１】
ステップＳ４では、求めた中心位置ずれ量ｍ１に基づいて中心位置Ｍにプローブ５を移動する。プローブ５の移動は、中心位置Ｍに対してステッピングモータの最小ステップ幅により規定されるプローブ追い込み精度α以下になるまで行う。このとき、例えば、ステッピングモータの最小ステップ幅を０．５μｍとすると、プローブ追い込み精度αは０．５μｍより大きな値に設定する必要がある。
【００１２】
ステップＳ５では、ステップＳ３で求めた中心位置ずれ量ｍ１が中心出し収束条件δ以下であるか判断する。この収束条件δは、プローブ追い込み精度αより大きな値に設定する必要がある。
【００１３】
中心位置ずれ量ｍ１が収束条件δ以下である場合には、被測定物２の中心位置Ｍにプローブ５が充分近づいたと判定して中心出し作業を終了する。
中心位置ずれ量ｍ１が中心出し収束条件δよりも大きい場合には、上記のステップＳ１の工程に戻り、中心位置ずれ量ｍ１が収束条件δ以下になるまで上記のルーチンを繰り返す。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなプローブ５の被測定物２の中心位置への追い込み方法では、設計半径Ｒが大きな被測定物２の中心位置ずれ量ｍ１を求める場合には、正確な中心位置ずれ量ｍ１が得られないという問題がある。
【００１５】
中心位置ずれ量ｍ１は、Ｘ軸方向の測定により得た被測定物２のＸ軸方向の形状データＮ１と、予め入力された被測定物の設計データＮ２における被測定物２の設計半径Ｒとから求められる。
【００１６】
具体的には、ステップＳ２において測定した原点近傍の２点Ｐ１，Ｐ２のＸ，Ｚ座標をＰ１（Ｘ１，Ｚ１）、Ｐ２（Ｘ２，Ｚ２）とすると、中心位置ずれ量ｍ１は下記▲１▼式で表される。
【００１７】
ｍ１＝Ｒ×｛（Ｚ１−Ｚ２）／（Ｘ１−Ｘ２）｝    ▲１▼
ここで、考察を簡単にするために測定データの取込速度が充分速いとし、取り込んだＸ軸方向の測定データについて、Ｘ座標が最大の測定データをＰ１（Ｘ１、Ｚ１），Ｘ座標が最小の測定データをＰ２（Ｘ２、Ｚ２）とし、被測定物２の形状が原点Ｏに対して対称であるとする。また、Ｘ座標がＸ１の位置における設計データ上の点Ｐ３の座標をＰ３（Ｘ１，Ｚ３）とすると、近似的に下記▲２▼〜▲４▼式が成り立つ。
【００１８】
Ｘ１＝−Ｘ２                                    ▲２▼
Ｚ１＝Ｚ＋ΔＺ                                  ▲３▼
Ｚ２＝Ｚ−ΔＺ                                  ▲４▼
なお、ΔＺは点Ｐ１と点Ｐ３のＺ座標の差（Ｚ１−Ｚ３）である。
【００１９】
▲４▼式を▲１▼式に代入して、Ｘ１をＸｍａｘと置きかえると、▲１▼式は下記▲５▼式にて表される。
ｍ１＝Ｒ×（ΔＺ／Ｘｍａｘ）                      ▲５▼
ここで、ΔＺは測定機自身の精度により正確性に限界があり、Ｘｍａｘも測定機の測定範囲は有限であるため、もし被測定物２の設計半径Ｒが大きければ、中心位置ずれ量ｍ１は大きくなる。
【００２０】
例えば、形状測定装置の測定精度を０．０５μｍ、ΔＺを０．０５μｍ、中心出し測定の測定範囲を±１０ｍｍ（Ｘｍａｘ＝１０）、被測定物２の設計半径Ｒを２０００ｍｍとすると、中心位置ずれ量ｍ１は下記のように求まる。
【００２１】
ｍ１＝２０００×（０．００００５／１０）
≒０．０１（ｍｍ）
ところで、中心出しの収束条件δは、被測定物２の設計半径Ｒにかかわらず、通常、一定の値に設定されている。
【００２２】
中心出しの収束条件δが設計半径Ｒの小さい被測定物２に合わせて小さく設定されていると、上記のように設計半径Ｒが大きい場合には中心位置ずれ量ｍ１が大きくなって、ステップＳ５の中心出し終了までに時間がかかったり、あるいは中心出しが終了しないことがある。
【００２３】
例えば、収束条件δが中心位置ずれ量ｍ１より小さい値０．００１ｍｍ（１μｍ）に設定されていると、中心出し測定を繰り返してもステップＳ５において位置ずれ量ｍ１は収束条件δ以下とならないため、中心出し作業が終了しない。
【００２４】
逆に、中心出しの収束条件δを設計半径Ｒの大きい被測定物２に合わせて大きく設定する、例えば１ｍｍに設定すると、ステップＳ５の中心出し測定は終了するものの、設計半径Ｒが小さい被測定物２を測定するときには中心位置ずれ量ｍ１が顕著になる。このため、被測定物２の中心位置Ｍを測定できず、例えば回転対称のレンズでは被測定物２の中心付近のデータが欠落することとなる。
【００２５】
本発明は前記問題点を解決し、形状半径の異なる被測定物の形状測定を精度良く行え、特に形状半径の大きな被測定物の中心出しにかかる時間を短縮でき、作業効率を向上できる形状測定方法を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の形状測定方法は、プローブの中心位置への追い込みを設計半径に応じて決まる既定値に応じて行うことを特徴とする。
【００２７】
この本発明によると、より広範囲の測定条件に精度良く対応でき、しかも中心出しにかかる時間を短縮して作業効率の向上が図れる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の形状測定方法は、被測定物の表面をプローブでなぞって前記被測定物の表面形状を測定するに先立って、予め入力されている前記被測定物の設計半径と前記プローブによる形状測定によって求まる形状データとを比較して、前記プローブを前記被測定物の中心位置に追い込むように制御ルーチンを実行する際に、中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値以上の場合、前記プローブの中心位置ずれ量が前記設計半径の大きさに応じて決まる第一の規定値以下になるまで前記制御ルーチンを繰り返し実行し、中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値より小さい場合、設計半径と測定機の測定精度と中心出し測定に使用できる範囲とゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる定数とから第二の規定値を決定し、前記第一の規定値が前記第二の規定値より大きい場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第一の規定値以下になるまで前記制御ルーチンを繰り返し実行し、前記第一の規定値が前記第二の規定値以下の場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第二の規定値以下になるまで前記制御ルーチンを繰り返し実行し、前記被測定物の中心位置に追い込まれた前記プローブの位置を測定原点として前記プローブで前記被測定物をなぞって表面形状を測定することを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項２記載の形状測定装置は、被測定物の表面をプローブでなぞって前記被測定物の表面形状を測定する形状測定装置であって、前記プローブを前記被測定物の中心位置に追い込む制御ルーチンを、中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値以上の場合、前記プローブの中心位置ずれ量が前記設計半径の大きさに応じて決まる第一の規定値以下になるまで前記プローブの位置修正を繰り返し実行するよう構成し、中心出し測定の測定範囲が、設計半径と測定機の測定精度とプローブ追い込み精度とにより規定される値より小さい場合、設計半径と測定機の測定精度と中心出し測定に使用できる範囲とゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる定数とから第二の規定値を決定して、前記第一の規定値が前記第二の規定値より大きい場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第一の規定値以下になるまで前記プローブの位置修正を繰り返し実行するよう構成し、前記第一の規定値が前記第二の規定値以下の場合には、前記プローブの中心位置ずれ量が第二の規定値以下になるまで前記プローブの位置修正を繰り返し実行するよう構成し、前記被測定物の中心位置に追い込まれた前記プローブの位置を測定原点として前記プローブで前記被測定物をなぞって表面形状を測定するように構成したことを特徴とする。
【００３２】
以下、本発明の形状測定方法を、具体的な実施の形態に基づいて説明する。
なお、従来例を示す図３〜図６と同様の構成については、同一の符号を付けて説明する。
【００３３】
図１と図２は、本発明の実施の形態を示す。
この実施の形態では、形状半径の大きい被測定物２であっても精度のよい中心出しが行えるように、プローブ５の被測定物２の中心位置への追い込み時の制御ルーチンを規定値を設けて制御した点で上記従来例とは異なる。
【００３４】
具体的には、上記従来例と同様に構成された形状測定装置において、プローブ５の被測定物２の中心位置Ｍに追い込む制御ルーチンを、プローブ５の中心位置ずれ量ｍ１が予め入力されている被測定物２の設計半径Ｒの大きさに応じて決まる規定値に以下になるまでプローブ５の位置修正を繰り返し実行するように構成している。
【００３５】
また、設計半径Ｒの大きさに応じて決まる規定値を、設計半径Ｒごとに、プローブ５を駆動するＸＹステージの制御可能な移動最小ステップにより規定される第１のパラメータと、測定機の測定精度とプローブ追い込み精度αにより規定される第２のパラメータと、中心出し測定に使用できる範囲と測定精度やゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる第３のパラメータとの少なくとも何れかに応じて規定するよう構成している。
【００３６】
上記のように構成された形状測定装置において、プローブ５の中心出しは図１に示すフローチャートに基づいて行われる。
以下、具体例に基づき図１のフローチャートを説明する。
【００３７】
ここでは、図３と同様に構成された形状測定装置において、その測定精度を０．０５μｍとし、測定範囲をＸ，Ｙ，Ｚ範囲において１００ｍｍ×１００ｍｍ×３５ｍｍとした。
【００３８】
従来例を示す図５と同様にステップＳ１〜ステップＳ４を実行する。
ここで、ステップＳ２における範囲±Ｘｍａｘについて考察する。
図２（ａ）に示すように、設計半径Ｒが比較的小さい場合には、通常の測定範囲Ｗにおいて上記従来例と同様に構成されているため、図５に記載の手順に従ってプローブ５の中心位置への追い込みを行える。
【００３９】
しかし、図２（ｂ）に示すように、設計半径Ｒが大きい場合には、被測定物２は形状的には平面に近い為、▲５▼式より設計半径Ｒが小さい場合と比べて算出された中心位置ずれ量ｍ１が大きくなる。このため、従来例にて既述したように、ステップＳ５において位置ずれ量ｍ１は収束条件δ以下となりにくい。
【００４０】
このように被測定物２の設計半径Ｒが大きい場合には、上述のように中心出しが収束しないため収束条件δを大きくする必要がある。
そこで、この実施の形態に特有のステップＳ４ａでは、まず、中心出し測定の測定範囲Ｘｍａｘが下記▲６▼式を満たすかどうかを判定する。
【００４１】
Ｘｍａｘ≧ｋ・Ｒ                                    ▲６▼
上記の▲６▼式は、下記の手順にて求められる。
第１のパラメータとしてのステッピングモータの最小ステップ幅を０．５μｍとすると、プローブ追い込み精度αは０．５μｍより大きな値（精度の良い値）に設定する必要があるため、ここではプローブ追い込み精度αを±０．３μｍに設定する。
【００４２】
中心位置ずれ量ｍ１はプローブ追い込み精度α以下とする必要があり、また▲５▼式より下記▲７▼，▲８▼式が成り立つ。
ｍ１≦α（＝０．０００３ｍｍ）                      ▲７▼
Ｒ×（ΔＺ／Ｘｍａｘ）≦α（＝０．０００３ｍｍ）    ▲８▼
形状データＮ１と設計データＮ２との差ΔＺは測定機の測定精度が限界値のため、ΔＺを０．０５μｍとすると上記の▲６▼式が求まる。
【００４３】
Ｘｍａｘ≧（ΔＺ／α）×Ｒ
＝ｋ・Ｒ（＝｛（１／６）×Ｒ｝）            ▲６▼
第２のパラメータであるｋは、測定機の測定精度ΔＺとプローブ追い込み精度αにより決まる係数である。
【００４４】
ステップＳ４ａにおいて、測定範囲Ｘｍａｘが▲６▼式を満たす場合には、収束条件δに対して充分な中心出し測定範囲Ｘｍａｘが確保されているため、ステップＳ５ａで、従来通りステップＳ３にて算出した中心位置ずれ量ｍ１が収束条件δ以下に収束するまで、ステップＳ１からステップＳ４の一連のルーチンを繰り返し行い、中心位置ずれ量ｍ１が収束条件δ以下に収束すれば中心出し処理を終了する。
【００４５】
ステップＳ４ａで測定範囲Ｘｍａｘが▲６▼式を満たさない場合には、被測定物の設計半径Ｒが大きい場合に中心出しが収束しない為、新しい収束条件δ１を考える。
【００４６】
表１は、中心出し測定範囲Ｘｍａｘと、形状データＮ１と設計データＮ２との差ΔＺと、中心ずれとの関係を示す。
【００４７】
【表１】
0004493168.tif 000002
中心出し測定に使用できる範囲は、当然ながら測定機の測定範囲により規定され、例えば中心出し測定範囲がＸＹ範囲で１００（ｍｍ）×１００（ｍｍ）である場合、この範囲を超えて測定することはできない。
【００４８】
ここで、中心出し測定範囲のＸｍａｘが±３０ｍｍであるとすると、測定精度が０．０５μｍであることから、表１より中心ずれは１／６０００００となる。
従って、収束条件δ１が（１／６０００００）×Ｒ以下となるように規定すればよい。
【００４９】
しかし実際には、被測定物２の表面に付着するゴミ、ホコリ等の外的条件による第３のパラメータが影響するため、ΔＺの条件を緩やかに設定する必要がある。
【００５０】
そこでΔＺを１μｍに設定すると、表１より収束条件δ１は下記▲９▼式にて表される。
収束条件δ１≧（１／３００００）×Ｒ                  ▲９▼
なお、ステップＳ４ｂでは、１／３００００をｋａで表している。
【００５１】
上述したように、ｋａは中心出し測定に使用できる範囲Ｘｍａｘと測定精度やゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる定数である。但し、被測定物の設計半径Ｒが小さい場合を考慮した場合を考える。
【００５２】
例えば、設計半径Ｒを２０ｍｍすると収束条件δは約０．７μｍとなり、従来の収束条件δ（＝１μｍ）よりもさらに小さくなる。
そのため、ステップＳ４ｂでは、従来の収束条件δと新しい収束条件δ１とを比較して、収束条件δ１が収束条件δよりも小さい場合には、従来の収束条件の判定処理であるステップＳ５ａに戻って上記従来と同様の処理を行う。
【００５３】
新しい収束条件δ１が従来の収束条件δよりも大きければ、ステップＳ５ｂで、中心位置ずれ量ｍ１が新しい収束条件δ１（＝ｋａ・Ｒ）以下に収束するまで、ステップＳ１からステップＳ４の一連のルーチンを繰り返し行い、中心位置のずれ量ｍ１が収束条件δ１以下に収束すれば中心出し処理を終了する。
【００５４】
このような中心出し処理によると、プローブ５の中心位置への追い込みを被測定物２の設計半径Ｒに応じて決まる既定値に応じて行うため、より広範囲の測定条件に精度良く対応でき、しかも中心出しにかかる時間を短縮できるため、作業効率の向上が図れる。
【００５５】
なお、上記説明では、中心出し収束条件δを１μｍ、第１のパラメータであるステッピングモータの最小ステップ幅を０．５μｍ、第２のパラメータである測定機の測定精度とプローブ追い込み精度αにより決まる係数をｋ＝１／６、第３のパラメータである中心出し測定に使用できる範囲Ｘｍａｘと測定精度やゴミ、ホコリ等の影響などの外的条件により決まる係数をｋａ＝１／３００００と設定したが、これらは測定機の使用条件や環境により決まる定数であるためこの値以外でもよい。
【００５６】
また、被測定物２が非球面レンズ等の場合に、設計半径Ｒと形状半径が中心出し測定範囲Ｘｍａｘ内で大きく異なる場合、中心出し測定時に使用する設計半径Ｒより形状に近い半径を設定することで、中心出し測定の精度を高めることができる。すなわち、中心出しに用いる被測定物２の設計半径Ｒは実際の形状の近似半径でもよい。
【００５７】
また、上記説明では、形状測定装置として図３に示す超高精度三次元測定装置を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、被測定物２の中心を求める為の中心出し測定範囲Ｗは、測定者が任意の範囲に設定できる。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように本発明の形状測定方法によると、プローブの中心位置ずれ量が設計半径の大きさに応じて決まる規定値以下になるまで制御ルーチンを繰り返し実行して、被測定物の中心位置に追い込まれたプローブの位置を測定原点として前記プローブで前記被測定物をなぞって表面形状を測定することで、測定機の測定精度、ＸＹステージの最小ステップ幅、中心出し測定範囲、被測定物の形状半径などにより細かく中心出し精度を規定でき、より広範囲の測定条件に対応でき、特に、被測定物の形状半径が大きなものであっても、精度良くしかも短時間で中心出しが行える。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の（実施の形態）における中心出し測定のアルゴリズムを示すフローチャート図
【図２】同実施の形態における被測定物の形状半径と中心位置ずれ量の関係を説明する模式図
【図３】従来の形状測定装置の構成を示す斜視図
【図４】図３の形状測定装置によるプローブのＸ軸走査およびＹ軸走査を説明する模式図とプローブの面走査を説明する模式図
【図５】従来の中心出し測定のアルゴリズムを示すフローチャート図
【図６】従来の中心位置測定における形状データと設計データを用いた模式図
【符号の説明】
２    被測定物
２ａ    測定面
５    プローブ
【図１】
0004493168.tif 000003
【図２】
0004493168.tif 000004
【図３】
0004493168.tif 000005
【図４】
0004493168.tif 000006
【図５】
0004493168.tif 000007
【図６】
0004493168.tif 000008