(57)【要約】【課題】短時間で精密に３次元形状を測定する面形状測定装置およびその方法を提供すること。【解決手段】本発明の面形状測定装置１は，対象点の第１軸方向位置を測定するとともに，測定箇所を第１軸方向と交差する面内で走査して測定対象物の形状を測定するものであって，測定対象領域内における重点測定領域を記憶する記憶部と，対象点の第１軸方向位置の測定を，重点測定領域内では第１水準の測定点密度で行い，重点測定領域外では第１水準より低い第２水準の測定点密度で行うように，測定箇所の走査を制御する制御部とを有する。【選択図】図４
2007271493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象点の第１軸方向位置を測定するとともに，測定箇所を第１軸方向と交差する面内で走査して測定対象物の形状を測定する面形状測定装置において，
測定対象領域内における重点測定領域を記憶する重点測定領域記憶部と，
対象点の第１軸方向位置の測定を，重点測定領域内では第１水準の測定点密度で行い，重点測定領域外では第１水準より低い第２水準の測定点密度で行うように，測定箇所の走査を制御する走査制御部とを有することを特徴とする面形状測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の面形状測定装置において，
前記走査制御部は，
測定箇所を主走査方向の走査線内で順次移動させる主走査を，主走査方向と交差する副走査方向に走査線を移動させて繰り返すものであるとともに，さらに，
重点測定領域内では副走査方向の１回の移動量を小さくし，重点測定領域外では副走査方向の１回の移動量を大きくするものであり，
前記重点測定領域記憶部は，
副走査方向中に重点測定領域が占める範囲を記憶するものであることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の面形状測定装置において，
測定対象物を支持する対象物支持部と，
前記対象物支持部に支持されている測定対象物に接触するように付勢されており，測定対象物の反対側の面が鏡面であるプローブと，
前記プローブを第１軸方向に移動可能に支持するプローブ支持部と，
前記対象物支持部と前記プローブ支持部とを相互に，第１軸方向と交差する面内で移動させる移動部と，
前記プローブの鏡面に対向してこれと平行に配置された参照ミラーと，
光の発射および受光を行う光ヘッドと，
前記光ヘッドから発射された光を分割して前記プローブの鏡面および前記参照ミラーへ向けて反射するとともに，前記プローブの鏡面で反射された光および前記参照ミラーで反射された光を前記光ヘッドへ向けて反射するビームスプリッタとを有し，
前記走査制御部は，前記移動部により測定箇所を走査しつつ，前記光ヘッドによる対象点の第１軸方向位置の測定を反復するものであることを特徴とする面形状測定装置。
【請求項４】
対象点の第１軸方向位置を測定するとともに，測定箇所を第１軸方向と交差する面内で走査して測定対象物の形状を測定する面形状測定方法において，
測定対象領域内における重点測定領域を設定し，
対象点の第１軸方向位置の測定を，重点測定領域内では第１水準の測定点密度で行い，重点測定領域外では第１水準より低い第２水準の測定点密度で行うように，測定箇所を走査することを特徴とする面形状測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の面形状測定方法において，
測定箇所を主走査方向の走査線内で順次移動させる主走査を，主走査方向と交差する副走査方向に走査線を移動させて繰り返すとともに，
重点測定領域内では副走査方向の１回の移動量を小さくし，重点測定領域外では副走査方向の１回の移動量を大きくし，
重点測定領域の設定を，副走査方向中に重点測定領域が占める範囲を設定することにより行うことを特徴とする面形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，光学部品等の面形状を測定する面形状測定装置およびその方法に関する。さらに詳細には，プローブを走査して面形状を測定する面形状測定装置およびその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プローブの先端を接触あるいは非接触に対象物の表面に沿って走査させ，各点の位置を測定する形状測定装置がある。このような装置で対象物の形状を精密に測定するには，できるだけ細かく測定点をとればよい。そして，各測定点を結ぶ走査経路に沿ってプローブを走査する。従って，測定点の数が多くなれば，一般にはそれだけ走査距離が長くなる。しかし，プローブの先端部は精密な装置であり，対象物の形状に正確に追随させるためには，走査速度はある程度以下に抑える必要がある。そのため，精密な測定のためには測定時間が長くかかるものであった。
【０００３】
これに対して，効率よく精度の高い測定をするための様々な測定方法が開示されている（例えば，特許文献１，特許文献２参照。）。特許文献１に記載の測定方法では，長手方向とそれに交差する方向とにそれぞれ走査することにより，細長い形状のレンズの表面形状を測定する。これにより，測定途中での環境変動による精度悪化や測定効率の低下を防止できるとされている。また，特許文献２に記載の測定方法では，プローブを一方向に走査させるとともに，被測定物を回転させて３次元形状の測定を行う。この文献では，回転軸からのプローブの距離に応じて，被測定物の回転速度を変化させることにより，精度良く短時間で３次元形状の測定ができるとされている。
【特許文献１】特開２００２−４８５３１号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５５４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら，前記した従来の測定方法では，いずれも，測定点がほぼ等間隔となるように配置されている。そのため，特に精密に測定したい箇所があるようなワークでは，その箇所での測定点の密度に合わせて，全体の測定点を配置することになる。測定点の間隔を小さくするには，例えば特許文献１の方法では各方向の走査線の間隔を小さくすることになる。また，特許文献２の方法では，被測定物を回転させる回数を多くすることになる。いずれの方法でも，それだけ測定時間が長くかかるという問題点があった。また，被測定物によっては，測定時間が長くなると温度等の影響を受けて変形するおそれがあり，精密な測定ができないという問題点があった。
【０００５】
本発明は，前記した従来の測定方法が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは，短時間で精密に３次元形状を測定する面形状測定装置およびその方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題の解決を目的としてなされた本発明の面形状測定装置は，対象点の第１軸方向位置を測定するとともに，測定箇所を第１軸方向と交差する面内で走査して測定対象物の形状を測定する面形状測定装置であって，測定対象領域内における重点測定領域を記憶する重点測定領域記憶部と，対象点の第１軸方向位置の測定を，重点測定領域内では第１水準の測定点密度で行い，重点測定領域外では第１水準より低い第２水準の測定点密度で行うように，測定箇所の走査を制御する走査制御部とを有するものである。
【０００７】
本発明の面形状測定装置によれば，重点測定領域内では高密度に測定点が設定され，それ以外では低密度に設定される。従って，全範囲を高密度に測定する場合に比較して，短時間での測定が可能である。その一方で，精密な測定が必要な範囲については，詳しく測定されるので，精密な３次元形状が得られる。これにより，短時間で精密に３次元形状を測定する面形状測定装置となっている。
【０００８】
さらに本発明では，走査制御部は，測定箇所を主走査方向の走査線内で順次移動させる主走査を，主走査方向と交差する副走査方向に走査線を移動させて繰り返すものであるとともに，さらに，重点測定領域内では副走査方向の１回の移動量を小さくし，重点測定領域外では副走査方向の１回の移動量を大きくするものであり，重点測定領域記憶部は，副走査方向中に重点測定領域が占める範囲を記憶するものであることが望ましい。このようなものであれば，例えば，主走査方向へは測定可能な最速速度で移動させてもよい。また，副走査方向の１回の移動量によって，主走査方向の走査回数を変えることができるので，全体としての走査距離は全体を精密に測定する場合に比較してかなり短くできる。
【０００９】
さらに本発明では，測定対象物を支持する対象物支持部と，対象物支持部に支持されている測定対象物に接触するように付勢されており，測定対象物の反対側の面が鏡面であるプローブと，プローブを第１軸方向に移動可能に支持するプローブ支持部と，対象物支持部とプローブ支持部とを相互に，第１軸方向と交差する面内で移動させる移動部と，プローブの鏡面に対向してこれと平行に配置された参照ミラーと，光の発射および受光を行う光ヘッドと，光ヘッドから発射された光を分割してプローブの鏡面および参照ミラーへ向けて反射するとともに，プローブの鏡面で反射された光および参照ミラーで反射された光を光ヘッドへ向けて反射するビームスプリッタとを有し，走査制御部は，移動部により測定箇所を走査しつつ，光ヘッドによる対象点の第１軸方向位置の測定を反復するものであることが望ましい。
【００１０】
このようなものであれば，測定対象物は対象物支持部に支持されて移動部によって移動される。また，プローブは，プローブ支持部に支持されて移動部によって移動される。光ヘッドから発射された光はビームスプリッタで分割され，プローブの鏡面と参照ミラーとによって反射される。これらの反射光がビームスプリッタで光ヘッドへ反射される。従って，光ヘッドが受光した反射光の波形からプローブの第１軸方向の配置が精密に測定できる。
【００１１】
また，本発明は，対象点の第１軸方向位置を測定するとともに，測定箇所を第１軸方向と交差する面内で走査して測定対象物の形状を測定する面形状測定方法であって，測定対象領域内における重点測定領域を設定し，対象点の第１軸方向位置の測定を，重点測定領域内では第１水準の測定点密度で行い，重点測定領域外では第１水準より低い第２水準の測定点密度で行うように，測定箇所を走査する面形状測定方法にも及ぶ。
【００１２】
さらに本発明では，測定箇所を主走査方向の走査線内で順次移動させる主走査を，主走査方向と交差する副走査方向に走査線を移動させて繰り返すとともに，重点測定領域内では副走査方向の１回の移動量を小さくし，重点測定領域外では副走査方向の１回の移動量を大きくし，重点測定領域の設定を，副走査方向中に重点測定領域が占める範囲を設定することにより行うことが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の面形状測定装置およびその方法によれば，短時間で精密に３次元形状を測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下，本発明を具体化した最良の形態について，添付図面を参照しつつ詳細に説明する。本形態は，光学ミラー等の表面形状を測定するための面形状測定方法である。
【００１５】
本形態の面形状測定方法では，図１と図２に示すような，レーザ光を使用して物体の形状を測定する面形状測定装置１を使用する。面形状測定装置１は，定盤１１上にＸ軸方向スライドテーブル１２，Ｙ軸方向スライドテーブル１３，Ｚ軸方向スライドテーブル１４を有している。Ｚ軸方向スライドテーブル１４は，Ｚ軸コラム１５によってＺ軸方向に支持され，コイル１６とマグネット１７とによってＺ軸方向に駆動される。Ｚ軸コラム１５は，Ｚ軸方向へは移動しないが，Ｘ−Ｙ面内をＸ軸方向スライドテーブル１２とＹ軸方向スライドテーブル１３によって移動される。また，バランス重り１８およびエアーバランサ１９は，Ｚ軸方向スライドテーブル１４の傾きを防止するためのものである。ここで，図２は，図１を図中左方から見た主要部である。
【００１６】
また，Ｚ軸方向スライドテーブル１４には，プローブ２１が取り付けられている。プローブ２１は，図中下方に向けて付勢されている。そして，プローブ２１の先端部は，ワークＷの上面に接触しつつ，ワークＷの表面に沿ってＺ軸方向に移動可能に保持されている。また，プローブ２１の図中上面は鏡面になっている。なお，プローブ２１のワークＷへの付勢は重力のみによるものとしても良い。
【００１７】
Ｚ軸コラム１５には，レーザ光の出力部と受光部とを兼ねたレーザヘッド２２が取り付けられている。また，プローブ２１の図１中上方にはビームスプリッタ２３が，そのさらに上方には参照ミラー２４がそれぞれ設けられている。ビームスプリッタ２３は，常にプローブ２１の真上に来るように，プローブ２１とともにＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する。しかし，Ｚ軸方向には，レーザヘッド２２と同じ高さに保持され，移動しないように配置されている。参照ミラー２４は，ある程度の面積を持って定盤１１上の所定の高さに固定して設けられている。すなわち，ビームスプリッタ２３と参照ミラー２４との間の距離は固定である。
【００１８】
レーザヘッド２２から出力されるレーザ光は，図１中に破線で示すように往復される。すなわち，レーザヘッド２２から出力され，ビームスプリッタ２３に照射されたレーザ光は，ビームスプリッタ２３によって反射され，図中上方と下方とへ分割される。下方へ向かったレーザ光はプローブ２１の上面に当たって反射される。上方へ向かったレーザ光は参照ミラー２４によって反射される。これらがいずれもビームスプリッタ２３に戻り，ビームスプリッタ２３で合成され，レーザヘッド２２に戻される。ここで，ビームスプリッタ２３とプローブ２１の上面との距離によって，プローブ２１による反射光は参照ミラー２４による反射光との間に位相のズレが生じる。そのため，レーザヘッド２２で受光された合成波の波形から，プローブ２１のＺ軸方向位置を精密に測定できる。
【００１９】
さらに本形態の面形状測定装置１は，図３に示すように，制御部２５と記憶部２６を有している。記憶部２６は，ワーク毎にその重点的に測定すべき領域である重点測定領域を記憶している。制御部２５は，記憶部２６の記憶内容を読み出し，Ｘ軸方向スライドテーブル１２，Ｙ軸方向スライドテーブル１３，Ｚ軸方向スライドテーブル１４の各スライドテーブルを制御する。さらに，レーザヘッド２２の制御を行って，各測定点でのプローブ２１のＺ軸方向位置を得る。
【００２０】
次に，本形態の面形状測定方法について説明する。本形態の面形状測定装置１では，プローブ２１をワークＷの表面に軽く接触されるように支持した状態で，Ｘ軸方向スライドテーブル１２とＹ軸方向スライドテーブル１３とを移動させる。これにより，プローブ２１がワークＷの表面を走査する。これと同時に，所定の測定点位置で，レーザヘッド２２からレーザ光を照射し，その反射光をレーザヘッド２２で受けることにより，その時のプローブ２１の高さ位置を取得できる。
【００２１】
本形態の測定方法では，ワークＷの測定領域が重点測定領域とそうでない領域とに区分され，記憶部２６に記憶されている。例えば，図４に示すように，ワークＷ中に特に精密に測定したい範囲Ｗｘがあるとする。このようなワークＷでは範囲Ｗｘ内には高密度に測定点を配置することが好ましいが，それ以外の範囲は低密度でかまわない。そこで，例えば図中に破線で示したように走査経路を設定し，その走査経路上に，丸で示すように測定点を設定する。
【００２２】
この測定経路は，ワークＷの例えば左上端から主走査方向（図では左右方向）に右上端まで直線的に走査し，右上端で主走査方向に直交する副走査方向（図では上下方向）に所定量走査する。次に，先の主走査方向の走査と平行かつ逆向きに左端まで走査する。このように，主走査と副走査とを繰り返してワークＷの全範囲を走査する。そして，主走査方向の走査経路上に所定間隔で測定点を配置する。
【００２３】
例えば，主走査方向をＸ軸方向とした場合は次のようになる。まず，ワークＷのコーナー部から，Ｘ軸方向スライドテーブル１２のみを等速度で動かしつつ，所定の時間間隔で各測定点の高さを測定する。そして，ワークＷの端部まで到達したら，Ｘ軸方向スライドテーブル１２を停止して，Ｙ軸方向スライドテーブル１３を所定の方向に所定量動かす。次に，Ｙ軸方向スライドテーブル１３を停止して，先と逆向きにＸ軸方向スライドテーブル１２のみを等速度で動かしつつ，所定の時間間隔で高さを測定する。これにより，ワークＷの各表面位置での高さが得られ，表面形状が測定される。
【００２４】
ここで，本形態では，図４に示すように，副走査方向の１回当たりの移動量を，重点測定領域内では小さく，領域外では大きく設定する。このようにすれば，図中左右方向である主走査方向には等間隔に測定点が設定される一方，図中上下方向である副走査方向には，範囲Ｗｘに相当する箇所では細かく，それ以外では粗く測定点が設定されることになる。従って，走査距離をあまり長くすることなく，重要箇所については精密に測定されるので，短時間で精密に３次元形状を測定することができる。なお，重点測定領域が副走査方向に占める範囲が小さくなるように，ワーク毎に主副の走査方向を決定することが望ましい。また，記憶部２６で記憶されている重点測定領域は，副走査方向の領域範囲のみでも良い。
【００２５】
次に，本形態での測定に適したワークＷの例について説明する。本形態の測定方法は，ワークの表面形状が，曲率の大きい部分と曲率の小さい部分とに大きく分けることのできるものに適している。例えば，図５（正面図）と図６（側面図）に，本形態での測定に適したワークであるミラー３１の形状を示す。このミラー３１では，図５中上部は曲率が小さく，比較的平面に近い形状である。これに対して，図５中下部には曲率が大きく，起伏の激しい形状である部分がある。よって，図５中上部はその精密な測定がそれほど必要でないのに対し，図５中下部の形状は重要であり，精密な測定が必要とされている。
【００２６】
このミラー３１を本形態の面形状測定装置１で測定する場合には，図７と図８に示すように，粗い測定範囲３１ａと細かい測定範囲３１ｂとに区分する。この細かい測定範囲３１ｂが重点測定領域である。そこで，このミラー３１の測定では，図中左右方向を主走査方向，図中上下方向を副走査方向に設定する。すなわち，重点測定領域が副走査方向の所定の範囲内に集まるように，主副の走査方向を決定する。そして，粗い測定範囲３１ａでは，副走査方向の移動量を大きくし，細かい測定範囲３１ｂでは，副走査方向の移動量を小さくする。これにより，ミラー３１の表面形状のうち，重点測定領域である範囲（細かい測定範囲３１ｂ）の形状は精密に測定され，それ以外の範囲（粗い測定範囲３１ａ）では，おおよその形状が得られる。なおここでは，ミラー３１のうち，ミラー面のみを測定対象とした。
【００２７】
このミラー３１の測定では，プローブ２１の走査経路は，図９に示すように設定される。ミラー３１のうち粗い測定範囲３１ａでは，Ｙ軸方向スライドテーブル１３を動かす際の１回の移動量を大きく，細かい測定範囲３１ｂでは，その移動量を小さくする。Ｘ軸方向スライドテーブル１２の走査範囲は測定範囲の幅全体をカバーするように設定されている。このようにすることにより，測定点の配置密度は，粗い測定範囲３１ａでは小さく，細かい測定範囲３１ｂでは大きくなる。さらにこのようにすれば，測定時にはＸ軸方向スライドテーブル１２が等速度で動いているのみなので，移動速度は安定しており，高い測定精度での測定が可能である。
【００２８】
以上詳細に説明したように本形態の測定方法によれば，ワークＷの全測定範囲を重点測定範囲とそれ以外とに区分する。そして，重点測定範囲では，それ以外範囲に比較して測定点の配置密度を大きくする。そのために，重点測定範囲では副走査方向の１回の移動量を小さくしている。すなわち，測定しつつ走査する方向である主走査方向の速度は常に一定に保持して，副走査方向のみの移動量を変えているので，走査距離をあまり大きくすることなく精密な測定が可能となっている。これにより，短時間で精密に３次元形状を測定する面形状測定方法となっている。
【００２９】
なお，本形態は単なる例示にすぎず，本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に，その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良，変形が可能である。例えば，測定の主走査方向はＸ軸方向でもＹ軸方向でも良い。また，中央部に細かい測定範囲がある場合には，その両側に粗い測定範囲を設定しても良い。また，粗い測定範囲では，Ｘ軸方向の測定間隔も粗くしても良い。このようにすれば，データ量を小さくすることができる。また上記の形態では，測定精度を２種類に区分しているが，３種類以上に区分しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本形態に係る面形状測定装置を示す概略側面図である。
【図２】面形状測定装置を示す概略正面図である。
【図３】面形状測定装置の制御構成を示すブロック図である。
【図４】走査経路の設定方法を示す説明図である。
【図５】ミラーの形状を示す正面図である。
【図６】ミラーの形状を示す側面図である。
【図７】ミラーの測定区分を示す正面図である。
【図８】ミラーの測定区分を示す側面図である。
【図９】測定装置による走査経路の例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  面形状測定装置
１２  Ｘ軸方向スライドテーブル
１３  Ｙ軸方向スライドテーブル
１４  Ｚ軸方向スライドテーブル
２１  プローブ
２２  レーザヘッド
２３  ビームスプリッタ
２４  参照ミラー
２５  制御部
２６  記憶部
【図１】
2007271493.tif 000003
【図２】
2007271493.tif 000004
【図３】
2007271493.tif 000005
【図４】
2007271493.tif 000006
【図５】
2007271493.tif 000007
【図６】
2007271493.tif 000008
【図７】
2007271493.tif 000009
【図８】
2007271493.tif 000010
【図９】
2007271493.tif 000011