(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面を有する被測定物の表面のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を測定可能な測定プローブを備えた測定器と、該測定器を制御すると共に該測定器からの信号を演算処理するコンピュータとから成る三次元測定装置において、前記コンピュータは、被測定物の曲率半径と外径を記憶し、被測定物の表面の最大Ｚ座標値と該最大Ｚ座標値に対応するＸ、Ｙ座標値とを被測定物の頂点位置の座標値として記憶し、該頂点位置の座標値を基準として前記測定器の測定ピッチと前記曲率半径と前記外径とから測定開始位置を演算し、該測定開始位置と前記測定プローブを位置合わせし、前記測定開始位置から直線上に測定し、前記測定ピッチと前記曲率半径と前記外径とから測定位置のＺ座標値を演算し、測定位置間のＺ座標値の差がＺ座標方向における前記測定器の有する合焦範囲内にない場合に、前記測定プローブを前記合焦範囲内に駆動し、測定位置が被測定物のＸ、Ｙ座標方向の測定範囲内にあるか否かを判断し、測定位置が測定範囲内にない場合に、測定範囲内となる次の測定位置を演算し、該次の測定位置と前記測定プローブを位置合わせして測定することを特徴とする三次元測定装置。
【請求項２】
前記測定プローブはレーザー光源を用いた光プローブであることを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
【請求項３】
前記コンピュータは、前記頂点位置の座標値を基準として前記曲率半径と前記外径とから被測定物の端部位置の座標値を演算し、該端部位置の座標値を基準として前記測定開始位置を演算することを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
【請求項４】
前記コンピュータは、前記頂点位置の座標値を基準として前記測定ピッチと前記曲率半径と前記外径とから前記合焦範囲を演算することを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
【請求項５】
前記コンピュータは、前記頂点位置の座標値を基準として前記外径から前記測定範囲を演算することを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
【請求項６】
前記コンピュータは、前記測定位置が前記測定範囲内にない場合に、前記頂点位置の座標値を基準として前記測定ピッチと前記曲率半径と前記外径とから前記次の測定位置を演算することを特徴とする請求項１に記載の三次元測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粗面を有する被測定物の連続した曲面の三次元形状を測定する三次元測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、球面レンズの製造工程において使用される三次元測定装置は、その加工工程において凹凸を有するレンズブランクの表面形状を三次元的に測定し、その研削工程において球面レンズの表面形状を三次元的に測定する。この種の装置の測定方式としては、光プローブを利用した反射アクティブ方式、光の入射位置や反射位置等を利用した三角測定法方式などの非接触方式が知られている。
【０００３】
反射アクティブ方式の装置は、半導体レーザー光源からレーザー光を被測定物に照射し、その反射光が焦点に結像するようにレーザー光源を駆動し、分割した受光素子で結像を検出して座標を測定する。三角測定法方式の装置は、レーザー光の射出部とこの射出部に対して或る角度で対向する受光部とから成り、受光部の受光素子に入射したレーザー光の入射位置、入射角度、及び射出部の距離から座標を測定する。
【０００４】
ところが、これらの装置では焦点距離又はフォーカス誤差信号が変動して、安定しないという現象が発生することがある。これに対し、特開平７−３３２９４２号公報は、前記現象が半導体レーザー光源の活性領域の温度変化によるモードホップ現象に基づくとしている。そして、半導体レーザー光源に温度調整器を付設し、半導体レーザー光源を必要な波長で一定の温度に維持してモードホップ現象を回避している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上述の公報では、レンズブランクや球面レンズの表面形状を広い間隔で測定する場合に、その間隔が光プローブの持つ必要焦点距離以上になることがある。このため、合焦が不安定になったり、測定精度が極端に低下したり、合焦時間が長くなったり、合焦や測定が不可能になったりすることがある。また、球面形状を測定する場合には、球面を包括する矩形形状として測定するので、被測定物以外の不要な部分まで測定することとなり、不要なデータが取り込まれ、測定時間が長くなることがある。
【０００６】
本発明の目的は、上述の課題に鑑みて、被測定物を広い間隔で測定する場合でも、高精度かつ短時間に測定し得る三次元測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る三次元測定装置は、球面を有する被測定物の表面のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を測定可能な測定プローブを備えた測定器と、該測定器を制御すると共に該測定器からの信号を演算処理するコンピュータとから成る三次元測定装置において、前記コンピュータは、被測定物の曲率半径と外径を記憶し、被測定物の表面の最大Ｚ座標値と該最大Ｚ座標値に対応するＸ、Ｙ座標値とを被測定物の頂点位置の座標値として記憶し、該頂点位置の座標値を基準として前記測定器の測定ピッチと前記曲率半径と前記外径とから測定開始位置を演算し、該測定開始位置と前記測定プローブを位置合わせし、前記測定開始位置から直線上に測定し、前記測定ピッチと前記曲率半径と前記外径とから測定位置のＺ座標値を演算し、測定位置間のＺ座標値の差がＺ座標方向における前記測定器の有する合焦範囲内にない場合に、前記測定プローブを前記合焦範囲内に駆動し、測定位置が被測定物のＸ、Ｙ座標方向の測定範囲内にあるか否かを判断し、測定位置が測定範囲内にない場合に、測定範囲内となる次の測定位置を演算し、該次の測定位置と前記測定プローブを位置合わせして測定することを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明を図示の実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明に係る三次元測定装置の実施の形態の構成図であり、ベース１上にＸステージ２が矢印Ｘ方向に移動可能に設置され、Ｘステージ２上にはＹステージ３が矢印Ｙ方向に移動可能に設置されている。これらのＸ、Ｙステージ２、３は、手動ダイアル４、５又は図示しない個々の駆動モータによってそれぞれ駆動されるようになっている。Ｙステージ３上には、被測定物としての例えば球面レンズＷが適切な方法で固定されている。そして、球面レンズＷの上方には、球面レンズＷのＸ、Ｙ、Ｚ座標値をレーザー光で測定可能な光プローブ部６を備えた測定器７が、ベース１に立設された支柱８に上下動自在に支持されている。
【０００９】
Ｘ、Ｙステージ２、３と測定器７は、コンピュータ９によって制御されるようになっている。コンピュータ９はコンピュータ本体１０、キーボード１１、ディスプレイ１２等から構成されている。Ｘ、Ｙステージ２、３の各駆動モータとコンピュータ本体１０は信号線１３を介して接続され、Ｘ、Ｙステージ２、３はコンピュータ９からの制御信号によって任意に制御されるようになっている。測定器７とコンピュータ本体１０は信号線１４を介して接続され、測定器７はコンピュータ９からの制御信号によって任意に制御されると共に、測定器７からのデータ信号がコンピュータ９によって演算処理されるようになっている。
【００１０】
この三次元測定装置では、コンピュータ９からの制御信号が測定器７に入力すると、測定器７は光プローブ部６から出射するレーザー光のフォーカシングを行って球面レンズＷの表面のＺ座標値を検出し、このデータをコンピュータ９に出力する。コンピュータ９はキーボード１１から入力した指令に従って、コンピュータ本体１０に内蔵のハードディスクドライブ等からプログラムを読み出し、そのプログラムに従って制御と演算を行い、その結果をディスプレイ１２に表示する。
【００１１】
図２は測定手順のフローチャート図、図３は測定位置の説明図、図４は図３の頂点位置ｔを通るＹ座標断面図、図５は図３の測定ラインｎ１を通るＹ座標断面図である。なお、球面レンズＷはＹステージ３上に測定開始までに固定すればよい。
【００１２】
図２におけるステップＳ１では、球面レンズＷの曲率半径Ｒと外径ｄをコンピュータ９にキーボード１１から入力する。これらの曲率半径Ｒと外径ｄは設計値又は実測値を用いることができる。
【００１３】
ステップＳ２では、球面レンズＷのＺ座標値の最大値を探索すること、つまり頂点位置出しを行う。この際に、光プローブ部６からのレーザー光が球面レンズＷの頂点位置ｔの近傍を照射するように、Ｘ、Ｙステージ２、３を手動ダイヤル４、５によりそれぞれ駆動するか、或いはＹステージ２、３を各駆動モータで駆動するための指令をコンピュータ９にキーボード１１から入力する。コンピュータ９に指令を入力すると、コンピュータ９はＸ、Ｙステージ２、３の各駆動モータに制御信号を送出し、駆動モータは制御信号を受けてＸ、Ｙステージ２、３をそれぞれ駆動する。そして、ディスプレイ１２上のＺ座標値を監視しながら、Ｘ、Ｙステージ２、３を手動ダイヤル４、５又は駆動モータによって微駆動し、球面レンズＷの頂点位置ｔを見い出す。そして、コンピュータ９は頂点位置ｔのＸ、Ｙ、Ｚ座標値を基準値として記憶する。
【００１４】
ステップＳ３において、コンピュータ９は頂点位置出しが終了したか否かを判断する。頂点位置出しが終了していないと判断した場合にはステップＳ２に戻り、頂点位置出しが終了したと判断したときにはステップＳ４に進む。
【００１５】
ステップＳ４では、コンピュータ９にキーボード１１から測定開始の指令を入力し、球面レンズＷの端部位置ｓ’の座標値を演算する。この際に、コンピュータ９はＹ軸マイナス方向での端部位置ｓ’の座標値を、球面レンズＷの曲率半径Ｒと外径ｄから座標値（０，−ｄ／２）とする。そして、コンピュータ９はＸ、Ｙステージ２、３の各駆動モータを制御し、端部位置ｓ’を光プローブ部６に位置合わせする。また、コンピュータ９は頂点位置ｔのＺ座標値と端部位置ｓ'のＺ座標値との差異をＲ−{Ｒ２−（ｄ／２）２}１／２から演算する。
【００１６】
ステップＳ５では、図４に示すように端部位置ｓ’が光プローブ部６の合焦範囲Ｉ内にあるか否かを判断する。光プローブ部６の合焦範囲Ｉは、光プローブ部６と球面レンズＷとの焦点距離Ｌを基準として設ける。ここで、端部位置ｓ’における光プローブ部６’のＺ座標方向の位置が頂点位置ｔにおける光プローブ部６のＺ座標方向の位置と同じである場合には、光プローブ部６’と球面レンズＷとの距離Ｌ’を基準とする合焦範囲Ｉが、焦点距離Ｌを基準とする合焦範囲Ｉ内にあるか否かを判断する。そして、距離Ｌ’を基準とする合焦範囲Ｉが焦点距離Ｌを基準とする合焦範囲Ｉ内にないと判断した場合にはステップＳ６に進み、距離Ｌ’を基準とする合焦範囲Ｉが焦点距離Ｌを基準とする合焦範囲Ｉ内にあると判断したときにはステップＳ７に進む。
【００１７】
ステップＳ６では、頂点位置ｔに対向している光プローブ部６に端部位置ｓ’を位置合わせするように、Ｘ、Ｙステージ２、３を駆動して球面レンズＷを移動する。そして、頂点位置ｔにおける光プローブ部６の合焦範囲Ｉの中心ＣのＺ座標値が、上述のＲ−{Ｒ２−（ｄ／２）２}１／２を差し引くことにより得た合焦範囲Ｉの中心Ｃ’のＺ座標値に至るように、光プローブ部６’をＺ座標方向の光プローブ部６”に駆動する。これにより、光プローブ部６”は焦点距離Ｌを確保して合焦範囲Ｉ内に位置する。
【００１８】
ステップＳ７では、頂点位置ｔに対向している光プローブ部６に端部位置ｓ’を位置合わせするように、Ｘ、Ｙステージ２、３を駆動して球面レンズＷを移動し、光プローブ部６はＺ座標方向に駆動しない。
【００１９】
ステップＳ８では、測定開始位置ｓを光プローブ部６に位置合わせするために、端部位置ｓ’において測定開始位置を演算する。測定開始位置ｓが存在する測定ラインｎ１は、測定器７に依存する測定ピッチに基づいて、端部位置ｓ’が存在する測定ラインの次の測定ラインとなり、測定開始位置ｓのＸ座標値は図５から求めることができる。即ち、測定器７の測定ピッチがｐである場合に、球面レンズＷの半径（ｄ／２）の円方程式にラインｎ１のＹ座標値｛−（ｄ／２）＋ｐ｝を代入し、測定開始位置ｓの座標値{(ｄ×ｐ−ｐ２）１／２，−（ｄ／２）＋ｐ｝を得る。
【００２０】
ステップＳ９では、端部位置ｓ’と測定開始位置ｓが同一円周上に位置してそれらの位置での合焦位置は変化しないので、光プローブ部６はＺ座標方向に駆動する必要はない。従って、Ｘ、Ｙステージ２、３を駆動して球面レンズＷのみを移動し、測定開始位置ｓを光プローブ部６に位置合わせする。
【００２１】
ステップＳ１０では、光プローブ部６を駆動して合焦位置を見い出し、測定開始位置ｓのＺ座標値を測定する。ステップＳ１１では、測定したデータが有効であるか否かを判断する。データが有効であるときにはステップＳ１２に進み、データが有効でない場合にはステップＳ１３に進む。
【００２２】
ステップＳ１２では、測定した有効なデータをＸ、Ｙ座標値と共に測定値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）として固定する。或いは、測定した無効なデータを測定上あり得ない値とし、Ｘ、Ｙ座標値と共に測定値（Ｘ１，Ｙ１，ｚ）として固定する。
【００２３】
ステップＳ１３では、測定値（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と測定値（Ｘ１，Ｙ１，ｚ）をコンピュータ９のメモリに格納する。
【００２４】
ステップＳ１４では、次の測定位置を演算する。ステップＳ１５では、演算した次の測定位置が測定範囲内にあるか否かを判断する。この際に、次の測定位置のＸ座標値が球面レンズＷの外径ｄ内にあるか否かを判断の基準とする。そして、次の測定位置が測定範囲内にないと判断した場合には、ステップＳ１６に進んだ後にステップＳ１７又はステップＳ１８に進む。また、次の測定位置が測定範囲内にあると判断したときにはステップＳ１９に進む。
【００２５】
ステップＳ１６では、次の測定位置が測定終了位置であるか否かを判断する。次の測定位置が測定終了位置であると判断ときはステップＳ１７に進み測定を終了する。次の測定位置が測定終了位置でないと判断した場合にはステップＳ１８に進む。
【００２６】
ステップＳ１８では、次の測定位置が球面レンズＷの測定範囲外となるので、隣の測定ラインの端部位置を演算する。即ち、図３において測定ラインｎ１での最終位置ｍ１を測定した後に次の測定位置を演算すると、その測定位置は測定範囲外となる。従って、図５と同様に隣の測定ラインｎ２となるＹ座標値を演算すると共に、隣の測定ラインｎ２での端部位置となるＸ座標値を演算し、これらのＸ座標値とＹ座標値から隣の測定ラインｎ２の端部位置ｍ２を得る。
【００２７】
ステップＳ１９では、隣の端部位置ｍ２が合焦範囲内にあるか否かを判断する。この際に、ステップＳ５の場合と同様に球面レンズＷの移動前後の合焦範囲Ｉを演算し、移動後の合焦範囲Ｉが移動前の合焦範囲Ｉ内にあると判断したときにはステップＳ２０に進み、そうでないと判断した場合にはステップＳ２１に進む。
【００２８】
ステップＳ２０では、Ｘ、Ｙステージ２、３を駆動して球面レンズＷを移動し、端部位置を光プローブ部６に位置合わせし、光プローブ部６はＺ座標方向に駆動しない。そして、ステップＳ１０に戻り、最終位置ｅまで測定して球面レンズＷの表面全体を測定する。
【００２９】
ステップＳ２１では、Ｘ、Ｙステージ２、３を駆動して球面レンズＷを移動し、端部位置を光プローブ部６に位置合わせする。また、光プローブ部６をＺ座標方向に駆動して合焦範囲内に位置付ける。そして、ステップＳ１０に戻り、最終位置ｅまで測定して球面レンズＷの表面全体を測定する。
【００３０】
なお、上述の実施の形態では、レーザー光を用いた非接触式の光プローブ部６としたが、球面レンズＷの測定範囲内のＸ、Ｙ、Ｚ座標を測定し得るのであれば、レーザー光以外の光を用いた非接触式の光プローブを用いることや、接触式のプローブを用いることもできる。また、Ｘ、Ｙステージ２、３を駆動することによって球面レンズＷと光プローブ部６の相対位置を変化させたが、Ｘ、Ｙステージ２、３を固定して光プローブ部６を駆動するように構成し得ることは云うまでもない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る三次元測定装置は、被測定物の曲率半径と外径を記憶し、被測定物の最大Ｚ座標値から頂点位置の座標値を記憶し、この座標値を基準として測定器の測定ピッチと曲率半径と外径とから測定開始位置を演算し、この測定開始位置と測定プローブを位置合わせし、測定位置間のＺ座標値の差が合焦範囲内にない場合に、測定プローブを合焦範囲内に駆動し、測定位置が測定範囲内にない場合には、次の測定位置を演算してそれと測定プローブを位置合わせするので、不要な部分を測定することがなくなり、合焦時間や測定時間を短縮することができる上に、安定して効率良く測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の構成図である。
【図２】測定手順のフローチャート図である。
【図３】測定位置の説明図である。
【図４】図３の頂点位置ｔを通るＹ座標断面図である。
【図５】図３の測定ラインｎ１を通るＹ座標断面図である。
【符号の説明】
２  Ｘステージ
３  Ｙステージ
４、５  手動ダイヤル
６、６’、６”  光プローブ部
７  測定器
９  コンピュータ
１０  コンピュータ本体
１１  キーボード
１２  ディスプレイ
Ｉ  合焦範囲
Ｌ、Ｌ’  距離
Ｒ  曲率半径
Ｗ  球面レンズ
ｄ  外径
ｐ  ピッチ
ｓ  測定開始位置
ｓ’  端部位置
ｔ  頂点位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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