JP3474355B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、形状測定装置、よ
り詳細には、物体表面の形状を非接触・高精度で測定で
きる自動調光機能を備えた形状測定装置、特に、非球面
形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学式変位計を形状測定プロ
ーブとして用いた形状測定装置が数多く提案されてい
る。その原理は、光学式変位計を被測定物の表面に倣い
動作させ、そのときの動作軌跡を測定することによっ
て、被測定面の形状を非接触で間接的に測定するという
ものである。

【０００３】形状測定用プローブとして用いる光学式変
位計は、集光レンズを用いて光を被測定面上に一点集光
し、反射光を利用して変位を測定するものである。変位
検出法としては、特公開５−２１４０５号公報に記載の
形状測定装置を一例とする非点収差法や、ナイフエッジ
法などがよく知られている。

【０００４】図３は、本発明が適用される形状測定装置
の一例を説明するための要部概念図で、図３（Ａ）は、
移動台を側方からみた全体図、図３（Ｂ）は、図３
（Ａ）のＢ−Ｂ線方向かみた平面図で、この形状測定装
置は、形状測定プローブとして用いる光学式変位計１
と、光学式変位計１をＸ軸方向に移動させるＸ移動台２
ａおよびＹ軸方向に移動させるＹ移動台２ｂと、Ｘ移動
台２ａ、Ｙ移動台２ｂを駆動するアクチュエータ３ａ、
３ｂと、アクチュエータ３ａ、３ｂを制御するコントロ
ーラドライバ４ａ、４ｂと、Ｘ移動台２ａ、Ｙ移動台２
ｂの移動量を測定するリニアエンコーダ等の測長手段５
ａ、５ｂと、Ｘ移動台２ａ、Ｙ移動台２ｂの制御や測定
データの解析を行なう制御・演算手段６とにより構成さ
れ、被測定物７は所定の位置にセットされている。光学
式変位計１は、Ｘ移動台２ａによりＸ軸方向に、Ｙ移動
台２ｂによりＹ軸方向に移動しながら測定動作を行う。

【０００５】図４は、図３（Ｂ）に示した形状測定装置
において、光学式変位計１を用いて被測定物７を測定す
るときの動作手順を説明するための要部の概念図で、以
下に、図４を参照しながら測定動作手順を説明する。
図４（Ａ）に示すように、被測定物７をセットし、光学
式変位計１をＸ軸方向に移動させて（点線位置から実線
位置に移動させて）測定開始位置Ｓに合わせる。図４
（Ｂ）に示すように、光学式変位計１の光源を点灯し、
測定開始位置Ｓにおいて、光学式変位計１の合焦位置に
被測定物７の表面が位置するように、光学式変位計１と
被測定物７の表面との距離をＹ軸方向に微調整する。
図４（Ｃ）に示すように、設定された走査の速度で、Ｘ
移動台２ａの走査を開始させるとともに、光学式変位計
１と被測定物７の表面との距離を一定に保ちながら倣い
動作をするようにＹ移動台２ｂを動作させる。Ｘ移動
台２ａ、Ｙ移動台２ｂの移動量を測定する測長手段５
ａ、５ｂの出力を、逐次、制御・演算手段６に取り込む
ことによって、倣い動作中のＸ移動台２ａ、Ｙ移動台２
ｂの動作軌跡を測定する。測定終了後、動作軌跡、す
なわち、被測定物７の形状を、制御・演算手段６を用い
て解析する。

【０００６】図５は、反射光を利用して変位を測定する
場合の変位に対する応答を説明するための図で、図示の
ように、変位に対する応答は、一般に、Ｓ字曲線を描
く。合焦位置はゼロクロス点ａであり、Ｓ字曲線を利用
してオートフォーカスを行うときのフォーカス引き込み
範囲はＬで表される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図６は、光学式変位計
１の受光器による受光量と変位の測定との関係を説明す
る図で、横軸と、合焦位置ａと、フォーカス引き込み範
囲Ｌは図５に対応する。前述の測定動作手順において
設定した光学式変位計１の光源の射出光量が過大である
場合は、図６の曲線ｅに示すように、光学変位計１の受
光器における受光量が飽和状態になるため正しく変位を
測定することができなくなる。また、光学式変位計１の
光源の射出光量が過小である場合は、図６の曲線ｃに示
すように、ＳＮ比の低下により光学式変位計１のノイズ
が増大する。いずれにせよ、受光器による受光量が適正
でないときには、測定誤差の原因になり、場合によって
は、倣い動作ができなくなって測定不能の状態に陥る。
従って、高精度な測定を行うためには光学式変位計１の
光源の射出光量を適正値に調整し、図６の曲線ｄに代表
されるような適正な受光量を得る必要がある。

【０００８】前述の問題を解決する方法として、第１
に、特開昭６０−３８６０６号公報に記載の形状測定装
置の場合のように、光学式変位計１の受光器における受
光量が、測定中、常に一定になるように射出光量を制御
する方法が考えられる。しかし、光学式変位計１に一般
的に用いられる半導体レーザは注入電流により波長が変
化するので、集光レンズによる集光位置が変化してしま
い、新たな測定誤差要因となる。第２に、測定開始前に
光学式変位計１の光源の射出光量を適正値に調整し、測
定中は射出光量を一定に保つ方法が考えられる。しか
し、射出光量の適正値は、被測定面の傾斜角度や反射率
に依存するため、調整に手間がかかるという問題があっ
た。

【０００９】本発明は、前述したような状況に鑑み、光
学式変位計の光源の射出光量を自動的に調整し、もっ
て、受光器による受光量を適正値に保ち、被測定物の形
状を効率よく測定する形状測定装置を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光源
と受光器とを備えた光学式変位計と、前記光源の射出光
量を調整する光量調整手段と、前記光学式変位計と被測
定物とを相対移動させる移動台と、該移動台の移動量を
測定する測長手段と、前記移動台の動作を制御する制御
手段と、前記測長手段による測定値を解析するための演
算手段とを備え、前記光学式変位計の変位出力を一定に
保つように前記光学式変位計を被測定物表面に沿って倣
い動作させたときの前記移動台の動作軌跡を測定するこ
とによって被測定面の概略形状が既知である被測定面の
形状を測定する形状測定装置において、倣い動作開始前
に、被測定面のあらかじめ決められた位置で、前記光学
式変位計の前記受光器による受光量があらかじめ設定さ
れた適正範囲内の値になるように前記光量調整手段を用
いて前記光源の射出光量を自動調整し、前記光源の射出
光量を一定に保ちながら倣い動作するようにし、もっ
て、高精度に被測定物の表面の形状を測定できるように
したものである。

【００１１】請求項２の発明は、光源と受光器とを備え
た光学式変位計と、前記光源の射出光量を調整する光量
調整手段と、前記光学式変位計と被測定物とを相対移動
させる移動台と、該移動台の移動量を測定する測長手段
と、前記移動台の動作を制御する制御手段と、前記測長
手段による測定値を解析するための演算手段とを備え、
前記光学式変位計の変位出力を一定に保つように前記光
学式変位計を被測定物表面に沿って倣い動作させたとき
の前記移動台の動作軌跡を測定することによって被測定
面の形状を測定する形状測定装置において、倣い動作開
始前に、前記光学式変位計の光軸が被測定面に対して垂
直となる位置で、前記光学式変位計の前記受光器による
受光量があらかじめ設定された適正範囲内の値になるよ
うに前記光量調整手段を用いて自動調整し、前記光源の
射出光量を一定に保ちながら倣い動作するようにし、も
って、形状不定の被測定物に対しても射出光量を適正値
に調整できるようにして被測定物の表面の形状を高精度
に測定できるようにしたものである。

【００１２】請求項３の発明は、光源と受光器とを備え
た光学式変位計と、前記光源の射出光量を調整する光量
調整手段と、前記光学式変位計と被測定物とを相対移動
させる移動台と、該移動台の移動量を測定する測長手段
と、前記移動台の動作を制御する制御手段と、前記測長
手段による測定値を解析するための演算手段とを備え、
前記光学式変位計の変位出力を一定に保つように前記光
学式変位計を被測定物表面に沿って倣い動作させたとき
の前記移動台の動作軌跡を測定することによって被測定
面の形状を測定する形状測定装置において、被測定面の
傾斜角度から適正受光量を求めるための変換テーブルも
しくは傾斜角度と適正受光量との関係式を記憶させる記
憶手段を備え、倣い動作開始前に、変換テーブルもしく
は関係式を用いて、倣い動作開始位置近傍における傾斜
角度から適正受光量を求め、求めた適正受光量に対して
前記光学式変位計の前記受光器による受光量が所定の範
囲内に収まるように、前記光量調整手段を用いて前記光
源の射出光量を自動調整し、前記光源の射出光量を一定
に保ちながら倣い動作するようにし、もって、形状不定
の被測定物場合にも、被測定物の表面の形状を高精度に
測定できるようにしたものである。

【００１３】請求項４の発明は、請求項３の発明におい
て、倣い動作開始位置近傍における微小距離の動作軌跡
から、被測定面の傾斜角度の近似値を演算によって求
め、求めた傾斜角度に基づいて適正受光量を求めるよう
にし、もって、被測定物の表面の形状が未知である場合
にも、被測定物の表面の形状を高精度に測定できるよう
にしたものである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の一実施例を説明
するための図で、図中、８は本発明によって付加された
射出光量調整手段で、該射出光量調整手段８は、光学式
変位計１の光源の射出光量を調整する。その他、図３に
示した従来技術と同様の作用をする部分には、図３の場
合と同一の符号が付してある。

【００１５】図２は、本発明による射出光量を調整する
ときの動作フローを示す図で、まず、光学式変位計１を
あらかじめ決められた位置に合わせ光源を発光させ、合
焦位置を探索し（Ｓ１）、合焦位置において、概略形状
が既知の被測定物７からの反射を受光器で読み取る（Ｓ
２）。この読み取った受光量を被測定物７を測定すると
きの適正な射出光量の下限値と比較し（Ｓ３）、下限値
より小さい時は、光源の光量を増し（Ｓ４）、下限値よ
り大きい時は、上限値と比較し（Ｓ５）、上限値よりも
大きければ光源の光量を下げ（Ｓ６）、上下値と下限値
の間に入った時に、調整終了（Ｓ７）する。

【００１６】（請求項１の発明） 光学式変位計１には受光器が内蔵され、受光器の出力信
号は、制御・演算手段６へと導かれる。制御・演算手段
６は、受光量が所定の適正範囲内に収まるように、射出
光量調整手段６に指令を与え、光学式変位計１の光源の
射出光量を制御する。 次に、実際の測定動作を説明すると、まず、測定開始前
に概略形状が既知の被測定物７の所定の位置で合焦位置
を探索する。この動作は、前述した測定動作手順（２）
における動作と同じである。この場合、射出光量は最適
値である必要はなく暫定値でよい。合焦位置を探索した
ら、合焦位置において、光学式変位計１の受光量をあら
かじめ設定した適正値になるように射出光量を自動的に
調節する。

【００１７】（請求項２の発明）請求項２記載の発明
は、レンズ等の光学部品の形状測定の際に、特に有効で
ある。さらに詳細に説明すると、レンズ等の光学部品
は、一般に、回転対称体であるので、必然的に、対称軸
に対して対称な範囲を測定する場合が圧倒的に多い。そ
のために、測定に先だって、対称軸の位置を探索する必
要がある。例えば、特開平２−２５４３０５号公報でよ
く知られるように、凸レンズの測定であれば、最も出張
った頂点の位置が対称軸の位置であり、凹レンズの測定
であれば、最もへこんだ底の位置が対称軸の位置とな
る。ところで、受光量の適正範囲の上限値，下限値は傾
斜角度の関数なので、自動調光を行う位置の傾斜角度が
既知である必要があり、従って、多様な被測定物には対
応が難しい。しかし、対称軸の位置では、被測定面の傾
斜角度は、０度、つまり、光学式変位計の光軸に垂直で
あるので、受光量の適正範囲の上限値，下限値は固定値
でよく、対称軸を探索した後に、自動調光を行うように
すれば、多様な被測定物にも対応することが可能であ
る。

【００１８】（請求項３の発明）前述したように、受光
量の適正範囲の上限値，下限値は傾斜角度の関数なの
で、自動調光を行う位置の傾斜角度が既知である必要が
あり、従って、多様な被測定物には対応が難しい。しか
し、被測定物の概略形状が既知であり、既知の形状から
自動調光を行う位置の傾斜角度を特定できるという条件
が整う時は、被測定面の傾斜角度から適正受光量を求め
るための変換テーブルもしくは傾斜角度と適正受光量の
関係式を記憶させる記憶手段を備えることによって、多
様な被測定物にも対応が可能である。すなわち、自動調
光に先だって、変換テーブルもしくは関係式を用いて、
既知の形状により特定した傾斜角度から適正受光量を求
め、求めた適正受光量に対して光学式変位計の受光器に
よる受光器による受光量が所定の範囲内に収まるように
自動調光を行う。

【００１９】（請求項４の発明）被測定物の概略形状す
ら未知である場合でも、以下に説明する方法によって、
受光量が適正範囲内になるように自動調光することが可
能である。まず、被測定物の測定開始位置で、合焦位置
を探索する。この動作は、前述の測定動作手順におけ
る動作手順と同じである。この場合、射出光量は最適値
である必要はなく暫定値でよい。次に、射出光量を暫定
値に設定したまま微小距離を倣い動作する。このときに
得られる動作軌跡を、制御・演算手段６を用いて直線近
似し、被測定面の傾斜角度の近似値を求め、求めた傾斜
角度から、変換テーブルもしくは関係式を用いて適正受
光量を求め、求めた適正受光量に対して光学式変位計の
受光器による受光量が所定の範囲内に収まるように自動
調光を行う。

【００２０】

【発明の効果】請求項１発明によると、光源と受光器と
を備えた光学式変位計と、前記光源の射出光量を調整す
る光量調整手段と、前記光学式変位計と被測定物とを相
対移動させる移動台と、該移動台の移動量を測定する測
長手段と、前記移動台の動作を制御する制御手段と、前
記測長手段による測定値を解析するための演算手段とを
備え、前記光学式変位計の変位出力を一定に保つように
前記光学式変位計を被測定物表面に沿って倣い動作させ
たときの前記移動台の動作軌跡を測定することによって
被測定面の概略形状が既知である被測定面の形状を測定
する形状測定装置において、倣い動作開始前に、被測定
面のあらかじめ決められた位置で、前記光学式変位計の
前記受光器による受光量があらかじめ設定された適正範
囲内の値になるように前記光量調整手段を用いて前記光
源の射出光量を自動調整し、前記光源の射出光量を一定
に保ちながら倣い動作するようにしたので、一度、自動
調光を行ったら、光量一定のまま倣い動作を開始し測定
を行うことができ、高精度な形状測定が可能となる。

【００２１】請求項２の発明によると、光源と受光器と
を備えた光学式変位計と、前記光源の射出光量を調整す
る光量調整手段と、前記光学式変位計と被測定物とを相
対移動させる移動台と、該移動台の移動量を測定する測
長手段と、前記移動台の動作を制御する制御手段と、前
記測長手段による測定値を解析するための演算手段とを
備え、前記光学式変位計の変位出力を一定に保つように
前記光学式変位計を被測定物表面に沿って倣い動作させ
たときの前記移動台の動作軌跡を測定することによって
被測定面の形状を測定する形状測定装置において、倣い
動作開始前に、前記光学式変位計の光軸が被測定面に対
して垂直となる位置で、前記光学式変位計の前記受光器
による受光量があらかじめ設定された適正範囲内の値に
なるように前記光量調整手段を用いて自動調整し、前記
光源の射出光量を一定に保ちながら倣い動作するように
したので、多様な被測定物に対応が可能である。

【００２２】請求項３の発明によると、光源と受光器と
を備えた光学式変位計と、前記光源の射出光量を調整す
る光量調整手段と、前記光学式変位計と被測定物とを相
対移動させる移動台と、該移動台の移動量を測定する測
長手段と、前記移動台の動作を制御する制御手段と、前
記測長手段による測定値を解析するための演算手段とを
備え、前記光学式変位計の変位出力を一定に保つように
前記光学式変位計を被測定物表面に沿って倣い動作させ
たときの前記移動台の動作軌跡を測定することによって
被測定面の形状を測定する形状測定装置において、被測
定面の傾斜角度から適正受光量を求めるための変換テー
ブルもしくは傾斜角度と適正受光量との関係式を記憶さ
せる記憶手段を備え、倣い動作開始前に、前記変換テー
ブルもしくは関係式を用いて、倣い動作開始位置近傍に
おける傾斜角度から適正受光量を求め、求めた適正受光
量に対して前記光学式変位計の前記受光器による受光量
が所定の範囲内に収まるように、前記光量調整手段を用
いて前記光源の射出光量を自動調整し、前記光源の射出
光量を一定に保ちながら倣い動作するようにしたので、
既知の形状から自動調光を行う位置の傾斜角度を特定
し、特定した傾斜角度から変換テーブル、もしくは、関
係式を用いて適正受光量を求めることができ、多様な被
測定物にも対応が可能である。

【００２３】請求項４の発明によると、請求項３の発明
において、倣い動作開始位置近傍における微小距離の動
作軌跡から、被測定面の傾斜角度の近似値を演算によっ
て求め、求めた傾斜角度に基づいて適正受光量を求める
ので、被測定物の測定開始位置で御小距離を倣い動作
し、このとき得られる動作軌跡から被測定面の傾斜角度
の近似値を求め、求めた傾斜角度から、変換テーブル、
もしくは、関係式を用いて適正受光量を求め、求めた適
正受光量に対して光学式変位計の受光器による受光量が
所定の範囲内に収まるように自動調光を行うようにした
ので、被測定物の概略形状すら未知である場合でも自動
調光が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を説明するための図であ
る。

【図２】 本発明の一実施例の射出光量を調整するとき
の動作フローを説明するための図である。

【図３】 本発明が適用される形状測定装置の一例を説
明するための要部概念図である。

【図４】 光学式変位計を用いて被測定物を測定すると
きの動作手順を説明するための要部の概念図である。

【図５】 反射光を利用して変位を測定する場合の変位
に対する応答を説明するための図である。

【図６】 光学式変位計の受光器による受光量と変位の
測定との関係を説明する図である。

【符号の説明】

１…光学式変位計、２ａ…Ｘ移動台、２ｂ…Ｙ移動台、
３ａ，３ｂ…Ｘ移動台，Ｙ移動台を駆動するアクチュエ
ータ、４ａ，４ｂ…アクチュエータを制御するコントロ
ーラドライバ、５ａ，５ｂ…Ｘ移動台，Ｙ移動台の移動
量を測定する測長手段、６…制御・演算手段、７…被測
定物、８…射出光量調整手段。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−164556（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−164520（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−157607（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−38606（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01M 11/00 - 11/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と受光器とを備えた光学式変位計
   と、前記光源の射出光量を調整する光量調整手段と、前
   記光学式変位計と被測定物とを相対移動させる移動台
   と、該移動台の移動量を測定する測長手段と、前記移動
   台の動作を制御する制御手段と、前記測長手段による測
   定値を解析するための演算手段とを備え、前記光学式変
   位計の変位出力を一定に保つように前記光学式変位計を
   被測定物表面に沿って倣い動作させたときの前記移動台
   の動作軌跡を測定することによって被測定面の概略形状
   が既知である被測定面の形状を測定する形状測定装置に
   おいて、倣い動作開始前に、被測定面のあらかじめ決め
   られた位置で、前記光学式変位計の前記受光器による受
   光量があらかじめ設定された適正範囲内の値になるよう
   に前記光量調整手段を用いて前記光源の射出光量を自動
   調整し、前記光源の射出光量を一定に保ちながら倣い動
   作することを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 光源と受光器とを備えた光学式変位計
   と、前記光源の射出光量を調整する光量調整手段と、前
   記光学式変位計と被測定物とを相対移動させる移動台
   と、該移動台の移動量を測定する測長手段と、前記移動
   台の動作を制御する制御手段と、前記測長手段による測
   定値を解析するための演算手段とを備え、前記光学式変
   位計の変位出力を一定に保つように前記光学式変位計を
   被測定物表面に沿って倣い動作させたときの前記移動台
   の動作軌跡を測定することによって被測定面の形状を測
   定する形状測定装置において、倣い動作開始前に、前記
   光学式変位計の光軸が被測定面に対して垂直となる位置
   で、前記光学式変位計の前記受光器による受光量があら
   かじめ設定された適正範囲内の値になるように前記光量
   調整手段を用いて自動調整し、前記光源の射出光量を一
   定に保ちながら倣い動作することを特徴とする形状測定
   装置。
3. 【請求項３】 光源と受光器とを備えた光学式変位計
   と、前記光源の射出光量を調整する光量調整手段と、前
   記光学式変位計と被測定物とを相対移動させる移動台
   と、該移動台の移動量を測定する測長手段と、前記移動
   台の動作を制御する制御手段と、前記測長手段による測
   定値を解析するための演算手段とを備え、前記光学式変
   位計の変位出力を一定に保つように前記光学式変位計を
   被測定物表面に沿って倣い動作させたときの前記移動台
   の動作軌跡を測定することによって被測定面の形状を測
   定する形状測定装置において、被測定面の傾斜角度から
   適正受光量を求めるための変換テーブルもしくは傾斜角
   度と適正受光量との関係式を記憶させる記憶手段を備
   え、倣い動作開始前に、前記変換テーブルもしくは関係
   式を用いて、倣い動作開始位置近傍における傾斜角度か
   ら適正受光量を求め、求めた適正受光量に対して前記光
   学式変位計の前記受光器による受光量が所定の範囲内に
   収まるように、前記光量調整手段を用いて前記光源の射
   出光量を自動調整し、前記光源の射出光量を一定に保ち
   ながら倣い動作することを特徴とする形状測定装置。
4. 【請求項４】 倣い動作開始位置近傍における微小距離
   の動作軌跡から、被測定面の傾斜角度の近似値を演算に
   よって求め、求めた傾斜角度に基づいて適正受光量を求
   めることを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。