JPH10132549A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 走査速度が変化しても一定のサンプリング位
置間隔の測定データを取得することができる形状測定装
置を提供する。 【解決手段】 曲線Ａ，Ｂ，Ｃは被測定物７の被測定面
の形状に対する変位計の走査位置（横軸）と走査速度
（縦軸）の関係を示す。まず、測定装置の変位計を被測
定物７の測定開始位置Ｓに設定し、測定を開始する。被
測定物７が図１に示すような形状の場合、中央に比べそ
の両端は傾斜角が大きくなっている。従って、変位計
は、被測定物７の両端部で走査速度が低速となる。な
お、走査速度が可変であればその変化軌跡はどうあって
も構わない（曲線Ｂ、曲線Ｃ等）。変位計の走査速度に
よらず、Ｘ方向に走査している間の変位計の位置を走査
方向に等間隔で（サンプリング（測定）位置間隔を一定
間隔として）測定し、形状解析を行う。

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用プ
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、
被測定面の形状を間接的に測定するというものである。

【０００３】図６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略構成図で、図６（Ａ）
は全体構成を示す図（ステージ部Ａは側面図に示す）、
図６（Ｂ）はステージ部Ａの平面図である。図６におい
て、１は形状測定用プローブとして用いる光学式変位
計、２ａ，２ｂはそれぞれＸステージとＹステージ、３
ａ，３ｂはアクチュエータ、４ａ，４ｂはコントローラ
ドライバ、５ａ，５ｂはリニアエンコーダ等の測長手
段、６はＸＹステージの制御や測定データの解析のため
の制御・演算手段、７は被測定物である。

【０００４】図７は、図６に示した形状測定装置の測定
動作手順を説明するための図で、 まず、被測定物７をセットし、光学式変位計１を測
定開始位置ＳにＸ方向に移動させる（図７（Ａ））。 光学式変位計１の光源を点灯し、測定開始位置にお
いて、光学式変位計１の測定範囲内に被測定物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方向に微調整する（図７（Ｂ））。 設定速度でＸステージ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ステージを動作さ
せる（図７（Ａ））。 測長手段５ａ，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ＸＹステー
ジ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・演算手段を用いて解析する。

【０００５】上記測定動作手順において、Ｘ方向の走
査速度は速いほど測定時間が短くなるが、速すぎるとＹ
方向（フォーカス方向）が追従できない。追従可能な走
査速度は被測定面の傾斜角により異なるため、被測定物
の形状に合わせて走査速度を変化させる場合もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように被測定物
の形状に合わせて走査速度を変更する場合、図７に示し
た被測定物７の両端のように被測定面の傾斜角が大きい
（曲率半径が小さい）程、走査速度は遅くなる。一般
に、サンプリングはタイマを用いることが多いため走査
速度によりサンプリング間隔も異なる。走査速度が遅い
ほどサンプリング間隔は小さくなり、つまり、サンプリ
ングデータは増加する。しかし、一般に形状解析の観点
からサンプリング間隔は一定であることが望ましい。

【０００７】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、請求項１の発明は、走査速度の変化にかか
わらず一定のサンプリング位置間隔の測定データを取得
すること、請求項２の発明は、被測定物の形状によら
ず、より正確な測定データを一定のサンプリング位置間
隔で取得すること、請求項３，４の発明は、より簡易、
高速に一定のサンプリング位置間隔で測定データを取得
すること、請求項５の発明は、被測定物の形状、目的に
対応した方法で一定のサンプリング位置間隔の測定デー
タを取得すること、を目的としてなされたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光学
式変位計を非接触プロープとして備え、該変位計の出力
を用いて前記非接触プローブを被測定物表面に沿って走
査させて被測定物の表面形状を測定する非接触式形状測
定装置であって、前記変位計の走査速度を変化させる形
状測定装置において、前記変位計の走査速度によらず、
測定サンプリング位置間隔を一定間隔とすることを特徴
とし、もって、測定データの形状解析をより正確に簡単
に実行できるようにしたものである。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度によって異なるサンプリング
位置間隔で得られたサンプリングデータを平均化して一
定位置間隔の測定データとすることを特徴とし、もっ
て、光学式変位計の特性による測定誤差成分の少ないよ
り正確な測定データを得るようにしたものである。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度によって異なるサンプリング
位置間隔で得られたデータを選択して、一定位置間隔の
測定データとすることを特徴とし、もって、演算量が少
なく、従って、保存データが少なく、ＣＰＵの負担が小
さく、より安価に構成でき、または、演算を少なくして
より高速なサンプリングを可能としたものである。

【００１１】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度に合わせてサンプリング時間
を変化させてサンプリング位置間隔を一定間隔とするこ
とを特徴とし、もって、無駄なサンプリングをすること
なくして測定データの処理を簡易化し、より容易に構成
できるようにしたものである。

【００１２】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度によって異なるサンプリング
位置間隔で得られたサンプリングデータを平均化する平
均化手段と、前記サンプリングデータを選択する選択手
段と、被測定物の形状により前記平均化手段と選択手段
と切換える手段とを有することを特徴とし、被測定物の
形状、目的に合わせて最適な方法を選択できるように
し、被測定物の形状、目的にあった測定を可能としたも
のである。

【００１３】

【発明の実施の形態】前述の従来技術で説明したよう
に、本発明の形状測定装置は、被測定物の表面に沿って
変位計を走査し、この変位計の軌跡を測定することによ
り被測定物の形状を測定するものである。従来技術では
走査方向をＸ方向として記述したが、測定系は２次元で
も３次元でもよく、走査方向もＸ，Ｙ，Ｚどの方向でも
構わない。なお、以下では、一例として、従来技術とし
て説明したＸ方向に走査しながらＹ方向に変位計が一定
距離を保つように微動する測定系で説明する。

【００１４】（請求項１の発明）図１は、請求項１の発
明を説明するための図で、同図は、被測定物７の被測定
面の形状に対する変位計の走査位置（横軸）と走査速度
（縦軸）の関係を曲線Ａ，Ｂ，Ｃで示す。まず、測定装
置の変位計を被測定物７の測定開始位置Ｓに設定し、測
定を開始する。被測定物７が図１に示すような形状の場
合、中央に比べその両端は傾斜角が大きくなっている。
従って、変位計は、例えば、曲線Ａに示すようにその両
端部で走査速度が低速となる。曲線Ａは単に一例を示し
たものであり、走査速度が可変であればその変化軌跡は
どうあっても構わない（同図点線曲線Ｂ、破線曲線Ｃ
等）。

【００１５】請求項１の発明は、変位計の走査速度によ
らず、サンプリング（測定）位置間隔を一定間隔とした
もので、図１のＸ方向に走査している間の変位計の位置
を走査方向に等間隔で測定し形状解析を行うようにした
ものである。

【００１６】（請求項２の発明）図２は、請求項２の発
明を説明するための図で、図２には、走査位置と走査速
度、時間の関係を示す。ここで、サンプリングデータの
測定はタイマにより一定時間間隔に測定する。従って、
図２に示すように、一定時間間隔でサンプリングした場
合、位置からみると傾斜角の大きいところ（両端）は密
に、小さいところ（中央）は粗にデータが取れることと
なる。

【００１７】請求項２の発明は、変位計の走査速度によ
って異なるサンプリング位置間隔で得られたサンプリン
グデータを平均化して一定位置間隔の測定データにす
る、すなわち、サンプリング測定の位置データから一定
位置間隔のデータを平均化して測定データとするもので
ある。

【００１８】図３は、請求項２の発明を説明するための
フロー図で、まず、一定サンプリング時間で測定したデ
ータの走査方向位置と一定位置間隔ａを比較する（Ｓ
１）。測定データが一定位置間隔ａより小さい間は測定
データを一時保存する（Ｓ２）。測定データが一定位置
間隔を超えたら、一時保存していた測定データの総和を
測定点数で割って、平均値を求め、保存する（Ｓ３）。
これにより一定時間間隔で測定したデータから一定位置
間隔のデータを得ることができる。

【００１９】ここでは、測定データの走査方向位置によ
り一定位置間隔となるようにデータを選別し、平均して
いるが、必ずしも走査方向位置で判別しなくてもよい。
例えば、図１に点線曲線Ｂで示したのように、所定位置
で走査速度が切換えられるなど走査速度から一定間隔と
なる測定点数があらかじめ求まるような場合は、測定点
数から判別してもよい。

【００２０】（請求項３の発明）請求項３の発明は、変
位計の走査速度によって異なるサンプリング位置間隔で
得られたデータを選択して、一定位置間隔の測定データ
とするようにしたもので、以下、図４に示したフロー図
に従って説明する。

【００２１】請求項２の発明で説明したように、一定サ
ンプリング間隔で測定したデータの走査方向位置と一定
位置間隔ａを比較する（Ｓ１）。測定データが一定位置
間隔ａより小さい間は測定データは保存しない（Ｓ
４）。測定データが一定位置間隔を超えたら、測定デー
タを保存する（Ｓ５）。つまり、一定時間間隔で測定し
たデータから一定位置間隔のデータを抜き出し、保存す
る。これにより一定時間間隔で測定したデータから一定
位置間隔のデータを得ることができる。

【００２２】ここでも、測定データの走査方向位置によ
り一定位置間隔となるようにデータを選別しているが、
必ずしも走査方向位置で判別しなくてもよい。例えば、
図１に点線曲線Ｂで示したように、所定位置で走査速度
が切換えられるなど走査速度から一定間隔となる測定点
数があらかじめ求まるような場合は、測定点数から判別
してもよい。

【００２３】（請求項４の発明）請求項４の発明は、図
１の点線曲線Ｂに示すような位置に対して走査速度が段
階的に変更されるような場合、設定走査速度によってサ
ンプリング時間（タイマ設定時間）を切換えることによ
り一定位置間隔で測定データを得ることができるように
したものである。図５はその一例を示す図で、図５では
２段階の速度に切換えられているが、２段階に限るもの
ではなく何段階に切換えられても構わない。第１速度を
Ｖａ、第２速度をＶｂ、第１サンプリング時間をＴａ、
第２サンプリング時間をＴｂ、サンプリング位置間隔を
Ｐｓとすると、サンプリング時間Ｔａ，Ｔｂは、

【００２４】

【数１】

【００２５】となり、速度切換え点Ａにおいて走査速度
をＶａからＶｂに、サンプリング時間をＴａからＴｂに
切換え、速度切換え点Ｂにおいて走査速度をＶｂからＶ
ａに、サンプリング時間をＴｂからＴａに切換える。こ
のサンプリング時間を決めるタイマはソフト的なもので
も、ハード的なものでもよい。

【００２６】（請求項５の発明）請求項５の発明は、請
求項２の発明で説明したような、走査速度によって異な
るサンプリング位置間隔で得られたサンプリングデータ
を平均化して一定位置間隔の測定データとする手段と、
請求項３の発明で説明したような走査速度によって異な
るサンプリング位置間隔で得られたデータを選択して一
定位置間隔の測定データとする手段との２つの手段を設
け、被測定物をセットし、測定を開始する前に、被測定
物の形状、目的に合わせて、どちらの手段を用いるか選
択するようにしたものである。これはソフト時に選択し
てもよいし、ボタン等のハード的に選択してもよい。

【００２７】被測定物の傾斜角の変化が大きい場合、ま
たより精度の高い測定を必要としている場合は、一定位
置間隔の間に、より多くのデータを測定し、平均をとる
ことにより誤差の小さいデータが得られる。逆に、被測
定物の傾斜角の変化が小さい場合、また、ある程度の精
度でより速く測定したい場合などはソフト的あるいはハ
ード的に切換えて、一定位置間隔のデータを抜き出して
測定データとする。

【００２８】

【発明の効果】請求項１の発明は、光学式変位計を非接
触プロープとして備え、該変位計の出力を用いて前記非
接触プローブを被測定物表面に沿って走査させて被測定
物の表面形状を測定する非接触式形状測定装置であっ
て、前記変位計の走査速度を変化させる形状測定装置に
おいて、前記変位計の走査速度によらず、測定サンプリ
ング位置間隔を一定間隔とするようにしたもので、測定
データの形状解析がより正確に簡単に実行することがで
きる。

【００２９】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度によって異なるサンプリング
位置間隔で得られたサンプリングデータを平均化して一
定位置間隔の測定データとするので、被測定面の傾斜角
が小さい部分は測定データも少なく、傾斜角が大きいほ
ど一定位置間隔内で多くのデータを測定しその平均を測
定データとすることになり（光学式変位計の特性による
被測定面の傾斜角に依存した誤差は、従来、被測定面の
傾斜角が大きいほど大きくなる）、光学式変位計の特性
による測定誤差成分の少ないより正確な測定データが得
られる。

【００３０】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度によって異なるサンプリング
位置間隔で得られたデータを選択して、一定位置間隔の
測定データとするので、ＣＰＵの負担が小さく、より安
価に構成できる。また、演算が少ないのでより高速なサ
ンプリングが可能となる。

【００３１】請求項４の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度に合わせてサンプリング時間
を変化させてサンプリング位置間隔を一定間隔とするの
で、無駄なサンプリングをすることなく測定データの処
理が簡易化され、より容易に構成できる。

【００３２】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、前記変位計の走査速度によって異なるサンプリング
位置間隔で得られたサンプリングデータを平均化する平
均化手段と、前記サンプリングデータを選択する選択手
段と、被測定物の形状により前記平均化手段と選択手段
と切換える手段とを有するので、被測定物の形状、目的
に合わせて最適な方法を選択することができ、被測定物
の形状、目的にあった測定をすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１の発明を説明するための図である。

【図２】 請求項２の発明を説明するための図である。

【図３】 請求項２の発明の測定手順を説明するための
フロー図である。

【図４】 請求項３の発明の測定手順を説明するための
フロー図である。

【図５】 請求項４の発明を説明するための変位計の走
査位置と速度との関係を示す図である。

【図６】 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略構成図で、図６（Ａ）は全体構成
を示す図（ステージ部Ａは側面図に示す）、図６（Ｂ）
はステージ部Ｓのを平面図である。

【図７】 図６に示した形状測定装置の測定動作手順を
説明するための図である。

【符号の説明】

１…光学式変位計、２ａ…Ｘステージ、２ｂ…Ｙステー
ジ、３ａ，３ｂ…アクチュエータ、４ａ，４ｂ…コント
ローラドライバ、５ａ，５ｂ…測長手段、６…制御・演
算手段、７…被測定物。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学式変位計を非接触プロープとして備
   え、該変位計の出力を用いて前記非接触プローブを被測
   定物表面に沿って走査させて該被測定物の表面形状を測
   定する非接触式形状測定装置であって、前記変位計の走
   査速度を変化させる形状測定装置において、前記変位計
   の走査速度によらず、測定サンプリング位置間隔を一定
   間隔とすることを特徴とする形状測定装置。
2. 【請求項２】 前記変位計の走査速度によって異なるサ
   ンプリング位置間隔で得られたサンプリングデータを平
   均化して一定位置間隔の測定データとすることを特徴と
   する請求項１記載の形状測定装置。
3. 【請求項３】 前記変位計の走査速度によって異なるサ
   ンプリング位置間隔で得られたデータを選択して一定位
   置間隔の測定データとすることを特徴とする請求項１記
   載の形状測定装置。
4. 【請求項４】 前記変位計の走査速度に合わせてサンプ
   リング時間を変化させてサンプリング位置間隔を一定間
   隔とすることを特徴とする請求項１記載の形状測定装
   置。
5. 【請求項５】 前記変位計の走査速度によって異なるサ
   ンプリング位置間隔で得られたサンプリングデータを平
   均化する平均化手段と、前記サンプリングデータを選択
   する選択手段と、被測定物の形状により前記平均化手段
   と選択手段と切換える手段とを有することを特徴とする
   請求項１記載の形状測定装置。