JPH11257945A - プローブ式形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents
プローブ式形状測定装置及び形状測定方法Info
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- JPH11257945A JPH11257945A JP8032298A JP8032298A JPH11257945A JP H11257945 A JPH11257945 A JP H11257945A JP 8032298 A JP8032298 A JP 8032298A JP 8032298 A JP8032298 A JP 8032298A JP H11257945 A JPH11257945 A JP H11257945A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 自由曲面の輪郭形状を測定するプローブ式形
状測定装置及びその装置における形状測定方法におい
て、測定データより被測定面の形状を正確に推定する。 【解決手段】 任意の被測定面に対してプローブの動作
軌跡を直交座標系で求める点列データとして、ユーザの
設定によるプローブの走査により、第１の点列データ
と、その第１の点列データの走査方向と直交方向に微小
量ずれた位置での第２の点列データを求める。第１の点
列データの各点に対して、第１及び第２の点列データよ
り第１の点列データの各点の近傍数点の点群を選び、そ
の点群を平面に近似し、その近似平面の法線ベクトルを
求める。
状測定装置及びその装置における形状測定方法におい
て、測定データより被測定面の形状を正確に推定する。 【解決手段】 任意の被測定面に対してプローブの動作
軌跡を直交座標系で求める点列データとして、ユーザの
設定によるプローブの走査により、第１の点列データ
と、その第１の点列データの走査方向と直交方向に微小
量ずれた位置での第２の点列データを求める。第１の点
列データの各点に対して、第１及び第２の点列データよ
り第１の点列データの各点の近傍数点の点群を選び、そ
の点群を平面に近似し、その近似平面の法線ベクトルを
求める。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プローブ式形状測
定装置及びその装置における形状測定方法、より詳細に
は、自由曲面の輪郭形状を測定プローブを用いて測定す
るプローブ式形状測定装置及びその装置における形状測
定方法に関する。
定装置及びその装置における形状測定方法、より詳細に
は、自由曲面の輪郭形状を測定プローブを用いて測定す
るプローブ式形状測定装置及びその装置における形状測
定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】非球面レンズなど設計自由度の高いレン
ズ面の形状評価の手段として、プローブ式形状測定装置
を用いて特定断面の形状を測定し、測定データを基に近
軸曲率半径Ｒや形状誤差などを評価する方法がある。従
来の形状測定装置を図面に基づき説明する。図１は、プ
ローブ式形状測定装置の概略図である。測定プローブ２
は、少なくとも２自由度で動作可能なステージ３上に取
り付けられ、被測定物１の表面１ａ上を連続的に走査す
る。この時のプローブの軌跡を図示しない測長器によっ
て、少なくとも２次元の座標の点列として測定する。測
定プローブには、先端が数μmの球面であるスタイラス
や、小径のルビー球等を先端に付けた接触式プローブを
用いるのが一般であるが、光触針など非接触式のプロー
ブも用いられる。樹脂製の射出成形品など表面が傷つき
やすい被測定物の形状測定には、曲率半径Ｒが１mm前後
の大きさの球面を用いたものや光触針式のものが用いら
れる。
ズ面の形状評価の手段として、プローブ式形状測定装置
を用いて特定断面の形状を測定し、測定データを基に近
軸曲率半径Ｒや形状誤差などを評価する方法がある。従
来の形状測定装置を図面に基づき説明する。図１は、プ
ローブ式形状測定装置の概略図である。測定プローブ２
は、少なくとも２自由度で動作可能なステージ３上に取
り付けられ、被測定物１の表面１ａ上を連続的に走査す
る。この時のプローブの軌跡を図示しない測長器によっ
て、少なくとも２次元の座標の点列として測定する。測
定プローブには、先端が数μmの球面であるスタイラス
や、小径のルビー球等を先端に付けた接触式プローブを
用いるのが一般であるが、光触針など非接触式のプロー
ブも用いられる。樹脂製の射出成形品など表面が傷つき
やすい被測定物の形状測定には、曲率半径Ｒが１mm前後
の大きさの球面を用いたものや光触針式のものが用いら
れる。
【０００３】ここで、先端に球面を用いた接触式プロー
ブで形状を測定する場合を例に採って説明する。プロー
ブと被測定面の接触点は被測定面の傾斜（角度、傾斜方
向）により逐一変化していくため、測長器によって測定
される座標はプローブ先端の球の中心位置の移動とみな
し、球の中心から接触点までの位置を推定することによ
り被測定物の形状を測定する。被測定物が放物面などの
回転対称体の場合の形状評価法としては、回転軸を含む
平面での輪郭形状を評価するのが一般的である。この場
合、被測定面の傾斜のうち、走査方向と直交する方向の
傾斜成分がほぼ０とみなせるため、動作軌跡と、その法
線ベクトルは同一の平面上にのる。よって２次元平面内
での曲線と円の接触問題として比較的簡単に解くことが
できる。
ブで形状を測定する場合を例に採って説明する。プロー
ブと被測定面の接触点は被測定面の傾斜（角度、傾斜方
向）により逐一変化していくため、測長器によって測定
される座標はプローブ先端の球の中心位置の移動とみな
し、球の中心から接触点までの位置を推定することによ
り被測定物の形状を測定する。被測定物が放物面などの
回転対称体の場合の形状評価法としては、回転軸を含む
平面での輪郭形状を評価するのが一般的である。この場
合、被測定面の傾斜のうち、走査方向と直交する方向の
傾斜成分がほぼ０とみなせるため、動作軌跡と、その法
線ベクトルは同一の平面上にのる。よって２次元平面内
での曲線と円の接触問題として比較的簡単に解くことが
できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、走査系レンズ
などにアナモフィックな光学部品が普及するにつれて、
走査方向に直交する方向の傾斜成分が０でない部分の断
面形状を測定したい、又は有効領域全面を測定したいと
いう要求が出てきた。この場合、プローブと被測定面の
接触位置の推定が未知の自由曲面と球面の接触問題とな
り、これを測定データのみから推定することは非常に難
しい。又、プローブが光触針式プローブにおいても被測
定面の傾斜に依存して反射光が傾くため、プローブの出
力データの原点位置が数μmのオーダーで変化するので
測定データのみから被測定面の形状を正確に推定するこ
とは非常に難しい。よって、各測定データにおける法線
ベクトルを求め、原点位置の変動を補正する必要があ
る。そこで本発明の目的は、任意の被測定面に対して被
測定面の形状を正確に推定するため、各測定データから
平面近似し、その法線ベクトルを求める方法を採用する
とともに、プローブに依存する誤差の補正を行ったプロ
ーブ式形状測定装置及びその装置における形状測定方法
を提供することである。
などにアナモフィックな光学部品が普及するにつれて、
走査方向に直交する方向の傾斜成分が０でない部分の断
面形状を測定したい、又は有効領域全面を測定したいと
いう要求が出てきた。この場合、プローブと被測定面の
接触位置の推定が未知の自由曲面と球面の接触問題とな
り、これを測定データのみから推定することは非常に難
しい。又、プローブが光触針式プローブにおいても被測
定面の傾斜に依存して反射光が傾くため、プローブの出
力データの原点位置が数μmのオーダーで変化するので
測定データのみから被測定面の形状を正確に推定するこ
とは非常に難しい。よって、各測定データにおける法線
ベクトルを求め、原点位置の変動を補正する必要があ
る。そこで本発明の目的は、任意の被測定面に対して被
測定面の形状を正確に推定するため、各測定データから
平面近似し、その法線ベクトルを求める方法を採用する
とともに、プローブに依存する誤差の補正を行ったプロ
ーブ式形状測定装置及びその装置における形状測定方法
を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、測定
プローブで被測定面上を走査し、プローブの動作軌跡を
直交座標系の点列データとして求める形状測定手段と、
測定された点列データより被測定物の輪郭形状を求める
演算手段を備えた形状測定装置において、前記形状測定
手段は、ユーザの設定によるプローブの走査により、第
１の点列データと、該第１の点列データの走査方向と直
交方向に微小量ずれた位置での第２の点列データを求め
る手段であり、前記演算手段は、前記第１の点列データ
の各点に対して、前記第１及び第２の点列データより第
１の点列データの各点の近傍数点の点群を選び、前記点
群を平面に近似し、その近似平面の法線ベクトルを求め
る手段であることを特徴とする形状測定装置である。
プローブで被測定面上を走査し、プローブの動作軌跡を
直交座標系の点列データとして求める形状測定手段と、
測定された点列データより被測定物の輪郭形状を求める
演算手段を備えた形状測定装置において、前記形状測定
手段は、ユーザの設定によるプローブの走査により、第
１の点列データと、該第１の点列データの走査方向と直
交方向に微小量ずれた位置での第２の点列データを求め
る手段であり、前記演算手段は、前記第１の点列データ
の各点に対して、前記第１及び第２の点列データより第
１の点列データの各点の近傍数点の点群を選び、前記点
群を平面に近似し、その近似平面の法線ベクトルを求め
る手段であることを特徴とする形状測定装置である。
【０００６】請求項２の発明は、請求項１に記載の形状
測定装置において、前記測定プローブはその先端が球面
である接触式プローブであり、前記演算手段は、前記法
線ベクトルと前記接触式プローブの先端の曲率半径によ
り、該接触式プローブと前記被測定物との接触点の位置
を求める手段であることを特徴とする形状測定装置であ
る。
測定装置において、前記測定プローブはその先端が球面
である接触式プローブであり、前記演算手段は、前記法
線ベクトルと前記接触式プローブの先端の曲率半径によ
り、該接触式プローブと前記被測定物との接触点の位置
を求める手段であることを特徴とする形状測定装置であ
る。
【０００７】請求項３の発明は、請求項２に記載の形状
測定装置において、前記演算手段は、前記法線ベクトル
と前記接触式プローブの先端の曲率半径に加え、前記接
触式プローブの真球度誤差モデルにより、前記接触式プ
ローブと前記被測定物との接触点の位置を求める手段で
あることを特徴とする形状測定装置である。
測定装置において、前記演算手段は、前記法線ベクトル
と前記接触式プローブの先端の曲率半径に加え、前記接
触式プローブの真球度誤差モデルにより、前記接触式プ
ローブと前記被測定物との接触点の位置を求める手段で
あることを特徴とする形状測定装置である。
【０００８】請求項４の発明は、請求項１に記載の形状
測定装置において、前記測定プローブは、被測定面に収
束光束を照射し該被測定面からの反射光を結像させたと
きの焦点位置の変動から、前記被測定面との距離を測定
する光触針式プローブであり、前記演算手段は、前記法
線ベクトルと前記光触針式プローブの原点誤差特性モデ
ルにより、該光触針式プローブの原点誤差を補正する手
段であることを特徴とする形状測定装置である。
測定装置において、前記測定プローブは、被測定面に収
束光束を照射し該被測定面からの反射光を結像させたと
きの焦点位置の変動から、前記被測定面との距離を測定
する光触針式プローブであり、前記演算手段は、前記法
線ベクトルと前記光触針式プローブの原点誤差特性モデ
ルにより、該光触針式プローブの原点誤差を補正する手
段であることを特徴とする形状測定装置である。
【０００９】請求項５の発明は、請求項４に記載の形状
測定装置において、前記演算手段は、前記法線ベクトル
と前記光触針式プローブの原点誤差特性モデルにより、
該光触針式プローブの原点誤差を補正し、加えて、前記
法線ベクトルと前記光触針式プローブの感度特性モデル
により、該光触針式プローブの感度を求め、該光触針式
プローブの感度と該光触針式プローブのセンサ出力値に
よるフォーカスエラー誤差を補正する手段であることを
特徴とする形状測定装置である。
測定装置において、前記演算手段は、前記法線ベクトル
と前記光触針式プローブの原点誤差特性モデルにより、
該光触針式プローブの原点誤差を補正し、加えて、前記
法線ベクトルと前記光触針式プローブの感度特性モデル
により、該光触針式プローブの感度を求め、該光触針式
プローブの感度と該光触針式プローブのセンサ出力値に
よるフォーカスエラー誤差を補正する手段であることを
特徴とする形状測定装置である。
【００１０】請求項６の発明は、請求項１乃至５のいず
れかに記載の形状測定装置において、前記平面への近似
の際、近似誤差が所定の値より大きい場合、その測定点
を無効データとして点列から削除することを特徴とする
形状測定装置である。
れかに記載の形状測定装置において、前記平面への近似
の際、近似誤差が所定の値より大きい場合、その測定点
を無効データとして点列から削除することを特徴とする
形状測定装置である。
【００１１】請求項７の発明は、測定プローブで被測定
面上を走査し、プローブの動作軌跡を直交座標系の点列
データとして求める形状測定手段と、測定された点列デ
ータより被測定物の輪郭形状を求める演算手段を備えた
形状測定装置における形状測定方法であって、ユーザの
設定によるプローブの走査により、第１の点列データ
と、該第１の点列データの走査方向と直交方向に微小量
ずれた位置での第２の点列データを求め、前記第１の点
列データの各点に対して、前記第１及び第２の点列デー
タより第１の点列データの各点の近傍数点の点群を選
び、前記点群を平面に近似し、その近似平面の法線ベク
トルを求めることを特徴とする形状測定方法である。
面上を走査し、プローブの動作軌跡を直交座標系の点列
データとして求める形状測定手段と、測定された点列デ
ータより被測定物の輪郭形状を求める演算手段を備えた
形状測定装置における形状測定方法であって、ユーザの
設定によるプローブの走査により、第１の点列データ
と、該第１の点列データの走査方向と直交方向に微小量
ずれた位置での第２の点列データを求め、前記第１の点
列データの各点に対して、前記第１及び第２の点列デー
タより第１の点列データの各点の近傍数点の点群を選
び、前記点群を平面に近似し、その近似平面の法線ベク
トルを求めることを特徴とする形状測定方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施形態を図面に
基づき説明する。図１は、本発明を適用するプローブ式
形状測定装置の概略図であり、プローブ２は、少なくと
も２自由度で動作可能なステージ３上に取り付けられ、
被測定物１の表面１ａ上を連続的に走査する。この時の
プローブの軌跡を図示しない測長器によって、少なくと
も２次元の座標の点列として測定する。図１のプローブ
式形状測定装置を用いた測定方法について、図２，図３
を用いて説明する。図２は、図１に示す装置を上から見
た状態を示しており、破線１１，１２はその測定軌跡を
示している。２次元の輪郭形状測定の場合はユーザの指
定した軌跡（ここでは直線）でプローブを走査して形状
を測定し、これを第１の点列データ１１とする。その
後、走査方向と直交した方向に微小量（０.０１mm程
度）シフトした後、第１の測定と同じ方向（ここでは平
行な直線）を逆に戻り測定開始点の近傍までを測定し、
これを第２の点列データ１２とする。この時の１走査あ
たりのサンプリングピッチや、各走査間のシフト量は、
被測定面の部分的な曲率を考え十分小さくなるように設
定する。この例では、第２の点列データ１２を１本の走
査によって行ったが、これは第１の点列データ１１を挟
むような複数本の走査による測定データでも構わない。
３次元形状測定の場合は、以上に示した一連の動作を位
置をずらして複数回行うことにより達成される。
基づき説明する。図１は、本発明を適用するプローブ式
形状測定装置の概略図であり、プローブ２は、少なくと
も２自由度で動作可能なステージ３上に取り付けられ、
被測定物１の表面１ａ上を連続的に走査する。この時の
プローブの軌跡を図示しない測長器によって、少なくと
も２次元の座標の点列として測定する。図１のプローブ
式形状測定装置を用いた測定方法について、図２，図３
を用いて説明する。図２は、図１に示す装置を上から見
た状態を示しており、破線１１，１２はその測定軌跡を
示している。２次元の輪郭形状測定の場合はユーザの指
定した軌跡（ここでは直線）でプローブを走査して形状
を測定し、これを第１の点列データ１１とする。その
後、走査方向と直交した方向に微小量（０.０１mm程
度）シフトした後、第１の測定と同じ方向（ここでは平
行な直線）を逆に戻り測定開始点の近傍までを測定し、
これを第２の点列データ１２とする。この時の１走査あ
たりのサンプリングピッチや、各走査間のシフト量は、
被測定面の部分的な曲率を考え十分小さくなるように設
定する。この例では、第２の点列データ１２を１本の走
査によって行ったが、これは第１の点列データ１１を挟
むような複数本の走査による測定データでも構わない。
３次元形状測定の場合は、以上に示した一連の動作を位
置をずらして複数回行うことにより達成される。
【００１３】次にデータ処理について図３を用いて説明
する。第１の測定で得られた第１の点列データ１１のう
ちの任意の点Ｐ１i（黒塗りの点）２１について考え
る。図３は、Ｐ１i２１とその近傍の測定点を示してい
る。Ｐ１i２１の近傍には第２の点列データ１２の点Ｐ
２iがある。ここでは第２の点列データ１２は、１本の
走査によって得ているが、第１の走査を挟むような２回
又は複数の走査による点列データでも同様である。ここ
で、太線の円で示したＰ１i２１の近傍の点群２２，２
３，３１，３２，３３を抽出する。本実施形態では、第
１の点列データ１１から前後各１点２２，２３と第２の
点列データ１２から近傍３点３１，３２，３３を選択す
る。抽出する点群は、最低で第１，２の点列データで各
１点ずつあればよい。この６点の座標データをコピーし
て、Ｐ１i２１を座標原点とするような並進座標変換を
する。ここで、この６点２１，２２，２３，３１，３
２，３３に対して最小自乗法によりＰ１i（原点）２１
を通る平面 ｚ＝ａｘ＋ｂｙ のパラメータａ，ｂを推定する。これにより、各軸方向
の偏微分が簡単に求まる。 ∂ｚ／∂ｘ＝ａ ∂ｚ／∂ｙ＝ｂ この時の単位法線ベクトルは、
する。第１の測定で得られた第１の点列データ１１のう
ちの任意の点Ｐ１i（黒塗りの点）２１について考え
る。図３は、Ｐ１i２１とその近傍の測定点を示してい
る。Ｐ１i２１の近傍には第２の点列データ１２の点Ｐ
２iがある。ここでは第２の点列データ１２は、１本の
走査によって得ているが、第１の走査を挟むような２回
又は複数の走査による点列データでも同様である。ここ
で、太線の円で示したＰ１i２１の近傍の点群２２，２
３，３１，３２，３３を抽出する。本実施形態では、第
１の点列データ１１から前後各１点２２，２３と第２の
点列データ１２から近傍３点３１，３２，３３を選択す
る。抽出する点群は、最低で第１，２の点列データで各
１点ずつあればよい。この６点の座標データをコピーし
て、Ｐ１i２１を座標原点とするような並進座標変換を
する。ここで、この６点２１，２２，２３，３１，３
２，３３に対して最小自乗法によりＰ１i（原点）２１
を通る平面 ｚ＝ａｘ＋ｂｙ のパラメータａ，ｂを推定する。これにより、各軸方向
の偏微分が簡単に求まる。 ∂ｚ／∂ｘ＝ａ ∂ｚ／∂ｙ＝ｂ この時の単位法線ベクトルは、
【００１４】
【数１】
【００１５】となる。この法線ベクトルを用いて、被測
定物の形状を推定する。
定物の形状を推定する。
【００１６】本発明の第二の実施形態を説明する。測定
プローブが接触式のプローブの場合、第一の実施形態で
求めた単位法線ベクトルとプローブの先端の曲率半径Ｒ
から、接触点の位置Ｐiは、
プローブが接触式のプローブの場合、第一の実施形態で
求めた単位法線ベクトルとプローブの先端の曲率半径Ｒ
から、接触点の位置Ｐiは、
【００１７】
【数２】
【００１８】となり、特にプローブが球面である場合
に、精度よく、プローブと被測定面の接触点を求めるこ
とができる。
に、精度よく、プローブと被測定面の接触点を求めるこ
とができる。
【００１９】本発明の第三の実施形態を説明する。第二
の実施形態において、被測定物の測定に先立ってプロー
ブの校正を行う。その校正作業によって、プローブの真
球度誤差を求める。校正にはトレーサビリティのとれた
校正球を用意し、許容する最大傾斜角内で全面を走査し
て、形状を測定する。この測定結果を球面に近似して近
似曲率半径Ｒmeasと形状誤差データを求める。ここで、
校正球の正確な曲率半径Ｒrefがわかっているので、プ
ローブの曲率半径Ｒprobeは、 Ｒprobe＝Ｒmeas−Ｒref で求まる。プローブの真球度誤差は測定データから球面
成分を分離した形状誤差データである。これは座標
（ｘ，ｙ，ｚ）の点列データであるから、これを傾斜−
誤差の関係に変換する。即ち、球面の方程式を、各軸方
向の偏微分が解析的に求まるので、（ｘ，ｙ，ｚ）を
（∂ｚ／∂ｘ，∂ｚ／∂ｙ，ｚ）に変換することによ
り、これを適当なモデルｆ（∂ｚ／∂ｘ，∂ｚ／∂ｙ）
に近似してそのパラメータを保存する。次に任意のサン
プルの形状測定を行うときの補正処理を示す。第一の実
施形態のように近傍数点を平面に近似し、各軸方向の偏
微分が求まっているので、これを上述の校正により真球
度誤差モデルｆ（∂ｚ／∂ｘ，∂ｚ／∂ｙ）に代入して
真球度誤差を求める。これをｚ座標の誤差として減算す
ることによりプローブの真球度誤差を補正することがで
き、プローブ先端の球の真球度誤差が要求精度より劣る
場合にも、要求精度を満たし、精度よく形状測定を行う
ことができる。
の実施形態において、被測定物の測定に先立ってプロー
ブの校正を行う。その校正作業によって、プローブの真
球度誤差を求める。校正にはトレーサビリティのとれた
校正球を用意し、許容する最大傾斜角内で全面を走査し
て、形状を測定する。この測定結果を球面に近似して近
似曲率半径Ｒmeasと形状誤差データを求める。ここで、
校正球の正確な曲率半径Ｒrefがわかっているので、プ
ローブの曲率半径Ｒprobeは、 Ｒprobe＝Ｒmeas−Ｒref で求まる。プローブの真球度誤差は測定データから球面
成分を分離した形状誤差データである。これは座標
（ｘ，ｙ，ｚ）の点列データであるから、これを傾斜−
誤差の関係に変換する。即ち、球面の方程式を、各軸方
向の偏微分が解析的に求まるので、（ｘ，ｙ，ｚ）を
（∂ｚ／∂ｘ，∂ｚ／∂ｙ，ｚ）に変換することによ
り、これを適当なモデルｆ（∂ｚ／∂ｘ，∂ｚ／∂ｙ）
に近似してそのパラメータを保存する。次に任意のサン
プルの形状測定を行うときの補正処理を示す。第一の実
施形態のように近傍数点を平面に近似し、各軸方向の偏
微分が求まっているので、これを上述の校正により真球
度誤差モデルｆ（∂ｚ／∂ｘ，∂ｚ／∂ｙ）に代入して
真球度誤差を求める。これをｚ座標の誤差として減算す
ることによりプローブの真球度誤差を補正することがで
き、プローブ先端の球の真球度誤差が要求精度より劣る
場合にも、要求精度を満たし、精度よく形状測定を行う
ことができる。
【００２０】本発明の第四の実施形態を説明する。測定
プローブが光触針式の場合、被測定面の傾斜に依存して
センサ出力の原点位置がシフトするという特性がある。
従って、第三の実施形態で示した校正と同じように原点
誤差特性をモデル化する。実際の測定時も、第三の実施
形態と同様に偏微分から上述の原点誤差特性モデルを用
いて原点誤差を求め、補正する。このように、プローブ
誤差を補正することにより、高精度の形状測定を行うこ
とができる。
プローブが光触針式の場合、被測定面の傾斜に依存して
センサ出力の原点位置がシフトするという特性がある。
従って、第三の実施形態で示した校正と同じように原点
誤差特性をモデル化する。実際の測定時も、第三の実施
形態と同様に偏微分から上述の原点誤差特性モデルを用
いて原点誤差を求め、補正する。このように、プローブ
誤差を補正することにより、高精度の形状測定を行うこ
とができる。
【００２１】本発明の第五の実施形態を説明する。光触
針式プローブは、被測定面との距離に比例したセンサ出
力（フォーカスエラー出力）を得るものであり、この時
の比例係数であるセンサの感度は、被測定面の傾斜に依
存して変化する。従って、光触針式プローブにおける被
測定面の傾斜に依存するセンサ感度変化の特性を校正す
る。校正作業としては、第三の実施形態の校正球を用
い、その複数の位置でプローブの測定軸方向に走査させ
ながらセンサ出力を取り込む。これを線形近似すること
により、センサ出力の原点位置の座標と、センサ感度が
求まる。そのうち原点座標を用いて、球面に近似する。
次に各点のｘ，ｙ座標より前述の球面方程式の各軸方向
偏微分を求め、これとセンサ感度との関係をモデル化し
て、記憶する。被測定物の形状測定のときに、各軸方向
偏微分から上述の感度特性モデルを用いて各点測定時の
感度を求め、これと光触針センサ出力からフォーカスエ
ラー誤差を求め、補正する。つまり、各点測定時の感度
を求め、これとセンサ出力により被測定面とプローブの
原点との距離が正確に求まる。これを補正することによ
り、高速且つ高精度な形状測定を行うことができる。
針式プローブは、被測定面との距離に比例したセンサ出
力（フォーカスエラー出力）を得るものであり、この時
の比例係数であるセンサの感度は、被測定面の傾斜に依
存して変化する。従って、光触針式プローブにおける被
測定面の傾斜に依存するセンサ感度変化の特性を校正す
る。校正作業としては、第三の実施形態の校正球を用
い、その複数の位置でプローブの測定軸方向に走査させ
ながらセンサ出力を取り込む。これを線形近似すること
により、センサ出力の原点位置の座標と、センサ感度が
求まる。そのうち原点座標を用いて、球面に近似する。
次に各点のｘ，ｙ座標より前述の球面方程式の各軸方向
偏微分を求め、これとセンサ感度との関係をモデル化し
て、記憶する。被測定物の形状測定のときに、各軸方向
偏微分から上述の感度特性モデルを用いて各点測定時の
感度を求め、これと光触針センサ出力からフォーカスエ
ラー誤差を求め、補正する。つまり、各点測定時の感度
を求め、これとセンサ出力により被測定面とプローブの
原点との距離が正確に求まる。これを補正することによ
り、高速且つ高精度な形状測定を行うことができる。
【００２２】本発明の第六の実施形態を説明する。第一
の実施形態において、平面への近似の時、誤差の自乗和
が特定の値より大きい場合は、推定した被測定物上の点
Ｐiがキズやゴミに依存する異常データである可能性が
非常に高いので、Ｐiを点列データから削除する。測定
データの中の、キズやゴミによる異常データを除去する
ことにより、より安定して形状の評価を行うことができ
る。
の実施形態において、平面への近似の時、誤差の自乗和
が特定の値より大きい場合は、推定した被測定物上の点
Ｐiがキズやゴミに依存する異常データである可能性が
非常に高いので、Ｐiを点列データから削除する。測定
データの中の、キズやゴミによる異常データを除去する
ことにより、より安定して形状の評価を行うことができ
る。
【００２３】
【発明の効果】請求項１，７に対応する効果：より簡便
に任意の被測定面に対して、各点の法線ベクトルを求め
ることができ、プローブに依存する誤差の補正を行え
ば、精度よく形状測定ができる。高精度を要求される被
測定物の代表として、非球面レンズやその金型などの光
学部品がある。これらの被測定物には、その有効範囲内
にエッジや急激に傾斜角が変動するような部分が無い、
又はその表面粗さは十分小さいという共通点がある。被
測定面は十分に滑らかであるとすると、各測定点近傍の
数点を抽出した点群はほぼ１つの平面上に載っていると
仮定できるので、平面への近似精度が高く法線ベクトル
の推定の精度も高い。よって、光学部品の高精度を保証
し安定した測定を行うことができる。このように、被測
定面の粗さが鏡面レベルにありエッジ部やキズが無いと
きに最も効率よく補正を行うことができ、高精度の測定
を行うことができる。
に任意の被測定面に対して、各点の法線ベクトルを求め
ることができ、プローブに依存する誤差の補正を行え
ば、精度よく形状測定ができる。高精度を要求される被
測定物の代表として、非球面レンズやその金型などの光
学部品がある。これらの被測定物には、その有効範囲内
にエッジや急激に傾斜角が変動するような部分が無い、
又はその表面粗さは十分小さいという共通点がある。被
測定面は十分に滑らかであるとすると、各測定点近傍の
数点を抽出した点群はほぼ１つの平面上に載っていると
仮定できるので、平面への近似精度が高く法線ベクトル
の推定の精度も高い。よって、光学部品の高精度を保証
し安定した測定を行うことができる。このように、被測
定面の粗さが鏡面レベルにありエッジ部やキズが無いと
きに最も効率よく補正を行うことができ、高精度の測定
を行うことができる。
【００２４】請求項２に対応する効果：請求項１に対応
する効果に加えて、接触式の球面プローブを用いた場合
に、簡便に任意の被測定面に対してプローブと被測定面
の接触点を求めることにより、高精度に形状の測定を行
うことができる。
する効果に加えて、接触式の球面プローブを用いた場合
に、簡便に任意の被測定面に対してプローブと被測定面
の接触点を求めることにより、高精度に形状の測定を行
うことができる。
【００２５】請求項３に対応する効果：請求項２に対応
する効果に加えて、先端球面の真球度誤差を補正するこ
とにより、より高精度に形状の測定を行うことができ
る。
する効果に加えて、先端球面の真球度誤差を補正するこ
とにより、より高精度に形状の測定を行うことができ
る。
【００２６】請求項４に対応する効果：請求項１に対応
する効果に加えて、測定プローブが光触針式であって
も、精度よく形状測定を行うことができる。
する効果に加えて、測定プローブが光触針式であって
も、精度よく形状測定を行うことができる。
【００２７】請求項５に対応する効果：請求項４に対応
する効果に加えて、さらに精度よく、又プローブ出力が
十分に収束しなくても、形状測定を行うことができる。
する効果に加えて、さらに精度よく、又プローブ出力が
十分に収束しなくても、形状測定を行うことができる。
【００２８】請求項６に対応する効果：請求項１に対応
する効果に加えて、キズやゴミ等による異常データを除
去することにより、より高精度の形状測定を行うことが
できる。
する効果に加えて、キズやゴミ等による異常データを除
去することにより、より高精度の形状測定を行うことが
できる。
【図１】 本発明を適用するプローブ式形状測定装置の
概略図である。
概略図である。
【図２】 本発明のプローブ式形状測定装置の測定軌跡
の一例を示す図である。
の一例を示す図である。
【図３】 本発明において第１回の形状測定で得られた
点列データの一例を示す図である。
点列データの一例を示す図である。
１…被測定物、１ａ…被測定物の表面、２…測定プロー
ブ、３…ステージ、１１…第１の点列データ、１２…第
２の点列データ、２１…第１の点列データ中の任意の
点、２２，２３…第１の点列データ中の任意の点の前後
の点、３１，３２，３３…第２の点列データであり、第
１の点列データ中の任意の点の近傍の点群。
ブ、３…ステージ、１１…第１の点列データ、１２…第
２の点列データ、２１…第１の点列データ中の任意の
点、２２，２３…第１の点列データ中の任意の点の前後
の点、３１，３２，３３…第２の点列データであり、第
１の点列データ中の任意の点の近傍の点群。
Claims (7)
- 【請求項１】 測定プローブで被測定面上を走査し、プ
ローブの動作軌跡を直交座標系の点列データとして求め
る形状測定手段と、測定された点列データより被測定物
の輪郭形状を求める演算手段を備えた形状測定装置にお
いて、前記形状測定手段は、ユーザの設定によるプロー
ブの走査により、第１の点列データと、該第１の点列デ
ータの走査方向と直交方向に微小量ずれた位置での第２
の点列データを求める手段であり、前記演算手段は、前
記第１の点列データの各点に対して、前記第１及び第２
の点列データより第１の点列データの各点の近傍数点の
点群を選び、前記点群を平面に近似し、その近似平面の
法線ベクトルを求める手段であることを特徴とする形状
測定装置。 - 【請求項２】 請求項１に記載の形状測定装置におい
て、前記測定プローブはその先端が球面である接触式プ
ローブであり、前記演算手段は、前記法線ベクトルと前
記接触式プローブの先端の曲率半径により、該接触式プ
ローブと前記被測定物との接触点の位置を求める手段で
あることを特徴とする形状測定装置。 - 【請求項３】 請求項２に記載の形状測定装置におい
て、前記演算手段は、前記法線ベクトルと前記接触式プ
ローブの先端の曲率半径に加え、前記接触式プローブの
真球度誤差モデルにより、前記接触式プローブと前記被
測定物との接触点の位置を求める手段であることを特徴
とする形状測定装置。 - 【請求項４】 請求項１に記載の形状測定装置におい
て、前記測定プローブは、被測定面に収束光束を照射し
該被測定面からの反射光を結像させたときの焦点位置の
変動から、前記被測定面との距離を測定する光触針式プ
ローブであり、前記演算手段は、前記法線ベクトルと前
記光触針式プローブの原点誤差特性モデルにより、該光
触針式プローブの原点誤差を補正する手段であることを
特徴とする形状測定装置。 - 【請求項５】 請求項４に記載の形状測定装置におい
て、前記演算手段は、前記法線ベクトルと前記光触針式
プローブの原点誤差特性モデルにより、該光触針式プロ
ーブの原点誤差を補正し、加えて、前記法線ベクトルと
前記光触針式プローブの感度特性モデルにより、該光触
針式プローブの感度を求め、該光触針式プローブの感度
と該光触針式プローブのセンサ出力値によるフォーカス
エラー誤差を補正する手段であることを特徴とする形状
測定装置。 - 【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の形状
測定装置において、前記平面への近似の際、近似誤差が
所定の値より大きい場合、その測定点を無効データとし
て点列から削除することを特徴とする形状測定装置。 - 【請求項７】 測定プローブで被測定面上を走査し、プ
ローブの動作軌跡を直交座標系の点列データとして求め
る形状測定手段と、測定された点列データより被測定物
の輪郭形状を求める演算手段を備えた形状測定装置にお
ける形状測定方法であって、ユーザの設定によるプロー
ブの走査により、第１の点列データと、該第１の点列デ
ータの走査方向と直交方向に微小量ずれた位置での第２
の点列データを求め、前記第１の点列データの各点に対
して、前記第１及び第２の点列データより第１の点列デ
ータの各点の近傍数点の点群を選び、前記点群を平面に
近似し、その近似平面の法線ベクトルを求めることを特
徴とする形状測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8032298A JPH11257945A (ja) | 1998-03-11 | 1998-03-11 | プローブ式形状測定装置及び形状測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8032298A JPH11257945A (ja) | 1998-03-11 | 1998-03-11 | プローブ式形状測定装置及び形状測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11257945A true JPH11257945A (ja) | 1999-09-24 |
Family
ID=13715033
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8032298A Pending JPH11257945A (ja) | 1998-03-11 | 1998-03-11 | プローブ式形状測定装置及び形状測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH11257945A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002357415A (ja) * | 2001-06-04 | 2002-12-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 形状測定装置及び方法、被測定物の製造方法 |
| JP2008256365A (ja) * | 2007-03-30 | 2008-10-23 | Morinaga Milk Ind Co Ltd | 凝固検知センサの走査装置および走査方法 |
| JP2011095239A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-05-12 | Canon Inc | 面形状計測装置 |
| JP2011095240A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-05-12 | Canon Inc | 面形状計測装置 |
| CN104515495A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-04-15 | 大连交通大学 | 一种列车钩舌检测仪及其检测方法 |
| CN108318363A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-07-24 | 三峡大学 | 用于底枢蘑菇头磨损的检测装置及其检测方法 |
| CN115711589A (zh) * | 2022-11-22 | 2023-02-24 | 哈尔滨工业大学 | 基于多维度大圆投影中心合一的大型高速回转装备转子球面轮廓测量方法 |
| CN119901465A (zh) * | 2025-01-23 | 2025-04-29 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种定日镜反射面面型检测装置 |
-
1998
- 1998-03-11 JP JP8032298A patent/JPH11257945A/ja active Pending
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002357415A (ja) * | 2001-06-04 | 2002-12-13 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 形状測定装置及び方法、被測定物の製造方法 |
| JP2008256365A (ja) * | 2007-03-30 | 2008-10-23 | Morinaga Milk Ind Co Ltd | 凝固検知センサの走査装置および走査方法 |
| JP2011095239A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-05-12 | Canon Inc | 面形状計測装置 |
| JP2011095240A (ja) * | 2009-10-01 | 2011-05-12 | Canon Inc | 面形状計測装置 |
| CN104515495A (zh) * | 2015-01-20 | 2015-04-15 | 大连交通大学 | 一种列车钩舌检测仪及其检测方法 |
| CN108318363A (zh) * | 2018-02-12 | 2018-07-24 | 三峡大学 | 用于底枢蘑菇头磨损的检测装置及其检测方法 |
| CN108318363B (zh) * | 2018-02-12 | 2023-10-27 | 三峡大学 | 用于底枢蘑菇头磨损的检测装置及其检测方法 |
| CN115711589A (zh) * | 2022-11-22 | 2023-02-24 | 哈尔滨工业大学 | 基于多维度大圆投影中心合一的大型高速回转装备转子球面轮廓测量方法 |
| CN115711589B (zh) * | 2022-11-22 | 2023-12-22 | 哈尔滨工业大学 | 基于多维度大圆投影中心合一的大型高速回转装备转子球面轮廓测量方法 |
| CN119901465A (zh) * | 2025-01-23 | 2025-04-29 | 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 | 一种定日镜反射面面型检测装置 |
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