三维形状测量方法技术

本发明专利技术提供即便被测体为非球面形状也能高精度取得测量数据的三维形状测量方法。此三维形状测量方法使在往相互正交的Ｘ轴方向和Ｙ轴方向驱动的移动体上支撑成往Ｚ轴方向移动自如的探头在被测体的测量面沿规定的路径扫描，以测量被测体的形状。将以从往被测体的已得形状信息得到的扫描上各位置的被测体的测量面法线方向拉长的直线与被测体的中心线的交点为中心，并且在被测体表面上的位置与被测体的表面形状接合的圆作为近似圆，根据该近似圆的半径算出取得被测体的测量数据的取样间距。由此，能按沿被测体的表面形状的恒定间距取入测量数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及扫描非球面透镜等光学元件和金属模等被测体的表面并高精 度进行被测体的形状测量、粗糙度测量等的。
技术介绍
作为扫描光学元件和金属模等被测体的表面并高精度测量被测体的形状 的方法，已广知利用三维形状测量装置。 一般而言，三维形状测量装置将接触 型或非接触型的探头靠近被测体， 一面控制探头位置，使得两者为恒定距离或 形成恒定的力， 一面使所述探头沿所述被测体的测量面移动，从而测量所述被 测体的测量面形状。作为一种这样的三维形状测量装置，例如日本国特开2006—105717号公 报已揭示利用激光测长仪和基准平面透镜的三维形状测量装置。用图9说明此 三维形状测量装置。三维形状测量装置20结构上做成:在设置在石平板1上的透镜等被测体2 的测量面2a跟踪X轴方向、Y轴方向、Z轴方向上移动自如的原子力探头5 的前端，测量被测体2的测量面形状。这里，装载被测体2的石平板1上，通 过X工作台9和Y工作台10，载放往X轴方向和Y轴方向移动自如的移动体 3，此移动体3上安装往Z方向移动自如的Z轴移动体11，又在Z轴移动体 11上安装所述原子力探头5。于是，构成使移动体3往X轴方向、Y轴方向移 动时，Z轴移动体11和原子力探头5往Z轴方向移动，从而能使原子力探头5 以跟踪被测体2的测量面2a的形状的方式进行扫描。石平板1上，以支撑部为中介配置X参照镜6、 Y参照镜7、 Z参照镜8， 并在移动体3设置激光测长光学系统4，利用已知的光干涉法，分别测量以X 参照镜6为基准的探头5的X坐标、以Y参照镜7为基准的探头5的Y坐标、 以Z参照镜8为基准的探头5的Z坐标。下面，说明这种三维形状测量装置20的三维形状测量程序。首先，将有关被测体2的测量面2a的形状的设计信息输入到附属于三维形状测量装置20 的运算处理装置。其次，使探头5以一定的测量电压在被测体2的测量面2a 上进行跟踪，用日本国特开平2 — 254307号公报记载的方法，查出测量面2a 的中心。接着，在测量面2a上，使探头5在二维方向(X轴和Y轴方向)或一 维方向(X轴方向或Y轴方向)进行面扫描或线扫描，求出高度方向数据(Z)，从 而测量被测体2的测量面2a的形状。测量形状时，预先设定沿探头5的扫描方向的恒定固定的取样间距，以每 一取样间距取得测量数据。这里说的探头5的扫描方向是指二维方向(X轴和Y 轴方向)或一维方向(X轴方向或Y轴方向)，是X-Y平面上的移动距离。例如 在仅X方向的一维方向作线扫描时，根据探头5在X轴方向移动的距离，每 一规定值取入测量数据。上文所述那样预先设定沿探头5的扫描方向的取样间距后进行测量时，按 恒定的取样间距取得测量数据，与被测体2的形状无关。g卩，例如测量具有镜 那样接近平面的形状的被测体2时，或例如测量透镜那样测量面的倾斜角具有 大于60度(deg.)的角度的被测体2时，都按同样(恒定)的取样间距进行取入。然而，此情况下，测量具有镜那样接近平面的形状的被测体2时，如果按 规定的值将沿探头5的扫描方向的取样间距固定，则即使试置换成沿表面形状 的取样间距，也按恒定间隔取得测量数据，但测量透镜那样测量面的倾斜角具 有大于60度的角度的被测体2时，试将在探头5的行进方向按恒定间距固定 的取样间距置换成沿被测体2的表面形状的取样间距，则由于被测体2的表面 形状对X-Y平面的倾斜所呈现的倾斜角，探头5实际移动的三维的取样间距 变化，倾斜角越大，取样间距越大。例如，考虑对图10所示半径R:5毫米(mm)的球面以在X轴方向作线扫 描的方式进行测量的情况。这里，设定成一面使移动体3往仅X轴方向的一维 方向移动、 一面利用探头5进行扫描的情况下，对作为探头5的行进方向的X 轴以3，=0.1毫米的等间距进行取样，则在s'-sl，二s2，^…=sn，的条件下， 取得测量数据。在作为被测体2的球面的顶点附近的倾斜角较小的附近，沿表 面方向的间距sl也能作为实质上O.l毫米的间距。然而，从顶点往X轴方向移动4.3毫米时，被测体表面的倾斜角变成约60度，但将该位置的取样间距 sn，置换成沿被测体2的表面方向的间距sn时，间距sn扩大为0.2毫米。这意 味着被测体2的表面倾斜角越大，沿表面的间距(移动量)越扩大，成为实际的 探头5的移动量存在波动的状态下测量被测体2的表面形状，欠佳。作为可对付此弊病的决定取样间距的另一种方法，例如日本国特开2005 一345123号公报记载按照被测体表面状态判断结果决定参数的方法。这里，表面状态是指沿探头行进方向的所述被测体表面的表面方向变化 率、曲率半径、粗造度、波纹度的至少一方；除取样间距外，还按照表面状态 的判断结果调整探头的行进速度等，从而带来测量时间縮短或测量精度提高。专利文献3中，记载将作为一种表面状态的曲率半径用作决定取样间距的 参数，例如以在X轴方向作线扫描的方式测量球面时，考虑所述将作为一种表 面状态的用作决定取样间距的参数的情况，则对作为探头行进方向的X轴方向 总具有恒定的曲率半径，所以将沿表面的扫描位置作为坐标时，能一面使沿表 面的取样间距恒定、 一面进行测量。然而，将图ll所示具有非球面形状的透镜作为一个例子，考虑以往X轴 方向作线扫描的方式进行测量的情况，则难沿表面形状按恒定取样间距取得测 量数据。下面阐述这点。作为此情况的一个例子举出的透镜，将通过作为顶点 的原点的法线作为中心轴，具有旋转对称的非球面形状，并且直径为19毫米， 在Z轴方向的变化量为约3.5毫米。求此透镜在各扫描位置的曲率半径时，由 图12所示，曲率半径慢慢变化，中心附近的曲率半径为约16毫米，而外周附 近的曲率半径为约8毫米，曲率半径变化达减小一半的程度。这里，图12的 横轴表示非球面形状的被测体的半径方向的位置(坐标)。利用上述方法决定的 取样间距如图13所示，由于按照曲率半径从Rmin慢慢变化到Rmax，与中心 附近曲率半径大的部分的取样间距相比，远离中心的曲率半径小的部分的取样 间距较小，难沿表面形状按恒定取样间距取得测量数据。这里，图13中，(1)假设Rmir^8毫米、Rmax二16毫米、取样间距Lmin =0.1毫米、Lmax = 0.2毫米的情况，并且(2)假设Rmin = 8毫米、Rmax = 16 毫米、取样间距Lmin二0.09毫米、Lmax = 0.11毫米的情况，以在X轴方向作 线扫描的方式测量图11所示具有非球面形状的透镜时， 一面使取样间距如图14那样变化、 一面进行测量。通过改变取样间距的设定，能按接近等间距的形 状进行测量，但难沿表面形状按恒定取样间距取得测量数据。如上所述，已有的测量方法对光学元件或金属模等中具有非球面形状的被测体2不能沿被测体2的表面形状设定恒定的取样间距，所以难高精度取得测 量数据。
技术实现思路
本专利技术解决上述课题，其目的在于提供一种即使被测体具有非球面形 状也能精度极高取得测量数据的。为了解决上述课题，本专利技术的，对取得测量数据的取样 间距，算出沿探头扫描方向的取样间距，并且用根据该值决定的取样间距取得 测量数据，以便能从设计数据等被测体的已得形状信息沿被测体的表面形状按 恒定间隔取得测量数据。艮P，其特征为将以从往被测体的已得形状信息得到的扫描上各位置的被 测体的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维形状测量方法，其特征在于，　使在往相互正交的Ｘ轴方向和Ｙ轴方向驱动的移动体（１）上支撑成往Ｚ轴方向移动自如的探头（５）在被测体（２）的测量面（２ａ）沿规定的路径扫描，以测量被测体（２）的形状，　将以从往被测体（２）的已得 形状信息得到的扫描上各位置的被测体（２）的测量面（２ａ）法线方向拉长的直线与被测体（２）的中心线的交点为中心，并且在被测体（２）的表面上的位置与被测体的表面形状接合的圆作为近似圆，根据该近似圆的半径算出取得被测体（２）的测量数据的取样间距。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：八田健一郎，堤英贵，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]