三次元形状測定方法

【課題】被測定物が非球面形状であっても、極めて高精度に測定データを取得することができる三次元形状測定方法を提供する。
【解決手段】互いに直交するＸ軸およびＹ軸方向に駆動される移動体においてＺ軸方向に移動自在に支持されたプローブを、被測定物の測定面に、所定の経路に沿って走査させて前記被測定物の形状を測定する三次元形状測定方法であって、測定時にＸ−Ｙ方向に移動する移動体の移動量を基準として測定データを取得するサンプリングピッチを、被測定物の既得形状情報から得られる走査上の各位置における被測定物の測定面の法線方向に引いた直線と、被測定物の中心線と、が交わる点を中心として、前記表面上の位置で被測定物の表面形状と接する円を近似円とし、その近似円の半径から算出する。これにより、被測定物の表面形状に沿う方向に対して一定のピッチで測定データを取り込むことができる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非球面レンズ等の光学部品や金型等の被測定物の表面を走査して、被測定物の形状測定や粗さ測定等を超高精度に行う三次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学部品や金型等の被測定物の表面を走査して、被測定物の形状を高精度に測定する方法として、三次元形状測定装置の利用が既に広く知られている。一般に三次元形状測定装置は、接触型または非接触型のプローブを被測定物に近づけ、両者がほぼ一定の距離またはほぼ一定の力になるようにプローブ位置を制御しながら、上記被測定物の測定面に沿って上記プローブを移動させ、上記被測定物の測定面形状を測定するものである。
【０００３】
このような三次元形状測定装置の一つとして、レーザ測長器と基準平面ミラーを利用した三次元形状測定装置が、例えば特許文献１に開示されている。この三次元形状測定装置について、図９を用いて説明する。
【０００４】
三次元形状測定装置２０は、石定盤１上に設置されたレンズ等の被測定物２の測定面２ａに、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向に移動自在の原子間力プローブ５の先端を追従させて、被測定物２の測定面形状を測定するように構成されている。ここで、被測定物２を搭載する石定盤１には、Ｘステージ９及びＹステージ１０を介してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動自在の移動体３が載せられ、この移動体３に、Ｚ軸方向に移動自在のＺ軸移動体１１が取り付けられ、さらにこのＺ軸移動体１１に上記原子間力プローブ５が取り付けられている。そして、移動体３をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させた際に、Ｚ軸移動体１１および原子間力プローブ５がＺ軸方向に移動することで、被測定物２の測定面２ａの形状に追従して原子間力プローブ５を走査できる構成となっている。
【０００５】
石定盤１には、支持部を介してＸ参照ミラー６、Ｙ参照ミラー７、Ｚ参照ミラー８が配置されているとともに、移動体３にはレーザ測長光学系４が設けられており、既知の光干渉法により、Ｘ参照ミラー６を基準としたプローブ５のＸ座標、Ｙ参照ミラー７を基準としたプローブ５のＹ座標、Ｚ参照ミラー８を基準としたプローブ５のＺ座標がそれぞれ測長される。
【０００６】
このような三次元形状測定装置２０における三次元形状の測定手順について以下に説明する。最初に、被測定物２の測定面２ａにおける形状に関する設計情報を、三次元形状測定装置２０に付属する演算処理装置に入力する。次に、プローブ５を被測定物２の測定面２ａに一定の測定圧で追従させ、特許文献２に記載されている方法等で、測定面２ａの中心出しを行う。次に、測定面２ａ上において、プローブ５を２次元方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）または１次元方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）に面走査または線走査して、高さ方向データ（Ｚ）を求め、被測定物２の測定面２ａの形状を測定する。
【０００７】
形状を測定する際は、プローブ５の走査方向に沿った一定の固定されたサンプリングピッチを予め設定しておき、サンプリングピッチ毎に測定データを取得する。ここでいうプローブ５の走査方向とは、２次元方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）または１次元方向（Ｘ軸方向またはＹ軸方向）のことで、Ｘ−Ｙ平面上の移動距離のことである。例えばＸ軸方向のみの１次元方向に線走査する場合には、プローブ５がＸ軸方向に移動した距離によって所定値毎に測定データを取り込むようになっている。
【０００８】
上記のように、プローブ５の走査方向に沿ったサンプリングピッチを予め設定してから測定する場合、被測定物２の形状に関わらず、一定のサンプリングピッチで測定データを取得することになる。つまり、例えばミラーのように平面に近い形状を有するような被測定物２を測定する場合でも、例えばレンズのように測定面の傾斜角が６０ｄｅｇ．（６０度）を越す角度を有するような被測定物２を測定した場合でも、同様（一定）のサンプリングピッチで取り込まれる。
【０００９】
しかし、この場合に、ミラーのように平面に近い形状を有するような被測定物２を測定した場合、プローブ５の走査方向に沿ったサンプリングピッチが所定の値で固定されていれば、表面形状に沿ったサンプリングピッチに置き換えてみても一定の間隔で測定データを取得していることになるが、レンズのように測定面の傾斜角度が例えば６０ｄｅｇ．を越す角度を有するような被測定物２を測定した場合、プローブ５の進行方向に一定のピッチで固定したサンプリングピッチを、被測定物２の表面形状に沿ったサンプリングピッチに置き換えてみると、Ｘ−Ｙ平面に対する被測定物２の表面形状の傾きで表される傾斜角度によって実際にプローブ５が移動する三次元のサンプリングピッチが変化し、傾斜角度が大きい部分になるほどサンプリングピッチが大きくなってしまう。
【００１０】
例えば、図１０に示すような半径Ｒ＝５ｍｍの球面を、Ｘ軸方向に線走査して測定する場合を考える。ここで、移動体３をＸ軸方向のみの１次元方向に移動させながらプローブ５により走査する場合、プローブ５の進行方向であるＸ軸に対してｓ’＝０．１ｍｍの等ピッチでサンプリングを行うように設定すると、ｓ’＝ｓ１’＝ｓ２’＝・・・＝ｓｎ’という条件で測定データが取得される。被測定物２である球面の頂点付近の傾斜角度が比較的小さい付近では、表面方向に沿ったピッチｓ１もほぼ０．１ｍｍのピッチとみなすことができる。しかしながら、頂点からＸ軸方向に４．３ｍｍ移動した場合、被測定物表面の傾斜角度は約６０ｄｅｇ．になるが、その位置でのサンプリングピッチｓｎ’を被測定物２の表面方向に沿ったピッチｓｎに置き換えると、ピッチｓｎは０．２ｍｍに広がってしまう。これは、被測定物２の表面の傾斜角度が大きくなるほど、表面に沿ったピッチ（移動量）が広がってしまうことを意味しており、実際のプローブ５の移動量にばらつきがある状態で被測定物２の表面形状を測定することとなり、好ましくない。
【００１１】
このような不具合に対処可能なサンプリングピッチを決定する別途方法として、被測定物の表面状態の判定結果に応じてパラメータを決定する方法が例えば特許文献３に記載されている。
【００１２】
ここで、表面状態とは、プローブの進行方向に沿った前記被測定物表面の表面方向変化率、曲率半径、粗さ、うねりの少なくとも何れかのことであり、サンプリングピッチの他にもプローブの進行速度等を表面状態の判定結果に応じて調整することにより、測定時間の短縮、あるいは測定精度の向上につながる。
【００１３】
特許文献３においては、表面状態の１つである曲率半径を、サンプリングピッチを決定するパラメータとして用いることが記載されており、例えば、球面をＸ軸方向に線走査して測定する場合、前記表面状態の１つである曲率半径を、サンプリングピッチを決定するパラメータとして用いる場合を考えると、プローブの進行方向であるＸ軸方向に対して常に一定の曲率半径を持っているため、表面に沿った走査位置を座標とした場合に、表面に沿ったサンプリングピッチを一定にしながら測定することが可能となる。
【００１４】
しかしながら、図１１に示すような非球面形状を有するレンズを一例として、Ｘ軸方向に線走査して測定する場合を考えると、表面形状に沿って一定のサンプリングピッチで測定データを取得することが困難である。この点について以下に述べる。この一例として挙げたレンズは、頂点である原点を通る法線を中心軸として回転対称な非球面形状を有し、直径が１９ｍｍ、Ｚ軸方向の変化量が約３．５ｍｍのレンズである。このレンズの各走査位置における曲率半径を求めると、図１２に示すように曲率半径が徐々に変化しており、中心付近の曲率半径が約１６ｍｍであるのに対して、外周付近の曲率半径は約８ｍｍとなっており、半分程度の曲率半径まで変化している。ここで、図１２における横軸は、非球面形状の被測定物の半径方向の位置（座標）を示している。前記方法によって決定されるサンプリングピッチは、図１３に示すようにＲｍｉｎからＲｍａｘまで曲率半径に応じて徐々に変化していくため、中心に近い曲率半径の大きい部分のサンプリングピッチと比べて、中心から遠い曲率半径の小さい部分のサンプリングピッチが細かくなることになり、表面形状に沿って一定のサンプリングピッチで測定データを取得することが困難である。
【００１５】
ここで、図１３において（１）Ｒｍｉｎ＝８ｍｍ、Ｒｍａｘ＝１６ｍｍ、サンプリングピッチＬｍｉｎ＝０．１ｍｍ、Ｌｍａｘ＝０．２ｍｍと仮定した場合、および（２）Ｒｍｉｎ＝８ｍｍ、Ｒｍａｘ＝１６ｍｍ、サンプリングピッチＬｍｉｎ＝０．０９ｍｍ、Ｌｍａｘ＝０．１１ｍｍと仮定した場合に、図１１に示した被球面形状を有するレンズをＸ軸方向に線走査して測定するとき、サンプリングピッチは図１４のように変化しながら測定を行うことになる。サンプリングピッチの設定を変えることによって、等ピッチに近い形状で測定することはできるようになるが、表面形状に沿って一定のサンプリングピッチで測定データを取得することが困難である。
【特許文献１】特開２００６−１０５７１７号公報
【特許文献２】特開平２−２５４３０７号公報
【特許文献３】特開２００５−３４５１２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
上述したように、従来の測定方法では、光学部品や金型等の中で非球面形状を有する被測定物２については、被測定物２の表面形状に沿って一定のサンプリングピッチに設定することができないため、高精度に測定データを取得することが困難である。
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するもので、被測定物が非球面形状を有するものであっても、極めて高精度に測定データを取得することができる三次元形状測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために本発明の三次元形状測定方法は、測定データを取得するサンプリングピッチについて、設計データ等の被測定物の既得形状情報から、被測定物の表面形状に沿って一定の間隔で測定データを取得することができるように、プローブの走査方向に沿ったサンプリングピッチを算出していき、その値をもとに決定されるサンプリングピッチを用いて測定データを取得する。
【００１９】
すなわち、測定時に移動体の移動量を基準として測定データを取得するサンプリングピッチを、被測定物の既得形状情報から得られる走査上の各位置における被測定物の測定面の法線方向に引いた直線と、被測定物の中心線と、が交わる点を中心として、表面上の位置で被測定物の表面形状と接する円を近似円とし、その近似円の半径から算出することを特徴とする。
【００２０】
より詳しくは、設計データ等の被測定物の既得形状情報から被測定物の表面形状に沿って一定の間隔で測定データを取得することができるようなサンプリングピッチを算出する方法として、プローブが走査する各位置での被測定物の表面形状の傾斜角度と、その位置で近似的に求められる近似円の半径から算出する方法である。近似円を求める方法としては、プローブが走査する各位置での表面形状の法線と、被測定物の設計データ等からわかる被測定物の原点を通る法線とが交わる点を作成し、その点を中心として被測定物の表面上の各位置で表面形状と接する円を近似円として決定する。この近似円の半径を用いてその次に測定データを取得する位置を計算し、計算結果からプローブの走査方向であるＸ−Ｙ平面上のサンプリングピッチを順次決定していくことにより、被測定物の表面形状に沿ったピッチが一定になるように設定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の三次元形状測定方法によれば、被測定物の形状が非球面形状のような場合でも、測定位置の傾斜角度によらず表面形状に沿って一定のサンプリングピッチでデータを取り込むことができるため、極めて高精度に測定データを取得することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に係る三次元形状測定方法について図面を参照しながら、説明する。なお、この三次元形状測定方法に用いる三次元形状測定装置の構造については、図９に示した従来の三次元形状測定装置と同様であるので、これに関しては説明を省略する。また、三次元形状測定装置の各構成要素には同符号を付す。
【００２３】
本発明における三次元形状測定方法について、図１に示すフローチャートを用いて説明する。まず、被測定物２の設計情報（形状情報を含む）、Ｘ−Ｙ軸方向に沿った速度、走査範囲等のプローブ５の動作条件、表面形状に沿ったサンプリングピッチ等を、演算処理装置へ入力する（ステップＳ１〜Ｓ３）。次に、形状測定の前段階として、プローブ５を被測定物２の測定面に一定の測定圧で追従させて、被測定物２の中心付近を走査した結果と設計データ等の形状情報とを元にして、中心出しを行う（ステップＳ４）。中心出し後、形状測定を行う。この形状測定は、予め設定した速度等の動作条件に基づいて、Ｘステージ９及びＹステージ１０を駆動させて、プローブ５をＺ軸方向に移動自在に支持する移動体３をＸ−Ｙ軸方向に移動させる（ステップＳ５）。これにより、被測定物２のＺ軸方向の形状変化に追従してプローブ５がＺ軸方向に移動する（ステップＳ６）。このときのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸方向の座標値を、予め設定しておいたサンプリングピッチに従って測定データを取得していく（ステップＳ７、Ｓ８）。
【００２４】
その際の測定データの取得方法であるが、図２に示すように、被測定物２の設計情報を取得（入力）した（ステップＳ１１）後に、まずは測定前に被測定物２の表面形状に沿ったサンプリングピッチを決定（入力）する（ステップＳ１２）が、被測定物の表面形状に沿ったピッチとして設定したサンプリングピッチｓを元に、プローブの進行方向であるＸ−Ｙ軸方向に移動した距離に対するサンプリングピッチｓ’に予め置き換えておき、実際の測定時にはｓ’を元にして、プローブ５をＸ−Ｙ軸方向に移動させた距離を元にして測定データを取得していく。
【００２５】
ここで、被測定物２の表面形状に沿った一定のサンプリングピッチｓで測定データを取り込むように設定した場合の、プローブ５の進行方向であるＸ−Ｙ軸方向に移動した距離に置き換えられるサンプリングピッチｓ’の決定方法について説明する。まずは、プローブ５をＸ軸方向のみの１次元方向に線走査して、測定データを取得する際の方法について説明する。
【００２６】
図３に示すように、プローブ５の進行方向であるＸ−Ｙ軸方向に移動する距離に置き換えられるサンプリングピッチｓ’を決定するために、まずは、被測定物２の表面形状に沿った距離として設定したサンプリングピッチｓと、設計データ等の被測定物２の既得表面形状情報から計算される被測定物２の表面形状の傾斜角度θと、表面形状の接線方向に引いた直線とからサンプリングピッチｓ’を求めて行く場合を考える。ここでは、プローブ５をＸ軸方向に線走査して測定する場合について、そのサンプリングピッチｓ’の算出方法について説明する。具体的にはまず、表面形状のある位置に接線を引く。次に、その接線を引いた位置から次の測定データを取得する位置の方向に向かって、接線の長さがサンプリングピッチｓと同じになる位置を求め、この位置までのプローブ５の移動距離をＸ−Ｙ軸方向に移動した距離に置き換えられたサンプリングピッチｓ’として決定していく。つまり、被測定物２の傾斜角度がθの位置での、進行方向の移動量（サンプリングピッチ）ｓ’を計算すると、
ｓ’＝ｓ・ｃｏｓθ
の関係が成り立つ。
【００２７】
この式から、被測定物２の傾斜角度θに応じて、進行方向に沿ったサンプリングピッチｓ’の設定を簡単な計算から行うことができる。
しかしながら、この式によりサンプリングピッチｓ’を設定した場合、取得した測定データは被測定物２の傾斜角度が大きくなるほど実際の表面形状に沿ったサンプリングピッチが大きくなり、設定したサンプリングピッチと比べて誤差が大きくなる。例えば、半径５ｍｍの球面を測定した場合を考える。このときの条件として、Ｘ軸方向に沿った一方向のみの線走査の場合を考え、表面形状に沿ったサンプリングピッチを０．１ｍｍに設定して測定した場合を考える。図４に示すように、傾斜角度θが大きくなるにつれて、表面形状に沿った実際のサンプリングピッチｓの誤差が大きくなってしまうため、被測定物２の表面の傾斜角度θのみからサンプリングピッチｓ’を決定しても、表面形状に沿った等ピッチでの測定は難しい。
【００２８】
そこで、本発明の三次元形状測定方法では、上記被測定物２の表面の傾斜角度θを用いて算出すること（ステップＳ１３）に加えて、表面の接線を引いた位置で表面形状と接する近似円を設定し、その近似円の半径Ｒ’を用いてＸ−Ｙ軸方向に移動した距離に置き換えられるサンプリングピッチｓ’の計算を行う（ステップＳ１４〜Ｓ１６）。これにより、より等ピッチで測定（ステップＳ１７）が可能となる。
【００２９】
この方法についてより詳しく説明し、この場合も同様に、プローブ５をＸ軸方向に線走査して測定する場合について説明する。図５に示すように、まずは被測定物２の設計データ等の形状情報から、表面の位置（Ｘ_ｉ、Ｚ_ｉ）における傾斜角度θ_ｉを求める。ここまでは前記の方法と変わらない。次に、表面の位置（Ｘ_ｉ、Ｚ_ｉ）における傾斜角度θ_ｉを参照して法線方向の直線を求める。また、被測定物２の原点を通る被測定物２の中心線Ｔを求め、これら２つの直線が交わる点を作成する。この点をＰ_ｉ（０、Ｚ_０ｉ）として、この点Ｐ_ｉを中心にして、被測定物２の表面の位置（Ｘ_ｉ、Ｚ_ｉ）で被測定物２の表面と接するような円を作成し、この円を近似円とする。中心点Ｐ_ｉ（０、Ｚ_０ｉ）と表面の位置（Ｘ_ｉ、Ｚ_ｉ）との距離が近似円の半径Ｒ_ｉ’となるので、Ｒ_ｉ’は、
Ｒ_ｉ’＝Ｘ_ｉ／ｓｉｎθ_ｉ
から算出することができる。この円が近似的に被測定物２の形状を表すことができるとみなし、円弧にあたる部分の距離が、表面形状に沿った距離として設定したサンプリングピッチと同一距離になるように角度αを算出する。サンプリングピッチｓと近似円半径Ｒ’、および角度αには次の関係がある。
【００３０】
ｓ＝Ｒ’・α
このようにして算出した角度αに基づいて、表面の位置（Ｘ_ｉ、Ｚ_ｉ）から半径Ｒ’の円に沿って距離ｓだけ進んだところが次のサンプルピッチの点（Ｘ_ｉ＋１、Ｚ_ｉ＋１）であるとしてこの値を求める。この位置は被測定物の表面上の位置とは厳密にはずれているため、Ｘ_ｉの座標を次に測定データを取得する点として設定する。このようにすれば、Ｘ−Ｙ軸方向に移動した距離に置き換えられるサンプリングピッチｓ’は、
ｓ’＝Ｘ_ｉ＋１−Ｘ_ｉ
となり、この計算を順次繰り返していくことによりＸ−Ｙ軸方向に移動した距離に置き換えられるサンプリングピッチｓ’を決定することができる。
【００３１】
ここで、図１１に示すような非球面形状を有するレンズを被測定物２の一例として、ＸＸ軸方向に線走査して測定する場合を考える。この被測定物２の一例として挙げたレンズは、頂点である原点を通る法線を中心軸として回転対照な非球面形状を有する。このような形状を有する被測定物２は、原点を通る法線は中心軸と一致するため、近似円の中心は、（０、Ｚ_０ｉ）となる。
【００３２】
前記表面座標（Ｘ_ｉ、Ｚ_ｉ）は、近似円の中心Ｐ_ｉを原点とした新たな座標で考えると、（Ｒ_ｉ’・ｓｉｎθ、Ｒ_ｉ’・ｃｏｓθ）となる。近似半径の中心を原点とした角度αの回転を考える場合、次なるサンプリング位置の計算式は、
【数１】

【００３３】
となる。ここで、上式より導き出された表面座標Ｘ_ｉ＋１から、上記と同様に表面座標Ｘ_ｉ＋１における被測定物２の近似円の曲率半径および傾斜角度を求め、その値を元に次なるサンプリング位置Ｘ_ｉ＋２を決めていく。このような計算を順次繰り返していき、これを元に予めＸ−Ｙ軸方向に沿ったピッチに変換してから測定を行うことにより、測定データをより等ピッチで取得することができる。
【００３４】
このようにしてサンプリングピッチを決定したときに、非球面の表面形状に沿ったピッチとの誤差について、従来例と比較しながら図６に示す。ここでは、図１１に示した非球面形状を有するレンズを被測定物２の対象として、頂点である原点を通る法線を中心軸として回転対称な非球面形状を有し、直径が１９ｍｍ、Ｚ軸方向の変化量が約３．５ｍｍのレンズである。プローブ５の走査方法は、Ｘ軸方向に沿った１方向のみの線走査を行う場合について検討した。図６において、の従来例（１）とは、予めプローブ５の走査方向であるＸ軸方向に沿ったサンプリングピッチを固定値で設定しておき、サンプリングピッチ毎に測定データを取得する従来の方法であり、サンプリングピッチを０．１ｍｍに固定して測定データを取得したときの結果である。従来例（２）は、被測定物の表面の曲率半径からサンプリングピッチを変化させながら測定データを取得する方法で、図１３における設定値をＲｍｉｎ＝８ｍｍ、Ｒｍａｘ＝１６ｍｍ、サンプリングピッチＬｍｉｎ＝０．０９ｍｍ、Ｌｍａｘ＝０．１１ｍｍと設定した場合に、測定データを取得した時の結果である。これに対し、表面形状に沿ったサンプリングピッチを設定した際に上記方法にてＸ−Ｙ軸方向に沿ったピッチに変換してから測定データを取得した場合、非球面形状を有するレンズを測定したときについては、実際には測定データ取得位置の誤差等により、ナノメートルオーダでの誤差が発生するが、ほぼ一定のピッチで高精度に測定データを取得できていることがわかる。
【００３５】
また、上記測定方法に関する説明は、Ｘ軸と平行にプローブ５を移動、もしくはＹ軸と平行にプローブ５を移動、というように１方向のみにプローブ５を走査するような線走査測定の場合で説明したが、その他の走査方法も適用可能である。まず１つ目の方法として、図７（ａ）、（ｂ）に示すように円周状に測定を繰り返すことによって表面形状を走査する方法がある。この測定はＸ−Ｙ軸方向に互いに直行しているＺ軸と平行に回転対称軸を持ち、その軸を中心として回転対称な形状を有するような被測定物２を測定する場合に有効な測定方法である。この測定では、回転対称軸を中心として、円を描くようにプローブ５が移動し、予め設定したサンプリングピッチに基づいて測定データを取得する。このときに設定するサンプリングピッチは、プローブ５のＸ−Ｙ軸方向への移動距離が一定になるように設定、もしくはプローブ５がＸ−Ｙ軸方向に移動した軌跡が描く円を等分割するようにサンプリングピッチを設定しておく方法でもよい。１周回が終了すればプローブ５が移動した軌跡で描かれた円の法線方向に沿って一定量だけ移動し、その後にまたプローブ５の軌跡が円を描くように走査しながら測定エータを取得していく。このときの、プローブ５が移動した軌跡で描かれた円の法線方向に沿って一定量だけ移動する量を、フィード量と呼ぶ。このフィード量だけプローブ５が移動した後は、また先ほどと同様に原点回りに円を描くようにＸステージ９及びＹステージ１０を移動していくということである。
【００３６】
この測定の場合、走査時に作成される円の法線方向への移動量であるフィード量として、上記サンプリングピッチを算出した方法によって傾斜角度に応じたフィード量を設定することにより、被測定物２の表面形状に沿って一定のフィード量を設定することができる。
【００３７】
具体的な方法として、円周状に走査する際の開始点をＸ軸上の＋側から開始し、Ｘ−Ｙ平面上で反時計回りに円を描く走査を行う。１周回した後に再びＸ軸上までプローブ５が移動してきた時点で、所定のフィード量だけ移動させ、またＸ軸上の＋側から円周上に走査を開始するわけだが、このときのフィード量の決定の際には、このＸ軸上の開始点の決定にあたって、被測定物２の傾斜角度と近似円から算出した量をフィード量として決定する。この方法により、例えばＸ−Ｚ平面で断面を作成した場合に、断面上の測定位置をつなぎ合わせていくと、上記軸方向にのみステージが移動したときと同様に表面形状に沿って一定のサンプリングピッチで測定データを取り込むことができる。
【００３８】
次に２つ目の方法として、例えば図８に示すようにプローブ５の移動をＹ軸方向には固定した状態でＸ軸方向にのみ移動し、予め設定したサンプリングピッチに基づいて測定データを取得する。所定の区間の測定が終了すれば、Ｙ軸方向に一定の量だけプローブ５を移動する。この移動量をフィード量と呼ぶ。その後は先ほどと同様にＸ軸方向にプローブ５を移動させて測定することを繰り返していく。
【００３９】
このときのサンプリングピッチの決定方法であるが、例えば図８の場合においては、走査時に作成される線分を通るＸ−Ｚ平面で断面を作成し、その断面上で算出される傾斜角度と近似円の半径を求めることにより、各線分上でのサンプリングピッチを決定していくことができる。
【００４０】
また、このときのフィード量については、上記円周状に測定する１つ目の方法と同様に、上記サンプリングピッチを算出した方法によって傾斜角度に応じたフィード量を決定してもよい。
【００４１】
なお、上記実施の形態では、既得設計情報として設計データの形状情報を用いた場合を述べたが、これに限るものではなく、既得設計情報として被測定物を測定することにより得られた形状データの情報を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明の三次元形状測定方法は、三次元形状測定装置のほかにも、表面粗さ測定機等にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態である三次元測定方法の測定方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】本発明の実施形態である表面形状に沿って一定の間隔で測定データを取得するためのサンプリングピッチを決定するフローチャートである。
【図３】被測定物の各位置での傾斜角度のみによってサンプリングピッチを変換する方法を概略的に示した図である。
【図４】被測定物の各位置での傾斜角度のみによってサンプリングピッチを変換する方法で球面を測定した場合に生じるサンプリングピッチの誤差量を表す図である。
【図５】被測定物の各位置での傾斜角度、近似円からサンプリングピッチを変換する方法を概略的に示した図である。
【図６】被測定物の各位置での傾斜角度、近似円からサンプリングピッチを変換する方法で実際に非球面を測定した際に生じた誤差量を示した図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ被測定物を円周状に測定する方法を概略的に示した斜視図および平面図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ被測定物をＹ軸方向に一定量移動させながらＸ軸方向に繰り返し測定する方法を概略的に示した斜視図および平面図である。
【図９】三次元形状測定装置の構成例を示す斜視図である。
【図１０】従来の三次元形状測定方法で測定データを取得した場合のサンプリングピッチを示す図である。
【図１１】非球面形状を有するレンズの一例である。
【図１２】図１１におけるレンズの曲率半径の変化を示す図である。
【図１３】従来の方法における曲率半径とサンプリングピッチの関係を示す図である。
【図１４】図１３における各種条件を設定した場合に、プローブの移動量とサンプリングピッチの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４４】
１石定盤
２被測定物
２ａ測定面
３移動体
５原子間力プローブ
６Ｘ参照ミラー
７Ｙ参照ミラー
８Ｚ参照ミラー
９Ｘステージ
１０Ｙステージ
１１Ｚ軸移動体
２０三次元形状測定装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に駆動される移動体においてＺ軸方向に移動自在に支持されたプローブを、被測定物の測定面に、所定の経路に沿って走査させて前記被測定物の形状を測定する三次元形状測定方法であって、
測定時に移動体の移動量を基準として測定データを取得するサンプリングピッチを、
被測定物の既得形状情報から得られる走査上の各位置における被測定物の測定面の法線方向に引いた直線と、被測定物の中心線と、が交わる点を中心として、前記表面上の位置で被測定物の表面形状と接する円を近似円とし、その近似円の半径から算出することを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項２】
測定データのサンプリングピッチを設定するに際して用いられる被測定物の既得形状情報が被測定物の設計データの形状情報であることを特徴とする請求項１記載の三次元形状測定方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の三次元形状測定方法を行う際に用いる測定装置であって、被測定物を設置する測定台上において水平でかつ互いに直交するＸ軸方向およびＹ軸方向に移動するステージと、前記Ｘ軸および前記Ｙ軸に互いに直交するＺ軸方向に上下移動するＺ軸移動体と、Ｚ軸移動体に取り付けられて被測定物の表面を測定するプローブと、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の座標値を測定データとして取り込む測定データ取込手段とを備えていることを特徴とする測定装置。

【図１】