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JP4125074B2 - Three-dimensional shape measurement method - Google Patents
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JP4125074B2 - Three-dimensional shape measurement method - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主としてレンズ、プリズムなどの光学素子及びその形状を測定する技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
レンズ、プリズムなどの光学素子の形状を三次元測定機を用いて測定する場合、測定対象となる被測定面が測定可能となるように、被測定物の位置および姿勢を測定治具または測定雇で固定した状態で測定が行われる。また、特に高精度な形状測定を行う場合、従来より測定基準を有する測定治具を用いている。
【0003】
ここで測定基準とは、図13に示すように、三次元測定機上の測定治具の位置を規定するための測定治具基準マーク3a〜3c、および測定治具に取り付けられた被測定物の治具上の位置を規定するための被測定物取付基準面2s〜2uを指す。
【0004】
図13において、被測定物1の形状測定時に測定治具2上の基準マーク位置3a〜3cを測定することにより、三次元測定機上における測定治具2本体の取付位置および姿勢が規定される。これより、三次元形状測定を行う際の被測定物1に対する測定基準が、三次元形状測定機上に設置された測定治具上に定められる。
【0005】
ここで、測定治具の設計・製作の過程において、測定治具内における測定治具基準マークの位置と被測定物取付基準面との位置関係を相対的に明らかにしておくことで、三次元測定機上に設定された前記測定基準点から測定治具内に設けられた被測定物取付基準面(点)までの位置関係が規定される。
【0006】
測定治具基準マーク位置と被測定物取付基準点との相対位置関係を規定する具体的な方法として、例えば両基準点を同一三次元測定機上で段取り変更せずに測定することにより規定する方法が採用されている。さらに、被測定物1内において測定治具への取付基準面と測定対象となる被測定面1aとの相対位置関係は、被測定物の設計値により規定される。なお、これらの規定された相対位置関係は全て座標変換として表すことが可能であり、この座標変換を用いることで所望の座標系(基準)における座標値として被測定面形状を把握することが可能である。これより、被測定面について図示しない三次元測定機装置制御部に指示した測定対象領域を高精度に形状測定することが可能となる。
【0007】
具体的な測定時の段取りの詳細について図13を用いて説明する。
【0008】
図13に示すように、被測定物1は三次元測定機上に設置(固定)された測定治具2に対し、取付基準面2s〜2uに被測定物1の基準面をつきあてた状態で固定される。この状態において、三次元測定機の測定用プローブ4は、図示するようにはじめに測定治具に取り付けられた基準マーク3a〜3cをそれぞれ走査し、測定機座標系における座標値としてマーク位置を測定する。これら3つのマーク位置(3点の装置座標)をもとに規定される測定治具上における基準座標系は、前述のようにあらかじめ明確にされており、測定治具内における被測定面1aの位置および姿勢をこの基準座標系で表現することが可能である。したがって、前述したとおり基準マークを測定用プローブ4で走査しマーク位置を測定したことで、上記の基準座標系の三次元測定機上における位置は装置座標として判明していることから、被測定面1aに関しても三次元測定機の装置座標系における座標値として面位置(姿勢)を表すことができる。
【0009】
この面位置情報(装置座標)をもとに、測定用プローブ4が被測定面1a上を走査することで、測定形状が三次元測定機の装置座標値として得られる。このとき、測定用プローブの接触式、非接触式は問わない。
【0010】
以上より、被測定物の形状測定時において、三次元測定機上の基準点に対する測定対象面形状の基準点の相対位置が規定され、三次元測定機座標系における座標値として出力される測定結果を、被測定物の測定対象面形状として得ることを可能にしている(特開平11-14906号公報)。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による三次元形状測定を行う場合、被測定物を測定治具に取り付けた状態において、測定治具に対する被測定物の取付誤差が必ず発生する。
【0012】
測定形状について形状評価を行う際、被測定面形状が設計値として既知の場合には、設計形状に対し測定形状を最小二乗法などを用いてフィッティングし、設計形状に対する測定形状の形状誤差を導出することが可能であり、一般にこのような評価方法が採用されている。このとき、同時に被測定面の面位置および姿勢に関しても、設計値に対する位置および姿勢誤差として求められる。しかしながら、前記した被測定物の測定治具に対する取付誤差が必ず存在するため、この取付誤差が前記フィッティング処理において算出される位置・姿勢誤差の中に含まれてしまう。すなわち、被測定物の設計値に対する位置・姿勢誤差に関しては、従来技術では高精度に求めることが不可能だった。
【0013】
上記課題について、被測定物である光学素子内において、面形状測定対象すなわち被測定面となる光学有効面が1面のみの光学素子に対し面形状測定を行う場合について、被測定面の位置および姿勢誤差を従来技術では高精度に求めることが困難である理由について、以下に説明する。
【0014】
被測定物に対し三次元形状測定機を使用して1面のみについて面形状を測定する場合、従来技術で説明したとおり、基準マークを有する測定治具に被測定物を取り付けて、三次元測定機上で被測定面が測定可能な姿勢に設定して形状測定を行う。測定形状は使用した測定治具内の基準マークで規定される座標系、および測定治具内の被測定物を取り付けるための基準面と基準マークの位置関係などから、座標変換を用いて被測定面である光学有効面の設計形状を定義する座標系における座標値として得ることが可能である。これより、点群データとして得られた測定面形状について設計形状と同一座標系における比較評価が可能となり、一般的には最小二乗法などを用いたフィッティング処理による評価が行われる。
【0015】
このとき、フィッティング処理を行わずに測定形状から設計形状を差し引いた残差は、単純に被測定物の形状誤差として捉えられる。仮に被測定物が測定治具に対し取付誤差が無い状態で固定されていたとすると、前記誤差を設計形状に対する形状誤差として取り扱うことで、被測定面に対する高精度な形状評価が可能となる。
【0016】
一方、実際の形状測定では被測定物の測定治具に対する取付誤差が必ず発生する。したがって、測定形状から設計形状を差し引いて得られる形状誤差には、厳密にはこの測定治具に対する被測定物の取付誤差が含まれることになる。このような状態で測定された被測定面形状に対し前記フィッティング処理を行った場合、測定形状と設計形状の差分として求められた形状を、さらに形状誤差と位置および傾斜(姿勢)誤差とに割り振ることになる。ここで割り振られて求められた形状誤差と位置および傾斜誤差の中には、フィッティング処理前の測定形状と設計形状の間の差分形状に測定治具への取付誤差が含まれていることから、取付誤差についても割り振られた誤差量として算出されることになる。すなわち、測定結果に対する形状評価において前記形状誤差について評価することは、前記測定治具に対する取付誤差が含まれた形状評価となることから、高精度な形状評価を行うことが難しいという課題があった。
【0017】
同様に前記課題について、被測定物である光学素子内において、被測定面となる光学有効面が複数面(2面以上)存在する光学素子に対し面形状測定を行う場合について、被測定面の位置および姿勢誤差を従来技術では高精度に求めることが困難である理由を同様に説明する。
【0018】
1面のみ光学有効面を有する光学素子に対し三次元形状測定を行う場合と同様に、被測定面である光学有効面を複数面有する光学素子について面形状を測定する場合、従来技術で前記したとおり、基準マークを有する測定治具に被測定物を取り付けて、三次元測定機に対し被測定面が測定可能となるような姿勢で測定治具に固定された被測定物を設置して形状測定を行う。測定形状を光学有効面の設計形状を定義する座標系における座標値として得る方法に関しては、前記した光学有効面が1面のみの光学素子に対し面形状測定を行う場合と同様である。また、点群データとして得られた測定面形状について設計形状と比較評価する手法についても、前記した光学有効面が1面のみの光学素子に対し面形状測定を行う場合と同様である(最小二乗法などを用いたフィッティング処理)。
【0019】
このとき、被測定面となる光学有効面が複数面(2面以上)存在する場合には、特開2000−46543号公報に開示されている方法を採用することで、三次元測定機に対する被測定物の取付誤差を高精度に除去することが可能である。
【0020】
すなわち、測定治具に取り付けられた基準マークにより規定される基準座標系で共通に表された各被測定面形状データ(点群データ)に対し、測定を行った複数面の測定形状を同時に各面の設計形状に対し最小二乗法などを用いたフィッティング処理を実施する。これより、測定治具に対する被測定物の取付誤差を含む三次元測定機に対する被測定物の取付誤差を除去することが可能となり、各被測定面の相対的な位置関係を高精度に評価可能となる。
【0021】
光学有効面が複数面存在する光学素子の場合、各有効面の面位置および姿勢(光軸位置および姿勢)は、一般的に光学素子内に形成されている基準面(基準位置)に対して設計値として規定されている。したがって、複数面の光学有効面について形状測定評価を行う場合、各面について光学素子内の基準面に対する面位置および姿勢が高精度に評価可能である必要がある。
【0022】
しかしながら、前記フィッティング処理による方法を用いた測定形状評価では、被測定物すなわち光学素子内における被測定面すなわち光学有効面の相対的な位置関係に関する評価は高精度に可能だが、各被測定面について被測定物内における絶対的な位置および姿勢を把握することは困難である。これは、複数存在する被測定面が相対的な位置関係を保ちながら、全体的に被測定物内に形成された基準面に対する絶対的な位置および姿勢について設計値に対する誤差を含んでいるとき、同誤差は前記フィッティング処理演算においては測定治具に対する被測定物の取付誤差として認識され、複数ある被測定面の測定形状評価を行う際には除去されてしまうからである。
【0023】
このように、光学有効面が複数面存在する場合に関しては、各有効面の測定形状評価において各有効面の位置についてこの位置を規定する光学素子内に形成された基準面に対する位置誤差を高精度に評価することが困難であるという課題があった。
【0024】
従って、本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、三次元形状測定機による光学素子の形状測定において、被測定面である光学有効面の面形状の高精度な評価を可能とすることである。
【0025】
また、本発明の他の目的は、光学素子内の基準(面または位置)に対する光学有効面の位置および姿勢の設計値に対する誤差を高精度に測定評価可能とすることである。
【0040】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係わる三次元形状測定方法は、被測定物の光学有効面と連続する面内に形成され、その法線の方向が前記光学有効面の光軸の方向と略一致する第1の基準面の位置と、前記第1の基準面に直交する方向に形成された第2の基準面の位置と、前記第1及び第2の基準面の双方に直交する第3の基準面の位置とを、点座標測定手段により測定し、該測定された各基準面の位置に基づいて直交三軸座標系を求め、続いて前記被測定物の光学有効面の形状を前記点座標測定手段により測定し、前記光学有効面の形状データを前記直交三軸座標系の座標値に座標変換して、前記基準面に対する前記光学有効面の形状データを算出することを特徴としている。
【0041】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。
【0042】
まず、本実施形態の概要について説明する。
【0043】
本実施形態における光学素子は、被測定面となる光学有効面の面位置および姿勢を規定するための基準となり、かつ三次元測定機により測定可能とするために十分な領域を有する基準面を少なくとも1面有する。
【0044】
そして、この光学素子の三次元形状測定を実施する際は、形状測定評価対象となる光学有効面の形状測定時に、光学有効面を測定する段取りと同一段取りで、すなわち三次元測定機内に設置された被測定物である光学素子を測定機に対し動かさない状態で、光学素子内に形状創成された上記の基準面について形状測定を実施する。
【0045】
ここで、本実施形態における三次元形状測定装置は、光学有効面の形状測定および基準面測定を同一段取りで実施可能であるものとする。
【0046】
以上より、光学有効面の基準面に対する面位置および姿勢について、従来技術に比べ高精度に測定評価が可能となる。
【0047】
さらに、本実施形態の光学素子が一部品として組み込まれる光学装置において、この光学装置に光学素子を組み込む際に、従来技術により提供される光学素子を組み込む場合と比較して高精度な組み込みが容易であり、結果として光学装置の製造コスト低減を図ることができる。
【0048】
上記構成において、初めに光学素子内に基準面を形状創成し、さらにこの基準面と光学有効面を同一段取りで三次元形状測定することにより、設計値に対する光学有効面の面位置、姿勢について高精度な測定評価が可能となる作用について説明する。
【0049】
本実施形態における光学素子は、前述したとおり光学有効面の他に光学有効面位置を規定するための基準面を少なくとも1面有する。また本実施形態における三次元形状測定装置は、面形状測定手段の他に被測定物の任意の点の座標を測定する手段を有する。なお、この点座標測定手段は、この測定手段による測定を連続的に繰り返して点群データを取得することで、面形状データを得ることも可能であるものとする。さらに、本実施形態における三次元形状測定方法においては、前記面形状測定手段による光学有効面形状の測定と、前記点座標測定手段による光学素子内の基準面測定を、被測定物すなわち測定治具に取り付けられた光学素子を三次元測定機内において動かす(測定機に対し被測定物を着脱する)ことなく同一段取り下で測定する。
【0050】
以上の被測定物となる光学素子、この光学素子を測定することを目的とした三次元形状測定装置、および前記三次元形状測定方法を組み合わせることにより、本実施形態における光学素子に対し光学有効面形状測定を行う際に、従来高精度な測定が困難であった光学素子内に形状創成された基準面に対する光学有効面の位置および姿勢についても、従来と比較して高精度に測定可能となる。この作用の詳細について、以下に説明する。
【0051】
すなわち、本実施形態における光学素子および三次元形状測定装置および三次元形状測定方法によれば、被測定面となる光学有効面に対し面形状測定を行うことで、三次元測定機に固定された座標系(装置座標系)で表された座標データ群(点群データ)として面形状データが得られる。また、段取り変更することなく前記基準面についても点座標測定手段により測定を行うことで、基準面についても前記装置座標系の座標データとして同様にデータが取得可能である。
【0052】
したがって、同一座標系(装置座標系)で表された光学有効面形状データおよび基準面座標データを使用して座標変換演算を行うことにより、基準面座標データで規定される被測定物基準座標系における座標データ群として前記光学有効面形状データを表すことが可能となる。
【0053】
なお、ここで表される光学有効面形状は、被測定物である光学素子に形状創成された基準面の面数に対応した自由度について、光学有効面の基準面に対する位置および姿勢を把握することができることになる。これは、従来の基準マークを有する測定治具を用いた形状測定方法では除去することが困難だった、測定治具に対する被測定物の取付誤差が除去可能となることを意味する。
【0054】
このように、本実施形態によれば、基準面を光学有効面測定と同一段取りで測定することにより、前記基準面に対する光学有効面の位置および姿勢に関して、従来除去することが困難であった測定治具に対する被測定物の取付誤差を除去することが可能となり、高精度に測定評価が可能となる。
【0055】
次に、光学素子内に基準面を形状創成することにより、この光学素子を一部品として構成される光学装置に組み込む際の組み込み精度向上、および光学装置の製造コスト低減を図ることが可能となる作用について説明する。
【0056】
従来技術による光学素子では、この光学素子内に基準面が形成されている場合においても、光学有効面の三次元形状測定結果からは前記基準面に対する光学有効面の位置および姿勢を正確に把握することができない。このため、光学素子を光学装置に組み込む際には、光学有効面を光学装置内において所望の光学性能が得られるような配置に組み込み調整する必要があり、この調整については例えば光学装置に設けられた組み込み調整機構を用い、組み込んだ光学素子に実際に光を通しながら調整をすることで実現していた。
【0057】
これに対し、本実施形態における光学素子を光学装置に組み込む際の調整については、この光学素子について本実施形態における三次元形状測定装置を使用した形状測定方法により得られた形状測定結果から、あらかじめ光学素子内の基準面に対する光学有効面の面位置および姿勢について明らかとなっている。したがって、光学装置内に設けられた光学素子組み込み調整機構を用い、明らかとなっている光学有効面の位置および姿勢ずれ分だけ調整することで、光学装置内における光学素子の位置決めを光を通すことなく実施することが可能となる。このように本実施形態によれば、従来技術と比較して光学素子を光学装置に組み込む際の調整が簡便となり、製造タクトを短縮化し結果的に光学装置の製造コスト低減を図ることが出来る。
【0058】
以下、本発明の実施形態について、具体的に説明する。
【0059】
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【0060】
図1に示すように、本実施形態の光学素子1は、光学有効面1aの他に光学素子1内における光学有効面1aの位置および姿勢を規定するための基準面1s,1t,1uを有する。
【0061】
すなわち、図1に示す光学素子において基準面1s〜1uは互いに直交する位置関係にあり、例えば図示した基準面1s〜1uが直交する点を原点とし、基準面1sに対し垂直な方向をz軸とし、基準面1sと1uが交差する直線の方向をy軸とし、y軸およびz軸に直交する方向をx軸とするような、基準面1s〜1uにより規定される被測定物基準座標系を考える。ここで、光学有効面1aの設計形状は被測定物基準座標系の座標値として表すことができる。したがって、光学素子1内における光学有効面1aの面位置および姿勢に関する設計値(公差規格)は被測定物基準座標系において定められることになる。
【0062】
一方、図1に示すプローブ4を搭載した図示しない三次元形状測定装置は、プローブ4を被測定面1aに対し接触させながら走査することで被測定面形状を測定可能である。このとき被測定面測定形状は、三次元測定機装置座標系における座標データ(点群データ)として得られる。またプローブ4は、図1に示すとおり、基準面1s〜1uの位置情報を点座標データとして測定可能である。ここで、基準面1s〜1uの点座標測定を行う手段は、プローブ4とは別の異なる基準面測定専用プローブであってもよい。すなわち、本実施形態の三次元形状測定装置は、図1における被測定面(光学有効面)1aの面形状測定を行う手段と、基準面1s〜1uの面位置を測定するための点座標測定手段(不図示)を有する。
【0063】
次に、基準面位置の測定を目的とした点座標測定手段を使用して、基準面1s〜1uにより規定される被測定物基準座標系の導出方法について詳細に説明する。
【0064】
初めに基準面1sに対し、基準面1s上の任意の三点について、点座標測定手段(例えば、プローブ4)を用いて点測定を行う。このとき得られる三次元形状測定装置座標系で表された三点の座標データより、この三点が含まれる平面が装置座標系において一意に求まる。すなわち、この三点が含まれる平面の法線ベクトルの方向が一意に定まり、被測定物基準座標系を直交三軸座標系とした際の任意の一軸として設定する。例えば、図1に示すとおり、前記法線ベクトルの方向を被測定物基準座標系のz軸方向として定める。
【0065】
次に、残りの基準面二面における任意の一面について、基準面位置を測定する。例えば、図1において基準面1tに対し面位置を測定するとする。ここでは、基準面1tに対し、この基準面1t上の任意の二点について、前記点座標測定手段を用いて点測定を行う。この際、前記任意の二点を結ぶ直線の方向ベクトルが、被測定物基準座標系のz軸方向と同一方向にならないような二点を測定するものとする。このとき得られる三次元形状測定装置座標系で表された二点の点座標データについて、それぞれ基準面1s上の三点を測定して導出された平面に射影した点を結ぶ直線が一意に定まる。この直線の方向ベクトルを、直交三軸座標系として表された被測定物基準座標系において既に方向が定められているz軸以外の二軸における任意の一軸の方向として設定する。
【0066】
例えば、図1に示すとおり、前記直線の方向ベクトルと同一方向に、被測定物基準座標系のx軸方向を定める。以上より、直交三軸で規定される被測定物取付座標系において、直交する二軸(x、z軸)の方向が定まったことから、両軸に直交する方向が一意に定まり、この方向を被測定物座標系におけるy軸方向として設定する。
【0067】
最後に、残りの基準面一面について基準面位置を測定する。ここでは、図1に示す基準面1uに対し、この基準面1u上の任意の一点について、前記点座標測定手段を用いて点測定を行う。このとき得られる三次元形状測定装置座標系で表された点座標データを用い、同点を含み法線ベクトル方向が図1における被測定物基準座標系のx軸方向と一致する平面が一意に定まる。これより、直交する基準面1s,1t,1uの3面の面位置が、共通の三次元形状測定装置座標系において規定され、同基準面の交点を被測定物基準座標系原点として設定することができる。したがって、図1において被測定物取付座標系が三次元形状測定装置の装置座標系に対し求められる。これは、三次元形状測定装置座標系から被測定物基準座標系への座標変換が導出されたことと同意である。
【0068】
上述したとおり、本実施形態によれば、図1に示す被測定物1の基準面1s〜1uについて面位置を測定することにより、三次元形状測定装置座標系から被測定物基準座標系への座標変換を導出することが可能である。ここで、本実施形態では前述したとおり被測定物を三次元形状測定装置から着脱することなく、すなわち測定段取りを変更せずに基準面1s〜1uの面位置測定および被測定面である光学有効面1aの面形状測定が行われる。したがって、光学素子1における基準面1s〜1uに対する光学有効面1aの面形状について、前記座標変換演算を行うことで被測定物基準座標系における座標値で表された点群データとして得ることができる。
【0069】
本実施形態では、ここで導出された光学有効面1aの測定形状データについて、同じく被測定物基準座標系で規定されている光学有効面1aの設計形状に対し最小二乗法などを用いたフィッティング処理を行うことにより、前記基準面1s〜1uに対する光学有効面1aの面位置および姿勢を高精度に測定可能である。
【0070】
また、本実施形態では前記フィッティング処理を実施せずに、被測定物基準座標系で表された光学有効面1aの測定形状データから被測定物基準座標系で規定された設計形状データを差し引くことで、設計形状に対する光学素子1に形状創成されている光学有効面1aの形状誤差を高精度に導出可能である。
【0071】
なお、図1に示す第1の実施形態において、基準面1s〜1uの面位置測定方法について、前述した測定方法の他に次の方法で測定し、被測定物基準座標系を導出することが可能である。
【0072】
前述した基準面位置測定方法では、図1に示す点座標測定手段(プローブ4)を使用して、各基準面に対し直交三軸座標系を規定するために必要最小限の点データを測定することで被測定物基準座標系を導出する。これに対し、各基準面1s〜1uについて点座標測定手段(プローブ4)により複数の点座標を測定することにより、点群データとして基準面の面形状が測定可能である。点群データとして測定された基準面測定形状について、平面に対する前記フィッティング処理を行うことで、各基準面について三次元形状測定装置座標系における平面および同平面の法線ベクトルが導出できる。
【0073】
ここで、例えば図1において基準面1sの法線ベクトルと基準面1tの法線ベクトルに直交するベクトル、すなわち両法線ベクトルの外積として求められるベクトルの方向を図1に示す被測定物座標系のx軸方向として設定し、さらに基準面1sの法線ベクトル方向を同被測定物基準座標系のz軸方向として設定する。また、既に求められている被測定物基準座標系のx、z軸に直交する方向をy軸方向として設定する。被測定物基準座標系原点位置に関しては、前記した方法と同様に、互いに直交する基準面1s〜1uの交点を求め設定することにより、三次元形状測定装置内における被測定物基準座標系を規定することが可能である。本実施形態においては、このように各基準面形状を点座標測定手段により測定して求めることで、被測定物基準座標系を規定する方法を採用することも可能である。
【0074】
(第2の実施形態)
図2は、第2の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【0075】
第1の実施形態では、図1に示した三次元形状測定装置における被測定面形状を測定する手段であるプローブ4は、前記したとおり被測定面である光学有効面1aを走査する際に、被測定面に接触しながら走査することで被測定面形状を測定可能である。
【0076】
これに対し、図2に示す本発明の第2の実施形態では、被測定面である光学有効面1aを走査する際に、被測定面に対し非接触でプローブ5を走査しながら被測定面形状を測定可能である。
【0077】
すなわち、本実施形態の三次元形状測定装置は、被測定面である光学有効面の面形状測定手段として、非接触式のプローブを搭載した測定機であってもよい。この場合、前記三次元形状測定装置は被測定面形状測定用非接触式プローブ5と、接触式の点座標測定手段(プローブ)4を共に備えている。このとき、図2に示す基準面位置測定を目的とした点座標測定手段4、および同測定手段を用いた基準面測定方法、および同基準面測定結果により導出する被測定物基準座標系導出方法については、前記した第1の実施形態と同様とする。
【0078】
(第3及び第4の実施形態)
図3及び図4は、第3及び第4の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【0079】
図3及び図4に示すとおり、第3及び第4の実施形態の光学素子は、光学有効面1aの他に光学素子1内における光学有効面1aの位置および姿勢を規定するための、少なくとも一面の基準面1sを有する。すなわち、図3及び図4に示す光学素子1において基準面1sは、この基準面1sの法線方向が光学有効面1aの光軸方向と概ね一致しており、基準面1sの法線方向をz軸とし、基準面1sに含まれており互いに直交する二軸をそれぞれx軸、y軸とし、さらに基準面1s内に含まれる一点を原点とするような、基準面1sにより規定される被測定物基準座標系を考える。
【0080】
ここで、光学有効面1aの設計形状は、前記被測定物基準座標系の座標値として表すことができる。したがって、光学素子1内における光学有効面1aの面位置および姿勢に関する設計値(公差規格)は前記被測定物基準座標系において定められることになる。ただし、本実施形態においては被測定物基準座標系を規定するための基準面が、光学有効面に対し一面のみしか存在しないことから、光学有効面形状によって最大で四自由度の面位置および姿勢のみが設計値として定められることになる。すなわち、図3において被測定物基準座標系のz軸方向の位置およびx、y、z各軸回りの姿勢について、第1及び第2の実施形態と同じ三次元形状測定装置および測定方法を使用することで高精度な測定形状評価が可能となる。
【0081】
なお、本発明の第3の実施形態として、図3に示す光学素子1に対し光学有効面の面形状測定手段として接触式のプローブ4による測定を行う場合と、第4の実施形態として、図4に示す非接触式プローブ5による測定を行う場合があげられ、本発明においてはどちらの方式であっても同様な効果が得られる。
【0082】
(第5及び第6の実施形態)
図5及び図6は、第5及び第6の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【0083】
図5及び図6に示すとおり、第5及び第6の実施形態の光学素子は、光学有効面1aの他に光学素子1内における光学有効面1aの位置および姿勢を規定するための基準面として、光学有効面1aの光軸方向と法線方向が概ね一致する面内に存在する基準面1sと、光学有効面1aを挟み込む方向に存在し、基準面1sに直交する方向に形成された基準面1tとを有する。
【0084】
すなわち、図5及び図6に示す光学素子1において基準面1sの法線方向をz軸とし、基準面1sと1tが交差する直線の方向をx軸とし、前記x軸およびz軸に直交する方向をy軸とし、さらに基準面1sと1tの交線上の任意の点を原点とするような、基準面1s、1tにより規定される被測定物基準座標系を考える。
【0085】
ここで、光学有効面1aの設計形状は、前記被測定物基準座標系の座標値として表すことができる。したがって、光学素子1内における光学有効面1aの面位置および姿勢に関する設計値(公差規格)は前記被測定物基準座標系において定められることになる。ただし、本実施形態においては、被測定物基準座標系を規定するための基準面が、図5において光学有効面1aに対し基準面1sおよび1tのみしか存在しないことから、光学有効面形状によって最大で五自由度の面位置および姿勢のみが設計値として定められることになる。すなわち、図5において被測定物基準座標系のy、z軸方向の位置およびx、y、z各軸回りの姿勢について、第1乃至第4の実施形態と同じ三次元形状測定装置および測定方法を使用することで高精度な測定形状評価が可能となる。
【0086】
つまり本実施形態によれば、被測定物基準座標系のx軸方向の位置以外の自由度に関しては、被測定物基準座標系に対する被測定面である光学有効面の面位置および姿勢について、高精度な測定評価ができる。
【0087】
なお、本発明の第5の実施形態として、図5に示す光学素子1に対し光学有効面の面形状測定手段として接触式のプローブ4による測定を行う場合と、第6の実施形態として、図6に示す非接触式プローブ5による測定を行う場合が挙げられ、本発明においてはどちらの方式であっても同様な効果が得られる。
【0088】
(第7及び第8の実施形態)
図7及び図8は、第7及び第8の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【0089】
図7及び図8に示すとおり、第7及び第8の実施形態の光学素子は、複数の光学有効面1a、1bを有し、その他に光学素子1内における光学有効面1a、1bそれぞれの位置および姿勢を規定するための基準面1s,1t,1uを有する。すなわち、図7に示す光学素子1において基準面1s〜1uは、本発明の第1及び第2の実施形態の光学素子と同様、各基準面が直交する関係にあり、同基準面により規定される被測定物基準座標系についても本発明の第1及び第2の実施形態と同様に設定できる。
【0090】
さらに、光学有効面1aおよび1bの設計形状が前記被測定物基準座標系の座標値として表され、光学素子1内における光学有効面1a、1bの面位置および姿勢に関する設計値(公差規格)が前記被測定物基準座標系において定めれられる点についても、前記第1及び第2の実施形態と同様である。
【0091】
ここで、図7および図8に示す実施形態のように光学素子1内に複数の光学有効面を有する光学素子においても、前記した第1乃至第6の実施形態と同じ三次元形状測定装置および形状測定方法を使用することで、光学有効面1a、1bそれぞれについて被測定物基準座標系に対する面位置および姿勢を高精度に測定可能である。
【0092】
すなわち、複数存在する光学有効面形状をそれぞれ面形状測定手段(接触式プローブ4または非接触式プローブ5)を用いて形状測定する際に、三次元形状測定装置から被測定物である光学素子1を着脱することなく、同測定装置に搭載された基準面測定用点座標測定手段(プローブ4または図示しない専用測定手段)を使用して基準面1s〜1uに対し基準面位置情報を測定する。これより、図7において各光学有効面1aおよび1bの面形状データは、基準面1s〜1uで規定される被測定物基準座標系の座標値としてともに得ることができる。
【0093】
ここで、これらの同一座標系(被測定物基準座標系)で表された複数の光学有効面形状データについて、各面の設計形状に対し同時に最小二乗法などを用いたフィッティング処理を実施する(特開2000−46543に示されている方法を採用する)。これより、光学素子1内において設計値として定められている光学有効面1aおよび1bが両方の相対的な位置関係を保った状態で、基準面1s〜1uに対する両光学有効面の全体的な位置および姿勢ずれについて高精度に測定評価が可能となる。
【0094】
なお、本発明の第7の実施形態として、図7に示す光学素子1に対し光学有効面の面形状測定手段として接触式のプローブ4による測定を行う場合と、第8の実施形態として、図8に示す非接触式プローブ5による測定を行う場合が挙げられ、本発明においてはどちらの方式であっても同様な効果が得られる。
【0095】
(第9及び第10の実施形態)
図9及び図10は、第9及び第10の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【0096】
図9に示すとおり、第9及び第10の実施形態の光学素子は、複数の光学有効面1a、1bを有し、その他に光学素子1内における光学有効面1a、1bそれぞれの位置および姿勢を規定するための基準面として、光学有効面1a、1bの光軸方向と法線方向が概ね一致する面内に存在する基準面1sと、光学有効面1a、1bを挟み込む方向に存在し、基準面1sに直交する方向に形成された基準面1tとを有する。
【0097】
ここで、図9及び図10に示す光学素子1において基準面1s、1tにより規定される被測定物基準座標系は、本発明の第5及び第6の実施形態の光学素子と同様に設定可能である。さらに、光学有効面1aおよび1bの設計形状が前記被測定物基準座標系の座標値として表され、光学素子1内における光学有効面1a、1bの面位置および姿勢に関する設計値(公差規格)が前記被測定物基準座標系において定められる点についても、第1及び第6の実施形態と同様である。
【0098】
ここで、図9及び図10に示す実施形態に関しても、前記した第1乃至第8の実施形態と同じ三次元形状測定装置と、第7及び第8の実施形態と同じ形状測定方法を採用することで、光学有効面1a、1bそれぞれについて被測定物基準座標系に対する面位置および姿勢を高精度に測定可能である。
【0099】
つまり本実施形態によれば、被測定物基準座標系のx軸方向の位置以外の自由度に関しては、被測定物基準座標系に対する被測定面である複数の光学有効面それぞれについて、面位置および姿勢を高精度に測定評価することが可能である。また、前記した第7及び第8の実施形態で説明したフィッティング処理を行うことで、同様に基準面1s、1tに対する光学有効面1a、1b両面の全体的な位置および姿勢ずれについても高精度に測定評価が可能となる。
【0100】
なお、本発明の第9の実施形態として、図9に示す光学素子1に対し光学有効面の面形状測定手段として接触式のプローブ4による測定を行う場合と、第10の実施形態として、図10に示す非接触式プローブ5による測定を行う場合が挙げられ、本発明においてはどちらの方法であっても同様な効果が得られる。
【0101】
(第11及び第12の実施形態)
最後に、図11及び図12を参照して、本発明の第11及び第12の実施形態について説明する。
【0102】
図11及び図12は、第11及び第12の実施形態に係わる光学素子成形用金型および同金型の形状測定方法について説明するための図である。
【0103】
図11及び図12に示すとおり、第11及び第12の実施形態の金型は、光学有効面1aの他に図示する金型内における光学有効面1aの位置および姿勢を規定するための基準面1s,1t,1uを有する。
【0104】
このとき、前記した第1及び第2の実施形態の三次元形状測定装置および形状測定用法を使用することで、被測定物が光学素子である場合と同様の効果が、被測定物が光学素子成形用金型の場合においても得られる。
【0105】
すなわち、図11及び図12において金型基準面1s,1t,1uに対する光学有効面1aの形状および面位置、姿勢について従来技術と比較して高精度な測定評価が可能である。このことは、同金型を用いて光学素子を成形する際に、基準面に対する光学有効面の面位置および姿勢が高精度に求められていることから、成形機に同金型を組み込む際の位置決めにおいて基準面に対する光学有効面1aの位置および姿勢を補正する組み込み状態をつくることが可能となり、結果としてより設計形状に対する光学有効面の位置および姿勢誤差が少ない形状を得られる。
【0106】
なおこの場合についても、本発明の第11の実施形態として図11に金型に対し光学有効面1aの面形状測定手段として接触式のプローブ4による測定を行う場合と、第12の実施形態として、図12に示す非接触式プローブ5による測定を行う場合が挙げられ、本発明においてはどちらの方式であっても同様な効果が得られる。
【0107】
なお、図1〜図12に示した本発明の実施形態は、全て被測定面である光学有効面の面形状測定手段が三次元形状測定装置に搭載された接触式または非接触式のプローブであり、光学有効面に対し同プローブを走査することで面形状を測定する被測定面形状測定方法であるが、本発明では、前記被測定面(光学有効面)形状測定手段が干渉計方式であってもよい。この場合、プローブ方式と比較して光学有効面形状の測定時間短縮化が図られる。
【0108】
また、図1〜図10に示した本発明の実施形態の光学素子は、前記したとおり光学素子内に形成されている基準面に対する光学有効面の面位置および姿勢について高精度に求められている。したがって、同光学素子を一部品として構成される図示しない光学装置に組み込む際に、同光学装置内に設けられた光学素子組み込み調整機構を用い、明らかとなっている光学有効面の位置および姿勢ずれ分だけ調整することで、光学装置内における光学素子の位置決めを実際に光を通すことなく実施することが可能となる。
【0109】
このように本発明の各実施形態の光学素子は、光学装置に組み込む際の調整が簡便となり、光学装置製造タクトを短縮化し、結果として光学装置の製造コスト低減が図られる。
【0110】
なお、本発明の各実施形態の光学素子は、前記調整機構を有する各種光学装置、例えば半導体露光装置、半導体測定装置、撮像カメラ、レーザービームプリンタ、複写機などに取り付けることが可能である。
【0111】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、三次元形状測定機による光学素子の形状測定において、被測定面である光学有効面の面形状の高精度な評価が可能となる。
【0112】
また、光学素子内の基準(面または位置)に対する光学有効面の位置および姿勢の設計値に対する誤差を高精度に測定評価可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図2】第2の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図3】第3の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図4】第4の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図5】第5の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図6】第6の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図7】第7の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図8】第8の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図9】第9の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図10】第10の実施形態に係わる光学素子、この光学素子の形状測定方法、およびこの形状測定を実現するための三次元形状測定装置を説明するための図である。
【図11】第11の実施形態に係わる光学素子成形用金型および同金型の形状測定方法について説明するための図である。
【図12】第12の実施形態に係わる光学素子成形用金型および同金型の形状測定方法について説明するための図である。
【図13】従来技術における被測定物とそれを固定する測定治具、および被測定物測定方法を説明する図である。
【符号の説明】
1 光学素子(被測定物)
1a 光学有効面
1s、1t、1u 光学素子(被測定物)基準面
2 測定治具
2s、2t、2u 測定治具基準面
3a、3b、3c 測定治具基準マーク
4 接触式プローブ
5 非接触式プローブ
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention mainly relates to an optical element such as a lens and a prism and a technique for measuring the shape thereof.
[0002]
[Prior art]
When measuring the shape of optical elements such as lenses and prisms using a three-dimensional measuring machine, the position and orientation of the object to be measured can be measured using a measuring jig or a measuring instrument so that the surface to be measured can be measured. Measurement is performed in a fixed state. In addition, when performing highly accurate shape measurement, a measurement jig having a measurement standard is conventionally used.
[0003]
Here, as shown in FIG. 13, the measurement standard is the measurement jig reference marks 3 a to 3 c for defining the position of the measurement jig on the coordinate measuring machine, and the measurement object attached to the measurement jig. The measurement object attachment reference surfaces 2s to 2u for defining the position on the jig.
[0004]
In FIG. 13, by measuring the reference mark positions 3 a to 3 c on the measurement jig 2 when measuring the shape of the DUT 1, the mounting position and orientation of the measurement jig 2 body on the coordinate measuring machine are defined. . Thus, a measurement standard for the DUT 1 when performing the three-dimensional shape measurement is determined on a measurement jig installed on the three-dimensional shape measuring machine.
[0005]
Here, in the process of designing and manufacturing the measurement jig, the relative position of the measurement jig reference mark in the measurement jig and the measurement object mounting reference surface is relatively clarified, so that the three-dimensional A positional relationship from the measurement reference point set on the measuring machine to the measurement object mounting reference surface (point) provided in the measurement jig is defined.
[0006]
As a specific method for defining the relative positional relationship between the measurement jig reference mark position and the workpiece attachment reference point, for example, it is specified by measuring both reference points on the same CMM without changing the setup. The method is adopted. Furthermore, the relative positional relationship between the reference surface to be attached to the measuring jig and the measured surface 1a to be measured in the measured object 1 is defined by the design value of the measured object. These specified relative positional relationships can all be expressed as coordinate transformations, and by using this coordinate transformation, it is possible to grasp the shape of the surface to be measured as coordinate values in the desired coordinate system (reference). It is. As a result, it is possible to measure the shape of the measurement target region instructed to the CMM device control unit (not shown) on the measurement surface with high accuracy.
[0007]
Details of the setup during specific measurement will be described with reference to FIG.
[0008]
As shown in FIG. 13, the DUT 1 is in a state in which the reference surface of the DUT 1 is attached to the mounting reference surfaces 2 s to 2 u with respect to the measurement jig 2 installed (fixed) on the coordinate measuring machine. It is fixed with. In this state, the measuring probe 4 of the coordinate measuring machine first scans the reference marks 3a to 3c attached to the measuring jig as shown in the drawing, and measures the mark position as coordinate values in the measuring machine coordinate system. . The reference coordinate system on the measurement jig defined based on these three mark positions (three device coordinates) is clarified in advance as described above, and the measurement surface 1a of the measurement jig in the measurement jig is defined. The position and orientation can be expressed in this reference coordinate system. Accordingly, as described above, the reference mark is scanned with the measurement probe 4 and the mark position is measured, so that the position of the reference coordinate system on the coordinate measuring machine is known as the apparatus coordinate. Also for 1a, the surface position (orientation) can be expressed as coordinate values in the coordinate system of the coordinate measuring machine.
[0009]
Based on this surface position information (device coordinates), the measurement probe 4 scans the surface to be measured 1a, so that the measurement shape is obtained as the device coordinate values of the coordinate measuring machine. At this time, the contact type or non-contact type of the measurement probe is not limited.
[0010]
As described above, when measuring the shape of the object to be measured, the relative position of the reference point of the measurement target surface shape with respect to the reference point on the coordinate measuring machine is specified, and the measurement result output as a coordinate value in the coordinate measuring machine coordinate system Can be obtained as the shape of the surface to be measured of the object to be measured (Japanese Patent Laid-Open No. 11-14906).
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
When performing the three-dimensional shape measurement according to the above-described conventional technique, an attachment error of the object to be measured with respect to the measurement jig always occurs in a state where the object to be measured is attached to the measurement jig.
[0012]
When performing shape evaluation on the measured shape, if the measured surface shape is known as the design value, the measured shape is fitted to the design shape using the least square method, etc., and the shape error of the measured shape with respect to the design shape is derived. Generally, such an evaluation method is adopted. At this time, the surface position and orientation of the surface to be measured are also obtained as position and orientation errors with respect to the design values. However, since there is always an attachment error of the object to be measured with respect to the measurement jig, this attachment error is included in the position / posture error calculated in the fitting process. That is, the position / posture error with respect to the design value of the object to be measured cannot be obtained with high accuracy by the conventional technique.
[0013]
Regarding the above-mentioned problem, in the case where surface shape measurement is performed on an optical element having only one optical effective surface as a surface shape measurement target, that is, a surface to be measured, in the optical element that is the object to be measured, The reason why it is difficult to obtain the attitude error with high accuracy in the prior art will be described below.
[0014]
When measuring the surface shape of only one surface using a 3D shape measuring machine for the object to be measured, as described in the prior art, the object to be measured is attached to a measuring jig having a reference mark, and three-dimensional measurement is performed. The shape is measured by setting the surface to be measured to a measurable posture on the machine. The measurement shape is measured using coordinate transformation based on the coordinate system defined by the reference mark in the measurement jig used and the positional relationship between the reference plane and the reference mark for mounting the measurement object in the measurement jig. It can be obtained as a coordinate value in a coordinate system that defines the design shape of the optically effective surface that is a surface. Thus, the measurement surface shape obtained as the point cloud data can be compared and evaluated in the same coordinate system as the design shape, and is generally evaluated by a fitting process using a least square method or the like.
[0015]
At this time, the residual obtained by subtracting the design shape from the measurement shape without performing the fitting process is simply regarded as the shape error of the object to be measured. Assuming that the object to be measured is fixed to the measuring jig in a state where there is no attachment error, it is possible to evaluate the shape to be measured with high accuracy by treating the error as a shape error with respect to the design shape.
[0016]
On the other hand, in actual shape measurement, an attachment error of the object to be measured with respect to the measuring jig always occurs. Therefore, strictly speaking, the shape error obtained by subtracting the design shape from the measurement shape includes an attachment error of the object to be measured with respect to the measurement jig. When the fitting process is performed on the measured surface shape measured in such a state, the shape obtained as the difference between the measured shape and the design shape is further allocated to the shape error and the position and inclination (posture) error. It will be. In the shape error and the position and inclination error obtained and allocated here, the difference shape between the measurement shape and the design shape before the fitting process includes an attachment error to the measurement jig. The mounting error is also calculated as the allocated error amount. That is, evaluating the shape error in the shape evaluation for the measurement result is a shape evaluation including an attachment error with respect to the measurement jig, and thus there is a problem that it is difficult to perform a highly accurate shape evaluation. .
[0017]
Similarly, in the case of performing surface shape measurement on an optical element in which a plurality of optical effective surfaces (two or more surfaces) are present in the optical element that is the object to be measured, The reason why it is difficult to obtain the position and orientation errors with high accuracy by the conventional technology will be described in the same manner.
[0018]
Similar to the case of performing three-dimensional shape measurement on an optical element having only one optical effective surface, when measuring the surface shape of an optical element having a plurality of optical effective surfaces to be measured, the above-described conventional technique is used. As shown, attach the object to be measured to the measuring jig with the reference mark, and place the object to be measured on the 3D measuring machine so that the surface to be measured can be measured. Measure. The method for obtaining the measurement shape as the coordinate value in the coordinate system defining the design shape of the optically effective surface is the same as the case where the surface shape measurement is performed on the optical element having only one optically effective surface. Further, the method of comparing and evaluating the measurement surface shape obtained as point cloud data with the design shape is the same as that in the case where surface shape measurement is performed on an optical element having only one optical effective surface (minimum 2). Fitting process using multiplication method).
[0019]
At this time, when there are a plurality of optical effective surfaces (two or more surfaces) to be measured, the method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-46543 is adopted, so It is possible to remove the mounting error of the measurement object with high accuracy.
[0020]
That is, for each measured surface shape data (point cloud data) expressed in common in the reference coordinate system defined by the reference mark attached to the measuring jig, the measured shapes of the measured multiple surfaces are simultaneously displayed. A fitting process using the least square method is performed on the design shape of the surface. This makes it possible to eliminate the mounting error of the object to be measured on the coordinate measuring machine, including the mounting error of the object to be measured to the measuring jig, and to evaluate the relative positional relationship of each surface to be measured with high accuracy. It becomes.
[0021]
In the case of an optical element having a plurality of optical effective surfaces, the surface position and orientation (optical axis position and orientation) of each effective surface are generally relative to a reference surface (reference position) formed in the optical element. It is specified as a design value. Therefore, when shape measurement evaluation is performed on a plurality of optically effective surfaces, it is necessary that the surface position and posture of each surface with respect to the reference surface in the optical element can be evaluated with high accuracy.
[0022]
However, in the measurement shape evaluation using the method based on the fitting process, it is possible to evaluate the relative positional relationship between the measurement object, that is, the measurement surface within the optical element, that is, the optical effective surface, with high accuracy. It is difficult to grasp the absolute position and posture in the object to be measured. This includes an error with respect to a design value with respect to an absolute position and orientation with respect to a reference surface formed in the entire measured object while maintaining a relative positional relationship among a plurality of measured surfaces. This is because the error is recognized as an attachment error of the object to be measured with respect to the measuring jig in the fitting process calculation, and is removed when the measurement shape evaluation of a plurality of measurement surfaces is performed.
[0023]
As described above, when there are a plurality of optical effective surfaces, the position error of each effective surface with respect to the reference surface formed in the optical element that defines the position of each effective surface is evaluated with high accuracy in the measurement shape evaluation of each effective surface. There was a problem that it was difficult to evaluate.
[0024]
Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and its purpose is to provide a highly accurate evaluation of the surface shape of an optically effective surface, which is a surface to be measured, in the shape measurement of an optical element by a three-dimensional shape measuring machine. Is to make it possible.
[0025]
Another object of the present invention is to make it possible to measure and evaluate an error with respect to the design value of the position and orientation of the optically effective surface with respect to a reference (surface or position) in the optical element with high accuracy.
[0040]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above-mentioned problems and achieve the purpose,The three-dimensional shape measuring method according to the present invention is formed in a plane continuous with the optically effective surface of the object to be measured, and a first reference whose normal line substantially coincides with the direction of the optical axis of the optically effective surface. A position of a surface, a position of a second reference surface formed in a direction orthogonal to the first reference surface, and a position of a third reference surface orthogonal to both the first and second reference surfaces. Is measured by a point coordinate measuring means, and an orthogonal triaxial coordinate system is obtained based on the measured position of each reference plane,continueThe shape of the optically effective surface of the object to be measuredPoint coordinatesMeasured by measuring means, and coordinate conversion of shape data of the optically effective surface into coordinate values of the orthogonal triaxial coordinate systemAnd calculating the shape data of the optical effective surface with respect to the reference surfaceIt is characterized by doing.
[0041]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
[0042]
First, an outline of the present embodiment will be described.
[0043]
The optical element in this embodiment is a reference for defining the surface position and orientation of the optically effective surface to be measured, and has at least a reference surface having a sufficient area to enable measurement with a three-dimensional measuring machine. 1 side.
[0044]
When performing the three-dimensional shape measurement of this optical element, it is set up in the same setup as that for measuring the optical effective surface at the time of measuring the shape of the optical effective surface to be subjected to the shape measurement evaluation, that is, installed in the three-dimensional measuring machine. The shape measurement is performed on the above-described reference surface created in the optical element without moving the optical element as the measured object with respect to the measuring machine.
[0045]
Here, it is assumed that the three-dimensional shape measuring apparatus in the present embodiment can perform the shape measurement of the optical effective surface and the reference surface measurement with the same setup.
[0046]
From the above, it is possible to measure and evaluate the surface position and posture of the optically effective surface with respect to the reference surface with higher accuracy than in the prior art.
[0047]
Furthermore, in an optical device in which the optical element of the present embodiment is incorporated as one component, when incorporating an optical element into this optical device, it is easy to incorporate with high accuracy compared to the case of incorporating an optical element provided by a conventional technique. As a result, the manufacturing cost of the optical device can be reduced.
[0048]
In the above configuration, a reference surface is first created in the optical element, and the reference surface and the optical effective surface are measured in a three-dimensional shape with the same setup, thereby improving the surface position and posture of the optical effective surface with respect to the design value. The operation that enables accurate measurement evaluation will be described.
[0049]
As described above, the optical element in the present embodiment has at least one reference surface for defining the optical effective surface position in addition to the optical effective surface. Further, the three-dimensional shape measuring apparatus in the present embodiment has means for measuring the coordinates of an arbitrary point of the object to be measured in addition to the surface shape measuring means. The point coordinate measuring means can also obtain surface shape data by obtaining point cloud data by continuously repeating the measurement by the measuring means. Further, in the three-dimensional shape measuring method in the present embodiment, the measurement of the optically effective surface shape by the surface shape measuring means and the measurement of the reference surface in the optical element by the point coordinate measuring means are carried out: Measurement is performed under the same setup without moving the optical element attached to the inside of the coordinate measuring machine (attaching / detaching the object to be measured with respect to the measuring machine).
[0050]
By combining the optical element to be measured as described above, a three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the optical element, and the three-dimensional shape measuring method, an optical effective surface with respect to the optical element in the present embodiment When performing shape measurement, the position and orientation of the optically effective surface with respect to the reference surface created in the optical element, which has conventionally been difficult to measure with high accuracy, can also be measured with higher accuracy than before. . Details of this operation will be described below.
[0051]
That is, according to the optical element, the three-dimensional shape measuring apparatus, and the three-dimensional shape measuring method in the present embodiment, the surface shape measurement is performed on the optically effective surface that is the measurement target surface, thereby being fixed to the three-dimensional measuring machine. Surface shape data is obtained as a coordinate data group (point group data) expressed in a coordinate system (device coordinate system). Further, by measuring the reference plane with the point coordinate measuring means without changing the setup, the reference plane can be similarly acquired as the coordinate data of the apparatus coordinate system.
[0052]
Therefore, the object reference coordinate system defined by the reference plane coordinate data is obtained by performing the coordinate conversion calculation using the optical effective surface shape data and the reference plane coordinate data expressed in the same coordinate system (device coordinate system). It is possible to represent the optical effective surface shape data as a coordinate data group.
[0053]
The optical effective surface shape shown here grasps the position and orientation of the optical effective surface with respect to the reference surface with respect to the degree of freedom corresponding to the number of reference surfaces created on the optical element that is the object to be measured. Will be able to. This means that it is possible to remove an attachment error of the object to be measured with respect to the measurement jig, which has been difficult to remove by the shape measuring method using the conventional measurement jig having the reference mark.
[0054]
As described above, according to the present embodiment, by measuring the reference surface in the same setup as the optical effective surface measurement, it has been difficult to remove conventionally the position and orientation of the optical effective surface with respect to the reference surface. It is possible to remove the mounting error of the object to be measured with respect to the jig, and measurement and evaluation can be performed with high accuracy.
[0055]
Next, by creating a shape of the reference surface in the optical element, it becomes possible to improve the assembling accuracy and reduce the manufacturing cost of the optical apparatus when the optical element is incorporated into an optical apparatus configured as one component. The operation will be described.
[0056]
In the optical element according to the prior art, even when the reference surface is formed in the optical element, the position and posture of the optical effective surface with respect to the reference surface are accurately grasped from the three-dimensional shape measurement result of the optical effective surface. I can't. For this reason, when an optical element is incorporated in an optical device, it is necessary to incorporate and adjust the optically effective surface in an arrangement so as to obtain a desired optical performance in the optical device. This adjustment is provided in the optical device, for example. This was achieved by using the built-in adjustment mechanism and making adjustments while actually passing light through the built-in optical element.
[0057]
On the other hand, for adjustment when incorporating the optical element in the present embodiment into the optical apparatus, from the shape measurement result obtained by the shape measurement method using the three-dimensional shape measuring apparatus in the present embodiment for this optical element in advance, The surface position and orientation of the optically effective surface with respect to the reference surface in the optical element are clarified. Accordingly, the optical element built-in adjustment mechanism provided in the optical device is used to adjust the position of the optically effective surface and the positional deviation that are apparent, thereby allowing the optical element to be positioned in the optical device. Can be implemented without any problem. As described above, according to the present embodiment, adjustment when an optical element is incorporated into an optical device is simpler than in the prior art, and the manufacturing tact can be shortened, resulting in a reduction in manufacturing cost of the optical device.
[0058]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described.
[0059]
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram for explaining an optical element according to the first embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
[0060]
As shown in FIG. 1, the optical element 1 of the present embodiment has reference surfaces 1s, 1t, and 1u for defining the position and posture of the optical effective surface 1a in the optical element 1 in addition to the optical effective surface 1a. .
[0061]
That is, in the optical element shown in FIG. 1, the reference planes 1s to 1u are in a positional relationship orthogonal to each other. For example, the point perpendicular to the reference plane 1s to 1u is the origin, and the direction perpendicular to the reference plane 1s is the z axis. The object reference coordinate system defined by the reference planes 1s to 1u, wherein the direction of the straight line intersecting the reference planes 1s and 1u is the y-axis, and the direction orthogonal to the y-axis and the z-axis is the x-axis think of. Here, the design shape of the optically effective surface 1a can be expressed as a coordinate value of the measurement object reference coordinate system. Therefore, design values (tolerance standards) regarding the surface position and orientation of the optically effective surface 1a in the optical element 1 are determined in the measurement object reference coordinate system.
[0062]
On the other hand, a three-dimensional shape measuring apparatus (not shown) equipped with the probe 4 shown in FIG. 1 can measure the shape of the surface to be measured by scanning the probe 4 while making contact with the surface to be measured 1a. At this time, the measured surface measurement shape is obtained as coordinate data (point group data) in the coordinate measuring machine coordinate system. Further, as shown in FIG. 1, the probe 4 can measure the position information of the reference planes 1s to 1u as point coordinate data. Here, the means for measuring the point coordinates of the reference planes 1 s to 1 u may be a different reference plane measurement probe different from the probe 4. That is, the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment includes means for measuring the surface shape of the measurement target surface (optically effective surface) 1a in FIG. 1 and point coordinate measurement for measuring the surface positions of the reference surfaces 1s to 1u. Means (not shown).
[0063]
Next, a method for deriving the measurement object reference coordinate system defined by the reference planes 1s to 1u using the point coordinate measurement means for measuring the reference plane position will be described in detail.
[0064]
First, with respect to the reference surface 1s, point measurement is performed at any three points on the reference surface 1s using a point coordinate measuring means (for example, the probe 4). From the coordinate data of the three points expressed in the three-dimensional shape measuring apparatus coordinate system obtained at this time, the plane including these three points is uniquely obtained in the apparatus coordinate system. That is, the direction of the normal vector of the plane including these three points is uniquely determined, and is set as an arbitrary axis when the measurement object reference coordinate system is an orthogonal triaxial coordinate system. For example, as shown in FIG. 1, the direction of the normal vector is defined as the z-axis direction of the measurement object reference coordinate system.
[0065]
Next, the reference plane position is measured for any one of the remaining two reference planes. For example, assume that the surface position is measured with respect to the reference surface 1t in FIG. Here, point measurement is performed on the reference plane 1t using the point coordinate measuring means at any two points on the reference plane 1t. At this time, two points are measured such that the direction vector of the straight line connecting the two arbitrary points does not coincide with the z-axis direction of the measurement object reference coordinate system. With respect to the two point coordinate data expressed in the coordinate system of the three-dimensional shape measuring apparatus obtained at this time, a straight line connecting the points projected on the plane derived by measuring three points on the reference plane 1s is uniquely determined. . The direction vector of this straight line is set as an arbitrary uniaxial direction in two axes other than the z axis whose direction is already determined in the measurement object reference coordinate system expressed as an orthogonal triaxial coordinate system.
[0066]
For example, as shown in FIG. 1, the x-axis direction of the measurement object reference coordinate system is determined in the same direction as the direction vector of the straight line. From the above, in the object mounting coordinate system defined by the three orthogonal axes, the directions of the two orthogonal axes (x, z axes) are determined, so the directions orthogonal to both axes are uniquely determined. It is set as the y-axis direction in the measured object coordinate system.
[0067]
Finally, the reference plane position is measured for the remaining reference plane. Here, with respect to the reference surface 1u shown in FIG. 1, point measurement is performed on the arbitrary point on the reference surface 1u using the point coordinate measuring means. Using the point coordinate data expressed in the coordinate system of the three-dimensional shape measuring apparatus obtained at this time, a plane that includes the same point and whose normal vector direction coincides with the x-axis direction of the measurement object reference coordinate system in FIG. 1 is uniquely determined. . Accordingly, the surface positions of the three orthogonal reference surfaces 1s, 1t, and 1u are defined in the common three-dimensional shape measuring apparatus coordinate system, and the intersection of the reference surfaces is set as the measurement object reference coordinate system origin. Can do. Therefore, in FIG. 1, the measurement object mounting coordinate system is obtained with respect to the apparatus coordinate system of the three-dimensional shape measuring apparatus. This is in agreement with the fact that a coordinate transformation from the coordinate system of the three-dimensional shape measuring apparatus to the measurement object reference coordinate system has been derived.
[0068]
As described above, according to the present embodiment, by measuring the surface position of the reference surfaces 1s to 1u of the object 1 shown in FIG. 1, the coordinate system from the three-dimensional shape measuring apparatus coordinate system to the object reference coordinate system is measured. It is possible to derive a coordinate transformation. Here, in this embodiment, as described above, the surface position measurement of the reference surfaces 1s to 1u and the optically effective surface to be measured are performed without attaching or removing the object to be measured from the three-dimensional shape measuring apparatus, that is, without changing the measurement setup. Surface shape measurement of the surface 1a is performed. Therefore, the surface shape of the optically effective surface 1a with respect to the reference surfaces 1s to 1u in the optical element 1 can be obtained as point cloud data represented by coordinate values in the measurement object reference coordinate system by performing the coordinate conversion calculation. .
[0069]
In the present embodiment, with respect to the measured shape data of the optical effective surface 1a derived here, the fitting process using the least square method or the like for the design shape of the optical effective surface 1a similarly defined in the measurement object reference coordinate system. By performing the above, the surface position and posture of the optically effective surface 1a with respect to the reference surfaces 1s to 1u can be measured with high accuracy.
[0070]
In the present embodiment, the design shape data defined in the measurement object reference coordinate system is subtracted from the measurement shape data of the optical effective surface 1a expressed in the measurement object reference coordinate system without performing the fitting process. Thus, the shape error of the optically effective surface 1a created in the optical element 1 with respect to the design shape can be derived with high accuracy.
[0071]
In addition, in 1st Embodiment shown in FIG. 1, about the surface position measuring method of the reference planes 1s-1u, it measures by the following method other than the measuring method mentioned above, and can derive a to-be-measured object reference coordinate system. Is possible.
[0072]
In the reference plane position measuring method described above, the point coordinate measuring means (probe 4) shown in FIG. 1 is used to measure the minimum point data necessary for defining an orthogonal triaxial coordinate system for each reference plane. Thus, the reference object coordinate system is derived. On the other hand, the surface shape of the reference surface can be measured as point group data by measuring a plurality of point coordinates for each reference surface 1s-1u by the point coordinate measuring means (probe 4). By performing the fitting process on the plane with respect to the reference plane measurement shape measured as the point cloud data, the plane in the three-dimensional shape measuring apparatus coordinate system and the normal vector of the plane can be derived for each reference plane.
[0073]
Here, for example, in FIG. 1, the vector orthogonal to the normal vector of the reference surface 1s and the normal vector of the reference surface 1t, that is, the direction of the vector obtained as the outer product of both normal vectors is shown in FIG. And the normal vector direction of the reference surface 1s is set as the z-axis direction of the measurement object reference coordinate system. Further, the direction perpendicular to the x and z axes of the measured object reference coordinate system that has already been obtained is set as the y axis direction. As to the object reference coordinate system origin position, the object reference coordinate system in the three-dimensional shape measuring apparatus is defined by obtaining and setting the intersections of the reference planes 1s to 1u orthogonal to each other in the same manner as described above. Is possible. In this embodiment, it is also possible to employ a method of defining the measurement object reference coordinate system by determining each reference surface shape by measuring with the point coordinate measuring means in this way.
[0074]
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram for explaining an optical element according to the second embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
[0075]
In the first embodiment, the probe 4 that is a means for measuring the shape of the surface to be measured in the three-dimensional shape measuring apparatus shown in FIG. 1 scans the optical effective surface 1a that is the surface to be measured as described above. The shape of the surface to be measured can be measured by scanning while contacting the surface to be measured.
[0076]
On the other hand, in the second embodiment of the present invention shown in FIG. 2, when scanning the optically effective surface 1a, which is the surface to be measured, the surface to be measured while scanning the probe 5 without contact with the surface to be measured. The shape can be measured.
[0077]
That is, the three-dimensional shape measuring apparatus of the present embodiment may be a measuring machine equipped with a non-contact type probe as the surface shape measuring means of the optically effective surface that is the surface to be measured. In this case, the three-dimensional shape measuring apparatus is provided with both a non-contact type probe 5 for measuring a surface shape to be measured and a contact type point coordinate measuring means (probe) 4. At this time, the point coordinate measuring means 4 for measuring the reference surface position shown in FIG. 2, a reference surface measuring method using the measuring means, and a measurement object reference coordinate system deriving method derived from the reference surface measurement result The same as in the first embodiment described above.
[0078]
(Third and fourth embodiments)
3 and 4 are diagrams for explaining an optical element according to the third and fourth embodiments, a shape measuring method of the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement. .
[0079]
As shown in FIGS. 3 and 4, the optical elements of the third and fourth embodiments are at least one surface for defining the position and posture of the optical effective surface 1a in the optical element 1 in addition to the optical effective surface 1a. The reference plane 1s. That is, in the optical element 1 shown in FIGS. 3 and 4, the reference surface 1s has a normal direction of the reference surface 1s substantially coincident with the optical axis direction of the optical effective surface 1a, and the normal direction of the reference surface 1s is the same. The z axis, the two axes that are included in the reference plane 1s and are orthogonal to each other are the x axis and the y axis, respectively, and the point that is included in the reference plane 1s is the origin. Consider the object reference coordinate system.
[0080]
Here, the design shape of the optical effective surface 1a can be expressed as a coordinate value of the measurement object reference coordinate system. Therefore, design values (tolerance standards) regarding the surface position and orientation of the optically effective surface 1a in the optical element 1 are determined in the measurement object reference coordinate system. However, in this embodiment, since there is only one reference surface for defining the measurement object reference coordinate system with respect to the optical effective surface, the surface position and orientation of up to four degrees of freedom depending on the optical effective surface shape. Only the design value is determined. That is, in FIG. 3, the same three-dimensional shape measuring apparatus and measuring method as those in the first and second embodiments are used for the position in the z-axis direction of the measurement object reference coordinate system and the posture around each of the x, y, and z axes. By doing so, highly accurate measurement shape evaluation becomes possible.
[0081]
As the third embodiment of the present invention, the case where the optical element 1 shown in FIG. 3 is measured by the contact type probe 4 as the surface shape measuring means of the optically effective surface, and the fourth embodiment is shown in FIG. In the present invention, the same effect can be obtained with either method.
[0082]
(Fifth and sixth embodiments)
5 and 6 are diagrams for explaining an optical element according to the fifth and sixth embodiments, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement. .
[0083]
As shown in FIGS. 5 and 6, the optical elements of the fifth and sixth embodiments are used as reference surfaces for defining the position and orientation of the optical effective surface 1a in the optical element 1 in addition to the optical effective surface 1a. A reference surface 1s existing in a plane in which the optical axis direction of the optical effective surface 1a and the normal direction substantially coincide with each other, and a reference formed in a direction sandwiching the optical effective surface 1a and perpendicular to the reference surface 1s. Surface 1t.
[0084]
That is, in the optical element 1 shown in FIGS. 5 and 6, the normal direction of the reference plane 1s is taken as the z-axis, the direction of the straight line intersecting the reference planes 1s and 1t is taken as the x-axis, and perpendicular to the x-axis and z-axis. Consider an object reference coordinate system defined by reference surfaces 1s and 1t, in which the direction is the y-axis and an arbitrary point on the intersection line of reference surfaces 1s and 1t is the origin.
[0085]
Here, the design shape of the optical effective surface 1a can be expressed as a coordinate value of the measurement object reference coordinate system. Therefore, design values (tolerance standards) regarding the surface position and orientation of the optically effective surface 1a in the optical element 1 are determined in the measurement object reference coordinate system. However, in the present embodiment, only the reference surfaces 1s and 1t exist for the optical effective surface 1a in FIG. 5 as the reference surface for defining the object reference coordinate system. Thus, only the surface position and orientation of five degrees of freedom are determined as design values. That is, in FIG. 5, the same three-dimensional shape measuring apparatus and measuring method as those in the first to fourth embodiments with respect to the position in the y- and z-axis directions and the postures around the x, y, and z axes of the measurement object reference coordinate system. By using, highly accurate measurement shape evaluation becomes possible.
[0086]
That is, according to the present embodiment, regarding the degree of freedom other than the position in the x-axis direction of the measurement target reference coordinate system, the surface position and orientation of the optical effective surface that is the measurement target with respect to the measurement target reference coordinate system are high. Accurate measurement evaluation is possible.
[0087]
As the fifth embodiment of the present invention, the case where the optical element 1 shown in FIG. 5 is measured by the contact type probe 4 as the surface shape measuring means of the optically effective surface, and the sixth embodiment is shown in FIG. The case of performing measurement with the non-contact type probe 5 shown in FIG. 6 can be mentioned. In the present invention, the same effect can be obtained by either method.
[0088]
(Seventh and eighth embodiments)
7 and 8 are diagrams for explaining an optical element according to the seventh and eighth embodiments, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement. .
[0089]
As shown in FIGS. 7 and 8, the optical elements of the seventh and eighth embodiments have a plurality of optical effective surfaces 1a and 1b, and the positions of the optical effective surfaces 1a and 1b in the optical element 1, respectively. And reference surfaces 1s, 1t, and 1u for defining the posture. That is, in the optical element 1 shown in FIG. 7, the reference surfaces 1s to 1u are in a relationship in which the respective reference surfaces are orthogonal to each other as in the optical elements of the first and second embodiments of the present invention, and are defined by the reference surfaces. The measured object reference coordinate system can be set similarly to the first and second embodiments of the present invention.
[0090]
Furthermore, the design shapes of the optical effective surfaces 1a and 1b are represented as coordinate values of the measurement object reference coordinate system, and design values (tolerance standards) regarding the surface positions and postures of the optical effective surfaces 1a and 1b in the optical element 1 are obtained. The points defined in the measurement object reference coordinate system are also the same as those in the first and second embodiments.
[0091]
Here, also in an optical element having a plurality of optically effective surfaces in the optical element 1 as in the embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the same three-dimensional shape measuring apparatus as in the first to sixth embodiments described above and By using the shape measuring method, it is possible to measure the surface position and orientation with respect to the measured object reference coordinate system with high accuracy for each of the optically effective surfaces 1a and 1b.
[0092]
That is, when measuring a plurality of optically effective surface shapes using a surface shape measuring means (contact probe 4 or non-contact probe 5), the optical element 1 that is the object to be measured is measured from the three-dimensional shape measuring apparatus. The reference plane position information is measured with respect to the reference planes 1s to 1u using the reference plane measurement point coordinate measurement means (the probe 4 or a dedicated measurement means not shown) mounted on the measurement apparatus without attaching or detaching the reference plane. Thus, in FIG. 7, the surface shape data of each of the optically effective surfaces 1a and 1b can be obtained together as the coordinate values of the measurement object reference coordinate system defined by the reference surfaces 1s to 1u.
[0093]
Here, with respect to a plurality of optical effective surface shape data expressed in the same coordinate system (measurement object reference coordinate system), a fitting process using a least square method or the like is simultaneously performed on the design shape of each surface ( The method disclosed in JP 2000-46543 is adopted). Thus, the overall position of both optical effective surfaces with respect to the reference surfaces 1s to 1u in a state where the optical effective surfaces 1a and 1b defined as design values in the optical element 1 maintain the relative positional relationship between them. In addition, it is possible to measure and evaluate the posture deviation with high accuracy.
[0094]
As the seventh embodiment of the present invention, the case where the optical element 1 shown in FIG. 7 is measured by the contact type probe 4 as the surface shape measuring means of the optical effective surface, and the eighth embodiment is shown in FIG. The case of performing measurement with the non-contact type probe 5 shown in FIG. 8 can be mentioned. In the present invention, the same effect can be obtained with either method.
[0095]
(Ninth and Tenth Embodiments)
9 and 10 are diagrams for explaining the optical element according to the ninth and tenth embodiments, the shape measuring method of the optical element, and the three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement. .
[0096]
As shown in FIG. 9, the optical elements of the ninth and tenth embodiments have a plurality of optical effective surfaces 1 a and 1 b, and in addition, the positions and postures of the optical effective surfaces 1 a and 1 b in the optical element 1. As a reference surface for defining, a reference surface 1s that exists in a plane in which the optical axis direction of the optically effective surfaces 1a and 1b substantially coincides with a normal direction, and a direction that sandwiches the optically effective surfaces 1a and 1b, And a reference surface 1t formed in a direction orthogonal to the surface 1s.
[0097]
Here, in the optical element 1 shown in FIGS. 9 and 10, the measurement object reference coordinate system defined by the reference surfaces 1s and 1t can be set in the same manner as the optical elements of the fifth and sixth embodiments of the present invention. It is. Furthermore, the design shapes of the optical effective surfaces 1a and 1b are represented as coordinate values of the measurement object reference coordinate system, and design values (tolerance standards) regarding the surface positions and postures of the optical effective surfaces 1a and 1b in the optical element 1 are obtained. The points defined in the measurement object reference coordinate system are also the same as those in the first and sixth embodiments.
[0098]
Here, also for the embodiment shown in FIGS. 9 and 10, the same three-dimensional shape measuring apparatus as in the first to eighth embodiments and the same shape measuring method as in the seventh and eighth embodiments are adopted. Thus, it is possible to measure the surface position and orientation of the optically effective surfaces 1a and 1b with respect to the measured object reference coordinate system with high accuracy.
[0099]
That is, according to the present embodiment, with respect to the degree of freedom other than the position in the x-axis direction of the measurement object reference coordinate system, the surface position and the optical effective surface that is the measurement surface with respect to the measurement object reference coordinate system are determined as follows. It is possible to measure and evaluate the posture with high accuracy. In addition, by performing the fitting process described in the seventh and eighth embodiments, the overall position and posture deviation of both the optically effective surfaces 1a and 1b with respect to the reference surfaces 1s and 1t can be also accurately determined. Measurement evaluation is possible.
[0100]
As the ninth embodiment of the present invention, the case where the optical element 1 shown in FIG. 9 is measured by the contact type probe 4 as the surface shape measuring means of the optical effective surface, and the tenth embodiment is shown in FIG. In the present invention, the same effect can be obtained with either method.
[0101]
(Eleventh and twelfth embodiments)
Finally, eleventh and twelfth embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0102]
11 and 12 are diagrams for explaining the optical element molding die and the shape measuring method according to the eleventh and twelfth embodiments.
[0103]
As shown in FIGS. 11 and 12, the molds according to the eleventh and twelfth embodiments include a reference plane for defining the position and posture of the optical effective surface 1a in the illustrated mold in addition to the optical effective surface 1a. 1s, 1t, 1u.
[0104]
At this time, by using the three-dimensional shape measuring apparatus and the shape measuring method according to the first and second embodiments described above, the same effect as when the object to be measured is an optical element can be obtained. It can also be obtained in the case of a molding die.
[0105]
That is, in FIG. 11 and FIG. 12, the shape, surface position, and posture of the optically effective surface 1a with respect to the mold reference surfaces 1s, 1t, 1u can be measured and evaluated with higher accuracy than in the prior art. This is because when the optical element is molded using the mold, the surface position and orientation of the optically effective surface with respect to the reference surface are required with high accuracy. It is possible to create a built-in state in which the position and orientation of the optical effective surface 1a with respect to the reference surface are corrected in positioning, and as a result, a shape with less position and orientation errors of the optical effective surface with respect to the design shape can be obtained.
[0106]
Also in this case, as an eleventh embodiment of the present invention, FIG. 11 shows a case where measurement is performed with a contact type probe 4 as a surface shape measuring means of the optically effective surface 1a on the mold, and a twelfth embodiment. A case where measurement is performed with the non-contact type probe 5 shown in FIG. 12 can be mentioned. In the present invention, the same effect can be obtained with either method.
[0107]
The embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 to 12 is a contact-type or non-contact-type probe in which the surface shape measuring means of the optically effective surface, which is the surface to be measured, is mounted on a three-dimensional shape measuring apparatus. There is a measurement surface shape measurement method for measuring the surface shape by scanning the probe with respect to the optical effective surface. In the present invention, the measurement surface (optical effective surface) shape measurement means is an interferometer method. There may be. In this case, the measurement time of the optical effective surface shape can be shortened as compared with the probe method.
[0108]
Further, as described above, the optical element of the embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 to 10 is required with high accuracy with respect to the surface position and orientation of the optically effective surface with respect to the reference surface formed in the optical element. . Therefore, when the optical element is incorporated into an optical device (not shown) configured as one component, the optical element incorporation adjustment mechanism provided in the optical device is used to clarify the position and posture deviation of the optically effective surface. By adjusting the amount, the positioning of the optical element in the optical device can be performed without actually passing light.
[0109]
As described above, the optical element of each embodiment of the present invention can be easily adjusted when incorporated in an optical device, shortening the optical device manufacturing tact, and as a result, reducing the manufacturing cost of the optical device.
[0110]
The optical element of each embodiment of the present invention can be attached to various optical devices having the adjustment mechanism, such as a semiconductor exposure device, a semiconductor measurement device, an imaging camera, a laser beam printer, and a copying machine.
[0111]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, in measuring the shape of an optical element using a three-dimensional shape measuring machine, it is possible to evaluate the surface shape of the optical effective surface, which is the surface to be measured, with high accuracy.
[0112]
In addition, an error with respect to the design value of the position and orientation of the optical effective surface with respect to the reference (surface or position) in the optical element can be measured and evaluated with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining an optical element according to a first embodiment, a method for measuring the shape of the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 2 is a diagram for explaining an optical element according to a second embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 3 is a diagram for explaining an optical element according to a third embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 4 is a diagram for explaining an optical element according to a fourth embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 5 is a diagram for explaining an optical element according to a fifth embodiment, a shape measuring method of the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 6 is a diagram for explaining an optical element according to a sixth embodiment, a shape measuring method of the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 7 is a diagram for explaining an optical element according to a seventh embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 8 is a diagram for explaining an optical element according to an eighth embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 9 is a diagram for explaining an optical element according to a ninth embodiment, a method for measuring the shape of the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 10 is a diagram for explaining an optical element according to a tenth embodiment, a shape measuring method for the optical element, and a three-dimensional shape measuring apparatus for realizing the shape measurement.
FIG. 11 is a view for explaining an optical element molding die and a method for measuring the shape of the die according to an eleventh embodiment.
FIG. 12 is a view for explaining an optical element molding die and a shape measuring method of the die according to a twelfth embodiment.
FIG. 13 is a diagram for explaining an object to be measured, a measuring jig for fixing the object to be measured, and a method for measuring the object to be measured in the prior art.
[Explanation of symbols]
1 Optical element (object to be measured)
1a Optical effective surface
1s, 1t, 1u Optical element (object to be measured) reference plane
2 Measuring jig
2s, 2t, 2u Measuring jig reference plane
3a, 3b, 3c Measuring jig reference mark
4 Contact probe
5 Non-contact type probe

Claims (3)

被測定物の光学有効面と連続する面内に形成され、その法線の方向が前記光学有効面の光軸の方向と略一致する第1の基準面の位置と、前記第1の基準面に直交する方向に形成された第2の基準面の位置と、前記第1及び第2の基準面の双方に直交する第3の基準面の位置とを、点座標測定手段により測定し、該測定された各基準面の位置に基づいて直交三軸座標系を求め、続いて前記被測定物の光学有効面の形状を前記点座標測定手段により測定し、前記光学有効面の形状データを前記直交三軸座標系の座標値に座標変換して、前記基準面に対する前記光学有効面の形状データを算出することを特徴とする三次元形状測定方法。A position of a first reference surface which is formed in a surface continuous with the optical effective surface of the object to be measured, and whose normal direction substantially coincides with the direction of the optical axis of the optical effective surface; and the first reference surface Measuring the position of the second reference plane formed in the direction orthogonal to the first reference plane and the position of the third reference plane orthogonal to both the first and second reference planes by means of point coordinate measuring means, An orthogonal triaxial coordinate system is obtained based on the position of each measured reference surface, and subsequently the shape of the optical effective surface of the object to be measured is measured by the point coordinate measuring means, and the shape data of the optical effective surface is obtained as the shape data. A three-dimensional shape measuring method , wherein coordinate data is converted into coordinate values of an orthogonal three-axis coordinate system, and shape data of the optical effective surface with respect to the reference surface is calculated . 前記直交三軸座標系は、The orthogonal triaxial coordinate system is
前記第1の基準面上の互いに異なる3点が含まれる平面に対する方線ベクトルの方向を第1の座標軸とし、The direction of a direction vector with respect to a plane including three different points on the first reference plane is a first coordinate axis,
前記第2の基準面上の互いに異なる2点の座標を前記3点が含まれる平面に射影した点を結ぶ直線の方向ベクトルの方向を第2の座標軸とし、The direction of a direction vector of a straight line connecting points obtained by projecting two different coordinates on the second reference plane onto a plane including the three points is defined as a second coordinate axis.
前記第3の基準面上の1点の座標を測定し、その点を含み第1の座標軸と第2の座標軸の両方に直交するベクトルの方向を第3の座標軸としてThe coordinate of one point on the third reference plane is measured, and the direction of a vector including that point and orthogonal to both the first coordinate axis and the second coordinate axis is defined as the third coordinate axis.
決定されることを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定方法。The three-dimensional shape measuring method according to claim 1, wherein the three-dimensional shape measuring method is determined.
前記光学有効面は、複数あることを特徴とする請求項1に記載の三次元形状測定方法。The three-dimensional shape measuring method according to claim 1, wherein there are a plurality of optically effective surfaces.
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JP5286699B2 (en) * 2007-06-21 2013-09-11 日本精工株式会社 Article shape measuring method and measuring apparatus
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JP2017181807A (en) * 2016-03-30 2017-10-05 富士フイルム株式会社 Lens and shape measurement method for lens
JP7327299B2 (en) * 2019-07-11 2023-08-16 Jfeスチール株式会社 Fracture surface shape evaluation method, fracture surface shape data storage method, and fracture surface shape evaluation device
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