JPH079367B2

JPH079367B2 - 形状測定方法および装置

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Publication number: JPH079367B2
Application number: JP17842188A
Authority: JP
Inventors: 久夫原; 三男田中; 正英山崎; 信治濱野
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1988-07-18
Filing date: 1988-07-18
Publication date: 1995-02-01
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH0227208A

Description

【発明の詳細な説明】＜本発明の産業上の利用分野＞本発明は、被測定物の表面形状を測定するための形状測
定方法および装置に関する。

＜従来技術＞（第12図）物体表面のソリや凹凸等を測定するために、Ｘ−Ｙ方向
に移動する移動台上に被測定物を載置して、その測定表
面の移動による測定点の高さ変化をセンサによって検出
する形状測定装置が従来より用いられている。

第12図は、光学的なセンサを用いた形状測定装置の概略
を示す図であり、センサ１の光源２より出力されるビー
ム光を照射レンズ３を介して被測定物８の表面8aに照射
し、この反射光点の像を結像レンズ４で受光素子５の受
光面に結像させる。

受光素子５は、反射光点の結像位置の変化に応じた受光
信号を出力するように形成されているため、この受光信
号を演算処理することによってその反射光点（測定点）
のＺ方向の高さを測定することができる。

したがって、移動台６の移動により測定点の位置を任意
に設定して測定された高さデータに基づいて表面8aのソ
リや凹凸の度合等を判断することができる。

しかして、前記のように光学的なセンサを用いて測定表
面の高さを高精度に測定しようとする装置の場合、第11
図に示すように移動台６の移動時におけるＺ方向への変
位が僅かでもあると測定誤差を生じる。

この誤差を補正するため、従来の形状測定装置では、移
動台６の上に光学的に平坦な板（オプチカルフラット）
を載置した状態で移動台６を移動し、移動台６全面にわ
たって十分に細かく測定した変位データを予め記憶して
おき、被測定物の測定の際に、測定された高さデータ
を、その測定点の位置に対応する変位データによって補
正するようにしている。

＜本発明が解決しようとする問題点＞しかしながら、前記のように移動台のＺ方向の変位デー
タを全面にわたって細かく測定する作業は、非常に長い
時間を要するという問題がある。

特に、移動台を移動させるための機構の経時変化による
誤差を補正するためには、定期的にこの作業が必要とな
り、測定の能率が著しく低下する。

また、移動台全面にわたる変位データを記憶するために
は、長時間にわたって大量のデータを記憶保持できる記
憶装置が必要となるという問題があった。

＜前記問題点を解決するための手段＞前記問題点を解決するために本発明の形状測定方法は、前記移動台の可動範囲よりも低く、かつ平坦な面を持つ
物体を載せた移動台をＸ−Ｙ方向に移動させ、センサか
らの検出信号に基づいて移動台のＺ方向の変位を所定ピ
ッチで測定する段階と、前記測定された変位データを記憶する段階と、前記所定ピッチ間をXY方向に補間ピッチで細分化した格
子点を設定する段階と、前記格子点のＺ方向の変位データを前記測定された変位
データの補間演算によって算出する段階と、前記格子点の変位データをそのＸ−Ｙ座標値に対応させ
て記憶する段階と、前記移動台に載置された被測定物の測定点のＺ方向の高
さ値を前記センサからの検出信号に基づいて算出する段
階と、測定された高さ値を該測定点のＸ−Ｙ座標値に最も近い
格子点の変位データによって補正する段階とを備えてい
る。

また、前記方法を実現するために本発明の形状測定装置
は、被測定物を載置してＸ−Ｙ方向に移動させる移動台と、前記移動台に載置された被測定物の表面の測定点のＺ方
向の変位を検出するセンサと、前記移動台を移動させ設定されたＸ−Ｙ座標位置に測定
点を移動させる移動手段と、移動台上の所定のピッチ毎のＸ−Ｙ座標値を前記移動手
段に設定するピッチ座標設定手段と、前記ピッチ座標設定手段によって所定ピッチで移動され
る移動台自身の前記所定ピッチ毎のＺ方向の変位データ
を前記センサからの検出信号に基づいて算出するデータ
算出手段と、前記データ算出手段によって算出された変位データを記
憶する第１の記憶手段と、前記所定のピッチより小さな補間ピッチを設定する補間
ピッチ設定手段と、前記所定ピッチ間を前記補間ピッチで格子状に区切る格
子点のＺ方向の変位データを前記第１の記憶手段に記憶
された変位データより算出する補間演算手段と、前記補間演算手段により算出された変位データを記憶す
る第２の記憶手段と、前記移動台に載置される被測定物に対する測定点のＸ−
Ｙ座標値を前記移動手段に設定する測定設定手段と、前記測定設定手段により設定された測定点のＺ方向の高
さを前記センサからの検出信号に基づいて算出する高さ
算出手段と、演算結果に基づいて算出される測定点のＸ−Ｙ座標値に
最も近い格子点の変位データを前記第２の記憶手段より
読み出すデータ読み出し手段と、前記高さ算出手段により算出された測定点の高さを前記
テータ読み出し手段から読み出された変位データによっ
て補正する補正演算手段とを備えている。

＜作用＞したがって、被測定物の測定された高さデータは、第１
の記憶手段に記憶された格子点の変位データより補間演
算によって算出された格子点の変位データのうち、測定
点のXY座標に最も近い格子点の変位データによって補正
される。

＜本発明の実施例＞（第１〜10図）以下図面に基づいて、本発明の一実施例を説明する。

第１図は、一実施例の形状測定装置の全体構成を示す図
である。

図において10は測定機構部、11は基台、12は基台11上に
設けられたXY移動台である。

13は、基台枠11aに取付けられた後述する光センサ15をX
Y移動台12のXY移動平面と直交するＺ方向に上下させる
Ｚ移動装置である。

14は、後述する測定制御部30からの移動信号によってXY
移動台12、およびＺ移動装置13を駆動するXYZ駆動部で
ある。

15は、Ｚ移動装置13に取付けられた光センサである。

第２図は光センサ15の内部の光学的な構成を示す図であ
る。

第２図において、16はレーザ光源、17は、レーザ光をXY
移動台12のXY平面に直交するＺ方向に沿って被測定物の
表面に照射する照射レンズである。

18は、測定表面の反射光点の像を結像させる結像レン
ズ、19は反射光点の位置（Ｚ方向の高さ）の変化に応じ
て移動する結像位置の軌跡と一致する受光面19aを有す
る位置検出素子である。

位置検出素子19は、第３図に示すように、受光面19aの
中心線Ｃから結像点Ｑまでの距離Ｌと、両端の端子19
b、19cから抵抗R1、R2を介して流れる受光電流I1、I2と
の間にＬ＝Ｋ（I1−I2）／（I1＋I2）の関係が成り立つ受光素
子（例えば一次元の拡散型PINダイオード）が用いられ
ており（Ｋは定数）、この演算を行なう演算器20により
中心線Ｃから結像位置Ｑまでの距離Ｌ（変位値）が算出
されることになる。

なお、照射レンズ17と結像レンズ18の光軸は点Ｐで交わ
り、この点Ｐからの反射光点に対する結像位置は受光面
19aの中心線Ｃ上の設定されており、このときの受光電
流I1、I2は等しく変位値Ｌは０となる。

また、第１図において25は、XY移動台12の所定の基準原
点に対する光ビームの反射光点のXY平面上の位置を検出
してその位置信号を出力するXY位置検出装置であり、こ
の位置信号および光センサ15からの変位信号は測定制御
部30に送出されている。

測定制御部30は、第４図に示すようにコンピュータによ
り構成されている。

第４図において、31は入出力インタフェイス、32は演算
処理装置、33は外部記憶装置、34は内部記憶装置、35は
キーボード等の入力操作部、36は表示部である。

この測定制御部30は、移動台20の移動時のＺ方向の変位
データを所定のピッチで測定検出する第１のモードと、
測定された変位データに基づいてさらに細かなピッチで
の変位データを作成する第２のモードと、被測定物に対
する測定データを変位データで補正する第３のモードと
を有している。

第１のモードは、第５図に示すように、予め移動台12上
に載置されたオプチカルフラット40の表面の高さを、始
点（X1、Y1）から終点（Xm、Xn）まで格子状にピッチLp
で測定して、その高さＺ（１、１）〜Ｚ（ｍ、ｎ）の変
位データを記憶するモードである。

第６図は、この処理手順を示すフロチャートであり、ス
テップ１では測定の始点、終点の座標、測定ピッチLpお
よびオプチカルフラットの高さＨとが入力操作部35より
設定され、ステップ２では設定された始点（X1、Y1）位
置に光センサ15からのビーム光が照射されるように移動
台12が移動される。

ステップ３では始点（X1、Y1）の高さ値が光センサ15か
らの変位信号Ｌに基づいて算出される。

この演算は、XY移動台12上の基準原点から被測定物表面
の基準点に光センサ15の光軸一致点ＰをＺ移動装置13に
よって移動させたときの移動量Z₀を予め記憶しておき、
変位信号Ｌを反射光点の実際の変位量ZLに変換して、Z₀
からZLを減じる（または加算する）ことにより、その高
さデータＺ（１、１）を算出するようにしている。

ステップ４では、この始点の高さデータＺ（１、１）か
らオプチカルフラット40の高さＨ（真の高さデータ）が
減算された値d₀が内部記憶装置33の所定アドレスに記憶
される。

ステップ５では、次の測定点の座標位置が始点座標およ
び測定ピッチに基づいて第４図の測定ルートに従って演
算され、ステップ６でその算出された座標位置に移動台
12が移動され、ステップ７では測定点の高さが前記同様
に算出される。

ステップ８では、算出された高さデータから前回算出さ
れた高さデータが減算されて、第１の差分データdiが算
出され、ステップ９では順次算出された第１の差分デー
タdiが所定のアドレスから順に記憶される。

ステップ10ではすべての測定点の測定が終了したか否か
が判別され、終了していないときはステップ５に戻り、
終了したときはステップ11に移る。

ステップ11は、第４図の測定ルートの行間の第２の差分
データDkを算出するステップであり、算出された第２の
差分データDkはステップ12において順次所定アドレスに
記憶される。

この処理により内部記憶載置34には、移動台12の移動時
におけるＺ方向の第１、第２の差分データが所定のピッ
チLp毎に記憶されたことになり、このデータは始点の真
の変位データd₀とともにステップ13で外部記憶装置33に
記憶される。

第２のモードは、測定の開始時に第１のモードで記憶さ
れた差分データを外部記憶装置33から読出して、さらに
細かなピッチでの変位データを演算によって作成するモ
ードである。

第７図はこのモードの処理手順を示すフロチャートであ
り、ステップ１では、補間ピッチSpが設定され、ステッ
プ２では、第１のモードで測定された始点の真の変位デ
ータd₀と、ピッチLpで四辺形をなす４つの測定点間の差
分データが外部記憶装置33から読出される。

ステップ３では、このデータと補間ピッチSpから、４つ
の測定点の変位データと、その間をSp毎に細分化した格
子点の変位データとが演算される。

この演算は、第８図に示すように例えば差分データから
算出される４つの変位データh1〜h4を測定点のＺ方向の
高さ点として表した場合、この点を結んで形成される面
を平面とみなし、ピッチLp間をピッチSpで細分化したXY
位置の（ｍ、ｎ）番目の格子点の高さhpを次式の線形補
間により算出する。

hp＝［ｎ・h2＋ｍ・h4］Sp/Lp ＋［１−（ｍ＋ｎ）・Sp/Lp］・h3 ステップ４では、補間演算によって算出された変位デー
タが内部記憶装置34のXY座標に対応するアドレスに順次
記憶される。

ステップ５では、第１のモードで測定された４つの測定
点で構成されるすべての面について補間処理が終了した
か否かが判別され、終了していない場合は、ステップ２
に戻る。また全ての補間処理が終了した場合は、ステッ
プ６で測定準備完了の表示が表示部36に表示される。

以上の処理により、内部記憶装置34には、第９図に示す
ように、格子点の変位データhijが配列記憶されること
になる。

第３のモードは、移動台12上載置された被測定物を所定
の測定ルートに従って測定するモードであり、ステップ
１では、入力操作部35から測定点Ｒ（Ｉ）〜Ｒ（Ｋ）の
XY座標および測定方法が設定されると、ステップ２でｎ
が１に初期化される。

ステップ３では、測定点Ｒ（ｎ）のXY座標値と、格子点
のXY座標値とを比較して、測定点Ｒ（ｎ）のXY座標値が
格子点のXY座標値±Sp/2の範囲内となる格子点座標を探
索する。

ステップ４では探索された格子点座標（Xi、Yj）アドレ
スＡに記憶され、ステップ５では、アドレスＡに記憶さ
れた格子点座標の変位データhijが読出されアドレスＢ
（ｎ）に記憶される。

ステップ６では、ｎが１増加され、ステップ７ではｎが
Ｋ−１に達したか否かが判別される。

ｎがＫ−１に達していない場合は、次の測定点Ｒ（ｎ）
のXY座標とアドレスＡに記憶された前回の格子点座標の
差の絶対値即ちＰ＝|X（ｎ）−Xi|、Ｑ＝|Y（ｎ）−Yj| が計算される。

ステップ９では、Ｐ、Ｑの値がともに格子点ピッチSpの
1/2以下であるか否かが判別され、Sp/2以下のときはス
テップ５に戻り、Sp/2以上のときはステッ３に戻る。

したがってステップ２からステップ９までの処理がすべ
ての測定点Ｒ（１）〜Ｒ（ｋ）について行なわれ、測定
点に対する最寄の格子点の変位データがアドレスＢ
（１）〜Ｂ（ｋ）に記憶されることになる。

ステップ７でｎがＫ−１に達すると、ステップ11で再び
ｎが１に初期化され、測定動作に移行する。

ステップ12では測定点Ｒ（ｎ）の座標位置に移動台12が
移動制御され、ステップ13では測定点Ｒ（ｎ）の高さ値
Ｚ（ｎ）が算出される。

ステップ14ではこの測定値Ｚ（ｎ）から、アドレスＢ
（ｎ）に記憶された変位データｈ（ｎ）が減算され、補
正された高さデータＨ（ｎ）が算出される。

ステップ15では、高さデータＨ（ｎ）がアドレスＢ
（ｎ）に記憶され、ステップ16でｎが１増加される。

ステップ17ではｎがＫ−１に達したか否かが判別され、
達していない場合はステップ12に戻る。

ｎがＫ−１に達した場合は、アドレスＢ（１）〜Ｂ
（ｋ）に記憶された測定点Ｒ（１）〜Ｒ（ｋ）の高さデ
ータＨ（１）〜Ｈ（ｋ）に基づいて、予め設定された測
定方法による判定演算がステップ18でなされる。

判定結果はステップ19で表示部36に表示される。

＜本発明の他の実施例＞なお、前記実施例では、被測定物表面の高さ変位を光セ
ンサ15によって検出していたが、これは、本発明を限定
すのものでなく他の非接触式光センサや接触式センサ等
を用いてもよい。

また、前記実施例では、第１のモードで測定された移動
台のＺ方向の変位データを外部記憶装置33に記憶してい
たが、内部記憶装置34の一部に記憶保持するようにして
もよい。

また、このモードにおいて、移動台12のＺ方向の変位デ
ータを移動台12の右上の始点から左下に蛇行するように
検出しているがこれは本発明を限定するものでなく任意
の方向から移動して検出することができる。

また、前記実施例では、移動台を測定ピッチに該当する
位置への移動指令をピッチ毎に出していたが、移動台を
測定開始点から終了点まで連続的に移動させるような指
令のみを行なっても同様の処理が可能である。

即ち、第11図に示すようにXY移動台40のＸ方向、Ｙ方向
の移動量を測定するｘセンサ41、Ｙセンサ42を設け、移
動座標を測定する。Ｘセンサ41、Ｙセンサ42から得られ
た移動座標とピッチ設定手段45からのピッチ座標とをピ
ッチ検出器46で比較し、移動座標とピッチ座標とが一致
する毎に、光センサ43からの信号に基づいて測定値を測
定制御部50より出力させるようにする。

このようにすると、前記実施例より高速な測定が可能と
なる。

＜本発明の効果＞本発明の形状測定方法および装置は、前記説明のよう
に、所定ピッチで測定検出した移動台のＺ方向の変位デ
ータを予め記憶しておき、この変位データに基づいてさ
らに細かなピッチで補間算出された格子点の変位データ
により測定点の高さ補正を行なうようにしているため、
変位データを従来のように細かく測定することが不要と
なり、定期的に必要なこの作業を短時間で行なうことが
でき、測定効率が著しく向上する。

また、変位データを記憶するための記憶装置の容量は、
所定ピッチで測定された変位データと、この変位データ
から算出された格子点の変位データとを記憶するための
容量で済み、記憶容量の小さい記憶装置で構成すること
ができる。

また、前記のように４つの測定点で囲まれる面を３つの
点で形成される平面として近似すると、補間演算が非常
に簡単で済み、格子点のデータを短時間で算出すること
ができる。

さらに、移動台のＺ方向の変位データを記憶する場合、
前記のように前回の測定値からの差分データとして記憶
すると、少ないデータ長で十分な分解能が得られ、記憶
容量をさらに節約することができる。

また、測定ルートの座標に対して変位データを読み出す
際、前記のように前回読み出された変位データの格子点
座標と測定点座標との差が所定値以下のときには前回と
同一の変位データを用いて測定データを補正することに
より、測定点に対する格子点座標の変位データを短時間に読み
出すことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例の全体構成を示す図、第２
図は、第１図の要部の光学機構を示す図、第３図は、第
２図の要部の回路を示す図である。第４図は、第１図の要部のブロック図、第５図は、一実
施例の測定モードを説明するための平面図である。第６図は、一実施例の第１の処理手順を示すフロチャー
ト、第７図は第２の処理手順を示すフロチャート、第８
図は第７図の処理手順を説明するための図である。第９図は、第７図の処理手順によって記憶されるデータ
を示すメモリ図、第10図は、一実施例の第３の処理手順
を示すフロチャート図である。第11図は本発明の他の実施例の要部を示すブロック図で
あり、第12図は、従来装置の要部を示す概略図である。 10……測定機構部、12……移動台、13……Ｚ移動装置、
14……XYZ駆動部、15……光センサ、25……XY位置検出
器、30……測定制御部、31……入出力インタフェイス、
32……演算処理装置、33……外部記憶装置、34……内部
記憶装置、35……入力操作部、36……表示部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】移動台に載置された被測定物をＸ−Ｙ方向
に移動させながら、センサによって被測定物表面の測定
点のＺ方向の高さを測定する形状測定方法において、前記移動台の可動範囲よりも広く、かつ平坦な面を持つ
物体を載せた前記移動台をＸ−Ｙ方向に移動させ、前記
センサからの検出信号に基づいて移動台のＺ方向の変位
を所定ピッチで測定する段階と、測定された変位データを記憶する段階と、前記所定ピッチ間をXY方向に補間ピッチで細分化した格
子点を設定する段階と、前記格子点のＺ方向の変位データを前記測定された変位
データの補間演算によって算出する段階と、前記格子点の変位データをそのＸ−Ｙ座標値に対応させ
て記憶する段階と、前記移動台に載置された被測定物の測定点のＺ方向の高
さ値を前記センサからの検出信号に基づいて算出する段
階と、測定された高さ値を該測定点のＸ−Ｙ座標値に最も近い
格子点の変位データによって補正する段階とを備えたこ
とを特徴とする形状測定方法。
【請求項２】被測定物を載置してＸ−Ｙ方向に移動させ
る移動台と、前記移動台に載置された被測定物の表面の測定点のＺ方
向の変位を検出するセンサと、前記移動台を移動させ設定されたＸ−Ｙ座標位置に測定
点を移動させる移動手段と、移動台上の所定ピッチ毎のＸ−Ｙ座標値を前記移動手段
に設定するピッチ座標設定手段と、前記ピッチ座標設定手段によって所定ピッチで移動され
る移動台自身の前記所定ピッチ毎のＺ方向の変位データ
を前記センサからの検出信号に基づいて算出するデータ
算出手段と、前記データ算出手段によって算出された変位データを記
憶する第１の記憶手段と、前記所定のピッチより小さな補間ピッチを設定する補間
ピッチ設定手段と、前記所定ピッチ間を前記補間ピッチで格子状に区切る格
子点のＺ方向の変位データを前記第１の記憶手段に記憶
された変位データより算出する補間演算手段と、前記補間演算手段により算出された変位データを記憶す
る第２の記憶手段と、前記移動台に載置される被測定物に対する測定点のＸ−
Ｙ座標値を前記移動手段に設定する測定設定手段と、前記測定設定手段により設定された測定点のＺ方向の高
さを前記センサからの検出信号に基づいて算出する高さ
算出手段と、演算結果に基づいて算出される測定点のＸ−Ｙ座標値に
最も近い格子点の変位データを前記第２の記憶手段より
読み出すデータ読み出し手段と、前記高さ算出手段により算出された測定点の高さを前記
テータ読み出し手段から読み出された変位データによっ
て補正する補正演算手段とを備えた形状測定装置。
【請求項３】前記補間演算手段は、前記所定ピッチで四
辺形をなす４つの測定点間に囲まれた面を平面近似する
ことにより、該平面内の格子点のＺ方向の変位データを
線形補間によって算出することを特徴とする第２項記載
の形状測定装置。
【請求項４】前記データ算出手段は、所定ピッチ毎に前
記センサからの検出信号に基づいて算出される変位デー
タと直前に算出された変位データとの差分データをその
測定点の変位データとして前記第１の記憶手段に記憶さ
せることを特徴とする第２項記載の形状測定装置。
【請求項５】前記データ読み出し手段は、被測定物の測
定点のＸ−Ｙ座標値と直前に読み出された格子点のＸ−
Ｙ座標値との差が前記補間ピッチの半分以下のとき、前
回と同一の変位データを読み出すことを特徴とする第２
項記載の形状測定装置。