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JP2000266524A - Three-dimensional shape measuring machine and its measuring method - Google Patents

Three-dimensional shape measuring machine and its measuring method

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Publication number
JP2000266524A
JP2000266524A JP7125499A JP7125499A JP2000266524A JP 2000266524 A JP2000266524 A JP 2000266524A JP 7125499 A JP7125499 A JP 7125499A JP 7125499 A JP7125499 A JP 7125499A JP 2000266524 A JP2000266524 A JP 2000266524A
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JP
Japan
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stage
measured
probe
dimensional
axis
Prior art date
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JP7125499A
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Japanese (ja)
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Inventor
Seiichi Kamiya
誠一 神谷
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
Application filed by Canon Inc filed Critical Canon Inc
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Publication of JP2000266524A publication Critical patent/JP2000266524A/en
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  • Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物の3次元形状を高精度にかつ短時間
で測定することが可能な3次元形状測定機および3次元
形状測定方法を提供する。 【解決手段】 3次元形状測定機の座標軸をR−θ−Z
系とし、被測定物1をθステージ7に載置し、光プロー
ブ2をRステージ3およびZステージ4上に配設し、光
プローブ位置検出手段としてのレーザ測長器9(9a〜
9h)はすべてを同一のR−Z面内に配置して、被測定
物1の形状を前記R−Z面内における2次元上で形状測
定を行なうようにする。レーザ測長器9に使用されるR
およびZ基準ミラー5,6はその幅を小さくでき、製作
が容易になるとともにその平面度を向上させることがで
き、また、レーザ測長器9による測定誤差も2次元上に
ついてのみ考慮すれば良く測定誤差を減少させることが
できる。
[PROBLEMS] To provide a three-dimensional shape measuring machine and a three-dimensional shape measuring method capable of measuring a three-dimensional shape of an object to be measured with high accuracy and in a short time. SOLUTION: The coordinate axes of the three-dimensional shape measuring machine are R-θ-Z.
The DUT 1 is mounted on the θ stage 7, the optical probe 2 is disposed on the R stage 3 and the Z stage 4, and a laser length measuring device 9 (9 a to 9 c) as an optical probe position detecting means is provided.
In 9h), all are arranged in the same RZ plane, and the shape of the DUT 1 is measured two-dimensionally in the RZ plane. R used for laser length measuring device 9
And the Z reference mirrors 5 and 6 can be reduced in width to facilitate manufacture and improve the flatness, and the measurement error by the laser length measuring device 9 only needs to be considered in two dimensions. Measurement errors can be reduced.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光学部品や金型な
どの物体表面形状を高精度に測定する3次元形状測定機
およびその測定方法に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a three-dimensional shape measuring machine for measuring the surface shape of an object such as an optical component or a mold with high accuracy, and a measuring method therefor.

【0002】[0002]

【従来の技術】光学部品や金型などの物体表面形状を高
精度に測定する方法として、3次元形状測定機の利用が
広く知られている。一般に3次元形状測定機は接触型も
しくは非接触型のプローブを被測定物に近づけ、両者が
ほぼ一定の距離もしくは一定の力関係になるようプロー
ブ位置を制御させた上で被測定物上をスキャンさせて形
状測定を行なうものである。
2. Description of the Related Art The use of a three-dimensional shape measuring machine is widely known as a method for measuring the surface shape of an object such as an optical component or a mold with high accuracy. In general, a three-dimensional shape measuring machine scans a workpiece by bringing a contact or non-contact probe close to the workpiece and controlling the probe position so that both have a substantially constant distance or a constant force relationship. Then, the shape is measured.

【0003】この種の測定機としては、特開平09−3
11024号公報や特開平04−299206号公報等
に記載された形状測定機が知られており、従来の形状測
定機の一例としては、例えば図9に図示するような構成
を備えている。同図において、101は図示しない支持
台に固定された被測定物、103はXステージであり、
その上にZステージ104が搭載され、Zステージ10
4上に変位計102が配置されている。すなわち、変位
計102はX−Z軸方向への移動が可能となっている。
また、Zステージ104上にはZ軸用レーザ測長器10
9cおよびX軸用レーザ測長器109gが配置されてお
り、位置固定のZ基準ミラー105およびX基準ミラー
106とそれぞれのレーザ測長器109c,109g間
の距離を検出して、変位計102のZ軸座標位置および
X軸座標位置を測定している。ここではXステージ10
3およびZステージ104の移動時に発生するピッチン
グ成分やヨーイング成分の影響によるアッベ誤差を排除
するように、それぞれのレーザ測長器の測長光路の中心
軸が、変位計102の測定点を通り、それぞれのステー
ジの移動軸と平行になるように取り付けられている。被
測定物101に変位計104を近づけ、両者間の距離が
0.5μm以内になるようサーボをかけた状態でのXお
よびZ軸座標位置を測定する。これによりX軸座標位置
X1 でのZ軸座標位置Z1 が求められたことになる。次
に、Xステージ103を動かして変位計102をX軸方
向に移動させ、同様にX2 ,Z2 を測定する。このよう
に変位計102を被測定物101に沿って動かすことに
よりX断面形状が求められる。
A measuring instrument of this type is disclosed in Japanese Unexamined Patent Publication No.
A shape measuring machine described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11024 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 04-299206 is known. As an example of a conventional shape measuring device, a configuration as shown in FIG. 9 is provided, for example. In the figure, reference numeral 101 denotes an object to be measured fixed to a support (not shown), 103 denotes an X stage,
A Z stage 104 is mounted thereon, and the Z stage 10
4, a displacement meter 102 is arranged. That is, the displacement meter 102 can move in the XZ axis direction.
A Z-axis laser length measuring device 10
9c and an X-axis laser length measuring device 109g are arranged. The distance between the fixed Z reference mirror 105 and the X reference mirror 106 and the respective laser length measuring devices 109c and 109g is detected. The Z-axis coordinate position and the X-axis coordinate position are measured. Here X stage 10
In order to eliminate Abbe errors caused by the pitching component and the yawing component generated when the 3 and Z stages 104 move, the central axes of the measuring optical paths of the respective laser length measuring devices pass through the measuring points of the displacement meter 102, It is mounted so as to be parallel to the movement axis of each stage. The displacement meter 104 is brought closer to the object to be measured 101, and the X and Z-axis coordinate positions are measured with a servo applied so that the distance between the two is within 0.5 μm. Thus, the Z-axis coordinate position Z1 at the X-axis coordinate position X1 has been obtained. Next, the X stage 103 is moved to move the displacement meter 102 in the X-axis direction, and X2 and Z2 are measured in the same manner. By moving the displacement meter 102 along the measured object 101 in this manner, the X cross-sectional shape is obtained.

【0004】また、従来の他の形状測定機としては、図
10に図示するように構成されたものがある。同図にお
いて、203はXステージであり、その上にYステージ
208、さらにその上にZステージ204が搭載されて
おり、X−Y−Z軸に対してそれぞれ垂直な平面、すな
わち、YZ面、XZ面、XY面上にそれぞれX基準ミラ
ー206、Y基準ミラー207、Z基準ミラー205が
配置されている。Zステージ204上には被測定物20
1とZステージ204上の特定点の距離Z1 を検出する
プローブ202、Zステージ204上の特定点と位置固
定のZ基準ミラー205の距離Z2 を検出する測定手段
209c、Zステージ204上の特定点と位置固定のX
基準ミラー206の距離Xを検出する測定手段209
g、Zステージ204上の特定点と位置固定のY基準ミ
ラー207の距離Yを検出する測定手段209i(な
お、測定手段209iは図10には影となるために図示
されていない。)が配置されている。したがって、Zス
テージ204上に配置したプローブ202はX−Y−Z
軸方向への移動が可能であり、また、その時の3次元座
標は、(X,Y,Z1 とZ2 とから算出したZ)とする
ことができる。このように、プローブ202を被測定物
201の全面に走査させ、その時の3次元座標を検出す
ることで、被測定物の3次元形状を測定できることにな
る。
As another conventional shape measuring machine, there is one which is configured as shown in FIG. In the figure, reference numeral 203 denotes an X stage, on which a Y stage 208 and a Z stage 204 are further mounted, and a plane perpendicular to the XYZ axes, that is, a YZ plane, An X reference mirror 206, a Y reference mirror 207, and a Z reference mirror 205 are disposed on the XZ plane and the XY plane, respectively. The object to be measured 20 is placed on the Z stage 204.
A probe 202 for detecting a distance Z1 between the first stage 1 and a specific point on the Z stage 204; a measuring means 209c for detecting a distance Z2 between a specific point on the Z stage 204 and a fixed Z reference mirror 205; a specific point on the Z stage 204 And fixed position X
Measurement means 209 for detecting distance X of reference mirror 206
g, a measuring means 209i for detecting the distance Y between the specific point on the Z stage 204 and the fixed Y reference mirror 207 (note that the measuring means 209i is not shown in FIG. 10 because it is a shadow). Have been. Therefore, the probe 202 arranged on the Z stage 204 is XYZ
It can be moved in the axial direction, and the three-dimensional coordinates at that time can be (X, Y, Z calculated from Z1 and Z2). As described above, by scanning the entire surface of the object 201 with the probe 202 and detecting the three-dimensional coordinates at that time, the three-dimensional shape of the object can be measured.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、図9に図示
するような形状測定機では、被測定物のX−Z断面形状
についてアッベ誤差を考慮した構成となっており、高精
度測定が期待できるけれども、被測定物あるいは光プロ
ーブをY軸方向に移動させる手段が備えられていないた
め、被測定物の3次元形状の測定ができないという問題
点がある。
By the way, the shape measuring machine as shown in FIG. 9 has a configuration in which the Abbe error is considered in the XZ cross-sectional shape of the object to be measured, and high precision measurement can be expected. However, since there is no means for moving the object or the optical probe in the Y-axis direction, there is a problem that the three-dimensional shape of the object cannot be measured.

【0006】図10に図示するような3次元形状測定機
では、次のような問題点があげられる。すなわち、X−
Y−Z軸に対してそれぞれ垂直なYZ面、XZ面、XY
面上に基準ミラーを各々配置しているが、これらの基準
ミラーは通常2次元上にλ/10〜λ/20程度の平面
度をもつ基準面が必要となるため、製作方法や製作日
数、コスト面などの影響により、大型なものを製作する
ことは困難であった。したがって、被測定物の測定範囲
が制約を受けることになる。さらに、プローブはXもし
くはY断面上を移動させることにより、例えば軸対象レ
ンズ等はX−Z面もしくはY−Z面において、X方向も
しくはY方向の変化に対してZ方向の変化が大きい測定
物は、プローブの移動速度が上げられず、測定時間が長
くなってしまう。また、図9に図示する形状測定機にお
いて、Yステージを付設し変位計をX−Y−Z軸方向に
移動可能にするとしても、同様の問題点がある。
A three-dimensional shape measuring machine as shown in FIG. 10 has the following problems. That is, X-
YZ plane, XZ plane, XY each perpendicular to the YZ axis
The reference mirrors are arranged on the surfaces, respectively. These reference mirrors usually require a reference surface having a flatness of about λ / 10 to λ / 20 in two dimensions. It was difficult to manufacture a large product due to the cost and other factors. Therefore, the measurement range of the device under test is restricted. Further, by moving the probe on the X or Y section, for example, the axially symmetric lens or the like is measured on the XZ plane or the YZ plane with a large change in the Z direction relative to a change in the X direction or the Y direction. In this case, the moving speed of the probe cannot be increased, and the measuring time becomes longer. Further, in the shape measuring machine shown in FIG. 9, even if a Y stage is attached and the displacement meter can be moved in the XYZ axis directions, there is a similar problem.

【0007】そこで、本発明は、上記のような従来技術
の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、
被測定物の3次元形状を高精度にかつ短時間で測定する
ことが可能な3次元形状測定機および3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。
Therefore, the present invention has been made in view of the above-mentioned unsolved problems of the prior art,
It is an object of the present invention to provide a three-dimensional shape measuring instrument and a three-dimensional shape measuring method capable of measuring a three-dimensional shape of an object to be measured with high accuracy in a short time.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の3次元形状測定機は、被測定物の形状に沿
って走査するプローブを用いて被測定物の3次元形状を
測定する3次元形状測定機において、被測定物を支持し
かつ該被測定物に垂直方向となるZ軸方向に対しての回
転成分となるθ軸方向に移動可能に設けられたθステー
ジと、該θステージ上の前記被測定物に対して水平方向
となるR軸方向に移動可能に設けられたRステージと、
被測定物に対して垂直方向となるZ軸方向に移動可能に
設けられたZステージを備え、前記プローブは前記Rス
テージおよび前記Zステージ上に配設され、前記Rステ
ージ、前記θステージおよび前記Zステージの各々に設
けられた位置検出手段は全て同一のR−Z面上に配置さ
れていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a three-dimensional shape measuring apparatus of the present invention measures a three-dimensional shape of a measured object using a probe that scans along the shape of the measured object. A three-dimensional shape measuring machine, a θ stage provided to support an object to be measured and movable in a θ-axis direction as a rotation component with respect to a Z-axis direction perpendicular to the object to be measured; An R stage provided movably in an R-axis direction that is horizontal with respect to the DUT on the stage;
A Z stage provided so as to be movable in a Z-axis direction perpendicular to the object to be measured; the probe is disposed on the R stage and the Z stage; and the R stage, the θ stage, and the The position detecting means provided on each of the Z stages is all arranged on the same RZ plane.

【0009】本発明の3次元形状測定機においては、前
記Rステージおよび前記Zステージ上に4台のレーザ測
長器が配置され、該レーザ測長器は、前記Rステージお
よび前記Zステージ上に配設された前記プローブが自由
に移動可能なR−Z面内のR軸方向およびZ軸方向にそ
れぞれ2台ずつ配置されており、前記プローブは、前記
被測定物との距離が常に一定となるようにZ軸方向に移
動しながら前記被測定物の形状に沿って走査しうるよう
に構成され、前記プローブにより前記被測定物の全面を
走査する際に前記プローブの3次元座標位置のR,θ,
Zを同時に検出し、該3次元座標位置におけるRは、Z
軸に対して平行でかつR軸上を通る位置に配置されたR
基準ミラーとZ軸方向に並べて配置された2台のレーザ
測長器とから算出され、前記3次元座標位置におけるZ
は、R軸に対して平行でかつZ軸上を通る位置に配置さ
れたZ基準ミラーとR軸方向に並べて配置された2台の
レーザ測長器とから算出され、そして、前記3次元座標
位置におけるθは、前記θステージを構成する回転機構
のロータ部のラジアル方向に配置されたスケールおよび
前記θステージ外部に固定されたスケール検出器とから
算出され、前記プローブの3次元座標のR,θ,Zを基
にして前記被測定物の形状測定を行なうことが好まし
い。
In the three-dimensional shape measuring instrument of the present invention, four laser length measuring devices are arranged on the R stage and the Z stage, and the laser length measuring devices are mounted on the R stage and the Z stage. The two arranged probes are respectively arranged in the R-axis direction and the Z-axis direction in the freely movable R-Z plane, and each of the two probes is arranged such that a distance from the object to be measured is always constant. Is configured to scan along the shape of the DUT while moving in the Z-axis direction. When the entire surface of the DUT is scanned by the probe, the R of the three-dimensional coordinate position of the probe is set. , Θ,
Z are simultaneously detected, and R at the three-dimensional coordinate position is Z
R arranged at a position parallel to the axis and passing on the R axis
It is calculated from a reference mirror and two laser length measuring devices arranged side by side in the Z-axis direction, and the Z at the three-dimensional coordinate position is calculated.
Is calculated from a Z reference mirror arranged at a position parallel to the R axis and passing on the Z axis and two laser length measuring instruments arranged side by side in the R axis direction, and the three-dimensional coordinates are calculated. Θ at the position is calculated from a scale arranged in a radial direction of a rotor part of a rotation mechanism constituting the θ stage and a scale detector fixed outside the θ stage, and R, of three-dimensional coordinates of the probe, It is preferable that the shape of the object is measured based on θ and Z.

【0010】本発明の3次元形状測定機においては、前
記θステージはエアーベアリングによって構成され、該
エアーベアリングのロータ部にはラジアル方向およびス
ラスト方向にθ基準ミラーを一体化して取り付けられて
いることが好ましい。
In the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention, the θ stage is constituted by an air bearing, and a θ reference mirror is integrally mounted on a rotor portion of the air bearing in a radial direction and a thrust direction. Is preferred.

【0011】そして、本発明の3次元形状測定方法は、
被測定物の形状に沿って走査するプローブを用いて被測
定物の3次元形状を測定する測定方法において、前記プ
ローブを前記被測定物の水平方向となるR軸方向へ、前
記被測定物を前記被測定物の垂直方向となるZ軸方向に
対しての回転成分となるθ軸方向へ、同時にあるいは各
々単独で移動させ、該移動時に前記プローブを前記被測
定物との距離が常に一定となるように移動させながら前
記被測定物の形状に沿って全面を走査し、前記プローブ
の3次元座標位置のR,θ,Zを同時に検出し、検出さ
れた前記3次元座標のR,θ,Zを基に前記被測定物の
3次元形状を測定することを特徴とする。
The three-dimensional shape measuring method of the present invention
In a measuring method for measuring a three-dimensional shape of an object to be measured using a probe that scans along the shape of the object to be measured, the probe is moved in an R-axis direction that is a horizontal direction of the object to be measured. In the θ-axis direction which is a rotation component with respect to the Z-axis direction which is the vertical direction of the device under test, the probe is moved simultaneously or independently, and the distance between the probe and the device under test is always constant. The entire surface is scanned along the shape of the object to be measured while moving so that R, θ, and Z of the three-dimensional coordinate position of the probe are simultaneously detected, and the detected R, θ, and R of the three-dimensional coordinates are detected. The three-dimensional shape of the object to be measured is measured based on Z.

【0012】本発明の3次元形状測定方法においては、
前記プローブの3次元座標におけるR座標の算出に際し
て、同一のR−Z面内において異なる2か所の位置P
1,P2においてそれぞれ検出されるR座標R1,R2
と、前記両位置P1,P2の中間および前記プローブ先
端と前記被測定物との交点におけるZ方向成分の距離D
1と、前記両位置P1,P2の間のZ方向成分の距離D
2とからアッベ誤差を考慮したR座標値Rを算出し、そ
して、前記プローブの3次元座標位置におけるZ座標の
算出に際して、同一のR−Z面内において異なる2か所
の位置P3,P4においてそれぞれ検出されるZ座標Z
1,Z2と、前記両位置P3,P4の中間および前記プ
ローブ先端と前記被測定物との交点におけるR方向成分
の距離D3と、前記両位置P3,P4の間のR方向成分
の距離D4とからアッベ誤差を考慮したZ座標値Zを算
出することが好ましい。
In the three-dimensional shape measuring method of the present invention,
When calculating the R coordinate in the three-dimensional coordinates of the probe, two different positions P in the same RZ plane
R coordinates R1, R2 detected at P1, P2 respectively
And the distance D in the Z direction between the two positions P1 and P2 and at the intersection of the probe tip and the object to be measured.
1 and the distance D of the Z-direction component between the two positions P1 and P2.
2 to calculate the R coordinate value R considering the Abbe error, and calculating the Z coordinate at the three-dimensional coordinate position of the probe at two different positions P3 and P4 in the same RZ plane. Z coordinate Z detected respectively
1, Z2, the distance D3 of the R-direction component between the two positions P3 and P4, and the intersection of the probe tip and the object to be measured, and the distance D4 of the R-direction component between the two positions P3 and P4. It is preferable to calculate the Z coordinate value Z in consideration of the Abbe error.

【0013】本発明の3次元形状測定方法においては、
前記被測定物をθ軸方向に回転させる際に発生するスラ
スト方向の面ぶれ量およびラジアル方向の軸ぶれ量を検
出し、前記プローブの3次元座標位置におけるZ座標値
には前記面ぶれ量を補正値として考慮し、前記プローブ
の3次元座標位置におけるR座標値には前記軸ぶれ量を
補正値として考慮することが好ましい。
In the three-dimensional shape measuring method of the present invention,
The amount of surface shake in the thrust direction and the amount of axial shake in the radial direction that occur when rotating the object to be measured in the θ-axis direction are detected. It is preferable to consider this as a correction value, and to consider the axis shake amount as a correction value in the R coordinate value at the three-dimensional coordinate position of the probe.

【0014】本発明の3次元形状測定方法においては、
前記被測定物が軸対象形状である場合、前記被測定物の
軸と前記θ軸方向の回転軸となるZ軸とをほぼ一致させ
るように合わせ込みを行なった後に形状測定を実施する
ことが好ましい。
In the three-dimensional shape measuring method of the present invention,
When the object to be measured has an axially symmetric shape, it is possible to perform shape measurement after performing alignment so that the axis of the object to be measured and the Z axis serving as the rotation axis in the θ-axis direction substantially coincide with each other. preferable.

【0015】[0015]

【作用】本発明によれば、座標軸をR−θ−Z系とし
て、被測定物に対して平行に移動するRステージ、被測
定物の垂直方向に移動するZステージ、Z方向を回転軸
とするすなわち被測定物の垂直方向を回転軸とするθス
テージとから構成し、被測定物をθステージに載置し、
光プローブをRステージおよびZステージ上に設け、光
プローブ位置検出手段はすべてを同一のR−Z面内に配
置し、被測定物の形状をR−Z面内における2次元上で
形状測定を行なうことにより、光プローブ位置検出手段
となるレーザ測長器に使用されるR基準ミラーおよびZ
基準ミラーは、ほぼ1次元上(一直線上)の範囲のみ使
用されることになるので、基準ミラーの幅を小さくで
き、このため製作が容易になるとともに基準ミラーの平
面度の向上が期待できる。
According to the present invention, an R stage moving in parallel with the object to be measured, a Z stage moving in the vertical direction of the object to be measured, and a rotation axis in the Z direction, with the coordinate axis being an R-θ-Z system. That is, a θ stage having a rotation axis in a vertical direction of the object to be measured, and the object to be measured is mounted on the θ stage,
The optical probe is provided on the R stage and the Z stage, and all the optical probe position detecting means are arranged in the same RZ plane, and the shape of the object to be measured is measured two-dimensionally in the RZ plane. By doing so, the R reference mirror and the Z reference mirror used in the laser length measuring device serving as the optical probe position detecting means can be obtained.
Since the reference mirror is used only in a substantially one-dimensional (on a straight line) range, the width of the reference mirror can be reduced, thereby facilitating the manufacture and improving the flatness of the reference mirror.

【0016】そして、位置検出手段における測定誤差は
R−Z面内の2次元上についてのみ考慮すればよく、ス
テージのピッチング成分誤差は測長補正するものの、ヨ
ーイングおよびローリング成分は影響度がかなり小さく
なるので補正項目を少なくでき、測定誤差を減少させる
ことができる。また、被測定物の形状が軸対象の場合、
被測定物の軸とθステージの回転軸をほぼ一致させて被
測定物を回転させると、被測定物の同一半径上の形状は
ほぼ一定となるので、プローブ等の測定位置検出手段の
走査スピードを早くでき、測定時間の短縮を図ることが
できる。
The measurement error in the position detecting means only needs to be considered on two dimensions in the RZ plane, and the pitching component error of the stage is length-measured, but the yaw and rolling components are considerably less affected. Therefore, the number of correction items can be reduced, and the measurement error can be reduced. Also, when the shape of the measured object is axially symmetric,
When the object to be measured is rotated with the axis of the object to be measured substantially coincident with the rotation axis of the θ stage, the shape of the object to be measured on the same radius becomes substantially constant. And the measurement time can be shortened.

【0017】以上のように、本発明によれば、被測定物
の3次元形状を高精度にかつ短時間で測定することが可
能となる。
As described above, according to the present invention, it is possible to measure a three-dimensional shape of an object to be measured with high accuracy and in a short time.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づ
いて説明する。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0019】図1は、本発明の3次元形状測定機の要部
を概略的に示す斜視図であり、図2は、本発明の3次元
形状測定機の要部の概略的な側面図であり、図3は、本
発明の3次元測定機におけるR−Z面上の光プローブお
よびレーザ測長器の配置関係を示す配置構成図である。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a main part of a three-dimensional shape measuring machine of the present invention, and FIG. 2 is a schematic side view of a main part of the three-dimensional shape measuring machine of the present invention. FIG. 3 is an arrangement diagram showing the arrangement relationship of the optical probe and the laser length measuring device on the RZ plane in the three-dimensional measuring machine of the present invention.

【0020】図1および図2において、1はθステージ
7に載置される軸対象の非球面レンズ等の被測定物であ
り、2は被測定物1の形状に沿って走査するプローブで
あり、本実施例ではレンズ等に傷を付けない非接触の光
プローブとしているが、接触式のプローブを用いること
も可能である。3は被測定物1に対して平行に移動する
Rステージ、4は被測定物1の垂直方向に移動するZス
テージである。したがって、Rステージ3およびZステ
ージ4上に配設される光プローブ2は、R−Z方向に移
動可能な構成である。5はR軸に対して平行でかつZ軸
上を通る位置に配置したZ基準ミラー、6はZ軸に対し
て平行でかつR軸上を通る位置に配置したR基準ミラー
である。7はθステージとなるエアーベアリング部であ
って、被測定物1をθ軸方向に回転させる手段であり、
固定側のハウジング部7Aと回転側のロータ部7Bとか
ら構成される。ロータ部7B上にはθ基準ミラー12
a,12b(図3および図4も参照)が配置される。9
は位置検出手段となるレーザ測長器であり、9a,9b
はZステージ4上でZ方向に離間して配置されるR測定
用のレーザ測長器、9c,9dはZステージ4上でR方
向に離間して配置されるZ測定用のレーザ測長器、9
e,9f,9g,9hはR−Zステージ3,4外に配置
されるθ測定用のレーザ測長器である。10は後述する
スケール11(図3および図4参照)のスケール検出部
(ロータリエンコーダ)で、θステージ7の角度検出手
段である。29はRステージ3およびZステージ4を搭
載する架台である。
In FIGS. 1 and 2, reference numeral 1 denotes an object to be measured such as an aspherical lens which is mounted on the θ stage 7 and which is symmetrical with the axis, and 2 denotes a probe which scans along the shape of the object 1 to be measured. In this embodiment, a non-contact optical probe that does not damage a lens or the like is used. However, a contact probe can be used. Reference numeral 3 denotes an R stage that moves in parallel with the DUT 1, and 4 denotes a Z stage that moves in the vertical direction of the DUT 1. Therefore, the optical probe 2 provided on the R stage 3 and the Z stage 4 is configured to be movable in the RZ direction. 5 is a Z reference mirror arranged at a position parallel to the R axis and passing on the Z axis, and 6 is an R reference mirror arranged at a position parallel to the Z axis and passing on the R axis. Reference numeral 7 denotes an air bearing unit serving as a θ stage, which is means for rotating the DUT 1 in the θ axis direction.
It comprises a housing part 7A on the fixed side and a rotor part 7B on the rotating side. The θ reference mirror 12 is provided on the rotor portion 7B.
a and 12b (see also FIGS. 3 and 4). 9
Reference numerals 9a and 9b denote laser length measuring devices serving as position detecting means.
Is a laser length measuring instrument for R measurement arranged on the Z stage 4 at a distance in the Z direction, and 9c and 9d are laser length measuring instruments for Z measurement arranged at a distance on the Z stage 4 in the R direction. , 9
Reference numerals e, 9f, 9g, and 9h denote laser length measuring instruments for θ measurement arranged outside the RZ stages 3 and 4. Reference numeral 10 denotes a scale detection unit (rotary encoder) of a scale 11 (see FIGS. 3 and 4) described later, which is an angle detection unit of the θ stage 7. Reference numeral 29 denotes a mount on which the R stage 3 and the Z stage 4 are mounted.

【0021】図3にはR−Z同一平面上における光プロ
ーブとその位置検出手段となるレーザ測長器の配置関係
を示す配置構成図を図示し、RD1はレーザ測長器9a
とR基準ミラー6間の距離を示し、RD2はレーザ測長
器9bとR基準ミラー6間の距離を示し、Rステージ3
の移動量および移動時に発生する測定誤差補正に使用す
る。ZD1はレーザ測長器9cとZ基準ミラー5間の距
離を示し、ZD2はレーザ測長器9dとZ基準ミラー5
間の距離を示し、Zステージ4の移動量および移動時に
発生する測定誤差補正に使用する。θD1,θD2はθ
ステージ7のスラスト面に設けてあるθ基準ミラー12
aとZ基準ミラー5間の距離を示し、θステージ7のス
ラスト方向のぶれ量(面ぶれ)の検出に使用し、また、
θD3,θD4はθステージ7のラジアル面に設けてあ
るθ基準ミラー12bとR基準ミラー6a間の距離を示
し、θステージ7のラジアル方向のぶれ量(軸ぶれ)の
検出に使用する。このように、本発明においては、光プ
ローブ2および光プローブ位置検出手段となるレーザ測
長器9は全てR−Z面の同一平面上に配置している。
FIG. 3 is a diagram showing the arrangement of the optical probe and the laser length measuring device serving as the position detecting means on the same plane of the RZ. FIG.
RD2 indicates the distance between the laser length measuring device 9b and the R reference mirror 6, and indicates the distance between the R stage 3 and the R stage 3.
This is used for correcting the amount of movement and the measurement error that occurs during movement. ZD1 indicates the distance between the laser length measuring device 9c and the Z reference mirror 5, and ZD2 indicates the distance between the laser length measuring device 9d and the Z reference mirror 5.
The distance between the Z stages 4 is used to correct the amount of movement of the Z stage 4 and the measurement error that occurs during the movement. θD1 and θD2 are θ
Θ reference mirror 12 provided on the thrust surface of stage 7
indicates the distance between a and the Z reference mirror 5 and is used to detect the amount of shake (surface shake) in the thrust direction of the θ stage 7;
θD3 and θD4 indicate the distance between the θ reference mirror 12b and the R reference mirror 6a provided on the radial surface of the θ stage 7, and are used for detecting the amount of shake (axial shake) of the θ stage 7 in the radial direction. As described above, in the present invention, the optical probe 2 and the laser length measuring device 9 serving as the optical probe position detecting means are all arranged on the same plane of the RZ plane.

【0022】なお、図3において、D1はレーザ測長器
9a,9bの中間と光プローブ2のキャッツアイポイン
ト間のZ方向成分の距離、D2はレーザ測長器9a,9
b間のZ方向成分の距離、D3はレーザ測長器9c,9
dの中間と光プローブ2の中心線までのR方向成分の距
離、D4はレーザ測長器9c,9d間のR方向成分の距
離、D5はレーザ測長器9e,9f間のR方向成分の距
離を示す。
In FIG. 3, D1 is the distance in the Z direction between the center of the laser measuring devices 9a and 9b and the cat's eye point of the optical probe 2, and D2 is the laser measuring devices 9a and 9b.
The distance in the Z direction between b, D3 is the laser length measuring device 9c, 9
The distance of the R direction component from the middle of d to the center line of the optical probe 2, D4 is the distance of the R direction component between the laser length measuring devices 9c and 9d, and D5 is the R direction component between the laser length measuring devices 9e and 9f. Indicates the distance.

【0023】図4は、θステージであるエアーベアリン
グ部の拡大図であり、θステージ7は、固定側のハウジ
ング部7Aと回転側のロータ部7Bとから構成され、そ
のロータ部7Bの表面の一部には、精密加工後にアルミ
蒸着と研磨によりθ基準ミラーを作製し、スラスト方向
のθ基準ミラーを12a、ラジアル方向のθ基準ミラー
を12bとする。また、ラジアル方向にはスケール11
が貼り付けられており、スケール検出部10を用いてθ
ステージ7の角度を検出することができる。
FIG. 4 is an enlarged view of an air bearing portion serving as a θ stage. The θ stage 7 is composed of a fixed housing portion 7A and a rotating rotor portion 7B, and a surface of the rotor portion 7B is formed. In some cases, a θ reference mirror is manufactured by aluminum evaporation and polishing after precision processing, and the θ reference mirror in the thrust direction is 12a and the θ reference mirror in the radial direction is 12b. In the radial direction, the scale 11
Is affixed, and using the scale detection unit 10
The angle of the stage 7 can be detected.

【0024】図5には、光プローブの詳細な構成を示
し、同図において、13は偏光方向が互いに直交する2
つの光波を作り出すレーザ光源であり、レーザ光源13
から出射した光束は、ビームエキスパンダ14で光束を
拡大された後、偏光ビームスプリッタ15aで反射光波
と透過光波に分けられる。反射光波はλ/4板16aを
通ることで直線偏光から円偏光へ変わり、集光レンズ2
0aを介して被測定物1へ入射する。ここでは集光レン
ズにより光束が焦点に絞られた状態(キャッツアイポイ
ント)で被測定物1に入射し、測定光波となって反射さ
せている。この測定光波は、照射した光束のエリアにお
ける、被測定物1のZ方向の面情報を持つことになる。
反射した測定光波は元の光路を戻り、再び通るλ/4板
16aで往きと比べて90°回転した直線偏光となっ
て、偏光ビームスプリッタ15aで今度は透過すること
になる。もう一方の透過光波は、λ/4板16bを通っ
て直線偏光から円偏光へ変わって参照平面ミラー17に
入射し、参照光波となって反射する。反射した参照光波
は、再び通るλ/4板16bで往きと比べて90°回転
した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ15aで今
度は反射することになる。偏光ビームスプリッタ15a
で測定光波と参照光波が重なり合い、45°方位の偏光
板18を通ることで干渉光波となる。この干渉光波はビ
ームスプリッタ15bで2分割され、そのまま透過した
干渉光波はラインセンサ19で検出されることになる。
ラインセンサ19は通常数十〜数千チャンネル数を持つ
が、ここでは高周波数対応の数十チャンネルのものを使
用する。また、複数のラインセンサのチャンネルから1
チャンネルを選び出して測定信号とする際の選択条件
は、測定点上での被測定物の設計形状から傾斜角を算出
し、被測定物に対して法線方向すなわち正反射する光束
の光線追跡により、その光束がラインセンサ上のどのチ
ャンネルに取り込まれるかあらかじめ算出して記憶して
おき、測定位置によって使用するチャンネルをマルチプ
レクサによって選択することになる。また、ビームスプ
リッタ15bで反射した干渉光波は集光レンズ20bを
介してフォトディテクタ21で取り込み、参照信号とな
る。
FIG. 5 shows a detailed structure of the optical probe. In FIG.
A laser light source that produces two light waves,
The light beam emitted from is expanded by the beam expander 14 and then divided by the polarization beam splitter 15a into a reflected light wave and a transmitted light wave. The reflected light wave is changed from linearly polarized light to circularly polarized light by passing through the λ / 4 plate 16a.
The light is incident on the DUT 1 through the line 0a. Here, the light beam is incident on the DUT 1 in a state where the light beam is focused (cat's eye point) by the condenser lens, and is reflected as a measurement light wave. This measurement light wave has surface information of the DUT 1 in the Z direction in the area of the irradiated light beam.
The reflected measurement light wave returns to the original optical path, becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light at the λ / 4 plate 16a that passes again, and is transmitted this time by the polarization beam splitter 15a. The other transmitted light wave changes from linearly polarized light to circularly polarized light through the λ / 4 plate 16b, enters the reference plane mirror 17, and is reflected as a reference light wave. The reflected reference light wave becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light at the λ / 4 plate 16b which passes again, and is reflected by the polarization beam splitter 15a this time. Polarizing beam splitter 15a
Then, the measurement lightwave and the reference lightwave overlap each other, and pass through the polarizing plate 18 in the 45 ° azimuth to become an interference lightwave. This interference light wave is split into two by the beam splitter 15b, and the transmitted interference light wave is detected by the line sensor 19.
The line sensor 19 usually has several tens to several thousands of channels, but here, one having several tens of channels corresponding to a high frequency is used. Also, one channel from a plurality of line sensor channels
The selection conditions for selecting a channel and using it as a measurement signal are as follows: the inclination angle is calculated from the design shape of the DUT at the measurement point, and the ray is traced in the normal direction to the DUT, i.e. Which channel on the line sensor receives the light beam is calculated and stored in advance, and the channel to be used is selected by the multiplexer according to the measurement position. The interference light wave reflected by the beam splitter 15b is captured by the photodetector 21 via the condenser lens 20b and becomes a reference signal.

【0025】図6はZ軸サーボの構成を示す構成図であ
り、光プローブ2からの光束がキャッツアイポイントで
被測定物1に入射するようにZステージ4を移動させ
る。その状態における干渉光波から検出した測定信号お
よび参照信号は、位相計30に入力されてその位相差を
算出し、コンピュータ31に記憶するとサーボロックが
開始状態となる。次に、Rステージ3やθステージ7を
同時にもしくは単独で移動させ、そのとき得られる位相
差と記憶させている位相差を比較し、Zサーボコントロ
ーラ32では常にその偏差がゼロとなるようにZステー
ジ4を移動させる(サーボロック状態)。これにより被
測定物1と光プローブ2間の距離を常に一定に保つこと
が可能となる。
FIG. 6 is a configuration diagram showing the configuration of the Z-axis servo. The Z stage 4 is moved so that the light beam from the optical probe 2 enters the DUT 1 at the cat's eye point. The measurement signal and the reference signal detected from the interference light wave in that state are input to the phase meter 30 to calculate the phase difference, and when stored in the computer 31, the servo lock is started. Next, the R stage 3 and the θ stage 7 are moved simultaneously or independently, and the phase difference obtained at that time is compared with the stored phase difference. The Z servo controller 32 sets the Z difference so that the deviation always becomes zero. The stage 4 is moved (servo lock state). This makes it possible to always keep the distance between the DUT 1 and the optical probe 2 constant.

【0026】図7の(a)および(b)にレーザ測長器
の構成を示し、図7の(a)はレーザ測長器9a,9
b,9c,9dの構成図であり、レーザ測長器と1つの
基準ミラー間の距離を測定する。図7の(b)はレーザ
測長器9e,9f,9g,9hの構成図であり、2つの
基準ミラー間の距離を測定する。ここではともに、測定
したい光路を2往復させるダブルパス方式としているた
め、レーザ測長器の測定分解能は2倍となる。図7の
(a)において、13は偏光方向が互いに直交する2つ
の光波を作り出すレーザ光源である。レーザ光源13か
ら出射した光束は、偏光ビームスプリッタ15cで反射
光波と透過光波に分けられる。透過光波はコーナーキュ
ーブ22aで2度反射して参照光波となり、再び偏光ビ
ームスプリッタ15cを透過することになる。一方の反
射光波は、λ/4板16cを通ることで直線偏光から円
偏光へ変わり、基準ミラー5,6(例えばZ基準ミラー
5等)で反射して測定光波となる。測定光波は元の光路
を戻り、再び通るλ/4板16cで往きと比べて90°
回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ15
cで今度は透過し、コーナーキューブ22bで2度反射
して再び偏光ビームスプリッタ15cおよびλ/4板1
6cを通り、基準ミラー5,6に戻ってくる。再度反射
した測定光波は、λ/4板16cで往きと比べて90°
回転した直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ15
cで反射することになる。ここで測定光波と参照光波が
重なり、偏光板18を通過すると干渉光波となり、測長
器レシーバ28で検出される。測定光波と参照光波の位
相差の変動は、干渉光波の縞のカウントとして測長器で
観測される。参照光波の光路長は常に一定となっている
ため、ここでは干渉光波の縞のカウントから測定光波の
光路長の変動、すなわちここでは各基準ミラーからの各
ステージ移動量の2往復分が検出できる。同様に2つの
基準ミラー間の距離を測定するレーザ測長器を図7の
(b)で説明する。同図において、レーザ光源13から
出射した直交する2つの光波は、偏光ビームスプリッタ
15cで反射光波と透過光波に分けられる。透過光波は
コーナーキューブ22aで2度反射して参照光波とな
り、再び偏光ビームスプリッタ15cを透過することに
なる。一方の反射光波は、λ/4板16cを通ることで
直線偏光から円偏光へ変わり、基準ミラー5,6(例え
ばZ基準ミラー5等)で反射して測定光波となる。測定
光波は元の光路を戻り、再び通るλ/4板16cで往き
と比べて90°回転した直線偏光となって、偏光ビーム
スプリッタ15cで今度は透過し、λ/4板16dを通
って、基準ミラー12a,12b(例えばθ基準ミラー
12a等)で反射し元の光路を戻る。再びλ/4板16
cに入射した測定光波は、往きと比べて90°回転した
直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ15cで今度
は反射してコーナーキューブ22aに入射する。測定光
波はコーナーキューブ22aで2度反射して再び偏光ビ
ームスプリッタ15cに入射し、ここで反射する。この
後、測定光波はλ/4板16dを通って再び基準ミラー
12a,12b(例えばθ基準ミラー12a等)で反射
し、λ/4板16dおよび偏光ビームスプリッタ15c
およびλ/4板16cを透過して、再度基準ミラー5,
6(例えばZ基準ミラー5等)に入射し、反射する。基
準ミラーで反射した測定光波は、再度λ/4板16cを
通過することで往きと比べて90°回転した直線偏光と
なって、偏光ビームスプリッタ15cで今度は反射す
る。ここで測定光波と参照光波が重なり、偏光板18を
通過すると干渉光波となり、測長器レシーバ28で検出
される。測定光波と参照光波の位相差の変動は、干渉光
波の縞のカウントとして測長器で観測される。参照光波
の光路長は常に一定となっているため、ここでは干渉光
波の縞のカウントから測定光波の光路長の変動、すなわ
ちここでは2つの基準ミラー間の距離の変動量の2往復
分が検出できる。
FIGS. 7A and 7B show the structure of a laser length measuring device. FIG. 7A shows laser length measuring devices 9a and 9b.
It is a block diagram of b, 9c, 9d, and measures the distance between a laser length measuring device and one reference mirror. FIG. 7B is a configuration diagram of the laser length measuring devices 9e, 9f, 9g, and 9h, and measures the distance between two reference mirrors. In this case, the measurement resolution of the laser length measuring device is doubled because the double path method is used in which the optical path to be measured is reciprocated twice. In FIG. 7A, reference numeral 13 denotes a laser light source that generates two light waves whose polarization directions are orthogonal to each other. The light beam emitted from the laser light source 13 is divided into a reflected light wave and a transmitted light wave by the polarization beam splitter 15c. The transmitted light wave is reflected twice by the corner cube 22a to become a reference light wave, and passes through the polarization beam splitter 15c again. One reflected light wave changes from linearly polarized light to circularly polarized light by passing through the λ / 4 plate 16c, and is reflected by the reference mirrors 5 and 6 (for example, the Z reference mirror 5) to become a measurement light wave. The measuring light wave returns to the original optical path, and passes through the λ / 4 plate 16c again, which is 90 ° as compared with the going light wave.
The beam becomes the rotated linearly polarized light, and the polarization beam splitter 15
c, and is reflected twice by the corner cube 22b, and is again reflected by the polarizing beam splitter 15c and the λ / 4 plate 1.
The light returns to reference mirrors 5 and 6 through 6c. The measurement light wave reflected again is 90 ° in comparison with the outgoing light at the λ / 4 plate 16c.
The beam becomes the rotated linearly polarized light, and the polarization beam splitter 15
It will be reflected at c. Here, the measurement lightwave and the reference lightwave overlap, and when they pass through the polarizing plate 18, they become interference lightwaves, which are detected by the length measuring device receiver 28. The fluctuation of the phase difference between the measurement light wave and the reference light wave is observed by the length measuring device as the count of the fringe of the interference light wave. Since the optical path length of the reference light wave is always constant, a change in the optical path length of the measured light wave, that is, two round trips of each stage movement amount from each reference mirror can be detected here from the count of the interference light wave fringes. . Similarly, a laser length measuring device for measuring the distance between two reference mirrors will be described with reference to FIG. In the figure, two orthogonal light waves emitted from the laser light source 13 are divided into a reflected light wave and a transmitted light wave by the polarization beam splitter 15c. The transmitted light wave is reflected twice by the corner cube 22a to become a reference light wave, and passes through the polarization beam splitter 15c again. One reflected light wave changes from linearly polarized light to circularly polarized light by passing through the λ / 4 plate 16c, and is reflected by the reference mirrors 5 and 6 (for example, the Z reference mirror 5) to become a measurement light wave. The measurement light wave returns to the original optical path, becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light at the λ / 4 plate 16c passing again, transmits through the polarization beam splitter 15c this time, passes through the λ / 4 plate 16d, The light is reflected by the reference mirrors 12a and 12b (for example, the θ reference mirror 12a) and returns to the original optical path. Again λ / 4 plate 16
The measurement lightwave incident on c becomes linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light, and is then reflected by the polarization beam splitter 15c and incident on the corner cube 22a. The measurement light wave is reflected twice by the corner cube 22a, reenters the polarization beam splitter 15c, and is reflected there. Thereafter, the measurement light wave passes through the λ / 4 plate 16d, is reflected again by the reference mirrors 12a and 12b (for example, the θ reference mirror 12a), and is reflected by the λ / 4 plate 16d and the polarization beam splitter 15c.
And λ / 4 plate 16c, and again
6 (for example, the Z reference mirror 5) and is reflected. The measurement light wave reflected by the reference mirror passes through the λ / 4 plate 16c again to become linearly polarized light rotated by 90 ° as compared with the outgoing light, and is then reflected by the polarization beam splitter 15c. Here, the measurement lightwave and the reference lightwave overlap, and when passing through the polarizing plate 18, become an interference lightwave, which is detected by the length measuring device receiver 28. The fluctuation of the phase difference between the measurement light wave and the reference light wave is observed by the length measuring device as the count of the fringe of the interference light wave. Since the optical path length of the reference light wave is always constant, the variation of the optical path length of the measurement light wave, that is, the two round trips of the amount of change in the distance between the two reference mirrors is detected here from the count of the interference light wave fringes. it can.

【0027】次に、以上のように構成された3次元形状
測定機による具体的な測定方法について説明する。
Next, a specific measuring method using the three-dimensional shape measuring machine configured as described above will be described.

【0028】被測定物である軸対象非球面レンズ1はそ
の軸をθステージ7の回転軸とほぼ一致するようにθス
テージ7上にセッティングされる。これにより、被測定
物側でのθ軸回転および光プローブ側でのR−Z軸走査
を組み合わせることで、光プローブ2を被測定物1の形
状に合わせて全面に走査できることになる。光プローブ
2をθ軸の回転中心に移動させ、その後にZステージ4
を下げて被測定物1に近づけていき、光プローブ2の光
束が作り出すキャッツアイポイントが被測定物1に入射
する状態でサーボロックを開始する。このときのレーザ
測長器9a〜9hおよびロータリエンコーダ10の出力
値を取り込み、それぞれRD1o ,RD2o ,ZD1o
,ZD2o ,θD1o ,θD2o ,θD3o ,θD4o
,REoとしてコンピュータに記憶させておく。次に、
サーボロック状態のまま、Rステージ3およびθステー
ジ7を単独でもしくは同時に移動させ、測定したい点
(i=1〜n、i:取込順)でレーザ測長器9a〜9h
およびロータリエンコーダ10の出力値を同時に取り込
み、それぞれRD1i ,RD2i ,ZD1i ,ZD2i
,θD1i ,θD2i ,θD3i ,θD4i ,REi
として記憶させておく。同様にして被測定物1の全面に
光プローブ2を走査させてn組のデータを取り込み、例
えば次に示すような演算処理を行なう。
The axisymmetric aspherical lens 1 to be measured is set on the θ stage 7 so that its axis substantially coincides with the rotation axis of the θ stage 7. Thus, the optical probe 2 can be scanned over the entire surface in accordance with the shape of the DUT 1 by combining the θ-axis rotation on the DUT side and the RZ-axis scanning on the optical probe side. The optical probe 2 is moved to the rotation center of the θ axis, and then the Z stage 4
The servo lock is started in a state where the cat's eye point created by the light flux of the optical probe 2 is incident on the object 1 by lowering the distance. At this time, the output values of the laser length measuring devices 9a to 9h and the rotary encoder 10 are fetched, and RD1o, RD2o, ZD1o are taken, respectively.
, ZD2o, θD1o, θD2o, θD3o, θD4o
, REo in the computer. next,
With the servo locked state, the R stage 3 and the θ stage 7 are moved independently or simultaneously, and the laser length measuring devices 9a to 9h are measured at points to be measured (i = 1 to n, i: order of capture).
RD1i, RD2i, ZD1i, ZD2i respectively.
, ΘD1i, θD2i, θD3i, θD4i, REi
Is stored. Similarly, the entire surface of the DUT 1 is scanned by the optical probe 2 to acquire n sets of data, and for example, the following arithmetic processing is performed.

【0029】[0029]

【数1】 (Equation 1)

【0030】このような演算処理により、各測定点での
3次元座標を高精度に算出することができる。したがっ
て、n組の3次元座標データを用いて、高精度な被測定
物の3次元形状が表現できることになる。
By such an arithmetic processing, three-dimensional coordinates at each measurement point can be calculated with high accuracy. Therefore, a highly accurate three-dimensional shape of the device under test can be represented using n sets of three-dimensional coordinate data.

【0031】図8には、本発明の3次元測定機によるR
−θ断面上で見た3パターンのデータ取込み例を図示す
る。なお、図8における軸については、一般によく使わ
れているX−Y座標系に変換して示している。本発明で
は、Rステージおよびθステージを同時に動かしながら
データを等間隔で取り込めば、図8の(a)に示すよう
な渦巻きデータとして検出することができ、また、Rス
テージもしくはθステージを単独で動かしながらデータ
を等間隔で取り込めば、図8の(b)に示すような同心
円データとして検出することができる。また、一般に3
次元測定機等でよく用いられる格子データ(図8の
(c))は、Rステージおよびθステージの移動量を格
子状に合わせるか、もしくは渦巻きデータや同心円デー
タを座標変換や補間を用いて変換するといった方法によ
り本発明でも対応可能である。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between R and R by the three-dimensional measuring machine of the present invention.
An example of data acquisition of three patterns viewed on a -θ cross section is shown. It should be noted that the axes in FIG. 8 are shown after being converted to a commonly used XY coordinate system. In the present invention, if data is captured at regular intervals while simultaneously moving the R stage and the θ stage, the data can be detected as spiral data as shown in FIG. 8A, and the R stage or the θ stage can be used alone. If data is captured at regular intervals while moving, it can be detected as concentric circle data as shown in FIG. Generally, 3
Grid data ((c) in FIG. 8), which is often used in a dimension measuring machine, is obtained by adjusting the movement amounts of the R stage and the θ stage in a grid pattern, or converting spiral data or concentric data using coordinate conversion or interpolation. The present invention can also cope with such a method.

【0032】本発明では、被測定物の形状が軸対象の場
合、渦巻きデータによってデータ検出を行なうと、θス
テージや微小なRステージ移動に対して、サーボロック
状態によって移動する光プローブのZ方向移動量はきわ
めて小さくなるため、高速な光プローブ走査が可能とな
る。また、同心円データによってデータ検出を行なう場
合は、Rステージ移動後にその状態を保持しておき、そ
の後θステージを単独で動かしながらデータを等間隔で
取り込むようにすれば、同様にθステージ移動に対して
サーボロック状態によって移動する光プローブのZ方向
移動量はきわめて小さくなるため、高速な光プローブ走
査が可能となる。
In the present invention, when the shape of the object to be measured is axially symmetric, if data detection is performed based on the spiral data, the Z direction of the optical probe that moves in the servo lock state with respect to the θ stage or minute R stage movement Since the moving amount is extremely small, high-speed optical probe scanning becomes possible. When data detection is performed using concentric circle data, the state is maintained after the R stage is moved, and then data is captured at regular intervals while the θ stage is independently moved. As a result, the amount of movement of the optical probe in the Z direction, which moves in the servo locked state, becomes extremely small, so that high-speed optical probe scanning becomes possible.

【0033】以上のように、本発明による3次元測定機
および3次元測定方法において、被測定物をθステージ
に載置し、光プローブをRステージおよびZステージ上
に設け、光プローブ位置検出手段はすべてをR−Z面内
に配置し、被測定物の形状をR−Z面内における2次元
上で形状測定を行なうことにより、光プローブ位置検出
手段となるレーザ測長器に使用されるR基準ミラーおよ
びZ基準ミラーは、ほぼ1次元上(一直線上)の範囲の
み使用されることになるので、基準ミラーの幅を小さく
できる。このため製作が容易になるとともに基準ミラー
の平面度の向上が期待できる。そして、位置検出手段に
おける測定誤差はR−Z面内の2次元上についてのみ考
慮すればよい。すなわち、ステージのピッチング成分誤
差は測長補正するものの、ヨーイングおよびローリング
成分は影響度がかなり小さくなるので補正項目を少なく
でき、測定誤差を減少させることができる。また、被測
定物の形状が軸対象の場合、被測定物の軸とθステージ
の回転軸をほぼ一致させて被測定物を回転させると、被
測定物の同一半径上の形状はほぼ一定となるので、プロ
ーブ等の測定位置検出手段の走査スピードを早くでき、
測定時間の短縮を図ることができる。
As described above, in the three-dimensional measuring machine and the three-dimensional measuring method according to the present invention, the object to be measured is placed on the θ stage, the optical probe is provided on the R stage and the Z stage, Is used for a laser length measuring device as an optical probe position detecting means by arranging everything in the RZ plane and measuring the shape of the object to be measured in two dimensions in the RZ plane. Since the R reference mirror and the Z reference mirror are used only in a substantially one-dimensional range (on a straight line), the width of the reference mirror can be reduced. For this reason, the manufacture becomes easy, and an improvement in the flatness of the reference mirror can be expected. Then, the measurement error in the position detection means only needs to be considered on two dimensions in the RZ plane. That is, although the pitching component error of the stage is length-measured, the yaw and rolling components have a considerably small degree of influence, so that the number of correction items can be reduced and the measurement error can be reduced. When the shape of the DUT is axially symmetric and the DUT is rotated with the axis of the DUT substantially aligned with the rotation axis of the θ stage, the shape of the DUT on the same radius is substantially constant. Therefore, the scanning speed of the measuring position detecting means such as a probe can be increased,
Measurement time can be reduced.

【0034】[0034]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
3次元測定機において、被測定物をθステージに載置
し、プローブをRステージおよびZステージ上に設け、
プローブ位置検出手段はすべてをR−Z面内に配置し、
被測定物の形状をR−Z面内における2次元上で形状測
定を行なうことにより、以下のような作用効果を得るこ
とができる。
As described above, according to the present invention,
In a three-dimensional measuring machine, an object to be measured is placed on a θ stage, and probes are provided on an R stage and a Z stage.
All the probe position detecting means are arranged in the R-Z plane,
The following operational effects can be obtained by measuring the shape of the object to be measured two-dimensionally in the RZ plane.

【0035】1.光プローブ位置検出手段となるレーザ
測長器に使用されるR基準ミラーおよびZ基準ミラー
は、ほぼ1次元上(一直線上)の範囲のみ使用されるこ
とになるので、基準ミラーの幅を小さくできる。このた
め製作が容易になるとともに基準ミラーの平面度の向上
が期待できる。
1. Since the R reference mirror and the Z reference mirror used for the laser length measuring device serving as the optical probe position detecting means are used only in a substantially one-dimensional (on a straight line) range, the width of the reference mirror can be reduced. . For this reason, the manufacture becomes easy, and an improvement in the flatness of the reference mirror can be expected.

【0036】2.位置検出手段における測定誤差はR−
Z面内の2次元上についてのみ考慮すればよい。すなわ
ち、ステージのピッチング成分誤差は測長補正するもの
の、ヨーイングおよびローリング成分は影響度がかなり
小さくなるので補正項目を少なくでき、測定誤差を減少
させることができる。
2. The measurement error in the position detecting means is R-
Only two dimensions in the Z plane need to be considered. That is, although the pitching component error of the stage is length-measured, the yaw and rolling components have a considerably small degree of influence, so that the number of correction items can be reduced and the measurement error can be reduced.

【0037】3.被測定物の形状が軸対象の場合、被測
定物の軸とθステージの回転軸をほぼ一致させて被測定
物を回転させると、被測定物の同一半径上の形状はほぼ
一定となるので、プローブ等の測定位置検出手段の走査
スピードを早くでき、測定時間の短縮がはかれる。
3. When the shape of the DUT is axially symmetric and the DUT is rotated with the axis of the DUT and the rotation axis of the θ stage substantially coincident, the shape of the DUT on the same radius is substantially constant. The scanning speed of the measuring position detecting means such as a probe can be increased, and the measuring time can be shortened.

【0038】したがって、本発明の3次元測定機および
3次元測定方法によれば、被測定物の3次元形状を高精
度にかつ短時間で測定することが可能となる。
Therefore, according to the three-dimensional measuring device and the three-dimensional measuring method of the present invention, it is possible to measure the three-dimensional shape of the object to be measured with high accuracy and in a short time.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の3次元形状測定機の要部を概略的に示
す要部概略図である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a main part schematically showing a main part of a three-dimensional shape measuring instrument of the present invention.

【図2】本発明の3次元形状測定機の要部の概略的な側
面図である。
FIG. 2 is a schematic side view of a main part of the three-dimensional shape measuring instrument of the present invention.

【図3】本発明の3次元測定機におけるR−Z面上の光
プローブおよびレーザ測長器の配置関係を示す配置構成
図である。
FIG. 3 is an arrangement configuration diagram showing an arrangement relationship of an optical probe and a laser length measuring device on the RZ plane in the three-dimensional measuring device of the present invention.

【図4】本発明の3次元測定機におけるθステージの一
部を拡大して示す構成図である。
FIG. 4 is a configuration diagram showing an enlarged part of a θ stage in the three-dimensional measuring machine of the present invention.

【図5】本発明の3次元測定機における光プローブの構
成図である。
FIG. 5 is a configuration diagram of an optical probe in the three-dimensional measuring device of the present invention.

【図6】本発明の3次元測定機におけるZ軸サーボの構
成を示す構成図である。
FIG. 6 is a configuration diagram showing a configuration of a Z-axis servo in the three-dimensional measuring machine of the present invention.

【図7】本発明の3次元測定機におけるレーザ測長器の
構成を示し、(a)はレーザ測長器と1つの基準ミラー
間の距離を測定する際に使用するものであり、(b)は
2つの基準ミラー間の距離を測定する際に使用するもの
である。
7A and 7B show the configuration of a laser length measuring device in the three-dimensional measuring device of the present invention, wherein FIG. 7A is used for measuring the distance between the laser length measuring device and one reference mirror, and FIG. ) Is used to measure the distance between two reference mirrors.

【図8】本発明の3次元測定機によるデータ取り込み例
を示し、(a)は渦巻きデータ、(b)は同心円デー
タ、(c)は格子データである。
8A and 8B show examples of data acquisition by the three-dimensional measuring device of the present invention, wherein FIG. 8A shows spiral data, FIG. 8B shows concentric data, and FIG. 8C shows grid data.

【図9】従来の形状測定機の一例を示す概略構成図であ
る。
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional shape measuring instrument.

【図10】従来の形状測定機の他の例を示す概略構成図
である。
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing another example of a conventional shape measuring instrument.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 被測定物(軸対象レンズ) 2 光プローブ 3 Rステージ 4 Zステージ 5 Z基準ミラー 6 R基準ミラー 7 θステージ(エアーベアリング部) 7A ハウジング部 7B ロータ部 9(9a〜9h) レーザ測長器 10 角度検出手段(ロータリエンコーダ) 11 スケール 12a,12b θ基準ミラー 13 レーザ光源 14 ビームエキスパンダ 15a,15b,15c 偏光ビームスプリッタ 16a,16b,16c,16d λ/4板 17 参照平面ミラー 18 偏光板 19 ラインセンサ 20a,20b 集光レンズ 21 フォトディテクタ 22a,22b コーナーキューブ 30 位相計 31 コンピュータ 32 Zサーボコントローラ REFERENCE SIGNS LIST 1 object to be measured (axis target lens) 2 optical probe 3 R stage 4 Z stage 5 Z reference mirror 6 R reference mirror 7 θ stage (air bearing unit) 7A housing unit 7B rotor unit 9 (9a to 9h) Laser length measuring device Reference Signs List 10 Angle detecting means (rotary encoder) 11 Scale 12a, 12b θ reference mirror 13 Laser light source 14 Beam expander 15a, 15b, 15c Polarizing beam splitter 16a, 16b, 16c, 16d λ / 4 plate 17 Reference plane mirror 18 Polarizing plate 19 Line sensor 20a, 20b Condenser lens 21 Photodetector 22a, 22b Corner cube 30 Phase meter 31 Computer 32 Z servo controller

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 被測定物の形状に沿って走査するプロー
ブを用いて被測定物の3次元形状を測定する3次元形状
測定機において、 被測定物を支持しかつ該被測定物に垂直方向となるZ軸
方向に対しての回転成分となるθ軸方向に移動可能に設
けられたθステージと、該θステージ上の前記被測定物
に対して水平方向となるR軸方向に移動可能に設けられ
たRステージと、被測定物に対して垂直方向となるZ軸
方向に移動可能に設けられたZステージを備え、前記プ
ローブは前記Rステージおよび前記Zステージ上に配設
され、前記Rステージ、前記θステージおよび前記Zス
テージの各々に設けられた位置検出手段は全て同一のR
−Z面上に配置されていることを特徴とする3次元形状
測定機。
1. A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring a three-dimensional shape of an object to be measured using a probe that scans along the shape of the object to be measured. A θ stage provided so as to be movable in the θ-axis direction as a rotation component with respect to the Z-axis direction, and movable in the R-axis direction which is horizontal to the object to be measured on the θ stage. An R stage provided, and a Z stage movably provided in a Z-axis direction perpendicular to the object to be measured, wherein the probe is disposed on the R stage and the Z stage. The position detecting means provided on each of the stage, the θ stage and the Z stage have the same R
-A three-dimensional shape measuring machine, which is arranged on a Z plane.
【請求項2】 前記Rステージおよび前記Zステージ上
に4台のレーザ測長器が配置され、該レーザ測長器は、
前記Rステージおよび前記Zステージ上に配設された前
記プローブが自由に移動可能なR−Z面内のR軸方向お
よびZ軸方向にそれぞれ2台ずつ配置されており、前記
プローブは、前記被測定物との距離が常に一定となるよ
うにZ軸方向に移動しながら前記被測定物の形状に沿っ
て走査しうるように構成され、前記プローブにより前記
被測定物の全面を走査する際に前記プローブの3次元座
標位置のR,θ,Zを同時に検出し、該3次元座標位置
におけるRは、Z軸に対して平行でかつR軸上を通る位
置に配置されたR基準ミラーとZ軸方向に並べて配置さ
れた2台のレーザ測長器とから算出され、前記3次元座
標位置におけるZは、R軸に対して平行でかつZ軸上を
通る位置に配置されたZ基準ミラーとR軸方向に並べて
配置された2台のレーザ測長器とから算出され、そし
て、前記3次元座標位置におけるθは、前記θステージ
を構成する回転機構のロータ部のラジアル方向に配置さ
れたスケールおよび前記θステージ外部に固定されたス
ケール検出器とから算出され、前記プローブの3次元座
標のR,θ,Zを基にして前記被測定物の形状測定を行
なうことを特徴とする請求項1記載の3次元形状測定
機。
2. Four laser length measuring devices are arranged on the R stage and the Z stage, and the laser length measuring devices are:
The two probes arranged on the R stage and the Z stage are respectively arranged in the freely movable RZ plane in the R-axis direction and the Z-axis direction. It is configured to scan along the shape of the object to be measured while moving in the Z-axis direction so that the distance to the object to be measured is always constant, and when scanning the entire surface of the object to be measured by the probe, R, θ, and Z at the three-dimensional coordinate position of the probe are detected at the same time, and R at the three-dimensional coordinate position is determined by the R reference mirror disposed at a position parallel to the Z axis and passing on the R axis. Z at the three-dimensional coordinate position is calculated from two laser length measuring devices arranged side by side in the axial direction, and Z is a Z reference mirror arranged at a position parallel to the R axis and passing on the Z axis. Two units arranged side by side in the R-axis direction And the θ at the three-dimensional coordinate position is a scale arranged in a radial direction of a rotor portion of a rotating mechanism constituting the θ stage and a scale fixed outside the θ stage. 2. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the shape of the object is measured based on R, θ, and Z of the three-dimensional coordinates of the probe, which are calculated from a detector.
【請求項3】 前記θステージはエアーベアリングによ
って構成され、該エアーベアリングのロータ部にはラジ
アル方向およびスラスト方向にθ基準ミラーを一体化し
て取り付けられていることを特徴とする請求項1または
2記載の3次元形状測定機。
3. The θ stage is constituted by an air bearing, and a θ reference mirror is integrally attached to a rotor portion of the air bearing in a radial direction and a thrust direction. The three-dimensional shape measuring machine according to the above.
【請求項4】 被測定物の形状に沿って走査するプロー
ブを用いて被測定物の3次元形状を測定する測定方法に
おいて、 前記プローブを前記被測定物の水平方向となるR軸方向
へ、前記被測定物を前記被測定物の垂直方向となるZ軸
方向に対しての回転成分となるθ軸方向へ、同時にある
いは各々単独で移動させ、該移動時に前記プローブを前
記被測定物との距離が常に一定となるように移動させな
がら前記被測定物の形状に沿って全面を走査し、前記プ
ローブの3次元座標位置のR,θ,Zを同時に検出し、
検出された前記3次元座標のR,θ,Zを基に前記被測
定物の3次元形状を測定することを特徴とする3次元形
状測定方法。
4. A measuring method for measuring a three-dimensional shape of an object to be measured using a probe that scans along the shape of the object to be measured, wherein the probe is moved in an R-axis direction that is a horizontal direction of the object to be measured. The object to be measured is simultaneously or individually moved in the θ-axis direction, which is a rotation component with respect to the Z-axis direction, which is the vertical direction of the object, and the probe is moved with the object at the time of the movement. The entire surface is scanned along the shape of the object to be measured while moving so that the distance is always constant, and R, θ, and Z of the three-dimensional coordinate position of the probe are simultaneously detected,
A three-dimensional shape measuring method, comprising: measuring a three-dimensional shape of the object to be measured based on the detected R, θ, and Z of the three-dimensional coordinates.
【請求項5】 前記プローブの3次元座標におけるR座
標の算出に際して、同一のR−Z面内において異なる2
か所の位置P1,P2においてそれぞれ検出されるR座
標R1,R2と、前記両位置P1,P2の中間および前
記プローブ先端と前記被測定物との交点におけるZ方向
成分の距離D1と、前記両位置P1,P2の間のZ方向
成分の距離D2とからアッベ誤差を考慮したR座標値R
を算出し、そして、前記プローブの3次元座標位置にお
けるZ座標の算出に際して、同一のR−Z面内において
異なる2か所の位置P3,P4においてそれぞれ検出さ
れるZ座標Z1,Z2と、前記両位置P3,P4の中間
および前記プローブ先端と前記被測定物との交点におけ
るR方向成分の距離D3と、前記両位置P3,P4の間
のR方向成分の距離D4とからアッベ誤差を考慮したZ
座標値Zを算出することを特徴とする請求項4記載の3
次元形状測定方法。
5. When calculating the R coordinate in the three-dimensional coordinates of the probe, two different R coordinates in the same RZ plane are used.
R coordinates R1 and R2 respectively detected at the positions P1 and P2, a distance D1 of a Z-direction component at an intermediate point between the positions P1 and P2 and an intersection of the probe tip and the object to be measured, and From the distance D2 of the Z-direction component between the positions P1 and P2, an R coordinate value R in consideration of the Abbe error
And calculating the Z coordinate at the three-dimensional coordinate position of the probe, the Z coordinate Z1, Z2 respectively detected at two different positions P3, P4 in the same RZ plane, Abbe error was considered from the distance D3 of the R direction component between the positions P3 and P4 and the intersection of the probe tip and the object to be measured, and the distance D4 of the R direction component between the positions P3 and P4. Z
5. The method according to claim 4, wherein the coordinate value Z is calculated.
Dimensional shape measurement method.
【請求項6】 前記被測定物をθ軸方向に回転させる際
に発生するスラスト方向の面ぶれ量およびラジアル方向
の軸ぶれ量を検出し、前記プローブの3次元座標位置に
おけるZ座標値には前記面ぶれ量を補正値として考慮
し、前記プローブの3次元座標位置におけるR座標値に
は前記軸ぶれ量を補正値として考慮することを特徴とす
る請求項4または5記載の3次元形状測定方法。
6. A thrust-direction surface shake amount and a radial-direction axis shake amount generated when rotating the object to be measured in the θ-axis direction, and a Z-coordinate value at a three-dimensional coordinate position of the probe is detected. The three-dimensional shape measurement according to claim 4, wherein the surface shake amount is considered as a correction value, and the axial shake amount is considered as a correction value in an R coordinate value at a three-dimensional coordinate position of the probe. Method.
【請求項7】 前記被測定物が軸対象形状である場合、
前記被測定物の軸と前記θ軸方向の回転軸となるZ軸と
をほぼ一致させるように合わせ込みを行なった後に形状
測定を実施することを特徴とする請求項4ないし6のい
ずれか1項に記載の3次元形状測定方法。
7. When the object to be measured has an axially symmetric shape,
7. The shape measurement is performed after performing alignment so that the axis of the object to be measured and the Z-axis serving as the rotation axis in the θ-axis direction substantially coincide with each other. Item 3. The three-dimensional shape measuring method according to item 1.
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