專利名稱：形狀測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及形狀測量方法，尤其涉及具有圓柱狀或多角柱狀的外周面和與該外周面垂直的平面上的曲面的結(jié)構(gòu)體的形狀測量方法。

背景技術(shù)：
近年，許多用于便攜電話或數(shù)字相機(jī)等的非球面透鏡，都沿透鏡的外形固定在圓筒狀的鏡筒上。因此，為了提高商品的成品率，在與將透鏡插入鏡筒時相同的條件下，求出以圓筒為基準(zhǔn)時的透鏡光軸的斜度或偏心量成為光學(xué)領(lǐng)域的課題。
以往，以透鏡的外形為基準(zhǔn)算出透鏡光軸的斜度或偏心量。日本國特開2002—71344號公報(bào)記載的方法，使3個球狀物接觸透鏡的外周部，求出通過各球狀物的中心的圓，從而求出透鏡的外形。透鏡的外周部為理想圓柱面(即圓柱形狀的外周面)且透鏡的底面為平面時，能以求出的透鏡的外形和底面為基準(zhǔn)，求光軸的斜度、偏心量。
用于此形狀測量方法的形狀測量儀，使探頭以接觸被測量物的狀態(tài)往XY方向相對移動，求出探頭跟蹤被測量面的形狀往Z方向移動時的各XY坐標(biāo)位置上的Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)串，根據(jù)該XYZ坐標(biāo)數(shù)據(jù)串，進(jìn)行被測量面的形狀測量。這里，XYZ是相互垂直的方向。
采用具有圓柱面和曲面的透鏡，則配置成其w軸(處在離開圓柱面實(shí)質(zhì)上相等距離的中心軸)與測量儀的Z軸平行，對探頭如上述那樣僅往Z方向施加隨動(伺服)。然而，此方法中，透鏡的測量部位對XY平面的傾斜角度θ越大，伺服跟蹤越難，測量精度差，可測量的最大傾斜角度θ相對于XY平面在75度附近為極限。
這是因?yàn)闃?gòu)成探頭的氣動滑板，在XY方向的剛性大，僅在Z方向可動，例如施加0.3mN(＝30mg f)的力時，探頭前端的觸針的歪斜量為納米(nm)級。因此，能以納米級的高精度測量到75度傾斜角，但圓柱面的傾斜角θ為90度，所以Z方向的伺服不能跟蹤，不能進(jìn)行測量。為了消除這種測量制約，提出上述使3個球狀物接觸透鏡的外周部的測量方法。
日本國特開2007—155628號公報(bào)記載的方法中，在具有3個球狀部的測量用的夾具，設(shè)置測量非球面透鏡(具有透鏡第1面、透鏡第2面)的外周部的3維形狀用的測量空間。在此夾具中保持非球面透鏡，利用探頭掃描其透鏡第1面和透鏡第2面的表面形狀，取得以3球狀部為基準(zhǔn)的坐標(biāo)點(diǎn)串?dāng)?shù)據(jù)，探頭又掃描處在透鏡外周部的作為基準(zhǔn)的圓柱面和3球狀部，取得以3球狀部為基準(zhǔn)的坐標(biāo)點(diǎn)串?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)求出圓柱面與第1面和第2面的相對位置。
日本國專利第3827493號公報(bào)揭示關(guān)于端部具有復(fù)制面的軸部豎立在基座上的透鏡金屬模的形狀測量方法。此方法中，用取得示蹤能力的另一測量儀預(yù)先測量3個球各自的直徑后，在使3球接觸軸部的圓柱面和基座的上表面兩者的狀態(tài)下，用探頭跟蹤3球和復(fù)制面，求出數(shù)據(jù)串，由該數(shù)據(jù)串求出通過3球的頂點(diǎn)的圓，并以基座的上表面和軸部的圓柱面為基準(zhǔn)，求出復(fù)制面的光軸的斜度、偏心量。
然而，上述日本國特開2002—71344號公報(bào)記載的方法中，透鏡外形的圓度畸變或表面粗糙度大的情況下，作為定位夾具的球狀物對透鏡外形的接觸位置少許錯位時，以透鏡外形為基準(zhǔn)的光軸的斜度、偏心量的再現(xiàn)性差，存在不滿足期望的精度的問題。例如，透鏡的光軸偏心量的期望精度為小于1微米(μm)的情況下，透鏡外形的形狀精度或表面粗糙度大于1微米時，不能使用此測量方法。
日本國特開2007—155628號公報(bào)記載的方法中，如上文所述，在夾具中設(shè)置測量空間，測量作為基準(zhǔn)的圓柱面的3維形狀，但存在與日本國特開2002—71344號公報(bào)記載的方法同樣的問題。而且，此方法在測量透鏡第1面時，使用對Z方向這1個方向可測量的表面形狀測量裝置，從上方掃描透鏡第1面和3球，而在測量圓柱面時，使用從上方和從橫向探頭都能接近的普通3維測量儀，從側(cè)方掃描圓柱面，從上方掃描3球，但普通3維測量儀的精度為微米級，存在不能以0.1微米級的精度測量透鏡的問題。
又，如果能以0.1微米程度的精度測量并評價(jià)包含透鏡的表面、背面、側(cè)面的全方位的面，則有關(guān)透鏡形狀的精度評價(jià)的問題實(shí)質(zhì)上解決，但由于測量機(jī)本身精度不夠或探頭等測量方式的限制，現(xiàn)狀不能進(jìn)行這種測量評價(jià)。
日本國專利第3827493號公報(bào)記載的方法，在透鏡金屬模的軸部的圓柱度和圓度畸變或表面粗糙度大時，作為定位夾具的球狀物對軸部的圓柱面的接觸位置少許錯位時，以透鏡外形為基準(zhǔn)的光軸的斜度、偏心量的再現(xiàn)性差，存在不滿足期望的精度的問題。例如，復(fù)制面的光軸偏心量的期望精度為小于0.5微米的情況下，軸部的形狀精度或表面粗糙度大于0.5微米時，不能使用此測量方法。關(guān)于日本國特開2002—71344號公報(bào)記載的方法，也有與上述相同的問題。一般而言，金屬模存在比透鏡要求精度高的趨勢。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是解決上述問題的，其目的在于提供一種能高精度測量以插入透鏡的鏡筒的圓柱面為基準(zhǔn)時的透鏡光軸的斜度、偏心量的形狀測量方法。其目的在于對不限于透鏡的被測量物、例如端部具有復(fù)制面的軸部豎立在基座上的透鏡金屬模，提供一種能算出以基座的上表面和軸部的圓柱面為基準(zhǔn)時的復(fù)制面的光軸的斜度、偏心量的形狀測量方法。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種能以0.1微米程度的精度測量并評價(jià)包含透鏡的表面、背面、側(cè)面的全方位的面的形狀測量方法。此外，本發(fā)明的目的還在于提供一種能算出以透鏡的表面(或背面)的光軸為基準(zhǔn)時的透鏡的背面(或表面)的光軸斜度、偏心量的形狀測量方法。
為了解決上述課題，本發(fā)明的形狀測量方法，利用探頭沿被測量物的測量面進(jìn)行掃描，根據(jù)通過所述探頭取得的XYZ坐標(biāo)，測量所述被測量物的3維形狀，該探頭沿Z軸方向可移動地支撐在沿相互正交的X軸和Y軸方向驅(qū)動的移動體上，所述被測量物是具有圓柱形狀或多角柱形狀的外周面和垂直于該外周面的平面上的曲面，而且具有與所述外周面平行地通過重心位置的中心軸的結(jié)構(gòu)體，將所述被測量物同軸狀地設(shè)置在具有被測量物固定部和配置在其周圍的3個球狀部的夾具上，使所述被測量物和夾具傾斜，以便對沿所述X軸、Y軸方向的XY平面，所述中心軸以規(guī)定的角度傾斜，使所述傾斜的被測量物和夾具圍繞所述中心軸逐一旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度，在各旋轉(zhuǎn)位置利用所述探頭按規(guī)定路徑掃描所述3個球狀部和所述被測量物的外周面及其一側(cè)的面，獲取各球狀部的測量數(shù)據(jù)和被測量物的測量數(shù)據(jù)群，由測量數(shù)據(jù)算出各旋轉(zhuǎn)位置上的所述3個球狀部的中心位置坐標(biāo)值，用最小二乘方法進(jìn)行擬合，從而將全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群以所述3個球狀部為基準(zhǔn)，在圍繞所述中心軸的全周都進(jìn)行分布，根據(jù)所述分布的測量數(shù)據(jù)群，求出所述被測量物的測量面的形狀。被測量物的曲面可以是凸面、凹面或凹凸復(fù)合面。夾具的傾斜角可以是15度～72度。
被測量物具有非球面的光軸時，從全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群，提取外周面測量數(shù)據(jù)群，由提取的外周面測量數(shù)據(jù)群，算出成為垂直于夾具的被測量物固定部的固定平面，且外接于被測量物的外周面的外接圓柱面的基準(zhǔn)的中心軸后，算出以此外接圓柱面的中心軸為基準(zhǔn)時的所述非球面的光軸的斜度、偏心量。
被測量物具有非球面的光軸時，從全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群，提取外周面的一個側(cè)面的測量數(shù)據(jù)群，將提取的一個側(cè)面數(shù)據(jù)群分成非球面數(shù)據(jù)群和薄板部數(shù)據(jù)群，從分出的薄板部數(shù)據(jù)群，求出薄板部平面，由所述提取的一個側(cè)面測量數(shù)據(jù)群，算出成為垂直于所述薄板部平面且外接于被測量物的外周面的外接圓柱面的基準(zhǔn)的中心軸后，算出以此外接圓柱面的中心軸為基準(zhǔn)時的所述非球面的光軸的斜度、偏心量。
被測量物具有非球面的光軸時，從全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群，提取外周面的一個側(cè)面的測量數(shù)據(jù)群，將提取的一個側(cè)面數(shù)據(jù)群分成非球面數(shù)據(jù)群和薄板部數(shù)據(jù)群，進(jìn)行分出的非球面數(shù)據(jù)群與其設(shè)計(jì)式之差上RMS最小化的坐標(biāo)變換，求出與所述被測量物的外周面或其一個側(cè)面的設(shè)計(jì)值在3維空間的偏移量和偏移方向。
被測量物的重心位于連接夾具的3個球狀部的中心的三角形區(qū)域上。夾具的被測量物固定部具有空氣吸附被測量物的吸附部。夾具的被測量物固定部在吸附部的外側(cè)具有被測量物支撐部。
在被測量物的外周面與夾具的被測量物固定部的側(cè)面，設(shè)置對位用標(biāo)記。被測量物固定部的上表面上的測量軌跡為圓形。
在被測量物的外周面和作為其兩側(cè)的面的表面和背面的邊界線A與B之間包圍的區(qū)域中，利用探頭按沿邊界線A或邊界線B的測量軌跡往XY方向進(jìn)行掃描。
被測量物的位于外周面兩側(cè)的表面部和背面部，分別由垂直于所述外周面的平面和曲面組成，在此被測量物的外周面和夾具的被測量物固定部的外周面，形成對位用標(biāo)記，對所述被測量物的表面部，在使兩個標(biāo)記一致地將所述被測量物固定在所述夾具的被測量物固定部上的狀態(tài)下，以所述被測量物的外周面和背面部平面為基準(zhǔn)，獲取測量數(shù)據(jù)群，對所述被測量物的背面部，在使兩個標(biāo)記一致地將所述被測量物固定在所述夾具的被測量物固定部上的狀態(tài)下，以所述被測量物的外周面和表面部平面為基準(zhǔn)，獲取測量數(shù)據(jù)群，組合兩個測量數(shù)據(jù)群，獲取被測量物的從全方位看的全部測量數(shù)據(jù)群。



圖1是示出本發(fā)明使用的形狀測量儀的概略組成的立體圖。
圖2是說明本發(fā)明的透鏡形狀測量的流程圖。
圖3是示出該形狀測量方法的步驟S1～S2的圖。
圖4是示出該形狀測量方法的步驟S3的圖。
圖5是示出該形狀測量方法的步驟S4～S5的圖。
圖6是放大并示出圖5的一部分的圖。
圖7是示出該形狀測量方法的步驟S4的概念圖。
圖8是示出該形狀測量方法的步驟S5的概念圖。
圖9是示出該形狀測量方法的步驟S6的圖。
圖10是示出該形狀測量方法的步驟S6的其它圖。
圖11是示出該形狀測量方法的步驟S7的圖。
圖12是示出該形狀測量方法的步驟S8的圖。
圖13是示出該形狀測量方法的步驟S8的其它圖。
圖14是示出該形狀測量方法的步驟S9的圖。
圖15是示出該形狀測量方法的步驟S10的圖。
圖16是示出該形狀測量方法的步驟S11的圖。
圖17是示出該形狀測量方法的后續(xù)于圖2的流程圖。
圖18是示出該形狀測量方法的步驟S12～S15的圖。
圖19是示出該形狀測量方法的步驟S16的圖。
圖20是示出該形狀測量方法的步驟S17的圖。
圖21是示出該形狀測量方法的后續(xù)于圖17的流程圖。
圖22是示出該形狀測量方法的步驟S18～S21的圖。
圖23是示出利用本發(fā)明作形狀測量的透鏡金屬模的圖。

具體實(shí)施例方式 下面，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。
圖1示出本發(fā)明形狀測量方法中使用的形狀測量儀。形狀測量儀的XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)中，XY方向是基座平臺61的表面上正交的兩個方向，Z方向是與XY方向正交的方向。將XY工作臺69、70往XY方向驅(qū)動，在XY工作臺69、70上安裝石平板63，并在石平板63上配置作為長度的世界標(biāo)準(zhǔn)的振蕩頻率穩(wěn)定化He-Ne激光器71。還在石平板63安裝Z工作臺64，并在Z工作臺64上安裝探頭65。又，將具有納米級高平面度的X基準(zhǔn)鏡66、Y基準(zhǔn)鏡67、Z基準(zhǔn)鏡68配置在規(guī)定位置。由此，能使來自激光器71的激光在X基準(zhǔn)鏡66、Y基準(zhǔn)鏡67、Z基準(zhǔn)鏡68上反射，以對各個距離測量長度。
將探頭1的前端配置成實(shí)質(zhì)上位于X軸激光器測長62a、Y軸激光器測長62b、Z軸激光器測長62c的延伸線上，即使測量中移動臺起伏，也能實(shí)質(zhì)上忽略其影響。在探頭1的前端往X方向移動Lx的情況下進(jìn)行考慮時，支撐探頭1的Z工作臺64和石平板63往X方向移動Lx，X軸激光器測長62a的值也變化Lx，這時的測長值具有納米級的測量精度。Y方向、Z方向也同樣地進(jìn)行長度測量。根據(jù)這些動作，能以納米級的超高精度測量XYZ坐標(biāo)。圖中未圖示，但此形狀測量儀具備控制各構(gòu)件的驅(qū)動并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和運(yùn)算的計(jì)算機(jī)。
測量形狀時，使XY工作臺69、70對被測量物200相對移動，利用探頭1沿被測量物200的被測量面S進(jìn)行掃描。于是，求出探頭1跟蹤被測量面S的形狀并往Z方向移動時的各XY坐標(biāo)位置上的Z坐標(biāo)數(shù)據(jù)串，根據(jù)此XYZ坐標(biāo)數(shù)據(jù)串，測量被測量物200的3維形狀。
下面，根據(jù)圖2并參照圖1、圖3～圖20說明被測量物200為透鏡時測量形狀的流程。
步驟S1 圖3(a)、(b)是設(shè)置透鏡用的夾具的俯視圖和剖視圖。
夾具3為實(shí)質(zhì)上圓盤狀，如圖3(a)所示，在上表面將直徑相同的3個球3a～3c配置成實(shí)質(zhì)上正三角形，在其中心配置圓柱狀的透鏡吸附部3d。透鏡吸附部3d的上表面上，凸?fàn)畹耐哥R3點(diǎn)支撐部3d2在包圍吸附孔的3個部位往半徑方向延伸，使透鏡(未圖示)載置并空氣吸附在此透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上。
將此夾具3設(shè)置在臺3j，使得透鏡吸附部3d朝向測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的Z+方向，如圖3(b)所示。其取向還使透鏡3點(diǎn)支撐部3d2的上表面與測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面形成實(shí)質(zhì)上水平，而且連接球3a的中心3a1和透鏡吸附部3d的中心的直線與X軸平行。從Y—方向(測量儀的操作者側(cè))能看到設(shè)置在透鏡吸附部3d的側(cè)面的標(biāo)記m2。此標(biāo)記m2在后文闡述，用于吸附透鏡時決定其圍繞光軸的位置。3e是設(shè)置在透鏡吸附部3d的背面?zhèn)鹊膴A具轉(zhuǎn)動部，3h是促動器。
步驟S2 圖3所示狀態(tài)下，測量夾具3的球3a～3c和透鏡3點(diǎn)支撐部3d2的上表面(平坦部)。
如上文所述，透鏡吸附部3d為圓柱狀，所以如圖解方式所示，按照測量數(shù)據(jù)7的位置在XY平面上為多個圓軌跡的方式進(jìn)行測量。這里，將作為球3a～3c各自的中心3a1～3c1構(gòu)成的平面上通過中心3a1、3c1的軸的Xs軸、作為垂直于所述平面和Xs軸的軸的Zs軸以及作為與Xs軸和Zs軸正交的軸的Ys軸組成的坐標(biāo)系統(tǒng)，定義為3球基準(zhǔn)XsYsZs坐標(biāo)系統(tǒng)。
再者，透鏡3點(diǎn)支撐部3d2從透鏡吸附部3d的上表面伸出的高度要在測量透鏡吸附部3d的上表面時探頭1的前端的觸針半徑之半以下，按照這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)。其理由是因?yàn)樵O(shè)平行階梯差的垂直方向階梯差(即透鏡3點(diǎn)支撐部3d2的伸出高度)為h，探頭1的前端的半徑為Pr，探頭1一面從低位面往高位面接觸一面升高時的最大傾斜角度為θ，則存在下式的關(guān)系。例如，Pr＝0.5毫米(mm)、θ＝60度時，h＝0.25毫米。
Pr·(1-cosθ)＝h 步驟S3 算出3球基準(zhǔn)XsYsZs坐標(biāo)系統(tǒng)的透鏡3點(diǎn)支撐部3d2的上表面的平面式。
為此，首先，為了考慮方便，對透鏡吸附部3d上的測量數(shù)據(jù)7進(jìn)行坐標(biāo)變換，使連接球3a的中心至由球3a的中心3a1～球3c的中心3c求出的重心位置的直線Xs’與測量儀的X軸一致，并使Zs軸與Z軸一致。這時的坐標(biāo)變換量在后面的步驟中也使用，所以保存在計(jì)算機(jī)中。
然后，從透鏡吸附部3d上的測量數(shù)據(jù)7提取透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上的測量數(shù)據(jù)，即提取升高階梯差高度h的份額的測量數(shù)據(jù)。利用最小二乘方法從提取的透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上的測量數(shù)據(jù)算出平面式。
這時，得到下式所示透鏡3點(diǎn)支撐部的法線矢量。
通過決定平面式上的代表性點(diǎn)a(Xa、Ya、Za)，在與透鏡吸附部3d上的任意點(diǎn)P(X、Y、Z)之間下面的關(guān)系式成立。這是3球基準(zhǔn)XsYsZs坐標(biāo)系統(tǒng)(對測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)作坐標(biāo)變換后)的由透鏡吸附部3d上的測量數(shù)據(jù)7算出的透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上的平面式7a。圖4示出此關(guān)系。
再者，透鏡3點(diǎn)支撐部3d2未必需要上表面為平面，也可由3個球構(gòu)成。例如，可將3個直徑相同的球埋入透鏡吸附部3d的上表面，測量3個球的各頂點(diǎn)的3維坐標(biāo)值，將能從這些3頂點(diǎn)的3維坐標(biāo)值算出的平面式當(dāng)作透鏡吸附部3d上表面的平面式。
步驟S4 如圖5(a)、(b)所示，在夾具3的中心的透鏡吸附部3d上，空氣吸附透鏡4，并使夾具3傾斜，以便透鏡4的中心軸(w軸)對測量儀XY平面傾斜θ(15度～72度)。
透鏡4是圖6(a)所示形狀的結(jié)構(gòu)體，具有圓柱面4a、垂直于該面的面41a和在該垂直面上鼓出的曲面4b。由作為處在離開圓柱面4a實(shí)質(zhì)上等距離處的中心軸的w軸、以該w軸與曲面4b的交點(diǎn)為原點(diǎn)并往與w軸正交的方向延伸的u軸和v軸定義測量物uvw坐標(biāo)系統(tǒng)。
如圖6(b)放大所示那樣，將此透鏡4設(shè)置在夾具3上，使w軸與透鏡吸附部3d的中心軸一致，并使設(shè)置在圓柱面4a的標(biāo)記m1與透鏡吸附部3d的標(biāo)記m2一致。然后，將夾具3設(shè)置在設(shè)計(jì)成夾具傾斜角度θ對測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面為15度～72度的傾斜臺3i。圖中的θLT表示透鏡頂點(diǎn)對Z軸的傾斜角度，θLY表示透鏡有效半徑位置對X軸的傾斜角度。
說明使夾具傾斜角度θ為15度～72度的理由。圖7是求測量透鏡4的圓柱面時的Z軸與圓柱面法線方向形成的角度ψ的概念圖。圖7(a)示出測量物uvw坐標(biāo)系統(tǒng)的w軸與測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面平行的情況(夾具傾斜角度θ＝0)，圖7(b)示出測量物uvw坐標(biāo)系統(tǒng)的w軸對測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面傾斜的情況(夾具傾斜角度θ≠0)。
由下式示出探頭1的軸向法線矢量ns。
對探頭接觸面的法線矢量nt(夾具傾斜角度θ＝0)和探頭接觸面的法線矢量nu(夾具傾斜角度θ≠0)而言，根據(jù)圖7，下面的關(guān)系式成立。
探頭1的軸向法線矢量ns與探頭接觸面的法線矢量nu(夾具傾斜角度θ≠0)的夾角ψ，為圓柱面對XY平面的最大傾斜角度。夾具傾斜角度θ中，作為圓柱面對XY面的最大傾斜角度的法線矢量ns與nu的夾角ψ和透鏡頂點(diǎn)的傾斜角度θLT這2種角度，均可設(shè)定成在對本測量方法中使用的測量裝置的XY平面的最大傾斜角75度以內(nèi)。
再者，透鏡4的標(biāo)記m1(參考圖6(b))對圓柱面4a形成凹坑狀，加工成無毛刺等冒出的形狀。這是因?yàn)榫瓦B標(biāo)記m1的一部分伸出到圓柱面4a的外周側(cè)，也在將透鏡4插入透鏡鏡筒(未圖示)時，由于標(biāo)記m1的毛刺等而使透鏡4產(chǎn)生偏心。
除上述空氣吸附以外，透鏡4的固定還可考慮對透鏡外周部的圓柱面4a用粘土或蠟進(jìn)行3點(diǎn)固定的方法、用彈簧進(jìn)行3點(diǎn)固定的方法等。該情況下，從透鏡4的圓柱面4a冒出到外側(cè)的粘土等的區(qū)域不獲取測量數(shù)據(jù)。這是因?yàn)楦鶕?jù)測量數(shù)據(jù)利用計(jì)算求外接圓筒的方法(后文闡述)在其計(jì)算時，圓柱面4a部分由于粘土等而比原本的形狀鼓出，造成得出與原本的透鏡形狀不同的計(jì)算結(jié)果。
步驟S5 測量以上那樣設(shè)置的夾具3的球3a～3c與透鏡4的圓柱面4a的一部分、表面的一部分。
又，參照圖5和圖6。首先，施加聚焦伺服，將探頭1集中于球3a，從而取臨時頂點(diǎn)，進(jìn)行X軸測量和Y軸測量。其后，按測量數(shù)據(jù)和球3a的設(shè)計(jì)值，利用最小二乘方法往XYZ方向擬合，從這時的XYZ坐標(biāo)變換量算出真頂點(diǎn)位置。球3a事先利用取得示蹤能力的另一測量儀測量直徑，從而能從前面算出的真頂點(diǎn)位置算出球3a的中心位置坐標(biāo)值(Xa、Ya、Za)。作為另一種方法，通過測量按標(biāo)準(zhǔn)裝備在測量儀的半徑已知的基準(zhǔn)球，將探頭前端半徑校正到0.01微米級，使用該探頭半徑值算出最佳配合，使測量所述球3a時的測量數(shù)據(jù)和使半徑變化的最佳配合R的RMS最小，從而能算出球3a的真半徑。測量結(jié)束，則使探頭1從球3a消除聚焦，退避到Z上方。對球3b、球3c也能利用同樣的方法，算出中心位置坐標(biāo)值(Xb、Yb、Zb)、(Xc、Yc、Zc)。
對透鏡表面也在透鏡4的圓柱面中心軸(w軸)方向，即圍繞透鏡吸附部3d的中心軸旋轉(zhuǎn)的方向，利用探頭1往XY方向進(jìn)行掃描。由此，探頭1沿透鏡表面形狀往Z方向進(jìn)行跟蹤，獲取測量數(shù)據(jù)。圖中的2a表示測量區(qū)，φA表示圍繞中心軸(w軸)的圓柱面測量角度。
圖8放大并示出透鏡4的測量軌跡。從透鏡4的中心軸方向看透鏡頂點(diǎn)時角度φA夾住的區(qū)域?yàn)闇y量區(qū)。利用探頭1往XY方向進(jìn)行掃描，使從Z+方向看透鏡4時，其圓柱面4a與透鏡表面的邊界線4e和圓柱面4a與透鏡背面的邊界線4f包圍的區(qū)域中，形成沿邊界線4e或邊界線4f的測量軌跡2，即形成沿圓柱面4a的圓周方向的測量軌跡(側(cè)面?zhèn)?2’。接著，探頭1往XY方向進(jìn)行掃描，使從邊界線4e往右側(cè)的透鏡表面的區(qū)域形成測量軌跡(透鏡面?zhèn)?2”。此從Z+方向看時的測量軌跡(側(cè)面?zhèn)?2’、測量軌跡(透鏡面?zhèn)?2”的各行都是橢圓的一部分，總體上成為實(shí)質(zhì)上扇形。在這樣往XY方向進(jìn)行掃描的期間，探頭1沿透鏡4的形狀往Z方向進(jìn)行跟蹤，從而取得測量數(shù)據(jù)。
步驟S6 使夾具3圍繞透鏡4的圓柱面中心軸(w軸)旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)角度φ后，重復(fù)步驟S5的動作。
圖9(a)、(a’)和(b)、(b’)示出圍繞透鏡4的圓柱面中心軸(w軸)的旋轉(zhuǎn)角度φ與圓柱面測量角度φA的關(guān)系。取φA＝±60度(測量120度)。用夾具旋轉(zhuǎn)角度φ為φ0°、φ120°、φ240°的3次旋轉(zhuǎn)得到全周的測量數(shù)據(jù)。
此情況下，即使逐個120度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，也僅依次切換球3a～3c的位置，從Z+方向看時的球3a～3c與透鏡4的關(guān)系不變，所以測量時探頭1對球3a～3c和透鏡4的推進(jìn)可完全相同。測量球3a～3c和透鏡4中的任一個的期間，探頭1不干擾非該測量時間點(diǎn)的測量對象物。
如該圖9所示，圓柱面測量角度φA＝±60度(測量120度)的情況下， (a)夾具傾斜角度θ＝15度時， 作為透鏡圓柱面的最大傾斜角度的ns與nu的夾角ψ＝61.1度，并且透鏡頂點(diǎn)的傾斜角度θLT＝75度。
(b)夾具傾斜角度θ＝58度時， 作為透鏡圓柱面的最大傾斜角度的ns與nu的夾角ψ＝74.6度，并且透鏡頂點(diǎn)的傾斜角度θLT＝32度。
即，可在15度～58度的范圍測量夾具傾斜角度θ。
圖10(a)、(a’)和(b)、(b’)示出圍繞透鏡4的圓柱面中心軸(w軸)的旋轉(zhuǎn)角度φ與圓柱面測量角度φA的關(guān)系。φA＝±30度(測量60度)。用夾具旋轉(zhuǎn)角度φ為φ0°、φ60°、φ120°、φ180°、φ240°、φ300°的6次旋轉(zhuǎn)得到全周的測量數(shù)據(jù)。與前文圖9的夾具3相比，將透鏡吸附部3d的中心軸與球3a～3c的間隔取大，哪個夾具旋轉(zhuǎn)角度φ時，從Z+方向看的情況下，透鏡4與球3a～3c都不重疊。
此圖10的夾具3也與圖9的夾具3相同，測量球3a～3c和透鏡4中的任一個的期間，探頭1不干擾非該測量時間點(diǎn)的測量對象物。另一方面，與圖9的夾具3不同，每次旋轉(zhuǎn)各60度從Z+方向看時，球3a～3c的配置變化，所以需要配合該變化改變探頭1推進(jìn)到球3a～3c的位置。
如該圖10所示，圓柱面測量角度φA＝±30度(測量60度)的情況下， (a)夾具傾斜角度θ＝15度時， 作為透鏡圓柱面的最大傾斜角度的ns與nu的夾角ψ＝33.2度，并且透鏡頂點(diǎn)的傾斜角度θLT＝75度。
(b)夾具傾斜角度θ＝72度時， 作為透鏡圓柱面的最大傾斜角度的ns與nu的夾角ψ＝74.5度，并且透鏡頂點(diǎn)的傾斜角度θLT＝18度。
即，可在15度～72度的范圍測量夾具傾斜角度θ。
圓柱面傾斜角度φA進(jìn)一步小于±30度(測量60度)時，測量次數(shù)增多，測量時間增加，所以最好不采用這種角度。
下面，取圓柱面傾斜角度φA為±60度(測量120度)的情況為例進(jìn)行說明。
步驟S7 如圖11(a)、(b)所示，以使3球中心位置一致的方式組合步驟S6中測量的全部測量數(shù)據(jù)，取得圍繞透鏡4的圓柱面中心軸(w軸)360度全周的圓柱面4a和表面的數(shù)據(jù)。
具體而言，以3球基準(zhǔn)XsYsZs坐標(biāo)系統(tǒng)為基準(zhǔn)，配置上述φ0°、φ120°、φ240°各旋轉(zhuǎn)角度的透鏡4的測量數(shù)據(jù)。由此，在360度全周，都組合透鏡4的圓柱面4a和表面的測量數(shù)據(jù)。2b表示測量數(shù)據(jù)組合區(qū)。
在此時間點(diǎn)，使步驟S3中求出的直線Xs’(即連接3球基準(zhǔn)XsYsZs坐標(biāo)系統(tǒng)中XsYs平面上球3a的中心3a1至重心位置的直線Xs’)與測量儀的X軸一致。使用對透鏡吸附部3d上的測量數(shù)據(jù)7作坐標(biāo)變換以便使Zs軸與Z軸一致時的坐標(biāo)變換量，對這里得到的360度全周的透鏡4的圓柱面4a和表面的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換。
步驟S8 如圖12(a)～(d)以圖解方式所示，從步驟S7中得到的透鏡4的圓柱面4a和表面的組合數(shù)據(jù)提取圓柱面數(shù)據(jù)群8，算出外接圓筒A6，并對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使作為其中心軸的Zg軸與設(shè)計(jì)上的Z軸一致。
圖12(a)示出步驟S7中得到的透鏡4的圓柱面4a和表面的組合數(shù)據(jù)的分布。由圓柱面測量數(shù)據(jù)群8和從Z+方向能看到的表面測量數(shù)據(jù)群9構(gòu)成該數(shù)據(jù)分布。對圓柱面測量數(shù)據(jù)群8而言，圓周方向的數(shù)據(jù)排列需要考慮后文闡述的最小二乘方法的計(jì)算處理并預(yù)先取充分多的數(shù)據(jù)數(shù)量。例如，最好對圓周的1周，取得1度間距程度的數(shù)據(jù)，即取得將1周360等分程度的數(shù)據(jù)。
圖12(b)是從Y—方向看圖12(a)的組合數(shù)據(jù)分布的圖。不僅示出圓柱面測量數(shù)據(jù)群8和表面測量數(shù)據(jù)群9，而且示出步驟S3中求出的透鏡3點(diǎn)支撐部3d2的平面式7a。由下式表示這時的平面式7a。
如圖12(c)所示，對圖12(b)的組合數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使透鏡3點(diǎn)支撐部3d2的平面式7a符合測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面(即Z＝0平面)。由下式表示這時的平面式7a1。由此，能按透鏡3點(diǎn)支撐部基準(zhǔn)處理透鏡4的組合數(shù)據(jù)。
從這樣作坐標(biāo)變換后的組合數(shù)據(jù)，提取圓柱面測量數(shù)據(jù)群8。決定適當(dāng)?shù)腞1值，并選擇滿足下式時的測量數(shù)據(jù)(X、Y、Z)，從而能提取圓柱面測量數(shù)據(jù)群8。

再者，R1選擇大于表面測量數(shù)據(jù)9的薄板部(平面部)上的最外周的圓狀數(shù)據(jù)的半徑且小于圓柱面測量數(shù)據(jù)群8的半徑的值。能根據(jù)圖6所示透鏡4將中心軸傾斜θLT時的測量軌跡2的NC信息，計(jì)算薄板部(平面部)上最外周的圓數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)上半徑。還能根據(jù)透鏡圓柱面的設(shè)計(jì)值，計(jì)算圓柱面部數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)上半徑。
圖12(d)是從Z+方向看圖12(c)中提取的圓柱面測量數(shù)據(jù)群8的圖。根據(jù)此圓柱面測量數(shù)據(jù)群8，利用最小二乘方法計(jì)算圓，按從大到小的順序選擇3個從算出的圓往外側(cè)離開的點(diǎn)，求出這3個點(diǎn)A1、A2、A3的重心Ga，以重心Ga為中心求出通過點(diǎn)A1、A2、A3的外接圓A5。將外接圓A5在Z軸上伸展而成的結(jié)構(gòu)體定義為外接圓筒A6，將其中心軸定義為Zg軸，并對上述組合數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，使Zg軸與與測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸一致。
圖13是從Y—方向看圖12(d)中作坐標(biāo)變換后的組合數(shù)據(jù)的分布的圖。使透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上的平面式7a1符合測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面(即Z＝0的平面)，又，使中心軸(Zg軸)與測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸一致。12示出設(shè)計(jì)式的透鏡形狀。
利用上述步驟S1～S8，以透鏡3點(diǎn)支撐部3d2和透鏡4的圓柱面4a為基準(zhǔn)，變動3維空間的X、Y、Z的平移方向、α(圍繞X軸)、β(圍繞Y軸)、γ(圍繞Z軸)的旋轉(zhuǎn)方向這6自由度中的X、Y、Z、α、β這5自由度，由最小二乘方法進(jìn)行擬合。以使透鏡4的標(biāo)記m1與夾具3的透鏡吸附部3d的標(biāo)記一致的方式設(shè)定γ，從而能充分使其誤差在±1度以內(nèi)。
步驟S1～S8說明的方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)想即使透鏡4的圓柱面4a存在畸變，也以根據(jù)該圓柱面4a的測量數(shù)據(jù)算出的外接圓筒A6接觸鏡筒的方式進(jìn)行定位，所以能實(shí)現(xiàn)再現(xiàn)性良好的透鏡4的定位。
又，即使測量時透鏡4的圓柱面4a上附著塵埃，由于塵埃，測量數(shù)據(jù)中1點(diǎn)狀的噪聲數(shù)據(jù)多，操作者能識別該噪聲的情況多，所以能通過刪除噪聲數(shù)據(jù)取得較接近實(shí)際形狀的測量數(shù)據(jù)。
步驟S9 如圖14(a)、(b)所示，從步驟S8中作坐標(biāo)變換后的組合數(shù)據(jù)提取表面測量數(shù)據(jù)群9，將此表面測量數(shù)據(jù)群9分成透鏡面部數(shù)據(jù)群9a和薄板部數(shù)據(jù)群9b，僅提取透鏡面部數(shù)據(jù)群9a。為此，在組合數(shù)據(jù)(X、Y、Z)中決定適當(dāng)?shù)腪1值，選擇Z≥Z1時的數(shù)據(jù)，從而能提取透鏡面部數(shù)據(jù)群9a。再者，Z1相對于透鏡的薄板部(平面部)的表面和背面的厚度設(shè)計(jì)值d取Z1＝d+Δd的值。Δd的決定方法將Δd設(shè)定成可靠地處在圖14(a)上小于Z1的表面測量數(shù)據(jù)群9中薄板部數(shù)據(jù)9b內(nèi)。作為設(shè)定的例子，可在控制測量儀的計(jì)算機(jī)的監(jiān)視器上進(jìn)行顯示，使用戶能進(jìn)行設(shè)定。
步驟S10 如圖15所示，在測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)上作坐標(biāo)變換，使前面的步驟S9中提取的透鏡面部數(shù)據(jù)群9a與設(shè)計(jì)上的透鏡形狀12之間RMS最小。
即，步驟S9中，原點(diǎn)處在透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上，但為了考慮方便，使原點(diǎn)偏移到設(shè)計(jì)上的透鏡形狀12的頂點(diǎn)部。按照RMS最小進(jìn)行坐標(biāo)變換時，如圖中所示，透鏡面部數(shù)據(jù)群9a的中心軸Zp傾斜，以坐標(biāo)變換量β(或α)作旋轉(zhuǎn)移動，又以平移坐標(biāo)變換量dX(或dY)和dZ作平移。將此偏移份額保存在計(jì)算機(jī)，在后面的計(jì)算中進(jìn)行處理。
步驟S11 如圖16所示，對前面的步驟S10中求出的坐標(biāo)變換量乘—1，求出離開設(shè)計(jì)值的偏心dX(或dY)、高度偏移dZ、斜度β(或α)。
利用上述步驟S1～S11，能算出以透鏡吸附部3d的透鏡支撐部3d2的上表面的平坦部(對應(yīng)于透鏡背面?zhèn)鹊谋“宀?和透鏡4的外周部的圓柱面4a為基準(zhǔn)時的透鏡表面的光軸Zp的傾斜量、平偏心量dX(或dY)、高度偏移dZ。
透鏡背面也相同，即通過將透鏡4設(shè)置成從Z+方向能看到其背面的朝向，而且使其標(biāo)記m1與透鏡吸附部的標(biāo)記m2一致，并經(jīng)步驟S1～S11，能算出以透鏡吸附部3d的透鏡支撐部3d2的上表面的平坦部(對應(yīng)于透鏡表面?zhèn)鹊谋“宀?和透鏡的外周部的圓柱面為基準(zhǔn)時的透鏡背面的光軸的傾斜量、偏心量、高度偏移。
再者，上述步驟S1～S11中，以透鏡4的外周部是圓柱面4a為前提，但外周部是多角柱狀時也相同，能從側(cè)面的測量數(shù)據(jù)求出外接圓，并算出透鏡表面、透鏡背面的光軸的傾斜量、偏心量。通過作與設(shè)計(jì)式之差上RMS最小化的坐標(biāo)變換，能求出透鏡4的圓柱面4a或透鏡表面(和透鏡背面)的全部數(shù)據(jù)的偏移量。
接著，參照圖18～圖20，根據(jù)圖17說明求出從透鏡的全方位看的全部的面的形狀的流程圖。
步驟S12～S15 通過對透鏡背面實(shí)施上述步驟S1～S7，制成圖18(a)所示那樣的圍繞中心軸360度全周的圓柱面測量數(shù)據(jù)群10和背面測量數(shù)據(jù)群11構(gòu)成的組合數(shù)據(jù)(步驟S12)。
接著，通過實(shí)施上述步驟S8、S9，如圖18(b)所示(從Y—方向看圖18(a))，算出背面測量數(shù)據(jù)群11的透鏡薄板部的平面式11b1(步驟S13)。
接著，如圖18(c)所示，進(jìn)行坐標(biāo)變換，使透鏡薄板部的平面式11b2符合測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面(即Z＝0的平面)。這時的平面式11b2形成Z＝0(步驟S14)。
此狀態(tài)下，將組合數(shù)據(jù)分成圓柱面測量數(shù)據(jù)群10和背面測量數(shù)據(jù)群11，并提取圓柱面測量數(shù)據(jù)群10。為此，例如在測量數(shù)據(jù)(X、Y、Z)中決定適當(dāng)?shù)腞1值，并選擇滿足下式的測量數(shù)據(jù)，從而能提取圓柱面測量數(shù)據(jù)群10。

R1選擇大于表面測量數(shù)據(jù)群11的薄板部(平面部)上的最外周的圓狀數(shù)據(jù)的半徑且小于圓柱面測量數(shù)據(jù)群10的半徑的值。能根據(jù)圖6所示透鏡4將中心軸傾斜θLT時的測量軌跡2的NC信息計(jì)算薄板部(平面部)上最外周的圓數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)上半徑。還能根據(jù)透鏡圓柱面的設(shè)計(jì)值計(jì)算圓柱面部數(shù)據(jù)的實(shí)質(zhì)上半徑。
接著，如圖18(d)所示，求出提取的圓柱面測量數(shù)據(jù)群10的外接圓筒B6(從Z+方向看)，進(jìn)行坐標(biāo)變換，使得作為其中心軸的Zg與測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸一致。這時，由圓柱面測量數(shù)據(jù)群10利用最小二乘方法算出圓，按從大到小的順序選擇3個從該圓往外側(cè)離開的點(diǎn)，求出該3個點(diǎn)B1～B3的重心Gb，以該重心為中心描繪通過點(diǎn)B1～B3的圓，從而求出外接圓B5，將此外接圓B5在Z軸伸展后，形成外接圓筒B6，其中心軸成為Zg軸(步驟S15)。
步驟S16 圖19(a)是從Y—方向看步驟S15中作坐標(biāo)變換后的透鏡背面?zhèn)葦?shù)據(jù)分布的圖。使透鏡薄板部(對應(yīng)于透鏡3點(diǎn)支撐部3d2上的平面)的式11b2符合測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面(即Z＝0的平面)，并使中心軸(Zg軸)與測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸一致。
如圖19(b)所示，使此透鏡背面?zhèn)葦?shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)移動180度，以便透鏡的背面朝向Z—方向，而且透鏡的標(biāo)記m1(參考圖6)一致。這時的旋轉(zhuǎn)中心需要將與測量物uvw坐標(biāo)系統(tǒng)的v軸平行的軸當(dāng)作旋轉(zhuǎn)中心軸，以便即使旋轉(zhuǎn)180度，標(biāo)記m1也不變。這里，圍繞與v軸同方向的Y軸旋轉(zhuǎn)移動180度，從而從測量物uvw坐標(biāo)系統(tǒng)變換到測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)。透鏡薄板部的式11b3符合測量儀XYZ坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面(Z＝0)。
步驟S17 圖20(a)示出上述步驟S8中得到的透鏡表側(cè)的數(shù)據(jù)。圓柱面測量數(shù)據(jù)群8、表面測量數(shù)據(jù)群9使透鏡3點(diǎn)支撐部上的平面式7a1符合Z＝0，并以Z軸為基準(zhǔn)。
圖20(b)示出上述步驟S16中得到的透鏡背側(cè)的數(shù)據(jù)。圓柱面測量數(shù)據(jù)群10、背面測量數(shù)據(jù)群11為使透鏡薄板部的平面式11b3符合Z＝0的狀態(tài)。也就是使透鏡薄板部符合透鏡3點(diǎn)支撐部上的平面式7a1(Z＝0)的狀態(tài)，而且以Z軸為基準(zhǔn)。
如圖20(c)所示那樣組合這些透鏡表側(cè)的數(shù)據(jù)和透鏡背側(cè)的數(shù)據(jù)。即，以透鏡背面的薄板部(透鏡3點(diǎn)支撐部上的平面式7a1、透鏡薄板部的平面式11b3)和透鏡外周圓柱面(圓柱面測量數(shù)據(jù)群8、圓柱面測量數(shù)據(jù)群10)為基準(zhǔn)進(jìn)行組合。
通過以上那樣又經(jīng)S12～S17的步驟，能在全方位都求出透鏡4的全部面的形狀。
接著，參照圖22，根據(jù)圖21說明求出以透鏡表側(cè)的光軸為基準(zhǔn)時的透鏡背側(cè)光軸的偏心dX(或dY)、高度偏移dZ、斜度β(或α)的流程。
步驟S18 在前面的步驟S17求出的全部數(shù)據(jù)中，如圖22(a)所示，對背面測量數(shù)據(jù)群11，僅提取去除透鏡薄板部數(shù)據(jù)后的透鏡面部數(shù)據(jù)。
為此，與步驟S9相同，在測量數(shù)據(jù)(X、Y、Z)中，決定適當(dāng)?shù)腪1值，選擇Z≥Z1時的數(shù)據(jù)，從而能提取背面測量數(shù)據(jù)群11內(nèi)的透鏡面部數(shù)據(jù)。此情況下，透鏡3點(diǎn)支撐部上的平面式7a1(即透鏡薄板部的平面式11b3)為Z＝0，所以可將Z1的值確定為0附近的負(fù)值。
步驟S19 如圖22(b)所示，進(jìn)行坐標(biāo)變換，使步驟S18得到的透鏡背側(cè)的透鏡面部數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)式之間RMS最小。利用與步驟S10相同的方法。
步驟S20 對步驟S19的坐標(biāo)變換量乘—1后，算出離開設(shè)計(jì)值的偏心dX(或dY)、高度偏移dZ、斜度β(或α)。利用與步驟S11相同的方法。
步驟S21 以步驟S11求出的透鏡表側(cè)的離開設(shè)計(jì)值的偏移為基準(zhǔn)，測步驟S20求出的透鏡背側(cè)的離開設(shè)計(jì)值的偏移的差額，算出以透鏡表側(cè)的非球面的光軸16a為基準(zhǔn)時的透鏡背側(cè)的非球面的光軸16b的偏心dX(或dY)、高度偏移dZ、斜度β(或α)。19表示中心厚度，Z0為中心厚度的設(shè)計(jì)值，dZ表示離開此設(shè)計(jì)值Z0的偏移量。
通過以上那樣又經(jīng)步驟S18～S21，能算出以透鏡的表面?zhèn)鹊墓廨S16a為基準(zhǔn)時的背側(cè)的光軸16b的偏心dX(或dY)、高度偏移dZ、斜度β(或α)。同樣，能算出以背面?zhèn)鹊墓廨S16b為基準(zhǔn)時的表側(cè)的光軸16a的偏心dX(或dY)、高度偏移dZ、斜度β(或α)。
利用步驟S1～S11，將附圖所示透鏡金屬模101當(dāng)作對象，以代替透鏡4，也能算出以基座101a的上表面和軸部101b的圓柱面為基準(zhǔn)時的復(fù)制面101c的光軸的傾斜量、偏心量、高度偏移。
如以上所說明，根據(jù)本發(fā)明的形狀測量方法，能使用具有接觸式或非接觸式探頭的3維形狀測量儀，以與鏡筒對應(yīng)的透鏡外周的圓柱面為基準(zhǔn)，求出透鏡面的光軸的傾斜量、偏心量，以透鏡外周部的圓柱面為基準(zhǔn)，在全方位都求出透鏡的全部面(表面、背面、側(cè)面)的形狀，以透鏡的表側(cè)(或背側(cè))的光軸為基準(zhǔn)，算出透鏡的背側(cè)(或表側(cè))的光軸的偏心、高度偏移、斜度。因此，對便攜電話或數(shù)字相機(jī)等中使用的非球面透鏡的形狀測量尤其有用。對不限于透鏡的被測量物，也能以圓柱面等外周面為基準(zhǔn)，同樣地進(jìn)行形狀測量。
權(quán)利要求
1、一種形狀測量方法，其特征在于，
利用探頭沿被測量物的測量面進(jìn)行掃描，根據(jù)通過所述探頭取得的XYZ坐標(biāo)，測量所述被測量物的3維形狀，該探頭沿Z軸方向可移動地支撐在沿相互正交的X軸和Y軸方向驅(qū)動的移動體上，
所述被測量物是具有圓柱形狀或多角柱形狀的外周面和垂直于該外周面的平面上的曲面、而且具有與所述外周面平行地通過重心位置的中心軸的結(jié)構(gòu)體，
將所述被測量物同軸狀地設(shè)置在具有被測量物固定部和配置在其周圍的3個球狀部的夾具上，使所述被測量物和夾具傾斜，以便對沿所述X軸、Y軸方向的XY平面，所述中心軸以規(guī)定的角度傾斜，
使所述傾斜的被測量物和夾具圍繞所述中心軸逐一旋轉(zhuǎn)規(guī)定角度，在各旋轉(zhuǎn)位置利用所述探頭按規(guī)定路徑掃描所述3個球狀部和所述被測量物的外周面及其一側(cè)的面，獲取各球狀部的測量數(shù)據(jù)和被測量物的測量數(shù)據(jù)群，
由測量數(shù)據(jù)算出各旋轉(zhuǎn)位置上的所述3個球狀部的中心位置坐標(biāo)值，用最小二乘方法進(jìn)行擬合，從而將全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群以所述3個球狀部為基準(zhǔn)，在圍繞所述中心軸的全周都進(jìn)行分布，
根據(jù)所述分布的測量數(shù)據(jù)群，求出所述被測量物的測量面的形狀。
2、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
被測量物具有非球面的光軸時，
從全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群，提取外周面測量數(shù)據(jù)群，
由提取的外周面測量數(shù)據(jù)群，算出成為垂直于夾具的被測量物固定部的固定平面，且外接于被測量物的外周面的外接圓柱面的基準(zhǔn)的中心軸后，
算出以此外接圓柱面的中心軸為基準(zhǔn)時的所述非球面的光軸的斜度、偏心量。
3、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
被測量物具有非球面的光軸時，
從全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群，提取外周面的一個側(cè)面的測量數(shù)據(jù)群，
將提取的一個側(cè)面數(shù)據(jù)群分成非球面數(shù)據(jù)群和薄板部數(shù)據(jù)群，從分出的薄板部數(shù)據(jù)群，求出薄板部平面，
由所述提取的一個側(cè)面測量數(shù)據(jù)群，算出成為垂直于所述薄板部平面且外接于被測量物的外周面的外接圓柱面的基準(zhǔn)的中心軸后，
算出以此外接圓柱面的中心軸為基準(zhǔn)時的所述非球面的光軸的斜度、偏心量。
4、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
被測量物具有非球面的光軸時，
從全部旋轉(zhuǎn)位置上的被測量物的測量數(shù)據(jù)群，提取外周面的一個側(cè)面的測量數(shù)據(jù)群，
將提取的一個側(cè)面數(shù)據(jù)群分成非球面數(shù)據(jù)群和薄板部數(shù)據(jù)群，進(jìn)行分出的非球面數(shù)據(jù)群與其設(shè)計(jì)式之差上RMS最小化的坐標(biāo)變換，求出與所述被測量物的外周面或其一個側(cè)面的設(shè)計(jì)值在3維空間的偏移量和偏移方向。
5、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
被測量物的重心位于連接夾具的3個球狀部的中心的三角形區(qū)域上。
6、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
夾具的被測量物固定部具有空氣吸附被測量物的吸附部。
7、如權(quán)利要求6中所述的形狀測量方法，其特征在于，
夾具的被測量物固定部在吸附部的外側(cè)具有被測量物支撐部。
8、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
在被測量物的外周面和夾具的被測量物固定部的側(cè)面，設(shè)置對位用標(biāo)記。
9、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
被測量物固定部的上表面上的測量軌跡為圓形。
10、如權(quán)利要求1中所述的形狀測量方法，其特征在于，
在被測量物的外周面與作為其兩側(cè)的面的表面和背面的邊界線A與B之間包圍的區(qū)域中，利用探頭按沿邊界線A或邊界線B的測量軌跡往XY方向進(jìn)行掃描。
11、如權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的形狀測量方法，其特征在于，
被測量物的位于外周面兩側(cè)的表面部和背面部，分別由垂直于所述外周面的平面和曲面組成，在此被測量物的外周面和夾具的被測量物固定部的外周面，形成對位用標(biāo)記，
對所述被測量物的表面部，在使兩個標(biāo)記一致地將所述被測量物固定在所述夾具的被測量物固定部上的狀態(tài)下，以所述被測量物的外周面和背面部平面為基準(zhǔn)，獲取測量數(shù)據(jù)群，
對所述被測量物的背面部，在使兩個標(biāo)記一致地將所述被測量物固定在所述夾具的被測量物固定部上的狀態(tài)下，以所述被測量物的外周面和表面部平面為基準(zhǔn)，獲取測量數(shù)據(jù)群，
組合兩個測量數(shù)據(jù)群，獲取被測量物的從全方位看的全部測量數(shù)據(jù)群。
全文摘要
根據(jù)本發(fā)明的形狀測量方法，能使用具有接觸式或非接觸式探頭的3維形狀測量儀以與鏡筒對應(yīng)的透鏡外周的圓柱面為基準(zhǔn)求出透鏡面的光軸的傾斜量、偏心量，以透鏡外周部的圓柱面為基準(zhǔn)在全方位都求出透鏡的全部面(表面、背面、側(cè)面)的形狀，以透鏡的表側(cè)(或背側(cè))的光軸為基準(zhǔn)算出透鏡的背側(cè)(或表側(cè))的光軸的偏心、高度偏移、斜度。
文檔編號G01B11/24GK101482397SQ20091000295
公開日2009年7月15日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者竹內(nèi)博之 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社