JP5656242B2 - Shape measuring method, shape measuring device, and machine tool - Google Patents
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Description
本発明は、形状計測方法形状計測装置、及び工作機械に関する。 The present invention relates to a shape measuring method shape measuring apparatus and a machine tool.
工作機械において、加工精度の向上を実現するためのシステムの一つとして、機上計測と修正加工とによる加工システムが挙げられる。機上計測とは、加工機上で工作物の寸法、形状の計測を行うことを指す。機上計測と修正加工とによる加工システムでは、加工しながら工作物の形状の計測を行いつつ、その計測結果に基づいて加工量を補正する。そのため、誤差の加工へのフィードバックが容易なこと、工作物の着脱に伴う誤差が生じないことなどから、高精度の加工を実現している。 In a machine tool, one of the systems for realizing improvement in machining accuracy is a machining system using on-machine measurement and correction machining. On-machine measurement refers to measuring the dimensions and shape of a workpiece on a processing machine. In a machining system based on on-machine measurement and correction machining, while measuring the shape of a workpiece while machining, the machining amount is corrected based on the measurement result. For this reason, high-precision machining is realized because feedback to error machining is easy, and no error occurs when a workpiece is attached or detached.
機上計測の手法としては、形状測定手法が知られており、その手法の一つとして、測定部表面に当てた光スポット面内の平均変位を求めることで、対象の形状を測定するものが知られている。従来、こうした光触針による形状計測に係る技術としては、例えば特許文献1及び2に記載のものが提案されている。
As an on-machine measurement method, a shape measurement method is known, and one of the methods is to measure the shape of the target by obtaining the average displacement in the light spot surface applied to the surface of the measurement part. Are known. Conventionally, as a technique related to shape measurement using such an optical stylus, for example, those described in
ところで、こうした機上計測には、温度、振動、電気ノイズ、加工液などの様々な外乱が影響を及ぼし、特に計測装置、工作物間の相対的な振動が測定誤差を引き起こす要因となっている。すなわち、機上計測による測定部表面の形状の計測結果には、振動の影響が重畳されてしまう。そのため、測定部の表面形状の高精度の計測を行うには、形状の測定結果から振動成分を除去する必要がある。しかしながら、従来の機上装置による形状計測手法では、振動成分を正確に求めることはできず、よってその測定精度は自ずと限定されたものとなっていた。 By the way, various disturbances such as temperature, vibration, electrical noise, and machining fluid have an effect on such on-machine measurement. In particular, relative vibration between the measuring device and workpiece causes measurement errors. . That is, the influence of vibration is superimposed on the measurement result of the shape of the surface of the measurement unit by on-machine measurement. Therefore, in order to perform highly accurate measurement of the surface shape of the measurement unit, it is necessary to remove the vibration component from the shape measurement result. However, in the conventional shape measurement method using the on-board device, the vibration component cannot be accurately obtained, and thus the measurement accuracy is naturally limited.
一方、複雑な装置で膨大なデータを収集して、これを分析することも理論的には可能であるが、機上測定、とりわけ工作機械毎に外付けされる機上装置による測定では、簡易かつ小型で、低コストの装置と簡易な測定方法が求められる。 On the other hand, it is theoretically possible to collect and analyze a huge amount of data with a complicated device, but it is easy to perform on-machine measurement, especially measurement with an on-machine device attached to each machine tool. A small, low-cost apparatus and a simple measurement method are required.
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な装置でありながら機上でも振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことのできる形状計測方法、形状計測装置、及び工作機械を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and is a shape measurement method and shape capable of performing high-precision shape measurement by suitably removing the influence of vibration on a machine while being a relatively simple device. To provide a measuring device and a machine tool.
上記課題を解決するため、形状計測方法としての請求項1に記載の発明では、測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を結像レンズにて集光するとともに、測定部を相対的に移動させてその集光位置の変化から前記測定部表面の形状を計測する方法であって、前記散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測するとともに、当該散乱光の結像により得られる光スポットの送り方向の受光域を制限して受光してその集光位置の変化を計測し、それら計測した集光位置の変化量の差分から前記測定部表面の形状を求めるようにしたことをその要旨としている。
In order to solve the above problems, in the invention according to
また、請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の形状計測方法において、前記受光域を制限する受光域制限手段として、スリットを用いることを要旨とする。
そして、請求項3に記載の発明では、請求項1又は請求項2に記載の形状計測方法において、前記集光位置の変化を、光位置センサーにより検出することを要旨とする。
The invention according to
The invention according to claim 3 is summarized in that, in the shape measuring method according to
三角測量法による形状計測では、測定部表面に光を当てるとともに、その測定部表面に当たって散乱した光をレンズにて受光部に集光させるようにしている。そして、例えば光位置センサー(PSD・Position Sensitive Detector)などのセンサーでその集光位置の変化を測定することで、測定部表面の形状を計測するようにしている。この光位置センサーは、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサーである。CCD、CMOSなどでも位置センサーとして機能しうるが、光位置センサーは、CCDなどとは異なり非分割型のため、連続した電気信号 (XまたはY座標)が得られ、位置分解能・応答性に優れている。こうした光位置センサーによる形状計測では、測定部表面に当てた光のスポットの重心の変位が、面積の広狭にかかわらず処理や演算なしで求められる。 In shape measurement by the triangulation method, light is applied to the surface of the measurement unit, and light scattered on the surface of the measurement unit is condensed on the light receiving unit by a lens. For example, the shape of the surface of the measurement unit is measured by measuring a change in the light collection position with a sensor such as an optical position sensor (PSD / Position Sensitive Detector). This optical position sensor is a spot light position sensor using the surface resistance of a photodiode. CCD, CMOS, etc. can also function as a position sensor, but unlike a CCD, the optical position sensor is a non-split type, so it can obtain continuous electrical signals (X or Y coordinates), and has excellent position resolution and responsiveness. ing. In the shape measurement by such an optical position sensor, the displacement of the center of gravity of the light spot applied to the surface of the measurement unit is obtained without processing or calculation regardless of the area.
よって、測定部表面に十分に大きい光スポットを当てるようにすれば、測定部の細かい凹凸をキャンセルして、平均的な位置が求められる一方、振動のようなスポット全面に作用する変位の変化は高感度で求めることができる。 Therefore, if a sufficiently large light spot is applied to the surface of the measurement part, the fine irregularities of the measurement part are canceled and the average position is obtained, while the change in displacement acting on the entire spot surface such as vibration is It can be obtained with high sensitivity.
一方、上記のような三角測量法による形状計測では、形状計測装置のZ軸(高さ方向)の変位のスポット光送り方向(Y軸方向)における分解能(ここでは「横分解能」と呼ぶこととする。)は、測定部表面に当てる光スポットの大きさに依存する。精密な形状計測のために、横分解能の高い計測を行うには、測定部表面に対して小さい光スポットを当てる必要がある。すなわち、上記のような三角測量法による形状計測では、測定部表面に当てた光のスポット面内の平均変位が求められることから、光スポットを小さくすれば、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測することが可能となる。 On the other hand, in the shape measurement by the triangulation method as described above, the resolution in the spot light feed direction (Y-axis direction) of the displacement of the Z-axis (height direction) of the shape measuring device (herein referred to as “lateral resolution”). ) Depends on the size of the light spot applied to the surface of the measurement part. In order to perform measurement with high lateral resolution for precise shape measurement, it is necessary to apply a small light spot to the surface of the measurement unit. That is, in the shape measurement by the triangulation method as described above, since the average displacement in the spot surface of the light applied to the surface of the measurement part is obtained, if the light spot is made small, the average displacement in a narrow range and thus fine It becomes possible to measure various shape changes.
ただし、機上計測においては前述のように、その計測結果に、多くの振動成分が重畳されており、形状を正確に求めるには、振動成分を求め、その分を計測結果から除去する必要がある。したがって、精密な形状計測を行うには、小さい光スポットを用いての横分解能の高い計測(以下、Stと記載する)を行うのと同時に、大きい光スポットを用いての横分解能の低い計測(以下、Skと記載する)を行って測定部表面の振動成分を計測し、演算により振動成分の影響を取り除くことが必要となる。 However, in the on-machine measurement, as described above, many vibration components are superimposed on the measurement result, and in order to obtain the shape accurately, it is necessary to obtain the vibration component and remove that amount from the measurement result. is there. Therefore, in order to perform precise shape measurement, measurement with high lateral resolution using a small light spot (hereinafter referred to as St) is performed simultaneously with measurement with low lateral resolution using a large light spot ( Hereinafter, it is necessary to measure the vibration component on the surface of the measurement unit by performing Sk) and remove the influence of the vibration component by calculation.
上記St、Skを同時に行うには、Skのための大きい光スポットを当てた状態で、その光スポットの中央領域の光を取り出して、その取り出した光によりStを行うようにすれば良い。その点、請求項1に記載の発明では、測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測することでSkを行うと同時に、上記散乱光を結像して得られた光スポットを例えばスリットのような受光域制限手段を介して受光してその集光位置の変化を計測することでStを行うようにしている。すなわち、Stでは、散乱光を結像して得られた光スポットの周縁部をスリットのような受光域制限手段にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分を求めることで、振動成分の影響を取り除いて精密な形状計測を行うようにしている。したがって上記計測方法によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
In order to perform St and Sk at the same time, the light in the central region of the light spot may be taken out with the large light spot for Sk being applied, and St may be performed by the extracted light. In that respect, in the invention described in
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項に記載の形状計測方法において、前記測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としたことをその要旨としている。
The invention according to claim 4 is the shape measuring method according to any one of
測定部表面に当てる光スポットのサイズが大きい場合、スポット中の測定部表面の反射率の違いにより、その散乱光を集光して得られる受光部スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向における光スポットのサイズに依存する。したがって、上記のように測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状とすることで、計測誤差の抑制が可能となる。なお、ここで言う楕円形状は、正確な楕円形状を意味するものでなく、送り方向における長さが、送り方向と直交する巾に比べて十分大きいことを意味するものである。 When the size of the light spot that hits the surface of the measurement unit is large, unevenness in brightness occurs in the spot of the light receiving unit that is obtained by collecting the scattered light due to the difference in reflectance of the surface of the measurement unit in the spot, resulting in measurement errors. May occur. On the other hand, the effect of the light skid mainly depends on the size of the light spot in the feeding direction. Therefore, the measurement error can be suppressed by making the light spot applied to the surface of the measurement portion as described above into an elliptical shape having the major axis of the light spot feed direction. The elliptical shape mentioned here does not mean an exact elliptical shape, but means that the length in the feed direction is sufficiently larger than the width orthogonal to the feed direction.
請求項5に記載の発明は、請求項2〜4に記載の形状計測方法において、前記スリットの幅を100μm以下としたことをその要旨としている。
発明者らによる実験の結果によれば、スリットの幅を100μm以下とすることで、良好な形状計測が可能であることが確認されている。
The gist of the invention according to
According to the results of experiments by the inventors, it has been confirmed that favorable shape measurement is possible by setting the width of the slit to 100 μm or less.
上記課題を解決するため、形状計測装置としての請求項6に記載の発明は、測定部表面に光スポットを当てる光照射部と、当該測定部を相対的に移動させる移動手段と、前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第1の結像レンズと、当該第1の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第1のセンサーと、前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第2の結像レンズと、当該第2の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第2のセンサーと、
前記第1のセンサーで検出した集光位置の変化量と前記第2のセンサーで検出した集光位置の変化量との差分から前記測定部表面の形状を求める形状算出手段とを備え、前記第2のセンサーの受光域は、前記第1のセンサーの受光域と比べて、光スポットの送り方向において制限されていることをその要旨としている。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
Shape calculating means for obtaining the shape of the surface of the measurement unit from the difference between the amount of change in the condensing position detected by the first sensor and the amount of change in the condensing position detected by the second sensor ; The gist thereof is that the light receiving area of the second sensor is limited in the light spot feeding direction as compared with the light receiving area of the first sensor.
また、請求項7の発明は、請求項6に記載の形状計測装置において、前記第2のセンサーは、当該第2のセンサーの直前に配設された受光域制限手段であるスリットにより受光域が制限されたことを要旨としている。
The invention according to
そして、請求項8に記載の発明では、請求項6又は7に記載の形状計測装置において、前記集光位置の変化を検出する第1のセンサー及び第2のセンサーを、光位置センサーにより構成したことを要旨とする。
And in invention of Claim 8, in the shape measuring apparatus of
上記構成では、測定部表面に当てられた光スポットの散乱光を第1の結像レンズにて結像し、その結像した光を第1のセンサーに直接受光させることで、横分解能の低い計測(Sk)が行われる。またこれと同時に、上記散乱光を第2の結像レンズにより結像し、その結像した光を受光域制限手段を介して第2のセンサーに受光させることで、横分解能の高い計測(St)が行われる。特に、好ましくは受光域制限手段がスリットにより構成されたものが用いられる。また、このセンサーは、好ましくは光位置センサーが用いられる、すなわち、Stでは、第2のセンサーの受光部に照射される光スポットの周縁部を受光域制限手段にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。こうして2つのセンサーの計測した集光位置の変化量の差分を求めれば、振動成分の影響を取り除いた精密な形状計測を行うことができる。したがって上記計測装置によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。 In the above configuration, the scattered light of the light spot applied to the measurement unit surface is imaged by the first imaging lens, and the imaged light is directly received by the first sensor, so that the lateral resolution is low. Measurement (Sk) is performed. At the same time, the scattered light is imaged by the second imaging lens, and the imaged light is received by the second sensor via the light receiving area limiting means, so that measurement with high lateral resolution (St ) Is performed. In particular, it is preferable that the light receiving area limiting means is constituted by a slit. In addition, an optical position sensor is preferably used for this sensor. That is, in St, the peripheral portion of the light spot irradiated to the light receiving portion of the second sensor is masked by the light receiving area limiting means, and the center of the light spot is thus obtained. By taking out only the light in the region, the average displacement in a narrow range and, in turn, the minute shape change is measured. If the difference between the changes in the condensing position measured by the two sensors is obtained in this way, precise shape measurement can be performed without the influence of the vibration component. Therefore, according to the measurement apparatus, it is possible to appropriately remove the influence of vibration and perform highly accurate shape measurement.
請求項9に記載の発明は、請求項6〜8のいずれか1項に記載の形状計測装置において、前記第1の結像レンズ及び前記第1のセンサーと、前記第2の結像レンズ及び前記第2のセンサーとは、前記光照射部により前記測定部表面に照射される光の光軸に対して対称に配設されてなることをその要旨としている。
The invention according to
Sk、Stの同時計測を良好に行うには、測定部表面の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくする必要がある。その点、上記の如く第1の結像レンズ及び第1のセンサーと、第2の結像レンズ及び第2のセンサーとを対称に配設すれば、測定部表面の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくすることができるようになる。 In order to perform simultaneous measurement of Sk and St satisfactorily, it is necessary to make the output change of the optical position sensor equal to the displacement of the surface of the measurement unit. In that respect, if the first imaging lens and the first sensor, and the second imaging lens and the second sensor are arranged symmetrically as described above, the output of the optical position sensor with respect to the displacement of the surface of the measurement unit. The changes can be made equal.
請求項10に記載の発明では、請求項6〜8のいずれか1項に記載の形状計測装置において、前記第1の結像レンズ及び前記第2の結像レンズは、前記光照射部により前記測定部表面に照射される光の光軸に対して傾けて配設されたレンズを共用し、前記第1のセンサーと前記第2のセンサーとは、共用する前記レンズを通過したあとに分離された光軸により、それぞれ異なった受光域で測定することを要旨とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the shape measurement apparatus according to any one of the sixth to eighth aspects, the first imaging lens and the second imaging lens are formed by the light irradiation unit. The lens arranged inclined with respect to the optical axis of the light irradiated on the surface of the measurement unit is shared, and the first sensor and the second sensor are separated after passing through the shared lens. The gist is to perform measurement in different light receiving areas with different optical axes.
第1の結像レンズ、第2の結像レンズを共用することで、各センサーへの照度は落ちるものの、同一条件で測定できるともに、その構成をコンパクトとすることができる。
請求項11に記載の発明では、請求項6〜10のいずれか1項に記載の形状計測装置において、結像レンズが二重焦点レンズにより構成されたことを要旨とする。
By sharing the first imaging lens and the second imaging lens, although the illuminance to each sensor is lowered, it can be measured under the same conditions and the configuration can be made compact.
The invention according to
結像レンズに、二重焦点レンズを用いることで、光スポットのうち測定したい領域のみを焦点を結び、それ以外の領域をアウトフォーカスとして測定への影響を小さくするようにでき、スリットによらなくても受光域制限手段とすることができる。特に、シリンドリカルレンズで、光スポットの送り方向のみの受光域を制限することも好ましい。また、フレネルレンズによれば、レンズ厚みを薄くし、質量を小さくすることができる。 By using a bifocal lens as the imaging lens, it is possible to focus only the area to be measured in the light spot and to reduce the influence on the measurement by using the other area as an out-focus. However, the light receiving area limiting means can be used. In particular, it is also preferable to limit the light receiving area only in the light spot feeding direction with a cylindrical lens. Moreover, according to the Fresnel lens, the lens thickness can be reduced and the mass can be reduced.
なお、本願で言う「結像レンズ」とは、本発明の趣旨より、ホログラムレンズや、回折レンズなども含むものである。
請求項12に記載の発明では、請求項6〜11のいずれか1項に記載の形状計測装置において、前記測定部表面に当てる光スポットの径を変更するスポット径変更手段を備えたことを要旨とする。
The “imaging lens” referred to in the present application includes a hologram lens, a diffraction lens, and the like for the purpose of the present invention.
The invention according to
この発明では、測定対象や測定精度により、光スポットの径を調節することができる。また、測定対象の光反射率により照度の調整をすることもできる。なお、光スポットの径を調節するのは、実施形態のようなズームレンズを含む凸レンズの焦点調整に限定されるものでなく、ビームエキスパンダや絞り、スリットなどを用いてもよい。 In this invention, the diameter of the light spot can be adjusted according to the measurement object and the measurement accuracy. The illuminance can also be adjusted by the light reflectance of the measurement object. The adjustment of the diameter of the light spot is not limited to the focus adjustment of the convex lens including the zoom lens as in the embodiment, and a beam expander, a diaphragm, a slit, or the like may be used.
請求項13に記載の発明では、請求項6〜12のいずれか1項に記載の形状計測装置において、前記測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としたことをその要旨としている。
In invention of
測定部表面に当てる光スポットのサイズが大きい場合、スポット中の測定部表面の反射率の違いにより、その散乱光を集光して得られる受光部スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向における光スポットのサイズに依存する。したがって、上記のように測定部表面に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状とすることで、計測誤差の抑制が可能となる。 When the size of the light spot that hits the surface of the measurement unit is large, unevenness in brightness occurs in the spot of the light receiving unit that is obtained by collecting the scattered light due to the difference in reflectance of the surface of the measurement unit in the spot, resulting in measurement errors. May occur. On the other hand, the effect of the light skid mainly depends on the size of the light spot in the feeding direction. Therefore, the measurement error can be suppressed by making the light spot applied to the surface of the measurement portion as described above into an elliptical shape having the major axis of the light spot feed direction.
請求項14に記載の発明は、請求項6〜13のいずれか1項に記載の形状計測装置において、前記スリットの幅を100μm以下としたことをその要旨としている。
発明者らによる実験の結果によれば、スリットの幅を100μm以下とすることで、良好な形状計測が可能であることが確認されている。
The gist of the invention described in
According to the results of experiments by the inventors, it has been confirmed that favorable shape measurement is possible by setting the width of the slit to 100 μm or less.
請求項15に記載の発明は、請求項6〜14のいずれか1項に記載の形状計測装置において、当該形状計測装置は、工作機械上に設置された機上計測装置として構成されてなることをその要旨としている。
The invention described in
このように本願発明の形状計測装置は、比較的簡易な装置でありながら測定部表面の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるため、工作機械上に設置される機上計測装置として好適に実現することができる。この場合、工作機械の振動の影響を受けないため、より高精度の形状計測が可能となる。 As described above, the shape measuring device of the present invention is a relatively simple device, which can suitably remove the influence of vibration on the surface of the measurement unit and perform highly accurate shape measurement, and is therefore installed on a machine tool. It can be suitably realized as an on-machine measuring device. In this case, since it is not affected by the vibration of the machine tool, it is possible to measure the shape with higher accuracy.
請求項16に記載の発明は、請求項6〜15のいずれか1項に記載の形状計測装置を備えたことを特徴とする工作機械を要旨とする。
ここでいう工作機械とは、寸法精度が要求される工作機械、即ち、マシニングセンター、旋盤、フライス盤、研削盤、プレス盤、レーザー加工機等広範な工作機械に適用できる。また、これら工作機械は、本発明の機上計測装置と、周知の修正加工をするための制御手段とを有する加工システムを備える。この工作機械では、請求項6〜15のいずれか1項に記載の形状計測装置を備えることにより振動の影響を抑えた計測ができるため、修正加工をするための制御手段により高精度の加工が実現できる。
The gist of a sixteenth aspect of the present invention is a machine tool including the shape measuring device according to any one of the sixth to fifteenth aspects.
The machine tool here can be applied to a wide range of machine tools such as a machining center, a lathe, a milling machine, a grinding machine, a press machine, and a laser processing machine that require dimensional accuracy. Moreover, these machine tools are provided with the processing system which has the on-machine measuring device of this invention, and the control means for performing a known correction process. In this machine tool, since it is possible to perform measurement while suppressing the influence of vibration by providing the shape measuring device according to any one of
本発明の形状計測方法及び形状計測装置、工作機械によれば、比較的簡易な装置でありながら測定部表面の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。 According to the shape measuring method, the shape measuring device, and the machine tool of the present invention, it is possible to appropriately remove the influence of the vibration on the surface of the measurement portion and perform highly accurate shape measurement while being a relatively simple device. Become.
(第1の実施の形態)
以下、本発明の形状計測方法及び形状計測装置を具体化した実施の形態を、図1〜5、9〜12を参照して詳細に説明する。なお本実施形態の形状計測装置は、工作機械上に設置された機上計測装置として構成されている。
(First embodiment)
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments embodying a shape measuring method and a shape measuring apparatus according to the present invention will be described in detail below with reference to FIGS. In addition, the shape measuring device of this embodiment is comprised as an on-machine measuring device installed on the machine tool.
図1は、本実施形態の形状計測装置の光学系のレイアウトを示めす斜視図、図2は光スポットの送り方向であるY軸方向から見た正面図である。
図2に示すように、この形状計測装置には、2つのレーザーポインター、すなわち長径4mm、短径1mm楕円ビームを出力する楕円ビームレーザーポインター1と、直径1.1mmの円ビームを出力する円ビームレーザーポインター3とを備えている。楕円ビームレーザーポインター1の出力したレーザー光は、90°プリズム2により直角に屈折された後、偏光ビームスプリッタープリズム(以下、PBSプリズム4と記載する)を透過し、ズームレンズ5、6にて集光されてから測定部表面7に光軸AX0がZ軸沿ってXY平面に対して垂直になるように照射されるようになっている。また円ビームレーザーポインター3の出力したレーザー光は、PBSプリズム4にて直角に屈折された後、ズームレンズ5、6にて集光されてから測定部表面7に光軸AX0と同軸に垂直に照射されるようになっている。なお本実施形態では、これら楕円ビームレーザーポインター1、円ビームレーザーポインター3、90°プリズム2、PBSプリズム4、ズームレンズ5、6により、測定部表面7に光スポットを当てる光照射部が構成されている。
FIG. 1 is a perspective view showing the layout of the optical system of the shape measuring apparatus of this embodiment, and FIG. 2 is a front view seen from the Y-axis direction that is the light spot feeding direction.
As shown in FIG. 2, this shape measuring apparatus includes two laser pointers, that is, an elliptical
この光照射部は、ズームレンズ5、6により、測定部表面7の光スポットの径を変更することができ、スポット径変更手段として機能させることもできる。
また、図9に示すように、測定対象を光スポットに対して、一定の送り方向・一定速度で順次スキャンする周知の送り装置である移動手段としての自動ステージ14を備えて、測定部表面7に対して光スポットが相対移動可能となっている。もちろん測定対象を固定したまま、光照射部を移動してスキャンするようにしてもよい。
This light irradiation part can change the diameter of the light spot on the
Further, as shown in FIG. 9, the measuring
図1、2に示すように、またズームレンズ5、6の図中左右には、測定部表面7の測定ポイントP0に当り散乱した光を受光する受光部がそれぞれ設けられている。
図中左方に位置する第1の受光部には、測定部表面7の測定ポイントP0に当って散乱した光を結像させる第1の結像レンズ8と、その第1の結像レンズ8にて結像された光を受光する第1の光位置センサー9とが設けられている。またズームレンズ5、6の図中右方に位置する第2の受光部には、測定部表面7の測定ポイントP0に当って散乱した光を結像させる第2の結像レンズ10と、その第2の結像レンズ10にて結像された光を受光する第2の光位置センサー12と、その第2の光位置センサー12の直前に配設されたスリット11が設けられている。これらの受光部の要素は、図1に2つの同心円で示すようにY軸と直交する同一のXY平面上に配置される。
As shown in FIGS. 1 and 2, the left and right sides of the
In the first light receiving unit located on the left side in the figure, a first imaging lens 8 that forms an image of light scattered upon the measurement point P 0 on the
また、図1、図2に示すように本実施形態では、第1の結像レンズ8と第1の光位置センサー9、及び第2の結像レンズ10と第2の光位置センサー12とは、それぞれシャインプルーク条件を満すように、それぞれの延長面がZ軸上の1点で交わる位置関係で設置されている。従って、測定部表面7の測定ポイントP0が、上にずれて測定ポイントPHとなったときや、下にずれて測定ポイントPLとなったときでも、第1の結像レンズ8により第1の光位置センサー9に、及び第2の結像レンズ10により第2の光位置センサー12上に、それぞれピンとがぼけることなく結像することができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the present embodiment, the first imaging lens 8 and the first
また第1の結像レンズ8及び第1の光位置センサー9と、第2の結像レンズ10及び第2の光位置センサー12とは、楕円ビームレーザーポインター1及び円ビームレーザーポインター3により測定部表面7に照射される光の光軸AX0に対してXZ平面上で同じ角度θ=35°傾いた光軸AX1、AX2に沿って、線対称に配設されている。そしてこれにより、測定部表面7の変位に対する第1、2の光位置センサー9,12の出力変化を等しくするようにしている。
The first imaging lens 8 and the first
ちなみに、三角測量法では、原理的に、傾斜面、段差の測定において、光軸AX0のなすXZ平面と形状計測装置の送り方向Yとが直交することが望ましい。そこで本実施形態では、形状計測装置の送り方向が光軸AX0のなすXZ平面に対して直交するY方向となるように設計されている。
Incidentally, in the triangulation method, in principle, it is desirable that the XZ plane formed by the
また、測定部表面7に当てられる光スポットのサイズが大きい場合、測定部スポット中の反射率の違いにより、受光面スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向のスポットのサイズに依存する。そこで本実施形態では、送り方向が長軸となる楕円形のスポットを使用することで、計測誤差を抑制するようにしている。
In addition, when the size of the light spot applied to the
こうした形状測定装置の各諸元は、次の通りとされている。なお、図2に示すレンズ位置Lは、測定部表面7の光スポットから第1及び第2の結像レンズ8、10までの距離を指している。また光軸角度θは、測定部表面7に照射される光の光軸と両受光部の光軸とがなす角度を指している。
・ズームレンズ5、6の倍率: 0.1
・レンズ位置L: 36mm
・光軸角度θ: 35°
・結像レンズ8、10の焦点距離: 18mm
また本実施形態の形状計測装置では、測定範囲を10mmとし、第1の光位置センサー9、及び第2の光位置センサー12として、浜松ホトニクス株式会社製のS3932(受光面サイズ1×12mm)を採用している。更に第1の光位置センサー9及び第2の光位置センサー12の受光面に結像させるスポットのサイズは、測定部表面7における光スポットのサイズのほぼ1倍とするようにしている。
The specifications of such a shape measuring apparatus are as follows. The lens position L shown in FIG. 2 indicates the distance from the light spot on the
-Magnification of
・ Lens position L: 36mm
-Optical axis angle θ: 35 °
-Focal length of imaging lenses 8 and 10: 18 mm
In the shape measuring apparatus of this embodiment, the measurement range is 10 mm, and S3932 (light receiving
ここで、本発明の三角測量法についてその原理を説明する。図1、図2に示すように、測定部表面7が測定ポイントP0にあるときは、第1の光位置センサー9及び第2の光位置センサー12の受光面においてP´0において結像する。そして、測定部表面7が送り方向(Y方向)に相対移動して、その高さが上方に変位して測定ポイントPHにきたときには、第1、2の光位置センサー9,12の受光面においてP´Hにおいて結像する。同様に、測定部表面7が送り方向(Y方向)に相対移動して、その高さが下方に変位して測定ポイントPLにきたときには、第1の光位置センサー9及び第2の光位置センサー12の受光面においてP´Lにおいて結像する。この場合、測定部表面7と第2の結像レンズ10との距離Lは変化するが、シャインプルーク条件を満たしていることから、焦点調節することなく第2の光位置センサー12の受光面に合焦する。第1の結像レンズ8と第1の光位置センサー9の関係も同様である。第1の光位置センサー9及び第2の光位置センサー12はこの受光面における変化を制御部(不図示)に出力して制御部では、この第1、2の光位置センサー9,12の出力と測定部表面7の送り速度とから測定部表面7の形状をそれぞれ演算する。
Here, the principle of the triangulation method of the present invention will be described. As shown in FIGS. 1 and 2, when the measuring
本実施形態では、測定部表面7の測定ポイントP0に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測する第1の受光部と、上記散乱光を第結像して得られた光スポットをスリット11を介して受光してその集光位置の変化を計測する第2の受光部とが設けられている。こうした本実施形態の形状計測装置では、スリット11の無い第1の光位置センサー9には、図3(a)に示すように、光スポットの全体が受光される。これに対して直前にスリット11の設けられた第2の光位置センサー12には、スリット11により光スポットの図中上下の部分がマスクされるため、同光スポットのXZ平面に沿った中央領域のみが受光されるようになる。ちなみに、図1、図3(b)では模式的に第2の光位置センサー12の受光面とスリット11を離間して示しているが、光スポットの中央領域のみを取り出すには、図2に示すように第2の光位置センサー12の受光面に十分に近い位置にスリット11を設置する必要がある。
In the present embodiment, a first light spot that directly receives a light spot obtained by forming an image of the scattered light of the light spot applied to the measurement point P 0 on the
そして、図3(c)に示すように、例えば、測定部表面が局部的に凸部となっている場合、第1の光位置センサーで受光部に結像した形状は、図にしめすような「くの字」形状となる。このとき、第1の光位置センサー9と第2の光位置センサー12では、異なる位置として検出される。つまり、送り方向前後の高さと平均された第1の光位置センサーで検出された位置と比較して、横分解能の高い第2の光位置センサーで検出された位置P´Xの方が高い位置として認識される。
Then, as shown in FIG. 3C, for example, when the surface of the measurement unit is locally convex, the shape imaged on the light receiving unit by the first optical position sensor is as shown in the figure. It becomes a “Kugi” shape. At this time, the first
このように本実施形態では、第1の受光部においては、測定部表面7の測定ポイントP0に当てられた光スポット(測定部スポット)の散乱光を結像して得られた光スポット(受光部スポット)の受光ポイントP´0のX方向の移動を直接受光してその集光位置の変化を計測する。これをもって、横分解能(光スポットの送り方向であるY軸方向の分解能)の低い計測(Sk)を行うようにしている。またこれと同時に、上記散乱光を結像して得られた受光部スポットをスリット11を介してY方向の受光域が制限された散乱光を受光してその受光ポイントP´0のX方向の位置の変化を計測する。これをもって横分解能の高い計測(St)を行うようにしている。すなわち、Stでは、散乱光を結像して得られた受光部スポットの周縁部をスリット11にてマスクして受光部スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、光スポット送り方向(Y軸方向)での狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分を求めることで、振動成分の影響を取り除いて精密な形状計測を行うようにしている。
As described above, in the present embodiment, in the first light receiving unit, the light spot (image spot obtained by imaging the scattered light of the light spot (measurement unit spot) applied to the measurement point P 0 on the measurement unit surface 7). by receiving the movement in the X direction of the light receiving point P'0 of the light-receiving portion spot) directly measures the change in the condensing position. With this, measurement (Sk) with low lateral resolution (resolution in the Y-axis direction which is the light spot feed direction) is performed. At the same time, the spot of the light receiving portion obtained by imaging the scattered light is received through the
つまり、こうした形状計測装置では、振動成分の検出に係るSkの光スポットの送り方向であるY軸方向の横分解能が測定部スポットのサイズに依存するのに対して、Stの横分解能は、スリット11の幅に依存することとなる。
That is, in such a shape measuring apparatus, the lateral resolution in the Y-axis direction, which is the sending direction of the Sk light spot related to vibration component detection, depends on the size of the measurement spot, whereas the lateral resolution of
(実験例1)
スリット11の設置による横分解能の向上効果を確認するため、V字溝形状の測定部表面7に対し、スリット幅を変化させて形状計測を行った。実験条件は、スリット無し、スリット幅50μm及びスリット幅100μmの3つである。こうした実験の結果を図4に示す。また図5には、比較のため、実際の溝形状と、計算にて求めたその移動平均形状とを示している。
(Experimental example 1)
In order to confirm the effect of improving the lateral resolution due to the installation of the
深さ0.2mmのV字溝に対して、Skに用いられるスリットの無い場合の出力振幅は、約0.08mmとなり、平滑化効果が確認された。この値は、400μmの範囲で移動平均を行った計算結果とほぼ一致する。また、50μm幅及び100μm幅のスリット11を設置した場合の出力振幅はそれぞれ、約0.14mm、約0.13mmとなり、スリット11が無い場合に比して横分解能が向上し、またスリット幅が狭いほど、その効果が高いことが確認された。
For a V-shaped groove having a depth of 0.2 mm, the output amplitude without the slit used for Sk was about 0.08 mm, and a smoothing effect was confirmed. This value almost coincides with the calculation result obtained by moving average in the range of 400 μm. In addition, the output amplitude when the
また測定結果と計算結果とを比較すると、測定結果の方が平滑化されている。この原因は、測定時の光量が溝凹部ほど強くなっており、測定部表面7での散乱光が他の面で更に散乱して受光部に向った結果、測定結果が平滑化されたものと考えられる。
Further, when the measurement result and the calculation result are compared, the measurement result is smoothed. The reason for this is that the amount of light at the time of measurement is stronger in the groove recess, and the scattered light on the
(実験例2)
次に、本実施形態の形状計測方法、形状計測装置により、振動の影響を除去した形状の計測が実際に可能であるかを評価するための実験を行った。この実験は、図9に示されるような実験装置を用いて行っている。同図に示すように、この実験装置では、本実施形態の形状計測装置13が図中左方に設置されている。この実験装置では、形状計測装置13の図中右方に被測定物16が設置されている。この被測定物16には、前述の実験に用いたものと同じV字溝を有したものを使用している。なお被測定物16は、PZTアクチュエーター15により振動が加えられ、自動ステージ14により、図中前後方向に送り動作が与えられるようになっている。この実験装置の図中右方には、検証のために被測定物16の実際の振動を検出するための変位センサー17が設置されている。
(Experimental example 2)
Next, an experiment for evaluating whether or not the shape measurement method and the shape measurement device of the present embodiment can actually measure the shape from which the influence of vibration is removed was performed. This experiment is performed using an experimental apparatus as shown in FIG. As shown in the figure, in this experimental apparatus, the
実験条件は、次の通りである。
・送り率: 1mm/sec
・振動振幅: 16μm
・振動周波数: 10,20,30,40Hz
・スリット幅: 50μm
図10に、無振動時のSt、Sk及びその差分(St−Sk)の計測結果を示す。また図11に、振動周波数が40μmのときのSt、Sk及びその差分(St−Sk)の計測結果を示す。振動時の計測結果には、無振動時に対して、振動による出力の変化を確認することができる。Stの出力は、ノイズと振動との判別が困難であるが、Skの出力は、振動の影響を比較的容易に判別可能となっている。StとSkとの差分(St−Sk)の演算結果は、ノイズの影響が現れているものの、無振動時、振動時における出力はほぼ一致している。すなわち、振動の影響が好適に除去されている。
The experimental conditions are as follows.
・ Feed rate: 1mm / sec
・ Vibration amplitude: 16μm
・ Vibration frequency: 10, 20, 30, 40Hz
・ Slit width: 50μm
FIG. 10 shows the measurement results of St and Sk and no difference (St−Sk) when there is no vibration. FIG. 11 shows the measurement results of St and Sk and the difference (St−Sk) when the vibration frequency is 40 μm. In the measurement result at the time of vibration, a change in output due to vibration can be confirmed as compared with the case of no vibration. The St output is difficult to distinguish between noise and vibration, but the Sk output makes it possible to determine the influence of vibration relatively easily. In the calculation result of the difference between St and Sk (St-Sk), although the influence of noise appears, the outputs at the time of no vibration and at the time of vibration are almost the same. That is, the influence of vibration is suitably removed.
この誤差量を評価するため、無振動時の差分(St−Sk)から各振動実験の差分(St−Sk)を減算した誤差量のrms(誤差量の平均二乗偏差)値とP−V(形状誤差)値とを求めた結果を、図12に示す。なお、ここでは、ノイズの影響を確認するため、無振動時の計測を2回行い、ノイズによる繰返し誤差量を同様に算出している。いずれの実験においても、誤差量は繰返し誤差量を下回っているため、StとSkとの同時計測が行われていると言える。 In order to evaluate this error amount, the rms (error mean square deviation) value of the error amount obtained by subtracting the difference (St-Sk) of each vibration experiment from the difference (St-Sk) when there is no vibration, and PV ( FIG. 12 shows the result of obtaining the (shape error) value. Here, in order to confirm the influence of noise, the measurement at the time of no vibration is performed twice, and the amount of repetition error due to noise is calculated in the same manner. In any experiment, since the error amount is less than the repeated error amount, it can be said that St and Sk are simultaneously measured.
上記実施形態の形状計測方法及び形状計測装置によれば、次の効果を奏することができる。
(1)本実施形態の形状計測方法では、測定部表面7に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測するようにしている。またこれと同時に、上記散乱光を結像して得られた光スポットをスリット11を介して受光してその集光位置の変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分から測定部表面7の形状を求めるようにしている。こうした本実施形態では、測定部表面7に当てられた光スポットの散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測することでSkを行うと同時に、上記散乱光を結像して得られた光スポットをスリット11を介して受光してその集光位置の変化を計測することでStを行うようにしている。すなわち、Stでは、散乱光を結像して得られた光スポットの周縁部をスリット11にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。そしてそれら計測した集光位置の変化量の差分を求めることで、振動成分の影響を取り除いて精密な形状計測を行うようにしている。したがって本実施形態の形状計測方法によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
According to the shape measuring method and the shape measuring apparatus of the above embodiment, the following effects can be achieved.
(1) In the shape measurement method of the present embodiment, the light spot obtained by imaging the scattered light of the light spot applied to the
(2)本実施形態の形状計測装置では、測定部表面7に光スポットを当てる光照射部と、測定部表面7に当たって散乱した光を結像する第1の結像レンズ8と、その第1の結像レンズ8にて結像された光の集光位置の変化を検出する第1の光位置センサー9とを備えるようにしている。また本実施形態の形状計測装置では、これに加え、測定部表面7に当たって散乱した光を結像する第2の結像レンズ10と、その第2の結像レンズ10にて結像された光の集光位置の変化を検出する第2の光位置センサー12と、その第2の光位置センサー12の直前に配設されたスリット11と、を備えている。こうした本実施形態の形状計測装置では、測定部表面7に当てられた光スポットの散乱光を第1の結像レンズ8にて結像し、その結像した光を第1の光位置センサー9に直接受光させることで、横分解能の低い計測(Sk)が行われる。またこれと同時に、上記散乱光を第2の結像レンズ10により結像し、その結像した光を、スリット11を介して第2の光位置センサー12に受光させることで、横分解能の高い計測(St)が行われる。すなわち、Stでは、第2の光位置センサー12の受光部に照射される光スポットの周縁部をスリット11にてマスクして光スポットの中央領域の光のみを取り出すことで、狭い範囲の平均変位を、ひいては微細な形状変化を計測するようにしている。こうして2つの光位置センサーの計測した集光位置の変化量の差分を求めれば、振動成分の影響を取り除いた精密な形状計測を行うことができる。したがって本実施形態の形状計測装置によれば、振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。
(2) In the shape measuring apparatus of the present embodiment, a light irradiating unit that applies a light spot to the measuring
(3)第1の実施形態の形状計測装置では、第1の結像レンズ8及び第1の光位置センサー9と、第2の結像レンズ10及び第2の光位置センサー12とは、光照射部により測定部表面7に照射される光の光軸に対して対称に配設されている。Sk、Stの同時計測を良好に行うには、測定部表面7の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくする必要がある。その点、上記の如く第1の結像レンズ8及び第1の光位置センサー9と、第2の結像レンズ10及び第2の光位置センサー12とを対称に配設すれば、測定部表面7の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくすることができるようになる。
(3) In the shape measuring apparatus according to the first embodiment, the first imaging lens 8 and the first
(4)本実施形態では、測定部表面7に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としている。測定部表面7に当てる光スポットのサイズが大きい場合、スポット中の測定部表面7の反射率の違いにより、その散乱光を集光して得られる受光部スポット中に輝度のむらが生じてしまい、計測誤差が発生する虞がある。一方、光スキッドの効果は、主として送り方向における光スポットのサイズに依存する。したがって、上記のように測定部表面7に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状とすることで、計測誤差の抑制が可能となる。
(4) In the present embodiment, the light spot applied to the
(5)本実施形態では、スリット11の幅を100μm以下としている。発明者らによる実験の結果によるように、スリット11の幅を100μm以下とすることで、良好な形状計測が可能となる。
(5) In the present embodiment, the width of the
(第2の実施の形態)
次に、本発明の形状計測方法及び形状計測装置を具体化した他の実施の形態を、図6〜図7を参照して詳細に説明する。なお、第1の実施形態と異なる構成のみを説明し、共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
(Second Embodiment)
Next, another embodiment in which the shape measuring method and the shape measuring apparatus of the present invention are embodied will be described in detail with reference to FIGS. Note that only the configuration different from that of the first embodiment will be described, and the same configuration is denoted by the same reference numeral and description thereof is omitted.
第1の実施形態では、実験装置をベースとしているため、条件の変更が容易にできるような構成となっていたが、本実施形態においては、構成が簡易かつコンパクトになっている。 Since the first embodiment is based on an experimental apparatus, the configuration can be easily changed. However, in the present embodiment, the configuration is simple and compact.
まず、図6に示すように、この形状計測装置には、長径4mm、短径1mm楕円ビームを出力する単一の楕円ビームレーザーポインター1を備えている。
楕円ビームレーザーポインター1は、測定部表面7に対して出力したレーザー光の光軸が垂直になるように配置されている。このレーザー光は、プリズム2、4無しで直接、ズームレンズ5に替えた単焦点のレンズ5にて集光されてから測定部表面7に光軸AX0がZ軸沿ってXY平面に対して垂直になるように照射されるようになっている。
First, as shown in FIG. 6, the shape measuring apparatus includes a single elliptical
The elliptical
本実施形態では、これら楕円ビームレーザーポインター1、レンズ5により、測定部表面7に光スポットを当てる光照射部が構成されている。
また、図6に示すように、レンズ5の図中右には、測定部表面7の測定ポイントP0に当り散乱した光を受光する受光部が設けられている。
In the present embodiment, the elliptical
As shown in FIG. 6, a light receiving unit that receives light scattered upon the measurement point P 0 on the
P0に あたり散乱した光は、第1の結像レンズ8と第2の結像レンズ10として共用される同一の結像レンズ18を通過する。そして、この光線は、ビームスプリッタ19によりそのまま直進する光路と、90度反射する光路に1/2の光量ずつに等分に分離される。
The light scattered around P 0 passes through the
ビームスプリッタ19で反射され屈曲された光路には、第1の光位置センサー9が設けられている。そして、結像レンズ18にて結像された光は第1の光位置センサー9でそのまま受光され結像される。
A first
一方、ビームスプリッタ19を直進した光線の光路には、第2の光位置センサー12と、その直前に配設されたスリット11が設けられている。したがって、第2の光位置センサー12には、光スポット送り方向(Y軸方向)に受光域が制限された光線が入射する。
On the other hand, a second
このように、第1の光位置センサー9と第2の光位置センサー12とは、共通の光路を用いているため、両者の受光する光線は、光位置センサー12が、スリット11によりY軸方向に受光域が制限されていることを除けば、同一の条件とされている。
As described above, since the first
第2の実施形態では、上記第1の実施形態の効果(1)、(2)、(4)、(5)に加え、以下のような効果がある。
(6)第1の結像レンズと第2の結像レンズを共通のレンズとしたことで、第1の光位置センサー9と第2の光位置センサー12との条件を等しいものとすることができ、より精度が高い測定をすることができる。
The second embodiment has the following effects in addition to the effects (1), (2), (4), and (5) of the first embodiment.
(6) By making the first imaging lens and the second imaging lens a common lens, the conditions of the first
また、レンズを共用することで、構成要素を少なくして、コンパクトな構成で、コストも抑えることができる。
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
In addition, by sharing the lens, it is possible to reduce the number of components, reduce the cost with a compact configuration.
In addition, you may change this embodiment as follows.
・ 上記実施形態では、測定部表面7に当てる光スポットを同光スポットの送り方向が長軸となる楕円形状としていたが、計測誤差を十分に抑制可能であれば、光スポットの形状を円形状、矩形状等の任意の形状に変更しても良い。
In the above embodiment, the light spot applied to the
・ 上記実施形態の形状計測装置の光照射部においては、スポット形状が計測結果に与える影響を確認するため、2つのレーザーポインターを備えるようにしていたが、振動の影響を好適に除去して高精度の形状計測を行うことは、第2の実施形態のようにレーザーポインターが1つだけでも行うことができる。 In the light irradiation unit of the shape measuring apparatus of the above embodiment, the two laser pointers are provided in order to check the influence of the spot shape on the measurement result. Accurate shape measurement can be performed even with only one laser pointer as in the second embodiment.
・ また、簡易なレーザーポインターに替え、もっと出力の大きなレーザー発振器とすることができるのはいうまでもない。
・ 上記実施形態の形状計測装置における各プリズム、集光レンズの数や形状は、適宜に変更しても良い。
・ Needless to say, a simple laser pointer can be used instead of a laser oscillator with higher output.
-The number and shape of each prism and condenser lens in the shape measuring apparatus of the above embodiment may be changed as appropriate.
・ ズームレンズに替えて、単焦点レンズ、二重焦点レンズなどの多焦点レンズとしてもよい。2重焦点レンズには、DVD再生などに用いられる二重焦点ホログラムレンズを好適に用いることができる。 -It is good also as multifocal lenses, such as a single focus lens and a bifocal lens, instead of a zoom lens. As the bifocal lens, a bifocal hologram lens used for DVD reproduction or the like can be suitably used.
・ また、プリズムを反射板としてもよい。
・ また、受光部においては、以下のように変更することができる。
まず、第2のセンサーの受光域を制限する受光域制限手段として、スリットを例示したが、受光域制限手段は発明の趣旨からスリットに限定されるものではない。スリットは簡易な方法であるが、例えば、光位置センサー自体の受光面積を予め制限することで受光域を制限するようなものでもよい。
-The prism may be a reflector.
In addition, the light receiving unit can be changed as follows.
First, although the slit is illustrated as the light receiving area limiting means for limiting the light receiving area of the second sensor, the light receiving area limiting means is not limited to the slit for the purpose of the invention. Although the slit is a simple method, for example, the light receiving area may be limited by limiting the light receiving area of the optical position sensor itself.
・ 例えば、透明な光学素子の一部を遮光することでスリットと同様の構成にしてもよい。
・ 例えば、実施形態のような光位置センサーに替えて、CCDやCMOSによるマトリクスアレー状のセンサーにより集光位置を検出するようなものであっても実施できる。
For example, a configuration similar to that of the slit may be adopted by shielding a part of the transparent optical element.
For example, instead of the optical position sensor as in the embodiment, the present invention can be implemented even if the condensing position is detected by a matrix array sensor using CCD or CMOS.
この場合、図7に示すように、第2の光位置センサー12の直前に設けられるスリット11を省略し、これに替えてCCDやCMOSの個別の素子からの入力範囲を限定することで、受光部の送り方向の受光範囲を限定することができる。そして、受光したデータをコンピュータで周知の方法で画像処理することで、その位置を検出する。
In this case, as shown in FIG. 7, the
・ なお、このようなアレー状のセンサーを用いれば図示は省略するが、第2の実施形態において、ビームスプリッタ19を省略して、受光部を1つのCCDで兼用するような構成も可能である。
In addition, although illustration is abbreviate | omitted if such an array-shaped sensor is used, the structure which abbreviate | omits the
・また、図8に示すように受光域を制限するには、スリットに替えて、非円筒面の二重焦点のシリンドリカルレンズ20を用いることもできる。即ち、このシリンドリカルレンズは、その長手方向を送り方向と直交するように配置し、測定部表面7の送り方向の一部だけを光位置センサー12に合焦させ、それ以外の領域の光は、アウトフォーカスさせることでスリット11と同様の機能を奏する。また、非球面の2重焦点ンレンズを用いてもよい。
As shown in FIG. 8, in order to limit the light receiving area, a non-cylindrical double-
・さらに、逆に、測定部表面7の送り方向の特定の一部だけをアウトフォーカスさせ、第1の光位置センサーの出力から第2の光位置センサーの出力の差から、測定部表面7の送り方向の特定の一部のデータを演算する。そして、さらに、第1の光位置センサーのデータとその測定部表面7の送り方向の特定の一部のデータとの差分から振動成分を除去するような方法であってもよい。
Further, conversely, only a specific part of the feeding direction of the
・形状測定装置の各部の寸法形状は、上記実施形態で示したものに限らず、適宜に変更しても良い。まず、測定部表面に光スポットを当てる光照射部を備える。その散乱光を結像する第1の結像レンズ、集光位置の変化を検出する第1の光位置センサー、散乱光を結像する第2の結像レンズ、集光位置の変化を検出する第2の光位置センサー、及び第2の光位置センサーの直前に配設されたスリットを備える。このような計測装置であれば、測定部の振動の影響を好適に除去し、高精度の形状計測を行うことができるようになる。 -The dimension shape of each part of a shape measuring apparatus is not restricted to what was shown in the said embodiment, You may change suitably. First, the light irradiation part which irradiates a light spot to the measurement part surface is provided. A first imaging lens that forms an image of the scattered light, a first optical position sensor that detects a change in the condensing position, a second imaging lens that forms an image of the scattered light, and a change in the condensing position. A second optical position sensor, and a slit disposed immediately before the second optical position sensor; With such a measuring device, it is possible to suitably remove the influence of vibration of the measuring unit and perform highly accurate shape measurement.
・上記実施形態では、第1の結像レンズ8及び第1の光位置センサー9と、第2の結像レンズ10及び第2の光位置センサー12とは、光照射部により測定部表面7に照射される光の光軸に対して対称に配設するようにしていた。そしてこれにより、両受光部で、測定部表面7の変位に対する光位置センサーの出力変化を等しくするようにしていた。計測精度を確保する上では、両受光部を対称に配置することが望ましいが、レイアウト上、対称配置とすることが困難な場合等には、両受光部を非対称に配置するようにしても良い。
In the above embodiment, the first imaging lens 8 and the first
Y(軸)…横方向、送り方向、Z(軸)…高さ方向、AX0,AX1,AX2…光軸、1…楕円ビームレーザーポインター(光照射部)、2…90°プリズム(光照射部)、3…円ビームレーザーポインター(光照射部)、4…PBSプリズム(光照射部)、5,6…ズームレンズ(光照射部)、7…測定部表面、8…第1の結像レンズ、9…第1の光位置センサー、10…第2の結像レンズ、11…スリット、12…第2の光位置センサー、13…形状計測装置、14…自動ステージ、15…PZTアクチュエーター、16…被測定物、17…変位センサー、18…結像レンズ、19…ビームスプリッタ、20…シリンドリカルレンズ。 Y (axis): lateral direction, feed direction, Z (axis): height direction, A X 0, A X 1, A X 2 ... optical axis, 1 ... elliptical beam laser pointer (light irradiation unit), 2 ... 90 ° Prism (light irradiation part), 3 ... Circular beam laser pointer (light irradiation part), 4 ... PBS prism (light irradiation part), 5, 6 ... Zoom lens (light irradiation part), 7 ... Surface of measurement part, 8 ... DESCRIPTION OF SYMBOLS 1st imaging lens, 9 ... 1st optical position sensor, 10 ... 2nd imaging lens, 11 ... Slit, 12 ... 2nd optical position sensor, 13 ... Shape measuring device, 14 ... Automatic stage, 15 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... PZT actuator, 16 ... Measuring object, 17 ... Displacement sensor, 18 ... Imaging lens, 19 ... Beam splitter, 20 ... Cylindrical lens.
Claims (16)
前記散乱光を結像して得られた光スポットを直接受光してその集光位置の変化を計測するとともに、当該散乱光の結像により得られる光スポットの送り方向の受光域を制限して受光してその集光位置の変化を計測し、
それら計測した集光位置の変化量の差分から前記測定部表面の形状を求めるようにした
ことを特徴とする形状計測方法。 In this method, the scattered light of the light spot applied to the surface of the measurement unit is condensed by the imaging lens, and the shape of the measurement unit surface is measured from the change of the condensing position by relatively moving the measurement unit. There,
The light spot obtained by imaging the scattered light is directly received to measure the change in the condensing position, and the light receiving area in the light spot feeding direction obtained by imaging the scattered light is limited. Receive light and measure the change of the light collection position,
A shape measuring method characterized in that the shape of the surface of the measuring part is obtained from the difference between the measured changes in the condensing position.
ことを特徴とする請求項1に記載の形状計測方法。 The shape measuring method according to claim 1, wherein a slit is used as the light receiving area limiting means for limiting the light receiving area.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の形状計測方法。 The shape measurement method according to claim 1, wherein a change in the light collecting position is detected by an optical position sensor.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の形状計測方法。 The shape measuring method according to any one of claims 1 to 3, wherein the light spot applied to the surface of the measurement part is formed into an elliptical shape in which a feeding direction of the light spot is a major axis.
請求項2〜4のいずれか1項に記載の形状計測方法。 The shape measurement method according to claim 2, wherein a width of the slit is 100 μm or less.
当該測定部を相対的に移動させる移動手段と、
前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第1の結像レンズと、
当該第1の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第1のセンサーと、
前記測定部表面に当たって散乱した光を結像する第2の結像レンズと、
当該第2の結像レンズにて結像された光の集光位置の変化を検出する第2のセンサーと、
前記第1のセンサーで検出した集光位置の変化量と前記第2のセンサーで検出した集光位置の変化量との差分から前記測定部表面の形状を求める形状算出手段とを備え、
前記第2のセンサーの受光域は、前記第1のセンサーの受光域と比べて、光スポットの送り方向において制限されていることを特徴とする形状計測装置。 A light irradiating unit that applies a light spot to the surface of the measuring unit;
Moving means for relatively moving the measurement unit;
A first imaging lens for imaging light scattered upon hitting the measurement unit surface;
A first sensor for detecting a change in a condensing position of light imaged by the first imaging lens;
A second imaging lens that forms an image of light scattered upon striking the measurement unit surface;
A second sensor for detecting a change in a light collecting position of light imaged by the second imaging lens ;
A shape calculating means for obtaining a shape of the measurement unit surface from a difference between a change amount of the light collection position detected by the first sensor and a change amount of the light collection position detected by the second sensor ;
The light receiving area of the second sensor is limited in the light spot feeding direction as compared with the light receiving area of the first sensor.
前記第1のセンサーと前記第2のセンサーとは、共用する前記レンズを通過したあとに分離された光軸により、それぞれ異なった受光域で測定することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項に記載の形状計測装置。 The first imaging lens and the second imaging lens share a lens disposed to be inclined with respect to the optical axis of the light irradiated to the measurement unit surface by the light irradiation unit,
9. The method according to claim 6, wherein the first sensor and the second sensor measure in different light receiving areas by optical axes separated after passing through the shared lens. The shape measuring apparatus according to claim 1.
請求項7〜13のいずれか1項に記載の形状計測装置。 The shape measuring apparatus according to claim 7, wherein a width of the slit is 100 μm or less.
請求項6〜14のいずれか1項に記載の形状計測装置。 The shape measuring device according to any one of claims 6 to 14, wherein the shape measuring device is configured as an on-machine measuring device installed on a machine tool.
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