JP4753657B2 - Surface shape measuring apparatus and surface shape measuring method - Google Patents
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Description
本発明は、測定物表面の輪郭形状を測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関し、特に測定物表面が鏡面である場合に、その輪郭形状を非接触で測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。 The present invention relates to a surface shape measuring device and a surface shape measuring method for measuring a contour shape of a surface of a measurement object, and particularly to a surface shape measuring device and a surface for measuring the contour shape in a non-contact manner when the surface of the measurement object is a mirror surface. The present invention relates to a shape measuring method.
従来から、測定物表面の輪郭形状を測定する方法として、触針を測定物表面に接触させながら沿わせて表面の凹凸によって生じる触針の変位を検出する触針法(例えば、下記特許文献1)と、測定物表面に光ビームを投射してその散乱光を受光素子で受けて測定物表面までの距離を計測する光走査式の形状計測法(例えば、下記特許文献2)が知られている。
Conventionally, as a method of measuring the contour shape of the surface of a measurement object, a stylus method for detecting displacement of the stylus caused by unevenness of the surface while bringing the stylus into contact with the surface of the measurement object (for example,
このうち光走査式の形状計測法では、図1の(A)に示すように、投光部Sから測定物表面MP1に向けてスポット光を投射し、その結果生じる散乱光を受光面Rで受けた最大輝度位置P1を検出する。すると、測定物表面MP1と比べて投光部Sまでの距離が異なる測定面MP2では、散乱光を受光面Rで受けた最大輝度位置P2が、測定物表面MP1のときに検出された位置P1と異なるので、この位置の相違を利用して測定物表面までの距離を計測する。 Among them, in the optical scanning shape measurement method, as shown in FIG. 1A, spot light is projected from the light projecting portion S toward the measurement object surface MP1, and the resulting scattered light is reflected on the light receiving surface R. The received maximum luminance position P1 is detected. Then, on the measurement surface MP2 where the distance to the light projecting part S is different from the measurement object surface MP1, the position P1 detected when the maximum luminance position P2 at which the scattered light is received by the light receiving surface R is the measurement object surface MP1. Therefore, the distance to the surface of the object to be measured is measured using the difference in position.
ところが、測定物として金型のような表面が鏡面仕上げされた物体の表面形状を測定しようとする場合には、上述のような触針法では測定物表面に傷を付けてしまうおそれがあるため、使用することはできないという問題点があった。
また、上述の従来の光走査式の形状計測法によると、測定物表面に投射した光ビームが表面で正反射してしまうために、投光部と測定物表面との間の距離だけでなく、光ビームの入射角度によっても受光面での受光位置が変化するため、測定物表面までの距離を計測することができないという問題点があった。この様子を図1の(B)に示す。
いま、鏡面MP3とMP1は投光部Sから等距離にあり、鏡面MP3は鏡面MP1に比べてやや傾いているものとする。このため測定物表面MP3及びMP1に入射した各スポット光が正反射した反射光は、受光面Rの異なる位置P3及びP1で受光されることになる。このように鏡面の表面形状測定に従来の光走査式の形状測定法を使用すると、測定物表面の未知の傾斜によって受光面上の受光位置が影響を受けるため、測定物表面までの距離を正確に計測することができない。
However, when the surface shape of an object having a mirror-finished surface such as a mold is to be measured as the measurement object, the surface of the measurement object may be damaged by the stylus method as described above. There was a problem that it could not be used.
In addition, according to the above-described conventional optical scanning shape measurement method, the light beam projected on the surface of the measurement object is regularly reflected on the surface, so that not only the distance between the light projecting portion and the surface of the measurement object Further, since the light receiving position on the light receiving surface changes depending on the incident angle of the light beam, there is a problem in that the distance to the surface of the measurement object cannot be measured. This state is shown in FIG.
Now, it is assumed that the mirror surfaces MP3 and MP1 are equidistant from the light projecting unit S, and the mirror surface MP3 is slightly inclined as compared to the mirror surface MP1. For this reason, the reflected light obtained by regular reflection of each spot light incident on the measurement object surfaces MP3 and MP1 is received at different positions P3 and P1 of the light receiving surface R. In this way, if the conventional optical scanning shape measurement method is used to measure the surface shape of the mirror surface, the light receiving position on the light receiving surface is affected by the unknown inclination of the surface of the object to be measured, so the distance to the surface of the object to be measured is accurate. Cannot be measured.
上記の問題点を鑑みて、本発明は、測定物表面が鏡面であってもその輪郭形状を非接触で測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a surface shape measuring device and a surface shape measuring method for measuring the contour shape in a non-contact manner even when the surface of the measurement object is a mirror surface.
上記目的を達成するために本発明では、投光部からのスポット光が、鏡面である測定物表面にて反射した反射光を受光する受光面を、その法線成分を含む方向に駆動し、受光面の法線方向の変位に伴う受光位置の変化に基づいて反射光の光軸位置を決定して、反射光の光軸とスポット光の投光軸との交差位置を測定物表面上の測定点の位置として決定する。 In order to achieve the above object, in the present invention, the spot light from the light projecting unit drives the light receiving surface that receives the reflected light reflected by the surface of the measurement object, which is a mirror surface, in the direction including the normal component, The optical axis position of the reflected light is determined based on the change of the light receiving position accompanying the displacement of the light receiving surface in the normal direction, and the intersection position of the optical axis of the reflected light and the light projecting axis of the spot light is determined on the surface of the measurement object. Determine the position of the measurement point.
すなわち、本発明の第1形態による表面形状測定装置は、鏡面である測定物表面にスポット光を投射する投光部と、測定物表面で反射したスポット光の反射光を受光する受光面を有する受光部と、を有し、測定物表面上の各測定点について、スポット光を投射してその反射光を受光部で受光し、受光面上の受光位置に基づいて該測定点の位置を求めることにより、測定物表面の表面形状を測定する表面形状測定装置であって、受光面をその法線成分を含む方向に駆動する受光面駆動部と、受光面の法線方向の変位に伴う受光位置の変化に基づいて反射光の光軸位置を決定する反射光軸位置決定部と、反射光の光軸とスポット光の投光軸との交差位置を測定点の位置として決定する位置測定部と、を備えて構成される。 That is, the surface shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention has a light projecting unit that projects spot light onto the surface of the measurement object that is a mirror surface, and a light receiving surface that receives reflected light of the spot light reflected from the surface of the measurement object. A light receiving portion, and for each measurement point on the surface of the object to be measured, spot light is projected and the reflected light is received by the light receiving portion, and the position of the measurement point is obtained based on the light receiving position on the light receiving surface. A surface shape measuring device for measuring the surface shape of the surface of the object to be measured, the light receiving surface driving unit for driving the light receiving surface in a direction including the normal component thereof, and light reception accompanying displacement of the light receiving surface in the normal direction A reflected optical axis position determining unit that determines the optical axis position of the reflected light based on a change in position, and a position measuring unit that determines an intersection position between the optical axis of the reflected light and the projection axis of the spot light as the position of the measurement point And comprising.
投光部から投射されたスポット光は、測定物表面の傾斜方向に応じて様々な方向に反射する。表面形状測定装置は、測定点を順次変えていく間に反射光の受光位置が受光面の外へ飛び出してしまわないように、常に投光部及び受光面を測定物表面の傾斜に追従させて、受光位置が受光面の所定の位置(好適には中央)に位置するように制御することが望ましい。受光面上の受光位置の変更は、投光部及び受光部と測定物との相対位置を変える、あるいは投光部によるスポット光の投射方向を変えることにより可能であるが、表面形状測定を行う際には、各測定点すなわちスポット光の各投射位置同士の間隔にバラツキが生じないことが望ましい。 The spot light projected from the light projecting part is reflected in various directions according to the inclination direction of the surface of the measurement object. The surface shape measuring device always keeps the light projecting part and light receiving surface to follow the inclination of the surface of the measured object so that the reflected light receiving position does not jump out of the light receiving surface while changing the measurement point sequentially. It is desirable to control so that the light receiving position is located at a predetermined position (preferably in the center) of the light receiving surface. The light receiving position on the light receiving surface can be changed by changing the relative position between the light projecting unit and the light receiving unit and the measurement object, or by changing the projection direction of the spot light by the light projecting unit. In this case, it is desirable that there is no variation in the intervals between the measurement points, that is, the projection positions of the spot light.
このため、表面形状測定装置は、投光部と受光部とを有する測定ヘッドを測定物に対して相対移動させる測定ヘッド相対位置変更部と、測定ヘッドの向きを変更する測定ヘッド方向変更部と、測定ヘッド相対位置変更部によって測定ヘッドを測定物に対して相対移動させ、かつ測定ヘッド方向変更部によって測定ヘッドの向きを変更することによって、測定物表面上の投射位置を一定に保ったまま受光面上の受光位置を調整する投光軸調整部と、をさらに備えることが好適である。
そして、投光軸調整部は、受光面が受光面駆動部によって所定の位置(例えば全ストロークの中間点)に位置付けられた状態で、受光位置が受光面の所定の基準位置(例えば受光面中心)となるように調整してもよい。
For this reason, the surface shape measuring apparatus includes a measurement head relative position changing unit that moves a measurement head having a light projecting unit and a light receiving unit relative to the measurement object, and a measurement head direction changing unit that changes the orientation of the measurement head. The projection position on the surface of the measurement object is kept constant by moving the measurement head relative to the measurement object by the measurement head relative position changing unit and changing the direction of the measurement head by the measurement head direction changing unit. It is preferable to further include a light projection axis adjusting unit that adjusts the light receiving position on the light receiving surface.
The light projecting axis adjustment unit is configured such that the light receiving surface is positioned at a predetermined position (for example, an intermediate point of all strokes) by the light receiving surface driving unit and the light receiving position is a predetermined reference position (for example, the center of the light receiving surface). You may adjust so that it may become.
このように投光部の投光軸を調整することにより、表面形状測定装置が測定点を順次変えていく間に反射光の受光位置が受光面の外へ飛び出してしまうことを防止することが可能となり、かつこの投光軸調整の際にスポット光の各投射位置(測定点)が大きく移動して各測定点の間隔にバラツキが生じることを防止する。 By adjusting the light projecting axis of the light projecting unit in this way, it is possible to prevent the light receiving position of the reflected light from jumping out of the light receiving surface while the surface shape measuring device sequentially changes the measurement points. In addition, it is possible to prevent the projection positions (measurement points) of the spot light from greatly moving and adjusting the intervals between the measurement points when the projection axis is adjusted.
また後述するように、投光部と受光部とを、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように測定ヘッドに設け、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とを含む平面をある基準面に直交させたまま測定物表面へのスポット光の入射角度を変化させるように測定ヘッドの姿勢(方向)を制御する場合を考える。
このとき、測定物表面に入射するスポット光の上記基準面に対する入射方位と、基準面に対する測定物表面の傾斜方向とが一致していれば、測定物表面で反射したスポット光が入射方位と基準面において反対側の方位に反射されるため、入射角度が変化しても、受光面上の受光位置は投光軸及び受光面の所定の法線を含む平面と受光面とが交差する直線内で移動する。
Further, as will be described later, the light projecting unit and the light receiving unit are provided in the measuring head so that the light projecting axis of the spot light and the predetermined normal line of the light receiving surface are included in the same plane, Consider a case where the posture (direction) of the measuring head is controlled so that the incident angle of the spot light on the surface of the object to be measured is changed while a plane including a predetermined normal line of the light receiving surface is orthogonal to a certain reference surface.
At this time, if the incident azimuth of the spot light incident on the surface of the measurement object with respect to the reference surface matches the inclination direction of the surface of the measurement object with respect to the reference surface, the spot light reflected on the surface of the measurement object is converted into the incident azimuth and the reference Since the light is reflected in the opposite direction on the surface, the light receiving position on the light receiving surface is within the straight line where the light receiving surface and the plane including the predetermined normal of the light receiving surface and the light receiving surface intersect even if the incident angle changes. Move with.
このような幾何学的関係を利用することにより、表面形状測定装置は、所定の基準面に対する測定点における測定物表面の傾斜方向を測定する決定する傾斜方向決定部をさらに備えてもよい。
そして、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように、投光部と受光部とが設けられる測定ヘッドと、測定ヘッドの向きを変更する測定ヘッド方向変更部と、を備えて構成し、傾斜方向決定部は、測定ヘッド方向変更部によって、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とを含む平面を所定の基準面に直交させた状態で、測定物表面へのスポット光の入射角度を変化させ、このとき入射角度の変化に伴う受光位置の移動が、投光軸及び受光面の所定の法線を含む平面と受光面とが交差する直線上で生じる、スポット光の測定物表面への入射方位を探索して、該入射方位を、測定物表面の傾斜方向として決定することとしてよい。
測定物表面の傾斜方向にスポット光が入射するとき、測定物表面の法線方向は、スポット光の投光軸方向と反射光の光軸方向とが成す角度の2等分線の方向と等しくなる。ここでスポット光の光軸の方向は既知であり、反射光の光軸の方向もまた上述の通り測定可能である。したがって、前記測定物表面の法線方向を、スポット光の投光軸方向と反射光の光軸方向とが成す角度の2等分線の方向として決定することが可能である。表面形状測定装置は、このようにして前記測定物表面の法線方向を決定する法線方向決定部を備えて構成してもよい。
なお、上記スポット光としては、受光面における受光位置を明瞭に測定するため平行光が好適に使用される。
By utilizing such a geometric relationship, the surface shape measuring apparatus may further include an inclination direction determining unit that determines an inclination direction of the surface of the measurement object at a measurement point with respect to a predetermined reference plane.
And the measuring head in which the light projecting part and the light receiving part are provided so that the light projecting axis of the spot light and the predetermined normal of the light receiving surface are included in the same plane, and the direction of the measuring head for changing the direction of the measuring head And the tilt direction determination unit made the plane including the light projection axis of the spot light and the predetermined normal of the light receiving surface orthogonal to the predetermined reference plane by the measuring head direction changing unit. In this state, the incident angle of the spot light on the surface of the object to be measured is changed.At this time, the movement of the light receiving position accompanying the change in the incident angle is such that the plane including the light projecting axis and the predetermined normal of the light receiving surface and the light receiving surface are The incident azimuth of the spot light incident on the surface of the measurement object generated on the intersecting straight line may be searched to determine the incident azimuth as the inclination direction of the surface of the measurement object.
When spot light is incident in the tilt direction of the surface of the measurement object, the normal direction of the surface of the measurement object is equal to the bisector of the angle formed by the projection axis direction of the spot light and the optical axis direction of the reflected light. Become. Here, the direction of the optical axis of the spot light is known, and the direction of the optical axis of the reflected light can also be measured as described above. Therefore, the normal direction of the surface of the measurement object can be determined as the direction of the bisector of the angle formed by the light projection axis direction of the spot light and the optical axis direction of the reflected light. The surface shape measuring apparatus may include a normal direction determining unit that determines the normal direction of the surface of the measurement object in this way.
As the spot light, parallel light is preferably used in order to clearly measure the light receiving position on the light receiving surface.
さらに、本発明の第2形態による表面形状測定方法では、鏡面である測定物表面上の各測定点について、スポット光を投射してその反射光を受光面で受光し、この受光面上の受光位置に基づいて該測定点の位置を求めることにより、測定物表面の表面形状を測定する表面形状測定方法において、受光面をその法線成分を含む方向に駆動し、受光面の法線方向の変位に伴う受光位置の変化に基づいて反射光の光軸位置を決定し、反射光の光軸とスポット光の投光軸との交差位置を測定点の位置として決定する。 Furthermore, in the surface shape measuring method according to the second embodiment of the present invention, spot light is projected at each measurement point on the surface of the measurement object that is a mirror surface, and the reflected light is received by the light receiving surface. In the surface shape measurement method for measuring the surface shape of the surface of the measurement object by determining the position of the measurement point based on the position, the light receiving surface is driven in a direction including the normal component thereof, and the normal direction of the light receiving surface is determined. The optical axis position of the reflected light is determined based on the change of the light receiving position accompanying the displacement, and the intersection position between the optical axis of the reflected light and the light projection axis of the spot light is determined as the position of the measurement point.
このとき、投光部と受光部とを有する測定ヘッドを測定物に対して相対移動させ、かつ測定ヘッドの向きを変更することにより、測定物表面上の投射位置を一定に保ったまま受光面上の受光位置を調整することとしてよい。さらに受光面が受光面駆動部によって所定の位置に位置付けられた状態で、受光位置が受光面の所定の基準位置となるように調整してもよい。 At this time, by moving the measuring head having the light projecting portion and the light receiving portion relative to the measurement object and changing the direction of the measurement head, the light receiving surface is maintained with the projection position on the surface of the measurement object kept constant. The upper light receiving position may be adjusted. Further, the light receiving position may be adjusted to be a predetermined reference position of the light receiving surface in a state where the light receiving surface is positioned at a predetermined position by the light receiving surface driving unit.
またさらに、スポット光の投光軸と受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように投光部と受光面とを測定ヘッドに設け、測定ヘッドの向きを変えることによって測定物表面へのスポット光の入射方位を変更し、各入射方位において測定ヘッドの向きを変えることによってスポット光の投光軸と受光面の所定の法線とを含む平面を所定の基準面に直交させた状態で、測定物表面へのスポット光の入射角度を変化させ、このときの入射角度の変化に伴う受光位置の移動が、スポット光の投光軸及び受光面の所定の法線を含む平面と受光面とが交差する直線上で生じる、スポット光の入射方位を、所定の基準面に対するスポット光の投射位置における測定物表面の傾斜方向として決定してもよい。
また、決定された前記傾斜方向に前記スポット光の入射方位を方向付けた状態で決定される前記反射光の光軸の方向と、前記スポット光の既知の投光軸の方向と、に基づいて前記測定物表面の法線方向を決定することとしてもよい。
Furthermore, the surface of the object to be measured is provided by providing the light projecting portion and the light receiving surface on the measuring head so that the light projecting axis of the spot light and the predetermined normal of the light receiving surface are included in the same plane, and changing the direction of the measuring head. The plane including the light projection axis of the spot light and the predetermined normal line of the light receiving surface is made orthogonal to the predetermined reference plane by changing the incident direction of the spot light on the surface and changing the direction of the measuring head in each incident direction In the state, the incident angle of the spot light on the surface of the object to be measured is changed, and the movement of the light receiving position accompanying the change in the incident angle at this time is a plane including the light projection axis of the spot light and a predetermined normal line of the light receiving surface. The incident direction of the spot light generated on the straight line intersecting the light receiving surface may be determined as the inclination direction of the surface of the measurement object at the projection position of the spot light with respect to a predetermined reference surface.
Further, based on the direction of the optical axis of the reflected light determined in a state where the incident direction of the spot light is oriented in the determined tilt direction, and the direction of the known light projecting axis of the spot light The normal direction of the surface of the measurement object may be determined.
本発明によって、表面が鏡面である測定物の輪郭形状を、表面を傷つけることなく正確に測定することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to accurately measure the contour shape of a measurement object having a mirror surface without damaging the surface.
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図2は、本発明の実施例による表面形状測定装置の全体斜視図である。表面形状測定装置1は、測定物である金型などの表面が鏡面仕上げされたワークを載置するためのテーブル2と、テーブル2上に表面形状を非接触で検出するための測定ヘッド3と、測定ヘッド3を支持しながら互いに直交する3軸を回転軸として測定ヘッド3を自在に回転させて、測定ヘッド3の方向(姿勢)に自在に変更可能なヘッド方向変更機構4と、このヘッド方向変更機構4を支持しながらこのヘッド方向変更機構4をXYZ方向のいずれの方向にも移動可能なヘッド位置変更機構5を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 2 is an overall perspective view of the surface shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. The surface
図3は、図2に示す測定ヘッド3の断面図である。測定ヘッド3は、ワーク表面に平行光であるスポット光を投射する投光部6と、ワーク表面で反射したスポット光の正反射光を受光する受光面71を有する受光部7とを備える。このような受光面71としては2次元CCDや2次元PSDなど、入射光を2次元平面で受けて受光位置の2次元座標に応じた信号を出力する素子を利用する。
投光部6は、発光部61と、略点光源である発光部61からの発光光を平行光へと変える照明レンズ62と、照明レンズ62を通過した平行光の中心部以外を遮蔽してスポット光を作るアパーチャ板63と、を備えて構成する。
受光部7は、スポット光の正反射光を受光する受光面71と、スポット光の正反射光を受光面71に集光する集光レンズ72と、受光面71の法線方向に伸長する直動ガイド73と、直動ガイド73に沿って受光面71を駆動する受光面駆動部74と、を備えている。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the
The
The
そして、これら投光部6と受光部7とは、投光部6のスポット光の投光軸と、受光面71の所定の法線とが同一平面(以下、「光軸面LP」と記す)に含まれるように、測定ヘッド3に固定される。例えば、投光部6のスポット光の投光軸と、受光面71の中心Cを通過する受光面71の法線と、が上記光軸面LPに含まれるように、投光部6と受光部7とを測定ヘッド3内に設けてよい。
In the
図2に戻って、ヘッド位置変更機構5は、測定ヘッド3が設けられたヘッド方向変更機構4を支持する可動部材51と、可動部材51を支持する一方でY方向に駆動することが可能なY方向駆動部52と、Y方向駆動部52を支持する一方でX方向に駆動することが可能なX方向駆動部53と、X方向駆動部53を支持する一方でZ方向に駆動することが可能なコラム54と、を備えている。
Returning to FIG. 2, the head
したがって、ヘッド位置変更機構5は、測定ヘッド3を測定物であるワークに対して相対移動させることが可能であり、ここに本願特許請求の範囲に係る測定ヘッド相対位置変更部を成す。なお本実施例においては、測定ヘッド相対位置変更部は、測定ヘッド3を移動させることによって測定ヘッド3とワークとの相対移動を実現させることとしたが、これに代えて又はこれに加えて、ワーク側を移動させることによって測定ヘッド3とワークとの相対移動を実現させてもよく。このためにワークをXYZ方向のうちのいずれかに、又はそのいずれにも移動可能なワーク移動機構を設けてもよい。
Therefore, the head
図4の(A)は、図2に示すヘッド方向変更機構4の斜視図である。ヘッド方向変更機構4は、互いに直交する3軸方向を軸とした回転運動を与える第1モータ41、第2モータ42、及び第3モータ43を備える。
ここで第1モータは、測定ヘッド3を支持しつつ、上記測定ヘッド3の光軸面LPに垂直な第1の方向を回転軸として測定ヘッド3を回転駆動可能である。また第2モータは、第1モータを支持しつつ、図中のXY平面内において第1の方向と直交する第2の方向を回転軸として第1モータを回転駆動可能である。さらに第3モータは、第2モータを支持しつつ、Z軸方向を回転軸として第2モータを回転駆動可能である。
4A is a perspective view of the head
Here, the first motor can rotate and drive the
このようにヘッド方向変更機構4は、直交する3軸方向を軸とした回転運動を与える各モータ41〜43を備えることにより、測定ヘッド3を支持しながら互いに直交する3軸を回転軸として測定ヘッド3を回転させてワークに入射するスポット光の入射角度及び入射方位を自在に変更することが可能である。ここにヘッド方向変更機構4は、本願特許請求の範囲に係る測定ヘッド方向変更部を成す。なお本実施例においては、測定ヘッド3自体の向きを変更することによってワークに入射するスポット光の入射角度及び入射方位を変更することとしたが、これに代えて又はこれに加えて、ワーク側を3軸方向に回転させつつワークを移動することにより、ワークに入射するスポット光の入射角度及び入射方位を相対的に変化させることにより実現してもよく、このために互いに直交する3軸のいずれか、又は全ての軸を回転軸としてワークを回転させるワーク方向変更機構と、XYZ方向のうちのいずれかに、又はそのいずれにも移動可能なワーク移動機構を設けてもよい。
As described above, the head
図5は、図1の表面形状測定装置1のブロック図である。表面形状測定装置1は、上述のヘッド方向変更機構4とヘッド位置変更機構5を駆動して、測定ヘッド3の位置及び方向を制御するヘッド制御部81と、受光面71から出力された反射光の受光位置を示すアナログ信号を入力してディジタル形式の位置信号として出力する信号処理回路82とを、備える。またヘッド制御部81は、受光面駆動部74を制御して受光面71をその法線方向に移動させて、受光面71の位置を制御する。
FIG. 5 is a block diagram of the surface
また、表面形状測定装置1は、受光面駆動部74によって受光面71を変位させ、そのとき生じる受光面71上で受光位置の変化に基づいてワーク表面で反射した反射光の光軸の測定ヘッド3からの相対位置を決定する反射光軸位置決定部83と、この反射光の光軸と既知のスポット光の投光軸との交差位置を、各測定点の測定ヘッド3からの相対位置として決定する位置測定部84と、ヘッド位置変更機構5及びヘッド方向変更機構4によって測定ヘッド3を各測定点の測定位置に位置付けながら、位置測定部84からの相対位置情報を読み取って、既知の測定ヘッド3の位置及び方向情報に基づいて各測定点の位置を算出して、ワークの表面形状を算出する表面形状算出部85を備える。
Further, the surface
さらに、表面形状測定装置1は、ヘッド位置機構5によって測定ヘッド3を移動させ、かつヘッド方向変更機構4によって測定ヘッド3の向きを変更することによって、ワーク表面上に投射されたスポット光の投射位置を一定に保ったまま受光面71上の受光位置を調整する投光軸調整部86を備える。
さらにまた、表面形状測定装置1は、例えばテーブル2面(XY面)などに予め定めた基準面に対する、ワークの測定点における傾斜方向を決定する傾斜方向決定部87を備える。さらに、表面形状測定装置1は、上記のような基準面に対するワークの測定面における法線方向を決定する法線方向決定部88を備える。
Furthermore, the surface
Furthermore, the surface
図6を参照して、本発明の実施例による表面形状測定方法を説明する。上述の表面形状算出部85は、ヘッド位置変更機構5及びヘッド方向変更機構4によって測定ヘッド3をワーク上の測定点の測定位置に位置付ける。投光部6はワーク表面(測定面MP)に対してスポット光を投射し、受光部7は測定面MPで正反射した反射光をその受光面71の受光位置Aで受光する(図6の(A))。反射光軸位置決定部83は、このときの位置Aを記憶する。
With reference to FIG. 6, a surface shape measuring method according to an embodiment of the present invention will be described. The above-described surface
次に、反射光軸位置決定部83は、受光面駆動部74によって受光面71をその法線方向に変位させて位置71’に位置付ける。そしてその状態で受光部7は測定面MPで正反射した反射光をその受光面71の受光位置Bで受光する(図6の(B))。反射光軸位置決定部83は、このときの位置Bを記憶する。
すると、受光面71の既知の位置71(図6の(A))及び既知の位置71’(図6の(A))並びに記憶した位置A及びBによって、測定面MPで正反射した反射光の光軸が通る2点の座標が明らかになるため、反射光軸位置決定部83は、これら位置情報に基づいて、測定面MPで正反射した反射光の光軸の測定ヘッド3からの相対位置を決定する。
Next, the reflected optical axis
Then, the reflected light regularly reflected on the measurement surface MP by the known position 71 (FIG. 6A) and the known
測定面MP上の測定点Pは反射光の光軸と投射光の光軸の交点として算出でき、また、投射光の光軸の測定ヘッド3からの相対位置は既知であるので、位置測定部84は、反射光の光軸の測定ヘッド3からの相対位置と投射光の光軸の測定ヘッド3からの相対位置とに基づいて、これら2つの光軸の交点として測定面MP上の測定点Pの測定ヘッド3からの相対位置を算出する。
そして表面形状算出部85は、ワーク上の各測定点において、位置測定部84からの相対位置情報を読み取って、既知の測定ヘッド3の位置及び方向情報に基づいて各測定点の位置を算出して、ワークの表面形状を算出する。
Since the measurement point P on the measurement surface MP can be calculated as the intersection of the optical axis of the reflected light and the optical axis of the projection light, and the relative position of the optical axis of the projection light from the
Then, the surface
図7は、図5に示す投光軸調整部86によるスポット光の光軸の調整方法の説明図である。上述の通り、表面形状測定装置1は、測定点Pを順次変えていく間に反射光の受光位置が受光面71の外へ飛び出してしまわないように、常に測定ヘッド3を測定物表面の傾斜に追従させて、受光面71上の受光位置が受光面71の所定の位置(好適には受光面71中央)に位置するように制御することが望ましい。またこのとき測定ヘッド3を移動及び回転させることによりスポット光の投射位置(測定点)が大きく移動してしまうことを防止し、各測定点の間隔にバラツキが生じることを防止する必要がある。
FIG. 7 is an explanatory diagram of a method of adjusting the optical axis of the spot light by the light projection
そこで、投光軸調整部86は、各測定点にて位置Pの算出が終了する都度、ヘッド位置変更機構5によって測定ヘッド3をワークに対して相対移動させ、かつ測定ヘッド方向変更部によって測定ヘッドの向きを変更することにより、受光面71が所定のニュートラル位置にあるとき、受光位置が受光面71の中央Cの位置に位置するように測定ヘッド3の位置及び姿勢を微調整する。
Therefore, each time the calculation of the position P is completed at each measurement point, the light projecting
投光軸調整部86が、このような測定ヘッド3の姿勢の調整を、各測定点における位置算出後の次の測定点に測定ヘッド3を移動する前に行うことにより、投光部6のスポット光が現在の投射位置Pを既知のものとすることができる。また測定ヘッド3の位置や投光部6のスポット光の光軸位置も既知であるので、投光軸調整部86は投光部6のスポット光がこの位置Pに投射する状態を維持させながら、ヘッド位置変更機構5によって測定ヘッド3をワークに対して相対移動させ、かつ測定ヘッド方向変更部によって測定ヘッドの向きを変更することができる。
The light projection
例えば図7の(B)の例では、測定ヘッド3を図の矢印91に示す方向に移動させ、図の矢印92に示す方向に回転させることで投光部6のスポット光の投射位置Pを一定に保ちながら、受光位置が受光面71の中央Cの位置に位置するように測定ヘッド3の位置及び姿勢を微調整する。または、単純に、スポット光の投光軸と平行な方向である矢印97の方向に測定ヘッド3を移動させることで、投射位置Pを一定に保ちながら測定ヘッド3の位置を微調整する。
For example, in the example of FIG. 7B, the projection position P of the spot light of the
投光軸調整部86は、既知のスポット光の投射位置P、スポット光の光軸位置と、受光位置Aの位置情報に基づいて、投射位置Pにおける測定面MPの傾斜方向を算出して、受光位置が受光面71の中央Cの位置に位置するように測定ヘッド3の位置及び姿勢を調整する移動量及び回転量を算出することとしてよい。
又は、投光軸調整部86は、測定ヘッド3の位置及び姿勢を各方向に微動させながら、それぞれの場合の受光位置の変化方向を求めて、受光位置が受光面71の中央Cの方向に移動する位置及び姿勢の変化方向を取得し、この受光位置が受光面71の中央Cに至るまで変化方向に調整してもよい。
The light projection
Alternatively, the light projection
図8〜図10を参照して、図2の表面形状測定装置1を用いた測定面の傾斜方向を決定する方法を説明する。以下、図8の(A)に示すような所定の基準面RPに対する測定面MPの傾斜方向を測定する場合を考える。なおこの基準面RPは、図2に示した表面形状測定装置1のステージ2のXYZ座標系に対して自由に設定してよく、単純にステージ2のXY面と考えてもよい。以下説明の簡単のため基準面RP内の直交する2方向をX2軸及びY2軸とし、基準面RPに直交する方向をZ2軸と定めることとする。
With reference to FIGS. 8-10, the method to determine the inclination direction of the measurement surface using the surface
まず、上述した測定ヘッド3の光軸面LPが基準面RPに対して直交するように、測定ヘッド3の姿勢を制御する。そして光軸面LPが基準面RPに対して直交する関係を保ったまま、すなわち光軸面LPに直交する方向ALを回転軸にして、図の矢印93に示すように測定ヘッド3を回転させる。ここに測定面MPに対するスポット光の入射角度θiを、図9の(A)に示すようにスポット光の入射方向と、測定点Pにおける測定面MPの法線方向nとが成す角度と定義すれば、測定ヘッド3の回転に伴って測定面MPに対するスポット光の入射角度θiが変化する。
First, the posture of the
スポット光の入射角度θiの変化に伴って、反射光を受光面71に受ける受光位置も変化する。図8の(B)に、図8の(A)の状態においてスポット光の入射角度θiを変化させたときに受光位置が描く軌跡を、実線94で記す。図8の(A)に示す状態では、基準面RPに対するスポット光の入射方位θaが、基準面RPに対する測定面の傾斜方向と異なっている。
ここに、基準面RPに対するスポット光の入射方位θaは、図9の(B)に示すように基準面RPの所定の基準方向(図示の例ではX2方向)を基準とするスポット光が入射する方位角θa(すなわち光軸面LPと基準面RPとが交わる交点と、基準面RPの所定の基準方向とが成す角)として定義してよい。
As the incident angle θ i of the spot light changes, the light receiving position at which the reflected light is received by the
Here, incident orientation theta a spot light to the reference plane RP is incident spot light relative to the (X2 direction in the illustrated example) a predetermined reference direction of the reference plane RP as shown in (B) of FIG. 9 Azimuth angle θ a (that is, an angle formed by an intersection point between the optical axis plane LP and the reference plane RP and a predetermined reference direction of the reference plane RP).
このとき測定面MPで反射するスポット光は、入射方位に対する基準面RPについての反対方位に反射しないため反射光は光軸面LPから外れる。したがって反射光を受光面71で受ける受光位置は、図8の(B)に示すように受光面71と光軸面LPとが交差する直線である中心線上から外れた位置を移動する。
At this time, since the spot light reflected by the measurement surface MP is not reflected in the opposite direction with respect to the reference surface RP with respect to the incident direction, the reflected light deviates from the optical axis plane LP. Accordingly, the light receiving position at which the reflected light is received by the
次に、図10の(A)に示すように、基準面RPに対するスポット光の入射方位θaを、基準面RPに対する測定面の傾斜方向と一致させて、図8と同様に測定ヘッド3を回転させる場合を考える。すると測定面MPで反射するスポット光は、入射方位に対して基準面RPにおいて反対方位にのみ反射するために反射光は光軸面LPから外れることはない。したがって反射光を受光面71で受ける受光位置は、図10の(B)に示すように受光面71と光軸面LPとが交差する直線である中心線上を移動する。
Next, as shown in (A) of FIG. 10, the incident orientation theta a spot light to the reference plane RP, to match the inclination direction of the measurement surface relative to the reference plane RP, the measuring
したがって、傾斜方向決定部87は、ヘッド位置変更機構6及びヘッド方向変更機構4を制御して測定ヘッド3の位置及び向きを変えることによって、測定面MPへのスポット光の入射方位を順次変更する。
このとき、各入射方位において、測定ヘッド3の位置及び向きを変えて光軸面LPを基準面RPに直交させた状態を保ったまま、光軸面LPに直交する方向を回転軸にして測定ヘッド3を回転させて測定面MPへのスポット光の入射角度を変化させる。
Therefore, the tilt direction determination unit 87 sequentially changes the incident direction of the spot light on the measurement surface MP by controlling the head
At this time, in each incident azimuth, the position and orientation of the measuring
そして、入射角度の変化に伴う受光位置の軌跡を受光面71に出力信号から検出して、受光位置の軌跡が光軸面LPと受光面71との交差線上(すなわち受光面71の中心線上)で生じるとき、そのスポット光の入射方位を、基準面RPに対する測定点Pにおける測定面MPの傾斜方向として決定する。
The locus of the light receiving position accompanying the change in the incident angle is detected on the
さて、測定物表面の傾斜方向にスポット光が入射するとき、測定物表面の法線方向は、スポット光の投光軸方向と反射光の光軸方向とが成す角度の2等分線の方向と等しくなる。ここでスポット光の光軸の方向は既知であり、反射光の光軸の方向もまた上述の通り反射光軸位置決定部83によって測定可能である。
法線方向決定部88は、傾斜方向決定部87によって前記傾斜方向に前記スポット光の入射方位を方向付けた状態において反射光軸位置決定部83によって測定される反射光の光軸方向と、前記スポット光の既知の投光軸の方向と、に基づいて、その2つの光軸の成す角度の2等分線の方向を算出して、測定物表面の法線方向を決定する。
When the spot light is incident in the tilt direction of the surface of the measurement object, the normal direction of the surface of the measurement object is the direction of the bisector of the angle formed by the light projection axis direction of the spot light and the optical axis direction of the reflected light Is equal to Here, the direction of the optical axis of the spot light is known, and the direction of the optical axis of the reflected light can also be measured by the reflected optical axis
The normal direction determining unit 88 includes the optical axis direction of the reflected light measured by the reflected optical axis
本発明は、測定物表面の輪郭形状を測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に利用可能であり、特に測定物表面が鏡面である場合に、その輪郭形状を非接触で測定する表面形状測定装置及び表面形状測定方法に関する。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a surface shape measuring apparatus and a surface shape measuring method for measuring a contour shape of a measurement object surface, and particularly when the measurement object surface is a mirror surface, the surface shape for measuring the contour shape in a non-contact manner. The present invention relates to a measuring apparatus and a surface shape measuring method.
1 表面形状測定装置
2 テーブル
3 測定ヘッド
4 ヘッド方向変更機構
5 ヘッド位置変更機構
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記受光面を、その法線成分を含む方向に駆動する受光面駆動部と、
前記受光面の法線方向の変位に伴う前記受光位置の変化に基づいて前記反射光の光軸位置を決定する反射光軸位置決定部と、
該反射光の光軸と前記スポット光の投光軸との交差位置を、前記測定点の位置として決定する位置測定部と、
所定の基準面に対する、前記測定点における前記測定物表面の傾斜方向を決定する傾斜方向決定部と、
前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように、前記投光部と前記受光部とが設けられる測定ヘッドと、
前記測定ヘッドの向きを変更する測定ヘッド方向変更部と、を備え
前記傾斜方向決定部は、前記測定ヘッド方向変更部によって、前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とを含む前記平面を前記所定の基準面に直交させた状態で、前記測定物表面への前記スポット光の入射角度を変化させ、このとき入射角度の変化に伴う前記受光位置の移動が、前記投光軸及び前記受光面の所定の法線を含む前記平面と前記受光面とが交差する直線上で生じる、前記スポット光の前記測定物表面への入射方位を探索して、該入射方位を、前記測定物表面の傾斜方向として決定する、
ことを特徴とする表面形状測定装置。 A light projecting unit for projecting spot light onto the surface of the measurement object, which is a mirror surface, and a light receiving unit having a light receiving surface for receiving reflected light of the spot light reflected on the surface of the measurement object, on the surface of the measurement object For each measurement point, the surface shape of the surface of the object to be measured is obtained by projecting the spot light and receiving the reflected light by the light receiving unit, and determining the position of the measurement point based on the light receiving position on the light receiving surface. In a surface shape measuring device for measuring
A light receiving surface driving unit that drives the light receiving surface in a direction including the normal component;
A reflected optical axis position determining unit that determines an optical axis position of the reflected light based on a change in the light receiving position accompanying a displacement in a normal direction of the light receiving surface;
A position measurement unit that determines an intersection position of the optical axis of the reflected light and the light projection axis of the spot light as the position of the measurement point;
An inclination direction determination unit that determines an inclination direction of the surface of the measurement object at the measurement point with respect to a predetermined reference plane;
A measuring head provided with the light projecting unit and the light receiving unit so that the light projecting axis of the spot light and the predetermined normal of the light receiving surface are included in the same plane;
A measuring head direction changing unit for changing the direction of the measuring head;
In the state where the plane including the light projection axis of the spot light and the predetermined normal line of the light receiving surface is orthogonal to the predetermined reference plane by the measuring head direction changing unit, The incident angle of the spot light on the surface of the object to be measured is changed. At this time, the movement of the light receiving position accompanying the change in the incident angle is caused by the plane including the light projecting axis and the predetermined normal line of the light receiving surface, and the light receiving. Searching for the incident azimuth of the spot light to the surface of the measurement object, which occurs on a straight line intersecting the surface, and determining the incident azimuth as an inclination direction of the surface of the measurement object;
The surface shape measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とが同一平面に含まれるように、前記スポット光の投光部と前記スポット光の受光部とを測定ヘッドに設け、
前記受光面を、その法線成分を含む方向に駆動し、
前記受光面の法線方向の変位に伴う前記受光位置の変化に基づいて前記反射光の光軸位置を決定し、
該反射光の光軸と前記スポット光の投光軸との交差位置を、前記測定点の位置として決定し、更に、
前記測定ヘッドの向きを変えることによって、前記測定物表面への前記スポット光の入射方位を変更し、
各入射方位において、前記測定ヘッドの向きを変えることによって前記スポット光の投光軸と前記受光面の所定の法線とを含む前記平面を所定の基準面に直交させた状態で、前記測定物表面への前記スポット光の入射角度を変化させ、
前記入射角度の変化に伴う前記受光位置の移動が、前記スポット光の投光軸及び前記受光面の所定の法線を含む前記平面と前記受光面とが交差する直線上で生じる、前記スポット光の入射方位を、前記所定の基準面に対する前記スポット光の投射位置における前記測定物表面の傾斜方向として決定する、ことを特徴とする表面形状測定方法。 For each measurement point on the surface of the measurement object that is a mirror surface, spot light is projected and the reflected light is received by the light receiving surface, and the position of the measurement point is obtained based on the light receiving position on the light receiving surface, In the surface shape measuring method for measuring the surface shape of the surface of the measurement object,
The measuring head is provided with the spot light projecting portion and the spot light receiving portion so that the spot light projecting axis and the predetermined normal of the light receiving surface are included in the same plane,
Driving the light receiving surface in a direction including its normal component;
Determining the optical axis position of the reflected light based on the change in the light receiving position accompanying the displacement in the normal direction of the light receiving surface;
Determining the intersection position of the optical axis of the reflected light and the light projection axis of the spot light as the position of the measurement point ;
By changing the direction of the measurement head, the incident direction of the spot light on the surface of the measurement object is changed,
In each incident azimuth, by changing the direction of the measurement head, the measurement object is in a state where the plane including the light projection axis of the spot light and the predetermined normal line of the light receiving surface is orthogonal to a predetermined reference plane. Changing the incident angle of the spot light on the surface,
The spot light in which the movement of the light receiving position accompanying the change in the incident angle occurs on a straight line intersecting the light receiving surface with the plane including the light projection axis of the spot light and a predetermined normal line of the light receiving surface. Is determined as an inclination direction of the surface of the object to be measured at the projection position of the spot light with respect to the predetermined reference plane .
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