JP6337543B2 - Shape measuring apparatus and shape measuring method - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ光、詳細には光周波数コムを用いた形状測定技術に関する。   The present invention relates to a shape measurement technique using a laser beam, and in particular, an optical frequency comb.

従来より、対象物までの距離の測定装置として、レーザ光を測定対象物に照射し、測定対象物からの反射光の位相を基に測定対象物までの距離を測定する技術が知られている。そして、対象物を走査しながら対象物までの距離を測定することにより対象物の測定面の3次元形状を測定する技術が知られている。   Conventionally, as a device for measuring the distance to an object, a technique for irradiating a measurement object with laser light and measuring the distance to the object based on the phase of reflected light from the object is known. . And the technique of measuring the three-dimensional shape of the measurement surface of a target object by measuring the distance to a target object while scanning a target object is known.

特許文献1は、測定対象物であるワーク上にある傷等の異物で反射する拡散光を観測することでワークの表面状態を測定する方法を開示する。この方法では、異物にレーザ光を入射しその拡散光を検出することにより、異物の存在及び位置を判断する。そして、拡散光を検出して得られたデータを基に2次元画像を構築し、注目する部分の画素の隣接する画素どうしの差分値を計算し、注目する部分の画素の値から該差分値を減じた値をノイズ成分とし、該差分値を異物に起因する信号成分とする。そして、信号成分がある閾値を超えた場合に該画素に対応するワークの部分に異物が存在すると判定する。   Patent Document 1 discloses a method for measuring the surface state of a workpiece by observing diffuse light reflected by a foreign object such as a scratch on a workpiece that is a measurement object. In this method, the presence and position of a foreign object are determined by making a laser beam incident on the foreign object and detecting the diffused light. Then, a two-dimensional image is constructed based on the data obtained by detecting the diffused light, the difference value between adjacent pixels of the pixel of interest is calculated, and the difference value is calculated from the value of the pixel of interest. A value obtained by subtracting the value is used as a noise component, and the difference value is used as a signal component caused by a foreign object. Then, when the signal component exceeds a certain threshold, it is determined that there is a foreign object in the part of the work corresponding to the pixel.

特許文献2は、2つの光周波数コム発生器を使用し、参照面から反射される光周波数コムとワークから反射される光周波数コムとの干渉光の位相を基に、ワークまでの距離を求める方法を開示する。この方法は、ワークに光周波数コムを照射するポイントを変えてその都度距離を測定することにより、ワークの3次元形状を取得する。   Patent Document 2 uses two optical frequency comb generators to determine the distance to the workpiece based on the phase of the interference light between the optical frequency comb reflected from the reference surface and the optical frequency comb reflected from the workpiece. A method is disclosed. In this method, the three-dimensional shape of the workpiece is acquired by changing the point where the workpiece is irradiated with the optical frequency comb and measuring the distance each time.

特開2010−286392号公報JP 2010-286392 A 特開2011−27649号公報JP 2011-27649 A

特許文献1の方法では、隣接画素の差分値である信号成分を閾値処理しているため、なだらかに変化する差分値が小さい異物に対しては、閾値を超える値を得ることができず、異物を検出できない問題がある。また、特許文献2の方法では、ワークから直接的に反射されてくる直接光を検出することにより、ワークまでの距離を測定するものである。そのため、ワークが傾いたときやワークの傾斜面にレーザが当たっているときには、直接光が検出器に戻ってこないため、ワークまでの距離を正確に測定することができない問題がある。また、特許文献2の方法でもワークからの拡散光を検出することになるが、拡散光の信号強度は小さいため、ワーク内に浸透して反射されてくる多重反射光の影響が大きく現れてしまう。そのため、十分な距離測定の精度を出せないことになる。   In the method of Patent Document 1, since a signal component that is a difference value between adjacent pixels is subjected to threshold processing, a value exceeding the threshold cannot be obtained for a foreign material having a small difference value that changes gently. There is a problem that cannot be detected. Moreover, in the method of patent document 2, the distance to a workpiece | work is measured by detecting the direct light reflected directly from a workpiece | work. Therefore, when the workpiece is tilted or when the laser strikes the tilted surface of the workpiece, there is a problem that the distance to the workpiece cannot be measured accurately because direct light does not return to the detector. The method of Patent Document 2 also detects diffused light from a work, but the signal intensity of the diffused light is small, so that the influence of multiple reflected light that penetrates and is reflected in the work appears greatly. . Therefore, sufficient distance measurement accuracy cannot be obtained.

このような問題に鑑みて、本発明の目的は、測定対象物からの多重反射光の影響を低減することにより測定対象物までの距離をより正確に測定することを可能にする形状測定装置及び形状測定方法を提供することである。   In view of such a problem, an object of the present invention is to provide a shape measuring device that makes it possible to more accurately measure the distance to a measurement object by reducing the influence of multiple reflected light from the measurement object, and It is to provide a shape measuring method.

本発明の一実施形態は、第1の繰り返し周波数のモードを有する第1の光を発生する第1の光発生器と、第1の繰り返し周波数と異なる第2の繰り返し周波数のモードを有する第2の光を発生する第2の光発生器と、第1及び第2の光発生器から基準点を介して照射されてきた第1の光と第2の光との第1の干渉光を検出する第1の検出器と、基準点を介して、測定対象物から反射されてきた第1の光と参照面から反射されてきた第2の光との第2の干渉光を検出する第2の検出器と、第2の干渉光の位相(θ )と第1の干渉光の位相(θ )との間の位相差(Δθ b-a)を算出し、位相差(Δθ b-a)の隣接するモード間のモード間位相差(ΔΦ)を複数個算出し、そして複数個のモード間位相差の存在確率分布(N(ΔΦ))を作成することを所定の回数繰り返し、所定の数の存在確率分布(N(ΔΦ))を互いに掛けあわせることにより得られる関数又は互いに加えることにより得られる関数を最大にするモード間位相差(ΔΦ)を決定する位相決定部と、決定されたモード間位相差(ΔΦ)を基に、基準点から測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを具備する形状測定装置を提供する。 In one embodiment of the present invention, a first light generator that generates first light having a first repetition frequency mode, and a second light generation mode that has a second repetition frequency mode different from the first repetition frequency. A second light generator that generates the first light, and a first interference light between the first light and the second light emitted from the first and second light generators via the reference point is detected. And a second detector for detecting a second interference light between the first light reflected from the measurement object and the second light reflected from the reference surface via the reference point. And a phase difference (Δθ k b-a ) between the phase of the second interference light (θ k b ) and the phase of the first interference light (θ k a ), and the phase difference ( A plurality of inter-phase phase differences (ΔΦ) between adjacent modes of Δθ k b−a ) are calculated, and a plurality of phase difference existence probability distributions (N (ΔΦ)) ) Is repeated a predetermined number of times, and a function obtained by multiplying a predetermined number of existence probability distributions (N (ΔΦ)) with each other or a function obtained by adding each other is maximized. providing a phase determination unit, determined mode between phase difference (.DELTA..PHI D) based on the shape measuring apparatus comprising a distance calculating unit for calculating a distance from the reference point to the object of measurement to determine the .DELTA..PHI D) To do.

また、本発明の一実施形態は、所定の繰り返し周波数のモードを有する干渉光を検出する第1ステップと、干渉光の隣接するモード間のモード間位相差(ΔΦ)を複数個算出する第2ステップと、複数個のモード間位相差の存在確率分布(N(ΔΦ))を作成する第3ステップと、第1ステップから第3ステップまでを所定の回数繰り返し、所定の数の存在確率分布(N(ΔΦ))を互いに掛けあわせることにより得られる関数又は互いに加えることにより得られる関数を最大にするモード間位相差(ΔΦ)を決定するステップと、決定したモード間位相差(ΔΦ)を基に、基準点から測定対象物までの距離を算出するステップとを具備する形状測定方法を提供する。 In one embodiment of the present invention, a first step of detecting interference light having a mode with a predetermined repetition frequency, and a second step of calculating a plurality of inter-mode phase differences (ΔΦ) between adjacent modes of the interference light. A step, a third step of creating a plurality of phase difference existence probability distributions (N (ΔΦ)), and a first step to a third step are repeated a predetermined number of times, and a predetermined number of existence probability distributions ( N (.DELTA..PHI)) mode between phase difference that maximizes the resulting function by adding obtainable by Awa multiplying function or together with each other (determining .DELTA..PHI D), determined mode phase bias (.DELTA..PHI D) And a step of calculating the distance from the reference point to the object to be measured.

本発明の一実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法は、距離を算出するのに用いるモード間位相差に対する多重反射光の影響を低減することにより、基準点からワークまでの距離をより正確に測定することを可能にする。   The shape measuring apparatus and shape measuring method according to an embodiment of the present invention reduces the influence of multiple reflected light on the phase difference between modes used to calculate the distance, thereby more accurately determining the distance from the reference point to the workpiece. Makes it possible to measure.

第1実施形態に係る形状測定装置のブロック図である。It is a block diagram of the shape measuring device concerning a 1st embodiment. 光周波数コムのモードの概念図である。It is a conceptual diagram of the mode of an optical frequency comb. 光周波数コムのパルスの概念図である。It is a conceptual diagram of the pulse of an optical frequency comb. ワークからの反射光の概念図である。It is a conceptual diagram of the reflected light from a workpiece | work. 検出器で検出される波形例のグラフである。It is a graph of the example of a waveform detected with a detector. 第1実施形態の形状測定方法の説明図である。It is explanatory drawing of the shape measuring method of 1st Embodiment. 第1実施形態に係る形状測定方法のフローチャートである。It is a flowchart of the shape measuring method which concerns on 1st Embodiment. 実施例に係るワークの写真である。It is a photograph of the work concerning an example. 実施例に係る3次元距離画像である。It is a three-dimensional distance image which concerns on an Example. 実施例に係る結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result which concerns on an Example. 第2実施形態に係る形状測定装置のブロック図である。It is a block diagram of the shape measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。ただし、以下の実施形態で説明される寸法、材料、形状、構成要素の相対的な位置等は任意であり、本発明が適用される装置の構造又は様々な条件に応じて変更される。また、特別な記載がない限り、本発明の範囲は、以下に説明される実施形態で具体的に記載された形態に限定されるものではない。なお、以下で説明する図面で、同機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略することもある。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, dimensions, materials, shapes, relative positions of components, and the like described in the following embodiments are arbitrary, and are changed according to the structure of the apparatus to which the present invention is applied or various conditions. Further, unless otherwise specified, the scope of the present invention is not limited to the form specifically described in the embodiments described below. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof may be omitted.

[第1実施形態]
<形状測定装置の構成>
図1は、本発明の第1実施形態に係る形状測定装置100のブロック図である。
[First Embodiment]
<Configuration of shape measuring device>
FIG. 1 is a block diagram of a shape measuring apparatus 100 according to the first embodiment of the present invention.

形状測定装置100は、光周波数コムレーザ装置110、レンズ120、演算処理装置130、及び位置調整器140を備える。形状測定装置100は、光周波数コムレーザ装置110からレンズ120を通じて測定対象物であるワーク150に光周波数コムを照射し、その反射光を基にワーク150までの距離を測定する。ここで、光周波数コムは、レーザ光源の周波数νを中心に所定の周波数(発振器の変調周波数)間隔を有する複数の離散的な周波数成分(「周波数モード」又は単に「モード」)を有するパルス光である。なお、形状測定装置100は、レンズ120を備えていなくてもよい。 The shape measuring apparatus 100 includes an optical frequency comb laser apparatus 110, a lens 120, an arithmetic processing apparatus 130, and a position adjuster 140. The shape measuring apparatus 100 irradiates the work 150 which is a measurement object through the lens 120 from the optical frequency comb laser apparatus 110 with the optical frequency comb, and measures the distance to the work 150 based on the reflected light. Here, the optical frequency comb is a pulse having a plurality of discrete frequency components ("frequency mode" or simply "mode") having a predetermined frequency (oscillator modulation frequency) interval around the frequency ν 0 of the laser light source. Light. The shape measuring apparatus 100 may not include the lens 120.

光周波数コムレーザ装置110は、レーザ光源111、ビームスプリッタ112a、112c、偏光ビームスプリッタ112b、112d、第1及び第2の光周波数コム発生器(OFCG)113a、113b、周波数シフタ114、波長板115、参照面116、偏光子117a、117b、第1及び第2の検出器118a、118b、及び高速フーリエ変換(FFT)部119a、119bを備える。   The optical frequency comb laser device 110 includes a laser light source 111, beam splitters 112a and 112c, polarization beam splitters 112b and 112d, first and second optical frequency comb generators (OFCG) 113a and 113b, a frequency shifter 114, a wave plate 115, A reference surface 116, polarizers 117a and 117b, first and second detectors 118a and 118b, and a fast Fourier transform (FFT) unit 119a and 119b are provided.

レーザ光源111は、単一の周波数νのレーザ光をビームスプリッタ112aに向けて出射する。例えば、周波数νは2.5THzである。レーザ光源111からのレーザ光は、ビームスプリッタ112aにより第1のOFCG113aと周波数シフタ114に向けて分離される。 The laser light source 111 emits laser light having a single frequency ν 0 toward the beam splitter 112a. For example, the frequency ν 0 is 2.5 THz. Laser light from the laser light source 111 is separated toward the first OFCG 113a and the frequency shifter 114 by the beam splitter 112a.

第1の光発生器としてのOFCG113aは、電気光学変換器(EOM)及び該EOMを挟むように対向して配置された反射鏡等から構成され、外部の発振器113cから変調周波数fm1の変調信号を受けて、第1の繰り返し周波数fm1のモードを有する光周波数コム(第1の光としての「測定光Ps」)を発生する。発振器113cの変調周波数fm1を調整することにより、第1のOFCG113aから出射される測定光Psのモード間の周波数間隔fm1を調整することができる。例えば、fm1は25GHzである。 The OFCG 113a as the first light generator is composed of an electro-optic converter (EOM) and a reflecting mirror disposed so as to sandwich the EOM, and a modulation signal having a modulation frequency f m1 from an external oscillator 113c. In response, an optical frequency comb (“measurement light Ps” as the first light) having a mode with the first repetition frequency f m1 is generated. By adjusting the modulation frequency f m1 of the oscillator 113c, the frequency interval f m1 between the modes of the measurement light Ps emitted from the first OFCG 113a can be adjusted. For example, f m1 is 25 GHz.

同様に、第2の光発生器としてのOFCG113bは、EOM及び該EOMを挟むように対向して配置された反射鏡等から構成され、外部の発振器113dから変調周波数fm2の変調信号を受けて、第2の繰り返し周波数fm2のモードを有する光周波数コム(第2の光としての「参照光Pr」)を発生する。fm2は、fm2=fm1+Δfであり、Δfはfm1及びfm2に比べて十分に小さい値であり、例えば500kHzである。また、発振器113c、113dは共通の基準発振器(不図示)により位相同期されており、変調周波数fm1とfm2との間の相対周波数は安定している。これにより、互いに測定光Psと参照光Psとの干渉性が良くなり、繰り返し周波数が安定し、短いパルス幅の生成等を可能にする。 Similarly, the OFCG 113b as the second light generator is configured by an EOM and a reflecting mirror disposed so as to face the EOM, and receives a modulation signal having a modulation frequency f m2 from an external oscillator 113d. Then, an optical frequency comb having a mode of the second repetition frequency fm2 ("reference light Pr" as the second light) is generated. f m2 is f m2 = f m1 + Δf, and Δf is a sufficiently smaller value than f m1 and f m2 , for example, 500 kHz. The oscillators 113c and 113d are phase-synchronized by a common reference oscillator (not shown), and the relative frequency between the modulation frequencies f m1 and f m2 is stable. Thereby, the coherence between the measurement light Ps and the reference light Ps is improved, the repetition frequency is stabilized, and a short pulse width can be generated.

なお、第1及び第2のOFCG113a、113bは、LiNbO、ADP(リン酸二水素アンモニウム)、KDP(リン酸二水素カリウム)等の非線形結晶を用いた位相変調器、強度変調器、半導体の吸収や位相の変化を利用する変調器等であってもよい。 The first and second OFCGs 113a and 113b include phase modulators, intensity modulators, and semiconductors using nonlinear crystals such as LiNbO 3 , ADP (ammonium dihydrogen phosphate), and KDP (potassium dihydrogen phosphate). It may be a modulator that utilizes absorption or phase change.

周波数シフタ114は、例えば音響光学変調器(Acousto-Optic modulator)であり、発振器114aからの変調信号で動作し、レーザ光源111からのレーザ光の周波数を変調周波数fαだけシフトさせて第2のOFCG113bに出射する。周波数シフタ114で第2のOFCG113bに入射される光の周波数をシフトさせることにより、検出器118a、118bにおける測定光Ps及び参照光Pr間の干渉光Piのビート周波数が、直流信号ではなく周波数fαの交流信号となり、位相比較を容易にする。 Frequency shifter 114, for example, acousto-optic modulator (Acousto-Optic modulator) and is, operating in the modulation signal from the oscillator 114a, the second shifts the frequency of the laser light by the modulation frequency f alpha from the laser light source 111 Output to the OFCG 113b. By shifting the frequency of the light incident on the second OFCG 113b by the frequency shifter 114, the beat frequency of the interference light Pi between the measurement light Ps and the reference light Pr in the detectors 118a and 118b is not a DC signal but a frequency f. It becomes an AC signal of α , facilitating phase comparison.

波長板115は、1/2波長板であり、第2のOFCG113bからの参照光Prの偏光方向を調整する。偏光ビームスプリッタ112bは、測定光Psと参照光Prとを直交する偏光で重ね合わせた混合光Piとしてビームスプリッタ112cに出射する。ビームスプリッタ112cは、混合光Piを偏光子117a及び偏光ビームスプリッタ112dに向けて分離する。 The wave plate 115 is a half-wave plate and adjusts the polarization direction of the reference light Pr from the second OFCG 113b. Polarizing beam splitter 112b is emitted to the beam splitter 112c as mixed light Pi 1 superimposed with polarized light orthogonal to the reference optical power Pr and the measurement light Ps. The beam splitter 112c separates the mixed light Pi 1 toward the polarizer 117a and the polarization beam splitter 112d.

偏光ビームスプリッタ112dは、ビームスプリッタ112cからの混合光Piを偏光に応じて測定光Psと参照光Prとに分離し、測定光Psをワーク150に出射し、参照光Prを参照面116に出射する。また、偏光ビームスプリッタ112dは、ワーク150から反射された測定光Psと参照面116から反射された参照光Prとを混合した混合光Piをビームスプリッタ112cに戻す。参照面116は、光を反射する面であり、例えば鏡面である。 Polarization beam splitter 112d is a mixed light Pi 1 from the beam splitter 112c is separated into a reference beam Pr and the measurement light Ps according to the polarization, the measurement light Ps emitted to the workpiece 150, the reference light beam Pr to the reference surface 116 Exit. Further, the polarization beam splitter 112d returns the mixed light Pi 2 obtained by mixing the reference beam Pr reflected from the reference surface 116 and the measurement light Ps reflected from the workpiece 150 to the beam splitter 112c. The reference surface 116 is a surface that reflects light, for example, a mirror surface.

偏光ビームスプリッタ112cからの混合光Pi中の測定光Psの偏光と参照光Prの偏光とが互いに直交しているため、偏光子117aは、両偏光に対して斜めになるように向きを調整して配置される。そのため、検出器118aは、測定光Psと参照光Prとの干渉光を検出する。 Since the polarization of the reference beam Pr the polarization of the measuring light Ps in the mixed light Pi 1 from the polarization beam splitter 112c are orthogonal to each other, a polarizer 117a is adjusting the direction to be oblique to both polarizations Arranged. Therefore, the detector 118a detects the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr.

同様に、偏光ビームスプリッタ112cからの混合光Pi中の測定光Psの偏光と参照光Prの偏光とが互いに直交しているため、偏光子117bは、両偏光に対して斜めになるように向きを調整して配置される。そのため、検出器118bは、ワーク150から反射されてくる測定光Psと参照面116から反射されてくる参照光Prとの干渉光を検出する。 Similarly, since the polarization of the reference beam Pr the polarization of the measuring light Ps in the mixed light Pi 2 from the polarization beam splitter 112c are orthogonal to each other, a polarizer 117b is to be oblique to both polarizations Arrange the orientation. Therefore, the detector 118b detects interference light between the measurement light Ps reflected from the workpiece 150 and the reference light Pr reflected from the reference surface 116.

検出器118aは、偏光子117aから測定光Psと参照光Prとの干渉光を入射し、それに応じた干渉信号を出力する。検出器118aは、第1のOFCG113aで発生する測定光Ps及びOFCG113bで発生する参照光Prの発生過程における基準位相を求めるための検出器である。   The detector 118a receives the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr from the polarizer 117a, and outputs an interference signal corresponding to the interference light. The detector 118a is a detector for obtaining a reference phase in the generation process of the measurement light Ps generated by the first OFCG 113a and the reference light Pr generated by the OFCG 113b.

ここで、図2Bに示すように、検出器118a(又は検出器118b)における測定光Psと参照光Prとは互いに繰り返し周波数が異なるので、必ずどこかで測定光Psのパルスと参照光Prのパルスとが重なる瞬間(時刻t、t)が現れる。そして、その重なる瞬間(時刻t、t)は、測定光Psの繰り返し周波数と参照光Prの繰り返し周波数との差に相当する繰り返し周波数(即ちΔf)で周期的に現れる。Δfは光の振動数に比べ十分に小さいため、検出器(電子回路)による位相情報の検出を可能にする。 Here, as shown in FIG. 2B, the measurement light Ps and the reference light Pr in the detector 118a (or the detector 118b) have different repetition frequencies, so the pulse of the measurement light Ps and the reference light Pr are always somewhere. An instant (time t 1 , t 2 ) where the pulse overlaps appears. The overlapping moments (time t 1 , t 2 ) appear periodically at a repetition frequency (that is, Δf) corresponding to the difference between the repetition frequency of the measurement light Ps and the repetition frequency of the reference light Pr. Since Δf is sufficiently smaller than the light frequency, phase information can be detected by a detector (electronic circuit).

他方、検出器118bは、偏光子117bから測定光Psと参照光Prとの干渉光を入射し、それに応じた干渉信号を出力する。検出器118bは、ビームスプリッタ112c(基準点:RP)に対する参照面116までの距離とワーク150までの距離との差に応じた遅延時間を求めるための検出器である。   On the other hand, the detector 118b receives the interference light of the measurement light Ps and the reference light Pr from the polarizer 117b, and outputs an interference signal corresponding thereto. The detector 118b is a detector for obtaining a delay time corresponding to the difference between the distance to the reference surface 116 and the distance to the workpiece 150 with respect to the beam splitter 112c (reference point: RP).

FFT部119a、119bは、それぞれ検出器118a、118bで検出された干渉光に基づく干渉信号を入力し、高速フーリエ変換(FFT)等の所定の信号処理を行い、干渉光の各モードごとの周波数情報、位相情報及び振幅情報等を演算処理装置130に出力する。   The FFT units 119a and 119b input interference signals based on the interference light detected by the detectors 118a and 118b, respectively, perform predetermined signal processing such as fast Fourier transform (FFT), and the frequency of each mode of the interference light. Information, phase information, amplitude information, and the like are output to the arithmetic processing unit 130.

レンズ120は、光周波数コムレーザ装置110からの測定光Psをワーク150に照射するためのレンズであり、該レンズを通じてワーク150からの反射光を光周波数コムレーザ装置110に戻す。なお、レンズ120は、操作者の手動により又は演算処理装置130からの制御信号に応じてレンズを所定の位置に移動させるための移動機構に取り付けられていてもよい。   The lens 120 is a lens for irradiating the workpiece 150 with the measurement light Ps from the optical frequency comb laser device 110, and returns the reflected light from the workpiece 150 to the optical frequency comb laser device 110 through the lens. The lens 120 may be attached to a moving mechanism for moving the lens to a predetermined position manually by an operator or in response to a control signal from the arithmetic processing unit 130.

演算処理装置130は、入出力インターフェース(不図示)、CPU(Central Processing Unit)(不図示)、及びROM(Read Only Memory)やRAM(Random Access Memory)の記憶部131等を備えたコンピュータである。演算処理装置130のCPUは、記憶部131に記憶された所定のプログラムに則り、位置制御部132、位相決定部133、距離算出部134及び画像生成部135の各機能を発揮させる。   The arithmetic processing unit 130 is a computer including an input / output interface (not shown), a CPU (Central Processing Unit) (not shown), and a storage unit 131 such as a ROM (Read Only Memory) or a RAM (Random Access Memory). . The CPU of the arithmetic processing device 130 causes each function of the position control unit 132, the phase determination unit 133, the distance calculation unit 134, and the image generation unit 135 according to a predetermined program stored in the storage unit 131.

位置制御部132は、ワーク150の位置を調整するための制御信号を位置調整器140に出力することにより、ワーク150を所定の位置に移動させることができる。ここで、該移動にはワークの平行移動、回転、傾斜動作が含まれる。そして、位置制御部132は、ワーク150の位置情報を記憶部131に出力し、記憶部131は、ワーク150の位置情報と、ワーク150までの距離の情報等とを関連付けて記憶する。   The position control unit 132 can move the work 150 to a predetermined position by outputting a control signal for adjusting the position of the work 150 to the position adjuster 140. Here, the movement includes parallel movement, rotation, and tilting of the workpiece. Then, the position control unit 132 outputs the position information of the workpiece 150 to the storage unit 131, and the storage unit 131 stores the position information of the workpiece 150, information on the distance to the workpiece 150, and the like in association with each other.

画像生成部135は、ワーク150までの距離の情報を例えば所定の階調に割り振り、対応する位置の濃淡情報として3次元距離画像を生成する。例えば、画像生成部135は、所定の階調を8ビットとし、距離算出部134により算出された最も大きい距離値を黒(値0)とし、最も小さい距離値を白(値255)とし、それらの間の距離値を濃淡として値を割り振り、各距離値に関連付けられた位置情報を基に、3次元距離画像を生成する。   The image generation unit 135 assigns information on the distance to the workpiece 150 to, for example, a predetermined gradation, and generates a three-dimensional distance image as light and shade information on the corresponding position. For example, the image generation unit 135 sets the predetermined gradation to 8 bits, sets the largest distance value calculated by the distance calculation unit 134 to black (value 0), and sets the smallest distance value to white (value 255). A distance value between the two is assigned as a shade, and a three-dimensional distance image is generated based on position information associated with each distance value.

なお、位相決定部133、距離算出部134及び画像生成部135についての説明は後述する。   The phase determination unit 133, the distance calculation unit 134, and the image generation unit 135 will be described later.

位置調整器140は、ワーク150を保持するステージと、該ステージを移動、回転、旋回等させるための動力機構とを備え、位置制御部132からの制御信号に応じて、ワーク150を所定の位置に移動させる。   The position adjuster 140 includes a stage for holding the work 150 and a power mechanism for moving, rotating, turning, and the like of the stage. The position adjuster 140 moves the work 150 to a predetermined position in accordance with a control signal from the position control unit 132. Move to.

<位相と測定距離との関係>
測定光Ps(位相φ)と参照光Pr(位相φ)との間の位相差(θ=φ−φ)と、基準点RPからワーク150までの距離との関係について説明する。
<Relationship between phase and measurement distance>
The relationship between the phase difference (θ = φ s −φ r ) between the measurement light Ps (phase φ s ) and the reference light Pr (phase φ r ) and the distance from the reference point RP to the workpiece 150 will be described.

図2Aに示すように、第1のOFCG113aで発生する測定光Psは、発振器113cの変調周波数fm1に一致する周波数間隔(繰り返し周波数fm1)を有する複数の周波数モードを有する。ここで、レーザ光源111のレーザ光の周波数νを0次モードとし、nは0、±1、±2…の整数である。また、第2のOFCG113bで発生する参照光Prは、発振器113dの変調信号の周波数fm2(=fm1+Δf)に相当する周波数間隔(繰り返し周波数fm2)を有する複数の周波数モードを有する。ここで、周波数シフタ114により周波数シフトされた光の周波数ν+fαを0次のモードとしている。 As shown in FIG. 2A, the measurement light Ps generated by the first OFCG 113a has a plurality of frequency modes having a frequency interval (repetition frequency f m1 ) that matches the modulation frequency f m1 of the oscillator 113c. Here, the frequency ν 0 of the laser light from the laser light source 111 is set to the 0th order mode, and n is an integer of 0, ± 1, ± 2,. The reference light Pr generated by the second OFCG 113b has a plurality of frequency modes having a frequency interval (repetition frequency f m2 ) corresponding to the frequency f m2 (= f m1 + Δf) of the modulation signal of the oscillator 113d. Here, the frequency ν 0 + f α of the light frequency-shifted by the frequency shifter 114 is set to the 0th order mode.

参照光Prの各モードは、測定光Psの各モードに対して、0次モードにおいてfαだけ相違し、1次モードにおいてfα+Δfだけ相違し、n次モードにおいてfα+nΔfだけ相違する。そのため、測定光Psと参照光Prとの干渉光のk次モードのビート周波数は、(ν+fα+kfm1+kΔf)−(ν+kfm1)=fα+kΔfとなる(kは0〜nの整数)。 Each mode of the reference light Pr, for each mode of the measurement light Ps, differ only In order mode, only f alpha + Delta] f in the primary mode differs, differ in the n-th order mode only f α + nΔf. Therefore, the beat frequency of the kth-order mode of the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr is (ν 0 + f α + kf m1 + kΔf) − (ν 0 + kf m1 ) = f α + kΔf (k is 0 to n). Integer).

検出器118a(又は検出器118b)における測定光Psと参照光Prとの干渉光のk次モードの電界の振幅E(t)は、式1:
で表される。ここで、Aは測定光Psの電界であり、Bは参照光Prの電界であり、そして、θは、k次モードにおける測定光Psの位相φsと参照光Prの位相φrとの間の位相差である。言い換えると、参照光Prのk次モードの位相φrを基準にした測定光Psのk次モードの相対位相(即ち、θ=φs−φ)である。
The amplitude E k (t) of the electric field of the k-th mode of the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr in the detector 118a (or the detector 118b) is expressed by Equation 1:
It is represented by Here, A k is the electric field of the measurement light Ps, B k is the electric field of the reference light Pr, and θ k is the phase φ s of the measurement light Ps and the phase φ r of the reference light Pr in the k-order mode. The phase difference between and. In other words, it is the relative phase (that is, θ k = φ s −φ r ) of the k -th mode of the measurement light Ps based on the phase φ r of the k-th mode of the reference light Pr.

次数の異なるモード間の干渉信号は、変調周波数fとその周辺に現れるため、検出器118aの帯域をfαやΔfに比べて十分に広いがfより小さくとることにより、又はフィルタ等を用いて高周波成分を取り除くことにより、同じ次数のモード間のビート周波数のみが残ることになる。そのため、次数の異なるモード間の干渉は考慮しない。 Interference signal between the following numbers of different modes, to appear on and around the modulation frequency f m, by although the bandwidth of the detector 118a sufficiently wide as compared with f alpha and Δf takes less than f m, or filter etc. By using it to remove high frequency components, only the beat frequency between modes of the same order remains. Therefore, interference between modes of different orders is not considered.

検出器118a(又は検出器118b)のk次モードに関する出力電流I(t)は、aを定数として、式2:
で表される。測定光Psと参照光Prとの間の周波数差(fα+kΔf)はビート周波数Fである。
The output current I k (t) for the k-th order mode of the detector 118a (or detector 118b) is expressed by Equation 2:
It is represented by The frequency difference (f α + kΔf) between the measurement light Ps and the reference light Pr is the beat frequency F.

式2におけるk次モードの位相θ(=φ−φ)を与える時間遅延は、検出器118a、118bで意味合いが異なる。つまり、検出器118aで検出される位相θは、ビームスプリッタ112aで光を分離してから偏光ビームスプリッタ112bで混合されるまでの光路長の長さに起因するものである。そして、この時間遅延は、検出器118aと検出器118bとで共通であるため、検出器118bで検出される位相θ(「θ 」)から検出器118aで検出される位相θ(「θ 」)を引くことにより取り除かれる。そうすると、検出器118aで検出される干渉信号と検出器118bで検出される干渉信号の時間差は、周波数領域における測定光Psと参照光Prのモード間の位相差(θ −θ )の次数kに対する変化率(傾き)である。 The meaning of the time delay that gives the phase θ k (= φ s −φ r ) of the k-th mode in Equation 2 differs between the detectors 118a and 118b. That is, the phase θ k detected by the detector 118a is caused by the length of the optical path length from when the light is separated by the beam splitter 112a until it is mixed by the polarization beam splitter 112b. Then, this time delay are the common to the detectors 118a and detector 118b, the detector phase that is detected by 118b theta k ( "theta k b") phase theta k detected by the detector 118a from ( It is removed by subtracting “θ k a ”). Then, the time difference of the interference signal detected by the interference signal detector 118b detected by the detector 118a, the phase difference between the modes of the reference beam Pr and the measurement light Ps in the frequency domain (θ k bk a) The rate of change (gradient) with respect to the order k.

図2Aから分かるように、k次モードに関する測定光Psの角周波数ωと参照光Prの周波数ωの関係は、
ω=ω+ωα+kΔω
で表される。ここで、ω=2πfm1、ω=2πfm2、ωα=2πfα、Δω=2πΔfである。
As can be seen from FIG. 2A, the relationship between the angular frequency ω s of the measurement light Ps and the frequency ω r of the reference light Pr regarding the k-th mode is
ω r = ω s + ω α + kΔω
It is represented by Here, ω s = 2πf m1 , ω r = 2πf m2 , ω α = 2πf α , and Δω = 2πΔf.

次に、ビームスプリッタ112c(基準点RP)から検出器118aに向かうk次モードについての測定光Psの位相φ 及び参照光Prの位相φ は、時刻tにおいて、それぞれ、
φ =ω
φ =ω
である。
Next, the phase phi r a phase phi s a and the reference light Pr of the measuring light Ps for the k-order mode towards the detector 118a from the beam splitter 112c (reference point RP) at time t, respectively,
φ s a = ω s t
φ r a = ω r t
It is.

他方、基準点RPからワーク150及び参照面116を介して検出器118bに向かうk次モードについての測定光Psの位相φ 及び参照光Prの位相φ は、時刻tにおいて、それぞれ、
φ =ω{t−2(L+L)/V}
φ =ω{t−2(L+L)/V}
である。ここで、Vは光速、Lは基準点RPから偏光ビームスプリッタ112dまでの距離(光路長)、そして、L及びLはそれぞれ基準点RPからワーク150及び参照面116までの距離(光路長)である。
On the other hand, the phase φ s b of the measurement light Ps and the phase φ r b of the reference light Pr for the kth order mode from the reference point RP to the detector 118b through the workpiece 150 and the reference surface 116 are respectively at time t.
φ s b = ω s {t−2 (L 0 + L s ) / V c }
φ r b = ω r {t -2 (L 0 + L r) / V c}
It is. Here, V c is the speed of light, L 0 is the distance (optical path length) from the reference point RP to the polarizing beam splitter 112d, and L s and L r are the distances from the reference point RP to the workpiece 150 and the reference plane 116, respectively ( Optical path length).

そうすると、k次モードに関して、検出器118bから出力される干渉信号の位相θ (=φ −φ )と、検出器118aから出力される干渉信号の位相θ (=φ −φ )との差Δθ b-aは、式3:
となる。式3において、第1項がワーク150までの距離|L−L|に応じて変化する位相であり、第2項が固定距離L、Lに依存する位相のオフセットである。
Then, with respect to the k-th mode, the phase θ k b (= φ s b −φ r b ) of the interference signal output from the detector 118b and the phase θ k a (= φ of the interference signal output from the detector 118a). s a −φ r a ), Δθ k b−a ,
It becomes. In Equation 3, the first term is a phase that changes according to the distance | L s −L r | to the workpiece 150, and the second term is a phase offset that depends on the fixed distances L 0 and L r .

測定すべき距離|L−L|は、位相の各モード間の変化率から求まる。前述のように測定光Psのk+1次モードとk次モードとの周波数間隔はfm1であることから、k+1次モードのΔθk+1 b−aとk次モードのΔθ b−aとのモード間位相差は、式4:
である。ここで、ωm1=2πfm1である。
The distance | L s −L r | to be measured is obtained from the rate of change between the modes of the phase. Since the frequency interval between the k + 1-order mode and the k-th mode of the measuring light Ps as described above is f m1, between modes and [Delta] [theta] k b-a of the [Delta] [theta] of the k + 1-order mode k + 1 b-a and k-th order mode The phase difference is given by Equation 4:
It is. Here, ω m1 = 2πf m1 .

式4からわかるように、k+1次モードとk次モードとの間のモード間位相差(Δθk+1 b−a−Δθ b−a)から正確な距離|L−L|を求めるためには、式4の第2項の影響を受けないΔω=0ときの該位相差の値を用いるのがよい。Δω=0のときの該位相差の値を求めるためには、Δωの値を数回変えて該位相差を測定し、得られた結果を外挿することによりΔω=0のときの該位相差の値を求め、その値から距離|L−L|を求めるようにしてもよい。なお、Δω=±(所定値)として得られた該位相差の値を平均することによりΔω=0のときの該位相差の値を求めてもよい。 As can be seen from Equation 4, in order to obtain an accurate distance | L r −L s | from the phase difference between modes (Δθ k + 1 b−a− Δθ k b−a ) between the k + 1 order mode and the kth order mode. Is preferably the value of the phase difference when Δω = 0 that is not affected by the second term of Equation 4. In order to obtain the value of the phase difference when Δω = 0, the phase difference is measured by changing the value of Δω several times, and the obtained result is extrapolated to obtain the level difference when Δω = 0. The value of the phase difference may be obtained, and the distance | L r −L s | may be obtained from the value. The phase difference value when Δω = 0 may be obtained by averaging the phase difference values obtained as Δω = ± (predetermined value).

このようにして、検出器118bで検出される干渉光の位相θ (=φ −φ )と検出器118aで検出される干渉光の位相θ (=φ −φ )との位相差Δθ b−aのモード間位相差(即ち、Δθk+1 b−a−Δθ b−a)を基に、ワーク150までの距離|L−L|を求めることができる。 In this way, the interference light detected by the detector 118b phase θ k b (= φ s b -φ r b) and the interference light of the phase detected by the detector 118a θ k a (= φ s a - The distance | L r −L s | to the workpiece 150 is calculated based on the phase difference between the modes Δφ k b−a with respect to φ r a ) (that is, Δθ k + 1 b−a− Δθ k b−a ). Can be sought.

<ワークからの反射光>
本実施形態に係る形状測定装置100は、ワーク150の表面150sに測定光Psを照射し、その反射光の位相を基にワーク150の表面150sまでの距離を測定する。そして、形状測定装置100は、位置調整器140によりワーク150の位置を適宜調整しつつワーク150の表面を走査しながら該距離測定を行うことにより、ワーク150の表面の3次元形状を測定することができる。そこで、まず、ワーク150からの反射光について説明する。
<Reflected light from the workpiece>
The shape measuring apparatus 100 according to the present embodiment irradiates the surface 150s of the workpiece 150 with the measurement light Ps, and measures the distance to the surface 150s of the workpiece 150 based on the phase of the reflected light. Then, the shape measuring apparatus 100 measures the three-dimensional shape of the surface of the workpiece 150 by measuring the distance while scanning the surface of the workpiece 150 while appropriately adjusting the position of the workpiece 150 by the position adjuster 140. Can do. First, the reflected light from the workpiece 150 will be described.

図3(a)に示すように、光周波数コムレーザ装置110に戻ってくる反射光は、測定光Psの入射角と等しい角度で反射する直接反射光301と、それ以外の間接反射光302とからなる。光周波数コムレーザ装置110で検出される直接反射光301の信号強度及びS/N比(信号対雑音比)は、間接反射光302に比べて大きい。   As shown in FIG. 3A, the reflected light returning to the optical frequency comb laser device 110 is reflected from the directly reflected light 301 reflected at an angle equal to the incident angle of the measuring light Ps and the other indirectly reflected light 302. Become. The signal intensity and S / N ratio (signal-to-noise ratio) of the directly reflected light 301 detected by the optical frequency comb laser device 110 is larger than that of the indirect reflected light 302.

間接反射光302は、図3(b)に示すように、測定光Psがワーク150の表面150sで様々な方向に拡散する拡散光302aと、ワーク150の本体部150b上に形成された第1の層150a内部で複数回反射してから光周波数コムレーザ装置110に戻ってくる多重反射光302bとからなる。なお、第1の層150aは、第1の層150aに入射された光を多重反射させる層のことであり、例えば、ワーク150の本体部150bに塗布された塗装膜である。   As shown in FIG. 3B, the indirect reflected light 302 includes first diffused light 302 a in which the measurement light Ps diffuses in various directions on the surface 150 s of the workpiece 150, and a first portion formed on the main body 150 b of the workpiece 150. And the multi-reflected light 302b that returns to the optical frequency comb laser device 110 after being reflected a plurality of times inside the layer 150a. The first layer 150a is a layer that multiple-reflects light incident on the first layer 150a, and is, for example, a coating film applied to the main body 150b of the workpiece 150.

多重反射光302bの光路長は、第1の層150a内での複数回の反射の影響により、拡散光302aの光路長より長くなる。そのため、検出される拡散光302aの位相と多重反射光302bの位相は互いに異なることになる。   The optical path length of the multiple reflected light 302b becomes longer than the optical path length of the diffused light 302a due to the influence of multiple reflections in the first layer 150a. Therefore, the phase of the diffused light 302a to be detected and the phase of the multiple reflected light 302b are different from each other.

図3(a)に示すように、測定光Psがワーク150の表面の平坦面150fに照射されると、直接反射光301は、平坦面150fで反射し光周波数コムレーザ装置110に戻ってくる。そのため、光周波数コムレーザ装置110で検出される波形には、比較的信号強度及びS/N比の大きい直接反射光301の影響が大きく現れることになる。   As shown in FIG. 3A, when the measurement light Ps is irradiated onto the flat surface 150 f of the surface of the workpiece 150, the direct reflected light 301 is reflected by the flat surface 150 f and returns to the optical frequency comb laser device 110. Therefore, the waveform detected by the optical frequency comb laser device 110 is greatly influenced by the directly reflected light 301 having a relatively large signal intensity and S / N ratio.

他方、図3(c)に示すように、測定光Psがワーク150の表面の傾斜面150cに照射されると、直接反射光301は、傾斜面150cで反射し光周波数コムレーザ装置110にほとんど戻ってこない。そのため、光周波数コムレーザ装置110で検出される波形には、比較的信号強度及びS/N比の小さい間接反射光302の影響が大きく現れることになる。ここで、傾斜面150cは、平坦面150fに対して数度(例えば3度)以上の傾斜を有する面である。   On the other hand, as shown in FIG. 3C, when the measurement light Ps is irradiated onto the inclined surface 150 c on the surface of the workpiece 150, the direct reflected light 301 is reflected by the inclined surface 150 c and almost returns to the optical frequency comb laser device 110. It does n’t come. For this reason, the waveform detected by the optical frequency comb laser device 110 is greatly influenced by the indirect reflected light 302 having a relatively small signal intensity and S / N ratio. Here, the inclined surface 150c is a surface having an inclination of several degrees (for example, 3 degrees) or more with respect to the flat surface 150f.

前述のように、間接反射光302は、拡散光302a及び多重反射光302bを含んでおり、拡散光302a及び多重反射光302bのS/N比は、互いに同程度である。そのため、ワーク150の傾斜面150cに測定光Psを照射しそこまでの距離を測定する場合、光周波数コムレーザ装置110で検出される波形には、多重反射光302bの影響が比較的大きく現れてしまう。   As described above, the indirectly reflected light 302 includes the diffused light 302a and the multiple reflected light 302b, and the S / N ratios of the diffused light 302a and the multiple reflected light 302b are approximately the same. Therefore, when the measurement light Ps is irradiated onto the inclined surface 150c of the workpiece 150 and the distance to the measurement light Ps is measured, the influence of the multiple reflected light 302b appears relatively large in the waveform detected by the optical frequency comb laser device 110. .

ワーク150の傾斜面150cまでの距離を正確に測定するための一つのアプローチは、光周波数コムレーザ装置110がワーク150の傾斜面150cからの直接反射光301を検出できるようにすればよい。このアプローチでは、直接反射光301の光路上に鏡面やレンズ等の追加の機器を配置し、光周波数コムレーザ装置110に直接反射光301を戻すようにする必要がある。しかしながら、ワーク150の傾斜面150cの位置や傾斜具合等を基に該追加の機器を測定の都度調整する必要があり、装置構成が複雑になる問題や、該追加の機器の調整に費やす時間が増加するため測定時間が長くなる問題がある。   One approach for accurately measuring the distance of the workpiece 150 to the inclined surface 150c is to allow the optical frequency comb laser device 110 to detect the directly reflected light 301 from the inclined surface 150c of the workpiece 150. In this approach, it is necessary to arrange an additional device such as a mirror surface or a lens on the optical path of the directly reflected light 301 so that the reflected light 301 is directly returned to the optical frequency comb laser device 110. However, it is necessary to adjust the additional device each time measurement is performed based on the position of the inclined surface 150c of the workpiece 150, the degree of inclination, and the like, which may cause problems in the configuration of the apparatus and the time spent adjusting the additional device. There is a problem that the measurement time becomes longer due to the increase.

そこで、装置構成の変更を伴わずに検出することができる間接反射光302を基に、多重反射光302bの影響を低減しつつ、ワーク150の傾斜面150cまでの距離をより正確に測定することが望ましい。   Therefore, more accurately measuring the distance to the inclined surface 150c of the workpiece 150 while reducing the influence of the multiple reflected light 302b based on the indirectly reflected light 302 that can be detected without changing the device configuration. Is desirable.

<ワークの形状測定方法>
まず、図4に示すように、第1の層150aとしての塗装膜が塗布されたワーク150の傾斜面150cに対して測定光Psを照射し、光周波数コムレーザ装置110で複数回検出された波形402〜407を重ね合わせた波形408を観察した。そうすると、測定によらず位相がそろう部分409と、測定ごとに波形が異なり位相がずれる部分410とがあることがわかった。
<Work shape measurement method>
First, as shown in FIG. 4, the measurement light Ps is irradiated onto the inclined surface 150c of the workpiece 150 to which the coating film as the first layer 150a is applied, and the waveform detected by the optical frequency comb laser device 110 a plurality of times. A waveform 408 obtained by superimposing 402 to 407 was observed. As a result, it was found that there are a portion 409 where the phases are aligned regardless of the measurement, and a portion 410 where the waveform is different for each measurement and the phase is shifted.

なお、波形401は、ワーク150の平坦面150fに測定光Psを照射し、光周波数コムレーザ装置110で検出された波形である。そのため、波形401には、直接反射光301の影響が大きく現れており、信号強度が強く、S/N比がよいことがわかる。また、波形401を取得するには、塗装膜が塗布されていないワーク150の本体部150bの傾斜面(即ち、波形402〜407を取得した際に測定光を照射した傾斜面と同じ位置)に対して測定光Psを照射し、検出するようにしてもよい。この場合の波形401は、ほぼ拡散光302aの信号成分からなり、多重反射光302bの信号成分はほとんど含まれていないことになる。   The waveform 401 is a waveform detected by the optical frequency comb laser device 110 by irradiating the flat surface 150 f of the workpiece 150 with the measurement light Ps. Therefore, it can be seen that the waveform 401 is greatly affected by the direct reflected light 301, the signal intensity is strong, and the S / N ratio is good. Moreover, in order to acquire the waveform 401, on the inclined surface of the main body 150b of the workpiece 150 to which the coating film is not applied (that is, the same position as the inclined surface irradiated with the measurement light when acquiring the waveforms 402 to 407). Alternatively, the measurement light Ps may be irradiated and detected. The waveform 401 in this case is substantially composed of the signal component of the diffused light 302a and hardly contains the signal component of the multiple reflected light 302b.

多重反射光302bがワーク150の塗装膜内でのランダムな反射に起因することを考慮すると、測定によらず位相がそろう部分409が直接反射光301及び拡散光302aのいずれか又は両方に起因するものであり、測定ごとに位相がずれる部分410が多重反射光302bに起因するものであると考えられる。   Considering that the multiple reflected light 302b is caused by random reflection in the coating film of the workpiece 150, the phase-matched portion 409 is caused by one or both of the reflected light 301 and the diffused light 302a regardless of the measurement. Therefore, it is considered that the portion 410 whose phase is shifted every measurement is caused by the multiple reflected light 302b.

言い換えると、直接反射光301及び拡散光302aは、ワーク150の表面(傾斜面150c)で反射するため、測定によらず光周波数コムレーザ装置110による光の発生からほぼ同じ時間後に検出されることになる。そのため、直接反射光301及び拡散光302aの位相は測定ごとにそろう。他方、多重反射光302bの光路長はワーク150の塗装膜内でのランダムな反射回数に応じて変化するため、多重反射光302bの位相は測定ごとに異なることになる。   In other words, since the directly reflected light 301 and the diffused light 302a are reflected by the surface (inclined surface 150c) of the workpiece 150, they are detected almost the same time after generation of light by the optical frequency comb laser device 110 regardless of measurement. Become. For this reason, the phases of the direct reflected light 301 and the diffused light 302a are aligned every measurement. On the other hand, since the optical path length of the multiple reflected light 302b changes according to the number of random reflections within the coating film of the workpiece 150, the phase of the multiple reflected light 302b differs for each measurement.

そこで、本実施形態に係る形状測定方法は、光周波数コムレーザ装置110(の検出器118a、118b)で測定光Psと参照光Prとの干渉光を検出し、隣接するモード間のモード間位相差を複数個算出し、算出したモード間位相差を統計処理(平均μ及び分散σの算出並びに存在確率分布Nの作成)する。そして、この工程を複数回(J回)繰り返し、J個の存在確率分布Nから出現確率の最も高い該位相差を算出し、それが直接反射光301及び拡散光302aのいずれか又は両方に起因する信号成分であると決定し、それをもとにワーク150までの距離を求める。 Therefore, in the shape measurement method according to the present embodiment, the optical frequency comb laser device 110 (detectors 118a and 118b) detects the interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr, and the phase difference between modes between adjacent modes. Are calculated, and the calculated phase difference between the modes is subjected to statistical processing (calculation of mean μ and variance σ 2 and creation of existence probability distribution N). Then, this step is repeated a plurality of times (J times), and the phase difference having the highest appearance probability is calculated from the J existence probability distributions N, which is caused by either or both of the direct reflected light 301 and the diffused light 302a. And the distance to the workpiece 150 is obtained based on the signal component.

図5を用いて、直接反射光301及び/又は拡散光302aに基づく式4で表されるモード間位相差Δθk+1 b−a−Δθ b−aの求め方について説明する。なお、以下では、説明を簡単にするためにモード間位相差「Δθk+1 b−a−Δθ b−a」を「ΔΦ」で表し、ワーク150までの距離を求めるために決定すべきモード間位相差を「ΔΦ」とする。すなわち、ΔΦは、直接反射光301及び拡散光302aのいずれか又は両方に起因する信号成分から決定された式4の左辺に相当する位相差である。また、光周波数コムレーザ装置110で検出される干渉光には0〜n次モードが含まれているとし、kは0〜nの整数である。 With reference to FIG. 5, described of determining the direct reflection light 301 and / or based on the diffused light 302a between the modes of the formula 4 phase difference Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a. Hereinafter, in order to simplify the description, the inter-mode phase difference “Δθ k + 1 ba Δθ k b−a ” is represented by “ΔΦ” and is determined between the modes to be determined to obtain the distance to the workpiece 150. Let the phase difference be “ΔΦ D ”. That is, ΔΦ D is a phase difference corresponding to the left side of Equation 4 determined from a signal component caused by either or both of the directly reflected light 301 and the diffused light 302a. Further, it is assumed that the interference light detected by the optical frequency comb laser device 110 includes 0th to nth modes, and k is an integer of 0 to n.

光周波数コムレーザ装置110は、ワーク150の表面に対して測定光Psを照射し、ワーク150から反射されてきた測定光Psと参照面116から反射されてきた参照光との干渉光を検出器118bで検出する。検出器118bで検出される波形には、平坦面150fからの反射であれば直接反射光301及び間接反射光302の成分が含まれ、傾斜面150cからの反射であれば間接反射光302の成分が多く含まれるが、直接反射光301の成分はほとんど含まれない。   The optical frequency comb laser device 110 irradiates the surface of the workpiece 150 with the measurement light Ps, and detects the interference light between the measurement light Ps reflected from the workpiece 150 and the reference light reflected from the reference surface 116 by the detector 118b. Detect with. The waveform detected by the detector 118b includes components of the direct reflected light 301 and the indirectly reflected light 302 if reflected from the flat surface 150f, and the component of the indirectly reflected light 302 if reflected from the inclined surface 150c. However, the component of the direct reflected light 301 is hardly included.

図5で示すように、検出器118a、118bからの検出データを基に、FFT部119a、119bにおいてそれぞれ位相スペクトル501a、501bが生成され、演算処理装置130の記憶部131に記憶される。   As shown in FIG. 5, based on the detection data from the detectors 118a and 118b, phase spectra 501a and 501b are generated in the FFT units 119a and 119b, respectively, and stored in the storage unit 131 of the arithmetic processing unit 130.

その後、演算処理装置130の位相決定部133は、式3のΔθ b−aを求める。すなわち、位相決定部133は、検出器118bで検出された干渉光に関する位相スペクトル501bの各モードF〜Fの位相から、検出器118aで検出された干渉光に関する位相スペクトル501aの対応するモードF〜Fの位相を差し引き、Δθ b−aの位相スペクトル502を算出し、記憶部131に記憶させる。 Thereafter, the phase determination unit 133 of the arithmetic processing unit 130 calculates Δθ k b−a in Expression 3. That is, the phase determination unit 133, the detector from the phase of each mode F 0 to F n of the phase spectrum 501b about the detected interference light 118b, the corresponding mode of the phase spectrum 501a regarding detected by the detector 118a interference light The phase spectrum 502 of Δθ k b−a is calculated by subtracting the phases of F 0 to F n and stored in the storage unit 131.

その後、位相決定部133は、位相スペクトル502の隣接するモード間のモード間位相差ΔΦk+1=Δθk+1 b−a−Δθ b−aを複数個(最大n個)算出し(503)、記憶部131に記憶させる。位相決定部133は、複数個のモード間位相差ΔΦ、ΔΦ、…の値から、モード間位相差ΔΦの平均μ及び分散σを算出し、ΔΦの存在確率分布N(ΔΦ)を式5:
を基に作成し、記憶部131に記憶させる。ここでは、複数個のモード間位相差ΔΦ、ΔΦ、…の分布が正規分布N(ΔΦ|μ,σ)に従うものとしているが、これに限定されず他の統計的分布(例えば、カイ二乗分布、t分布、F分布等)を用いても良い。
Thereafter, the phase determination unit 133, a plurality of inter-mode phase difference ΔΦ k + 1 = Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a between adjacent modes of the phase spectrum 502 (up to n) is calculated (503), storage Stored in the unit 131. The phase determination unit 133 calculates the average μ and the variance σ 2 of the phase difference ΔΦ between the modes from the values of the plurality of phase differences ΔΦ 1 , ΔΦ 2 ,..., And calculates the existence probability distribution N (ΔΦ) of ΔΦ. Formula 5:
And is stored in the storage unit 131. Here, the distribution of a plurality of inter-mode phase differences ΔΦ 1 , ΔΦ 2 ,... Follows the normal distribution N (ΔΦ | μ, σ), but is not limited to this, and other statistical distributions (for example, chi- Square distribution, t distribution, F distribution, etc.) may be used.

その後、位相決定部133は、干渉光の検出から存在確率分布N(ΔΦ)の作成までのステップをJ回繰り返し、記憶部131にJ個の存在確率分布504を記憶させる。ここで、Jは2以上の整数であり、1つのワーク150の形状測定にかけられる時間との兼ね合いで適宜調整される値である。Jの値が大きければ大きいほど距離の正確性がよりいっそう向上する。   Thereafter, the phase determination unit 133 repeats the steps from the detection of the interference light to the creation of the existence probability distribution N (ΔΦ) J times, and causes the storage unit 131 to store the J existence probability distributions 504. Here, J is an integer of 2 or more, and is a value that is appropriately adjusted in consideration of the time taken for measuring the shape of one workpiece 150. The greater the value of J, the better the distance accuracy.

そして、位相決定部133は、J個の存在確率分布504(N(ΔΦ))〜504(N(ΔΦ))に対して、式6:
又は、式7:
を基に、出現確率が最も高いモード間位相差ΔΦを算出し、それが直接反射光301及び拡散光302aのいずれか又は両方に起因する位相であると決定する。言い換えると、ここではJ個の存在確率分布504〜504を互いに掛けあわせることにより得られる関数または互いに加えることにより得られる関数の最大値をとるモード間位相差ΔΦをΔΦと決定している。そのため、決定されたモード間位相差ΔΦには、多重反射光302bに起因する信号成分の影響が大きく低減されている。
Then, the phase determination unit 133 applies Equation 6 to the J existence probability distributions 504 1 (N 1 (ΔΦ)) to 504 J (N J (ΔΦ)):
Or Equation 7:
Based on, the phase difference ΔΦ D between the modes having the highest appearance probability is calculated, and it is determined that the phase is caused by either or both of the direct reflected light 301 and the diffused light 302a. In other words, the inter-mode phase difference ΔΦ taking the maximum value of the function obtained by multiplying the J existence probability distributions 504 1 to 504 J with each other or the function obtained by adding each other is determined as ΔΦ D. Yes. Therefore, the influence of the signal component due to the multiple reflected light 302b is greatly reduced in the determined inter-phase phase difference ΔΦ D.

よって、演算処理装置130の距離算出部134は、このように決定した直接反射光301及び拡散光302aのいずれか又は両方に起因するモード間位相差ΔΦの値を、式4の左辺の値「Δθk+1 b−a−Δθ b−a」として用いる。これにより、距離算出部134は、距離を算出するのに使用するモード間位相差ΔΦに対する多重反射光302bの影響を低減することによりワーク150までの距離をより正確に算出することができる。 Therefore, the distance calculation unit 134 of the arithmetic processing unit 130 determines the value of the phase difference ΔΦ D between the modes caused by either or both of the directly reflected light 301 and the diffused light 302a determined in this way as the value on the left side of Equation 4. Used as “Δθ k + 1 b−a −Δθ k b−a ”. Thereby, the distance calculation part 134 can calculate the distance to the workpiece | work 150 more correctly by reducing the influence of the multiple reflected light 302b with respect to phase difference (DELTA) (PHI) between modes used for calculating a distance.

このように算出されたワーク150までの距離の情報は、ワーク150の測定対象点、つまり照射光Psが照射される点に関する位置情報と関連づけて記憶部131に記憶される。そして、画像生成部135は、その情報を用いてワーク150の形状に関する3次元距離画像を生成する。   The information on the distance to the workpiece 150 calculated in this manner is stored in the storage unit 131 in association with the position information regarding the measurement target point of the workpiece 150, that is, the point irradiated with the irradiation light Ps. Then, the image generation unit 135 generates a three-dimensional distance image related to the shape of the workpiece 150 using the information.

図6は、本実施形態に係る形状測定方法のフローチャートである。ステップS601で、ワーク150を位置調整器140上に配置し、形状測定装置100の各種機器の稼働条件等を設定する。例えば、レーザ光源111の出力の調整や、OFCG113a、113bの変調周波数fm1、fm2の調整、周波数シフタ114の変調周波数fαの調整等である。 FIG. 6 is a flowchart of the shape measuring method according to this embodiment. In step S601, the workpiece 150 is placed on the position adjuster 140, and operating conditions and the like of various devices of the shape measuring apparatus 100 are set. For example, adjustment of the output of the laser light source 111, adjustment of the modulation frequencies f m1 and f m2 of the OFCGs 113a and 113b, adjustment of the modulation frequency f α of the frequency shifter 114, and the like.

ステップS602で、演算処理装置130の位置制御部132は、位置調整器140に制御信号を出力し、それに応じて位置調整器140は、ワーク150を所定の位置に移動させる。このときのワーク150の位置情報を記憶部131に記憶させる。この位置情報は、ワーク150の表面の測定光Psが照射される点に関する情報であり、ステップS611で取得される距離の情報と関連付けて記憶部131に記憶される。   In step S602, the position controller 132 of the arithmetic processing unit 130 outputs a control signal to the position adjuster 140, and the position adjuster 140 moves the workpiece 150 to a predetermined position accordingly. The position information of the workpiece 150 at this time is stored in the storage unit 131. This position information is information relating to the point where the measurement light Ps on the surface of the workpiece 150 is irradiated, and is stored in the storage unit 131 in association with the distance information acquired in step S611.

ステップS603で、演算処理装置130は、光周波数コムレーザ装置110を稼働させ、検出器118a、118bそれぞれにおいて測定光Psと参照光Prとの干渉光を検出する。検出器118a、118bは、検出した干渉光に基づく干渉信号をそれぞれFFT119a、119bに出力する。それに応じて、FFT119a、119bは、干渉信号をFFT処理し、振幅情報、ビート周波数(モード)の情報、及びモードごとの位相の情報(θ−F位相スペクトル)等を記憶部131に記憶させる。   In step S603, the arithmetic processing unit 130 operates the optical frequency comb laser device 110, and detects interference light between the measurement light Ps and the reference light Pr in each of the detectors 118a and 118b. Detectors 118a and 118b output interference signals based on the detected interference light to FFTs 119a and 119b, respectively. In response thereto, the FFTs 119a and 119b perform FFT processing on the interference signals, and store amplitude information, beat frequency (mode) information, phase information for each mode (θ-F phase spectrum), and the like in the storage unit 131.

ステップS604で、演算処理装置130の位相決定部133は、FFT119bから出力された位相スペクトルの各モードの位相から、FFT119aから出力された位相スペクトルの対応するモードの位相を差し引き、式3のΔθ b−aに関する位相スペクトルを算出し、記憶部131に記憶させる。 In step S604, the phase determination unit 133 of the arithmetic processing device 130 subtracts the phase of the corresponding mode of the phase spectrum output from the FFT 119a from the phase of each mode of the phase spectrum output from the FFT 119b, and Δθ k of Expression 3 The phase spectrum related to b−a is calculated and stored in the storage unit 131.

ステップS605で、位相決定部133は、ステップS604で算出した位相スペクトルの隣接するモード間のモード間位相差ΔΦk+1=Δθk+1 b−a−Δθ b−aを複数個(最大n個)算出し、記憶部131に記憶させる。 In step S605, the phase determination unit 133, a plurality of inter-mode phase difference ΔΦ k + 1 = Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a between adjacent modes of the phase spectrum calculated (up to n) calculated in step S604 And stored in the storage unit 131.

ステップS606で、位相決定部133は、ステップS605で算出された複数個のモード間位相差ΔΦの値から、ΔΦの平均μと分散σを算出する。ステップS607で、正規分布の式5を基に、モード間位相差ΔΦの存在確率分布N(ΔΦ)を作成し、記憶部131に記憶させる。ここで、iは、1〜Jの整数であり、初期値は1である。 In step S606, the phase determination unit 133 calculates the average μ of ΔΦ and the variance σ 2 from the values of the plurality of inter-mode phase differences ΔΦ calculated in step S605. In step S <b> 607, the existence probability distribution N i (ΔΦ) of the phase difference ΔΦ between the modes is created based on Expression 5 of the normal distribution and stored in the storage unit 131. Here, i is an integer of 1 to J, and the initial value is 1.

ステップS608で、位相決定部133は、所定の回数(J回)だけステップS603〜S607が行われたかどうか判断する。行われていない場合(ステップS608でNo)には、ステップS603〜S607が繰り返される。   In step S608, the phase determination unit 133 determines whether steps S603 to S607 have been performed a predetermined number of times (J times). If not performed (No in step S608), steps S603 to S607 are repeated.

ステップS609で、位相決定部133は、J個の存在確率分布N(ΔΦ)〜N(ΔΦ)に対して、式6の「argmaxΠN(ΔΦ)」処理又は式7の「argmaxΣN(ΔΦ)」処理(J個の存在確率分布を互いに掛け合わせることにより得られる関数又は互いに加えることにより得られる関数を最大にするモード間位相差ΔΦを求める処理)を行い、出現確率が最も高いモード間位相差ΔΦを算出する。ステップ610で、位相決定部133は、ステップS609で算出された位相差ΔΦを直接反射光301及び/又は拡散光302aに関する位相であると決定する。 In step S609, the phase determination unit 133 performs “argmax 、 N (ΔΦ)” processing of Expression 6 or “argmaxΣN (ΔΦ) of Expression 7 for the J existence probability distributions N 1 (ΔΦ) to N J (ΔΦ). ”Processing (processing for obtaining the inter-mode phase difference ΔΦ that maximizes the function obtained by multiplying the J existence probability distributions with each other or the function obtained by adding each other), and the mode position with the highest appearance probability. The phase difference ΔΦ D is calculated. In step 610, the phase determination unit 133 determines that the phase difference ΔΦ D calculated in step S609 is a phase related to the direct reflected light 301 and / or the diffused light 302a.

ステップS611で、演算処理装置130の距離算出部134は、ステップS610で決定された位相差ΔΦを式4の左辺の値「Δθk+1 b−a−Δθ b−a」の値として用いて、ワーク150までの距離を算出する。算出された距離情報は、ステップS602で出力されたワーク150の位置情報と関連付けられ記憶部131に記憶される。 In step S611, the distance calculation unit 134 of the processor 130 uses the phase difference .DELTA..PHI D determined in step S610 as the value of the value of the left side of the formula 4 "Δθ k + 1 b-a -Δθ k b-a " The distance to the workpiece 150 is calculated. The calculated distance information is stored in the storage unit 131 in association with the position information of the workpiece 150 output in step S602.

ステップS612で、演算処理装置130は、ワーク150の表面のうち、測定すべき範囲内で他に測定すべき位置があるかどうか判断する。他に測定すべき位置がある場合(ステップS612でYes)、ステップS602〜S612が繰り返される。   In step S612, the arithmetic processing unit 130 determines whether there is another position to be measured within the range to be measured on the surface of the workpiece 150. If there are other positions to be measured (Yes in step S612), steps S602 to S612 are repeated.

ステップS613で、演算処理装置130の画像生成部135は、位置情報に関連付けられた距離の情報を基に、位置情報に応じた画像の各画素に、距離の情報に応じて決定される色情報(濃淡)を割り当てることにより、3次元距離画像を生成する。   In step S613, the image generation unit 135 of the arithmetic processing device 130 determines the color information determined according to the distance information for each pixel of the image according to the position information, based on the distance information associated with the position information. By assigning (shading), a three-dimensional distance image is generated.

このように、本実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法は、モード間位相差ΔΦに対する多重反射光302bの影響を大きく低減することにより、基準点RPからワーク150までの距離をより正確に測定することができる。   As described above, the shape measuring apparatus and the shape measuring method according to the present embodiment more accurately reduce the distance from the reference point RP to the workpiece 150 by greatly reducing the influence of the multiple reflected light 302b on the phase difference ΔΦ between modes. Can be measured.

(実施例)
本発明の一実施例として、第1実施形態に係る形状測定装置100を用いて、ワーク150としての車両用部品701までの距離を求め、車両用部品701の3次元形状画像703を生成した。図7は車両用部品701の実際の写真であり、図8は、車両用部品701の測定すべき範囲702の3次元距離画像703を示す。
(Example)
As an example of the present invention, using the shape measuring apparatus 100 according to the first embodiment, the distance to the vehicle component 701 as the workpiece 150 was obtained, and a three-dimensional shape image 703 of the vehicle component 701 was generated. FIG. 7 is an actual photograph of the vehicle component 701, and FIG. 8 shows a three-dimensional distance image 703 of the range 702 to be measured of the vehicle component 701.

3次元距離画像703中の車両用部品701の傾斜面に相当するA、B及びC点は、車両用部品701の平坦面Fに対して、それぞれ4°、30°及び60°だけ図面に向かって奥側に傾斜している。この測定では、傾斜が3°を超えると、直接反射光301をほとんど検出することができなかったため、A〜C点に関する結果は、ほとんど間接反射光302を基に得られたものである。   The points A, B, and C corresponding to the inclined surface of the vehicle component 701 in the three-dimensional distance image 703 are directed to the drawing by 4 °, 30 °, and 60 ° with respect to the flat surface F of the vehicle component 701, respectively. It is inclined to the back side. In this measurement, when the inclination exceeds 3 °, the direct reflected light 301 could hardly be detected. Therefore, the results regarding the points A to C are almost based on the indirect reflected light 302.

図9は、点A〜Cに関して、距離精度(μm)を求めた結果である。ここでの距離精度は、本発明及び従来技術(特許文献2)の方法で点A〜Cのそれぞれに対して複数(数十)回距離を求め、その距離の分布から距離の平均値と標準偏差σを求め、そこから得た再現性(ばらつき)(3σ)の値である。   FIG. 9 shows the result of obtaining the distance accuracy (μm) for the points A to C. The distance accuracy here is obtained by calculating the distance a plurality of (several tens) times for each of the points A to C by the method of the present invention and the prior art (Patent Document 2), and the average value and standard of the distance from the distribution of the distances. The deviation σ is obtained, and is a value of reproducibility (variation) (3σ) obtained therefrom.

距離精度(3σ)は、本発明についてはA〜C点でそれぞれ5、6、35(μm)であり、従来技術についてはA〜C点でそれぞれ27、45、123(μm)であった。このように、従来技術では、多重反射光の影響により同じ点に対して距離を測定するたびに値が大きく異なり、再現性がわるい、言い換えると測定ごとのばらつきが大きくなるものであった。しかし、本発明は、多重反射光による影響を低減しているため、再現性がよく、言い換えると測定ごとのばらつきは小さいものであった。   The distance accuracy (3σ) was 5, 6, 35 (μm) at points A to C for the present invention, and 27, 45, 123 (μm) at points A to C for the conventional technology, respectively. As described above, in the prior art, the value is greatly different every time the distance is measured with respect to the same point due to the influence of the multiple reflected light, the reproducibility is poor, in other words, the variation in each measurement is large. However, since the present invention reduces the influence of multiple reflected light, the reproducibility is good, in other words, the variation between measurements is small.

[第2実施形態]
図10(a)は、本発明の第2実施形態に係る形状測定装置1000のブロック図であり、図10(b)は、光周波数コムレーザ110側からレンズ120及びワーク150を見た図である。光周波数コムレーザ装置110、レンズ120、演算処理装置130、及び位置調整器140の構成は前述と同様であり、説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 10A is a block diagram of a shape measuring apparatus 1000 according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 10B is a view of the lens 120 and the workpiece 150 as viewed from the optical frequency comb laser 110 side. . The configurations of the optical frequency comb laser device 110, the lens 120, the arithmetic processing device 130, and the position adjuster 140 are the same as those described above, and a description thereof will be omitted.

形状測定装置1000は、光周波数コムレーザ装置110からレンズ120に照射される測定光Psの方向を変更する照射角変更器1001をさらに備え、照射角変更器1001の中心はレンズ120の中心軸1010上にある。本実施形態のレンズ120は、光周波数コムレーザ装置110からの測定光Psを平行光1021、1022にしてワーク150に照射し、ワーク150からの反射光を照射角変更器1001に集光する。それを受けて、照射角変更器1001は、ワーク150からの反射光を光周波数コムレーザ装置110に照射する。   The shape measuring apparatus 1000 further includes an irradiation angle changer 1001 that changes the direction of the measurement light Ps irradiated from the optical frequency comb laser apparatus 110 to the lens 120, and the center of the irradiation angle changer 1001 is on the central axis 1010 of the lens 120. It is in. The lens 120 of the present embodiment irradiates the work 150 with the measurement light Ps from the optical frequency comb laser device 110 as parallel light 1021 and 1022, and condenses the reflected light from the work 150 on the irradiation angle changer 1001. In response to this, the irradiation angle changer 1001 irradiates the optical frequency comb laser device 110 with the reflected light from the workpiece 150.

照射角変更器1001は、ミラーとそれを駆動するための動力機構等を備え、演算処理装置130の光路制御部136からの制御信号に応じて、レンズ120に向けて照射される測定光Psの照射角(x、y)を変更する。ここで、xは中心軸1010に対する角度であり、yは該中心軸に垂直な軸に対する角度である。   The irradiation angle changer 1001 includes a mirror and a power mechanism for driving the mirror, and the measurement light Ps irradiated toward the lens 120 according to a control signal from the optical path control unit 136 of the arithmetic processing unit 130. The irradiation angle (x, y) is changed. Here, x is an angle with respect to the central axis 1010, and y is an angle with respect to an axis perpendicular to the central axis.

照射角(x、y)を変更することにより、ワーク150に測定光Psが照射される位置を所定の位置に調整することができる。例えば、測定光Psは、ワーク150のA点に照射角(x、y)で照射され、ワーク150のA点には照射角(x、y)で照射される。 By changing the irradiation angle (x, y), the position where the workpiece 150 is irradiated with the measurement light Ps can be adjusted to a predetermined position. For example, the measurement light Ps is irradiated to the point A 1 of the workpiece 150 at an irradiation angle (x 1 , y 1 ), and the point A 2 of the workpiece 150 is irradiated at an irradiation angle (x 2 , y 2 ).

このように、光路制御部136は、照射角変更器1001により測定光Psの照射角(x、y)を制御することにより、ワーク150の所定の位置に測定光Psを照射することができる。   In this way, the optical path control unit 136 can irradiate the measurement light Ps to a predetermined position of the workpiece 150 by controlling the irradiation angle (x, y) of the measurement light Ps by the irradiation angle changer 1001.

図10からわかるように、測定光Psのの照射角を調整すると、レンズ120の中心を通る光路1010に比べ、光路1021は、ΔLs=Ls1−Ls0=(1/cosx−1)Ls0だけ長くなることになる。ここで、Lsは、レンズ120の中心をとおる測定光Psの基準点RPからワーク150までの光路長である。 As can be seen from FIG. 10, when the irradiation angle of the measurement light Ps is adjusted, the optical path 1021 is longer by ΔLs = Ls1−Ls0 = (1 / cosx 1 −1) Ls0 than the optical path 1010 passing through the center of the lens 120. Will be. Here, Ls is an optical path length from the reference point RP of the measurement light Ps passing through the center of the lens 120 to the workpiece 150.

そのため、この実施形態では、距離算出部134は、前述の式3及び式4におけるLsを、「Ls+ΔLs」=「Ls+(1/cosx−1)Ls0」で置き換えてワーク150までの距離を算出する。   Therefore, in this embodiment, the distance calculation unit 134 calculates the distance to the workpiece 150 by replacing Ls in the above-described Expression 3 and Expression 4 with “Ls + ΔLs” = “Ls + (1 / cosx−1) Ls0”. .

この実施形態では、ワーク150を動かすことなく、測定光Psの照射位置を変更することができ、測定光Psの照射位置の微調整が行い易い構成である。   In this embodiment, the irradiation position of the measurement light Ps can be changed without moving the workpiece 150, and the irradiation position of the measurement light Ps can be easily finely adjusted.

100:形状測定装置、
113a:第1の光周波数コム発生器(OFCG)(第1の光発生器)
113b:第2の光周波数コム発生器(OFCG)(第2の光発生器)
116:参照面
118a:第1の検出器
118b:第2の検出器
120:レンズ
130:演算処理装置
132:位置制御部
133:位相決定部
134:距離算出部
135:画像生成部
150:ワーク(測定対象物)
100: Shape measuring device,
113a: first optical frequency comb generator (OFCG) (first optical generator)
113b: second optical frequency comb generator (OFCG) (second optical generator)
116: Reference plane 118a: First detector 118b: Second detector 120: Lens 130: Arithmetic processing device 132: Position control unit 133: Phase determination unit 134: Distance calculation unit 135: Image generation unit 150: Workpiece ( Measurement object)

Claims (4)

第1の繰り返し周波数のモードを有する第1の光を発生する第1の光発生器と、
前記第1の繰り返し周波数と異なる第2の繰り返し周波数のモードを有する第2の光を発生する第2の光発生器と、
前記第1及び第2の光発生器から基準点を介して照射されてきた前記第1の光と前記第2の光との第1の干渉光を検出する第1の検出器と、
前記基準点を介して、測定対象物から反射されてきた前記第1の光と参照面から反射されてきた前記第2の光との第2の干渉光を検出する第2の検出器と、
前記第2の干渉光の位相(θ )と前記第1の干渉光の位相(θ )との間の位相差(Δθ b-a)を算出し、前記位相差(Δθ b-a)の隣接するモード間のモード間位相差(ΔΦ)を複数個算出し、そして前記複数個のモード間位相差の存在確率分布(N(ΔΦ))を作成することを所定の回数繰り返し、前記所定の数の前記存在確率分布を互いに掛けあわせることにより得られる関数又は互いに加えることにより得られる関数の最大値をとるモード間位相差(ΔΦ)を決定する位相決定部と、
前記決定されたモード間位相差を基に、前記基準点から前記測定対象物までの距離を算出する距離算出部とを具備する、形状測定装置。
A first light generator for generating first light having a mode of a first repetition frequency;
A second light generator for generating a second light having a second repetition frequency mode different from the first repetition frequency;
A first detector for detecting a first interference light between the first light and the second light emitted from the first and second light generators via a reference point;
A second detector for detecting a second interference light between the first light reflected from the measurement object and the second light reflected from the reference surface via the reference point;
Calculating a phase difference between said second interference light phase (θ k b) and said first interference light phase (θ k a) (Δθ k b-a), the phase difference ([Delta] [theta] k a plurality of phase differences (ΔΦ) between adjacent modes in ( b−a ) and a plurality of phase difference existence probability distributions (N (ΔΦ)) are generated a predetermined number of times. Repetitively, a phase determining unit that determines a phase difference (ΔΦ D ) between modes that takes a maximum value of a function obtained by multiplying the predetermined number of the existence probability distributions with each other or a function obtained by adding to each other;
A shape measuring apparatus comprising: a distance calculating unit that calculates a distance from the reference point to the measurement object based on the determined phase difference between modes.
前記測定対象物の位置を制御する位置制御部と、
前記測定対象物の位置の情報に関連付けられた前記距離の情報を基に、前記測定対象物の3次元距離画像を生成する画像生成部とをさらに具備する請求項1に記載の形状測定装置。
A position control unit for controlling the position of the measurement object;
The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising: an image generation unit configured to generate a three-dimensional distance image of the measurement object based on the distance information associated with the position information of the measurement object.
レンズと、
前記基準点を介して前記第1の光を入射し、前記第1の光を前記レンズに所定の照射角で照射する照射角変更器とをさらに具備し、
前記位相決定部は、前記決定されたモード間位相差(ΔΦ)及び前記照射角を基に、前記基準点から前記測定対象物までの距離を算出する、請求項1又は2に記載の形状測定装置。
A lens,
An irradiation angle changer that makes the first light incident through the reference point and irradiates the first light to the lens at a predetermined irradiation angle;
The shape according to claim 1 or 2, wherein the phase determination unit calculates a distance from the reference point to the measurement object based on the determined phase difference between modes (ΔΦ D ) and the irradiation angle. measuring device.
所定の繰り返し周波数のモードを有する干渉光を検出する第1ステップと、
前記干渉光の隣接するモード間のモード間位相差(ΔΦ)を複数個算出する第2ステップと、
前記複数個のモード間位相差の存在確率分布(N(ΔΦ))を作成する第3ステップと、
前記第1ステップから第3ステップまでを所定の回数繰り返し、前記所定の数の前記存在確率分布を互いに掛けあわせることにより得られる関数又は互いに加えることにより得られる関数の最大値をとるモード間位相差(ΔΦ)を決定するステップと、
前記決定したモード間位相差(ΔΦ)を基に、基準点から測定対象物までの距離を算出するステップとを具備する、形状測定方法。
A first step of detecting interference light having a mode of a predetermined repetition frequency;
A second step of calculating a plurality of phase differences (ΔΦ) between adjacent modes of the interference light;
A third step of creating an existence probability distribution (N (ΔΦ)) of the phase differences between the plurality of modes;
A phase difference between modes that takes a maximum value of a function obtained by repeating the first step to the third step a predetermined number of times and multiplying the predetermined number of the existence probability distributions with each other or adding each other. Determining (ΔΦ D );
Calculating the distance from the reference point to the measurement object based on the determined inter-phase phase difference (ΔΦ D ).
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