JP7236027B2 - Optical rotating probe and shape measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、測定光を測定対象物に向けて照射し且つ測定対象物にて反射された測定光の反射光を受光する光回転プローブ、及びこの光回転プローブを備える形状測定装置に関する。 The present invention relates to an optical rotating probe that irradiates an object to be measured with measuring light and receives the reflected light of the measuring light reflected by the object to be measured, and a shape measuring apparatus that includes this optical rotating probe.
測定対象物の形状を測定する形状測定装置として、例えば、光プローブを用いて測定対象物の様々な測定ポイントの三次元座標値を非接触で検出することにより測定対象物の形状を得る三次元座標測定装置が知られている。光プローブは、測定対象物の測定ポイントに向けて光源からの測定光を照射し、且つこの測定ポイントにて反射された測定光の反射光を受光する。そして、形状測定装置は、干渉計を用いた公知の測定方法により光プローブから測定ポイントまでの距離を検出した結果に基づき、測定対象物の形状を測定する。 As a shape measuring device for measuring the shape of an object, for example, an optical probe is used to detect the three-dimensional coordinate values of various measurement points on the object without contact, thereby obtaining the shape of the object. Coordinate measuring devices are known. The optical probe irradiates the measurement light from the light source toward the measurement point of the measurement object, and receives the reflected light of the measurement light reflected at the measurement point. Then, the shape measuring device measures the shape of the measurement object based on the result of detecting the distance from the optical probe to the measurement point by a known measurement method using an interferometer.
このような光プローブとして、プローブ長手軸の軸周り方向に回転走査を行うことができる光回転プローブが知られている(特許文献1及び特許文献2参照)。光回転プローブを用いて回転走査を行うことで、例えば円筒状の測定対象物の内面形状を測定したり、定盤上に配置された複数の測定対象物の表面形状を同時測定したりすることができる。 As such an optical probe, an optical rotary probe capable of rotating and scanning in a direction around the longitudinal axis of the probe is known (see Patent Documents 1 and 2). By performing rotational scanning using an optical rotating probe, for example, it is possible to measure the inner surface shape of a cylindrical measurement object, or simultaneously measure the surface shape of multiple measurement objects placed on a surface plate. can be done.
特許文献1には、光源からの測定光を導光する固定側光ファイバーケーブルと、光ロータリコネクタと、光ロータリコネクタを介して固定側光ファイバーケーブルに接続された回転側光ファイバーケーブルと、回転側光ファイバーケーブルの先端側に設けられた結像光学系と、を備える光回転プローブが記載されている。この光回転プローブは、固定側光ファイバーケーブルと回転側光ファイバーケーブルとを光ロータリコネクタで接続することで、回転側光ファイバーケーブル及び結像光学系をプローブ長手軸の軸周り方向に一体に回転させることができる。 Patent Document 1 discloses a fixed-side optical fiber cable that guides measurement light from a light source, an optical rotary connector, a rotating-side optical fiber cable connected to the fixed-side optical fiber cable via the optical rotary connector, and a rotating-side optical fiber cable. An optical rotary probe is described that includes an imaging optic located distal to the . In this optical rotary probe, by connecting the fixed-side optical fiber cable and the rotating-side optical fiber cable with an optical rotary connector, the rotating-side optical fiber cable and the imaging optical system can be integrally rotated around the longitudinal axis of the probe. can.
特許文献2には、光ファイバーケーブルのたるみを利用してプローブ長手軸の軸周り方向に回転可能にした光回転プローブが記載されている。この光回転プローブは、光ファイバーケーブルのねじれ弾性限界範囲内でプローブ長手軸の軸周り方向に回転させることができる。 Patent Literature 2 describes an optical rotating probe that is rotatable around the longitudinal axis of the probe by utilizing the slack of the optical fiber cable. This optical rotary probe can be rotated about the longitudinal axis of the probe within the torsional elastic limit of the optical fiber cable.
ところで、特許文献1に記載の光回転プローブでは、固定側光ファイバーケーブルと回転側光ファイバーケーブルとを光ロータリコネクタで接続している。ここで、上述の干渉計を用いた公知の測定方法では光ファイバーケーブルとしてシングルモード光ファイバーケーブルを用いるため、光ロータリコネクタの摩耗により回転精度が悪化すると、光回転プローブを介した反射光等の受光感度が著しく低下する。また、より高精度な測定を行う場合には光ファイバーケーブルとして偏波保持光ファイバーケーブルが用いられるが、偏波保持光ファイバーケーブルは、その構造上、光ロータリコネクタで接続することができない。 By the way, in the optical rotary probe described in Patent Document 1, the fixed-side optical fiber cable and the rotary-side optical fiber cable are connected by an optical rotary connector. Here, since a single-mode optical fiber cable is used as the optical fiber cable in the above-described known measurement method using an interferometer, if the rotation accuracy deteriorates due to wear of the optical rotary connector, the light reception sensitivity of reflected light, etc., through the optical rotary probe will be reduced. decreases significantly. A polarization-maintaining optical fiber cable is used as the optical fiber cable for more accurate measurement, but due to its structure, the polarization-maintaining optical fiber cable cannot be connected with an optical rotary connector.
特許文献2に記載の光回転プローブは、光ファイバーケーブルのねじれ弾性限界範囲を超えて回転させられないので、光回転プローブの回転数が制限されるという問題がある。 The optical rotary probe described in Patent Document 2 cannot be rotated beyond the torsional elastic limit range of the optical fiber cable, so there is a problem that the number of rotations of the optical rotary probe is limited.
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、反射光の受光感度低下防止と、回転数の制限回避と、偏波保持光ファイバーケーブルへの対応と、を実現した光回転プローブ、及びこの光回転プローブを備える形状測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an optical rotating probe that achieves prevention of a decrease in sensitivity to reflected light, avoidance of restrictions on the number of rotations, and compatibility with polarization-maintaining optical fiber cables, and An object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus equipped with this optical rotating probe.
本発明の目的を達成するための光回転プローブは、光源から出射された測定光を測定対象物に向けて出射し、測定対象物にて反射された測定光の反射光を受光する光回転プローブにおいて、測定光及び反射光を導光する導光路であって、測定光を出射し且つ反射光が入射する出入射端を有する導光路と、出入射端から出射される測定光及び出入射端に入射する反射光の双方の光路に平行な第1長手軸と、光路を取り囲む第1内面と、を有する中空の第1シャフトと、第1シャフトを第1長手軸を中心とする軸周り方向に回転させるシャフト回転機構と、第1シャフトの出入射端に対向する側とは反対側の端部に設けられ、第1シャフトの内部を通って入射した測定光を測定対象物に向けて反射し、且つ測定対象物からの反射光を出入射端に向けて反射する反射体と、を備える。 An optical rotary probe for achieving the object of the present invention emits measurement light emitted from a light source toward an object to be measured, and receives the reflected light of the measurement light reflected by the object to be measured. a light guide path for guiding the measurement light and the reflected light, the light guide path having an input/output end from which the measurement light is emitted and the reflected light is incident; a hollow first shaft having a first longitudinal axis parallel to both optical paths of reflected light incident on and a first inner surface surrounding the optical paths; and a shaft rotation mechanism that rotates the first shaft on the side opposite to the side facing the incident/exit end of the first shaft, and reflects the measurement light incident through the inside of the first shaft toward the object to be measured. and a reflector that reflects the reflected light from the object to be measured toward the incident/exit end.
この光回転プローブによれば、導光路を回転させることなく、シャフト回転機構により第1シャフト及び反射体を回転させることで測定対象物に対する測定光の回転走査が可能になる。 According to this optical rotating probe, the first shaft and the reflector are rotated by the shaft rotating mechanism without rotating the light guide, so that the measurement light can be rotated and scanned with respect to the object to be measured.
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、第1シャフトの内部に設けられ且つ測定光を測定対象物に集光させる結像レンズを備える。これにより、測定光を測定対象物に集光させることができる。 An optical rotary probe according to another aspect of the present invention comprises an imaging lens provided inside the first shaft for focusing the measurement light onto the measurement object. Thereby, the measurement light can be focused on the measurement object.
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、第1シャフトの内部に挿通された中空の第2シャフトであって、且つ光路に平行な第2長手軸と光路を取り囲む第2内面とを有する第2シャフトと、第2シャフトを、第2長手軸を中心とする軸周り方向に回転不能に保持するシャフト保持部と、を備え、結像レンズが第2シャフトの内部に設けられている。これにより、シャフト回転機構による第1シャフト等の回転により結像レンズの光軸が光路に対して垂直方向に移動(振動)することが防止されるため、結像レンズの光軸の安定性を向上させることができる。 In an optical rotary probe according to another aspect of the present invention, a second hollow shaft inserted inside the first shaft and having a second longitudinal axis parallel to the optical path and a second inner surface surrounding the optical path. It comprises a second shaft and a shaft holding part that holds the second shaft in a non-rotatable direction about the second longitudinal axis, and an imaging lens is provided inside the second shaft. This prevents the optical axis of the imaging lens from moving (vibrating) in the direction perpendicular to the optical path due to the rotation of the first shaft or the like by the shaft rotation mechanism, thereby improving the stability of the optical axis of the imaging lens. can be improved.
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、反射体が、測定光を測定対象物に向けて出射し且つ測定対象物からの反射光が入射する出入射面を有し、出入射面に設けられ且つ測定光を測定対象物に集光させる結像レンズを備える。これにより、焦点距離の短い結像レンズを用いることができる。 In the optical rotation probe according to another aspect of the present invention, the reflector has an exit/incidence surface for emitting the measurement light toward the measurement object and for receiving the reflected light from the measurement object, and An imaging lens is provided and focuses the measurement light onto the measurement object. This makes it possible to use an imaging lens with a short focal length.
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、出入射端と第1シャフトとの間にコリメータが設けられている。これにより、導光路と第1シャフト内の光学系とのアライメントずれに起因する反射光の受光感度低下を防止することができる。 In the optical rotary probe according to another aspect of the present invention, a collimator is provided between the incident/exiting end and the first shaft. As a result, it is possible to prevent the light receiving sensitivity of the reflected light from being lowered due to misalignment between the light guide path and the optical system in the first shaft.
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、導光路と第1シャフトとの間にシャフト回転機構が設けられており、シャフト回転機構が、測定光及び反射光が通る中空部を有する。これにより、測定光及び反射光を遮ることなく第1シャフトを回転させることができる。 In the optical rotating probe according to another aspect of the present invention, a shaft rotating mechanism is provided between the light guide path and the first shaft, and the shaft rotating mechanism has a hollow portion through which the measurement light and the reflected light pass. Thereby, the first shaft can be rotated without blocking the measurement light and the reflected light.
本発明の他の態様に係る光回転プローブにおいて、反射体が直角プリズムミラーである。 In an optical rotating probe according to another aspect of the invention, the reflector is a rectangular prism mirror.
本発明の目的を達成するための形状測定装置は、測定対象物の形状を測定する形状測定装置において、測定光を出射する光源と、上述の光回転プローブと、出入射端から導光路に入射した反射光と、測定対象物とは異なる反射面において反射された測定光の一部である参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、を備える。この反射面には出入射端が含まれる。 A shape measuring apparatus for achieving the object of the present invention is a shape measuring apparatus for measuring the shape of an object to be measured, comprising: a light source for emitting measurement light; the optical rotating probe; and an interference signal detection unit that detects an interference signal between the reflected light and the reference light that is a part of the measurement light reflected on a reflecting surface different from the measurement object. This reflective surface includes an outgoing and incoming edge.
本発明は、反射光の受光感度低下防止と、回転数の制限回避と、偏波保持光ファイバーケーブルへの対応と、を実現することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can realize prevention of a decrease in the light receiving sensitivity of reflected light, avoidance of rotation speed limitations, and compatibility with polarization-maintaining optical fiber cables.
[三次元座標測定装置の構成]
図1は、本発明の形状測定装置に相当する三次元座標測定装置10の概略図である。なお、図1中のX軸、Y軸、及びZ軸は、三次元座標測定装置10に固有の機械座標原点に基づいて定められる機械座標系である。
[Configuration of three-dimensional coordinate measuring device]
FIG. 1 is a schematic diagram of a three-dimensional
図1に示すように、三次元座標測定装置10は、光回転プローブ26を用いて、本発明の測定対象物であるワークWの形状測定、例えば円筒状のワークWの内周面の形状測定を行う。なお、ここでいうワークWの形状には、ワークWの三次元形状、二次元形状、表面形状、輪郭形状、及び長さ又は径などの各種の寸法形状などが含まれる。また、測定対象のワークWの形状及び種類は特に限定はされない。
As shown in FIG. 1, the three-dimensional
三次元座標測定装置10は、架台12と、架台12上に設けられたテーブル14(定盤)と、テーブル14の両端部に立設された右Yキャリッジ16R及び左Yキャリッジ16Lと、右Yキャリッジ16R及び左Yキャリッジ16Lの上部を連結するXガイド18と、を備える。右Yキャリッジ16Rと左Yキャリッジ16LとXガイド18とにより門型フレーム19が構成される。
The three-dimensional
テーブル14のX軸方向の両端部の上面と側面には、Y軸方向に沿って右Yキャリッジ16R及び左Yキャリッジ16Lが摺動する摺動面が形成されている。なお、右Yキャリッジ16R及び左Yキャリッジ16Lには、テーブル14の摺動面に対向する位置にエアベアリング(図示は省略)が設けられている。これにより、右Yキャリッジ16R及び左Yキャリッジ16Lは、Xガイド18と共にY軸方向に移動自在となる。
Sliding surfaces on which the
Xガイド18には、Xキャリッジ20が取り付けられている。このXガイド18には、Xキャリッジ20が摺動する摺動面がX軸方向に沿って形成されている。また、Xキャリッジ20には、Xガイド18の摺動面に対向する位置にエアベアリング(図示は省略)が設けられている。これにより、Xキャリッジ20はX軸方向に移動自在となる。
An
Xキャリッジ20には、Zキャリッジ22(Zスピンドルともいう)が取り付けられている。また、Xキャリッジ20には、Zキャリッジ22をZ軸方向に案内するZ軸方向案内用のエアベアリング(図示せず)が設けられている。これにより、Zキャリッジ22は、Xキャリッジ20によってZ軸方向に移動可能に保持されている。このZキャリッジ22の下端には、光回転プローブ26を含む公知の各種プローブを選択的に着脱自在に保持する測定ヘッド24が設けられている。
A Z carriage 22 (also referred to as a Z spindle) is attached to the
なお、三次元座標測定装置10には、図示は省略するが、門型フレーム19をY軸方向に移動させるY軸駆動部と、Xキャリッジ20をX軸方向に移動させるX軸駆動部と、Zキャリッジ22をZ軸方向に移動させるZ軸駆動部と、が設けられている。これにより、測定ヘッド24(光回転プローブ26)を、互いに直交する3軸方向(XYZ軸方向)に移動させることができる。
Although not shown, the three-dimensional
テーブル14の右Yキャリッジ16R側の端部には、Y軸リニアスケール(図示せず)が設けられている。また、Xガイド18にはX軸リニアスケール(図示せず)が設けられ、Zキャリッジ22にはZ軸リニアスケール(図示せず)が設けられている。
A Y-axis linear scale (not shown) is provided at the end of the table 14 on the
一方、右Yキャリッジ16Rには、Y軸リニアスケールを読み取るY軸検出部(図示せず)が設けられている。また、Xキャリッジ20には、X軸リニアスケール及びZ軸リニアスケールをそれぞれ読み取るX軸検出部(図示せず)とZ軸検出部(図示せず)とが設けられている。各検出部の検出結果は、コントローラ70を介して制御装置72へ出力される。
On the other hand, the
測定ヘッド24には、光回転プローブ26を、Z軸方向に平行な回転軸の軸周り方向及びZ軸に垂直な回転軸の軸周り方向にそれぞれ回転させるモータなどのヘッド駆動部(図示は省略)が設けられている。これにより、測定ヘッド24は、2つの回転軸の軸周り方向において、光回転プローブ26の回転角を無段階に調整することができる。その結果、光回転プローブ26の姿勢を任意に変位(回転)させることができる。
The
なお、測定ヘッド24には、光回転プローブ26の回転角をそれぞれ検出するロータリエンコーダ等のプローブ回転角検出部(図示せず)が設けられている。このプローブ回転角検出部による検出結果は、コントローラ70を介して制御装置72へ出力される。
The measuring
光回転プローブ26は、測定ヘッド24に着脱自在に取り付けられている。光回転プローブ26は、波長掃引光源28から光ファイバーケーブル30及びファイバーサーキュレータ32を介して入力された測定光LAをワークWの測定面(ここでは内周面)に向けて出射する。また、光回転プローブ26は、ワークWの測定面で反射された反射光LBを受光し、この反射光LB及び後述の参照光LC(図3参照)を、ファイバーサーキュレータ32及び光ファイバーケーブル34を介して光検出器36へ出力する。
The optical
また、詳しくは後述するが、光回転プローブ26は、その先端部分(回転光学系42、図2参照)が後述の長手軸62a(図2参照)の軸周り方向に回転可能に構成されている。これにより、光回転プローブ26は、その先端部分を回転させることで、ワークWの測定面に沿って測定光LAを回転走査することができる。
Further, although details will be described later, the tip portion (rotating
図2は、光回転プローブ26の断面図である。図2に示すように、光回転プローブ26は、測定ヘッド24に固定される固定光学系40と、固定光学系40によって光回転プローブ26の長手軸62aの軸周り方向に回転される回転光学系42と、を備える。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the optical
固定光学系40は、光ファイバーケーブル44と、ヘッド取付部46と、コリメータレンズ48と、中空モータ50と、を備える。
The fixed
光ファイバーケーブル44は、本発明の導光路に相当するものである。この光ファイバーケーブル44(他の光ファイバーケーブル30,34も同様)としては、シングルモード光ファイバーケーブル及び偏波保持光ファイバーケーブル等の公知の各種の光ファイバーケーブルが用いられる。
The
光ファイバーケーブル44の一端側は、測定ヘッド24内及びZキャリッジ22内等を挿通してファイバーサーキュレータ32に接続されている。また、光ファイバーケーブル44の他端側はヘッド取付部46に接続される。この光ファイバーケーブル44の他端側の端面は、波長掃引光源28から光ファイバーケーブル30等を介して入力された測定光LAを出射し且つワークWの測定面にて反射された反射光LB等が入射する出入射端44aとなる。なお、図中の符号Pは測定光LA及び反射光LBの光路である。
One end of the
また、波長掃引光源28等から光ファイバーケーブル44に入力された測定光LAの一部は、出入射端44aにて参照光LC(図3参照)として反射される。従って、出入射端44aは、本発明の反射面としても機能する。
Part of the measurement light LA input from the wavelength swept
ヘッド取付部46は、光路P(長手軸62a)に平行な方向に延びた中空の筒体である。ヘッド取付部46の一端側は既述の測定ヘッド24に着脱自在に取り付けられる。また、ヘッド取付部46の他端側には中空モータ50が固定されている。さらに、ヘッド取付部46の一端側には、光ファイバーケーブル44の他端側が接続されるケーブル接続部46aが設けられている。ケーブル接続部46aは、光ファイバーケーブル44の出入射端44aをヘッド取付部46の内部で且つヘッド取付部46の中心軸と一致(略一致を含む、以下同じ)する位置に保持する。
The
コリメータレンズ48は、ヘッド取付部46の内部であって且つ出入射端44aと中空モータ50との間の位置に設けられている。このコリメータレンズ48の光軸は、光路Pの中心線に一致している。コリメータレンズ48は、出入射端44aから出射された測定光LAを平行光に変換した後、この測定光LAを後述のシャフト62内の結像レンズ64に向けて出射する。これにより、固定光学系40と回転光学系42とのアライメントずれに起因する反射光LBの受光感度低下を防止することができる。また、コリメータレンズ48は、結像レンズ64から入射した反射光LBを出入射端44aに向けて出射する。
The
中空モータ50は、本発明のシャフト回転機構に相当するものであり、後述のシャフト62をその長手軸62aを中心とする軸周り方向(以下、単に長手軸周り方向と略す)に回転させる。この中空モータ50は、不図示のコイルを巻き回してなる中空のステータ52(固定子ともいう)と、このステータ52の内部で長手軸周り方向に回転する中空のロータ54(回転子ともいう)と、を備える。なお、中空モータ50の詳細構造については公知技術であるので、その詳細についての説明は省略する。
The
ロータ54には、光路Pが通る中空部54aであって且つこの光路P(長手軸62a)に平行な方向に延びた中空部54aが形成されている。これにより、コリメータレンズ48から出射された測定光LAが中空部54a内を通って後述の結像レンズ64に入射し、且つ結像レンズ64から出射した反射光LBが中空部54a内を通ってコリメータレンズ48に入射する。
The
ロータ54は、コントローラ70からのステータ52に対する駆動信号(電圧)の印加に応じて、長手軸62aを中心として回転する。なお、中空モータ50には、ロータ54の回転角をそれぞれ検出するロータリエンコーダ等のロータ回転角検出部(図示せず)が設けられている。このロータ回転角検出部による検出結果は、コントローラ70を介して制御装置72へ出力される。なお、ロータ回転角検出部を用いる代わりに、例えば公知のサーボ制御によりロータ54の回転角等を制御することで、ロータ54の回転角を検出可能にしてもよい。
The
また、ロータ54の回転光学系42に対向する側の円環状の先端面54bには、回転光学系42を構成する後述のシャフト保持板60が固定されている。
A
なお、中空モータ50は、図2に示した構成(構造)に限定されるものではなく、公知の各種中空モータを代わりに用いてもよい。
The
回転光学系42は、ロータ54の回転に応じて長手軸周り方向に回転する。この回転光学系42は、シャフト保持板60と、シャフト62と、結像レンズ64と、直角プリズムミラー66と、を備える。
The rotating
シャフト保持板60は、ロータ54の先端面54bと略同形状(円環状)に形成されており、先端面54bに対して平行な姿勢で先端面54b上に固定されている。シャフト保持板60には、光路Pが通る嵌合穴であって且つこの光路P(長手軸62a)に平行な方向に延びた嵌合穴が形成されている。この嵌合穴にはシャフト62の一端部が嵌合する。これにより、シャフト保持板60は、シャフト62を、その長手軸62aを光路Pの中心線に一致させた状態で保持する。
The
シャフト62は、本発明の第1シャフトに相当するものである。シャフト62は、光路Pに平行方向に延びた中空の円筒であり、光路Pに平行な長手軸62a(本発明の第1長手軸に相当)を有している。そして、シャフト62の一端部がシャフト保持板60に固定されている状態において、長手軸62aが光路Pの中心線に一致(略一致)し、且つシャフト62の内面62b(本発明の第1内面に相当)が光路Pを取り囲む。
The
また、シャフト62の内部であって且つシャフト62の既述の一端部とは反対側の他端部には、結像レンズ64が設けられている。また、シャフト62の他端部には、シャフト62の他端部側の開口部を覆うように直角プリズムミラー66が設けられている。
An
結像レンズ64は、その光軸が光路Pの中心線に一致する位置に配置される。結像レンズ64は、コリメータレンズ48から入射した測定光LAを、直角プリズムミラー66を通してワークWの測定面に結像させる。また、結像レンズ64は、直角プリズムミラー66を通して入射した反射光LBをコリメータレンズ48に向けて出射する。
The
直角プリズムミラー66は、本発明の反射体に相当するものであり、シャフト62の内部及び結像レンズ64を通して入射した測定光LAをワークWの測定面に向けて反射させる。具体的に、直角プリズムミラー66は、結像レンズ64から入射した測定光LAを90°(略90°を含む)屈折させて、直角プリズムミラー66等の回転平面[長手軸62a(回転軸)に垂直な面]に平行な光束にした後、ワークWの測定面に向けて出射する。
The
また、直角プリズムミラー66は、ワークWの測定面にて反射された反射光LBを、結像レンズ64に向けて反射する。これにより、反射光LBが直角プリズムミラー66からコリメータレンズ48を経て光ファイバーケーブル44の出入射端44aに入射される。
Also, the
回転光学系42を構成するシャフト保持板60、シャフト62、結像レンズ64、及び直角プリズムミラー66は、ロータ54の回転に応じて、長手軸周り方向に一体的に回転する。そして、直角プリズムミラー66が長手軸周り方向に回転されることにより、ワークWの測定面に沿って測定光LAが回転走査される。
The
図1に戻って、コントローラ70は、三次元座標測定装置10が手動測定モードである場合、不図示の操作部に対する操作入力に応じて、不図示の各駆動部(XYZ駆動部及びヘッド駆動部)を駆動して光回転プローブ26の位置及び姿勢を変位させると共に、中空モータ50を駆動して直角プリズムミラー66等を長手軸周り方向に回転させる。また、コントローラ70は、三次元座標測定装置10が自動測定モードである場合、制御装置72の制御の下、各駆動部及び中空モータ50を駆動して、光回転プローブ26の位置及び姿勢を変位させると共に、直角プリズムミラー66等を長手軸周り方向に回転させる。
Returning to FIG. 1, when the three-dimensional coordinate measuring
また、コントローラ70には前述の不図示の各検出部(XYZ軸検出部、プローブ回転角検出部、及びロータ回転角検出部)が接続されており、これら各部から出力された信号等を制御装置72へ出力する。
Further, the
図3は、光回転プローブ26を用いたワークWの測定面の形状測定を説明するための説明図である。図3と、既述の図1及び図2とに示すように、波長掃引光源28は、光ファイバーケーブル30を介してファイバーサーキュレータ32へ測定光LAを出射する。この測定光LAは、一定の波長掃引周期(一定の波長掃引周波数)ごとに一定波長帯で波長が正弦波状に変化する波長掃引光である。
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the shape measurement of the measurement surface of the workpiece W using the optical
ファイバーサーキュレータ32は、光ファイバーケーブル30を介して波長掃引光源28に接続し、且つ光ファイバーケーブル34を介して光検出器36に接続し、且つ光回転プローブ26の光ファイバーケーブル44に接続している。
ファイバーサーキュレータ32は、例えば非往復方式且つ1方向型デバイスであって3つのポートを有しており、光ファイバーケーブル30を介して波長掃引光源28から入力された測定光LAを光ファイバーケーブル44に出力する。これにより、光回転プローブ26に波長掃引光源28からの測定光LAが入力される。その結果、ワークWの測定面にて反射された反射光LBと、出入射端44aにて反射された参照光LCと、が光ファイバーケーブル44を介してファイバーサーキュレータ32に入力される。
The
また、ファイバーサーキュレータ32は、光回転プローブ26から入力された反射光LB及び参照光LCの干渉信号SGを、光ファイバーケーブル34を介して光検出器36に出力する。
The
光検出器36は、本発明の干渉信号検出部に相当するものであり、例えばシリコンフォトダイオード、InGaAs(インジウムガリウム砒素)フォトダイオード、光電管、及び光電子倍増管等が用いられる。光検出器36は、制御装置72の制御の下、ファイバーサーキュレータ32から光ファイバーケーブル34を介して入力された干渉信号SGを電気信号に変換及び増幅して制御装置72へ出力する。
The
制御装置72は、例えばパーソナルコンピュータのような演算装置により構成され、各種のプロセッサ(Processor)及びメモリ等から構成された演算回路を備える。各種のプロセッサには、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、及びプログラマブル論理デバイス[例えばSPLD(Simple Programmable Logic Devices)、CPLD(Complex Programmable Logic Device)、及びFPGA(Field Programmable Gate Arrays)]等が含まれる。なお、制御装置72の各種機能は、1つのプロセッサにより実現されてもよいし、同種または異種の複数のプロセッサで実現されてもよい。
The
制御装置72は、例えば自動測定モード時には、予め定められた測定プログラムに従って既述の不図示の各駆動部及び中空モータ50を駆動して、光回転プローブ26の位置及び姿勢の変位と、直角プリズムミラー66等の長手軸周り方向の回転と、を実行する。これにより、ワークWの測定面に対する光回転プローブ26の測定光LAの回転走査が実行され、この測定面の複数の測定ポイントごとの干渉信号SGが光検出器36で検出される。その結果、光検出器36から制御装置72に対して測定ポイントごとの干渉信号SGの検出結果が入力される。なお、制御装置72は、手動測定モード時には、不図示の操作部に対する操作入力に応じて、上述の測定光LAの回転走査を実行させる。
For example, in the automatic measurement mode, the
また、制御装置72は、自動測定モード及び手動測定モードの双方において、光検出器36により検出された測定ポイントごとの干渉信号SGの検出結果に基づき、直角プリズムミラー66からワークWの測定面の測定ポイントまでの距離L2を、測定ポイントごとに演算する。
Further, in both the automatic measurement mode and the manual measurement mode, the
具体的に制御装置72は、測定ポイントごとの干渉信号SGの検出結果に基づき、出入射端44aから直角プリズムミラー66までの距離L1と、既述の測定ポイントごとの距離L2との距離合計値(L1+L2)を、測定ポイントごとに演算する。なお、距離合計値の演算方法については公知技術(例えば特開2016-024086号公報及び特開2018-084434号公報)であるので、ここでは具体的な説明は省略する。
Specifically, based on the detection result of the interference signal SG for each measurement point, the
次いで、制御装置72は、測定ポイントごと距離合計値の演算結果と既知の距離L1とに基づき、測定ポイントごとの距離L2を演算する。そして、制御装置72は、測定ポイントごとの光回転プローブ26の位置及び姿勢と、測定ポイントごとの直角プリズムミラー66等の長手軸周り方向の回転角と、測定ポイントごとの距離L2の演算結果と、に基づき、測定ポイントごとの三次元座標を演算する。これにより、制御装置72は、測定光LAで走査されたワークWの測定面の形状を演算することができる。
Next, the
[本実施形態の効果]
以上のように本実施形態の光回転プローブ26は、光ファイバーケーブル44を回転させることなく、固定光学系40に対して回転光学系42(直角プリズムミラー66等)を回転させることでワークWに対する測定光LAの回転走査が可能になる。これにより、上記特許文献1及び2に記載のように光ロータリコネクタを用いたり或いは光ファイバーケーブルを捩じったりすることなく、測定光LAの回転走査が可能になる。その結果、光ロータリコネクタの摩耗に起因する反射光LBの受光感度の低下が防止され、且つ偏波保持光ファイバーケーブルへの対応が可能になり、且つ光回転プローブ26(回転光学系42)の回転数の制限も回避される。
[Effect of this embodiment]
As described above, the optical
[他実施形態1の光回転プローブ]
図4は、他実施形態1の光回転プローブ26の断面図である。上記実施形態では結像レンズ64がシャフト62の内部に設けられているが、図4に示すように、他実施形態1では結像レンズ64を直角プリズムミラー66に設けている。なお、他実施形態1の光回転プローブ26は、結像レンズ64の配置が異なる点を除いて、上記実施形態の光回転プローブ26と基本的に同じ構成である。このため、上記実施形態と機能又は構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。
[Optical Rotating Probe of Other Embodiment 1]
FIG. 4 is a cross-sectional view of the optical
他実施形態1の結像レンズ64は、直角プリズムミラー66においてワークWに対向する対向面である出入射面66aに設けられている。この出入射面66aは、ワークWの測定面に向けて測定光LAを出射する出射面であり且つワークWの測定面で反射された反射光LBが入射する入射面である。このように、結像レンズ64を出入射面66aに設けることで、結像レンズ64の焦点距離が短い場合であってもこの結像レンズ64によりワークWの測定面に測定光LAを集光させることができる。その結果、焦点距離の短い結像レンズ64を用いることができる。
The
[他実施形態2の光回転プローブ]
図5は、他実施形態2の光回転プローブ26の断面図である。上記実施形態の光回転プローブ26では、回転光学系42の回転に伴い結像レンズ64もシャフト62等と一体に回転するが、他実施形態2では結像レンズ64を固定光学系40に固定している。
[Optical Rotating Probe of Another Embodiment 2]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the optical
なお、他実施形態2の光回転プローブ26は、結像レンズ64を固定光学系40に固定するためのシャフト74を備える点を除いて、上記実施形態の光回転プローブ26と基本的に同じ構成である。このため、上記実施形態と機能又は構成上同一のものについては同一符号を付してその説明は省略する。
The
シャフト74は、本発明の第2シャフトに相当するものである。シャフト74は、光路Pに平行方向に延びた中空の円筒であり、光路Pに平行な長手軸74a(本発明の第2長手軸に相当)を有している。また、シャフト74の外径は、シャフト62の内径よりも小さく形成されている。このシャフト74の一端部は、固定光学系40(ロータ54を除く)、例えばステータ52に固定されている。
The
ステータ52には、光路Pが通る嵌合穴であって且つこの光路P(長手軸62a,74a)に平行な方向に延びた嵌合穴を有するシャフト保持部52aが形成されている。シャフト保持部52aの嵌合穴には、シャフト74の一端部が嵌合して固定される。これにより、固定光学系40(光ファイバーケーブル44)に対してシャフト74が固定される。その結果、シャフト74は、シャフト保持部52aにより長手軸74a(長手軸62a)を中心とする軸周り方向に回転不能に保持される。
The
シャフト74は、その一端部がシャフト保持部52aに固定されている状態において、その長手軸62aが光路Pの中心線及び長手軸62aに一致し、且つその内面74b(本発明の第2内面に相当)が光路Pを取り囲む。
With one end of the
また、シャフト74の一端部とは反対側の他端部は、シャフト62の内部に挿通されており、このシャフト62の内部で且つ直角プリズムミラー66の近傍位置で開口している。そして、このシャフト74の他端部の内部に結像レンズ64が設けられている。なお、上記実施形態と他実施形態2とにおいてシャフト62の内径が同じ大きさである場合、他実施形態2の結像レンズ64として、上記実施形態の結像レンズ64よりも小径のレンズが選択される。
The other end opposite to the one end of the
このようにシャフト74の内部に結像レンズ64を設けることで、結像レンズ64が固定光学系40に対して固定されるため、回転光学系42の回転に応じて結像レンズ64が回転することが防止される。これにより、回転光学系42の回転により結像レンズ64の光軸が光路Pに対して垂直方向に移動(振動)することが防止される。その結果、結像レンズ64の光軸の安定性を向上させることができる。
Since the
なお、他実施形態2では、シャフト74の一端部をステータ52に固定しているが、固定光学系40(ロータ54を除く)の他の部分、例えばヘッド取付部46に固定してもよい。
Although one end portion of the
[その他]
上記各実施形態では、中空モータ50により回転光学系42を回転させているが、例えば中空部を有する中空ロータリーアクチュエータのような中空部を有する各種回転機構を、本発明のシャフト回転機構として用いてもよい。
[others]
In each of the above embodiments, the rotating
また、光路Pを妨げなければ中空部を有さないシャフト回転機構により回転光学系42(シャフト62)を回転させてもよい。この場合のシャフト回転機構の一例としては、光路P外に配置されたモータ等の駆動源と、シャフト62(シャフト保持板60でも可)の外周面に形成された歯車と、駆動源の駆動力を歯車に伝達して歯車を回転させる駆動伝達機構と、により構成されるものが挙げられる。 Alternatively, the rotating optical system 42 (shaft 62) may be rotated by a shaft rotating mechanism that does not have a hollow portion as long as the optical path P is not obstructed. An example of the shaft rotation mechanism in this case includes a driving source such as a motor disposed outside the optical path P, a gear formed on the outer peripheral surface of the shaft 62 (or the shaft holding plate 60), and the driving force of the driving source. and a drive transmission mechanism that transmits to the gear to rotate the gear.
上記各実施形態では、直角プリズムミラー66により測定光LA及び反射光LBを90°屈折させているが、測定光LA及び反射光LBの屈折角度が90°以外であってもよい。また、上記各実施形態では、本発明の反射体として直角プリズムミラー66を例に挙げているが、ミラー等の各種の反射体を用いてもよい。
In each of the above-described embodiments, the right-
上記各実施形態では、干渉計の光源として波長掃引光源28を用い且つ参照光LCとして出入射端44aでの端面反射光を用いているが、距離L1,L2の合計値(L1+L2)を演算可能であれば光源の種類、光回転プローブ26の内外の干渉光学系の種類については特に限定はされない。また、この場合、ミラー及びプリズム等のワークW以外の反射面で反射された測定光LAの一部を参照光LCとして用いてもよい。
In each of the above embodiments, the wavelength swept
上記各実施形態では、光回転プローブ26内にコリメータレンズ48及び結像レンズ64のような各種光学系を配置しているが、光回転プローブ26内に配置する光学系の種類及び配置の有無については適宜変更してもよい。
In each of the above-described embodiments, various optical systems such as the
上記各実施形態では、光ファイバーケーブル44を有する固定光学系40に対して回転光学系42(シャフト62及び直角プリズムミラー66等)を回転させることにより測定光LAの回転走査を行う光回転プローブ26の例を図1から図5を用いて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の精神を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
In each of the above embodiments, the rotating optical system 42 (the
上記各実施形態では本発明の形状測定装置として三次元座標測定装置10を例に挙げているが、ワークWの形状を測定する各種の形状測定装置であって且つ光回転プローブ26を用いる各種の形状測定装置に本発明を適用することができる。
In each of the above embodiments, the three-dimensional coordinate measuring
10…三次元座標測定装置,
26…光回転プローブ,
28…波長掃引光源,
36…光検出器,
40…固定光学系,
42…回転光学系,
44…光ファイバーケーブル,
44a…出入射端,
48…コリメータレンズ,
50…中空モータ,
52…ステータ,
52a…シャフト保持部,
54…ロータ,
54a…中空部,
62…シャフト,
62a…長手軸,
62b…内面,
64…結像レンズ,
66…直角プリズムミラー,
66a…出入射面,
70…コントローラ,
72…制御装置,
74…シャフト,
74a…長手軸,
74b…内面
10 ... Three-dimensional coordinate measuring device,
26... optical rotating probe,
28 ... wavelength swept light source,
36 ... photodetector,
40... fixed optical system,
42 ... rotating optical system,
44 optical fiber cable,
44a... input/output end,
48 ... collimator lens,
50... Hollow motor,
52... Stator,
52a ... Shaft holding portion,
54 ... Rotor,
54a... Hollow part,
62 ... Shaft,
62a ... longitudinal axis,
62b... inner surface,
64 ... imaging lens,
66...Rectangular prism mirror,
66a... entrance/exit surface,
70 controller,
72 ... control device,
74 ... Shaft,
74a ... longitudinal axis,
74b... inner surface
Claims (5)
前記測定光及び前記反射光を導光する導光路であって、前記測定光を出射し且つ前記反射光が入射する出入射端を有する導光路と、
前記出入射端から出射される前記測定光及び前記出入射端に入射する前記反射光の双方の光路に平行な第1長手軸と、前記光路を取り囲む第1内面と、を有する中空の第1シャフトと、
前記第1シャフトを前記第1長手軸を中心とする軸周り方向に回転させるシャフト回転機構と、
前記第1シャフトの前記出入射端に対向する側とは反対側の端部に設けられ、前記第1シャフトの内部を通って入射した前記測定光を前記測定対象物に向けて反射し、且つ前記測定対象物からの前記反射光を前記出入射端に向けて反射する反射体と、
前記第1シャフトの内部に設けられ且つ前記測定光を前記測定対象物に集光させる結像レンズと、
前記第1シャフトの内部に挿通された中空の第2シャフトであって、且つ前記光路に平行な第2長手軸と前記光路を取り囲む第2内面とを有する第2シャフトと、
前記第2シャフトを、前記第2長手軸を中心とする軸周り方向に回転不能に保持するシャフト保持部と、
を備え、
前記結像レンズが前記第2シャフトの内部に設けられている光回転プローブ。 An optical rotating probe that emits measurement light emitted from a light source toward an object to be measured and receives reflected light of the measurement light that is reflected by the object to be measured,
a light guide path for guiding the measurement light and the reflected light, the light guide path having an exit and entrance end from which the measurement light is emitted and into which the reflected light is incident;
A first hollow first surface having a first longitudinal axis parallel to optical paths of both the measurement light emitted from the exit/incident end and the reflected light entering the exit/incidence end, and a first inner surface surrounding the optical paths. a shaft;
a shaft rotation mechanism that rotates the first shaft in a direction around the first longitudinal axis;
provided at the end of the first shaft opposite to the side facing the exit/incident end, and reflects the measurement light incident through the inside of the first shaft toward the object to be measured; a reflector that reflects the reflected light from the measurement object toward the incident/exit end;
an imaging lens provided inside the first shaft and condensing the measurement light onto the object to be measured;
a hollow second shaft inserted within the first shaft and having a second longitudinal axis parallel to the optical path and a second inner surface surrounding the optical path;
a shaft holding portion that holds the second shaft in a non-rotatable direction about the second longitudinal axis;
with
An optical rotary probe , wherein said imaging lens is provided inside said second shaft .
前記シャフト回転機構が、前記測定光及び前記反射光が通る中空部を有する請求項1又は2に記載の光回転プローブ。 The shaft rotation mechanism is provided between the light guide path and the first shaft,
3. The optical rotary probe according to claim 1 , wherein the shaft rotating mechanism has a hollow portion through which the measurement light and the reflected light pass.
測定光を出射する光源と、
請求項1から4のいずれか1項に記載の光回転プローブと、
前記出入射端から前記導光路に入射した前記反射光と、前記測定対象物とは異なる反射面において反射された前記測定光の一部である参照光と、の干渉信号を検出する干渉信号検出部と、
を備える形状測定装置。 In a shape measuring device that measures the shape of an object to be measured,
a light source that emits measurement light;
an optical rotating probe according to any one of claims 1 to 4 ;
Interference signal detection for detecting an interference signal between the reflected light incident on the light guide path from the incident/exit end and reference light that is a part of the measurement light reflected by a reflecting surface different from the measurement object. Department and
A shape measuring device comprising:
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