DE112014006201T5

DE112014006201T5 - Oberflächenformmessvorrichtung und damit versehene Werkzeugmaschine und Oberflächenformmessverfahren

Info

Publication number: DE112014006201T5
Application number: DE112014006201.4T
Authority: DE
Inventors: Katsuhiko Ono; Shizuo Nishikawa
Original assignee: DMG Mori Co Ltd
Current assignee: DMG Mori Co Ltd
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-11-10
Also published as: JP2015135276A; JP5813143B2; GB2536167A; GB2536167B; GB201611354D0; WO2015107751A1

Abstract

In einer Oberflächenformmessvorrichtung (140) umfasst ein Verlagerungsmesser (100) eine Lichtemissionseinheit (110), die einen Lichtstrahl (116) in Richtung eines zu messenden Objekts (130) emittiert, ein optisches System (118), das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt (130) sammelt, und eine Lichtempfangseinheit (120), die eine Fokussierposition des durch das optische System (118) gesammelten Lichts detektiert. Ein Bewegungsmechanismus (146) tastet den Lichtstrahl (116) durch Bewegen des Verlagerungsmessers (100) und des zu messenden Objekts (130) relativ zueinander ab. Eine Messsteuereinheit (156) ist dazu konfiguriert zu bewirken, dass der Bewegungsmechanismus (146) den Lichtstrahl (116) derart abtastet, dass die Lichtempfangseinheit (120) vor oder hinter der Lichtemissionseinheit (110) in einer Abtastrichtung des Lichtstrahls (160) angeordnet ist, und während der Abtastung des Lichtstrahls (116) kontinuierlich eine Verlagerung einer Oberfläche des zu messenden Objekts (130) mittels des Verlagerungsmessers (100) als Oberflächenformdaten zu messen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Oberflächenformmessvorrichtung, die eine Oberflächenform durch einen kontaktlosen Verlagerungssensor unter Verwendung eines Lichtstrahls misst, eine Werkzeugmaschine mit der Oberflächenformmessvorrichtung und ein Oberflächenformmessverfahren.
STAND DER TECHNIK
Es besteht ein zunehmender Bedarf an Messtechniken an der Maschine bei Werkzeugmaschinen. Herkömmlich war die Messung an der Maschine auf solche Anwendungen wie die Positionierung und die Messung einer geometrischen Abmessung eines Werkstücks (auch als ”Arbeitsteil” bezeichnet) begrenzt. In den letzten Jahren wurde die Messung an der Maschine auch für die Korrektur verwendet, um die Genauigkeit der Endbearbeitung durch Vergleich von Messergebnissen an der Maschine mit CAD-Daten zu verbessern. Untersuchungen wurden auch an einer automatischen Raumfehlerkorrektur einer Werkzeugmaschine selbst unter Verwendung von Messergebnissen an der Maschine durchgeführt.
Eine Berührungssonde wird üblicherweise für die Messung an der Maschine verwendet. Eine Berührungssonde ist an einem Werkzeugmaschinenkörper mittels eines ATC (automatischen Werkzeugwechslers) befestigbar. Eine Berührungssonde ist auch zur Datenübertragung zu und von einem Datenverarbeitungscomputer durch drahtlose Kommunikation in der Lage und wurde als Messwerkzeug verbessert.
Es bestehen jedoch strukturelle Begrenzungen einer Berührungssonde. Das heißt, aufgrund dessen, dass sie vom Kontakttyp ist, kann die Möglichkeit, dass die Sonde ein fertiggestelltes Werkstück beschädigt, nicht ausgeschlossen werden. Da nur ein kleiner Reliefhub zum Zeitpunkt des Kontakts besteht, muss ferner die Form eines zu messenden Objekts im Voraus bekannt sein. Wenn die Position eines Werkstücks detektiert wird, das nicht maschinell bearbeitet wurde, ist es erforderlich, dass das Werkstück im Voraus mit Genauigkeit innerhalb eines Bereichs des kleinen Reliefhubs angeordnet wird.
Bei der kontaktlosen Messung wird andererseits ein Werkstück nicht beschädigt und ein relativ großer Abstand von mehreren zehn mm kann zwischen einem Verlagerungssensor und dem Werkstück vorgesehen werden. Dies ist folglich für solche Anwendungen wie die Messung, um einen Versatz der maschinellen Bearbeitung vor der maschinellen Bearbeitung eines Gussstücks, eines geschmiedeten Teils oder dergleichen zu bestimmen, und die Hochgeschwindigkeitsabtastung einer Form eines fertiggestellten Werkstücks geeignet.
Typische kontaktlose Messverfahren umfassen ein Lasertriangulationsverfahren (beispielsweise siehe japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-332335 (PTD 1)). Herkömmlich war es schwierig, eine Oberflächenform eines metallischen Materials mittels eines Laserverlagerungsmessers zu messen, aufgrund einer unzureichenden Menge an diffus reflektiertem Licht auf einer glänzenden Metalloberfläche. Dies hat zum Bedarf an einer Vorbehandlung wie z. B. dem Aufbringen von Pulvern auf die Oberfläche geführt, was folglich den Fortschritt in Richtung der Kommerzialisierung eines Laserverlagerungsmessers für die Messung an der Maschine behindert. Kürzlich ist es möglich geworden, eine glänzende Metalloberfläche zu messen, infolge der Verbesserung der Empfindlichkeit eines Bildsensors, der als Lichtempfangselement dient, und der Entwicklung eines Halbleiterlaserelements. Dies hat die Verwendung eines diffusen Reflexionsverfahrens für einen Triangulationslaserverlagerungsmesser bei der Messung an der Maschine ermöglicht.
ENTGEGENHALTUNGSLISTE
PATENTDOKUMENT

PTD 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 10-332335

NICHT-PATENT-DOKUMENT

NPD 1: Yasuhiko Arai und drei andere, ”High Resolution Electronic Speckle Pattern Interferometry by Using Only Two Speckle Patterns”, Veröffentlichung ”Optical Review”, Band 41, Nr. 2, S. 96 bis 104, Februar 2012.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Die Genauigkeit eines Triangulationslaserverlagerungsmessers wird gewöhnlich mit Reproduzierbarkeit angegeben, wobei eine Submikrometergenauigkeit gewöhnlich sichergestellt wird. Da jedoch Laserlicht verwendet wird und ein Laserfleck eine bestimmte Größe anstelle einer idealen Punktform aufweist, wird ein spezieller Messfehler beobachtet. Dieser Messfehler ist dadurch gekennzeichnet, dass er ein signifikant hohes zackenartiges Rauschen im Vergleich zur tatsächlichen Oberflächenrauheit umfasst und durch einen Zeitmittelungsprozess nicht entfernt werden kann. Außerdem wird der vorstehend angegebene Messfehler in einem Triangulationsverlagerungsmesser nicht nur unter Verwendung eines kohärenten Laserstrahls, sondern auch unter Verwendung eines inkohärenten Laserstrahls beobachtet.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des vorstehend angegebenen Problems durchgeführt und eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Oberflächenformmessvorrichtung zu schaffen, die in der Lage ist, einen Fehler zu verringern, der während der Messung einer Oberflächenform durch Triangulation unter Verwendung eines Lichtstrahls beobachtet wird.
LÖSUNG FÜR DAS PROBLEM
In einem Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Oberflächenformmessvorrichtung mit einem Verlagerungsmesser, einem Bewegungsmechanismus und einer Messsteuereinheit. Der Verlagerungsmesser umfasst eine Lichtemissionseinheit, die einen Lichtstrahl in Richtung eines zu messenden Objekts emittiert, ein optisches System, das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt sammelt, und eine Lichtempfangseinheit, die eine Fokussierposition des durch das optische System gesammelten Lichts detektiert. Der Verlagerungsmesser misst eine Verlagerung einer Oberfläche des zu messenden Objekts auf der Basis der Fokussierposition des Lichts an der Lichtempfangseinheit. Der Bewegungsmechanismus tastet den Lichtstrahl durch Bewegen des Verlagerungsmessers und des zu messenden Objekts relativ zueinander ab. Die Messsteuereinheit steuert den Bewegungsmechanismus und den Verlagerungsmesser. Die Messsteuereinheit ist dazu konfiguriert zu bewirken, dass der Bewegungsmechanismus den Lichtstrahl derart abtastet, dass die Lichtempfangseinheit vor oder hinter der Lichtemissionseinheit in einer Abtastrichtung des Lichtstrahls angeordnet ist, und während des Abtastens des Lichtstrahls kontinuierlich eine Variation der Verlagerung der Oberfläche des zu messenden Objekts mittels des Verlagerungsmessers als Oberflächenformdaten zu messen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration der Messsteuereinheit kann der vorstehend erwähnte zackenartige Fehler als Fehlermuster einer charakteristischen Form extrahiert werden. Durch Entfernen des extrahierten Fehlermusters kann daher das in den Oberflächenformdaten enthaltene Rauschen effizient verringert werden.
Vorzugsweise umfasst die Oberflächenformmessvorrichtung ferner eine Extraktionseinheit für einen charakteristischen Abschnitt, die einen charakteristischen Abschnitt von einem Messbereich der Oberflächenformdaten extrahiert. Dieser charakteristische Abschnitt weist eine Länge gleich oder kleiner als eine Fleckgröße des Lichtstrahls auf und die Oberflächenformdaten variieren, so dass sie einen maximalen Wert in einer ersten Hälfte oder einer zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen, und variieren, so dass sie einen minimalen Wert in der anderen Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen.
Vorzugsweise weist der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich oder kleiner als eine Fleckgröße des Lichtstrahls auf und erfüllt mindestens eine vorbestimmte Bedingung. In diesem Fall umfasst die mindestens eine vorbestimmte Bedingung eine Bedingung, dass die Oberflächenformdaten in einem Abschnitt der ersten Hälfte des charakteristischen Abschnitts in einer Richtung über einen vorbestimmten Bereich relativ zu einem Mittelwert der Oberflächenformdaten hinaus variieren und die Oberflächenformdaten in einem Abschnitt der zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts in einer Richtung entgegengesetzt zu jener der ersten Hälfte über den vorbestimmten Bereich relativ zum Mittelwert hinaus variieren.
Alternativ weist der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich einer Fleckgröße des Lichtstrahls auf und erfüllt mindestens eine vorbestimmte Bedingung. In diesem Fall umfasst die mindestens eine vorbestimmte Bedingung eine Bedingung, dass ein Korrelationskoeffizient zwischen einer Wellenform der Oberflächenformdaten in der ersten Hälfte des charakteristischen Abschnitts und einer Wellenform, die durch Drehen einer Wellenform der Oberflächenformdaten in der zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts um 180 Grad um einen Datenpunkt in einem Zentrum des charakteristischen Abschnitts erhalten wird, einen vorbestimmten Referenzwert überschreitet.
Mit der Extraktionseinheit für den charakteristischen Abschnitt mit irgendeiner der vorstehend beschriebenen Konfigurationen kann der Fehler der charakteristischen Musterform, der in den durch den Laserverlagerungsmesser gemessenen Daten enthalten ist, extrahiert werden. Durch Entfernen des extrahierten Fehlermusters kann daher das in den Oberflächenformdaten enthaltene Rauschen effizient verringert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Oberflächenformmessvorrichtung ferner eine Datenkorrektureinheit, die die Oberflächenformdaten korrigiert, so dass eine Variation der Oberflächenformdaten relativ zum Mittelwert der Oberflächenformdaten im extrahierten charakteristischen Abschnitt oder jedem von mehreren extrahierten charakteristischen Abschnitten verringert wird.
Vorzugsweise korrigiert die Datenkorrektureinheit die Oberflächenformdaten durch Mitteln eines gemessenen Werts in irgendeinem ersten Messpunkt in jedem der charakteristischen Abschnitte und eines gemessenen Werts in einem zweiten Messpunkt, der zum ersten Messpunkt um einen Mittelpunkt des Abschnitts symmetrisch ist, und durch Ersetzen von jedem der gemessenen Werte im ersten und im zweiten Messpunkt durch den erhaltenen Mittelwert.
Alternativ korrigiert die Datenkorrektureinheit vorzugsweise die Oberflächenformdaten durch Ersetzen der Daten in jedem charakteristischen Abschnitt durch den Mittelwert der Oberflächenformdaten.
Mit der Datenkorrektureinheit mit irgendeiner der vorstehend beschriebenen Konfigurationen kann das vorstehend erwähnte charakteristische Fehlermuster entfernt werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die Oberflächenformmessvorrichtung bevorzugter eine Filterverarbeitungseinheit, die einen Tiefpassfilterprozess an den durch die Datenkorrektureinheit korrigierten Oberflächenformdaten durchführt, wobei der Tiefpassfilterprozess nur eine Variation eines Zyklus belässt, der länger ist als die Fleckgröße des Lichtstrahls. Folglich kann das in den Oberflächenformdaten enthaltene Rauschen weiter verringert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Oberflächenformmessvorrichtung ferner eine Verarbeitungseinheit für einen gleitenden Mittelwert, die eine gleitende Mittelung an den Oberflächenformdaten unter Verwendung eines Fensters für den gleitenden Mittelwert mit einer variablen Breite durchführt. Hier ist die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert größer als die Fleckgröße des Lichtstrahls. Die Breite des Fensters für. den gleitenden Mittelwert, wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt mit dem charakteristischen Abschnitt durchgeführt wird, ist größer als die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert, wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt ohne charakteristischen Abschnitt durchgeführt wird.
In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Oberflächenformmessvorrichtung ferner eine Verarbeitungseinheit für den gleitenden Mittelwert, die eine gewichtete laufende Mittelung an den Oberflächenformdaten durchführt. Hier weist das Fenster für den gewichteten gleitenden Mittelwert eine Breite auf, die größer ist als die Fleckgröße des Lichtstrahls. Ein Gewicht in einem Messpunkt im charakteristischen Abschnitt ist kleiner als ein Gewicht in einem Messpunkt außerhalb des charakteristischen Abschnitts.
Mit der Verarbeitungseinheit für den gleitenden Mittelwert mit irgendeiner der vorstehend beschriebenen Konfigurationen kann der Fehler der charakteristischen Musterform, der in den durch den Laserverlagerungsmesser gemessenen Daten enthalten ist, unterdrückt werden.
In einem anderen Aspekt ist die vorliegende Erfindung eine Werkzeugmaschine mit der vorstehend beschriebenen Oberflächenformmessvorrichtung.
In noch einem weiteren Aspekt ist die vorliegende Erfindung ein Oberflächenformmessverfahren unter Verwendung eines kontaktlosen Verlagerungsmessers. Der Verlagerungsmesser umfasst eine Lichtemissionseinheit, die einen Lichtstrahl in Richtung eines zu messenden Objekts emittiert, ein optisches System, das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt sammelt, und eine Lichtempfangseinheit, die eine Fokussierposition des durch das optische System gesammelten Lichts detektiert. Das Oberflächenformmessverfahren umfasst die Schritte des Bewegens des Verlagerungsmessers relativ zum zu messenden Objekt entlang einer Abtastrichtung, während die Positionsbeziehung zwischen der Lichtempfangseinheit und der Lichtemissionseinheit aufrechterhalten wird, so dass die Lichtempfangseinheit vor oder hinter der Lichtemissionseinheit in der Abtastrichtung angeordnet ist, und des Bestimmens einer Oberflächenform des zu messenden Objekts auf der Basis einer Variation des gemessenen Werts vom Verlagerungsmesser aufgrund der relativen Bewegung des Verlagerungsmessers.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bestimmens einer Oberflächenform den Schritt des Extrahierens eines charakteristischen Abschnitts von einem Messbereich der Oberflächenform des zu messenden Objekts. Der charakteristische Abschnitt weist eine Länge gleich oder kleiner als eine Fleckgröße des Lichtstrahls auf und gemessene Daten über die Oberflächenform des zu messenden Objekts variieren, so dass sie einen maximalen Wert in einer ersten Hälfte oder einer zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen, und variieren, so dass sie einen minimalen Wert in der anderen Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bestimmens einer Oberflächenform ferner den Schritt des Korrigierens der gemessenen Daten über die Oberflächenform des zu messenden Objekts, so dass eine Abweichung jedes gemessenen Werts relativ zu einem Mittelwert der gemessenen Daten im extrahierten charakteristischen Abschnitt oder jedem von mehreren extrahierten charakteristischen Abschnitten verringert wird.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher ein Fehler, der während der Messung einer Oberflächenform durch Triangulation unter Verwendung eines Lichtstrahls beobachtet wird, verringert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Laserverlagerungsmessers zeigt.
2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration eines linearen Bildsensors von 1 zeigt.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Daten zeigt, die durch den linearen Bildsensor von 1 detektiert werden.
4 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel der Konfiguration einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Messergebnissen einer Metalloberfläche mittels des Laserverlagerungsmessers zeigt.
6 ist ein Diagramm, das eine Variation in einem Bilderzeugungsfleck am linearen Bildsensor darstellt, wenn ein zu messendes Objekt ein ungleichmäßiges Reflexionsvermögen aufweist.
7 ist eine Draufsicht, die schematisch eine Oberfläche des zu messenden Objekts von 6 zeigt.
8 ist ein Diagramm, das Beispiele einer Helligkeitsverteilung, die durch den linearen Bildsensor detektiert wird, in den Fällen von 6 und 7 zeigt.
9 ist ein Diagramm, das den Betrag eines Messfehlers zeigt, der durch die Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens des zu messenden Objekts verursacht wird.
10 ist ein Diagramm, das Ergebnisse von wiederholten Messungen einer Verlagerung in einer Höhenrichtung in einem mikroskopischen Abschnitt an einem Endmaß mittels des Laserverlagerungsmessers zeigt.
11 ist ein Diagramm, das Messergebnisse der Verlagerung in der Höhenrichtung über einen Bereich von 0,4 mm am Endmaß mittels des Laserverlagerungsmessers zeigt.
12 ist ein Diagramm, das einen maximalen Wert einer Menge an Licht, das durch den Bildsensor in jedem Messpunkt von 11 empfangen wird, zeigt.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Verlagerung in der Höhenrichtung und der maximalen Menge an empfangenem Licht in einem Bereich RC von 11 und 12 zeigt.
14 ist ein Diagramm, das ein Messergebnis einer Oberflächenform eines quadratischen Bereichs von 0,5 mm auf einer Seite mittels eines Laserstrahls mit einer Fleckgröße von 50 μm im Durchmesser zeigt.
15 ist ein Diagramm, das ein Messergebnis einer Oberflächenform desselben Bereichs wie jenes von 14 durch Verändern der Laserfleckgröße auf 400 μm im Durchmesser zeigt.
16 ist ein Ablaufplan, der eine Oberflächenformemssung und eine Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten zeigt.
17 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Extrahieren eines charakteristischen Abschnitts in Schritt S105 von 16 darstellt.
18 ist ein Diagramm, das ein anderes Verfahren zum Extrahieren des charakteristischen Abschnitts in Schritt S105 von 16 darstellt.
19 ist ein Diagramm, das ein Verfahren zum Korrigieren von Oberflächenformdaten in Schritt S110 von 16 darstellt.
20 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis des Durchführens der in Schritt S110 von 16 gezeigten Datenkorrektur an den gemessenen Daten von 11 zeigt.
21 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Durchführung eines Tiefpassfilterprozesses, der in Schritt S115 von 16 gezeigt ist, an den Daten von 20 zeigt.
22 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Durchführung des Tiefpassfilterprozesses, der in Schritt S115 von 16 gezeigt ist, an den gemessenen Daten von 11 ohne Durchführen der in Schritt S110 gezeigten Datenkorrektur zeigt.
23 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
24 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Oberflächenformmessung und einer Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten in der Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
25 ist ein Ablaufplan, der ein weiteres Beispiel einer Oberflächenformmessung und einer Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten in der Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
26 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration einer Werkzeugmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform zeigt.
27 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration eines Teils zeigt, der sich auf eine Oberflächenformmessvorrichtung der Werkzeugmaschine von 26 bezieht.
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen werden nun im Einzelnen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Obwohl jede der folgenden Ausführungsformen eine Oberflächenformmessvorrichtung unter Verwendung eines Laserverlagerungsmessers als Beispiel beschreibt, ist die vorliegende Erfindung auch auf einen kontaktlosen Verlagerungsmesser unter Verwendung eines inkohärenten Lichtstrahls anstelle von Laserlicht anwendbar. In der folgenden Beschreibung sind dieselben oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibungen können nicht wiederholt werden.
<Erste Ausführungsform>
[Überblick über den Laserverlagerungsmesser]
1 ist ein Diagramm, das schematisch die Konfiguration eines Laserverlagerungsmessers zeigt. Mit Bezug auf 1 umfasst ein Laserverlagerungsmesser 100 eine Lichtemissionseinheit 110, eine Kondensorlinse 118 als optisches System und einen linearen Bildsensor 120 als Lichtempfangseinheit. Die Lichtemissionseinheit 110 umfasst eine Laserdiode 112 und eine Linse 114.
Ein Laserstrahl 116, der von der Laserdiode 112 emittiert wird, wird in im Wesentlichen paralleles Licht durch die Linse 114 kollimiert und auf das zu messende Objekt 130 aufgebracht. Eine Fleckgröße w (auch als Fleckdurchmesser bezeichnet) des Laserstrahls 116 am zu messenden Objekt ist beispielsweise 50 μm im Durchmesser. Das am zu messenden Objekt 130 diffus reflektierte Licht wird durch eine Kondensorlinse 118 auf einen linearen Bildsensor 120 gesammelt, der in einer Winkelrichtung von γ relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist.
In 1 ist eine Richtung des Laserstrahls 116 eine Z-Achsen-Richtung. Eine Ebene, die eine Mittelachse des Laserstrahls 116 und eine optische Achse der Kondensorlinse 118 enthält, wird als Strahlengangebene bezeichnet. Eine zu dieser Strahlengangebene parallele und zur Z-Achsen-Richtung senkrechte Richtung ist eine X-Achsen-Richtung. Eine zu sowohl der X-Achsen-Richtung als auch der Z-Achsen-Richtung senkrechte Richtung ist eine Y-Achsen-Richtung. Im Fall von 1 ist die Y-Achsen-Richtung eine zum Blatt der Zeichnung senkrechte Richtung und eine X-Z-Ebene ist zum Blatt der Zeichnung parallel (Strahlengangebene).
Eine Strahlgröße eines Laserlichts (eine Fleckgröße an einem zu messenden Objekt) wird nun beschrieben. Es gibt verschiedene Definitionen einer Strahlgröße von Laserlicht. Eine Strahlgröße von Laserlicht mit einem symmetrischen Strahlprofil wie z. B. im TEM00-Modus wird beispielsweise auf einer zur optischen Achse orthogonalen Oberfläche mit einer Breite der Intensitätsverteilung entsprechend dem Kehrwert des Quadrats von e (es ist zu beachten, dass e die Basis des natürlichen Logarithmus ist) (13,5%) relativ zu einem Spitzenwert definiert. Wenn das Strahlprofil verzerrt wurde, wird beispielsweise ein Kreis, der 86,5% der ganzen Leistung des Strahls in Bezug auf die Spitzenleistung umfasst, berechnet und der Durchmesser dieses Kreises wird als Strahlgröße definiert. In dieser Patentbeschreibung ist, um verschiedene Definitionen einzuschließen, ein Bereich gleich oder größer als der Durchmesser eines Kreises, der 50% der ganzen Leistung umfasst, und gleich oder kleiner als der Durchmesser eines Kreises, der 95% der ganzen Leistung umfasst, im Wesentlichen gleich der Strahlgröße (der Fleckgröße am zu messenden Objekt).
2 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration des linearen Bildsensors von 1 zeigt. Mit Bezug auf 2 umfasst der lineare Bildsensor 120 linear angeordnete 1024 Pixel 122. Jedes Pixel 122 gibt ein Signal mit einem Helligkeitspegel im Bereich von 0 bis zu einem Maximum von 255 in Abhängigkeit von der Menge an empfangenem Licht aus.
3 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Daten zeigt, die durch den linearen Bildsensor von 1 detektiert werden. Eine horizontale Achse von 3 stellt eine Pixelposition dar und eine vertikale Achse stellt den höchsten Helligkeitspegel dar. Mit Bezug auf 2 und 3 wird das am zu messenden Objekt 130 diffus reflektierte Licht durch die Kondensorlinse 118 auf einen Fleck 124 auf dem linearen Bildsensor 120 gesammelt, was zu Daten mit der Form einer Gaußverteilung führt, wie in 3 gezeigt. Ein Abstand zum Objekt wird durch Triangulation auf der Basis einer Schwerpunktposition der Daten von 3 berechnet.
Mit Rückbezug auf 1 ist der lineare Bildsensor 120 in einem Winkel auf der Basis der Scheimpflug-Bedingung angeordnet. Das heißt, eine Detektionsebene des linearen Bildsensors 120 und eine Hauptebene der Kondensorlinse 118 schneiden sich in einer geraden Linie, wobei diese Ebenen einen Winkel β bilden. Eine Ebene mit dem Laserstrahl 116 dient als Gegenstandsebene. In diesem Fall ist eine Bewegungsvergrößerung M des Bilderzeugungsflecks 124 am linearen Bildsensor 120 relativ zu einer Variation des Abstandes zwischen dem zu messenden Objekt 130 und dem Laserverlagerungsmesser 100 durch die folgende Gleichung (1) gegeben. Es wird angemerkt, dass f₀ eine Brennweite der Kondensorlinse 118 darstellt und l einen Abstand von einer Bestrahlungsposition des Laserstrahls 116 (Laserfleck 132) am zu messenden Objekt 130 zur Kondensorlinse 118 darstellt. M = (f₀·sinγ)/(l·cosβ) (1)
Im Fall dieser Ausführungsform gilt f₀ = 55 mm, l = 80 mm, γ = π/6, and β = 5π/18 in der obigen Gleichung (1). Die Bewegungsvergrößerung M wird folglich folgendermaßen berechnet: M = {55 × sin(π/6)}/{80 × cos(5π × 18)} = 0,53 (1A)
[Konfiguration der Oberflächenformmessvorrichtung]
4 ist ein Blockdiagramm, das schematisch ein Beispiel der Konfiguration einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf 4 umfasst eine Oberflächenformmessvorrichtung 140 einen Tisch 144, auf dem ein zu messendes Objekt 130 angeordnet wird, einen Sattel 142, einen Laserverlagerungsmesser 100, einen X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, einen Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y, einen Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z und einen Computer 150.
Der Tisch 144 ist auf dem Sattel 142 angeordnet und ist in der X-Achsen-Richtung beweglich. Der Sattel 142 ist in der Y-Achsen-Richtung beweglich. Der X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X bewegt den Tisch 144 in der X-Achsen-Richtung. Der Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y bewegt den Sattel 142 in der Y-Achsen-Richtung. Der Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z bewegt den Laserverlagerungsmesser 100 in der Z-Achsen-Richtung. Der X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, der Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y und der Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z funktionieren als Bewegungsmechanismus 146 zum Bewegen des Laserverlagerungsmessers 100 und des zu messenden Objekts 130 relativ zueinander. Folglich tastet der Laserstrahl 116 eine Oberfläche des zu messenden Objekts 130 durch den Bewegungsmechanismus 146 ab.
Es wird angemerkt, dass die Konfiguration des Bewegungsmechanismus 146 nicht auf das Beispiel von 4 begrenzt ist. Die Konfiguration kann beispielsweise derart sein, dass das zu messende Objekt 130 fest ist und der Laserverlagerungsmesser 100 in den drei X-, Y- und Z-Richtungen beweglich ist.
Der Computer 150 umfasst einen Prozessor 152, einen Speicher 154 sowie eine Anzeigevorrichtung, eine Eingabe/Ausgabe-Vorrichtung und dergleichen, die nicht gezeigt sind. Der Prozessor 152 fungiert als Messsteuereinheit 156 und Datenverarbeitungseinheit 158 durch Ausführen eines im Speicher 154 gespeicherten Programms.
Die Messsteuereinheit 156 tastet den Laserstrahl 116 durch Steuern des Laserverlagerungsmessers 100 und des Bewegungsmechanismus 146 ab. Während dieser Abtastung des Laserstrahls 116 misst die Messsteuereinheit 156 kontinuierlich Oberflächenformdaten 166 am zu messenden Objekt 130 mittels des Laserverlagerungsmessers 100. Die gemessenen Oberflächenformdaten 166 werden im Speicher 154 gespeichert. Die Oberflächenformdaten 166 sind eine Datenreihe, in der eine Abtastposition am zu messenden Objekt 130 (die mit dem Laserstrahl bestrahlte Position) einer Verlagerung in der Z-Richtung der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 in dieser Abtastposition zugeordnet ist.
Die Datenverarbeitungseinheit 158 führt eine Datenverarbeitung an den durch den Laserverlagerungsmesser 100 gemessenen Daten (Oberflächenformdaten 166) durch, um charakteristisches Rauschen, das in den gemessenen Daten enthalten ist, zu entfernen. Die Details der Inhalte der Datenverarbeitung werden später mit Bezug auf 16 bis 22 beschrieben.
Die Oberflächenformmessvorrichtung 140 gemäß dieser Ausführungsform ist durch eine Beziehung zwischen einer Abtastrichtung des Laserstrahls 116 und einer Orientierung des Laserverlagerungsmessers 100 gekennzeichnet. Insbesondere, wie in 1 gezeigt, findet die Abtastung des Laserstrahls 116 derart statt, dass die Lichtempfangseinheit (linearer Bildsensor 120) vor oder hinter der Lichtemissionseinheit 110 in der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 (+X-Richtung oder –X-Richtung im Fall von 1) angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Abtastrichtung des Laserstrahls 116 wird an die Strahlengangebene (parallel zur X-Z-Ebene im Fall von 1) mit der Mittelachse des Laserstrahls 116 und der optischen Achse der Kondensorlinse 118 angepasst.
Durch Anpassen der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 an die Orientierung des Laserverlagerungsmessers 100, wie vorstehend beschrieben, erscheint ein charakteristisches Fehlermuster, wie z. B. in den Bereichen RA, RB und RC von 11 gezeigt, in den gemessenen Daten. Durch Extrahieren und Entfernen dieses charakteristischen Fehlermusters von den Oberflächenformdaten 166 kann daher das relativ hohe Rauschen, das in den Oberflächenformdaten 166 enthalten ist, effizient verringert werden.
Es wird angemerkt, dass die Abtastung des Laserstrahls 116 derart stattfinden kann, dass der Laserfleck einer gekrümmten Bahn auf der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 folgt. In diesem Fall wäre, damit die Lichtempfangseinheit vor oder hinter der Lichtemissionseinheit 110 in der Abtastrichtung angeordnet ist, ein Antriebsmechanismus erforderlich, um das zu messende Objekt 130 oder den Laserverlagerungsmesser 100 um die Z-Achse (C-Achsen-Richtung) zu drehen.
[Betrachtung der Ursache für den Messfehler des Laserverlagerungsmessers]
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel von Messergebnissen einer Metalloberfläche mittels des Laserverlagerungsmessers zeigt. Insbesondere zeigt 5 Ergebnisse der Messungen einer Verlagerung einer Oberfläche eines Metallendmaßes mit einer glatten Oberfläche in Intervallen von 0,1 mm mittels des Laserverlagerungsmessers 100. Eine Abtastrichtung des Laserstrahls ist zur Oberfläche des Endmaßes parallel. Wie in 5 gezeigt, wurde Rauschen von nicht niedriger als 36 μm im 3σ-Wert (σ gibt die Standardabweichung an) in den gemessenen Daten beobachtet, wohingegen das Endmaß eine Oberflächenrauheit von etwa 0,06 μm aufweist. Wie später im Einzelnen beschrieben wird, ist dieses Rauschen dadurch gekennzeichnet, dass es nicht durch einen Zeitmittelungsprozess (einen Prozess zum Durchführen einer Mittelung durch wiederholtes Durchführen derselben Messung) entfernt werden kann.
Mögliche Ursachen für einen Fehler des Laserverlagerungsmessers umfassen elektrisches Rauschen, den Effekt einer Temperaturvariation, einen Bewegungsfehler des Bewegungsmechanismus 146 (X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y und Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z), einen Fehler auf der Basis der Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens der Oberfläche des zu messenden Objekts 130, Laser-Speckle und dergleichen.
Das elektrische Rauschen kann durch einen Zeitmittelungsprozess an gemessenen Werten verbessert werden. Die Reproduzierbarkeit eines herkömmlich erhältlichen Laserverlagerungsmessers wird häufig mit einer Zahl angegeben, nachdem der Zeitmittelungsprozess durchgeführt wurde, die eine Submikrometergenauigkeit ist. Dies folglich ist keine Ursache für das in 5 gezeigte relativ hohe Rauschen.
Der Fehler aufgrund der Temperaturvariation umfasst einen Fehler, der durch die Umgebungstemperatur verursacht wird, ist jedoch hauptsächlich ein Fehler, der durch eine thermische Verlagerung eines optischen Messsystems verursacht wird, die auftritt, wenn eine elektrische Schaltung innerhalb des Laserverlagerungsmessers als Wärmequelle dient. In dem gegenwärtig verwendeten Laserverlagerungsmesser wurde eine Verschiebung von 10 μm im gemessenen Wert nach dem Einschalten beobachtet. Eine Verschiebung des gemessenen Werts aufgrund einer Temperaturvariation wird jedoch gewöhnlich in etwa 30 bis 60 Minuten nach dem Einschalten stabilisiert und kann folglich keine Ursache für das in 5 gezeigte Rauschen sein.
Der Bewegungsfehler des Bewegungsmechanismus 146 umfasst einen Fehler aufgrund einer thermischen Verlagerung und einen mechanischen Fehler. Der Fehler aufgrund einer thermischen Verlagerung wird als zeitlich langsame Variation wie bei dem vorstehend beschriebenen Effekt der Temperatur innerhalb des Laserverlagerungsmessers beobachtet. Der mechanische Fehler wird durch einen Fehler der Positionsgenauigkeit des Bewegungsmechanismus 146 während der Abtastung des Laserstrahls für die Oberflächenformmessung verursacht. Der mechanische Fehler erscheint jedoch als große Welle im Vergleich zum vorstehend erwähnten zackenartigen Rauschen und ist folglich unwahrscheinlich eine Ursache für das in 5 gezeigte Rauschen.
Der Bewegungsfehler des Bewegungsmechanismus 146 kann auch einen Fehler aufgrund einer Vibration einer Servowelle umfassen. Rauschen aufgrund einer Vibration einer Servowelle kann jedoch durch einen Zeitmittelungsprozess entfernt werden wie bei dem elektrischen Rauschen und ist folglich keine Ursache für das in 5 gezeigte Rauschen.
Angesichts der obigen Betrachtung wird in Betracht gezogen, dass eine der Ursachen für das in 5 gezeigte Rauschen die Ungleichmäßigkeit des mikroskopischen Reflexionsvermögens der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 ist. Die Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens ergibt sich aus der Ungleichmäßigkeit eines Materials und eines Defekts, Unebenheiten und dergleichen der Metalloberfläche. Da der Laserstrahl für die Messung die Fleckgröße aufweist, tritt eine Helligkeitsvariation aufgrund der Ungleichmäßigkeit des mikroskopischen Reflexionsvermögens innerhalb des Laserflecks auf, was zu einem Messfehler führen kann.
6 ist ein Diagramm, das eine Variation des Bilderzeugungsflecks auf dem linearen Bildsensor darstellt, wenn das zu messende Objekt ein ungleichmäßiges Reflexionsvermögen aufweist. 7 ist eine Draufsicht, die schematisch die Oberfläche des zu messenden Objekts von 6 zeigt. 8 ist ein Diagramm, das Beispiele der Helligkeitsverteilung, die durch den linearen Bildsensor detektiert wird, in den Fällen von 6 und 7 zeigt.
Mit Bezug auf 6 bis 8 ist es, um eine Verlagerung in einer Höhenrichtung durch ein Triangulationsverfahren genau zu bestimmen, wichtig, dass die Helligkeitsverteilung innerhalb des Bilderzeugungsflecks 124 auf dem linearen Bildsensor 120 eine Gaußverteilung darstellt, so dass das Zentrum des Bilderzeugungsflecks 124 detektiert werden kann. Wenn eine Helligkeitsvariation aufgrund der Ungleichmäßigkeit des mikroskopischen Reflexionsvermögens der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 auftritt, weicht die Helligkeitsverteilung von der Gaußverteilung aufgrund dieser Helligkeitsvariation ab, was zu einem Messfehler führen kann.
Wie in 6 und 7 gezeigt, umfasst eine Oberfläche 130A des zu messenden Objekts 130 einen Bereich, der kleiner als die Fleckgröße des Laserflecks 132 und höher im Reflexionsvermögen als ein Umgebungsbereich ist. Die Position dieses Bereichs mit hohem Reflexionsvermögen relativ zum Laserstrahl 116 bewegt sich nacheinander von P1 zu P2 zu P3, wenn die Abtastung des Laserstrahls 116 in der +X-Richtung (Abtastrichtung) stattfindet (nämlich wenn das zu messende Objekt sich in der –X-Richtung bewegt).
Wenn der Bereich mit hohem Reflexion in P1 relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist, wie in 8(A) gezeigt, weicht ein Schwerpunkt 136 der Daten von einem Zentrum 134 des Bilderzeugungsflecks des Bildsensors 120 ab. Folglich wird das zu messende Objekt 130 gemessen, als ob es sich in einer Position befindet, die weiter von der Lichtemissionseinheit 110 (untere Position) entfernt ist als die tatsächliche Position.
Wenn der Bereich mit hohem Reflexionsvermögen in P2 relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist, wie in 8(B) gezeigt, entspricht das Zentrum 134 des Bilderzeugungsflecks des Bildsensors 120 dem Schwerpunkt 136 der Daten. Folglich wird das zu messende Objekt 130 gemessen, als ob es sich in der tatsächlichen Position befindet.
Wenn der Bereich mit hohem Reflexionsvermögen in P3 relativ zum Laserstrahl 116 angeordnet ist, wie in 8(C) gezeigt, weicht der Schwerpunkt 136 der Daten vom Zentrum 134 des Bilderzeugungsflecks des Bildsensors 120 in einer Richtung entgegengesetzt zu jener von 8(A) ab. Folglich wird das zu messende Objekt 130 gemessen, als ob es sich in einer Position näher an der Lichtemissionseinheit 110 (höhere Position) als der tatsächlichen Position befindet.
9 ist ein Diagramm, das den Betrag eines Messfehlers darstellt, der durch die Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens des zu messenden Objekts verursacht wird. Um die Darstellung zu erleichtern, ist der Laserfleck 132 in 9(A) und (B) in der Größe vergrößert gezeigt. 9(A) zeigt einen Fall, in dem wie im Fall von 8(A) die Oberfläche des zu messenden Objekts gemessen wird, als ob es um ε– weiter als die tatsächliche Position angeordnet ist. 9(B) zeigt einen Fall, in dem wie im Fall von 8(C) die Oberfläche des zu messenden Objekts gemessen wird, als ob es um ε+ näher als die tatsächliche Position angeordnet ist.
Der Betrag eines Messfehlers, der durch die Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens verursacht wird, ist durch die Fleckgröße w des Laserflecks 132 und einen Lichtempfangswinkel γ bestimmt. Insbesondere ist ein maximaler Wert des Messfehlers (d. h. ein Fehler, wenn ein Umfangsteil des Laserflecks 132 fehlerhaft als Zentrum erkannt wird) ε_max durch die folgende Gleichung (2) gegeben: ε_max = w/(2·tan(γ)) (2)
Der für die Messungen in 5 verwendete Laserverlagerungsmesser weist eine Fleckgröße w = 50 μm und einen Lichtempfangswinkel γ = π/6 auf. In diesem Fall ist der maximale Wert ε_max des Messfehlers durch die folgende Gleichung (2A) gegeben, der ungefähr dieselbe wie der Messfehler in 5 ist. ε_max = 25/tan(π/6) = 43 [μm] (2A)
Wenn eine Laserdiode als Lichtquelle des Triangulationsverfahrens verwendet wird, wird in Betracht gezogen, dass Speckle, das sich aus einer Interferenz des reflektierten Lichts ergibt, auch zusätzlich zur Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens zum in 5 gezeigten Rauschen beiträgt.
Das Speckle ist ein Interferenzphänomen des Laserlichts und daher steht das gemessene Rauschen, das durch Speckle verursacht wird, eng mit der Oberflächenrauheit in Beziehung. Insbesondere wenn eine optische Weglänge um λ/2 relativ zu einer Laserlichtwellenlänge λ abweicht, wird das Licht auf dem Bildsensor 120 aufgrund der Interferenz verdunkelt, wohingegen das Licht auf dem Bildsensor 120 erhellt wird, wenn die optische Weglänge um λ abweicht. Hinsichtlich der Oberflächenunebenheiten des zu messenden Objekts tritt eine Helligkeitsvariation auf dem Bildsensor 120 bei Unebenheiten eines ganzzahligen Vielfachen von λ/4 auf.
Das Endmaß, das das zu messende Objekt im Fall von 5 ist, weist eine Oberflächenunebenheit von mehreren zehn nm oder weniger auf, was ungefähr ein Zehntel der Wellenlänge λ des Laserlichts ist. In diesem Fall stellt das Speckle keinen Zustand mit hohem Kontrast dar, sondern verursacht eine Variation mit niedrigem Kontrast.
Verschiedene Studien wurden bisher am Laser-Speckle durchgeführt. Es ist bekannt, dass ein mittlerer Speckle-Durchmesser auf einer Bilderzeugungsoberfläche durch die folgende Gleichung (3) gegeben ist (siehe beispielsweise Yasuhiko Arai und drei andere, ”Optical Review”, Band 41, Nr. 2, S. 96 bis 104, Februar 2012 (NPD 1)): σ = 1,22 × (1 + M)·λ·f/d (3)
In der obigen Gleichung (3) stellt σ einen mittleren Speckle-Durchmesser auf einer Bilderzeugungsoberfläche dar, M stellt eine Vergrößerung eines optischen Bilderzeugungssystems dar, λ stellt eine Wellenlänge des Laserlichts dar, f stellt eine Brennweite einer Linse dar und d stellt eine Apertur der Linse dar. Der für die Messungen in 5 verwendete Laserverlagerungsmesser weist M = 0,53, λ = 655 nm, d = 10 mm and f = 33 mm auf und daher gilt σ = 4,0 μm.
Da jedes Pixel des linearen Bildsensors 120 eine Breite von 12 μm aufweist, wird in Betracht gezogen, dass der Effekt des mittelgroßen Speckle, wie vorstehend berechnet, über die Pixel des linearen Bildsensors 120 gemittelt wird. Speckle mit einem Durchmesser größer als ein Mittelwert, das aufgrund der Ungleichmäßigkeit eines speziellen Orts auftritt, wird jedoch in den Pixeln des linearen Bildsensors 120 nicht gemittelt. Folglich kann Speckle-Rauschen eine Ursache für das in 5 gezeigte Rauschen durch denselben Mechanismus sein wie jenen, wenn das Reflexionsvermögen ungleichmäßig ist, wie mit Bezug auf 6 bis 9 beschrieben wurde. Gewöhnlich wird das Speckle-Rauschen als statistisch behandelt, da es unvorhersagbar ist. In einem mikroskopischen Bereich erscheint jedoch das Speckle-Rauschen deterministisch mit guter Reproduzierbarkeit und kann folglich nicht durch einen Mittelungsprozess mit einem Zeitfilter entfernt werden.
[Betrachtung von zackenartigem Rauschen]
Die Ergebnisse einer näheren Beobachtung des zackenartigen Rauschens, das in 5 gezeigt ist, werden nun beschrieben.
10 ist ein Diagramm, das Ergebnisse von wiederholten Messungen einer Verlagerung in einer Höhenrichtung in einem mikroskopischen Abschnitt an einem Endmaß mittels des Laserverlagerungsmessers zeigt. 10 zeigt gemessene Daten in jedem Messpunkt (ein Bereich von ±3σ eines Mittelwerts, σ stellt die Standardabweichung dar), nachdem Messungen 20-mal in einem Abtastintervall von 1 μm über einen Messbereich von 0,1 mm am gleichen Endmaß wie jenem von 5 durchgeführt wurden. Da der Laserstrahl eine Fleckgröße von 50 μm aufweist, ist das Messintervall (1 μm) ausreichend kleiner als die Fleckgröße.
Wie in 10 gezeigt, hatte das, was als zufälliges zackenartiges Rauschen in 5 erschien, eine ausgezeichnete Messreproduzierbarkeit und Messergebnisse wurden erhalten, als ob die Oberfläche winzige Unebenheiten aufweist. Das Endmaß hatte eine Oberflächenrauheit von mehreren zehn nm und Unebenheiten von ungefähr 100-mal die tatsächliche Rauheit wurden detektiert. Eine Datenvariation in jedem Messpunkt ist 2,3 μm im 3σ-Wert. Ein Fehler in jedem Messpunkt ist elektrisches Rauschen oder durch Schwankungen in der Luft, Vibration eines Servomotors oder dergleichen verursachtes Rauschen und kann durch einen Zeitmittelungsprozess aufgehoben werden.
11 ist ein Diagramm, das Messergebnisse der Verlagerung in der Höhenrichtung über einen Bereich von 0,4 mm am Endmaß mittels des Laserverlagerungsmessers zeigt. 11 zeigt gemessene Daten (Oberflächenformdaten), nachdem eine Messung nur einmal in einem Abtastintervall von 1 μm über einen Messbereich von 0,4 mm am gleichen Endmaß wie jenem von 5 durchgeführt wurde.
Hier ist die Messung in 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung des Laserstrahls 116 derart stattfindet, dass die Lichtempfangseinheit (linearer Bildsensor 120) vor der Lichtemissionseinheit 110 von 1 in der Abtastrichtung angeordnet ist. Das heißt, die Abtastrichtung des Laserstrahls wird an die Strahlengangebene (die X-Z-Ebene im Fall von 1) mit der Mittelachse des Laserstrahls und der optischen Achse der Kondensorlinse 118 angepasst.
Wie in 11 gezeigt, tritt zusammen mit dem feinen Rauschen mit guter Reproduzierbarkeit ein relativ großer Fehler auf, wie in den Bereichen RA, RB und RC gezeigt. Der in diesen Bereichen RA, RB und RC zu sehende Fehler weist eine charakteristische Form auf. Insbesondere wenn sich der Messpunkt (die Abtastposition des Laserstrahls) von links nach rechts bewegt, stellt die Verlagerung in der Höhenrichtung, die durch den Laserverlagerungsmesser gemessen wird, eine Variation, die anfänglich niedriger wird als ein mittlerer Pegel der Daten, dann über den mittleren Pegel ansteigt und schließlich auf den ursprünglichen mittleren Pegel zurückkehrt, auf.
Die Variation der gemessenen Daten, die in den Bereichen RA, RB und RC von 11 zu sehen ist, ist dieselbe wie die mit Bezug auf 6 bis 8 beschriebene. Das heißt, wenn sich der Bereich mit hohem Reflexionsvermögen von rechts nach links innerhalb des Laserflecks bewegt (es ist zu beachten, dass dies eine Richtung entgegengesetzt zur Abtastrichtung des Laserstrahls ist), wird die Verlagerung in der Höhenrichtung, die durch den Laserverlagerungsmesser gemessen wird, geringer als die tatsächliche Verlagerung in der ersten Hälfte und wird höher als die tatsächliche Verlagerung in der zweiten Hälfte.
Es sollte beachtet werden, dass die Richtung der vorstehend beschriebenen Fehlervariation gilt, wenn die Lichtempfangseinheit (linearer Bildsensor 120) vor der Lichtemissionseinheit 110 in der Abtastrichtung in 1 angeordnet ist. Die Fehlervariation tritt in einer entgegengesetzten Richtung auf, wenn die Lichtempfangseinheit (linearer Bildsensor 120) hinter der Lichtemissionseinheit 110 in der Abtastrichtung angeordnet ist.
12 ist ein Diagramm, das einen maximalen Wert einer Menge an Licht, das vom Bildsensor in jedem Messpunkt von 11 empfangen wird, zeigt. Eine vertikale Achse von 12 stellt den Helligkeitspegel in einem Pixel mit einer maximalen Menge an empfangenem Licht dar. Es ist zu lesen, dass die Menge an empfangenem Licht in den Bereichen RA, RB und RC stark schwankt, wo der relativ große Messfehler mit der charakteristischen Form in 11 beobachtet wird.
13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Verlagerung in der Höhenrichtung und der maximalen Menge an empfangenem Licht im Bereich RC von 11 und 12 zeigt.
Mit Bezug auf 13 nimmt, wenn der Messpunkt (die Abtastposition des Laserstrahls) sich bewegt, die maximale Menge an empfangenem Licht, die durch den Bildsensor 120 empfangen wird, allmählich zu und die Schwerpunktposition der Helligkeitsverteilung auf dem Bildsensor 120 weicht ab. Folglich weicht der detektierte Wert vom Laserverlagerungsmesser (die Verlagerung in der Höhenrichtung) signifikant zu einer negativen Seite (einem mit einem Pfeil A1 angegebenen Abschnitt) ab.
Wenn die Menge an Licht, das vom Bildsensor 120 empfangen wird, einen maximalen Pegel erreicht, bewegt sich die Schwerpunktposition der Helligkeitsverteilung auf dem Bildsensor 120, wenn sich der Messpunkt (die Abtastposition des Laserstrahls) bewegt. Folglich ändert sich der detektierte Wert vom Laserverlagerungsmesser (die Verlagerung in der Höhenrichtung) von einem negativen Wert auf einen positiven Wert (ein mit einem Pfeil A2 angegebener Abschnitt).
Schließlich nimmt die Menge an vom Bildsensor 120 empfangenem Licht ab, was verursacht, dass der detektierte Wert vom Laserverlagerungsmesser (die Verlagerung in der Höhenrichtung) zum richtigen Wert (Mittelwert) zurückkehrt (ein mit einem Pfeil A3 angegebener Abschnitt).
Wie beschrieben wurde, kann das vorstehend angegebene charakteristische Phänomen durch die Reflexionsvariation im winzigen Bereich (dem Bereich, der kleiner ist als die Laserfleckgröße) auf der Oberfläche des zu messenden Objekts erklärt werden. Alternativ kann dieses charakteristische Phänomen als Fall erklärt werden, in dem der Speckle-Durchmesser zu groß ist, um ihn relativ zur Fleckgröße des Laserlichts zu ignorieren.
Der mittlere Speckle-Durchmesser wird als 4,0 μm berechnet, wie mit Gleichung (3) beschrieben wurde, der kleiner ist als die Pixelbreite von 12 μm des linearen Bildsensors 120 und ungefähr 1/12 der Fleckgröße von 50 μm ist. Folglich wird der Effekt des Speckle in jedem Pixel gemittelt, so dass eine Variation des gemessenen Werts aufgrund des Effekts des mittleren Speckle-Durchmessers klein ist und durch einen Mittelungsprozess mit einem Raumfilter entfernt werden kann.
Fehler, die aufgrund des Speckle mit einem großen Durchmesser auftreten, das lokal erscheint, sind jedoch sehr groß und können nicht leicht durch einen Mittelungsprozess in einem kleinen Bereich entfernt werden, was sich folglich auf den gemessenen Wert vom Laserverlagerungsmesser erheblich auswirkt. Trotzdem wird ein Bereich, in dem sich ein solches Speckle mit großem Durchmesser auf die gemessenen Daten auswirkt, innerhalb den Bereich der Laserfleckgröße begrenzt, wie ebenso aus 10 zu sehen ist.
14 ist ein Diagramm, das ein Messergebnis einer Oberflächenform eines quadratischen Bereichs mit 0,5 mm auf einer Seite mittels eines Laserstrahls mit einer Fleckgröße von 50 μm im Durchmesser zeigt. 15 ist ein Diagramm, das ein Messergebnis einer Oberflächenform desselben Bereichs wie jenes von 14 durch Ändern der Laserfleckgröße auf 400 μm im Durchmesser zeigt. In 14 und 15 gibt ϕ den Durchmesser an.
Wie in 14 und 15 gezeigt, wenn die Fleckgröße des Laserlichts von 50 μm im Durchmesser auf 400 μm im Durchmesser geändert wurde, nahm ein maximaler Wert der Unebenheiten der Oberfläche, die durch den Laserverlagerungsmesser gemessen werden, von 67 μm auf 80 μm zu.
Wenn die Laserfleckgröße zunimmt, werden Fehler aufgrund von Speckle einer mittleren Größe gemittelt, was somit den Effekt der Fehler verringert. Ein Bereich, der durch großes Speckle beeinflusst wird, das lokal erscheint, nimmt jedoch zu, wenn die Laserfleckgröße zunimmt, wie in der obigen Gleichung (2) angegeben. Folglich wird in Betracht gezogen, dass der Messfehler des Laserverlagerungsmessers zunimmt, wenn die Fleckgröße zunimmt.
[Betrachtung des Verfahrens zum Entfernen von Rauschen]
Wie vorstehend beschrieben, wird in Betracht gezogen, dass ein Messfehler des Laserverlagerungsmessers an der lokalen Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens des zu messenden Objekts liegt und das Speckle mit großem Durchmesser gelegentlich erscheint. Ein durch diese Faktoren verursachter Fehler weist die folgenden Eigenschaften auf.

(a) Ein durch die Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens und das Speckle mit großem Durchmesser beeinflusster Bereich ist durch die Laserfleckgröße bestimmt.
(b) Durch Orientieren des Laserverlagerungsmessers derart, dass die Lichtempfangseinheit (Bildsensor) vor oder hinter dem Laserstrahl in der Abtastrichtung angeordnet ist, erscheint ein charakteristisches Fehlermuster, wie in den Bereichen RA, RB und RC von 11 zu sehen. Insbesondere variiert der Fehler in einer positiven oder negativen Richtung in der ersten Hälfte eines Abschnitts, in dem dieses charakteristische Fehlermuster erscheint (der als charakteristischer Abschnitt bezeichnet wird), und der Fehler variiert in einer Richtung entgegengesetzt zu jener der ersten Hälfte in der zweiten Hälfte. Ferner sind Absolutwerte des Fehlers in Punkten, die von einem Medianwert des charakteristischen Abschnitts gleich beabstandet sind, im Wesentlichen einander gleich (das heißt das Fehlermuster ist in Bezug auf den Medianwert im Wesentlichen punktsymmetrisch).

Der Abschnitt, in dem ein solches charakteristisches Fehlermuster zu sehen ist (charakteristischer Abschnitt), ist gleich oder kleiner als die Laserfleckgröße. Gemäß dem Abtasttheorem muss daher, um dieses Fehlermuster zu detektieren (Aufwärts- und Abwärtsvariation im gemessenen Wert), ein Abtastintervall des Laserverlagerungsmessers 1/2 oder weniger der Laserfleckgröße sein. Um eine Form der Aufwärts- und Abwärtsvariation im gemessenen Wert genau zu detektieren, ist das Abtastintervall des Laserverlagerungsmessers wünschenswerterweise 1/10 oder weniger der Fleckgröße. Erwünschter ist das Abtastintervall des Laserverlagerungsmessers 1/20 oder weniger der Fleckgröße.
Da das vorstehend beschriebene charakteristische Fehlermuster über dem Messfehler des Laserverlagerungsmessers dominant ist, kann, wenn dieses Fehlermuster durch Softwarebearbeitung extrahiert und entfernt werden kann, der Messfehler des Laserverlagerungsmessers effizient verringert werden. Eine Prozedur für die Rauschentfernung wird nachstehend spezieller beschrieben.
16 ist ein Ablaufplan, der eine Oberflächenformmessung und eine Prozedur zum Verarbeiten von gemessenen Daten zeigt. Mit Bezug hauptsächlich nun auf 4 und 16 wird die Operation der Messsteuereinheit 156 und der Datenverarbeitungseinheit 158 von 4 beschrieben.
Zuerst orientiert die Messsteuereinheit 156 den Laserverlagerungsmesser 100 derart, dass die Lichtempfangseinheit (linearer Bildsensor 120) vor oder hinter der Lichtemissionseinheit 110 von 1 in der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 (+X-Richtung oder –X-Richtung) angeordnet ist, und bewirkt, dass der Bewegungsmechanismus 146 den Laserstrahl 116 abtastet. Während der Abtastung des Laserstrahls 116 misst außerdem die Messsteuereinheit 156 kontinuierlich eine Verlagerung der Oberfläche des zu messenden Objekts 130 mittels des Laserverlagerungsmessers 100 (Schritt S100). Die gemessenen Daten werden im Speicher 154 als Oberflächenformdaten 166 gespeichert. Ein Abtastintervall der Oberflächenformdaten 166 muss 1/2 oder weniger der Fleckgröße des Laserstrahls und wünschenswerterweise 1/10 oder weniger, erwünschter 1/20 oder weniger der Fleckgröße sein.
Nach der Messung durch die Messsteuereinheit 156 führt die Datenverarbeitungseinheit 158 eine Datenverarbeitung an den Oberflächenformdaten 166 durch. Wie in 4 gezeigt, umfasst die Datenverarbeitungseinheit 158 eine Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt, eine Datenkorrektureinheit 162 und eine Filterverarbeitungseinheit 164.
Zuerst extrahiert die Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt einen charakteristischen Abschnitt, in dem das vorstehend erwähnte charakteristische Fehlermuster beobachtet wird, von einem Messbereich der Oberflächenformdaten (Schritt S105). Wie beschrieben wurde, weist der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich oder kleiner als die Fleckgröße des Lichtstrahls auf und die Oberflächenformdaten variieren, so dass sie einen maximalen Wert in der ersten Hälfte oder der zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen, und variieren, so dass sie einen minimalen Wert in der anderen Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen. Mit Bezug auf 17 und 18 wird das Verfahren zum Extrahieren des charakteristischen Abschnitts beschrieben.
17 ist ein Diagramm, das das Verfahren zum Extrahieren des charakteristischen Abschnitts in Schritt S105 von 16 darstellt. Mit Bezug auf 17 schneidet die Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt von 4 nacheinander gemessene Daten MD eines Abschnitts I1 gleich der Fleckgröße w des Laserstrahls vom Messbereich der Oberflächenformdaten aus. Dann bestimmt die Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt einen Korrelationskoeffizienten zwischen einer Wellenform der ausgeschnittenen gemessenen Daten MD in der ersten Hälfte I2 des Abschnitts I1 und einer Wellenform, die durch Drehen einer Wellenform der gemessenen Daten MD in der zweiten Hälfte I3 des Abschnitts I1 um 180 Grad um einen Datenpunkt MP in einem Zentrum des Abschnitts I1 erhalten wird. Wenn der bestimmte Korrelationskoeffizient einen vorbestimmten Referenzwert überschreitet, identifiziert die Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt den ausgeschnittenen Abschnitt I1 als charakteristischen Abschnitt.
18 ist ein Diagramm, das ein anderes Verfahren zum Extrahieren des charakteristischen Abschnitts in Schritt S105 von 16 darstellt. Mit Bezug auf 18 extrahiert die Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt von 4 innerhalb eines Abschnitts I4 gleich oder kleiner als die Fleckgröße w des Laserstrahls einen Teil, in dem die gemessenen Daten MD sowohl in positiven als auch negativen Richtungen über einen vorbestimmten Bereich TH relativ zu einem Mittelwert AV hinaus variieren. Wenn die gemessenen Daten MD in einem Teil der ersten Hälfte I5 des Abschnitts I4 in einer Richtung (positive Richtung oder negative Richtung) über den vorbestimmten Bereich TH relativ zum Mittelwert AV der gemessenen Daten MD hinaus variieren und die gemessenen Daten MD in einem Teil der zweiten Hälfte I6 des Abschnitts I4 in einer Richtung entgegengesetzt zu jener der ersten Hälfte I5 über den vorbestimmten Bereich TH relativ zum Mittelwert AV hinaus variieren, dann identifiziert die Extraktionseinheit 160 für den charakteristischen Abschnitt diesen Abschnitt I4 als charakteristischen Abschnitt.
Mit Rückbezug auf 4 und 16 korrigiert die Datenkorrektureinheit 162 die Oberflächenformdaten 166, so dass eine Variation relativ zum Mittelwert der Oberflächenformdaten 166 (nämlich eine Abweichung jedes gemessenen Werts vom Mittelwert) in einem oder jedem der mehreren extrahierten charakteristischen Abschnitte verringert wird (Schritt S110). Mögliche Verfahren umfassen beispielsweise das Korrigieren der Oberflächenformdaten 166 unter Verwendung der Symmetrie des Fehlermusters in jedem charakteristischen Abschnitt.
19 ist ein Diagramm, das das Verfahren zum Korrigieren der Oberflächenformdaten 166 in Schritt S110 von 16 darstellt. Mit Bezug auf 19 stellt ein Graph in durchgezogener Linie die Daten MD (Oberflächenformdaten 166) dar, die in einem charakteristischen Abschnitt 17 gemessen werden. Ein Strich-Punkt-Linien-Graph stellt gefaltete Daten RD dar, die durch Falten an einer Grenze BR zwischen einer ersten Hälfte I8 und einer zweiten Hälfte I9 des charakteristischen Abschnitts I7 der gemessenen Daten MD in der zweiten Hälfte über die erste Hälfte und der gemessenen Daten MD in der ersten Hälfte über die zweite Hälfte erhalten werden. Da die gemessenen Daten MD und die gefalteten Daten RD im Wesentlichen um die Grenze BR zueinander symmetrisch sind, können durch Mitteln der gemessenen Daten MD und gefalteten Daten RD in jedem Messpunkt korrigierte Daten AD, von denen das charakteristische Rauschen entfernt wurde (eine gestrichelte Linie in 19), erhalten werden.
Insbesondere korrigiert die Datenkorrektureinheit 162 die Oberflächenformdaten durch Mitteln eines gemessenen Werts in irgendeinem ersten Messpunkt in jedem charakteristischen Abschnitt und eines gemessenen Werts in einem zweiten Messpunkt symmetrisch zum ersten Messpunkt um einen Mittelpunkt des Abschnitts und durch Ersetzen des gemessenen Werts im ersten und im zweiten Messpunkt durch den erhaltenen Mittelwert.
Alternativ kann die Datenkorrektureinheit 162 die Oberflächenformdaten 166 durch Ersetzen der Daten in jedem charakteristischen Abschnitt durch den Mittelwert der Oberflächenformdaten 166 korrigieren.
Mit Rückbezug auf 4 und 16 führt die Filterverarbeitungseinheit 164 einen räumlichen Tiefpassfilterprozess an den durch die Datenkorrektureinheit 162 korrigierten Oberflächenformdaten durch (Schritt S115). Da in diesem Fall ein Bereich, in dem das charakteristische Fehlermuster erscheint, gleich oder kleiner als die Laserfleckgröße ist, kann eine Grenzwellenlänge eines räumlichen Tiefpassfilters für die Rauschentfernung an die Laserfleckgröße während der Messung angepasst werden. Folglich bleibt nur eine Variation eines Zyklus, der länger ist als die Fleckgröße des Laserstrahls. Als räumlicher Tiefpassfilterprozess kann beispielsweise ein Prozess für einen gleitenden Mittelwert verwendet werden, wobei die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert gleich der Fleckgröße gesetzt wird.
Ein Ergebnis der Durchführung der Datenverarbeitung der Schritte S105, S110 und S115 in 16 an den gemessenen Daten von 11 wird nun beschrieben.
20 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Durchführung der in Schritt S110 von 16 gezeigten Datenkorrektur an den gemessenen Daten von 11 zeigt. Durch Durchführen der Datenkorrektur, die in Schritt S110 gezeigt ist, wurde ein Schwankungsbereich (Rauschkomponente) der Daten von 3σ = 0,026 mm auf 3σ = 0,012 mm verringert.
21 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Durchführung des Tiefpassfilterprozesses, der in Schritt S115 von 16 gezeigt ist, an den Daten von 20 zeigt. Insbesondere wurde ein Prozess für einen gleitenden Mittelwert durch Festlegen der Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert auf 50 μm, die gleich der Fleckgröße ist, durchgeführt. Durch Durchführen des Prozesses für den gleitenden Mittelwert wurde der Schwankungsbereich der Daten von 3σ = 0,012 mm auf 3σ = 0,004 mm verringert.
22 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis der Durchführung des Tiefpassfilterprozesses, der in Schritt S115 von 16 gezeigt ist, an den gemessenen Daten von 11 ohne Durchführen der in Schritt S110 gezeigten Datenkorrektur zeigt. Insbesondere wurde ein Prozess für einen gleitenden Mittelwert durch Festlegen der Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert auf 50 μm, die gleich der Fleckgröße ist, durchgeführt. In diesem Fall wurde der Schwankungsbereich der Daten nur von 3σ = 0,026 mm auf 3σ = 0,009 mm verringert.
Wenn im Fall von 22 die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert größer gemacht wird als die Fleckgröße des Laserstrahls, kann das Messrauschen weiter verringert werden, das Rauschen, das sich aus dem charakteristischen Fehlermuster ergibt, kann jedoch nicht vollständig entfernt werden. Das zu starke Vergrößern der Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert würde jedoch nachteilig zu einer Unfähigkeit führen, Unebenheiten eines Niveaus zu detektieren, das normalerweise detektiert werden kann.
[Schlussfolgerung der ersten Ausführungsform]
Wie vorstehend beschrieben, wenn die Oberflächenform des zu messenden Objekts mittels des Laserverlagerungsmessers mit der Abtastung des Laserstrahls gemessen wird, erscheint ein großer zackenartiger Fehler. Der Fehler hat die folgenden Eigenschaften:

(a) Der Fehler des Laserverlagerungsmessers weist eine sehr gute Wiederholungsreproduzierbarkeit auf. Folglich kann das Rauschen durch Mitteln von mehreren Messungen nicht entfernt werden (Zeitmittelungsprozess).
(b) Durch Orientieren des Laserverlagerungsmessers derart, dass die Lichtempfangseinheit (Bildsensor) vor oder hinter dem Laserstrahl in der Abtastrichtung angeordnet ist, erscheint das charakteristische Fehlermuster mit einer punktsymmetrischen Form.
(c) Der Bereich, in dem das vorstehend erwähnte charakteristische Fehlermuster erscheint, ist durch die Laserfleckgröße bestimmt.

Der vorstehend erwähnte Fehler kann durch Speckle-Rauschen mit einem Durchmesser, der zu groß ist, um ihn relativ zur Fleckgröße des Laserlichts zu ignorieren, oder die lokale Ungleichmäßigkeit des Reflexionsvermögens der Oberfläche des zu messenden Objekts erklärt werden. Durch Extrahieren und Entfernen des charakteristischen Fehlermusters des vorstehend beschriebenen Fehlers kann der Messfehler des Laserverlagerungsmessers effizient verringert werden. Da die Menge an Licht, das vom Bildsensor empfangen wird, in einem Teil stark variiert, in dem der Fehler zunimmt, kann ferner die Variation der Menge an Licht, das vom Bildsensor empfangen wird, als Indikator der Messzuverlässigkeit verwendet werden, und kann auch verwendet werden, um das charakteristische Fehlermuster von den ursprünglichen Unebenheiten am zu messenden Objekt zu unterscheiden.
<Zweite Ausführungsform>
23 ist ein Blockdiagramm, das schematisch die Konfiguration einer Oberflächenformmessvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt. Eine Datenverarbeitungseinheit 158A von 23 ist von der Datenverarbeitungseinheit 158 von 4 insofern verschieden, als sie eine Verarbeitungseinheit 163 für den gleitenden Mittelwert anstelle einer Datenkorrektureinheit 162 und Filterverarbeitungseinheit 164 umfasst. Abgesehen von der Datenverarbeitungseinheit 158 ist eine Oberflächenformmessvorrichtung 140A von 23 zur Oberflächenformmessvorrichtung 140 von 4 identisch und folglich sind dieselben oder entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und deren Beschreibungen werden nicht wiederholt.
24 ist ein Ablaufplan, der ein Beispiel einer Oberflächenformmessung und einer Prozedur zur Verarbeitung von gemessenen Daten in der Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. In der Datenverarbeitungsprozedur von 24 wird Schritt S120 anstelle der Schritte S110 und S115 von 16 ausgeführt. Die Schritte S100 und S105 sind dieselben wie in 16 und folglich werden deren Beschreibungen nicht wiederholt.
In dem Beispiel von 24 führt die Verarbeitungseinheit 163 für den gleitenden Mittelwert von 23 eine gleitende Mittelung an den Oberflächenformdaten 166 unter Verwendung einer variablen Fensterbreite durch (Schritt S120). Die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert ist größer als die Fleckgröße des Lichtstrahls. Wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt durchgeführt wird, in dem das charakteristische Fehlermuster, wie in den Bereichen RA, RB und RC von 11 zu sehen, beobachtet wird (als charakteristischer Abschnitt bezeichnet), legt die Verarbeitungseinheit 163 für den gleitenden Mittelwert die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert größer fest, als wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt ohne charakteristischen Abschnitt durchgeführt wird. Die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert, wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt mit dem charakteristischen Abschnitt durchgeführt wird, wird beispielsweise fünfmal oder mehr die Fleckgröße festgelegt.
25 ist ein Ablaufplan, der ein anderes Beispiel der Oberflächenformmessung und einer Prozedur zum Verarbeiten der gemessenen Daten in der Oberflächenformmessvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. In der Datenverarbeitungsprozedur von 24 wird Schritt S125 anstelle der Schritte S110 und S115 von 16 ausgeführt. Die Schritte S100 und S105 sind dieselben wie in 16 und folglich werden deren Beschreibungen nicht wiederholt.
In dem Beispiel von 25 führt die Verarbeitungseinheit 163 für den gleitenden Mittelwert von 23 eine gewichtete gleitende Mittelung an den Oberflächenformdaten 166 durch (Schritt S125). Die Fensterbreite des gewichteten gleitenden Mittelwerts ist größer als die Fleckgröße des Lichtstrahls und wird so festgelegt, dass sie beispielsweise fünfmal oder mehr die Fleckgröße ist. Die Verarbeitungseinheit 163 für den gleitenden Mittelwert legt ein Gewicht in einem Messpunkt im charakteristischen Abschnitt, in dem das charakteristische Fehlermuster, wie in den Bereichen RA, RB und RC von 11 zu sehen, beobachtet wird, kleiner als ein Gewicht in einem Messpunkt außerhalb des charakteristischen Abschnitts fest.
Wie vorstehend beschrieben, kann durch Unterdrücken der Datenvariation im charakteristischen Abschnitt mehr als die Datenvariation außerhalb des charakteristischen Abschnitts der im Laserverlagerungsmesser enthaltene Fehler effizient entfernt werden.
<Dritte Ausführungsform>
Eine dritte Ausführungsform offenbart eine Werkzeugmaschine mit der Oberflächenformmessvorrichtung in der ersten oder der zweiten Ausführungsform. Obwohl die Werkzeugmaschine nachstehend als vertikales Bearbeitungszentrum beschrieben wird, kann die Werkzeugmaschine von einem anderen Typ sein wie z. B. ein horizontales Bearbeitungszentrum oder eine Drehmaschine.
26 ist eine perspektivische Ansicht, die schematisch die Konfiguration der Werkzeugmaschine gemäß der dritten Ausführungsform zeigt. Mit Bezug auf 26 umfasst eine Werkzeugmaschine 200 eine Bearbeitungsvorrichtung 10, eine NC-Vorrichtung (numerische Steuervorrichtung) 24, einen ATC (automatischen Werkzeugwechsler) 28 und einen Computer 150.
Die Bearbeitungsvorrichtung 10 umfasst ein Bett 12, eine Säule 14, die auf dem Bett 12 angeordnet ist, einen Spindelkopf 20 mit einer Spindel 22 und einen Sattel 16 mit einem Tisch 18.
Der Spindelkopf 20 ist an einer vorderen Oberfläche der Säule 14 abgestützt und ist in einer vertikalen Richtung (Z-Achsen-Richtung) beweglich. Ein Werkzeug (nicht dargestellt) oder ein Messkopf 42 ist lösbar an einer Spitze der Spindel 22 befestigt. Die Spindel 22 weist eine zentrale Achsenlinie (CL in 2) parallel zur Z-Achse auf und ist am Spindelkopf 20 drehbar um die zentrale Achsenlinie abgestützt. Der Messkopf 42 umfasst darin einen Laserverlagerungsmesser 100, der in 4 und 23 gezeigt ist, eine Steuerschaltung und eine Antriebsbatterie für diesen Laserverlagerungsmesser und eine Kommunikationsvorrichtung zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation.
Der Sattel 16 ist auf dem Bett 12 angeordnet und vorwärts oder rückwärts in einer horizontalen Richtung (Y-Achsen-Richtung) beweglich. Der Tisch 18 ist auf dem Sattel 16 angeordnet. Der Tisch 18 ist nach rechts oder links in der horizontalen Richtung (X-Achsen-Richtung) beweglich. Ein Werkstück 2 ist auf dem Tisch 18 angeordnet. Der Sattel 16 entspricht dem Sattel 142 von 4 und 23 und der Tisch 18 entspricht dem Tisch 144 von 4 und 23. Das Werkstück 2 entspricht dem zu messenden Objekt 130 von 4 und 23.
Die Bearbeitungsvorrichtung 10 ist ein Bearbeitungszentrum, das eine Drei-Achsen-Steuerung des sich linear bewegenden Messkopfs 42 und Werkstücks 2 relativ zueinander in den Richtungen der drei orthogonalen X-, Y- und Z-Achsen durchführt. Im Gegensatz zu der Konfiguration von 1 kann die Bearbeitungsvorrichtung 10 dazu konfiguriert sein, den Spindelkopf 20, der den Messkopf 42 abstützt, in den X-Achsen- und Y-Achsen-Richtungen relativ zum Werkstück 2 zu bewegen.
Die NC-Vorrichtung 24 steuert den ganzen Betrieb der Bearbeitungsvorrichtung 10 mit der vorstehend angegebenen Drei-Achsen-Steuerung. Der ATC (automatische Werkzeugwechsler) 28 wechselt automatisch das Werkzeug und den Messkopf 42 für die Spindel 22. Der ATC 28 wird durch die NC-Vorrichtung 24 gesteuert.
27 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionale Konfiguration eines Teils zeigt, der sich auf eine Oberflächenformmessvorrichtung der Werkzeugmaschine von 26 bezieht. 27 zeigt einen Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34, einen Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und einen X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, die an der Bearbeitungsvorrichtung 10 vorgesehen sind.
Mit Bezug auf 26 und 27 treibt der Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 den Spindelkopf 20 an und bewegt diesen, der an der Säule 14 abgestützt ist, in der Z-Achsen-Richtung. Der Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 treibt den Sattel 16, der am Kopf 12 angeordnet ist, in der Y-Achsen-Richtung an und bewegt diesen. Der X-Achsen-Vorschubmechanismus 30 treibt den Tisch 18, der am Sattel 16 angeordnet ist und das Werkstück 2 abstützt, in der X-Achsen-Richtung an und bewegt diesen. Die NC-Vorrichtung 24 steuert jeden des Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34, des Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und des X-Achsen-Vorschubmechanismus 30. Der X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, der Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und der Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 entsprechen dem X-Achsen-Antriebsmechanismus 146X, dem Y-Achsen-Antriebsmechanismus 146Y bzw. dem Z-Achsen-Antriebsmechanismus 146Z von 4 und 23.
Der Computer 150 umfasst einen Prozessor 152, einen Speicher 154, eine Kommunikationsvorrichtung 168 zum Durchführen einer drahtlosen Kommunikation mit dem Messkopf 42 und dergleichen. Der Prozessor 152 funktioniert als Messsteuereinheit 156 und Datenverarbeitungseinheiten 158, 158A, die in 4 und 23 beschrieben wurden, durch Ausführen eines im Speicher 154 gespeicherten Programms.
Die Messsteuereinheit 156 wirkt mit der NC-Vorrichtung 24 zusammen, um kontinuierlich die Positionsbeziehung zwischen dem Messkopf 42 und dem Werkstück 2 zu ändern, wodurch der Laserstrahl 116 entlang einer Oberfläche des Werkstücks 2 abtastet. Während der Abtastung des Laserstrahls 116 erhält die Messsteuereinheit 156 Verlagerungsdaten in einer Höhenrichtung (Z-Achsen-Richtung) in mehreren Messpunkten in der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 vom Messkopf 42 als Oberflächenformdaten über das Werkstück 2. Eine spezielle Prozedur ist wie folgt.
Auf der Basis der Steuerung durch die Messsteuereinheit 156 treibt die NC-Vorrichtung 24 zuerst einen des X-Achsen-Vorschubmechanismus 30 und Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 oder mindestens zwei des X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, des Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und des Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 an, um kontinuierlich die Positionsbeziehung zwischen dem Messkopf 42 und dem Werkstück 2 zu ändern. Hier wird der Laserverlagerungsmesser derart orientiert, dass die Lichtempfangseinheit des Laserverlagerungsmessers vor oder hinter der Lichtemissionseinheit des Laserverlagerungsmessers in der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 angeordnet ist.
Synchron mit dem Antrieb der vorstehend angegebenen Vorschubmechanismen gibt eine PLC (programmierbare Logiksteuereinheit) 26, die in der NC-Vorrichtung 24 enthalten ist, ein Auslösesignal an die Kommunikationsvorrichtung 168 in regelmäßigen Intervallen aus. In Reaktion auf das Auslösesignal überträgt die Kommunikationsvorrichtung 168 einen Messbefehl f zum Messkopf 42. und der Messkopf 42 misst einen Abstand D vom Messkopf 42 zum Werkstück 2 (nämlich eine Verlagerung der Oberfläche des Werkstücks 2) gemäß dem Messbefehl f. Daten F über den gemessenen Abstand D werden vom Messkopf 42 zur Messsteuereinheit 156 über die Kommunikationsvorrichtung 168 übertragen.
Die PLC 26 erhält auch Positionsinformationen über den X-Achsen-Vorschubmechanismus 30, den Y-Achsen-Vorschubmechanismus 32 und den Z-Achsen-Vorschubmechanismus 34 zum Zeitpunkt der Abstandsmessung durch den vorstehend beschriebenen Messkopf 42, um Daten über die Position des Messkopfs 42 zu detektieren. Die PLC 26 überträgt die detektierten Positionsdaten über den Messkopf 42 zur Messsteuereinheit 156.
Auf der Basis der Positionsdaten über den Messkopf 42, die von der PLC 26 erhalten werden, und Daten F über den Abstand D, die vom Messkopf 42 erhalten werden, speichert die Messsteuereinheit 156 die Verlagerungsdaten in der Höhenrichtung (Z-Achsen-Richtung) in jedem Messpunkt entlang der Abtastrichtung des Laserstrahls 116 im Speicher 154 als Oberflächenformdaten 166.
Der Prozessor 152 fungiert auch als Datenverarbeitungseinheiten 158, 158A, die die Datenverarbeitung zum Entfernen von Rauschen durchführen, das in den vorstehend angegebenen Oberflächenformdaten 166 enthalten ist. Die Operation der Datenverarbeitungseinheiten 158, 158A ist wie in der ersten und der zweiten Ausführungsform beschrieben. Ein in den Oberflächenformdaten 166 enthaltener Fehler kann durch die Datenverarbeitungseinheiten 158, 158A effizient verringert werden.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die hier offenbarten Ausführungsformen in jeder Hinsicht erläuternd und nicht einschränkend sind. Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist vielmehr durch die Bestimmungen der Ansprüche als die obige Beschreibung definiert und soll beliebige Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs und der Bedeutung enthalten, die zu den Bestimmungen der Ansprüche äquivalent sind.
BEZUGSZEICHENLISTE

2 Werkstück; 10 Bearbeitungsvorrichtung; 16, 142 Sattel; 18, 144 Tisch; 24 NC-Vorrichtung; 30 X-Achsen-Vorschubmechanismus; 32 Y-Achsen-Vorschubmechanismus; 34 Z-Achsen-Vorschubmechanismus; 42 Messkopf; 100 Laserverlagerungsmesser; 110 Lichtemissionseinheit; 112 Laserdiode; 114 Linse; 116 Laserstrahl; 118 Kondensorlinse (optisches System); 120 linearer Bildsensor (Lichtempfangseinheit); 130 zu messendes Objekt; 132 Laserfleck; 140, 140A Oberflächenformmessvorrichtung; 146 Bewegungsmechanismus; 146X X-Achsen-Antriebsmechanismus; 146Y Y-Achsen-Antriebsmechanismus; 146Z Z-Achsen-Antriebsmechanismus; 150 Computer; 152 Prozessor; 154 Speicher; 156 Messsteuereinheit; 158, 158A Datenverarbeitungseinheit; 160 Extraktionseinheit für den charakteristischen Abschnitt; 162 Datenkorrektureinheit; 163 Verarbeitungseinheit für den gleitenden Mittelwert; 164 Filterverarbeitungseinheit; 166 Oberflächenformdaten; 168 Kommunikationsvorrichtung; 200 Werkzeugmaschine.

Claims

Oberflächenformmessvorrichtung, die umfasst: einen Verlagerungsmesser, wobei der Verlagerungsmesser eine Lichtemissionseinheit, die einen Lichtstrahl in Richtung eines zu messenden Objekts emittiert, ein optisches System, das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt sammelt, und eine Lichtempfangseinheit, die eine Fokussierposition des durch das optische System gesammelten Lichts detektiert, umfasst, wobei der Verlagerungsmesser eine Verlagerung einer Oberfläche des zu messenden Objekts auf der Basis der Fokussierposition des Lichts an der Lichtempfangseinheit misst; einen Bewegungsmechanismus, der den Lichtstrahl durch Bewegen des Verlagerungsmessers und des zu messenden Objekts relativ zueinander abtastet; und eine Messsteuereinheit, die den Bewegungsmechanismus und den Verlagerungsmesser steuert, wobei die Messsteuereinheit dazu konfiguriert ist: zu bewirken, dass der Bewegungsmechanismus den Lichtstrahl derart abtastet, dass die Lichtempfangseinheit vor oder hinter der Lichtemissionseinheit in einer Abtastrichtung des Lichtstrahls angeordnet ist; und während der Abtastung des Lichtstrahls kontinuierlich eine Variation der Verlagerung der Oberfläche des zu messenden Objekts mittels des Verlagerungsmessers als Oberflächenformdaten zu messen.
Oberflächenformmessvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Extraktionseinheit für den charakteristischen Abschnitt umfasst, die einen charakteristischen Abschnitt von einem Messbereich der Oberflächenformdaten extrahiert, wobei der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich oder kleiner als eine Fleckgröße des Lichtstrahls aufweist, und die Oberflächenformdaten variieren, so dass sie einen maximalen Wert in einer ersten Hälfte oder einer zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen, und variieren, so dass sie einen minimalen Wert in der anderen Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen.
Oberflächenformmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich oder kleiner als eine Fleckgröße des Lichtstrahls aufweist und mindestens eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, wobei die mindestens eine vorbestimmte Bedingung eine Bedingung umfasst, dass die Oberflächenformdaten in einem Teil der ersten Hälfte des charakteristischen Abschnitts in einer Richtung über einen vorbestimmten Bereich relativ zu einem Mittelwert der Oberflächenformdaten hinaus variieren und die Oberflächenformdaten in einem Teil der zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts in einer Richtung entgegengesetzt zu jener der ersten Hälfte über den vorbestimmten Bereich relativ zum Mittelwert hinaus variieren.
Oberflächenformmessvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich einer Fleckgröße des Lichtstrahls aufweist und mindestens eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, wobei die mindestens eine vorbestimmte Bedingung eine Bedingung umfasst, dass ein Korrelationskoeffizient zwischen einer Wellenform der Oberflächenformdaten in der erstem Hälfte des charakteristischen Abschnitts und einer Wellenform, die durch Drehen einer Wellenform der Oberflächenformdaten in der zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts um 180 Grad um einen Datenpunkt in einem Zentrum des charakteristischen Abschnitts erhalten wird, einen vorbestimmten Referenzwert überschreitet.
Oberflächenformmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, die ferner eine Datenkorrektureinheit umfasst, die die Oberflächenformdaten korrigiert, so dass eine Variation in den Oberflächenformdaten relativ zum Mittelwert der Oberflächenformdaten im extrahierten charakteristischen Abschnitt oder jedem von mehreren extrahierten charakteristischen Abschnitten verringert wird.
Oberflächenformmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Datenkorrektureinheit die Oberflächenformdaten durch Mitteln eines gemessenen Werts in irgendeinem ersten Messpunkt in jedem der charakteristischen Abschnitte und eines gemessenen Werts in einem zweiten Messpunkt, der zum ersten Messpunkt um einen Mittelpunkt des Abschnitts symmetrisch ist, und durch Ersetzen von jedem der gemessenen Werte im ersten und im zweiten Messpunkt durch den erhaltenen Mittelwert korrigiert.
Oberflächenformmessvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Datenkorrektureinheit die Oberflächenformdaten durch Ersetzen der Daten in jedem charakteristischen Abschnitt durch den Mittelwert der Oberflächenformdaten korrigiert.
Oberflächenformmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die ferner eine Filterverarbeitungseinheit umfasst, die einen Tiefpassfilterprozess an den durch die Datenkorrektureinheit korrigierten Oberflächenformdaten durchführt, wobei der Tiefpassfilterprozess nur eine Variation eines Zyklus, der länger ist als die Fleckgröße des Lichtstrahls, belässt.
Oberflächenformmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, die ferner eine Verarbeitungseinheit für den gleitenden Mittelwert umfasst, die eine gleitende Mittelung an den Oberflächenformdaten unter Verwendung eines Fensters für den gleitenden Mittelwert mit einer variablen Breite durchführt, wobei die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert größer ist als die Fleckgröße des Lichtstrahls, und die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert, wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt mit dem charakteristischen Abschnitt durchgeführt wird, größer ist als die Breite des Fensters für den gleitenden Mittelwert, wenn die gleitende Mittelung in einem Abschnitt ohne charakteristischen Abschnitt durchgeführt wird.
Oberflächenformmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, die ferner eine Verarbeitungseinheit für den gleitenden Mittelwert umfasst, die eine gewichtete gleitende Mittelung an den Oberflächenformdaten durchführt, wobei ein Fenster für den gewichteten gleitenden Mittelwert eine Breite aufweist, die größer ist als die Fleckgröße des Lichtstrahls, und ein Gewicht in einem Messpunkt im charakteristischen Abschnitt kleiner ist als ein Gewicht in einem Messpunkt außerhalb des charakteristischen Abschnitts.
Werkzeugmaschine mit der Oberflächenformmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Oberflächenformmessverfahren unter Verwendung eines kontaktlosen Verlagerungsmessers, wobei der Verlagerungsmesser eine Lichtemissionseinheit, die einen Lichtstrahl in Richtung eines zu messenden Objekts emittiert, ein optisches System, das gestreutes Licht des Lichtstrahls vom zu messenden Objekt sammelt, und eine Lichtempfangseinheit, die eine Fokussierposition des durch das optische System gesammelten Lichts detektiert, umfasst, wobei das Oberflächenformmessverfahren die Schritte umfasst: Bewegen des Verlagerungsmessers relativ zum zu messenden Objekt entlang einer Abtastrichtung, während die Positionsbeziehung zwischen der Lichtempfangseinheit und der Lichtemissionseinheit aufrechterhalten wird, so dass die Lichtempfangseinheit vor oder hinter der Lichtemissionseinheit in der Abtastrichtung angeordnet ist; und Bestimmen einer Oberflächenform des zu messenden Objekts auf der Basis einer Variation des gemessenen Werts vom Verlagerungsmesser, der sich aus der relativen Bewegung des Verlagerungsmessers ergibt.
Oberflächenformmessverfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt des Bestimmens der Oberflächenform den Schritt des Extrahierens eines charakteristischen Abschnitts von einem Messbereich der Oberflächenform des zu messenden Objekts umfasst; der charakteristische Abschnitt eine Länge gleich oder kleiner als eine Fleckgröße des Lichtstrahls aufweist, und gemessene Daten über die Oberflächenform des zu messenden Objekts variieren, so dass sie einen maximalen Wert in einer ersten Hälfte oder einer zweiten Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen, und variieren, so dass sie einen minimalen Wert in der anderen Hälfte des charakteristischen Abschnitts erreichen.
Oberflächenformmessverfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bestimmens einer Oberflächenform ferner den Schritt des Korrigierens der gemessenen Daten über die Oberflächenform des zu messenden Objekts umfasst, so dass eine Abweichung jedes gemessenen Werts relativ zu einem Mittelwert der gemessenen Daten im extrahierten charakteristischen Abschnitt oder jedem von mehreren extrahierten charakteristischen Abschnitten verringert wird.