JP2012225701A

JP2012225701A - 形状測定装置

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Publication number: JP2012225701A
Application number: JP2011091736A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nemoto; 賢太郎根本; Masayoshi Yamagata; 正意山縣
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-11-15
Also published as: CN102749040A; US20120262724A1; EP2515070A1

Abstract

【課題】測定範囲および測定精度を調整・変更可能なプローブを備えた形状測定装置を提供する。
【解決手段】ワークに直線状の光を照射する光照射部と、光照射部から照射された光のワークからの反射光を撮像する撮像部３０と、を備えたプローブによりワークの表面を非接触に走査して、ワークの表面形状を測定する形状測定装置において、撮像部３０は、ワークの画像を撮像する撮像素子３１と、ワークからの反射光を撮像素子３１の撮像面に結像させる結像レンズ３２と、結像レンズ３２を交換可能とするマウント部３３と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、形状測定装置に関する。

従来、プローブによってワークの表面を非接触に走査して、ワークの表面形状を測定する形状測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
プローブは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子、結像レンズ、ラインレーザ等を備えて構成されたものであって、シャインプルーフの原理を利用して測定を行っている。
シャインプルーフの原理とは、図１０に示すように、撮像素子の撮像面、結像レンズの主点を含む主平面、及びワークに照射されるラインレーザの照射面をそれぞれ延長した面が、一点で交わるように配置されている場合、撮像素子の撮像面上全体が合焦状態となるというものである。

こうしたシャインプルーフの原理を利用したプローブでは、測定精度（分解能）と測定範囲とがトレードオフの関係にある。即ち、ラインレーザの照射面上にあるワークを撮像素子で測定する場合、使用する結像レンズの光学倍率によりその撮像範囲が決定される。
このため、図１１に示すように、広い範囲を測定する場合には、低倍率の結像レンズが用いられ、狭い範囲を高精度で測定する場合には、高倍率の結像レンズが用いられる。

特表２００９−５３４９６９号公報

ところで、従来、上記したようなプローブにおいては、ラインレーザや結像レンズは製造過程で当該プローブに固定され、一旦固定されると変更することはできない構成であった。このため、プローブの測定精度と測定範囲とは、固定された結像レンズの光学倍率と撮像素子の大きさにより、一義的に決定されることとなっていた。
そのため、測定を行いたいワークのサイズに合せて、適切な測定範囲（あるいは測定精度）を有するプローブに取り替える必要が生じ、測定範囲（測定精度）の仕様が異なるプローブを複数種類用意する必要があった。
このように、所望の測定範囲（測定精度）が異なるだけで複数種類のプローブを用意することは、膨大なコストが発生すると共に付け替えを行うたびにアライメント作業等を行う必要があり、設置工数の増大につながっていた。

本発明の課題は、測定範囲および測定精度を調整・変更可能なプローブを備えた形状測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、
請求項１に記載の発明は、
ワークに直線状の光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された光のワークからの反射光を撮像する撮像部と、を備えたプローブによりワークの表面を非接触に走査して、ワークの表面形状を測定する形状測定装置において、
前記撮像部は、
ワークの画像を撮像する撮像素子と、
ワークからの反射光を前記撮像素子の撮像面に結像させる結像レンズと、
前記結像レンズを交換可能とするレンズ交換手段と、
を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の形状測定装置において、
前記レンズ交換手段は、
前記結像レンズを着脱可能に支持するマウント部を備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の形状測定装置において、
前記レンズ交換手段は、
中心部を軸として回転可能で、且つ、前記中心部から等距離の位置にレンズ中心を有する複数種類の前記結像レンズが配された円形状レンズユニットを備えることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の形状測定装置において、
前記レンズ交換手段は、
前記撮像素子に対してスライド可能で、且つ、複数種類の前記結像レンズが直線状に配された直線状レンズユニットを備えることを特徴とする。

本発明によれば、結像レンズを交換可能とするレンズ交換手段が備えられるため、測定範囲や測定精度を調整・変更したい場合、容易に所望の光学倍率の結像レンズに交換することができる。
このため、測定範囲や測定精度の仕様が異なるプローブを複数種類用意する必要がなく、コストが低減される。また、プローブの付け替え作業等を行う必要がないため、設置工数の低減を図ることができる。また、従来までの高速スキャンを維持できる。
よって、使い勝手を向上させることができる。

本発明の形状測定装置の全体構成図である。形状測定装置の光学プローブの構成を説明するための図である。形状測定装置の動作を説明するための図である。第１実施形態の撮像部を説明するための図である。第１実施形態のレンズ交換を説明するための図である。第２実施形態の撮像部を説明するための図である。第２実施形態のレンズ交換手段を示す平面図である。第３実施形態の撮像部を説明するための図である。第３実施形態のレンズ交換手段を示す平面図である。シャインプルーフの原理を説明するための図である。測定精度と測定範囲との関係を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、発明の範囲は、図示例に限定されない。

［第１実施形態］
先ず、構成について説明する。
本実施形態の形状測定装置１００は、図１に示すように、制御装置１０１と、操作部１０２と、ホストシステム１０３と、装置本体部１０４と、を備えて構成されている。

制御装置１０１は、装置本体部１０４を駆動制御すると共に、装置本体部１０４から必要な測定座標値等を取り込む。

操作部１０２は、ユーザが、制御装置１０１を介して装置本体部１０４を手動操作するのに使用される。

ホストシステム１０３は、各種画面を表示する表示部１０３ａと、ユーザからの操作指令の入力とを行う操作部１０３ｂと、用紙に印刷を行うためのプリンタ部と等を備えて構成される。
表示部１０３ａは、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）により構成され、操作部１０３ｂからの操作信号に従って、画面上に各種設定画面や、各機能の動作状況等の表示を行う。操作部１０３ｂは、例えば、各種キーを有するキーボードにより構成され、手指等による操作に応じて操作信号を制御装置１０１に出力する。
また、ホストシステム１０３は、制御装置１０１での測定手順を指示するパートプログラムを編集・実行すると共に、制御装置１０１を介して取り込まれた測定座標値等に幾何形状を当てはめるための計算を行ったり、パートプログラムを記録・送信する機能を備えている。

装置本体部１０４は、除振台上に載置された定盤を有し、当該定盤上をＸＹＺ方向に駆動する光学プローブＰ等を備えている。

光学プローブＰは、ワークの表面を非接触に走査してワークの表面形状を測定する。
光学プローブＰは、シャインプルーフの原理を利用して測定を行うものであり、撮像部３０の撮像素子３１（後述）の撮像面上全体が合焦状態となっている。
光学プローブＰは、図２に示すように、筐体１内に、制御部１０と、光照射部２０と、撮像部３０と、等を備えて構成されている。

制御部１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ(Read Only Memory)（何れも図示省略）等を備えて構成され、光照射部２０及び撮像部３０の動作の統括制御を行っている。例えば、制御部１０は、光照射部２０からの照射光の光量を調整したり、撮像部３０からの出力信号を用いてワークの形状を算出する等の制御を行っている。

光照射部２０は、光源、コリメータレンズ、ロッドレンズ（何れも図示省略）等を備えて構成され、ワークに対して直線状の光を照射する。
具体的に、光源から出射された所定波長のレーザ光は、コリメータレンズにより平行光となり、ロッドレンズにより直線状の光に変換された後、ワークに直線状の光として照射される。なお、ロッドレンズの代わりにシリンドリカルレンズを用いることも可能である。
そして、光照射部２０からワークに直線状のレーザ光を照射すると、ワークの表面の凹凸形状に沿ってレーザ光の反射光が変形し、ワークをある平面で切断したときの輪郭が照らし出されることとなる。

撮像部３０は、光照射部２０からワークに対して照射された光の照射方向に対して、所定の角度を成す方向に配置され、ワーク表面の形状に沿って反射された光を当該所定の角度から受光する。
撮像部３０は、図３（ａ）に示すように、所定の角度でワークを撮像するので、図３（ｂ）に示すように、ワークの表面形状に沿ったレーザ光の反射光の画像が撮像されることとなる。

具体的に、撮像部３０は、図４に示すように、撮像素子３１と、結像レンズ３２と、マウント部３３と、等を備えて構成されている。
なお、図４は、撮像素子３１と結像レンズ３２との光学的な位置関係を示したものであって、図４における破線が撮像素子３１の撮像面を示し、一点鎖線が結像レンズ３２の主点を含む主平面を示している。また、二点鎖線は、ワークに照射される光照射部２０の照射面を示している。

撮像素子３１は、結像レンズ３２を介してワークの画像を撮像するイメージセンサ（図示省略）を備えている。
イメージセンサは、例えば、直交する２方向にそれぞれ１０２４個、１２８０個の行列状のＣＭＯＳ受光素子を有して構成されている。
イメージセンサは、１つ乃至複数の行（または列）に配置されている受光素子のみを同時に受光させ、この行単位（または列単位）の受光を列方向（または行方向）に順次行う、いわゆるローリングシャッター機能を有している。

結像レンズ３２は、ワークからの反射光を撮像素子３１の撮像面に結像させる。
結像レンズ３２としては、例えば、標準レンズ、広角レンズ、マクロレンズ等を用いることができる。光学プローブＰにおいては、低倍率の結像レンズ３２を用いるほど広い範囲が測定され、高倍率の結像レンズ３２を用いるほど狭い範囲が測定される。
この結像レンズ３２は、マウント部３３に着脱可能に支持されている。

マウント部３３は、光学プローブＰの所定箇所に設置され、結像レンズ３２を着脱可能に支持している。
具体的に、マウント部３３と結像レンズ３２の縁部との何れか一方には溝が形成され、他方には当該溝に嵌合する突部が形成され、上記溝に上記突部を嵌合させることで結像レンズ３２をマウント部３３に装着し、上記突部を上記溝から離脱させることで結像レンズ３２をマウント部３３から取り外すことができるようになっている。
このため、図５に示すように、撮像部３０に搭載されている結像レンズ３２を、他の光学倍率を有する結像レンズ３２Ａや結像レンズ３２Ｂに交換することが可能であって、これにより光学プローブＰの測定範囲や測定精度が調整・変更できるようになっている。
このように、マウント部３３は、結像レンズ３２を交換可能とするレンズ交換手段として機能している。

なお、マウント部３３は、結像レンズ３２を光学プローブＰから着脱可能に支持するものであれば良く、その構成は上記に限定されない。
また、マウント部３３ごと光学プローブＰから取り外し可能な構成としても良い。即ち、マウント部３３と結像レンズ３２とが固着されており、結像レンズ３２を交換する場合には、マウント部３３ごと光学プローブＰから取り外し、異なる光学倍率を有する結像レンズ３２Ａや結像レンズ３２Ｂを備えたマウント部３３を光学プローブＰに取り付ける。

次に、作用について説明する。
本実施形態では、結像レンズ３２は、マウント部３３に着脱可能に支持されている。
結像レンズ３２がマウント部３３から着脱可能であるため、光学プローブＰの測定範囲や測定精度を調整・変更したい場合には、光学プローブＰから取り外し、他の光学倍率を有する結像レンズ３２Ａや３２Ｂを当該光学プローブＰに取り付けることができる。
即ち、所望の測定範囲や測定精度に応じて、結像レンズ３２を付け替えることができる。

以上のように、本実施形態によれば、結像レンズ３２を交換可能とするレンズ交換手段として、結像レンズ３２を着脱可能に支持するマウント部３３を備えるため、測定範囲や測定精度を調整・変更したい場合、容易に所望の光学倍率の結像レンズ３２に交換することができる。
このため、測定範囲や測定精度の仕様が異なる光学プローブＰを複数種類用意する必要がなく、コストが低減される。また、光学プローブＰの付け替え作業等を行う必要がないため、設置工数の低減を図ることができる。また、従来までの高速スキャンを維持できる。
よって、使い勝手を向上させることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態における撮像部４０は、図６に示すように、撮像素子４１と、円形状レンズユニット４２と、等を備えている。

撮像素子４１は、上記第１実施形態の撮像素子３１と同様の構成である。

円形状レンズユニット４２は、図６、７に示すように、円形状の保持部材４２１と、保持部材４２１に搭載された４つの結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄと、を備えている。

保持部材４２１は、その中央に中心部４２３を備えている。中心部４２３の周囲には、中心部４２３を中心として４つの開口（図示省略）が形成され、かかる開口に４つの結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄが嵌め込まれている。

結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄは、互いに光学倍率の異なる結像レンズである。
結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄは、そのレンズ中心Ｐ１〜Ｐ４が、保持部材４２１の中心部４２３から等距離の位置となるように配されている。

このような円形状レンズユニット４２は、その一領域Ｓが撮像素子４１に対向するよう配置されており、結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄのうち、領域Ｓに位置する結像レンズにより測定が行われる。
そして、円形状レンズユニット４２は、中心部４２３を軸として回転可能となっており、円形状レンズユニット４２を回転させることで領域Ｓに位置する結像レンズを交換することができるようになっている。
従って、領域Ｓに低倍率の結像レンズが位置するほど広い範囲が測定され、領域Ｓに高倍率の結像レンズが位置するほど狭い範囲が測定されることとなる。
このように、本実施形態の撮像部４０は、円形状レンズユニット４２を備えることにより、必要に応じて結像レンズの光学倍率（測定領域）を変更することができるようになっている。
なお、円形状レンズユニット４２の回転は、ユーザが手動で行っても良いし、ホストシステム１０３の操作部１０３ｂを用いてユーザが測定精度を指示した場合に、これに応じて行われることとしても良い。
円形状レンズユニット４２は、結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄを交換可能とするレンズ交換手段として機能している。

以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得られるのは勿論のこと、レンズ交換手段として、中心部４２３を軸として回転可能で、且つ、中心部４２３から等距離の位置にレンズ中心Ｐ１〜Ｐ４を有する複数種類の結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄが配された円形状レンズユニット４２を備えるため、複数の結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄを一体に搭載した装置構成とすることができ、より使い勝手が良い。

なお、本実施形態においては、４つの結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄが搭載された円形状レンズユニット４２を例示して説明したが、結像レンズの数に制限はない。
また、必ずしも４つの結像レンズ全てが異なる倍率でなくとも良く、例えば、４つの結像レンズのうち、２つが同一倍率の結像レンズで、他の２つが異なる倍率の結像レンズとしても良い。

また、ワーク形状に応じて、何れの結像レンズ４２２ａ〜４２２ｄを用いるかを（即ち、測定精度及び測定範囲）を自動決定する機能を搭載することとしても良い。この場合、例えば、予め読み込まれたＣＡＤデータによりワークの起伏等を認識し、測定精度及び測定範囲が決定される。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
なお、上記第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態における撮像部５０は、図８に示すように、撮像素子５１と、直線状レンズユニット５２と、等を備えている。

撮像素子５１は、上記第１実施形態の撮像素子３１と同様の構成である。

直線状レンズユニット５２は、図８、９に示すように、長尺な保持部材５１１と、保持部材５１１に搭載された３つの結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃと、を備えている。

保持部材５１１には、３つの開口（図示省略）が形成され、かかる開口に３つの結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃが嵌め込まれている。

結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃは、互いに光学倍率の異なる結像レンズであって、保持部材５１１に直線状に配されている。

直線状レンズユニット５２は、その一領域Ｓ１が撮像素子５１に対向するよう配置され、結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃのうち、領域Ｓ１に位置する結像レンズにより測定が行われる。
そして、直線状レンズユニット５２は、撮像素子５１に対してスライド可能となっており、直線状レンズユニット５２をスライドさせることで領域Ｓ１に位置する結像レンズを交換することができるようになっている。
従って、領域Ｓ１に低倍率の結像レンズが位置するほど広い範囲が測定され、領域Ｓに高倍率の結像レンズが位置するほど狭い範囲が測定されることとなる。
このように、撮像部５０は、直線状レンズユニット５２を備えることにより、必要に応じて結像レンズの光学倍率（測定領域）を変更することができるようになっている。
直線状レンズユニット５２は、結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃを交換可能とするレンズ交換手段として機能している。

以上のように、本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得られるのは勿論のこと、レンズ交換手段として、撮像素子５１に対してスライド可能で、且つ、複数種類の結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃが直線状に配された直線状レンズユニット５２を備えるため、複数の結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃを一体に搭載した装置構成とすることができ、より使い勝手が良い。

なお、本実施形態においては、３つの結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃが搭載された直線状レンズユニット５２を例示して説明したが、結像レンズの数に制限はない。
また、必ずしも３つの結像レンズ全てが異なる倍率でなくとも良く、例えば、３つの結像レンズのうち、２つを同一倍率の結像レンズとしても良い。

また、ワーク形状に応じて、何れの結像レンズ５２２ａ〜５２２ｃを用いるかを（即ち、測定精度及び測定範囲）を自動決定する機能を搭載することとしても良い。この場合、例えば、予め読み込まれたＣＡＤデータによりワークの起伏等を認識し、測定精度及び測定範囲が決定される。

１００形状測定装置
１０１制御装置
１０２操作部
１０３ホストシステム
１０３ａ表示部
１０３ｂ操作部
１０４装置本体部
Ｐ光学プローブ
１筐体
１０制御部
２０光照射部
３０撮像部
３１撮像素子
３２、３２Ａ、３２Ｂ結像レンズ
３３マウント部（レンズ交換手段）
４０撮像部
４１撮像素子
４２円形状レンズユニット（レンズ交換手段）
４２１保持部材
４２３中心部
４２２ａ〜４２２ｄ結像レンズ
Ｐ１〜Ｐ４レンズ中心
５０撮像部
５１撮像素子
５２直線状レンズユニット（レンズ交換手段）
５１１保持部材
５２２ａ〜５２２ｃ結像レンズ

Claims

ワークに直線状の光を照射する光照射部と、前記光照射部から照射された光のワークからの反射光を撮像する撮像部と、を備えたプローブによりワークの表面を非接触に走査して、ワークの表面形状を測定する形状測定装置において、
前記撮像部は、
ワークの画像を撮像する撮像素子と、
ワークからの反射光を前記撮像素子の撮像面に結像させる結像レンズと、
前記結像レンズを交換可能とするレンズ交換手段と、
を備えることを特徴とする形状測定装置。
前記レンズ交換手段は、
前記結像レンズを着脱可能に支持するマウント部を備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記レンズ交換手段は、
中心部を軸として回転可能で、且つ、前記中心部から等距離の位置にレンズ中心を有する複数種類の前記結像レンズが配された円形状レンズユニットを備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
前記レンズ交換手段は、
前記撮像素子に対してスライド可能で、且つ、複数種類の前記結像レンズが直線状に配された直線状レンズユニットを備えることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。