JP2013122433A - 測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源ユニットと、投影ユニットと、光学ユニットとを備える測定システムを提供すること。
【解決手段】この光源ユニットは、複数の変調位相シフト光ビームを生成するように構成される。投影ユニットは、変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するように構成される。光学ユニットは、対象物表面からの変調位相シフト光ビームを捕捉するように構成される。測定システムは、光検出器と、処理装置とをさらに備える。この光検出器は、変調位相シフト光ビームを光学ユニットから受け取り、電気信号を生成するように構成される。処理装置は、光検出器からの電気信号に基づいて対象物表面の位置情報を取得するように構成される。測定方法も提示する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、一般に測定システムおよび測定方法に関する。より詳細には、本発明の実施形態は、寸法測定に位相シフト解析を用いる測定システムおよび測定方法に関する。

対象物が、他の構成要素と適切に嵌合するための適切な公差など適切な性質を達成するように適切に構成または成形されていることを確認するためには、このような対象物の寸法測定が望ましい。

対象物を測定し、その対象物が望ましい寸法を有するように適切に機械加工されているかを判断する試みがなされてきた。たとえば、いくつかの既存の座標測定機（ＣＭＭ）が、対象物の寸法を測定するために用いられる。ただし、座標測定機上でのこのような対象物の測定は、典型的にはオフラインで実施される。対象物のサイズを測定するために、対象物の機械加工プロセスを中断し、対象物を座標測定機に組み付けて、測定を実施することが必要である。

測定後、測定結果に基づいて、対象物の機械加工プロセスを再開することができる。しかし、精密な対象物の場合、その対象物を工作機械から外し、その後でその対象物を工作機械に再び載置すると、対象物を工作機械に再びアライメントすることに関連する誤差が発生するので、これは実用的ではない。一般に、望ましい寸法を有する対象物を機械加工するためにこのような測定を数回実施することがあり、その結果、生産性が低下し、対象物の再載置により品質が劣化し、時間もかかる。

現在のいくつかの適用例では、対象物の寸法を測定するためにタッチプローブを用いる。タッチプローブは、対象物を直接測定するのではなく、工作機械自体のスケール（ｓｃａｌｅ）を使用して測定を行う。タッチプローブは、測定するために使用されるトリガとなる。オンマシン（ｏｎ−ｍａｃｈｉｎｅ）タッチプローブを使用することにより、対象物をマシン上に置いたままにすることができ、したがって、対象物の再載置による品質の低下はない。このような測定では、タッチプローブによる測定のために対象物を機械加工デバイスから取り外す必要がないので生産性が増加するが、対象物上でのタッチプローブの動作時間が比較的長いので、それでもなお時間がかかる場合がある。

したがって、対象物の寸法を測定するための新しい改良された測定システムおよび測定方法が必要とされている。

本発明の一実施形態によれば、測定システムが提供される。この測定システムは、光源ユニットと、投影ユニットと、光学ユニットとを備える。この光源ユニットは、複数の変調位相シフト光ビームを生成するように構成される。投影ユニットは、変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するように構成される。光学ユニットは、対象物表面からの変調位相シフト光ビームを捕捉するように構成される。測定システムは、光検出器と、処理装置とをさらに備える。この光検出器は、変調位相シフト光ビームを光学ユニットから受け取り、電気信号を生成するように構成される。処理装置は、光検出器からの電気信号に基づいて対象物表面の位置情報を取得するように構成される。

本発明の別の実施形態によれば、測定方法が提供される。この測定方法は、光源ユニットからの複数の変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するステップと、対象物表面からの変調位相シフト光ビームを光学ユニットを介して捕捉するステップと、光学ユニットからの変調位相シフト光ビームを検出し、光検出器を介して電気信号を生成するステップと、光検出器からの電気信号を処理装置を介して処理するステップとを含む。

上記およびその他の利点および特徴は、添付の図面と共に提供される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより理解されるであろう。

本発明の一実施形態による、対象物の寸法測定のための測定システムの概略図である。 本発明の一実施形態による、複数の周期（ｐｅｒｉｏｄ）を有する光強度のプロファイル（ｐｒｏｆｉｌｅ）を示す概略図である。 折り畳まれた位相（ｗｒａｐｐｅｄ ｐｈａｓｅ）に基づいて絶対位相を決定するためのアンラッピング法を示す概略図である。 折り畳まれた位相に基づいて絶対位相を決定するためのアンラッピング法を示す概略図である。 対象物上のある点から散乱される光ビームの強度値の決定を示す概略図である。 回転可能な要素の線形補正の前と後の変調光の回転角と時間の相関を示す概略図である。 測定システムの回転可能な要素の線形補正の前と後の光強度と深さの相関を示す概略図である。 三角波によって変調された後の回転可能な要素の波のプロファイルを示す概略図である。 矩形波で変調された後の正弦波強度プロファイルを示す概略図である。 本発明の種々の実施形態による、図１に示される測定システムの例示的な測定実験を示す概略図である。 本発明の種々の実施形態による、図１に示される測定システムの例示的な測定実験を示す概略図である。 本発明の種々の実施形態による、図１に示される測定システムの例示的な測定実験を示す概略図である。 本発明の種々の実施形態による、図１に示される測定システムの例示的な測定実験を示す概略図である。

以下に、本開示の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して説明する。以下の説明では、開示が不必要に詳細で分かりにくくなるのを避けるため、よく知られている機能または構造については詳細に説明しない。

図１は、本発明の一実施形態による、対象物１００の寸法測定のための測定システム１０の概略図を示す。非限定的な例では、対象物１００の寸法測定は、Ｚ−軸に沿った対象物１００上のある点の深さ（高さ）すなわちＺ座標などの位置の測定を含むことができる。対象物１００の表面１０１は平面として示されているが、本発明の実施形態は特定の種類の対象物表面に限定されず、対象物は、さまざまな適用例に基づく任意の形状であってよい。

図１に示されるように、測定システム１０は、光源ユニット１１と、投影ユニット１２と、光学ユニット１３と、光検出器１４と、処理装置１５と、モニタ１６とを備える。いくつかの構成では、光源ユニット１１は、変調光ビームを生成するように構成される。いくつかの例では、光源ユニット１１は、複数の変調位相シフト光ビームを短期間に１つずつ生成するように構成される。投影ユニット１２は、変調光ビームを対象物表面１０１上の所望の点（領域）に反射するように構成され、反射光ビームは対象物表面１０１によって散乱される。

光学ユニット１３は、対象物表面１０１上の所望の点からの散乱光ビームを捕捉し、これを光検出器１４に透過する。光検出器１４は、散乱光ビームを光学ユニット１３から受け取り、それぞれの散乱光ビームの強度と相関する電気信号を処理装置１５に出力して処理を行い、Ｚ−軸２３に沿った対象物表面１０１上の所望の点の深さすなわちＺ座標などの位置情報を取得する。

いくつかの実施形態では、処理装置１５は、本発明の処理タスクを実施するためのいかなる特定の処理装置にも限定されない。本明細書において使用される「処理装置」という用語は、本発明のタスクを実施するために必要な計算すなわち演算を実施することが可能な任意のマシンを意味することを意図する。当業者には理解されるように、「処理装置」という用語は、構造化入力を受け入れ、規定された規則に基づいてその入力を処理して出力を生成することが可能な任意のマシンを意味することを意図する。

モニタ１６は、処理装置１５に接続される。また、モニタ１６は、ユーザが観測する対象物表面上の所望の点に関する測定された情報を表示するために、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの表示装置を備えてよい。いくつかの適用例では、光検出器１４は、フォトダイオードまたは光強度を電気信号に変換できる任意の適切な感光デバイスを備えてよい。

図１に示される構成では、光源ユニット１１は、変調器１７と、光源１８とを備える。投影ユニット１２は、回転可能な要素１９と、制御装置２０とを備える。光学ユニット１３は、第１の光学部品２１と、第２の光学部品２２とを備える。変調器１７は、処理装置１５と通信し、光源１８を変調して変調光ビームを発生させるように、プログラムされた命令を処理装置１５から受け取る。一例では、光源１８は、典型的にはレーザ源を備えるが、ＬＥＤベースの光源などの任意の適切な光源を含んでよい。

回転可能な要素１９は、変調光ビームを対象物表面１０１上の所望の点に反射するように構成される。本明細書では、「回転可能な要素」という用語は、その要素が回転できることを示し、したがって、いくつかの非限定的な適用例では、回転可能な要素は、光ビームを回転可能に反射（すなわち回転中に光ビームを反射）できるか、またはさまざまな位置に回転し、それぞれの位置で静止して光ビームを反射することができる。一例では、回転可能な要素１９は、光ビームを回転可能に反射する。

制御装置２０は、処理装置１５と通信し、回転可能な要素１９の回転を制御するように、プログラムされた命令を受け取る。いくつかの例では、回転可能な要素１９は、反射光学系素子を備えてよい。反射光学系素子１９は、変調光ビームを対象物表面１０１に反射できるプリズムなどの任意の適切光学系素子を含むことができる。一例では、回転可能な要素１９は、全反射ミラーを含む反射ミラーを含む。

制御装置２０は、変調光ビームを反射するように回転可能な要素１９を制御する、機構ベースの（ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂａｓｅｄ）ガルバノスキャナまたは共鳴スキャナ（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｓｃａｎｎｅｒ）などの電気系統および／または機械系統を含んでよい。非限定的な例では、回転可能な要素１９は、プログラムされた命令に従って前後に回転するように制御装置２０によって制御されることができる。

図１に描かれるように、第１の光学系素子２１は、対象物１００と第２の光学系素子２２の間に設置される。第２の光学系素子２２は、第１の光学系素子２１と光検出器１４の間に設置される。第１の光学系素子２１および第２の光学系素子２２は合わせて、視軸（ｖｉｅｗ ａｘｉｓ）（簡単に示すためにＺ−軸２３と重なっている）を画定する。したがって、変調光ビームが対象物表面１０１によって散乱された後、視軸近くの散乱光ビームは、第１の光学部品２１および第２の光学部品２２によって捕捉され、光検出器１４に透過されることができる。

いくつかの構成では、第１の光学系素子２１は、対象物レンズを含んでよい。第２の光学系素子２２は、凸レンズまたは円筒レンズを含んでよい。第１の光学系素子２１は、顕微鏡システムと同様の形で、対象物表面の小領域（点）を高い空間分解能で調べるように構成されることができる。一例では、第１の光学系素子２１は、テレセントリックレンズを含む。より特定の実施形態では、第１の光学系素子２１は、対象物表面の数ミリメートルのサイズ、たとえば約１５０ミクロン未満のサイズの長さ寸法を有する領域を、約１０ミクロン未満の高い空間分解能で調べるように構成されることができる。

したがって、動作中に、光源ユニット１１は、変調光ビームを生成する。回転可能な要素１９は、光源ユニット１１からの変調光ビームを対象物表面１０１に反射する。次に、第１の光学系素子２１は、対象物表面１０１からの光ビームを第２の光学系素子２２に案内して集中させる。第２の光学系素子２２は、第１の光学系素子２１からの光ビームを光検出器１４に透過する。最後に、光検出器１４は、光ビームを光学ユニット１３から受け取り、散乱光ビームの強度と相関する電気信号を処理装置１５に出力して、Ｚ−軸２３に沿った対象物表面１０１上の点の深さすなわちＺ座標を取得する。

いくつかの構成では、回転可能な要素１９は、回転可能な要素１９からの変調光ビームが対象物表面１０１に走査モードで投影されるように、前後に回転することができる。その結果、対象物上の所望の点は、比較的早く位置決めすることができる。たとえば、対象物の位置が測定システム１０の測定範囲「ｄ１」でＺ−軸に沿って変化するとき、対象物表面１０１上の所望の点および回転可能な要素１９からのそれぞれの反射変調光ビームを位置決めするためのかなりの時間を節約することができる。

図１の構成は例に過ぎないことに留意されたい。示した例では、変調器１７、制御装置２０、および処理装置１５は、個別に設けられる。変調器１７および制御装置２０は、ケーブルまたは無線接続を介して処理装置と通信することができる。いくつかの例では、変調器１７、制御装置２０、および処理装置１５は、まとめて一体化することができる。

他の例では、変調器１７および／または制御装置２０は、処理装置１５に直接結合されなくてもよく、その代わりにそれぞれの光源１８および回転可能な要素１９を独立して制御してよい。変調器１７と光源１８、および制御装置２０と回転可能な要素１９は、それぞれまとめて統合することができる。特定の適用例では、制御装置２０を用いなくてもよく、回転可能な要素１９の位置を手動で調整することができる。回転可能な要素１９の回転は、連続であってもよいし、不連続であってもよい。光学ユニット１３は、１つまたは複数の光学系素子を備えることができる。

非限定的な例では、Ｚ−軸２３に沿った測定システム１０の測定範囲「ｄ１」は、約０ミリメートルから２００ミリメートルとすることができ、これは、約０ミリメートルから２００ミリメートルの範囲で対象物表面上の所望の点の深さすなわちＺ座標を測定できることを示す。図１に示されるように、測定システム１０の測定範囲「ｄ１」において、対象物表面１０１上での変調光ビームの投影位置は、ゼロミリメートルの点などの近点（ｎｅａｒ ｐｏｉｎｔ）「Ａ」から２００ミリメートルの点などの遠点（ｄｉｓｔａｌ ｐｏｉｎｔ）「Ｂ」までＺ−軸２３に沿って変化することができる。

いくつかの構成では、動作中に、変調光ビームの方向は、光検出器１４と回転可能な要素１９の間のベースライン２４などの水平線にほぼ垂直とすることができ、その結果、回転可能な要素１９は、対象物表面１０１に変調光ビームを反射するように傾斜角αを有することができる。特定の適用例では、ベースライン２４、深さすなわちＺ座標、および変調光ビームは三角網を形成することができ、これは三角測量法と呼ばれることがある。

図１で示された構成では、隔離距離（ｓｔａｎｄｏｆｆ ｄｉｓｔａｎｃｅ）「ｄ２」は、光検出器から近点「Ａ」までの約１００ミリメートルである。ベースライン距離「ｄ３」も、光検出器１４から回転可能な要素１９までの約１００ミリメートルである。近点「Ａ」に投影される１つの変調光ビーム２５を一例として挙げる。ライン２６は、変調光ビーム２５と反射光ビーム２７の間の法線である。法線２６は、回転可能な要素１９の表面２８と直角をなす。

法線２６と反射光ビームの間には、角度βが形成される。反射光ビーム２７とベースライン２４の間には、角度θが形成される。変調光ビーム２５と回転可能な要素１９の表面２８の間には、角度δが形成される。変調光ビーム２５と法線２６の間の角度χは、角度βに等しい。したがって、角度の相関は次のように表される。
α＋δ＋θ＋χ＋β＝１８０°；χ＝β；δ＋β＝９０°；δ＋α＝９０°；
上記の式を連立して解くと、式β＝αが得られる。さらに、角度βおよび角度θは２β＋θ＝９０°という関係を有するので、変調光ビーム２５が近点「Ａ」に投影されるとき、隔離距離ｄ２はベースライン距離ｄ３に等しいため、角度θは次のように表すことができる。

したがって、回転可能な要素１９の傾斜角αは、次のように表すことができる。
α＝β＝２２．５°
同様に、変調光ビーム２５が遠点「Ｂ」に投影されるとき、深さｄ１すなわち座標Ｚは約２００ｍｍ、隔離距離ｄ２およびベースライン距離ｄ３は約１００ｍｍである。したがって、角度θは、次のように表すことができる。

したがって、回転可能な要素１９の傾斜角αは、次のように表すことができる。
α＝β＝９．２２°
したがって、非限定的な一例では、回転可能な要素１９は、光源１８からの変調光ビームをＺ−軸２３に沿って測定範囲内で対象物表面１０１に反射する間、回転可能な要素１９の傾斜角αは約９．２２°から約２２．５°の範囲で変化することができる。他の例では、測定範囲「ｄ１」、隔離距離「ｄ２」、および／またはベースライン距離「ｄ３」は、さまざまな適用例に基づいて変化することができる。回転可能な要素１９の傾斜角αも、それに応じて変化することができる。

本発明の実施形態では、変調器１７は、複数の位相シフト光ビームを短期間に１つずつ生成するように光源１８を制御することができる。特定の実施形態では、対象物表面１０１上の所望の点の深さすなわちＺ座標は、処理装置１５で、位相シフト解析から知られる従来のアルゴリズムのいずれかを使用して、最初に位相シフトビームからの情報を結合して折り畳まれた位相のプロファイルを取得し、次に折り畳まれた位相のプロファイルをアンラップして対象物表面１０１上の所望の点の深さすなわちＺ座標を取得することによって得ることができる。

一実施形態では、３段階の位相−シフトアルゴリズムを使用して、対象物表面１０１上の複数の点の深さすなわち座標を決定する。いくつかの構成では、変調器１７は、１２０°（２π／３）ずらされた３つの位相シフトビームを生成するように光源１８を変調することができる。すなわち、３つの別個の位相シフト角度は、−２π／３、０、および２π／３とすることができる。３つの位相シフトビームの各点の強度Ｉ（ｘ，ｙ）は、それぞれ次のように表すことができる。

Ｉ₁（ｘ，ｙ）＝Ａ＋Ｍ ｃｏｓ［φ（ｘ，ｙ）−２π／３］
Ｉ₂（ｘ，ｙ）＝Ａ＋Ｍ ｃｏｓ［φ（ｘ，ｙ）］
Ｉ₃（ｘ，ｙ）＝Ａ＋Ｍ ｃｏｓ［φ（ｘ，ｙ）＋２π／３］
ここで、Ａは平均強度、Ｍは強度変調、φ（ｘ，ｙ）は、決定されるべき折り畳まれた位相である。φ（ｘ，ｙ）に関する上記の３つの式を連立して解くと、次の解が得られる。

強度Ｉ₁、Ｉ₂、およびＩ₃が分かっているので、各点の折り畳まれた位相φ（ｘ，ｙ）が決定され、その範囲は０から２πの間である。上記の式に基づいて、対象物表面１０１上のそれぞれの点と相関する折り畳まれた位相を決定することができる。次に、処理装置において、各点の折り畳まれた位相φ（ｘ，ｙ）が、知られている位相アンラッピング処理によってアンラップされ、絶対位相を得る。次いで、それぞれの絶対位相およびシステムパラメータによって、対象物表面１０１上の各点の実際のＺ座標（ｘ，ｙ）を決定することができる。

いくつかの例では、変調器１７は、光源１８を変調して、それぞれ正弦波強度プロファイルを有する変調光ビームを生成することができる。回転可能な要素１９は、「ｆ１」の周波数で回転することができる。回転可能な要素１９が一定の角速度で回転し、１つの変調光ビームが「Ｆ２」の周波数（回転可能な要素の周波数ｆ１のＮ倍（Ｎは整数）であってよい）を有するとき、変調光ビーム内の正弦波強度のＮ個の周期が、Ｚ−軸２３に沿って測定範囲「ｄ１」内で形成されることができる。図２に示されるように、Ｎが１より大きいとき、複数の周期を有する正弦波強度プロファイル２９が測定範囲内に形成される。

いくつかの構成では、光検出器１４は、特定の感度制限を有することがあり、そのため分解能が制限される。深さ分解能を増加させるために、複数の周期（すなわち位相サイクル）を有する正弦波強度プロファイルを形成することができる。しかし、複数の位相サイクルが形成されることにより、処理装置１５が、対応する絶対位相を得るために、折り畳まれた位相φ（ｘ，ｙ）をアンラップするとき、対応する絶対位相を得るためのアンラッピング中に２πの補償を実現するために複数の位相サイクルのうちで正しい位相サイクルを識別するように、位相順序εを最初に決定することが必要となる場合がある。

図３〜４は、折り畳まれた位相に基づいて絶対位相を決定するためのアンラッピング法を示す。図３に示されるように、まず、回転可能な要素が一定の角速度で回転し、変調光ビームのそれぞれの周波数が回転可能な要素１９の回転の周波数に等しい間、変調器１７は、光源１８を変調して、たとえば１つずつ１２０°（２π／３）ずらされた、第１のグループの３つの位相シフト光ビームを生成する。これは、Ｎが１に等しく、各位相シフトビームが１つの正弦波強度周期を含むことを示す。

したがって、−２π／３、０、および２π／３のシフトされた角度それぞれに対応する強度プロファイル３０、３１、３２が決定され、各プロファイルは１つの位相サイクルを有する。次に、処理装置１５が、強度プロファイル３０、３１、３２を処理し、０から２πの範囲の折り畳まれた位相プロファイル３３を決定することができ、したがって、以降で補償するために、対象物表面上の所望の点の大まかな深さおよびこの大まかな深さと相関する位相順序εを識別することができる。

その後、同様に、図４に示されるように、第２のグループの３つの位相シフト光ビームが１つずつ生成される。この位相シフト光ビームは、それぞれ複数の周期の正弦波強度を有し、たとえば１２０°（２π／３）ずらされ、処理装置１５で処理される。−２π／３、０、および２π／３のシフトされた角度それぞれに対応する強度プロファイル３４、３５、３６が決定される。０から２πの範囲の折り畳まれた位相のプロファイル３７も決定されることができる。

位相順序εが識別されているので、絶対位相はε＋ｐと表すことができ、ここでｐは折り畳まれた位相である。その結果、アンラッピング法を採用したことにより、所望の点の深さをより正確に決定するために絶対位相を正しく決定するように、光検出器１４の深さ分解能を増加させることができる。

特定の適用例では、光検出器１４は、対象物表面１０１上の変調光ビームの走査速度より高速に位相シフト光ビーム内の信号を検出し、したがって光検出器１４は、変調光ビームを走査し損ねなくなる。いくつかの適用例では、変調光ビームのそれぞれが、視軸近くまたはこれと交差する対象物表面１０１の所望の点を走査するとき、図５に示すように、強度パルス３８が、光検出器１４で検出される信号内で生成される。

次に、処理装置１５において、強度パルス３８上の最大値（ラベルは示せず）の位置がＶｍａｘと識別される。その後、強度パルス３８上における、Ｖｍａｘ／２の位置とＶｍａｘの位置の間の区間３９上の点の値が収集される。次に、強度パルス３８の区間３９が、最小二乗法などの知られているプロファイルフィッティングアルゴリズムを使用して正規曲線４０にフィットされる。最後に、正規曲線４０上のピーク値が、対象物表面１０１上の所望の点と相関する強度値と識別される。同様に、対象物表面１０１から散乱される散乱光ビームのすべての強度が、折り畳まれた位相φ（ｘ，ｙ）を決定するように決定されることができる。

図１に示されるように、回転可能な要素上の反射点「Ｃ」から遠点「Ｂ」までの距離「ｄ４」は、反射点「Ｃ」から近点「Ａ」までの距離ｄ５とは異なる。距離「ｄ４」、「ｄ５」、およびＺ−軸２３はまとめて三角形を形成する。回転可能な要素１９が一定の角速度で回転するとき、各変調光ビームの正弦波強度が、Ｚ−軸２３に沿って一線上に並ばないことがある。

図１〜２に示されるように、反射点「Ｃ」から対象物表面１０１上の所望の点までの距離が増加するにつれて、正弦波強度プロファイル２９の周期がＺ−軸２３に沿って広くなる。折り畳まれた位相値とＺ−軸を線形的に相関させて対象物表面上の点の深さの決定を容易にするために、回転可能な要素１９は、回転可能な要素１９の回転による変調光ビームのそれぞれの回転角が時間と線形相関を有する形で回転するように制御されることができる。これは、回転可能な要素１９の線形補正と呼ばれることがあり、変調光ビームが回転可能な要素１９によって反射される前に実験または他の適切な制御技術に基づいて実施されることができる。

図６は、線形補正前後の回転可能な要素１９の変調光ビームの回転角と時間の相関を示す。図７は、線形補正前後の回転可能な要素１９の光強度と座標Ｚの相関を示す。図６〜７に示されるように、破線４１、４２はそれぞれ、線形補正のない相関を示す。実線４３、４４はそれぞれ、線形補正後の相関を示す。線形補正前後の相関の比較によれば、線形補正後、強度は、測定範囲に沿って類似の周期を持つ正弦曲線をなして変化することができ、これは、折り畳まれた位相値とＺ−軸上の位置の相関を決定するのに有利である。

いくつかの適用例では、測定中、回転可能な要素１９が前後に回転することにより、変調光ビームが、光検出器１４による散乱光ビームの検出および処理装置１５での電気信号の処理を容易にするために回転可能な要素１９によって反射される前に、回転可能な要素１９の回転は、たとえば図８に示されるように複数の立ち上がりエッジ４５およびそれぞれの複数の立ち下がりエッジ４６をそれぞれ有する三角波（図示せず）で変調されることができる。いくつかの例では、立ち上がりエッジ４５および立ち下がりエッジ４６はそれぞれ、一貫した傾斜を有する。

一般に、変調後の回転可能な要素１９の回転位置は、制御装置２０上の電圧変調に対してほぼ直線性を有することができる。非限定的な例では、機械的誤差および／または電気的誤差が投影ユニット１２上で発生するため、変調後に、立ち上がり−エッジおよびそれぞれの立ち下がり−エッジにおける回転可能な要素１９の回転位置は再現可能ではないことがある。

特定の適用例では、投影ユニット１２によって生じる誤差が減少および／または解消するために、立ち上がりエッジ４５または立ち下がりエッジ４６の１つと相関する信号は、散乱光ビームに埋め込まれた深さ情報を決定するために使用されることができる。これは、たとえば、回転可能な要素１９が三角波で変調された後、変調光ビームが回転可能な要素１９によって反射される前に、変調光ビームの正弦波強度に矩形波（図示せず）を掛け合わせることによって達成することができる。この矩形波は、回転可能な要素１９の回転数と同じ周波数を有してよい。

図９は、矩形波で変調された正弦波強度を示す。図９に示されるように、三角波で変調された回転可能な要素１９の立ち上がり−エッジを一例として挙げる。この矩形波の振幅範囲はおよそゼロから１である。したがって、立ち上がり−エッジでは、矩形波の振幅は１であり、その結果、光源からの光強度は変化せず、その元の値を維持することができる。立ち下がり−エッジでは、光強度の出力はゼロであり、その結果、光検出器１４は、立ち上がりエッジで散乱光ビームを捕捉することができ、立ち下がりエッジで強度情報を捕捉しないことができる。特定の適用例では、図９で示される強度プロファイルは、周囲信号（ａｍｂｉｅｎｔ ｓｉｇｎａｌ）の干渉を減少させて測定の正確さを増加させるように特定のレベルに向上させることができる。

図１０〜１３は、図１に示される測定システム１０の例示的な測定実験を示す。図１０〜１３に示されるように、測定は、たとえば対象物がＺ−軸２３（図１に示される）に沿ってそれぞれ５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍ、および２００ｍｍのところに位置するときに、４回実施される。各位置では、対象物は、Ｚ−軸２３に沿って遠点「Ｂ」に向かって、たとえば毎回１０ｕｍの移動距離で５回移動する。さらに、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨの５回の移動のそれぞれでは、複数の点（図示せず）、たとえば１０個の点が選択され、それぞれの折り畳まれた位相値は、光ビームからのノイズおよび測定中に生成される高周波信号を軽減するように平均化される。

したがって、図１０〜１３に示されるように、各位置における測定では、５回の移動中の折り畳まれた位相の変化は識別可能であり、これは、Ｚ−軸に沿った対象物の位置変化に対する位相感度が良好で、測定システムが比較的大きな測定範囲を有することを示す。

本発明の実施形態では、測定システムは、深さすなわちＺ座標の正確な測定および比較的大きな測定範囲を実現するために、変調光ビーム、回転可能な要素、光検出器、および処理装置を用いる。光検出器は、散乱光ビームをより高い分解能で捕捉する。また、対象物表面からのスペックルおよび周囲環境からのノイズを軽減するために位相アンラッピング法およびプロファイルフィッティングアルゴリズムが用いられ、したがって、測定システムは、対象物表面の機械加工品質に対する感度が高くなく、測定精度を向上させることができる。加えて、測定システムの構成要素のコストは比較的低い。測定は非接触式であるので、多くの時間を節約することもできる。

典型的な実施形態において本開示を図示し説明してきたが、本開示の趣旨から決して逸脱することなく種々の変更および置き換えを行うことができるので、本開示は、示した詳細に限定されるものではない。したがって、単なる通常の実験を使用して、本明細書において開示される開示のさらなる変更および等価物が当業者には想到されよう。また、このような変更および等価物はすべて、以下の特許請求の範囲によって定義される本開示の趣旨および範囲内に含まれると考えられる。

１０ 測定システム
１１ 光源ユニット
１２ 投影ユニット
１３ 光学ユニット
１４ 光検出器
１５ 処理装置
１６ モニタ
１７ 変調器
１８ 光源
１９ 回転可能な要素
１９ 反射光学系素子
２０ 制御装置
２１ 第１の光学部品、第１の光学系素子
２２ 第２の光学部品、第２の光学系素子
２３ Ｚ−軸
２４ ベースライン
２５ 変調光ビーム
２６ ライン、法線
２７ 反射光ビーム
２８ 表面
２９ 正弦波強度プロファイル
３０ 強度プロファイル
３１ 強度プロファイル
３２ 強度プロファイル
３３ 折り畳まれた位相のプロファイル
３４ 強度プロファイル
３５ 強度プロファイル
３６ 強度プロファイル
３７ 折り畳まれた位相のプロファイル
３８ 強度パルス
３９ 区間
４０ 正規曲線
４１ 破線
４２ 破線
４３ 実線
４４ 実線
４５ 立ち上がりエッジ
４６ 立ち下がりエッジ
１００ 対象物
１０１ 対象物表面、表面

Claims (21)

1. 複数の変調位相シフト光ビームを生成するように構成された光源ユニットと、
   前記変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するように構成された投影ユニットと、
   前記対象物表面からの前記変調位相シフト光ビームを捕捉するように構成された光学ユニットと、
   前記変調位相シフト光ビームを前記光学ユニットから受け取り、電気信号を生成するように構成された光検出器と、
   前記光検出器からの前記電気信号に基づいて前記対象物表面の位置情報を取得するように構成された処理装置とを備える測定システム。
2. 前記光源ユニットが、光源と、前記変調位相シフト光ビームを生成するように前記光源を変調するように構成された変調器とを備える、請求項１記載の測定システム。
3. 前記投影ユニットが、前記変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するように構成された回転可能な要素を備える、請求項１記載の測定システム。
4. 前記回転可能な要素が、前記回転可能な要素の回転中に前記変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するように構成される、請求項３記載の測定システム。
5. 前記回転要素の回転角が９．２２°から２２．５°の範囲にある、請求項４記載の測定システム。
6. 前記光学ユニットが、前記対象物と前記光検出器の間に配置された第１の光学系素子と第２の光学系素子とを備える、請求項１記載の測定システム。
7. 前記位置情報が、Ｚ−軸に沿った前記対象物表面上のある点の深さすなわちＺ座標を含む、請求項１記載の測定システム。
8. 光源ユニットからの複数の変調位相シフト光ビームを対象物表面に反射するステップと、
   前記変調位相シフト光ビームを前記対象物表面から光学ユニットを介して捕捉するステップと、
   前記光学ユニットからの前記変調位相シフト光ビームを検出して、光検出器を介して電気信号を生成するステップと、
   前記光検出器からの前記電気信号を処理装置を介して処理するステップとを含む測定方法。
9. 前記光検出器からの前記電気信号が、前記対象物表面の位置情報を取得するために前記処理装置を介して処理され、前記位置情報が、Ｚ−軸に沿った前記対象物表面上のある点の深さすなわちＺ座標を含む、請求項８記載の測定方法。
10. 前記対象物上の前記点からの前記変調位相シフトビームが前記光検出器によって検出された後で、前記それぞれの電気信号内で強度パルスが生成され、前記測定方法が、
    前記それぞれの強度パルスの最大値の位置および最大値の２分の１の値の位置を識別するステップと、
    前記それぞれの強度パルスの、前記最大値の位置と前記最大値の２分の１の値の位置との間の区間の点の値を収集するステップと、
    前記収集された点の値に基づく前記区間をそれぞれの正規曲線にフィットするステップとをさらに含み、前記正規曲線のピーク値が前記それぞれの変調位相シフトビームの強度値である、請求項９記載の測定方法。
11. 前記変調位相シフト光ビームが、回転可能な要素を介して反射される、請求項９記載の測定方法。
12. 前記回転要素の回転角が９．２２°から２２．５°の範囲にある、請求項１１記載の測定方法。
13. 前記変調位相シフト光ビームのそれぞれが正弦波強度を含む、請求項１１記載の測定方法。
14. 前記変調位相シフト光ビームが前記回転可能な要素によって反射される前に、前記回転可能な要素の回転を、複数の立ち上がりエッジおよび複数のそれぞれの立ち下がりエッジを有する三角波で変調するステップをさらに含む、請求項１３記載の測定方法。
15. 前記立ち上がりエッジおよび前記立ち下がりエッジがそれぞれ、一貫した傾斜を有する、請求項１４記載の測定方法。
16. 前記回転可能な要素が前記三角波で変調された後、前記変調光ビームが前記回転可能な要素によって反射される前に、各変調光ビームの前記正弦波強度に矩形波を掛け合わせるステップをさらに含む、請求項１４記載の測定方法。
17. 前記矩形波が、前記回転可能な要素の回転数と同じ周波数を有する、請求項１６記載の測定方法。
18. 前記変調位相シフト光ビームが前記回転可能な要素によって反射される前に前記回転可能な要素に対して線形補正を実施するステップをさらに含む、請求項１３記載の測定方法。
19. 前記光源ユニットが、第１のグループの３つの位相シフト光ビームを、さらに前記第１のグループの前記３つの位相シフト光ビームが前記処理装置を介して処理された後に第２のグループの３つの位相シフト光ビームを生成する、請求項１３記載の測定方法。
20. 前記第１のグループの前記位相シフト光ビームのそれぞれの前記正弦波強度が１つの周期を含み、前記第２のグループの前記位相シフト光ビームのそれぞれの前記正弦波強度が複数の周期を含む、請求項１９記載の測定方法。
21. 前記処理装置が、前記対象物表面上の前記点の大まかな位置情報および位相順序を得るために前記第１のグループの前記３つの位相シフト光ビームを処理し、前記処理装置が、前記対象物表面上の前記点の正確な位置情報を前記位相順序に基づいて得るために前記第２のグループの前記３つの位相シフト光ビームを処理する、請求項２０記載の測定方法。

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