JP2013221929A - Three-dimensional measurement method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、穴形状、又は、測定物の側面形状等を測定する三次元測定方法及び装置において、プローブに起因する誤差を補正する三次元測定方法及び装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional measurement method and apparatus for correcting an error caused by a probe in a three-dimensional measurement method and apparatus for measuring a hole shape or a side shape of a measurement object.
従来の測定物の側面形状の測定方法としては、例えば特許文献1に記載されたHe−Neレーザーと半導体レーザーを用いて、測定物の高さと傾きとを測定するものがある。
As a conventional method for measuring the side surface shape of a measurement object, for example, there is a method of measuring the height and inclination of the measurement object using a He—Ne laser and a semiconductor laser described in
図4は測定機220の概略構成を示した図である。
FIG. 4 is a diagram showing a schematic configuration of the
図4において、測定機220は、スタイラス201と、角度検出部215と、XYステージ210と、Z移動軸211とを有する。スタイラス201は、被測定物200の表面に接触する。XYステージ210は、被測定物200を任意の位置に水平移動させる。Z移動軸211は、スタイラス201を高さ方向に移動させる。また、XYステージ210上には、X軸用測長ミラー213と、Y軸用測長ミラー214とが配置されている。本測定機220では、被測定物200をXYステージ210によりXY方向に動かす。次いで、スタイラス201を被測定物200に対して一定量だけ水平方向に押し込む。その際のスタイラス201の角度を角度検出部215にて測定する。その後、角度が一定になるように、XYステージ210をX方向及びY方向に制御しながら、被測定物200の表面について測定動作を行う。この際、XYステージ210の上に設置されたX軸用測長ミラー213とY軸用測長ミラー214とを用いて、レーザー測長法により距離を測長することで、XYステージ210のX及びY座標測定値を得る。さらに、角度検出部215にて測定した角度を基に、スタイラス201の水平方向変位量を加算することにより、被測定面のX及びY座標が高精度に測定される。また、プローブ212に内蔵されたスタイラス201に連結されたミラー202にてレーザー測長法を行い、スタイラス101のZ座標を測定する。
In FIG. 4, the
図5は、特許文献1に記載されたプローブ212の構造及び角度検出部215の測定方法を示す図である。
FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the
プローブ212では、スタイラス201と揺動部材203とが一体に固定されている。そして、プローブ取付用部材222に一体的に固定された載置台216上で、支点206を中心として、スタイラス201は、横方向に揺動できるように構成している。これにより、被測定物200に対してスタイラス201が水平方向に押し込まれると、X方向及びY方向の変位に従って、スタイラス201に連結されたミラー202がX方向及びY方向周りに傾く。一方、半導体レーザー光源212から半導体レーザー光204がミラー202に照射されている。そして、ミラー202からの反射光に基づき、傾斜角度検出部205にてミラー202の傾斜角が測定される。また、ミラー202の高さについては、高さ測定用レーザー光203によるレーザー測長法により測長を行う。尚、高さ測定用のレーザー光203は、ミラー202が傾斜した際の高さ方向の誤差を防止するため、支点206とXY平面上で同軸となるように照射されている。
In the
しかしながら、前記従来の構成では、被測定物に大きな段差がある場合又は被測定物200の表面粗さが極めて大きい場合、スタイラスを通して支点に水平方向の力がかかり、支点の位置が微小変動して、支点ズレが発生していた。そのため、被測定物を測定した三次元形状データは、支点の微小変動に伴うズレ量が誤差要因となって、測定精度が低下するという課題を有している。 However, in the conventional configuration, when there is a large step in the object to be measured or when the surface roughness of the object to be measured 200 is extremely large, a horizontal force is applied to the fulcrum through the stylus, and the position of the fulcrum slightly fluctuates. , Fulcrum misalignment occurred. For this reason, the three-dimensional shape data obtained by measuring the object to be measured has a problem that the measurement accuracy is lowered due to an error caused by a deviation amount due to a minute fluctuation of the fulcrum.
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、測定の誤差となる支点のズレ量を算出し、三次元形状データを補正する三次元測定方法及び装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a three-dimensional measurement method and apparatus for calculating a shift amount of a fulcrum that causes a measurement error and correcting three-dimensional shape data.
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。 In order to achieve the above object, the present invention is configured as follows.
本発明の第1態様によれば、被測定物の被測定面に接触可能なスタイラスを下部に有するとともに上部にミラーとを有するスタイラス取付部材を備えるプローブと、前記スタイラス取付部材のある1点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、前記ミラーの高さを測定する高さ測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを備えて、前記被測定物の前記被測定面の測定を行う三次元測定方法において、
前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる2点に照射して前記2点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを、前記傾き測定部と前記高さ測定部を含む三次元形状データ測定部で測定し、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記2点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量をズレ量算出部で算出し、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正部で補正する、三次元測定方法を提供する。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a probe including a stylus mounting member having a stylus at a lower portion and a mirror at an upper portion capable of contacting a surface to be measured of an object to be measured, and one point of the stylus mounting member. A supporting member supported so as to be swingable as a fulcrum; a measuring mirror for measuring a height change and an inclination of the swinging portion; a height measuring unit for measuring the height of the mirror; In a three-dimensional measurement method comprising an inclination measuring unit for measuring inclination, and measuring the measurement surface of the object to be measured,
While the object to be measured and the probe are relatively moved, the laser beam for height measurement and the laser beam for tilt measurement are irradiated to two different points of the mirror, and the tilt between the two points and the height fluctuation value are By measuring the three-dimensional shape data of the measurement surface of the object to be measured, a three-dimensional shape data measurement unit including the inclination measurement unit and the height measurement unit,
The shift amount calculation unit calculates the shift amount of the fulcrum from the inclination between the two points of the three-dimensional shape data obtained by the three-dimensional shape data measurement unit and the height fluctuation value,
A three-dimensional measurement method is provided in which the three-dimensional shape data is corrected by a correction unit using the deviation amount calculated by the deviation amount calculation unit.
本発明の第3態様によれば、被測定物の被測定面に接触可能なスタイラスを下部に有するとともに上部にミラーとを有するスタイラス取付部材を備えるプローブと、
前記スタイラス取付部材のある1点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、
前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、
前記ミラーの高さを測定する測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを有して、前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる2点に照射して前記2点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを測定する三次元形状データ測定部と、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記2点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量を算出するズレ量算出部と、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正する補正部とを備える、三次元測定装置を提供する。
According to the third aspect of the present invention, a probe comprising a stylus mounting member having a stylus at the lower part and a mirror at the upper part capable of contacting the surface to be measured of the object to be measured;
A support member supported so as to be swingable about a certain point of the stylus attachment member;
A measuring mirror for measuring a change in height and an inclination of the oscillating portion;
A measuring unit for measuring the height of the mirror; and an inclination measuring unit for measuring the inclination of the mirror, and relatively moving the object to be measured and the probe, and measuring the laser beam and the inclination for measuring the height. The measurement laser beam irradiates two different points of the mirror and measures the inclination between the two points and the height fluctuation value, so that the tertiary of the measurement surface of the measurement object of the measurement object is obtained. A three-dimensional shape data measurement unit for measuring original shape data;
A deviation amount calculation unit for calculating a deviation amount of the fulcrum from the inclination between the two points of the three-dimensional shape data obtained by the three-dimensional shape data measurement unit and the height variation value;
There is provided a three-dimensional measurement apparatus comprising: a correction unit that corrects the three-dimensional shape data using the deviation amount calculated by the deviation amount calculation unit.
本手法により、従来は測定誤差となっていたプローブの支点ズレに関して補正が可能となる。 By this method, it is possible to correct the fulcrum deviation of the probe, which has conventionally been a measurement error.
以上のように、本発明の三次元測定方法及び装置によれば、そのX及びY方向の傾き及び高さの変化から、X方向及びY方向の支点ズレ量を算出し、三次元形状データを補正することで、高精度な三次元測定を行うことができる。 As described above, according to the three-dimensional measurement method and apparatus of the present invention, the amount of fulcrum misalignment in the X and Y directions is calculated from the change in the tilt and height in the X and Y directions, and the three-dimensional shape data is obtained. By correcting, highly accurate three-dimensional measurement can be performed.
以下、図面を参照して本発明における第1実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1Aは、本発明の第1実施形態における三次元測定方法を実施する三次元測定装置150の傾き及び高さ測定部品及び演算部などについての説明図である。図1Bは、図1Aの三次元測定装置150の概略図である。
(First embodiment)
FIG. 1A is an explanatory diagram of an inclination and height measurement component, a calculation unit, and the like of the three-
まず、三次元測定装置150のプローブ12について説明する。図1Aにおいて、プローブ12は、スタイラス101と、スタイラス取付部材115と、ミラー102とで構成されて、載置台16に揺動可能に支持されている。スタイラス取付部材115の下端にはスタイラス101が固定されている。ミラー102は、スタイラス取付部材115の円筒部115aの上端面に固定されている。よって、スタイラス101とミラー102とは、スタイラス取付部材115を介して連結されている。
First, the
スタイラス取付部材115の円筒部115aの側面の貫通穴115bを四角柱状の載置台16が貫通している。載置台16の上面に設けたテーパ穴16aには、スタイラス取付部材115の円筒部115aのプローブ支点106が挿入されて、スタイラス取付部材115が載置台16に揺動自在に吊り支持されている。よって、載置台16は、スタイラス取付部材115を揺動自在に支持する支持部材の一例として機能する。
The square columnar mounting table 16 passes through the through
このような構成のプローブ12では、スタイラス101の傾きに応じて、プローブ支点106を中心にミラー102も傾く構造となっている。
In the
三次元測定装置150は、図1Bに示すように、図1Aのプローブ12と、XYステージ140と、Z移動軸152とを有している。測定時、プローブ12のスタイラス101の下端は、被測定物116の側面(被測定面)116aに接触する。Z移動軸152は、Z方向の位置決め指令値(被測定物116の側面116aの測定すべきZ座標の指令値であって、制御部141からZ移動軸152に対して指令される指令値)に基づき、スタイラス101を石定盤157に対して高さ方向(Z軸方向)に移動させる。被測定物116と、X参照ミラー153と、Y参照ミラー154とが被測定物載置台160に固定されている。この被測定物載置台160は、制御部141の制御の下に、XY軸方向駆動制御装置143を介してXYステージ140によって、石定盤157に対して一体となってXY方向に移動させる。
As shown in FIG. 1B, the three-
後述するように、石定盤157に固定された周波数安定化レーザー光源110から出射されたレーザー光は、高さ測定用レーザー光103として使用される以外に、座標測定用レーザ光として、複数のビームスプリッタ(一部図示せず)により複数の光に分割され、それぞれがX座標測定用レーザ光211X(図示せず)とY座標測定用レーザ光211Yとして使用される。X座標測定用レーザ光211X(図示せず)とY座標測定用レーザ光211YとXYステージ140の上に設置されたX参照ミラー153とY参照ミラー154となどを用いて、公知のレーザー測長法により距離を測長することで、XYステージ140のX座標測定値及びY座標測定値をX座標用位置座標測定部155XとY座標用位置座標測定部155Yとで得る。さらに、後述するように、傾斜角度検出部105にて測定した傾きを基に、スタイラス101の水平方向の変位量をズレ量として演算部300で演算補正することにより、被測定面116aのX座標及びY座標が高精度に測定される。
As will be described later, the laser light emitted from the frequency-stabilized
三次元測定装置としては、この他に、半導体レーザー光源112と、周波数安定化レーザー光源110と、傾斜角度検出部105と、高さ測長部111と、内部メモリ108と、演算部300と、制御部141とを備えている。傾斜角度検出部105と高さ測長部111とX座標用位置座標測定部155XとY座標用位置座標測定部155Yとで三次元形状データ測定部301の一例として機能する。傾斜角度検出部105は、傾き測定部の一例として機能する。高さ測長部111は、高さ測定部の一例として機能する。
As a three-dimensional measuring apparatus, in addition to this, a semiconductor
制御部141は、半導体レーザー光源112と、周波数安定化レーザー光源110と、傾斜角度検出部105と、高さ測長部111と、内部メモリ108と、演算部300と、X座標用位置座標測定部155Xと、Y座標用位置座標測定部155Yと、XY軸方向駆動制御装置143と、Z移動軸152とに接続されて、それぞれの動作を制御する。
The
半導体レーザー光源112から出射された傾き測定用の半導体レーザー光104、及び、周波数安定化レーザー光源110から出射された高さ測定用レーザー光103は、それぞれ、ミラー102へ照射されている。高さ測定用レーザー光103がミラー102へ照射されている位置を高さ測定用レーザー光照射位置107とする。傾き測定用の半導体レーザー光104及び高さ測定用レーザー光103は、それぞれ、傾斜角度検出部105及び高さ測長部111により、ミラー102の傾き(傾斜角度)と高さとを高精度で測定している。
The tilt measurement
傾き測定用の半導体レーザー光104がハーフミラー172を透過してミラー102で反射し、ハーフミラー172を介して傾斜角度検出部105に入射しているとき、ミラー102の傾きが変化すると、ミラー102からの反射光がハーフミラー172を介して傾斜角度検出部105に入射している入射位置が変化する。このため、この入射位置の変化を基に、傾斜角度検出部105で傾きを高精度に検出している。
When the tilt of the
周波数安定化レーザー光源110からの高さ測定用レーザー光103がハーフミラー171を透過してミラー102で反射し、ハーフミラー172を介して高さ測長部111に入射している。この反射光は、光路長変化情報を含んでいる。一方、周波数安定化レーザー光源110からの高さ測定用レーザー光103がハーフミラー171を介して高さ測長部111に入射している。このミラー102で反射していないレーザー光は、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光として使用できる。よって、光路長変化情報を含む反射光と、光路長変化情報を含まない基準のレーザ光とを高さ測長部111で干渉させ、既知のレーザ測長法によりミラー102の高さを高さ測長部111で高精度に検出している。
The height measuring
ミラー102上では、高さ測定用レーザー光103は、支点106に対して、X及びY方向にオフセットした位置に配置されている。傾き測定用の半導体レーザー光104も、支点106に対して、X及びY方向にオフセットした位置に配置されている。一例として、高さ測定用レーザー光103と傾き測定用レーザー光104とが支点106(図1Aのミラー102上の十字の中心位置)を挟んで対角上にミラー102に照射されている。より好ましくは、支点106に対して、高さ測定用レーザー光103の照射位置と傾き測定用レーザー光104の照射位置とが等距離にすれば、演算処理が簡素化されて好ましい。このように、高さ測定用レーザー光103と測定用の半導体レーザー光104との照射位置を、ミラー102上で、支点601を挟んで対角に配置しているのは、ミラー102のサイズを最小化するためである。
On the
三次元形状データ測定部301を構成する傾斜角度検出部105と高さ測長部111とX座標用位置座標測定部155XとY座標用位置座標測定部155Yとで、被測定物116とプローブ12との相対移動において、被測定物116の三次元形状データを測定して、内部メモリ108にそれぞれ保存する。具体的には、X座標用位置座標測定部155XとY座標用位置座標測定部155Yとで得られた、XYステージ140のX座標測定値及びY座標測定値と、高さ測長部111で得られたプローブ12のZ座標(高さ)と、傾斜角度検出部105で得られたスタイラス101のX方向傾き角度及びY方向傾き角度とは、それぞれ、内部メモリ108に保存する。
The measured
内部メモリ108に保存されたデータは、演算部300で演算処理されて、後述するように、プローブ12に起因する誤差を補正することができる。
The data stored in the
ここで、演算部300は、ズレ量算出部302と、補正部303とを備えている。
Here, the
ズレ量算出部302は、三次元形状データ測定部301で得られた三次元形状データである2点間の傾きと高さ変動値とから、支点601のズレ量を算出する。
The deviation
補正部303は、ズレ量算出部302で算出したズレ量を使用して、X座標用位置座標測定部155XとY座標用位置座標測定部155Yとで得られたX座標測定値とY座標測定値とを補正する。この結果、高精度な三次元測定を行うことができる。
The correction unit 303 uses the deviation amount calculated by the deviation
前記構成にかかる三次元測定装置により三次元測定方法について説明する。 A three-dimensional measurement method using the three-dimensional measurement apparatus according to the above configuration will be described.
まず、測定動作開始時は、傾斜角度検出部105で測定されたスタイラス101の傾きが一定になるように、制御部141での制御の下に、XY軸方向駆動制御装置143を介して、被測定物116が保持されたXYステージ140がXY方向に制御されている。ここで、「傾斜角度検出部105で測定されたスタイラス101の傾きが一定になるように」とは、スタイラス101の下端を被測定物116の被測定面(側面)116aに対して一定量だけ水平方向に押し付けるようにスタイラス101をZ方向に対して傾ける(言い換えれば、スタイラス101の傾きが一定になるようにスタイラス101の下端を被測定物116の被測定面(側面)116aに押し付ける)ことを意味している。その際のスタイラス101の傾きを傾斜角度検出部105にて測定する。
First, at the start of the measurement operation, the control is performed by the
測定動作中では、この制御状態を維持したまま(スタイラス101の傾きを一定に維持したまま)、スタイラス101の下端が被測定物116の被測定面(側面)116aの表面に沿った状態で移動するように、XYステージ140をXY軸方向駆動制御装置143を介して駆動する。このようにすることにより、XYステージ140のXY座標測定値及びプローブ12のZ座標(高さ)と、スタイラス101のX方向傾き角度及びY方向傾き角度とを高さ測長部111と傾斜角度検出部105とでそれぞれ連続的に測定を行い、測定データを内部メモリ108にそれぞれ保存している。
During the measurement operation, the lower end of the
図2Aは、被測定物116をスタイラス101にて測定する際の動作を、水平方向から見た場図である。図2Aに示すように、XYステージ140を駆動することにより、スタイラス101が被測定物116に接触して被測定物116の測定面116aに沿って移動すると、プローブ支点106を中心として、ミラー102の傾きが変化する。このとき、ミラー102の高さは、ミラー中心から高さ測定用レーザー光照射位置107までの水平距離とミラー102の傾きとに比例して変化する。
FIG. 2A is a field diagram in which the operation when measuring the
また、図2Bの上下の図は、それぞれ、支点ズレがなく、スタイラス101が傾斜していないプローブ12をZ方向下向きに見た際の概念図及びY方向から見た際の概念図である。図2Cの上下及び右側の図は、それぞれ、支点ズレがなく、スタイラス101が傾斜したプローブ12をZ方向下向きに見た際の概念図及びY方向及びX方向からそれぞれ見た際の概念図である。ここで、符号を以下のように定義する。なお、図2Cでは、傾き(傾斜角度)を誇張して大きく描いているが、実際の測定での傾きは、最大でも60秒(s)と非常に小さな値である。
2B are a conceptual diagram when the
・ Lx:ミラー102上での高さ測定用レーザー光照射位置107から支点106の位置までのX方向距離(設計値)。
Lx: X-direction distance (design value) from the laser
・ Ly:ミラー102上での高さ測定用レーザー光照射位置107から支点106位置までのY方向距離(設計値)。
Ly: Y-direction distance (design value) from the laser
・ Ls:測定点から支点106までのスタイラス101の長さ(設計値)。
Ls: The length (design value) of the
・ ΔX(n):スタイラス傾斜時の測定点(スタイラス101の下端と被測定物116の側面(被測定面)116aとの接触点)から支点106までのX方向距離。
ΔX (n): A distance in the X direction from the measurement point (contact point between the lower end of the
・ ΔY(n):スタイラス傾斜時の測定点から支点106までのY方向距離。
ΔY (n): Y direction distance from the measurement point to the
・ θx(n):ミラー102のX軸回りの傾き量。
Θx (n): the amount of inclination of the
・ θy(n):ミラー102のY軸周りの傾き量。
Θy (n): the amount of inclination of the
これらの値には下記の関係式(1)がある
ΔX(n) =Ls・sinθy(n)
ΔY(n) =Ls・sinθx(n)
・・・・・・(1)
さらに、ミラー102の傾きが最大でも60秒(s)と十分に小さいため、三角関数について微小角の近似式を用いると、上式(1)は
ΔX(n) =Ls・θy(n)
ΔY(n) =Ls・θx(n)
・・・・・・(2)
とスタイラス101の傾斜による誤差は、上記の式(2)のように表すことが出来る。
These values have the following relational expression (1).
ΔX (n) = Ls · sin θy (n)
ΔY (n) = Ls · sin θx (n)
(1)
Furthermore, since the inclination of the
ΔX (n) = Ls · θy (n)
ΔY (n) = Ls · θx (n)
(2)
The error due to the inclination of the
また、新たな符号として下記を定義する。 In addition, the following is defined as a new code.
・ X1(n):XYステージ140上に設置されたX軸用測長ミラー153を用いたレーザー測定法によりX座標用位置座標測定部155Xで求まるXYステージ140のX座標測定値。
X 1 (n): X-coordinate measurement value of the
・ Y1(n):XYステージ140上に設置されたY軸用測長ミラー154を用いたレーザー測定法によりY座標用位置座標測定部155Yで求まるXYステージ140のY座標測定値。
Y 1 (n): Y coordinate measurement value of the
・ Z1(n):ミラー102を用いたレーザー測定法により高さ測長部111で求まるスタイラス101のZ座標測定値(高さ)。
Z 1 (n): Z coordinate measurement value (height) of the
これらの値に、傾斜角度検出部105で測定された傾き量θx(n)、θy(n)を加えた、(X1(n)、Y1(n)、Z1(n)、θx(n)、θy(n))を3次元形状データの測定値として、X座標用位置座標測定部155XとY座標用位置座標測定部155Yと高さ測長部111と傾斜角度検出部105とにより、内部メモリ108にそれぞれ保存する。
(X 1 (n), Y 1 (n), Z 1 (n), θx () are obtained by adding the inclination amounts θx (n) and θy (n) measured by the
図3A及び図3Bで、従来技術で説明したように支点ズレが発生した場合に、内部メモリ108に保存されたデータを基に、演算部300で行う補正量の算出方法について説明を行う。ここで、新たに、次の符号を定義する。
3A and 3B, a correction amount calculation method performed by the
・ Gx(n):支点106のX方向のズレ量。
Gx (n): A shift amount of the
・ Gy(n):支点106のY方向のズレ量。
Gy (n): A shift amount of the
・ Δh(n):ミラー102により測定されるZ座標とZ方向の位置決め指令値との差。
Δh (n): difference between the Z coordinate measured by the
なお、図3A及び図3Bは、X方向のズレのみが生じた場合での図となっているが、実際にはY方向に関しても同様な状態が発生する。 3A and 3B are diagrams in the case where only the deviation in the X direction occurs, but in reality, a similar state also occurs in the Y direction.
また、図3A及び図3Bでは、ズレ量を誇張して極端に大きく描いているが、実際は図2Aに示すように支点106は、載置台16に設けられたテーパ穴16a内にあり、ズレ量は数十μmオーダーである。また、ズレが生じた場合のミラー102のZ方向の変動は無視できる程小さい。
3A and 3B, the amount of displacement is exaggerated and drawn extremely large, but actually, as shown in FIG. 2A, the
このとき、高さ測定用レーザー光照射位置107から支点106の位置までのX方向距離は、Lx+Gx(n)となり、ミラー102の高さの変化量Δh(n)は、ミラー102の傾きが最大でも、60秒(s)と十分に小さいため、次式(3)で近似できる。
At this time, the distance in the X direction from the laser
Δh(n)=(Lx+Gx(n))・tanθy(n)+(Ly+Gy(n))・tanθx(n)
・・・・・・(3)
また、三角関数について微小角の近似式を用いると、
Δh(n)=(Lx+Gx(n))・θy(n)+(Ly+Gy(n))・θx(n)
・・・・・・(4)
と表せる。
Δh (n) = (Lx + Gx (n)) · tan θy (n) + (Ly + Gy (n)) · tan θx (n)
(3)
In addition, when using an approximation formula of small angles for trigonometric functions,
Δh (n) = (Lx + Gx (n)) · θy (n) + (Ly + Gy (n)) · θx (n)
(4)
It can be expressed.
この式(4)において、高さの変化量Δh(n)は、高さ測長部111の測定値とZ移動軸152の指令値から求まり、傾き量θx(n)、θy(n)は傾斜角度検出部105にて測定されているため、既知である。また、距離Lx及びLyについても、設計値であるため、既知である。しかし、ズレ量Gx(n)及びズレ量Gy(n)については、支点ズレによる影響又は組立誤差等により、未知数である。そのため、変化量Δh(n)、傾き量θx(n)、傾き量θy(n)が、異なる2点、すなわち、点(Δh(n1)、θx(n1)、θy(n1))、及び、点(Δh(n2)、θx(n2)、θy(n2))において測定を行えば、次式(5),(6)により、ズレ量Gx(n1)とズレ量Gy(n1)とをズレ量算出部302で求めることができる。
In this equation (4), the height change amount Δh (n) is obtained from the measured value of the
・・・・・・(6)
これより、ズレ量Gx(n1)とズレ量Gy(n1)とがズレ量算出部302で算出される。このように任意の2点から、ズレ量Gx(n)とズレ量Gy(n)とは、ズレ量算出部302で算出可能である。
(6)
Thus, the deviation amount Gx (n 1 ) and the deviation amount Gy (n 1 ) are calculated by the deviation
また、新たな符号として、
・ X2(n):被測定物116の被測定面116aのX座標、
・ Y2(n):被測定物116の被測定面116aのY座標、
・ Z2(n):被測定物116の被測定面116aのZ座標、
を定義する。これらの値(X2(n)、Y2(n)、Z2(n))を3次元形状データとして、内部メモリ108に保存している(X1(n)、Y1(n)、Z1(n)、θx(n)、θy(n))と、ズレ量算出部302により算出したΔX(n)、ΔY(n)、Δh(n)、Gx(n)、Gy(n)とを用いると、次式(7)が成り立つ。
In addition, as a new code,
X 2 (n): the X coordinate of the
Y 2 (n): Y coordinate of the
Z 2 (n): Z coordinate of the
Define These values (X 2 (n), Y 2 (n), Z 2 (n)) are stored in the
X2(n)=X1(n)−ΔX(n)+Gx(n)
Y2(n)=X1(n)−ΔY(n)+Gy(n)
Z2(n)=Z1(n)−Δh(n)
・・・・・・(7)
これらの式(7)の演算を補正部303で行うことにより、補正部303での補正が行われる。
X 2 (n) = X 1 (n) −ΔX (n) + Gx (n)
Y 2 (n) = X 1 (n) −ΔY (n) + Gy (n)
Z 2 (n) = Z 1 (n) −Δh (n)
(7)
By correcting the equation (7) by the correction unit 303, correction by the correction unit 303 is performed.
このようにして、X及びY方向の傾き及び高さの変化から、X方向及びY方向の支点ズレ量をズレ量算出部302で算出し、三次元形状データを補正部303で補正することで、被測定物116の被測定面116aのXYZ座標(X2(n)、Y2(n)、Z2(n))を高精度に得ることができる。よって、第1実施形態の三次元測定装置150により、被測定物116の被測定面116aを高精度に測定することが可能となる。
In this manner, the shift
上記の補正は、三次元形状データ測定部301での測定終了後、内部メモリ108内に保存された3次元形状データを基に、ズレ量算出部302と補正部303とによりズレ量算出処理及び補正処理を行う。また、ΔX(n)、ΔY(n)、Δh(n)による補正は、各測定点に対してズレ量をズレ量算出部302により算出し、補正部303により補正を行う。しかし、ズレ量Gx(n)とズレ量Gy(n)とによる補正では、支点ズレの発生頻度が低いため、全測定点に対してズレ量をズレ量算出部302により算出する必要はなく、一定の測定点間隔ごとにズレ量をズレ量算出部302により算出し、その補正を補正部303により行う事も可能である。もしくは、ズレ量算出部302により、一定区間のズレ量の平均値にてその区間内でのズレ量をGx(n)、ズレ量をGy(n)とし、その補正を補正部303により行っても良い。また、測定中に測定点を取り込むごとにズレ量をGx(n)、ズレ量をGy(n)をズレ量算出部302により算出し、リアルタイムに補正部303により補正することも可能である。
The above correction is performed by the deviation
なお、第1実施形態において、傾き測定用レーザー光104は、高さ測定用レーザー光103に対して、支点601を挟んで対角上に照射されるように配置している。しかしながら、傾き測定用レーザー光104は、ミラー102上の支点位置を除く、任意の位置に照射可能である。原理的には、ミラー102のX軸上又はY軸上に配置したとしても、傾きθx(n)、θy(n)から一定角回転した新たな傾きθx’(n)、θy’(n)の座標系をソフト内部(例えば、傾斜角度検出部105)で算出することができる。このようにして算出したデータを使用して、新たな座標系のx’、y’方向に対して支点ズレ量をズレ量算出部302定義する事が可能なため、補正部303での補正は可能である。また、ミラー102の傾きを検出する光学系については、ミラー102上の任意の位置に配置可能であるが、ミラーサイズを最小化するために、プローブ101のサイズが最も小型となる支点を挟んで対角となるように配置している。
In the first embodiment, the tilt measuring
上記構成によれば、スタイラス101の変位を、スタイラス101と連結されたミラー102の傾きと高さとの変位として測定する三次元測定装置150のプローブ12において、スタイラス101と連結されたミラー102によりスタイラス101の高さ変動量と傾きとを高さ測長部111及び傾斜角度検出部105で測定し、2つの値から回転中心となる支点106の水平方向のズレ量をズレ量算出部302で算出し、ズレ量に応じて座標測定値の補正を補正部303で行う三次元測定方法及び装置を提供するものである。このような構成によれば、X及びY方向の傾き及び高さの変化から、X方向及びY方向の支点ズレ量をズレ量算出部302で算出し、三次元形状データを補正部303で補正することで高精度な三次元測定を行うことができる。
According to the above configuration, in the
なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。 In addition, it can be made to show the effect which each has by combining arbitrary embodiment or modification of the said various embodiment or modification suitably.
本発明の三次元測定方法及び装置は、プローブ起因の誤差を算出し補正する光学系を有し、レンズ鏡筒又は歯車等の上下方向沿いの側面の高精度形状測定に適用できる。 The three-dimensional measurement method and apparatus of the present invention have an optical system that calculates and corrects errors caused by a probe, and can be applied to high-precision shape measurement of side surfaces along the vertical direction of a lens barrel or gear.
12 プローブ
16 載置台
16a テーパ穴
101 スタイラス
102 ミラー
103 高さ測定用レーザー光
104 半導体レーザー光
105 傾斜角度検出部
106 支点
107 高さ測定用レーザー光照射位置
108 内部メモリ
110 周波数安定化レーザー光源
111 高さ測長部
112 半導体レーザー光源
115 スタイラス取付部材
115a 円筒部
115b 貫通穴
116 被測定物
116a 被測定面
140 XYステージ
141 制御部
143 XY軸方向駆動制御装置
150 三次元測定装置
152 Z移動軸
153 X参照ミラー
154 Y参照ミラー
155X X座標用位置座標測定部
155Y Y座標用位置座標測定部
157 石定盤
160 被測定物載置台
171 ハーフミラー
172 ハーフミラー
211Y Y座標測定用レーザ光
300 演算部
301 三次元形状データ測定部
302 ズレ量算出部
303 補正部
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる2点に照射して前記2点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを、前記傾き測定部と前記高さ測定部を含む三次元形状データ測定部で測定し、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記2点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量をズレ量算出部で算出し、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正部で補正する、三次元測定方法。 A probe having a stylus mounting member having a stylus at the lower part and a mirror at the upper part capable of contacting the surface to be measured of the object to be measured, and a support supported so as to be swingable with one point of the stylus mounting member as a fulcrum A member, a measuring mirror for measuring the height change and tilt of the swinging unit, a height measuring unit for measuring the height of the mirror, and an tilt measuring unit for measuring the tilt of the mirror. In the three-dimensional measurement method for measuring the measurement surface of the measurement object,
While the object to be measured and the probe are relatively moved, the laser beam for height measurement and the laser beam for tilt measurement are irradiated to two different points of the mirror, and the tilt between the two points and the height fluctuation value are By measuring the three-dimensional shape data of the measurement surface of the object to be measured, a three-dimensional shape data measurement unit including the inclination measurement unit and the height measurement unit,
The shift amount calculation unit calculates the shift amount of the fulcrum from the inclination between the two points of the three-dimensional shape data obtained by the three-dimensional shape data measurement unit and the height fluctuation value,
A three-dimensional measurement method, wherein the three-dimensional shape data is corrected by a correction unit using the deviation amount calculated by the deviation amount calculation unit.
前記スタイラス取付部材のある1点を支点として揺動可能に支持される支持部材と、
前記揺動部の高さ変化及び傾きを測定するための測定用ミラーと、
前記ミラーの高さを測定する測定部と、前記ミラーの傾きを測定する傾き測定部とを有して、前記被測定物と前記プローブとを相対移動させるとともに、高さ測定用レーザー光と傾き測定用レーザー光とが前記ミラーの異なる2点に照射して前記2点間の傾きと高さ変動値とを測定することにより、前記被測定物の前記被測定物の前記被測定面の三次元形状データを測定する三次元形状データ測定部と、
前記三次元形状データ測定部で得られた前記三次元形状データのうちの前記2点間の前記傾きと前記高さ変動値とから前記支点のズレ量を算出するズレ量算出部と、
前記ズレ量算出部で算出した前記ズレ量を使用して前記三次元形状データを補正する補正部とを備える、三次元測定装置。 A probe having a stylus mounting member having a stylus at the lower part and a mirror at the upper part that can contact the surface to be measured of the object to be measured;
A support member supported so as to be swingable about a certain point of the stylus attachment member;
A measuring mirror for measuring a change in height and an inclination of the oscillating portion;
A measuring unit for measuring the height of the mirror; and an inclination measuring unit for measuring the inclination of the mirror, and relatively moving the object to be measured and the probe, and measuring the laser beam and the inclination for measuring the height. The measurement laser beam irradiates two different points of the mirror and measures the inclination between the two points and the height fluctuation value, so that the tertiary of the measurement surface of the measurement object of the measurement object is obtained. A three-dimensional shape data measurement unit for measuring original shape data;
A deviation amount calculation unit for calculating a deviation amount of the fulcrum from the inclination between the two points of the three-dimensional shape data obtained by the three-dimensional shape data measurement unit and the height variation value;
A three-dimensional measurement apparatus comprising: a correction unit that corrects the three-dimensional shape data using the deviation amount calculated by the deviation amount calculation unit.
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CN105571513A (en) * | 2015-12-16 | 2016-05-11 | 北京博视中自科技有限公司 | Three-dimensional data obtaining apparatus and method based on linear laser |
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-
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