JP2015148569A - 光学式プローブ、取付カバー、および形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物の表面の反射率が比較的高い場合であっても、２次反射光による受光量分布の異常値の発生を抑えることができる光学プローブ、取付カバー、および形状測定装置を提供すること。【解決手段】光学式プローブ４０は、照射光学系２０および受光光学系３０を含む光学系５０を内蔵するプローブカバー４５を備える。プローブカバー４５の、ワークＷに対向する対向領域である下面４５ａには、光を通過させる出射領域４３および入力領域４４が設けられ、また、光の反射防止構造４１または拡散構造が設けられている。反射防止構造４１によりワークＷからの反射光の下面４５ａでの反射が防止され、または、拡散構造によりワークＷから反射光が拡散される。これにより、２次反射光による受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、非接触で被測定物の形状を測定する光学式プローブ等の技術に関する。

従来から、被測定物の形状を測定する非接触方式の測定装置として、光切断方式による測定方法を用いる装置がある。光切断方式では、例えばライン状の光が被測定物に照射され、その反射光が２次元状の受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布は、増幅器により増幅された後、デジタル化され、このデジタルデータのピーク位置に基づいて、被測定物の断面形状が検出される。

特許文献１には、例えばライン状の光をそのライン方向で選択的に反射させて被測定物に照射するＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）を備える光学式プローブが開示されている。ＤＭＤは、被測定物の表面領域において光が照射される１ラインのうち、選択した所定の領域には光を照射しないので、多重反射の受光による異常値（虚像）の発生を抑えることができる（例えば、特許文献１の明細書段落［０００８］、［００２６］参照）。

特開２０１２−２３００９７号公報

多重反射の１つの現象として、例えば被測定物の表面が比較的反射率の高い面、すなわち鏡面である場合には、被測定物からの正反射光がプローブに戻り、その光がさらにプローブで反射して被測定物に向かう、という現象が起こる。このようなプローブでの反射以降の反射を２次反射と定義する場合、この２次反射光を受光素子が受光することにより、受光量分布に異常値が発生する。

本発明の目的は、被測定物の表面の反射率が比較的高い場合であっても、２次反射光による受光量分布の異常値の発生を抑えることができる光学式プローブ、取付カバー、および形状測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光学式プローブは、プローブカバーと、光学系と、光の反射防止構造または拡散構造とを具備する。
前記プローブカバーは、被測定物に対向する対向領域と、前記対向領域に設けられた、光を通過させる出射領域および入射領域とを有する。
前記光学系は、前記プローブカバー内に設けられ、前記出射領域を介して光を出射し、前記入射領域を介して前記被測定物からの反射光を受光する。
前記光の反射防止構造または拡散構造は、前記プローブカバーの少なくとも前記対向領域に設けられている。

反射防止構造により、被測定物からの反射光の、プローブカバーの対向領域での反射が防止され、または、拡散構造により被測定物からの反射光が拡散される。これにより、被測定物の表面の反射率が比較的高い場合であっても、２次反射光の発生を抑制することができ、その結果、受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。

前記反射防止構造または拡散構造は、前記プローブカバーの側面領域にもさらに設けられていてもよい。これにより、プローブカバーの側面領域に入射する光の反射も防止され、またはその光が拡散されるので、異常値の発生確率をさらに低減することができる。

前記反射防止構造は、反射防止膜であってもよい。前記拡散構造は、粗面加工またはホログラム加工が施された面であってもよい。

前記光学式プローブは、前記プローブカバーに着脱可能に設けられ、前記反射防止構造または前記拡散構造を有する取付カバーをさらに具備してもよい。反射防止構造または拡散構造を備えていないプローブカバーに、この取付カバーを装着することで、２次反射光の発生を抑制することができ、受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。

本発明の一形態に係る取付カバーは、装着部と、対向部と、光の反射防止構造または拡散構造とを具備する。
前記装着部は、被測定物に対向する対向領域と、前記対向領域に設けられた、光を通過させる出射領域および入射領域とを有するプローブカバーに接続可能である。
前記対向部は、前記対向領域を覆うように前記プローブカバーに取付カバーが装着された状態で、前記出射領域および前記入射領域にそれぞれ対面する開口部を有する。
前記光の反射防止構造または拡散構造は、前記対向部に設けられている。

取付カバーが装着部によりプローブカバーに装着された状態で、反射防止構造により、被測定物からの反射光の、プローブカバーの対向領域での反射が防止され、または、拡散構造により被測定物からの反射光が拡散される。これにより、被測定物の表面の反射率が比較的高い場合であっても、２次反射光の発生を抑制することができ、その結果、受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。

本発明の一形態に係る形状測定装置は、上記の光学式プローブと、ステージと、測定処理部とを具備する。
前記ステージには、被測定物が載置される。
前記測定処理部は、前記光学式プローブで得られる信号に基づき、前記ステージ上の前記被測定物の形状を測定する。

以上、本発明によれば、被測定物の表面の反射率が比較的高い場合であっても、２次反射光による受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置を主に示す斜視図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る光学式プローブの構成を模式的に示す断面図である。 図３は、図２に示す光学式プローブを下面側から見た図である。 図４は、シャインプルーフ光学系の原理を説明するための図である。 図５ＡおよびＢは、ラインレーザが、三角柱形状のワークＷの形状に照射される状態を、それぞれｙ方向、ｘ方向で見た図である。図５Ｃは、撮像素子の撮像面上で得られるワークの観察像である。 図６は、鏡面の表面を持つワークを測定した時に起こる問題を説明するための図である。 図７は、従来のプローブによる、鏡面の表面を有するワーク形状の測定結果を示す。 図８Ａは、本実施形態に係るプローブにより、水平面でなる一様な鏡面を測定したときに、撮像面上で得られるプロファイルを示す。図８Ｂは、従来のプローブにより同様にその鏡面が測定されたときに、撮像面上で得られるプロファイルを示す。 図９ＡよびＢは、第２の実施形態に係るプローブを模式的に示す断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係る形状測定装置を主に示す斜視図である。形状測定装置１００は、光学式プローブ（以下、「プローブ」という。）４０、ステージ１５、および移動機構１０を備える。

ステージ１５上には、被測定物としてのワークＷが載置される。移動機構１０は、ｘ、ｙおよびｚの３次元でプローブ４０を移動させることが可能に構成される。具体的には、移動機構１０は、プローブ４０をｚ方向に沿って移動させるｚ移動機構１１と、このｚ移動機構１１をｘ方向に沿って移動させるｘ移動機構１２と、これらｚ移動機構１１およびｘ移動機構１２を一体的にｙ方向に移動させるｙ移動機構１３とを備える。

形状測定装置１００は、コンピュータ等により構成される図示しない制御装置に接続されている。制御装置は、移動機構１０の駆動を制御する。また、制御装置は、プローブ４０により得られた信号に基づき、ワークＷの形状を測定する測定処理部を備える。測定処理部で生成された情報は、図示しないディスプレイに表示されるようになっている。

図２は、プローブ４０の構成を模式的に示す断面図である。図３は、このプローブ４０を下面４５ａ側から見た図である。プローブ４０は、プローブカバー４５と、プローブカバー４５に内蔵された光学系５０とを備える。

プローブカバー４５は、例えば円弧ブロック形状（リングの一部の形状）またはこれに近い形状を有する。プローブカバー４５の表面は、上面４５ｃと、４つの側面４５ｂと、ステージ１５上のワークＷに対向する対向領域となる下面４５ａとを有する。

光学系５０は、照射光学系２０および受光光学系３０を含む。照射光学系２０は、光源となるレーザダイオード２１と、レーザダイオード２１からのレーザ光を平行光にするコリメータレンズ２２と、平行光にされたレーザ光を一方向（ここではｙ方向）にライン状のレーザＬ０を生成するライン光生成素子２３とを有する。ライン光生成素子２３として、例えばロッドレンズが用いられる。

受光光学系３０は、複数のレンズを有する結像レンズユニット３２と、撮像素子３１とを有する。撮像素子３１として、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、またはＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）デバイス等が用いられる。

照射光学系２０から出射したレーザ光は、プローブカバー４５の下面４５ａに設けられた出射領域４３を介して出射される。出射されたレーザ光Ｌ０は、ラインレーザとしてワークＷに照射される。ワークＷで反射された反射光Ｌ１は、プローブカバー４５の下面４５ａに設けられた入射領域４４を介して受光光学系３０に入射する。

プローブカバー４５は、樹脂または金属を主材料として構成される。出射領域４３および入射領域４４は、照射光学系２０が発生するレーザ光に対して透明な材料でなる部材で構成される。出射領域４３および入射領域４４を構成する部材は、例えばレーザ光が可視光である場合、アクリルやガラスでなる。

なお、出射領域４３および入射領域４４のうち少なくとも一方は、プローブカバー４５が開口されることにより形成された穴であってもよい。

このプローブ４０の光学系５０には、シャインプルーフ光学系の原理が応用されている。図４は、シャインプルーフ光学系の原理を説明するための図である。シャインプルーフの原理とは、撮像素子３１の撮像面３１ａ、結像レンズ３２'の主点を含む主平面、およびワークＷ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、一直線（図４では１点）で交わるように配置されている場合、撮像素子３１の撮像面３１ａの全体が合焦状態となるというものである。本実施形態では、シャインプルーフ光学系が用いられることにより、ラインレーザが照射される範囲における、ｙおよびｚ方向で合焦状態となる。

図５Ａ、Ｂは、プローブ４０からのラインレーザが、例えば三角柱形状のワークＷの形状に照射される状態を、それぞれｙ方向、ｘ方向で見た図である。図５Ｃは、その場合に撮像素子３１の撮像面３１ａ上で得られるワークの観察像である。

ラインレーザのライン方向であるｙ方向におけるワークＷの形状は、撮像面３１ａ上のｙ'方向の信号の形状に対応する。ラインレーザのｚ方向におけるワークＷの形状は、撮像面上のｚ'方向の信号の形状に対応する。ｘ移動機構１２がプローブ４０をｘ方向に走査することにより、ワークＷの全体形状を測定することができる。撮像素子３１で得られる画素ごとの受光量のピーク値（の軌跡）に基づき算出された空間座標値が、測定された形状となる。

このピーク検出は、上記の測定処理部により行われる。例えば測定処理部は、撮像面３１ａ上のｚ'方向に沿う画素列のうち、ピーク値を持つ画素位置、つまりピーク位置を検出する。この処理を、その画素列に直交する方向、つまりｙ'方向に沿って繰り返すことにより、１ライン分の形状測定が可能となる。

ここで、ワークが、拡散性の高い表面を有する場合、ワーク表面で反射された光のうち、拡散成分が強くなり、反射成分（ここでは正反射に近い反射の成分）は弱くなる。さらに多重反射により、光は反射回数に応じて減衰していくので、プローブカバーでの反射以降の２次反射は、誤ったピークとして検出される程の光量を有さないため問題にならない。

しかしながら、例えばワークＷが、反射率が比較的高い表面、例えば鏡面を持つ場合、次のような問題が起こる。図６は、その問題点を説明する図である。図に示すように、光学式プローブ１１０から出射されたレーザ光Ｌ０が、鏡面のワークＷに照射されると、それが正反射する方向の光、つまり正反射光Ｌ２の強度が大きくなる。その正反射光Ｌ２は、プローブ１１０の下面において、照射光学系１１２の出射領域およびその周辺の領域で反射され、その反射光Ｌ３は再びワークＷに照射される。つまり、プローブ１１０の下面で２次反射が発生する。ワークＷで反射された２次反射光のうち、プローブ１１０の受光光学系１１３に入射する光を、撮像素子が捉えると、その像は虚像となり、誤ったピークとして検出されてしまうため、異常値を発生する。

図７は、従来のプローブによる、例えば鏡面の表面を有するワーク形状の測定結果の画像例を示す。このワークの形状は、例えば角Ｒを有する直方体である。図において破線で囲まれた部分に示すように、このワークの角Ｒの部分で、２次反射の発生による受光量分布の異常値（虚像）が検出される。

このような異常値の発生を防止するために、本実施形態に係るプローブ４０では、図２に示すように、プローブカバー４５の下面４５ａに反射防止構造４１が設けられている。反射防止構造４１として、例えば反射防止膜が用いられる。

反射防止膜は、下面４５ａのうち出射領域４３および入射領域４４を除いた領域に形成されている。

反射防止膜は、２次反射光の影響を低減できる低反射率の材料で構成される膜であり、例えば酸化系もしくはフッ化系のMg、Zr、Ti、Si等の材料により、単層または多層で構成される。あるいは、反射防止膜は、ナノ構造を有する光吸収材であってもよい。

このような反射防止構造４１により、ワークＷの表面の反射率が比較的高い場合であっても、ワークＷからの反射光の２次反射光の発生を抑制することができ、その結果、受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。

反射防止構造に代えて、光を拡散させる拡散構造がプローブカバー４５の少なくとも下面４５ａに設けられていてもよい。拡散構造を形成する面は、例えば粗面加工やホログラム加工が施された面である。粗面加工としては、サンドブラスト加工、または意図的に設計された形状の凹凸加工がある。このような拡散構造により、ワークＷからの強度の高い正反射方向の光を拡散させることができる。たとえその拡散光の一部が受光領域に入射されたとしてもそれは問題ない程度、すなわち異常値の発生を抑えることができる程度にまで減衰したものである。

プローブカバーの少なくとも下部（対向領域）の構造（材料）自体が、反射防止構造または拡散構造であってもよい。すなわち、プローブカバーの少なくとも下部の筐体構造が、反射防止構造または拡散構造により構成されていてもよい。もちろん、プローブカバー全体の筐体構造が、反射防止構造または拡散構造により構成されていてもよい。

図８Ａは、本実施形態に係るプローブ４０により、水平面でなる一様な鏡面を測定したときに、撮像面３１ａ上のｚ'方向に沿う画素列のうち、虚像が発生する位置に相当する画素列で得られるプロファイルを示す。図８Ｂは、従来のプローブにより同様にその鏡面が測定されたときに、撮像面上のｚ'方向に沿う画素列のうち、虚像が発生する位置に相当する画素列で得られるプロファイルを示す。

図８Ｂでは、撮像素子３１が高い強度の２次反射光を受光することにより局所的に大きなピーク値を検出し、ピーク位置が特定される。このように、極端に大きなピーク値は異常値とされる。

これに対して図８Ａでは、極端に大きなピーク値は検出されていない。すなわち、反射防止構造４１または拡散構造によって、高い強度の２次反射光の発生が抑えられるので、異常値の発生を抑えることができる。これにより、測定データの高精度化および高品質化を図ることができる。

また、従来のプローブでは、異常値の発生の確認作業およびその異常値を取り除く作業が必要であったが、本実施形態ではそれらが不要になり、作業時間を短縮することができるとともに、作業者の負担を軽減することができる。

以上の実施形態では、下面４５ａにのみ反射防止構造４１または拡散構造が設けられたが、下面４５ａに加えて、プローブカバー４５の４つの側面４５ｂのうち少なくも１面、または、プローブカバー４５の表面全体に、それらが設けられていてもよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係るプローブについて説明する。これ以降の説明では、図１等に示した実施形態に係るプローブ４０が含む部材や機能等について実質的に同様の要素については同一の符号を付し、その説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

図９Ａ、Ｂは、第２の実施形態に係るプローブを模式的に示す断面図である。図９Ａに示すように、このプローブのプローブカバー９５には、その下面９５ａ（ワークＷに対向する対向領域）を覆うように取付カバー６０が装着されている。図９Ｂに示すように、プローブカバー９５の側面９５ｂの下部には、突起部９５ｄが設けられ、突起部９５ｄは、取付カバー６０の側壁６０ｂの内面に設けられた装着部としての凹部６０ｄに係合することにより接続可能となっている。突起部９５ｄは、側面９５ｂの一部または全周に設けられており、凹部６０ｄは突起部９５ｄに対応する位置に設けられている。以上により、取付カバー６０は、プローブカバー９５に着脱可能とされる。

取付カバー６０には、プローブカバー９５の出射領域４３および入射領域４４に対面する位置に、開口部６３および６４がそれぞれ設けられている。開口部６３および６４には、光を透過させる材料でなる部材が設けられていてもよい。

そして、取付カバー６０の、ワークに対向する対向部としての下面６０ａには、上述した反射防止構造４１と同様の反射防止構造６１が設けられている。反射防止構造６１の代わりに上記したように拡散構造であってもよい。開口部６３および６４に、透明な部材が設けられている場合、反射防止構造６１を、その透明な部材上を含む、下面６０ａの全面に設けることもできる。

この取付カバー６０をプローブカバー９５に装着することで、取付カバー６０の下面６０ａを介して、プローブカバー９５の下面９５ａに反射防止構造６１が形成される。取付カバー６０をプローブカバー９５に装着して測定を行うことで、２次反射の発生およびそれによる受光量分布の異常値の発生を抑えることができる。

本実施形態において、取付カバー６０の側壁６０ｂの内面に突起部が設けられ、プローブカバー９５の側面に凹部が設けられていてもよい。

本実施形態に係る「装着部」の機構は、突起部９５ｄと凹部６０ｄとの係合によるものであったが、これに限られず、ネジ止めによる機構や、ゴム等の高摩擦係数を有する材料の接触による機構であってもよい。

本実施形態のような取付カバーにより、例えばプローブカバーが既存のものであっても、それに取付カバーを取り付けることにより、２次反射を抑制できるプローブを実現することができる。

［その他の実施形態］
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

上記実施形態では、プローブカバーの表面を構成する各面を、「上面」、「下面」、「側面」などと記載したが、これは説明をわかりやすくするための便宜上の記載である。例えば、プローブが図１に示したような形状測定装置１００に取り付けられるのではなく、多関節型のアームにプローブが取り付けられ、作業者がマニュアル操作でそのアームを操作して測定を行う場合には、プローブの姿勢は、上下左右の方向に捉われず、任意の姿勢を取り得る。

上記実施形態に係る照射光学系２０の光源としてコヒーレント光を発生するレーザダイオード２１が用いられたが、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等が用いられてもよい。

上記実施形態に係るライン光生成素子２３はロッドレンズであったが、これに代えて、ＤＭＤ、ガルバノミラー素子、またはポリゴンミラー素子など、ライン状に光を走査可能な光走査素子が用いられてもよい。

上記実施形態に係るプローブは、シャインプルーフ光学系の原理が応用されたプローブであったが、必ずしもこれに限られず、一般的な反射型の光センサを用いたプローブであってもよい。

プローブカバー４５、９５の形状は、上述した円弧ブロック形状に限られない。例えば、プローブカバーの全体形状が直方体形状であったり、下面（対向領域）が、複数の平面で構成されていたりしてもよい。この場合、取付カバーも、そのプローブカバーの形状に対応する形状であってもよい。

上記実施形態に係る形状測定装置１００では、照射光学系２０の出射光軸がｚ方向に沿うようにプローブの姿勢が設定されていたが、出射光軸が斜めになるようにプローブの姿勢が設定されていてもよい。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。

１５…ステージ
２０…照射光学系
３０…受光光学系
４０…光学式プローブ
４１、６１…反射防止構造
４３…出射領域
４４…入射領域
４５、９５…プローブカバー
４５ａ、６０ａ、９５ａ…下面（対向領域、対向部）
４５ｂ…側面
５０…光学系
６０ａ…下面
６０…取付カバー
６３…開口部
１００…形状測定装置

Claims (8)

1. 被測定物に対向する対向領域と、前記対向領域に設けられた、光を通過させる出射領域および入射領域とを有するプローブカバーと、
   前記プローブカバー内に設けられ、前記出射領域を介して光を出射し、前記入射領域を介して前記被測定物からの反射光を受光する光学系と、
   前記プローブカバーの少なくとも前記対向領域に設けられた光の反射防止構造または拡散構造と
   を具備する光学式プローブ。
2. 請求項１に記載の光学式プローブであって、
   前記反射防止構造または拡散構造は、前記プローブカバーの側面領域にもさらに設けられている
   光学式プローブ。
3. 請求項１または２に記載の光学式プローブであって、
   前記反射防止構造は、反射防止膜である
   光学式プローブ。
4. 請求項１または２に記載の光学式プローブであって、
   前記拡散構造は、粗面加工またはホログラム加工が施された面である
   光学式プローブ。
5. 請求項１に記載の光学式プローブであって、
   前記プローブカバーに着脱可能に設けられ、前記反射防止構造または前記拡散構造を有する取付カバーをさらに具備する
   光学式プローブ。
6. 請求項１に記載の光学式プローブであって、
   前記反射防止構造または拡散構造により、前記プローブカバーの少なくとも前記対向領域の筐体構造が構成される
   光学式プローブ。
7. 被測定物に対向する対向領域と、前記対向領域に設けられた、光を通過させる出射領域および入射領域とを有するプローブカバーに接続可能な装着部と、
   前記対向領域を覆うように前記プローブカバーに取付カバーが装着された状態で、前記出射領域および前記入射領域にそれぞれ対面する開口部を有する対向部と
   前記対向部に設けられた光の反射防止構造または拡散構造と
   を具備する取付カバー。
8. 光学式プローブと、
   被測定物が載置されるステージと、
   前記光学式プローブで得られる信号に基づき、前記ステージ上の前記被測定物の形状を測定する測定処理部とを具備し、
   前記光学式プローブは、
   光が出射する出射領域と、前記被測定物からの反射光が入射する入射領域と、前記出射領域および前記入射領域を含む、前記被測定物に対向する対向領域とを有するプローブカバーと、
   前記プローブカバー内に設けられ、前記出射領域を介して光を出射し、前記入射領域を介して前記反射光を受光する光学系と、
   前記プローブカバーの少なくとも前記対向領域に設けられた光の反射防止構造または拡散構造とを有する
   形状測定装置。

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