JP3633736B2

JP3633736B2 - 光学式寸法測定装置

Info

Publication number: JP3633736B2
Application number: JP28554096A
Authority: JP
Inventors: 正道鈴木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1996-10-28
Filing date: 1996-10-28
Publication date: 2005-03-30
Anticipated expiration: 2016-10-28
Also published as: JPH10132522A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ビームを走査してワークの寸法を測定する光学式寸法測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光ビームを一次元走査してワークの寸法を精密測定する装置として、レーザ・スキャン・マイクロメータ（ＬＳＭ）が知られている。図６は、ＬＳＭの基本構成を示す。レーザ光を回転駆動されるポリゴンミラー等により走査しこれを平行光ビームに変換して測定領域３を走査する光ビーム走査部１と、その平行光ビームを集光して受光する受光部２を有する。測定領域３にワーク４を配置すると、走査ビームはこのワーク４により透過が妨げられる。従って測定領域３の通過光ビームを集光レンズ６１により受光素子６２に集光すると、受光素子６２の出力は光ビーム走査に同期して、ワーク４の寸法に応じてオン，オフするから、この出力を処理することによりワーク４の寸法を測定することができる。
【０００３】
図６には、電気的な制御および信号処理の回路例を示している。レーザ光ビームの走査は、クロック発生器５１からのクロックＣＬＫを分周器５２により分周した出力により制御される。受光素子６２の出力は、増幅器５３を介して二値化回路５４により二値データに変換され、この出力をゲート信号としてクロックＣＬＫをゲート回路５５によりオンオフし、ゲート回路５５を通過したクロックをデータ処理回路５６に取り込む。データ処理回路５６は簡単にはカウンタであり、ワーク４の寸法に対応する受光出力オフの時間をカウントすることにより、寸法値を求めることができ、表示器５７に寸法値を表示する。
【０００４】
この様なＬＳＭの基本構成に対して、受光部２での集光手段として、図６に示す集光レンズ６１に代わり、図７に示すように、球面ミラー６３を用いて反射集光させる方式も知られている。光ビーム走査は一次元であるから、球面ミラー６３は走査面内で球面であればよく、従って図７（ａ）の正面図と同図（ｂ）の平面図から明らかなように、細長い帯状のものが用いられる。これは、図８に示すように、円形の球面ミラーの中央部を帯状に切り出して得られる。受光素子６２が受光部２に入射してくる光ビームを妨げないようにするために、球面ミラー６３は、光ビームの走査面と走査方向に直交する面内（図７（ｂ）の面内）で僅かに回転させて配置して、光ビームの反射光路を入射光路からずらしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図７および図８で説明した球面ミラーを用いる方式では、円形の球面ミラーの中央部のみを利用しているために、無駄が多い。また反射集光の方式では、受光素子を入射光ビームを妨げない位置に配置することが必要で、そのために従来は図７（ｂ）に示すように、受光素子６２を入射光路からずらして配置し、且つこの受光素子６２に反射光を入射させるために球面ミラー６３を傾けて配置することが必要であり、位置合わせが難しいという難点があった。
【０００６】
この発明は、円形球面ミラーの有効利用を図りコストダウンを可能にすると共に、受光部の位置合わせを容易にした光学式寸法測定装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ワークが配置される測定領域を一次元方向に光ビームで走査する光ビーム走査手段と、前記測定領域の通過光ビームを受光する受光手段と、この受光手段の出力を処理して前記測定領域に配置されたワークの寸法を測定するデータ処理手段とを備えた光学式寸法測定装置において、前記受光手段は、前記通過光ビームを反射して集光する、前記光ビームの走査方向に細長い球面ミラー片と、この球面ミラー片の集光点に配置された受光素子とを有し、且つ前記球面ミラー片は、円形の平凹型の球面ミラーから幅方向又は長手方向に厚みが非対称となるように複数個切り出された細長い帯状片の一つであり、平坦な裏面を基準面として反射光路が入射光路からずれるように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
前記球面ミラー片は、例えば前記平坦な裏面が前記通過光ビームと直交するように配置されている。
この発明はまた、前記球面ミラー片が、この球面ミラーの中心を通る線を挟む両側から対称に切り出された二つの帯状片の一つであることを特徴とする。
この発明は更に、前記球面ミラー片が、この球面ミラーの中心からの放射方向を長手方向として切り出された複数の帯状片の一つであることを特徴とする。
【０００９】
この発明によると、走査光ビームの集光手段として、円形球面ミラーから複数個切り出された球面ミラー片の一つを用いるから、円形球面ミラーの有効利用が図られ、従って装置のコストダウンが図られる。
特に、円形球面ミラーを平凹型とした場合、平坦な裏面を基準面としてみると、複数個切り出した球面ミラー片は、従来のように中央部から一つ切り出した場合と異なり、幅方向或いは長手方向に球面が僅かに非対称になる。このため、球面ミラー片の裏面を入射光ビームに直交させて支持して、入射光を妨げない位置に配置された受光素子に反射光を集光させることができる。従って球面ミラー片の配置や位置合わせが簡単になる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１（ａ）（ｂ）は、この発明の一実施例に係るＬＳＭの光学系の構成を示す正面図と一部省略した平面図である。図６と対応する部分には図６と同じ符号を付してある。レーザ光ビーム走査部１は、ケース１０に収納された、レーザ光源１１と、その出力光ビームを反射するミラー１２と、ミラー１２からの光を走査する回転ポリゴンミラー１３と、走査レーザ光ビームを平行光に変換するコリメータレンズ１４とを有する。ケース１０の前面の窓は、測定領域３の大きさ（即ち走査範囲）を決める絞り窓となっている。この光ビーム走査部１の構成は従来と変わらない。
【００１１】
光ビーム走査部１からの走査光ビーム１５は測定領域３を通り、受光部２で集光され、受光される。受光部２は、ケース２０に収納されてそれぞれ支持部材２１，２３に支持された球面ミラー片２２と受光素子２４とを有する。球面ミラー片２２は、図１（ａ）（ｂ）から明らかなように、光ビーム走査方向に細長い帯状体である。この実施例では、後述するように球面ミラー片２２は平凹型の円形球面ミラーから複数個切り出されたものの一つであり、支持部材２１は、入射光路と直交する垂直面を保持面として球面ミラー片２２を裏面で保持しながら、光ビーム走査面と走査方向に直交する図１（ｂ）の面内で見ると、入射光路と反射光路がずれて受光素子２４に集光させるようになっている。
ケース２０の受光窓は、図の場合スリット状の透過窓を示しているが、ガラス窓により閉じられていてもよい。
【００１２】
この実施例において集光用の球面ミラー片２２は、図２に示すように、円形の平凹型球面ミラー３０をその中心を通る線３１ａを一つの切断線とし、これを挟んで両側に等距離ｄの位置を他の二つの切断線３１ｂ，３１ｃとして切り出された二つの帯状片２２ａ，２２ｂの一つである。これらの帯状片２２ａ，２２ｂはもとの球面の中心線を含まないために、平坦な裏面を基準面として見ると、光ビーム走査面に直交する方向（帯状片の幅方向）については球面に僅かの非対称性が出る。この非対称性のためにこの実施例では、球面ミラー片２２の位置合わせが簡単になっている。その理由を具体的に図３を参照しながら次に説明する。
【００１３】
いま図２に示すように、球面ミラー片２２ａ，２２ｂの裏面を基準面として、これに直交するように光ビームを入射させたとすると、入射光ビーム２５ａ，２５ｂに対して、図示のように集光点（即ち焦点位置）２６ａ，２６ｂは入射光ビームの面（走査面）から外れる。図７および図８で説明した従来方式では、球面ミラー片はもとの球面の中心線を中央に含むから、もし裏面に入射光ビームが直交するように配置した場合には、入射光路と反射光路は重なってしまう（図３（ａ）の実線参照）。そのため、図７（ｂ）に示したように、球面ミラー自体を水平面内で傾けて配置して、反射光路を入射光路からずらすことが必要であった（図３（ａ）の破線参照）。
【００１４】
これに対してこの実施例では、切り出した球面ミラー片の球面の幅方向の非対称性から、平坦な裏面を光走査ビーム１５の入射方向に直交させて配置しても、反射光を入射光路からずらすことができる（図３（ｂ）参照）。従って、球面ミラー片２２の支持部材２１は、前述のように入射光路と直交する垂直面を保持面として球面ミラー片２２を裏面で保持することができるのである。この結果、集光部の位置合わせが従来に比べて簡単になる。
なお、反射光ビームの入射光ビームに対する傾き角が小さい場合、或いは受光部２の奥行きを小さくしたい場合には、球面ミラー片２２を傾けて配置することを妨げるものではない。いずれの場合も、受光素子２４を集光点位置に設定すればよい。
【００１５】
図４はこの発明の第２実施例における球面ミラー片の切り出しの様子を示している。この実施例では、円形の平凹型球面ミラー３０の中心から放射状に、ほぼ点対称となる４個の細長い帯状片３４ａ〜３４ｄを切り出している。図の縦方向の二つの帯状片３４ａ，３４ｂは、図８に示す従来の球面ミラー６３を更に二つに分割したものに相当する。これら４個の帯状片３４ａ〜３４ｄはいずれも、幅方向の中心がもとの球面の中心を通り、互いに等価の球面を持つ。
【００１６】
図５は、第２実施例のＬＳＭの受光部２の構成であり、球面ミラー片３４が図４の帯状片３４ａ〜３４ｄから選ばれた一つである。この実施例の場合、球面ミラー片３４は長手方向には、もとの球面の中心から径方向に半分しか用いていないから、裏面を基準面として長手方向に非対称の球面、即ち長手方向に厚みが単調増加となる。従って、球面ミラー片３４の裏面を光ビーム走査面に直交する垂直面で保持して、図５（ａ）のように、平行光ビーム１５の走査面内で反射光路の中心を入射光路に対して傾斜させることができる。上から見たときには、図５（ｂ）に示すように、入射光路と反射光路は一致し、その光路上に球面ミラー片３４と受光素子２４が配置できることになる。
【００１７】
従ってこの実施例でも、球面ミラー片３４の配置や位置合わせは簡単になる。走査面内での反射光ビームの入射光ビームに対する傾き角が小さい場合、或いは受光部２の奥行きを小さくしたい場合には、球面ミラー片３４を走査面内で傾けるか、或いは先の実施例と同様に走査面と走査方向に直交する図５（ｂ）の面内で傾けて配置することを妨げるものではない。
【００１８】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、円形球面ミラーから複数個切り出したミラー片の一つを用いて受光部の反射集光手段を構成することにより、円形球面ミラーの有効利用により光学式寸法測定装置のコストダウンを図ることができる。また、もとの球面ミラーを平凹型として平坦な裏面を基準面としてみると、複数個切り出した球面ミラー片は幅方向或いは長手方向に球面が僅かに非対称になり、球面ミラー片の裏面を入射光ビームに直交させて支持して、入射光を妨げない位置に配置された受光素子に反射光を集光させることができ、従って球面ミラーの配置や位置設定が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係るＬＳＭの光学系の構成を示す。
【図２】同実施例の球面ミラー片の切り出しの様子を示す。
【図３】従来例と実施例の球面ミラーの反射の相違を比較して示す。
【図４】第２実施例の球面ミラー片の切り出しの様子を示す。
【図５】第２実施例のＬＳＭの受光部の構成を示す。
【図６】ＬＳＭの基本構成を示す。
【図７】反射集光を利用した従来のＬＳＭの構成を示す。
【図８】従来の球面ミラーの切り出し法を示す。
【符号の説明】
１…レーザ光ビーム走査部、２…受光部、３…測定領域、４…ワーク、２２（２２ａ，２２ｂ）…球面ミラー片、３４（３４ａ〜３４ｄ）…球面ミラー片、２４…受光素子、２１，２３…支持部材。

Claims

ワークが配置される測定領域を一次元方向に光ビームで走査する光ビーム走査手段と、前記測定領域の通過光ビームを受光する受光手段と、この受光手段の出力を処理して前記測定領域に配置されたワークの寸法を測定するデータ処理手段とを備えた光学式寸法測定装置において、
前記受光手段は、前記通過光ビームを反射して集光する、前記光ビームの走査方向に細長い球面ミラー片と、
この球面ミラー片の集光点に配置された受光素子とを有し、
且つ前記球面ミラー片は、円形の平凹型の球面ミラーから幅方向又は長手方向に厚みが非対称となるように複数個切り出された細長い帯状片の一つであり、平坦な裏面を基準面として反射光路が入射光路からずれるように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の光学式寸法測定装置。
前記球面ミラー片は、前記平坦な裏面が前記通過光ビームと直交するように配置されている
ことを特徴とする請求項１記載の光学式寸法測定装置。