JP4230758B2

JP4230758B2 - 非接触断面形状測定方法および装置

Info

Publication number: JP4230758B2
Application number: JP2002355552A
Authority: JP
Inventors: 哲神吉; バリー・レイモンド・ヒル
Original assignee: Pilkington PLC; Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Pilkington Group Ltd; Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-12-06
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-12-06
Also published as: JP2004191058A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鏡面体被検物の断面形状を非接触で測定する技術に関し、特に、被検物からの反射光の集光位置に基づいて、鏡面体被検物の断面形状を測定する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、非接触で被検物の断面形状を測定する一般的な手法としては、三角測量方式またはレーザーフォーカス方式を用いて、基準点から被検物上の１点までの距離を測定し、この測定を連続的に行うことで被検物の断面形状を求める方法が知られている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−４２９４１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術において、三角測量は、一般的に乱反射成分を計測するもので、鏡面体のように光がほとんど正反射する被検物に対しては、図９に示すように、反射光の戻り位置の違いＺ（Ｚ＝Ｚ₂―Ｚ₁）が、図９（ａ）のような被検物の高さの違いによるものであるか、あるいは図９（ｂ）のような被検物の角度の違いによるものであるかの判別ができず、正確な測定が困難であるという問題がある。
【０００５】
また、被検物の法線角度が大きい場合は、反射光が受光部を外れることがないように受光部を大きくする必要があり、結果として装置全体が大きくなってしまうという問題がある。
【０００６】
一方、レーザーフォーカス方式では、一般的に測定範囲が狭いために測定機と被検物との間の距離を短くする必要があり、生産工程では適用が制限されてしまうという問題がある。
【０００７】
本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、その目的は、鏡面体被検物の断面形状を、離れた位置から正確に測定することができる技術を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る非接触断面形状測定方法は、レーザー光を鏡面体被検物に照射し、反射光を反射鏡（例：凹面鏡）でさらに反射させて、所定位置に設置された集光部（例：凹型スクリーン）上に集光し、この集光位置を集光レンズを通して光検出器（例：ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ（以下「ＰＳＤ」とする），ＣＣＤ素子等）で測定することで、被検物の高さに影響されることなく、被検物上の１点における法線角度を計算し、この測定を被検物または測定機を移動させながら連続的に行うことで被検物の断面形状を測定することを特徴とする。
【０００９】
上記構成を有することにより、被検物の高さの変化に影響されることなく、被検物の角度の変化を測定することができる。
【００１０】
また、この測定方法において、被検物の法線角度に合わせてレーザー光の照射角度を変更することで、受光部の寸法を小さくすることを特徴とする断面形状測定方法を提供する。
【００１１】
このような構成により、被検物の法線角度が大きい場合や被検物と測定装置との距離が大きい場合にも、反射光の集光位置を狭い範囲内におさめることができる。
【００１２】
さらに、本発明に係る非接触断面形状測定装置は、レーザー光を被検物に対して照射させるためのレーザー発振器と、被検物からの反射光を集光させるための反射鏡と凹型スクリーンと、凹型スクリーン位置を調整するための平面鏡と、反射光の角度を測定するためのレンズおよび光検出器（例：ＰＳＤ，ＣＣＤ素子等）から構成される集光位置測定部と、測定データを処理し断面形状を計算するための演算制御装置とを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、鏡面体被検物の断面形状を非接触で測定する測定方法において、前記鏡面体被検物の測定点にレーザー光を照射し、前記測定点からの１次反射光を反射鏡で反射し、この反射鏡からの２次反射光を所定の位置に設けられた集光部に集光し、前記集光部における、前記反射鏡からの２次反射光の集光位置を測定し、この測定された集光位置から前記測定点における前記鏡面体被検物の法線角度を求め、前記求められた測定点の法線角度に基づいて前記鏡面体被検物の断面形状を求めることを特徴とする非接触断面形状測定方法を含む。
【００１４】
このようにすることにより、測定された集光位置から測定点における被検物の法線角度を求めることができる。
【００１５】
また、上記方法において、前記反射鏡からの２次反射光を、光路長調整手段によって反射した後に、前記所定の位置に設けられた集光部に集光するようにする。
【００１６】
これにより、集光部が設けられる位置を調整することができる。
【００１７】
これらの場合において、前記反射鏡は凹面鏡であり、この凹面鏡は前記鏡面体被検物からＬの距離に設けられており、前記凹面鏡の曲率半径がＬであり、前記集光部が設けられる所定の位置は、前記凹面鏡からの２次反射光が前記集光部に到達するまでの光路長がＬ／２となる位置であるようにする。
【００１８】
これにより、被検物の高さの相違に基づく影響を抑制することができる。
【００１９】
さらに、これらの場合において、前記鏡面体被検物の測定点を移動し、各測定点間の移動ピッチと各測定点における鏡面体被検物の法線角度とから前記各測定点の相対的な座標を求めることにより、前記鏡面体被検物の断面形状を求めるようにする。
【００２０】
これにより、被検物の測定点における法線角度に基づいて、被検物の断面形状を求めることができる。
【００２１】
これらの場合において、前記測定点における前記鏡面体被検物の法線角度に合わせて、前記レーザー光の照射角度を変化させるようにすると、１次反射光の反射角度の範囲を小さくすることができる。
【００２２】
また、前記レーザー光の光源がシリンドリカルレンズを有するようにすると、進行方向に対する直交方向の被検物の傾きに基づく影響を除去することができる。
【００２３】
さらに上記方法の発明は、装置の発明としても成立する。また、本発明において、法線角度とは、鏡面体被検物に照射されたレーザー光であって、鏡面体被検物に対する入射光が鏡面体被検物の法線となす角度を意味する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図であり、図２は、図１の測定装置を図中Ａの方向から見た側面図である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置は、レーザー発振器１と、鏡面体被検物２からの反射光を反射させるための、例えば円弧状の凹面鏡３と、凹型スクリーン５の位置を調整するための平面鏡４と、反射光を集光する例えば円弧状の凹型スクリーン５と、反射光の位置を測定するための集光レンズ６および光検出器７（例：ＰＳＤ，ＣＣＤ素子等）と、測定結果を処理する演算制御装置８と、シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）１０とを備える。
【００２７】
なお、図中９は、被検物または測定装置の移動に伴って発生するパルス信号であり、被検物または測定装置の移動は、図示しない光学器械等によって検出される。
【００２８】
本実施の形態において、レーザー発振器１から鏡面体被検物２に照射されたレーザー光は、鏡面体被検物２の法線角度がθなら２θの角度で反射される。
【００２９】
また進行方向から見た被検物の傾きβ（図２中）による影響を除去するため、レーザー光はシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）によってライン状に変換されるようにすると好適である。
【００３０】
（実施の形態の動作）
次に、本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の動作について図面を参照して説明する。
【００３１】
図１に示すように、レーザー発振器１から発射されたレーザー光は、シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）１０によってライン状に変換され、鏡面体被検物２の測定点へ照射される。
【００３２】
鏡面体被検物２へ照射されたレーザー光は、鏡面体被検物２表面で反射され、この反射されたレーザー光が凹面鏡３によってさらに反射される。
【００３３】
そして、凹面鏡３で反射されたレーザー光は、平面鏡４で調整され、凹型スクリーン５に集光される。
【００３４】
この凹型スクリーン５上の集光位置は、レンズ６および光検出器７によって測定され、この集光位置の測定データが演算制御装置８に送られ、各測定点における鏡面体被検物２の法線角度が計算される。
【００３５】
レンズ６および光検出器７によって凹型スクリーン５上の集光位置を測定する構成とすることにより、集光位置測定手段の機械的取付を容易にすることができる。
【００３６】
また、後述する第４の実施の形態では、複数のＰＳＤ等を必要とするのに対して、本実施の形態では、光検出器７に含まれるＰＳＤ等を単一にすることができるので、装置の低コスト化を図ることができる。
【００３７】
本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置は、図示しない移動手段によって、鏡面体被検物２または測定装置のどちらか一方、もしくは双方の移動が可能ある。そして、鏡面体被検物２または測定装置を移動することにより、鏡面体被検物２の測定点を移動し、法線角度の測定を連続的に行う。
【００３８】
なお、鏡面体被検物２または測定装置の移動は、図示しない光学器械等によって検出され、パルス信号９として演算制御装置８に送られる。また、このパルス信号９は、移動手段から演算制御装置８へ送られるようにしてもよい。
【００３９】
演算制御装置８は、これら鏡面体被検物と測定装置との相対的な移動による各測定点間の移動ピッチ、および各測定点における鏡面体被検物２の法線角度に基づいて、鏡面体被検物２の断面形状を求める。
【００４０】
上記構成を有する非接触断面形状測定装置により、被検物の高さの変化に影響されることなく、被検物の角度の変化を測定することができる。
【００４１】
（本発明の原理）
以下、図面を参照して、本発明の原理について説明する。ここで、図３は、凹面鏡を使用することによる本発明の原理を示す図である。なお、以下の図面の説明において、同一の要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００４２】
まず、図９（ａ）に示されるように、従来の技術における通常の三角測量方式では、反射光の角度が同じ２θであっても、被検物の高さが異なると反射光の受光位置が変わり、被検物の角度を正確に測定することができない。
【００４３】
これに対して、本発明は、図３に示されるように、被検物からＬの距離に曲率半径Ｌの凹面鏡１１を設け、被検物からＬ／２の距離には、曲率半径Ｌ／２の凸型スクリーン１２を設ける。
【００４４】
このようにして、被検物からの反射光を、被検物からＬの距離に置いた曲率半径Ｌの凹面鏡１１で反射し、被検物からＬ／２の位置に置いた曲率半径Ｌ／２の凸型スクリーン１２上に集光させると、被検物が凹面鏡の曲率中心１３近傍にある場合には、被検物の高さが変化してもスクリーン上ではほぼ同位置Ｐに集光することとなる。
【００４５】
（平面鏡）
次に、平面鏡について説明する。図１に示されるように、本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置では、鏡面体被検物２からＬ／２の位置に凹型スクリーン５を置く代わりに、平面鏡４が設けられている。
【００４６】
具体的には、平面鏡４によって凹面鏡３からの反射光を反射させ、凹面鏡３から凹型スクリーン５までの反射光の光路長がＬ／２になる位置に凹型スクリーン５を設けている。
【００４７】
すなわち、凹型スクリーン５は、必ずしも被検物からＬ／２の距離に設けなくともよい点で、図３に示される本発明の原理と異なる。
【００４８】
本発明において、平面鏡４は、凹型スクリーン５の位置を調整する機能を有しており、このようにすることにより、装置の寸法を小さくすることができる。
【００４９】
（被検物の法線角度の計算）
次に、本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置による被検物の法線角度の計算について説明する。
【００５０】
図１において、凹型スクリーン５の中央位置をゼロとし、集光位置をＸとすると、被検物の法線角度θと集光位置Ｘとの間には、
【００５１】
【数１】
Ｘ＝Ｌ／２×ｔａｎ（２θ）………（１）
という関係が成り立つ。すなわち、集光位置Ｘを測定すれば被検物の法線角度θが計算できることとなる。
【００５２】
（断面形状の測定）
次に、本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置による被検物の断面形状の測定について、図４を参照して説明する。ここで、図４は、本発明において、被検物の法線角度から被検物の断面形状を求める方法を示す図である。
【００５３】
図４において、Ｐ０〜Ｐ３は、被検物の測定位置（測定点）を表し、θ１〜θ４は、測定位置Ｐ０〜Ｐ３における被検物の法線角度を表す。
【００５４】
そして、ｄｘ１は、被検物の各測定位置間の送りピッチを表し、Ｘｎ，Ｙｎは、測定位置ＰｎにおけるＸ，Ｙ座標を表している。なお、座標（Ｘ０，Ｙ０）＝（０，０）とする。
【００５５】
なお、送りピッチｄｘ１は、図１に示されたパルス信号９から、演算制御装置８によって算出されるようにすることができる。
【００５６】
以下の数式によって各測定位置Ｐ１〜Ｐ３におけるＸ，Ｙ座標（Ｘ１，Ｙ１〜Ｘ３，Ｙ３）を求める。
【００５７】
【数２】
ｄｙ１＝ｄｘ１×ｔａｎ（θ１）………（２）
により、図４におけるｄｙ１を求め、Ｐ１におけるＸ，Ｙ座標を（Ｘ１，Ｙ１）＝（Ｘ０＋ｄｘ１，Ｙ０−ｄｙ１）として求めることができる。
【００５８】
【数３】
ｄｙ２＝ｄｘ１×ｔａｎ（θ２）………（３）
により、ｄｙ２を求め、Ｐ２におけるＸ，Ｙ座標を（Ｘ２，Ｙ２）＝（Ｘ１＋ｄｘ１，Ｙ１−ｄｙ２）として求めることができる。
【００５９】
【数４】
ｄｙ３＝ｄｘ１×ｔａｎ（θ３）………（４）
により、ｄｙ３を求め、Ｐ３におけるＸ，Ｙ座標を（Ｘ３，Ｙ３）＝（Ｘ２＋ｄｘ１，Ｙ２−ｄｙ３）として求めることができる。
【００６０】
このようにすることにより、各測定位置における被検物の法線角度に基づいて各測定位置における被検物のＸ，Ｙ座標を得ることができる。
【００６１】
そして、被検物または測定装置を移動し、被検物の法線角度の測定を微小ピッチで連続的に行うことにより、図４に示すような被検物の断面形状を求めることが可能となる。
【００６２】
以上のような断面形状の測定は、演算制御装置８によって算出することができる。
【００６３】
具体的には、演算制御装置８は、法線角度演算手段と、移動ピッチ演算手段と、座標演算手段と、断面形状演算手段とを有する。
【００６４】
法線角度演算手段は、集光位置から被検物の各測定位置の法線角度を算出し、移動ピッチ演算手段は、被検物の各測定位置間の移動ピッチを算出し、座標演算手段は、算出された被検物の各測定位置の法線角度および移動ピッチから各測定位置の座標を算出し、断面形状演算手段は、算出された被検物の各測定位置の座標から被検物の断面形状を算出する。
【００６５】
（第２の実施の形態）
次に、図を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置を説明する。ここで、図５は、本発明の第２の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図である。
【００６６】
まず、図５（ａ）に示すように、被検物の法線角度θが大きい場合、あるいは被検物と凹面鏡３との距離Ｌが大きい場合には、集光位置Ｘも大きくなり、受光する側の凹面鏡３、凹型スクリーン５とも大寸法にしなければ、反射光を受光できない場合もある。
【００６７】
本発明においては、図５（ｂ）に示すように、図示しない移動手段により、レーザー発振器１を（シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）１０を備える場合には、シリンドリカルレンズ１０も合わせて）移動可能とし、レーザー照射角度を測定途中で変更することができる構成としている。
【００６８】
このようにすることにより、Ｘを大きくすることなく（凹面鏡３，凹型スクリーン５のサイズを大きくすることなく）被検物の法線角度θが大きい場合に対応でき、被検物と凹面鏡３の距離Ｌを大きく取ることができる。
【００６９】
（第３の実施の形態）
次に、図を参照して、本発明に係る第３の実施の形態を説明する。ここで、図６は、本発明の第３の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図である。
【００７０】
図６に示されるように、本発明の第３の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置は、鏡面体被検物２からＬの距離に曲率半径Ｌの凹面鏡３を設け、鏡面体被検物２からＬ／２の距離には、曲率半径Ｌ／２の凸型スクリーン１２を設ける。
【００７１】
このような構成により、鏡面体被検物２からの反射光を、鏡面体被検物２からＬの距離に置いた曲率半径Ｌの凹面鏡３で反射し、被検物からＬ／２の位置に置いた曲率半径Ｌ／２の凸型スクリーン１２上に集光させる。
【００７２】
そして、凸型スクリーン１２の集光位置がレンズ６および光検出器７によって測定され、この集光位置の測定データが演算制御装置８に送られ、各測定点における鏡面体被検物２の法線角度が計算される。
【００７３】
この実施の形態によれば、被検物の高さの相違による影響を防ぎ、被検物の角度を正確に測定することができる。
【００７４】
（第４の実施の形態）
次に、図を参照して、本発明に係る第４の実施の形態を説明する。ここで、図７は、本発明の第４の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図であり、図８は、図７の測定装置を図中Ｄの方向から見た側面図である。
【００７５】
図７に示されるように、本発明の第４の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置は、鏡面体被検物２からＬの距離に曲率半径Ｌの凹面鏡３を設け、凹面鏡３からの反射光を平面鏡４で反射し、凹面鏡３からの光路長がＬ／２になる位置にＰＳＤ等の光検出器７を設ける。
【００７６】
このような構成により、鏡面体被検物２からの反射光を、凹面鏡３で反射し、凹面鏡３からの反射光を平面鏡４で反射して光検出器７上に集光させる。
【００７７】
そして、光検出器７の集光位置が光検出器７によって測定され、この測定された集光位置に基づいて鏡面体被検物２の各測定位置の法線角度が計算される。
【００７８】
また、本実施の形態では、上述の第１の実施の形態に比して、凹型スクリーン５を設ける必要がない構成とすることができる。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被検物の高さの変化に影響されることなく鏡面体の断面形状を正確に測定することが可能となる。
【００８０】
また、被検物の法線角度θが大きい場合、あるいは被検物と凹面鏡の距離Ｌが大きい場合であっても、受光部を大きくすることなく測定を行うことができる。これにより、被検物の法線角度θが大きい場合に対応できると共に、被検物と測定装置との間の距離を大きく取ることができる、小型の測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図である。
【図２】図１の測定装置を図中Ａの方向から見た側面図である。
【図３】凹面鏡を使用することによる本発明の原理を示す図である。
【図４】本発明において、被検物の法線角度から被検物の断面形状を求める方法を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る非接触断面形状測定装置の構成を示す構成説明図である。
【図８】図７の測定装置を図中Ｄの方向から見た側面図である。
【図９】従来の正反射型三角測量方式における不具合を示す図である。
【符号の説明】
１レーザー発振器
２鏡面体被検物
３，１１凹面鏡
４平面鏡
５凹型スクリーン
６集光レンズ
７光検出器
８演算制御装置
９パルス信号
１０シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）
１２凸型スクリーン
１３凹面鏡，凸型スクリーンの中心

Claims

鏡面体被検物の断面形状を非接触で測定する測定方法において、
前記鏡面体被検物の測定点にレーザー光を照射し、
前記測定点からの１次反射光を凹面鏡で反射し、
この凹面鏡からの２次反射光を所定の位置に設けられた集光部に集光し、
前記集光部における、前記反射鏡からの２次反射光の集光位置を測定し、
この測定された集光位置から前記測定点における前記鏡面体被検物の法線角度を求め、
前記求められた測定点の法線角度に基づいて前記鏡面体被検物の断面形状を求め、
前記凹面鏡は前記鏡面体被検物からＬの距離に設けられており、前記凹面鏡の曲率半径がＬであり、前記集光部が設けられる所定の位置は、前記凹面鏡からの２次反射光が前記集光部に到達するまでの光路長がＬ／２となる位置であることを特徴とする非接触断面形状測定方法。
前記凹面鏡からの２次反射光を、光路長調整手段によって反射した後に、前記集光部に集光することを特徴とする請求項１に記載の非接触断面形状測定方法。
前記鏡面体被検物の測定点を移動し、各測定点間の移動ピッチと各測定点における鏡面体被検物の法線角度とから前記各測定点の相対的な座標を求めることにより、前記鏡面体被検物の断面形状を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触断面形状測定方法。
前記測定点における前記鏡面体被検物の法線角度に合わせて、前記レーザー光の照射角度を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の非接触断面形状測定方法。
鏡面体被検物の断面形状を非接触で測定する測定装置において、
前記鏡面体被検物の測定点にレーザー光を照射するレーザー光源と、
前記測定点からの１次反射光を反射する凹面鏡と、
所定の位置に設けられ、前記凹面鏡からの２次反射光が集光される集光部と、
前記集光部における、前記凹面鏡からの２次反射光の集光位置を測定する集光位置測定部とを備え、
前記凹面鏡は前記鏡面体被検物からＬの距離に設けられており、前記凹面鏡の曲率半径がＬであり、前記集光部が設けられる所定の位置は、前記凹面鏡からの２次反射光が前記集光部に到達するまでの光路長がＬ／２となる位置であることを特徴とする非接触断面形状測定装置。
前記凹面鏡からの２次反射光を反射して前記集光部へ集光する光路長調整手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の非接触断面形状測定装置。
前記集光部は、曲率半径がＬ／２の凹型スクリーンであり、前記集光位置測定部は、集光レンズおよび光検出器を有することを特徴とする請求項５または６に記載の非接触断面形状測定装置。
前記レーザー光源は、レーザー光源移動手段を備えており、このレーザー光源移動手段は、前記測定点における前記鏡面体被検物の法線角度に合わせて、前記レーザー光源を移動することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の非接触断面形状測定装置。
前記レーザー光源は、シリンドリカルレンズを有することを特徴とする請求項５〜8のいずれかに記載の非接触断面形状測定装置。
前記測定された集光位置に基づいて、前記測定点における前記鏡面体被検物の法線角度を算出する法線角度演算手段を有する演算制御手段を備えることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の非接触断面形状測定装置。
前記鏡面体被検物の測定点を移動させる移動手段をさらに備え、
前記演算制御手段は、前記鏡面体被検物の各測定点間の移動ピッチと各測定点における鏡面体被検物の法線角度とから、前記各測定点の相対的な座標を算出する座標演算手段と、前記算出された各測定点の相対的な座標から前記鏡面体被検物の断面形状を演算する断面形状演算手段とを有することを特徴とする請求項１０に記載の非接触断面形状測定装置。