JP4334380B2 - 形状測定装置 - Google Patents
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Description
従来、ガラススケールの平面度をはじめとする面形状を測定する方法として、レーザー干渉計(例えばマイケルソン型干渉計)による方法や3角測量法やなどが知られている。
レーザー干渉計による方法では、一回に測定できる領域の面積が狭いので、長いスケールの全体を測定するには個々のデータを繋ぎあわせる必要がある。すると、測定誤差が大きくなるうえに測定に手間がかかるという問題が生じる。また、レーザー干渉計の構成は複雑であるので、測定装置が高価になるという問題がある。
このとき、被測定面にうねり等があると、測定ヘッド部と被測定面との相対移動に伴って測定ヘッド部と被測定面との距離が変化したり、被測定面による光の反射角度が変化する。すると、照射光形成手段から受光手段までの光学経路が変化するので、干渉縞が変位する。従って、受光手段の受光信号から検出される干渉縞の変位に基づいて、形状変化検出部により測定ヘッドの対向位置における被測定面の傾斜変化(形状変化)が検出される。
干渉縞の変位は、被測定面の傾斜変化(形状変化)に鋭敏に感応し、これにより被測定面の傾斜変化(形状変化)が高感度で検出される。なお、この測定原理(検出原理)については参考形態(図4)において説明する。
また、例えばマイケルソン型干渉計では一回の測定領域が狭く、広い面積の被測定面を測定するには、測定データを繋ぎ合わせる必要があるので測定誤差につながりやすい。この点、本発明の構成によれば、測定ヘッド部が被測定面に沿って連続的に移動する際の干渉縞の変位を連続的に受光手段で受光すればよいので、測定データを繋ぎ合わせる必要がなく、データを繋ぎ合わせる際に生じる測定誤差を排除することができる。
測定ヘッド部の構成としては、被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成し、この干渉縞を受光すればよいだけであるので、光源、回折格子および受光素子等を有する簡易な構成とすることができる。その結果、部品コスト、組み立てコスト等を安価にすることができる。
ここで、レーザー光源以外の光源(例えば、単色の発光ダイオード)からの光を回折格子で回折させて照射光を得る場合、光の波束が短いので可干渉距離が短く、厳密な干渉条件を満たさなければ干渉縞が形成されない。従って、レーザー光源以外の光源(例えば、単色の発光ダイオード)を用いた場合には、光路長の変化に鋭敏に干渉縞が反応し、被測定面の傾斜変化(形状変化)が高感度で検出可能となる。
この構成によれば、一本の回折格子で3つの機能が果たされる。従って、部品点数が削減されるとともに組み立てコストを削減することができる。また、回折格子が一本であるので部品の取付誤差が排除され、その結果、検出精度が向上する。
この際、長手状の回折格子の一端側を第1回折格子として機能させ、中央部を第2回折格子として機能させ、他端側を第3回折格子として機能させてもよい。
あるいは、短手状の回折格子に対して、光源からの光が被測定面に向けてこの回折格子透過する際に第1回折格子として機能させ、被測定面からの反射光がこの回折格子で反射して再び被測定面に入射する際に第2回折格子として機能させ、被測定面からの二度目の反射光がこの回折格子を透過する際に第3回折格子して機能させてもよい。
このような構成によれば、被測定面での一回目の反射点と二回目の反射点との間隔が小さくなり、その結果、座標値に対する被測定面の傾斜(形状)がより正確に測定される。また、被測定面からの一回目の反射光は偏光板でカットされるのでノイズになることがなく、被測定面からの二度目の反射光で形成される干渉縞の光だけが受光部で検出される。その結果、被測定面の形状変化(傾斜変化)を反映した受光信号のみを得ることができ、被測定面形状を高精度に測定することができる。
また、被測定面での所定回数の反射光のみが受光手段に入射するので、受光手段の受光信号にノイズが混じることがなく、検出精度が向上する。
この構成によれば、所定位相の受光素子からの受光信号を処理して干渉縞の変位量を検出することができる。
(第1参考形態)
本発明の形状測定装置としての面形状測定装置にかかる第1参考形態について図1〜図4を参照して説明する。
この面形状測定装置100によって測定される被測定面Sとしては、略平坦であるが、わずかにうねりを有し、例えば光学式変位測定装置(光学式エンコーダ)に利用されるガラススケール基材などで長さが数メールに及ぶものが例として挙げられる。
面形状測定装置100は、被測定面Sに対して略平行移動可能に設けられた測定ヘッド部200と、測定ヘッド部200からの信号を処理する形状変化検出部としての信号処理部410と、を備える。
測定ヘッド部200は、被測定面Sから一定距離Dを保ちつつ被測定面Sに対して略平行に移動する。
なお、測定ヘッド部200を被測定面Sに対して平行移動させる移動機構910としては、従来知られた機構を利用すればよい。例えば、図1に示されるように、被測定物Wを載置する載置台911と、この載置台911の両側縁に設けられたガイドレール912、912と、ガイドレール912に沿ってスライド移動する門型フレーム913と、門型フレーム913のビーム914をスライド移動するXスライダ915と、を備えた移動機構910が例示される。
この際、門型フレーム913およびXスライダ915の変位を検出するエンコーダ(不図示)をそれぞれのスライド部分(ガイドレール912と門型フレーム913との間、ビーム914とXスライダ915との間)に介装しておいて、測定ヘッド部200の座標値(例えば、x座標値、y座標値)を検出する構成としておく。
測定ヘッド部200は、筐体920と、光源210と、回折格子220と、受光素子アレイ310と、を備えている。
筐体920は、内部に収納空間を有するとともに、被測定面Sに対向する一面には光を発射あるいは入射させる開口921を有する。なお、この開口921にはガラス等の光透過部材が嵌設されてもよい。
光源210としては、例えば単色光源が利用され、単色の発光ダイオードなどが例として挙げられる。
回折格子220は、被測定面Sに対して略平行になるように配置され、長手方向に光透過部221と光反射部222とからなる光学格子を有する。光学格子の格子ピッチとしては8μmピッチにすることが例として挙げられる。回折格子220は、光源210からの光を透過させつつ回折させて被測定面Sに照射するために、光源210と被測定面Sとの間に配置されている。
なお、回折格子220および受光素子アレイ310から被測定面Sまでの距離(エアギャップD)は10mm程度にすることが例として挙げられる。
差動増幅器415により位相0°の信号と位相180°の信号とが差動増幅され、差動増幅器416により位相90°の信号と位相270°の信号とが差動増幅される。そして、各差動増幅器415、416からの出力値が直交座標系に変換されることによって、図3(B)に示されるようなリサージュ図形上を移動する点が得られる。この点の移動から、受光素子アレイ310の受光面における干渉縞の変位が検知される。
光源210から発せられた光は、回折格子220の一端側を透過する際に回折される。すると、同位相の多光束からなる光L1が被測定面Sに照射される。ここに、光源210と回折格子220の一端側(図2中の符号230、以下第1回折格子と称する)により照射光形成手段が構成される。
光源210から被測定面Sに照射された光は、被測定面Sにより反射されて回折格子220に向かい(図2中のL2)、回折格子220の他端側にて反射されるとともに回折されて(図2中のL3)、被測定面Sに再照射される。ここに、回折格子220の他端側(図2中の符号240、以下第2回折格子と称する)により干渉縞形成手段が構成される。
被測定面Sに再照射された光L3は、被測定面Sにて反射されて(図2中のL4)、受光素子アレイ310の受光面に干渉縞を形成する。この干渉縞の光が受光素子アレイ310の受光素子311〜314で受光されて、光電変換により電気信号が出力される。
なお、被測定面S上における一回目の反射地点P1と二回目の反射地点P2との距離は光の入射角によるが、例えば4mm程度にすることが例として挙げられる。
本発明の原理を説明するために、図4に、光学経路が略直線になるように第2回折格子240(回折格子220の他端側)および受光素子アレイ310を被測定面Sに関して対称に移動させた場合の模式図を示す。また、光は被測定面Sを透過するとするが、光が被測定面Sを透過する際には、実際の反射光を被測定面Sに関して対称移動させた光路を進むとして描いてある。
また、図4中において、測定ヘッド部200と被測定面Sとが平行であるときの被測定面Sおよび光学経路を破線で示し、測定ヘッド部200に対して被測定面Sが傾斜角αを有する場合の被測定面Sおよび光学経路を実線で示す。
そして、測定ヘッド部200の座標値と、その位置での被測定面Sの傾斜角とに基づいて被測定面Sの形状が求められる。
図4において、被測定面Sへの入射角をθ(ラジアン)とすると、被測定面Sに傾斜がない場合における反射地点からの戻り量rは次の式で表される。
一方、回折格子220の格子ピッチを8μmとすれば、受光素子アレイ310からの信号変化の1周期(リサージュ図形の一回転)は干渉縞変位の4μmに相当する。
この場合、受光信号の1周期分に相当する干渉縞変位(4μm)に対して、傾斜角度αが1秒である場合の干渉縞変位(ΔR=77.5nm)は約2%に相当するところ、十分に検出にかかる値である。
すなわち、本参考形態によれば、被測定面Sの傾斜角度変化を1秒単位で検出することができる。
(1)主要構成部品として、光源210、回折格子220および受光素子アレイ310を備えるだけの非常に簡便な構成であるので、部品コスト、組み立てコストなどを非常に安価にすることができる。
(2)例えば従来の干渉計では一回の測定領域が狭いことから広い被測定面Sを測定する場合にデータを繋ぎ合わせる必要があったところ、本参考形態によれば、測定ヘッド部200を被測定面Sに対して平行移動させることで連続的に被測定面Sを測定できるので、データを繋ぎあわせる必要もなく、測定が簡便で、かつ、測定精度が向上する。
(3)被測定面Sの1秒の傾斜角変化を検出できることから、検出感度が高く、その結果、被測定面Sの形状を高精度に測定することができる。
次に、本発明の第1実施形態について図5を参照して説明する。
第1実施形態の基本的構成は、第1参考形態と同様であるが、第1実施形態は受光手段の構成に特徴を有する。
図5において、回折格子500を備えているところ、回折格子500の長さが第1参考形態に比べて若干長くなっている。そして、被測定面Sからの反射光L4(二度目の反射光)は、回折格子500を透過して受光部320に入射する構成となっている。受光部320は、受光面に受光素子を有し、光の強弱を電気信号に変換する。受光部320からの信号は、信号処理部420で処理される。
測定ヘッド部200の移動に伴なう信号強度値の変化に基づいて所定の演算装置により被測定面の形状が求められる。
次に、本発明の第2参考形態について図7を参照して説明する。
第2参考形態の基本的構成は、第1参考形態に同様であるが、照射光形成手段に特徴を有する。
図7において、光源210はレーザー光源であり、光源210からのレーザー光はレンズ211を通して被測定面Sに照射される。
なお、レンズ211の焦点は、回折格子600(第1実施形態の第2回折格子に相当する)および受光素子アレイ310に対して面一に位置し、レンズ211の焦点を過ぎたのちレーザー光が拡散して同位相の多光束からなる光が被測定面Sに照射される。
ここに、レーザー光源210とレンズ211により照射光形成手段が構成される。
このような本参考形態によれば、上記参考形態と同様の効果(1)〜(3)を奏することができる。
次に、本発明の第3参考形態について図8を参照して説明する。
第3参考形態の基本的構成は、第1参考形態に同様であるが、被測定面Sでの反射回数が一回である点に特徴を有する。
図8において、光源210と回折格子700との間にはハーフミラー260が配設されている。そして、被測定面Sから反射した光が回折格子700を透過する際に回折された後、ハーフミラー260で反射されて受光素子アレイ310で受光される構成である。
ここで、光が回折格子700を透過してから被測定面Sで反射して回折格子700に戻るまでの光学距離(図7中のL1+L2)と、回折格子700を透過してから受光素子アレイ310までの光学距離(図7中のL5+L6)と、が等しくなるように各光学部品(ハーフミラー260、回折格子700、受光素子アレイ310)が配設されている。
そして、被測定面Sからの反射光が回折格子700を透過する際に回折されることにより、受光素子アレイ310の受光面に干渉縞が形成される。ここに、回折格子700により干渉縞形成手段が構成される。そして、受光手段としての受光素子アレイ310によって干渉縞が受光される。
(4)前記第1参考形態においては、被測定面Sでの反射が二回であったのでこの2つの反射点(P1、P2)の平均傾斜角が測定値として得られるが、本参考形態では被測定面Sでの反射が一回であるので、一つの反射点における被測定面Sの傾斜が測定される。その結果、座標値に対する被測定面Sの傾斜(形状)がより正確に測定される。
次に、本発明の第2実施形態について図9を参照して説明する。
第2実施形態の基本的構成は、第3参考形態に同様であるが、第2実施形態は受光手段の構成および各種偏光板を備えている点に特徴を有する。
図9において、光源210と回折格子700との間には光源210側から順に偏光板271と、偏光ビームスプリッタ261とが、偏光方向を揃えて配設されている。
また、回折格子700と被測定面Sとの間に1/4波長板272が配設されている。
受光手段は、被測定面Sからの反射光が回折格子700を透過したのちに偏光ビームスプリッタ261で反射された光を受光するところ、第1実施形態において説明した構成と同様に回折格子250と受光部320とで構成されている。
一方、被測定面Sにて一回反射された光が回折格子700を透過せずに回折格子700で反射されると、光は被測定面Sに再度照射される(不図示)。そして、回折格子700を透過したのち偏光ビームスプリッタに入射するが、この光は、1/4波長板272により偏光方向がS波からさらに90°回転してP波になってしまうので、偏光ビームスプリッタ261を透過してしまい受光部320での検出にかからない。
このような構成によれば、上記参考形態の効果(1)〜(4)に加えて、次の効果を奏する。
(5)被測定面Sからの一回目の反射光の総てを受光手段で受光できるので、被測定面Sの形状変化(傾斜変化)を強く反映した受光信号を得ることができる。その一方、被測定面Sからの二回目の反射光は受光部320に入射しないので、ノイズになることがない。その結果、被測定面形状を高精度に測定することができる。
次に、本発明の第3実施形態について図10を参照して説明する。
第3実施形態の基本的構成は、第2実施形態に同様であるが、被測定面Sにおいて光が二回反射する点に特徴を有する。
図10において、光源210と回折格子800との間に、光源210側から順にハーフミラー260と、偏光板271と、が配設されている。
回折格子800と被測定面Sとの間には1/4波長板272が配設されている。
受光手段としては、受光素子アレイに代えて、受光部320が配設されている。
なお、前記第3参考形態においては、被測定面Sからの反射光が回折格子700を透過してから受光素子アレイ310に至るまでの光路長(図8中のL5+L6)は、光が回折格子700を透過してから被測定面Sで反射して回折格子700に戻るまでの光学距離(図8中のL1+L2)と等しかったが、本第3実施形態においては被測定面Sからの反射光(図10中のL4)が回折格子800を透過してから受光部に至るまでの光路長(図10中のL5+L6)は特に限定されない。
(6)第1参考形態に比べて、照射光形成手段としての回折格子と干渉縞形成手段とを同一とすることにより光源からの光が被測定面Sに入射する入射角を小さくできる(入射光を被測定面の法線に近づけることができる)。その結果、被測定面Sでの一回目の反射点P3と二回目の反射点P4との間隔が小さくなり、その結果、座標値に対する被測定面Sの傾斜(形状)がより正確に測定される。
(7)被測定面Sからの一回目の反射光L2は偏光板271でカットされるのでノイズになることがなく、被測定面Sからの二度目の反射光L4で形成される干渉縞の光だけが受光部320で検出される。その結果、被測定面Sの形状変化(傾斜変化)を反映した受光信号のみを得ることができ、被測定面形状を高精度に測定することができる。
例えば、測定ヘッド部を移動させる移動機構は特に限定されず、種々の構成を取り得る。また、測定ヘッド部と被測定面とのいずれを移動させてもよい。
測定ヘッド部の構成としては、被測定面からの反射光を用いて干渉縞を形成しこの干渉縞の変位を検出できればよく、その構成は特に限定されない。
図7の第2参考形態においては光源をレーザー光源とするが、その他の実施形態においてはレーザー光源以外であれば特に光源の種類は限定されず、単色あるいは白色の発光ダイオード等を利用できる。
Claims (5)
- 被測定面に対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部と、
前記測定ヘッド部の対向位置における前記被測定面の形状が前記測定ヘッド部と前記被測定面との平行移動に伴って変化する量を検出する形状変化検出部と、を備え、
前記測定ヘッド部は、
同位相の多光束からなる光を前記被測定面に向けて照射させる照射光形成手段と、
前記被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段と、
前記干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光手段と、を備え、
前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第1回折格子と、を備え、
前記干渉縞形成手段は、前記被測定面にて反射された反射光を再度前記被測定面に向けて反射させる第2回折格子であり、
前記受光手段は、前記第2回折格子で反射されたのちに前記被測定面にて再び反射された反射光が入射する第3回折格子と、前記第3回折格子を透過した光を受光する受光部と、を備え、
前記形状変化検出部は、前記受光手段からの前記受光信号に基づいて検知される前記干渉縞の変位から前記被測定面の形状変化を検出する
ことを特徴とする形状測定装置。 - 請求項1に記載の形状測定装置において、
一の回折格子により前記第1回折格子、前記第2回折格子および前記第3回折格子の機能が果たされることを特徴とする形状測定装置。 - 請求項2に記載の形状測定装置において、
前記光源と、前記一の回折格子との間には、前記光源側に偏光板が配設され、前記一の回折格子側にハーフミラーが配設され、
前記ハーフミラーは、前記光源からの光を前記一の回折格子に導くとともに、前記一の回折格子を介して入射する光を前記受光部に導く機能を有し、
前記一の回折格子と、前記被測定面との間には、1/4波長板が配設されていることを特徴とする形状測定装置。 - 被測定面に対して相対的に略平行移動する測定ヘッド部と、
前記測定ヘッド部の対向位置における前記被測定面の形状が前記測定ヘッド部と前記被測定面との平行移動に伴って変化する量を検出する形状変化検出部と、を備え、
前記測定ヘッド部は、
同位相の多光束からなる光を前記被測定面に向けて照射させる照射光形成手段と、
前記被測定面からの反射光を回折させて干渉縞を形成させる干渉縞形成手段と、
前記干渉縞の光を受光して受光信号を出力する受光手段と、を備え、
前記照射光形成手段は、光源と、前記光源からの光を透過させつつ回折させて前記被測定面に向けて光を照射する第1回折格子と、を備え、
前記干渉縞形成手段は、前記被測定面にて反射された反射光を透過させるとともに回折させる第2回折格子であり、
前記受光手段は、前記第2回折格子で透過された反射光が入射する第3回折格子と、前記第3回折格子を透過した光を受光する受光部と、を備え、
一の回折格子により前記第1回折格子と前記第2回折格子との機能が果たされ、
前記光源と、前記一の回折格子との間には、前記光源側に偏光板が配設され、前記一の回折格子側に偏光ビームスプリッタが配設され、
前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光板を介した前記光源からの光を前記一の回折格子に導くとともに、前記一の回折格子を介して入射する光を前記第3回折格子に導く機能を有し、
前記一の回折格子と、前記被測定面との間には、1/4波長板が配設され、
前記形状変化検出部は、前記受光手段からの前記受光信号に基づいて検知される前記干渉縞の変位から前記被測定面の形状変化を検出する
ことを特徴とする形状測定装置。 - 請求項1から請求項4のいずれかに記載の形状測定装置において、
前記受光部は、受光面において干渉縞の所定位相に対応して配列された受光素子を有する受光素子アレイであることを特徴とする形状測定装置。
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