JP4545580B2 - 面内方向変位計 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームを測定対象に投光し、測定対象面からの反射光を撮像素子で受光して、面内方向の変位を測定する面内方向変位計の改良に関する。

スケールを用いることなく、２次元変位を非接触・高分解能で検出できる変位計として、特許文献１に記載されているように、図１に示す如く、レーザ２０からコリメートレンズ２２によりコリメートされた光ビーム（投光ビームとも称する）２４をワーク１０等の測定対象に投光し、測定対象面１１の起伏により発生したスペックルパターンを、レンズ３０、ピンホール３２を介して、ＣＭＯＳ等の固体撮像素子３４で受光して、画像相関によりＸＹ方向（図１の前後左右方向）（面内方向と称する）の変位を測定する画像相関変位計が知られている。

この特許文献１に記載されたような、ワーク面画像の相関から面内（ＸＹ）変位を測定する装置においては、高さ方向（Ｚ方向）の初期設定又は変位が測定値に影響を与えることがある。これは、図２に示す如く、参照画像（基準画像）と取得画像の変位を、ＸＹの位置変位に変換する処理において、Ｚ方向の変位がピンボケ等を生じて取得画像へ影響を及ぼすことに起因する。

現在の画像相関変位計においては、取付ギャップを±０．２５ｍｍ、測定中のギャップ変動０．０２５ｍｍを目標にしているが、ギャップ変動がどの程度生じているかを測定することは、測定量が微小であるため容易ではない。又、初期操作の設定ギャップを容易に確認することが難しい。

そのため、測定値の精度を確保するには、設定ギャップ及びＺ方向であるギャップ変動（測定面のうねり、当該変位計と測定面との相対移動の平行度）の把握が必要になる。

図１の配置においては、テレセントリック光学系の構成を用いているため、Ｚ方向の変位に対しての影響は軽減されている。しかしながら、Ｚ方向の変位は、投光ビーム位置や、スペックルの干渉位置に影響を与え、画像相関演算の結果に影響を及ぼすため、望ましくない。

一方出願人は、既に特許文献２において、測定対象位置の高さ方向の１次元座標をオートフォーカスの合焦位置により検出し、測定対象位置の平面方向の２次元座標をスペックル画像相関により検出するようにした非接触３次元測定方法を提案している。

特開２００２−１３９４８５号公報 特開２００４−２１２３３３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、Ｚ方向の変位の影響を解消し切れず、又、特許文献２に記載の方法では、オートフォーカス系が必要となるため構成が非常に複雑となり、変位計が大型化するという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、簡単な構成で高さ方向の変位を測定可能として、測定中の高さ方向変位が測定可能範囲に収まっているか否かを明確にし、測定値の信頼性を高めると共に、形状が不明な測定対象に対して、測定可能か否か判別できるようにすることを課題とする。

本発明は、光ビームを測定対象に投光し、測定対象面からの反射光を撮像素子で受光して、面内方向の変位を測定する面内方向変位計において、測定対象面に光ビームを投光する投光手段と、該投光ビームの正反射位置に配設され、測定対象面からの正反射ビームを、前記撮像素子の面内方向測定用受光領域以外に設定された高さ検出用受光領域に導く反射手段とを備え、該高さ検出用受光領域で受光された光量の重心を求めることにより、測定対象面の高さ方向位置を検出するようにして、前記課題を解決したものである。

又、前記投光手段を、面内方向測定用投光手段と兼用して、構成を更に簡略化したものである。

又、前記面内方向測定用反射光と、高さ方向位置検出用正反射光の干渉を防止するようにして、測定精度を高めたものである。

又、前記高さ検出用受光領域の有効面積を可変として、高さ方向位置を迅速又は正確に検出できるようにしたものである。

本発明によれば、取得画像毎に高さ方向の変位を取得することによって、取得画像（測定データ）の高さ方向変位が測定可能範囲に収まっているか否かが明確になり、測定値の信頼性が向上する。又、形状が不明な測定対象に対して、測定可能か否かの判別が可能となる。このとき、ＸＹ移動装置の高さ方向変動も含まれるので、測定系も含めた測定判断が可能となる。

更に、高さ方向変位検出に関しては、画像相関に使用している撮像素子を用いているので、少ない追加部品で実現でき、低コスト化が可能であり、追加部品が少ないことから、小型化が可能である。

又、予備測定動作を可能にして、測定調整時間を短縮することもできる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本発明の第１実施形態は、図１に示した従来と同様の画像相関変位計において、図３に示す如く、更に、ワーク１０の表面１１による投光ビーム２４の正反射ビーム２６が到達する位置（正反射位置と称する）にミラー４０を配設し、該ミラー４０により、ワーク１０表面の正反射ビーム２６を、図４（Ａ）に示す、固体撮像素子３４の面内方向測定用受光領域３４Ａの両側（図の上下）に設定した高さ検出用受光領域３４Ｂに導き、該高さ検出用受光領域３４Ｂで受光された光量の重心を求めることによって、三角測量の原理で、測定対象面１１の高さ方向位置を検出するようにしたものである。

図４（Ｂ）に示す如く、前記ピンホール３２の両端の斜線部３２Ａは、前記高さ検出用受光領域３４Ｂへの正反射ビーム２６の入射を妨げないように、カット又は下方に折り曲げられている。

本実施形態においては、固体撮像素子３４の面内方向測定用受光領域３４Ａの両側に高さ方向検出用データ受光領域３４Ｂを設けているので、例えば、その平均によりワーク１０の高さを検出して、精度を高めたり、傾きを検出したりすることができる。

なお、高さ検出用受光領域３４Ｂの配置はこれに限定されず、図５に示す第２実施形態のように、固体撮像素子３４の一方（図では上方）側にのみ設けて、構成を簡略化し、遮光等の部品数を低減することもできる。

又、図６に示す第３実施形態の如く、前記固体撮像素子３４の受光領域３４Ａと３４Ｂの間に衝立３６を追加し、光の干渉の防止を確実にして、高精度化することもできる。

あるいは、図７に示す第４実施形態の如く、受光領域３４Ａと３４Ｂの間にデッドゾーン３４Ｃを設けることもできる。

更に、固体撮像素子３４としてＣＭＯＳを用いた場合には、有効面積を変えることができるので、例えば迅速な測定が必要な場合には、有効面積を小さくして、高速な処理を可能とし、高精度な処理が必要な場合には、有効面積を大として、高精度の測定を可能とすることもできる。あるいは、初めは有効面積を狭くして高速で変位を検出し、徐々に有効面積を広げていって、最終的には高精度な高さ測定を可能とすることもできる。

又、前記実施形態においては、面内方向測定用の投光ビーム２４を利用して高さ検出を行なっているので、構成が簡略である。なお、高さ検出専用の光ビームを投光することも可能である。又、正反射ビーム２６の光路中にレンズを追加して、固体撮像素子３４上の画像サイズを調整できるようにすることもできる。

前記実施形態においては、本発明が、スペックルパターンを利用した画像相関変位計に適用されていたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、他の面内方向変位計にも同様に適用できる。

特許文献１に記載された画像相関変位計の構成を示す断面図 同じく測定原理を示す図 本発明の第１実施形態の構成を示す断面図 同じく（Ａ）固体撮像素子及び（Ｂ）ピンホールを示す平面図 本発明の第２実施形態の（Ａ）固体撮像素子及び（Ｂ）ピンホールを示す平面図 同じく第３実施形態の固体撮像素子を示す（Ａ）平面図及び（Ｂ）側面図 同じく第４実施形態の固体撮像素子を示す平面図

符号の説明

１０…ワーク（測定対象）
１１…測定対象面
２０…レーザ
２２…コリメートレンズ
２４…投光ビーム
２６…正反射ビーム
３０…レンズ
３２…ピンホール
３４…固体撮像素子
３４Ａ…面内方向測定用受光領域
３４Ｂ…高さ検出用受光領域
３４Ｃ…デッドゾーン
３６…衝立
４０…ミラー

Claims (4)

1. 光ビームを測定対象に投光し、測定対象面からの反射光を撮像素子で受光して、面内方向の変位を測定する面内方向変位計において、
   測定対象面に光ビームを投光する投光手段と、
   該投光ビームの正反射位置に配設され、測定対象面からの正反射ビームを、前記撮像素子の面内方向測定用受光領域以外に設定された高さ検出用受光領域に導く反射手段とを備え、
   該高さ検出用受光領域で受光された光量の重心を求めることにより、測定対象面の高さ方向位置を検出するようにされていることを特徴とする面内方向変位計。
2. 前記投光手段が、面内方向測定用投光手段と兼用されていることを特徴とする請求項１に記載の面内方向変位計。
3. 前記面内方向測定用反射光と、高さ方向位置検出用正反射光の干渉を防止するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の面内方向変位計。
4. 前記高さ検出用受光領域の有効面積が可変とされていることを特徴とする請求項１に記載の面内方向変位計。

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