JP4946689B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は例えば工業製品の３次元形状を測定する形状測定装置に関する。

３次元形状を測定する測定装置として、例えば被検物にスリットを通して測定光を投影し、被検物から反射した反射光を撮影手段で検出するものが知られている。測定光は被検物の凹凸に応じ対応する位置に撮影手段によって集光することから、測定光を被検物上に走査しつつ、被検物から反射する反射光を受光することで被検物の３次元形状を測定出来る（特許文献１）。
特開平１１−１１８４４３号公報

上記装置では被検物に投影する測定光としてレーザー光を使用しているが、このレーザー光の光強度分布プロフィールは位置の変化に対し光強度の変化が大きく、スリットの開口部の形状誤差があり、又は被検物上に光を走査させる手段が決まった方向に測定光を走査出来なかったりすると、測定光は被検物上で光量が変化してしまい、被検物から反射した反射光によるパターン像の変化を安定して検出することができなかった。

本発明は、被検物から反射した反射光によるパターン像の変化を安定して検出することができ、ひいては被検物の３次元形状を精度よく測定することが出来る形状測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の形状測定装置は、被検物に測定光を照射して該被検物からの反射光を検出することで、前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記測定光を前記被検物上に走査させる走査部材と、前記走査部材によって走査される前記測定光の走査方向に沿って延びる開口が形成され、前記測定光の光束の大きさを制限する測定光側スリット部材と、前記測定光側スリット部材の前記開口の長手方向に対して垂直な方向における前記測定光の強度分布の変化を小さくする光学部材と、前記被検物からの反射光が入射し、前記測定光の前記被検物上での像を検出する撮影手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の形状測定装置は、前記撮影手段が、受光素子と受光光学系を有し、前記受光素子と共役な位置に、前記測定光の走査による前記測定光の像の移動方向と垂直な方向に沿って開口が形成される反射光側スリット部材を備えてなることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の形状測定装置は、前記反射光側スリット部材が、当該装置のエピポール点を中心に揺動可能に配置されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の形状測定装置は、前記反射光の光量に基づいて前記測定光の光量を制御する光量制御手段を更に備えてなることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の形状測定装置は、被検物に測定光を照射して該被検物からの反射光を検出することで、前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、前記測定光を発する光源と前記被検物との間に設けられ、一方向に延びる開口が形成された前記測定光用の前記一方向の大きさを制限する測定光側スリット部材と、前記光源と前記測定光側スリット部材との間に設けられ、前記測定光側スリット部の開口の長手方向に対して垂直な方向における前記測定光の強度分布の変化を小さくする光学部材と、前記被検物からの反射光が入射し、前記測定光の前記被検物上での像を検出する撮影手段と、を備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、被検物の３次元形状を精度よく測定することが出来る。

以下本発明の形状測定装置の一実施形態について図１を参照して説明する。

図１に示すように、形状測定装置１０は、被検物Ｍに測定光を照射して該被検物Ｍからの反射光を検出することで被検物Ｍの３次元形状を測定する装置で、被検物Ｍが載置される１軸方向（図１の矢印Ａ参照）に移動可能な１軸ステージ１１と、測定光を発するレーザー光源１２と、このレーザー光源１２からの測定光を被検物Ｍ上に走査させる走査部材としてのポリゴンミラー１４と、このポリゴンミラー１４によって走査される測定光の走査方向に沿って延びる開口１５ａが形成され、測定光束の走査方向とは垂直な方向の測定光の大きさを制限する測定光側スリット部材としての第１の制限スリット１５と、この第１の制限スリット１５の開口１５ａの長手方向に対して垂直な方向における測定光の光強度分布の変化を小さくする光学部材としてのパウエルレンズ等の変形プリズム１６と、被検物Ｍからの反射光が入射し、測定光の被検物Ｍ上での像を検出する撮影手段１７と、を備える。

変形プリズム１６は、レーザー光源１２とポリゴンミラー１４との間の光路中に配置され、図２（ａ）に示すように制限スリット１５の開口１３ａの長手方向に対して垂直な方向における光強度分布が大きく変化するプロフィールを有するレーザー光源１１からの測定光を、上述の如く、制限スリット１５の開口１５ａの長手方向に対して垂直な方向における光強度分布の変化を小さくする（同図（ｂ）参照）ものである。

変形プリズム１６とポリゴンミラー１４との間には、変形プリズム１６によって光強度分布のプロフィールが整形された測定光をポリゴンミラー１４のミラー面に集光させる集光レンズ１３が配置される。

制限スリット１５の開口１５ａは、図１に示すように、その幅（長手方向と直交する方向の寸法）が測定光束の直径よりも小さく設定されている。したがって、ポリゴンミラー１４の回転中心である回転軸とそれを支える軸受との間に“がた”があってポリゴンミラー１４が回転中にぶれて制限スリット１５の開口１５ａから外れた測定光は制限スリット１５により遮光されてしまうが、測定光の光量の変化は小さい。これにより、被検物Ｍ上での測定光による反射光の軌跡を正確に検出することができる。

撮影手段１７は、受光素子としての２次元光電変換素子（２次元ＣＣＤ）１８と、受光光学系（撮影レンズ１９，リレーレンズ２０，第１結像レンズ２１）を備える。

受光光学系で形成される、２次元ＣＣＤ１８（撮像面）と共役な位置には、測定光の走査による測定光の像の移動方向と垂直な方向に沿って開口２２ａが形成された反射光側スリット部材としての第２の制限スリット２２が配置される。この制限スリット２２には、被検物Ｍで散乱された光のうち、撮影レンズ１９に入射した光のみが結像される。

制限スリット２２は、エピポール点、すなわちポリゴンミラー１４により揺動する測定光束の中心と受光光学系のレンズ中心とを結ぶ線分と、２次元ＣＣＤ１８（撮像面）と共役な面との交点を中心として揺動可能に構成されており、不図示の揺動装置に接続される。

なお、ここで説明したエピポール点の定義は光束中心の光線が被検物Ｍ以外による反射屈折などによって折り曲げられないことを前提にしている。反射光学素子により光路が曲げられる場合には、この反射光学素子による光路の折り曲げを無視したときに対応する位置（光学的に等価な位置）がエピポール点になる。

制限スリット２２は、測定光の走査と同期して不図示の揺動装置によってエピポール点を中心に揺動し、被検物Ｍを反射した光しか開口２２ａを通過させず、それ以外の光、例えば、形状測定装置１０の周囲の環境光や、被検物Ｍを多重反射して撮影手段１７に入射しようとする多重反射光を制限（遮光）する。

制限スリット２２の開口２２ａを通過した光はリレーレンズ２０を経て分岐プリズム（ハーフプリズム）２３に至る。このハーフプリズム２３は、入射した光を、透過する光と反射する光とに分割する。ハーフプリズム２３を透過した光は第１結像レンズ２１によって２次元ＣＣＤ１８上に結像される。

２次元ＣＣＤ１８の受光面には一般の光切断法と同じように被検物Ｍの３次元形状に応じて測定光のスポット像が対応する位置に撮像される。２次元ＣＣＤ１８の出力を基に画像処理部２４では、２次元ＣＣＤ１８上での測定光のスポット像の位置を特定し、更に、ポリゴンミラー１４の反射面の方向と１軸ステージ１１の位置情報に応じて、被検物Ｍの３次元形状が求められる。また、画像処理部２４では求められた被検物Ｍの３次元形状を基に画像データが形成され、モニター２５に表示される。

一方、リレーレンズ２０と第１結像レンズ２１との間に設けられたハーフプリズム２３で反射した光は、第２結像レンズ２６により光電変換素子（フォトダイオード）２７に入射する。

フォトダイオード２７は入射した光を光電変換し被検物Ｍを反射した光の強度を検出する。フォトダイオード２７の出力はコントローラ２８に送られる。

コントローラ２８は、フォトダイオード２７の出力を読み取り、フォトダイオード２７の出力が一定となるようにレーザー光源１１のレーザー駆動装置２９を制御する。これにより、被検物Ｍの表面状態（被検物Ｍが金属製の場合や表面が光沢になっている場合）により反射率が変化しても均一な光量の像を得ることが出来る。すなわち、フォトダイオード２７、コントローラ２８及びレーザー駆動装置２９は、測定光（測定光）の光量制御手段として機能する。

コントローラ２８は、上述の如くレーザー駆動装置２９を制御する他に、ポリゴンミラー１４の回転と１軸ステージ１１の移動と第２の制限スリット２２の揺動を制御する。すなわち、コントローラ２８は、ポリゴンミラー１４を回転させて測定光を被検物Ｍ上に走査させ、この走査に同期して不図示の揺動装置を駆動して第２の制限スリット２２を揺動させ、１枚の画像が得られたら、１軸ステージ１１を所定量移動させて、再度測定光を走査させ、これに同期して第２の制限スリット２２を揺動させて次の画像を得る。一方、逐次１軸ステージ１１の位置情報やポリゴンミラー１４の反射面の方向を画像処理部２４に送信する。

このように被検物Ｍを１軸ステージ１１により移動させながら複数枚の画像を取得し、これらを画像処理部２４で画像処理することにより、被検物Ｍの全体の３次元形状を測定することが出来る。

上述した本実施形態の形状測定装置１０によれば、変形プリズム１６によって、第１の制限スリット１５の開口１５ａの長さ方向と垂直な方向での測定光の光強度分布の変化を小さくして（頭部（頂部）の光強度分布プロフィールを平坦にして）いる。このため光強度分布の均一な測定光により均一なスリット光を得て、これを被検物Ｍに走査して光強度分布の均一なスリット像を得るこができ、被検物Ｍの３次元形状を精度良く測定することが可能となる。

また、ポリゴンミラー１４がその回転中にぶれても、測定光のスポット像の強度変化は少ない。このため、被検物Ｍを反射したスポット像が正確に検出されるので被検物Ｍの形状を精度良く検出することが可能となる。

また、第２の制限スリット２２によって形状測定装置１０の周囲の環境光や、被検物Ｍを多重反射して撮影手段１７に入射しようとする多重反射光を制限することができ、これにより金属面などを光切断法により測定する際に問題となっていた、測定光が照射、走査された面以外の面からの光の映り込みを防止することが出来る。

また、フォトダイオード２７によって被検物Ｍから反射した光の強度を検出し、この光の強度に大きな変化がある場合にコントローラ２８によってレーザー駆動装置２９を制御するので、均一な光強度の像を得ることが可能となる。したがって、金属表面や光沢のある大理石の表面であってもその表面の凹凸形状を測定することが可能になる。

本発明は上記実施形態に示されたものに限定されない。例えば、第２の制限スリット２２として液晶素子によって構成することが出来る。このようにすれば、機構的な可動部分をなくすことが出来る。この際、液晶素子の入射側偏光方向はレーザ光源の偏光方向に対してクロスの方向にすると拡散光のみを検出することができ、誤検出の少ない形状測定が可能になる。

本発明の形状測定装置の一実施形態を示す概略斜視図である。 測定光（測定光）の光強度分布プロフィールを示す図で、図２は変形プリズムにより整形される前のプロフィールを示す図、同図（ｂ）は変形プリズムによって整形された後のプロフィールを示す図である。

符号の説明

１０ 形状測定装置
１１ １軸ステージ
１２ レーザー光源
１４ ポリゴンミラー（走査部材）
１５ 第１の制限スリット（測定光側スリット部材）
１５ａ 開口
１６ 変形プリズム（光学部材）
１７ 撮影手段
１８ ２次元ＣＣＤ（受光素子）
１９ 撮影レンズ（受光光学系）
２０ リレーレンズ（受光光学系）
２１ 第１結像レンズ（受光光学系）
２２ 第２の制限スリット（反射光スリット部材）
２２ａ 開口
２３ ハーフプリズム
２７ フォトダイオード（光量制御手段）
２８ コントローラ（光量制御手段）
２９ レーザー駆動装置（光量制御手段）
Ｍ 被検物

Claims (7)

1. 被検物に測定光を照射して該被検物からの反射光を検出することで、前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記測定光を前記被検物上に走査させる走査部材と、
   前記走査部材によって走査される前記測定光の走査方向に沿って延びる開口が形成され、前記測定光の光束の大きさを制限する測定光側スリット部材と、
   前記測定光側スリット部材の前記開口の長手方向に対して垂直な方向における前記測定光の強度分布の変化を小さくする光学部材と、
   前記被検物からの反射光が入射し、前記測定光の前記被検物上での像を検出する撮影手段と、
   を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
2. 請求項１に記載の形状測定装置において、
   前記光学部材は、前記走査部材よりも前記測定光を放射する光源との間に配置され、前記測定光側スリット部材の前記開口の長手方向に対して垂直な方向における強度分布の変化を小さくするプリズムからなることを特徴とする形状測定装置。
3. 請求項２に記載の形状測定装置において、
   前記撮影手段は、受光素子と受光光学系を有し、前記受光素子と共役な位置に、前記測定光の走査による前記測定光の像の移動方向と垂直な方向に沿って開口が形成される反射光側スリット部材を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
4. 請求項３に記載の形状測定装置において、
   前記反射光側スリット部材は、当該装置のエピポール点を中心に揺動可能に配置されていることを特徴とする形状測定装置。
5. 請求項２乃至４の何れか一項に記載の形状測定装置において、
   前記反射光の光量に基づいて前記測定光の光量を制御する光量制御手段を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
6. 被検物に測定光を照射して該被検物からの反射光を検出することで、前記被検物の形状を測定する形状測定装置であって、
   前記測定光を発する光源と前記被検物との間に設けられ、一方向に延びる開口が形成された前記測定光用の前記一方向の大きさを制限する測定光側スリット部材と、
   前記光源と前記測定光側スリット部材との間に設けられ、前記測定光側スリット部の開口の長手方向に対して垂直な方向における前記測定光の強度分布の変化を小さくする光学部材と、
   前記被検物からの反射光が入射し、前記測定光の前記被検物上での像を検出する撮影手段と、
   を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
7. 請求項６に記載の形状測定装置において、
   前記光学部材は、プリズムからなることを特徴とする形状測定装置。

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