JP5171108B2 - 三次元形状測定装置 - Google Patents
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Description
スタイラス移動加速度=測定力÷スタイラス質量
が成り立つが、測定力は小さいほうが良い。理由は、被測定面の変形や傷つきを無くしたいことと、スタイラスの磨耗を減らしたいことである。結局、スタイラスの質量を極力小さくするしか方法がない。
該スタイラスに固定されたミラーと、
該ミラーにレーザ光を集光させるレンズと、
該レンズに第1光束径で入射しかつ第1方向に偏光したフォーカス検出光と、前記第1光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい第2光束径で該レンズに入射しかつ前記第1方向とは直交する第2方向に偏光した傾き測定光と、互いに異なる光路から来た前記フォーカス検出光と前記傾き測定光の光路を前記レンズに入射させるために合成させ、前記ミラーから反射した前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を互いに異なる光路に分離する第1の偏光プリズムと、
前記ミラーから反射した第1のレーザ光を受光し、前記ミラーの反射面のフォーカス方向の変位を検出する光検出器と、
前記ミラーの反射面から反射した前記第2のレーザ光を受光し、前記ミラーの反射面の傾きによって生ずる前記ミラーの反射面からの反射光の位置変化を検出し、前記ミラーの反射面の傾きを検知する傾斜角度検出部と、
前記第1の偏光プリズムと、前記光検出器と、前記傾斜角度検出部と、前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を反射させ、これらの光とは異なる波長の測長用レーザ光を透過させるダイクロイックミラーとを少なくとも内蔵固定されたフォーカス傾き検出部と、
前記スタイラスと前記レンズと前記フォーカス傾き検出部とを一体としてZ軸方向に移動させるZ軸可動部とを備えるように構成している。
前記第2の偏光プリズムにより分割した前記2つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を前記フォーカス検出光となし、前記2つのレーザ光のうちの他方のレーザ光を、絞りにより前記フォーカス検出光の前記第1光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい前記第2光束径にして前記傾き測定光とした第1の態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記測長用レーザ光を前記レンズによって前記ミラーに集光させ、ミラーからの反射光から前記ミラーのZ軸方向の座標を測定する位置座標測定部を備えた第1〜2のいずれか1つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
前記Z軸可動部は、前記スタイラスと、測長用レーザ光を集光させるための第2のレンズと、該第2のレンズによる前記測長用レーザ光の集光位置に置かれた第2のミラーとを一体としてZ軸方向に移動させる一方、
前記測長用レーザ光の前記第2のミラーからの反射光から前記第2のミラーのZ軸方向の座標を測定する位置座標測定部をさらに備えた第1〜2のいずれか1つの態様に記載の三次元形状測定装置を提供する。
図1は、本発明の実施形態1における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部27と上側面プローブ102を示す。図2A〜図2Dは図1に示したフォーカス及び傾き検出部27の一部の部品の説明図、図3は図1に示したフォーカス及び傾き検出部27と上側面プローブ102が取り付けられたZ軸可動部401、図4は前記三次元形状測定装置の全体構成を示す。
図5は、本発明の実施形態2における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部27とプローブ101の説明図である。図6A〜図6Dは、本発明の実施形態2における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部27のZ軸方向から見た平面図と一部の部品の説明図である。
図7は本発明の実施形態3にかかる三次元形状測定装置の一部を示し、半導体レーザを一個、半導体レーザ及びフォーカス受光部の一体化素子や回折格子を使わず構成したフォーカス及び傾き検出部27を示す。
図8は本発明の実施形態4における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部27と上側面プローブ102を示す。可撓性部材61を一枚にし、下からと横からの測定力による変位をほぼ同じにするため、スタイラス軸122の長さを短くした。深い場所の測定ができないが、構造が簡単になり、浅い穴の測定等には支障が無い。
図9Aは、本発明の実施形態5における三次元形状測定装置のフォーカス及び傾き検出部27と側面プローブ101(側面プローブ101は図9Bとほぼ同一構造。)を示す。
図10は、上面プローブ60をフォーカス傾き検出部27に取り付けた本発明の実施形態6にかかる三次元形状測定装置を示す。
2 プローブ取付用部材
3 揺動部材
4 連結機構
5 スタイラス
6 マイクロエアスライド
7 エアー供給部
8 回折格子
8a スリット
9 ミラー
10 スタイラス
11 Zステージ
12 ヨーク
13 コイル
14 アクロマートレンズ
15 ダイクロイックミラー
17 定荷重ばね
18 ハーフミラー
19 ピンホール
20 光検出器
21 レンズ
22 第2のレンズ
23 第2のミラー
24 レーザー
25 ミラー
26 光位置検出器
27 フォーカス及び傾き検出部
28 大磁石
29 絞り
30 ミラー
31、38 半導体レーザ
32 コリメートレンズ
33 四分の一波長板
34 半導体レーザ及び光検出器の一体化素子
34A,34B,34C,34D,34E,34F 光検出器
35 エアースライダーガイド
36 基準球
37、40 偏光プリズム
39 ビームスプリッタ
41 載置台
42 支点部材
44 リニアモータ
45 光プローブ
46 ばね
47 マイクロスプリング
48 エアーチューブ
50 被測定物
51 可動側磁石
52 固定側磁石
60 上面プローブ
61 可撓性部材
63 固定枠
86 ブラケット
89 エアースライド
100 制御部
101 側面プローブ
102 上側面プローブ
103 外装カバー
104 開閉窓
105 石定盤
106 撓みセンサー
120 電極線
121 スタイラス
122 スタイラス軸
123 ミラー
130 XYステージ
131 XYステージ駆動装置
135 X参照ミラー
136 Y参照ミラー
137 Z参照ミラー
137R ミラー
210 発振周波数安定化レーザ
211X X座標測定用レーザ光
211Y Y座標測定用レーザ光
211Z1 Z1座標測定用レーザ光
211Z2 Z2座標測定用レーザ光
213 フォーカス検出光
220 測定点情報決定部
221 傾き測定光
221b 反射光
222 傾斜角度検出部
2221 受光面
2222 非測定時照射領域
2223 基準照射領域
2224 基準照射領域の円周
222a〜222d 受光領域
223 スタイラス位置演算部
224X X座標用位置座標測定部
224Y Y座標用位置座標測定部
224Z1 Z1座標用位置座標測定部
224Z2 Z2座標用位置座標測定部
225 加算部
226 フォーカス誤差信号検出部
227 Z軸方向駆動制御装置
228 XY軸方向駆動制御装置
230 サーボ部、
280 制御装置
2931 プローブ交換部
401 Z軸可動部
Claims (8)
- 測定力を検知して被測定物の被測定面の形状を測定可能なスタイラスと、
該スタイラスに固定されたミラーと、
該ミラーにレーザ光を集光させるレンズと、
該レンズに第1光束径で入射しかつ第1方向に偏光したフォーカス検出光と、前記第1光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい第2光束径で該レンズに入射しかつ前記第1方向とは直交する第2方向に偏光した傾き測定光と、互いに異なる光路から来た前記フォーカス検出光と前記傾き測定光の光路を前記レンズに入射させるために合成させ、前記ミラーから反射した前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を互いに異なる光路に分離する第1の偏光プリズムと、
前記ミラーから反射したフォーカス検出光を受光し、前記ミラーの反射面のフォーカス方向の変位を検出する光検出器と、
前記ミラーの反射面から反射した前記傾き測定光を受光し、前記ミラーの反射面の傾きによって生ずる前記ミラーの反射面からの反射光の位置変化を検出し、前記ミラーの反射面の傾きを検知する傾斜角度検出部と、
前記第1の偏光プリズムと、前記光検出器と、前記傾斜角度検出部と、前記フォーカス検出光と前記傾き測定光を反射させ、これらの光とは異なる波長の測長用レーザ光を透過させるダイクロイックミラーとを少なくとも内蔵固定されたフォーカス傾き検出部と、
前記スタイラスと前記レンズと前記フォーカス傾き検出部とを一体としてZ軸方向に移動させるZ軸可動部とを備えた三次元形状測定装置。 - 前記レーザ光を発する1つのレーザと、前記1つのレーザから発する前記レーザ光を2つのレーザ光に分割する第2の偏光プリズムとを備え、
前記第2の偏光プリズムにより分割した前記2つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を前記フォーカス検出光となし、前記2つのレーザ光のうちの他方のレーザ光を、絞りにより前記フォーカス検出光の前記第1光束径よりも小さく、前記レンズの開口径より小さい前記第2光束径にして前記傾き測定光とした請求項1に記載の三次元形状測定装置。 - 前記測長用レーザ光を前記レンズによって前記ミラーに集光させ、前記ミラーからの反射光から前記ミラーのZ軸方向の座標を測定する位置座標測定部を備えた請求項1〜2のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記フォーカス傾き検出部は、前記光検出器と前記傾斜角度検出部と前記レンズとを少なくとも内蔵固定されているとともに、
前記Z軸可動部は、前記スタイラスと、測長用レーザ光を集光させるための第2のレンズと、該第2のレンズによる前記測長用レーザ光の集光位置に置かれた第2のミラーとを一体として前記Z軸方向に移動させる一方、
前記測長用レーザ光の前記第2のミラーからの反射光から前記第2のミラーのZ軸方向の座標を測定する位置座標測定部をさらに備えた請求項1〜2のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。 - 前記スタイラスが、スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対する傾きが可能な可撓性部材で支持されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記スタイラスが、スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対する傾きが可能な二枚の可撓性部材で支持されている請求項1〜4のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記スタイラスが、前記スタイラス軸方向に変位可能に支持された第1のプローブと、前記スタイラスが前記スタイラス軸方向に対して傾き可能に支持された第2のプローブと、前記スタイラスが前記スタイラス軸方向への変位と前記スタイラス軸方向に対しての傾きが可能な第3のプローブの少なくとも2つの取り付けと、プローブ交換を可能とした請求項1〜6のいずれか1つに記載の三次元形状測定装置。
- 前記プローブ交換の前と後で、それぞれのプローブにより前記被測定物の載置台に固定された真球度が0.5ミクロンよりも良い球の表面の三点以上の測定点の三次元座標を測定し、それぞれの測定データより、この球の位置のプローブ交換前と後の三次元座標を算出し、これらの三次元座標の差をプローブ交換前または後の三次元座標に加算することにより、プローブ交換による前記スタイラス位置のずれを補正する機能を有する演算部を更に備えた請求項7に記載の三次元形状測定装置。
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