JP2017090140A - Measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、計測装置に関する。 The present invention relates to a measuring device.
被計測物にパターン光等を投影する投影手段と該被計測物を撮像する撮像手段とを備え、撮像画像から、三角測量の原理を用いて被計測物の形状を求める計測装置がある。この計測装置は、三角測量の原理を用いるため、投影手段と撮像手段との間の距離が想定していた値から変化すると、計測誤差が発生する。距離の変化は、例えば、使用環境や装置内の発熱源の温度変化によって、投影手段および撮像手段またはそれらを支持する支持体が熱変形することで起こる。 There is a measuring apparatus that includes a projecting unit that projects pattern light or the like on an object to be measured and an image capturing unit that images the object to be measured, and obtains the shape of the object to be measured from the captured image using the principle of triangulation. Since this measuring device uses the principle of triangulation, a measurement error occurs when the distance between the projection unit and the imaging unit changes from an assumed value. The change in the distance occurs, for example, due to thermal deformation of the projection unit and the imaging unit or the support that supports them due to a change in the temperature of a heat source in the use environment or the apparatus.
特許文献1の装置は、支持体の温度を計測し、計測された温度と支持体の線膨張率とに基づいて、その温度での投影手段と撮像手段との間の距離を算出して、算出値を被計測物の計測に用いている。特許文献2の装置は、投影手段と撮像手段との間を線膨張率が低い部材で繋ぐことで装置周囲の温度変化および装置の自己発熱による温度変化の影響を低減している。
The apparatus of
しかしながら、特許文献1に記載の装置は、温度計測手段、距離算出手段等を備える必要があり、例えば、コストの点で不利となりうる。特許文献2に記載の装置は、線膨張率が低い部材を用いているが、そのような材料の多くは高密度であり装置重量の点で不利となりうる。また、線膨張率が低くかつ低密度の材料は、高価または加工性が悪く、コストの点で不利となりうる。
However, the apparatus described in
本発明は、例えば、計測精度およびコストの点で有利な計測装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a measurement device that is advantageous in terms of measurement accuracy and cost, for example.
上記課題を解決するために、本発明は、被計測物の形状を計測する計測装置であって、
被計測物に光を投影する投影光学系と、受光素子と、光が投影された被計測物の像を受光素子に結像させる結像光学系と、受光素子を支持する受光素子支持手段と、投影光学系と結像光学系とを支持する光学系支持手段と、を備え、受光素子支持手段は光学系支持手段に取り付けられ、温度変化によって生じる光学系支持手段の変形に伴う受光素子の受光面上の像の結像位置のずれと同じ方向に、温度変化によって生じる受光素子支持手段の変形による受光素子のずれが生じるように、光学系支持手段が結像光学系を支持し、受光素子支持手段が受光素子を支持していることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the present invention is a measuring device for measuring the shape of an object to be measured,
A projection optical system that projects light onto the object to be measured; a light receiving element; an imaging optical system that forms an image of the object to be measured on which the light is projected on the light receiving element; and a light receiving element support means that supports the light receiving element; An optical system support means for supporting the projection optical system and the imaging optical system. The light receiving element support means is attached to the optical system support means, and the light receiving element of the light receiving element accompanying deformation of the optical system support means caused by a temperature change is provided. The optical system support means supports the imaging optical system so that the light receiving element shifts due to deformation of the light receiving element support means caused by temperature change in the same direction as the image formation position shift of the image on the light receiving surface. The element support means supports the light receiving element.
本発明によれば、例えば、計測精度およびコストの点で有利な計測装置を提供することができる。 According to the present invention, for example, it is possible to provide a measurement device that is advantageous in terms of measurement accuracy and cost.
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1(A)および(B)は本実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。被計測物が載置された平面内に互いに直交するX軸およびY軸を取り、このXY平面(被検面)に直交する方向にZ軸を取る。図1(A)は、Y方向からみた概略図であり、図1(B)は、Z軸方向からみた概略図である。本実施形態に係る計測装置は、光源1と、投影光学系2と、結像光学系3と、光学系支持手段4と、受光素子5と、受光素子支持手段6とを有する。この計測装置は、三角測量の原理を用いて光学系と被計測物との間の距離を計測して、その形状を求める装置である。
(First embodiment)
1A and 1B are schematic views illustrating the configuration of a measurement apparatus according to the present embodiment. An X axis and a Y axis perpendicular to each other are taken in a plane on which the object to be measured is placed, and a Z axis is taken in a direction perpendicular to the XY plane (test surface). 1A is a schematic diagram viewed from the Y direction, and FIG. 1B is a schematic diagram viewed from the Z-axis direction. The measurement apparatus according to this embodiment includes a
光源1は、投影光学系2を介して被検面にスリット光(パターン光)を投影する。本実施形態では、発熱の問題および装置の小型化を考慮して、光ファイバ7により外部から光源1に光が導かれている。光源1としては、小型の半導体レーザ光源など種々市販されているものを用いてもよい。投影光学系2はレンズL1を含み、レンズL1は鏡筒8により保持されている。結像光学系3はレンズL2を含み、レンズL2は鏡筒9により保持されている。鏡筒8および鏡筒9は、加工性、耐食性、コストおよび重量等を考慮して、アルミ合金(JIS規格A5056Bに準拠したもの等)を用いている。結像光学系3は、さらにCMOSセンサ等の受光素子(光電変換素子)5を有する。結像光学系3は、被検面で反射された光を投影光学系2の光の照射方向とは別の方向から観察する。また、結像光学系3は、被検面に投影されたスリット光が撮像素子の撮像面に結像する両側テレセンの光学系となっている。
The
光学系支持手段4には、鏡筒8および鏡筒9と同様のアルミ合金(JIS規格A5056Bに準拠したもの等)を用いている。光学系支持手段4は、投影光学系2および結像光学系3を支持する。このとき、投影光学系2の光軸と結像光学系3の光軸とのなす角θ1(以下、輻輳角という)は、一般的に大きいほど計測精度上有利となるが、被計測物の形状等によっては死角が生じ、測定不可能な箇所が発生する(測定カバー率が減少する)。本実施形態では、輻輳角を10°としている。受光素子支持手段6は、支持点11の取り付け部分にて光学系支持手段4に取り付けられ、受光素子5を支持している。受光素子支持手段6の材質としては、線膨張率が低い材質、例えば、線膨張率1ppmの鉄とニッケルの合金(インバー)を用いる。形状は熱の影響を鑑み、棒状としている。
The optical system support means 4 is made of an aluminum alloy similar to that of the
本実施形態の計測装置は、被計測物に対し移動可能なように多軸の駆動装置(不図示)により支持位置(基準位置)10において支持されている。基準位置10は、投影光学系2の光軸が通るように設けられている。この構成により、使用環境や装置内の発熱源の温度変化によって、光学系支持手段4などが変形しても、被計測物に照射される光の位置は変化しない。図1(A)および(B)の2点鎖線で示したものは、光学系支持手段4が熱変形した後の鏡筒9である。本実施形態の計測装置は、図1(B)に示すように、光源1の光軸(投影光学系2の光軸)と、結像光学系3の光軸と、支持点11と、は同一平面内に配置される。この配置によれば、光学系支持手段4の熱変形による、受光素子5の受光面における被計測物の像の結像位置のずれ量は、x方向成分のみになる。
The measurement apparatus of the present embodiment is supported at a support position (reference position) 10 by a multi-axis drive device (not shown) so as to be movable with respect to the object to be measured. The
図2は、熱変形による鏡筒9(結像光学系3)の位置ずれに伴う受光素子5の受光面に入射する光線の位置のずれを示す図である。実線は位置がずれる前の鏡筒9を示し、2点鎖線は、ずれた後の鏡筒9を示す。ここで、投影光学系2(図2にて不図示)の光軸と結像光学系3の光軸とのなす角をθ1、受光素子5の受光面と結像光学系3の光軸とのなす角をθ2とする。また、温度変化による鏡筒9(結像光学系3)の基準位置からのずれ量をδu、結像光学系3の倍率をβ、受光素子支持手段6の長さをX、線膨張率をαbとする。θ1と、θ2は、シャインプルーフ条件よりtanθ1=βtanθ2となるように設定される。これより、被計測物側の投影光学系2の光軸方向の距離と、受光面上の距離との比βyは、結像光学系3の倍率をβとすると、βy=β・(sinθ1/sinθ2)となる。温度変化によるδuの偏芯に伴う、受光素子5に入射する光線の相対的な位置のずれδx(m/T−1)は、βy・δu/cosθ1となる。また、受光素子支持手段6も熱の影響により変形する。したがって、δxと、受光素子支持手段6の伸縮量X・αb(図2にて不図示)との差分δx−X・αbが、受光素子5と結像光学系3の光軸とのずれ(受光素子5の受光面における結像光学系3によって結像した像のシフト(像シフト))となる。
FIG. 2 is a diagram showing a shift in the position of light rays incident on the light receiving surface of the light receiving
このずれと同じ方向に受光素子5の位置をシフトすれば、受光素子5の受光面上での像シフトが小さくなり、計測誤差を低減することができる。より好ましくは、このずれと同じ方向に同じ量だけ受光素子5の位置をシフトすれば、受光素子5の受光面上での像シフトがキャンセルされ、計測誤差を抑えることができる。これは、受光素子支持手段6を線膨張率αbとは異なる線膨張率αsの材料とすることで達成される。即ち、受光素子5と鏡筒9の光軸とのずれδx−X・αbが、熱膨張係数がαsの材料に置き換えた受光素子支持手段6の伸縮量X・αsと等しくすることで達成される。言い換えると、像シフト量と受光素子支持手段6の変形による受光素子5のずれ量を等しくすることで、受光素子5の受光面上における像シフトをキャンセルすることができる。数式で表すと、δx−X・αb=X・αsとなる。また、この関係は、温度に対する熱膨張係数が一定である範囲において、どの温度でも成り立つ。
If the position of the
例えば、図1で示す投影光学系2と結像光学系3とのX方向の距離dを30mm、光学系支持手段4、鏡筒8および鏡筒9の線膨張率を23ppm、結像光学系3の倍率βを0.5、θ1を10度とした場合を考える。この場合は、受光素子支持手段6の線膨張率を1ppm、長さXを8.2mmとすることで像シフトと受光素子位置のズレ分をキャンセルする条件が達成される。なお、仮に温度が1℃上昇した場合に、像シフトと受光素子位置のズレ分のキャンセルが無いと、距離dは0.69μm伸び、被計測物の高さ方向に換算すると3.9μmの計測誤差が発生する。上記のように受光素子支持手段6の線膨張率と長さを所定の値に規定した計測装置は、計測誤差をほぼ無視できる程度に抑えることができる。
For example, the distance d in the X direction between the projection
以上のように、本実施形態によれば、計測精度およびコストの点で有利な計測装置を提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a measurement device that is advantageous in terms of measurement accuracy and cost.
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に係る計測装置について説明する。図3は本発明の第2実施形態に係る計測装置を示す概略図である。なお、本実施形態では、第1実施形態ですでに説明された構成要素等と同一のものには同一の符号を付し、説明を省略する。本実施形態の光計測装置は、図3に示すように、受光素子5と直接、又は間接的に接続し、熱を授受する電気部品12と、受光素子5及び電気部品12の発熱量(または吸熱量)を制御する制御手段13を有することを特徴としている。制御手段13は、光学系支持手段4、鏡筒8および鏡筒9の温度に基づいて受光素子に与える熱量(または吸熱する熱量)を調節し、装置の構成部材全体の温度分布が一定になるように電気部品12を制御する。この構成を加えることで熱変形が抑えられ、計測誤差をほぼ無視できる程度に抑えることができる。
(Second Embodiment)
Next, a measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a schematic view showing a measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the same components as those already described in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted. As shown in FIG. 3, the optical measuring device of the present embodiment is connected directly or indirectly to the
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.
1 光源
2 投影光学系
3 結像光学系
4 光学系支持手段
5 受光素子(光電変換素子)
6 受光素子支持手段
DESCRIPTION OF
6 Light receiving element support means
Claims (5)
前記被計測物に光を投影する投影光学系と、
受光素子と、
前記光が投影された前記被計測物の像を前記受光素子に結像させる結像光学系と、
前記受光素子を支持する受光素子支持手段と、
前記投影光学系と前記結像光学系とを支持する光学系支持手段と、を備え、
前記受光素子支持手段は前記光学系支持手段に取り付けられ、
温度変化によって生じる前記光学系支持手段の変形に伴う前記受光素子の受光面上の前記像の結像位置のずれと同じ方向に、温度変化によって生じる前記受光素子支持手段の変形による前記受光素子のずれが生じるように、前記光学系支持手段が前記結像光学系を支持し、前記受光素子支持手段が前記受光素子を支持していることを特徴とする計測装置。 A measuring device for measuring the shape of an object to be measured,
A projection optical system that projects light onto the object to be measured;
A light receiving element;
An imaging optical system that forms an image of the measurement object onto which the light is projected on the light receiving element;
A light receiving element supporting means for supporting the light receiving element;
Optical system support means for supporting the projection optical system and the imaging optical system,
The light receiving element support means is attached to the optical system support means,
In the same direction as the shift of the image forming position of the image on the light receiving surface of the light receiving element due to the deformation of the optical system supporting means caused by the temperature change, A measuring apparatus, wherein the optical system support means supports the imaging optical system, and the light receiving element support means supports the light receiving element so that a shift occurs.
前記制御手段は、前記光学系支持手段の温度に基づいて、前記熱の量を制御することを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の計測装置。 A component for transferring heat to the light receiving element; and a control means for controlling the amount of the heat;
The measuring apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls the amount of heat based on a temperature of the optical system support unit.
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JP2020128934A (en) * | 2019-02-08 | 2020-08-27 | 株式会社キーエンス | Inspection device |
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2015
- 2015-11-06 JP JP2015218188A patent/JP2017090140A/en active Pending
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