(57)【要約】【課題】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。【解決手段】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２と、受光素子５と、光が投影された被計測物の像を受光素子５に結像させる結像光学系３と、受光素子５を支持する受光素子支持手段６と、投影光学系２と結像光学系３とを支持する光学系支持手段４と、を備え、受光素子支持手段６は光学系支持手段４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４の変形に伴う受光素子５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６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４が結像光学系２を支持し、受光素子支持手段６が受光素子５を支持している。【選択図】図１
2017090140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被計測物の形状を計測する計測装置であって、
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。
【請求項２】
前記投影光学系の光軸と、前記結像光学系の光軸と、前記光学系支持手段における前記受光素子支持手段が取り付けられる部分とは、同一平面内にあることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
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、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とが、同じ量であることを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記受光素子支持手段の線膨張率は、前記光学系支持手段の線膨張率よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記受光素子に対し熱を授受する部品と、前記熱の量を制御する制御手段と、をさらに備え、
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１７３９４号公報
【特許文献２】特開２０１２−３７２７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】受光素子に入射する光線の位置のずれを示す図である。
【図３】第２実施形態に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
（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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
（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。
【００２０】
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。
【符号の説明】
【００２１】
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
【図１】
2017090140.tif 000003
【図２】
2017090140.tif 000004
【図３】
2017090140.tif 000005