专利名称：非接触表面形状测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及非接触表面形状测量方法。
背景技术：
为测量精密部件的形状或者光洁度而使用使用了激光自动聚焦的激光探针式的非接触表面形状测量装置。即是这样的结构对作为测量对象的工件的上表面实施使用激光的自动聚焦控制，并按照每一预定的间距在水平方向上扫描测量工件，根据自动聚焦光学系统的物镜的聚焦方向上的移动量取得关于测量工件的表面形状的测量数据。如在日本国专利第212M98号中公开的那样，控制物镜使得在双部分传感器 (two-section sensors)的中心接受激光探针的返回光。即以预定间距进给测量工件，在物镜移动、从测量工件返回的光在双部分传感器的中心被接受时判断为聚焦状态，检测物镜的移动量，能够测量测量工件的表面的高度信息。通过针对每一预定间距取得测量工件的表面的高度信息，能够测量测量工件的表面形状。但是，在这样的现有技术中，因为按照每一预定间距间歇地扫描测量工件，在聚焦时取得高度信息，然后向下一间距进给，所以花费时间。
发明内容
发明要解决的课题本发明着眼于这样的现有技术，目的是提供一种非接触表面形状测量方法，不是间歇地扫描测量工件，而能够通过连续扫描，对测量工件的表面形状进行测量。根据本发明的技术侧面，非接触表面形状测量方法的特征在于，检测双部分传感器的两个传感器间的电压差，检测所检测出的电压差是否在相对于离开焦点位置的位移成为线性的附近范围内，在电压差在附近范围内时，计算物镜在上下方向上的相对于焦点位置的修正值，把修正值加到物镜实际的在上下方向上的位置，计算物镜在上下方向上的移动量。
图1是表示本发明的第一实施方式的非接触表面形状测量装置的概要图。图2是表示物镜的上方的光学系统的立体图。图3是表示激光的光路的概要图。图4是表示测量方法的流程图。图5是表示本发明的第二实施方式的非接触表面形状测量装置的概要图。图6是表示内齿轮以及旋转工作台的平面图。
具体实施例方式(第一实施方式)
图1 图4是表示本发明的第一实施方式的图。图中，XY是水平面上正交的两个方向，Z是上下方向。另外，图1是概要表示。测量工件1被安装在可在X轴方向上自由滑动的X轴工作台2上。X轴工作台2 被安装在可在Y轴方向上自由滑动的Y轴工作台3上。在测量工件1的上方，物镜4通过聚焦单元5在Z轴方向上移动自由地被支持。物镜4在Z轴方向的位置(移动量)可以通过AF标尺6检测。X轴工作台2可以通过X轴标尺7检测位置(移动量)。Y轴工作台3可以通过未图示的Y轴标尺检测位置(移动量)。物镜4的AF标尺6、和驱动X轴工作台2以及Y轴工作台3的工作台驱动器8分别与主控制器9连接，物镜4、X轴工作台2、Y轴工作台3的移动量分别输入主控制器9。X 轴工作台2、Y轴工作台3以及工作台驱动器8构成扫描器，通过在垂直于物镜4的光轴的水平方向连续地扫描测量工件1，激光探针L在水平方向上扫掠测量工件1的表面。在物镜4的上方配置光束分裂器10。光束分裂器10具有透射50 %的光、反射50 % 的光的功能。在光束分裂器10的侧面配置激光照射单元11。从激光照射单元11在水平方向上照射作为半导体激光的激光L。激光L通过光束分裂器10在与Z轴平行的方向上反射，透过物镜4照射到测量工件1的表面上。激光L的光束的断面的光学重心通过偏离物镜4的光轴中心的位置。激光L在测量工件1的表面上反射，其返回光L’再次透过物镜4，进而透过光束分裂器10，通过成像透镜12成像。通过成像透镜12的返回光L’的光点通过作为热传感器(hot sensor)的双部分传感器S检测位置。双部分传感器S由贴近并列配置的两个传感器a、b构成。在返回光L’的光点的重心与双部分传感器S的中心一致时，两个传感器a、b的输出平衡，成为通过物镜4的激光L在测量工件1的表面上聚焦的状态。图2的中央表示聚焦状态(II)，其两侧表示内聚焦(in focus)状态(I)以及外聚焦(out focus)状态(III)。把来自两个传感器a、b的输出输入到AF控制器13。AF控制器13由比较器14、 控制电路15、电压/位移变换电路16构成。AF控制器13连接上述主控制器9。然后，从控制电路15向聚焦单元5输出信号，使物镜4移动，使来自两个传感器a、 b的输出相等，能够根据该物镜4的移动量检测测量工件1的表面的高度信息。通过X轴工作台2恒速移动，对着激光L连续扫描该测量工件1 (S》。通过激光L 实施自动聚焦控制，并连续扫描测量工件1，能够对测量工件1的X轴上的表面形状进行测量。本实施方式的双部分传感器S，在返回光L’入射其中心(中立位置)，两个传感器 a、b的输出相等时，物镜4对于测量工件1成为聚焦状态，但是可以不必使物镜4移动到聚焦位置地连续地进行测量。即，如图3所示，双部分传感器S的两个传感器a、b的电压差是与物镜4到聚焦位置的移动量对应的光点的光学的重心位置的函数。特别，在聚焦位置的附近范围(前后数 μπι的范围)内，上述电位差实质上与光点的光学的重心位置成比例。因此，如果电压差进入该附近范围(线性区域)内，则即使未把物镜4移动到最终的聚焦位置，也能够通过计算计算物镜4到达聚焦位置的移动量。即通过在进入附近范围时的物镜4的位置上加上从该位置到聚焦位置的所计算出的修正值，能够计算物镜4到达聚焦位置的移动量(S6)。
能够在连续扫描测量工件1期间连续地计算物镜4的移动量，能够连续地取得测量工件1的表面的高度信息，测量X轴方向的形状。通过逐渐地向Y轴方向偏移进行X轴方向的形状测量，也能够测量测量工件1的表面的三维形状。在该测量方法中，在通过双部分传感器S检测出的电压差超出附近范围的情况下，有时误差变大，或者在该超出的范围内缺少测量数据。另外，即使在电压差超过上述附近范围处于非线性区域内的情况下，如果在双部分传感器S的传感器元件片a、b的两个上都有光点的一部分到达，能够检测电压差，则能够进行测量。即，因为已知与物镜4到聚焦位置的移动量对应的光点的重心位置和电压差的对应关系(非线性特性)，所以能够把附近范围扩张到双部分传感器S的非线性区域进行形状测量，但是测量误差增大。在这种情况下，主控制器9保持非线性特性的数据(表)，能够立即根据检出的电压差计算(变换)物镜到聚焦位置的移动量。在测量测量工件1的表面的“波浪形状”等的情况下，因为测量大范围的形状的倾向，所以测量时间优先于测量精度，因此即使中途有误差增大的区域或者若干测量数据缺少也没有问题。在需要精密地测量测量工件1的表面形状的情况下，如图4的流程图(Si S7) 所示，在双部分传感器S中的电压差超过附近范围的情况下，停止测量工件1的X轴方向上的扫描，等待电压差进入附近范围内(S4、S5)。由此，虽然测量时间会增加一些，但是能够进行测量精度高、测量数据不缺少的正确的形状测量。即使部分地停止测量工件1的连续扫描，与以往那样等待以预定间距逐渐地聚焦相比，能够大幅度缩短测量时间。(第二实施方式)图5以及图6表示本发明的第二实施方式。本实施方式具有与所述第一实施方式相同的结构要素。因此，对于那些相同的结构要素附以相同的符号，省略重复的说明。作为本实施例中的测量对象的测量工件，是大体为环状的内齿轮17，在内表面上形成内齿18。该内齿轮17载放在具有同样的中空结构的旋转工作台19上。把旋转工作台 19以在θ方向上自由旋转的状态安装在X轴工作台2上。旋转工作台19与X轴工作台2 以及Y轴工作台3 —样与工作台控制器8连接。在做成中空结构的旋转工作台19的内部，在X轴工作台2上设置圆形的中心工作台20。在中心工作台20的边缘部设置作为反射单元的棱镜21，使其角度45度的正方形反射平面22朝向外侧。透过物镜4的激光L照射该棱镜21的反射平面22。由反射平面22反射的激光L照射内齿轮17的内齿18，照射内齿轮17的内齿18 后反射的返回光L’再次在反射平面22上反射，入射到物镜4，再次透过物镜4，通过与上面的实施方式相同的光路检测。因此，通过旋转工作台19使内齿轮17转动，并对内齿18的表面上实施自动聚焦，能够测量内齿2的X轴方向上的高度尺寸(凹凸尺寸)。在这样测量测量工件的内表面的情况下，如果双部分传感器S的两个传感器a、b 的电压差进入附近范围内，则即使不使物镜4移动到最终的聚焦位置，也能够通过计算，计算物镜4到达聚焦位置的移动量。因此，能够缩短在旋转方向上连续扫描内齿轮17、测量内齿18的内表面形状时的测量时间。发明效果根据本发明，即使不使来自测量工件的返回光与双部分传感器的中心一致，在双部分传感器的两个传感器的电压差进入附近范围内时，通过根据其电压差计算修正值，对物镜实际的在上下方向上的位置相加该修正值，也能够计算到物镜成为聚焦状态(到返回光与双部分传感器的中心一致)的移动量。这样，即使实际上未成为聚焦状态，因为只要进入附近范围即可，所以能够连续扫描测量工件来测量测量工件的表面形状，能够缩短测量时间。另外，在双部分传感器的两个传感器的电压差处于附近范围外时，当停止测量工件的水平方向的连续扫描时，即使是形状变化多的表面形状，也不会增大测量误差或者缺失测量数据，能够进行更准确的形状测量。(关于美国的指定)本国际专利申请涉及美国的指定，关于2009年2月2日申请的日本国专利申请第 2009-21903 Q009年2月2日申请)援引基于美国专利法第119条(a)的优先权的利益，引用有关公开内容。
权利要求
1.一种非接触表面形状测量方法，其对测量工件的表面在上下方向上实施使用激光探针的自动聚焦控制，并在水平方向上连续扫描测量工件，根据被控制在双部分传感器的中心接受激光探针的返回光的自动聚焦光学系统的物镜在上下方向上的移动量来测量测量工件的表面形状，其特征在于，检测所述双部分传感器的两个传感器间的电压差，检测所检测出的电压差是否在相对于离开聚焦位置的位移成为线性的附近范围内，在电压差处于附近范围内时，计算物镜在上下方向上的相对于聚焦位置的修正值，对物镜实际的在上下方向上的位置相加修正值，计算物镜在上下方向上的移动量。
2.根据权利要求1所述的非接触表面形状测量方法，其特征在于，在所述检测出的电压差不在所述附近范围内时，在其进入所述附近范围内之前，停止在所述水平方向上的连续扫描。
3.根据权利要求1或2所述的非接触表面形状测量方法，其特征在于，把所述附近范围扩展到所述双部分传感器能够检测电位差的范围，即扩展到所检测出的电位差相对于离开聚焦位置的位移为非线性的范围。
4.一种非接触表面形状测量装置，其对测量工件的表面在上下方向上实施使用激光探针的自动聚焦控制，并根据自动聚焦光学系统的物镜在上下方向上的移动量来测量测量工件的表面形状，其特征在于，具有扫描器，其相对于所述物镜的光轴在水平方向上连续扫描所述测量工件；以及控制器，其控制所述物镜在上下方向上的移动量，使得在双部分传感器的中心接受所述激光探针的返回光，所述控制器检测所述双部分传感器的两个传感器间的电压差，检测所检测出的电压差是否在与离开聚焦位置的位移关联的附近范围内，在电压差处于附近范围内时，计算物镜在上下方向上的相对于聚焦位置的修正值，对物镜实际的在上下方向上的位置相加修正值，计算物镜在上下方向上的移动量。
5.根据权利要求4所述的非接触表面形状测量装置，其特征在于，所述附近范围是所述检测出的电位差与离开聚焦位置的位移有线性关系的范围。
6.根据权利要求4或5所述的非接触表面形状测量装置，其特征在于，在所述检测出的电压差不在所述附近范围内时，在其进入所述附近范围内之前，停止所述水平方向上的连续扫描。
全文摘要
即使来自测量工件(1)的返回光(L’)与双部分传感器(S)的中心不一致，也能够在双部分传感器(S)的两个传感器(a、b)的电压差进入附近范围内时，根据该电压差计算修正值，对物镜(4)实际的在上下方向上的位置相加该修正值，由此计算直到物镜单元(4)成为聚焦状态(直到返回光(L’)与双部分传感器的中心一致为止)的移动量。
文档编号G01C3/06GK102301200SQ201080006079
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月28日 优先权日2009年2月2日
发明者三浦胜弘, 古田岛秀夫, 塚本贵雄, 广濑 一, 石间实 申请人:三鹰光器株式会社