三维形状测量装置的制作方法

专利名称：三维形状测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精度10 100纳米级的超高精度的三维形状测量装置。特别是， 本发明所涉及的三维形状测量装置，能够以10 100纳米级的超高精度对在照相机、摄像机或光盘等中使用的非球面透镜的透镜面和外径进行扫描测量，进而测量透镜面相对于外径的中心偏移，另外，能够对脱模的公模和母模的间隙、微孔或齿轮等的形状和基准面等具有三维形状的测量物进行扫描测量。
背景技术：
非球面透镜如果不能以形状精度为万分之一毫米、也就是100纳米以下进行制作，就发挥不出性能，从而，直至约1980年前，都由于无法测量如此高的形状精度，一直没有制作出非球面透镜。为此发明了一种三维测量仪，能够以10 100纳米级的超高精度对非球面透镜面的形状进行扫描测量、且不会损伤表面的0. 15 0. 3mN这样的低测量力对透镜面进行扫描测量。该三维测量仪的构成如专利文献1所述，同时专利文献2、3叙述了探测器。专利文献1中叙述的构成是，以远远超过XY载物台(stage)的平直度精度1微米的、10纳米级高平面度的三块基准镜作为XYZ坐标轴的基准，利用稳态激光在测量点的轴上测量XYZ坐标，从而使阿贝的误差最小，实现10纳米级的坐标轴精度。专利文献2中叙述了一种探测器，是在以0. 15 0. 3mN的低测量力在Z方向上响应性良好地运动，而在XY方向上不倾斜的高刚性的微型气动滑块(air slide)上安装触头 (stylus)。这种探测器能够沿着非球面透镜面响应性良好地运动，能够从零度到75度追随着透镜面的倾斜角度进行测量。将所述稳态激光直接与安装在触头上方的反射镜相抵，由反射光测量Z坐标，从而，能够实现非球面透镜面的10纳米级的超高精度测量。这是一种微型气动滑块由薄的板簧悬吊的结构。专利文献3中的探测器不是用板簧支撑微型气动滑块、而是一种利用磁力使微型气动滑块形成非接触悬浮。这些专利文献2、3能够对非球面透镜面进行10纳米级的超高精度测量，却不能测量非球面透镜外径的侧面。另一方面，上面和侧面都能够测量的三维测量仪如专利文献4、5所述，不过这不是能够测量需要精度100纳米的非球面透镜的超高精度的测量仪。专利文献6、7所述的发明是一种能够测量侧面的探测器，在探测器部设置支点， 前端带有触头的触头轴依靠从横向对触头施加的测量力，能够以所述支点为中心环绕XY 轴倾斜，在所述触头轴上方安装反射镜，该反射镜的倾斜角度利用激光进行检测。所述支点在Z方向上不运动，从而，只以触头轴的倾斜角度就能够无误差地确定触头相对于探测器部的XY方向位移位置，因此能够以150纳米的精度测量侧面形状。专利文献8所述的发明，若安装透镜面测量用探测器则能够以10 100纳米的超高精度测量非球面透镜面的形状，如果安装用于侧面测量的探测器则也能够以150纳米的精度测量透镜外径侧面，在降低测量精度的情况下，也能够设置可以测量上面和侧面双方的探测器。专利文献9所述的发明是一种能够同时以10 100纳米的超高精度测量非球面透镜面的上下面形状的测量仪，揭示了一种为使上下探测器减小且简单而将半导体激光、 光检测器和衍射光栅设置为一体、能够检测聚焦误差信号的相对位置测量部。专利文献10所述的发明中，关于利用侧面也能够测量的探测器进行扫描测量的方法进行了记载。专利文献1 JP专利第3046635号公报专利文献2 JP专利第3000819号公报专利文献3 JP专利第似91849号公报专利文献4 JP专利第1792338号公报专利文献5 JP特开2007-2187 号公报专利文献6 JP特开2006-284410号公报专利文献7 :W007/135857号公报专利文献8 JP特开2008-292236号公报专利文献9 JP专利第似60180号公报专利文献10 JP特开2009-293992号公报最近，搭载在数码相机或便携电话上的摄像头等众多光学制品中，存在小型化、低成本化的要求的同时，还存在与其相反的如高清晰度或高倍率等性能显著提升的要求，按照这些要求，所使用的非球面透镜不仅要实现透镜面的形状精度，而且包括外径在内的整体精度提升也成为课题。不过，所述现有各文献的构成中，都不能以必要的精度、即透镜面是10 100纳米、侧面是100纳米的精度对例如非球面透镜的透镜面和侧面进行测量。

发明内容
本发明就是为了解决上述现有的问题而做出的，其目的在于提供一种能够以 10 100纳米的超高精度对测量物的上面和侧面双方进行扫描测量的三维形状测量装置。为了实现所述目的，本发明采用如下构成。根据本发明的第一方式，提供一种三维形状测量装置，包括第一可动部，其具有沿Z方向配置的气动滑块、配置在所述气动滑块一端的上面触头、分别配置在所述气动滑块另一端的第一反射镜和弹力产生部；第二可动部，其至少具有使该第一可动部沿所述Z方向移动的所述气动滑块的导向部、支承所述弹力产生部从而悬吊支撑所述第一可动部的弹力支撑部；支撑部，其以所述第二可动部能够沿所述Z方向移动的状态连结支撑所述第二可动部；Z驱动部，其相对于所述支撑部沿Z方向驱动所述第二可动部；相对位置测量部，其测量所述第一可动部和所述第二可动部的相对位置；Z2坐标检测部，其将来自稳态激光光源的稳态激光向所述第一反射镜照射，由来自所述第一反射镜的反射光测量所述上面触头的Z方向移动量；XY驱动部，其沿垂直于所述Z方向的X方向及Y方向驱动所述支撑部或测量物；
XY坐标检测部，其测量基于所述XY驱动部产生的所述支撑部或所述测量物的XY 方向移动量，检测X坐标和Y坐标；可动倾斜部，其在沿所述X方向或所述Y方向从所述上面触头配置在所述第二可动部上的位置离开的位置配置在所述第二可动部上，一端具有侧面触头，利用连结机构将所述侧面触头相对于所述Z方向能够倾斜地与所述第二可动部进行连结；倾斜角度测量部，其测量所述可动倾斜部的倾斜角度；侧面触头位移检测部，其由所述倾斜角度测量部获得的所述倾斜角度来计算所述侧面触头相对于所述第二可动部的X位移和Y位移；测定点位置运算机构，其在由所述XY坐标检测部检测出的所述X坐标及Y坐标上，加上由所述侧面触头位移检测部计算的所述侧面触头的X位移和Y位移，计算利用所述侧面触头进行的所述测量物的测量点的X坐标及Y坐标。根据本发明的第二方式，在第一方式所述的三维形状测量装置的基础上，还具备第一可动部动作停止装置，其在利用所述侧面触头进行测量时，停止第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动；相对位置测量部，其在利用所述第一可动部动作停止装置停止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动的状态下检测所述第一可动部相对于所述第二可动部的Z方向位置。根据本发明的第三方式，在第二方式所述的三维形状测量装置的基础上，所述第一可动部动作停止装置是一种切换阀，其将向沿所述Z方向移动所述第一可动部的所述气动滑块供给的压缩空气切换成真空吸引。根据本发明的第四方式，在第一方式所述的三维形状测量装置的基础上，包括聚焦控制部，其在所述上面触头沿所述XY方向扫描所述测量物的表面的情况下， 所述第一可动部沿着所述测量物的表面高度变化在所述Z方向上运动时，产生沿所述Z方向驱动所述第二可动部的信号以使从所述相对位置测量部获得的所述第一可动部和所述第二可动部的相对位置为恒定(一定)；Z轴移动指示部，其产生用于沿所述Z方向驱动所述第二可动部以使所述侧面触头沿所述测量物表面的所述Z方向进行扫描；Z轴信号切换部，其切换成来自所述聚焦控制部的信号和来自所述Z轴移动指示部的信号中任意一个信号，传递给所述Z驱动部。根据本发明的第五方式，在第四方式所述的三维形状测量装置的基础上，还具备第一可动部动作停止装置，其利用所述侧面触头进行测量时，停止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动；相对位置测量部，其在利用所述第一可动部动作停止装置停止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动的状态下检测所述第一可动部相对于所述第二可动部的Z方向位置。根据本发明的第六方式，在第五方式所述的三维形状测量装置的基础上，所述第一可动部动作停止装置是一种切换阀，其将向沿所述Z方向移动所述第一可动部的所述气动滑块供给的压缩空气切换成真空吸引。根据本发明的第七方式，在第五方式的三维形状测量装置的基础上，所述第一可动部动作停止装置在所述上面触头与所述测量物接触的状态下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可动部相对于所述第二可动部的位置为恒定位置的状态的时刻(时机)，停止所述第一可动部相对于所述第二可动部的所述Z方向运动。根据本发明的第八方式，在第六方式所述的三维形状测量装置的基础上，所述第一可动部动作停止装置在所述上面触头与所述测量物接触的状态下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可动部相对于所述第二可动部的位置为恒定位置的状态的时刻(时机)，停止所述第一可动部相对于所述第二可动部的所述Z方向运动。根据本发明的第九方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，其特征在于，包括XY轴移动指示部，其产生用于使所述上面触头沿所述XY方向扫描所述测量物的表面的信号；XY控制部，其驱动控制所述XY驱动部，以使所述侧面触头沿着所述测量物的表面在所述XY方向上移动，并且，在所述可动倾斜部随着所述测量物表面的所述XY方向的变化而倾斜时，驱动控制所述XY驱动部，以使从所述倾斜角度测量部获得的倾斜角度的绝对值为大致恒定；XY轴信号切换部，其切换成来自所述XY轴移动指示部的信号和来自所述XY控制部的信号中任意一个信号，传递给所述XY驱动部。根据本发明的第十方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，所述倾斜角度测量部具备安装在所述可动倾斜部的第二反射镜和将来自光源的光向所述第二反射镜照射并通过检测来自所述第二反射镜的反射光方向从而测量所述倾斜角度的光位置检测器。根据本发明的第十一方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，包括测量物设置部，其设置所述测量物；X基准镜、Y基准镜和Z基准镜，其分别在测量中不改变与该测量物设置部的相对位置且各个镜面相互正交配置；X坐标检测部和Y坐标检测部，其构成所述XY坐标检测部，且将振荡频率的偏离控制在恒定值以下的来自所述稳态激光光源的所述稳态激光向所述X基准镜和所述Y基准镜照射，分别由来自所述X基准镜和所述Y基准镜的反射光检测所述测量物相对于所述支撑部的移动量的X坐标和Y坐标；Zl坐标检测部，其将所述振荡频率的偏离被控制在恒定值以下的来自所述稳态激光光源的所述稳态激光向所述Z基准镜照射，由来自这些所述Z基准镜的反射光检测所述测量物相对于所述支撑部的移动量的Zi坐标；Z坐标计算部，其将由所述Z2坐标检测部检测出的Z2坐标和由所述Zl坐标检测部检测出的所述Zl坐标进行相加，从而计算所述测量物表面上的测量点的Z坐标。根据本发明的第十二方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，供所述第二可动部沿所述Z方向移动的导向部由气动滑块构成，所述第二可动部相对于所述支撑部用第二可动部驱动装置进行驱动。根据本发明的第十三方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，所述XY驱动部的构成是依靠X轴线性马达和Y轴线性马达沿所述XY方向驱动所述第二可动部或所述测量物。根据本发明的第十四方式，在第十一方式所述的三维形状测量装置的基础上，所述Zl坐标检测部在从所述上面触头的中心向Z方向延伸的直线上检测所述测量物的移动量的Zl坐标，所述XY坐标检测部，在从所述上面触头中心的所述Z方向可动范围的中心附近向所述X方向延伸的直线上检测所述X坐标，在从所述上面触头中心的所述Z方向可动范围的中心附近向所述Y方向延伸的直线上检测所述Y坐标。根据本发明的第十五方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，还具备将所述第二可动部相对于所述支撑部的移动量作为Z2坐标进行检测的Z2 坐标检测部。根据本发明的第十六方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，包括侧面Y坐标检测部，其当所述侧面触头位置沿X方向离开所述上面触头位置时，在从所述侧面触头的Z方向可动范围的中心附近向Y轴方向延伸的直线上测量Y坐标；侧面X坐标检测部，其当所述侧面触头位置沿Y方向离开所述上面触头位置时，在从所述侧面触头的Z方向可动范围的中心附近向X轴方向延伸的直线上测量X坐标。根据本发明的第十七方式，在第一 八任意一个方式所述的三维形状测量装置的基础上，包括第一运算部，其当放置球作为所述测量物时，用所述上面触头测量该球表面的多个点，之后由该测量点的点列计算该球的第一中心坐标(Xc，yc，zc)；第二运算部，其用所述侧面触头测量该球表面的多个点，计算由该球的测量数据求得的该球的第二中心坐标(xd，yd, zd)；第三运算部，求出这些第一及第二中心坐标的差，并且与某一方测量数据相加；在所述第三运算部，将所述第一及第二中心坐标的差与所述某一方测量数据相加，从而将所述两个触头所得的测量数据作为相对于被测量面的同一坐标系上的测量数据。(发明效果)根据本发明的三维形状测量装置，由于具备上面触头和侧面触头，因而，能够以测量精度10 100纳米对测量物的上面和侧面双方进行测量。更具体地说，能够以10 100 纳米的精度测量作为测量物一例的非球面透镜和非球面透镜的外形侧面。从而，能够以100 纳米的超高精度对现有无法实现的非球面透镜的透镜面光轴相对于外径的倾斜或偏心进行测量。另外，作为测量物的另一例子，能够准确地测量在照相机、摄像机或光盘等中使用的非球面透镜的光轴相对于外径的偏离，因此，能够制作光轴不会偏离的透镜，能够成品率高地制作更高画质、大容量、轻量的使用非球面透镜的制品。另外，作为测量物的其他例子， 还能够短时间扫描测量脱模的上面和侧面的间隙、微孔或齿轮等的形状和基准面等。
本发明的其他目的和特征，通过关于附图进行的与最佳实施方式相关联的以下叙述来阐明。


图1是本发明第一实施方式的三维形状测量装置的第二可动部的放大图。图2是本发明第一实施方式的机械构成的主视图。图3是本发明第一实施方式的机械构成的右视图。图4是本发明第一实施方式的控制构成图。图5是本发明第一实施方式的控制构成图。图6A是用以说明本发明第一实施方式的动作的图。图6B是本发明第一实施方式的动作流程图。图7A是表示本发明第一实施方式的光路构成的俯视图。图7B是表示本发明第一实施方式的光路构成的主视图。图7C是表示本发明第一实施方式的测量点位置运算部构成的图。图8A是表示本发明第二实施方式的光路构成的俯视图。图8B是表示本发明第二实施方式的光路构成的主视图。图9A是表示本发明第三实施方式的向上面探测器的气动滑块供给压缩空气的状态的主视图。图9B是表示本发明第三实施方式的将上面探测器的气动滑块的配管切换成真空配管的状态的主视图。图10是表示本发明第三实施方式的阻止第一可动部的Z方向运动而计算出上面探测器和侧面探测器的相对位置的顺序的图。图11是表示本发明第三实施方式的阻止第一可动部的Z方向运动的时机的图。图12是表示本发明第三实施方式的相对位置测量部的信号的图。图13是表示本发明第三实施方式的阻止第一可动部的Z方向运动而计算出上面探测器和侧面探测器的相对位置之后，利用上面触头和侧面触头进行测量物测量的顺序的图。图14是表示本发明第一实施方式的Y坐标检测部内部结构的框图。图15是表示本发明第一实施方式的X坐标检测部内部结构的框图。
具体实施例方式首先，在继续阐述本发明之前要说明的是，对附图中相同部件附以相同参照符号。以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行说明。(第一实施方式)图1是本发明第一实施方式的三维形状测量装置的第一可动部1和包括可动倾斜部2i的第二可动部2的放大主视图。图2是本发明第一实施方式的形状测量装置的主视图，图3是本发明第一实施方式的形状测量装置的右视图。图4是表示用本发明第一实施方式的形状测量装置的上面触头Ia对测量物7上面7a进行测量时的控制构成一例的说明图。图5是表示用本发明第一实施方式的形状测量装置的侧面触头2ia对测量物7侧面7b进行测量时的控制构成一例的说明图。图1中，第一可动部1包括上面触头la、第一反射镜lb、沿Z方向配置且具有XY方向上不振动这种程度的刚性的气动滑块Ic和作为弹力产生部一例发挥作用的可动轭Id。 在气动滑块Ic的一端(图1中是下端)具有上面触头la，同时在气动滑块Ic的另一端(图 1中是上端)经由可动轭Id具有第一反射镜lb。气动滑块Ic沿着作为导向部一例发挥作用的空气轴承加在Z方向上可动。可动轭Id为销子(pin)状，安装在第一可动部1的气动滑块Ic的另一端即上部。 作为支承可动轭id的弹力支撑部一例发挥作用的磁力回路池由安装在第二可动部2上的磁铁2b和固定轭2c形成，基于该磁力回路产生的引力，在图1中可动轭Id以非接触的状态被左右吸引，防止第一可动部1旋转和第一可动部1由于重力作用而落下，作为弹力产生部一例发挥作用。依靠该可动轭Id和磁力回路池，第一可动部1相对于第二可动部2在均衡的位置悬浮。若对上面触头Ia下端作用Z方向的测量力，则可动轭Id与该测量力呈比例地从均衡位置偏离。还有，作为弹力产生部一例，也可以不采用所述磁力回路而采用板簧。关于该第一可动部1从均衡位置的偏离量，利用相对位置测量部2d检测粘贴在第一可动部1上端的第一反射镜Ib的位移，同时，关于第一可动部1的Z坐标，从固定在支撑部4的稳态激光电源5输出的输出光由2块半透半反镜(未图示)分离成Z2坐标测量用稳态激光6，该Z2坐标测量用稳态激光6完全透过分色镜2dc，由透镜2de聚光在第一反射镜lb，通过来自该第一反射镜Ib的反射光能够以纳米级的超高精度测量第一可动部1的Z 坐标。支撑部4固定在固定门柱(日语石门柱)11，固定门柱11固定在固定基座(日语石定盘)10上。第二可动部2大体上是在其下端部分别沿Z方向能够升降地支撑上面探测器102 和侧面探测器101，相对于支撑部4沿Z方向能够升降地被支撑。第二可动部2包括以下等装置，沿Z方向配置的空气轴承2a、环状磁铁2b、环状固定轭2c、相对位置测量部2d、沿Z 方向固定在第二可动部2本体2τ下端的一端部的上面探测器框加、与上面探测器框2e并排地沿Z方向固定在第二可动部2本体2τ下端的另一端部的侧面探测器框2f、横柱2g、可动倾斜部2i、倾斜角度测量部2j、固定侧磁铁2k、Z驱动部2m、大气动滑块2η，大气动滑块 2η沿着固定在支撑部4上的大空气轴承如在Z方向上能够滑动。第二可动部2的Z方向可动范围覆盖该三维形状测量装置的Z方向的测量范围， XY驱动装置8的XY方向可动范围覆盖该三维形状测量装置的XY方向的测量范围。第二可动部2的重量利用上端支撑在支撑部4上的恒定负载弹簧3从支撑部4悬垂支承。第二可动部2利用由配置在两侧部的总计2个线圈构成的Z驱动部an相对于支撑部4沿Z方向被驱动。相对位置测量部2d是固定在第二可动部2上、测量并输出第一可动部1相对于第二可动部2的相对位置的装置，包括半导体激光聚焦检测器2da、衍射光栅2db、分色镜2dc、 透镜2dd、透镜2de。半导体激光聚焦检测器2da呈阵列状配置有射出半导体激光的半导体激光器和接收并检测半导体激光的光检测器。来自半导体激光聚焦检测器2da的半导体激光透过衍射光栅2db和透镜2dd，由分色镜2dc进行反射，由透镜2de聚光在第一可动部1 上的第一反射镜Ib上。来自第一反射镜Ib的反射光再次透过透镜2de，在分色镜2dc进行反射，透过透镜2dd，由衍射光栅2db进行分离，利用半导体激光聚焦检测器2da检测第一反射镜Ib的Z方向的焦点偏离。另外，该相对位置测量部2d也可以用静电容量传感器替代。可动倾斜部2i包括侧面触头2ia、连结机构104的支点构成2ib、第二反射镜2ic 和可动侧磁铁2id。可动倾斜部2i以连结机构104的支点构件2ib的尖的下端为中心，在连结固定在侧面探测器框2f上的四边形截面形状的横柱2g的上面能够向任意方向倾斜， 可动侧磁铁2id对固定侧磁铁业作用引力，从而，产生阻碍侧面触头2ia倾斜的弹力。侧面探测器101具有使侧面触头2ia沿XY方向倾斜的构成。这种侧面探测器101 包括侧面探测器框2f、下端具有侧面触头2ia的可动倾斜部2i和连结机构104。侧面探测器框2f是在第二可动部2上进行固定或者能够拆装地进行安装的模块构件。侧面探测器框2f是相对于可动倾斜部2i的摆动而固定的构件，中央部具有贯通该侧面探测器框2f的激光用开口 2fp，以使来自固定在第二可动部2的光源2ja的光能够通过。侧面探测器框2f形成圆筒形，具有其内部收纳可动倾斜部2i这样的位置关系。可动倾斜部2i和侧面探测器框2f由连结机构104连结。连结机构104是将可动倾斜部2i 支撑在侧面探测器框2f上的机构，能使可动倾斜部2i在与向反射镜2ic照射的来自光源 2ja的光的光轴交叉的任意方向上倾斜而摆动。第一实施方式中，连结机构104包括固定在侧面探测器框2f上的棱柱的横柱(载置台)2g、安装在可动倾斜部2i的支点构件2ib。横柱2g在其上面形成圆锥形槽，支点构件2ib的尖端嵌入该圆锥形槽中。两者嵌入时，形成的构成是在横柱2g的圆锥槽最下点接触支点构件2ib的尖端位置，从而，可动倾斜部2i和侧面探测器框2f以该支点构件2ib和横柱2g的圆锥槽的接触部分为摆动中心能够摆动地相连结。还有，优选是可动倾斜部2i 形成的构成是在支点构件2ib嵌入横柱2g的槽中进行连结时，使重心位于支点构件2ib前端的竖直方向下侧，以使侧面触头2ia朝向竖直方向。可动倾斜部2i具有与测量物7侧面的被测量面7b接触的侧面触头2ia、对通过侧面探测器框2f的来自光源2 ja的光进行反射的反射镜2ic，是与按照被测量面7b形状产生的侧面触头2ia位移相对应地，相对于侧面探测器框2f进行摆动的构件。反射镜2ic固定在可动倾斜部2i的中心部，接收来自光源2ja的光。可动倾斜部2i在第一实施方式中具备本体部2it，本体部2it中央具备沿纸面贯通方向贯通设置的贯通孔2ip，前端设有侧面触头2ia的臂2if从本体部2it的外侧下壁、 即四方筒形状的本体部2it垂下。另外，在本体部2it的上面安装所述反射镜2ic。另外，在本体部2it的内侧上壁即贯通孔2ip的上面，设置针状的支点构件2ib。 连结机构104的横柱2g贯通本体部2it的贯通孔2ip进行配置。从而，可靠地防止可动倾斜部2i和侧面探测器框2f脱落。还有，第一实施方式中，侧面触头2ia是具有例如约0. 3mm 约2mm直径的球状体，臂2if作为一例是粗细(直径)约为0. 7mm、且从固定臂2if的本体部下面到侧面触头 2ia中心长度L约IOmm的棒状构件。这些值按照测量物7的形状适当进行变更。另外，可动倾斜部2i的构成只要是基于支点能够摆动地配置在横柱2g上的构成即可，并没有限定于上述构成。若对侧面触头2ia从XY方向作用测量力，则可动倾斜部2i与其测量力呈比例地倾斜。关于配置在第二可动部2上的倾斜角度测量部2j，将从固定在第二可动部2上的光源2ja发出的光通过固定在第二可动部2上的透镜2jb聚光，向粘贴在第二可动部2的可动倾斜部2i的本体部2it上面的第二反射镜2ic照射。将来自第二反射镜2ic的反射光向固定在第二可动部2上的光位置检测器、即二维PSD2jc照射，测量光位置(来自第二反射镜2ic的反射光的方向)，从而，能够检测可动倾斜部2i的倾斜角度。如图2及图3所示，测量物7设置在测量物设置部18上，测量物设置部18被支撑在固定基座10上。另外，X基准镜12、Y基准镜13和Z基准镜19分别相互正交地配置且固定在同一测量物设置部18上，基于XY驱动部8沿与Z方向正交的XY方向移动。XY驱动部8具备X轴导向件8a和Y轴导向件8b，由于X轴导向件8a的引导，利用作为X轴驱动部一例的X轴线性马达8c使测量物设置部18沿X方向相对于固定基座10 移动，并且，由于Y轴导向件8b的引导，利用作为Y轴驱动部一例的Y轴线性马达8d使测量物设置部18沿Y方向相对于固定基座10移动。稳态激光光源5发出遵照世界长度标准的高精度波长的稳态激光、即射出振荡频率的偏离控制为恒定值(一定值)以下的稳态激光，向X基准镜12、Y基准镜13和Z基准镜19照射。该激光由多个半透半反镜(未图示)分离为Z2坐标测量用稳态激光6、Zl坐标测量用稳态激光16、X坐标测量用稳态激光14、Y坐标测量用稳态激光15四个。若上面触头Ia和侧面触头2ia的高度、也就是Z方向的位置与第二可动部2的Z 方向移动范围相比，则几乎没有高低差，为大致相同高度。将所述X坐标测量用稳态激光14 和Y坐标测量用稳态激光15设定在这些上面触头Ia和侧面触头2ia的Z移动范围的中央附近高度。这是因为若在测量点的高度附近测量XY坐标，则即使XY驱动部8由于颤动而倾斜，也很难发生测量误差。Z2坐标测量用稳态激光6聚光在图1的第一可动部1的第一反射镜Ib上，由第一反射镜Ib反射，来自第一反射镜Ib的反射光进入坐标检测部17的Z2坐标检测部17d，在 Z2坐标检测部17d检测第一反射镜Ib的Z坐标的位移即Z2。第一反射镜Ib是与上面触头Ia—体的第一可动部1的一部分，上面触头Ib与测量物7的被测量面7a相接，因此，在 Z2坐标检测部17d对测量物7的测量点的Z坐标的位移Z2进行测量。XY驱动部8即使怎么在机械上高精度制作完成，在移动精度上也存在界限，在X轴及Y轴上均不能以10纳米的平直精度运动。其理由是因为，如果只驱动X轴等一个轴，则不会达不到10纳米级的平直精度，而在驱动两个轴时，若重量分布变化以及被测量物7的重量变化则移动平直度进一步变化。因此，通过采用将达到10纳米平面度的镜作为CTZ基准镜配置、以这些XYZ基准镜的镜面作为XYZ坐标轴的构成，从而，能够实现超过XY驱动部 8移动精度的测量精度。例如，若使测量物7不仅XY方向运动，而且连Z方向上也运动，则在测量物设置部 18上安装XY基准镜，因此还修正Z移动平直度，不过，若进行包括测量物7的上下驱动，则由于重量变重，因此伺服响应性变差，因此不宜采用该方法。另外，如前所述，只驱动Z方向的一个轴，第二可动部2的重量也大致恒定(一定)，因此，关于Z方向也能够提高第二可动部2的移动平直精度。
在优化第二可动部2的移动平直精度的同时，也必须优化响应速度。因而采用的构成是，具备由2个线圈构成的Z驱动部2m，并且，相对于在支撑部4配置的2个磁力回路 4b，配置Z驱动部2m，以使重心驱动第二可动部2，大气动滑块2η沿着大空气轴承如运动。大气动滑块2η和大空气轴承如刚性高，施加转矩也很难发生倾斜，不过，细微的倾斜也成为测量误差的要因，因此，重心驱动是必要的。重心驱动的意思是，在距离第二可动部2重心大致等距离的左右位置分别安装Z驱动部2m，从而，使驱动力加载在第二可动部2的重心附近，以使不会对第二可动部2施加转矩，从而，能够使第二可动部2不倾斜地上下运动。由一对线圈构成的Z驱动部ail和在与所述线圈的Z驱动部ail对应的位置安装在支撑部4上的一对磁力回路4b，构成左右一对线性马达。一对线性马达，在第二可动部2的重心附近产生驱动力，因此，在第二可动部2上不产生旋转力。该一对线性马达作为用以使第二可动部2相对于支撑部4沿Z方向移动的第二可动部驱动装置的一例发挥作用。在此， 带有“大”是为了区别于气动滑块lc、空气轴承2a，若将前面的气动滑块lc、空气轴承加分别取作“第一”气动滑块Ic及“第一”空气轴承2a，则这些大气动滑块2η及大空气轴承如也可以分别取作“第二”气动滑块2η及“第二”空气轴承如。恒定负载弹簧3从第二可动部2的大致重心，以与第二可动部2重量均衡的拉力 (张力)，相对于支撑部4悬吊第二可动部2。Z基准镜19配置在XY驱动部8的测量物设置部18正下方，通过Zl坐标测量用稳态激光16，由Zl坐标检测部17c对测量物设置部18向Z方向的偏离量Zl进行测量。此时，Zl坐标检测部17c在从上面触头Ia的中心沿Z方向延伸的直线上检测测量物7移动量的Zl坐标。还有，各轴的坐标以相同的原理进行测量。作为一例，其测量原理为公知的激光测长，例如，关于Zl坐标，是将Zl坐标测量用稳态激光16分离成参照光和测量光，参照光与固定反射镜(未图示)相抵而被反射，测量光与Z基准镜19相抵而被反射，使这些光经Zl坐标检测部17c在2个光检测器9 (未图示)上发生干涉，根据由于光干涉产生的明暗变化对Z基准镜19相对于固定基座10的细小的上下运动、即Zl坐标进行测量。其他轴的坐标也同样进行测量。静止坐标系中上面触头Ia位置的Z坐标为Z2，不过，测量物7只在Z方向上发生偏离Z1，因此，以测量物7为基准的坐标系中的上面触头Ia位置的Z坐标的测量值&成为Z1+Z2。从而，根据Zl坐标检测部17c检测的Zl的信息和Z2坐标检测部17d检测的Z2 的信息，由坐标检测部17内的Z坐标计算部17e计算该Z坐标的测量值&。具体地说，通过由Zl坐标检测部17c检测的Zl坐标和由Z2坐标检测部17d检测的Z2坐标的相加，由 Z坐标计算部17e计算测量物7表面上的测量点的Z坐标。同样地，还可以修正XY驱动部8的X方向及Y方向的移动平直度的偏离，为了测量以测量物为基准的坐标系中由上面触头Ia测得的测量点的XY坐标(Px、Py)，在测量物设置部18上设置X基准镜12和Y基准镜13，向X基准镜12照射X坐标测量用稳态激光 14，使来自X基准镜12的反射光进入坐标检测部17的X坐标检测部17a，由X坐标检测部 17a测量X坐标1^。另外，向Y基准镜13照射Y坐标测量用稳态激光15，使来自Y基准镜 13的反射光进入坐标检测部17的Y坐标检测部17b，由Y坐标检测部17b测量Y坐标Py。这样一来，坐标检测部17形成的构成是具有X坐标检测部17a、Y坐标检测部17b、Zl坐标检测部17c、Z2坐标检测部17d。X坐标检测部17a和Y坐标检测部17b测量由XY 驱动部8产生的支撑部4或测量物7的XY方向移动量，检测X坐标和Y坐标(换言之，通过来自X基准镜12和Y基准镜13的反射光，检测测量物7相对于支撑部4的移动量的X 坐标和Y坐标)。X坐标检测部17a在从上面触头Ia中心的Z方向可动范围的中心附近沿 X方向延伸的直线上检测X坐标。Y坐标检测部17b在从上面触头Ia中心的Z方向可动范围的中心附近沿Y方向延伸的直线上检测Y坐标。以上列举了一例是X坐标检测部17a和 Y坐标检测部17b分别独立构成，不过，也可以由1个XY坐标检测部构成。Zl坐标检测部 17c根据来自Z基准镜19的反射光，对测量物7相对于支撑部4的移动量的Zl坐标进行检测。Z2坐标检测部17d根据来自第一反射镜Ib的反射光，检测Z坐标的位移即Z2坐标。还有，也可以取代使测量物7和3块)^Z基准镜12、13、19在测量物设置部18上沿 XY方向移动的结构，而将测量物7和3块CTZ基准镜12、13、19固定，使包括探测器部(第二可动部2)在内的支撑部4沿XY方向移动。利用上面触头Ia测量测量物7的上面测量面7a时，如图4所示，按照来自伺服信息存储部38的表示上面测量的信号，XY轴信号切换部27将XY轴移动指示部35、X轴驱动控制部40和Y轴驱动控制部41相连，因此，按照从扫描信息存储部39经由XY轴移动指示部35分别输入到X轴驱动控制部40和Y轴驱动控制部41的表示XY轴移动量和移动速度的信号，分别驱动控制XY驱动部8的X轴线性马达8c和Y轴线性马达8d，沿XY方向相对移动的同时，用上面触头Ia对测量物7上面的测量面7a进行测量。当用上面触头Ia对测量物7的上面测量面7a进行测量时，从例如没有图示的输入装置向控制部观输入对测量物7上面的测量面7a进行测量的指令，从而，控制部观判定到对测量物7上面的测量物7a 进行测量，输出来自伺服信息存储部38的表示上面测量的信号。XY轴移动指示部35产生用以使上面触头Ia沿XY方向扫描测量物7表面(上面)的信号。另外，XY轴信号切换部 27切换成来自XY轴移动指示部35的信号和来自后述XY控制部34的信号中任一个，将其信号传递给XY驱动部8。另外，按照来自伺服信息存储部38的表示上面测量的信号，Z轴信号切换部32将聚焦控制部四和Z轴驱动控制部42相连，因此，根据从相对位置测量部2d输出的第一可动部1相对于第二可动部2的相对位置的信息，在第一可动部1相对于第二可动部2的相对位置为恒定的状态下利用Z轴驱动控制部42驱动控制Z驱动部an。当上面触头Ia沿XY方向扫描测量物7表面(上面)的情况下，第一可动部1随着测量物7表面的高度变化在Z方向上运动时，聚焦控制部四产生以从相对位置测量部33 获得的第一可动部1和第二可动部2的相对位置为恒定的方式沿Z方向驱动第二可动部2 的信号。另外，Z轴信号切换部32切换成来自聚焦控制部四的信号和来自Z轴移动指示部36的信号中任意一个，将其信号传递给Z驱动部an。另外，由测量点位置运算部30获得的与测量点接触的上面触头Ia的曲率中心的 XYZ坐标，成为由X坐标检测部17a获得的X坐标Px、由Y坐标检测部17b获得的Y坐标Py、 由Z坐标计算部17e获得的Z坐标&。根据从伺服信息存储部38输入到测量点位置运算部30的表示上面测量的信号，由侧面触头位移检测部33获得的侧面触头2ia的X位移(X 方向位移)和Y位移(Y方向位移)Dx、Dy不进行相加。该测量点位置运算部30，将由侧面触头位移检测部33计算的侧面触头2ia的X位移及Y位移与XY坐标检测部17a、17b检测的X坐标及Y坐标相加，计算由侧面触头2ia测得的测量点的X坐标及Y坐标。另一方面，利用侧面触头2ia测量测量物7的侧面7b时，如图5所示，按照来自伺服信息存储部38的表示侧面测量的信号，XY轴信号切换部27将XY控制部34、X轴驱动控制部40和Y轴驱动控制部41相连。当用侧面触头2ia测量测量物7的侧面7b时，从例如没有图示的输入装置向控制部观输入对测量物7的侧面7b进行测量的指令，从而，控制部 28判定到对测量物7侧面7b进行测量，输出来自伺服信息存储部38的表示侧面测量的信号。从而，根据来自XY控制部；34的指示，经由X轴驱动控制部40和Y轴驱动控制部41驱动控制XY驱动部8。XY控制部34驱动控制XY驱动部8，以使侧面触头2ia沿着测量物7 表面在XY方向上移动，并且，当可动倾斜部2i随着测量物7表面的XY方向的变化而倾斜时，驱动控制XY驱动部8以使从倾斜角度测量部2j获得的倾斜角度的绝对值大致恒定。另外，按照来自伺服信息存储部38的表示侧面测量的信号，Z轴信号切换部32将 Z轴移动指示部36和Z轴驱动控制部42相连。Z轴移动指示部36产生用于在Z方向上驱动第二可动部2的信号，以使侧面触头2ia沿测量物7表面(上面)Z方向进行扫描。从而， 根据来自Z轴移动指示部36的指示，Z轴驱动控制部42驱动控制Z驱动部an。XY控制部34以使侧面触头沿着测量物7的侧面7b位移的绝对值为恒定值C的方式经由X轴驱动控制部40和Y轴驱动控制部41驱动控制XY驱动部8，一面沿XY方向上相对移动，一面用侧面触头2ia测量测量物7的侧面7b。图6A是在测量物的基准坐标系中从Z方向看的图。因而，是测量物7不运动、探测器部(第二可动部2)沿XY方向移动的图。从侧面触头2ia的测量开始前的位置SO开始，将测量中的位置记为Si、S2 · ·、S、· ·。另外，以侧面触头2ia相对于第二可动部2 不位移时的第二可动部2位置为侧面探测器位置P，从测量开始前的位置PO开始，将测量中的位置记为Pl、· ·、P、· ·。侧面触头2ia的位移，成为从位置P连结到位置S的矢量D，由其X分量(X方向位移)和Y分量(Y方向位移)(Dx、Dy)，在⑴式中用XY控制部34分别计算XY驱动部8的移动速度的移动矢量M的X分量Mx和Y分量My，根据XY控制部34计算的移动矢量M的X 分量Mx和Y分量My，由X轴驱动控制部40和Y轴驱动控制部41进行控制的同时，用XY驱动部8驱动XY轴。
权利要求
1.一种三维形状测量装置，其中，包括第一可动部，其具有沿Z方向配置的气动滑块、配置在所述气动滑块一端的上面触头、 分别配置在所述气动滑块另一端的第一反射镜和弹力产生部；第二可动部，其至少具有使该第一可动部沿所述Z方向移动的所述气动滑块的导向部、支承所述弹力产生部而悬吊支撑所述第一可动部的弹力支撑部；支撑部，其以所述第二可动部能够沿所述Z方向移动的状态连结支撑所述第二可动部；Z驱动部，其相对于所述支撑部沿所述Z方向驱动所述第二可动部； 相对位置测量部，其测量所述第一可动部和所述第二可动部的相对位置； Z2坐标检测部，其将来自稳态激光光源的稳态激光向所述第一反射镜照射，由来自所述第一反射镜的反射光测量所述上面触头的Z方向移动量；XY驱动部，其沿垂直于所述Z方向的X方向及Y方向驱动所述支撑部或测量物； XY坐标检测部，其测量所述XY驱动部对所述支撑部或所述测量物的XY方向移动量，而检测X坐标和Y坐标；可动倾斜部，其在所述第二可动部上配置在从所述上面触头配置在所述第二可动部上的位置向所述X方向或Y方向离开的位置，一端具有侧面触头，利用连结机构将所述侧面触头相对于所述Z方向能够倾斜地连结在所述第二可动部上； 倾斜角度测量部，其测量所述可动倾斜部的倾斜角度；侧面触头位移检测部，其由所述倾斜角度测量部获得的所述倾斜角度计算出所述侧面触头相对于所述第二可动部的X位移和Y位移；和测量点位置运算机构，在由所述XY坐标检测部检测出的所述X坐标及Y坐标上，加上由所述侧面触头位移检测部计算出的所述侧面触头的X位移和Y位移，计算出所述侧面触头对所述测量物的测量点的X坐标及Y坐标。
2.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中，还具备第一可动部动作停止装置，其在利用所述侧面触头进行测量时，阻止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动；和相对位置测量部，其在利用所述第一可动部动作停止装置阻止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动的状态下检测所述第一可动部相对于所述第二可动部的Z方向位置。
3.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其中，所述第一可动部动作停止装置是切换阀，将向使所述第一可动部沿所述Z方向移动的所述气动滑块供给的压缩空气切换成真空吸引。
4.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其中， 包括聚焦控制部，其在所述上面触头沿所述XY方向扫描所述测量物表面的情况下，当所述第一可动部沿着所述测量物表面的高度变化在所述Z方向上运动时，产生沿所述Z方向驱动所述第二可动部的信号以使从所述相对位置测量部获得的所述第一可动部和所述第二可动部的相对位置恒定；Z轴移动指示部，其产生用于沿所述Z方向驱动所述第二可动部以使所述侧面触头沿所述测量物表面的所述Z方向进行扫描；和Z轴信号切换部，其切换成来自所述聚焦控制部的信号和来自所述Z轴移动指示部的信号中任一个信号，传给所述Z驱动部。
5.根据权利要求4所述的三维形状测量装置，其中，还具备第一可动部动作停止装置，其利用所述侧面触头进行测量时，阻止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动；和相对位置测量部，其在利用所述第一可动部动作停止装置阻止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动的状态下检测所述第一可动部相对于所述第二可动部的Z方向位置。
6.根据权利要求5所述的三维形状测量装置，其中，所述第一可动部动作停止装置是一种切换阀，将向使所述第一可动部沿所述Z方向移动的所述气动滑块供给的压缩空气切换成真空吸引。
7.根据权利要求5所述的三维形状测量装置，其中，所述第一可动部动作停止装置在所述上面触头与所述测量物接触的状态下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可动部相对于所述第二可动部的位置为恒定位置的状态的时刻，阻止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动。
8.根据权利要求6所述的三维形状测量装置，其中，所述第一可动部动作停止装置在所述上面触头与所述测量物接触的状态下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可动部相对于所述第二可动部的位置为恒定位置的状态的时刻，阻止所述第一可动部相对于所述第二可动部在所述Z方向上运动。
9.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，包括XY轴移动指示部，其产生信号用以使所述上面触头沿所述XY方向扫描所述测量物的表面；XY控制部，其控制所述XY驱动部驱动，以使所述侧面触头沿着所述测量物的表面在所述XY方向上移动，并且，在所述可动倾斜部随着所述测量物表面的所述XY方向的变化而倾斜时，控制所述XY驱动部驱动，以使从所述倾斜角度测量部获得的倾斜角度的绝对值大致恒定；和XY轴信号切换部，其切换成来自所述XY轴移动指示部的信号和来自所述XY控制部的信号中任一个信号，传给所述XY驱动部。
10.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，所述倾斜角度测量部具备第二反射镜，其安装在所述可动倾斜部；和光位置检测器，其将来自光源的光向所述第二反射镜照射，通过检测来自所述第二反射镜的反射光方向从而测量所述倾斜角度。
11.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，包括测量物设置部，其设置所述测量物；X基准镜、Y基准镜和Z基准镜，其以在测量中分别不会改变与该测量物设置部的相对位置的方式彼此将各个镜面相互正交配置；X坐标检测部和Y坐标检测部，其构成所述XY坐标检测部，并且，将振荡频率的偏离控制在恒定值以下的来自所述稳态激光光源的所述稳态激光向所述X基准镜和所述Y基准镜照射，分别由来自所述X基准镜和所述Y基准镜的反射光检测所述测量物相对于所述支撑部的移动量的X坐标和Y坐标；Zl坐标检测部，其将所述振荡频率的偏离被控制在恒定值以下的来自所述稳态激光光源的所述稳态激光向所述Z基准镜照射，由来自所述Z基准镜的反射光检测所述测量物相对于所述支撑部的移动量的Zi坐标；和Z坐标计算部，其将由所述Z2坐标检测部检测出的Z2坐标和由所述Zl坐标检测部检测出的所述Zl坐标进行相加，而计算出所述测量物表面上的测量点的Z坐标。
12.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，供所述第二可动部沿所述Z方向移动的导向部由气动滑块构成，由第二可动部驱动装置相对于所述支撑部驱动所述第二可动部。
13.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，所述XY驱动部依靠 X轴线性马达和Y轴线性马达沿所述XY方向驱动所述第二可动部或所述测量物。
14.根据权利要求11所述的三维形状测量装置，其中，所述Zl坐标检测部在从所述上面触头的中心沿Z方向延伸的直线上检测所述测量物的移动量的Zl坐标，所述XY坐标检测部，在从所述上面触头中心的所述Z方向可动范围的中心附近沿所述 X方向延伸的直线上检测所述X坐标，在从所述上面触头中心的所述Z方向可动范围的中心附近沿所述Y方向延伸的直线上检测所述Y坐标。
15.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，还具备将所述第二可动部相对于所述支撑部的移动量作为Z2坐标进行检测的Z2坐标检测部。
16.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，包括侧面Y坐标检测部，其当所述侧面触头位置沿X方向离开着所述上面触头位置时，在从所述侧面触头的Z方向可动范围的中心附近沿Y轴方向延伸的直线上测量Y坐标；和侧面X坐标检测部，其当所述侧面触头位置沿Y方向离开着所述上面触头位置时，在从所述侧面触头的Z方向可动范围的中心附近沿X轴方向延伸的直线上测量X坐标。
17.根据权利要求1 8任意一项所述的三维形状测量装置，其中，包括第一运算部，其当放置球作为所述测量物时，用所述上面触头测量该球表面的多个点后，再由该测量点的点列计算该球的第一中心坐标(XC，yC，zC)；第二运算部，其用所述侧面触头测量该球表面的多个点，计算由该球的测量数据求得的该球的第二中心坐标(xd, yd, zd)；和第三运算部，求出这些第一及第二中心坐标的差，并与某一方的测量数据相加；并且，在所述第三运算部，将所述第一及第二中心坐标的差与所述某一方的测量数据相加，而将所述两个触头的测量数据作为相对于被测量面的同一坐标系上的测量数据。
全文摘要
一种三维形状测量装置，上面触头(1a)能够利用气动滑块1沿XY方向不振动地扫描测量测量物(7)的上面(7a)，利用第一反射镜(1b)和透镜(2de)还能够精度良好地测量Z坐标，侧面触头(2ia)只在XY方向上能够位移而在Z方向不振动，因此能够扫描测量测量物侧面(7b)，侧面触头(2ia)的Z坐标测量利用所述第一反射镜(1b)的Z坐标测量值，能够更高精度地用倾斜角度测量部(2j)测量侧面触头的XY位移。
文档编号G01B11/24GK102401637SQ201110242010
公开日2012年4月4日 申请日期2011年8月23日 优先权日2010年9月9日
发明者久保圭司, 吉住惠一, 土居正照, 舟桥隆宪 申请人:松下电器产业株式会社