形状测量装置的制作方法

本发明涉及一种测量测量对象的表面形状的形状测量装置。

背景技术：

干涉类型的形状测量装置用来测量测量对象表面形状。

在jp-a-2013-83649中描述的相干扫描干涉仪中，从光源产生的光被分为照射在物体上的测量光和照射在参考反光镜上的参考光。由物体反射的测量光和由参考反光镜反射的参考光叠加并由照相机检测。在包括光源和照相机在内的光学系统相对于物体移动的状态下，由照相机获取图像。基于所获取的图像中的干涉条纹的间隔来计算物体的表面高度。

技术实现要素：

期望形状测量装置在宽的测量范围内、高速地测量测量对象的表面形状。然而，在jp-a-2013-83649中描述的相干扫描干涉仪中，当增加光学系统的移动范围以扩大测量范围或者增大光学系统的移动速度以加速测量时，整个形状测量装置的振动增加。为了防止这种振动，有必要增大形状测量装置的尺寸和重量。因此，难以使形状测量装置配置得紧凑的同时在宽的测量范围内、高速地测量测量对象的表面形状。

本发明的目的是提供一种形状测量装置，其能够在宽的测量范围内，高速、高精度测量测量对象的表面形状，同时使形状测量装置配置得紧凑。

(1)根据本发明的形状测量装置是测量测量对象的表面形状的形状测量装置，所述形状测量装置包括：光投射部，其被配置为发射具有多个峰值波长的光；参考体；第一光接收部，其包括二维排列的多个像素；光学系统，其被配置为：将由光投射部发射的光作为测量光引导到测量对象，将由光投射部发射的光作为参考光引导到参考体，产生由测量对象反射的测量光与由参考体反射的参考光的干涉光，以及将产生的干涉光引导到第一光接收部；可移动部，光学系统和参考体中的至少一个附接至可移动部，所述可移动部往复运动，从而改变测量光的光程与参考光的光程之差；支撑部，其被配置为支撑可移动部以能够往复运动；位置检测部，其被配置为检测可移动部相对于支撑部的相对位置；形状获取部，其被配置为基于由位置检测部检测出的相对位置和第一光接收部的多个像素的光接收量，来获取测量对象的多个部分的表面形状；平衡部，其被支撑以能够相对于支撑部往复运动；以及第一驱动部，其被配置为使可移动部与平衡部相对于支撑部沿彼此相反的方向往复运动。

在形状测量装置中，可移动部和平衡部由支撑部支撑。光学系统和参考体中的至少一个附接到可移动部。由光投射部发射的光作为测量光被引导到测量对象。由光投射部发射的光作为参考光被引导到参考体。由测量对象反射的测量光与由参考体反射的参考光的干涉光由光学系统产生并被引导到第一光接收部。

可移动部通过第一驱动部往复运动，由此测量光的光程与参考光的光程之差(在下文中被称为光程差)改变。从第一光接收部的多个像素中的每一个来获取根据光程差变化的光接收量的干涉图案。由于测量光和参考光具有多个峰值波长，因此光接收量的干涉图案不显示空间周期性。因此，可以基于由位置检测部检测到的可移动部相对于支撑部的相对位置和第一光接收部的像素的光接收量，来高精度地唯一地指定与相对位置和光接收量相对应的测量对象的各部分的表面形状。

在第一光接收部中，由于多个像素被二维排列，因此第一光接收部可以同时接收包括由测量对象的多个部分反射的测量光在内的干涉光。因此，可以高速地获取测量对象的多个部分的表面形状。

此外，相对于支撑部，平衡部通过第一驱动部沿可移动部的相反方向往复运动。在这种情况下，即使可移动部往复运动，形状测量装置的重心位置几乎不变化。因此，形状测量装置不会不稳定地振动。不需要增加形状测量装置的尺寸和重量。可以使可移动部高速大幅振动。结果，可以在较宽的测量范围内，高速、高精度地测量测量对象的表面形状，同时使形状测量装置配置得紧凑。

(2)光投射部可以发射相干性高于白光的相干性并且低于激光的相干性的光。在这种情况下，在光程差的宽区域中，从第一光接收部的多个像素获取光接收量的干涉图案。因此，可以高速测量测量对象的表面形状。

(3)形状测量装置还可以包括弹性元件，其被配置为连接可移动部和平衡部。在这种情况下，可移动部和平衡部容易地振动。因此，可以减少为使可移动部和平衡部往复运动而被提供至第一驱动部的能量。

(4)往复机构可以由弹性元件、可移动部和平衡部来配置。弹性元件的弹簧常数可以被设置成使得往复机构的固有频率处于相对往复机构的振动频率的固定范围内。在这种情况下，可移动部和平衡部的简单谐振由弹性元件维持。因此，可以使为使可移动部和平衡部振动而被提供至第一驱动部的能量最小化。

(5)第一驱动部可以附接在可移动部与平衡部之间，以与支撑部机械隔离。在这种情况下，第一驱动部的振动不被传递至支撑部。因此，可以进一步使形状测量装置稳定。

(6)形状测量装置还可以包括被配置为能够平行于一个方向滑动的第一滑动部和第二滑动部。可移动部和平衡部可以经由第一滑动部和第二滑动部分别附接到支撑部，以能够往复运动。在这种情况下，可移动部和平衡部的往复运动的方向被限制为与该一个方向平行。因此，可以进一步使形状测量装置稳定。

(7)形状测量装置还可以包括：第三滑动部，其被配置为能够平行于一个方向滑动；板部，其被支撑以能够相对于支撑部往复运动；以及第二驱动部，其被配置为使板部相对于支撑部往复运动。第一滑动部、第二滑动部和第三滑动部中的每一个可以是直线运动轴承。第一滑动部可以设置在可移动部中和板部的一个表面上。第二滑动部可以设置在平衡部中和板部的一个表面上。第三滑动部可以设置在板部的另一个表面上和支撑部中。第二驱动部可以使板部往复运动，使得第一滑动部、第二滑动部和第三滑动部中的每一个中的滚动元件滚动一圈或更多。

在这种情况下，防止了第一滑动部、第二滑动部和第三滑动部中的每一个中的仅滚动元件的一部分与直线运动轴承的一部分接触的情况。用于使滚动元件的运动平滑的润滑剂可以围绕滚动构件流通。因此，可以防止第一滑动部、第二滑动部和第三滑动部的咬粘(seizure)，并延长形状测量装置的寿命。

(8)板部可以包括第一部分、第二部分和第三部分。第一部分的一个表面与可移动部之间的间隔可以大于第三部分的一个表面与可移动部之间的间隔。第二部分的一个表面与平衡部之间的间隔可以大于第三部分的一个表面与平衡部之间的间隔。第三部分的另一个表面与支撑部之间的间隔可以大于第一部分的另一个表面与支撑部之间的间隔以及第二部分的另一个表面与支撑部之间的间隔。第一滑动部可以设置在第一部分的一个表面上。第二滑动部可以设置在第二部分的一个表面上。第三滑动部可以设置在第三部分的另一个表面上。

在这种情况下，由于板部的第一部分和第二部分不会在可移动部和平衡部的方向上比第三部分更加突出，所以第一滑动部和第二滑动部在该方向上的突出量减小。由于板部的第三部分不会在支撑部的方向上比第一部分和第二部分更加突出，所以第三滑动部在该方向上的突出量减小。因此，可以防止形状测量装置的尺寸增加，同时延长形状测量装置的寿命。

(9)可移动部的往复运动的周期可以包括第一时段和第二时段，在第一时段中，第一光接收部的多个像素接收干涉光，在第二时段中，第一光接收部的多个像素不接收干涉光。第二驱动部可以在第二时段中移动板部，而在第一时段中停止板部的移动。在这种情况下，容易地防止了测量对象的测量受到板部的移动的影响。

(10)形状测量装置还可以包括引导部，其被配置为发射第一引导光和第二引导光。引导部可以被布置成使得当测量对象的表面存在于第一光接收部的焦点位置时，投影在测量对象的表面上的第一引导光的图案和第二引导光的图案具有特定的位置关系。

在这种情况下，用户可以通过改变形状测量装置与测量对象之间的相对距离，使得投射在测量对象表面上的第一引导光的图案和第二引导光的图案处于特定的位置关系，来精确地和容易地将测量对象的表面定位在第一光接收部的焦点处。

(11)可移动部的往复运动的周期可以包括第三时段和第四时段，在第三时段中第一光接收部的多个像素接收干涉光，在第四时段中第一光接收部的多个像素不接收干涉光。引导部可以在第三时段中发射第一引导光和第二引导光，而在第四时段中停止发射第一引导光和第二引导光。在这种情况下，容易地防止了测量对象的测量受到第一引导光和第二引导光的影响。

(12)形状测量装置还可以包括成形元件，所述成形元件被配置为透射由光投射部发射的光，同时将该光的图案成形为圆形。在这种情况下，圆形测量光照射在测量对象上。因此，可以高速地测量测量对象的圆形区域中的多个部分的表面形状。

(13)形状测量装置还可以包括第二光接收部，所述第二光接收部被配置为接收来自成形元件的反射光并检测光接收量。在这种情况下，可以使用由成形元件反射且不用于测量测量对象的表面形状的光来管理由光投射部发射的光的光量。

(14)位置检测部可以被配置为进一步检测可移动部的绝对位置。在这种情况下，可以测量从形状测量装置到测量对象的距离。

(15)第一光接收部可以关于多个像素中的每一个来指定根据测量光的光程与参考光的光程之差而变化的光接收量的干涉图案的包络线。形状获取部可以指定由第一光接收部所指定的包络线的峰值位置，并且基于所指定的峰值位置来获取测量对象的多个部分的表面形状。

利用这种配置，即使在应获取干涉图案处的光程差的间隔不够密集而是粗糙时，也可以指定干涉图案包络线的峰值位置。因此，可以高速地测量测量对象的表面形状。

根据本发明，可以在较宽的测量范围内高速、高精度地测量测量对象的表面形状，同时将形状测量装置配置得紧凑。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施例的形状测量装置的配置的框图。

图2是主要示出测量单元的配置的测量头的示意图。

图3是示出可移动部的振动的示图。

图4a和图4b是示出应当由光接收部获取的关于任意像素的光接收量分布的示图。

图5是主要示出往复机构的配置的测量头的示意主视图。

图6是主要示出往复机构的配置的测量头的示意左侧示图。

图7是图5中所示的测量头的沿a-a线截取的截面图。

图8是示出变型中的板部的配置的截面图。

图9是示出壳体单元的内部配置的示意图。

图10是示出附接结构的壳体单元的示意右侧示图。

图11是示出附接结构的壳体单元的示意后视图。

图12a和图12b是用于说明将壳体单元的x参考平面附接到附接构件的过程的示图。

图13a和图13b是用于说明将壳体单元的y参考平面附接到附接构件的过程的示图。

具体实施方式

(1)形状测量装置的基本配置

以下参照附图来说明根据本发明的实施例的形状测量装置。图1是示出根据本发明的实施例的形状测量装置的配置的框图。如图1中所示，形状测量装置300包括测量头100和处理装置200。测量头100例如是光学位移计，并且包括支撑结构110、壳体单元120、测量单元130、往复机构140、驱动单元150、控制板160和通信单元170。

在纵截面中支撑结构110具有l形状，并且包括设置部111和支持部112。设置部111和支持部112由例如金属形成。设置部111具有水平平面形状并设置在设置表面上。测量对象s放置在设置部111的上表面上。支持部112设置成从设置部111的一个端部向上延伸。壳体单元120由支撑结构110的支持部112保持。壳体单元120具有长方体形状并且容纳测量单元130、往复机构140、驱动单元150、控制板160和通信单元170。

测量单元130包括光投射部、光接收部和诸如透镜和反光镜的光学元件。除了以下说明的图2所示的诸如反光镜11的一部分元件以外的测量单元130附接至往复机构140。往复机构140通过驱动单元150相对于以下说明的图2所示的支撑部125沿一个方向往复运动(振动)。驱动单元150是致动器，并且在本示例中，是音圈电机。

控制板160从测量单元130获取以下说明的测量数据，并且基于所获取的测量数据产生像素数据并且产生图像数据。图像数据是多个像素数据的集合。控制板160将产生的图像数据提供至处理装置200，并基于处理装置200的命令来控制测量单元130、往复机构140和驱动单元150的操作。

通信单元170包括通信接口。这同样适用于以下说明的处理装置200的通信单元250。通信单元170通过通信单元250执行测量头100与处理装置200之间的各种数据和命令的发送和接收。下面说明测量头100的细节。

处理装置200包括控制单元210、存储单元220、操作单元230、显示单元240和通信单元250。控制单元210包括例如cpu(中央处理单元)。存储单元220包括例如rom(只读存储器)、ram(随机存取存储器)和hdd(硬盘驱动器)。系统程序被存储在存储单元220中。存储单元220用于存储各种数据和处理数据。

控制单元210基于存储在存储单元220中的系统程序，将用于控制测量头100的测量单元130、往复机构140和驱动单元150操作的命令提供至控制板160。控制单元210从控制板160获取图像数据，并使存储单元220存储图像数据。此外，控制单元210执行例如基于图像数据的图像上由用户指定的部分的测量。

在测量期间，控制单元210可以校正图像数据，使得基于图像数据的图像上由用户指定的部分的倾斜是期望的倾斜(例如，水平)。因此，即使壳体单元120以倾斜状态附接至支撑结构110或下述说明的附接构件上，也能够获得测量对象s的期望部分的精确的测量结果。

操作单元230包括诸如鼠标、触摸面板、轨迹球或操纵杆和键盘等的定点装置。操作单元230由用户操作以将指令提供至控制单元210。显示单元240包括例如lcd(液晶显示)面板或有机el(电致发光)面板。显示单元240显示基于存储在存储单元220中的图像数据的图像以及测量结果等。

(2)测量单元的配置

图2是主要示出测量单元130的配置的测量头100的示意图。如图2所示，支撑部125容纳在壳体单元120中。支撑部125可以与壳体单元120一体形成或者可以是壳体单元120的一部分。往复机构140包括可移动部141，可移动部141能够相对于支撑部125平行于一个方向振动。在图2中，可移动部141的振动方向由粗箭头表示。在图2所示的示例中，可移动部141的振动方向为上下方向。

测量单元130包括光投射部1、光接收部2和3、多个透镜4至8、多个反光镜9至11、分束器12、变形棱镜对13、位置检测部14和引导光源15。测量单元130的反光镜11和位置检测部14中的部分附接到支撑部125。另一方面，除了反光镜11和位置检测部14中的部分以外的测量单元130附接至可移动部141。

光投射部1包括例如sld(超辐射发光二极管)并发光。由光投射部1发出的光被称为发射光l0。发射光l0的相干性相对较低。具体地，发射光l0的相干性高于由led(发光二极管)发射的光或白光的相干性，且低于激光的相干性。因此，发射光l0具有多个峰值波长。透镜4是准直透镜。发射光l0通过透镜4透射而被准直，并且通过变形棱镜对13透射而被成形为圆形截面。

注意，发射光l0的一部分被反射而未通过变形棱镜对13透射。由变形棱镜对13反射的发射光l0被光接收部3接收。表示光接收量的光接收信号被输出到控制板160(图1)。控制板160基于由光接收部3输出的光接收信号来测量发射光l0的光量。当所测量的发射光l0的光量表示为异常值时，控制板160停止光投射部1的操作。以这种方式，可以使用不用于测量的发射光来管理发射光的光量。

反光镜9的反射率具有波长选择性。具体地，反光镜9在发射光l0的波长区域具有高反射率(期望为100％)，而在以下说明的引导光g的波长区域中具有低于100％的反射率。通过变形棱镜对13透射的发射光l0被反光镜9反射，然后在通过透镜5透射而被聚焦的同时入射到分束器12上。

一部分发射光l0被分束器12反射。发射光l0的剩余部分通过分束器12透射。由分束器12反射的发射光l0和通过分束器12透射的发射光l0分别被称为测量光l1和参考光l2。

透镜6是物镜。测量光l1通过透镜6透射而被准直。此时测量光l1的光斑直径相对较大，例如为4mm或10mm。此后，测量光l1沿与可移动部141的振动方向基本相同的方向传播，并且被照射在测量对象s的相对较大的圆形区域上。由测量对象s反射的测量光l1的一部分在通过透镜6透射而被聚焦的同时入射到分束器12上。

反光镜10是所谓的参考反光镜。参考光l2通过透镜7透射而被准直并照射在反光镜10上。由反光镜10反射的参考光l2在通过透镜7透射而被聚焦的同时入射到分束器12上。入射到分束器12上的测量光l1和参考光l2彼此干涉，并且作为干涉光l3被引导到光接收部2。以下说明光接收部2的操作。

位置检测部14包括读取部14a和14b、标尺14c和磁体14d。读取部14a和14b附接到可移动部141。标尺14c和磁体14d附接到支撑部125。标尺14c具有多个刻度，并且由在一个方向上延伸的玻璃形成。读取部14a被设置成与标尺14c的一部分相对。读取部14a包括光投射元件和光接收元件。读取部14a光学地读取与读取部14a相对的标尺14c的一部分的刻度，从而检测可移动部141相对于支撑部125的相对位置。

读取部14b是霍尔元件，并且被布置成用磁体14d检测磁力。在本实施例中，当读取部14b检测到最大磁力时，由读取部14a读取的标尺14c的部分被设置为原点。可以在测量头100的启动期间或其他时间点适当地更新标尺14c的原点。根据读取部14a和14b的检测结果，可以指定可移动部141的绝对位置。

在本实施例中，读取部14a和14b附接至可移动部141。标尺14c和磁体14d附接至支撑部125。然而，本发明不限于此。读取部14a和14b可以附接到支撑部125。标尺14c和磁体14d可以附接到可移动部141。

在本实施例中，读取部14a光学地检测可移动部141的位置。但是，本发明不限于此。读取部14a可以根据例如其他机械系统、电气系统或磁系统来检测可移动部141的位置。此外，当读取部14a能够检测可移动部141的绝对位置时，或者当不需要检测可移动部141的绝对位置时，位置检测部14不必包括读取部14b和磁体14d。

引导光源15是激光光源，其发射具有可见光区域(本例中为红色区域)的波长的激光。由引导光源15发射的激光被称为引导光g。在图2中，引导光g由交替的长划线和短划线表示。如上所述，反光镜9的反射率在引导光g的波长区域中低于100％。因此，一部分引导光g透射通过反光镜9。引导光g的剩余部分由反光镜9反射。通过反光镜9透射的引导光g和由反光镜9反射的引导光g分别被称为第一引导光g1和第二引导光g2。

第一引导光g1通过透镜5透射而被聚焦，并且由分束器12反射而叠加在测量光l1上。因此，第一引导光g1沿与可移动部141的振动方向基本相同的方向传播，通过透镜6透射而被准直，然后照射在测量对象s上。

第二引导光g2由附接到支撑部125的反光镜11反射，从而沿与第一引导光g1相交的方向传播。反光镜11被布置成使得当可移动部141存在于振动方向上的预定位置(例如，靠近标尺14c的原点)时，第一引导光g1和第二引导光g2在光接收部2的焦点的位置处相交。

以这种方式，利用反光镜9、反光镜11、分束器12和引导光源15来配置引导部16。利用这种配置，用户可以通过将测量对象s的表面布置在第一引导光g1和第二引导光g2相交的位置，来容易地将测量对象s的表面定位在光接收部2的焦点上。

在本实施例中，在如下说明的图3所示的非测量时段t2中执行引导光源15发射引导光g，而在图3所示的测量时段t1中不执行引导光源15发射引导光g。为此，能够防止对测量对象s的测量受到引导光g的影响。另一方面，当引导光g不影响对测量对象s的测量时，例如当光接收部2被配置为不检测引导光g的波长带中的光时，也可以控制引导光源15在测量时段t1中发射引导光g。

在本实施例中，引导部16被布置成使得第一引导光g1和第二引导光g2在光接收部2的焦点处相交。然而，本发明不限于此。引导部16可以被布置成使得当测量对象s的表面存在于光接收部2的焦点的位置处时，投影在测量对象s表面的第一引导光g1的图案和第二引导光g2的图案具有特定的位置关系。

(3)测量单元的操作

驱动单元150与采样信号同步地使可移动部141相对于支撑部125平行于一个方向周期性振动。可以在处理装置200(图1)的内部产生采样信号，或者可以将采样信号从处理装置200的外部提供至可移动部141。图3是示出可移动部141的振动的示图。在图3中，横轴表示时间，而纵轴表示可移动部141的位置。

如图3所示，在本实施例中，可移动部141的位置以正弦曲线形状变化。在可移动部141的位置改变的时段，在该时段的一部分中执行对测量对象s的测量，而在其他时段中不执行对测量对象s的测量。执行对测量对象s的测量的时段被称为测量时段t1。不执行测量的时段被称为非测量时段t2。在本实施例中，与图3所示的正弦曲线中的基本线性变化部分相对应的时段被分配为测量时段t1。与正弦曲线的拐点附近相对应的时段被分配为非测量时段t2。

控制板160(图1)基于采样信号来控制光接收部2的光接收定时。光接收部2包括多个像素沿垂直方向和水平方向排列的二维区域传感器。在本实施例中，区域传感器的垂直方向上的像素数量和水平方向上的像素数量为三百个。像素总数量为九万个。因此，可以接收具有相当大的光斑直径的干涉光l3。在测量时段t1中，光接收部2基于控制板160的控制，来检测可移动部141的每个位置处与像素相关的光接收量。另一方面，在非测量时段t2中，光接收部2不检测光接收量。

图4a和图4b是示出应由光接收部2获取的关于任意像素的光接收量分布的示图。在图4a和图4b中，横轴表示测量光l1的光程与参考光l2的光程之差，而纵轴表示检测到的光接收量。在下文中测量光l1的光程与参考光l2的光程之差被称为光程差。当可移动部141的位置改变时，参考光l2的光程不变，但是测量光l1的光程改变。因此，光程差改变。

如果发射光l0的相干性高且发射光l0具有单峰值波长λ，则当光程差为n×λ时，测量光l1与参考光l2彼此增强，而当光程差为(n+1/2)×λ时，测量光l1与参考光l2彼此减弱。在上述描述中，n是任意整数。为此，如图4a所示，每当光程差变化了峰值波长的一半时，光接收量在最大值与最小值之间波动。

另一方面，如果发射光l0具有多个峰值波长，则测量光l1与参考光l2彼此增强时的光程差以及测量光l1与参考光l2彼此减弱时的光程差在每个峰值波长处都不同。为此，获取通过将与每个峰值波长处不同的图4a所示的光接收量分布相同的光接收量分布相加得到的光接收量分布。具体地，如图4b中的实线所示，在小的光程差范围内出现了光接收量分布中的多个峰值。光程为0时的峰值光接收量最大。峰值光接收量随着光程差更大而减小。其中出现波峰的光程差的范围随着发射光l0的相干性更高而更宽。

在本实施例中，如图4b中的虚线所示，光接收部2指定光接收量分布的包络线，并将表示所指定的包络线的数据作为测量数据提供至控制板160。控制板160基于由所获取的测量数据表示的包络线来指定光程差为0的时间点和最大光接收量im。发射光l0的相干性高于由led发射的光的相干性。因此，波峰出现在比使用led更宽的光程差的范围内。因此，即使光接收量的检测频率降低，也可以准确地指定光程差为0的时间点和最大光接收量im。因此，可以提高测量的速度。

基于位置检测部14(图2)的检测结果，控制板160在特定时间点指定可移动部141的位置。此外，控制板160基于所指定的可移动部141的位置和获取的最大光接收量im来产生像素数据。基于可移动部141的位置产生的像素数据被称为高度数据。基于最大光接收量im产生的像素数据被称为亮度数据。

控制板160基于多个像素数据来产生图像数据。基于高度数据产生的图像数据被称为高度图像数据。基于亮度数据产生的图像数据被称为亮度图像数据。高度图像数据表示测量对象s的表面的部分的形状(高度)。亮度图像数据表示测量对象s的表面的部分的亮度。控制板160基于由位置检测部14检测到的可移动部141的绝对位置，来产生表示从测量头100到测量对象s的距离的距离数据。控制板160将产生的高度图像数据、亮度图像数据和距离数据提供至处理装置200(图1)。

(4)往复机构的振动阻尼结构

在下面的说明中，从设置部111(其中设置有图1所示的支持部112)的一个端部至另一端部的方向表示为测量头100的前方向，而该方向的相反方向表示为测量头100的后方向。与前后方向和上下方向正交的方向表示为左右方向。图5是主要示出往复机构140的配置的测量头100的示意正视图。如图5所示，测量头100还包括旋转支撑单元180。旋转支撑单元180包括旋转轴181、固定臂182和183以及摆臂184和185。

旋转轴181具有大致圆柱形状并且设置成在旋转轴181能够绕垂直于支撑部125的轴线旋转的状态下从支撑部125向前突出。固定臂182和183被设置成分别从旋转轴181的侧表面沿一个方向和另一个方向突出。摆臂184和185可摆动地附接到固定臂182和183的远端以向下延伸。

除了可移动部141之外，往复机构140还包括平衡部142和弹性元件146。除了图2所示的反光镜11和位置检测部14的部分之外的测量单元130附接至可移动部141。平衡部142例如是平衡物，并且具有与可移动部141的重量基本相等的重量。可移动部141和平衡部142分别附接至摆臂184和185的下端。

驱动单元150包括线圈部151和轭部152。在线圈部151绕轭部152缠绕的状态下，线圈部151固定至可移动部141上。另一方面，轭部152固定到平衡部142。当电流被馈送到线圈部151时，产生用于使轭部152沿上下方向振动的驱动力。作为驱动力的反作用，产生用于使线圈部151沿与使轭部152振动的驱动力的相反方向振动的驱动力。

以这种方式，驱动单元150未附接到壳体单元120，而是附接在与壳体单元120机械隔离的可移动部141和平衡部142之间。在这种情况下，用于使往复机构140振动的驱动力不会被传递到壳体单元120和支撑结构110。为此，在支撑结构110中不会发生振动。因此，不需要为了增加支撑结构110的刚度而增加支撑结构110的尺寸和重量。因此，可以减小测量头100的尺寸和重量。

注意，在本实施例中，线圈部151附接至可移动部141，且轭部152附接至平衡部142。但是，本发明并不限定于此。线圈部151可以附接至平衡部142，且轭部152可以附接至可移动部141。

当可移动部141如箭头a1所示向上振动时，平衡部142如箭头b1所示向下振动。驱动单元150的驱动力经由固定臂182和183以及摆臂184和185而被传递到旋转轴181，由此旋转轴181如箭头c1所示顺时针旋转。

类似地，当可移动部141如箭头a2所示向下振动时，平衡部142如箭头b2所示向上振动。驱动单元150的驱动力经由固定臂182和183以及摆臂184和185而被传递到旋转轴181，由此旋转轴181如箭头c2所示逆时针旋转。

交替地重复该运动，由此可移动部141和平衡部142沿上下方向振动。可移动部141和平衡部142的振动方向彼此相反。可移动部141和平衡部142的振动的位移彼此相等。可移动部141和平衡部142除了上下方向以外的方向上的振动受到以下说明的图6所示的滑动部144的限制。为此，可以稳定地使可移动部141和平衡部142振动。以下说明细节。

利用这种配置，即使在可移动部141振动时，测量头100的重心位置几乎不变。因此，即使在可移动部141高速振动时以及即使在可移动部141大幅振动时，在测量头100中也不会发生振动。因此，可以使可移动部141高速、大幅振动。因此，可以高速地测量测量对象s。可以增加测量对象s的高度方向上的测量范围。

注意，在本实施例中，可以在用于使可移动部141低速振动的低速模式下以及在用于使可移动部141高速振动的高速模式下选择性地操作测量头100。低速模式下的测量范围例如为±0.7mm。高速模式下的测量范围例如为±0.35mm。为此，用户可以通过选择低速模式来测量在高度方向上较大的测量对象s。另一方面，用户可以通过选择高速模式来高速地测量在高度方向上较小的测量对象s。

在该实施例中，可移动部141和平衡部142通过弹性元件146耦接。弹性元件146例如是具有弹簧常数k的弹簧元件。即，在往复机构140中，质量为m的可移动部141和质量为m的平衡部142分别附接至弹簧常数为k的弹性元件146的两端。可移动部141和平衡部142分别执行简单的谐振，使得弹性元件146的中心是固定点。

可移动部141的质量m和平衡部142的质量m相等。为此，由可移动部141的一部分至弹性元件146的固定点来配置的振动系统的固有频率与由平衡部142的一部分至弹性元件146的固定点来配置的振动系统的固有频率彼此一致。在这种情况下，由于整个往复机构140具有单一的固有频率，所以能够容易地使往复机构140执行简单的谐振。因此，能够减少为了使往复机构140振动而提供至驱动单元150的能量(馈送至线圈部151的电流)。

期望地，弹性元件146的弹簧常数被设定为使得往复机构140的固有频率处于相对往复机构140的振动频率的固定范围内。在该实施例中，例如，当往复机构140的固有频率被设定为1时，弹簧常数被设定为使得在低速模式下往复机构140的振动频率例如为2/3，而在高速模式下往复机构140的振动频率例如为4/3。

以这种方式，弹性元件146的弹簧常数被设定为使得在低速模式下往复机构140的固有频率大于往复机构140的振动频率，并且在高速模式下往复机构140的固有频率小于往复机构140的振动频率。因此，可以将低速模式下往复机构140的能量效率以及高速模式下往复机构140的能量效率提高为相同的程度。

当往复机构140的固有频率与往复机构140的振动频率匹配时，往复机构140有时根据往复机构140的衰减特性而显示出不稳定的行为。在该实施例中，往复机构140的固有频率被设定为与往复机构140的振动频率稍微不同的值。因此，可以提高往复机构140的能量效率并使往复机构140的行为稳定。

通过上述配置，可以使为了使往复机构140振动而提供至驱动单元150的能量最小化。在本实施例中，在测量头100的操作期间，由于以这种方式用于使可移动部141振动的能量非常小，因此往复机构140总是振动，而无论图3所示的测量周期t1和非测量周期t2如何。

此外，在本实施例中，由于摆臂184和185能够摆动，所以即使摆臂184和185沿上下方向振动，摆臂184和185的方向也不会改变。因此，即使可移动部141沿上下方向振动，附接至可移动部141上的测量单元130的方向也保持恒定。因此，可以防止来自测量单元130的照射到测量对象s上的测量光l1的方向改变。

在本实施例中，平衡部142是平衡物。然而，本发明不限于此。平衡部142可以是具有与可移动部141的配置相同的配置的可移动部。与测量单元130相同的测量单元可以附接至可移动部上。在这种情况下，可以在不增加测量头100的重量的情况下同时测量两个区域。

(5)往复机构的寿命延长结构

图6是主要示出往复机构140的配置的测量头100的示意侧视图。图7是沿图5所示的测量头100的a-a线截取的截面图。如图6所示，除了可移动部141、平衡部142和弹性元件146之外，往复机构140还包括板部143、三个滑动部144和驱动单元145。滑动部144是直线运动轴承。每个滑动部144包括固定导轨144a、可移动台144b和多个滚动元件144c。

多个滚动元件144c以基本相等的间隔设置在固定导轨144a与可移动台144b之间，并且由未示出的保持工具(保持器)保持。润滑剂(诸如粘性润滑油)被应用到多个滚动元件144c上。多个滚动元件144c绕旋转轴旋转，从而使可移动台144b相对于固定导轨144a平行于一个方向平滑地滑动。在以下描述中，当区分三个滑动部144时，三个滑动部144分别被称为滑动部144a、144b和144c。

板部143经由滑动部144c附接至壳体单元120的支撑部125以能够沿上下方向滑动。在图6和图7所示的示例中，滑动部144c的固定导轨144a附接至支撑部125。滑动部144c的可移动台144b附接至板部143的一个表面。

可移动部141和平衡部142分别经由滑动部144a和144b附接到板部143的另一个表面，以能够沿上下方向滑动。在图6和图7所示的示例中，滑动部144a的固定导轨144a附接至板部143的所述另一个表面。滑动部144a的可移动台144b附接至可移动部141。滑动部144b的固定导轨144a附接到板部143的所述另一个表面。滑动部144b的可移动台144b附接到平衡部142。因此，可移动部141和平衡部142在除了上下方向以外的方向上的振动受到限制。

在该示例中，滑动部144c的固定导轨144a和可移动台144b分别附接至支撑部125和板部143。然而，本发明不限于此。滑动部144c的固定导轨144a和可移动台144b可以分别附接至板部143和支撑部125。即，滑动部144c的固定导轨144a和可移动台144b之间的位置关系可以相反。这同样适用于滑动部144a和144b。

如上所述，润滑剂被应用到每个滑动部144的多个滚动元件144c。然而，可移动部141和平衡部142的可移动范围(例如，±0.7mm)小于围绕滚动元件144c的旋转轴的周长(例如，几毫米)。由此，只有滚动元件144c的旋转轴周围的部分区域与固定导轨144a或可移动台144b接触。滚动元件144c的旋转轴周围的其他区域不与固定导轨144a和可移动台144b接触。在这种情况下，滚动元件144c周围不会发生润滑剂的流通。润滑剂在滚动元件144c的部分区域中干燥。

因此，在本实施例中，驱动单元145附接至壳体单元120的支撑部125，以能够使板部143振动。注意，板部143的振动周期大于往复机构140的振动周期。驱动单元145是致动器。驱动单元145使板部143在比围绕滚动元件144c的旋转轴的周长大的范围内振动。因此，每个滑动部144的多个滚动元件144c围绕旋转轴旋转一圈或更多。

利用这种配置，滚动元件144c的旋转轴周围的整个区域与固定导轨144a或可移动台144b接触。因此，润滑剂围绕滚动元件144c流通。因此，滚动元件144c与固定导轨144a或与可移动台144b之间的摩擦力减小，并且防止了咬粘。结果，如本实施例中那样，即使在测量头100的操作期间往复机构140始终振动时，也能够延长往复机构140的寿命。

在本实施例中，驱动单元145被控制为在图3所示的非测量时段t2中执行驱动，而在图3所示的测量时段t1不执行驱动。由此，可靠地防止对测量对象s的测量免受板部143振动的影响。另一方面，即使板部143振动，该振动也被滑动部144a、144b吸收。因此，振动几乎不会被传递到可移动部141和平衡部142，并且几乎不会影响对测量对象s的测量。因此，也可以控制驱动单元145在测量时段t1中执行驱动。

在本实施例中，板部143整体上形成为平坦的。然而，本发明不限于此。图8是示出变型的板部143的配置的截面图。如图8所示，在本实施例中，板部143包括平坦部143a、143b和143c以及突出部143d和143e。平坦部143a和143b被设置为沿左右方向布置。突出部143d和143e分别被设置成从平坦部143a和143b的内端部向前突出。平坦部143c被设置成连接突出部143d和143e的前端部。

滑动部144c设置在由平坦部143c和突出部143d和143e包围的区域中，并且附接到平坦部143c的一个表面。滑动部144a和144b分别设置在平坦部143a和143b的前面，并且分别附接到平坦部143a和143b的另一个表面。利用这种配置，由于平坦部143a和143b不向前突出，因此可以减小滑动部144a和144b的向前突出量。因此，可以防止往复机构140在前后方向上的尺寸增大。

在图8所示的示例中，突出部143d和143e从平坦部143a和143b垂直向前突出。然而，本发明不限于此。突出部143d和143e可以从平坦部143a和143b倾斜或弯曲的同时向前突出。

即，平坦部143c的一个表面与支撑部125之间的间隔仅必须大于平坦部143a的一个表面与支撑部125之间的间隔以及平坦部143b的一个表面与支撑部125之间的间隔。平坦部143a的另一个表面与可移动部141之间的间隔仅必须大于平坦部143c的另一个表面与可移动部141之间的间隔。平坦部143b的另一个表面与平衡部142之间的间隔仅必须大于平坦部143c的另一个表面与平衡部142之间的间隔。

在该实施例中，往复机构140包括板部143和滑动部144a至144c。然而，本发明不限于此。当滑动部144a和144b具有足够长的寿命时，往复机构140不必包括板部143和滑动部144c。在这种情况下，滑动部144a和144b的固定导轨144a附接到支撑部125。当可移动部141和平衡部142被配置为仅在一个方向上振动时，往复机构140不必包括滑动部144a和144b。

(6)外壳单元的隔热结构

图9是示出壳体单元120的内部配置的示意图。如图9所示，壳体单元120包括测量壳体121、控制壳体122、连接部123和覆盖部124。测量壳体121具有大容量并且容纳测量单元130、往复机构140、驱动单元150、通信单元170和旋转支撑单元180。注意，测量壳体121还容纳图2所示的支撑部125。通信单元170中的连接端子171的部分从测量壳体121暴露于外部。

控制壳体122容纳控制板160。在本实施例中，控制板160的热值很大。因此，在控制壳体122的外表面上形成有散热鳍片122a(散热器)。因此，能够有效地辐射从控制板160产生的热量，并利用空气对控制板160进行冷却。连接部123由导热性低的材料形成。在测量壳体121和控制壳体122彼此分离的状态下，连接部123连接测量壳体121与控制壳体122。在本示例中，连接部123由聚碳酸酯树脂(导热系数：0.19w/mk)形成。

利用这种配置，热量几乎不从控制壳体122传递到测量壳体121。因此，可以防止测量对象s的测量精度劣化。能够容易地将测量单元130周围的温度维持在规格温度范围内。因此，可以防止测量单元130的劣化并延长测量单元130的寿命。

此外，测量单元130和控制板160被设置成在空间上彼此分离，并且防止了热传递。因此，不需要将测量单元130容纳在很大的壳体单元120中。因此，可以减小壳体单元120的尺寸。测量单元130的温度在测量头100通电后的短时间内稳定。因此，可以减少测量头100的上升时间。

覆盖部124附接到测量壳体121的外表面以覆盖控制壳体122。多个通气孔124a形成在覆盖部124中。通气孔124a的直径被设定为能够通过覆盖部124的内部和外部之间的气流进行热交换并且用户的手指或身体其他部分无法通过的值。因此，在利用空气冷却控制壳体122的同时可以防止用户接触加热的控制壳体122。

在测量壳体121与保持部112(图2)接触的状态下，壳体单元120由支撑结构110(图1)或以下说明的附接构件支撑。由于控制壳体122与支撑结构110和附接构件不接触，所以从控制壳体122产生的热量不会传递到支撑结构110和附接构件。因此，防止整个测量头100的温度上升。结果，可以防止测量头100的劣化并延长测量头100的寿命。

(7)外壳单元的附接结构

在本实施例中，壳体单元120附接到支撑结构110，使得测量单元130向下发射测量光l1(图2)。然而，本发明不限于此。壳体单元120可以与支撑结构110分离并且以期望方向附接到任何附接构件。壳体单元120包括用于附接到附接构件的附接结构。

图10是示出附接结构的壳体单元120的示意右侧示图。图11是示出附接结构的壳体单元120的示意后视图。在图10和图11中，分别用箭头x、y、z表示和限定彼此正交的x方向、y方向和z方向。z方向是测量光l1从壳体单元120发射的方向并且与图5和图6中的上下方向相对应。x方向与图6中的前后方向相对应。y方向与图5中的左右方向相对应。

如图10和图11所示，壳体单元120包括x参考平面126、y参考平面127和z参考平面128。x参考平面126是测量壳体121的与x方向正交的表面，例如，后表面。y参考平面127是测量壳体121的与y方向正交的表面，例如，左侧表面。z参考平面128是测量壳体121的与z方向正交的表面，例如，下表面。x参考平面126和y参考平面127平行于测量光l1的光路。z参考平面128垂直于测量光l1的光路。

在x参考平面126上形成有多个(在该例中为四个)附接孔126a和锁定孔126b。在该示例中，锁定孔126b是底孔，但也可以是通孔。根据附接构件的结构，附接孔126a可以是底孔，或者可以是通孔。附接孔126a可以是螺纹孔，或者可以是非螺纹孔的贯穿孔。在该示例中，附接孔126a是底孔和螺纹孔。

在y参考平面127中，形成有多个(在本例中为三个)附接孔127a和锁定孔127b。在该示例中，锁定孔127b是底孔，但也可以是通孔。根据附接构件的结构，附接孔127a可以是底孔，或者可以是通孔。附接孔127a可以是螺纹孔，或者可以是贯穿孔。在该示例中，附接孔127a是通孔和贯穿孔。

图12a和图12b是用于说明将壳体单元120的x参考平面126附接到附接构件的过程的示图。如图12a所示，附接构件20包括附接表面21。图12a所示的x参考平面126被设置成与附接表面21接触，使得壳体单元120面向期望的方向。在这种状态下，两个销22和23附接至附接表面21以与y参考平面127接触，从而确定测量光l1的发射方向(在下文中被称为测量方向)。销24附接至附接表面21以与z参考平面128接触，从而确定从z参考平面128到测量对象s的距离(在下文中被称为测量距离)。

在确定测量方向和测量距离之后，在附接表面21中形成多个贯穿孔25，其分别与多个附接孔126a相对应并穿透后表面。在附接表面21上形成有与锁定孔126b对应的大致圆柱形的突出部26。突出部26的突出量略小于锁定孔126b的深度。突出部26的直径略小于锁定孔126b的直径。

准备分别与多个贯穿孔25相对应的多个固定元件27。固定元件27例如是螺纹元件。固定元件27的标称长度大于与该固定元件27相对应的贯穿孔25的深度，且小于贯穿孔25的深度和附接孔126a的深度的总和。在突出部26插入锁定孔126b的状态下，固定元件27通过与固定元件27相对应的贯穿孔25而旋入附接孔126a中。因此，壳体单元120的x参考平面126附接到附接构件20。

图13a和图13b是用于说明将壳体单元120的y参考平面127附接到附接构件的过程的示图。如图13a所示，附接构件30包括附接表面31。图13b所示的y参考平面127被设置为与附接表面31接触，使得壳体单元120面向期望的方向。在这种状态下，两个销32和33附接至附接表面31以与x参考平面126接触，从而确定测量方向。销34附接至附接表面31以与z参考平面128接触，从而确定测量距离。

在确定测量方向和测量距离之后，在附接表面31中形成分别与多个附接孔127a相对应的多个螺纹孔35。在图13b所示的示例中，螺纹孔35是底孔，但也可以是通孔。在附接表面31上形成与锁定孔127b相对应的大致圆柱形的突出部36。突出部36的突出量略小于锁定孔127b的深度。突出部36的直径略小于锁定孔127b的直径。

准备分别与多个螺纹孔35相对应的多个固定元件37。固定元件37例如是螺纹元件。固定元件37的标称长度大于与固定元件37相对应的附接孔127a的深度，并且小于螺纹孔35的深度和附接孔127a的深度的总和。在突出部36插入锁定孔127b的状态下，固定元件37通过与固定元件37相对应的附接孔127a而旋入螺纹孔35中。因此，壳体单元120的y参考平面127附接到附接构件30。

调整壳体单元120的姿势，使得x参考平面126或y参考平面127以这种方式平行于期望的方向，由此可以容易地将形状测量装置300设置在期望的方向上。定位壳体单元120使得z参考平面128和测量对象s之间的距离是期望值，由此可以将形状测量装置300设置成到测量对象s的距离容易维持的状态。

利用这种配置，测量头100的测量方向和测量距离在空间上不受附接构件20和30的限制。因此，可以将测量头100设置在工厂等的生产线中作为产品的检查装置，同时容易地维持与测量对象s的形状相对应的最佳测量方向和最佳测量距离。在生产线中，可以在不受附接构件20和30的空间限制的情况下，来检查由诸如带式输送机等的输送装置自动顺序输送的多个测量对象s。

当壳体单元120的x参考平面126附接到附接构件20时，突出部26接合在锁定孔126b中。可选地，当壳体单元120的y参考平面127附接到附接构件30时，突出部36接合在锁定孔127b中。因此，当附接或拆卸壳体单元120时，操作者不需要支撑壳体单元120的整个重量(例如3kg)。因此，操作者的负担减小。可以提高工作效率。可以防止由于操作者的粗心导致的壳体单元120的跌落和破损。

可以提供多个锁定孔126b和127b。在这种情况下，通过在附接构件20和30中形成多个突出部26和36以对应于锁定孔126b和127b，可以将壳体单元120可靠地锁定到附接构件20和30。即使在操作者不支撑壳体单元120时，也防止了壳体单元120在附接构件20和30的附接表面21和31上旋转。因此，操作者的负担进一步减小。可以进一步提高工作效率。

锁定孔126b和127b可以形成为l形截面。在这种情况下，可以将具有l形的钩状突出部26和36分别插入到锁定孔126b和127b中。因此，可以将壳体单元120可靠地锁定到附接构件20和30。

(8)效果

在根据本实施例的形状测量装置300中，可移动部141和平衡部142由支撑部125支撑。除了反光镜11和位置检测部14的部分之外的测量单元130附接到可移动部141。由光投射部1发射的测量光l1被引导到测量对象s，而参考光l2被引导到反光镜10。由测量对象s反射的测量光l1与由反光镜10反射的参考光l2的干涉光l3被引导到光接收部2。

可移动部141通过驱动单元150往复运动，由此测量光l1与参考光l2之间的光程差改变。从光接收部2的多个像素中的每一个获取根据光程差而改变的光接收量的干涉图案。由于测量光l1和参考光l2具有多个峰值波长，因此光接收量的干涉图案不显示空间周期性。因此，可以基于由位置检测部14检测到的可移动部141相对于支撑部125的相对位置和第一光接收部2的像素的光接收量，来高精度地唯一地指定与相对位置和光接收量相对应的测量对象s的各部分的表面形状。

在光接收部2中，由于多个像素被二维排列，因此光接收部2可以同时接收包括由测量对象s的多个部分反射的测量光l1在内的干涉光l3。因此，可以高速地获取测量对象s的多个部分的表面形状。

此外，相对于支撑部125，平衡部142通过驱动单元150沿可移动部141的相反方向往复运动。在这种情况下，即使可移动部141往复运动，形状测量装置300的重心位置几乎不变化。因此，形状测量装置300不会不稳定地振动。不需要增加形状测量装置300的尺寸和重量。可以使可移动部141高速大幅振动。结果，可以在较宽的测量范围内，高速、高精度地测量测量对象s的表面形状，同时使形状测量装置300配置得紧凑。

在本实施例中，光接收部2关于多个像素中的每一个来指定光接收量的干涉图案的包络线。控制板160指定所指定的包络线的峰值位置。利用这种配置，即使在应获取的干涉图案处的光程差的间隔不够密集而是粗糙时，也可以指定干涉图案包络线的峰值位置。因此，可以高速地测量测量对象s的表面形状。控制板160不需要指定干涉图案的包络线。因此，控制板160的负担减少。可以防止控制板160的操作速度降低。

在本实施例中，控制板160执行各种类型的运算处理和控制。然而，本发明不限于此。控制板160的运算处理和控制的部分或全部可以由处理装置200的控制单元210执行。当控制板160的发热量较小时，控制壳体122、连接部123和覆盖部124可以不设置在壳体单元120中。控制板160可以容纳在测量壳体121中。

(9)其他实施例

在本实施例中，测量单元130被配置为使得测量光l1的光程改变，而参考光l2的光程不变。然而，本发明不限于此。测量单元130可以被配置为使得参考光l2的光程改变，而测量光l1的光程不变。在这种情况下，反光镜10被配置为沿着参考光l2的传播方向相对于分束器12振动。

(10)权利要求的组成要素与实施例的各部分之间的对应关系

下面说明权利要求的组成要素与实施例的各部分的对应关系的示例。然而，本发明不限于下面说明的示例。

在本实施例中，测量对象s是测量对象的示例。形状测量装置300是形状测量装置的示例。光投射部1是光投射部的示例。反光镜10是参考体的示例。光接收部2和3分别是第一光接收部和第二光接收部的示例。测量光l1是测量光的示例。参考光l2是参考光的示例。干涉光l3是干涉光的示例。分束器12是光学系统的示例。

可移动部141是可移动部的示例。支撑部125是支撑部的示例。位置检测部14是位置检测部的示例。控制板160是形状获取部的示例。平衡部142是平衡部的示例。驱动单元150和145分别是第一驱动部和第二驱动部的示例。弹性元件146是弹性元件和弹簧元件的示例。往复机构140是往复机构的示例。滑动部144a、144b和144c分别是第一滑动部、第二滑动部和第三滑动部的示例。

板部143是板部的示例。滚动元件144c是滚动元件的示例。平坦部143a、143b和143c分别是第一部分、第二部分和第三部分的示例。测量时段t1是第一时段和第三时段的示例。非测量时段t2是第二时段和第四时段的示例。引导光g1和g2分别是第一引导光和第二引导光的示例。引导部16是引导部的示例。变形棱镜对13是成形元件的示例。

作为权利要求的组成要素，也可以使用具有权利要求中所述的配置或功能的其它各种元件。

本发明可以有效地用于各种形状测量装置。