專利名稱：三維形狀測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精度10 100納米級(jí)的超高精度的三維形狀測量裝置。特別是， 本發(fā)明所涉及的三維形狀測量裝置，能夠以10 100納米級(jí)的超高精度對(duì)在照相機(jī)、攝像機(jī)或光盤等中使用的非球面透鏡的透鏡面和外徑進(jìn)行掃描測量，進(jìn)而測量透鏡面相對(duì)于外徑的中心偏移，另外，能夠?qū)γ撃５墓：湍改５拈g隙、微孔或齒輪等的形狀和基準(zhǔn)面等具有三維形狀的測量物進(jìn)行掃描測量。
背景技術(shù)：
非球面透鏡如果不能以形狀精度為萬分之一毫米、也就是100納米以下進(jìn)行制作，就發(fā)揮不出性能，從而，直至約1980年前，都由于無法測量如此高的形狀精度，一直沒有制作出非球面透鏡。為此發(fā)明了一種三維測量儀，能夠以10 100納米級(jí)的超高精度對(duì)非球面透鏡面的形狀進(jìn)行掃描測量、且不會(huì)損傷表面的0. 15 0. 3mN這樣的低測量力對(duì)透鏡面進(jìn)行掃描測量。該三維測量儀的構(gòu)成如專利文獻(xiàn)1所述，同時(shí)專利文獻(xiàn)2、3敘述了探測器。專利文獻(xiàn)1中敘述的構(gòu)成是，以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過XY載物臺(tái)(stage)的平直度精度1微米的、10納米級(jí)高平面度的三塊基準(zhǔn)鏡作為XYZ坐標(biāo)軸的基準(zhǔn)，利用穩(wěn)態(tài)激光在測量點(diǎn)的軸上測量XYZ坐標(biāo)，從而使阿貝的誤差最小，實(shí)現(xiàn)10納米級(jí)的坐標(biāo)軸精度。專利文獻(xiàn)2中敘述了一種探測器，是在以0. 15 0. 3mN的低測量力在Z方向上響應(yīng)性良好地運(yùn)動(dòng)，而在XY方向上不傾斜的高剛性的微型氣動(dòng)滑塊(air slide)上安裝觸頭 (stylus)。這種探測器能夠沿著非球面透鏡面響應(yīng)性良好地運(yùn)動(dòng)，能夠從零度到75度追隨著透鏡面的傾斜角度進(jìn)行測量。將所述穩(wěn)態(tài)激光直接與安裝在觸頭上方的反射鏡相抵，由反射光測量Z坐標(biāo)，從而，能夠?qū)崿F(xiàn)非球面透鏡面的10納米級(jí)的超高精度測量。這是一種微型氣動(dòng)滑塊由薄的板簧懸吊的結(jié)構(gòu)。專利文獻(xiàn)3中的探測器不是用板簧支撐微型氣動(dòng)滑塊、而是一種利用磁力使微型氣動(dòng)滑塊形成非接觸懸浮。這些專利文獻(xiàn)2、3能夠?qū)Ψ乔蛎嫱哥R面進(jìn)行10納米級(jí)的超高精度測量，卻不能測量非球面透鏡外徑的側(cè)面。另一方面，上面和側(cè)面都能夠測量的三維測量儀如專利文獻(xiàn)4、5所述，不過這不是能夠測量需要精度100納米的非球面透鏡的超高精度的測量儀。專利文獻(xiàn)6、7所述的發(fā)明是一種能夠測量側(cè)面的探測器，在探測器部設(shè)置支點(diǎn)， 前端帶有觸頭的觸頭軸依靠從橫向?qū)τ|頭施加的測量力，能夠以所述支點(diǎn)為中心環(huán)繞XY 軸傾斜，在所述觸頭軸上方安裝反射鏡，該反射鏡的傾斜角度利用激光進(jìn)行檢測。所述支點(diǎn)在Z方向上不運(yùn)動(dòng)，從而，只以觸頭軸的傾斜角度就能夠無誤差地確定觸頭相對(duì)于探測器部的XY方向位移位置，因此能夠以150納米的精度測量側(cè)面形狀。專利文獻(xiàn)8所述的發(fā)明，若安裝透鏡面測量用探測器則能夠以10 100納米的超高精度測量非球面透鏡面的形狀，如果安裝用于側(cè)面測量的探測器則也能夠以150納米的精度測量透鏡外徑側(cè)面，在降低測量精度的情況下，也能夠設(shè)置可以測量上面和側(cè)面雙方的探測器。專利文獻(xiàn)9所述的發(fā)明是一種能夠同時(shí)以10 100納米的超高精度測量非球面透鏡面的上下面形狀的測量儀，揭示了一種為使上下探測器減小且簡單而將半導(dǎo)體激光、 光檢測器和衍射光柵設(shè)置為一體、能夠檢測聚焦誤差信號(hào)的相對(duì)位置測量部。專利文獻(xiàn)10所述的發(fā)明中，關(guān)于利用側(cè)面也能夠測量的探測器進(jìn)行掃描測量的方法進(jìn)行了記載。專利文獻(xiàn)1 JP專利第3046635號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 JP專利第3000819號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3 JP專利第似91849號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4 JP專利第1792338號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5 JP特開2007-2187 號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)6 JP特開2006-284410號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)7 :W007/135857號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)8 JP特開2008-292236號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)9 JP專利第似60180號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)10 JP特開2009-293992號(hào)公報(bào)最近，搭載在數(shù)碼相機(jī)或便攜電話上的攝像頭等眾多光學(xué)制品中，存在小型化、低成本化的要求的同時(shí)，還存在與其相反的如高清晰度或高倍率等性能顯著提升的要求，按照這些要求，所使用的非球面透鏡不僅要實(shí)現(xiàn)透鏡面的形狀精度，而且包括外徑在內(nèi)的整體精度提升也成為課題。不過，所述現(xiàn)有各文獻(xiàn)的構(gòu)成中，都不能以必要的精度、即透鏡面是10 100納米、側(cè)面是100納米的精度對(duì)例如非球面透鏡的透鏡面和側(cè)面進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述現(xiàn)有的問題而做出的，其目的在于提供一種能夠以 10 100納米的超高精度對(duì)測量物的上面和側(cè)面雙方進(jìn)行掃描測量的三維形狀測量裝置。為了實(shí)現(xiàn)所述目的，本發(fā)明采用如下構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的第一方式，提供一種三維形狀測量裝置，包括第一可動(dòng)部，其具有沿Z方向配置的氣動(dòng)滑塊、配置在所述氣動(dòng)滑塊一端的上面觸頭、分別配置在所述氣動(dòng)滑塊另一端的第一反射鏡和彈力產(chǎn)生部；第二可動(dòng)部，其至少具有使該第一可動(dòng)部沿所述Z方向移動(dòng)的所述氣動(dòng)滑塊的導(dǎo)向部、支承所述彈力產(chǎn)生部從而懸吊支撐所述第一可動(dòng)部的彈力支撐部；支撐部，其以所述第二可動(dòng)部能夠沿所述Z方向移動(dòng)的狀態(tài)連結(jié)支撐所述第二可動(dòng)部；Z驅(qū)動(dòng)部，其相對(duì)于所述支撐部沿Z方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部；相對(duì)位置測量部，其測量所述第一可動(dòng)部和所述第二可動(dòng)部的相對(duì)位置；Z2坐標(biāo)檢測部，其將來自穩(wěn)態(tài)激光光源的穩(wěn)態(tài)激光向所述第一反射鏡照射，由來自所述第一反射鏡的反射光測量所述上面觸頭的Z方向移動(dòng)量；XY驅(qū)動(dòng)部，其沿垂直于所述Z方向的X方向及Y方向驅(qū)動(dòng)所述支撐部或測量物；
XY坐標(biāo)檢測部，其測量基于所述XY驅(qū)動(dòng)部產(chǎn)生的所述支撐部或所述測量物的XY 方向移動(dòng)量，檢測X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)；可動(dòng)傾斜部，其在沿所述X方向或所述Y方向從所述上面觸頭配置在所述第二可動(dòng)部上的位置離開的位置配置在所述第二可動(dòng)部上，一端具有側(cè)面觸頭，利用連結(jié)機(jī)構(gòu)將所述側(cè)面觸頭相對(duì)于所述Z方向能夠傾斜地與所述第二可動(dòng)部進(jìn)行連結(jié)；傾斜角度測量部，其測量所述可動(dòng)傾斜部的傾斜角度；側(cè)面觸頭位移檢測部，其由所述傾斜角度測量部獲得的所述傾斜角度來計(jì)算所述側(cè)面觸頭相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的X位移和Y位移；測定點(diǎn)位置運(yùn)算機(jī)構(gòu)，其在由所述XY坐標(biāo)檢測部檢測出的所述X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)上，加上由所述側(cè)面觸頭位移檢測部計(jì)算的所述側(cè)面觸頭的X位移和Y位移，計(jì)算利用所述側(cè)面觸頭進(jìn)行的所述測量物的測量點(diǎn)的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的第二方式，在第一方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，還具備第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置，其在利用所述側(cè)面觸頭進(jìn)行測量時(shí)，停止第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)；相對(duì)位置測量部，其在利用所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置停止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下檢測所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的Z方向位置。根據(jù)本發(fā)明的第三方式，在第二方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置是一種切換閥，其將向沿所述Z方向移動(dòng)所述第一可動(dòng)部的所述氣動(dòng)滑塊供給的壓縮空氣切換成真空吸引。根據(jù)本發(fā)明的第四方式，在第一方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，包括聚焦控制部，其在所述上面觸頭沿所述XY方向掃描所述測量物的表面的情況下， 所述第一可動(dòng)部沿著所述測量物的表面高度變化在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生沿所述Z方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部的信號(hào)以使從所述相對(duì)位置測量部獲得的所述第一可動(dòng)部和所述第二可動(dòng)部的相對(duì)位置為恒定(一定)；Z軸移動(dòng)指示部，其產(chǎn)生用于沿所述Z方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部以使所述側(cè)面觸頭沿所述測量物表面的所述Z方向進(jìn)行掃描；Z軸信號(hào)切換部，其切換成來自所述聚焦控制部的信號(hào)和來自所述Z軸移動(dòng)指示部的信號(hào)中任意一個(gè)信號(hào)，傳遞給所述Z驅(qū)動(dòng)部。根據(jù)本發(fā)明的第五方式，在第四方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，還具備第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置，其利用所述側(cè)面觸頭進(jìn)行測量時(shí)，停止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)；相對(duì)位置測量部，其在利用所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置停止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下檢測所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的Z方向位置。根據(jù)本發(fā)明的第六方式，在第五方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置是一種切換閥，其將向沿所述Z方向移動(dòng)所述第一可動(dòng)部的所述氣動(dòng)滑塊供給的壓縮空氣切換成真空吸引。根據(jù)本發(fā)明的第七方式，在第五方式的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置在所述上面觸頭與所述測量物接觸的狀態(tài)下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的位置為恒定位置的狀態(tài)的時(shí)刻(時(shí)機(jī))，停止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的所述Z方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的第八方式，在第六方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置在所述上面觸頭與所述測量物接觸的狀態(tài)下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的位置為恒定位置的狀態(tài)的時(shí)刻(時(shí)機(jī))，停止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的所述Z方向運(yùn)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的第九方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，其特征在于，包括XY軸移動(dòng)指示部，其產(chǎn)生用于使所述上面觸頭沿所述XY方向掃描所述測量物的表面的信號(hào)；XY控制部，其驅(qū)動(dòng)控制所述XY驅(qū)動(dòng)部，以使所述側(cè)面觸頭沿著所述測量物的表面在所述XY方向上移動(dòng)，并且，在所述可動(dòng)傾斜部隨著所述測量物表面的所述XY方向的變化而傾斜時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制所述XY驅(qū)動(dòng)部，以使從所述傾斜角度測量部獲得的傾斜角度的絕對(duì)值為大致恒定；XY軸信號(hào)切換部，其切換成來自所述XY軸移動(dòng)指示部的信號(hào)和來自所述XY控制部的信號(hào)中任意一個(gè)信號(hào)，傳遞給所述XY驅(qū)動(dòng)部。根據(jù)本發(fā)明的第十方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述傾斜角度測量部具備安裝在所述可動(dòng)傾斜部的第二反射鏡和將來自光源的光向所述第二反射鏡照射并通過檢測來自所述第二反射鏡的反射光方向從而測量所述傾斜角度的光位置檢測器。根據(jù)本發(fā)明的第十一方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，包括測量物設(shè)置部，其設(shè)置所述測量物；X基準(zhǔn)鏡、Y基準(zhǔn)鏡和Z基準(zhǔn)鏡，其分別在測量中不改變與該測量物設(shè)置部的相對(duì)位置且各個(gè)鏡面相互正交配置；X坐標(biāo)檢測部和Y坐標(biāo)檢測部，其構(gòu)成所述XY坐標(biāo)檢測部，且將振蕩頻率的偏離控制在恒定值以下的來自所述穩(wěn)態(tài)激光光源的所述穩(wěn)態(tài)激光向所述X基準(zhǔn)鏡和所述Y基準(zhǔn)鏡照射，分別由來自所述X基準(zhǔn)鏡和所述Y基準(zhǔn)鏡的反射光檢測所述測量物相對(duì)于所述支撐部的移動(dòng)量的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)；Zl坐標(biāo)檢測部，其將所述振蕩頻率的偏離被控制在恒定值以下的來自所述穩(wěn)態(tài)激光光源的所述穩(wěn)態(tài)激光向所述Z基準(zhǔn)鏡照射，由來自這些所述Z基準(zhǔn)鏡的反射光檢測所述測量物相對(duì)于所述支撐部的移動(dòng)量的Zi坐標(biāo)；Z坐標(biāo)計(jì)算部，其將由所述Z2坐標(biāo)檢測部檢測出的Z2坐標(biāo)和由所述Zl坐標(biāo)檢測部檢測出的所述Zl坐標(biāo)進(jìn)行相加，從而計(jì)算所述測量物表面上的測量點(diǎn)的Z坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的第十二方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，供所述第二可動(dòng)部沿所述Z方向移動(dòng)的導(dǎo)向部由氣動(dòng)滑塊構(gòu)成，所述第二可動(dòng)部相對(duì)于所述支撐部用第二可動(dòng)部驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的第十三方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述XY驅(qū)動(dòng)部的構(gòu)成是依靠X軸線性馬達(dá)和Y軸線性馬達(dá)沿所述XY方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部或所述測量物。根據(jù)本發(fā)明的第十四方式，在第十一方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，所述Zl坐標(biāo)檢測部在從所述上面觸頭的中心向Z方向延伸的直線上檢測所述測量物的移動(dòng)量的Zl坐標(biāo)，所述XY坐標(biāo)檢測部，在從所述上面觸頭中心的所述Z方向可動(dòng)范圍的中心附近向所述X方向延伸的直線上檢測所述X坐標(biāo)，在從所述上面觸頭中心的所述Z方向可動(dòng)范圍的中心附近向所述Y方向延伸的直線上檢測所述Y坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的第十五方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，還具備將所述第二可動(dòng)部相對(duì)于所述支撐部的移動(dòng)量作為Z2坐標(biāo)進(jìn)行檢測的Z2 坐標(biāo)檢測部。根據(jù)本發(fā)明的第十六方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，包括側(cè)面Y坐標(biāo)檢測部，其當(dāng)所述側(cè)面觸頭位置沿X方向離開所述上面觸頭位置時(shí)，在從所述側(cè)面觸頭的Z方向可動(dòng)范圍的中心附近向Y軸方向延伸的直線上測量Y坐標(biāo)；側(cè)面X坐標(biāo)檢測部，其當(dāng)所述側(cè)面觸頭位置沿Y方向離開所述上面觸頭位置時(shí)，在從所述側(cè)面觸頭的Z方向可動(dòng)范圍的中心附近向X軸方向延伸的直線上測量X坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的第十七方式，在第一 八任意一個(gè)方式所述的三維形狀測量裝置的基礎(chǔ)上，包括第一運(yùn)算部，其當(dāng)放置球作為所述測量物時(shí)，用所述上面觸頭測量該球表面的多個(gè)點(diǎn)，之后由該測量點(diǎn)的點(diǎn)列計(jì)算該球的第一中心坐標(biāo)(Xc，yc，zc)；第二運(yùn)算部，其用所述側(cè)面觸頭測量該球表面的多個(gè)點(diǎn)，計(jì)算由該球的測量數(shù)據(jù)求得的該球的第二中心坐標(biāo)(xd，yd, zd)；第三運(yùn)算部，求出這些第一及第二中心坐標(biāo)的差，并且與某一方測量數(shù)據(jù)相加；在所述第三運(yùn)算部，將所述第一及第二中心坐標(biāo)的差與所述某一方測量數(shù)據(jù)相加，從而將所述兩個(gè)觸頭所得的測量數(shù)據(jù)作為相對(duì)于被測量面的同一坐標(biāo)系上的測量數(shù)據(jù)。(發(fā)明效果)根據(jù)本發(fā)明的三維形狀測量裝置，由于具備上面觸頭和側(cè)面觸頭，因而，能夠以測量精度10 100納米對(duì)測量物的上面和側(cè)面雙方進(jìn)行測量。更具體地說，能夠以10 100 納米的精度測量作為測量物一例的非球面透鏡和非球面透鏡的外形側(cè)面。從而，能夠以100 納米的超高精度對(duì)現(xiàn)有無法實(shí)現(xiàn)的非球面透鏡的透鏡面光軸相對(duì)于外徑的傾斜或偏心進(jìn)行測量。另外，作為測量物的另一例子，能夠準(zhǔn)確地測量在照相機(jī)、攝像機(jī)或光盤等中使用的非球面透鏡的光軸相對(duì)于外徑的偏離，因此，能夠制作光軸不會(huì)偏離的透鏡，能夠成品率高地制作更高畫質(zhì)、大容量、輕量的使用非球面透鏡的制品。另外，作為測量物的其他例子， 還能夠短時(shí)間掃描測量脫模的上面和側(cè)面的間隙、微孔或齒輪等的形狀和基準(zhǔn)面等。
本發(fā)明的其他目的和特征，通過關(guān)于附圖進(jìn)行的與最佳實(shí)施方式相關(guān)聯(lián)的以下敘述來闡明。


圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方式的三維形狀測量裝置的第二可動(dòng)部的放大圖。圖2是本發(fā)明第一實(shí)施方式的機(jī)械構(gòu)成的主視圖。圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式的機(jī)械構(gòu)成的右視圖。圖4是本發(fā)明第一實(shí)施方式的控制構(gòu)成圖。圖5是本發(fā)明第一實(shí)施方式的控制構(gòu)成圖。圖6A是用以說明本發(fā)明第一實(shí)施方式的動(dòng)作的圖。圖6B是本發(fā)明第一實(shí)施方式的動(dòng)作流程圖。圖7A是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的光路構(gòu)成的俯視圖。圖7B是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的光路構(gòu)成的主視圖。圖7C是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的測量點(diǎn)位置運(yùn)算部構(gòu)成的圖。圖8A是表示本發(fā)明第二實(shí)施方式的光路構(gòu)成的俯視圖。圖8B是表示本發(fā)明第二實(shí)施方式的光路構(gòu)成的主視圖。圖9A是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的向上面探測器的氣動(dòng)滑塊供給壓縮空氣的狀態(tài)的主視圖。圖9B是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的將上面探測器的氣動(dòng)滑塊的配管切換成真空配管的狀態(tài)的主視圖。圖10是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的阻止第一可動(dòng)部的Z方向運(yùn)動(dòng)而計(jì)算出上面探測器和側(cè)面探測器的相對(duì)位置的順序的圖。圖11是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的阻止第一可動(dòng)部的Z方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)機(jī)的圖。圖12是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的相對(duì)位置測量部的信號(hào)的圖。圖13是表示本發(fā)明第三實(shí)施方式的阻止第一可動(dòng)部的Z方向運(yùn)動(dòng)而計(jì)算出上面探測器和側(cè)面探測器的相對(duì)位置之后，利用上面觸頭和側(cè)面觸頭進(jìn)行測量物測量的順序的圖。圖14是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的Y坐標(biāo)檢測部內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。圖15是表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的X坐標(biāo)檢測部內(nèi)部結(jié)構(gòu)的框圖。
具體實(shí)施例方式首先，在繼續(xù)闡述本發(fā)明之前要說明的是，對(duì)附圖中相同部件附以相同參照符號(hào)。以下，關(guān)于本發(fā)明的實(shí)施方式，參照附圖進(jìn)行說明。(第一實(shí)施方式)圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方式的三維形狀測量裝置的第一可動(dòng)部1和包括可動(dòng)傾斜部2i的第二可動(dòng)部2的放大主視圖。圖2是本發(fā)明第一實(shí)施方式的形狀測量裝置的主視圖，圖3是本發(fā)明第一實(shí)施方式的形狀測量裝置的右視圖。圖4是表示用本發(fā)明第一實(shí)施方式的形狀測量裝置的上面觸頭Ia對(duì)測量物7上面7a進(jìn)行測量時(shí)的控制構(gòu)成一例的說明圖。圖5是表示用本發(fā)明第一實(shí)施方式的形狀測量裝置的側(cè)面觸頭2ia對(duì)測量物7側(cè)面7b進(jìn)行測量時(shí)的控制構(gòu)成一例的說明圖。圖1中，第一可動(dòng)部1包括上面觸頭la、第一反射鏡lb、沿Z方向配置且具有XY方向上不振動(dòng)這種程度的剛性的氣動(dòng)滑塊Ic和作為彈力產(chǎn)生部一例發(fā)揮作用的可動(dòng)軛Id。 在氣動(dòng)滑塊Ic的一端(圖1中是下端)具有上面觸頭la，同時(shí)在氣動(dòng)滑塊Ic的另一端(圖 1中是上端)經(jīng)由可動(dòng)軛Id具有第一反射鏡lb。氣動(dòng)滑塊Ic沿著作為導(dǎo)向部一例發(fā)揮作用的空氣軸承加在Z方向上可動(dòng)?？蓜?dòng)軛Id為銷子(pin)狀，安裝在第一可動(dòng)部1的氣動(dòng)滑塊Ic的另一端即上部。 作為支承可動(dòng)軛id的彈力支撐部一例發(fā)揮作用的磁力回路池由安裝在第二可動(dòng)部2上的磁鐵2b和固定軛2c形成，基于該磁力回路產(chǎn)生的引力，在圖1中可動(dòng)軛Id以非接觸的狀態(tài)被左右吸引，防止第一可動(dòng)部1旋轉(zhuǎn)和第一可動(dòng)部1由于重力作用而落下，作為彈力產(chǎn)生部一例發(fā)揮作用。依靠該可動(dòng)軛Id和磁力回路池，第一可動(dòng)部1相對(duì)于第二可動(dòng)部2在均衡的位置懸浮。若對(duì)上面觸頭Ia下端作用Z方向的測量力，則可動(dòng)軛Id與該測量力呈比例地從均衡位置偏離。還有，作為彈力產(chǎn)生部一例，也可以不采用所述磁力回路而采用板簧。關(guān)于該第一可動(dòng)部1從均衡位置的偏離量，利用相對(duì)位置測量部2d檢測粘貼在第一可動(dòng)部1上端的第一反射鏡Ib的位移，同時(shí)，關(guān)于第一可動(dòng)部1的Z坐標(biāo)，從固定在支撐部4的穩(wěn)態(tài)激光電源5輸出的輸出光由2塊半透半反鏡(未圖示)分離成Z2坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光6，該Z2坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光6完全透過分色鏡2dc，由透鏡2de聚光在第一反射鏡lb，通過來自該第一反射鏡Ib的反射光能夠以納米級(jí)的超高精度測量第一可動(dòng)部1的Z 坐標(biāo)。支撐部4固定在固定門柱(日語石門柱)11，固定門柱11固定在固定基座(日語石定盤)10上。第二可動(dòng)部2大體上是在其下端部分別沿Z方向能夠升降地支撐上面探測器102 和側(cè)面探測器101，相對(duì)于支撐部4沿Z方向能夠升降地被支撐。第二可動(dòng)部2包括以下等裝置，沿Z方向配置的空氣軸承2a、環(huán)狀磁鐵2b、環(huán)狀固定軛2c、相對(duì)位置測量部2d、沿Z 方向固定在第二可動(dòng)部2本體2τ下端的一端部的上面探測器框加、與上面探測器框2e并排地沿Z方向固定在第二可動(dòng)部2本體2τ下端的另一端部的側(cè)面探測器框2f、橫柱2g、可動(dòng)傾斜部2i、傾斜角度測量部2j、固定側(cè)磁鐵2k、Z驅(qū)動(dòng)部2m、大氣動(dòng)滑塊2η，大氣動(dòng)滑塊 2η沿著固定在支撐部4上的大空氣軸承如在Z方向上能夠滑動(dòng)。第二可動(dòng)部2的Z方向可動(dòng)范圍覆蓋該三維形狀測量裝置的Z方向的測量范圍， XY驅(qū)動(dòng)裝置8的XY方向可動(dòng)范圍覆蓋該三維形狀測量裝置的XY方向的測量范圍。第二可動(dòng)部2的重量利用上端支撐在支撐部4上的恒定負(fù)載彈簧3從支撐部4懸垂支承。第二可動(dòng)部2利用由配置在兩側(cè)部的總計(jì)2個(gè)線圈構(gòu)成的Z驅(qū)動(dòng)部an相對(duì)于支撐部4沿Z方向被驅(qū)動(dòng)。相對(duì)位置測量部2d是固定在第二可動(dòng)部2上、測量并輸出第一可動(dòng)部1相對(duì)于第二可動(dòng)部2的相對(duì)位置的裝置，包括半導(dǎo)體激光聚焦檢測器2da、衍射光柵2db、分色鏡2dc、 透鏡2dd、透鏡2de。半導(dǎo)體激光聚焦檢測器2da呈陣列狀配置有射出半導(dǎo)體激光的半導(dǎo)體激光器和接收并檢測半導(dǎo)體激光的光檢測器。來自半導(dǎo)體激光聚焦檢測器2da的半導(dǎo)體激光透過衍射光柵2db和透鏡2dd，由分色鏡2dc進(jìn)行反射，由透鏡2de聚光在第一可動(dòng)部1 上的第一反射鏡Ib上。來自第一反射鏡Ib的反射光再次透過透鏡2de，在分色鏡2dc進(jìn)行反射，透過透鏡2dd，由衍射光柵2db進(jìn)行分離，利用半導(dǎo)體激光聚焦檢測器2da檢測第一反射鏡Ib的Z方向的焦點(diǎn)偏離。另外，該相對(duì)位置測量部2d也可以用靜電容量傳感器替代?？蓜?dòng)傾斜部2i包括側(cè)面觸頭2ia、連結(jié)機(jī)構(gòu)104的支點(diǎn)構(gòu)成2ib、第二反射鏡2ic 和可動(dòng)側(cè)磁鐵2id。可動(dòng)傾斜部2i以連結(jié)機(jī)構(gòu)104的支點(diǎn)構(gòu)件2ib的尖的下端為中心，在連結(jié)固定在側(cè)面探測器框2f上的四邊形截面形狀的橫柱2g的上面能夠向任意方向傾斜， 可動(dòng)側(cè)磁鐵2id對(duì)固定側(cè)磁鐵業(yè)作用引力，從而，產(chǎn)生阻礙側(cè)面觸頭2ia傾斜的彈力。側(cè)面探測器101具有使側(cè)面觸頭2ia沿XY方向傾斜的構(gòu)成。這種側(cè)面探測器101 包括側(cè)面探測器框2f、下端具有側(cè)面觸頭2ia的可動(dòng)傾斜部2i和連結(jié)機(jī)構(gòu)104。側(cè)面探測器框2f是在第二可動(dòng)部2上進(jìn)行固定或者能夠拆裝地進(jìn)行安裝的模塊構(gòu)件。側(cè)面探測器框2f是相對(duì)于可動(dòng)傾斜部2i的擺動(dòng)而固定的構(gòu)件，中央部具有貫通該側(cè)面探測器框2f的激光用開口 2fp，以使來自固定在第二可動(dòng)部2的光源2ja的光能夠通過。側(cè)面探測器框2f形成圓筒形，具有其內(nèi)部收納可動(dòng)傾斜部2i這樣的位置關(guān)系。可動(dòng)傾斜部2i和側(cè)面探測器框2f由連結(jié)機(jī)構(gòu)104連結(jié)。連結(jié)機(jī)構(gòu)104是將可動(dòng)傾斜部2i 支撐在側(cè)面探測器框2f上的機(jī)構(gòu)，能使可動(dòng)傾斜部2i在與向反射鏡2ic照射的來自光源 2ja的光的光軸交叉的任意方向上傾斜而擺動(dòng)。第一實(shí)施方式中，連結(jié)機(jī)構(gòu)104包括固定在側(cè)面探測器框2f上的棱柱的橫柱(載置臺(tái))2g、安裝在可動(dòng)傾斜部2i的支點(diǎn)構(gòu)件2ib。橫柱2g在其上面形成圓錐形槽，支點(diǎn)構(gòu)件2ib的尖端嵌入該圓錐形槽中。兩者嵌入時(shí)，形成的構(gòu)成是在橫柱2g的圓錐槽最下點(diǎn)接觸支點(diǎn)構(gòu)件2ib的尖端位置，從而，可動(dòng)傾斜部2i和側(cè)面探測器框2f以該支點(diǎn)構(gòu)件2ib和橫柱2g的圓錐槽的接觸部分為擺動(dòng)中心能夠擺動(dòng)地相連結(jié)。還有，優(yōu)選是可動(dòng)傾斜部2i 形成的構(gòu)成是在支點(diǎn)構(gòu)件2ib嵌入橫柱2g的槽中進(jìn)行連結(jié)時(shí)，使重心位于支點(diǎn)構(gòu)件2ib前端的豎直方向下側(cè)，以使側(cè)面觸頭2ia朝向豎直方向?？蓜?dòng)傾斜部2i具有與測量物7側(cè)面的被測量面7b接觸的側(cè)面觸頭2ia、對(duì)通過側(cè)面探測器框2f的來自光源2 ja的光進(jìn)行反射的反射鏡2ic，是與按照被測量面7b形狀產(chǎn)生的側(cè)面觸頭2ia位移相對(duì)應(yīng)地，相對(duì)于側(cè)面探測器框2f進(jìn)行擺動(dòng)的構(gòu)件。反射鏡2ic固定在可動(dòng)傾斜部2i的中心部，接收來自光源2ja的光?？蓜?dòng)傾斜部2i在第一實(shí)施方式中具備本體部2it，本體部2it中央具備沿紙面貫通方向貫通設(shè)置的貫通孔2ip，前端設(shè)有側(cè)面觸頭2ia的臂2if從本體部2it的外側(cè)下壁、 即四方筒形狀的本體部2it垂下。另外，在本體部2it的上面安裝所述反射鏡2ic。另外，在本體部2it的內(nèi)側(cè)上壁即貫通孔2ip的上面，設(shè)置針狀的支點(diǎn)構(gòu)件2ib。 連結(jié)機(jī)構(gòu)104的橫柱2g貫通本體部2it的貫通孔2ip進(jìn)行配置。從而，可靠地防止可動(dòng)傾斜部2i和側(cè)面探測器框2f脫落。還有，第一實(shí)施方式中，側(cè)面觸頭2ia是具有例如約0. 3mm 約2mm直徑的球狀體，臂2if作為一例是粗細(xì)(直徑)約為0. 7mm、且從固定臂2if的本體部下面到側(cè)面觸頭 2ia中心長度L約IOmm的棒狀構(gòu)件。這些值按照測量物7的形狀適當(dāng)進(jìn)行變更。另外，可動(dòng)傾斜部2i的構(gòu)成只要是基于支點(diǎn)能夠擺動(dòng)地配置在橫柱2g上的構(gòu)成即可，并沒有限定于上述構(gòu)成。若對(duì)側(cè)面觸頭2ia從XY方向作用測量力，則可動(dòng)傾斜部2i與其測量力呈比例地傾斜。關(guān)于配置在第二可動(dòng)部2上的傾斜角度測量部2j，將從固定在第二可動(dòng)部2上的光源2ja發(fā)出的光通過固定在第二可動(dòng)部2上的透鏡2jb聚光，向粘貼在第二可動(dòng)部2的可動(dòng)傾斜部2i的本體部2it上面的第二反射鏡2ic照射。將來自第二反射鏡2ic的反射光向固定在第二可動(dòng)部2上的光位置檢測器、即二維PSD2jc照射，測量光位置(來自第二反射鏡2ic的反射光的方向)，從而，能夠檢測可動(dòng)傾斜部2i的傾斜角度。如圖2及圖3所示，測量物7設(shè)置在測量物設(shè)置部18上，測量物設(shè)置部18被支撐在固定基座10上。另外，X基準(zhǔn)鏡12、Y基準(zhǔn)鏡13和Z基準(zhǔn)鏡19分別相互正交地配置且固定在同一測量物設(shè)置部18上，基于XY驅(qū)動(dòng)部8沿與Z方向正交的XY方向移動(dòng)。XY驅(qū)動(dòng)部8具備X軸導(dǎo)向件8a和Y軸導(dǎo)向件8b，由于X軸導(dǎo)向件8a的引導(dǎo)，利用作為X軸驅(qū)動(dòng)部一例的X軸線性馬達(dá)8c使測量物設(shè)置部18沿X方向相對(duì)于固定基座10 移動(dòng)，并且，由于Y軸導(dǎo)向件8b的引導(dǎo)，利用作為Y軸驅(qū)動(dòng)部一例的Y軸線性馬達(dá)8d使測量物設(shè)置部18沿Y方向相對(duì)于固定基座10移動(dòng)。穩(wěn)態(tài)激光光源5發(fā)出遵照世界長度標(biāo)準(zhǔn)的高精度波長的穩(wěn)態(tài)激光、即射出振蕩頻率的偏離控制為恒定值(一定值)以下的穩(wěn)態(tài)激光，向X基準(zhǔn)鏡12、Y基準(zhǔn)鏡13和Z基準(zhǔn)鏡19照射。該激光由多個(gè)半透半反鏡(未圖示)分離為Z2坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光6、Zl坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光16、X坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光14、Y坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光15四個(gè)。若上面觸頭Ia和側(cè)面觸頭2ia的高度、也就是Z方向的位置與第二可動(dòng)部2的Z 方向移動(dòng)范圍相比，則幾乎沒有高低差，為大致相同高度。將所述X坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光14 和Y坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光15設(shè)定在這些上面觸頭Ia和側(cè)面觸頭2ia的Z移動(dòng)范圍的中央附近高度。這是因?yàn)槿粼跍y量點(diǎn)的高度附近測量XY坐標(biāo)，則即使XY驅(qū)動(dòng)部8由于顫動(dòng)而傾斜，也很難發(fā)生測量誤差。Z2坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光6聚光在圖1的第一可動(dòng)部1的第一反射鏡Ib上，由第一反射鏡Ib反射，來自第一反射鏡Ib的反射光進(jìn)入坐標(biāo)檢測部17的Z2坐標(biāo)檢測部17d，在 Z2坐標(biāo)檢測部17d檢測第一反射鏡Ib的Z坐標(biāo)的位移即Z2。第一反射鏡Ib是與上面觸頭Ia—體的第一可動(dòng)部1的一部分，上面觸頭Ib與測量物7的被測量面7a相接，因此，在 Z2坐標(biāo)檢測部17d對(duì)測量物7的測量點(diǎn)的Z坐標(biāo)的位移Z2進(jìn)行測量。XY驅(qū)動(dòng)部8即使怎么在機(jī)械上高精度制作完成，在移動(dòng)精度上也存在界限，在X軸及Y軸上均不能以10納米的平直精度運(yùn)動(dòng)。其理由是因?yàn)?，如果只?qū)動(dòng)X軸等一個(gè)軸，則不會(huì)達(dá)不到10納米級(jí)的平直精度，而在驅(qū)動(dòng)兩個(gè)軸時(shí)，若重量分布變化以及被測量物7的重量變化則移動(dòng)平直度進(jìn)一步變化。因此，通過采用將達(dá)到10納米平面度的鏡作為CTZ基準(zhǔn)鏡配置、以這些XYZ基準(zhǔn)鏡的鏡面作為XYZ坐標(biāo)軸的構(gòu)成，從而，能夠?qū)崿F(xiàn)超過XY驅(qū)動(dòng)部 8移動(dòng)精度的測量精度。例如，若使測量物7不僅XY方向運(yùn)動(dòng)，而且連Z方向上也運(yùn)動(dòng)，則在測量物設(shè)置部 18上安裝XY基準(zhǔn)鏡，因此還修正Z移動(dòng)平直度，不過，若進(jìn)行包括測量物7的上下驅(qū)動(dòng)，則由于重量變重，因此伺服響應(yīng)性變差，因此不宜采用該方法。另外，如前所述，只驅(qū)動(dòng)Z方向的一個(gè)軸，第二可動(dòng)部2的重量也大致恒定(一定)，因此，關(guān)于Z方向也能夠提高第二可動(dòng)部2的移動(dòng)平直精度。
在優(yōu)化第二可動(dòng)部2的移動(dòng)平直精度的同時(shí)，也必須優(yōu)化響應(yīng)速度。因而采用的構(gòu)成是，具備由2個(gè)線圈構(gòu)成的Z驅(qū)動(dòng)部2m，并且，相對(duì)于在支撐部4配置的2個(gè)磁力回路 4b，配置Z驅(qū)動(dòng)部2m，以使重心驅(qū)動(dòng)第二可動(dòng)部2，大氣動(dòng)滑塊2η沿著大空氣軸承如運(yùn)動(dòng)。大氣動(dòng)滑塊2η和大空氣軸承如剛性高，施加轉(zhuǎn)矩也很難發(fā)生傾斜，不過，細(xì)微的傾斜也成為測量誤差的要因，因此，重心驅(qū)動(dòng)是必要的。重心驅(qū)動(dòng)的意思是，在距離第二可動(dòng)部2重心大致等距離的左右位置分別安裝Z驅(qū)動(dòng)部2m，從而，使驅(qū)動(dòng)力加載在第二可動(dòng)部2的重心附近，以使不會(huì)對(duì)第二可動(dòng)部2施加轉(zhuǎn)矩，從而，能夠使第二可動(dòng)部2不傾斜地上下運(yùn)動(dòng)。由一對(duì)線圈構(gòu)成的Z驅(qū)動(dòng)部ail和在與所述線圈的Z驅(qū)動(dòng)部ail對(duì)應(yīng)的位置安裝在支撐部4上的一對(duì)磁力回路4b，構(gòu)成左右一對(duì)線性馬達(dá)。一對(duì)線性馬達(dá)，在第二可動(dòng)部2的重心附近產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，因此，在第二可動(dòng)部2上不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力。該一對(duì)線性馬達(dá)作為用以使第二可動(dòng)部2相對(duì)于支撐部4沿Z方向移動(dòng)的第二可動(dòng)部驅(qū)動(dòng)裝置的一例發(fā)揮作用。在此， 帶有“大”是為了區(qū)別于氣動(dòng)滑塊lc、空氣軸承2a，若將前面的氣動(dòng)滑塊lc、空氣軸承加分別取作“第一”氣動(dòng)滑塊Ic及“第一”空氣軸承2a，則這些大氣動(dòng)滑塊2η及大空氣軸承如也可以分別取作“第二”氣動(dòng)滑塊2η及“第二”空氣軸承如。恒定負(fù)載彈簧3從第二可動(dòng)部2的大致重心，以與第二可動(dòng)部2重量均衡的拉力 (張力)，相對(duì)于支撐部4懸吊第二可動(dòng)部2。Z基準(zhǔn)鏡19配置在XY驅(qū)動(dòng)部8的測量物設(shè)置部18正下方，通過Zl坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光16，由Zl坐標(biāo)檢測部17c對(duì)測量物設(shè)置部18向Z方向的偏離量Zl進(jìn)行測量。此時(shí)，Zl坐標(biāo)檢測部17c在從上面觸頭Ia的中心沿Z方向延伸的直線上檢測測量物7移動(dòng)量的Zl坐標(biāo)。還有，各軸的坐標(biāo)以相同的原理進(jìn)行測量。作為一例，其測量原理為公知的激光測長，例如，關(guān)于Zl坐標(biāo)，是將Zl坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光16分離成參照光和測量光，參照光與固定反射鏡(未圖示)相抵而被反射，測量光與Z基準(zhǔn)鏡19相抵而被反射，使這些光經(jīng)Zl坐標(biāo)檢測部17c在2個(gè)光檢測器9 (未圖示)上發(fā)生干涉，根據(jù)由于光干涉產(chǎn)生的明暗變化對(duì)Z基準(zhǔn)鏡19相對(duì)于固定基座10的細(xì)小的上下運(yùn)動(dòng)、即Zl坐標(biāo)進(jìn)行測量。其他軸的坐標(biāo)也同樣進(jìn)行測量。靜止坐標(biāo)系中上面觸頭Ia位置的Z坐標(biāo)為Z2，不過，測量物7只在Z方向上發(fā)生偏離Z1，因此，以測量物7為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系中的上面觸頭Ia位置的Z坐標(biāo)的測量值&成為Z1+Z2。從而，根據(jù)Zl坐標(biāo)檢測部17c檢測的Zl的信息和Z2坐標(biāo)檢測部17d檢測的Z2 的信息，由坐標(biāo)檢測部17內(nèi)的Z坐標(biāo)計(jì)算部17e計(jì)算該Z坐標(biāo)的測量值&。具體地說，通過由Zl坐標(biāo)檢測部17c檢測的Zl坐標(biāo)和由Z2坐標(biāo)檢測部17d檢測的Z2坐標(biāo)的相加，由 Z坐標(biāo)計(jì)算部17e計(jì)算測量物7表面上的測量點(diǎn)的Z坐標(biāo)。同樣地，還可以修正XY驅(qū)動(dòng)部8的X方向及Y方向的移動(dòng)平直度的偏離，為了測量以測量物為基準(zhǔn)的坐標(biāo)系中由上面觸頭Ia測得的測量點(diǎn)的XY坐標(biāo)(Px、Py)，在測量物設(shè)置部18上設(shè)置X基準(zhǔn)鏡12和Y基準(zhǔn)鏡13，向X基準(zhǔn)鏡12照射X坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光 14，使來自X基準(zhǔn)鏡12的反射光進(jìn)入坐標(biāo)檢測部17的X坐標(biāo)檢測部17a，由X坐標(biāo)檢測部 17a測量X坐標(biāo)1^。另外，向Y基準(zhǔn)鏡13照射Y坐標(biāo)測量用穩(wěn)態(tài)激光15，使來自Y基準(zhǔn)鏡 13的反射光進(jìn)入坐標(biāo)檢測部17的Y坐標(biāo)檢測部17b，由Y坐標(biāo)檢測部17b測量Y坐標(biāo)Py。這樣一來，坐標(biāo)檢測部17形成的構(gòu)成是具有X坐標(biāo)檢測部17a、Y坐標(biāo)檢測部17b、Zl坐標(biāo)檢測部17c、Z2坐標(biāo)檢測部17d。X坐標(biāo)檢測部17a和Y坐標(biāo)檢測部17b測量由XY 驅(qū)動(dòng)部8產(chǎn)生的支撐部4或測量物7的XY方向移動(dòng)量，檢測X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)(換言之，通過來自X基準(zhǔn)鏡12和Y基準(zhǔn)鏡13的反射光，檢測測量物7相對(duì)于支撐部4的移動(dòng)量的X 坐標(biāo)和Y坐標(biāo))。X坐標(biāo)檢測部17a在從上面觸頭Ia中心的Z方向可動(dòng)范圍的中心附近沿 X方向延伸的直線上檢測X坐標(biāo)。Y坐標(biāo)檢測部17b在從上面觸頭Ia中心的Z方向可動(dòng)范圍的中心附近沿Y方向延伸的直線上檢測Y坐標(biāo)。以上列舉了一例是X坐標(biāo)檢測部17a和 Y坐標(biāo)檢測部17b分別獨(dú)立構(gòu)成，不過，也可以由1個(gè)XY坐標(biāo)檢測部構(gòu)成。Zl坐標(biāo)檢測部 17c根據(jù)來自Z基準(zhǔn)鏡19的反射光，對(duì)測量物7相對(duì)于支撐部4的移動(dòng)量的Zl坐標(biāo)進(jìn)行檢測。Z2坐標(biāo)檢測部17d根據(jù)來自第一反射鏡Ib的反射光，檢測Z坐標(biāo)的位移即Z2坐標(biāo)。還有，也可以取代使測量物7和3塊)^Z基準(zhǔn)鏡12、13、19在測量物設(shè)置部18上沿 XY方向移動(dòng)的結(jié)構(gòu)，而將測量物7和3塊CTZ基準(zhǔn)鏡12、13、19固定，使包括探測器部(第二可動(dòng)部2)在內(nèi)的支撐部4沿XY方向移動(dòng)。利用上面觸頭Ia測量測量物7的上面測量面7a時(shí)，如圖4所示，按照來自伺服信息存儲(chǔ)部38的表示上面測量的信號(hào)，XY軸信號(hào)切換部27將XY軸移動(dòng)指示部35、X軸驅(qū)動(dòng)控制部40和Y軸驅(qū)動(dòng)控制部41相連，因此，按照從掃描信息存儲(chǔ)部39經(jīng)由XY軸移動(dòng)指示部35分別輸入到X軸驅(qū)動(dòng)控制部40和Y軸驅(qū)動(dòng)控制部41的表示XY軸移動(dòng)量和移動(dòng)速度的信號(hào)，分別驅(qū)動(dòng)控制XY驅(qū)動(dòng)部8的X軸線性馬達(dá)8c和Y軸線性馬達(dá)8d，沿XY方向相對(duì)移動(dòng)的同時(shí)，用上面觸頭Ia對(duì)測量物7上面的測量面7a進(jìn)行測量。當(dāng)用上面觸頭Ia對(duì)測量物7的上面測量面7a進(jìn)行測量時(shí)，從例如沒有圖示的輸入裝置向控制部觀輸入對(duì)測量物7上面的測量面7a進(jìn)行測量的指令，從而，控制部觀判定到對(duì)測量物7上面的測量物7a 進(jìn)行測量，輸出來自伺服信息存儲(chǔ)部38的表示上面測量的信號(hào)。XY軸移動(dòng)指示部35產(chǎn)生用以使上面觸頭Ia沿XY方向掃描測量物7表面(上面)的信號(hào)。另外，XY軸信號(hào)切換部 27切換成來自XY軸移動(dòng)指示部35的信號(hào)和來自后述XY控制部34的信號(hào)中任一個(gè)，將其信號(hào)傳遞給XY驅(qū)動(dòng)部8。另外，按照來自伺服信息存儲(chǔ)部38的表示上面測量的信號(hào)，Z軸信號(hào)切換部32將聚焦控制部四和Z軸驅(qū)動(dòng)控制部42相連，因此，根據(jù)從相對(duì)位置測量部2d輸出的第一可動(dòng)部1相對(duì)于第二可動(dòng)部2的相對(duì)位置的信息，在第一可動(dòng)部1相對(duì)于第二可動(dòng)部2的相對(duì)位置為恒定的狀態(tài)下利用Z軸驅(qū)動(dòng)控制部42驅(qū)動(dòng)控制Z驅(qū)動(dòng)部an。當(dāng)上面觸頭Ia沿XY方向掃描測量物7表面(上面)的情況下，第一可動(dòng)部1隨著測量物7表面的高度變化在Z方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，聚焦控制部四產(chǎn)生以從相對(duì)位置測量部33 獲得的第一可動(dòng)部1和第二可動(dòng)部2的相對(duì)位置為恒定的方式沿Z方向驅(qū)動(dòng)第二可動(dòng)部2 的信號(hào)。另外，Z軸信號(hào)切換部32切換成來自聚焦控制部四的信號(hào)和來自Z軸移動(dòng)指示部36的信號(hào)中任意一個(gè)，將其信號(hào)傳遞給Z驅(qū)動(dòng)部an。另外，由測量點(diǎn)位置運(yùn)算部30獲得的與測量點(diǎn)接觸的上面觸頭Ia的曲率中心的 XYZ坐標(biāo)，成為由X坐標(biāo)檢測部17a獲得的X坐標(biāo)Px、由Y坐標(biāo)檢測部17b獲得的Y坐標(biāo)Py、 由Z坐標(biāo)計(jì)算部17e獲得的Z坐標(biāo)&。根據(jù)從伺服信息存儲(chǔ)部38輸入到測量點(diǎn)位置運(yùn)算部30的表示上面測量的信號(hào)，由側(cè)面觸頭位移檢測部33獲得的側(cè)面觸頭2ia的X位移(X 方向位移)和Y位移(Y方向位移)Dx、Dy不進(jìn)行相加。該測量點(diǎn)位置運(yùn)算部30，將由側(cè)面觸頭位移檢測部33計(jì)算的側(cè)面觸頭2ia的X位移及Y位移與XY坐標(biāo)檢測部17a、17b檢測的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)相加，計(jì)算由側(cè)面觸頭2ia測得的測量點(diǎn)的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)。另一方面，利用側(cè)面觸頭2ia測量測量物7的側(cè)面7b時(shí)，如圖5所示，按照來自伺服信息存儲(chǔ)部38的表示側(cè)面測量的信號(hào)，XY軸信號(hào)切換部27將XY控制部34、X軸驅(qū)動(dòng)控制部40和Y軸驅(qū)動(dòng)控制部41相連。當(dāng)用側(cè)面觸頭2ia測量測量物7的側(cè)面7b時(shí)，從例如沒有圖示的輸入裝置向控制部觀輸入對(duì)測量物7的側(cè)面7b進(jìn)行測量的指令，從而，控制部 28判定到對(duì)測量物7側(cè)面7b進(jìn)行測量，輸出來自伺服信息存儲(chǔ)部38的表示側(cè)面測量的信號(hào)。從而，根據(jù)來自XY控制部；34的指示，經(jīng)由X軸驅(qū)動(dòng)控制部40和Y軸驅(qū)動(dòng)控制部41驅(qū)動(dòng)控制XY驅(qū)動(dòng)部8。XY控制部34驅(qū)動(dòng)控制XY驅(qū)動(dòng)部8，以使側(cè)面觸頭2ia沿著測量物7 表面在XY方向上移動(dòng)，并且，當(dāng)可動(dòng)傾斜部2i隨著測量物7表面的XY方向的變化而傾斜時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制XY驅(qū)動(dòng)部8以使從傾斜角度測量部2j獲得的傾斜角度的絕對(duì)值大致恒定。另外，按照來自伺服信息存儲(chǔ)部38的表示側(cè)面測量的信號(hào)，Z軸信號(hào)切換部32將 Z軸移動(dòng)指示部36和Z軸驅(qū)動(dòng)控制部42相連。Z軸移動(dòng)指示部36產(chǎn)生用于在Z方向上驅(qū)動(dòng)第二可動(dòng)部2的信號(hào)，以使側(cè)面觸頭2ia沿測量物7表面(上面)Z方向進(jìn)行掃描。從而， 根據(jù)來自Z軸移動(dòng)指示部36的指示，Z軸驅(qū)動(dòng)控制部42驅(qū)動(dòng)控制Z驅(qū)動(dòng)部an。XY控制部34以使側(cè)面觸頭沿著測量物7的側(cè)面7b位移的絕對(duì)值為恒定值C的方式經(jīng)由X軸驅(qū)動(dòng)控制部40和Y軸驅(qū)動(dòng)控制部41驅(qū)動(dòng)控制XY驅(qū)動(dòng)部8，一面沿XY方向上相對(duì)移動(dòng)，一面用側(cè)面觸頭2ia測量測量物7的側(cè)面7b。圖6A是在測量物的基準(zhǔn)坐標(biāo)系中從Z方向看的圖。因而，是測量物7不運(yùn)動(dòng)、探測器部(第二可動(dòng)部2)沿XY方向移動(dòng)的圖。從側(cè)面觸頭2ia的測量開始前的位置SO開始，將測量中的位置記為Si、S2 · ·、S、· ·。另外，以側(cè)面觸頭2ia相對(duì)于第二可動(dòng)部2 不位移時(shí)的第二可動(dòng)部2位置為側(cè)面探測器位置P，從測量開始前的位置PO開始，將測量中的位置記為Pl、· ·、P、· ·。側(cè)面觸頭2ia的位移，成為從位置P連結(jié)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分別計(jì)算XY驅(qū)動(dòng)部8的移動(dòng)速度的移動(dòng)矢量M的X分量Mx和Y分量My，根據(jù)XY控制部34計(jì)算的移動(dòng)矢量M的X 分量Mx和Y分量My，由X軸驅(qū)動(dòng)控制部40和Y軸驅(qū)動(dòng)控制部41進(jìn)行控制的同時(shí)，用XY驅(qū)動(dòng)部8驅(qū)動(dòng)XY軸。
權(quán)利要求
1.一種三維形狀測量裝置，其中，包括第一可動(dòng)部，其具有沿Z方向配置的氣動(dòng)滑塊、配置在所述氣動(dòng)滑塊一端的上面觸頭、 分別配置在所述氣動(dòng)滑塊另一端的第一反射鏡和彈力產(chǎn)生部；第二可動(dòng)部，其至少具有使該第一可動(dòng)部沿所述Z方向移動(dòng)的所述氣動(dòng)滑塊的導(dǎo)向部、支承所述彈力產(chǎn)生部而懸吊支撐所述第一可動(dòng)部的彈力支撐部；支撐部，其以所述第二可動(dòng)部能夠沿所述Z方向移動(dòng)的狀態(tài)連結(jié)支撐所述第二可動(dòng)部；Z驅(qū)動(dòng)部，其相對(duì)于所述支撐部沿所述Z方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部； 相對(duì)位置測量部，其測量所述第一可動(dòng)部和所述第二可動(dòng)部的相對(duì)位置； Z2坐標(biāo)檢測部，其將來自穩(wěn)態(tài)激光光源的穩(wěn)態(tài)激光向所述第一反射鏡照射，由來自所述第一反射鏡的反射光測量所述上面觸頭的Z方向移動(dòng)量；XY驅(qū)動(dòng)部，其沿垂直于所述Z方向的X方向及Y方向驅(qū)動(dòng)所述支撐部或測量物； XY坐標(biāo)檢測部，其測量所述XY驅(qū)動(dòng)部對(duì)所述支撐部或所述測量物的XY方向移動(dòng)量，而檢測X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)；可動(dòng)傾斜部，其在所述第二可動(dòng)部上配置在從所述上面觸頭配置在所述第二可動(dòng)部上的位置向所述X方向或Y方向離開的位置，一端具有側(cè)面觸頭，利用連結(jié)機(jī)構(gòu)將所述側(cè)面觸頭相對(duì)于所述Z方向能夠傾斜地連結(jié)在所述第二可動(dòng)部上； 傾斜角度測量部，其測量所述可動(dòng)傾斜部的傾斜角度；側(cè)面觸頭位移檢測部，其由所述傾斜角度測量部獲得的所述傾斜角度計(jì)算出所述側(cè)面觸頭相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的X位移和Y位移；和測量點(diǎn)位置運(yùn)算機(jī)構(gòu)，在由所述XY坐標(biāo)檢測部檢測出的所述X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)上，加上由所述側(cè)面觸頭位移檢測部計(jì)算出的所述側(cè)面觸頭的X位移和Y位移，計(jì)算出所述側(cè)面觸頭對(duì)所述測量物的測量點(diǎn)的X坐標(biāo)及Y坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中，還具備第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置，其在利用所述側(cè)面觸頭進(jìn)行測量時(shí)，阻止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)；和相對(duì)位置測量部，其在利用所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置阻止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下檢測所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的Z方向位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維形狀測量裝置，其中，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置是切換閥，將向使所述第一可動(dòng)部沿所述Z方向移動(dòng)的所述氣動(dòng)滑塊供給的壓縮空氣切換成真空吸引。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維形狀測量裝置，其中， 包括聚焦控制部，其在所述上面觸頭沿所述XY方向掃描所述測量物表面的情況下，當(dāng)所述第一可動(dòng)部沿著所述測量物表面的高度變化在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生沿所述Z方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部的信號(hào)以使從所述相對(duì)位置測量部獲得的所述第一可動(dòng)部和所述第二可動(dòng)部的相對(duì)位置恒定；Z軸移動(dòng)指示部，其產(chǎn)生用于沿所述Z方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部以使所述側(cè)面觸頭沿所述測量物表面的所述Z方向進(jìn)行掃描；和Z軸信號(hào)切換部，其切換成來自所述聚焦控制部的信號(hào)和來自所述Z軸移動(dòng)指示部的信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)，傳給所述Z驅(qū)動(dòng)部。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維形狀測量裝置，其中，還具備第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置，其利用所述側(cè)面觸頭進(jìn)行測量時(shí)，阻止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)；和相對(duì)位置測量部，其在利用所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置阻止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下檢測所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的Z方向位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維形狀測量裝置，其中，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置是一種切換閥，將向使所述第一可動(dòng)部沿所述Z方向移動(dòng)的所述氣動(dòng)滑塊供給的壓縮空氣切換成真空吸引。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的三維形狀測量裝置，其中，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置在所述上面觸頭與所述測量物接觸的狀態(tài)下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的位置為恒定位置的狀態(tài)的時(shí)刻，阻止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的三維形狀測量裝置，其中，所述第一可動(dòng)部動(dòng)作停止裝置在所述上面觸頭與所述測量物接觸的狀態(tài)下，利用所述聚焦控制部，在控制所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部的位置為恒定位置的狀態(tài)的時(shí)刻，阻止所述第一可動(dòng)部相對(duì)于所述第二可動(dòng)部在所述Z方向上運(yùn)動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，包括XY軸移動(dòng)指示部，其產(chǎn)生信號(hào)用以使所述上面觸頭沿所述XY方向掃描所述測量物的表面；XY控制部，其控制所述XY驅(qū)動(dòng)部驅(qū)動(dòng)，以使所述側(cè)面觸頭沿著所述測量物的表面在所述XY方向上移動(dòng)，并且，在所述可動(dòng)傾斜部隨著所述測量物表面的所述XY方向的變化而傾斜時(shí)，控制所述XY驅(qū)動(dòng)部驅(qū)動(dòng)，以使從所述傾斜角度測量部獲得的傾斜角度的絕對(duì)值大致恒定；和XY軸信號(hào)切換部，其切換成來自所述XY軸移動(dòng)指示部的信號(hào)和來自所述XY控制部的信號(hào)中任一個(gè)信號(hào)，傳給所述XY驅(qū)動(dòng)部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，所述傾斜角度測量部具備第二反射鏡，其安裝在所述可動(dòng)傾斜部；和光位置檢測器，其將來自光源的光向所述第二反射鏡照射，通過檢測來自所述第二反射鏡的反射光方向從而測量所述傾斜角度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，包括測量物設(shè)置部，其設(shè)置所述測量物；X基準(zhǔn)鏡、Y基準(zhǔn)鏡和Z基準(zhǔn)鏡，其以在測量中分別不會(huì)改變與該測量物設(shè)置部的相對(duì)位置的方式彼此將各個(gè)鏡面相互正交配置；X坐標(biāo)檢測部和Y坐標(biāo)檢測部，其構(gòu)成所述XY坐標(biāo)檢測部，并且，將振蕩頻率的偏離控制在恒定值以下的來自所述穩(wěn)態(tài)激光光源的所述穩(wěn)態(tài)激光向所述X基準(zhǔn)鏡和所述Y基準(zhǔn)鏡照射，分別由來自所述X基準(zhǔn)鏡和所述Y基準(zhǔn)鏡的反射光檢測所述測量物相對(duì)于所述支撐部的移動(dòng)量的X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)；Zl坐標(biāo)檢測部，其將所述振蕩頻率的偏離被控制在恒定值以下的來自所述穩(wěn)態(tài)激光光源的所述穩(wěn)態(tài)激光向所述Z基準(zhǔn)鏡照射，由來自所述Z基準(zhǔn)鏡的反射光檢測所述測量物相對(duì)于所述支撐部的移動(dòng)量的Zi坐標(biāo)；和Z坐標(biāo)計(jì)算部，其將由所述Z2坐標(biāo)檢測部檢測出的Z2坐標(biāo)和由所述Zl坐標(biāo)檢測部檢測出的所述Zl坐標(biāo)進(jìn)行相加，而計(jì)算出所述測量物表面上的測量點(diǎn)的Z坐標(biāo)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，供所述第二可動(dòng)部沿所述Z方向移動(dòng)的導(dǎo)向部由氣動(dòng)滑塊構(gòu)成，由第二可動(dòng)部驅(qū)動(dòng)裝置相對(duì)于所述支撐部驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部。
13.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，所述XY驅(qū)動(dòng)部依靠 X軸線性馬達(dá)和Y軸線性馬達(dá)沿所述XY方向驅(qū)動(dòng)所述第二可動(dòng)部或所述測量物。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的三維形狀測量裝置，其中，所述Zl坐標(biāo)檢測部在從所述上面觸頭的中心沿Z方向延伸的直線上檢測所述測量物的移動(dòng)量的Zl坐標(biāo)，所述XY坐標(biāo)檢測部，在從所述上面觸頭中心的所述Z方向可動(dòng)范圍的中心附近沿所述 X方向延伸的直線上檢測所述X坐標(biāo)，在從所述上面觸頭中心的所述Z方向可動(dòng)范圍的中心附近沿所述Y方向延伸的直線上檢測所述Y坐標(biāo)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，還具備將所述第二可動(dòng)部相對(duì)于所述支撐部的移動(dòng)量作為Z2坐標(biāo)進(jìn)行檢測的Z2坐標(biāo)檢測部。
16.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，包括側(cè)面Y坐標(biāo)檢測部，其當(dāng)所述側(cè)面觸頭位置沿X方向離開著所述上面觸頭位置時(shí)，在從所述側(cè)面觸頭的Z方向可動(dòng)范圍的中心附近沿Y軸方向延伸的直線上測量Y坐標(biāo)；和側(cè)面X坐標(biāo)檢測部，其當(dāng)所述側(cè)面觸頭位置沿Y方向離開著所述上面觸頭位置時(shí)，在從所述側(cè)面觸頭的Z方向可動(dòng)范圍的中心附近沿X軸方向延伸的直線上測量X坐標(biāo)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1 8任意一項(xiàng)所述的三維形狀測量裝置，其中，包括第一運(yùn)算部，其當(dāng)放置球作為所述測量物時(shí)，用所述上面觸頭測量該球表面的多個(gè)點(diǎn)后，再由該測量點(diǎn)的點(diǎn)列計(jì)算該球的第一中心坐標(biāo)(XC，yC，zC)；第二運(yùn)算部，其用所述側(cè)面觸頭測量該球表面的多個(gè)點(diǎn)，計(jì)算由該球的測量數(shù)據(jù)求得的該球的第二中心坐標(biāo)(xd, yd, zd)；和第三運(yùn)算部，求出這些第一及第二中心坐標(biāo)的差，并與某一方的測量數(shù)據(jù)相加；并且，在所述第三運(yùn)算部，將所述第一及第二中心坐標(biāo)的差與所述某一方的測量數(shù)據(jù)相加，而將所述兩個(gè)觸頭的測量數(shù)據(jù)作為相對(duì)于被測量面的同一坐標(biāo)系上的測量數(shù)據(jù)。
全文摘要
一種三維形狀測量裝置，上面觸頭(1a)能夠利用氣動(dòng)滑塊1沿XY方向不振動(dòng)地掃描測量測量物(7)的上面(7a)，利用第一反射鏡(1b)和透鏡(2de)還能夠精度良好地測量Z坐標(biāo)，側(cè)面觸頭(2ia)只在XY方向上能夠位移而在Z方向不振動(dòng)，因此能夠掃描測量測量物側(cè)面(7b)，側(cè)面觸頭(2ia)的Z坐標(biāo)測量利用所述第一反射鏡(1b)的Z坐標(biāo)測量值，能夠更高精度地用傾斜角度測量部(2j)測量側(cè)面觸頭的XY位移。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102401637SQ201110242010
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月9日
發(fā)明者久保圭司, 吉住惠一, 土居正照, 舟橋隆憲 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社