(57)【要約】【課題】測定ワークの側面形状も測定することができる非接触側面形状測定装置を提供する。【解決手段】プリズム１２により、下向きに照射されたレーザー光ＬをＸ軸方向へ反射するため、円筒部材１の中心孔１ａの内面形状も測定できる。特に、下端に位置するプリズム１２、対物レンズ手段２１、第１結像レンズ手段２０が固定された構造のため、ヘッド１０の小型化が可能である。また、Ｚ軸で移動するコリメータレンズ手段１８でオートフォーカスするため、プローブ９を細い径のまま長く形成することができる。従って、円筒部材１の中心孔１ａ内にヘッド１０を奥深くまで挿入して、その内面を形状を測定することができる。Ｚ軸方向での位置を変化させて円周方向の測定を繰り返すことにより、内面の三次元形状の測定も可能となる。【選択図】        図３
2010014656.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元直交座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸と平行にレーザー光を下向きに照射するレーザー光照射手段と、
Ｚ軸の下方に固定され且つ下向きのレーザー光をＸ軸方向へ反射すると共にＸ軸上に位置する測定ワークの側面で反射されたレーザー光を上方向へ反射する反射手段と、
Ｘ軸上に固定され且つ反射手段で反射されたレーザー光を透過して焦点に向かわせると共に測定ワークの側面で反射されたレーザ光を透過して反射手段へ向かわせる対物レンズ手段と、
反射手段の上方のＺ軸上に固定され反射手段から上方向へ反射されたレーザー光をＺ軸上の第１結像点に結像させる第１結像レンズ手段と、
Ｚ軸方向に移動自在で且つ第１結像点を通過したレーザー光を透過してその光路をＺ軸と平行にするコリメータレンズ手段と、
コリメータレンズ手段を透過したレーザー光を光軸の第２結像点に結像させる第２結像レンズ手段と、
第２結像レンズ手段を透過したレーザー光を受光する光位置検出手段と、
光位置検出手段からの位置信号に基づいてレーザ光の焦点を測定ワークの側面に合致せしめるべく前記コリメータレンズ手段をＺ軸方向で移動させるフォーカス手段とを備えたことを特徴とする非接触側面形状測定装置。
【請求項２】
第１結像レンズ手段とコリメータレンズ手段との間に中間結像点を形成するリレーレンズ手段を固定したことを特徴とする請求項１記載の非接触側面形状測定装置。
【請求項３】
測定ワークを所定の回転中心を中心に水平方向でθ方向へ相対的に回転させるθ方向移動手段を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の非接触側面形状測定装置。
【請求項４】
測定ワークをＸ軸方向へ相対的に平行移動させるＸ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触側面形状測定装置。
【請求項５】
測定ワークをＹ軸方向へ相対的に平行移動させるＹ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触側面形状測定装置。
【請求項６】
測定ワークに対して全体をＺ軸方向へ相対的に移動させるＺ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の非接触側面形状測定装置。
【請求項７】
コリメータレンズ手段より上方のＺ軸上にレーザー光を水平方向に分岐する光分岐手段を設け、第２結像レンズ手段及び光位置検出手段を光分岐手段と水平な位置に固定したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の非接触側面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触側面形状測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザオートフォーカスを用いたレーザプローブ式の非接触形状測定装置は精密部品の形状や粗さを広範囲にわたりナノレベルの分解能で計測できることが知られている。すなわち、三次元直交座標軸ＸＹＺとして、測定対象である測定ワークの上面に対し、鉛直方向であるＺ軸方向でレーザ光によるオートフォーカスをかけながら、測定ワークをＸＹ方向に走査し、オートフォーカス光学系の対物レンズのＺ軸方向での移動量から測定ワークの表面形状に関する測定データを取得する構造である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、プローブ光としてのレーザ光は対物レンズの光軸に平行かつ光軸からずれた位置に導入され、対物レンズの焦点面において光軸と交差する。この交差位置は対物レンズに対して位置固定されているため、対物レンズがＺ軸方向に移動することにより測定ワーク表面へのＸ軸またはＹ軸方向の照射位置が移動する。測定ワーク表面の一点で反射されたレーザ光は対物レンズを介して光位置検出器で位置検出される。反射光の検出位置から測定ワーク表面と対物レンズの焦点面との位置ずれが測定されるので、これをフィードバック制御することによりオートフォーカスが実現する。その結果、対物レンズのＺ軸方向の位置からワーク表面の形状を測定することができる。
【特許文献１】特開２００５−２０１６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような関連技術にあっては、対物レンズを透過したレーザプローブとしてのレーザ光を、Ｚ軸方向で測定ワークの上面に当てる構造のため、測定ワークの上面形状しか測定することができず、測定ワークの側面形状は測定することができなかった。特に、筒形状をした測定ワークの孔の中の深い部分の内面形状を測定することができなかった。
【０００５】
本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、測定ワークの側面形状も測定することができる非接触側面形状測定装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１記載の発明は、三次元直交座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸と平行にレーザー光を下向きに照射するレーザー光照射手段と、Ｚ軸の下方に固定され且つ下向きのレーザー光をＸ軸方向へ反射すると共にＸ軸上に位置する測定ワークの側面で反射されたレーザー光を上方向へ反射する反射手段と、Ｘ軸上に固定され且つ反射手段で反射されたレーザー光を透過して焦点に向かわせると共に測定ワークの側面で反射されたレーザ光を透過して反射手段へ向かわせる対物レンズ手段と、反射手段の上方のＺ軸上に固定され反射手段から上方向へ反射されたレーザー光をＺ軸上の第１結像点に結像させる第１結像レンズ手段と、Ｚ軸方向に移動自在で且つ第１結像点を通過したレーザー光を透過してその光路をＺ軸と平行にするコリメータレンズ手段と、コリメータレンズ手段を透過したレーザー光を光軸の第２結像点に結像させる第２結像レンズ手段と、第２結像レンズ手段を透過したレーザー光を受光する光位置検出手段と、光位置検出手段からの位置信号に基づいてレーザ光の焦点を測定ワークの側面に合致せしめるべく前記コリメータレンズ手段をＺ軸方向で移動させるフォーカス手段とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項２記載の発明は、第１結像レンズ手段とコリメータレンズ手段との間に中間結像点を形成するリレーレンズ手段を固定したことを特徴とする。
【０００８】
請求項３記載の発明は、測定ワークを所定の回転中心を中心に水平方向でθ方向へ相対的に回転させるθ方向移動手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項４記載の発明は、測定ワークをＸ軸方向へ相対的に平行移動させるＸ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする。
【００１０】
請求項５記載の発明は、測定ワークをＹ軸方向へ相対的に平行移動させるＹ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする。
【００１１】
請求項６記載の発明は、測定ワークに対して全体をＺ軸方向へ相対的に移動させるＺ軸方向移動手段を設けたことを特徴とする。
【００１２】
請求項７記載の発明は、コリメータレンズ手段より上方のＺ軸上にレーザー光を水平方向に分岐する光分岐手段を設け、第２結像レンズ手段及び光位置検出手段を光分岐手段と水平な位置に固定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の発明によれば、反射手段により、下向きに照射されたレーザー光をＸ軸方向へ反射するため、測定ワークの側面形状も測定できる。特に、下端に位置する反射手段、対物レンズ手段、第１結像レンズ手段がそれぞれ固定された構造のため、それらの小型化が可能で、狭い溝や小径の孔内にも容易に挿入して、溝や孔の内面形状を測定することができる。Ｚ軸で移動するコリメータレンズ手段によりオートフォーカスするため、コリメータレンズ手段よりも下側の部分のＺ軸方向長さを拡大することができ、溝や孔の深い部位の測定も可能となる。また、Ｚ軸方向での第１結像レンズ手段の焦点距離を、Ｘ軸方向での対物レンズ手段よりも大きくし、Ｘ軸方向での変位に対してＺ軸方向での変位を大きく取得することも可能で、そうすることにより、光位置検出手段の位置決め精度以上の変位計測が可能となる。
【００１４】
請求項２記載の発明によれば、第１結像レンズ手段とコリメータレンズ手段の間にリレーレンズ手段を固定することにより、コリメータレンズ手段より下側の部分のＺ軸方向の長さを更に拡大することができる。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、測定ワークをθ方向へ相対的に回転させるθ方向移動手段が設けられているため、測定ワークの側面のθ方向に走査した二次元形状を測定することができる。
【００１６】
請求項４記載の発明によれば、測定ワークをＸ軸方向へ相対的に平行移動させるＸ軸方向移動手段が設けられているため、対物レンズ手段を測定ワークの側面に対して測定に最適な距離にセットすることができる。
【００１７】
請求項５記載の発明によれば、測定ワークをＹ軸方向へ相対的に平行移動させるＹ軸方向移動手段が設けられているため、測定ワークの側面のＹ軸方向に走査した二次元形状を測定することができる。
【００１８】
請求項６記載の発明によれば、測定ワークをＺ軸方向へ相対的に平行移動させるＺ軸方向移動手段が設けられているため、測定ワークの側面のＺ軸方向に走査した二次元形状を測定することができると共に、θ軸又はＹ軸方向での走査と組み合わせることにより、側面の三次元形状を測定することができる。
【００１９】
請求項７記載の発明によれば、コリメータレンズ手段より上方のＺ軸上にレーザー光を水平方向に分岐する光分岐手段を設け、第２結像レンズ手段及び光位置検出手段を、該光分岐手段と水平な位置に固定したため、光分岐手段の上方のＺ軸上にカメラ等の他の構成要素を設置することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１〜図７は、本発明の第１実施形態を示す図である。まず、図１に基づいて全体構造を説明する。図１において、ＸＹは水平面上で直交する二方向で、ＺはＸＹに垂直な鉛直方向である。θは回転方向である。
【００２１】
本実施形態における測定対象としての測定ワークは円筒部材１で、中心に円形の中心孔１ａを有している。この円筒部材１は、円盤状の回転ステージ（θ方向移動手段）２の上に載置されている。回転ステージ２は、Ｘ軸方向にスライド自在なＸ軸ステージ（Ｘ軸方向移動手段）３の上に組み付けられている。Ｘ軸ステージ３は、Ｙ軸方向へスライド自在なＹ軸ステージ（Ｙ軸方向移動手段）４の上に組み付けられている。Ｙ軸ステージ４はベース台５の上に載置されている。ベース台５には支柱６が立設され、支柱６に対してＺ軸方向にスライド自在なＺ軸ステージ（Ｚ軸方向移動手段）７が支持されている。
【００２２】
Ｚ軸ステージ７には、駆動部８が固定されており、駆動部８から下方へ向けて筒状のプローブ９が形成されている（図２参照）。プローブ９の下端にはヘッド１０が形成されている。プローブ９は細く、ヘッド１０も小さいボックス形状をしている。ヘッド１０のＸ軸方向の側面には窓１１が形成されている。
【００２３】
次に、オートフォーカス光学系の構造を図３に基づいて説明する。尚、図３及びその相当図において、鉛直光軸をＺ軸と合致させ、Ｚ軸方向での光路は短縮して示している。
【００２４】
測定光としての半導体レーザであるレーザー光Ｌはレーザー光照射手段１３から照射される。レーザー光照射手段１３は、水平方向にレーザー光Ｌを照射するレーザー光発生器１４と、Ｚ軸上に固定されレーザー光ＬをＺ軸と平行で且つオフセットした位置より下向きに反射するビームスプリッタ１５とから構成されている。レーザー光Ｌの光路は、図中において、照射光は実線で、反射光は点線で示されている。
【００２５】
ビームスプリッタ１５の上方にはＺ軸上に第２結像レンズ手段１６が固定され、第２結像レンズ手段１６の上方にはＺ軸上に光位置検出手段１７が設置されている。光位置検出手段１７は分割フォトセンサーで、中心部１７Ｓが第２結像レンズ手段１６の結像点と一致しており、この中心部１７Ｓにレーザー光Ｌのスポット重心（光学的重心）が合致することにより、二分割された各フォトセンサーの出力が釣り合うようになっている。
【００２６】
ビームスプリッタ１５の下方には、コリメータレンズ手段１８が設けられている。このコリメータレンズ手段１８はサーボ機構であるフォーカス手段１９によりＺ軸方向で移動することができる。フォーカス手段１９は前記光位置検出手段１７からの信号に基づいてコリメータレンズ手段１８を移動させる。このコリメータレンズ手段１８よりも上方の構造が全て駆動部８内に収納されている。
【００２７】
上下方向に長いプローブ９内は中空で、その下端のヘッド１０には、反射手段としてのプリズム１２が、角度４５度の四角い反射平面をＸ軸方向の窓１１へ向けた状態で設置されている。プリズム１２から水平光軸と合致したＸ軸が形成される。
【００２８】
プリズム１２の上方には第１結像レンズ手段２０が固定されている。第１結像レンズ手段２０はプローブ９の途中位置においてＺ軸上に第１結像点Ｐ１を形成する。
【００２９】
プリズム１２の窓１１側には対物レンズ手段２１が固定されている。対物レンズ手段２１はＸ軸上に焦点Ｆを形成する。この実施形態では、この対物レンズ手段２１のＸ軸での焦点距離より、第１結像レンズ手段２０のＺ軸での焦点距離の方を十分に大きく設定している。
【００３０】
次に、作用を説明する。
【００３１】
図１に示すように、円筒部材１は中心孔１ａの内面の形状を円周方向に沿って計測するため回転ステージ２上に載置される。次に、Ｚ軸ステージ７を下降させ、プローブ９のヘッド１０を円筒部材１の中心孔１ａ内に挿入する。ヘッド１０を挿入後、Ｘ軸ステージ３をスライドさせて、対物レンズ手段２１を中心孔１ａの内面に対して測定に最適な距離にセットする。
【００３２】
次に、図３を用いて基本光路を説明する。円筒部材１に対するヘッド１０のセットが終了した後、レーザー光発生器１４からレーザー光Ｌを水平に照射する。水平に照射されたレーザー光Ｌは一部がビームスプリッタ１５により下向きに反射される。下向きに照射されたレーザー光Ｌの光路は、Ｚ軸と平行で且つオフセットした状態で、コリメータレンズ手段１８を透過し、プローブ９内を通過して第１結像レンズ手段２０に至る。
【００３３】
第１結像レンズ手段２０を透過してＺ軸と平行になったレーザー光Ｌは、プリズム１２で水平方向に反射され、対物レンズ手段２１を透過して、ヘッド１０の窓１１より中心孔１ａの内面に対して照射される。
【００３４】
中心孔１ａの内面で反射されたレーザー光Ｌは、再び対物レンズ手段２１を透過して、プリズム１２にて上向きに反射され、第１結像レンズ手段２０を透過して、Ｚ軸上に第１結像点Ｐ１を結ぶ。その第１結像点Ｐ１をコリメータレンズ手段１８で捉える。
【００３５】
コリメータレンズ手段１８にてＺ軸と平行になったレーザー光Ｌはビームスプリッタ１５を透過し、第２結像レンズ手段１６を透過して光位置検出手段１７の中心部１７Ｓに第２結像点Ｐ２を形成する。レーザー光Ｌの第２結像点Ｐ２が光位置検出手段１７の中心部１７Ｓに合致した状態では、フォーカス手段１９は駆動せず、コリメータレンズ手段１８の位置はそのままである。
【００３６】
レーザー光Ｌが対物レンズ手段２１やコリメータレンズ手段１８等における非中心部を透過するため、図３の状態から、例えば、中心孔１ａの内面が、ヘッド１０に対して、−方向に変位（図４）したり、＋方向に変位（図６）したりすると、光位置検出手段１７上でのレーザー光Ｌの第２結像点Ｐ２も中心部１７Ｓから変位する（図４、図６）。
【００３７】
例えば、図４に示すように、中心孔１ａの内面がヘッド１０に対して−ｄだけ離れる方向に変位すると、中心孔１ａの内面で反射されたレーザー光Ｌは、対物レンズ手段２１の端部側を通過し、Ｘ軸及びＺ軸と非平行なまま、プリズム１２及び第１結像レンズ手段２０を通過し、Ｚ軸上に形成される第１結像点Ｐ１が下方へ変位する。そして、コリメータレンズ手段１８、ビームスプリッタ１５、第２結像レンズ手段１６を経たレーザー光Ｌの第２結像点Ｐ２は光位置検出手段１７において中心部１７Ｓから−Ｄだけ変位する。
【００３８】
その第２結像点Ｐ２が中心部１７Ｓからずれると、ずれた方のフォトセンサーからの出力が大きくなり、２つのフォトセンサーの出力バランスがくずれるため、それを是正するため、光位置検出手段１７からフォーカス手段１９に信号が出力され、第２結像点Ｐ２が中心部１７Ｓに合致するまで、サーボ式のフォーカス手段１９がコリメータレンズ手段１８を下方へ移動させる。そして、第２結像点Ｐ２が中心部１７Ｓに合致すると、対物レンズ２１を透過したレーザー光Ｌの結像点も焦点距離よりも先のＸ軸軸上に位置し、合焦状態となって、コリメータレンズ手段１８の移動が停止する。これがオートフォーカス動作である。
【００３９】
尚、中心孔１ａの内面が、ヘッド１０に対して逆に＋方向へ変位した場合には、上述とは逆のオートフォーカス動作が行われる（図６、図７）。
【００４０】
以上のようなオートフォーカス動作において、コリメータレンズ手段１８の移動量と、ヘッド１０に対する中心孔１ａの内面の変位ｄとは、比例関係にあるため、コリメータレンズ手段１８の移動量を検出することにより、中心孔１ａの内面の形状（凹凸）を測定することができる。
【００４１】
特に、この実施形態では、Ｚ軸方向での第１結像レンズ手段２０の焦点距離を、Ｘ軸方向での対物レンズ手段２１よりも十分に大きく設定しているため、Ｘ軸方向での変位ｄに対して、コリメータレンズ手段１８のＺ軸方向での変位量が大きくなり、光位置検出手段１７の位置決め精度以上の変位計測が可能となる。
【００４２】
すなわち、円筒部材１は回転ステージ２上に載置されているため、円筒部材１を回転ステージ２によりθ方向へ回転させることにより、中心孔１ａの内面の円周方向での二次元形状を測定することができる。
【００４３】
また、ある高さ位置位置でのヘッド１０により、中心孔１ａの内面の円周方向での二次元形状の測定を終了した後、ヘッド１０の高さ位置を変えて同様の形状測定を繰り返し行うことにより、中心孔１ａの内面の関する三次元形状を測定することも可能となる。
【００４４】
この実施形態によれば、下端に位置するプリズム１２、対物レンズ手段２１、第１結像レンズ手段２０が固定された構造のため、ヘッド１０の小型化が可能である。また、Ｚ軸で移動するコリメータレンズ手段１８でオートフォーカスするため、プローブ９を細い径のまま長く形成することができる。従って、円筒部材１の中心孔１ａ内にヘッド１０を奥深くまで挿入して、その内面を形状を測定することができる。
【００４５】
図８は、本発明の第２実施形態を示す図である。本実施形態は、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
【００４６】
この実施形態では、第１結像レンズ手段２０とコリメータレンズ手段１８との間に中間結像点Ｐ３を形成するリレーレンズ手段２２を固定した。このようにすることにより、プローブを更に長くすることができ、より深い部分の内面（側面）まで測定することができる。
【００４７】
図９は、本発明の第３実施形態を示す図である。本実施形態も、前記第１実施形態と同様の構成要素を備えている。よって、それら同様の構成要素については共通の符号を付すとともに、重複する説明を省略する。
【００４８】
この実施形態では、ビームスプリッタ１５を光分岐手段とし、それと同じ高さの水平方向に別のビームスプリッタ２３を設置した。そして、そのビームスプリッタ２３の上部にレーザー光発生器１４を設置し、２つのビームスプリッタ１５、２３と、レーザー光発生器１４により、レーザー光照射手段２４を構成した。
【００４９】
ビームスプリッタ１５から水平光軸Ｋを形成し、その水平光軸Ｋ上にビームスプリッタ２３、第２結像レンズ手段１６、光位置検出手段１７を設置した。
【００５０】
ビームスプリッタ１５の上部には、撮影用の結像レンズ２５を設置し、その上にカメラ（ＣＣＤ撮像装置）２６を設置した。
【００５１】
レーザー光発生器１４から照射されたレーザー光Ｌは、２つのビームスプリッタ１５、２３で反射された後、コリメータレンズ手段１８、第１結像レンズ手段２０、プリズム１２、対物レンズ手段２１を経て中心孔１ａの内面に当たる。そして、そこで反射されたレーザー光Ｌは、逆方向に戻り、一部はビームスプリッタ１５で水平方向に反射された後、ビームスプリッタ２３、第２結像レンズ手段１６を透過して、光位置検出手段１７に受光され、オートフォーカス制御される。
【００５２】
ビームスプリッタ１５の上部にはＺ軸上にカメラ２６が設置されているため、中心孔１ａの内面の映像をカメラ２６によりモニターすることができる。
【００５３】
この実施形態によれば、第２結像レンズ手段１６及び光位置検出手段１７をＺ軸上から外したため、Ｚ軸上に別の構成要素（カメラ２６）を設置することが可能となった。
【００５４】
以上の各実施形態では、中心孔１ａの内面を円周方向で測定する例を示したが、円筒部材１の外面を円周方向で測定しても良い。また、円筒部材１に限らず、溝の内面をＹ軸方向に沿って測定したり、Ｚ軸方向に沿って測定しても良い。反射手段として、プリズム７を例にしたが、ミラーでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る非接触側面形状測定装置を示す斜視図。
【図２】プローブ及びヘッドを示す斜視図。
【図３】非接触側面形状測定装置を示す光路図。
【図４】内面がマイナス方向へ変位した状態を示す光路図。
【図５】マイナス方向への変位をオートフォーカスにより是正した状態を示す光路図。
【図６】内面がプラス方向へ変位した状態を示す光路図。
【図７】プラス方向への変位をオートフォーカスにより是正した状態を示す光路図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る非接触側面形状測定装置を示す光路図。
【図９】本発明の第３実施形態に係る非接触側面形状測定装置を示す光路図。
【符号の説明】
【００５６】
１  円筒部材（測定ワーク）
１ａ  中心孔
２  回転ステージ（θ方向移動手段）
３  Ｘ軸ステージ（Ｘ軸方向移動手段）
４  Ｙ軸ステージ（Ｙ軸方向移動手段）
７  Ｚ軸ステージ（Ｚ軸方向移動手段）
１２  プリズム（反射手段）
１３  レーザー光照射手段
１６  第２結像レンズ手段
１７  光位置検出手段（光分岐手段）
１８  コリメータレンズ手段
１９  フォーカス手段
２０  第１結像レンズ手段
２１  対物レンズ手段
２２  リレーレンズ手段
２３  ビームスプリッタ
Ｌ  レーザー光
Ａ  プローブの径
Ｂ  プローブの長さ
Ｆ  焦点
Ｐ１  第１結像点
Ｐ２  第２結像点
Ｐ３  中間結像点
Ｋ  水平光軸
【図１】
2010014656.tif 000003
【図２】
2010014656.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010014656.tif 000008
【図７】
2010014656.tif 000009
【図８】
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【図９】
2010014656.tif 000011