(57)【要約】【課題】光学要素を出し入れせずにレーザ光の入射方向を最適な方向に切り換えることができる非接触表面形状測定装置を提供する。【解決手段】入射方向が異なる第１及び第２レーザ光Ｌｘ、Ｌｙの波長を互いに相違させ、光学フィルタ手段１１ａ、１１ｂ、１２により、それらの第１及び第２反射光Ｒｘ、Ｒｙは対応する第１及び第２光位置検出手段１０ｘ、１０ｙだけで受光されるようにする。２つの方向性で得られる位置信号のうち、強度の強い方を選択して測定するため、測定方向の切り換えが電気信号の切り換えだけで済む。【選択図】図１
2019163946.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軸と平行な第１及び第２レーザ光をＺ軸と合致した光軸に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に変位した位置からそれぞれ照射する第１及び第２照射系手段と、
光軸に沿って移動自在に支持され、第１及び第２照射系手段からの第１及び第２レーザ光と、光軸上に配置された測定ワークの表面で反射された第１及び第２レーザ光の第１及び第２反射光を、それぞれ方向性が９０度相違した状態で透過させる対物レンズと、
対物レンズを透過した第１反射光及び第２反射光を結像させる第１及び第２結像光学系手段と、
第１及び第２結像光学系手段にて結像された第１及び第２反射光を受光して各反射光の位置信号を各反射光の受光量に応じた強度で出力する第１及び第２光位置検出手段と、
第１又は第２光位置検出手段からの各位置信号のいずれかを基準とし、基準とした方の第１及び第２レーザ光の焦点を測定ワークの表面に合致せしめるべく前記対物レンズを光軸方向で移動させるフォーカス手段と、
フォーカス手段による対物レンズの光軸方向での移動量を検出する移動量検出手段と、を備えた非接触表面形状測定装置であって、
前記第１及び第２レーザ光は互いに異なる波長を有し、
第１及び第２結像光学系手段にはそれぞれ第１及び第２反射光のみを透過させる第１及び第２光学フィルタ手段が設けられ、
フォーカス手段は第１又は第２光位置検出手段からの位置信号のうち強度の強い方のみを基準として対物レンズを移動させることを特徴とする非接触表面形状測定装置。
【請求項２】
第１又は第２照射系手段のいずれか一方から第１又は第２レーザ光を照射し、
フォーカス手段は、照射したレーザ光に対応する光位置検出手段からの位置信号を先に入力し、その位置信号の強度が所定値よりも強い場合はその位置信号を基準に対物レンズを移動させ、所定値以下の場合は、一方のレーザ光の照射に代えて他方のレーザ光を照射し、他方の位置信号を基準に対物レンズを移動させることを特徴とする請求項１記載の非接触表面形状測定装置。
【請求項３】
第１及び第２照射系手段は第１及び第２レーザ光を同時に照射し、
フォーカス手段は、第１及び第２光位置検出手段からの位置信号の両方を同時に入力し、両方の位置信号の強度を比較し、強度の強い方の位置信号を選択してその位置信号のみを基準として対物レンズを移動させることを特徴とする請求項１記載の非接触表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触表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表面形状測定装置は精密部品の形状や粗さを測定するために使用されている。すなわち、測定対象である測定ワークの表面に対し、レーザ光によるオートフォーカスをかけながら、測定ワークを所定の方向に走査し、オートフォーカス光学系の対物レンズのフォーカス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。
【０００３】
レーザ光は所定方向（例えばＸ軸方向）に沿った入射方向で測定ワークに対して入射され、その後、反射されてその入射方向での特性を有する表面形状を取得する。そのレーザ光の入射方向で測定ワークの表面形状を正確に測定できない場合、例えば測定ワークの表面の形状により反射光の戻りが邪魔されたりする場合は、レーザ光の入射方向を９０度変更する。
【０００４】
レーザ光の入射方向を９０度変更する方式として、レーザ光の入射方向が９０度相違する測定システムを２通り用意し、共用している一部の光学要素を出し入れすることにより、測定する方向性を９０度切り換えるようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５３４６６７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、レーザ光の入射方向を９０度変更するために一部の光学要素を出し入れ自在にしていたため、その光学要素を正確に出し入れするための構造が大変に複雑となり全体的なコスト増の原因になっていた。
【０００７】
本発明は、このような関連技術に着目してなされたものであり、光学要素を出し入れせずにレーザ光の入射方向を最適な方向に切り換えることができる非接触表面形状測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の技術的側面によれば、三次元直交座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸と平行な第１及び第２レーザ光をＺ軸と合致した光軸に対してＸ軸方向及びＹ軸方向に変位した位置からそれぞれ照射する第１及び第２照射系手段と、光軸に沿って移動自在に支持され、第１及び第２照射系手段からの第１及び第２レーザ光と、光軸上に配置された測定ワークの表面で反射された第１及び第２レーザ光の第１及び第２反射光を、それぞれ方向性が９０度相違した状態で透過させる対物レンズと、対物レンズを透過した第１反射光及び第２反射光を結像させる第１及び第２結像光学系手段と、第１及び第２結像光学系手段にて結像された第１及び第２反射光を受光して各反射光の位置信号を各反射光の受光量に応じた強度で出力する第１及び第２光位置検出手段と、第１又は第２光位置検出手段からの各位置信号のいずれかを基準とし、基準とした方の第１及び第２レーザ光の焦点を測定ワークの表面に合致せしめるべく前記対物レンズを光軸方向で移動させるフォーカス手段と、フォーカス手段による対物レンズの光軸方向での移動量を検出する移動量検出手段と、を備えた非接触表面形状測定装置であって、前記第１及び第２レーザ光は互いに異なる波長を有し、第１及び第２結像光学系手段にはそれぞれ第１及び第２反射光のみを透過させる第１及び第２光学フィルタ手段が設けられ、フォーカス手段は第１又は第２光位置検出手段からの位置信号のうち強度の強い方のみを基準として対物レンズを移動させることを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の技術的側面によれば、第１又は第２照射系手段のいずれか一方から第１又は第２レーザ光を照射し、フォーカス手段は、照射したレーザ光に対応する光位置検出手段からの位置信号を先に入力し、その位置信号の強度が所定値よりも強い場合はその位置信号を基準に対物レンズを移動させ、所定値以下の場合は、一方のレーザ光の照射に代えて他方のレーザ光を照射し、他方の位置信号を基準に対物レンズを移動させることを特徴とする。
【００１０】
本発明の第３の技術的側面によれば、第１及び第２照射系手段は第１及び第２レーザ光を同時に照射し、フォーカス手段は、第１及び第２光位置検出手段からの位置信号の両方を同時に入力し、両方の位置信号の強度を比較し、強度の強い方の位置信号を選択してその位置信号のみを基準として対物レンズを移動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の第１の技術的側面によれば、入射方向が異なる第１及び第２レーザ光の波長を互いに相違させ、各レーザ光に対応する第１及び第２反射光は第１及び第２光学フィルタ手段によりそれぞれ第１及び第２結像光学系手段を介して対応する第１及び第２光位置検出手段だけが受光するようにする。そうすることで入射方向が９０度相違した方向性での測定が可能となる。そして２つの方向性での測定で得られる位置信号のうち、フォーカス手段において強度の強い方を選択すれば、最適な方向性での正確な測定が可能となる。電気信号の切り換えだけで済むため、光学要素の出し入れによる物理的な切り換えでないため、構造が簡単でコスト的にも有利である。
【００１２】
本発明の第２の技術的側面によれば、最初に所定値を基準にして最適な入射方向を選択するため、測定中は選択した方向性でのレーザ光照射だけで済む。
【００１３】
本発明の第３の技術的側面によれば、９０度相違する両方の方向性での測定を同時に行い最適な方を自動的に選択して測定するため、測定ワークの表面形状の変化により、走査中において最適な方向性がたびたび変化する場合にも自動的に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】非接触表面形状測定装置を示す概略側面図（一部方向性変更）。
【図２】非接触表面形状測定装置を示す概略平面図。
【図３】レーザ光の入射方向を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１〜図３は、本発明の好適な実施形態を示す図である。図中、Ｘ軸及びＹ軸は水平面上で直交する二方向で、Ｚ軸は鉛直方向である。図１は概略的な側面図を示しており、その一部はＹ方向に沿ったものをＸ方向にして図示している。
【００１６】
測定ワーク１は下面１ａと上面１ｂを有するブロック形状で、下面１ａと上面１ｂの間にはＹ軸方向に沿う立壁１ｃが形成されている。測定ワーク１は図示せぬＸＹ軸ステージ上に載置されている。ＸＹ軸ステージは測定ワーク１ごとＸ軸方向及びＹ軸方向に移動自在であるが、この実施形態ではＹ軸方向を走査方向として移動する。この測定ワーク１の下面１ａ等は目視では確認できないが僅かな凹凸面となっている。この実施形態の装置はその僅かな凹凸形状を走査方向（Ｙ軸方向）に沿って測定するためのものである。
【００１７】
測定ワーク１の上方には対物レンズ２が駆動部３によりＺ軸方向で移動自在に支持されている。Ｚ軸に合致した対物レンズ２の中心軸が光軸Ｋで、光軸方向での移動量は移動量検出手段としてのＡＦスケール４により検出することができる。
【００１８】
対物レンズ２の上方には、Ｘ軸方向にダイクロイックミラー５ｘ、ハーフミラー６ｘ、ダイクロイックミラー７ｘが並んでいる。ダイクロイックミラー５ｘ、７ｘは、後述する第１レーザ光Ｌｘの波長領域のみを反射し、他の波長領域は透過する。ハーフミラー６ｘは第１レーザ光Ｌｘの半分を反射し、半分を透過させる。
【００１９】
中央のハーフミラー６ｘの上方には第１レーザ光Ｌｘとしての半導体レーザー（波長６３５ｎｍ）を照射するレーザ光照射手段８ｘが設けられている。
【００２０】
ダイクロイックミラー７ｘの上方には結像レンズ９ｘを介して第１光位置検出手段１０ｘが設けられている。
【００２１】
ダイクロイックミラー７ｘと結像レンズ９ｘの間には、２枚の光学フィルタ１１ａ、１１ｂが設けられている。一方の光学フィルタ１１ａは波長６００ｎｍ以上の光だけを透過し、他方の光学フィルタ１１ｂは波長６５０ｎｍ以下の光だけ透過する特性を有する。
【００２２】
第１光位置検出手段１０ｘは分割フォトセンサーで、中心部が結像レンズ９ｘの結像点と一致しており、この中心部に第１レーザ光Ｌｘのスポット重心が合致すると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。
【００２３】
この実施形態では、レーザ光照射手段８ｘ、ハーフミラー６ｘ、ダイクロイックミラー５ｘにより第１照射系手段が構成され、ダイクロイックミラー５ｘ、７ｘ、結像レンズ９ｘにより第１結像光学系手段が構成され、光学フィルタ１１ａ、１１ｂにより第１光学フィルタ手段が構成される。
【００２４】
Ｘ軸方向のダイクロイックミラー５ｘ、ハーフミラー６ｘ、ダイクロイックミラー７ｘの上方に、同様なダイクロイックミラー５ｙ、ハーフミラー６ｙ、ダイクロイックミラー７ｙがＹ軸方向に並んで設けられている。図１では便宜上これらをＸ軸方向で図示している。ダイクロイックミラー５ｙ、７ｙは、後述する第２レーザ光Ｌｙの波長領域のみを反射し、他の波長領域は透過する。ハーフミラー６ｙは第２レーザ光Ｌｙの半分を反射し、半分を透過させる。
【００２５】
更に、前記同様に、レーザ光照射手段８ｙ、結像レンズ９ｙ、第２光位置検出手段１０ｙが設けられている。レーザ光照射手段８ｙからは第２レーザ光Ｌｙが照射される。第２レーザ光Ｌｙは第１レーザ光Ｌｘとは異なる波長６９０ｎｍの半導体レーザーである。またダイクロイックミラー７ｙと結像レンズ９ｙの間には光学フィルタ１２が設けられている。この光学フィルタ１２は波長６４０ｎｍ以上の光だけを透過する特性を有する。
【００２６】
この実施形態では、レーザ光照射手段８ｙ、ハーフミラー６ｙ、ダイクロイックミラー５ｙにより第２照射系手段が構成され、ダイクロイックミラー５ｙ、７ｙ、結像レンズ９ｙにより第２結像光学系手段が構成され、光学フィルタ１２により第２光学フィルタ手段が構成される。
【００２７】
ダイクロイックミラー５ｙの更に上方には、結像レンズ１３を介してカメラ１４が設けられており、測定ワーク１の表面の状態を撮影することができる。
【００２８】
第１光位置検出手段１０ｘ及び第２光位置検出手段１０ｙはそれぞれ制御部１５に位置信号Ｐｘ、Ｐｙを出力する。制御部１５は第１光位置検出手段１０ｘ及び第２光位置検出手段１０ｙからの各位置信号Ｐｘ，Ｐｙの強度を検出して比較することができると共に、それらの位置信号Ｐｘ，Ｐｙの強度を予め設定された所定値と比較することができる。また制御部１５は検出した位置信号Ｐｘ，Ｐｙに基づいて焦点を合わせために必要な対物レンズ２の移動方向と移動量を信号Ｓとして駆動部３に出力する。この実施形態では、制御部１５と駆動部３によりフォーカス手段が構成される。
【００２９】
次に、作用を説明する。
【００３０】
まずレーザ光照射手段８ｘから波長６３５ｎｍの第１レーザ光Ｌｘを照射すると共に、測定ワーク１を図示せぬＸＹ軸ステージによりＹ軸方向へ走査する。第１レーザ光Ｌｘはハーフミラー６ｘ、ダイクロイックミラー５ｘで反射されることにより、光軸Ｋと平行で且つ光軸ＫからＸ軸方向に変位した状態で対物レンズ２に入る。
【００３１】
対物レンズ２を透過した第１レーザ光ＬｘはＸ軸方向での所定の入射角度で測定ワーク１の下面１ａに当たり、そこで反射されて第１反射光Ｒｘとなり再び対物レンズ２を透過する方向へ向かう。
【００３２】
本来ならこの第１反射光Ｒｘは対物レンズ２を透過して、ダイクロイックミラー５ｘで反射され、ハーフミラー６ｘを透過した後、ダイクロイックミラー７ｘで反射され、結像レンズ９ｘと、２枚の光学フィルタ１１ａ、１１ｂを経て第１光位置検出手段１０ｘに受光される。一方の光学フィルタ１１ａが波長６００ｎｍ以上の光だけを透過し、他方の光学フィルタ１１ｂが波長６５０以下の光だけを透過する特性のため、第１光位置検出手段１０ｘには波長６３５ｎｍの第１反射光Ｒｘだけが受光される。
【００３３】
しかし第１レーザ光Ｌｘの下面１ａにおける反射点の近くには立壁１ｃがあるため、下面１ａで反射した第１反射光Ｒｘはこの立壁１ｃに遮断されて第１光位置検出手段１０ｘまで本来の強度で戻らない。そのため第１反射光Ｒｘを検出して第１光位置検出手段１０ｘから出力される位置信号Ｐｘは予め設定された所定値よりも弱くなる。所定値とは駆動部３により対物レンズ２を光軸方向で移動させて第１レーザ光Ｌｘを測定ワーク１の下面１ａに焦点を合わせるために最低限必要な第１反射光Ｒｘの強度に応じた位置信号Ｐｘの強さである。
【００３４】
制御部１５において第１光位置検出手段１０ｘからの位置信号Ｐｘが所定値よりも弱いと判断した場合は、レーザ光照射手段８ｘからの第１レーザ光Ｌｘの照射は停止し、次に方向性が９０度異なるＹ軸方向でのレーザ光照射手段８ｙから第２レーザ光Ｌｙを照射する。
【００３５】
第２レーザ光Ｌｙは前記Ｘ軸の場合とは９０度相違する方向性で対物レンズ２を透過し、測定ワーク１の下面１ａに当たる。下面１ａで反射された第２反射光ＲｙはＹ軸方向に沿っているため、立壁１ｃに当たらずに、再び対物レンズ２を透過し、ダイクロイックミラー５ｙで反射され、ハーフミラー６ｙを透過した後、ダイクロイックミラー７ｙで反射され、光学フィルタ１２と結像レンズ９ｙを経て第２光位置検出手段１０ｙに受光される。光学フィルタ１２が波長６４０ｎｍ以上の光だけを透過する特性を有するため、第２光位置検出手段１０ｙには波長６９０ｎｍの第２反射光Ｒｙだけが受光される。
【００３６】
第２反射光Ｒｙが第２光位置検出手段１０ｙの中心からずれた場合（焦点が合っていない場合）には、そのずれを是正するため、第２光位置検出手段１０ｙからの位置信号Ｐｙを受信している制御部１５が駆動部３を制御する信号Ｓを出力して、対物レンズ２をフォーカス方向（光軸方向）に移動させて第２レーザ光Ｌｙの焦点を下面１ａに合わせる。
【００３７】
測定ワーク１がＹ軸方向に走査されているため、その間、対物レンズ２は下面１ａのＹ軸での僅かな凹凸形状に応じて焦点を合わせ続けるべく光軸方向で往復移動する。この対物レンズ２の光軸方向での移動量をＡＦスケール４が検出する。このＡＦスケール４により検出した対物レンズ２の移動量が、測定ワーク１のＹ軸方向に沿った下面１ａの高さ情報である。このＹ軸方向に沿った測定をＸ軸方向での位置を変えながら繰り返し行うことにより、下面１ａの三次元的な表面形状を取得することができる。
【００３８】
第２反射光Ｒｙの受光による測定中に第２光位置検出手段１０ｙからの位置信号Ｐｙが所定値以下になった場合は、再度第１反射光Ｒｘによる測定に切り換え、第１反射光Ｒｘでの測定でも位置信号Ｐｘが所定値以下の場合は、測定点が深い穴の底のような状況なので、いったん測定を中止して、第１及び第２レーザ光Ｌｘ、Ｌｙの入射角度等を調整する。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態のように制御部１５において所定値を基準として強度の強い方を選択すれば、最適な方向性での正確な測定が可能となる。電気信号の切り換えだけで済み、従来のように光学要素の出し入れによる物理的な切り替えでないため、構造が簡単でコスト的にも有利である。更にこの実施形態のように、最初に所定値を基準にして最適な方向性を選択すれば、測定中は選択した方向性でのレーザ光照射だけで済む。
【００４０】
尚、以上のように測定ワーク１からの反射光の強度を所定値と比較して、最初に最適な方向性を選択する代わりに、Ｘ軸及びＹ軸の両方のレーザ光照射手段８ｘ、８ｙから第１レーザ光Ｌｘと第２レーザ光Ｌｙを同時に照射し、そして測定ワーク１からの戻りの第１反射光Ｒｘ及び第２反射光Ｒｙを同時に第１光位置検出手段１０ｘ及び第２光位置検出手段１０ｙにて検出するようにしても良い。そしてそれらの位置信号Ｐｘ、Ｐｙの強度を制御部１５により比較して、強度の強い方を自動的に選択して、最適な方向性を走査中に切り換えながら測定を行うようにしても良い。そうすれば、測定ワークの表面形状が複雑で、走査中に最適な方向性がたびたび変化するような場合にも自動的に対応できる。
【符号の説明】
【００４１】
１  測定ワーク
１ａ  下面
１ｂ  上面
１ｃ  立壁
２  対物レンズ
３  駆動部（フォーカス手段）
４  ＡＦスケール（移動量検出手段）
５ｘ  ダイクロイックミラー（第１照射系手段・第１結像光学系手段）
５ｙ  ダイクロイックミラー（第２照射系手段・第２結像光学系手段）
６ｘ  ハーフミラー（第１照射系手段）
６ｙ  ハーフミラー（第２照射系手段）
７ｘ  ダイクロイックミラー（第１結像光学系手段）
７ｙ  ダイクロイックミラー（第２結像光学系手段）
８ｘ  レーザ光照射手段（第１照射系手段）
８ｙ  レーザ光照射手段（第２照射系手段）
９ｘ  結像レンズ（第１結像光学系手段）
９ｙ  結像レンズ（第２結像光学系手段）
１０ｘ  第１光位置検出手段
１０ｙ  第２光位置検出手段  
１１ａ、１１ｂ  光学フィルタ（第１光学フィルタ手段）
１２  光学フィルタ（第２光学フィルタ手段）
１５  制御部（フォーカス手段）
Ｌｘ  第１レーザ光
Ｌｙ  第２レーザ光
Ｒｘ  第１反射光
Ｒｙ  第２反射光
Ｋ  光軸
Ｐｘ，Ｐｙ  位置信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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