(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ワークの凹部の底面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、
凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備え固定された光学ユニットと、
対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、
該プローブユニットの鏡筒が測定ワークの凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号によりレーザー光の焦点を凹部の底面に合致せしめるべくプローブユニット全体を前記光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、
を備えたことを特徴とする非接触凹部形状測定装置。
【請求項２】
測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、
凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備え固定された光学ユニットと、
対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、
該プローブユニットの鏡筒が測定ワークの凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、
前記プローブユニットと分離された状態で凹部内に配置されプローブユニットの光軸を直角方向に折り曲げる別置き反射手段と、
を備えたことを特徴とする非接触凹部形状測定装置。
【請求項３】
測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、
凹部の深さ方向に直交した第１光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に第１光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備え固定された光学ユニットと、
第１光軸を凹部の深さ方向に合致した第２光軸に折り曲げる光軸反射手段と、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備え且つ先端に対物レンズの第２光軸を第１光軸方向へ折り曲げる先端反射手段を有する鏡筒とを、それぞれ第２光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、
該プローブユニットの鏡筒が測定ワークの凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により先端反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を第１光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、
を備えたことを特徴とする非接触凹部形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幅の狭い孔部や溝部等の凹部の底面や側面を測定することができる非接触凹部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ナノレベルの分解能で計測できることが知られている。測定対象である測定ワークの表面に対し、レーザー光によるオートフォーカスをかけながら、測定ワークを相対的に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】
最近では幅の狭い孔部や溝部に挿入してその内面を測定するために、対物レンズの先にリレーレンズを設けて光学系を延長し、対物レンズではなくリレーレンズを移動させてその移動量から凹部の内面を測定する技術も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３９７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような関連技術にあっては、対物レンズとリレーレンズとの位置関係が相対的に変化するため、両者の光学関係を正確に維持するための構造が複雑になる。更に幅の狭い凹部に挿入するためにリレーレンズを細くすると更に対物レンズとリレーレンズとの光学的位置関係を正確に保つのが困難になり精密な測定精度を維持するのが困難になる。
【０００６】
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、リレーレンズで光学系を延長しても測定精度を高く維持することができる非接触凹部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】
【０００７】
本発明の第１の技術的側面によれば、測定ワークの凹部の底面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備えた固定式の光学ユニットと、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、該プローブユニットの鏡筒が凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号によりレーザー光の焦点を凹部の底面に合致せしめるべくプローブユニット全体を前記光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の第２の技術的側面によれば、測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備えた固定式の光学ユニットと、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、該プローブユニットの鏡筒が凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、前記プローブユニットと分離された状態で凹部内に配置されプローブユニットの光軸を直角方向に折り曲げる別置き反射手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の技術的側面によれば、測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、凹部の深さ方向に直交した第１光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に第１光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備えた固定式の光学ユニットと、第１光軸を凹部の深さ方向に合致した第２光軸に折り曲げる光軸反射手段と、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備え且つ先端に対物レンズの第２光軸を第１光軸方向へ折り曲げる先端反射手段を有する鏡筒とを、それぞれ第２光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、該プローブユニットの鏡筒が凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により先端反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を第１光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の第１の技術的側面によれば、対物レンズとリレーレンズとをフレームにより一体化し、両者の位置関係が固定されているため、リレーレンズを収納する鏡筒の径を小さくしたとしても、対物レンズとリレーレンズの光学的位置関係を正確に保つことができる。従って小さい幅の凹部でもその底面を精度良く測定することができる。
【００１１】
本発明の第２の技術的側面によれば、反射手段がプローブユニットとは分離された状態で別置きされているため、プローブユニットの構造はそのままで、レーザー光を凹部の側面に照射して側面を測定することができる。この技術は貫通構造の凹部への適用に好適である。
【００１２】
本発明の第３の技術的側面によれば、リレーレンズの先端に先端反射手段を有するため、凹部の側面を測定するために別物の反射手段を用意する必要がなく、鏡筒が挿入可能な凹部であれば凹部が非貫通構造であってもその側面を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る非接触凹部形状測定装置を示す構造図。
【図２】本発明の第２実施形態に係る非接触凹部形状測定装置の要部を示す構造図。
【図３】本発明の第３実施形態に係る非接触凹部形状測定装置を示す構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態を示す図である。図において、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。
【００１５】
本実施形態における測定対象としての測定ワークはブロック１で、幅Ｄの狭い溝部（凹部）２がＹ方向に形成されている。このブロック１は図示せぬＹ軸ステージの上に載っており、Ｙ方向へ移動することができる。
【００１６】
ブロック１の上に設置されているのが非接触凹部形状測定装置３で、図示せぬ架台によりセッティングのためにＺ方向で移動することができる。
【００１７】
非接触凹部形状測定装置３は光学ユニット４と、プローブユニット５と、焦点調整ユニット６とから構成されている。
【００１８】
光学ユニット４は非接触凹部形状測定装置３の内部において固定されており、プローブユニット５は焦点調整ユニット６によりＺ方向で移動自在である。
【００１９】
光学ユニット４の説明をする。光学ユニット４には溝部２の深さ方向に合致したＺ方向での光軸Ｋが設定されている。光学ユニット４にはレーザー光照射手段７が設けられている。レーザー光照射手段７はレーザー光Ｌとして半導体レーザーを照射するもので、レーザー光Ｌは反射ミラー８により光軸Ｋと平行になるように反射される。この反射ミラー８も含めてレーザー光照射手段７である。
【００２０】
光軸Ｋと平行に照射されたレーザー光Ｌはプローブユニット５へ取り込まれた後に、後述する構造によりプローブユニット５から散乱光として戻ってくる。散乱光束は図においてその主軸で象徴して表現している。
【００２１】
光学ユニット４の光軸Ｋ上には結像レンズ９と光位置検出手段１０が設置されており、その戻りのレーザー光Ｌは結像レンズ９を経て集光し光位置検出手段１０で受光される。光位置検出手段１０は分割フォトセンサーで、中心部１０ｓが結像レンズ９の結像点と一致しており、この中心部１０ｓ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。この光位置検出手段１０の釣り合いの信号は焦点調整ユニット６へ出力される。
【００２２】
次にプローブユニット５の説明をする。プローブユニット５自体はサーボ機構である焦点調整ユニット６により光軸Ｋに沿ってＺ方向で移動することができる。
【００２３】
焦点調整ユニット６は断面コ字状のフレーム１１に接続され、そのフレーム１１の上部開口１２に対物レンズ１３が固定され、下部開口１４に鏡筒１５の上端が固定されている。鏡筒１５はフレーム１１から下方へ突出した状態で固定されているため、その周囲には何もない。フレーム１１の幅は溝部２の幅Ｄより大きいが、鏡筒１５の径ｄはそれより小さい。従って鏡筒１５は溝部２内に進入することができる。
【００２４】
鏡筒１５には内部にリレーレンズ１６、１７が収納されている。対物レンズ１３及びリレーレンズ１６、１７は両方とも光軸Ｋ上に位置している。リレーレンズ１６、１７により対物レンズ１３の焦点距離を小さい鏡筒１５の径ｄの範囲内で延長することができる。対物レンズ１３と鏡筒１５とはフレーム１１により一体的化されているため、両者の位置関係は不変で最初に調整された光学的性能はそのまま維持される。
【００２５】
次に、作用を説明する。まず非接触凹部形状測定装置３の全体を図示せぬ架台により下降させ、鏡筒１５を溝部２内に挿入する。鏡筒１５の先端が測定対象である溝部２の底面２ａに近づいた位置まで挿入する。
【００２６】
セットが終了したら、光学ユニット４のレーザー光照射手段７からレーザー光Ｌを照射する。照射されたレーザー光Ｌは反射ミラー８により下向きに反射され光軸Ｋと平行になる。
【００２７】
レーザー光Ｌは光学ユニット４から出て、プローブユニット５内に取り込まれ、そのまま対物レンズ１３を通過する。対物レンズ１３を通過したレーザー光Ｌは光軸Ｋと交差した後、上側のリレーレンズ１６に導入される。上側のリレーレンズ１６を通過したレーザー光Ｌは光軸Ｋと平行になり、鏡筒１５内を通過した後に下側のリレーレンズ１７から溝部２の底面２ａに照射される。
【００２８】
溝部２の底面２ａに照射されたレーザー光Ｌは底面２ａで反射、散乱され、散乱光として再びリレーレンズ１６、１７を逆向きに通過して対物レンズ１３に至る。対物レンズ１３を通過したレーザー光Ｌはプローブユニット５から出て、光学ユニット４内に進入し、結像レンズ９を通過した後に光位置検出手段１０で受光される。
【００２９】
光位置検出手段１０により受光されたレーザー光Ｌの重心が光位置検出手段１０の中心部１０ｓに合致した場合は、底面２ａにレーザー光Ｌの焦点の位置が一致しているため、プローブユニット５の位置はそのままである。
【００３０】
レーザー光Ｌが光位置検出手段１０の中心部１０ｓからずれている場合は、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１０から焦点調整ユニット６に信号が出力され、レーザー光Ｌが中心部１０ｓに合致するまで、プローブユニット５をＺ方向で移動させる。レーザー光Ｌが光位置検出手段１０の中心部１０ｓに合致すると合焦状態となってプローブユニット５の移動が停止する。このフィードバック制御時のプローブユニット５の移動量から、底面２ａのＺ方向での高さ寸法（凹凸寸法）を測定することができる。合焦状態ではプローブユニット５から戻るレーザー光Ｌも光軸Ｋと平行になり、プローブユニット５が光学ユニット４に対してＺ方向で移動しても問題ない。
【００３１】
このように焦点調整ユニット６によりプローブユニット５を移動させながらレーザー光Ｌの焦点を溝部２の底面２ａに合わせる動作がオートフォーカスであり、オートフォーカスをかけたまま、ブロック１をＹ方向へ平行移動させれば、レーザー光Ｌを底面２ａに沿って走査することができ、底面２ａのＹ方向における連続した二次元形状を得ることができる。
【００３２】
この実施形態によれば、対物レンズ１３とリレーレンズ１６、１７とをフレーム１１により一体化したため、鏡筒１５の径ｄを小さくしたとしても、対物レンズ１３とリレーレンズ１６、１７の光学的位置関係を正確に保つことができる。従って幅Ｄの狭い溝部２でもその底面２ａを精度良く測定することができる。
【００３３】
この実施形態では、凹部としてＹ方向へ延びる溝部２を例にしたが、孔部であっても鏡筒１５の移動できる範囲でその底面２ａの凹凸形状を測定することが可能である。また溝部は円弧状でも良く測定ワークを回転テーブルで回転させることにより、円弧状の溝部の底面を連続して測定することも可能である。
【００３４】
また光学ユニット４とプローブユニット５を同一の光軸Ｋにする例を示したが、光学ユニット４とプローブユニット５の間に反射手段を設けて、プローブユニット５に対する光学ユニット４の光軸を９０度曲げても良い。レーザー光Ｌがプローブユニット５の光軸と平行にプローブユニット５内に進入すれば、光学ユニット４の光軸はどのように曲げても良い。
【００３５】
更に図示せぬＹ軸ステージによりブロック１をＹ方向へ移動させる例を示したが、ブロック１は固定しておき、非接触凹部形状測定装置３側を相対的に移動させても良い。
【００３６】
（第２実施形態）
図２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、それらと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。
【００３７】
この実施形態では、溝部１８が貫通構造で、その側面１８ｂを測定するための構造を示している。溝部１８内には鏡筒１５の挿入方向とは逆側より反射手段１９が挿入されプローブユニットから分離して独立に設置されている。この反射手段１９は光軸Ｋに対して４５度の角度を有する反射面を有し、リレーレンズ１６、１７の光軸Ｋを直角に折り曲げることができる。
【００３８】
この反射手段１９は対物レンズの光軸Ｋ上に設置されているが、プローブユニットとは分離された状態で別置きされているため、プローブユニットの構造はそのままで、レーザー光Ｌを溝部１８の側面１８ｂに照射して側面１８ｂを測定することができる。
【００３９】
反射手段１９で反射したレーザー光Ｌにより溝部１８の側面１８ｂにオートフォーカス制御を実施しながら、反射手段１９はそのままで、ブロック３０だけをＹ方向へ平行移動させれば、レーザー光Ｌを側面１８ｂに沿って走査することができ、側面１８ｂのＹ軸方向における連続した二次元形状を得ることができる。反射手段１９の高さを変更することにより、側面１８ｂの任意の高さの位置の形状を測定することができる。
【００４０】
（第３実施形態）
図３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、それらと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。
【００４１】
この実施形態に係る非接触凹部形状測定装置２９では、光学ユニット２０の全体の向きが先の実施形態と９０度相違し、レーザー光照射手段７からのレーザー光Ｌが、溝部２の深さ方向に直交したＸ方向に沿う第１光軸Ｋ１と平行に照射される。
【００４２】
プローブユニット２１のフレーム２２には対物レンズ１３及び鏡筒１５の他に光軸反射手段２３も一体化されている。光軸反射手段２３はフレーム２２の上部開口２４付近に固定され、第１光軸Ｋ１を溝部２の深さ方向に合致した第２光軸Ｋ２に折り曲げる。この第２光軸Ｋ２は対物レンズ１３の中心に合致し、光学ユニット４から照射されたレーザー光Ｌはこの光軸反射手段２３に反射されて、プローブユニット２１の対物レンズ１３に導入される。
【００４３】
また下部開口２５に固定されている鏡筒２６の内部にはリレーレンズ１７の先端に対物レンズ１３の第２光軸Ｋ２を直角方向に折り曲げる先端反射手段２７が一体的に設けられている。先端反射手段２７は小型の反射ミラーである。
【００４４】
更にプローブユニット２１のフレーム２２は焦点調整ユニット２８に支持されているが、この焦点調整ユニット２８はプローブユニット２１全体を対物レンズ１３の第２光軸Ｋ２でなく光学ユニット２０の第１光軸Ｋ１に沿って移動させてオートフォーカス制御を実行する。
【００４５】
この実施形態では、光学ユニット２０のレーザー光照射手段７からレーザー光Ｌは下向きに照射される。下向きに照射されたレーザー光Ｌは反射ミラー８により水平に反射され第１光軸Ｋ１と平行になる。
【００４６】
レーザー光Ｌは光学ユニット２０から出て、プローブユニット２１内に導入され、光軸反射手段２３にて反射された後、そのまま対物レンズ１３を通過する。対物レンズ１３を通過したレーザー光Ｌは第２光軸Ｋ２と交差した後、上側のリレーレンズ１６に導入される。上側のリレーレンズ１６を通過したレーザー光Ｌは第２光軸Ｋ２と平行になり、下側のリレーレンズ１７を通過した後に、先端反射手段２７により反射されて溝部２の側面２ｂに照射される。
【００４７】
溝部２の側面２ｂに照射されたレーザー光Ｌは側面２ｂで反射、散乱されて散乱光となり、再度先端反射手段２７で反射された後、リレーレンズ１６、１７を逆向きに通過して対物レンズ１３に至る。対物レンズ１３を通過したレーザー光Ｌは光軸反射手段２３で反射され、結像レンズ９を通過した後に収束し光位置検出手段１０で受光される。
【００４８】
レーザー光Ｌが光位置検出手段１０の中心部１０ｓからずれている場合は、それを是正するため、光位置検出手段１０から焦点調整ユニット２８に信号が出力され、レーザー光Ｌが中心部１０ｓに合致するまで、プローブユニット２８をＸ方向で移動させる。レーザー光Ｌが光位置検出手段１０の中心部１０ｓに合致すると合焦状態となってプローブユニット２８の移動が停止する。このフィードバック制御時のプローブユニット２８の移動量から、側面２ｂのＸ方向での凹凸寸法を測定することができる。合焦状態ではプローブユニット２８から戻るレーザー光Ｌも第１光軸Ｋ１と平行になり、プローブユニット２１が光学ユニット２０に対してＸ方向で移動しても問題ない。
【００４９】
このようにレーザー光Ｌによるオートフォーカスをかけたまま、ブロック１をＹ方向へ平行移動させれば、レーザー光Ｌを側面２ｂに沿って走査することができ、側面２ｂのＹ方向における連続した二次元形状を得ることができる。鏡筒２６の挿入度合いを調整することにより側面２ｂの任意の高さ位置の凹凸形状をＹ方向に沿って測定することができる。
【００５０】
この実施形態によれば、リレーレンズ１６、１７の先端に先端反射手段２７が一体的に備えられているため、側面２ｂを測定するために別物の反射手段を用意する必要がなく、鏡筒２６が挿入可能な凹部であれば、その凹部が非貫通構造であってもその側面２ｂを測定することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１、３０  ブロック（測定ワーク）
２、１８  溝部（凹部）
２ａ  底面
２ｂ  側面
１８ｂ  側面
３、２９  非接触凹部形状測定装置
４、２０  光学ユニット
５、２１  プローブユニット
６、２８  焦点調整ユニット
７  レーザー光照射手段
１０  光位置検出手段
１１、２２  フレーム
１３  対物レンズ
１５、２６  鏡筒
１６、１７  リレーレンズ
１９  反射手段
２３  光軸反射手段
２７  先端反射手段
Ｋ  光軸
Ｋ１  第１光軸
Ｋ２  第２光軸
Ｌ  レーザー光
Ｄ  溝部の幅
ｄ  鏡筒の径
【図１】
0006567410.tif 000002
【図２】
0006567410.tif 000003
【図３】
0006567410.tif 000004