JP2016125830A - 非接触エッジ形状測定方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザスポット径以下の精度の形状測定が可能な非接触エッジ形状測定方法及びその装置を提供する。【解決手段】スポットＰ全体が各側面２、３の端末であるエッジｅを通過して側面２、３から外れた時のＡＦセンサの合計出力（ａ+ｂ）の低下分を２Ｅとし、Ｅの時の位置をエッジｅとして定義し、側面形状データからエッジｅを越えた部分を除去し、除去後の側面形状データを合成してエッジｅの形状を求める。側面形状データのエッジｅの位置はレーザのスポットＰの径Ｄ以下の精度で定義される。【選択図】図８

Description

本発明は刃物等の鋭角なエッジ形状の測定に好適な非接触エッジ形状測定方法及びその装置に関するものである。

工具刃先や刃物等のワークの鋭角なエッジの非接触形状測定は投影機や顕微鏡を用いた端部の輪郭形状測定法が一般的であるが、光学的分解能や端部の加工精度の影響を受けることからサブμｍ分解能の形状測定は不可能であった。

その他の測定方法として共焦点顕微鏡等を用いた先端エッジ形状測定が提案されているが先端が尖ったエッジでは傾斜面からの反射光が少ないことや、光の回折像等の影響を受けて正確な形状測定が行えない。

このような測定方法に対してレーザプローブ式の非接触測定方法が期待されている。この測定方向はワークに対してレーザプローブによるオートフォーカスをかけながらスキャンさせ、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ワークのエッジ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）。

特許第３９２３９４５号公報

しかしながら、このようなレーザプローブ式の非接触測定方法にあっても、エッジに対してレーザスポット径以下の精度の形状測定ができないという限界がある。

本発明は、このような技術的課題に着目してなされたものであり、レーザスポット径以下の精度の形状測定が可能な非接触エッジ形状測定方法及びその装置を提供することを目的としている。

本発明は、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において、ＡＦセンサの各センサ部の出力をａ，ｂとし、スキャン方向でスポット全体が側面上で合焦（ａ＝ｂ）している状態から、その合焦状態を維持したままスポット全体が各側面の端末であるエッジを通過して側面から外れた時のＡＦセンサの合計出力（ａ+ｂ）の低下分を（２Ｅ）とし、検出された各側面の側面形状データにおいて低下分が１／２である（Ｅ）の時の位置をエッジとして定義し、検出された２つの側面形状データからそれぞれスキャン方向で前記定義されたエッジを越えた部分を除去し、除去後の側面形状データを合成してエッジの形状を求めることを特徴とする。

本発明によれば、前記ＡＦセンサの各センサ部の出力をａ，ｂとし、スキャン方向でスポット全体が側面上で合焦（ａ＝ｂ）している状態から、その合焦状態を維持したままスポット全体が各側面の端末であるエッジを通過して側面から外れた時のＡＦセンサの合計出力（ａ+ｂ）の低下分を（２Ｅ）とし、検出された各側面の側面形状データにおいて低下分が１／２である（Ｅ）の時の位置をエッジとして定義し、検出された２つの側面形状データからそれぞれスキャン方向で前記定義されたエッジを越えた部分を除去し、除去後の側面形状データを合成してエッジの形状を求めるため、合成される側面形状データのエッジ位置はレーザスポット径以下の精度で定義され、高精度なエッジ形状測定を行うことができる。

非接触エッジ形状測定装置を示す概略図。 測定方法を示すフローチャート。 測定方法の工程を示す説明図。 ＡＦセンサを示す正面図。 側面に対するレーザスポットを示す正面図。 側面に対するレーザスポットを示す側面図。 スキャン位置とＡＦセンサの出力の差の関係を示す図。 スキャン位置とＡＦセンサの出力の和の関係を示す図。 側面形状データの合成を示す説明図。

図１〜図９は、本発明の好適な実施形態を示す図である。

図１は、この実施形態に係るレーザプローブ式の非接触エッジ形状測定装置を示す図である。図１において、ＸＹは水平面上で直交する二方向で、Ｘはフォーカス方向で、Ｙはスキャン方向である。Ｚは鉛直方向である。

測定対象であるワーク１は、先端に鋭角なエッジｅを有する断面三角形の工具である。ワーク１は鋭角な角度をなす２つの側面２、３を有している。側面２、３は平面で、その交点に鋭角なエッジｅが形成される。

ワーク１は、Ｚ軸を中心にθ方向へ回転自在な回転ステージ４の上に組み付けられている。回転ステージ４は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸でそれぞれスライド自在なＸ軸ステージ５、Ｙ軸ステージ６、Ｚ軸ステージ７の上に順次載っている。

このワーク１に対して、オートフォーカス光学系として、Ｘ軸に合致する光軸Ｋ上に対物レンズ８、ビームスプリッタ９、結像レンズ１０、ＡＦセンサ１１が配置されている。半導体レーザ照射装置１２からのレーザＬをビームスプリッタ９により反射し、対物レンズ８を介して、ワーク１に照射する。このワーク１に照射されるレーザＬがいわゆる「レーザプローブ」である。

レーザＬはＸ軸及びＺ軸を含む垂直面内の光路に沿って、対物レンズ８からワーク１の表面に対して斜め上方から照射され斜め下方へ反射する。

ワーク１の表面で反射されたレーザＬの戻り光は、再度対物レンズ８からビームスプリッタ９を通過した後、結像レンズ１０を経て、ＡＦセンサ１１に至る。

ＡＦセンサ（分割光センサ）１１は対物レンズ８の光軸Ｋを中心に上下に二分割されたセンサ部１１ａ、１１ｂから構成されている。２つのセンサ部１１ａ、１１ｂからの出力ａ、ｂは演算増幅回路１３を介してＡＦコントローラ１４に入力される。演算増幅回路１３からは２つのセンサ部１１ａ、１１ｂからの出力ａ、ｂの差（ａ−ｂ）と和（ａ＋ｂ）が演算されてＡＦコントローラ１４に出力される。

またＡＦコントローラ１４は２つのセンサ部１１ａ、１１ｂからの出力ａ、ｂが等しくなるようにサーボ機構１６をフィードバック制御して対物レンズ８をフォーカス方向（Ｘ方向）へ移動させる。その時の対物レンズ８の基準位置からの移動量によりワーク１の表面のフォーカス方向での位置情報を検出することができる。レーザＬはビームスプリッタ９で反射された後、対物レンズ８の光軸Ｋ中心からはずれた位置を透過する。そのため散乱ノイズが減少してＳＮを向上することができる。

回転ステージ４、Ｘ軸ステージ５、Ｙ軸ステージ６、Ｚ軸ステージ７はステージコントローラ１７に接続されている。スキャン方向Ｓへの移動はＹ軸ステージ６により行われる。

ステージコントローラ１７は各ステージそれぞれの方向へ移動させる信号を出力する共にワーク１のθ軸回転方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向での位置をメインコントローラ１５に出力する。

メインコントローラ１５ではワーク１の２つの側面２、３の形状を取得できると共に、測定した側面形状データを合成してエッジ形状を測定することができる。

次に実際の測定手順を説明する。

まず最初に図２及び図３に基づいて測定作業の概略を説明する。

測定開始の状態では、ワーク１は対物レンズ８の光軸Ｋに対してエッジｅを対物レンズ８側へまっすぐ向けた状態になっている。

（ステップＳ１）
次にワーク１の２つの側面２、３を順次測定する。最初にワーク１をθ軸で回転させて、一方の側面２に対して対物レンズ８の光軸Ｋが垂直になる状態とする。

（ステップＳ２）
そして一方の側面２にオートフォーカスをかけながら、レーザＬのスポットＰが側面２上でＹ方向に沿ってエッジｅに向かうスキャン方向Ｓでスキャンし、一方の側面２の形状データを取得する。

この実施形態では側面２が平面なため、側面２全体を光軸Ｋに対して垂直にすることができるが、側面２が平面でなく湾曲していたり或いは段階的に角度が変化している場合は、光軸Ｋに対する角度が±３０°未満の範囲を測定単位として、それを越す角度になる部分は更にθ軸を中心にワーク１を回転させながら分割測定する。

（ステップＳ３）
次にワーク１をθ軸で回転させて、他方の側面３に対して対物レンズ８の光軸Ｋが垂直になる状態とする。

（ステップＳ４）
そして他方の側面３にオートフォーカスをかけながら、レーザＬのスポットＰが側面３上でＹ方向に沿ってエッジｅに向かうスキャン方向Ｓでスキャンし、他方の側面３の形状データを取得する。

（ステップＳ５）
最後に取得した２つの側面２、３の形状データをメインコントローラ１５によりθ軸回転中心基準で極座標変換して合成し、エッジｅの形状を得て、測定作業が終了する。

以上が概略であるが、エッジｅの正確な形状を得るには、エッジｅを構成する２つの側面２、３の形状データを正確に高精度で取得する必要がある。

図４はＡＦセンサ１１とレーザＬのスポットＲを示す図である。レーザＬはワーク１に対して斜め上から照射されて斜め下方へ反射するため、ＡＦセンサ１１上のレーザＬのスポットＲも上下に変位する。その変位を是正してスポットＲの光学的中心をＡＦセンサ１１の中心に合致されることによりオートフォーカスがかかる。

レーザＬの斜めの照射・反射方向に関係したＡＦセンサ１１の変位検出方向（Ｚ方向）と、エッジｅの長手方向（Ｚ方向）を一致させることは必須である。この方向性を一致させないと、レーザプローブ方式においてフォーカルシフトによる誤差が生じて正確なオートフォーカスが行えない。

ここで図７に基づいて１つの側面２の測定方法について説明する。

図７はＡＦセンサ（分割光センサ）１１の差動出力（ａ−ｂ）とスキャン方向Ｓでの位置との関係を示している。説明の都合上、スポットＰを拡大して示している。レーザＬの照射・反射方向も変換して図示している。そして太線がオートフォーカスにより得られた側面２の形状データ（プロファイル）である。

側面２上のスポットＰはスキャン方向Ｓに沿って定速でスキャンされる。スポットＰが全て側面２上にある状態Ｐ（１）は全てのレーザＬは反射されて表面形状をとらえる。

次にスポットＰの中心がエッジｅにかかる状態Ｐ（２）においては、レーザＬの光束の半分がエッジｅから外れて反射成分が減る。しかしＡＦセンサ１１上のスポットＲの光量分布はＹ方向で半月状に減るだけで、Ｚ方向ではスポットＲの光量分布は均等なため側面２の測定は依然として正確に行える。

そしてスポットＰがエッジｅを越えてエッジｅから完全に外れた状態Ｐ（３）になると、反射成分がなくなるため形状データが低下する。エッジｅ周辺の形状状況により、急激に低下する場合と、場合によっては上昇することもあるが、エッジｅを通過した後は不規則な形状データが検出される。

以上のように単にオートフォーカスをかけながら側面２の形状データを取得しただけでは、スポットＰがエッジｅから完全に外れたことは知ることができるが、それまでは途中にエッジｅが存在していてもそれを知ることができず、結局最大でスポットＰの直径Ｄ分の誤差をもつことになる。

そこで取得した側面２の形状データ中から正確なエッジｅの位置を検出するために、ＡＦセンサ１１のセンサ部１１ａ、１１ｂの加算出力（ａ＋ｂ）を利用した。すなわち図８に示すように、加算出力（ａ＋ｂ）は差動出力（ａ−ｂ）とは異なり、スポットＰがエッジｅにかかり始めるとその値は徐々に減少し、スポットＰがエッジｅから完全に外れた位置で２Ｅの減少となる。

この特性を利用して、スポットＰが完全にエッジｅから外れた時の加算出力（ａ＋ｂ）の減少分２Ｅの半分であるＥを閾値としてエッジｅの位置を検出し、オートフォーカスで取得した側面２の形状データからそのエッジｅの位置を越えた部分を無効として除去する。こうすることで側面２の正確な形状データを取得することができる。

そして、図９（ア）（イ）（ウ）に示すように、前述の側面２の形状データの無効部分除去処理をワーク１を回転させることにより他方の側面３でも行い、除去した後の２つの正確な側面２、３の形状データを極座標変換して向きを合わせた後に合成する。このようにすることにより、エッジｅの形状測定をレーザＬのスポットＰの径以下の精度で行うことができる。

以上の実施形態では、エッジｅが長手方向（上下方向）で直線状に存在するワーク１を例にしたが、例えば包丁のようにエッジ（刃先）が長手方向で湾曲しているような場合には長手方向での位置を所定ピッチずつ変えて測定することにより連続したエッジｅの形状を測定することができる。

１ ワーク
２、３ 側面
８ 対物レンズ
１１ ＡＦセンサ（分割光センサ）
１４ ＡＦコントローラ
１５ メインコントローラ
１７ ステージコントローラ
ｅ エッジ
Ｄ スポットの径
Ｋ 光軸
Ｌ レーザ
Ｐ ワーク上のスポット
Ｒ ＡＦセンサ上のスポット
Ｓ スキャン方向

Claims (3)

1. 三次元座標軸ＸＹＺとして、ワークの断面形状においてＸ方向端部のエッジを構成する２つの側面に対して、それぞれレーザをＸＺ面内の光路に沿って照射するオートフォーカス制御を実行しながら、レーザのスポットがワークの側面上でＹ方向に沿ってエッジに向かう方向にスキャンさせ、
   オートフォーカス光学系において側面からのレーザの戻り光が合焦時にＺ方向での二分割式のＡＦセンサの中心で受光されるように制御され、対物レンズのＸ方向での移動量からワークの２つの側面形状データをそれぞれ取得し、取得した２つの側面形状データを合成してエッジの形状を求める非接触エッジ形状測定方法であって、
   前記ＡＦセンサの各センサ部の出力をａ，ｂとし、
   スキャン方向でスポット全体が側面上で合焦（ａ＝ｂ）している状態から、その合焦状態を維持したままスポット全体が各側面の端末であるエッジを通過して側面から外れた時のＡＦセンサの加算出力（ａ+ｂ）の低下分を２Ｅとし、
   検出された各側面の側面形状データにおいて低下分が１／２であるＥとなる時の位置をエッジとして定義し、
   検出された２つの側面形状データからそれぞれスキャン方向で前記定義されたエッジを越えた部分を除去し、
   除去後の側面形状データを合成してエッジの形状を求めることを特徴とする非接触エッジ形状測定方法。
2. ワークをＺ軸中心にθ方向に回転自在に支持し、
   ワークの各側面をスキャンする際に、側面におけるスキャン範囲が対物レンズの光軸に対して±３０°未満の傾斜となるように予めワークをθ方向で回転させておくことを特徴とする請求項１記載の非接触エッジ形状測定方法。
3. 三次元座標軸ＸＹＺとして、ワークの断面形状においてＸ方向端部のエッジを構成する２つの側面に対して、それぞれレーザをＸＺ面内の光路に沿って照射するオートフォーカス制御を実行しながら、レーザのスポットがワークの側面上でＹ方向でエッジに向かう方向にスキャンさせ、
   オートフォーカス光学系において側面からのレーザの戻り光が合焦時にＺ方向での二分割式のＡＦセンサの中心で受光されるように制御され、対物レンズのＸ方向での移動量からワークの２つの側面形状データをそれぞれ取得し、取得した２つの側面形状データを合成してエッジの形状を求める非接触エッジ形状測定装置であって、
   前記レーザが対物レンズの光軸中心からはずれた位置を通り、前記レーザの戻り光がＡＦセンサの中心で受光されるように前記対物レンズのＸ方向での移動量を制御するＡＦコントローラと、
   前記ワーク又はオートフォーカス光学系のいずれか一方を相対的にスキャン方向へスキャンさせるステージコントローラと、
   前記ワークの２つの側面形状データを合成してエッジの形状を求めるメインコントローラとを備え、
   前記メインコントローラは、
   前記ＡＦセンサの各センサ部の出力をａ，ｂとし、
   スキャン方向でスポット全体が側面上で合焦（ａ＝ｂ）している状態から、その合焦状態を維持したままスポット全体が各側面の端末であるエッジを通過して側面から外れた時のＡＦセンサの加算出力（ａ+ｂ）の低下分を２Ｅとし、
   検出された各側面の側面形状データにおいて低下分が１／２であるＥの時の位置をエッジとして定義し、
   検出された２つの側面形状データからそれぞれスキャン方向で前記定義されたエッジを越えた部分を除去し、
   除去後の側面形状データを合成してエッジの形状を求めることを特徴とする非接触エッジ形状測定装置。

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