JP2019163946A - Noncontact surface profile measurement device - Google Patents

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正 松葉
Tadashi Matsuba
正 松葉
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Abstract

To provide a noncontact surface profile measurement device which can switch incident direction of laser light to an optimum direction without putting in/taking out an optical element.SOLUTION: A first and second laser lights Lx, Ly different in incident direction are made to have a different wavelength from each other. A first and second reflected lights Rx, Ry of the lights are caused to be received only by first and second light position detection means 10x, 10y, respectively, via optical filter means 11a, 11b, 12. Out of position signals obtained with two orientations, the one having a higher intensity, is selected for measurement, and thereby a switch of measurement direction is fulfilled only by a switch of an electrical signal.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は非接触表面形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a non-contact surface shape measuring apparatus.

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。   Laser probe type non-contact surface shape measuring devices using laser autofocus are used to measure the shape and roughness of precision parts. In other words, the surface of the measurement workpiece to be measured is scanned in a predetermined direction while autofocusing with a laser beam is applied, and the measurement workpiece is calculated from the amount of movement of the autofocus optical system in the focus direction of the objective lens. It is the structure which acquires the measurement data regarding the surface shape of.

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。   The laser light is incident on the measurement workpiece in an incident direction along a predetermined direction (for example, the X-axis direction), and then reflected to obtain a surface shape having characteristics in the incident direction. If the surface shape of the measurement workpiece cannot be accurately measured in the incident direction of the laser beam, for example, if the return of the reflected light is obstructed by the shape of the surface of the measurement workpiece, the incident direction of the laser beam is changed by 90 degrees.

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)。   As a method of changing the incident direction of the laser beam by 90 degrees, two measuring systems having different incident directions of the laser beam by 90 degrees are prepared, and the directionality in which measurement is performed by taking in and out some of the shared optical elements Are switched by 90 degrees (see, for example, Patent Document 1).

特許第5346670号公報Japanese Patent No. 5346670

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。   However, in such a conventional technique, since some optical elements can be freely inserted and removed in order to change the incident direction of the laser beam by 90 degrees, a structure for accurately inserting and removing the optical elements is very difficult. It became complicated and caused an increase in the overall cost.

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。   The present invention has been made paying attention to such a related technique, and provides a non-contact surface shape measuring apparatus capable of switching the incident direction of laser light to an optimum direction without taking in and out an optical element. It is an object.

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。   According to the first technical aspect of the present invention, as the three-dimensional orthogonal coordinate axis XYZ, the first and second laser beams parallel to the vertical Z axis are in the X-axis direction and the Y-axis with respect to the optical axis coincident with the Z axis. First and second irradiation system means for irradiating each from a position displaced in the axial direction; and first and second laser beams from the first and second irradiation system means, supported movably along the optical axis; An objective lens that transmits the first and second reflected light beams of the first and second laser beams reflected on the surface of the measurement workpiece disposed on the optical axis in a state in which the directions are 90 degrees different from each other; and an objective lens First and second imaging optical system means for forming an image of the first reflected light and the second reflected light transmitted through the first and second reflected light images formed by the first and second imaging optical system means First and second light receiving light and outputting a position signal of each reflected light with an intensity corresponding to the amount of received light of each reflected light In order to make the focal points of the first and second laser beams as the reference coincide with the surface of the measurement work, based on either the optical position detection means and each position signal from the first or second optical position detection means. A non-contact surface shape measuring apparatus comprising: a focusing unit that moves the objective lens in the optical axis direction; and a movement amount detection unit that detects a movement amount of the objective lens in the optical axis direction by the focusing unit, The first and second laser lights have different wavelengths, and the first and second imaging optical system means are provided with first and second optical filter means for transmitting only the first and second reflected lights, respectively. The focusing means moves the objective lens based on only the stronger one of the position signals from the first or second light position detecting means.

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。   According to the second technical aspect of the present invention, the first or second laser beam is irradiated from either the first or second irradiation system unit, and the focusing unit has a light position corresponding to the irradiated laser beam. The position signal from the detection means is input first, and when the intensity of the position signal is higher than a predetermined value, the objective lens is moved with reference to the position signal. Instead, the other laser beam is irradiated, and the objective lens is moved with reference to the position signal of the other.

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。   According to the third technical aspect of the present invention, the first and second irradiation system means simultaneously irradiates the first and second laser beams, and the focusing means is a position from the first and second light position detection means. Both signals are input simultaneously, the intensity of both position signals is compared, the position signal having the stronger intensity is selected, and the objective lens is moved with reference to only that position signal.

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。   According to the first technical aspect of the present invention, the wavelengths of the first and second laser beams having different incident directions are made different from each other, and the first and second reflected lights corresponding to the respective laser beams are the first and second. Only the corresponding first and second optical position detecting means receive light via the first and second imaging optical system means by the optical filter means, respectively. By doing so, it is possible to perform measurement with the direction of incidence different by 90 degrees. If the stronger intensity is selected in the focusing means among the position signals obtained by the measurement in two directions, accurate measurement in the optimum direction becomes possible. Since only the switching of the electric signal is required, it is not a physical switching by putting in and out the optical element, so that the structure is simple and advantageous in terms of cost.

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。   According to the second technical aspect of the present invention, since an optimal incident direction is first selected on the basis of a predetermined value, it is only necessary to irradiate the selected direction with laser light during measurement.

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。   According to the third technical aspect of the present invention, in order to perform the measurement in both directions different by 90 degrees at the same time and automatically select and measure the optimum one automatically, Even when the optimum directionality frequently changes during scanning, it can be automatically handled.

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)。The schematic side view (partial direction change) which shows a non-contact surface shape measuring apparatus. 非接触表面形状測定装置を示す概略平面図。The schematic plan view which shows a non-contact surface shape measuring apparatus. レーザ光の入射方向を示す斜視図。The perspective view which shows the incident direction of a laser beam.

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。   1 to 3 are diagrams showing a preferred embodiment of the present invention. In the figure, the X axis and the Y axis are two directions orthogonal to each other on a horizontal plane, and the Z axis is a vertical direction. FIG. 1 shows a schematic side view, and a part thereof is shown along the Y direction as the X direction.

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。   The measurement workpiece 1 has a block shape having a lower surface 1a and an upper surface 1b, and a standing wall 1c is formed between the lower surface 1a and the upper surface 1b along the Y-axis direction. The measurement workpiece 1 is placed on an XY axis stage (not shown). The XY-axis stage is movable in the X-axis direction and the Y-axis direction together with the measurement work 1, but in this embodiment, the XY-axis stage moves with the Y-axis direction as the scanning direction. The lower surface 1a and the like of the measurement workpiece 1 cannot be visually confirmed, but are slightly uneven. The apparatus of this embodiment is for measuring the slight uneven shape along the scanning direction (Y-axis direction).

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。   Above the measurement workpiece 1, an objective lens 2 is supported by a drive unit 3 so as to be movable in the Z-axis direction. The central axis of the objective lens 2 coincident with the Z axis is the optical axis K, and the movement amount in the optical axis direction can be detected by the AF scale 4 as the movement amount detecting means.

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。   Above the objective lens 2, a dichroic mirror 5x, a half mirror 6x, and a dichroic mirror 7x are arranged in the X-axis direction. The dichroic mirrors 5x and 7x reflect only the wavelength region of the first laser light Lx, which will be described later, and transmit the other wavelength regions. The half mirror 6x reflects half of the first laser beam Lx and transmits half.

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。   Laser light irradiation means 8x for irradiating a semiconductor laser (wavelength 635 nm) as the first laser light Lx is provided above the central half mirror 6x.

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。   Above the dichroic mirror 7x, a first light position detecting means 10x is provided via an imaging lens 9x.

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。   Two optical filters 11a and 11b are provided between the dichroic mirror 7x and the imaging lens 9x. One optical filter 11a transmits only light having a wavelength of 600 nm or more, and the other optical filter 11b has a characteristic of transmitting only light having a wavelength of 650 nm or less.

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。    The first light position detecting means 10x is a divided photosensor, and the center part coincides with the image forming point of the image forming lens 9x, and each spot divided into two when the center of gravity of the spot of the first laser light Lx coincides with this center part. The output of the photo sensor is balanced.

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。   In this embodiment, the first irradiation system means is constituted by the laser beam irradiation means 8x, the half mirror 6x, and the dichroic mirror 5x, and the first imaging optical system means is constituted by the dichroic mirrors 5x and 7x and the imaging lens 9x, The optical filters 11a and 11b constitute first optical filter means.

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。   Similar dichroic mirror 5y, half mirror 6y, and dichroic mirror 7y are provided side by side in the Y-axis direction above dichroic mirror 5x, half mirror 6x, and dichroic mirror 7x in the X-axis direction. In FIG. 1, these are shown in the X-axis direction for convenience. The dichroic mirrors 5y and 7y reflect only the wavelength region of the second laser light Ly described later, and transmit the other wavelength regions. The half mirror 6y reflects half of the second laser light Ly and transmits half.

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。   Further, similarly to the above, a laser beam irradiation means 8y, an imaging lens 9y, and a second light position detection means 10y are provided. The second laser beam Ly is emitted from the laser beam irradiation means 8y. The second laser beam Ly is a semiconductor laser having a wavelength of 690 nm different from that of the first laser beam Lx. An optical filter 12 is provided between the dichroic mirror 7y and the imaging lens 9y. The optical filter 12 has a characteristic of transmitting only light having a wavelength of 640 nm or more.

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。   In this embodiment, the laser beam irradiation means 8y, the half mirror 6y and the dichroic mirror 5y constitute a second irradiation system means, and the dichroic mirrors 5y and 7y and the imaging lens 9y constitute a second imaging optical system means. The optical filter 12 constitutes second optical filter means.

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。   A camera 14 is provided above the dichroic mirror 5y via the imaging lens 13, and the surface state of the measurement workpiece 1 can be photographed.

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。   The first light position detection means 10x and the second light position detection means 10y output position signals Px and Py to the control unit 15, respectively. The control unit 15 can detect and compare the intensities of the position signals Px and Py from the first optical position detection unit 10x and the second optical position detection unit 10y, and can also compare the intensities of the position signals Px and Py. It can be compared with a predetermined value set in advance. Further, the control unit 15 outputs the moving direction and moving amount of the objective lens 2 necessary for focusing on the basis of the detected position signals Px and Py to the driving unit 3 as a signal S. In this embodiment, the control unit 15 and the drive unit 3 constitute a focusing unit.

次に、作用を説明する。   Next, the operation will be described.

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。   First, the first laser beam Lx having a wavelength of 635 nm is irradiated from the laser beam irradiation unit 8x, and the measurement workpiece 1 is scanned in the Y axis direction by an XY axis stage (not shown). The first laser light Lx is reflected by the half mirror 6x and the dichroic mirror 5x, and enters the objective lens 2 in a state parallel to the optical axis K and displaced from the optical axis K in the X-axis direction.

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。   The first laser light Lx that has passed through the objective lens 2 hits the lower surface 1a of the measurement workpiece 1 at a predetermined incident angle in the X-axis direction, and is reflected there to become the first reflected light Rx, which again travels in the direction that passes through the objective lens 2. .

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。   Originally, the first reflected light Rx passes through the objective lens 2, is reflected by the dichroic mirror 5x, passes through the half mirror 6x, is reflected by the dichroic mirror 7x, and forms the imaging lens 9x and two optical filters. The light is received by the first light position detecting means 10x through 11a and 11b. Since one optical filter 11a transmits only light having a wavelength of 600 nm or more, and the other optical filter 11b transmits only light having a wavelength of 650 or less, the first optical position detection means 10x has a first reflection having a wavelength of 635 nm. Only the light Rx is received.

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。   However, since the upright wall 1c is near the reflection point of the lower surface 1a of the first laser beam Lx, the first reflected light Rx reflected by the lower surface 1a is blocked by the upright wall 1c and reaches the original light position detecting means 10x. Does not return with strength. Therefore, the position signal Px detected from the first reflected light Rx and output from the first light position detecting means 10x becomes weaker than a predetermined value set in advance. The predetermined value corresponds to the intensity of the first reflected light Rx that is the minimum necessary for moving the objective lens 2 in the optical axis direction by the drive unit 3 to focus the first laser light Lx on the lower surface 1a of the measurement workpiece 1. The strength of the position signal Px.

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。   When the control unit 15 determines that the position signal Px from the first light position detection means 10x is weaker than a predetermined value, the irradiation of the first laser light Lx from the laser light irradiation means 8x is stopped, and then the directionality Is irradiated with the second laser light Ly from the laser light irradiation means 8y in the Y-axis direction different by 90 degrees.

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。   The second laser light Ly passes through the objective lens 2 with a direction different from that of the X-axis by 90 degrees and strikes the lower surface 1 a of the measurement workpiece 1. Since the second reflected light Ry reflected by the lower surface 1a is along the Y-axis direction, the second reflected light Ry passes through the objective lens 2 again without hitting the standing wall 1c, is reflected by the dichroic mirror 5y, and passes through the half mirror 6y. The light is reflected by the dichroic mirror 7y and is received by the second optical position detection means 10y through the optical filter 12 and the imaging lens 9y. Since the optical filter 12 has a characteristic of transmitting only light having a wavelength of 640 nm or more, the second light position detection unit 10y receives only the second reflected light Ry having a wavelength of 690 nm.

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。   When the second reflected light Ry deviates from the center of the second light position detection means 10y (when it is out of focus), the position signal Py from the second light position detection means 10y is used to correct the deviation. The receiving control unit 15 outputs a signal S for controlling the driving unit 3 and moves the objective lens 2 in the focus direction (optical axis direction) to focus the second laser beam Ly on the lower surface 1a.

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。   Since the measurement workpiece 1 is scanned in the Y-axis direction, the objective lens 2 reciprocates in the optical axis direction to keep focusing in accordance with the slight uneven shape on the Y-axis of the lower surface 1a. The AF scale 4 detects the amount of movement of the objective lens 2 in the optical axis direction. The amount of movement of the objective lens 2 detected by the AF scale 4 is height information of the lower surface 1 a along the Y-axis direction of the measurement workpiece 1. By repeating this measurement along the Y-axis direction while changing the position in the X-axis direction, the three-dimensional surface shape of the lower surface 1a can be acquired.

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。   When the position signal Py from the second light position detecting means 10y becomes a predetermined value or less during measurement by receiving the second reflected light Ry, the measurement is switched again to the measurement using the first reflected light Rx, and the first reflected light Rx is used. If the position signal Px is less than or equal to the predetermined value, the measurement point is like the bottom of a deep hole, so stop the measurement and adjust the incident angles of the first and second laser beams Lx and Ly. To do.

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。   As described above, if the control unit 15 selects the stronger one based on the predetermined value as in the present embodiment, it is possible to perform an accurate measurement with the optimum directionality. Only the switching of the electric signal is required, and not the physical switching by putting in and out the optical element as in the prior art, so that the structure is simple and advantageous in terms of cost. Further, as in this embodiment, if an optimum directionality is first selected based on a predetermined value, it is only necessary to irradiate the selected direction with laser light during measurement.

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。   As described above, the intensity of the reflected light from the measurement workpiece 1 is compared with a predetermined value, and instead of first selecting the optimum directionality, both X-axis and Y-axis laser beam irradiation means 8x, 8y are selected. The first laser beam Lx and the second laser beam Ly are simultaneously irradiated, and the first reflected light Rx and the second reflected light Ry returned from the measurement workpiece 1 are simultaneously irradiated with the first light position detecting means 10x and the second light position. You may make it detect with the detection means 10y. Then, the strengths of the position signals Px and Py may be compared by the control unit 15 to automatically select the stronger one and perform measurement while switching the optimum directionality during scanning. By doing so, it is possible to automatically cope with the case where the surface shape of the measurement workpiece is complicated and the optimum directionality frequently changes during scanning.

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Measurement workpiece 1a Lower surface 1b Upper surface 1c Standing wall 2 Objective lens 3 Drive part (focus means)
4 AF scale (movement amount detection means)
5x dichroic mirror (first irradiation system means / first imaging optical system means)
5y Dichroic mirror (second irradiation system means / second imaging optical system means)
6x half mirror (first irradiation system means)
6y half mirror (second irradiation system means)
7x Dichroic mirror (first imaging optical system means)
7y Dichroic mirror (second imaging optical system means)
8x laser light irradiation means (first irradiation system means)
8y Laser light irradiation means (second irradiation system means)
9x imaging lens (first imaging optical system means)
9y imaging lens (second imaging optical system means)
10x first light position detection means 10y second light position detection means
11a, 11b Optical filter (first optical filter means)
12 Optical filter (second optical filter means)
15 Control unit (focusing means)
Lx 1st laser light Ly 2nd laser light Rx 1st reflected light Ry 2nd reflected light K Optical axis Px, Py Position signal

Claims (3)

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。
As the three-dimensional orthogonal coordinate axis XYZ, the first and second laser beams parallel to the vertical Z axis are irradiated from the positions displaced in the X axis direction and the Y axis direction with respect to the optical axis matching the Z axis, respectively. A second irradiation system means;
The first and second laser beams supported so as to be movable along the optical axis and reflected by the first and second laser beams from the first and second irradiation system means and the surface of the measurement workpiece disposed on the optical axis. An objective lens that transmits the first and second reflected lights of the laser light in a state in which the directions are 90 degrees different from each other;
First and second imaging optical system means for imaging the first reflected light and the second reflected light transmitted through the objective lens;
First and second reflected light imaged by the first and second imaging optical system means, and a position signal of each reflected light is output at an intensity corresponding to the amount of received reflected light. Second light position detecting means;
Using either one of the position signals from the first or second light position detecting means as a reference, the objective lens is placed on the optical axis in order to make the first and second laser beams of the reference one coincide with the surface of the measurement workpiece. Focusing means to move in the direction;
A non-contact surface shape measuring apparatus comprising: a moving amount detecting unit that detects a moving amount of the objective lens in the optical axis direction by the focusing unit;
The first and second laser beams have different wavelengths;
The first and second imaging optical system means are provided with first and second optical filter means for transmitting only the first and second reflected lights, respectively.
The non-contact surface shape measuring apparatus characterized in that the focusing means moves the objective lens with reference to only the stronger one of the position signals from the first or second light position detecting means.
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。
Irradiating the first or second laser beam from either one of the first or second irradiation system means,
The focus means first inputs a position signal from the optical position detection means corresponding to the irradiated laser light, and when the intensity of the position signal is higher than a predetermined value, the objective lens is moved based on the position signal, 2. The non-contact surface shape according to claim 1, wherein, when the value is equal to or less than a predetermined value, the other laser beam is irradiated instead of the one laser beam, and the objective lens is moved with reference to the other position signal. measuring device.
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。
The first and second irradiation system means simultaneously irradiates the first and second laser beams,
The focus means inputs both the position signals from the first and second optical position detection means at the same time, compares the intensity of both position signals, selects the position signal with the stronger intensity, and selects only the position signal. 2. The non-contact surface shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the objective lens is moved as a reference.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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