JP2021092523A - Noncontact shape-measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は非接触形状測定装置に関する。 The present invention relates to a non-contact shape measuring device.
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表面に対し、Z軸を光軸としたレーザプローブのレーザー光によりZ方向で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。 It is known that a laser probe type non-contact shape measuring device using laser autofocus can measure the shape and roughness of precision parts over a wide range with nano-level resolution. That is, as the three-dimensional orthogonal coordinate axis XYZ, the surface of the measurement work to be measured is scanned in the XY direction while autofocusing in the Z direction with the laser beam of the laser probe having the Z axis as the optical axis. , The structure is such that measurement data regarding the surface shape of the measurement work is acquired from the amount of movement of the objective lens of the autofocus optical system.
最近では、レーザー光を直角に反射するミラーを対物レンズ側に設けてレーザプローブの光軸をX方向に変換し、そのミラーを測定ワークの穴部等に挿入して、その内面に対してオートフォーカスをかけながら内面形状を測定する技術も知られている(例えば、特許文献1参照)。 Recently, a mirror that reflects laser light at a right angle is provided on the objective lens side to convert the optical axis of the laser probe in the X direction, and the mirror is inserted into a hole or the like of a measuring workpiece to automatically detect the inner surface thereof. A technique for measuring the inner surface shape while focusing is also known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、このような従来の技術にあっては、測定ワークの穴部等にミラーを挿入して内面形状を測定する構造のため、挿入するミラーの大きさから測定できる内径に制約があり、数mm以下の小さな内径の測定を行うことができなかった。 However, in such a conventional technique, since the mirror is inserted into the hole of the measuring work to measure the inner surface shape, there is a limitation on the inner diameter that can be measured from the size of the inserted mirror. It was not possible to measure the inner diameter as small as mm or less.
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、数mm以下の小さな内径も測定することができる非接触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 focusing on such a related technique, and an object of the present invention is to provide a non-contact shape measuring device capable of measuring a small inner diameter of several mm or less.
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が規定され、光軸上に設置される対物レンズと、対物レンズへ向けて光軸と平行なレーザー光を照射する光照射手段と、対物レンズを経て測定ワークの表面に照射されそこで反射されて且つ再度対物レンズを通過したレーザー光を受光する光位置検出手段とからレーザープローブ機構を構成し、光位置検出手段からの位置信号に基づいてレーザー光の焦点を測定ワークの表面に合致させるべくレーザープローブ機構全体をX方向に移動させるフォーカス手段を備えた非接触形状測定装置であって、前記レーザープローブ機構の光軸がX軸及びZ軸を含む垂直面内でX軸に対して傾斜していることを特徴とする。 According to the first technical aspect of the present invention, the three-dimensional orthogonal coordinate axis XYZ is defined, and the objective lens installed on the optical axis and the light irradiation for irradiating the objective lens with a laser beam parallel to the optical axis. A laser probe mechanism is composed of a means and an optical position detecting means that irradiates the surface of the measurement work through the objective lens, is reflected there, and receives the laser light that has passed through the objective lens again, and the position from the optical position detecting means. A non-contact shape measuring device provided with a focusing means for moving the entire laser probe mechanism in the X direction so that the focus of the laser beam is aligned with the surface of the measurement work based on the signal, and the optical axis of the laser probe mechanism is X. It is characterized in that it is inclined with respect to the X axis in a vertical plane including the axis and the Z axis.
本発明の第2の技術的側面によれば、測定ワークをレーザー光に対してZ方向へ相対的に移動させるZ方向移動手段と、Z方向に沿うθ軸を中心に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。 According to the second technical aspect of the present invention, the Z-direction moving means for moving the measurement work relative to the laser beam in the Z direction and the relative θ-direction centered on the θ-axis along the Z-direction. It is characterized by providing a means for moving in the θ direction to rotate.
本発明の第3の技術的側面によれば、対物レンズの倍率が50倍で、レーザープローブ機構の光軸のX軸に対する傾斜角度が45度以下であることを特徴とする。 According to the third technical aspect of the present invention, the magnification of the objective lens is 50 times, and the inclination angle of the optical axis of the laser probe mechanism with respect to the X axis is 45 degrees or less.
本発明の第1の技術的側面によれば、レーザープローブ機構の光軸がX軸に対して傾斜しているため、測定ワークの表面に内径の小さい穴部等がある場合、レーザー光をその穴部等の内部に照射して内面形状を測定することができる。穴部等内に挿入するミラーを使用しないため、数mm以下の小さな内径も測定することができる。 According to the first technical aspect of the present invention, since the optical axis of the laser probe mechanism is inclined with respect to the X axis, if there is a hole having a small inner diameter on the surface of the measuring work, the laser beam is used. The inner surface shape can be measured by irradiating the inside of a hole or the like. Since a mirror to be inserted into a hole or the like is not used, a small inner diameter of several mm or less can be measured.
本発明の第2の技術的側面によれば、θ方向移動手段が設けられているため、θ軸を中心に回転することで内周の二次元形状(真円度や直径)を測定することができる。更にZ方向移動手段が設けられているため、Z方向に走査し、θ軸をステップ軸とすることで内周の断面輪郭データを取得することもできる。 According to the second technical aspect of the present invention, since the means for moving in the θ direction is provided, the two-dimensional shape (roundness and diameter) of the inner circumference is measured by rotating around the θ axis. Can be done. Further, since the Z-direction moving means is provided, it is possible to obtain the cross-sectional contour data of the inner circumference by scanning in the Z direction and using the θ-axis as the step axis.
本発明の第3の技術的側面によれば、一定の戻り光を保ち、フォーカススピードの低下を防止することができる。 According to the third technical aspect of the present invention, it is possible to maintain a constant return light and prevent a decrease in focus speed.
図1〜図5は、本発明の好適な実施形態を示す図である。 1 to 5 are views showing a preferred embodiment of the present invention.
図1は本実施形態に係る非接触形状測定装置を示しており、XYは水平面上で直交する二方向で、Xはオートフォーカス(AF)方向で、Yはスキャン方向である。Zは鉛直方向である。θはZ方向に沿うθ軸を中心とした測定ワークの回転方向である。 FIG. 1 shows a non-contact shape measuring device according to the present embodiment, in which XY is two directions orthogonal to each other on a horizontal plane, X is an autofocus (AF) direction, and Y is a scanning direction. Z is in the vertical direction. θ is the rotation direction of the measuring work centered on the θ axis along the Z direction.
この実施形態では、測定ワークとしてスマートフォン用カメラレンズのバレル1を用いた。カメラレンズはバレル1の保持孔2内に5枚の非球面レンズ3〜7を組み込んだ構造をしている。非球面レンズ3〜7の場合、各レンズの偏芯量が光学性能に大きく影響を与える。偏芯量を小さくするためにバレル1の保持孔2における内径とレンズの外径の嵌め合いをμmレベルの精度で組込まなくてはならない。
In this embodiment, the barrel 1 of the camera lens for a smartphone is used as the measurement work. The camera lens has a structure in which five aspherical lenses 3 to 7 are incorporated in the
そのためには各レンズが入る多段の内径の直径、真円度、同軸度をサブミクロンレベルで測定する必要がある。また光軸の基準となるレンズは多段のレンズにおいて一番下のレンズとなり、バレス1の底の内周R形状やその下の絞りの輪郭形状測定も高精度が要求される。バレル1の大きさは数mmで反射率の低い黒い樹脂材で作られている。肉厚も薄いために従来の接触式では高精度な測定が行えない。 For that purpose, it is necessary to measure the diameter, roundness, and coaxiality of the multi-stage inner diameter of each lens at the submicron level. Further, the lens that serves as the reference of the optical axis is the lowest lens in the multi-stage lens, and high accuracy is required for measuring the inner peripheral radius shape of the bottom of Valles 1 and the contour shape of the diaphragm below it. The barrel 1 is several millimeters in size and is made of a black resin material with low reflectance. Since the wall thickness is thin, high-precision measurement cannot be performed with the conventional contact type.
バレル1はθ方向へ回転自在な回転ステージ(θ方向移動手段)8の上にセットされている。回転ステージ8はY方向にスライド自在なY軸ステージ9に載っており、Y軸ステージ9は定盤10の上に載っている。
The barrel 1 is set on a rotating stage (moving means in the θ direction) 8 that is rotatable in the θ direction. The
このバレル1に対してレーザープローブ機構11からレーザープローブとしてレーザー光Lが照射される。レーザープローブ機構11は、光軸K上に設置された対物レンズ(50倍)12と、レーザー光Lを照射する半導体レーザー照射装置(光照射手段を構成)13と、レーザー光Lを対物レンズ12側へ反射して光軸Kと平行にするビームスプリッタ(光照射手段を構成)14と、対物レンズ12を経てバレル1の内面に照射されそこで反射され且つ再度対物レンズ12及びビームスプリッタ14を通過したレーザー光Lを受光するAFセンサ(光位置検出手段)15と、AFセンサ15の直前に配置された結像レンズ16とを具備している。
The barrel 1 is irradiated with laser light L as a laser probe from the laser probe mechanism 11. The laser probe mechanism 11 includes an objective lens (50 times) 12 installed on the optical axis K, a semiconductor laser irradiation device (which constitutes a light irradiation means) 13 for irradiating the laser light L, and an
レーザープローブ機構11は全体が傾斜した状態で、フォーカス手段としてのX軸ステージ17の上に載っており、X軸ステージ17はZ軸ステージ(Z方向移動手段)18に載せられている。X軸ステージ17はZ軸ステージ18によりZ方向へ移動自在であると共に、レーザープローブ機構11ごとZ軸ステージ18に対してX方向(フォーカス方向)へ移動することができる。X軸ステージ17、Y軸ステージ9、Z軸ステージ18には10nmのリニアスケールが取り付けられている。
The laser probe mechanism 11 is mounted on the
回転ステージ8、Y軸ステージ9、Z軸ステージ18はステージコントローラ22により制御される。ステージコントローラ22は各ステージをそれぞれの方向へ移動させる信号を出力する共にバレル1のθ方向、X方向、Y方向、Z方向での位置をメインコントローラ21に出力する。
The
レーザープローブ機構11はその光軸KがX軸及びZ軸を含む垂直面内で、対物レンズ12側を下にした状態で、X軸に対して45度の傾斜角度GでX軸ステージ17に固定されている。この傾斜角度GはX軸ステージ17に設けられた図示せぬ円弧レールに沿ってレーザープローブ機構11をX軸ステージ17に対して動かすことにより変更することができる。
The laser probe mechanism 11 is mounted on the
レーザー光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12からバレル1の保持孔2内に斜め上方より照射され、その内面で反射される。バレル1の内面で反射されたレーザー光Lは、再度対物レンズ12からビームスプリッタ14を通過した後、結像レンズ16を経て、AFセンサ15に至る。
The laser beam L is emitted from the
AFセンサ15は対物レンズ12の光軸Kを中心に上下に二分割されたセンサ部α、βより構成されている。2つのセンサ部α、βからの出力は比較器(差動増幅器)19を介してAFコントローラ20に入力される。AFコントローラ20からは2つのセンサ部α、βの信号がメインコントローラ21に出力される。
The
またAFコントローラ20は、X軸ステージ17により、AFセンサ15の2つのセンサ部α、βからの出力が等しくなるように、レーザープローブ機構11全体をフォーカス方向(X方向)へ移動させる。その時のX方向での移動量からバレル1の保持孔2の内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。
Further, the
レーザープローブ機構11はX軸ステージ17を介してZ軸ステージ18により上下動自在となっているため、全体を上下させてバレル1の保持孔2の内面に対して上下方向で移動しながらレーザー光Lを当てることもできる。
Since the laser probe mechanism 11 is vertically movable by the Z-
レーザープローブ機構11が傾斜しているため、レーザー光Lがそのままバレル1の保持孔2内に照射され、その内面を測定することができる(図3)。Z方向に沿い保持孔2の中心を貫通するθ軸をステップ軸とし、θ軸0度でZ方向スキャン測定にて保持孔2の上下方向で断面測定を行い、その後にθ軸を180度回転させて同様にZ方向キャン測定にて反対面の断面測定を行う。そのデータをθ軸基準にて極座標変換して結合することにより内周の断面輪郭データを得ることができる。また保持孔2の内面の三次元形状を測定することもできる。
Since the laser probe mechanism 11 is inclined, the laser beam L is irradiated into the
次に傾斜角度Gについて検討する。図4は光Lが光軸Kに沿って対物レンズ12に入光した場合で、表面粗さがnmレベルで散乱光が発生しない場合のバレル1の例を示しており、その測定可能最大傾斜角度A3は次式で表される。
Next, the inclination angle G will be examined. FIG. 4 shows an example of the barrel 1 when the light L enters the
A3 <(α/2)+(b/4)
本実施形態で使用している50倍の対物レンズ12は半開口角(a)=30度、集光角(b)=40度であるため、最大傾斜角度A3=25度となる。しかし、表面粗さが数十nm以上あるバレル1の内面では散乱光が発生するためにAFセンサ15はその散乱光を捕えてこの測定可能限界傾斜角度A3以上の傾斜面の測定が可能となる。例えば表面粗さRa=0.1のピンゲージの断面形状を測定した場合、±88度の傾斜面まで測定可能であった。しかし傾斜角度が大きくなるにつれて散乱光の戻り光が少なくなるのでS/Nが落ちてフォーカススピードが低下する。それらを考慮して45度の傾斜角度Gを越えない方が良い。対物レンズ12が50倍(WD=10.5mm)で、傾斜角度を45度にした場合、バレル1において7mm以下の内径と深さを有する保持孔2の測定が可能となる。
A3 <(α / 2) + (b / 4)
Since the 50x
図5は4枚の非球面レンズを収納する構造のバレルの実施例を示すものであり、保持孔における各レンズに対応する4段の内面をそれぞれ測定した結果である。いずれも偏差が0.8μm以下に入っており良好な真円度であった。 FIG. 5 shows an example of a barrel having a structure for accommodating four aspherical lenses, and is the result of measuring the inner surface of each of the four stages corresponding to each lens in the holding hole. In each case, the deviation was 0.8 μm or less, and the roundness was good.
1 バレル(測定ワーク)
8 回転ステージ(θ方向移動手段)
9 Y軸ステージ(Y方向移動手段)
11 レーザープローブ機構
12 対物レンズ
13 半導体レーザー照射装置(光照射手段)
14 ビームスプリッタ(光照射手段)
15 AFセンサ(光位置検出手段)
17 X軸ステージ(フォーカス手段)
18 Z軸ステージ(Z方向移動手段)
L レーザー光
K 光軸
G 傾斜角度
1 barrel (measurement work)
8 Rotating stage (means for moving in the θ direction)
9 Y-axis stage (Y-direction moving means)
11
14 Beam splitter (light irradiation means)
15 AF sensor (optical position detecting means)
17 X-axis stage (focusing means)
18 Z-axis stage (Z-direction moving means)
L Laser light K Optical axis G Tilt angle
A3 <(a/2)+(b/4)
本実施形態で使用している50倍の対物レンズ12は半開口角(a)=30度、集光角(b)=40度であるため、最大傾斜角度A3=25度となる。しかし、表面粗さが数十nm以上あるバレル1の内面では散乱光が発生するためにAFセンサ15はその散乱光を捕えてこの測定可能限界傾斜角度A3以上の傾斜面の測定が可能となる。例えば表面粗さRa=0.1のピンゲージの断面形状を測定した場合、±88度の傾斜面まで測定可能であった。しかし傾斜角度が大きくなるにつれて散乱光の戻り光が少なくなるのでS/Nが落ちてフォーカススピードが低下する。それらを考慮して45度の傾斜角度Gを越えない方が良い。対物レンズ12が50倍(WD=10.5mm)で、傾斜角度を45度にした場合、バレル1において7mm以下の内径と深さを有する保持孔2の測定が可能となる。
A3 <( a / 2) + (b / 4)
Since the 50x
Claims (3)
光軸上に設置される対物レンズと、対物レンズへ向けて光軸と平行なレーザー光を照射する光照射手段と、対物レンズを経て測定ワークの表面に照射されそこで反射されて且つ再度対物レンズを通過したレーザー光を受光する光位置検出手段とからレーザープローブ機構を構成し、
光位置検出手段からの位置信号に基づいてレーザー光の焦点を測定ワークの表面に合致させるべくレーザープローブ機構全体をX方向に移動させるフォーカス手段を備えた非接触形状測定装置であって、
前記レーザープローブ機構の光軸がX軸及びZ軸を含む垂直面内でX軸に対して傾斜していることを特徴とする非接触形状測定装置。 The three-dimensional orthogonal coordinate axis XYZ is defined,
An objective lens installed on the optical axis, a light irradiation means for irradiating a laser beam parallel to the optical axis toward the objective lens, and an objective lens that is irradiated on the surface of the measurement work via the objective lens, reflected there, and again. A laser probe mechanism is constructed from an optical position detecting means that receives the laser light that has passed through the device.
A non-contact shape measuring device provided with a focusing means for moving the entire laser probe mechanism in the X direction so that the focus of the laser beam is aligned with the surface of the measuring workpiece based on the position signal from the light position detecting means.
A non-contact shape measuring device characterized in that the optical axis of the laser probe mechanism is inclined with respect to the X axis in a vertical plane including the X axis and the Z axis.
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