JP5346670B2 - 非接触表面形状測定装置 - Google Patents

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。

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。

レーザー光は所定方向（例えばＸ軸方向）に沿った入射方向で測定ワークへ対して入射され、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。レーザー光の入射方向を９０度相違する別の方向（例えばＹ軸方向）にする場合は、測定ワークの向きを９０度変換する必要がある。

レーザ光の入射方向を変えるのは、測定ワークの表面の状態（例えば傾斜状態）により、測定するのに好ましい方向性があるからである（例えば、特許文献１参照）。

特公平０８−１２０４６号公報

しかしながら、このような従来の技術にあっては、レーザー光の入射方向を９０度変えるのに、重い測定ワーク側を回転させていたため、回転前と回転後とで測定ワークの水平度に誤差が出やすく、正確な測定が行えない場合があった。

本発明は、このような従来の技術に着目してなされたものであり、測定ワークを回転させずに、レーザー光の入射方向を変換す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。

請求項１記載の発明は、三次元直交座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸と平行にレーザー光をＺ軸に対してそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に変位した位置から照射する第１及び第２レーザー光照射手段と、第１及び第２レーザー光照射手段からの各レーザー光と、Ｚ軸上に配置された測定ワークの表面で反射された各レーザー光の反射光を透過させる対物レンズ手段と、対物レンズ手段を透過した各反射光を結像させる第１及び第２結像レンズ手段と、結像レンズ手段にて結像された各反射光を受光する第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位置信号に基づいて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手段をＺ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手段のＺ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、前記対物レンズ手段を透過した第１レーザー光照射手段のレーザー光の反射光を第１結像レンズ手段に又は前記対物レンズ手段を透過した第２レーザー光照射手段のレーザー光の反射光を第２結像レンズ手段に選択的に通過させる切換手段を第２結像レンズ手段に設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、切換手段が、第２結像レンズ手段を構成する光学要素の１つを出し入れ自在にした構造であることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、非接触表面形状測定装置であって、請求項１又は２に記載の非接触表面形状測定装置を、測定ワークを挟んだ状態で上下両側に備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、第１及び第２レーザー光照射手段から９０度相違するＸ軸方向及びＹ軸方向でそれぞれ対物レンズ手段に対してレーザ光を入射させ且つ測定ワークの表面で反射された各反射光を、第１及び第２結像レンズ手段と、第１及び第２光位置検出手段により、それぞれ別個に検出できる構造になっており、更に、第２結像レンズ手段に設けた切換手段により、第１結像レンズ手段又は第２結像レンズ手段を選択的に切り換えることが可能なため、測定ワークはそのままで、切換手段によりレーザー光の入射方向を９０度相違する別の方向に変更することができる。測定ワークを動かさないため、測定ワークの状態が変化することがなく正確な測定を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、切換手段が第１結像レンズ手段又は第２結像レンズ手段を構成する光学要素の１つであるため、別部品による切換手段を設ける必要がなく、部品点数を低減することができる。

請求項３記載の発明によれば、測定ワークを挟んだ状態で上下両側に同様の構造を備えているため、例えば非球面レンズなどの表面及び裏面を同時に測定することができる。

本発明の第１実施形態に係る非接触表面形状測定装置を示す概略図。 対物レンズの上方の光学系を示す斜視図。 レーザー光の光路を示す概略図。 本発明の第２実施形態に係る非接触表面形状測定装置を示す概略図。

（第１実施形態）図１〜図３は、本発明の第１実施形態を示す図である。図中、ＸＹは水平面上で直交する二方向で、Ｚは鉛直方向である。また、図１は概略的に図示されている。

測定ワークである非球面レンズ１は、表面及び裏面ともに非球面で形成されている。この非球面レンズ１は、一定厚さを有する熱膨張率の少ない金属で形成されたレンズホルダ２に保持されている。

レンズホルダ２は、Ｘ軸方向にスライド自在なＸ軸ステージ３の上に組み付けられている。Ｘ軸ステージ３は、Ｙ軸方向へスライド自在なＹ軸ステージ４の上に組み付けられている。Ｘ軸ステージ３には傾き調整用のモータ駆動式のネジ５も設けられている。

非球面レンズ１の上方には、対物レンズ６を有する対物レンズ手段としての鏡筒７がＺ軸ステージ８に支持されている。Ｚ軸ステージ８はフォーカス手段９によりＺ軸方向にスライドすることができる。Ｚ軸ステージ８のＺ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１０により検出することができる。

対物レンズ６の上方には、ダイクロイックミラー１１ｘ、ハーフミラー１２ｘ、ダイクロイックミラー１３ｘが並んでいる。ダイクロイックミラー１１ｘ、１３ｘは、後述するレーザー光Ｌの波長領域のみを反射し、他の波長領域を透過する。ハーフミラー１２ｘは光の半分を反射し、半分を透過させる。

中央のハーフミラー１２ｘの上方には半導体レーザーであるレーザー光Ｌを照射する第１レーザー光照射部１４ｘが設けられている。一番遠いダイクロイックミラー１３ｘの上方には結像レンズ１５ｘを介して第１光位置検出手段１６ｘが設けられている。

第１光位置検出手段１６ｘは分割フォトセンサーで、中心部が結像レンズ１５ｘの結像点と一致しており、この中心部にレーザー光Ｌのスポット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。

この実施形態では、第１レーザー光照射部１４ｘ、ダイクロイックミラー１１ｘ、ハーフミラー１２ｘにより第１レーザー光照射手段が構成される。また、ダイクロイックミラー１１ｘ、１３ｘ、結像レンズ１５ｘにより第１結像レンズ手段が構成される。

Ｘ軸方向のダイクロイックミラー１１ｘ、ハーフミラー１２ｘ、ダイクロイックミラー１３ｘの下方には、同様のダイクロイックミラー１１ｙ、ハーフミラー１２ｙ、ダイクロイックミラー１３ｙがＹ軸方向に並んで設けられている。これらのうち、一番対物レンズ６に近いダイクロイックミラー１１ｙは「切換手段」としてＸ軸方向にスライドすることができる。他のハーフミラー１２ｙ及びダイクロイックミラー１３ｙは固定されている。

更に、前記同様に、第２レーザー光照射部１４ｙ、結像レンズ１５ｙ、第２光位置検出手段１６ｙが設けられている。

第２レーザー光照射部１４ｙ、ダイクロイックミラー１１ｙ、ハーフミラー１２ｙにより第２レーザー光照射手段が構成される。また、ダイクロイックミラー１１ｙ、１３ｙ、結像レンズ１５ｙにより第２結像レンズ手段が構成される。

ダイクロイックミラー１１ｙの更に上方には、結像レンズ１７を介してカメラ１８が設けられており、非球面レンズ１の表面の状態を撮影することができる。

次に、作用を説明する。

まず、レーザー光ＬをＸ軸方向で当てる場合の例を示す。Ｙ軸方向での一番近いダイクロイックミラー１１ｙはスライドさせて、対物レンズ６の上方位置から外しておく。そして、第１レーザー光照射部１４ｘからレーザー光Ｌを照射する。レーザー光Ｌは、ハーフミラー１２ｘ、ダイクロイックミラー１１ｘで反射されることにより、Ｚ軸と平行で且つＺ軸からＸ軸方向に変位した状態で対物レンズ６に入る。

対物レンズ６を透過したレーザ光ＬはＸ軸方向での所定の入射角度で非球面レンズ１の表面に当たり、そこで反射されて再び対物レンズ６を透過する。

対物レンズ６を透過したレーザー光Ｌは、ダイクロイックミラー１１ｘで反射され、ハーフミラー１２ｘを透過した後、ダイクロイックミラー１３ｘで反射され、結像レンズ１５ｘを経て第１光位置検出手段１６ｘに受光される。

レーザー光Ｌが第１光位置検出手段１６ｘの中心からずれた場合には、そのずれを是正するため、第１光位置検出手段１６ｘからの信号を受信する制御機構１９により制御されて、フォーカス手段９が対物レンズ６をフォーカス方向（Ｚ軸方向）に移動させる。その際、対物レンズ６の移動量をＡＦスケール１０が検出する。このＡＦスケールにより検出した対物レンズ６の移動量が、非球面レンズ１の表面の高さ情報である。従って、Ｘ軸ステージ３又はＹ軸ステージ４により非球面レンズ１をＸ軸又はＹ軸に走査しながら測定することにより、非球面レンズ１の三次元的な表面形状を取得することができる。

そして、非球面レンズ１の表面の状態により、レーザー光Ｌを前記のようなＸ軸方向よりも、Ｙ軸方向から当てた方が十分な反射光が得られる場合には、レーザー光ＬをＹ軸方向から当てるように変更する。

その場合は、まず、第１レーザー光照射部１４ｘ及び第１光位置検出手段１６ｘの機能を停止させる。

次に、ダイクロイックミラー１１ｙをスライドさせて、対物レンズ６の真上位置に移動させる。そして、第２レーザー光照射部１４ｙからレーザー光Ｌを照射する。すると、レーザー光Ｌが、ハーフミラー１２ｙ、ダイクロイックミラー１１ｙで反射され、Ｙ軸と平行で且つＺ軸からＹ軸方向に変位した状態で対物レンズ６に入る。

対物レンズ６を透過したレーザ光Ｌは、前記のＸ軸の場合とは９０度相違する方向から非球面レンズ１の表面に当たる。

非球面レンズ１の表面で反射されたレーザ光Ｌは、再び対物レンズ６を透過し、ダイクロイックミラー１１ｙで反射され、ハーフミラー１２ｙを透過した後、ダイクロイックミラー１３ｙで反射され、結像レンズ１５ｙを経て第２光位置検出手段１６ｙに受光される。第２光位置検出手段１６ｙからの信号により対物レンズ６がＺ軸方向で移動して、非球面レンズ１の表面形状が測定できる仕組みは前記Ｘ軸の場合と同様である。

このように、レーザ光Ｌを非球面レンズ１の表面に対して、Ｙ軸方向から入射させた方が、非球面レンズ１の表面からの反射光が十分に得られる場合は、レーザ光Ｌの入射方向を変更する。

以上説明したように、この実施形態によれば、切換手段としてのダイクロイックミラー１１ｙをスライドさせるだけで、非球面レンズ１を動かさずに、レーザー光Ｌの入射方向を９０度相違する別の方向に変更することができる。非球面レンズ１を動かさないため、非球面レンズ１の状態が変化することがなく正確な測定を行うことができる。

また、第２結像レンズ手段の構成要素の１つであるダイクロイックミラー１１ｙを切換手段としているため、別部品による切換手段を設ける必要がなく、部品点数を低減することができる。

（第２実施形態）図４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。

この実施形態では、非球面レンズ１の下側にも、同様の構造を設けた。上側と同じ部分には、上下の向きが異なるだけで、同様の符号を付した。図４中明らかではないがＹ軸方向の光学系も第１実施形態と同様に設けられている。このように、非球面レンズ１を挟んだ状態で上下両側に同様の構造を備えているため、非球面レンズ１の表面と裏面を同時に測定することができる。

１ 非球面レンズ（測定ワーク）
６ 対物レンズ
７ 鏡筒（対物レンズ手段）
９ フォーカス手段
１０ ＡＦスケール（移動量検出手段）
１１ｘ ダイクロイックミラー（第１レーザー光照射手段・第１結像レンズ手段）
１１ｙ ダイクロイックミラー（切換手段・第２レーザー光照射手段・第２結像レンズ手段）
１２ｘ ハーフミラー（第１レーザー光照射手段）
１２ｙ ハーフミラー（第２レーザー光照射手段）
１３ｘ ダイクロイックミラー（第１結像レンズ手段）
１３ｙ ダイクロイックミラー（第２結像レンズ手段）
１４ｘ 第１レーザー光照射部（第１レーザー光照射手段）
１４ｙ 第２レーザー光照射部（第２レーザー光照射手段）
１５ｘ 結像レンズ（第１結像レンズ手段）
１５ｙ 結像レンズ（第２結像レンズ手段）
１６ｘ 第１光位置検出手段
１６ｙ 第２光位置検出手段
Ｌ レーザー光

Claims (3)

1. 三次元直交座標軸ＸＹＺとして、鉛直なＺ軸と平行にレーザー光をＺ軸に対してそれぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に変位した位置から照射する第１及び第２レーザー光照射手段と、
   第１及び第２レーザー光照射手段からの各レーザー光と、Ｚ軸上に配置された測定ワークの表面で反射された各レーザー光の反射光を透過させる対物レンズ手段と、
   対物レンズ手段を透過した各反射光を結像させる第１及び第２結像レンズ手段と、
   結像レンズ手段にて結像された各反射光を受光する第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位置信号に基づいて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手段をＺ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手段のＺ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、
   前記対物レンズ手段を透過した第１レーザー光照射手段のレーザー光の反射光を第１結像レンズ手段に又は前記対物レンズ手段を透過した第２レーザー光照射手段のレーザー光の反射光を第２結像レンズ手段に選択的に通過させる切換手段を第２結像レンズ手段に設けたことを特徴とする非接触表面形状測定装置。
2. 切換手段が、第２結像レンズ手段を構成する光学要素の１つを出し入れ自在にした構造であ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。
3. 請求項１又は２に記載の非接触表面形状測定装置を、測定ワークを挟んだ状態で上下両側に備えた非接触表面形状測定装置。

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