JP7441992B1 - 真直度測定用基準光発生器、真直度測定用基準提供方法及び真直度測定装置 - Google Patents
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Abstract
Description
真直度の測定には、基準が必要である。直線性が確保された基準に対して対象物の表面を比較し、そのずれ量を持って真直度とされる。この基準を提供するものとしては、直定規が知られている。例えば、JIS B 7514に規定された直定規では、A級は(2+L/250)μmの真直度、特級は(1+L/500)μmの真直度とされている(Lは有効長さで単位はmm)。例えば、300mmの有効長さの場合、A級の直定規は3.2μm以下の真直度を有し、特級の直定規は1.6μm以下の真直度を有する。尚、真直度は、まっすぐであるべき方向に延びる直線に対する凹凸の大きさであり、当該直線に対する凹部の最大深さと凸部の最大高さとを加えた量である。
加工装置メーカーに部品を納入する部品メーカーは、装置メーカーの要求に応えるべく精密加工の技術力を高めて装置メーカーの要求に応えようとしているが、出来上がった製品(部品)が、そのように高い真直度を達成しているかどうか、十分に検証できない場合も多い。例えば、従来の直定規では、特級のものでも真直度は1~数μm程度であり、満足できるものではない。
また、上記課題を解決するため、この明細書において、真直度測定用基準提供方法の発明が開示される。開示された発明に係る真直度測定用基準提供方法は、円環状の光透過スリットを有した遮光板に対し、光透過スリットの円環の中心を通り遮光板に垂直なスリット軸上に一個の光源を配置し、当該光源からの光を光透過スリットの全域を含んで遮光板に照射する照射ステップを含む方法である。
そして、この真直度測定用基準提供方法は、
照射ステップを行いながら、遮光板の出射側の第一の観察面において、光透過スリットを出射した回折光の干渉により照度がピークとなる位置を特定する第一の観察ステップと、
照射ステップを行いながら、第一の観察面に対して平行で遮光板との距離が第一の観察面とは異なる第二の観察面において、光透過スリットを出射した回折光の干渉により照度がピークとなる位置を特定する第二の観察ステップと、
照射ステップを行いながら、第一第二の観察面に対して平行で遮光板との距離が第一第二の観察面とは異なる第三の観察面において、光透過スリットを出射した回折光の干渉により照度がピークとなる位置を特定する第三の観察ステップと
を含む。
また、上記課題を解決するため、開示された発明に係る真直度測定用基準光発生器において、一個の光源は、実質的に単一波長の光を発する光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、開示された発明に係る真直度測定用基準光発生器において、一個の光源は、コヒーレント光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、開示された発明に係る真直度測定用基準光発生器において、一個の光源は、レーザー光源であり得る。
また、上記課題を解決するため、開示された発明に係る真直度測定用基準光発生器において、遮光板は、光透過スリット以外の部分では光を拡散させて遮光する板であり得る。
また、上記課題を解決するため、開示された発明に係る真直度測定用基準光発生器は、
遮光板は、前記光源からの光の波長に対して透明な基板と、基板上に形成された遮光膜とより成るものであって、遮光膜が前記円環状の光透過スリットを有しており、
遮光膜は、基板の出射側の面に形成されている
という構成を持ち得る。
上記構成を持つ真直度測定用基準光発生器は、遮光板において、遮光膜と基板との界面は拡散面になっているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、開示された発明に係る真直度測定用基準光発生器において、遮光板の入射側には、一個の光源からの光の発散角を小さくする光学素子が配置され得る。
また、上記構成を持つ真直度測定用基準光発生器において、光学素子は集光レンズであり得る。
また、上記課題を解決するため、この明細書において、真直度測定装置の発明が開示される。開示された発明に係る真直度測定装置は、上記いずれかの真直度測定用基準光発生器と、真直度測定用基準光発生器の出射側に配置された受光器と、真直度の測定のための演算処理を行う演算処理部とを備えている。
受光器は、少なくとも一次元の方向において入射する光のエネルギー分布を出力することが可能なものである。
演算処理部は、受光器からの出力において光のエネルギーがピークとなっている位置を特定する処理を行って真直度を測定するものである。
上記構成を持つ真直度測定装置は、静止した状態の真直度測定用基準光発生器に対して、真直度を測定すべき長尺物の表面に沿って当該長尺物の長手方向に前記受光器を移動させて長手方向の位置を変更する変位機構を備え得る。
また、遮光板が、光透過スリット以外の部分では光を拡散させて遮光する板である構成によれば、光源側に反射光が戻って光源が損傷してしまう問題や、反射光が迷光となって測定のSN比を低下させてしまう問題が防止される。それとともに、光吸収により遮光板が温度上昇し、屈折率の熱揺らぎが生じて回折光の干渉する位置がずれてしまう問題が防止される。このため、基準としての信頼性がより高められる。
また、光透過スリットは、基板の出射側の面に遮光膜が形成され、この遮光膜が光透過スリットを有する構成によれば、スリットからの回折光は基板中を透過することはないので、基板の温度分布が不均一になってもその影響を直接受けることはない。このため、基準としての信頼性がより高められる。
またこの際、遮光膜が反射膜であり、基板と遮光膜との界面が拡散面である構成によれば、遮光膜の温度上昇により輻射熱が生じて前方の空間の温度上昇を招くことがない。このため、その空間の熱揺らぎにより基準としての信頼性が低下してしまう問題を招くことがない。
また、遮光板の入射側には、一個の光源からの光の発散角を小さくする光学素子が配置された構成によれば、照射された光芒における回折光干渉による照度ピークがより高くなるため、ピークの位置が特定し易くなり、測定精度の低下が避けられる。
まず、真直度測定用基準光発生器(以下、基準光発生器と略称する。)の発明の実施形態について説明する。以下の説明は、真直度測定用基準提供方法の発明の実施形態の説明を含む。図1は、第一の実施形態に係る基準光発生器の概略構成を示した図である。
光源1としては、特に制限がなく種々のものを使用し得るが、この実施形態では、小型で取り扱いがし易く高輝度であるため、半導体レーザー光源が使用されている。例えば、波長400~420nm程度の半導体レーザー光源(GaN系等)が使用できる。半導体レーザー光源である光源1はある発散角で光を出射させるが、この例では、発散軸(発散角0度の方向)は水平方向となっている。
光透過スリット20の幅(径方向の幅、図2にwで示す)は、例えば40μm程度の非常に狭い幅となっている。このため、光透過スリット20を出射する光には、回折の影響が強く現れる。図3において、回折光を含む出射光のエネルギー分布を概念的にIdifで示す。図3にIdifで示すように、主光線Lmの両側に各回折角で進む回折光が分布する。
観察面Sにおいて、スリット軸Axが交差する点をP0とする。発光点Eから出射される光のうち、点Aに達して点Aからの回折光として点P0に達する光L1と、点Bに達して点Bからの回折光として点P0に達する光L2とを考慮する。EA=EBであり、AP0=BP0であるため、L1とL2の光路長は等しい。そして、L1とL2は、同じ点Eから出た光であり、同じ波長で同位相の光を含んでいる。このため、L1とL2は、点P0において強く干渉し、点P0における照度が特に高くなる。
点P0を外れた位置では、光路長が異なるために同波長であったとしても位相がずれ、干渉は弱くなる。位相がちょうど1/2波長ずれる位置をP1,P2とすると、半波長分の位相のずれのため、同波長の回折光は干渉によって互いに打ち消し合い、強度は最低となる。即ち、P1AとP1Bの光路差が半波長分の長さになっているP1では干渉のために回折光の強度は最低となり、P2AとP2Bの光路差が半波長分の長さになっているP2では干渉のために回折光の強度は最低となる。
図4は、第一の実施形態に係る真直度測定装置の正面概略図である。図4に示すように、この真直度測定装置は、基準光発生器10と、基準光発生器10の出射側に配置された受光器4と、真直度の測定のための演算処理を行う演算処理部5とを備えている。
受光器4としては、少なくとも一次元の方向において入射する光のエネルギー分布を出力することが可能なもので足りるが、この実施形態では、CMOSやCCD等のエリアイメージセンサを受光器4として使用している。
記憶部52に記憶されたプログラムのうちの一つは、真直度の測定のための演算処理を行う真直度測定プログラム53となっている。その他、変位機構6を含めて装置全体を制御するシーケンス制御プログラム54も記憶部52に記憶されている。
シーケンス制御プログラム54は、光源1を点灯させた状態で変位機構6を動作させ、水平方向に受光器4を移動させて対象物の長手方向における位置を変更するシーケンスを行うプログラムとなっている。光源1から出射された光のうち、遮光板2の光透過スリット20を透過して出射した回折光は、受光器4の受光面41に達する。そして、上述したように、受光面41のうち、スリット軸Ax上の点がピーク位置となり、ピーク値の光エネルギー値(ここでは放射照度)が計測される。図5において、受光器4の受光面41上の点としてピーク位置をmで示す。
回折光干渉光芒は、通常、画素サイズよりも大きいので、回折光干渉光芒を捉えていると判断される画素を特定し、その中心を求める演算を行う。より具体的には、回折光干渉光芒を捉えている画素群における最も高い強度(照度)を特定し、その照度の半分以上の強度となっている画素群を特定する。そして、その画素群における中心位置の座標を特定する。
真直度測定プログラム53は、特定された光芒中心位置のy座標mの変化に対して線形回帰処理(例えば最小二乗法)を適用し、対象物9の全体の傾きを算出する。算出された傾きを、図5において線tで示す(以下、傾き線という)。そして、図5に示すように、各光芒中心位置のy座標mから傾き線tに対して垂線を引き、その長さを求める処理を行う。そして、傾き線tに対する光芒中心位置のy座標mの振れ幅の最大値δを求める。このδが、真直度に相当している。
真直度測定プログラム53は、このようにして算出した真直度δを測定結果として出力して終了する。測定結果は、ディスプレイ等に出力される。
例えば1μm以下というように微小な凹凸を検出する真直度測定においては、光路における光学的条件の僅かな不均一性も問題となり得る。この代表的な要因は、熱による屈折率の変化(屈折率の熱揺らぎ)である。遮光膜22が基板21の入射側に形成されている場合、光透過スリット20は基板21の入射側に形成されていることになり、回折光は基板21中を透過して出射する。この場合、基板21において何らかの原因で温度差が生じ、温度が均一でないと、光透過スリット20を出射した回折光が基板21中を透過する際の実質的な光路長にばらつきが生じることになる。そうなると、回折光はスリット軸Axで干渉しないことになり、スリット軸Axから外れた位置で干渉することになってしまう。
一方、遮光膜22が基板21の出射側の面に形成されている構成では、このような問題はない。出射側の媒質は雰囲気(空気)であるが、基板21内に比べ温度差が生じることはなく、生じたとしても非常に小さい。したがって、基板22内における温度不均一化が問題になることはない。
遮光板2は、光透過スリット20に到達した光のみを透過させ、他の箇所に到達した光を遮断するものであるが、遮断の構成としては、反射や吸収もある。この場合、光を反射させてしまうと、光が光源1に戻ってしまい光源1を損傷させる問題がある。また、周囲の部材に反射して迷光が生じ、迷光が受光器4に入射してノイズとなってしまう問題もある。
第二の実施形態の基準光発生器は、遮光板2の入射側に配置された集光レンズ7を備えており、この点が第一の実施形態と異なっている。集光レンズ7は、回折光干渉光芒の照度を高め、その中心位置をより高い精度で特定できるようにする意義を有している。
尚、受光器2には回折光以外に集光レンズ2による集光光(幾何光学的集光光)が入射するため、集光光の照度に回折光干渉光芒の照度が重畳された状態となる。この場合でも、回折光干渉による照度のピークは十分に観察でき、真直度の測定には支障がない。光透過スリット20の幅は狭いので、幾何光学的集光光による照度はそれほど高いものではないからである。
但し、上記は理論上の説明であり、実際にはkが小さい場合には直線と見なして良い場合が殆どである。したがって、必要な真直度の測定精度や真直度を測定する距離との関係で、許容されるkの上限が決められる。
図9に示す真直度測定装置も、基準光発生器10と、基準光発生器10の出射側に配置された受光器4と、真直度の測定のための演算処理を行う演算処理部5とを備えている。
直線移動機構90の方向が水平方向であるかを調べたいとか、対象物9の姿勢が水平であるかを調べたいとかいった事情がないのであれば、スリット軸Axは厳密な意味で水平である必要はなく、したがって遮光板2も厳密な意味で垂直な姿勢である必要はない。
受光器4の受光面41が遮光板2に対して斜めの姿勢となった場合でも、受光面41のうちスリット軸Axに交差する点において回折光は強く干渉して照射され、回折光干渉光芒を生じる。この場合、真直度測定において対象物の表面の凹凸により受光器4が移動した状態が、図11に示されている。
具体的な数値の一例を示すと、光透過スリット20の幅wは、光透過スリット20の直径(幅中央で見た径)の1/1000~1/10程度としておくと、SN比が十分に確保された測定が行える。
10 基準光発生器
2 遮光板
20 光透過スリット
21 基板
22 遮光膜
24 拡散面
4 受光器
41 受光面
5 演算処理部
6 変位機構
7 集光レンズ
8 ミラー
80 検出ユニット
9 対象物
90 直線移動機構
91 ステージ
Claims (12)
- 一個の光源と、
一個の光源からの光の照射を受ける位置に配置された遮光板と
を備えており、
遮光板は、円環状の光透過スリットを有しており、
一個の光源は、光透過スリットの円環の中心を通り遮光板に垂直なスリット軸上に配置されているとともに、遮光板に照射される光芒が光透過スリットの全域を含む姿勢で配置されていることを特徴とする真直度測定用基準光発生器。 - 円環状の光透過スリットを有した遮光板に対し、光透過スリットの円環の中心を通り遮光板に垂直なスリット軸上に一個の光源を配置し、当該光源からの光を光透過スリットの全域を含んで遮光板に照射する照射ステップを含む真直度測定用基準提供方法であって、
照射ステップを行いながら、遮光板の出射側の第一の観察面において、光透過スリットを出射した回折光の干渉により照度がピークとなる位置を特定する第一の観察ステップと、
照射ステップを行いながら、第一の観察面に対して平行で遮光板との距離が第一の観察面とは異なる第二の観察面において、光透過スリットを出射した回折光の干渉により照度がピークとなる位置を特定する第二の観察ステップと、
照射ステップを行いながら、第一第二の観察面に対して平行で遮光板との距離が第一第二の観察面とは異なる第三の観察面において、光透過スリットを出射した回折光の干渉により照度がピークとなる位置を特定する第三の観察ステップと
を含むことを特徴とする真直度測定用基準提供方法。 - 前記光源は、実質的に単一波長の光を発する光源であることを特徴とする請求項1記載の真直度測定用基準光発生器。
- 前記光源は、コヒーレント光源であることを特徴とする請求項1記載の真直度測定用基準光発生器。
- 前記光源は、レーザー光源であることを特徴とする請求項1記載の真直度測定用基準光発生器。
- 前記遮光板は、前記光透過スリット以外の部分では光を拡散させて遮光する板であることを特徴とする請求項1、3乃至5いずれかに記載の真直度測定用基準光発生器。
- 前記遮光板は、前記光源からの光の波長に対して透明な基板と、基板上に形成された遮光膜とより成るものであって、遮光膜が前記円環状の光透過スリットを有しており、
遮光膜は、基板の出射側の面に形成されていることを特徴とする請求項1、3乃至5いずれかに記載の真直度測定用基準光発生器。 - 前記遮光板において、前記遮光膜と前記基板との界面は拡散面になっていることを特徴とする請求項7記載の真直度測定用基準光発生器。
- 前記遮光板の入射側には、前記一個の光源からの光の発散角を小さくする光学素子が配置されていることを特徴とする請求項1、3乃至5いずれかに記載の真直度測定用基準光発生器。
- 前記光学素子は集光レンズであることを特徴とする請求項9記載の真直度測定用基準光発生器。
- 請求項1、3乃至5いずれかに記載の真直度測定用基準光発生器と、
真直度測定用基準光発生器の出射側に配置された受光器と、
真直度の測定のための演算処理を行う演算処理部と
を備えており、
受光器は、少なくとも一次元の方向において入射する光のエネルギー分布を出力することが可能なものであり、
演算処理部は、受光器からの出力において光のエネルギーがピークとなっている位置を特定する処理を行って真直度を測定するものであることを特徴とする真直度測定装置。 - 静止した状態の前記真直度測定用基準光発生器に対して、真直度を測定すべき長尺物の表面に沿って当該長尺物の長手方向に前記受光器を移動させて長手方向の位置を変更する変位機構を備えていることを特徴とする請求項11記載の真直度測定装置。
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