JP2004053255A

JP2004053255A - 平面度の測定法並びにその装置

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Publication number: JP2004053255A
Application number: JP2002206657A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Koo; 小尾　猛
Original assignee: Kyoritsu Electric Corp
Current assignee: Kyoritsu Electric Corp
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-16
Also published as: JP3955242B2

Abstract

【課　　題】平面度測定の現状での問題点を解消することできる平面度の測定方法とこの方法を用いた測定装置を提供すること。
【解決手段】対象面Ｏｊ上の複数の点に対して基準点からチャートパターン像２を出射して前記対象面に設定した複数の測定点において結像させると共に、各点からの反射像をそれぞれ前記基準点の共役点において個々に光−電気的に検出し、その検出値に基づいて前記対象面Ｏｊの平面度を測定すること。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高精度の平面度が要求される電子部品や精密機械部品などの対象物の平面度を、合理的かつ高精度に測定することを可能にする測定方法並びにこの方法を用いた装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
いわゆるデジタルカメラの撮像素子面や精密平面鏡、或は、高精度な平面を有する精密機械部品などは、それらの平面（以下、対象面という）が高い精度の平面（歪みがない平面）に形成されていることが必要であるが、その対象面がどの程度の歪みのない平面に形成されているかは、形成された対象面の平面度を、例えば光学的手法を用いて測定している。
【０００３】
従来技術における平面度の測定方法の一例は、対象面上の複数の点に対して基準点からチャートパターン像を出射して対象面に結像させ、その反射像を前記基準点又は該点と共役な点において光−電気的に検出することにより、各点における検出値同士の差、或は、各検出値と予め設定した基準値の差を求め、この値に基づいて対象面の平面度の程度、つまり、対象面にどの程度の歪みなどがあるか、或は、前記検出値の差が許容範囲にあるか否かなどを判断している。
【０００４】
しかし、上記のような測定形態であると、対象面の複数点に対して、各点ごとに基準点からチャートパターンを出射して対象面に結像させ、その反射像を基準点又はその点と共役な点において光−電気的に検出するという操作を行うことは、著しく手間がかかる上に、高精度の検出値も得にくいという難点がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記のような平面度測定の現状での問題点を解消することできる平面度の測定方法とこの方法を用いた測定装置を提供することを課題とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明測定法の構成は、対象面上の複数の点に対して基準点からチャートパターン像を出射して前記対象面に設定した複数の測定点において結像させると共に、各点からの反射像をそれぞれ前記基準点の共役点において個々に光−電気的に検出し、その検出値に基づいて前記対象面の平面度を測定することを特徴とするものである。
【０００７】
また、上記の測定方法を用いた本発明測定装置の構成は、コリメータレンズと、該レンズの焦点に置いた半導体レーザー光又はチャートパターンと該パターンの背後に配した光源と、前記コリメータレンズの平行光出射側に配設すると共に前後動可能に設けた複数の同じ対物レンズと、該対物レンズの焦点に配置した測定対象面のセット部と、該対象面から反射される複数の反射像の光路を前記コリメータレンズを通った焦点側において複数方向に偏向させ、かつ、その偏向光路上における前記コリメータレンズの共役点に配置した前記反射像と同数の光−電気検出器とから成ることを特徴とするものである。
【０００８】
上記の本発明測定法においては、対象面に結像させる複数のチャートパターンは、１個又は複数の半導体レーザー光を用いて形成したが、本発明では、前記パターンを１個の光源と１個のチャートパターン、又は、複数の光源と複数のチャートパターンから形成させるようにしてもよい。この点は、本発明測定装置におけるチャートパターンの形成においても、同様に適用できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明測定方法の実施の形態例を、本発明測定装置の光学的構成例を模式的に示した図１，図２を参照しつつ説明する。
【００１０】
図１，図２において、１はコリメータレンズ、２，３は、該レンズ１の焦点に配置したチャートパターンと該パターン２の背後に配される光源３として機能する半導体レーザー素子であり、図の例では、半導体レーザー素子２，３から出射されるレーザー光がパターン像２として前記コリメータレンズ１に入射し、平行な光軸に変換されて後述する５個の対物レンズ４_１〜４_５に向けて出射される。
【００１１】
４_１〜４_５は前記コリメータレンズ１の出射光軸側に配した５個の同一焦点の対物レンズで、５は前記対物レンズ４_１〜４_５の焦点位置であり、この焦点面に、平面度を測定すべき対象、例えばデジタルカメラにおけるＣＣＤの受光面が測定対象面Ｏｊとして配置される対象面Ｏｊのセット部が形成され、各対物レンズ４_１〜４_５の焦点が対象面Ｏｊの測定点となる。なお、対象面Ｏｊにおけるこの測定点の位置は、図示した例に限られるものではなく、任意に設定、或は、変更することができる。
【００１２】
前記対物レンズ４_１〜４_５は、レンズ架台６に設けられ、この架台６がエンコーダ等の測長手段を具備した精密移動台７に搭載されていることにより、コリメータレンズ１の平行光軸と平行に前後移動可能に設けられている。因みに、この移動台７の移動単位は、０．１μｍ〜１μｍ程度である。ここで、対象面Ｏｊの測定点を変更したい場合には、対物レンズ４_１〜４_５の位置を変更した別のレンズ架台６を上記レンズ架台６に代えて用いたり、或は、レンズ架台６の上で、各対物レンズ４_１〜４_５の位置を変更可能に設けておき、所望の位置に各対物レンズを移動させるようにする。なお、いずれの場合においても、各対物レンズ４_１〜４_５の位置はコリメータレンズ１の口径内である。
【００１３】
８は、前記コリメータレンズにおける焦点のある側の発散光軸上に配置したビームスプリッタで、前記対物レンズ４_１〜４_５の夫々を通って反射して来る対象面Ｏｊに結像した前記パターン像２の５個の反射像の光軸を９０度偏向させるためのものである。
【００１４】
９_１，９_２、並びに、９_４，９_５は、前記スプリッタ８により偏向させられた５個の反射像のうち、対象面Ｏｊの中心での反射像を除く４個の反射像の光軸を、コリメータレンズ１の光軸とほぼ同じ向きであるが、各光軸をさらに斜め上下方向に割り振って偏向させると共に、前記中心反射像の光軸をパスさせるように、中心にパス穴９_３を形成した反射光軸を独した方向に向けた４枚のミラーである。
【００１５】
１０_１〜１０_５は、前記４枚のミラー９_１，９_２、９_４，９_５の各反射光軸上、並びに、パス穴９_３の背後であって、前記コリメータレンズ１の焦点との共役点に配設した５個の光−電気変換素子（以下、光−電センサという）であり、以上に述べたコリメータレンズ１から光−電センサ１０_１〜１０_５までの構成により、本発明測定装置の光学的構成の一例を形成する。
【００１６】
いま、平面度を測定すべき対象面Ｏｊが理想的平面であると仮定すると、対物レンズ４_１〜４_５の焦点位置５、即ち、対象面Ｏｊに結像する５個のパターン像２の反射像を受光する各光−電センサ１０_１〜１０_５の出力値は、同一のピーク値を示す。しかし、前記対象面Ｏｊの面に歪みがある、即ち、対象面Ｏｊに各対物レンズ４_１〜４_５の焦点位置５から凹状或は凸状などにずれた部分（面）があると、このずれた部分（面）に結像するパターン像２の結像はいわゆる「ピンボケ」状態であるから、その反射像を受光するいずれかの光−電センサ１０_１〜１０_５の出力は、ピントが合った像を受光した光−電センサの出力よりも小さくなる。そこで、本発明では、各測定点に対応する光−電センサ１０_１〜１０_５の出力がピーク値になるように、移動台７を微細に前後動させて、各光−電センサ１０_１〜１０_５の出力がピーク値を示すときの移動台７の位置を検出する。
【００１７】
本発明測定方法は、上記の各光−電センサ１０_１〜１０_５に得られる対象面Ｏｊ上の５点におけるパターン像２の各反射像による出力値を、予め設定されている基準値と比較演算処理したり、或は、各出力値同士を比較演算してその演算値が許容値内にあるか否かを判別することなどにより処理し、前記対象面Ｏｊが所定の平面度にあるか否かを判別するのである。この結果、本発明では、１つの対象面Ｏｊに対してパターン像２の像を同時に複数個結像させる一回の測定操作によって、その面Ｏｊの平面度の良否を判別することが可能になるのである。
【００１８】
上記の本発明測定方法は、図３，図４に例示した本発明測定装置によっても実施可能であるから、次にこの点について図３，図４を参照して説明する。なお、図３，図４において、図１，図２と同一部材，同一部位は同一符号で示している。
【００１９】
図３，図４に示した本発明装置では、対象面Ｏｊにおける５箇所の測定点（面）（対象面Ｏｊの中心と四隅部）に対応して、５個のチャートパターンと夫々の光源として機能する半導体レーザー素子３_１〜３_５を、コリメータレンズ１の焦点側に、互に光学的，機械的に干渉しないように配設している。
【００２０】
このため、図３，図４の装置では、個々のレーザー光によるパターン像２_１〜２_５の各出射光軸上に、出射像と反射像の光路を偏向するためのビームスプリッタ８_１〜８_５を設けると共に、４個のパターン像２_１，２_２、並びに、２_４，２_５の光軸上には、その像をコリメータレンズ１の光軸側に偏向するため４枚の偏向ミラー９_１，９_４並びに９_２，９_５が配置されている。
【００２１】
１０_１〜１０_５は、反射光軸上において前記スプリッタ８_１〜８_５を経た後のコリメータレンズ１の共役点に配置した光−電センサで、対象面Ｏｊ上の５点に結像した夫々のパターン像２_１〜２_５の反射像のコントラストを光−電気的に検出する。この検出値は、先の実施例の場合と同様に処理して、対象面Ｏｊの平面度の測定を行う。
【００２２】
以上に説明した本発明測定装置においては、コリメータレンズ１は、１枚のレンズを用い５個のパターン像を対物レンズ５_１〜５_５に平行光の像として出射し、また、対象面Ｏｊからの反射像をビームスプリッタ８、或は、８_１〜８_５に送っていたが、この一枚のコリメータレンズ１は、図示しないが、５個のチャートパターン像に１個の像ごとに対応した５枚のコリメータレンズに代替することができる。
【００２３】
次に、本発明測定装置におけるデータの取扱い，処理の態様例について、図５のブロック図により説明する。５個の対物レンズ４_１〜４_５を載せて微細な単位で前後動可能な移動台７は、その移動データが、移動台７が具備したエンコーダ７ａから距離のパルス信号でカウンタ７ｂに検出される。
【００２４】
一方、各光−電センサ１０_１〜１０_５に関しては、５個の対物レンズ４_１〜４_５の焦点位置５に理想平面（対象面Ｏｊ）を置いたとき、その面の５箇所に結像するチャートパターン像２の反射像のコントラストを各センサ１０_１〜１０_５が受光したときに示されるピーク検出値を各測定点における基準値として、演算処理部１１に格納しておく。また、対象面Ｏｊが焦点位置５から前方（十側）、又は、後方（一側）に移動台７を微細に移動させたときの距離データも演算処理部１１に供給されるように設定しておく。
【００２５】
そして、実際の測定対象面Ｏｊを対物レンズ４_１〜４_５の焦点位置５に設定されたセット部にセットし、その対象面Ｏｊの５箇所に対してチャートパターン像２を結像させ、その反射像のコントラストを各光−電センサ１０_１〜１０_５により検出させ、各センサ１０_１〜１０_５に得られる出力値を、演算処理部１１に格納されている各センサ１０_１〜１０_５ごとの前記基準値（ピーク値）と比較し、差が生じた各光−電センサ１０_１〜１０_５については、その出力がピーク値（基準値）になるように移動台７を微細に移動させて、その移動した距離を演算処理部１１において測定点ごとに求める。
【００２６】
このようにして、対象面Ｏｊの各測定点における結像による光−電センサ１０_１〜１０_５の出力値と、移動台７を移動させて得られるピーク値とによって、上記対象面Ｏｊの各測定点（面）が、焦点位置５（基準値）に対してどの程度の大きさ（距離）十側又は一側にあるかを検出することができるので、対象面Ｏｊが所定の平面に形成されているか否かを測定，判別することができることになる。図５において、１２ａは移動台７の移動駆動源（モータＭ）に対する指令値のＤ／Ａ変換器、１２ｂはアンプである。また、１３ａは各光−電センサ１０_１〜１０_５の検出値を増巾するアンプ、１３ｂはＡ／Ｄ変換器である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明は以上の通りであって、対象面上の複数の点に対して基準点からチャートパターン像を出射し、コリメータレンズと対物レンズを通して前記対象面に設定した複数の測定点において結像させると共に、各点からの反射像をそれぞれ前記基準点の共役点において個々に光−電気的に検出し、その検出値に基づいて前記対象面の平面度を測定するようにしたので、一回の測定操作で対象面の複数点を同時に測定することができ、従って、対象面の平面度の測定を著しく合理化，省力化することができる。
【００２８】
また、本発明では一回の測定操作で対象面の複数点についてその平面度の度合いを見るから、機械系の動作を繰返すことによる測定誤差が生じ難いのみならず、そのような誤差の累積もないから、測定精度を上げるうえでも有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の光学的構成の第一例を示した模式図
【図２】図１の装置の要部の右側面図
【図３】本発明装置の光学的構成の第二例を示した模式図
【図４】図３の装置の要部の右側面図
【図５】本発明装置における信号処理系の一例のブロック図
【符号の説明】
１　　　　　コリメータレンズ
２　　　　　チャートパターン
３　　　　　光源
４_１〜４_５　　　対物レンズ
５　　　　　焦点位置
６　　　　　対物レンズ架台
７　　　　　移動台
８　　　　　ビームスプリッタ
９_１〜９_５　　　偏向ミラー
１０_１〜１０_５　　光−電センサ

Claims

対象面上の複数の点に対して基準点からチャートパターン像を出射して前記対象面に設定した複数の測定点において結像させると共に、各点からの反射像をそれぞれ前記基準点の共役点において個々に光−電気的に検出し、その検出値に基づいて前記対象面の平面度を測定することを特徴とする平面度の測定方法。
チャートパターン像は、単数又は複数の半導体レーザー光によって形成する請求項１の平面度の測定方法。
コリメータレンズと、該レンズの焦点に置いた半導体レーザー光又はチャートパターンと該パターンの背後に配した光源と、前記コリメータレンズの平行光出射側に配設すると共に前後動可能に設けた複数の同じ対物レンズと、該対物レンズの焦点に配置した測定対象面のセット部と、該対象面から反射される複数の反射像の光路を前記コリメータレンズを通った焦点側において複数方向に偏向させ、かつ、その偏向光路上における前記コリメータレンズの共役点に配置した前記反射像と同数の光−電気検出器とから成ることを特徴とする平面度の測定装置。
チャートパターンは、単数の半導体レーザー光、又は、対象面の複数の測定点と同数の半導体レーザー光により形成するようにした請求項３の平面度の測定装置。
コリメータレンズは、複数個のチャートパターンと同数のレンズを用いた請求項４の平面度の測定装置。