JP6980304B2 - 非接触内面形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は非接触内面形状測定装置に関する。

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。

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）。

特開２０１２−２５７３号公報

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。

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内面形状測定装置を提供することを目的としている。

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内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内面に合致させるフォーカス手段を備えた非接触内面形状測定装置であって、前記フォーカス手段はレーザープローブ機構全体をＸ方向に移動させるものであり、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、レーザー光が光軸に対して垂直な状態から最大角度Ａ３未満の範囲内で傾斜した非垂直の内面に対して照射され、最大角度Ａ３が、対物レンズの半開口角ａおよび集光角ｂとして、Ａ３ ＜（ａ／２）＋（ｂ／４）の範囲で設定されることを特徴とする。

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。

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。

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。

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。

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。

非接触形状測定装置を示す概略図。 レンズを収納したバレルを示す断面図。 バレルを示す断面図。 測定可能最大傾斜角度を示す説明図。 バレルの４段の内周真円度の測定結果を示すグラフ。

図１〜図５は、本発明の好適な実施形態を示す図である。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (3)

1. 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内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内面に合致させるフォーカス手段を備えた非接触内面形状測定装置であって、
   前記フォーカス手段はレーザープローブ機構全体をＸ方向に移動させるものであり、
   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、レーザー光が光軸に対して垂直な状態から最大角度Ａ３未満の範囲内で傾斜した非垂直の内面に対して照射され、
   最大角度Ａ３が、対物レンズの半開口角ａおよび集光角ｂとして、
   Ａ３ ＜（ａ／２）＋（ｂ／４）
   の範囲で設定されることを特徴とする非接触内面形状測定装置。
2. 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請求項１記載の非接触内面形状測定装置。
3. 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請求項１又は請求項２記載の非接触内面形状測定装置。

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