JPH04295708A - 非接触式形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は非接触式形状測定装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、機械加工の要求精度がますます上
がる一方で、集積度を上げるために、加工部品は微小化
、形状の複雑化の傾向がある。これらの複雑な加工部品
の寸法精度を測定する手段として、一般的には三次元測
定機が用いられている。この三次元測定機は、加工物の
ある点における三次元空間での座標位置を決定するため
に、タッチプローブ（接触式）を実際に測定物（加工物
）のある点に、ある力で押しあてて、その時得られる検
出信号によってその座標位置を決定している。

【０００３】さて、この接触式によるプローブでは、測
定物が金属のような、硬いものであれば変形したりする
こともないので、何ら問題にはならない。

【０００４】しかし、測定物が例えば、ゴムや軟かいプ
ラスチックなど、測定圧によって変形してしまうものや
、レンズ面、ミラー面、金型などのように傷つきやすい
ものの場合は、接触式では測定することが困難であった
。

【０００５】そこで、上述の例のような測定物を測定す
る手段として、光等で測定する、いわゆる非接触式のも
のが考えられた。これは、測定したい部分に、光のスポ
ットをあて、そこから得られる光の情報によって、その
座標位置を決めることができるものである。これを用い
ることで、接触式と異なり、測定物を変形させたり傷を
つけてしまうこともなく測定が可能である。

【０００６】この非接触式の三次元プローブの従来例を
図５に示す。

【０００７】図５の非接触式の三次元プローブ１０によ
り得られる画像を処理する。この三次元プローブ１０は
顕微鏡の対物レンズである。光の進む順に従って説明す
ると、光源５から出た光は、レンズ４を通って、プリズ
ム３によって折り曲げられ、対物レンズ２に入り、測定
物１の測定視野内を照明することになる。次に、測定物
１で反射した光は、再び対物レンズ２を通り、プリズム
３を通過してレンズ６によって画像テレビカメラ７上に
結像する。

【０００８】画像テレビカメラ７によって、モニタ８で
測定点Ｐの観察が可能になる。また、画像テレビカメラ
７からのビデオ信号は、画像処理装置９により処理され
る。

【０００９】この画像処理装置９によって、得られた測
定点Ｐの像の位置を検出する。

【００１０】例えば、像のコントラストが最大になるよ
うに測定物１とこの光学系との距離ＷＤを定めてやれば
ピントが合い、この光学系の光軸方向での測定物１まで
の距離がわかることになる。この測定物１を例えば、Ｘ
Ｙテーブル上に載せておけばある点からの測定点の位置
が、上記のような方法で、空間的な座標位置として決定
することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし非接触式の対物
レンズ形の三次元プローブ１０を用いる場合、光学素子
としての対物レンズの高開口数（ＮＡ）化、長い作動距
離の確保、および収差の低減を図る必要上、レンズの数
が増し鏡筒部分が複雑になったり、特に物理的に大きく
なってしまう。

【００１２】たとえば三次元プローブ１０は径が２０数
ｍｍ、長さが３０数ｍｍ程度のかなり大きいものである
。したがって狭い領域での測定、たとえば細い溝の内面
の位置検出が難しい。

【００１３】この発明はこの課題を解決するもので、小
形、軽量でかつ簡単な構成であっても三次元的に非接触
で測定物を測定できる非接触式形状測定装置を提供する
ことを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】図１を参照する。

【００１５】対物光学系であるフレネルゾーンプレート
１２は、測定物１１に光を照射する光源２０からの光３
０を、第１の光路４０に沿って測定物１１に照射する。

【００１６】光路偏向手段であるプリズム１６は、測定
物１１からの反射光を第１の光路４０から第２の光路５
０に偏向する。第２の光路側には検出器２４、２７が配
置されている。

【００１７】対物光学系であるたとえばフレネルゾーン
プレート１２は、同心円状に鋸歯状の溝を設けた平板型
光学部材であり、光を測定物１１に集光する。

【００１８】検出器２４、２７により受光された光出力
に応じて測定物１１の形状を測定する。

【００１９】分波器としてのプリズム２１は、第２の光
路５０に配置され、反射光を分波する。第２の光路５０
には検出器２７が配置され、分波された第３の光路７０
上には検出器２４を有する。

【００２０】第２の光路５０には光束絞り２６ａが配置
されている。第３の光路７０には光束絞り２３ａが配置
されている。

【００２１】光束絞り２６ａには、フレネルゾーンプレ
ート１２の焦点位置（測定点Ａ）とほぼ共役な共役点Ａ
１から検出器２７側に所定距離離して配置されている。 光束絞り２３ａは、フルネルゾーンプレート１２の焦点
位置（測定点Ａ）とほぼ共役な共役点Ａ２からプリズム
２１側に前記所定距離と同じ距離離して配置されている
。

【００２２】図４のように、平板型光学部材からの光の
出射側に、光路偏向手段である好ましいプリズム６０を
設けて、測定物５１の垂直方向の形状を測定するように
なっている。

【００２３】

【実施例】図１は共焦点方式の非接触式形状測定装置を
示している。

【００２４】光源２０、レンズ１９，１７、光束絞り１
８ａのピンホール１８、レンズ１７、プリズム１６、レ
ンズ１５，１３、ミラー１４、レンズ１３および対物光
学系としてのフレネルゾーンプレート１２は、光源２０
の光を測定物１１に対して与える第１の光路４０を構成
している。

【００２５】プリズム１６、プリズム２１、レンズ２５
，光束絞り２６ａのピンホール２６、受光器２７は、測
定物１１の測定点Ａの位置検出用の第２の光路５０を構
成している。レンズ２２、光束絞り２３のピンホール２
３、受光器２４は第３の光路７０を構成している。

【００２６】光源２０はたとえばＨｅ−Ｎｅレーザであ
る。この光源２０のビームは、レンズ１９、ピンホール
１８、レンズ１７を通って所定の平行光束３０になる。 平行光束３０はプリズム１６、レンズ１５、ミラー１４
そしてレンズ１３を通って、フレネルゾーンプレート１
２に入る。

【００２７】フレネルゾーンプレート１２に入った平行
光束は、測定物１１のピント位置である測定点Ａ上に集
光する。このときの、スポット径ρ０は、ρ０＝１．２
２λＦ （λ：使用波長、Ｆ：フルネルゾーンプレートのＦナン
バ） で表わされる。このρ０がいわゆる横分解能になる。

【００２８】この測定物１１で、反射した光は、再びフ
ルネルゾーンプレート１２を通って、プリズム１６に至
る。このプリズム１６で、反射光の光束は折り曲げられ
、そしてプリズム２１によって、２つの光束、つまり光
束３１と３２に分けられる。一方の光束３１は、第２の
光路５０のレンズ２５を通って、共役点Ａ１点で集光す
る。

【００２９】また、他の光束３２は、第３の光路７０の
レンズ２２とピンホール２３を通って、共役点Ａ２点で
集光する。これらの共役点Ａ１，Ａ２点は、フルネルゾ
ーンプレート１２の測定点Ａと光学的にほぼ共役になっ
ている。

【００３０】ここで共役点Ａ１とピンホール２６の間隔
は＋ΔＺ、共役点Ａ２とピンホール２３の間隔は−ΔＺ
となっている。つまり同じ距離である。ピンホール２６
，２３の口径は同じである。

【００３１】ピンホール２６を通った光だけを検出器２
７が受ける。ピンホール２３を通った光だけを検出器２
４が受ける。検出器２７，２４の検出出力をＩＡ，ＩＢ
とすると、ＩＡとＩＢの差の絶対値Ｉを計算する。もし
、測定物１１の測定点Ａが正確にフレネルゾーンプレー
ト１２のピント面上にあれば、Ｉ＝０となるはずである
。

【００３２】ここで、測定物１１が光軸方向にずれる、
つまり、デフォーカスすると、得られる出力ＩＡ，ＩＢ
は等しくなくなり、Ｉ≠０となる。

【００３３】そこで、常にＩ＝０となるように光学系全
体もしくは、測定物１１をピント面上にもってくるよう
にすれば、光軸方向の位置が定められることになる。

【００３４】従来ではすでに述べたように比較的大型の
顕微鏡用の対物レンズを三次元プローブとして用いてい
るので、おのずと測定物の形状、大きさには制限が生ず
ることになる。つまり対物レンズより小さな場所に、対
物レンズを持っていかなければならないような測定はで
きない。しかし本発明では、フレネルゾーンプレート１
２が１枚のみで対物レンズの役目を果たしている。

【００３５】次にフレネルゾーンプレート１２について
述べる。

【００３６】図２にその原理図を示している。光軸０１
−０２に垂直な面にフレネルゾーンプレート１２が設け
られている。図２ではフレネルゾーンプレート１２の半
分が例示されている。フレネルゾーンプレート１２の構
造には同心円状に規則的な回折格子が出来ている。回折
格子による光の回折は、次式のようになる。

【００３７】ｓｉｎθｎ＝±ｎλ／Ｐｎ………（１）つ
まり、使用波長λとするとき、ｎ（回折次数（整数値）
）の回折角θｎは、回折格子のピッチＰｎによって、（
１）式のような関係になる。この（１）式によれば、今
波長λを一定とするとき、回折する角度θｎはピッチＰ
ｎが小さいほど大きくなることがわかる。

【００３８】そこで、この回折格子で回折した光、例え
ば１次光が、どの半径ｒｎ位置でも同じ点Ｆに集まるよ
うにしてやれば、この回折格子は凸レンズと同じような
働きをすることになる。

【００３９】具体的には、光軸０１−０２から半径方向
に離れれば離れるほど、つまり、ｒｎが大きくなるほど
、ピッチＰｎを小さくしてやることになる。これらの関
係を式で表わすと、 ｒｎ＝（（２ｎλｆ＋（ｎλ）２）１／２……（２）（
ｎ：整数） のようになる。

【００４０】集めたい光の位置Ｆ、つまり焦点距離ｆを
決めたとき、あるｒｎの長さが決まる。

【００４１】従って、ピッチＰｎは、 Ｐｎ／２＝ｒｎ−ｒｎ−１　　…………………（３）で
与えられ、ｎ番目の同心円の格子は、ｒｎ−ｒｎ−１の
幅のリング状の円をつくってやればよいことになる。

【００４２】次に、図２で考えたフレネルゾーンプレー
ト１２は、１次回折光が焦点位置Ｆに集まるようにした
ので、他次数の光（０次、２次、３次…）はＦには集ま
らない。そこで、１次回折光以外の光も効率よくＦ点に
集めてやるために、図３に示すような工夫をする。すな
わちフレネルゾーンプレートのパターンの断面形状を歯
高ｄののこぎり歯状にする。この角度はプレーズ角と一
般に呼ばれている。このように、のこぎり歯状の溝をつ
けてやると、１次光以外の回折光も、Ｆ点に効率よく集
まることになる。この時の回折効率ηは次式で表わされ
る。

【００４３】η＝ｓｉｎｃ２π｛（ｎ−１）ｄ−λ｝こ
こで ｄ：溝の深さ ｎ：屈折率 ｄ＝λ／（ｎ−１）のとき、η＝１となることがわかり
、溝の深さｄを決めてやることができる。実際には６０
〜８０％くらいの回折効率が得られるようになる。

【００４４】このフレネルゾーンプレート１２を対物レ
ンズとして従来の顕微鏡用の対物レンズに代えて使用す
ると、以下に記すような利点がある。

【００４５】まず、光学的な諸値が簡単に決定すること
ができ、設計が楽である。

【００４６】例えば、レンズの径Ｄと、焦点距離ｆを決
めると、フレネルゾーンプレート１２は１枚の平板と考
えられるので、作動距離ＷＤと、開口数ＮＡが、一義的
に決まってしまう。つまり開口数ＮＡとレンズ径Ｄおよ
び焦点距離ｆの関係は、ＮＡ＝Ｄ／２ｆとなり、作動距
離ＷＤは焦点距離ｆにほぼ等しい。このような条件下で
、ｆの値より、（２）、（３）式によって回折格子のｒ
ｎとＰｎが簡単に求まってしまう。従って、普通の顕微
鏡の対物レンズを設計するよりも、はるかに自由度があ
ることになる。

【００４７】以上のような、フレネルゾーンプレートよ
り、実際の非接触式三次元光プローブ用の対物レンズを
考えてみる。

【００４８】条件は、Ｄ＝３ｍｍ，ｆ＝４ｍｍ，ＮＡ＝
０．３５，ＷＤは約４，Ｆ＝１．３，　　　　　　　　
　　λ＝０．８μｍ（８００ｎｍ），ｒ３５０＝１．５
２２６，ｒ３４９＝１．５２０３，ρ０＝１．３μｍ，
Ｐ３５０／２＝ｒ３５０−ｒ３４９＝２．３×１０−３
ｍｍ＝２．３ μｍ　　溝の深さｄは、ｄ＝λ／（ｎ−１）よりｄ＝０
．８／（１．４８−１）＝１．７μｍとなる。

【００４９】したがって３５０本の同心円で、最外周部
での幅は約２μｍ、溝の深さ約２μｍのパターンになる
。これは、現在の加工技術でも、十分対応できるもので
ある。従って、加工技術の限界がレンズ径Ｄをとｆを決
めてしまうものともいえる。

【００５０】このような条件下では、レンズ径Ｄ＝３ｍ
ｍ，ｆ＝４ｍｍ，ＮＡ＝０．３５の対物レンズ用フレネ
ルゾーンプレートが簡単に出来てしまう。これは従来の
顕微鏡用の対物レンズに比べて非常に小形である。

【００５１】ところで、図４に示すように、光軸を曲げ
た状態で測定物の細部を測定したいときなどの場合、例
えば折り曲げプリズム６０を使用しなければならない。 たとえば測定物５１の溝５２の垂直方向の測定点Ａを測
定する場合である。

【００５２】このようなプリズムは、一辺が３ｍｍ程度
までのものしか普通は製作が困難である。従って、作動
距離ＷＤは、４ｍｍ程度は必要である。フレネルゾーン
プレートを使用した場合は、前記のように、簡単に設計
製作が出来る。

【００５３】ごく普通の従来の顕微鏡の対物レンズの場
合は、このような一枚構成の小さな物は困難である。し
かしこの発明では、対物レンズ部、つまりプローブ先端
部が径３ｍｍ程度に納められるので、例えば径４ｍｍく
らいの深い穴の側面の部分等の測定や幅の狭い溝の幅な
ども三次元的に測定することが出来る。

【００５４】従来のように普通の顕微鏡の対物レンズを
使用した場合は、このような細部の測定はほとんど不可
能である。

【００５５】ところでこの発明は上述の実施例に限定さ
れない。フレネルゾーンプレートは一枚だけでなく、複
数枚重ねてもよい。また、レンズとの組み合わせでも、
もちろんよい。

【００５６】

【発明の効果】以上のように、請求項１と３の発明によ
れば、少くとも一枚の薄く小型の対物光学系に置き換え
ることが出来るので、従来に比して、極めて小型・軽量
かつ簡単な構成で、対物レンズの機能が果せることが出
来、位置検出を行う観測場所が極めて狭い領域、例えば
、深い小径の穴の側面などまで拡張されるという、効果
がある。

【００５７】請求項２の発明によれば、共役関係を用い
て測定ができる。

【００５８】請求項４の発明によれば、垂直方向の形状
、例えば、溝を形成する垂直面の形状を測定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の非接触式形状測定装置を示す図。

【図２】フレネルゾーンプレートの原理を示す図。

【図３】フレネルゾーンプレートを示す図。

【図４】この発明の非接触式形状測定装置の他の使用例
を示す図。

【図５】従来の非接触式形状測定装置を示す図。

【符号の説明】

１１　　　　測定物 １２　　　　フレネルゾーンプレート（対物光学系）６
　　　　　　プリズム（光路偏向手段）２１　　　　プ
リズム（分波器） １８　　　　ピンホール １８ａ　　光束絞り ２３　　　　ピンホール ２３ａ　　光束絞り ２６　　　　ピンホール ２６ａ　　光束絞り ２４　　　　検出器 ２７　　　　検出器 ４０　　　　第１の光路 ５０　　　　第２の光路 ７０　　　　第３の光路 ５１　　　　測定物 ５２　　　　溝 ６０　　　　プリズム Ａ　　　　　　測定点

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定物（１１）に光を照射するための
   光源（２０）と、その光源（２０）からの光を第１の光
   路（４０）に沿って測定物（１１）に照射するための対
   物光学系（１２）と、その測定物（１１）からの反射光
   を第１の光路（４０）から第２の光路（５０）に偏向す
   る光路偏向手段（１６）と、その光路偏向手段（１６）
   により偏向された測定物（１１）からの反射光を受ける
   ために第２の光路（５０）側に配置された検出手段（２
   ４、２７）を有する非接触式形状測定装置において、対
   物光学系（１２）を、同心円状に鋸歯状溝を設けた平板
   型光学部材として光を測定物（１１）に集光するように
   構成し、検出手段（２４、２７）により受光された光出
   力に応じて測定物（１１）の形状を測定することを特徴
   とする非接触式形状測定装置。
2. 【請求項２】　　上記第２の光路（５０）上に配置され
   て測定物（１１）からの反射光を分波するための分波器
   （２１）と、第２の光路（５０）上に配置された第１の
   検出手段（２７）と、分波器（２１）により分波された
   第３の光路（７０）上に配置された第２の検出手段（２
   ４）と、上記第２の光路（５０）上及び第３の光路（７
   ０）上で上記対物光学系（１２）の焦点位置とほぼ共役
   な位置（Ａ１、Ａ２）からそれぞれ検出手段側および分
   波器側に同一距離だけ離した位置に配置した第１の光束
   絞り（２６ａ）及び第２の光束絞り（２３ａ）とを有す
   ることを特徴とする請求項１に記載の非接触式形状測定
   装置。
3. 【請求項３】　　上記平板型光学部材をフレネルゾーン
   プレートとしたことを特徴とする請求項１または請求項
   ２に記載の非接触式形状測定装置。
4. 【請求項４】　　上記平板型光学部材からの光の出射側
   に光路偏向手段（６０）を設け、測定物（５１）の垂直
   方向の形状を測定することを特徴とする請求項１〜３の
   いずれか１つに記載の非接触式形状測定装置。