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JP6567410B2 - Non-contact concave shape measuring device - Google Patents
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JP6567410B2 - Non-contact concave shape measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、幅の狭い孔部や溝部等の凹部の底面や側面を測定することができる非接触凹部形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a non-contact concave shape measuring apparatus capable of measuring the bottom and side surfaces of concave portions such as narrow holes and grooves.

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ナノレベルの分解能で計測できることが知られている。測定対象である測定ワークの表面に対し、レーザー光によるオートフォーカスをかけながら、測定ワークを相対的に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。   It is known that a laser probe type non-contact shape measuring apparatus using laser autofocus can measure the shape and roughness of precision parts with nano-level resolution. While applying autofocus with laser light to the surface of the workpiece being measured, the workpiece is scanned in the X and Y directions, and the surface shape of the workpiece is measured from the amount of movement of the objective lens of the autofocus optical system. It is a structure for acquiring data.

最近では幅の狭い孔部や溝部に挿入してその内面を測定するために、対物レンズの先にリレーレンズを設けて光学系を延長し、対物レンズではなくリレーレンズを移動させてその移動量から凹部の内面を測定する技術も提案されている(例えば、特許文献1参照)。   Recently, in order to measure the inner surface by inserting into a narrow hole or groove, a relay lens is provided at the tip of the objective lens to extend the optical system, and the relay lens is moved instead of the objective lens. A technique for measuring the inner surface of the recess is also proposed (see, for example, Patent Document 1).

特開2002−39724号公報JP 2002-39724 A

しかしながら、このような関連技術にあっては、対物レンズとリレーレンズとの位置関係が相対的に変化するため、両者の光学関係を正確に維持するための構造が複雑になる。更に幅の狭い凹部に挿入するためにリレーレンズを細くすると更に対物レンズとリレーレンズとの光学的位置関係を正確に保つのが困難になり精密な測定精度を維持するのが困難になる。   However, in such a related technique, the positional relationship between the objective lens and the relay lens changes relatively, so that the structure for accurately maintaining the optical relationship between the two is complicated. Further, if the relay lens is narrowed to be inserted into the narrow concave portion, it becomes difficult to maintain the optical positional relationship between the objective lens and the relay lens accurately, and it becomes difficult to maintain precise measurement accuracy.

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、リレーレンズで光学系を延長しても測定精度を高く維持することができる非接触凹部形状測定装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made by paying attention to such related technology, and an object of the present invention is to provide a non-contact concave shape measuring apparatus capable of maintaining high measurement accuracy even when an optical system is extended by a relay lens. It is said.

本発明の第1の技術的側面によれば、測定ワークの凹部の底面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備えた固定式の光学ユニットと、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、該プローブユニットの鏡筒が凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号によりレーザー光の焦点を凹部の底面に合致せしめるべくプローブユニット全体を前記光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、を備えたことを特徴とする。   According to the first technical aspect of the present invention, there is provided a non-contact concave shape measuring apparatus that measures the bottom surface of a concave portion of a measurement workpiece, and irradiates a laser beam parallel to an optical axis that matches the depth direction of the concave portion. A fixed optical unit having a laser beam irradiation unit and a light position detection unit that receives a returning laser beam parallel to the optical axis at the time of focusing through an imaging lens; an objective lens; and an objective lens A probe unit in which a lens barrel having a small diameter and provided with a plurality of relay lenses is integrated with a frame so that each lens tube is in a state of being projected along the optical axis, and the lens barrel of the probe unit A focus adjustment unit that moves the entire probe unit in the direction of the optical axis so that the focal point of the laser beam is made to coincide with the bottom surface of the recess by a position signal from the optical position detecting means in a state where is inserted in the recess Characterized by comprising a.

本発明の第2の技術的側面によれば、測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備えた固定式の光学ユニットと、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、該プローブユニットの鏡筒が凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、前記プローブユニットと分離された状態で凹部内に配置されプローブユニットの光軸を直角方向に折り曲げる別置き反射手段と、を備えたことを特徴とする。   According to a second technical aspect of the present invention, there is provided a non-contact concave shape measuring apparatus for measuring a side surface of a concave portion of a measurement workpiece, which irradiates a laser beam parallel to an optical axis that matches the depth direction of the concave portion. A fixed optical unit having a laser beam irradiation unit and a light position detection unit that receives a returning laser beam parallel to the optical axis at the time of focusing through an imaging lens; an objective lens; and an objective lens A probe unit in which a lens barrel having a small diameter and provided with a plurality of relay lenses is integrated with a frame so that each lens tube is in a state of being projected along the optical axis, and the lens barrel of the probe unit In the state in which the probe unit is inserted into the recess, the entire probe unit is moved in the optical axis direction so that the focal point of the laser beam reflected by the reflection unit by the position signal from the optical position detection unit matches the side surface of the recess. And adjustment unit, characterized in that and a separately installed reflecting means for bending the optical axis of the arranged probe unit into the recess in the perpendicular direction while being separated from the probe unit.

本発明の第3の技術的側面によれば、測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、凹部の深さ方向に直交した第1光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に第1光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備えた固定式の光学ユニットと、第1光軸を凹部の深さ方向に合致した第2光軸に折り曲げる光軸反射手段と、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備え且つ先端に対物レンズの第2光軸を第1光軸方向へ折り曲げる先端反射手段を有する鏡筒とを、それぞれ第2光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、該プローブユニットの鏡筒が凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により先端反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を第1光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、を備えたことを特徴とする。   According to a third technical aspect of the present invention, there is provided a non-contact concave shape measuring apparatus for measuring a side surface of a concave portion of a measurement work, wherein laser light parallel to a first optical axis perpendicular to the depth direction of the concave portion is obtained. A fixed optical unit comprising: a laser beam irradiating unit for irradiating; and a light position detecting unit for receiving a returning laser beam that is parallel to the first optical axis during focusing through an imaging lens; and a first optical axis Is provided with an optical axis reflecting means for bending the optical axis to a second optical axis that matches the depth direction of the recess, an objective lens, a plurality of relay lenses having a smaller diameter than the objective lens, and a second optical axis of the objective lens at the tip. A probe unit in which a lens barrel having tip reflecting means that bends in the direction of one optical axis is integrated with a frame so that the lens barrel is projected along the second optical axis; The lens barrel inserted into the recess And a focus adjustment unit that moves the entire probe unit in the first optical axis direction so that the focal point of the laser beam reflected by the tip reflecting means by the position signal from the light position detecting means matches the side surface of the recess. It is characterized by that.

本発明の第1の技術的側面によれば、対物レンズとリレーレンズとをフレームにより一体化し、両者の位置関係が固定されているため、リレーレンズを収納する鏡筒の径を小さくしたとしても、対物レンズとリレーレンズの光学的位置関係を正確に保つことができる。従って小さい幅の凹部でもその底面を精度良く測定することができる。   According to the first technical aspect of the present invention, since the objective lens and the relay lens are integrated by the frame and the positional relationship between them is fixed, even if the diameter of the lens barrel that houses the relay lens is reduced. The optical positional relationship between the objective lens and the relay lens can be accurately maintained. Accordingly, the bottom surface can be accurately measured even with a small-width recess.

本発明の第2の技術的側面によれば、反射手段がプローブユニットとは分離された状態で別置きされているため、プローブユニットの構造はそのままで、レーザー光を凹部の側面に照射して側面を測定することができる。この技術は貫通構造の凹部への適用に好適である。   According to the second technical aspect of the present invention, since the reflecting means is separated from the probe unit, the structure of the probe unit is left as it is, and the side surface of the recess is irradiated with the laser light. The side can be measured. This technique is suitable for application to a recess of a penetrating structure.

本発明の第3の技術的側面によれば、リレーレンズの先端に先端反射手段を有するため、凹部の側面を測定するために別物の反射手段を用意する必要がなく、鏡筒が挿入可能な凹部であれば凹部が非貫通構造であってもその側面を測定することができる。   According to the third technical aspect of the present invention, since the tip of the relay lens has the tip reflecting means, it is not necessary to prepare a separate reflecting means for measuring the side face of the recess, and the lens barrel can be inserted. If it is a recessed part, even if a recessed part is a non-penetrating structure, the side surface can be measured.

本発明の第1実施形態に係る非接触凹部形状測定装置を示す構造図。1 is a structural diagram showing a non-contact concave shape measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る非接触凹部形状測定装置の要部を示す構造図。The structure figure which shows the principal part of the non-contact recessed part shape measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る非接触凹部形状測定装置を示す構造図。The structure figure which shows the non-contact recessed part shape measuring apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention.

(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態を示す図である。図において、XYは水平面上で直交する二方向で、ZはXYに垂直な鉛直方向である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention. In the figure, XY is two directions orthogonal to each other on a horizontal plane, and Z is a vertical direction perpendicular to XY.

本実施形態における測定対象としての測定ワークはブロック1で、幅Dの狭い溝部(凹部)2がY方向に形成されている。このブロック1は図示せぬY軸ステージの上に載っており、Y方向へ移動することができる。   A measurement workpiece as a measurement target in the present embodiment is a block 1, and a groove (concave portion) 2 having a narrow width D is formed in the Y direction. The block 1 is placed on a Y-axis stage (not shown) and can move in the Y direction.

ブロック1の上に設置されているのが非接触凹部形状測定装置3で、図示せぬ架台によりセッティングのためにZ方向で移動することができる。   A non-contact concave shape measuring device 3 is installed on the block 1 and can be moved in the Z direction for setting by a gantry (not shown).

非接触凹部形状測定装置3は光学ユニット4と、プローブユニット5と、焦点調整ユニット6とから構成されている。   The non-contact concave shape measuring apparatus 3 includes an optical unit 4, a probe unit 5, and a focus adjustment unit 6.

光学ユニット4は非接触凹部形状測定装置3の内部において固定されており、プローブユニット5は焦点調整ユニット6によりZ方向で移動自在である。   The optical unit 4 is fixed inside the non-contact concave shape measuring apparatus 3, and the probe unit 5 is movable in the Z direction by the focus adjustment unit 6.

光学ユニット4の説明をする。光学ユニット4には溝部2の深さ方向に合致したZ方向での光軸Kが設定されている。光学ユニット4にはレーザー光照射手段7が設けられている。レーザー光照射手段7はレーザー光Lとして半導体レーザーを照射するもので、レーザー光Lは反射ミラー8により光軸Kと平行になるように反射される。この反射ミラー8も含めてレーザー光照射手段7である。   The optical unit 4 will be described. An optical axis K in the Z direction that matches the depth direction of the groove 2 is set in the optical unit 4. The optical unit 4 is provided with laser light irradiation means 7. The laser light irradiation means 7 irradiates a semiconductor laser as the laser light L, and the laser light L is reflected by the reflection mirror 8 so as to be parallel to the optical axis K. The laser beam irradiation means 7 includes the reflection mirror 8.

光軸Kと平行に照射されたレーザー光Lはプローブユニット5へ取り込まれた後に、後述する構造によりプローブユニット5から散乱光として戻ってくる。散乱光束は図においてその主軸で象徴して表現している。   After the laser beam L irradiated in parallel with the optical axis K is taken into the probe unit 5, it returns as scattered light from the probe unit 5 by the structure described later. The scattered light beam is symbolized and expressed by its main axis in the figure.

光学ユニット4の光軸K上には結像レンズ9と光位置検出手段10が設置されており、その戻りのレーザー光Lは結像レンズ9を経て集光し光位置検出手段10で受光される。光位置検出手段10は分割フォトセンサーで、中心部10sが結像レンズ9の結像点と一致しており、この中心部10sにレーザー光Lのスポット重心(光学的重心)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。この光位置検出手段10の釣り合いの信号は焦点調整ユニット6へ出力される。   An imaging lens 9 and an optical position detection means 10 are installed on the optical axis K of the optical unit 4, and the returned laser light L is condensed through the imaging lens 9 and received by the optical position detection means 10. The The optical position detection means 10 is a split photosensor, and the center portion 10s coincides with the image formation point of the imaging lens 9, and the spot centroid (optical centroid) of the laser light L coincides with the center portion 10s. The output of each photo sensor divided into two is balanced. The balance signal of the optical position detection means 10 is output to the focus adjustment unit 6.

次にプローブユニット5の説明をする。プローブユニット5自体はサーボ機構である焦点調整ユニット6により光軸Kに沿ってZ方向で移動することができる。   Next, the probe unit 5 will be described. The probe unit 5 itself can be moved in the Z direction along the optical axis K by the focus adjustment unit 6 which is a servo mechanism.

焦点調整ユニット6は断面コ字状のフレーム11に接続され、そのフレーム11の上部開口12に対物レンズ13が固定され、下部開口14に鏡筒15の上端が固定されている。鏡筒15はフレーム11から下方へ突出した状態で固定されているため、その周囲には何もない。フレーム11の幅は溝部2の幅Dより大きいが、鏡筒15の径dはそれより小さい。従って鏡筒15は溝部2内に進入することができる。   The focus adjustment unit 6 is connected to a frame 11 having a U-shaped cross section, an objective lens 13 is fixed to an upper opening 12 of the frame 11, and an upper end of a lens barrel 15 is fixed to a lower opening 14. Since the lens barrel 15 is fixed while protruding downward from the frame 11, there is nothing around it. The width of the frame 11 is larger than the width D of the groove 2, but the diameter d of the lens barrel 15 is smaller. Therefore, the lens barrel 15 can enter the groove 2.

鏡筒15には内部にリレーレンズ16、17が収納されている。対物レンズ13及びリレーレンズ16、17は両方とも光軸K上に位置している。リレーレンズ16、17により対物レンズ13の焦点距離を小さい鏡筒15の径dの範囲内で延長することができる。対物レンズ13と鏡筒15とはフレーム11により一体的化されているため、両者の位置関係は不変で最初に調整された光学的性能はそのまま維持される。   The lens barrel 15 accommodates relay lenses 16 and 17 therein. The objective lens 13 and the relay lenses 16 and 17 are both located on the optical axis K. The focal length of the objective lens 13 can be extended within the range of the diameter d of the small lens barrel 15 by the relay lenses 16 and 17. Since the objective lens 13 and the lens barrel 15 are integrated with each other by the frame 11, the positional relationship between the objective lens 13 and the lens barrel 15 is unchanged, and the optical performance adjusted first is maintained as it is.

次に、作用を説明する。まず非接触凹部形状測定装置3の全体を図示せぬ架台により下降させ、鏡筒15を溝部2内に挿入する。鏡筒15の先端が測定対象である溝部2の底面2aに近づいた位置まで挿入する。   Next, the operation will be described. First, the entire non-contact concave shape measuring apparatus 3 is lowered by a gantry (not shown), and the lens barrel 15 is inserted into the groove 2. Insert the lens barrel 15 until the tip approaches the bottom surface 2a of the groove 2 to be measured.

セットが終了したら、光学ユニット4のレーザー光照射手段7からレーザー光Lを照射する。照射されたレーザー光Lは反射ミラー8により下向きに反射され光軸Kと平行になる。   When the setting is completed, the laser light L is irradiated from the laser light irradiation means 7 of the optical unit 4. The irradiated laser beam L is reflected downward by the reflecting mirror 8 and becomes parallel to the optical axis K.

レーザー光Lは光学ユニット4から出て、プローブユニット5内に取り込まれ、そのまま対物レンズ13を通過する。対物レンズ13を通過したレーザー光Lは光軸Kと交差した後、上側のリレーレンズ16に導入される。上側のリレーレンズ16を通過したレーザー光Lは光軸Kと平行になり、鏡筒15内を通過した後に下側のリレーレンズ17から溝部2の底面2aに照射される。   The laser light L exits from the optical unit 4 and is taken into the probe unit 5 and passes through the objective lens 13 as it is. The laser light L that has passed through the objective lens 13 intersects the optical axis K and is then introduced into the upper relay lens 16. The laser light L that has passed through the upper relay lens 16 is parallel to the optical axis K, and after passing through the lens barrel 15, is irradiated from the lower relay lens 17 to the bottom surface 2 a of the groove 2.

溝部2の底面2aに照射されたレーザー光Lは底面2aで反射、散乱され、散乱光として再びリレーレンズ16、17を逆向きに通過して対物レンズ13に至る。対物レンズ13を通過したレーザー光Lはプローブユニット5から出て、光学ユニット4内に進入し、結像レンズ9を通過した後に光位置検出手段10で受光される。   The laser light L applied to the bottom surface 2a of the groove 2 is reflected and scattered by the bottom surface 2a, and again passes through the relay lenses 16 and 17 in the reverse direction as scattered light to reach the objective lens 13. The laser light L that has passed through the objective lens 13 exits from the probe unit 5, enters the optical unit 4, passes through the imaging lens 9, and is received by the optical position detection means 10.

光位置検出手段10により受光されたレーザー光Lの重心が光位置検出手段10の中心部10sに合致した場合は、底面2aにレーザー光Lの焦点の位置が一致しているため、プローブユニット5の位置はそのままである。   When the center of gravity of the laser light L received by the optical position detection means 10 matches the central portion 10s of the optical position detection means 10, the position of the focal point of the laser light L matches the bottom surface 2a. The position of is the same.

レーザー光Lが光位置検出手段10の中心部10sからずれている場合は、ずれた方のフォトセンサーからの出力が大きくなり、2つのフォトセンサーの出力バランスがくずれるため、それを是正するため、光位置検出手段10から焦点調整ユニット6に信号が出力され、レーザー光Lが中心部10sに合致するまで、プローブユニット5をZ方向で移動させる。レーザー光Lが光位置検出手段10の中心部10sに合致すると合焦状態となってプローブユニット5の移動が停止する。このフィードバック制御時のプローブユニット5の移動量から、底面2aのZ方向での高さ寸法(凹凸寸法)を測定することができる。合焦状態ではプローブユニット5から戻るレーザー光Lも光軸Kと平行になり、プローブユニット5が光学ユニット4に対してZ方向で移動しても問題ない。   When the laser beam L is deviated from the central portion 10s of the optical position detection means 10, the output from the photo sensor on the deviated side becomes large and the output balance of the two photo sensors is lost. The probe unit 5 is moved in the Z direction until a signal is output from the optical position detection means 10 to the focus adjustment unit 6 and the laser light L matches the central portion 10s. When the laser beam L coincides with the central portion 10s of the optical position detection means 10, the focused state is reached and the movement of the probe unit 5 is stopped. From the amount of movement of the probe unit 5 during this feedback control, the height dimension (unevenness dimension) of the bottom surface 2a in the Z direction can be measured. In the focused state, the laser light L returning from the probe unit 5 is also parallel to the optical axis K, and there is no problem even if the probe unit 5 moves in the Z direction with respect to the optical unit 4.

このように焦点調整ユニット6によりプローブユニット5を移動させながらレーザー光Lの焦点を溝部2の底面2aに合わせる動作がオートフォーカスであり、オートフォーカスをかけたまま、ブロック1をY方向へ平行移動させれば、レーザー光Lを底面2aに沿って走査することができ、底面2aのY方向における連続した二次元形状を得ることができる。   In this way, the focus adjustment unit 6 moves the probe unit 5 to adjust the focus of the laser beam L to the bottom surface 2a of the groove portion 2 is autofocus, and the block 1 is translated in the Y direction while autofocus is applied. By doing so, the laser beam L can be scanned along the bottom surface 2a, and a continuous two-dimensional shape in the Y direction of the bottom surface 2a can be obtained.

この実施形態によれば、対物レンズ13とリレーレンズ16、17とをフレーム11により一体化したため、鏡筒15の径dを小さくしたとしても、対物レンズ13とリレーレンズ16、17の光学的位置関係を正確に保つことができる。従って幅Dの狭い溝部2でもその底面2aを精度良く測定することができる。   According to this embodiment, since the objective lens 13 and the relay lenses 16 and 17 are integrated by the frame 11, even if the diameter d of the lens barrel 15 is reduced, the optical positions of the objective lens 13 and the relay lenses 16 and 17 are reduced. You can keep the relationship accurate. Accordingly, the bottom surface 2a of the groove portion 2 having a narrow width D can be accurately measured.

この実施形態では、凹部としてY方向へ延びる溝部2を例にしたが、孔部であっても鏡筒15の移動できる範囲でその底面2aの凹凸形状を測定することが可能である。また溝部は円弧状でも良く測定ワークを回転テーブルで回転させることにより、円弧状の溝部の底面を連続して測定することも可能である。   In this embodiment, the groove portion 2 extending in the Y direction is taken as an example of the concave portion, but the concave-convex shape of the bottom surface 2a can be measured within a range in which the lens barrel 15 can move even in the case of a hole portion. The groove portion may be arcuate, and the bottom surface of the arcuate groove portion can be continuously measured by rotating the measurement workpiece on the rotary table.

また光学ユニット4とプローブユニット5を同一の光軸Kにする例を示したが、光学ユニット4とプローブユニット5の間に反射手段を設けて、プローブユニット5に対する光学ユニット4の光軸を90度曲げても良い。レーザー光Lがプローブユニット5の光軸と平行にプローブユニット5内に進入すれば、光学ユニット4の光軸はどのように曲げても良い。   Further, although an example in which the optical unit 4 and the probe unit 5 are set to the same optical axis K has been shown, a reflecting means is provided between the optical unit 4 and the probe unit 5 so that the optical axis of the optical unit 4 with respect to the probe unit 5 is 90. It may be bent. If the laser beam L enters the probe unit 5 in parallel with the optical axis of the probe unit 5, the optical axis of the optical unit 4 may be bent in any way.

更に図示せぬY軸ステージによりブロック1をY方向へ移動させる例を示したが、ブロック1は固定しておき、非接触凹部形状測定装置3側を相対的に移動させても良い。   Furthermore, although the example which moves the block 1 to a Y direction with the Y-axis stage not shown was shown, the block 1 may be fixed and the non-contact recessed part shape measuring apparatus 3 side may be moved relatively.

(第2実施形態)
図2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、それらと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。
(Second Embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention. This embodiment includes the same components as those in the first embodiment. Therefore, components similar to those are denoted by common reference numerals and redundant description is omitted.

この実施形態では、溝部18が貫通構造で、その側面18bを測定するための構造を示している。溝部18内には鏡筒15の挿入方向とは逆側より反射手段19が挿入されプローブユニットから分離して独立に設置されている。この反射手段19は光軸Kに対して45度の角度を有する反射面を有し、リレーレンズ16、17の光軸Kを直角に折り曲げることができる。   In this embodiment, the groove part 18 is a penetration structure, and the structure for measuring the side surface 18b is shown. Reflecting means 19 is inserted into the groove 18 from the side opposite to the direction in which the lens barrel 15 is inserted, and is installed separately from the probe unit. The reflecting means 19 has a reflecting surface having an angle of 45 degrees with respect to the optical axis K, and the optical axis K of the relay lenses 16 and 17 can be bent at a right angle.

この反射手段19は対物レンズの光軸K上に設置されているが、プローブユニットとは分離された状態で別置きされているため、プローブユニットの構造はそのままで、レーザー光Lを溝部18の側面18bに照射して側面18bを測定することができる。   Although this reflecting means 19 is installed on the optical axis K of the objective lens, it is placed separately from the probe unit, so that the structure of the probe unit remains the same and the laser light L is transmitted through the groove 18. The side surface 18b can be measured by irradiating the side surface 18b.

反射手段19で反射したレーザー光Lにより溝部18の側面18bにオートフォーカス制御を実施しながら、反射手段19はそのままで、ブロック30だけをY方向へ平行移動させれば、レーザー光Lを側面18bに沿って走査することができ、側面18bのY軸方向における連続した二次元形状を得ることができる。反射手段19の高さを変更することにより、側面18bの任意の高さの位置の形状を測定することができる。   While performing autofocus control on the side surface 18b of the groove 18 by the laser light L reflected by the reflecting means 19, if only the block 30 is translated in the Y direction while the reflecting means 19 is left as it is, the laser light L is moved to the side surface 18b. And a continuous two-dimensional shape in the Y-axis direction of the side surface 18b can be obtained. By changing the height of the reflection means 19, the shape of the position of the arbitrary height of the side surface 18b can be measured.

(第3実施形態)
図3は本発明の第3実施形態を示す図である。本実施形態も、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、それらと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。
(Third embodiment)
FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. This embodiment also includes the same components as those in the first embodiment. Therefore, components similar to those are denoted by common reference numerals and redundant description is omitted.

この実施形態に係る非接触凹部形状測定装置29では、光学ユニット20の全体の向きが先の実施形態と90度相違し、レーザー光照射手段7からのレーザー光Lが、溝部2の深さ方向に直交したX方向に沿う第1光軸K1と平行に照射される。   In the non-contact concave shape measuring device 29 according to this embodiment, the entire direction of the optical unit 20 is 90 degrees different from the previous embodiment, and the laser light L from the laser light irradiation means 7 is in the depth direction of the groove 2. Irradiated in parallel with the first optical axis K1 along the X direction orthogonal to.

プローブユニット21のフレーム22には対物レンズ13及び鏡筒15の他に光軸反射手段23も一体化されている。光軸反射手段23はフレーム22の上部開口24付近に固定され、第1光軸K1を溝部2の深さ方向に合致した第2光軸K2に折り曲げる。この第2光軸K2は対物レンズ13の中心に合致し、光学ユニット4から照射されたレーザー光Lはこの光軸反射手段23に反射されて、プローブユニット21の対物レンズ13に導入される。   In addition to the objective lens 13 and the lens barrel 15, the optical axis reflecting means 23 is also integrated with the frame 22 of the probe unit 21. The optical axis reflecting means 23 is fixed near the upper opening 24 of the frame 22 and bends the first optical axis K1 to a second optical axis K2 that matches the depth direction of the groove 2. The second optical axis K2 coincides with the center of the objective lens 13, and the laser light L emitted from the optical unit 4 is reflected by the optical axis reflecting means 23 and introduced into the objective lens 13 of the probe unit 21.

また下部開口25に固定されている鏡筒26の内部にはリレーレンズ17の先端に対物レンズ13の第2光軸K2を直角方向に折り曲げる先端反射手段27が一体的に設けられている。先端反射手段27は小型の反射ミラーである。   Further, inside the lens barrel 26 fixed to the lower opening 25, a tip reflecting means 27 for bending the second optical axis K2 of the objective lens 13 in a direction perpendicular to the tip of the relay lens 17 is integrally provided. The tip reflecting means 27 is a small reflecting mirror.

更にプローブユニット21のフレーム22は焦点調整ユニット28に支持されているが、この焦点調整ユニット28はプローブユニット21全体を対物レンズ13の第2光軸K2でなく光学ユニット20の第1光軸K1に沿って移動させてオートフォーカス制御を実行する。   Further, the frame 22 of the probe unit 21 is supported by a focus adjustment unit 28, and this focus adjustment unit 28 makes the entire probe unit 21 not the second optical axis K 2 of the objective lens 13 but the first optical axis K 1 of the optical unit 20. The autofocus control is executed by moving along.

この実施形態では、光学ユニット20のレーザー光照射手段7からレーザー光Lは下向きに照射される。下向きに照射されたレーザー光Lは反射ミラー8により水平に反射され第1光軸K1と平行になる。   In this embodiment, the laser light L is emitted downward from the laser light irradiation means 7 of the optical unit 20. The laser light L irradiated downward is reflected horizontally by the reflection mirror 8 and becomes parallel to the first optical axis K1.

レーザー光Lは光学ユニット20から出て、プローブユニット21内に導入され、光軸反射手段23にて反射された後、そのまま対物レンズ13を通過する。対物レンズ13を通過したレーザー光Lは第2光軸K2と交差した後、上側のリレーレンズ16に導入される。上側のリレーレンズ16を通過したレーザー光Lは第2光軸K2と平行になり、下側のリレーレンズ17を通過した後に、先端反射手段27により反射されて溝部2の側面2bに照射される。   The laser light L exits from the optical unit 20, is introduced into the probe unit 21, is reflected by the optical axis reflecting means 23, and then passes through the objective lens 13 as it is. The laser light L that has passed through the objective lens 13 crosses the second optical axis K2, and is then introduced into the upper relay lens 16. The laser beam L that has passed through the upper relay lens 16 is parallel to the second optical axis K2, passes through the lower relay lens 17, is reflected by the tip reflecting means 27, and is applied to the side surface 2b of the groove portion 2. .

溝部2の側面2bに照射されたレーザー光Lは側面2bで反射、散乱されて散乱光となり、再度先端反射手段27で反射された後、リレーレンズ16、17を逆向きに通過して対物レンズ13に至る。対物レンズ13を通過したレーザー光Lは光軸反射手段23で反射され、結像レンズ9を通過した後に収束し光位置検出手段10で受光される。   The laser light L applied to the side surface 2b of the groove 2 is reflected and scattered by the side surface 2b to become scattered light, and is reflected again by the tip reflecting means 27, and then passes through the relay lenses 16 and 17 in the opposite direction to the objective lens. 13 is reached. The laser light L that has passed through the objective lens 13 is reflected by the optical axis reflecting means 23, converges after passing through the imaging lens 9, and is received by the optical position detecting means 10.

レーザー光Lが光位置検出手段10の中心部10sからずれている場合は、それを是正するため、光位置検出手段10から焦点調整ユニット28に信号が出力され、レーザー光Lが中心部10sに合致するまで、プローブユニット28をX方向で移動させる。レーザー光Lが光位置検出手段10の中心部10sに合致すると合焦状態となってプローブユニット28の移動が停止する。このフィードバック制御時のプローブユニット28の移動量から、側面2bのX方向での凹凸寸法を測定することができる。合焦状態ではプローブユニット28から戻るレーザー光Lも第1光軸K1と平行になり、プローブユニット21が光学ユニット20に対してX方向で移動しても問題ない。   If the laser beam L is deviated from the central portion 10s of the optical position detecting means 10, in order to correct it, a signal is output from the optical position detecting means 10 to the focus adjusting unit 28, and the laser light L is applied to the central portion 10s. The probe unit 28 is moved in the X direction until they match. When the laser beam L coincides with the central portion 10s of the optical position detecting means 10, the focused state is reached and the movement of the probe unit 28 is stopped. From the amount of movement of the probe unit 28 at the time of this feedback control, the uneven size in the X direction of the side surface 2b can be measured. In the focused state, the laser beam L returning from the probe unit 28 is also parallel to the first optical axis K1, and there is no problem even if the probe unit 21 moves in the X direction with respect to the optical unit 20.

このようにレーザー光Lによるオートフォーカスをかけたまま、ブロック1をY方向へ平行移動させれば、レーザー光Lを側面2bに沿って走査することができ、側面2bのY方向における連続した二次元形状を得ることができる。鏡筒26の挿入度合いを調整することにより側面2bの任意の高さ位置の凹凸形状をY方向に沿って測定することができる。   If the block 1 is moved in parallel in the Y direction while autofocusing with the laser light L is applied in this way, the laser light L can be scanned along the side surface 2b, and the two continuous sides in the Y direction of the side surface 2b can be obtained. A dimensional shape can be obtained. By adjusting the insertion degree of the lens barrel 26, the uneven shape at an arbitrary height position of the side surface 2b can be measured along the Y direction.

この実施形態によれば、リレーレンズ16、17の先端に先端反射手段27が一体的に備えられているため、側面2bを測定するために別物の反射手段を用意する必要がなく、鏡筒26が挿入可能な凹部であれば、その凹部が非貫通構造であってもその側面2bを測定することができる。   According to this embodiment, since the tip reflecting means 27 is integrally provided at the tip of the relay lenses 16 and 17, it is not necessary to prepare a separate reflecting means for measuring the side surface 2b, and the lens barrel 26 is provided. If the concave portion is insertable, the side surface 2b can be measured even if the concave portion has a non-penetrating structure.

1、30 ブロック(測定ワーク)
2、18 溝部(凹部)
2a 底面
2b 側面
18b 側面
3、29 非接触凹部形状測定装置
4、20 光学ユニット
5、21 プローブユニット
6、28 焦点調整ユニット
7 レーザー光照射手段
10 光位置検出手段
11、22 フレーム
13 対物レンズ
15、26 鏡筒
16、17 リレーレンズ
19 反射手段
23 光軸反射手段
27 先端反射手段
K 光軸
K1 第1光軸
K2 第2光軸
L レーザー光
D 溝部の幅
d 鏡筒の径
1, 30 blocks (measurement work)
2, 18 Groove (recess)
2a Bottom surface 2b Side surface 18b Side surface 3, 29 Non-contact concave shape measuring device 4, 20 Optical unit 5, 21 Probe unit 6, 28 Focus adjustment unit 7 Laser light irradiation means 10 Optical position detection means 11, 22 Frame 13 Objective lens 15, 26 Lens barrel 16, 17 Relay lens 19 Reflecting means 23 Optical axis reflecting means 27 Tip reflecting means K Optical axis K1 First optical axis K2 Second optical axis L Laser light D Groove width d Diameter of lens barrel

Claims (3)

測定ワークの凹部の底面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、
凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備え固定された光学ユニットと、
対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、
該プローブユニットの鏡筒が測定ワークの凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号によりレーザー光の焦点を凹部の底面に合致せしめるべくプローブユニット全体を前記光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、
を備えたことを特徴とする非接触凹部形状測定装置。
A non-contact concave shape measuring device that measures the bottom surface of a concave portion of a measurement workpiece,
Laser light irradiation means for irradiating laser light parallel to the optical axis that matches the depth direction of the recess, and optical position detection means for receiving the returning laser light parallel to the optical axis through the imaging lens when focused. A fixed optical unit, and
A probe unit in which an objective lens and a lens barrel having a smaller diameter than the objective lens and provided with a plurality of relay lenses are integrated with a frame so that the lens barrel is in a state of being projected along the optical axis. ,
The entire probe unit is moved in the direction of the optical axis so that the focal point of the laser beam coincides with the bottom surface of the concave portion by the position signal from the optical position detecting means in a state where the lens barrel of the probe unit is inserted into the concave portion of the measurement work. A focus adjustment unit
The non-contact recessed part shape measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、
凹部の深さ方向に合致した光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に同光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備え固定された光学ユニットと、
対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備えた鏡筒とを、それぞれ光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、
該プローブユニットの鏡筒が測定ワークの凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、
前記プローブユニットと分離された状態で凹部内に配置されプローブユニットの光軸を直角方向に折り曲げる別置き反射手段と、
を備えたことを特徴とする非接触凹部形状測定装置。
A non-contact concave shape measuring device for measuring a side surface of a concave portion of a measurement workpiece,
Laser light irradiation means for irradiating laser light parallel to the optical axis that matches the depth direction of the recess, and optical position detection means for receiving the returning laser light parallel to the optical axis through the imaging lens when focused. A fixed optical unit, and
A probe unit in which an objective lens and a lens barrel having a smaller diameter than the objective lens and provided with a plurality of relay lenses are integrated with a frame so that the lens barrel is in a state of being projected along the optical axis. ,
In a state where the lens barrel of the probe unit is inserted into the concave portion of the measurement work, the entire probe unit is adjusted so that the focal point of the laser beam reflected by the reflecting means by the position signal from the optical position detecting means matches the side surface of the concave portion. A focus adjustment unit that moves in the direction of the optical axis;
Separately reflecting means disposed in the recess in a state separated from the probe unit and bending the optical axis of the probe unit in a right angle direction;
The non-contact recessed part shape measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
測定ワークの凹部の側面を測定する非接触凹部形状測定装置であって、
凹部の深さ方向に直交した第1光軸と平行なレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、合焦時に第1光軸と平行になる戻りのレーザー光を結像レンズを経て受光する光位置検出手段とを備え固定された光学ユニットと、
第1光軸を凹部の深さ方向に合致した第2光軸に折り曲げる光軸反射手段と、対物レンズと、対物レンズより小径で内部に複数のリレーレンズを備え且つ先端に対物レンズの第2光軸を第1光軸方向へ折り曲げる先端反射手段を有する鏡筒とを、それぞれ第2光軸に沿った状態で且つ鏡筒が突出した状態になるようにフレームで一体化したプローブユニットと、
該プローブユニットの鏡筒が測定ワークの凹部に挿入された状態で、前記光位置検出手段からの位置信号により先端反射手段で反射されたレーザー光の焦点を凹部の側面に合致せしめるべくプローブユニット全体を第1光軸方向で移動させる焦点調整ユニットと、
を備えたことを特徴とする非接触凹部形状測定装置。
A non-contact concave shape measuring device for measuring a side surface of a concave portion of a measurement workpiece,
Laser light irradiation means for irradiating laser light parallel to the first optical axis perpendicular to the depth direction of the recess, and light for receiving the returning laser light parallel to the first optical axis through the imaging lens when focused. A fixed optical unit comprising position detection means;
An optical axis reflecting means that bends the first optical axis to a second optical axis that matches the depth direction of the recess, an objective lens, a plurality of relay lenses having a smaller diameter than the objective lens, and a second objective lens at the tip. A probe unit in which a lens barrel having a tip reflecting means that bends the optical axis in the first optical axis direction is integrated with a frame so that the lens barrel is in a state along the second optical axis,
In a state where the lens barrel of the probe unit is inserted into the concave portion of the measurement work, the entire probe unit is adapted to make the focal point of the laser beam reflected by the tip reflecting means by the position signal from the optical position detecting means coincide with the side surface of the concave portion. A focus adjustment unit that moves the lens in the first optical axis direction;
The non-contact recessed part shape measuring apparatus characterized by the above-mentioned.
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