JP2005195338A - Displacement measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被測定物体の表面変位を測定する変位測定装置に関する。 The present invention relates to a displacement measuring apparatus that measures the surface displacement of an object to be measured.
従来、被測定物体の変位量を測定するものとして、下記特許文献１に開示されたものがある。これは、投光部からの光を対物レンズにより被測定物体上に集光状態で照射し、この対物レンズを音叉を備えた加振部により光軸に沿って振動させることによって光の集光位置を振動させる。そして、この振動させたときの被測定物体からの反射光を受光部にて受光し、この受光部に受光された受光量の大きさと、そのときの対物レンズの位置とに基づいて被測定物体の変位量を測定するものである。
ところで、対物レンズを振動させる上記従来の変位センサを用いて、静止した被測定物体の表面変位を測定する場合には、変位センサ自体を別の駆動機構によって上記投光部からの光の光軸方向に垂直な面に沿って水平移動させる必要がある。つまり、変位センサ自体を水平移動させて、被測定物体表面上における対物レンズからの光の照射位置を順次移動させつつ、各照射部位での測定値（上記光軸方向の測定値）を取得し、被測定物体の表面変位を測定するのである。
しかしながら、変位センサ自体を、上記光軸方向の変位測定の精度を損なわないように水平移動させるのは極めて困難である。また。変位センサ自体が移動することで、上記加振部を構成する音叉の振動動作に影響を与えて光軸方向の変位の測定精度が低下するおそれもある。
By the way, when measuring the surface displacement of a stationary object to be measured using the conventional displacement sensor that vibrates the objective lens, the optical axis of the light from the light projecting unit is moved by another displacement mechanism. It is necessary to move horizontally along a plane perpendicular to the direction. In other words, by moving the displacement sensor itself horizontally and sequentially moving the irradiation position of the light from the objective lens on the surface of the object to be measured, measurement values at each irradiation site (measurement values in the optical axis direction) are acquired. The surface displacement of the object to be measured is measured.
However, it is extremely difficult to horizontally move the displacement sensor itself so as not to impair the accuracy of displacement measurement in the optical axis direction. Also. When the displacement sensor itself moves, it may affect the vibration operation of the tuning fork that constitutes the excitation unit, and the measurement accuracy of the displacement in the optical axis direction may be reduced.
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、簡単な構成で被測定物体の二次元または三次元変位を測定することが可能な変位測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been completed based on the above circumstances, and an object thereof is to provide a displacement measuring apparatus capable of measuring a two-dimensional or three-dimensional displacement of an object to be measured with a simple configuration. To do.
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、光を出射する投光手段と、この投光手段からの光を完全平行でない近似平行光にする補助光学手段と、この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズと、この対物レンズによる集光を前記被測定物体を介して受光する受光手段と、前記補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段と、この制御手段からの駆動信号に応じて前記補助光学手段を前記投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、前記補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する第１位置検出手段と、前記受光手段での受光量が最大となる時点で前記第１位置検出手段から出力される位置信号を取得する取得手段と、前記制御手段の駆動に応じて前記対物レンズを前記投光手段からの光の光軸に対して垂直な平面に沿って水平移動させる移動手段と、前記対物レンズの位置を示す位置信号を出力する第２位置検出手段とを備え、前記制御手段は、前記移動手段によって対物レンズを水平移動させて前記被測定物体表面上における光の照射部位を順次移動させ、各照射部位について、前記第２位置検出手段からの位置信号と前記取得手段にて取得された位置信号とに基づき前記被測定物体の表面変位量を測定することを特徴とする。
As means for attaining the above object, the invention of
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記対物レンズを介して前記被測定物体上の前記照射部位に平行光を照射する照射手段と、撮像手段と、前記照射手段から照射され前記被測定物体で正反射し前記対物レンズを介して戻ってきた反射光を前記撮像手段の撮像面上に導く導光手段と、前記対物レンズ及び前記撮像手段間の前記反射光の光路上に配されて、その反射光を前記収束させて前記撮像手段の撮像面上に集光させる収束レンズとを備え、前記制御手段は、前記各照射部位について、その傾き角度に応じて変化する、前記撮像手段からの撮像信号に基づき前記被測定物体表面の傾斜角度を測定することを特徴とする。 A second aspect of the present invention is the light emitting device according to the first aspect, wherein the irradiation means for irradiating the irradiation site on the object to be measured with the parallel light through the objective lens, the imaging means, and the irradiation means for irradiation. A light guide means for guiding the reflected light reflected back from the object to be measured and returned through the objective lens onto the imaging surface of the imaging means; and on the optical path of the reflected light between the objective lens and the imaging means And a converging lens for converging the reflected light on the imaging surface of the imaging means, and the control means changes according to the inclination angle for each irradiation site, An inclination angle of the surface of the object to be measured is measured based on an imaging signal from the imaging means.
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記補助光学手段は、入射した光を発散する発散レンズであることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the auxiliary optical means is a diverging lens that diverges incident light.
請求項４の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記補助光学手段は、入射した光を収束する収束レンズであることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the auxiliary optical means is a converging lens that converges incident light.
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のものにおいて、前記投光手段からの光を平行光とした状態で前記補助光学手段に入射させるコリメータレンズを備えたことを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the collimator lens according to any one of the first to fourth aspects, wherein the collimator lens is configured to make the light from the light projecting means incident on the auxiliary optical means in a parallel light state. It is characterized by.
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のものにおいて、前記各レンズのうち少なくとも１つは、複数のレンズからなる複合レンズであることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in any one of the first to fifth aspects, at least one of the lenses is a compound lens composed of a plurality of lenses.
請求項７の発明は、請求項３ないし請求項６のいずれかに記載のものにおいて、前記補助光学手段の移動中心位置と前記対物レンズとの間隔を可変する間隔可変手段を備えたことを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the apparatus according to any one of the third to sixth aspects, further comprising a distance varying means for varying a distance between the movement center position of the auxiliary optical means and the objective lens. And
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のものにおいて、前記第１位置検出手段は、前記補助光学手段の位置を検出する位置センサを備え、前記位置センサの出力を前記位置信号として出力することを特徴とする。 According to an eighth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the first position detecting means includes a position sensor for detecting a position of the auxiliary optical means, and an output of the position sensor. Is output as the position signal.
請求項９の発明は、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のものにおいて、前記第１位置検出手段は、前記制御手段からの駆動信号を前記位置信号として出力することを特徴とする。 According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the first to seventh aspects, the first position detecting means outputs a drive signal from the control means as the position signal. .
請求項１０の発明は、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のものにおいて、前記可動手段は、自由端の先端に前記補助光学手段が連結された音叉と、前記制御手段からの駆動信号に基づいて前記音叉を駆動するソレノイドとから構成されていることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in any one of the first to sixth aspects, the movable means includes a tuning fork in which the auxiliary optical means is connected to the tip of a free end, and driving from the control means. It is comprised from the solenoid which drives the said tuning fork based on the signal.
請求項１１の発明は、請求項１０記載のものにおいて、前記補助光学手段は、前記音叉の一方の自由端に連結された第１レンズと他方の自由端に連結された第２レンズとからなり、前記第１レンズ及び第２レンズは、それらの光軸が一致するように設けられ、前記音叉は、前記第１及び第２レンズが接続された状態で前記一方及び他方の自由端における固有振動数が等しく構成されていることを特徴とする。 An eleventh aspect of the present invention is that according to the tenth aspect, the auxiliary optical means comprises a first lens coupled to one free end of the tuning fork and a second lens coupled to the other free end. The first lens and the second lens are provided so that their optical axes coincide with each other, and the tuning fork has natural vibrations at the free ends of the one and the other in a state where the first and second lenses are connected. It is characterized by equal numbers.
請求項１２の発明は、請求項１１記載のものにおいて、前記第１レンズ及び第２レンズは主平面及び主曲面で規定され、前記音叉の自由端の振動中心点を基点として前記投光手段の光軸に対して直角に交差する振動中心軸に前記第１レンズ及び第２レンズの前記主曲面の頂点が略位置していることを特徴とする。 According to a twelfth aspect of the invention, in the eleventh aspect, the first lens and the second lens are defined by a main plane and a main curved surface, and the projection means of the light projection means is based on the vibration center point of the free end of the tuning fork. The vertexes of the main curved surfaces of the first lens and the second lens are substantially located on a vibration center axis that intersects at right angles to the optical axis.
＜請求項１の発明＞
本構成によれば、被測定物体の表面変位（投光手段からの光の光軸方向における変位）を測定するための構成として、投光手段と対物レンズとの間に、投光手段からの光を発散させて完全平行ではない近似平行光にする補助光学手段を設けて、この補助光学手段を上記光の光軸に沿って移動（振動）させることにより、対物レンズを透過した光の焦点位置を変位させる構成とした。これにより、変位測定装置自体ではなく、対物レンズだけを上記光軸に対して垂直な平面に沿って水平移動させることが可能になった。
<Invention of
According to this configuration, as a configuration for measuring the surface displacement of the object to be measured (displacement in the optical axis direction of the light from the light projecting unit), the light from the light projecting unit is provided between the light projecting unit and the objective lens. Auxiliary optical means for diverging light into approximate parallel light that is not completely parallel is provided, and this auxiliary optical means is moved (vibrated) along the optical axis of the light, thereby allowing the focal point of the light transmitted through the objective lens. The position is displaced. As a result, not the displacement measuring apparatus itself but only the objective lens can be moved horizontally along a plane perpendicular to the optical axis.
従って、対物レンズを水平移動させて被測定物体表面上の光の照射部位を順次移動させ、各照射部位について、受光手段での受光量が最大となる時点で第１位置検出手段から出力される位置信号を取得し、例えば、その位置信号を対物レンズの水平移動位置情報と関連付けて外部機器に出力、或いは、記憶手段に順次記憶させる。そして、外部機器に出力、或いは記憶手段に記憶された、各照射部位毎の、補助光学手段の位置に関する位置信号と、対物レンズの水平移動位置情報とに基づき被測定物体の表面変位を測定することができる。
なお、対物レンズを一次元的に水平移動させれば、被測定物体表面の二次元変位を測定することができ、対物レンズの二次元的に水平移動させれば、被測定物体表面の三次元変位を測定することができる。
Therefore, the objective lens is horizontally moved to sequentially move the light irradiation portions on the surface of the object to be measured, and the light is output from the first position detection means at the time when the amount of light received by the light receiving means becomes the maximum for each irradiation portion. The position signal is acquired and, for example, the position signal is output to an external device in association with the horizontal movement position information of the objective lens, or sequentially stored in a storage unit. Then, the surface displacement of the object to be measured is measured based on the position signal relating to the position of the auxiliary optical means and the horizontal movement position information of the objective lens, which is output to an external device or stored in the storage means, for each irradiation site. be able to.
If the objective lens is horizontally moved one-dimensionally, the two-dimensional displacement of the surface of the object to be measured can be measured. If the objective lens is horizontally moved two-dimensionally, the three-dimensional object surface is measured. Displacement can be measured.
また、対物レンズの縦倍率（光軸に沿った方向の倍率）は、対物レンズの焦点距離を対物レンズの焦点と補助光学手段の焦点との距離で除した値の２乗で示すことができる。従って、対物レンズの焦点距離を大きくすることにより対物レンズの縦倍率を大きくすることができると共に、対物レンズの焦点と補助光学手段の焦点との距離を大きくすることにより対物レンズの縦倍率を小さくすることができる。これにより、対物レンズの縦倍率を適切に設定することにより、対物レンズの集光位置の移動範囲を調整でき、測定範囲を拡大したり、測定精度を高めたりすることができる。
なお、補助光学手段は、結果として対物レンズに完全平行ではない近似平行光（略平行光）を照射させるよう機能するものであればよく、発散レンズで構成したもの（請求項３）であっても、収束レンズで構成したもの（請求項４）であっても、更に、発散レンズと収束レンズとを組み合わせたものであってもよい。
The longitudinal magnification (magnification in the direction along the optical axis) of the objective lens can be expressed by the square of the value obtained by dividing the focal length of the objective lens by the distance between the focal point of the objective lens and the focal point of the auxiliary optical means. . Accordingly, the longitudinal magnification of the objective lens can be increased by increasing the focal length of the objective lens, and the longitudinal magnification of the objective lens can be decreased by increasing the distance between the focal point of the objective lens and the focus of the auxiliary optical means. can do. Thereby, by appropriately setting the vertical magnification of the objective lens, the moving range of the condensing position of the objective lens can be adjusted, and the measurement range can be expanded or the measurement accuracy can be increased.
The auxiliary optical means only needs to function as a result of irradiating the objective lens with approximate parallel light (substantially parallel light) that is not completely parallel, and is constituted by a diverging lens (Claim 3). Alternatively, the lens may be composed of a converging lens (claim 4), or may be a combination of a diverging lens and a converging lens.
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、被測定物体表面上の各照射部位について、光軸方向における表面変位量とともに、傾斜角度をも測定することができる。
<Invention of Claim 2>
According to this configuration, it is possible to measure the inclination angle as well as the surface displacement amount in the optical axis direction for each irradiation site on the surface of the object to be measured.
＜請求項５の発明＞
本構成によれば、補助光学手段に入射する光芒の大きさを抑制することができるので、補助光学手段、ひいては全体の小型化を図ることができる。
<Invention of Claim 5>
According to this configuration, the size of the light beam incident on the auxiliary optical means can be suppressed, so that the auxiliary optical means, and thus the overall size can be reduced.
＜請求項６の発明＞
本構成によれば、複数のレンズによりレンズ収差を抑制することができるので、投光手段から被測定物体に対する集光の位置精度を高めることができ、対物レンズが単一のレンズである場合と比較して、より高精度に受光手段の受光量に基づいた測定が可能となる。
<Invention of Claim 6>
According to this configuration, since the lens aberration can be suppressed by a plurality of lenses, it is possible to improve the positional accuracy of light collection with respect to the object to be measured from the light projecting unit, and the objective lens is a single lens. In comparison, measurement based on the amount of light received by the light receiving means can be performed with higher accuracy.
＜請求項７の発明＞
本構成によれば、測定対象、測定範囲に応じて、発散レンズの移動中心位置と対物レンズとの間隔を可変することで、複雑な調整・設定を行うことなく、測定範囲を拡大したり、測定精度を高めたりすることができる。
<Invention of Claim 7>
According to this configuration, by changing the distance between the moving center position of the diverging lens and the objective lens according to the measurement object and the measurement range, the measurement range can be expanded without performing complicated adjustment and setting, Measurement accuracy can be increased.
＜請求項８の発明＞
本構成によれば、受光手段の受光量が最大となる時点における補助光学手段の位置をより正確に測定できるので、被測定物体の変位を高精度に測定することができる。
<Invention of Claim 8>
According to this configuration, since the position of the auxiliary optical means at the time when the amount of light received by the light receiving means becomes maximum can be measured more accurately, the displacement of the measured object can be measured with high accuracy.
＜請求項９の発明＞
本構成によれば、補助光学手段の位置を検出するための位置センサが不要となるので、構成を簡単にしつつ、被測定物体の変位を測定することができる。
<Invention of Claim 9>
According to this configuration, since a position sensor for detecting the position of the auxiliary optical unit is not required, the displacement of the object to be measured can be measured while simplifying the configuration.
＜請求項１０の発明＞
本構成によれば、補助光学手段を移動させる際、制御手段から所定の信号を出力することにより、音叉が所定振幅幅で振動するので、発散レンズの位置を容易に制御することができる。
<Invention of Claim 10>
According to this configuration, when the auxiliary optical unit is moved, the tuning fork vibrates with a predetermined amplitude width by outputting a predetermined signal from the control unit, so that the position of the diverging lens can be easily controlled.
＜請求項１１の発明＞
本構成によれば、音叉の一方の自由端の振動に伴って当該自由端に連結された第１レンズに光軸ぶれ（ずれ）が生ずるにしても、他方の自由端の振動は、一方の自由端の振動と振動量が等しく且つ逆方向の振動となることから、他方の自由端に連結された第２レンズに第１レンズと反対方向の光軸ずれを生じるようになる。この結果、第１レンズの光軸のぶれが第２レンズのぶれにより打ち消されるようになるので、変位測定装置における焦点位置のぶれを抑制して合点させることができる。
<Invention of
According to this configuration, even if the optical axis shake (displacement) occurs in the first lens connected to the free end due to the vibration of one free end of the tuning fork, the vibration of the other free end is Since the vibration at the free end is equal to the vibration amount and the vibration is in the opposite direction, the second lens connected to the other free end is displaced from the optical axis in the opposite direction to the first lens. As a result, the blurring of the optical axis of the first lens is canceled by the blurring of the second lens, so that the focal point position blur in the displacement measuring device can be suppressed to achieve a point.
＜請求項１２の発明＞
本構成によれば、音叉の自由端の振動に伴うレンズの変位は振動中心軸上に位置する部位が最も小さいことから、レンズの主曲面を振動中心軸に略位置させることにより自由端の振動による第１レンズ及び第２レンズの光軸ぶれ（ずれ）量を最小限に抑えることができ、より確実に変位測定装置における焦点位置のぶれを抑制して合点させることができる。
<Invention of
According to this configuration, the displacement of the lens accompanying the vibration of the free end of the tuning fork is the smallest at the position located on the vibration center axis. The amount of optical axis shake (deviation) of the first lens and the second lens due to the above can be minimized, and the focal position shake in the displacement measuring device can be more reliably suppressed to achieve a point.
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図６によって説明する。
１．変位測定装置の構成
図１には、本実施形態に係る変位測定装置の全体構成が示されている。
投光手段であるレーザダイオード(以下、ＬＤと称する)１１はレーザ駆動制御回路１２で駆動された状態でレーザ光を出射し、そのレーザ光は、光分割手段であるビームスプリッタ１３を通過した後、コリメータレンズ１４で平行光に変換される。
<
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
1. Configuration of Displacement Measuring Device FIG. 1 shows the overall configuration of a displacement measuring device according to this embodiment.
A laser diode (hereinafter referred to as LD) 11 that is a light projecting means emits laser light while being driven by a laser
コリメータレンズ１４で変換された平行光は、後述する補助光学手段としての２枚の収束レンズ１５Ａ，１５Ｂにより若干発散され完全平行ではなく近似平行光（略平行光）とされた状態で対物レンズ１６に入射することにより被測定物体１７に集光状態で投射される。これらのコリメータレンズ１４、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ及び対物レンズ１６は複数のレンズからなる複合レンズから構成されている。
The parallel light converted by the
被測定物体１７からの反射光は、対物レンズ１６、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ、コリメータレンズ１４を通過してビームスプリッタ１３で反射することにより、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過して受光手段であるフォトダイオード(以下、ＰＤと称する)１９へ入射するようになっている。
ＰＤ１９で光電変換した信号は増幅器２０へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ２１へ入力されるようになっている。
The reflected light from the object to be measured 17 passes through the
The signal photoelectrically converted by the
本実施の形態では、上述したＬＤ１１、ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ、対物レンズ１６、光絞り部１８、ＰＤ１９、ＣＰＵ２１から、いわゆる合焦装置が構成されている。
In the present embodiment, the
ここで、ＬＤ１１の光軸に対して直交する方向を指向するようにレンズ可動手段としての音叉１が配設されており、その音叉１の両自由端２Ａ，２Ａの先端に収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの周縁部分がそれぞれ連結されている。これらの収束レンズ１５Ａ，１５Ｂは、コリメータレンズ１４からの平行光を若干発散させて完全平行ではなく近似平行光（略平行光）とした状態で対物レンズ１６へ入射させるもので、音叉１の微振動によりＬＤ１１からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっており、このような構成が本実施形態の特徴となっている。この場合、音叉１の振幅は極めて小さいことから、２毎の収束レンズ１５Ａ，１５Ｂは光軸に沿って振動しているとみなすことができる。
Here, a
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した第１位置検出手段（位置センサ）たる音叉振幅検出器２３が配設されており、音叉１の振動位置、つまり収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器２３が検出した検出振幅信号は増幅器２４へ入力され、その出力信号はＣＰＵ２１へ入力される。
On the other hand, at a position close to the side of the
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド２５が配設されている。このソレノイド２５は、制御手段としてのＣＰＵ２１からの駆動信号に基づいて音叉振幅制御回路２６から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっている。音叉振幅制御回路２６には増幅器２４の出力信号が与えられており、音叉１の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
A
このような構成において、音叉振幅制御回路２６からソレノイド２５に所定周波数のパルス電流または交流電流を供給すると、ソレノイド２５から磁界（交流磁界）が発生する。この磁界により音叉１が所定振幅で微振動し、収束レンズ１５Ａ，１５ＢをＬＤ１１の光軸に沿って振動させる。
In such a configuration, when a pulse current or alternating current having a predetermined frequency is supplied from the tuning fork
そして、音叉振幅検出器２３は、音叉１の振幅、即ち収束レンズ１５Ｂの振幅を検出し、収束レンズ１５Ｂの振幅を示す正弦波状信号を出力する。この正弦波状信号を増幅器２４で増幅し、増幅器２４から出力される出力信号をＣＰＵ２１へ入力させることにより、ＣＰＵ２１は、収束レンズ１５Ｂの位置を検出可能となっている。
The tuning
ここで、上記音叉１、ソレノイド２５、音叉振幅検出器２３は、図２に示すように一体で移動可能な間隔可変手段２７として構成されており、移動位置に応じて収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの焦点と対物レンズ１６の焦点との距離を調整することが可能となっている。このときの収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置も、図示しないが、別に設けてある測定手段によってＣＰＵ２１に入力され、処理手段によって被測定点の位置情報として出力される。
Here, the
２．補助光学手段について
ところで、本実施形態では、図１にも示すように、音叉１の両自由端２Ａ，２Ａに連結された２枚の収束レンズ１５Ａ，１５Ｂで補助光学手段を構成したものとしている。具体的には、コリメータレンズ１４からの平行光は、収束レンズ１５Ａにて収束される。そして、その収束レンズ１５Ａの収束点Ｐ１（焦点位置）を超えて発散した光が収束レンズ１５Ｂで収束され、結果としてやや拡散した光が対物レンズ１６に向けて照射されるようになっている。
2. By the way, in this embodiment, as shown in FIG. 1, the auxiliary optical means is configured by two converging
このようにＬＤ１１からの光を、一旦集光させて平行光にした後、補助光学手段によって若干発散させて再び近似平行光（略平行光）とした光を対物レンズ１６に照射する構成の方が、集光させずにそのまま上記近似平行光を照射させる場合に比べて対物レンズ１６等の光学系による収差の影響が少なく、正確な変位測定ができることが実験的に確かめられている。
In this way, after the light from the
３．補助光学手段（発散レンズを例に挙げて説明する）と対物レンズの焦点距離との関係
次に、発散レンズ１５と対物レンズ１６の焦点距離との関係について図３及び図４に基づいて説明する。
図３は、物点ｃからの光線が対物レンズ１６により屈折されて像点ｃ'で結像する際の光学系を示している。ここで、物点ｃの微小変位量xc1とその像点変位量xc2の比αを縦倍率といい、通常の横倍率に対して光軸に沿った方向の倍率であり、次の式で求めることができる。
3. Relationship between Auxiliary Optical Means (Explained by Using Divergent Lens as an Example) and Focal Length of Objective Lens Next, the relationship between the focal length of the
FIG. 3 shows an optical system when the light beam from the object point c is refracted by the
ここで、対物レンズ１６の焦点距離をｆ、物体側焦点位置から物体までの距離をｘ、像側焦点位置から像までの距離をｘ’とすると、図中に示すように物点ｃを基点とする矢印が像点ｃ’を基点として結像したとすると、矢印の基点と先端のそれぞれに関して、ニュートンの公式に基づいて次に示す式を導き出すことができる。
Here, if the focal length of the
ところで、本実施形態では、コリメータレンズ１４からの平行光を発散レンズ１５により発散させた状態で対物レンズ１６に入射させていることから、発散レンズ１５の焦点位置を物点ｃに一致させるように配置した場合、発散レンズ１５に入射した平行光はあたかも物点ｃから放射されたように出射するようになる。また、発散レンズ１５が変位した場合は、その移動に応じてあたかも物点ｃが同様に変位したことになる。
By the way, in this embodiment, since the parallel light from the
さて、上記関係式に基づいて、物点ｃと像点ｃ’の微小変位量が互いに等しくなる物点位置ｘは、α＝１であり、 Based on the above relational expression, the object point position x where the minute displacement amounts of the object point c and the image point c ′ are equal to each other is α = 1.
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の２倍になる物点位置ｘは、α＝１／２であり、 Also, the object point position x where the minute displacement amount of the object point is twice the minute displacement amount of the image point is α = 1/2,
また、物点の微小変位量が像点の微小変位量の１／２倍になる物点位置ｘは、α＝２であり、 Further, the object point position x at which the minute displacement amount of the object point is ½ times the minute displacement amount of the image point is α = 2.
なお、発散レンズ１５と対物レンズ１６の位置関係は、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点Ｆに対して物点側となるように位置決めする必要がある。これは、発散レンズ１５に平行光が入射したときは、発散レンズ１５の焦点から投光されたように発散レンズ１５から出射することから、発散レンズ１５の焦点位置が対物レンズ１６の焦点位置に対して対物レンズ１６側に位置した状態では、対物レンズ１６からの出射光は集光しないからである。
The positional relationship between the diverging
このような位置関係を満足した場合は、上述した縦倍率αの関係から、発散レンズ１５の変位量と対物レンズ１６による集光位置の変位量とが異なるように設定することが可能となる。つまり、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離が小さな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を大きく設定することができる。これに対して、対物レンズ１６の焦点距離に対して発散レンズ１５の焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置とが大きな場合は、発散レンズ１５の変位量に比べて対物レンズ１６による集光位置の変位量を小さく設定することができる。
If such a positional relationship is satisfied, the displacement amount of the diverging
４．対物レンズの移動機構
さて、本実施形態では、対物レンズ１６をＣＰＵ２１による制御によって、ＬＤ１１からの光の光軸（以下、「光軸方向」）に垂直な面上に沿って水平移動させる移動手段２８が設けられている。具体的には、先端に対物レンズ１６の周縁部が連結され、スライド移動可能に設けられたアーム２８Ａを、駆動装置２８Ｂから電流が流されるムービングコイル（図示せず）によって生じる磁気力によって水平移動（図１で白抜き矢印方向）させるようになっている。このような構成により、図５に示すように、対物レンズ１６と被測定物体１７表面との距離Ｈを維持しつつ、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂから対物レンズ１６にて収束された光の集光点Ｐ２を、光軸方向に対して垂直な平面上に沿って水平移動させることができるのである。なお、上述したように、対物レンズ１６には、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂにより若干拡散され近似平行光とされた光が照射されるが、この光は、略平行光とみなせる範囲の光であり、対物レンズ１６を水平移動させても、上記集光点Ｐ２は略水平移動し、変位測定精度に実質的な影響はない。
4). Moving mechanism of the objective lens In the present embodiment, the moving means for horizontally moving the
そして、アーム２８Ａの先端部側方には、対物レンズ位置検出器２９（第２位置検出手段）が設けられている。対物レンズ位置検出器２９は、アーム２８Ａ、即ち対物レンズ１６の水平位置変位を検出し、その位置変位に応じた水平位置信号を出力する。この水平位置信号を増幅器３０で増幅し、増幅器３０から出力される出力信号をＣＰＵ２１へ入力させることにより、ＣＰＵ２１は、対物レンズ１６の水平位置を検出可能となっている。
An objective lens position detector 29 (second position detecting means) is provided on the side of the distal end portion of the
５．変位測定動作について
被測定物体１７の表面変位を検出する際は、被測定物体１７を検出位置に位置させた状態で装置を駆動する。すると、ＣＰＵ２１は、音叉１を振動させた状態で、レーザ駆動制御回路１２からＬＤ１１に駆動電流を供給する。これにより、ＬＤ１１はレーザ光を出射し、この出射光は、ビームスプリッタ１３、コリメータレンズ１４、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ及び対物レンズ１６を通過して被測定物体１７へ集光状態で投射される。被測定物体１７で反射した反射光は、対物レンズ１６、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ及びコリメータレンズ１４を通過してビームスプリッタ１３でＰＤ１９側へ反射し、光絞り部１８のピンホール１８ａを通過した光のみがＰＤ１９へ入射する。この結果、被測定物体１７で生じた潜り光及びＬＤ１１で発生した迷光による反射光は、ピンホール１８ａを通過することができず、ＰＤ１９には、コリメータレンズ１４によりピンホール１８ａに集光された光、つまり被測定物体１７に集光状態で反射した光のみが入射することになる。そして、ＰＤ１９からの受光出力に応じた信号が増幅器２０へ出力されるので、増幅器２０からは増幅信号がデジタル化されてＣＰＵ２１へ出力される。
5). Displacement Measurement Operation When detecting the surface displacement of the
ここで、収束レンズ１５Ａは微振動していることから、収束レンズ１５Ｂと被測定物体１７との距離、つまり、対物レンズ１６により集光される光の位置が変化する。この場合、対物レンズ１６により集光される光の位置の変位量は、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの相対距離変位量に対して一定の関係をもった値になる。
そして、対物レンズ１６から被測定物体１７に投射した光の集光位置が被測定物体１７上となると、ＰＤ１９の受光出力は瞬時に最大となるので、ＰＤ１９からの受光出力は最大となる。
ＣＰＵ２１は、増幅器２４からの増幅信号を監視しており、増幅信号が最大となる時点における音叉振幅検出器２３からの検出信号に基づいて収束レンズ１５Ｂの位置を求める。収束レンズ１５Ａの位置については、収束レンズ１５Ｂの位置に基づいて推定的に算出される。この場合、被測定物体１７の表面の変位量は、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの相対距離変位量に一定の関係をもった値で求めることができる。なお、収束レンズ１５Ａの位置については、その収束レンズ１５Ａの位置を検出する位置センサとしての音叉振幅検出器を別途設けて、両収束レンズ１５Ａ，１５Ｂを独立的に検出する構成であってもよい。そして、検出された収束レンズ１５Ａ，１５Ｂそれぞれの位置の相対距離変位量に一定の関係をもった値で求めるようにするのである。このような構成であれば、音叉１の自由端２Ａ，２Ａ、即ち収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの相対距離変位量をより正確に検知することができる。
Here, since the converging
When the condensing position of the light projected from the
The
そして、次に、ＣＰＵ２１は、移動手段２８によって対物レンズ１６を水平移動させて、被測定物体上における光の照射部位を移動させ、再び上記と同様の動作を実行して、当該照射部位における表面変位量（光軸方向における被測定物体１７の表面位置、高さ）を測定する。このように対物レンズ１６を水平移動させつつ各照射部位における表面変位量を順次測定することで、被測定物体１７の二次元的な表面変位をサンプリングすることができる。
なお、これらのサンプリング結果は、例えば、図６に示すように、増幅器３０からの増幅信号に基づく対物レンズの水平位置情報（Ｘ，Ｙ）と、増幅器２４からの増幅信号に基づく収束レンズ１５Ｂの位置情報（Ｚ）として互いに対応付けられてメモリ２２（記憶手段）に順次記憶される。これにより、メモリ２２に記憶された各照射部位毎の対物レンズの水平位置情報（Ｘ，Ｙ）及び収束レンズ１５Ｂの位置情報（Ｚ）に基づいて被測定物体１７の表面変位を二次元的に把握することができる。
Then, the
Note that, as shown in FIG. 6, for example, these sampling results are obtained from the horizontal position information (X, Y) of the objective lens based on the amplified signal from the
６．本実施形態の効果
（１）以上のように、本実施形態では、被測定物体１７の表面変位（光軸方向における変位）を測定するための構成として、コリメータレンズ１４と対物レンズ１６との間に、ＬＤ１１からの光を若干発散させて近似平行光（略平行光）とする補助光学手段（収束レンズ１５Ａ，１５Ｂ）を設けて、この補助光学手段を上記光の光軸に沿って移動（振動）させることにより、対物レンズ１６を透過した光の焦点位置Ｐ２を変位させる構成とした。これにより、変位測定装置自体ではなく、対物レンズ１６だけを上記光軸に対して垂直な平面に沿って水平移動させることが可能になった。変位測定装置自体を水平移動させる場合に比べて対物レンズ１６だけを水平移動させる方が、音叉１の振幅運動への影響が小さく、また、移動機構も小型化することができる。
6). Advantages of the present embodiment (1) As described above, in the present embodiment, the configuration for measuring the surface displacement (displacement in the optical axis direction) of the measured
従って、対物レンズ１６を移動手段２８によって水平移動させて被測定物体１７表面上の光の照射部位を順次移動させ、各照射部位について、対物レンズの水平位置情報（Ｘ，Ｙ）及び収束レンズ１５Ｂの位置情報（Ｚ）を順次取得し、被測定物体１７の表面変位を二次元的に正確に把握することができる。
Accordingly, the
（２）また、このような実施形態によれば、ＬＤ１１からの光を平行光に変換するコリメータレンズ１４と対物レンズ１６との問に収束レンズ１５Ａ，１５Ｂを介在させ、対物レンズ１６の焦点距離に対する収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの焦点位置と対物レンズ１６の焦点位置との距離の関係から、振動させる収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの変位量と被測定物体１７に対する集光位置の変位量との割合を任意に設定可能としたので、対物レンズを振動させることにより被測定物体の変位を測定する構成と違って、より高精度な測定や、より広い範囲の測定が可能となる。
(2) According to such an embodiment, the converging
（３）更に、コリメータレンズ１４からの平行光を収束レンズ１５Ａ，１５Ｂにより若干発散させて近似平行光（略平行光）にするようにしたので、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂを対物レンズ１６よりも小さくすることができる。従って、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂをより高速に振動させることが可能であり、高速測定が容易にできるという利点を生じると共に、コリメータレンズ１４からの平行光の光芒幅を抑制することができるので、装置の小型化を図ることができる。
(3) Further, since the parallel light from the
＜第２実施形態＞
以下、実施形態２の変位測定装置について図７に基づいて説明する。ここで、例えば、上記実施形態１に対し、上記近似平行光とするために発散レンズを音叉の一方の自由端２Ａだけに連結した構成とすると、音叉の振動に伴う発散レンズの変位により当該発散レンズの光軸が対物レンズ１６の光軸に対して僅かに傾き、対物レンズ１６による集光位置がＬＤ１１の光軸からずれてしまうことから、この本実施形態では、この光軸ぶれを防止したことを特徴とする。なお、本実施形態の変位測定装置も、実施形態１と同様に、対物レンズ１６の移動手段２８が設けられており、被測定物体６８の二次元的な表面変位を測定できるようになっている。この構成は、実施形態１と同様なので説明を省略する。
Second Embodiment
Hereinafter, the displacement measuring apparatus of Embodiment 2 is demonstrated based on FIG. Here, for example, when the diverging lens is connected to only one
図７は、変位測定装置における光学系の構成を概略的に示している。同図において、図示しないケース内には光学系が構成されており、投光手段であるＬＤ６２は、図示しないレーザ駆動制御回路で駆動された状態でレーザ光を出射し、そのレーザ光は、光分割手段であるハーフミラー６３（偏光ビームスプリッタまたはビームスプリッタでも可）を通過した後、コリメータレンズ６４で平行光に変換される。
FIG. 7 schematically shows a configuration of an optical system in the displacement measuring apparatus. In the figure, an optical system is configured in a case (not shown), and an
コリメータレンズ６４で変換された平行光は、後述する補助光学手投としての第１レンズ６５及び第２レンズ６６により若干発散され完全平行でない近似平行光（略平行光）とした状態でケース６１に装着された対物レンズ６７に入射することにより被測定物体６８に集光状態で投射される。
The parallel light converted by the
ここで、第１レンズ６５は光を発散させるレンズであり、本実施形態においては発散レンズ（以下、発散レンズ６５と称する）を用いているが、これに限らず、収束レンズを用いてもよい。この場合、収束レンズで収束した光も収束点（焦点位置）を越えた領域では発散されることになるので、発散レンズと同様の作用を得ることができる。第２レンズ６６は光を収束させるレンズであり、本実施形態においては収束レンズ（以下、収束レンズ６６と称する）を用いている。
Here, the
以上のコリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６及び対物レンズ６７は複数のレンズからなる複合レンズから構成されていてもよく、この場合、主平面及ぴ主曲面で規定することができ、一方の面が平面、他方の面が曲面で形成された単レンズとみなすことができる。
なお、レンズが平凸の単レンズで形成されている場合は、平凸レンズの平面が主平面に一致し、他面が主曲面に一致する。図７では、コリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６、対物レンズ６７は単レンズとして図示したが、主平面及び主曲面からなる複合レンズであってもよい。
The
When the lens is formed of a plano-convex single lens, the plane of the plano-convex lens coincides with the main plane, and the other surface coincides with the main curved surface. In FIG. 7, the
被測定物体６８からの反射光は、対物レンズ６７、収束レンズ６６、発散レンズ６５、コリメータレンズ６４を通過してハーフミラー６３で反射することにより、ＬＤ６２に対して直交する方向に反射され、光絞り部６９のピンホールを通過して受光手段であるＰＤ７０へ入射するようになっている。
なお、図７には示していないが、光分割手段をハーフミラー６３に代えて偏光ビームスプリッタで構成した場合には、偏光ビームスプリンタを通過したレーザ光が被測定物体６８で反射して偏光ビームスプリンタに戻った際に光の振動方向を９０度回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けられており、これにより、偏光ビームスプリッタに戻ったレーザ光がＬＤ６２の光軸の直交方向に反射されるようになっている。
The reflected light from the object to be measured 68 passes through the
Although not shown in FIG. 7, when the light splitting means is constituted by a polarization beam splitter instead of the
ＰＤ７０で光電変換した信号は、図示しない増幅器へ入力され、その出力信号は、制御手段であるＣＰＵ(図示しない)へ入力されるようになっている。本実施の形態では、上述しだＰＤ６２、ハーフミラー６３、コリメータレンズ６４、発散レンズ６５、収束レンズ６６、対物レンズ６７、光絞り部６９、ＰＤ７０、ＣＰＵから合焦装置が構成されている。
The signal photoelectrically converted by the
ここで、ＬＤ６２の光軸に対して直交する方向を指向するようにレンズ可動手段としてのＵ字形状の音叉１が配設されており、その音叉の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５の周縁部分が連結されていると共に、他方の自由端２Ａの先端に収束レンズ６６の周縁部分が連結されている。発散レンズ６５は、コリメータレンズ６４からの平行光を発散させた状態で収束レンズ６６に入射させ、収束レンズ６６は、発散レンズ６５で発散された光を若干収束させることにより対物レンズ６７に若干発散され完全平行ではなく近似平行光（略平行光）とされた状態で入射させる。これらの発散レンズ６５及び収束レンズ６６は、音叉１の微振動によりＬＤ６２からのレーザ光の光軸に沿って所定振幅で振動するようになっている。
Here, a
また、本実施形態では、音叉１の一方の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５を連結した上で、他方の自由端２Ａの先端に収束レンズ６６を連結するように構成した。つまり、音叉１が振動した際に、一方の自由端２Ａの振動による発散レンズ６５の微小な光軸ぶれを、他方の自由端２Ａの振動による収束レンズ６６の微小な反対方向への光軸ぶれにより相殺するのである。
In the present embodiment, the diverging
ここで、発散レンズ６５の光軸中心（レンズ中心軸）と収束レンズ６６の光軸中心（レンズ中心軸）とが一致するように音叉１の自由端２Ａの先端に連結されている。また、発散レンズ６５及び収束レンズ６６が音叉１に連結された状態で、音叉１における一方の自由端２Ａと他方の自由端２Ａの固有振動数は等しく構成されている。この場合、音叉１の固有振動数は、音叉の材質、厚み、梁の長さ（振動する棒状部分）、重さ、音叉に連結するレンズ部の形状（大きさ、重さ、材質）により決定されるもので、これらを適宜組み合わせて、所望の振動を得るように設計されている。
Here, the optical axis center (lens center axis) of the diverging
さらに、本実施形態では、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の主曲面の頂点が、音叉１における振動中心軸に略位置する構成となっている。具体的には、図７中に示すＡが音叉１の自由端２Ａの振動中心点であり、音叉１の自由端２Ａはこの振動中心点Ａを中心とする円弧状に振動している、この場合、振動中心点Ａを基点としてＬＤ６２の光軸に直交する線が振動中心軸（図中に一点鎖線で示す）であり、レンズは振動中心軸の変位に応じて変位する。本実施形態では、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の主曲面の頂点が振動中心軸に略位置するように設定されている。つまり、主平面及び主曲面で規定されるレンズは、その主曲面が光の屈折に主に寄与することから、レンズの主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることによりレンズの主曲面の変位を最小とすることができる。これにより、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の光軸がＬＤ６２の光軸から大きくずれないようにすることができるので、音叉１の振動による光軸ぶれを極力抑制することができる。
Further, in the present embodiment, the vertices of the main curved surfaces of the diverging
ところで、音叉１の自由端２Ａの先端に発散レンズ６５及び収束レンズ６６を直接的に連結した構成において、自由端２Ａの指向方向と振動中心軸の指向方向とを一致させた場合(自由端２Ａの指向方向がＬＤ６２の光軸と直交している場合)、凹レンズで示される発散レンズ６５に関してはその主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることができるものの、凸レンズで示される収束レンズ６６に関してはその主曲面の頂点を振動中心軸に一致させることができないことから、収束レンズ６６が連結された自由端２Ａを内側に折曲した形状とした。
By the way, in the configuration in which the diverging
一方、音叉１の自由端２Ａの側方の近接した位置には、例えば渦電流式磁気センサ、或は光センサ、或は静電容量センサを利用した位置検出手段(位置センサ)たる音叉振幅検出器７２が配設されており、音叉１の振動位置、つまり発散レンズ６５の位置を検出するようになっている。音叉振幅検出器７２が検出した検出振幅信号は増幅器へ入力され、その出力信号はＣＰＵへ入力される。
On the other hand, at a position close to the side of the
音叉１の自由端２Ａの側方には、当該音叉１を振動させるためのソレノイド７３が配設されている。このソレノイド７３は、ＣＰＵからの駆動信号に基づいて音叉振幅制御回路から制御電流が供給されることに応じて駆動するようになっており、圧電素子を用いるようにしてもよい。音叉振幅制御回路には増幅器の出力信号が与えられており、音叉の振幅を一定にするようにフィードバック制御するようになっている。
A
このような構成において、音叉振幅制御回路からソレノイド７３に所定周波数の交流電流を供給すると、ソレノイド７３から交流磁界が発生する。この交流磁界により音叉１が所定振幅で微振動し、発散レンズ６５がＬＤ６２の光軸に沿って振動する。そして、音叉振幅検出器７２は、音叉１の振幅、即ち発散レンズ６５の振幅を検出し、発散レンズ６５の振幅を示す正弦波信号を出力する。この正弦波信号を増幅器で増幅し、増幅器から出力される出力信号をＣＰＵへ入力させることにより、ＣＰＵは、発散レンズ６５の位置を検出可能となっている。
In such a configuration, when an alternating current having a predetermined frequency is supplied from the tuning fork amplitude control circuit to the
このような実施形態によれば、音叉１の自由端２Ａの一方に発散レンズ６５を連結した上で、他方の自由端２Ａに収束レンズ６６を連結するようにしたので、音叉の振動による発散レンズ６５の移動に伴う光軸ぶれを収束レンズ６６による反対方向への光軸ぶれにより抑制することができ、第２実施形態のものに比較して、検出精度を高めることができる。
According to such an embodiment, the diverging
また、本実施の形態では、発散レンズ６５と収束レンズ６６とは音叉１の振動に伴って光軸に沿って互いに反対方向に移動するようにアフォーカル系を構成していることから、例えば発散レンズ６５と収束レンズ６６とが接近するように移動する場合は、発散レンズ６５は対物レンズ６７に接近するように移動すると同時に、収束レンズ６６は対物レンズ６７から離間するように移動する。ここで、発散レンズ６５が対物レンズ６７に接近するように移動した場合は、対物レンズ６７による集光位置は対物レンズ６７から離間するように変位すると共に、収束レンズ６６が対物レンズ６７から離間するように移動した場合も、対物レンズ６７による集光位置は対物レンズ６７から離間するように変位する。この結果、対物レンズ６７による集光位置は、発散レンズ６５と収束レンズ６６との協調動作により、発散レンズ６５及び収束レンズ６６を単体で移動した場合に比較して、対物レンズ６７から離間する変位(発散レンズ６５と収束レンズ６６とが離間するように移動する場合は、対物レンズ６７による集光位置が対物レンズ６７に近接する変位)を増大することができる。このことは、第２実施形態で説明した縦倍率を大きくできることを意味しており、発散レンズを音叉の一方の自由端２Ａだけに連結した上述の構成のものよりも検出精度を高めながら、音叉１の振動による振幅を抑制することができ、結果として検出の高速化を図ることができる。
In the present embodiment, since the diverging
なお、発散レンズ６５及び収束レンズ６６の周縁部を音叉１の自由端２Ａの先端に直接連結する構造としては、図８に示すように収束レンズ６６と連結された自由端２Ａを外側に折曲した形状としてもよい。また、発散レンズ６５と収束レンズ６６との位置関係及び主平面と主曲面の向きについては図９ないし図１５に示すように種々の組合せが可能である。この場合、収束レンズ６６をホルダ７４により保持することにより音叉１の自由端２Ａの指向方向と振動中心軸の指向方向とを一致させることが可能となり、音叉１の両方の自由端２Ａを平行な形状とすることができる。
As a structure for directly connecting the peripheral portions of the diverging
＜実施形態３＞
本実施形態について、図１６及び図１７を参照しつつ説明する。本実施形態に係る変位測定装置は、被測定物体８０の照射部位について光軸方向の変位量に加えて傾斜角度をも測定できるものである。なお、実施形態１と同じ構成については同一符号を付して重複する説明を省略し、異なるところのみを別の符号を付して説明する。
<Embodiment 3>
The present embodiment will be described with reference to FIGS. 16 and 17. The displacement measuring apparatus according to the present embodiment is capable of measuring an inclination angle in addition to the displacement amount in the optical axis direction with respect to the irradiated portion of the
１．光軸方向の変位測定のための構成
ＬＤ１１から出射された光は、まずコリメータレンズ１４によって平行光とされた後に、ビームスプリッタ１３で反射し、全反射ミラー８１によって下方に向きが変えられる。そして、その光Ｌ１は、やはり音叉１の両自由端２Ａ，２Ａに連結された収束レンズ１５Ａ，１５Ｂにやや拡散され、１／４波長板を介して対物レンズ１６に照射され、この対物レンズ１６を介して被測定物体８０表面上に集光される。そして、被測定物体８０表面上で反射した光は、再び対物レンズ１６、１／４波長板、収束レンズ１５Ｂ，１５Ａ、全反射ミラー８１を介してビームスプリッタ１３を透過し、受光レンズ８３によりＰＤ１９に集光される。なお、本実施形態も、実施形態１と同様に、ＰＤ１９の前方にピンホール１８ａが形成された光絞り部１８が配されている。
1. Configuration for measuring displacement in the optical axis direction The light emitted from the
２．角度測定のための構成
第２の投光手段としてのレーザダイオード（以下、「ＬＤ８５」）からの光Ｌ２は、ビームスプリッタ８６で反射され、収束レンズ８７により収束光される。そして、光Ｌ２は、１／４波長板８８を通って、光軸方向の変位測定用として使用される上記光Ｌ１の光路途中に配置された全反射ミラー８９によって向きが変えられ光Ｌ１と光軸が一致された状態で対物レンズ１６に照射され、この対物レンズ１６によって平行光とされて被測定物体８０表面上に照射される。そして、その光Ｌ２の反射光は、対物レンズ１６によって収束光にされて、全反射ミラー８９、１／４波長板８８、収束レンズ８７を介し、ビームスプリッタ８６を透過し、ＣＣＤ９０（撮像素子）の撮像面上に集光される。このＣＣＤ９０の撮像面上での集光位置Ｐ３は、被測定物体８０表面上における光Ｌ２の照射部位の傾斜角度に応じて変位する。従って、ＣＰＵ２１は、ＣＣＤ駆動回路９１を駆動させて、ＣＣＤ９０からの撮像信号を取得し、この撮像信号に基づき被測定物体８０の照射部位の傾斜角度を測定することができる。
2. Configuration for Angle Measurement Light L2 from a laser diode (hereinafter referred to as “LD85”) as a second light projecting means is reflected by a
３．本実施形態の作用効果
本実施形態では、ＣＰＵ２１は、移動手段２８によって対物レンズ１６を水平移動させて、被測定物体８０上における光の照射部位を移動させ、増幅器２０からの増幅信号に基づき当該照射部位における表面変位量（光軸方向における被測定物体８０の表面位置、高さ）を測定する。それと同時に、ＣＣＤ９０からの撮像信号に基づき傾斜角度を測定する。そして、移動手段２８によって対物レンズ１６を移動させ、移動後の照射部位における表面変位量及び傾斜角度を再び測定する。このような動作を順次繰り返すことにより、被測定物体８０の二次元的な表面変位及び傾斜角度をサンプリングすることができる。
なお、これらのサンプリング結果は、例えば、図１７に示すように、増幅器３０からの増幅信号に基づく対物レンズの水平位置情報（Ｘ，Ｙ）と、増幅器２４からの増幅信号に基づく収束レンズ１５Ｂの位置情報（Ｚ）と、更に、ＣＣＤ９０からの撮像信号に基づく傾斜角度情報（θＸ，θＹ）として互いに対応付けられてメモリ２２（記憶手段）に順次記憶される。これにより、メモリ２２に記憶された各照射部位毎の対物レンズ１６の水平位置情報（Ｘ，Ｙ）、収束レンズ１５Ｂの位置情報（Ｚ）、及び、傾斜角度情報（θＸ、θＹ）に基づいて被測定物体１７の表面変位及び傾斜角度変位を二次元的に把握することができる。
3. Effects of the Present Embodiment In the present embodiment, the
Note that, as shown in FIG. 17, for example, these sampling results are obtained from the horizontal position information (X, Y) of the objective lens based on the amplified signal from the
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記各実施形態では、移動手段は、対物レンズを一次元的に移動させるだけであったが、これに限らず、光軸方向に垂直な平面に沿って二次元的に移動させて、三次元的、つまり立体的に、被測定物体の表面変位や傾斜角度変位を測定する構成であってもよい。
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and further, within the scope not departing from the gist of the invention other than the following. Various modifications can be made.
(1) In each of the above embodiments, the moving means only moves the objective lens one-dimensionally, but is not limited to this, and the moving means moves two-dimensionally along a plane perpendicular to the optical axis direction. Alternatively, the configuration may be such that the surface displacement and the tilt angle displacement of the object to be measured are measured three-dimensionally, that is, three-dimensionally.
（２）上記各実施形態では、対物レンズ位置検出器２９を設けて対物レンズ２９の水平位置を検出する構成としたが、ＣＰＵ２１から予め各水平位置に対物レンズ１６を移動させるための制御信号を出力し、この制御信号に基づき対物レンズ１６を水平移動させる構成であれば、対物レンズ位置検出器２９を省略する構成とすることも可能である。
(2) In each of the above embodiments, the objective
（３）被測定物体の変位量を、縦倍率を求める数式に基づいて演算するのに代えて、実施形態１における発散レンズ１５、収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置に基づいて求めるようにしてもよい。つまり、発散レンズ１５或は収束レンズ１５Ａ，１５Ｂと集光位置との対応関係をテーブルに記憶したり、或は関数で演算したりするようにし、受光量が最大となる時点における発散レンズ１５或は収束レンズ１５Ａ，１５Ｂの位置に基づいて被測定物体の変位量を求めるものである。
この場合、発散レンズ１５或は収束レンズ１５Ａ，１５Ｂと集光位置との対応関係は、理論値ではなく実際の実験結果から求めるようにしてもよい。
(3) Instead of calculating the displacement amount of the object to be measured based on the mathematical expression for obtaining the vertical magnification, the displacement amount may be obtained based on the positions of the diverging
In this case, the correspondence between the diverging
（４）また、サンプルモデルを使ってティーチングを行うようにしてもよい。つまり、例えば、所定高さ（具体的に、1.0mm）のサンプルにおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出し記憶させる。次に、先ほどと高さの違うサンプル（具体的に、1,1mm）をおいて、この高さ情報を記憶させると共に、このときの受光量最大点における位置信号を検出して記憶させる。これによって、O.1mmの変位量に対する位置信号の変位量との関係が求められる。従って、この位置信号の変位量に対応する被測定物体の変位量をテーブルに記憶したり、数式として求めて記憶させたりしてもよい。 (4) Teaching may be performed using a sample model. That is, for example, in a sample having a predetermined height (specifically, 1.0 mm), the height information is stored, and the position signal at the maximum received light amount at this time is detected and stored. Next, a sample (specifically, 1 mm) having a different height from the previous one is placed, and this height information is stored, and the position signal at the maximum received light amount at this time is detected and stored. As a result, the relationship between the displacement amount of the position signal and the displacement amount of O.1 mm is obtained. Therefore, the displacement amount of the measured object corresponding to the displacement amount of the position signal may be stored in a table, or may be obtained and stored as a mathematical expression.
（５）実施形態１において、発散レンズ１５、収束レンズ１５Ｂの位置を検出する手段としては、音叉振幅制御回路２６からの駆動信号に基づいて検出するようにしてもよい。この場合、発散レンズ１５等の位置を検出する手段を省略することができる。発散レンズ１５等を振動させるのに代えて、単に直線的に移動させるようにしてもよい。また、光絞り部１８を省略するようにしてもよい。
対物レンズを取り外し可能に設け、集束率の異なる対物レンズを装着可能としてもよい。対物レンズとして、例えば液体が封入され表面の湾曲率を調整することにより集束率を可変可能な構造のものを用いるようにしてもよい。発散レンズ或は収束レンズを変位させると同時に対物レンズの収束率を変更するようにしてもよい。
(5) In the first embodiment, the means for detecting the positions of the diverging
An objective lens may be detachably provided, and an objective lens having a different focusing rate may be attached. As the objective lens, for example, a lens having a structure in which a liquid is sealed and the focusing rate can be varied by adjusting the curvature of the surface may be used. The convergence rate of the objective lens may be changed simultaneously with the displacement of the diverging lens or the converging lens.
（６）上記実施形態１のビームスプリッタ１３の代わりに偏光ビームスプリッタに代えた構成であってもよい。なお、偏光ビームスプリッタを使用する場合、その偏光ビームスプリッタを通過したレーザ光が被測定物体１７で反射して偏光ビームスプリッタ１３に戻った際に光の振動方向を９０°回転させる振動方向変換手段としての１／４波長板が設けて、これにより、偏光ビームスプリッタに戻ったレーザ光がＬＤ１１の光軸の直交方向に反射されるようにしてもよい。
(6) A configuration in which a polarizing beam splitter is used instead of the
（７）実施形態３のビームスプリッタ１３、８６を、偏光ビームスプリッタに代えた構成であってもよい。なお、ビームスプリッタ１３、８６をそのまま使用する場合には、１／４波長板８２，８８を省略した構成としてもよい。
(7) The configuration may be such that the
１…音叉
１１…ＬＤ（投光手段）
１３，８６…ビームスプリッタ（導光手段）
１５Ａ，１５Ｂ…収束レンズ（補助光学手段）
１６，６７…対物レンズ
１７，６８，８０…被測定物体
１９，７０…ＰＤ（受光手段）
２１…ＣＰＵ（制御手段）
２２…メモリ（記憶手段）
２３，７２…音叉振幅検出器（第１位置検出手段）
２５，７３…ソレノイド（可動手段）
２６…音叉振幅制御回路（可動手段）
２７…間隔可変手段
２８…移動手段
２９…対物レンズ位置検出器（第２位置検出手段）
６２…ＬＤ（第２の投光手段）
６５…第１レンズ（補助光学手段）
６６…第２レンズ（補助光学手段）
９０…ＣＣＤ（撮像手段）
1 ...
13, 86 ... Beam splitter (light guide means)
15A, 15B ... Converging lens (auxiliary optical means)
16, 67 ...
21 ... CPU (control means)
22 ... Memory (storage means)
23, 72 ... tuning fork amplitude detector (first position detecting means)
25, 73 ... Solenoid (movable means)
26 ... Tuning fork amplitude control circuit (movable means)
27: Interval variable means 28 ... Moving means 29 ... Objective lens position detector (second position detecting means)
62... LD (second light projecting means)
65. First lens (auxiliary optical means)
66 ... Second lens (auxiliary optical means)
90 ... CCD (imaging means)
Claims (12)
この投光手段からの光を完全平行でない近似平行光にする補助光学手段と、
この補助光学手段からの光を被測定物体に集光状態で照射する対物レンズと、
この対物レンズによる集光を前記被測定物体を介して受光する受光手段と、
前記補助光学手段を移動するための駆動信号を出力する制御手段と、
この制御手段からの駆動信号に応じて前記補助光学手段を前記投光手段からの光の光軸に沿って移動させる可動手段と、
前記補助光学手段の位置を示す位置信号を出力する第１位置検出手段と、
前記受光手段での受光量が最大となる時点で前記第１位置検出手段から出力される位置信号を取得する取得手段と、
前記制御手段の駆動に応じて前記対物レンズを前記投光手段からの光の光軸に対して垂直な平面に沿って水平移動させる移動手段と、
前記対物レンズの位置を示す位置信号を出力する第２位置検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記移動手段によって対物レンズを水平移動させて前記被測定物体表面上における光の照射部位を順次移動させ、各照射部位について、前記第２位置検出手段からの位置信号と前記取得手段にて取得された位置信号とに基づき前記被測定物体の表面変位量を測定することを特徴とする変位測定装置。 A light projecting means for emitting light;
Auxiliary optical means for making the light from the light projecting means approximately parallel light that is not completely parallel;
An objective lens that irradiates the object to be measured with light from the auxiliary optical means in a condensed state; and
A light receiving means for receiving light collected by the objective lens through the object to be measured;
Control means for outputting a drive signal for moving the auxiliary optical means;
Movable means for moving the auxiliary optical means along the optical axis of light from the light projecting means in response to a drive signal from the control means;
First position detecting means for outputting a position signal indicating the position of the auxiliary optical means;
An acquisition means for acquiring a position signal output from the first position detection means when the amount of light received by the light receiving means is maximized;
Moving means for horizontally moving the objective lens along a plane perpendicular to the optical axis of the light from the light projecting means according to the driving of the control means;
Second position detecting means for outputting a position signal indicating the position of the objective lens,
The control means moves the objective lens horizontally by the moving means to sequentially move the light irradiation sites on the surface of the object to be measured, and obtains the position signal and the acquisition from the second position detection means for each irradiation site. A displacement measuring apparatus for measuring a surface displacement amount of the object to be measured based on a position signal acquired by the means.
撮像手段と、
前記照射手段から照射され前記被測定物体で正反射し前記対物レンズを介して戻ってきた反射光を前記撮像手段の撮像面上に導く導光手段と、
前記対物レンズ及び前記撮像手段間の前記反射光の光路上に配されて、その反射光を前記収束させて前記撮像手段の撮像面上に集光させる収束レンズとを備え、
前記制御手段は、前記各照射部位について、その傾き角度に応じて変化する、前記撮像手段からの撮像信号に基づき前記被測定物体表面の傾斜角度を測定することを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。 Irradiation means for irradiating parallel light to the irradiation site on the object to be measured through the objective lens;
Imaging means;
A light guide unit that guides reflected light that is irradiated from the irradiation unit and specularly reflected by the object to be measured and returned through the objective lens onto the imaging surface of the imaging unit;
A converging lens that is arranged on the optical path of the reflected light between the objective lens and the imaging means, and converges the reflected light on the imaging surface of the imaging means,
The said control means measures the inclination angle of the said to-be-measured object surface based on the imaging signal from the said imaging means which changes according to the inclination angle about each said irradiation site | part. Displacement measuring device.
前記位置センサの出力を前記位置信号として出力することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の変位測定装置。 The first position detecting means includes a position sensor for detecting the position of the auxiliary optical means,
8. The displacement measuring apparatus according to claim 1, wherein an output of the position sensor is output as the position signal.
前記第１レンズ及び第２レンズは、それらの光軸が一致するように設けられ、
前記音叉は、前記第１及び第２レンズが接続された状態で前記一方及び他方の自由端における固有振動数が等しく構成されていることを特徴とする請求項１０記載の変位測定装置。 The auxiliary optical means comprises a first lens connected to one free end of the tuning fork and a second lens connected to the other free end,
The first lens and the second lens are provided so that their optical axes coincide,
11. The displacement measuring device according to claim 10, wherein the tuning fork is configured to have an equal natural frequency at the one and the other free ends in a state where the first and second lenses are connected.
前記音叉の自由端の振動中心点を基点として前記投光手段の光軸に対して直角に交差する振動中心軸に前記第１レンズ及び第２レンズの前記主曲面の頂点が略位置していることを特徴とする請求項１１記載の変位測定装置。 The first lens and the second lens are defined by a main plane and a main curved surface,
The vertices of the main curved surfaces of the first lens and the second lens are substantially located on the vibration center axis that intersects at right angles to the optical axis of the light projecting means with the vibration center point of the free end of the tuning fork as a base point. The displacement measuring apparatus according to claim 11.
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