JP3164615B2

JP3164615B2 - 光学的測定装置

Info

Publication number: JP3164615B2
Application number: JP27991291A
Authority: JP
Inventors: 慧清野; 弘鈴木; 退三遠山
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1991-10-25
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: JPH05118815A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面形状な
どを半導体レーザなどの光を用いて測定する光学的測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、精密に仕上げられた被測
定物の表面形状を半導体レーザビームを用いて非接触で
測定する測定装置としては、例えば特開平１−２３３３
０７号公報に示すものが知られている。図９は、この種
の従来の光学的測定装置の構成図である。図９におい
て、１ａ，１ｂは光軸が直交する向きに配置した一対の
半導体レーザであり、この半導体レーザ１ａ，１ｂの前
面側にはコリメータレンズ２ａ，２ｂが配置されてい
る。ハーフミラー３は、半導体レーザ１ａからのレーザ
光を透過するとともに、半導体レーザ１ｂからのレーザ
光を直角に反射して被測定物８に向け照射させるもので
あり、このハーフミラー３のレーザ光出射側には、偏光
ビームスプリッタ４および１／４波長板５が配置されて
いる。また、偏光ビームスプリッタ４の側方には、被測
定物８により反射され、かつ偏光ビームスプリッタ４に
より側方へ曲げられてくる両レーザ光の反射光を集光す
る集光レンズ６が配置され、この集光レンズ６の焦点位
置には、両反射光のスポット位置から被測定物８の表面
の接線角を検出するためのＰＳＤ等の位置検出素子７が
配置されている。また、９は被測定物８を載置する移動
テーブルであり、この移動テーブル９上には、基準鏡１
０が設置されている。

【０００３】このように構成された従来の光学的測定装
置において、各半導体レーザ１ａ，１ｂから所定時間毎
に交互に発生するレーザ光は、それぞれのコリメータレ
ンズ２ａ，２ｂ，ハーフミラー３，偏光ビームスプリッ
タ４および１／４波長板５を通して被測定物８に照射さ
れる。そして、被測定物８の表面で反射された両レーザ
光の反射光は、１／４波長板５を通して偏光ビームスプ
リッタ４により集光レンズ６の方向へ曲げられ、集光レ
ンズ６により位置検出素子７上に結像される。このと
き、位置検出素子７上に結像された光スポットの位置に
応じて出力される信号が被測定物８の表面の接線角を表
わすから、近接する両レーザ光による接線角間の変化量
を２回積分することにより、被測定物８の表面形状を測
定することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、この種の光
学的測定装置に使用される半導体レーザは温度特性を有
するため、半導体レーザの温度が変化すると、そのレー
ザビーム光の出射角度が変動し、これが被測定物の表面
形状の測定精度に悪影響を及ぼす問題がある。そこで、
従来においては、半導体レーザを冷却することにより温
度調節をしたり、あるいは測定動作の前後において、レ
ーザ光射照点に図９に示す基準鏡１０を位置させ、被測
定物８の測定時と同様な操作を実行して基準鏡表面の接
線角を測定することにより温度ドリフト量を求め、これ
により半導体レーザの温度ドリフトを補正していた。

【０００５】しかしながら、半導体レーザの温度を調節
する方式では、半導体レーザの温度ドリフトを抑えるの
に限界があり、また、基準鏡を用いる方式では、測定中
の周期の短い温度ドリフトの影響を取り除くことができ
ず、いずれの方式も被測定物の表面形状の測定精度が悪
いという問題があった。本発明は、上述のような事情に
鑑みなされたもので、測定用ビーム光源のドリフトの影
響を確実に除去し、高精度の測定を可能にした光学的測
定装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１の（ａ）に対応づけて本発明を説明すると、本発明
は、一対の光源１０１，１０２と、前記各光源１０１，
１０２から出射される光ビームを被測定物８に向けて照
射させる光学系１０３と、前記光学系１０３の光路を間
欠遮断することにより前記各光源１０１，１０２の光ビ
ームを反射する回転体１０４と、前記被測定物８により
反射される光ビームおよび前記回転体１０４により反射
される光ビームの位置を検出する検出手段１０５と、前
記回転体１０４からの反射光ビームに対応する位置信号
に基づいて前記光源１０１，１０２のドリフト補正量を
算出し、この補正量により前記被測定物８からの反射光
ビームに対応する位置信号を補正してドリフト成分を除
去する演算手段１０６とを備えてなるものである。

【０００７】また、クレーム対応図である図１の（ｂ）
に対応づけて本発明を説明すると、本発明は、一対の光
源１０１，１０２と、前記各光源１０１，１０２から出
射される光ビームを被測定物８に向けて照射させる光学
系１０３と、前記光学系１０３から分割して取り出され
る前記各光源１０１，１０２からの光ビームの位置を検
出するモニタ用検出手段１０７と、前記被測定物８によ
り反射される光ビームの位置を検出する測定用検出手段
１０８と、前記モニタ用検出手段１０７から出力される
位置信号に基づいて前記光源１０１，１０２のドリフト
補正量を算出し、この補正量により前記測定用検出手段
１０８から出力される位置信号を補正してドリフト成分
を除去する演算手段１０９とを備えてなるものである。

【０００８】

【作用】測定中に回転体１０４が回転することにより、
光学系１０３の光路を遮断する毎に回転体１０４で反射
された光ビームの位置が検出手段１０５により検出さ
れ、演算手段１０６に時分割で取り込まれる。そして、
回転体１０４が光学系１０３の光路を遮断しないときに
被測定物８で反射された光ビームの位置が検出手段１０
５により検出され、演算手段１０６に時分割で取り込ま
れる。演算手段１０６では、回転体１０４からの反射光
ビームに対応する位置信号に基づいて光源１０１，１０
２のドリフト補正量を算出し、この補正量により被測定
物８からの反射光ビームに対応する位置信号を補正して
ドリフト成分を除去するから、高精度の形状測定などを
行うことができる。

【０００９】また、モニタ用検出手段１０７により検出
した位置信号に基づいて光源のドリフト補正量を演算手
段１０９で算出し、さらに、この補正量により測定用検
出手段１０８で検出した位置信号を補正してドリフト成
分を除去するから、高精度の形状測定などが可能にな
る。

【００１０】

【実施例】

−第１の実施例− 図２〜図５は、本発明の第１の実施例を示す。図２は、
全体の構成図を示すものであり、１１は差動オートコリ
メーションセンサ部、１２は差動オートコリメーション
センサ部１１の側部に取り付けられたパルスモータであ
り、このパルスモータ１２の下方へ突出する回転軸１２
ａには、ゼロデュアやインバーなどの低熱膨張係数の材
質からなるレーザ光モニタ用回転板１３の中間部が、図
２および図３に示すように、水平に固定されている。回
転板１３は長方形状をなし、その両端部が差動オートコ
リメーションセンサ部１１から被測定物（不図示）に向
け照射されるレーザ光路を遮断する長さを有し、この両
端部の上面には、図３に示すように、反射ミラー１４
ａ，１４ｂが設けられている。

【００１１】差動オートコリメーションセンサ部１１
は、図３に示すように、光軸が直交する向きに配置した
一対の半導体レーザ１１１ａ，１１１ｂと、この半導体
レーザ１１１ａ，１１１ｂのレーザ光出射前面に配置し
たコリメータレンズ１１２ａ，１１２ｂと、半導体レー
ザ１１１ａからのレーザ光を透過するとともに、半導体
レーザ１１１ｂからのレーザ光を９０°に曲げて被測定
物８に向け照射するハーフミラー１１３と、このハーフ
ミラー１１３のレーザ光出射側に配置した偏光ビームス
プリッタ１１４と、この偏光ビームスプリッタ１１４の
下面に設けた１／４波長板１１５と、偏光ビームスプリ
ッタ１１４の側方に配置され、被測定物８または回転板
１３の反射ミラー１４ａ，１４ｂにより、偏光ビームス
プリッタ１１４を介して反射されてくる両反射光を集光
する集光レンズ１１６と、この集光レンズ１１６の焦点
位置に配置され、両反射光の結像位置から被測定物８ま
たは反射ミラー１４ａ，１４ｂの表面の接線角を検出す
るためのＰＳＤ等からなる位置検出素子１１７とから構
成される。

【００１２】なお、位置検出素子１１７が１個であるた
め、半導体レーザ１１１ａ，１１１ｂのレーザ光は指定
の時間差をもって交互に発生する構成になっている。図
２において、１５は半導体レーザ１１ａ，１１ｂの温度
ドリフトによる補正量演算機能、および被測定物の測定
値の補正演算機能を有するとともに、全体を制御し管理
する演算制御装置であり、マイクロコンピュータ等から
構成される。

【００１３】演算制御装置１５には、差動オートコリメ
ーションセンサ部１１の位置検出素子１１７から出力さ
れる被測定物８の表面の接線角に相当する位置信号をデ
ジタル信号に変換するＡ−Ｄコンバータ１６が接続さ
れ、さらに、モニタ用のパルスモータ１２にパルス信号
を供給するパルス発生器１７が接続されている。パルス
発生器１７には、駆動回路１８を介してパルスモータ１
２が接続されている。また、１９はパルス発生器１７か
ら出力されるパルス信号を計数するカウンタであり、こ
のカウンタ１９からは、例えば回転板１３の回転角度が
０°，１８０°，２７０°になったときにタイミング信
号１９ａをＡ−Ｄコンバータ１６に出力し、これによっ
て位置検出素子１１７からの信号をデジタル変換して、
演算制御装置１５に取り込むようになっている。

【００１４】次に、上記のように構成された第１の実施
例の動作について説明する。演算制御装置１５からパル
ス発生器１７に動作指令が与えられると、パルス発生器
１７が動作して所定周波数のパルス信号を送出する。こ
のパルス信号が駆動回路１８を介してパルスモータ１２
に加えられると、パルスモータ１２は回転する。これに
より、回転板１３が回転すると、両端の反射ミラー１４
ａおよび１４ｂが差動オートコリメーションセンサ部１
１から被測定物８に向け照射されるレーザ光路内に位置
される毎に反射ミラー１４ａまたは１４ｂで反射された
２本のレーザ光に対応する各反射光が１／４波長板１１
５および偏光ビームスプリッタ１１４を通して集光レン
ズ１１６に向けられ、集光レンズ１１６により集光され
て位置検出素子１１７上にスポット光として結像され
る。これに伴い位置検出素子１１７からは、光スポット
の結像位置に応じた信号が出力される。このとき、半導
体レーザ１１１ａ，１１１ｂが温度ドリフトの影響を受
けていれば、位置検出素子１１７上に結像される光スポ
ットの位置は位置検出素子１１７の中心より温度ドリフ
トで生じたビーム光の振れ角に比例した分だけずれる。

【００１５】また、反射ミラー１４ａ，１４ｂが差動オ
ートコリメーションセンサ部１１の照射レーザ光路を遮
断しないときの２本のレーザ光は、被測定物８により反
射され、その両反射光は１／４波長板１１５および偏光
ビームスプリッタ１１４を介して集光レンズ１１６側へ
向けられ、集光レンズにより集光されて位置検出素子１
１７上にスポット光として結像される。これに伴い、位
置検出素子１１７からは、光スポットの結像位置に応じ
た信号が出力される。このときの位置信号は、被測定物
８の表面の傾き，即ち接線角に相当する。

【００１６】一方、パルス発生器１７から送出されるパ
ルス信号はカウンタ１９により順次計数され、その計数
内容が回転板１３の回転角０°，１８０°，２７０°に
相当する値になると、それぞれの計数値でＡ−Ｄコンバ
ータ１６に対しタイミング信号１９ａを出力する。回転
角が０°のとき、回転板１３の反射ミラー１４ａがレー
ザ光路内に位置するとすると、この反射ミラー１４ａに
より反射された２本のレーザ光に対応する位置信号がＡ
−Ｄコンバータ１６を通して演算制御装置１５に取り込
まれる。また、回転角が１８０°のとき、回転板１３の
反射ミラー１４ｂがレーザ光路内に位置するとすると、
この反射ミラー１４ｂにより反射された２本のレーザ光
に対応する位置信号がＡ−Ｄコンバータ１６を通して演
算制御回路１５に取り込まれる。さらに、回転角が２７
０°になったときは、レーザ光路内にいずれの反射ミラ
ーも存在しないため、被測定物８により反射された２本
のレーザ光に対応した位置信号がＡ−Ｄコンバータ１６
を通して演算制御装置１５に取り込まれる。

【００１７】次に、演算制御装置１５での演算処理を、
図５に基づいて説明する。まず、反射ミラー１４ａによ
り反射されたモニタ用のレーザ光に対応する位置信号ｄ
₁＝（θａ＋Δθ）／２ｆが取り込まれ、次いで、反射
ミラー１４ａにより反射されたレーザ光に対応する位置
信号ｄ₂＝（−θａ＋Δθ）／２ｆが取り込まれる。但し、θａ：反射ミラー１４ａ自体が持つ傾き角 Δθ：半導体レーザの温度ドリフトによる傾き角ｆ：集光レンズの焦点距離

【００１８】ここで、反射ミラー１４ａがモータ回転軸
１２ａの熱変形などにより（＋）方向に傾いていれば、
反射ミラー１４ｂは（−）方向に傾くことになる。その
結果、反射ミラー１４ｂの傾き角は−θａとなる。さら
に、被測定物８により反射されたレーザ光に対応する位
置信号が取り込まれると、ｄ₄＝（θ＋Δθ）／２ｆに
より、被測定物８により反射された２本のレーザ光の被
測定物表面に応じたずれ量ｄ₄を演算する。但し、θ：被測定物８の表面形状によって生じる傾き角なお、ずれ量ｄ₄は、位置検出素子１１７の中心から光
スポットの位置までの距離信号に相当するから、この信
号は被測定物８の表面の接線角を表わすことになる。

【００１９】ｄ₃＝（ｄ₁＋ｄ₂）／２によって、モー
タ回転軸の熱変形などによる回転板１３の姿勢変化を補
正した温度ドリフトの補正値ｄ₃を演算する。次いで、
ｄ＝（ｄ₄−ｄ₃）＝θ／２ｆにより、被測定物８によ
って反射される位置信号から半導体レーザの温度ドリフ
トに相当する成分を除去した被測定物の表面形状に対応
する接線角を検出する。

【００２０】このようにして得られた２本の近接する照
射レーザ光に対応する被測定物８の表面の接線角の変化
量を２回積分することにより、被測定物８の表面形状を
測定することができる。なお、図６は、図５に示すθ＝
２ｆｄを図解したものである。このように、第１の実施
例においては、半導体レーザの温度ドリフトの影響だけ
でなく、全ての光学素子の機械的，光学的ドリフトの影
響を除去することができ、これに伴い、被測定物の表面
形状を高精度に測定することができる。

【００２１】−第２の実施例− 図７は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。図
７において、図２および図３と同一の部分には同一符号
を付してその説明を省略し、図２と異なる部分を重点に
述べる。図７からも明らかなように、図２および図３に
示すモニタ用のパルスモータ１２および回転板１３を省
略し、これに代えて、ハーフミラー１１３と偏光ビーム
スプリッタ１１４との間に別のハーフミラー２００を配
置し、このハーフミラー２００の側方には、半導体レー
ザのドリフト検出専用の位置検出素子２０１を配置し、
さらに、この位置検出素子２０１とハーフミラー２００
間には、ハーフミラー２００により反射されてくる半導
体レーザ１１１ａ，１１１ｂの一部のレーザ光を集光し
て位置検出素子２０１上に結像する集光レンズ２０２を
設ける。

【００２２】また、位置検出素子１１７および２０１か
ら出力される位置信号の一方を選択するマルチプレクサ
２０３を設け、このマルチプレクサ２０３により選択さ
れた一方の位置信号をＡ−Ｄコンバータ２０４によりデ
ジタル量に変換して、演算制御装置２０５に取り込むよ
うにしたものである。次に、図８を参照して第２の実施
例の動作を説明する。

【００２３】まず、演算制御装置２０５からマルチプレ
クサ２０３に選択信号２０６が入力されると、位置検出
素子１１７で検出さた位置信号が選択され、Ａ−Ｄコン
バータ２０４によりデジタル量に変換されて演算制御装
置２０５に取り込まれる。演算制御装置２０５では、ｄ
₅＝（θ＋Δθ）／２ｆにより、被測定物８により反射
された２本のレーザ光の被測定物表面に応じたずれ量ｄ
₅を演算する。

【００２４】また、マルチプレクサ２０３が位置検出素
子２０１で検出された位置信号を検出すると、この位置
信号はＡ−Ｄコンバータ２０４を通して演算制御装置２
０５に取り込まれる。演算制御装置２０５では、ｄ₆＝
Δθ／２ｆにより、半導体レーザ１１１ａ，１１１ｂの
温度ドリフトによるずれ量ｄ₆を演算する。その後、ｄ
＝（ｄ₅−ｄ₆）＝θ／２ｆにより、被測定物８によっ
て反射される位置信号から半導体レーザの温度ドリフト
に相当する成分を除去した被測定物の表面形状に対応す
る接線角を検出する。

【００２５】また、このようにして得られた２本の近接
する照射レーザ光に対応する被測定物８の表面の接線角
の変化量を２回積分することにより、被測定物の表面形
状を測定することができる。このような第２の実施例に
おいても、第１の実施例と同様な作用効果が得られるほ
か、パルスモータおよび回転板が不要になる。

【００２６】なお、本発明は、上記実施例に示す構成の
ものに限らず、請求項に記載した範囲を逸脱しない限
り、種々に変形し得る。上記実施例において、半導体レ
ーザ１１１ａ，１１１ｂが光源１０１，１０２を、ハー
フミラー１１３，ビームスプリッタ１１４，１／４波長
板１１５等が光学系１０３を、位置検出素子１１７が検
出手段１０５および１０８を、位置検出素子２０１がモ
ニタ用検出手段１０７を、演算制御装置１１５が演算手
段１０７，１０９をそれぞれ構成する。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定中の光源からの光ビームを直接または回転体を利用
してモニタし、そのモニタ結果をもとに光源のドリフト
補正量を算出し、この補正量により被測定物の測定値を
補正してドリフト成分を除去するようにしたので、半導
体レーザの温度ドリフトの影響だけでなく、全ての光学
素子の機械的，光学的ドリフトの影響を除去することが
でき、これに伴い被測定物の表面形状を高精度に測定す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクレーム対応図であって、（ａ）は請
求項１に対応するブロック図、（ｂ）は請求項２に対応
するブロック図である。

【図２】本発明の第１の実施例を示す全体の構成図であ
る。

【図３】第１の実施例におけるオートコリメートセンサ
部および回転部分を示す構成図である。

【図４】図３の下面図である。

【図５】第１の実施例における演算制御装置での演算処
理状況を示す説明図である。

【図６】第１の実施例における説明図である。

【図７】本発明の第２の実施例を示す全体の構成図であ
る。

【図８】第２の実施例における演算処理状況を示す説明
図である。

【図９】従来の光学的測定装置の構成図である。

【符号の説明】

８被測定物１１オートコリメーションセンサ部１１１ａ，１１１ｂ半導体レーザ１１３，２００ハーフミラー１１４ビームスプリッタ１１５１／４波長板１１６集光レンズ１１７，２０１位置検出素子１３回転板１４ａ，１４ｂ反射ミラー１５，２０５演算制御装置１７パルス発生器１９カウンタ１０１，１０２光源１０３光学系１０４回転体１０５検出手段１０６，１０９演算手段１０７モニタ用検出手段１０８測定用検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠山退三愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地豊田工機株式会社内 (56)参考文献特開平１−233307（ＪＰ，Ａ) 特開平３−285104（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−162805（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の光源と、前記各光源から出射され
る光ビームを被測定物に向けて照射させる光学系と、前
記光学系の光路を間欠遮断することにより前記各光源の
光ビームを反射する回転体と、前記被測定物により反射
される光ビームおよび前記回転体により反射される光ビ
ームの位置を検出する検出手段と、前記回転体からの反
射光ビームに対応する位置信号に基づいて前記光源のド
リフト補正量を算出し、この補正量により前記被測定物
からの反射光ビームに対応する位置信号を補正してドリ
フト成分を除去する演算手段とを備えたことを特徴とす
る光学的測定装置。
【請求項２】一対の光源と、前記各光源から出射され
る光ビームを被測定物に向けて照射させる光学系と、前
記光学系から分割して取り出される前記各光源からの光
ビームの位置を検出するモニタ用検出手段と、前記被測
定物により反射される光ビームの位置を検出する測定用
検出手段と、前記モニタ用検出手段から出力される位置
信号に基づいて前記光源のドリフト補正量を算出し、こ
の補正量により前記測定用検出手段から出力される位置
信号を補正してドリフト成分を除去する演算手段とを備
えたことを特徴とする光学的測定装置。