JPH03233313A - 光学式微小変位測定装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、被測定物の微小変位や表面粗さを光学的手段
により測定する光学式微小変位測定装置に関する。

〈従来の技術〉 従来より、焦点ずれを検出して被測定物の微小変位や表
面粗さを測定する装置としては、例えば臨界角法会用い
たもの（特開昭５９−９０００７号公報参照）、非点収
差法を用いたもの（特開昭６０−１８６７０５号公報参
照）、あるいはフーコー法を用いたもの（光波術］ンタ
クトｖｏ１２６．　＆１１．　１９８８゜Ｐ７７３〜７
８４）などが知られている。

ここで、臨界角法は、プリズムの有する固有の臨界角近
傍に入射する光ビーム強度が微小な角度変化に対して急
激な変化を呈する性質を利用したものであり、かかる臨
界角法による従来の光学式微小変位測定装置の構成を第
３図に示す。同図中、１０１はレーザー光源、１０２は
コリメートレンズ、１０３はビーム整形プリズム、１０
４は偏光ビームスプリッタ、１０５は１／４波長板、１
０６は対物レンズ、１０７は被測定物、１０８はビーム
スプリッタ、１０９ａ、１０９ｂは臨界角プリズム、１
１０ｍ、１１０ｂは２分割受光素子、１ｌｌａ、１ｌｌ
ｂはプリアンプであり、レーザー光源１０１からのレー
ザ光Ｃよコリメートレンズ１０２により平行光束に変換
されると共にビーム整形プリズム１０３により整形され
、Ｓｇａ光で偏光ビームスプリッタ１０４を介して１７
４波長板１０５へ導かれる。この１／４波長板１０５に
導かれたレーザ光は円偏光の光束に変換され７′：１１
ｋ、対物レンズ１０６を介して被測定物１０７の表面に
集光される。被測定物１０７で反射されたレーザ光は１
／４波長板１０５でＰ偏光にされた後、偏光ビームスプ
リッタ１０４を透過してビームスプリッタ１０８に導か
れ、分光される。分光された光はそれぞれ、反射面が臨
界角に設定されている臨界角プリズム１０９ａ１０９ｂ
で反射され、それぞれ２分割受光素子１１０ａ、１１０
ｂに入射され、光量が検出される。

このように、被測定物１０７が対物レンズ１０６の焦点
に位置している場合には、反射光は平行光となり、臨界
角プリズム１０９ａ。

１０９ｂにおける反射率は全光束で一定となり、２分割
受光素子１１０ａ、１１０ｂに受光される光量は等しく
なる。しかし、被測定物１０７が対物レンズ１０６の焦
点より遠くに位置している場合には反射光は収束光とな
るので臨界角プリズム１０９ａ、１０９ｂに入る光束の
入射角はその光軸に対して臨界角プリズム１０９ａで図
中上側、臨界角プリズム１０９ｂで図中右側は臨界角よ
り小さくなり、反射率が低下して、２分割受光素子１１
０ａｐ１１０ｂに受光される光量に差が生じる。かかる
光量の差はプリアンプ１１１ａのＡ、　Ｂ及びプリアン
プ１１ｂのＣ，Ｄの出力差により検出される。また、同
様に被測定物１０７が対物レンズ１０６の焦点より近い
地点に位■している場合には反射光は発散光となり、上
述した場合とは逆になり、２分割受光素子１１０ａ、１
１０ｂに受光される光量に差が生じる。かかる光量の差
はプリアンプ１ｌｌａのＡ、Ｂ及びプリアンプ１１１ｂ
のＣ，Ｄの出力差により検出されろ。そして、このよう
な光量の差から被測定物１０７の、対物レンズ１０６の
焦点位置からの変位を検出し、被測定物１０７の微小変
位や表面粗さを測定することができる。

一方、非点収差法は、円筒レンズを用いて検出像に非点
収差を与え、測定対象物の位置の移動変位量を像の変形
に変換するものであり、この方法による微小変位測定装
置では、被測定物が対物レンズの合焦点位置の場合には
、受光ビームは円形状となるが、結像位置が近い場合に
は縦長な楕円形状になり、また、遠い場合には横長な楕
円形状となるので、これを４分割フォトダイオードで光
電変換し、縦方向、横方向のそれぞれの和を求め、更に
それらの差の出力信号を求め、被測定物の移動変位量に
比例した出力を得ろものである。

また、フーコー法による微小変位測定装置は、光学的ナ
イフェツジ効果を持つ分割プリズムを用いて被測定物か
らの反射光束を２光束に分割し、２分割フォトダイオー
ドに入射させるものであり、対物レンズと被測定面との
距離が変化すると被測定物からの反射光束の広がり角が
変化するため、２分割フォトダイオードの受光量に差が
生ずるので、これにより被測定物の変位量を求めるもの
である。

〈発明が解決しようとする課題〉 例えば第３図に示すような従来の光学式微小変位測定装
置では、光学ヘッド内に、光源としての半導体レーザ１
０１及び受光部としての分割受光素子１１０ｍ、１１０
ｂを配電している。そして、この場合、半導体レーザ１
０１にはビーム整形プリズム１０３が、また、分割受光
素子１１０ｍ、１１０ｂには受光による電流を安定な電
流にするためのプリアンプ１ｌｌａ、１ｌｌｂがそれぞ
れ必要となる。さらに、プリアンプ１ｌｌａ、１ｌｌｂ
からの電気的な配線も必要となる。

このように従来の光学式微小変位測定装置では、光学ヘ
ッドの小型化には限界がある。

ところで、最近、非常に狭い空間において微小変位測定
装置を使用するという用途があるが、上述したような従
来の装置では対応できない場合が多い。

本発明はこのような事情に鑑み、狭い空間におけろ微小
変位測定をも行うことができる光学式微小変位測定装置
を提供することを目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 前記目的を達成する本発明に係る光学式微小変位測定装
置は、光源からの光束を被測定物体に照射する照明光学
系と、被測定物体からの反射光束による焦点誤差を受光
素子での受光量の分布として検出する焦点属差検出光学
系とを有する光学式微小変位測定装置であって、上記焦
点属差検出光学系が反射光束を上記受光素子へ導く光フ
ァイバを備えろことを特徴とし、さらに上記照明光学系
が光源からの光束を被測定物体に向けて導く光ファイバ
を備えることを特徴とする。

く作　　用〉 前記構成では、被測定物体に近接して配置される光学ヘ
ッド内には受光素子及びプリアンプ、又はさらに光源及
びビーム整形プリズムを設ける必要がなく、これら受光
素子及びプリアンプ又はさらに光源及びビーム整形プリ
ズム等は光ファイバを介して当該光学ヘッドと接続され
る装置本体に設ければよい。

これにより光学ヘッド内の部品点数が減少すると共に光
学ヘッド内の電気的配線が不必要となる。

〈実　施　例〉 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図には臨界角法による一実施例に係る光学式微小変
位測定装置の構成を示す。

第１図中、１１は対物レンズ、１２は１／４波長板、１
３は偏光ビームスプリッタ、１４はビームスプリッタ、
１５ａ、１５ｂは臨界角プリズムで、これらの配置は従
来の臨界角法（第３図参照）と同様であり、これらは全
て光学ヘッド本体１６に配設されている。そして、本実
施例では光２１９ｔ１７並びに受光素子１８　ａ、　１
８　ｂ、　１８　ｃ、　１８　ｄ及びプリアンプ１９　
ａ、　１９　ｂ、　１９　ｃ、　１９　ｄは光学ヘッド
本体１６の外部に配置されており、光源１７と光学ヘッ
ド本体１６とは投光用コリメートレンズ付き光ファイバ
２０で、受光素子１８ａ〜１８ｄと光学ヘッド本体１６
とは受光用２心光フアイバアレイ２１ａ、２１ｂで、そ
れぞれ連結される構成となっている。

さらに評言すると、一端が光源１７の半導体レーザに臨
む投光用コリメートレンズ付き光ファ・イバ２０の投光
用コリメートレンズが設けられている他端は偏光ビーム
スプリッタ１３に対向し且つ光軸を合せろように配設さ
れている。また、一端が受光素子１８ｍ、１８ｂ及び受
光素子１８ｃ、１８ｄにそれぞれ接続されている受光用
２心光フアイバアレイ２１ａ。

２１ｂの各他端は臨界プリズム１５ａ、１５ｂの出射側
面にその光軸と２心の境界とが一致するようにそれぞれ
配設されている。

このような構成において、光学ヘッド本体１６を、その
対物レンズ１１が被測定物１０に対向するように配置す
ると、光源１７からの光束は投光用コリメートレンズ付
き光ファイバ２０に導かれて偏光ビームスプリッタ１３
に入り、１／４波長板１２．対物レンズ１１を経て被測
定物１０に照射されろ。そして、その反射光は一般の臨
界角法と同様に臨界角プリズム１５ａ、１５ｂに導かれ
、これら臨界角プリズム１５ａ、１５ｂからの出射光は
受光用２心光フアイバアレイ２１ａ、２１ｂに入る。こ
のとき、被測定物１０の反射面が対物レンズ１１の焦点
位置から変位すると、前述した臨界角法の原理により、
受光用２心光フアイバアレイ２１ｍ、２１ｂの各々並設
された２心に入る光量のバランスがくずれ、両者の間に
差が生じる。この光量差を受光素子１８ａ、１８ｂｌＱ
ｌ、及び受光素子１８ｃ。

１８ｄ間で検知することにより、被測定物１０の微小変
位や表面粗さを検知することができる。

第２図には非点収差法によろ一実施例に係る光学式微小
変位測定装置の構成を示す。

第２図において、３１は対物レンズ、３２は１／４波長
板、３３は偏光ビームスプリッタ、３４はビームスプリ
ッタであり、これらは基本的には臨界角法とほぼ同様な
作用をする。そして、本方法では臨界角プリズムの代り
に円柱レンズ３５　ａ、　　３５　ｂを配置している。

本実施例では以上の部品だけが光学ヘッド本体３６に設
けられており、光源３７並びに受光素子３８ａ〜３８ｈ
及びプリアンプ３９ａ〜３９ｈは光学ヘッド本体３６の
外部に配■されている。そして、一端が光源３７に連結
されている投光用光ファイバ４０の他端は偏光ビームス
プリッタ３３入射面に対向し且つ光軸が一致するように
配置されている。また、一端がそれぞれ４つの受光素子
３８ａ〜３８ｄ及び受光素子３８ｅ〜３８ｈに連続され
ている受光用４心光フアイバアレイ４１ｍ、４１ｂの各
他端はそれぞれ円柱レンズ３５ａ、３５ｂの出射側に対
向するように配置されている。

なお、受光用４心光フアイバアレイ４１ａ。

４１ｂの４心は２列に配置されて断面が略正方形状とな
っており、その中心が光軸と一致するように配置されて
いる。

このような構成において、光学ヘッド本体３６を、その
対物レンズ３１が被側定物１０に対向するように配置す
ると、光源４７からの光束は投光用光ファイバ４０に導
かれて偏光ビームスプリッタ３３に入り、１７４波長板
３２、対物レンズ３１を経て被側定物１０に照射される
。そして、その反射光は偏光ビームスプリッタ３３、ビ
ームスプリッタ３４を経て円柱レンズ３５　ｍ、　　３
５　ｂに導かれるのは一般の非点収差法と同様である。

そして、被測定物１０の反射面が対物レンズ３１の焦点
位置から変位すると、前述したように各円柱レンズ３５
ａ、３５ｂからの出射光は縦長又は横長の楕円形状とな
る。本実施例ではこれら出射光をそれぞれ受光用４心光
フアイバアレイ４１ａ、４１ｂの４心光フアイバで受光
し、各ファイバの受光量の差を受光素子３８ａ　〜３８
ｅ及び受光素子３８ｆ　〜３８ｈで検出し、これを解析
することにより、被測定物１０の微小変位又は表面粗さ
を検出することができる。

以上説明した２つの実施例では光学ヘッド内に光源及び
受光素子を配設せず、したがって光学ヘッド内にビーム
調整プリズムや電気的配線を設ける必要がないので、光
学ヘッドをかなり小型化することができろ。

また、再実施例では、光源も光学ヘッドの外部を設ける
ようにしたが、光源は光学ヘッド内に設けて、受光素子
だけを外部に設けるようにしても従来に比べるとかなり
小型化できる。

ここで、投光用ファイバとしては、光の直進性、Ｓ光を
考慮するとシングルモードファイバを用いるのが、また
、受光用ファイバとしては、より多くの光量を確保する
ために大口径のライトガイドを用いるのが望ましい。

また、再実施例では従来の分割受光素子の代りに、汎用
性のある通常の受光素子を用いることができるという効
果も奏する。これは受ける光を受光用光ファイバを用い
て光学ヘッドの外部へ導いたことによるものであり、調
整等が容易になる等の効果も得ることができる。なお、
勿論、分割受光素子を用いてもよいことは言うまでもな
い。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明に係る光学式微小変位測定
装置は、受光用や投光用に光ファイバを用いるようにし
て光学ヘッド外に受光素子や光源を設けるようにしたた
め、非常４ に小さな光学ヘッドを構成することが可能となる。した
がって、非常に狭い空間、例えば円筒内や球の内側の微
小変位の測定など好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図は臨界角法による一実施例に係る光学式微小変位
測定装置を示す構成図、第２図は非点収差法による一実
施例に係る光学式微小変位測定装置を示す構成図、第３
図は従来技術に係る臨界角法の光学式微小変位測定装置
を示す構成図である。 図面中、 １０は被測定物、 １１．３１は対物レンズ、 １２．３２は１／４波長板、 １３．３３は偏光ビームスプリッタ、 １４．３４はビームスプリッタ、 １５ａ、１５ｂは臨界角プリズム、 ３５ａ、３５ｂは円柱レンズ、 １６．３６は光学ヘッド本体、 １７．３７は光源、 １８ａ　〜１８ｄ、３８ａ　〜３８ｈは受光素子、１９
ａ　〜１９ｄ、３９ａ　〜３９ｈはプリアンプ、２０は
投光用コリメートレンズ付光ファイバ、４０は投光用光
ファイバ、 ２１ａ、２１ｂは受光用２心光フアイバアレイ、４１ａ
、４１ｂは受光用４心光フアイバアレイである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光束を被測定物体に照射する照明光学
   系と、被測定物体からの反射光束による焦点誤差を受光
   素子での受光量の分布として検出する焦点属差検出光学
   系とを有する光学式微小変位測定装置であって、上記焦
   点誤差検出光学系が反射光束を上記受光素子へ導く光フ
   ァイバを備えることを特徴とする光学式微小変位測定装
   置。
2. （２）請求項１記載の光学式微小変位測定装置において
   、照明光学系が光源からの光束を被測定物体へ向けて導
   く光ファイバを備える光学式微小変位測定装置。