JPH0634319A - 光学式変位検出方法及び装置 - Google Patents
光学式変位検出方法及び装置Info
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- JPH0634319A JPH0634319A JP4193793A JP19379392A JPH0634319A JP H0634319 A JPH0634319 A JP H0634319A JP 4193793 A JP4193793 A JP 4193793A JP 19379392 A JP19379392 A JP 19379392A JP H0634319 A JPH0634319 A JP H0634319A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 対象物の変位を反射光の合焦点の変位として
検出する場合、ナイフエッジ法の如き不感帯をなくして
高精度な出力特性を得るものである。 【構成】 対象物表面にて合焦した光の反射光を二分割
して、一方の光軸にて集光点より前側に他方の光軸にて
集光点より後側にそれぞれ受光素子1,18a,2,1
8bを備えて、この受光素子での光パワーの差分を演算
するようにした。
検出する場合、ナイフエッジ法の如き不感帯をなくして
高精度な出力特性を得るものである。 【構成】 対象物表面にて合焦した光の反射光を二分割
して、一方の光軸にて集光点より前側に他方の光軸にて
集光点より後側にそれぞれ受光素子1,18a,2,1
8bを備えて、この受光素子での光パワーの差分を演算
するようにした。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、対象物表面の特定位置
からのずれを検出する必要がある装置、および対象物の
変位、あるいは対象物表面の粗さを測定する必要がある
装置に関するものである。
からのずれを検出する必要がある装置、および対象物の
変位、あるいは対象物表面の粗さを測定する必要がある
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、光学的に対象物の焦点ずれを検出
し、その変位量を測定するための方法としては、焦点ず
れによるビームのパワー密度変化を利用するナイフエッ
ジ法等が、広く用いられている。図3は、ナイフエッジ
法の原理を示したものである。図3(a)に示すよう
に、本光学系は、対象物101、対物レンズ102、ビ
ームスプリッタ103、ナイフエッジ104、2分割受
光素子105、光源106とから構成されており、例え
ば半導体レーザの様な光源106から出射した光は、ビ
ームスプリッタ103で反射され、対物レンズ102を
通過後、対象物101に入射する。その後、前記対象物
101の表面で反射された光は、前記対物レンズ102
を通過後、前記ビームスプリッタ103を通過し、ナイ
フエッジ104で一部遮断される。
し、その変位量を測定するための方法としては、焦点ず
れによるビームのパワー密度変化を利用するナイフエッ
ジ法等が、広く用いられている。図3は、ナイフエッジ
法の原理を示したものである。図3(a)に示すよう
に、本光学系は、対象物101、対物レンズ102、ビ
ームスプリッタ103、ナイフエッジ104、2分割受
光素子105、光源106とから構成されており、例え
ば半導体レーザの様な光源106から出射した光は、ビ
ームスプリッタ103で反射され、対物レンズ102を
通過後、対象物101に入射する。その後、前記対象物
101の表面で反射された光は、前記対物レンズ102
を通過後、前記ビームスプリッタ103を通過し、ナイ
フエッジ104で一部遮断される。
【0003】対象物101が対物レンズ102の合焦点
と一致している時は、前記反射光は2分割受光素子10
5の二つの受光面の中心点に集光しており、2分割受光
素子105の出力A−Bは0となる。これに対して、対
象物101が対物レンズ102に近づくと、反射光はz
1の位置に集光し、2分割受光素子105の出力信号A
−Bは正の値をとる。さらに対象物101が対物レンズ
102から遠ざかると、反射光はz2の位置に集光し、
A−Bは負となる。以上から、同図(b)に示すよう
な、合焦点における出力信号を零として、対象物の変位
に対応した出力信号を得ることができる。したがって、
この出力信号Sを検出し、対応する対象物変位Xを読み
取ることで、焦点ずれ検出やあるいは対象物変位測定が
可能となる。
と一致している時は、前記反射光は2分割受光素子10
5の二つの受光面の中心点に集光しており、2分割受光
素子105の出力A−Bは0となる。これに対して、対
象物101が対物レンズ102に近づくと、反射光はz
1の位置に集光し、2分割受光素子105の出力信号A
−Bは正の値をとる。さらに対象物101が対物レンズ
102から遠ざかると、反射光はz2の位置に集光し、
A−Bは負となる。以上から、同図(b)に示すよう
な、合焦点における出力信号を零として、対象物の変位
に対応した出力信号を得ることができる。したがって、
この出力信号Sを検出し、対応する対象物変位Xを読み
取ることで、焦点ずれ検出やあるいは対象物変位測定が
可能となる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術においては、次の問題がある。すなわち、対象物
101が対物レンズ102の合焦点でのわずかな変位に
当るとき、つまり2分割受光素子105上の光スポット
径が二つの受光面の間隙の幅内にて変化するとき、受光
素子105としてはこのスポット径の変化を感知でき
ず、したがって、図3(b)に示す出力特性曲線上αの
ような不感帯が存在する。したがって、αの範囲内での
変位は検出できず高精度の位置ずれ検出ができない。
来技術においては、次の問題がある。すなわち、対象物
101が対物レンズ102の合焦点でのわずかな変位に
当るとき、つまり2分割受光素子105上の光スポット
径が二つの受光面の間隙の幅内にて変化するとき、受光
素子105としてはこのスポット径の変化を感知でき
ず、したがって、図3(b)に示す出力特性曲線上αの
ような不感帯が存在する。したがって、αの範囲内での
変位は検出できず高精度の位置ずれ検出ができない。
【0005】本発明は、従来法の上記の如き問題点に鑑
みなされたものであり、高精度な焦点ずれの検出、ある
いは対象物変位の読み取りを可能とする、信頼性の高い
光学式変位検出方法および装置を提供することを目的と
するものである。
みなされたものであり、高精度な焦点ずれの検出、ある
いは対象物変位の読み取りを可能とする、信頼性の高い
光学式変位検出方法および装置を提供することを目的と
するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明の基本構成としては、光源から出射した光線を対物
レンズを介して対象物表面に絞り込ませ、その反射光を
ビームスプリッタによって2分割し、一方の反射光の集
光点よりも前側に、その位置における光束断面よりも小
さな受光面積を持つ受光素子を一つ、他方の反射光の集
光点よりも後側に、その位置における光束断面よりも小
さな受光面積を持つ他の受光素子を配置して、前記受光
素子から発生する光電流の差を取ることで、対象物の焦
点ずれを検出、あるいはこれから対象物表面の変位を測
定するようにした変位検出方法および装置にある。
発明の基本構成としては、光源から出射した光線を対物
レンズを介して対象物表面に絞り込ませ、その反射光を
ビームスプリッタによって2分割し、一方の反射光の集
光点よりも前側に、その位置における光束断面よりも小
さな受光面積を持つ受光素子を一つ、他方の反射光の集
光点よりも後側に、その位置における光束断面よりも小
さな受光面積を持つ他の受光素子を配置して、前記受光
素子から発生する光電流の差を取ることで、対象物の焦
点ずれを検出、あるいはこれから対象物表面の変位を測
定するようにした変位検出方法および装置にある。
【0007】
【作用】上述の基本構成において、2つの受光素子の中
心をビームスプリッタにより分けられた各々の光軸と一
致させ対物レンズの合焦点と対象物の表面とが一致して
いる状態(合焦状態)で2つの受光素子の出力が等しく
なるように合焦点に対して前側及び後側に受光素子の位
置を調整する。かかる調整の後、対物レンズの合焦点と
対象物表面位置とがずれた場合、反射光の集光と拡散と
によって受光素子にかかるビームのパワー密度が変化す
るため、受光素子ではこの変化に応じた光電流の変化が
検出され、ずれ量等を求めることができる。
心をビームスプリッタにより分けられた各々の光軸と一
致させ対物レンズの合焦点と対象物の表面とが一致して
いる状態(合焦状態)で2つの受光素子の出力が等しく
なるように合焦点に対して前側及び後側に受光素子の位
置を調整する。かかる調整の後、対物レンズの合焦点と
対象物表面位置とがずれた場合、反射光の集光と拡散と
によって受光素子にかかるビームのパワー密度が変化す
るため、受光素子ではこの変化に応じた光電流の変化が
検出され、ずれ量等を求めることができる。
【0008】なお、ナイフエッジ法では、合焦状態にあ
るときに、受光素子の不感帯上に反射光が絞り込まれる
ため、この不感帯の影響で、対象物が変位しても出力信
号が発生しない範囲が存在するという欠点があったが、
本発明では、合焦状態にあるときは、ビーム径が広がっ
た状態で受光素子上に照射され、前記二つの受光素子が
発生する光電流の差を演算することで出力信号を求めて
いるため、不感帯の影響が除去できる。
るときに、受光素子の不感帯上に反射光が絞り込まれる
ため、この不感帯の影響で、対象物が変位しても出力信
号が発生しない範囲が存在するという欠点があったが、
本発明では、合焦状態にあるときは、ビーム径が広がっ
た状態で受光素子上に照射され、前記二つの受光素子が
発生する光電流の差を演算することで出力信号を求めて
いるため、不感帯の影響が除去できる。
【0009】
<第1実施例>ここで、図1、図2を参照して本発明の
実施例を説明する。図1は焦点ずれ検出装置に適用した
例を示す。図1において、対象物11は、図に示すX−
Y平面を移動し得るステージ12上に搭載されている。
一方、光源22からの光は、偏光ビームスプリッタ13
にて反射され対物レンズ14を介して細く絞り込まれ、
対象物11上に合焦されるように照射される。対象物1
1からの反射光はλ/4波長板15、偏光ビームスプリ
ッタ13を介してビームスプリッタ16にて二方向に分
割される。
実施例を説明する。図1は焦点ずれ検出装置に適用した
例を示す。図1において、対象物11は、図に示すX−
Y平面を移動し得るステージ12上に搭載されている。
一方、光源22からの光は、偏光ビームスプリッタ13
にて反射され対物レンズ14を介して細く絞り込まれ、
対象物11上に合焦されるように照射される。対象物1
1からの反射光はλ/4波長板15、偏光ビームスプリ
ッタ13を介してビームスプリッタ16にて二方向に分
割される。
【0010】分割された一方の光は、必要に応じて配置
された焦光レンズ17aを介して受光素子18aに導入
される。この場合、受光素子18aは反射光の集光点よ
りも後側A1の光軸上に配置されると共に、前面に受光
面積を制限するための空間フィルタ19aが備えられて
いる。
された焦光レンズ17aを介して受光素子18aに導入
される。この場合、受光素子18aは反射光の集光点よ
りも後側A1の光軸上に配置されると共に、前面に受光
面積を制限するための空間フィルタ19aが備えられて
いる。
【0011】分割された他方の光は、必要に応じて配置
された焦光レンズ17bを介して受光素子18bに導入
される。この場合、受光素子18bは反射光の集光点よ
りも前側A2の光軸上に配置されると共に、前面に受光
面積を制限するための空間フィルタ19bが備えられて
いる。これら受光素子18a,18bの位置は、光源2
2からの光が対象物11上に合焦している状態で、受光
素子18aの集光点より後側位置での光パワーと受光素
子18bの集光点より前側位置での光パワーとが同じに
なるようにその位置が調整される。すなわち、演算回路
20は受光素子18a,18bの出力信号の差を演算す
る為のもので、対象物11と対物レンズ14の焦点位置
が一致しているとき、前記演算回路20からの出力が零
となるように受光素子18a,18bの位置を光軸方向
に移動させることで調整する。
された焦光レンズ17bを介して受光素子18bに導入
される。この場合、受光素子18bは反射光の集光点よ
りも前側A2の光軸上に配置されると共に、前面に受光
面積を制限するための空間フィルタ19bが備えられて
いる。これら受光素子18a,18bの位置は、光源2
2からの光が対象物11上に合焦している状態で、受光
素子18aの集光点より後側位置での光パワーと受光素
子18bの集光点より前側位置での光パワーとが同じに
なるようにその位置が調整される。すなわち、演算回路
20は受光素子18a,18bの出力信号の差を演算す
る為のもので、対象物11と対物レンズ14の焦点位置
が一致しているとき、前記演算回路20からの出力が零
となるように受光素子18a,18bの位置を光軸方向
に移動させることで調整する。
【0012】つぎに、焦点ずれが発生した場合の検出系
の働きについて説明する。まず対象物11が対物レンズ
14から離れると、2つの受光素子18a,18bを照
射する反射光のスポット形状は、それぞれ同図(b)の
(I)のように変化し、受光素子18a上のビームスポ
ットのパワー密度が受光素子18b上の密度よりも低く
なるため、出力電流の大きさは、Sa<Sbの関係にな
り、焦点ずれ信号F=Sa−Sb<0となる。次に、対
象物11と対物レンズ14の焦点位置とが一致している
状態では、受光素子上の反射光スポットの形状は(II)
となり、両ビームスポットのパワー密度は一致するため
出力電流の大きさは、Sa=Sbの関係にあり、焦点ず
れ信号F=0となる。さらに、対象物11が対物レンズ
14に近ずくと、スポット形状は(III )の様になり、
(I)と逆になるので、焦点ずれ信号はF=Sa−Sb
>0となる。以上から図2(b)に示すように、対象物
の変位に対応した焦点ずれ信号が検出され、例えば、こ
の信号が常に0となるように対物レンズ〜対象物間距離
を制御することで、焦点合わせが可能となる。
の働きについて説明する。まず対象物11が対物レンズ
14から離れると、2つの受光素子18a,18bを照
射する反射光のスポット形状は、それぞれ同図(b)の
(I)のように変化し、受光素子18a上のビームスポ
ットのパワー密度が受光素子18b上の密度よりも低く
なるため、出力電流の大きさは、Sa<Sbの関係にな
り、焦点ずれ信号F=Sa−Sb<0となる。次に、対
象物11と対物レンズ14の焦点位置とが一致している
状態では、受光素子上の反射光スポットの形状は(II)
となり、両ビームスポットのパワー密度は一致するため
出力電流の大きさは、Sa=Sbの関係にあり、焦点ず
れ信号F=0となる。さらに、対象物11が対物レンズ
14に近ずくと、スポット形状は(III )の様になり、
(I)と逆になるので、焦点ずれ信号はF=Sa−Sb
>0となる。以上から図2(b)に示すように、対象物
の変位に対応した焦点ずれ信号が検出され、例えば、こ
の信号が常に0となるように対物レンズ〜対象物間距離
を制御することで、焦点合わせが可能となる。
【0013】<第2実施例>次に本発明を変位計に適用
した例を図2に示す。図2では、1は集光点より後側の
受光素子、2は集光点より前側の受光素子、3は光を分
割するビームスプリッタ、4は対物レンズ、5は対象
物、6はビームスプリッタ、7は光源を示している。こ
こにおいて、対象物5がX方向に変位した場合、第1実
施例と同様、受光素子1,2の位置における反射光径
は、それぞれ拡大、縮小し、ビームのパワー密度が変化
する為、前記受光素子1,2ではこの変化に対応した光
電流の変化が検出され、同図(b)に示すような出力特
性曲線が得られる。この出力特性曲線は、不感帯の影響
がないため、合焦点付近でも滑らかな特性を示してい
る。このとき縦軸に示す出力信号を検出し、それに対応
した横軸の対象物変位を読み取ることで、高精度の変位
測定を行なうことが可能となる。
した例を図2に示す。図2では、1は集光点より後側の
受光素子、2は集光点より前側の受光素子、3は光を分
割するビームスプリッタ、4は対物レンズ、5は対象
物、6はビームスプリッタ、7は光源を示している。こ
こにおいて、対象物5がX方向に変位した場合、第1実
施例と同様、受光素子1,2の位置における反射光径
は、それぞれ拡大、縮小し、ビームのパワー密度が変化
する為、前記受光素子1,2ではこの変化に対応した光
電流の変化が検出され、同図(b)に示すような出力特
性曲線が得られる。この出力特性曲線は、不感帯の影響
がないため、合焦点付近でも滑らかな特性を示してい
る。このとき縦軸に示す出力信号を検出し、それに対応
した横軸の対象物変位を読み取ることで、高精度の変位
測定を行なうことが可能となる。
【0014】<第3実施例>図2に示した光学系を、粗
さ計として用いた例について説明する。対象物5、ある
いは光学系をY方向に高精度に移動させた際に、対象物
5の表面に凹凸があった場合、この系の作用により、凹
凸に対応した光電流の変化が検出され、同図(c)のよ
うな対象物表面の断面曲線を求めることができる。尚、
(c)では横軸にはY方向の変位、縦軸には光軸方向の
変位、すなわち図中(b)のβで示す傾き一定の範囲に
おいて、(A−B)×1/Kを採っている。ここで、A
は受光素子1の出力、Bは受光素子2の出力、Kは出力
特性曲線の傾きをそれぞれ示す。この結果、対象物5の
Y方向の表面凹凸が得られ、粗さが得られる。
さ計として用いた例について説明する。対象物5、ある
いは光学系をY方向に高精度に移動させた際に、対象物
5の表面に凹凸があった場合、この系の作用により、凹
凸に対応した光電流の変化が検出され、同図(c)のよ
うな対象物表面の断面曲線を求めることができる。尚、
(c)では横軸にはY方向の変位、縦軸には光軸方向の
変位、すなわち図中(b)のβで示す傾き一定の範囲に
おいて、(A−B)×1/Kを採っている。ここで、A
は受光素子1の出力、Bは受光素子2の出力、Kは出力
特性曲線の傾きをそれぞれ示す。この結果、対象物5の
Y方向の表面凹凸が得られ、粗さが得られる。
【0015】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、対象物
の変位に起因した反射光の集光と拡散によって生じるビ
ームのパワー密度の変化を2つの受光素子によって各々
検出合焦状態においては、前記二つの受光素子上に反射
光が絞り込まれることはなく、ビーム径が広がった状態
で照射されるため、発生する光電流の差を演算すること
で出力信号を求める結果、合焦点付近での不感帯の影響
が除去され、従来の検出法と比較して滑らかな出力特性
が得られ、高精度の焦点ずれ検出、あるいは変位・粗さ
測定が行える。更に、受光素子の前段に集光レンズを配
置し、適正な焦点距離、受光素子の位置を選択すること
で、出力特性のリニアリティを向上させ、変位計として
の性能向上を図ることも可能である。
の変位に起因した反射光の集光と拡散によって生じるビ
ームのパワー密度の変化を2つの受光素子によって各々
検出合焦状態においては、前記二つの受光素子上に反射
光が絞り込まれることはなく、ビーム径が広がった状態
で照射されるため、発生する光電流の差を演算すること
で出力信号を求める結果、合焦点付近での不感帯の影響
が除去され、従来の検出法と比較して滑らかな出力特性
が得られ、高精度の焦点ずれ検出、あるいは変位・粗さ
測定が行える。更に、受光素子の前段に集光レンズを配
置し、適正な焦点距離、受光素子の位置を選択すること
で、出力特性のリニアリティを向上させ、変位計として
の性能向上を図ることも可能である。
【図1】本発明の第1実施例の焦点ずれ検出装置を示し
(a)は構成図、(b)はスポット径の状態図である。
(a)は構成図、(b)はスポット径の状態図である。
【図2】本発明の他の実施例の変位計あるいは粗さ計を
示し(a)は構成図、(b)は出力特性曲線図、(c)
は対象物表面の凹凸を示す曲線図である。
示し(a)は構成図、(b)は出力特性曲線図、(c)
は対象物表面の凹凸を示す曲線図である。
【図3】従来のナイフエッジ法を示し(a)は原理図、
(b)は出力特性曲線図である。
(b)は出力特性曲線図である。
1,2,18a,18b 受光素子 3,6,13,16 ビームスプリッタ 4,14 対物レンズ 5,11 対象物 7,22 光源
Claims (3)
- 【請求項1】 光源から出射した光線を対物レンズを介
して対象物表面に絞り込んで照射し、この対象物表面か
らの反射光をビームスプリッタにより2分割し、この2
分割した一方の反射光の集光点より前側に配置されてそ
の位置での光束断面より小さな受光面積を持つ一の受光
素子から発生する光電流と、他方の反射光の集光点より
後側に配置されてその位置での光束断面より小さな受光
面積を持つ他の受光素子から発生する光電流との差の光
信号を出力信号として取り出し、この出力信号にて上記
対象物の変位量に換算する演算を行なう光学式変位検出
方法。 - 【請求項2】 光源から出射した光線を対物レンズを介
して対象物表面に絞り込んで照射し、この対象物表面か
らの反射光をビームスプリッタにより2分割し、この2
分割した一方の反射光の集光点より前側に配置されてそ
の位置での光束断面より小さな受光面積を持つ一の受光
素子から発生する光電流と他方の反射光の集光点より後
側に配置されてその位置での光束断面より小さな受光面
積を持つ他の受光素子から発生する光電流との差の光信
号を、上記対象物表面を照射する光線の光軸と垂直方向
に対象物もしくは光学系を高精度に移動させつつ出力信
号として取り出し、この出力信号を上記対象物表面の凹
凸の量に換算する演算を行なう光学式変位検出方法。 - 【請求項3】 対象物表面を照射する光源と、光源から
の光線を細く絞り込む対物レンズと、上記対象物表面か
らの反射光を2分割するように配置されたビームスプリ
ッタと、分割された一方の反射光の集光点の前側に配置
されその位置における光束断面よりも小さな受光面積を
持つ一の受光素子と、他方の反射光の集光点の後側に配
置され、その位置における光束断面よりも小さな受光面
積を持つ他の受光素子と、前記二つの受光素子で発生す
る光電流の差をとることで焦点ずれ信号を検出しこの信
号を対象物の変位量に換算するための演算手段と、を有
することを特徴とする光学式変位検出装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4193793A JPH0634319A (ja) | 1992-07-21 | 1992-07-21 | 光学式変位検出方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4193793A JPH0634319A (ja) | 1992-07-21 | 1992-07-21 | 光学式変位検出方法及び装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0634319A true JPH0634319A (ja) | 1994-02-08 |
Family
ID=16313879
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4193793A Withdrawn JPH0634319A (ja) | 1992-07-21 | 1992-07-21 | 光学式変位検出方法及び装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0634319A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009300264A (ja) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Mitsutoyo Corp | 光学式変位測定器 |
-
1992
- 1992-07-21 JP JP4193793A patent/JPH0634319A/ja not_active Withdrawn
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009300264A (ja) * | 2008-06-13 | 2009-12-24 | Mitsutoyo Corp | 光学式変位測定器 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19991005 |