JPH0743251B2 - 光学式変位計 - Google Patents
光学式変位計Info
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- JPH0743251B2 JPH0743251B2 JP4186114A JP18611492A JPH0743251B2 JP H0743251 B2 JPH0743251 B2 JP H0743251B2 JP 4186114 A JP4186114 A JP 4186114A JP 18611492 A JP18611492 A JP 18611492A JP H0743251 B2 JPH0743251 B2 JP H0743251B2
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- detecting
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- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、工作物等の表面の形
状及び粗さを高感度に測定するための光学式変位計に関
するものである。
状及び粗さを高感度に測定するための光学式変位計に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】工作物の表面の形状及び荒さは、機械加
工の特性を評価するための重要な因子である。最近は球
面若しくは非球面のミラーを機械加工することが行われ
ており、この場合に被加工物の表面を測定してその情報
を加工部へフィードバックして加工を行うことが行われ
ている。この場合の被加工面であるミラーの表面の凹凸
は例えば１０ｎｍ程度の大きさであり、従ってこの被工
作物の表面の荒さを測定するために高精度かつ高感度の
変位計が必要である。従来非接触でこのような被加工物
の表面を測定する変位計としては臨界角法や非点収差法
等の焦点エラー検出法を用いた光学式変位計が開発さ
れ、超精密加工におけるインプロセス計測に応用されて
いる。このような光学式変位計として従来用いられてい
るものは例えば図９に示すように、レーザダイオード１
２からの光を第３の偏光ビームスプリッタ４及びミラー
６ｂで反射して、対物レンズ２を有する光学プローブで
被加工物の表面１４を照明し、その反射光を４分割フォ
トダイオード４０で検出している。この場合には反射光
の焦点位置Ｆ１が被測定面１４の凹凸の出入に応じて光
軸上に移動するので４分割フォトダイオード４０上のス
ポットの形状の変化が生じ、この光の形状の変化を４分
割フォトダイオード４０が測定して、被測定面１４の凹
凸を検出している。ただし、この場合には焦点位置Ｆ１
の変化の方向つまり被測定面１４の凹凸がプラスである
かマイナスであるか弁別することができないので、これ
を弁別させるためにシリンドルカルレンズ３７を使用
し、焦点位置Ｆ１の出入に応じて４分割フォトダイオー
ド４０上のスポットの形状のゆがみの方向が変化するよ
うに構成したものもある。
工の特性を評価するための重要な因子である。最近は球
面若しくは非球面のミラーを機械加工することが行われ
ており、この場合に被加工物の表面を測定してその情報
を加工部へフィードバックして加工を行うことが行われ
ている。この場合の被加工面であるミラーの表面の凹凸
は例えば１０ｎｍ程度の大きさであり、従ってこの被工
作物の表面の荒さを測定するために高精度かつ高感度の
変位計が必要である。従来非接触でこのような被加工物
の表面を測定する変位計としては臨界角法や非点収差法
等の焦点エラー検出法を用いた光学式変位計が開発さ
れ、超精密加工におけるインプロセス計測に応用されて
いる。このような光学式変位計として従来用いられてい
るものは例えば図９に示すように、レーザダイオード１
２からの光を第３の偏光ビームスプリッタ４及びミラー
６ｂで反射して、対物レンズ２を有する光学プローブで
被加工物の表面１４を照明し、その反射光を４分割フォ
トダイオード４０で検出している。この場合には反射光
の焦点位置Ｆ１が被測定面１４の凹凸の出入に応じて光
軸上に移動するので４分割フォトダイオード４０上のス
ポットの形状の変化が生じ、この光の形状の変化を４分
割フォトダイオード４０が測定して、被測定面１４の凹
凸を検出している。ただし、この場合には焦点位置Ｆ１
の変化の方向つまり被測定面１４の凹凸がプラスである
かマイナスであるか弁別することができないので、これ
を弁別させるためにシリンドルカルレンズ３７を使用
し、焦点位置Ｆ１の出入に応じて４分割フォトダイオー
ド４０上のスポットの形状のゆがみの方向が変化するよ
うに構成したものもある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかるに、このような
従来の光学式変位計では被測定面にθの傾きがあると反
射光は入射光に対して２θ傾くことになるのでθの角度
が大きいと反射光が検出用の光学系に入らないことがあ
る。また被測定面の凹凸の情報に被測定面の傾きの情報
が干渉して測定面の凹凸に関する測定誤差が大きくなる
という傾向がある。このようなことから被測定面が傾き
をもっている場合に被測定面からの反射光が正しく光学
系の光軸上を通過するように補正することができ、被測
定面の傾きの影響を受けずに精度の高い測定をすること
ができる光学式変位計の開発が望まれている。この発明
は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、被測
定面が傾きをもっている場合に被測定面からの反射光が
正しく光学系の光軸上を通過するように補正することが
でき、被測定面の傾きの影響を受けずに精度の高い測定
をすることができる光学式変位計を提供することを目的
とするものである。
従来の光学式変位計では被測定面にθの傾きがあると反
射光は入射光に対して２θ傾くことになるのでθの角度
が大きいと反射光が検出用の光学系に入らないことがあ
る。また被測定面の凹凸の情報に被測定面の傾きの情報
が干渉して測定面の凹凸に関する測定誤差が大きくなる
という傾向がある。このようなことから被測定面が傾き
をもっている場合に被測定面からの反射光が正しく光学
系の光軸上を通過するように補正することができ、被測
定面の傾きの影響を受けずに精度の高い測定をすること
ができる光学式変位計の開発が望まれている。この発明
は上記の如き事情に鑑みてなされたものであって、被測
定面が傾きをもっている場合に被測定面からの反射光が
正しく光学系の光軸上を通過するように補正することが
でき、被測定面の傾きの影響を受けずに精度の高い測定
をすることができる光学式変位計を提供することを目的
とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】この目的に対応して、こ
の発明の光学式変位計は対物レンズからの光の光路中に
配置されている光ビーム偏向器と前記光ビーム偏向器か
らの光の焦点位置を検出する焦点位置検出光学系と横方
向位置を検出する横方向位置検出光学系とを有する焦点
位置及び横方向位置検出装置とを備え、前記焦点位置及
び横方向位置検出装置は、前記光ビーム偏向器からの光
を分割する第１のビームスプリッタと前記第１のビーム
スプリッタで分割された一方の光の光路中に位置する第
１のピンホールと第１の半導体光位置検出器と前記ビー
ムスプリッタで分割された他方の光の光路中に位置する
第２のピンホールと第２の半導体光位置検出器を備え、
前記第１のピンホールは前記一方の光の基準位置におけ
る焦点位置よりも前記第１の半導体光位置検出器寄りに
配置され、前記第２のピンホールは前記他方の光の基準
位置における焦点位置よりも前記ビームスプリッタ寄り
に配置されていることを特徴としている。また、この発
明の他の光学変位計は、対物レンズからの光の光路中に
配置されている光ビーム偏向器と前記光ビーム偏向器か
らの光の焦点位置を検出する焦点位置検出光学系と横方
向位置を検出する横方向位置検出光学系とを有する焦点
位置及び横方向位置検出装置と前記光ビーム偏向器から
の光を分割するビームスプリッタとを備え、前記焦点位
置及び横方向位置検出装置は前記ビーム偏向器からの光
を分割する第２のビームスプリッタと前記第２のビーム
スプリッタで分割された一方の光の焦点位置を検出する
前記焦点位置検出光学系と前記第２のビームスプリッタ
で分割された他方の光の横方向位置を検出する前記横方
向位置検出光学系とを備え、前記焦点位置検出光学系は
前記一方の光を分割する第１のビームスプリッタと前記
第１のビームスプリッタで分割された一方の光の光路中
に位置する第１のピンホールと第１の光検出器と前記第
１のビームスプリッタで分割された他方の光の光路中に
位置する第２のピンホールと第２の光検出器を備え、前
記第１のピンホールは前記一方の光の基準位置における
焦点位置よりも前記第１の光検出器寄りに配置され、前
記第２のピンホールは前記他方の光の基準位置における
焦点位置よりも前記第１のビームスプリッタ寄りに配置
されていることを 特徴としている。
の発明の光学式変位計は対物レンズからの光の光路中に
配置されている光ビーム偏向器と前記光ビーム偏向器か
らの光の焦点位置を検出する焦点位置検出光学系と横方
向位置を検出する横方向位置検出光学系とを有する焦点
位置及び横方向位置検出装置とを備え、前記焦点位置及
び横方向位置検出装置は、前記光ビーム偏向器からの光
を分割する第１のビームスプリッタと前記第１のビーム
スプリッタで分割された一方の光の光路中に位置する第
１のピンホールと第１の半導体光位置検出器と前記ビー
ムスプリッタで分割された他方の光の光路中に位置する
第２のピンホールと第２の半導体光位置検出器を備え、
前記第１のピンホールは前記一方の光の基準位置におけ
る焦点位置よりも前記第１の半導体光位置検出器寄りに
配置され、前記第２のピンホールは前記他方の光の基準
位置における焦点位置よりも前記ビームスプリッタ寄り
に配置されていることを特徴としている。また、この発
明の他の光学変位計は、対物レンズからの光の光路中に
配置されている光ビーム偏向器と前記光ビーム偏向器か
らの光の焦点位置を検出する焦点位置検出光学系と横方
向位置を検出する横方向位置検出光学系とを有する焦点
位置及び横方向位置検出装置と前記光ビーム偏向器から
の光を分割するビームスプリッタとを備え、前記焦点位
置及び横方向位置検出装置は前記ビーム偏向器からの光
を分割する第２のビームスプリッタと前記第２のビーム
スプリッタで分割された一方の光の焦点位置を検出する
前記焦点位置検出光学系と前記第２のビームスプリッタ
で分割された他方の光の横方向位置を検出する前記横方
向位置検出光学系とを備え、前記焦点位置検出光学系は
前記一方の光を分割する第１のビームスプリッタと前記
第１のビームスプリッタで分割された一方の光の光路中
に位置する第１のピンホールと第１の光検出器と前記第
１のビームスプリッタで分割された他方の光の光路中に
位置する第２のピンホールと第２の光検出器を備え、前
記第１のピンホールは前記一方の光の基準位置における
焦点位置よりも前記第１の光検出器寄りに配置され、前
記第２のピンホールは前記他方の光の基準位置における
焦点位置よりも前記第１のビームスプリッタ寄りに配置
されていることを 特徴としている。
【０００５】
【作用】レーザダイオードが発光し、その光がコリメー
タレンズを通して第１の偏光ビームスプリッタに入射さ
れ、ここで反射されて１／４波長板を通りミラーに入射
し、ミラーで反射されて対物レンズを通り被測定面を照
明する。被測定面で反射された光は対物レンズを通りミ
ラーで反射され１／４波長板、第１の偏光ビームスプリ
ッタを通って焦点位置及び横方向位置検出装置に達し、
光束の焦点位置及び光束の横方向位置が検出される。光
束の焦点位置は被測定面の光軸方向の変位をあらわす。
光束の横方向位置は光束の傾きをあらわすので、横方向
位置の検出信号によって光束の傾きの影響を補正するこ
とができる。
タレンズを通して第１の偏光ビームスプリッタに入射さ
れ、ここで反射されて１／４波長板を通りミラーに入射
し、ミラーで反射されて対物レンズを通り被測定面を照
明する。被測定面で反射された光は対物レンズを通りミ
ラーで反射され１／４波長板、第１の偏光ビームスプリ
ッタを通って焦点位置及び横方向位置検出装置に達し、
光束の焦点位置及び光束の横方向位置が検出される。光
束の焦点位置は被測定面の光軸方向の変位をあらわす。
光束の横方向位置は光束の傾きをあらわすので、横方向
位置の検出信号によって光束の傾きの影響を補正するこ
とができる。
【０００６】
【実施例】図１において１は光学式変位計である。光学
式変位計１は対物レンズ２、光ビーム偏向器３、第３の
偏光ビームスプリッタ４、焦点位置及び横方向位置検出
装置５を備えている。光ビーム偏向器３は入射光を偏向
させて出射光の方向を制御するものである。この図１に
示す実施例では光ビーム偏向器３はミラー６と駆動装置
７によって構成されている。ミラー６は可動であって、
このミラー６はミラー駆動装置７によって駆動されて向
きを調整することができる。光ビーム偏向器３はこの他
に図８に示すように固定位置のミラー６ｂと結晶体偏光
素子１３で構成することもできる。光ビーム偏向器３と
第３の偏光ビームスプリッタ４との間には１／４波長板
８が配置される。また第３の偏光ビームスプリッタ４の
入射側にはコリメータレンズ１１及びレーザダイオード
１２が配置される。
式変位計１は対物レンズ２、光ビーム偏向器３、第３の
偏光ビームスプリッタ４、焦点位置及び横方向位置検出
装置５を備えている。光ビーム偏向器３は入射光を偏向
させて出射光の方向を制御するものである。この図１に
示す実施例では光ビーム偏向器３はミラー６と駆動装置
７によって構成されている。ミラー６は可動であって、
このミラー６はミラー駆動装置７によって駆動されて向
きを調整することができる。光ビーム偏向器３はこの他
に図８に示すように固定位置のミラー６ｂと結晶体偏光
素子１３で構成することもできる。光ビーム偏向器３と
第３の偏光ビームスプリッタ４との間には１／４波長板
８が配置される。また第３の偏光ビームスプリッタ４の
入射側にはコリメータレンズ１１及びレーザダイオード
１２が配置される。
【０００７】焦点位置及び横方向位置検出装置５は第３
の偏光ビームスプリッタを出た被測定面１４からの反射
光の焦点位置と横方向位置とを検出するためのものであ
る。この焦点位置を検出するための焦点位置検出光学系
と横方向位置を検出するための横方向位置検出光学系と
は共に焦点位置及び横方向位置検出装置５に含まれる
が、両者は１つに合体させて構成してもよいし、また別
個に分離して構成してもよい。
の偏光ビームスプリッタを出た被測定面１４からの反射
光の焦点位置と横方向位置とを検出するためのものであ
る。この焦点位置を検出するための焦点位置検出光学系
と横方向位置を検出するための横方向位置検出光学系と
は共に焦点位置及び横方向位置検出装置５に含まれる
が、両者は１つに合体させて構成してもよいし、また別
個に分離して構成してもよい。
【０００８】そこでまず焦点位置検出光学系と横方向位
置検出光学系とが１つに合体して焦点位置及び横方向位
置検出装置５を構成する場合の実施例について説明す
る。すなわち図２に示すように、焦点位置及び横方向位
置検出装置５ｂは第１の偏光ビームスプリッタ１５を備
え、第３の偏光ビームスプリッタ４と第１の偏光ビーム
スプリッタ１５との間にはレンズ１６及び１／２波長板
１７が配置されている。第１の偏光ビームスプリッタ１
５の反射側には第１のピンホール１８と第１の半導体光
位置検出器２１が配置され、また第１の偏光ビームスプ
リッタ１５の透過側には第２のピンホール２２と第２の
半導体光位置検出器２３とが配置されるが、ここで重要
なことは光学系の基準位置において第１のピンホール１
８は光学系の基準位置における光の焦点位置Ｆ１よりも
第１の半導体光位置検出器２１寄りに配置されている点
であって、また第２のピンホール２２は基準位置におけ
る光の焦点位置Ｆ２よりも第１の偏光ビームスプリッタ
１５寄りに位置している点である。第１の半導体光位置
検出器２１及び第２の半導体光位置検出器２３は検出し
た光のスポットの重心を検出する重心位置検出機能を備
えている。
置検出光学系とが１つに合体して焦点位置及び横方向位
置検出装置５を構成する場合の実施例について説明す
る。すなわち図２に示すように、焦点位置及び横方向位
置検出装置５ｂは第１の偏光ビームスプリッタ１５を備
え、第３の偏光ビームスプリッタ４と第１の偏光ビーム
スプリッタ１５との間にはレンズ１６及び１／２波長板
１７が配置されている。第１の偏光ビームスプリッタ１
５の反射側には第１のピンホール１８と第１の半導体光
位置検出器２１が配置され、また第１の偏光ビームスプ
リッタ１５の透過側には第２のピンホール２２と第２の
半導体光位置検出器２３とが配置されるが、ここで重要
なことは光学系の基準位置において第１のピンホール１
８は光学系の基準位置における光の焦点位置Ｆ１よりも
第１の半導体光位置検出器２１寄りに配置されている点
であって、また第２のピンホール２２は基準位置におけ
る光の焦点位置Ｆ２よりも第１の偏光ビームスプリッタ
１５寄りに位置している点である。第１の半導体光位置
検出器２１及び第２の半導体光位置検出器２３は検出し
た光のスポットの重心を検出する重心位置検出機能を備
えている。
【０００９】つぎにこのような構成の光学式変位計にお
ける被測定体の表面（被測定面）の凹凸を検出する原理
について説明する。レーザダイオード１２が発光し、そ
の光がコリメータレンズ１１を通して第３の偏光ビーム
スプリッタ４に入射され、ここで反射されて１／４波長
板８を通り光ビーム偏向器３のミラー６に入射し、ミラ
ー６で反射されて対物レンズ２を通り被測定面１４を照
明する。被測定面１４で反射された光は対物レンズ２を
通りミラー６で反射され１／４波長板８、第３の偏光ビ
ームスプリッタ４、レンズ１６、１／２波長板１７を通
って第１の偏光ビームスプリッタ１５に達する。第１の
偏光ビームスプリッタ１５では入射光束は一方の光束２
４と他方の光束２５とに分割される。一方の光束２４は
焦点位置Ｆ１で収束して、さらに拡散しながら第１のピ
ンホール１８を通過して第１の半導体光位置検出器２１
上にスポットを形成する。
ける被測定体の表面（被測定面）の凹凸を検出する原理
について説明する。レーザダイオード１２が発光し、そ
の光がコリメータレンズ１１を通して第３の偏光ビーム
スプリッタ４に入射され、ここで反射されて１／４波長
板８を通り光ビーム偏向器３のミラー６に入射し、ミラ
ー６で反射されて対物レンズ２を通り被測定面１４を照
明する。被測定面１４で反射された光は対物レンズ２を
通りミラー６で反射され１／４波長板８、第３の偏光ビ
ームスプリッタ４、レンズ１６、１／２波長板１７を通
って第１の偏光ビームスプリッタ１５に達する。第１の
偏光ビームスプリッタ１５では入射光束は一方の光束２
４と他方の光束２５とに分割される。一方の光束２４は
焦点位置Ｆ１で収束して、さらに拡散しながら第１のピ
ンホール１８を通過して第１の半導体光位置検出器２１
上にスポットを形成する。
【００１０】従って、図４に示すように第１の半導体光
位置検出器２１上のスポットの大きさは焦点位置Ｆ１の
変化によって変化する。一方、第１の偏光ビームスプリ
ッタ１５で分割された他方の光束２５は第２のピンホー
ル２２を通過して焦点位置Ｆ２で収束し、その後拡散し
て第２の半導体光位置検出器２３の上にスポットを形成
する。従って、第２の半導体光位置検出器２３上に形成
されるスポットの大きさは焦点位置Ｆ２の位置によって
変化する。前記のように一方の光束２４は焦点Ｆ１の位
置に応じて第１のピンホール１８でカットされる部分が
あるので焦点位置Ｆ１の位置に応じて、第１の半導体光
位置検出器２１が検出した光量は図３の曲線ＰＤ１で示
したようになる。同様に他方の光束２３も焦点位置Ｆ１
に応じて第２のピンホール２２によって遮断される部分
があるので、第２の半導体光位置検出器２３が受光する
光の光量は図３のＰＤ２で示す曲線のように変化する。
位置検出器２１上のスポットの大きさは焦点位置Ｆ１の
変化によって変化する。一方、第１の偏光ビームスプリ
ッタ１５で分割された他方の光束２５は第２のピンホー
ル２２を通過して焦点位置Ｆ２で収束し、その後拡散し
て第２の半導体光位置検出器２３の上にスポットを形成
する。従って、第２の半導体光位置検出器２３上に形成
されるスポットの大きさは焦点位置Ｆ２の位置によって
変化する。前記のように一方の光束２４は焦点Ｆ１の位
置に応じて第１のピンホール１８でカットされる部分が
あるので焦点位置Ｆ１の位置に応じて、第１の半導体光
位置検出器２１が検出した光量は図３の曲線ＰＤ１で示
したようになる。同様に他方の光束２３も焦点位置Ｆ１
に応じて第２のピンホール２２によって遮断される部分
があるので、第２の半導体光位置検出器２３が受光する
光の光量は図３のＰＤ２で示す曲線のように変化する。
【００１１】従って、２つの半導体光位置検出器２１及
び２３の光量の差を（ＰＤ２−ＰＤ１）／（ＰＤ２＋Ｐ
Ｄ１）の式でとると、その曲線は図３の線ｂのような状
態になる。この図３の線ｂからわかるように２つの焦点
位置Ｆ１が基準位置にあるとき２つの半導体光位置検出
器２１、２３で検出される光量は等しくなり、その差は
ゼロとなる。一方、焦点位置が前方すなわち半導体光位
置検出器寄りに移動すると、第１の半導体光位置検出器
２１の受光量は増加し、第２の半導体光位置検出器２３
の受光量は低下する結果（図４Ａ）参照）、２つの半導
体光位置検出器の受光量の差はプラス側に大きくなり、
また２つの焦点位置が第２の偏光ビームスプリッタ１５
寄りに変化すると第１の半導体光位置検出器２１で検出
する光量は低下し、第２の半導体光位置検出器２３で検
出する光の光量は増加する結果（図４Ｃ）参照）、光量
の差はマイナス側に大きくなる。これらの図２の線ｂで
示す光量の差の変化、つまり焦点位置の変化は対物レン
ズ２の焦点位置にある被測定面１４の凹凸に対応するの
で、結局図４の線ｂから被測定面１４の凹凸を測定する
ことができる。仮に被測定面１４の対物レンズ２の焦点
Ｆｏにある測定部位が傾斜している場合には第１の偏光
ビームスプリッタ１５から出た一方の光束及び他方の光
束２４、２５が光軸から横方向にずれることになる。そ
の結果光束のうち第１のピンホール１８及び第２のピン
ホール２２で不均等に遮断される部分が生ずる結果（図
４Ｂ）及びＤ）参照）、第１の半導体光位置検出器２１
及び第２の半導体光位置検出器２３上のスポットの形状
は移動することになる。この移動したスポットの重心位
置を半導体光位置検出器２１または２３で検出すること
によって、被測定部の傾きを検出することができる。傾
きが大きくて被測定部位からの反射光が光ビーム偏向器
３のミラー６で反射された場合に、その反射光が光軸か
ら大きくずれて第１の偏光ビームスプリッタ１５に入ら
ないことがあるが、この場合には半導体光位置検出器２
１または２３からの信号に基ずいてミラー駆動装置７を
駆動し、スポットの重心が光軸上に戻るように調整をす
る。
び２３の光量の差を（ＰＤ２−ＰＤ１）／（ＰＤ２＋Ｐ
Ｄ１）の式でとると、その曲線は図３の線ｂのような状
態になる。この図３の線ｂからわかるように２つの焦点
位置Ｆ１が基準位置にあるとき２つの半導体光位置検出
器２１、２３で検出される光量は等しくなり、その差は
ゼロとなる。一方、焦点位置が前方すなわち半導体光位
置検出器寄りに移動すると、第１の半導体光位置検出器
２１の受光量は増加し、第２の半導体光位置検出器２３
の受光量は低下する結果（図４Ａ）参照）、２つの半導
体光位置検出器の受光量の差はプラス側に大きくなり、
また２つの焦点位置が第２の偏光ビームスプリッタ１５
寄りに変化すると第１の半導体光位置検出器２１で検出
する光量は低下し、第２の半導体光位置検出器２３で検
出する光の光量は増加する結果（図４Ｃ）参照）、光量
の差はマイナス側に大きくなる。これらの図２の線ｂで
示す光量の差の変化、つまり焦点位置の変化は対物レン
ズ２の焦点位置にある被測定面１４の凹凸に対応するの
で、結局図４の線ｂから被測定面１４の凹凸を測定する
ことができる。仮に被測定面１４の対物レンズ２の焦点
Ｆｏにある測定部位が傾斜している場合には第１の偏光
ビームスプリッタ１５から出た一方の光束及び他方の光
束２４、２５が光軸から横方向にずれることになる。そ
の結果光束のうち第１のピンホール１８及び第２のピン
ホール２２で不均等に遮断される部分が生ずる結果（図
４Ｂ）及びＤ）参照）、第１の半導体光位置検出器２１
及び第２の半導体光位置検出器２３上のスポットの形状
は移動することになる。この移動したスポットの重心位
置を半導体光位置検出器２１または２３で検出すること
によって、被測定部の傾きを検出することができる。傾
きが大きくて被測定部位からの反射光が光ビーム偏向器
３のミラー６で反射された場合に、その反射光が光軸か
ら大きくずれて第１の偏光ビームスプリッタ１５に入ら
ないことがあるが、この場合には半導体光位置検出器２
１または２３からの信号に基ずいてミラー駆動装置７を
駆動し、スポットの重心が光軸上に戻るように調整をす
る。
【００１２】以上、説明した実施例は焦点位置検出光学
系と横方向位置検出光学系とを１つに合体させた焦点位
置及び横方向検出装置５とを使用した実施例であるが、
次に焦点位置検出光学系と横方向位置検出光学系とを別
個に設ける実施例について説明する。図５において、１
ｂは他の実施例に係わる光学式変位計であって光学式変
位計１ｂは先に説明した光学式変位計１の焦点位置及び
横方向検出装置５として焦点位置検出光学系２６、横方
向位置検出光学系２７、及び第３の偏光ビームスプリッ
タ２８を備えている。焦点位置検出光学系２６としては
図６に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ１５を
備え、第３の偏光ビームスプリッタ２８と第１の偏光ビ
ームスプリッタ１５との間にはレンズ１６及び１／２波
長板１７が配置されている。第１の偏光ビームスプリッ
タ１５の反射側には第１のピンホール１８と第１の光検
出器３１が配置され、また第１の偏光ビームスプリッタ
１５の透過側には第２のピンホール２２と第２の光検出
器３２とが配置されるが、ここで重要なことは光学系の
基準位置において第１のピンホール１８は光学系の基準
位置における光の焦点位置Ｆ１よりも第１の光検出器３
１寄りに配置されている点であって、また第２のピンホ
ール２２は基準位置における光の焦点位置Ｆ２よりも第
１の偏光ビームスプリッタ１５寄りに位置している点で
ある。一方、横方向位置検出光学系２７はレンズ３３、
第３のピンホール３４、ミラー３５及び第３の半導体光
位置検出器３６を備えており、第３の偏光ビームスプリ
ッタ２８の出射光をレンズ３３で収束させ、第３のピン
ホール３４を通し、ミラー３５で光路変更したのち第３
の半導体光位置検出器３６に入射するように構成されて
いる。
系と横方向位置検出光学系とを１つに合体させた焦点位
置及び横方向検出装置５とを使用した実施例であるが、
次に焦点位置検出光学系と横方向位置検出光学系とを別
個に設ける実施例について説明する。図５において、１
ｂは他の実施例に係わる光学式変位計であって光学式変
位計１ｂは先に説明した光学式変位計１の焦点位置及び
横方向検出装置５として焦点位置検出光学系２６、横方
向位置検出光学系２７、及び第３の偏光ビームスプリッ
タ２８を備えている。焦点位置検出光学系２６としては
図６に示すように、第１の偏光ビームスプリッタ１５を
備え、第３の偏光ビームスプリッタ２８と第１の偏光ビ
ームスプリッタ１５との間にはレンズ１６及び１／２波
長板１７が配置されている。第１の偏光ビームスプリッ
タ１５の反射側には第１のピンホール１８と第１の光検
出器３１が配置され、また第１の偏光ビームスプリッタ
１５の透過側には第２のピンホール２２と第２の光検出
器３２とが配置されるが、ここで重要なことは光学系の
基準位置において第１のピンホール１８は光学系の基準
位置における光の焦点位置Ｆ１よりも第１の光検出器３
１寄りに配置されている点であって、また第２のピンホ
ール２２は基準位置における光の焦点位置Ｆ２よりも第
１の偏光ビームスプリッタ１５寄りに位置している点で
ある。一方、横方向位置検出光学系２７はレンズ３３、
第３のピンホール３４、ミラー３５及び第３の半導体光
位置検出器３６を備えており、第３の偏光ビームスプリ
ッタ２８の出射光をレンズ３３で収束させ、第３のピン
ホール３４を通し、ミラー３５で光路変更したのち第３
の半導体光位置検出器３６に入射するように構成されて
いる。
【００１３】つぎにこのような構成の光学式変位計１ｂ
における被測定体の表面（被測定面１４）の凹凸を検出
する原理について説明する。レーザダイオード１２が発
生し、その光がコリメータレンズ１１を通して第３の偏
光ビームスプリッタ４に入射され、ここで反射されて１
／４波長板８を通り、光ビーム偏向器３のミラー６に入
射し、ミラー６で反射されて対物レンズ２を通り被測定
面１４を照明する。被測定面１４で反射された光は対物
レンズ２を通りミラー６で反射され１／４波長板８、第
３の偏光ビームスプリッタ４を通って焦点位置及び横方
向位置検出装置５に入る。焦点位置及び横方向位置検出
装置５に入った光は第２の偏光ビームスプリッタ２８で
２分割され、一方の光は焦点位置検出光学系２６に入
り、他方の光は横方向位置検出光学系２７に入る。焦点
位置検出光学系２６に入った光は、レンズ１６、１／２
波長板１７を通って第１の偏光ビームスプリッタ１５に
達する。第１の偏光ビームスプリッタ１５では入射光束
は一方の光束２４と他方の光束２５とに分割される。一
方の光束２４は焦点位置Ｆ１に収束して、さらに拡散し
ながら第１のピンホール１８を通過して第１の光検出器
３１上にスポットを形成する。
における被測定体の表面（被測定面１４）の凹凸を検出
する原理について説明する。レーザダイオード１２が発
生し、その光がコリメータレンズ１１を通して第３の偏
光ビームスプリッタ４に入射され、ここで反射されて１
／４波長板８を通り、光ビーム偏向器３のミラー６に入
射し、ミラー６で反射されて対物レンズ２を通り被測定
面１４を照明する。被測定面１４で反射された光は対物
レンズ２を通りミラー６で反射され１／４波長板８、第
３の偏光ビームスプリッタ４を通って焦点位置及び横方
向位置検出装置５に入る。焦点位置及び横方向位置検出
装置５に入った光は第２の偏光ビームスプリッタ２８で
２分割され、一方の光は焦点位置検出光学系２６に入
り、他方の光は横方向位置検出光学系２７に入る。焦点
位置検出光学系２６に入った光は、レンズ１６、１／２
波長板１７を通って第１の偏光ビームスプリッタ１５に
達する。第１の偏光ビームスプリッタ１５では入射光束
は一方の光束２４と他方の光束２５とに分割される。一
方の光束２４は焦点位置Ｆ１に収束して、さらに拡散し
ながら第１のピンホール１８を通過して第１の光検出器
３１上にスポットを形成する。
【００１４】従って、第１の光検出器３１上のスポット
の大きさは焦点位置Ｆ１の変化によって変化する。一
方、第１の偏光ビームスプリッタ１５で分割された他方
の光束２５は第２のピンホール２２を通過して焦点位置
Ｆ２で収束し、その後拡散して第２の光検出器３２の上
にスポットを形成する。従って、第２の光検出器３２上
に形成されるスポットの大きさは焦点位置Ｆ２の位置に
よって変化する。前記のように一方の光束２４は焦点Ｆ
１の位置に応じて第１のピンホール１８でカットされる
部分があるので焦点位置Ｆ１の位置に応じて、第１の光
検出器３１が検出した光量は図２の曲線ＰＤ１で示した
ようになる。同様に他方の光束２５も焦点位置Ｆ１に応
じて第２のピンホール２２によって遮断される部分があ
るので、第２の光検出器３２が受光する光の光量は図３
のＰＤ２で示す曲線のように変化する。
の大きさは焦点位置Ｆ１の変化によって変化する。一
方、第１の偏光ビームスプリッタ１５で分割された他方
の光束２５は第２のピンホール２２を通過して焦点位置
Ｆ２で収束し、その後拡散して第２の光検出器３２の上
にスポットを形成する。従って、第２の光検出器３２上
に形成されるスポットの大きさは焦点位置Ｆ２の位置に
よって変化する。前記のように一方の光束２４は焦点Ｆ
１の位置に応じて第１のピンホール１８でカットされる
部分があるので焦点位置Ｆ１の位置に応じて、第１の光
検出器３１が検出した光量は図２の曲線ＰＤ１で示した
ようになる。同様に他方の光束２５も焦点位置Ｆ１に応
じて第２のピンホール２２によって遮断される部分があ
るので、第２の光検出器３２が受光する光の光量は図３
のＰＤ２で示す曲線のように変化する。
【００１５】従って、２つの光検出器３１及び３２の光
量の差を（ＰＤ２−ＰＤ１）／（ＰＤ２＋ＰＤ１）の式
でとると、その曲線は図３の線ｂのような状態になる。
この図３の線ｂからわかるように２つの焦点位置Ｆ１が
基準位置にあるとき２つの光検出器３１、３２で検出さ
れる光量は等しくなり、その差はゼロとなる。一方、焦
点位置が前方すなわち光検出器寄りに移動すると、第１
の光検出器３１の受光量は増加し、第２の光検出器３２
の受光量は低下する結果（図４Ａ）参照）、２つの光検
出器の受光量の差はプラス側に大きくなり、また２つの
焦点位置が第１の偏光ビームスプリッタ１５寄りに変化
すると第１の光検出器３１で検出する光量は低下し、第
２の光検出器３２で検出する光の光量は増加する結果
（図４Ｃ）参照）、光量の差はマイナス側に大きくな
る。これらの図３の線ｂで示す光量の差の変化、つまり
焦点位置の変化は対物レンズ２の焦点位置にある被測定
面の凹凸に対応するので、結局図３の線ｂから被測定面
１４の凹凸を測定することができる。一方、仮に被測定
面１４の対物レンズ２の焦点Ｆｏにある測定部位が傾斜
している場合には第２の偏光ビームスプリッタ２８から
出た光束が基準位置の光軸から横方向にずれることにな
る。このずれがあると、横方向位置検出光学系２７の第
３の半導体光位置検出器３６上のスポットの形状は移動
することになる。この移動したスポットの重心位置を第
３の半導体光位置検出器３６で検出することによって、
被測定面の傾きを検出することができる。傾きが大きく
て被測定部位からの反射光が光ビーム偏向器３のミラー
６で反射された場合に、その反射光が光軸から大きくず
れて第２の偏光ビームスプリッタ２８に入らないことが
あるが、この場合には第３の半導体光位置検出器３６か
らの信号に基ずいてミラー駆動装置７を駆動し、スポッ
トの重心が光軸上に戻るように調整をする。
量の差を（ＰＤ２−ＰＤ１）／（ＰＤ２＋ＰＤ１）の式
でとると、その曲線は図３の線ｂのような状態になる。
この図３の線ｂからわかるように２つの焦点位置Ｆ１が
基準位置にあるとき２つの光検出器３１、３２で検出さ
れる光量は等しくなり、その差はゼロとなる。一方、焦
点位置が前方すなわち光検出器寄りに移動すると、第１
の光検出器３１の受光量は増加し、第２の光検出器３２
の受光量は低下する結果（図４Ａ）参照）、２つの光検
出器の受光量の差はプラス側に大きくなり、また２つの
焦点位置が第１の偏光ビームスプリッタ１５寄りに変化
すると第１の光検出器３１で検出する光量は低下し、第
２の光検出器３２で検出する光の光量は増加する結果
（図４Ｃ）参照）、光量の差はマイナス側に大きくな
る。これらの図３の線ｂで示す光量の差の変化、つまり
焦点位置の変化は対物レンズ２の焦点位置にある被測定
面の凹凸に対応するので、結局図３の線ｂから被測定面
１４の凹凸を測定することができる。一方、仮に被測定
面１４の対物レンズ２の焦点Ｆｏにある測定部位が傾斜
している場合には第２の偏光ビームスプリッタ２８から
出た光束が基準位置の光軸から横方向にずれることにな
る。このずれがあると、横方向位置検出光学系２７の第
３の半導体光位置検出器３６上のスポットの形状は移動
することになる。この移動したスポットの重心位置を第
３の半導体光位置検出器３６で検出することによって、
被測定面の傾きを検出することができる。傾きが大きく
て被測定部位からの反射光が光ビーム偏向器３のミラー
６で反射された場合に、その反射光が光軸から大きくず
れて第２の偏光ビームスプリッタ２８に入らないことが
あるが、この場合には第３の半導体光位置検出器３６か
らの信号に基ずいてミラー駆動装置７を駆動し、スポッ
トの重心が光軸上に戻るように調整をする。
【００１６】さらに焦点位置検出光学系２６について
は、図６に示す焦点位置検出光学系２６に替えて、図７
に示す焦点位置検出光学系２６ｂを用いることもでき
る。すなわち焦点位置検出光学系２６ｂは第２の偏光ビ
ームスプリッタ２８からの出射光をレンズ１６、シリン
ドリカルレンズ３７を通して４分割フォトダイオード４
０上にスポットを形成するように構成されている。光束
をシリンドリカルレンズ３７を通すことにより、４分割
フォトダイオード４０上のスポットの形状は光束の焦点
位置の変化に対応して変化するので、４分割フォトダイ
オード４０によって焦点の位置を検出することができ
る。
は、図６に示す焦点位置検出光学系２６に替えて、図７
に示す焦点位置検出光学系２６ｂを用いることもでき
る。すなわち焦点位置検出光学系２６ｂは第２の偏光ビ
ームスプリッタ２８からの出射光をレンズ１６、シリン
ドリカルレンズ３７を通して４分割フォトダイオード４
０上にスポットを形成するように構成されている。光束
をシリンドリカルレンズ３７を通すことにより、４分割
フォトダイオード４０上のスポットの形状は光束の焦点
位置の変化に対応して変化するので、４分割フォトダイ
オード４０によって焦点の位置を検出することができ
る。
【００１７】
【発明の効果】このようにこの発明によれば、被測定面
が傾きをもっている場合に、被測定面からの反射光が正
しく光学系の光軸上を通過するように補正することがで
き、また測定感度に影響を受けずに精度の高い測定をす
ることができる光学式変位計を得ることができる。
が傾きをもっている場合に、被測定面からの反射光が正
しく光学系の光軸上を通過するように補正することがで
き、また測定感度に影響を受けずに精度の高い測定をす
ることができる光学式変位計を得ることができる。
【図１】この発明の一実施例に関わる光学式変位計の構
成説明図。
成説明図。
【図２】この発明の他の実施例に関わる光学式変位計の
構成説明図。
構成説明図。
【図３】検出器の出力及び検出器の出力の差を示すグラ
フ
フ
【図４】光検出器上のスポットの重心位置の変化を示す
説明図。
説明図。
【図５】この発明の他の実施例に関わる光学式変位計の
構成説明図。
構成説明図。
【図６】この発明の他の実施例に関わる光学式変位計の
構成説明図。
構成説明図。
【図７】この発明の他の実施例に関わる光学式変位計の
構成説明図。
構成説明図。
【図８】この発明の他の実施例に関わる光学式変位計の
構成説明図。
構成説明図。
【図９】従来の光学式変位計を示す構成説明図。
１，１ｂ 光学式変位計 ２ 対物レンズ ３ 光ビーム偏向器 ４ 第３の偏光ビームスプリッタ ５，５ｂ 焦点位置及び横方向位置検出装置 ６，６ｂ ミラー ７ 駆動装置 ８ １／４波長板 １１ コリメータレンズ １２ レーザダイオード １３ 結晶体偏光素子 １４ 被測定面 １５ 第１の偏光ビームスプリッタ １６ レンズ １７ １／２波長板 １８ 第１のピンホール ２１ 第１の半導体光位置検出器 ２２ 第２のピンホール ２３ 第２の半導体光位置検出器 ２４ 一方の光束 ２５ 他方の光束 ２６ 焦点位置検出光学系 ２７ 横方向位置検出光学系 ２８ 第２の偏光ビームスプリッタ ３１ 第１の光検出器 ３２ 第２の光検出器 ３３ レンズ ３４ 第３のピンホール ３５ ミラー ３６ 第３の半導体光位置検出器 ３７ シリンドリカルレンズ ４０ ４分割フォトダイオード
Claims (5)
- 【請求項１】 対物レンズからの光の光路中に配置され
ている光ビーム偏向器と前記光ビーム偏向器からの光の
焦点位置を検出する焦点位置検出光学系と横方向位置を
検出する横方向位置検出光学系とを有する焦点位置及び
横方向位置検出装置とを備え、前記焦点位置及び横方向
位置検出装置は、前記光ビーム偏向器からの光を分割す
る第１のビームスプリッタと前記第１のビームスプリッ
タで分割された一方の光の光路中に位置する第１のピン
ホールと第１の半導体光位置検出器と前記ビームスプリ
ッタで分割された他方の光の光路中に位置する第２のピ
ンホールと第２の半導体光位置検出器を備え、前記第１
のピンホールは前記一方の光の基準位置における焦点位
置よりも前記第１の半導体光位置検出器寄りに配置さ
れ、前記第２のピンホールは前記他方の光の基準位置に
おける焦点位置よりも前記ビームスプリッタ寄りに配置
されていることを特徴とする光学式変位計。 - 【請求項２】 対物レンズからの光の光路中に配置され
ている光ビーム偏向器と前記光ビーム偏向器からの光の
焦点位置を検出する焦点位置検出光学系と横方向位置を
検出する横方向位置検出光学系とを有する焦点位置及び
横方向位置検出装置と前記光ビーム偏向器からの光を分
割するビームスプリッタとを備え、前記焦点位置及び横
方向位置検出装置は前記ビーム偏向器からの光を分割す
る第２のビームスプリッタと前記第２のビームスプリッ
タで分割された一方の光の焦点位置を検出する前記焦点
位置検出光学系と前記第２のビームスプリッタで分割さ
れた他方の光の横方向位置を検出する前記横方向位置検
出光学系とを備え、前記焦点位置検出光学系は前記一方
の光を分割する第１のビームスプリッタと前記第１のビ
ームスプリッタで分割された一方の光の光路中に位置す
る第１のピンホールと第１の光検出器と前記第１のビー
ムスプリッタで分割された他方の光の光路中に位置する
第２のピンホールと第２の光検出器を備え、前記第１の
ピンホールは前記一方の光の基準位置における焦点位置
よりも前記第１の光検出器寄りに配置され、前記第２の
ピンホールは前記他方の光の基準位置における焦点位置
よりも前記第１のビームスプリッタ寄りに配置されてい
ることを特徴とする光学式変位計。 - 【請求項３】 前記横方向位置検出光学系は前記他方の
光の光路中に位置する第２の収束レンズと第３のピンホ
ール及び第２の半導体光位置検出装置とを備えることを
特徴とする請求項２記載の光学式変位計。 - 【請求項４】 前記光ビーム偏向器は位置可変のミラー
で構成されていることを特徴とする請求項１，２または
３記載の光学式変位計。 - 【請求項５】 前記光ビーム偏向器は結晶光学素子で構
成されていることを特徴とする請求項１，２または３記
載の光学式変位計。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4186114A JPH0743251B2 (ja) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | 光学式変位計 |
| US08/077,931 US5424834A (en) | 1992-06-19 | 1993-06-18 | Optical displacement sensor for measurement of shape and coarseness of a target workpiece surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4186114A JPH0743251B2 (ja) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | 光学式変位計 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH063125A JPH063125A (ja) | 1994-01-11 |
| JPH0743251B2 true JPH0743251B2 (ja) | 1995-05-15 |
Family
ID=16182612
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4186114A Expired - Lifetime JPH0743251B2 (ja) | 1992-06-19 | 1992-06-19 | 光学式変位計 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5424834A (ja) |
| JP (1) | JPH0743251B2 (ja) |
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| US6688743B1 (en) * | 1998-02-17 | 2004-02-10 | Seagate Technology | Method and apparatus to determine fly height of a recording head |
| JP3415475B2 (ja) * | 1999-04-16 | 2003-06-09 | 株式会社堀場製作所 | 粒子径分布測定装置 |
| JP2001201324A (ja) * | 2000-01-20 | 2001-07-27 | Minolta Co Ltd | 形状計測装置 |
| DE10111824B4 (de) * | 2001-03-13 | 2017-04-06 | Leica Microsystems Cms Gmbh | Verfahren zum Justieren eines Mikroskops und Mikroskop mit Einrichtung zum Justieren des Lichtstrahls |
| DE102004053905B4 (de) * | 2004-11-05 | 2007-10-11 | My Optical Systems Gmbh | Verfahren zur berührungslosen Erfassung von geometrischen Eigenschaften einer Objektoberfläche |
| US20060206233A1 (en) * | 2005-03-09 | 2006-09-14 | Carpenter David A | Method and apparatus for cutting a workpiece |
| TWI268339B (en) * | 2005-05-25 | 2006-12-11 | Ind Tech Res Inst | Displacement measuring device and method, an internal diameter measuring device by use of the variance of the wavelength to measure the displacement and the internal diameter |
| CN1322309C (zh) * | 2005-08-09 | 2007-06-20 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 表面粗糙度非接触测量*** |
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| EP1992905A1 (en) * | 2007-05-16 | 2008-11-19 | Nederlandse Organisatie voor toegepast- natuurwetenschappelijk onderzoek TNO | Optical sensor with tilt error correction |
| WO2009113484A1 (ja) * | 2008-03-11 | 2009-09-17 | 株式会社ニコン | 基準球検出装置、基準球位置検出装置、及び、三次元座標測定装置 |
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| US20110278268A1 (en) * | 2010-05-13 | 2011-11-17 | Alon Siman-Tov | Writing an image on flexographic media |
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| US9134232B1 (en) | 2012-11-15 | 2015-09-15 | Industrial Optical Measurement Systems, LLC | Laser inspection system |
| WO2016094827A1 (en) * | 2014-12-12 | 2016-06-16 | Velo3D, Inc. | Feedback control systems for three-dimensional printing |
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| US11691343B2 (en) | 2016-06-29 | 2023-07-04 | Velo3D, Inc. | Three-dimensional printing and three-dimensional printers |
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-
1993
- 1993-06-18 US US08/077,931 patent/US5424834A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5424834A (en) | 1995-06-13 |
| JPH063125A (ja) | 1994-01-11 |
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