JPH02124412A - 位置測定装置 - 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、指向性の良い光ビームを被測定物体に向けて
照射し、その反射光を積出して被測定物体の位置、変位
を測定する位置測定装置、特に凹凸面を呈する被測定物
体の表面輪郭などを測定するのに好適な位置測定装置に
関する。

〔従来の技術〕

この種の位置測定装置として、投光光学系から出射した
光ビームを被測定物体に向けて照射し、その反射光を投
光光学系と異なる光軸上に配置した受光光学系の受光素
子の受光面に結像させ、被測定物体の位置、変位を受光
素子での結像位置の変化として検出するようにした方式
のものが、例えば特開昭５５−１１９００６号公報に開
示されて公知である。

次に前記した位置測定装置の光学系の構成を第５図に示
す０図において、１は指向性の良い照射光２を出射する
レーザ発振器等を用いた光源であり、光源ｌから出射し
た照射光２は投光レンズ３を透過し集束した光ビーム４
となって被測定物体５の表面５ｂに照射され、その照射
地点５ａで反射散乱した一部の反射光７は集光レンズ６
を通じて集束光８になり、−次元位置検出素子としての
受光素子９に入射される。また、図における２ｏは受光
素子９からの出力信号を基に所定の演算を行って位置検
出信号２０ａを出力する演算部であり、前記受光素子９
と組合せて一次元位置検出部２１を構成している。さら
に、２２は位置検出信号２０ａについて所定の信号値補
正演算を行って測定信号２２ａを出力する信号値補正部
であり、これらを組合せで位置測定装置２３を構成して
いる。

一方、受光素子９は第６図に示すような拡散形ＰＩＮホ
トダイオード１０であり、１１はｎ形半導体基板、１２
はｐ形半導体領域で、両者間のｐｎ接合部１３は紙面と
垂直な面に形成されている。また、１４はｐｎ接合部１
３の中心位置Ａに対向して基板１１の外面に設けた電極
、１５．１６はｐｎ接合部１３の両端部に対向してｐ形
半導体領域１２の外面部分に設けた電極である。また、
１７．１８は一端が電極１５゜１６に接続された抵抗器
、１９は電源である。かかる構成により、第５図に示し
た被測定物体５から反射した集束光８がｐ形半導体領域
１２の側からｐｎ接合部１３に入射するようになる。

かかる受光素子９に対し、外方より集束光８がｐｎ接合
部１３上の位ＷＢに入射すると、この入射位置Ｂに対応
して電極Ｉｓ、　１６に光電流１１＋　ｔｓが発生する
。また、入射位置Ｂと中心位置Ａとの間の距離をＤとす
れば決起の＋１）式が成立する。

Ｄ−Ｌ−’−（ｉ　ｒ　−１ｄ／　（ｌ　＋　＋　ｉｓ
）　−−（ｔｌなお、ＩＩ＋　１ｍはそれぞれ抵抗器１
７．１８を流れる光電流、に、は比例定数である。そし
て、先記した演算部２０が（１）式の演算を行い、決起
の（２１式で表す値２に対応した検出信号２０ａを出力
する。

２−　Ｋｌ　−（Ｄ　−Ｋ１）−Ｋｌ　−Ｄ　−・−（
２１なお、（２）式におけるＫｍ、　Ｌはいずれも比例
定数である。すなわち、被測定物体５で反射した集束光
８が受光素子９に入射すると、１ｊｌＸ部２０は前記し
た光電流１＋ｔ　ｉｔを基に演算を行い、集束光８の入
射位１Ｂに対応した位１座標の情報を持つ検出信号２０
ａを出力する。

そして、第７図で表すように、測定時に被測定物体５が
光ビーム４の光軸に沿っ前後に変位すると、この変位量
に対応して受光素子９に入射する集束光８の結像位置（
入射位２Ｂ）がホトダイオード１０のｐｎ接合部１３上
で変位するようになる。

ここで、ｐｎ接合部１３上の点Ａ、Ｂと光学的共役点の
関係にある光ビーム４の軸線上の各点を＾。

Ｂいこれら両点＾、、Ｂ１間の距離をＬとすれば、距ｊ
ｌＬと先記（２）式のＤとの間には決起の（３）式の関
係が成立する。

Ｄ−ｆ（Ｌ）　　　−−−・−・・−・（３）なお、（
３）式でｆは単調関数である。したがって、前記した（
２）式と＋３１式とから決起の（４１式が求められる。

Ｌ＝ｆ　　（ｚ／Ｋｔ）　　　　　　・−・−（４）な
お、（４）武の演算は第５図に示した信号値補正部２２
が検出信号２０ａを基に行い、測定信号２２ａとして出
力する。

したがって、前記の位置調定ｖｔ置２３で求めた測定信
号２２ａから、ＰＩ！測定物体５の基準点Ａｓ　（第７
図参照）に対する変位量りを測定することができること
になる。また、例えば凹凸面のある被測定物体５に対し
ては、前記した位置へ、を基準として、被測定物体５に
おける光ビーム４の照射位置位置Ｂ、に対応する凹凸高
さを位置へ〇との対比で測定することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前記した従来の位置測定装置２３を用いて被
測定物体５の表面の状態（凹凸面１表面輪郭など）を測
定、検査する場合には、決起のような手順が必要となる
。

すなわち、被測定物体５の表面状態を測定する場合には
、位置測定装置２３と被測定物体５とを相対的、かつ二
次元的に移動させながら被測定物体の表面を光ビームを
照射して連続的に測定する必要がある。そのために、従
来では被測定物体をＸ−Ｙテーブル等に搭載して位置測
定装置に対向させ、Ｘ−Ｙテーブルの移動操作により測
定装置から出射した光ビームで被測定物体の表面上を走
査するような方法で測定を行っている。

しかしながら、この方法では測定、検査に長時間を要す
る問題のある他、被測定物５がＸ−Ｙテーブルに搭載す
ることができず、かつ特定の方向にしか移動できないも
のである場合には、このままでは面の測定が実施できな
い、そこで、第８図で示すように被測定物体５に対して
ｖ１敗個の位置測定装置２３をアレー状に並べて表面測
定装置２４を構成し、被測定物体５を矢印Ｐ方向に直線
移動させながら測定を行うことにより、被測定物体５の
二次元的な表面の測定が可能となるが、この測定方式で
は多数の位置測定装置２３を必要とするので表面測定装
Ｆｔ２４が大形になり、かつ装置のコストも高（なる他
、隣接する位置測定値［２３の相互間には測定不能な測
定空白部分が残る欠点もある。

つまり、従来の位置測定装置２３では、光源から被測定
物体に向けて出射する光ビームの光軸が固定的であるた
めに、被測定物体の表面凹凸１表面輪郭などの面の測定
を行うには掻めて厄介な手順が必要となり、測定を能率
よく行うことが困難であった。

本発明は上記の点にかんがみなされたものであり、投光
部に光ビーム走査手段を組合せることにより、被測定物
体を一次元的に定方向へ相対移動させるだけで被測定物
体の凹凸面１表面輪郭などの面状態が容易に測定できる
ようにした位置測定装置を提供することを目的とする。

（！ｌ１ｆｉを解決するための手段〕 上記課題を解決するために、本発明の位５を測定装置は
、光源と光ビーム走査手段との組合せがらなり、光源か
ら出射した指向性の高い光ビームを被測定物体に向けて
一次元状に走査する投光部と、被測定物体に照射された
走査光ビームの反射光を！バ光して一次元位置検出部の
受光素子に入射させる受光部と、投光部から出射する走
査光ビームの方向に対応した光方向信号を出力する光方
向検出部と、前記の一次元位置）食出部、光方向検出部
よりそれぞれ出力する位置検出信号、光方向信号を基に
所定の演算を行って被測定物体上の光ビーム照射位置の
基準位置に対する変位量を出力する信号処理部とから構
成するものとする。

また、別な手段として、前記構成における一次元位置検
出部、光方向渣出部を、被測定物体に照射する光ビーム
の走査軌跡に対応する位置座標の情報、および被測定物
体の変位に対応する位置座標の情報を含む２種類の位置
検出信号を出力する二次元値′１１検出部に置き換えて
構成することもできる。

〔作用〕

上記の構成において、光ビーム走査手段としては例えば
ポリゴンミラーが用いれら、該ポリゴンミラーを回転操
作することにより、光源から出射した光ビームをミラー
面に反射させて被測定物体の表面上を一次元状に走査す
る。また、投光部と受光部とで構成される光学系は、シ
ャインプルーグ条件を満足し、かつ少なくとも前記した
光ビームの走査範囲内において被測定物体が変位した場
合でも被測定物体で反射した光スボ７）の軌跡が位置検
出部の受光面上に入射されるように配置されている。

かかる構成により、測定時には投光部から出射した光ビ
ームが被測定物体の表面を一次元状に走査し、受光部で
は被測定物体の表面を走査する光ビームの照射位置に対
応して位置検出部から出力する位置検出信号の値が変化
する。さらに、前記の位置検出１３号は信号処理部で光
ビームの走査方向に対応した変換演算が行われ、光ビー
ム照射位置の基準位置に対する変位に比例した測定信号
として出力される。したがって、被測定物体の表面を光
ビームで一次元状に走査しつつ、同時に被測定物体を位
ｆｆ１Ｎ定装置に灯し相対的に一次元的に移動させるこ
とにより、例えば凹凸面を呈する被測定物体の面につい
ての表面輪郭、ないしは表面上の点の位置、変位の測定
を連続的に行うことができる。

〔実施例〕

第１図、第２図、および第３図、第４図はそれぞれ異な
る本発明の実施例を示すものであり、第５図に対応する
同一部材には同じ符号が付しである。

まず、第１図、第２図の実施例において、２５は光ａ１
から出射した光ビーム４を反射し、かつモータ２６の回
転により光ビーム４を走査光ビーム２７として被測定物
体５の表面５ｂを一次元状に操り返して走査するように
したポリゴンミラー、２８は光ｓ１．投光レンズ３．ポ
リゴンミラー２５．駆動モータ２６との組合せからなる
投光部である。また、２９はポリゴンミラー２５の駆動
モータ２６の軸に結合し、投光部２８から被測定物体５
に向けて照射される走査光ビーム２７の照射角αを検出
して光方向信号２９ａを出力するようにした光方向検出
部である。

なお、照射角αは被測定物体５の表面５ｂに立てた垂直
仮想線と走査光ビーム２７とのなす角度を表す。

かかる構成により、ポリゴンミラー２５の回転操作によ
り被測定物体５０表面が走査光と−ム２７で一次元状に
走査されるようになる。

一方、受光部３０は、被測定物体５からの反射光７を集
束して集束光８に変える受光レンズ６、および−次元位
置検出素子としての受光素子９と受光素子９の出力信号
を演算処理する演算部２０とからなる一次元位置検出部
２１とを含む、また、３１は信号処理部であり、−次元
位置検出部２１が出力する検出信号２０ａと光方向検出
部２９からの光方向信号２９ａとを取り込み、これらの
両入力（８号を基に後述する所定の演算を行って、被測
定物体５の所定の基準位置に対する変位量を表す測定信
号３１ａを出力するものであり、これらを組合せて（立
置測定装置３２を構成している。

次に前記構成の位置測定装置３２による測定動作につい
て説明する。まず、図示の測定状態でポリゴンミラー２
５を回転すると、被測定物体５の表面５ｂが実線状態に
あれば、走査光ビーム２７の光スポットが表面５ｂ上で
点Ｑ、、　Ｓｌを通る走査軌跡に沿って走査され、その
反射光７が集光レンズ６を透過して受光そし９に入射し
、その受光面上に結像される。ここで、前記の点Ｑ、、
　Ｓ、に形成された光スポットの像は受光素子９の受光
面上で点Ｑ、、　Ｑ□と光学的共役の関係にある位置Ｑ
＋＋　Ｓｌに結像される。

また、前記の地点Ｑ＋、　Ｓｔで被測定物体５の表面が
ｔＩ線で表すように凸状に膨出しているとすれば、走査
光ビーム２７によりこれらの膨出部上の点Ｑｌ＋５８に
形成された光スポットの像が受光素子９の受光面上での
位置Ｑ！１３１に結像するようになる。

このようにして、被測定物体５の表面に照射された光ス
ポットの像が受光素子９の受光面上に結像されると、演
算部２０を通じて前記の結像位置ｑ＋＋Ｑｘ＋　５＋＋
　ｓｊに対応した位置座標の情輻を表す検出信号２０ａ
が出力される。なお、この場合に先記の（３１式、（４
）式に示した関数ｆは走査光ビーム２７の照射角度αご
とに異なることは明らかである。また、上述においては
（４）式に示したに８が定数であるとしたが、実際には
、このに、は受光素子９及び演算器２０の各々における
信号変換特性の非直線性の故に２の関数となっている。

一方、信号処理部３１に対し、前記した検出信号２０ａ
、および光方向信号２９ａが入力されると、信号処理部
３１は検出信号２０ａの値２を基に前記の定数に８を算
出すると共に、光方向信号２９ａを基に各角度αごとに
予め信号処理部３１のメモリ内に格納されている関数ｆ
を抽出して（４）式の演算を行い、被測定物体５の表面
上における走査光ビーム２７の各照射地点に対応した測
定４ｇ号３１ａを出力する。

したがって、第１図に実線で示した被測定物体５の表面
５ｂを基準位置とすれば、測定信号３１ａを基に、走査
光ビーム２７で照射された被測定物体５上の点Ｑよ、Ｓ
、の変位り、　（点Ｑ、、　Ｑ、間の距離）、Ｌ８−１
１Ｊｌ＋　ｓ、間の距ｍ＞　を含む走査光ビーム２７の
走査軌跡に沿った被測定物体５の表面状Ｍ（凹凸面。

輪郭）を連続的に測定できる。そして、前記したポリゴ
ンミラー２５の回転による光ビームの走査に加えて、被
側定物体５を第２［１のように矢印Ｐ方向へ相対移動さ
せることにより、被ｄｌ！ｌ定物体５の表面５ｂの状態
、つまり表面の凹凸１表面輪郭を二次元的に測定するこ
とができる。

次に第３図、第４図に本発明の別な実施例を示す、この
実施例は、基本的には先記した実施例と同様であるが、
第１Ｕ４における一次元位置検出素子としての受光素子
９．および光方向渣出部２９の代わりに、走査光ビーム
の走査軌跡に対応した位置座標の情報、および被測定物
体の変位に対応した位置座標の情報が同時に得れるよう
にした二次元位置検出部を採用して構成の簡略化を図っ
たものである。すなわち、第３図において、符号３３が
二次元位置１食出素子（受光素子）を示し、その後段に
接続した演算部３４とで受光部３０の二次元位置検出部
３５を構成し、さらに第１図と同様な投光部２８と組合
せて位置測定装置３６の要部を構成している。なお、第
１図の実施例と同一部品には同じ符号が付しである。

一方、前記した二次元位置検出素子３３は第４図に示す
構造の拡散型ＰＩＮホトダイオードが採用されている０
図において、１１．１２はそれぞれｎ型半導体基板、ｐ
型半導体領域であり、両者の間にｐｎ接合部１３が方形
状に形成されている。また、１４はｐｎ接合部１３の中
央位置Ａに対向して基板１１の外面に設けた電極、１５
ａ、　１５ｂ、および１６ａ、　１６ｂはそれぞれｐｎ
接合部１３に対してその周辺部に直交して互いに向かい
合うよう配置したｔｉであり、かつ前記の各型１１５ａ
、　１５ｂ、および１６ａ、　１６ｂにはそれぞれ抵抗
１７ａ、　１７ｂ、および１８ａ、　１８ｂが接続され
、中央の電極１４との間に電源１９が接続されている。

つまり第６図に示したホトダイオードの構造を基本に、
ｐ型半導体領域１２の周辺部に２組の電極１５ａ、６ａ
と１５’ｂ、　１６ｂを直交するように設置した構造と
してなる。

かかる構成で、受光面上での中央位′：Ｉｔ、Ａを原点
として電極１５ａ、　１６ａが対向する方向をＸ軸、電
極１５ｂ、　１６ｂが対向する方向をＹ軸としたＸ−Ｙ
直交座標系で、（Ｄ　ｘ、　Ｄ　ｙ）の位置Ｂに第６図
で述べた受光素子と同様に外部から光ビームが入射する
と、座標値（Ｄ　ｘ、　Ｄ　ｙ）と素子に発生する光電
流との間には決起の弐が成立する。

Ｄｘ　−ＫＩｉ＝　（＋＋　−Ｉｔｓ）　／　（１＋ａ
＋　１ｔａ）・−−−（５１ ｏｙ　’　Ｋ＋ｂ＝　（ｆ＋ｂ−１ｚｂ）　／　（ｉ＋
ｂ＋　１ｚＪなお、上式で’ｌａ＋　　ｆ２ｍ　＋’ｌ
ｂ＋　　ｌｚｂはそれぞれ抵抗１７ａ、　１７ｂ、　１
８ａ、　１８ｂを流れる光？Ｉｔ流、Ｋ　ｌａ＋Ｋｌｋ
は比例定数である。

また、前記の二次元位置検出素子３３から出力した光信
号’１ｍ＋　　’□ａ＋ｌｌｋ＋　　１１には第３図に
示した後段の演算部３４に取り込まれ、第５図に示した
演算部２０と同様な演算を行って次式のｚａ、　ｚｂで
表す位置検出信号３４ａ、　３４ｂを出力する。

Ｚａ”Ｋｏａ’　（ＤＸ　’に＋ａ）　＝に！＋１・Ｉ
）ｘ−−（７１ｚｂ＝Ｋｏｂ・（ＤＹ　・Ｋ＋ｂ）　＝
Ｋｚｂ・Ｄｙ”−’　［ｓｌなお、上式でＫｔａ＋Ｋｘ
ｈは比例定数である。

一方、二次元位置検出素子３３は、被側定物体５の表面
５ｂを走査光ビーム２７で走査する際に、表面上に定め
た基準位置Ａ、を遣る走査軌跡３７に沿って移動（Ｘｏ
力方向する走査光ビーム２７の反射光スポットが二次元
位置検出素子３３の受光面における直交座標系のＸ軸上
を移動するように配置されている。したがって走査軌跡
３７上で基準位置Ａ６から距離し×だけ隔てた照射位置
５ａは、前記式（６１，Ｔ７＋の関係から二次元位置検
出部３５において照射位置５ａが次式（９）で求められ
、被測定物体に照射する光ビームの走査軌跡に対応する
位１座標の情報が検出信号３４ａとして演算部３４より
出力される。

Ｌ　ｘ　＝Ｋａ　−Ｄ　ｘ　＝Ｋａ　・（ｚａ−Ｋｔａ
”）　−・−１９＋また、第３図において、走査光ビー
ム２７の走査軌跡３７と直交する方向（Ｙｏ力方向に被
測定物体５の表面が変位（鎖線）したとすると、この位
１５ａに照１・すした走査光ビーム２７の反射光スポッ
トは、二次元位置検出素子３３の受光面上で先記した直
交座標系のＹ軸方向に移動する。したがって被測定物体
５の照射位置５ａが基準面からＹｏ方向へ距離Ｌｙだけ
変位している状態では、前記した＋６１．　（８）弐の
関係から照射位置５ａが次式〇傳により求められ、被測
定物体の変位に対応した位置座標の情報が検出信号３４
ｂとして演算部３４より出力される。

Ｌｙ　＝　ｆｂ（Ｄｙ）＝Ｋｂ　・（ｚｂ−Ｋ、）　−
−Ｑｌなお、上式でｒｂは所定の関数である。

したがって、上記構成の位置測定装置３６において、被
測定物体５の表面５ｂを走査光ビーム２７で走査すると
、表面５ｂ上での照射位置５ａの軌跡は被測定物体５を
Ｘｏ−Ｙｏと平行な面で断面した輪郭と一致することに
なる。そして、表面の基準位置Ａｏを原点とするＸｏ−
Ｙｏ座標系で任意の照射位置５ａに対応する座標値（Ｌ
　ｘ、　Ｌ　ｙ）が、二次元位置検出素子３３の受光面
上での座標（１（Ｄｘ、Ｄｙ）と一対一で対応する。し
たがって、演算部３４から出力した検出信号３４ａ、　
３４ｂを基にして走査光ビーム２７の走査軌跡３７に沿
った被測定物体５の表面輪郭が測定される。しかも、前
記した走査光ビーム２７の走査は、ポリゴンミラー２５
の回転により繰り返し行われるので、被測定物体５を図
示の矢印Ｐ方向へ相対的に移動させることにより、被測
定物体５の表面状態、つまり凹凸面２表面輪郭の測定、
ないしは表面上における点の位置測定を連続的に行うこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明による位置測定装置は、以上説明したように構成
されているので、決起の効果を奏する。

（１）位置検出装置に光ビームの走査手段を組み込み、
測定に際して投光部から出射した光ビームを被測定物体
の表面上で一次元的に走査することにより、測定装置、
被測定物体を相対的に移動することな（、この状態で走
査光ビームの走査軌跡に沿った被測定物体の表面状態が
測定できる。

（２）また、前記の光ビーム走査に加えて被測定物体を
測定￥ｔｆｆと相対的に定方向へ直線移動させることに
より、１台の測定装置を用いて被測定物体の面域につい
て、その表面の凹凸９表面輪郭ないしは表面上の点の位
置を連続的、かつ短時間で測定することができる。

（３）シたがって、従来の測定方式のように被測定物体
をＸ−Ｙテーブルに搭載したり、被測定物体に対し複数
台の測定装置をアレー状に配置して測定するといった設
備面での制約がなく、かつ被測定面上での測定空白の発
生を招（こともないなど、機能、使用面で実用的価値の
高い位置測定装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の位置測定装置の一実施例の構成図、第
２図は第１図に示した実施例の動作説明図、第３図は本
発明の異なる実施例の構成図、第４図は第３図における
二次元位置検出素子の詳細構造図、第５図は従来の位置
測定装置の構成図、第６図は第５図における受光素子の
詳細構造図、第７図は第５図の測定動作説明図、第８図
は従来の表面測定装置の構成図である。 １：光源、２：照射光、３：投光レンズ、４：光ビーム
、５；被測定物体、６：集光レンズ、７：反射光、８：
集０束光、９ニ一次元位置検出受光素子、２０：演算部
、２０ａ二検出信号、２１ニ一次元位置検出部、２５：
ポリゴンミラ−（光ビーム走査手段）、２７：走査光ビ
ーム、２８：投光部、２９：光方向検出部、３０：受光
部、３１：信号処理部、３１ａ：測定信号、３３：二次
元位置検出素子、３４：演算部、３５：二次元位置検出
部。 Ａｏ １３図 第４図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被測定物体に光ビームを照射し、その反射光を検出
   して被測定物体の位置、変位を測定する位置測定装置で
   あって、光源と光ビーム走査手段との組合せからなり、
   光源から出射した指向性の高い光ビームを被測定物体に
   向けて一次元状に走査する投光部と、被測定物体に照射
   された走査光ビームの反射光を集光して一次元位置検出
   部の受光素子に入射させる受光部と、投光部から出射す
   る走査光ビームの方向に対応した光方向信号を出力する
   光方向検出部と、前記の一次元位置検出部、光方向検出
   部よりそれぞれ出力する位置検出信号、光方向信号を基
   に所定の演算を行って被測定物体上の光ビーム照射位置
   の基準位置に対する変位量を出力する信号処理部とから
   構成したことを特徴とする位置測定装置。 ２）被測定物体に光ビームを照射し、その反射光を検出
   して被測定物体の位置、変位を測定する位置測定装置で
   あって、光源と光ビーム走査手段との組合せからなり、
   光源から出射した指向性の高い光ビームを被測定物体に
   向けて一次元状に走査する投光部と、被測定物体に照射
   された走査光ビームの反射光を集光して位置検出部の受
   光素子に入射させる受光部と、位置検出器より出力する
   位置検出信号を基に所定の演算を行って被測定物体上の
   光ビーム照射位置の基準位置に対する変位量を出力する
   信号処理部とからなり、かつ前記位置検出部の受光素子
   が、被測定物体に照射する光ビームの走査軌跡に対応す
   る位置座標の情報、および被測定物体の変位に対応する
   位置座標の情報を含む２種類の位置検出信号を出力する
   二次元位置検出素子であることを特徴とする位置測定装
   置。