JPH05164556A - 合焦点型非接触変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対物レンズ部を移動させないことによって、
応答速度を落とすことなく、深溝や穴の表面形状測定を
可能とする。又、測定用途により、対物レンズを交換可
能とする。 【構成】 結像光学系のコリメータレンズ（２４）と対
物レンズ（１４）の間にリレーレンズ（５２、５４）を
おき、その一方にサーボをかけることにより、合焦を行
う。合焦点が検知されたときのリレーレンズの位置から
測定対象物の変位を知る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、合焦点型非接触変位計
に係り、特に、非接触表面粗さ計や三次元座標測定機用
の非接触倣いプローブとして用いるのにも好適な、深溝
や穴の表面形状測定が可能であり、対物レンズの交換も
可能な合焦点型非接触変位計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ビームを用いる非接触変位計として
は、三角測量法を利用した装置や、非点収差法、臨界角
法、フーコー法、ピンホール法等の合焦点方式を利用し
た装置がある。

【０００３】しかしながら、三角測量法を利用した変位
計においては、分解能を上げようとすると原理的に測定
範囲が狭くなる欠点がある。

【０００４】又、合焦点方式を利用した変位計において
は、例えば光ディスクのオートフォーカスの原理を利用
し、合焦点状態における対物レンズの位置を変位信号と
して検出するが、その多くは対物レンズ駆動手段として
用いられるムービングコイルに流れる電流の値を変位信
号として用いるもので、変位検出の精度が低かった。そ
のため、例えば１mm以上の広い測定範囲と、０．０１μ
m程度の高分解能を両立するのは困難であった。

【０００５】このような問題点を解消するべく、出願人
は、既に特願平３−９１５７３（未公知）で、広い測定
範囲に亘って、高い分解能で変位を検出することが可能
な非接触変位計を提案している。

【０００６】これは、図１に示す如く、常に測定対象物
１０の表面１１Ａに合焦するように対物レンズ１４にサ
ーボをかけ、該対物レンズ１４の変位量をスケール１６
と検出器１８又は差動トランス等からなるリニアエンコ
ーダで読取り、測定面１１Ａの変位を測定するようにし
たものである。

【０００７】図１において、２０は光源としての半導体
レーザ、２２は、該半導体レーザ２０から放射された光
を測定面１１Ａに向けて反射するための偏光ビームスプ
リッタ、２４は、該偏光ビームスプリッタ２２により進
行方向を変えられた光を平行ビームとするためのコリメ
ータレンズ、２６は、測定面１１Ａによる散乱反射光が
半導体レーザ２０に戻らないようにすると共に、偏光ビ
ームスプリッタ２２との組合せで、ハーフミラーを用い
た場合よりも効率を高めるための１／４波長遅延板、２
８は、前記偏光ビームスプリッタ２２を透過した反射光
を結像するための結像レンズ、３０は、該結像レンズ２
８を透過した光を分割するためのビームスプリッタ、３
２Ａ、３２Ｂは、該ビームスプリッタ３０により分割さ
れた各反射光の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置
されたピンホール板、３４Ａ、３４Ｂは、各ピンホール
板３２Ａ、３２Ｂを通過した反射光の光量をそれぞれ検
出するための受光素子（例えばフォトダイオード）であ
り、前記偏光ビームスプリッタ２２、コリメータレンズ
２４、対物レンズ１４、１／４波長遅延板２６、結像レ
ンズ２８によって結像光学系が構成されている。

【０００８】前記対物レンズ１４は、その可動鏡筒３８
に取付けられたボイスコイル等のムービングコイル４０
及びマグネット４２により、図の上下方向に駆動され、
合焦したときの可動鏡筒３８の位置（即ち対物レンズ１
４の位置）が、前記スケール１６の変位を検出器１８で
読み取ることによって、検出するようにされている。

【０００９】この出願人が提案した変位計によれば、広
い測定範囲に亘って高分解能で変位を検出することが可
能となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うに対物レンズ１４に対してムービングコイル４０等で
直接サーボをかける方式では、図１に示すような深溝１
１の底面１１Ａの測定では、対物レンズ１４の鏡筒３８
が長くなり、可動部が重くなる。又、図２に示すような
穴１２の内側面１２Ａの測定では、鏡筒３８が複雑な形
となり、やはり可動部が重くなる。このため、応答速度
が遅くなるという問題点を有していた。

【００１１】更に、対物レンズ部を用途により交換しよ
うとしても、そのために可動部の重量が変動すると、対
物レンズを制御できなくなるため、対物レンズを交換す
ることができないという問題点も有していた。

【００１２】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、応答速度を落すすことなく、深溝や
穴の表面形状の測定が可能であり、且つ、測定用途によ
り対物レンズを交換することが可能な合焦型非接触変位
計を提供することを目的とする。

【００１３】

【問題点を解決するための手段】本発明は、合焦点型非
接触変位計において、光源と、該光源から放射される光
を測定対象物の表面に照射し、その反射光により該光源
の像を結像する結像光学系と、該結像光学系の光路中に
挿入されたリレーレンズと、該リレーレンズの位置を変
化させる駆動手段と、前記リレーレンズ位置を検出する
エンコーダと、結像位置が所定の位置に一致したことを
検知する合焦点検知手段を具備し、前記駆動手段を作動
させて合焦点検知手段によって合焦点が検知されたとき
の前記エンコーダの出力を測定対象物の変位信号として
出力するようにして、前記目的を達成したものである。

【００１４】

【作用】本発明においては、光源から放射される光を測
定対象物の表面に照射し、その反射光により該光源の像
を結像するための結像光学系の光路中にリレーレンズを
挿入し、該リレーレンズの位置を、ムービングコイル等
の駆動手段で動かして、リレーレンズの間隔を調整し、
対物レンズは動かさないで、測定対象物の表面に合焦
し、そのときのリレーレンズの変位をスケール又は差動
トランス等のエンコーダで検出して、測定対象面の変位
としている。

【００１５】従って、深溝の底面の測定や穴の内側面の
測定に際して、対物レンズの鏡筒が長くなったり複雑な
形となって、可動部が重くなっても、対物レンズを動か
す必要がなく、リレーレンズを動かせばよいので、重量
が軽く、応答速度が速い。

【００１６】又、測定用途によって対物レンズを交換し
ても、可動部の重量が変わらないので、容易に制御可能
である。

【００１７】特に、前記リレーレンズを複数のレンズで
構成すると共に、特定レンズの位置のみを前記駆動手段
によって変化させるようにした場合には、構成が簡略で
ある。

【００１８】

【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１９】本発明の第１実施例は、本発明をピンホー
ル法による深溝測定用の非接触変位計に適用したもの
で、図１に示した比較例と同様の構成において、結像光
学系のコリメータレンズ２４と対物レンズ１４の間に上
下一対のリレーレンズ５２、５４を挿入し、その一方、
図では下方のリレーレンズ５４を含む可動部５０をボイ
スコイル４０とマグネット４２からなる駆動手段で図の
上下方向に駆動すると共に、対物レンズ１４を固定鏡筒
５６を介してケース５８に固定するようにしたものであ
る。

【００２０】前記リレーレンズ５２、５４と対物レンズ
１４は、全て同一とされている。

【００２１】他の構成は、図１に示した比較例と同様で
あるので、詳細な説明は省略する。

【００２２】前記可動部５０は、例えば図４に示す如
く、下方のリレーレンズ５４のみを図の上下方向に移動
し、上方のリレーレンズ５２及び対物レンズ１４は固定
されている。従って、測定面１１Ａの変位をa 、下方の
リレーレンズ５４の変位をb とすると、両変位a とb の
間には、次式の関係が成立する。

【００２３】 b ＝a ／｛１＋（a ／f ）｝ …（１）

【００２４】ここで、f はレンズの焦点距離である。

【００２５】従って、測定面１１Ａの変位a とリレーレ
ンズ５４の変位b の関係は、必ずしも直線的な関係には
ないが、測定面１１Ａの変位a が小さい場合には、使用
上は問題ない。例えば、f ＝１０mmとして、 a ＝０．０１mm のとき b ＝０．００９９９mm a ＝０．１mm のとき b ＝０．０９９mm となる。

【００２６】なお、測定面１１Ａの変位が大きい場合に
は、前出（１）式の関係により、関数処理して用いるこ
とも可能である。

【００２７】本実施例においては、２枚のリレーレンズ
５２、５４と対物レンズ１４が全て同一であるので、測
定面１１Ａの変位を１対１で伝えられる利点を有する。
なお、信号処理回路を設けることにより、光学系で測定
変位量を拡大したり縮小したりすることも可能である。

【００２８】又、本実施例においては、コリメータレン
ズ２４に近い上方のリレーレンズ５２を固定し、下方の
リレーレンズ５４を移動するようにしていたので、構成
が簡略である。なお、図５に示す第２実施例の如く、下
方のリレーレンズ５４を固定し、上方のリレーレンズ５
２を動かすようにしてもよい。

【００２９】次に、図６を参照して、穴の表面形状測定
用の非接触変位計に適用した、本発明の第３実施例を詳
細に説明する。

【００３０】この第３実施例は、図２に示した比較例と
同様の非接触変位計において、前記第１実施例と同様に
コリメータレンズ２４と対物レンズ１４の間に左右一対
のリレーレンズ５２、５４を挿入し、その一方、図では
右方のリレーレンズ５４を含む可動部５０をボイスコイ
ル４０及びマグネット４２からなる駆動手段で図の左右
方向に駆動すると共に、対物レンズ１４を固定鏡筒５６
を介してケース５８に固定するようにしたものである。

【００３１】他の構成及び基本的な作用は、図１の比較
例又は図３の第１実施例と同様であるので、詳細な説明
は省略する。

【００３２】前記実施例においては、いずれも、可動部
５０をボイスコイル４４により駆動しているので、応答
性が速い。なお、可動部５０の駆動方法はこれに限定さ
れず、例えばリニアモータを用いたり、あるいは送りね
じと回転モータを用いることもできる。

【００３３】又、前記実施例においては、測定面の検出
にピンホール法が用いられていたが、測定面が対物レン
ズの焦点位置にきたときに、焦点位置信号を発生する方
法はこれに限定されず、例えば非点収差法、臨界角法、
フーコー法等、他の合焦点方式であってもよい。

【００３４】又、前記実施例においては、いずれも、ビ
ームスプリッタ３０が、結像レンズ２８とピンホール板
３２Ａ、３２Ｂの間に配設されていたが、ビームスプリ
ッタ３０の配設位置はこれに限定されず、結像レンズ
（２枚必要となる）と偏光ビームスプリッタ２２の間に
設けてもよい。又、偏光ビームスプリッタ２２の代わり
にハーフミラーを用いてもよい。

【００３５】又、可動部５０の位置を検出するエンコー
ダも、リニアエンコーダに限定されず、例えばロータリ
エンコーダを用いてもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、対
物レンズは動かさず、リレーレンズを動かすので、重量
が軽く、応答速度が速い。

【００３７】又、測定用途によって、対物レンズ部を交
換しても、リレーレンズを含む可動部の重量は変わらな
いので、容易に制御可能である等の優れた効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、出願人が特願平３−９１５７３（未公
知）で提案した比較例を用いて深溝の底面を測定してい
る状況を示す断面図である。

【図２】図２は、同様の比較例により穴の内側面を測定
している状態を示す断面図である。

【図３】図３は、本発明の第１実施例により深溝の底面
を測定している状態を示す断面図である。

【図４】図４は、第１実施例におけるリレーレンズの原
理を示す線図である。

【図５】図５は、本発明の第２実施例におけるリレーレ
ンズの原理を示す線図である。

【図６】図６は、本発明の第３実施例により穴の内側面
を測定している状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１０…測定対象物、 １１…深溝、 １１Ａ…底面（測定面）、 １２…穴、 １２Ａ…内側面（測定面）、 １４…対物レンズ、 １６…スケール、 １８…検出器、 ２０…半導体レーザ、 ２２…偏光ビームスプリッタ、 ２４…コリメータレンズ、 ２８…結像レンズ、 ３４Ａ、３４Ｂ…受光素子、 ３８…可動鏡筒、 ４０…ボイスコイル、 ４２…マグネット、 ５０…可動部、 ５２、５４…リレーレンズ、 ５６…固定鏡筒、 ５８…ケース。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源と、 該光源から放射される光を測定対象物の表面に照射し、
   その反射光により該光源の像を結像する結像光学系と、 該結像光学系の光路中に挿入されたリレーレンズと、 該リレーレンズの位置を変化させる駆動手段と、 前記リレーレンズの位置を検出するエンコーダと、 結像位置が所定の位置に一致したことを検知する合焦点
   検知手段を具備し、 前記駆動手段を作動させて合焦点検知手段によって合焦
   点が検知されたときの前記エンコーダの出力を測定対象
   物の変位信号として出力することを特徴とする合焦点型
   非接触変位計。
2. 【請求項２】請求項１において、前記リレーレンズを複
   数のレンズで構成すると共に、特定レンズの位置のみを
   前記駆動手段によって変化させることを特徴とする合焦
   点型非接触変位計。