JPH0575325B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0575325B2 JPH0575325B2 JP62097489A JP9748987A JPH0575325B2 JP H0575325 B2 JPH0575325 B2 JP H0575325B2 JP 62097489 A JP62097489 A JP 62097489A JP 9748987 A JP9748987 A JP 9748987A JP H0575325 B2 JPH0575325 B2 JP H0575325B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- total reflection
- reflection surface
- light
- displacement
- distance
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Optical Transform (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
〔発明の目的〕
（産業上の利用分野）
本発明は、非接触変位測定装置に係り、特に光
の反射面からのにじみ出しを利用して、対象物体
との変位を高精度に測定する変位測定方法に関す
る。 （従来の技術） 従来、光を用いた非接触測定方式としては、第
５図のように、対象物体ＡにHe−Neレーザー光
Ｂを照射し、対象物体Ａに当つた光のスポツトを
レンズ系Ｃなどで例えばPSD（Ｐosition Ｓ
ensing Ｄiode）などのような、光電素子Ｄ（こ
の素子では、例えば10mm×10mmの光電素子面に当
つた光の位置（ｘ，ｙ）に比例した電圧が出力で
きる。）面に結像させ、この出力電圧からセンサ
Ｅと物体Ａとの距離aiの変動を算出する方式があ
る。このような変位計は装置化され、市販されて
いる。 一方、別の方式としては、第６図のように、対
象物体ＦとセンサＧ面を図のような配置とし、セ
ンサＧ面からの反射光R1と対象物体からの反射
光R2の干渉を利用して、距離ｄの変動（変位）
を算出する方式などがある。この方式を装置化し
たものはあまり市販されている例がないが、測定
方式としては、きわめて一般的である。 しかるに、前者のPSDによる方式では、変位
ａの分解能は一般的には数μm〜数10μm程度であ
り、光の波長の数100倍のオーダーである。また、
作動距離（work distance）は数mm〜数10mmが必
要である。また後者の干渉による方式では、変位
ｄの分解能は、光の数分の１波長オーダーであ
る。たとえば、図中の光路をｌと置くと、良く知
られている干渉の条件から 2l＝nλ、ｎ＝１，２，３、 λ：光の波長 を満すｌについては、明るい縞が検出できる。ま
た、 2l＝（ｍ＋１／２）λ、 ｍ＝１，２，３ を満すｌについては、暗い縞が検出できる。した
がつて、これを利用した干渉による変位検出方式
では、最初に検出できるのは暗い縞でｌ＝λ／４
（ｍ＝１のとき）であり、作動距離（work
distance）は、λ／４以上、分解能λ／（１〜
32）（ただし、内挿法を用いた場合）程度が一般
的である。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上述した従来の変位測定方式が、作
動距離が長く且つ測定精度にも限界があることを
顧慮してなされたもので、センサー面に非常に近
接した作動距離（具体的には波長λ以内）で、き
わめて高分解能（波長λの数十分の１〜数百分の
１）で対象物体との距離、もしくは物体の変位を
測定する変位測定方法を提供することを目的とす
る。 〔発明の構成〕 （問題点を解決するための手段と作用） 光を出射する光源と、上記光を入射する入射面
並びに入射面を介して内部に入射してきた光を全
反射し且つ非透過性の被測定物に対向して設けら
れる全反射面を有する光学的手段と、上記全反射
面からの光を受光して光電変換する光電変換手段
とを有し、全反射面近傍位置にて極小値を有する
反射光量と被測定物の変位量との関係を求す特性
曲線をあらかじめ記憶し、この特性曲線に基づい
て、変位測定するようにしたものである。 （実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述
する。 第１図にこの実施例の変位測定方法に用いられ
る装置の構成を示している。この装置は、He−
Neレーザ光を出射するレーザ光源１と、レーザ
光束を通過反射させる光学部品２と、レーザ光束
の光量を測定するフオトダイオード、フオトトラ
ンジスタなどの光電センサ３と、光電センサ３の
出力（電圧または電流）を入力し後述する処理を
行うマイクロコンピユータを主体とする処理装置
４と、この処理装置４における処理結果である光
学部品２と対象物体５の間隔ｘまたは対象物体５
の変位量dxを表示する表示装置６とから構成さ
れている。ここでは、対象物体５は、金属ミラー
のように光が反射する物体とする。 つぎに、上記構成の変位測定装置を用いた本実
施例の変位測定方法について述べる。 まず、レーザ光源１から出射した光束L1は、
例えば第１図のような光学部品２の左側面点Ａへ
入射角θi1で入射する。そして、透過光は、屈折
角θt1で光学部品内に進入する。今、光学部品２
の屈折率をnop、光学部品２外の媒質の屈折率
noutとすると、良く知られている屈折の法則又
はSnellの法則から sinθi1／sinθt1＝nop／nout＝nop−out となる。一般的には外の媒質を空気とするとnop
−out＞１である。そして、光学部品２内部を進
む光束L2は、光学部品２の底面Ｓの点Ｂへ入射
角θ2で入射する。この発明では、入射角θ2は、θ2
＞θ2 *を満すように設定されている。ただだしθ2 *
は臨界角でsinθ2 *＝nout−op＝nout／nop＝１を
満す角度とする。 これは、いわゆる全反射の状態で、光束L2は
すべての光が角θ2で反射して光束L3となつて、光
学部品の右側面へ向うことを示している。光学部
品２の右側面上の点Ｃでは、左側面点Ａで生じた
のと同様に、屈折の法則より、 sinθi2／sinθt2＝nop−out の関係を有する角θi2で、光束L4は光学部品を出
射する。この光束L4は先に述べた光電センサ３
へ向い、光電変換される。センサ３から得られた
出力は、電圧又は電流の形で処理装置４へ入力さ
れる。従来のマクロ的な光学では、光学部品２の
底面Ｓで全反射した光は、光学部品外では、存在
していないと考えるのが一般的である。しかし、
微視的に見ると、光学部品２と外界の媒質の境界
では、わずかに外界に光がにじみ出していること
が認められる。そこで、光学部品２の底面Ｓを第
２図のように拡大して示した。この光学部品２の
外界の媒質に対する屈折率nop−out＝ｎとする
と、仮想の透過光LB′と光束L2を考え、先の屈折
の法則より、一般性を失わずに、 sinθim／sinθ2＝ｎ となる。そこで、これから sinθ2＝sinθim／ｎ
の反射面からのにじみ出しを利用して、対象物体
との変位を高精度に測定する変位測定方法に関す
る。 （従来の技術） 従来、光を用いた非接触測定方式としては、第
５図のように、対象物体ＡにHe−Neレーザー光
Ｂを照射し、対象物体Ａに当つた光のスポツトを
レンズ系Ｃなどで例えばPSD（Ｐosition Ｓ
ensing Ｄiode）などのような、光電素子Ｄ（こ
の素子では、例えば10mm×10mmの光電素子面に当
つた光の位置（ｘ，ｙ）に比例した電圧が出力で
きる。）面に結像させ、この出力電圧からセンサ
Ｅと物体Ａとの距離aiの変動を算出する方式があ
る。このような変位計は装置化され、市販されて
いる。 一方、別の方式としては、第６図のように、対
象物体ＦとセンサＧ面を図のような配置とし、セ
ンサＧ面からの反射光R1と対象物体からの反射
光R2の干渉を利用して、距離ｄの変動（変位）
を算出する方式などがある。この方式を装置化し
たものはあまり市販されている例がないが、測定
方式としては、きわめて一般的である。 しかるに、前者のPSDによる方式では、変位
ａの分解能は一般的には数μm〜数10μm程度であ
り、光の波長の数100倍のオーダーである。また、
作動距離（work distance）は数mm〜数10mmが必
要である。また後者の干渉による方式では、変位
ｄの分解能は、光の数分の１波長オーダーであ
る。たとえば、図中の光路をｌと置くと、良く知
られている干渉の条件から 2l＝nλ、ｎ＝１，２，３、 λ：光の波長 を満すｌについては、明るい縞が検出できる。ま
た、 2l＝（ｍ＋１／２）λ、 ｍ＝１，２，３ を満すｌについては、暗い縞が検出できる。した
がつて、これを利用した干渉による変位検出方式
では、最初に検出できるのは暗い縞でｌ＝λ／４
（ｍ＝１のとき）であり、作動距離（work
distance）は、λ／４以上、分解能λ／（１〜
32）（ただし、内挿法を用いた場合）程度が一般
的である。 （発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上述した従来の変位測定方式が、作
動距離が長く且つ測定精度にも限界があることを
顧慮してなされたもので、センサー面に非常に近
接した作動距離（具体的には波長λ以内）で、き
わめて高分解能（波長λの数十分の１〜数百分の
１）で対象物体との距離、もしくは物体の変位を
測定する変位測定方法を提供することを目的とす
る。 〔発明の構成〕 （問題点を解決するための手段と作用） 光を出射する光源と、上記光を入射する入射面
並びに入射面を介して内部に入射してきた光を全
反射し且つ非透過性の被測定物に対向して設けら
れる全反射面を有する光学的手段と、上記全反射
面からの光を受光して光電変換する光電変換手段
とを有し、全反射面近傍位置にて極小値を有する
反射光量と被測定物の変位量との関係を求す特性
曲線をあらかじめ記憶し、この特性曲線に基づい
て、変位測定するようにしたものである。 （実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述
する。 第１図にこの実施例の変位測定方法に用いられ
る装置の構成を示している。この装置は、He−
Neレーザ光を出射するレーザ光源１と、レーザ
光束を通過反射させる光学部品２と、レーザ光束
の光量を測定するフオトダイオード、フオトトラ
ンジスタなどの光電センサ３と、光電センサ３の
出力（電圧または電流）を入力し後述する処理を
行うマイクロコンピユータを主体とする処理装置
４と、この処理装置４における処理結果である光
学部品２と対象物体５の間隔ｘまたは対象物体５
の変位量dxを表示する表示装置６とから構成さ
れている。ここでは、対象物体５は、金属ミラー
のように光が反射する物体とする。 つぎに、上記構成の変位測定装置を用いた本実
施例の変位測定方法について述べる。 まず、レーザ光源１から出射した光束L1は、
例えば第１図のような光学部品２の左側面点Ａへ
入射角θi1で入射する。そして、透過光は、屈折
角θt1で光学部品内に進入する。今、光学部品２
の屈折率をnop、光学部品２外の媒質の屈折率
noutとすると、良く知られている屈折の法則又
はSnellの法則から sinθi1／sinθt1＝nop／nout＝nop−out となる。一般的には外の媒質を空気とするとnop
−out＞１である。そして、光学部品２内部を進
む光束L2は、光学部品２の底面Ｓの点Ｂへ入射
角θ2で入射する。この発明では、入射角θ2は、θ2
＞θ2 *を満すように設定されている。ただだしθ2 *
は臨界角でsinθ2 *＝nout−op＝nout／nop＝１を
満す角度とする。 これは、いわゆる全反射の状態で、光束L2は
すべての光が角θ2で反射して光束L3となつて、光
学部品の右側面へ向うことを示している。光学部
品２の右側面上の点Ｃでは、左側面点Ａで生じた
のと同様に、屈折の法則より、 sinθi2／sinθt2＝nop−out の関係を有する角θi2で、光束L4は光学部品を出
射する。この光束L4は先に述べた光電センサ３
へ向い、光電変換される。センサ３から得られた
出力は、電圧又は電流の形で処理装置４へ入力さ
れる。従来のマクロ的な光学では、光学部品２の
底面Ｓで全反射した光は、光学部品外では、存在
していないと考えるのが一般的である。しかし、
微視的に見ると、光学部品２と外界の媒質の境界
では、わずかに外界に光がにじみ出していること
が認められる。そこで、光学部品２の底面Ｓを第
２図のように拡大して示した。この光学部品２の
外界の媒質に対する屈折率nop−out＝ｎとする
と、仮想の透過光LB′と光束L2を考え、先の屈折
の法則より、一般性を失わずに、 sinθim／sinθ2＝ｎ となる。そこで、これから sinθ2＝sinθim／ｎ
【化】
とすれば、光束L2′の位相項は
【化】
となる。すなわち、振幅が境界からの距離Ｚの指
数関数
数関数
本発明は、以下のような格別の効果を奏する。
(イ) 従来微小な間隔の測定方式としては、前述し
たように、光の干渉による方式が一般的であ
る。この方式は、作動距離が数波長で、測定の
分解能もλ／100のオーダであつた。 それに比し、本発明は、対象物体との非常に
近接した間隔（波長距離以内）を非常の高精度
（λ／10〜λ／1000）で測定することができる。 (ロ) 従来の光の干渉による測定方式では、光学部
品と対象物体の相対する面が干渉を起こす必要
があり、したがつて一般的には、干渉縞を観察
できる程度の広い平面が必要である。 しかし、本発明によれば、光束L2として普
通のHe−Neレーザ光源（ビーム径φ1mm）を用
いることができ、点Ｂにおいて必要な平面は
φ1mm程度でよく、先端のきわめて小さい非接
触変位計を構成することができる。 (ハ) 従来の光の干渉による方式では、測定範囲は
数波長と広いものの、フリンジ（縞）の解析の
ために画像を発生させこれを解析したり、そこ
まで複雑な処理を行なわないまでも、縞の移動
した数をカウントするなど、縞解析のための複
雑な処理回路が必要であつた。しかし、本発明
によれば単純な光量検出だけで、きわめて簡単
に高い分解能と精度で間隔を測定することがで
きる。 (ニ) また、本発明に先だつ特願昭61−256817号明
細書では、全反射面と対象物体が接触した所で
出力が最小となる特性であつたため、実際適用
の場合には全反射面に傷などが発生しやすいな
どの問題があつたが、本特許では、金属物体と
全反射面は1μm以下ではあるが、わずかに離れ
た所で極小値を発生するため、変位計として実
用化がきわめて高い利点がある。
たように、光の干渉による方式が一般的であ
る。この方式は、作動距離が数波長で、測定の
分解能もλ／100のオーダであつた。 それに比し、本発明は、対象物体との非常に
近接した間隔（波長距離以内）を非常の高精度
（λ／10〜λ／1000）で測定することができる。 (ロ) 従来の光の干渉による測定方式では、光学部
品と対象物体の相対する面が干渉を起こす必要
があり、したがつて一般的には、干渉縞を観察
できる程度の広い平面が必要である。 しかし、本発明によれば、光束L2として普
通のHe−Neレーザ光源（ビーム径φ1mm）を用
いることができ、点Ｂにおいて必要な平面は
φ1mm程度でよく、先端のきわめて小さい非接
触変位計を構成することができる。 (ハ) 従来の光の干渉による方式では、測定範囲は
数波長と広いものの、フリンジ（縞）の解析の
ために画像を発生させこれを解析したり、そこ
まで複雑な処理を行なわないまでも、縞の移動
した数をカウントするなど、縞解析のための複
雑な処理回路が必要であつた。しかし、本発明
によれば単純な光量検出だけで、きわめて簡単
に高い分解能と精度で間隔を測定することがで
きる。 (ニ) また、本発明に先だつ特願昭61−256817号明
細書では、全反射面と対象物体が接触した所で
出力が最小となる特性であつたため、実際適用
の場合には全反射面に傷などが発生しやすいな
どの問題があつたが、本特許では、金属物体と
全反射面は1μm以下ではあるが、わずかに離れ
た所で極小値を発生するため、変位計として実
用化がきわめて高い利点がある。
第１図は本発明の一実施例の変位測定方法に用
いられる装置の構成図、第２図及び第３図は第１
図の測定原理の説明図、第４図は本発明の他の実
施例の変位測定方法に用いられる装置を示す図、
第５図及び第６図は従来技術の説明図である。 １…光源、２…光学部品（光学的手段）、３…
光電センサ（光電変換手段）、４…処理装置（演
算手段）、５…対象物体（被測定物）。
いられる装置の構成図、第２図及び第３図は第１
図の測定原理の説明図、第４図は本発明の他の実
施例の変位測定方法に用いられる装置を示す図、
第５図及び第６図は従来技術の説明図である。 １…光源、２…光学部品（光学的手段）、３…
光電センサ（光電変換手段）、４…処理装置（演
算手段）、５…対象物体（被測定物）。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 入射面及び全反射面を有する光学的手段の上
記全反射面に不透光性の被測定物を対向させる工
程と、上記入射面に光を入射させ上記入射面を介
して内部に入射してきた光を上記全反射面にて反
射させる工程と、上記全反射面にて反射した反射
光を受光して光電変換する工程と、上記光電変換
により得られた上記反射光量を示す電気信号に基
づいて上記被測定物の上記全反射面に対する間隔
又は変位と上記反射光量との関係を示し且つ上記
全反射面近傍位置にて上記反射光量が極小値とな
る特性曲線を求めて記憶させる工程と、この記憶
されている特性曲線に基づいて上記被測定物の上
記全反射面に対する間隔又は変位を算出する工程
とを具備することを特徴とする変位測定方法。 ２ 被測定物は金属からなることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の変位測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62097489A JPS63263401A (ja) | 1987-04-22 | 1987-04-22 | 変位測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62097489A JPS63263401A (ja) | 1987-04-22 | 1987-04-22 | 変位測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63263401A JPS63263401A (ja) | 1988-10-31 |
| JPH0575325B2 true JPH0575325B2 (ja) | 1993-10-20 |
Family
ID=14193685
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62097489A Granted JPS63263401A (ja) | 1987-04-22 | 1987-04-22 | 変位測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63263401A (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2685591B2 (ja) * | 1989-07-24 | 1997-12-03 | 株式会社日立製作所 | 磁気ヘツドスライダの浮上量測定装置 |
| US5239183A (en) * | 1991-04-30 | 1993-08-24 | Dainippon Screen Mfg. Co., Ltd. | Optical gap measuring device using frustrated internal reflection |
| JP2802868B2 (ja) * | 1992-12-22 | 1998-09-24 | 大日本スクリーン製造株式会社 | 半導体ウエハの非接触電気測定用センサおよびその製造方法、並びに、そのセンサを用いた測定方法 |
| JPH06349920A (ja) * | 1993-06-08 | 1994-12-22 | Dainippon Screen Mfg Co Ltd | 半導体ウェハの電荷量測定方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3873209A (en) * | 1973-12-10 | 1975-03-25 | Bell Telephone Labor Inc | Measurement of thin films by optical waveguiding technique |
| JPS63111403A (ja) * | 1986-10-30 | 1988-05-16 | Toshiba Corp | 変位測定装置 |
-
1987
- 1987-04-22 JP JP62097489A patent/JPS63263401A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63263401A (ja) | 1988-10-31 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |