JPH06109420A - 光学的測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 センサ部および被測定物を旋回することな
く、被測定物のＸ軸方向およびＹ軸方向の形状測定を可
能にする。 【構成】 半導体レーザ１１ａ，１１ｂからのレーザビ
ームをビームスプリッタ１２によりＸ方向およびＹ方向
の２組のレーザビームＢａ１，Ｂｂ１およびＢａ２，Ｂ
ｂ２に分割し、このＸ方向のレーザビームＢａ１，Ｂｂ
１を偏光ビームスプリッタ１３を通して被測定物１に照
射し、またＹ方向のレーザビームＢａ２，Ｂｂ２を偏光
ビームスプリッタ１５を通して被測定物１に照射する。
そして、被測定物１から反射されてくるＸ方向のレーザ
ビームＢａ１，Ｂｂ１を位置検出素子１８に結像させ、
被測定物１から反射されてくるＹ方向のレーザビームＢ
ａ２，Ｂｂ２を位置検出素子２２に結像させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面形状な
どを半導体レーザなどの光を用いて測定する光学的測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４により従来の光学的測定装置につい
て説明する。図４において、１は形状測定の対象物であ
る被測定物であり、この被測定物１は、Ｘ，Ｙ軸方向移
動し、かつ旋回可能なテーブル（図示せず）上に載置さ
れている。２は被測定物１の表面形状を非接触で測定す
る差動オートコリメーションセンサである。

【０００３】差動オートコリメーションセンサ２は、光
軸が直交する向きに配置した１対の半導体レーザ３ａ，
３ｂと、半導体レーザ３ａ，３ｂから発生するレーザ光
を所定間隔離れた平行ビームに変換して被測定物１に向
けるビームスプリッタ４と、このビームスプリッタ４の
光ビーム出射側に配置された偏光ビームスプリッタ５お
よび１／４波長板６と、偏光ビームスプリッタ５の側方
に配置され被測定物１から反射されてくる光ビームを方
向転換するビームベンダ７と、このビームベンダ７から
反射されてくる光ビームを集光する集光レンズ８、およ
びこの集光レンズ８の焦点位置に配置され、反射ビーム
光の結像位置から被測定物１の接線角を検出するための
ＰＳＤ等からなる位置検出素子９とから構成される。

【０００４】上述のように構成された差動オートコリメ
ーションセンサ２を用いて被測定物１の表面形状を測定
する場合は、半導体レーザ３ａ，３ｂを所定時間毎に交
互に動作させてレーザ光を交互に発生させる。このレー
ザ光はビームスプリッタ４、偏光ビームスプリッタ５お
よび１／４波長板６を通して被測定物１に照射される。
そして、被測定物１の表面で反射された両レーザ光の反
射光は、１／４波長板６を通過した後、偏光ビームスプ
リッタ５によりビームベンダ７の方向へ曲げられ、集光
レンズ８により位置検出素子８上に結像される。このと
き、位置検出素子８上に結像される反射光の結像位置に
応じて出力される信号は被測定物１の表面の接線角を表
わすから、両反射光による接線角の差分を積分すること
により、レーザ照射点の形状データを得ることができ
る。

【０００５】従って、被測定物１の表面全体の形状を得
る場合は、被測定物１をＹ軸方向に所定量移動させる毎
に被測定物１をＸ軸方向に移動して差動オートコリメー
ションセンサ２から出射される２本の光ビームＢ１，Ｂ
２により被測定物１の表面をＸ軸方向に走査し、表面全
域に亘る断面方向ｘの形状データを求める。次に、被測
定物１を９０度回転させ、先に測定した断面方向ｘと直
交するＹ軸方向に被測定物１を移動することでその表面
を光ビームＢ１，Ｂ２により１回走査し、断面方向ｙの
形状データを求める。そして、求められた断面方向ｘ，
ｙの形状データを組み合わせることにより被測定物１の
表面全体の形状を得るようにしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】断面方向ｘの形状デー
タと断面方向Ｙの形状データを組み合わせるには、上述
のような従来の光学的測定装置では、旋回前の被測定物
に対する光ビームの照射位置と、旋回後の被測定物に対
する光ビームの照射位置の関係を正確に把握しなければ
ならない。従来、旋回前，旋回後の光ビームの照射位置
関係を目視により得るものであるため、正確性に欠ける
という問題があった。又、９０度旋回割り出しするとき
の再現性に欠けるという問題があった。

【０００７】本発明は、上述のような事情に鑑みなされ
たもので、センサ部および被測定物を旋回することな
く、被測定物のＸ軸方向およびＹ軸方向の形状測定を可
能にした光学的測定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、２本の平行する光ビームを発生する光源
と、前記光源から発生する２本の光ビームをＸ方向およ
びＹ方向の２組の光ビームに分割するビームスプリッタ
と、前記Ｘ方向の組の光ビームを被測定物に向けて照射
させる第１の光学系と、前記被測定物により反射される
Ｘ方向の組の光ビームの結像位置を検出する第１の位置
検出手段と、前記Ｙ方向の組の光ビームを被測定物に向
けて照射させる第２の光学系と、前記被測定物により反
射されるＹ方向の組の光ビームの結像位置を検出する第
２の位置検出手段とを備えてなるものである。

【０００９】

【作用】上記の構成により、ビームスプリッタで分割さ
れたＸ方向の組の光ビームを第１の光学系を通して被測
定物に照射し、Ｘ方向に走査することでＸ軸方向の形状
測定が行われる。そして、ビームスプリッタで分割され
たＹ方向の光ビームを第２の光学系を通して被測定物に
照射し、Ｙ方向に走査することでＹ軸方向の形状測定が
行われる。よって、被測定物または光ビーム側を旋回す
ることなしに、被測定物のＸ軸方向およびＹ軸方向の形
状測定が可能になる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、本発明による光学的測定装置の一実施例
を示す構成図、図２および図３は、図１におけるＡ−Ａ
線およびＢ−Ｂ線に沿う平面図および側面図である。図
１〜図３において、１０は被測定物１の表面形状をＸ
軸，Ｙ軸方向に測定する差動オートコリメーションセン
サ部である。

【００１１】差動オートコリメーションセンサ部１０
は、レーザビーム光軸が互いに直交するように配置され
た半導体レーザ１１ａ，１１ｂと、この各半導体レーザ
１１ａ，１１ｂから発生する２本のレーザビームをＸ軸
用とＹ軸用の２組の平行するレーザビームＢａ１，Ｂｂ
１およびＢａ２，Ｂｂ２に分割するビームスプリッタ１
２と、このビームスプリッタ１２の下方に配置したＸ軸
用の偏光ビームスプリッタ１３およびこの偏光ビームス
プリッタ１３の被測定物１と正対する下面に設けた１／
４波長板１４と、ビームスプリッタ１２の側方に配置し
たＹ軸用の偏光ビームスプリッタ１５およびこの偏光ビ
ームスプリッタ１５の被測定物１と正対する下面に設け
た１／４波長板１６とを備える。

【００１２】また、前記Ｘ軸用偏光ビームスプリッタ１
３の側方には、被測定物１から偏光ビームスプリッタ１
３を通して反射されてくるレーザビームＢａ１，Ｂｂ１
を直角に方向転換するビームベンダ１７が配置され、こ
のビームベンダ１７によるレーザビームの反射方向に
は、反射レーザビームを集光する集光レンズ１８および
該集光レンズ１８によるレーザビームＢａ１，Ｂｂ１の
結像位置を検出するＰＳＤ等からなる一次元のＸ軸用位
置検出素子１９がそれぞれ配置されている。

【００１３】前記Ｙ軸用の偏光ビームスプリッタ１５
は、図２および図３に示すようにビームスプリッタ１２
から分離されたレーザビームＢａ２，Ｂｂ２を偏光ビー
ムスプリッタ１５の方向へ曲げるビームベンダ２０を備
え、このビームベンダ２０により偏光ビームスプリッタ
１５へ曲げられたレーザビームＢａ２，Ｂｂ２は偏光ビ
ームスプリッタ１５により被測定物１へ向けられるとと
もに、被測定物１の表面で反射されたレーザビームを透
過させる偏光ビームスプリッタ１５のレーザビーム透過
側には、被測定物１の表面形状成分を含んだレーザビー
ムを集光する集光レンズ２１と、該集光レンズによるレ
ーザビームの結像位置を検出するＰＳＤ等からなる一次
元のＹ軸用位置検出素子２２がそれぞれ配置されてい
る。

【００１４】次に、上述のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、被測定物１の断面方向ｘ
（図４参照）を形状測定する場合について述べる。この
場合、Ｘ軸用の位置検出素子１９は作動状態にあり、Ｙ
軸用の位置検出素子２２は不作動状態におかれている。

【００１５】かかる状態において、半導体レーザ１１
ａ，１１ｂを所定時間毎に交互に動作させると、これら
の半導体レーザ１１ａ，１１ｂから発生したレーザビー
ムは、ビームスプリッタ１２により２組の平行するレー
ザビームＢａ１，Ｂｂ１およびＢａ２，Ｂｂ２に分割さ
れる。このうち、Ｘ軸方向に並ぶレーザビームＢａ１，
Ｂｂ１は、偏光ビームスプリッタ１３および１／４波長
板１４を通して被測定物１に照射される。そして、被測
定物１の表面で反射されたレーザビームＢａ１，Ｂｂ１
は１／４波長板１４を通過した後、偏光ビームスプリッ
タ１３によりビームベンダ１７の方向へ曲げられ、さら
にビームベンダ１７により集光レンズ１８側へ曲げられ
る。集光レンズ１８では、被測定物１の形状成分を含む
レーザビームＢａ１，Ｂｂ１を集光して位置検出素子１
９上に結像させる。

【００１６】このとき、位置検出素子１９上に結像され
るレーザビームの結像位置に応じて位置検出素子１９か
ら出力される信号は被測定物１の表面の接線角に表わす
から、両レーザビームの接線角の差分を２回積分するこ
とにより、レーザ照射点の形状データを求めることがで
きる。従って、被測定物１をＹ軸方向に所定量移動する
毎に被測定物１をＸ軸方向に移動してセンサ部１０から
出射するＸ軸方向のレーザビームＢａ１，Ｂｂ１で被測
定物１の表面を走査すれば、表面全域に亘る断面方向ｘ
の形状データを求め得る。

【００１７】なお、ビームスプリッタ１２に分割された
Ｙ軸用のレーザビームＢａ２，Ｂｂ２は被測定物１の表
面を走査し、その走査に伴い被測定物表面から反射した
レーザビームはＹ軸用の位置検出素子２２上に結像され
るが、この位置検出素子２２は不動作状態にあるため、
その位置信号は無効となる。

【００１８】次に、被測定物１の断面方向ｙ（図４参
照）を形状測定する場合について述べる。この場合は、
Ｙ軸用の位置検出素子２２が動作状態におかれ、Ｘ軸用
の位置検出素子１９は不動作状態におかれる。ここで、
Ｘ軸方向のレーザビームＢａ１，Ｂｂ１の位置とＹ軸方
向のレーザビームＢａ２，Ｂｂ２の位置はビームスプリ
ッタ１２および偏光ビームスプリッタ１５等の光学系に
よって一定の関係にあり、予め判明している。従って、
Ｙ軸方向のレーザビームＢａ２，Ｂｂ２の位置を目視な
どにより求める必要がなく、また、センサ部１０または
被測定物１をＸ，Ｙ軸方向に移動するだけで断面方向ｘ
に対する断面方向ｙの位置出しを容易に行い得る。

【００１９】かかる状態において、Ｘ軸方向の形状測定
時と同様に半導体レーザ１１ａ，１１ｂを所定時間毎に
交互に動作させると、これらの半導体レーザ１１ａ，１
１ｂから発生したレーザビームは、ビームスプリッタ１
２により２組の平行するレーザビームＢａ１，Ｂｂ１お
よびＢａ２，Ｂｂ２に分割される。このうち、Ｙ軸方向
に並ぶレーザビームＢａ２，Ｂｂ２は、ビームベンダ２
０、偏光ビームスプリッタ１５および１／４波長板１６
を通して被測定物１に照射される。そして、被測定物１
の表面で反射されたレーザビームＢａ２，Ｂｂ２は１／
４波長板１６を通過した後、偏光ビームスプリッタ１５
を通して集光レンズ２１に達する。集光レンズ２１で
は、被測定物１の形状成分を含むレーザビームＢａ２，
Ｂｂ２を集光して位置検出素子２２上に結像させる。

【００２０】このとき、位置検出素子２２上に結像され
るレーザビームの結像位置に応じて位置検出素子２２か
ら出力される信号は被測定物１の表面の接線角を表わす
から、両レーザビームの接線角の差分を２回積分するこ
とにより、レーザ照射点の形状データを求めることがで
きる。この形状データを、レーザ照射点の座標Ｘ，Ｙと
関連づけて、図略のメモリに記憶させる。

【００２１】従って、被測定物１をＹ軸方向に移動して
センサ部１０から出射するＹ軸方向のレーザビームＢａ
２，Ｂｂ２で被測定物１の表面を走査すれば、断面方向
ｙの形状データを求め得る。この形状データも同様に、
レーザ照射点の座標Ｘ，Ｙと関連づけてメモリに記憶さ
せる。

【００２２】最後、レーザ照射点の座標を使って、断面
方向ｘの形状データと断面方向ｙの形状データを図示し
ないＣＰＵ等の処理回路で組み合わせることにより、被
測定物全体の表面形状を得ることができる。

【００２３】このような本実施例においては、１対の半
導体レーザから発生するレーザビームをビームスプリッ
タによりＸ軸とＹ軸方向の２組のレーザビームに分割
し、このＸ軸方向の組のレーザビームを偏光ビームスプ
リッタおよび１／４波長板を通して被測定物に照射する
ことにより、Ｘ軸方向の断面形状を測定する。そして、
Ｙ軸方向の組のレーザビームを偏光ビームスプリッタお
よび１／４波長板を通して被測定物に照射することによ
り、Ｙ軸方向の断面形状を測定できるようにしたので、
センサ部または被測定物を旋回することなくＸ方向，Ｙ
方向の形状測定が可能になる。よって、Ｘ方向のレーザ
照射点とＹ方向のレーザ照射点との位置関係を正確に求
めることができる。

【００２４】また、旋回機構が不要となるため、測定装
置の構成が簡単になり、しかもＸ軸用およびＹ軸用の２
組のレーザビームを光学系により生成するから、両レー
ザビームの相対的位置関係は不変で安定している。

【００２５】なお、上記実施例では１対の半導体レーザ
から２組のレーザビームを生成する場合について述べた
が、本発明はこれに限定されない。例えば、方解石を用
いて１個の半導体レーザから発生するレーザビームを２
本に分割するものでもよい。また、本発明は半導体レー
ザに限らず、他の光源を用いてもよいほか、請求項に記
載した範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能であ
る。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、２
本の平行な光ビームをビームスプリッタによりＸ方向と
Ｙ方向の２組の光ビームに分割し、Ｘ方向の組の光ビー
ムをＸ軸方向の形状測定に使用し、Ｙ方向の組の光ビー
ムをＹ軸方向の形状測定に使用するように構成したの
で、センサ部または被測定物を旋回することなく、被測
定物のＸ方向，Ｙ方向の形状測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学的測定装置の一実施例を示す
全体の構成図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う平面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿う側面図である。

【図４】従来の光学的測定装置の構成図である。

【符号の説明】

１０ 差動オートコリメーションセンサ部 １１ａ，１１ｂ 半導体レーザ １２ ビームスプリッタ １３ 偏光ビームスプリッタ １４，１６ １／４波長板 １５ 偏光ビームスプリッタ １７，２０ ビームベンダ １８，２１ 集光レンズ １９，２２ 位置検出素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２本の平行する光ビームを発生する光源
   と、前記光源から発生する２本の光ビームをＸ方向およ
   びＹ方向の２組の光ビームに分割するビームスプリッタ
   と、前記Ｘ方向の組の光ビームを被測定物に向けて照射
   させる第１の光学系と、前記被測定物により反射される
   Ｘ方向の組の光ビームの結像位置を検出する第１の位置
   検出手段と、前記Ｙ方向の組の光ビームを被測定物に向
   けて照射させる第２の光学系と、前記被測定物により反
   射されるＹ方向の組の光ビームの結像位置を検出する第
   ２の位置検出手段とを備えたことを特徴とする光学的測
   定装置。