JPH06307858A - 光学式変位計 - Google Patents
光学式変位計Info
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- JPH06307858A JPH06307858A JP9751193A JP9751193A JPH06307858A JP H06307858 A JPH06307858 A JP H06307858A JP 9751193 A JP9751193 A JP 9751193A JP 9751193 A JP9751193 A JP 9751193A JP H06307858 A JPH06307858 A JP H06307858A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】従来の光学式変位計に比べて、安価で且つ小型
化を可能とする信頼性の高い手段を提供する。 【構成】半導体レーザ光源１ａ、１ｂからの波長を異に
する放射光束をダイコロイックミラー４を介して合成
し、第一の集光手段５、集光点の位置に配置された微小
開口手段６、色収差未補正の第二の集光手段７により、
物体表面８の異なる位置に集光させ、この反射光の出力
を二つの受光素子９ａ、９ｂで検出演算し、物体の変位
量を求めることができる。
化を可能とする信頼性の高い手段を提供する。 【構成】半導体レーザ光源１ａ、１ｂからの波長を異に
する放射光束をダイコロイックミラー４を介して合成
し、第一の集光手段５、集光点の位置に配置された微小
開口手段６、色収差未補正の第二の集光手段７により、
物体表面８の異なる位置に集光させ、この反射光の出力
を二つの受光素子９ａ、９ｂで検出演算し、物体の変位
量を求めることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被検査物としての物体
表面の微小変位を非接触により高精度で測定する光学式
変位計及び測定方法に関するものであり、物体表面の形
状を測定するに際して利用できる技術に関するものであ
る。
表面の微小変位を非接触により高精度で測定する光学式
変位計及び測定方法に関するものであり、物体表面の形
状を測定するに際して利用できる技術に関するものであ
る。
【０００２】従来の光学式変位計の構成の一例を図６に
示す。図６において、半導体レーザ光源３１より放射さ
れた直線偏光は、偏光ビームスプリッタ３２によりＰ偏
光とＳ偏光に分離され、Ｐ偏光とＳ偏光の夫々はファラ
デー回転子３３，３４により、偏光方向を＋４５°回転
された後、１／２波長板３５，３６で更に＋４５°回転
され、このため、Ｐ偏光はＳ偏光に、Ｓ偏光はＰ偏光に
夫々変換されて、偏光ビームスプリッタ３７で合成され
る。
示す。図６において、半導体レーザ光源３１より放射さ
れた直線偏光は、偏光ビームスプリッタ３２によりＰ偏
光とＳ偏光に分離され、Ｐ偏光とＳ偏光の夫々はファラ
デー回転子３３，３４により、偏光方向を＋４５°回転
された後、１／２波長板３５，３６で更に＋４５°回転
され、このため、Ｐ偏光はＳ偏光に、Ｓ偏光はＰ偏光に
夫々変換されて、偏光ビームスプリッタ３７で合成され
る。
【０００３】合成されたＳ偏光とＰ偏光は、集光レンズ
３８、ピンホール３９、複屈折光学系４０を経て物体面
４１上に集光され、複屈折光学系４０の働きにより、Ｐ
偏光成分とＳ偏光成分は夫々異なる位置に集光される。
そして、反射光は前述した往路を逆方向に戻り、１／２
波長板３５，３６にて偏光方向は夫々＋４５°回転する
が、ファラデー回転子３３，３４により−４５°回転す
るため、Ｐ偏光はＰ偏光のまま、Ｓ偏光はＳ偏光のま
ま、偏光ビームスプリッタ３２に到達して合成される。
３８、ピンホール３９、複屈折光学系４０を経て物体面
４１上に集光され、複屈折光学系４０の働きにより、Ｐ
偏光成分とＳ偏光成分は夫々異なる位置に集光される。
そして、反射光は前述した往路を逆方向に戻り、１／２
波長板３５，３６にて偏光方向は夫々＋４５°回転する
が、ファラデー回転子３３，３４により−４５°回転す
るため、Ｐ偏光はＰ偏光のまま、Ｓ偏光はＳ偏光のま
ま、偏光ビームスプリッタ３２に到達して合成される。
【０００４】このため、合成された光は半導体レーザ光
源３１側に戻ることなく、偏光ビームスプリッタ４２に
到達し、ここでＰ偏光とＳ偏光とに分離されて、夫々受
光素子４３、４４に入射する。このような光学系の配置
により、物体面の位置が変化すると、受光素子４３、４
４の受光量に差が生じる。この二つの受光素子の出力信
号を処理する手段４５により、物体表面の変位を知るも
のである。
源３１側に戻ることなく、偏光ビームスプリッタ４２に
到達し、ここでＰ偏光とＳ偏光とに分離されて、夫々受
光素子４３、４４に入射する。このような光学系の配置
により、物体面の位置が変化すると、受光素子４３、４
４の受光量に差が生じる。この二つの受光素子の出力信
号を処理する手段４５により、物体表面の変位を知るも
のである。
【０００５】このような従来の構成において、性能を左
右するピンホールの位置決めが比較的容易であるとして
も、光学系として、ファラデー回転子を使用するため
に、低コスト化が困難であり、且つ検出ヘッドの小型化
が難しい。仮に、ファラデー回転子を使用しないとして
も、半導体レーザ光源側への戻り光により、レーザ出力
にノイズが重畳するため、光アイソレータを使用する等
の対策を講じる必要があり、同様に低コスト化、小型化
が困難となっている。
右するピンホールの位置決めが比較的容易であるとして
も、光学系として、ファラデー回転子を使用するため
に、低コスト化が困難であり、且つ検出ヘッドの小型化
が難しい。仮に、ファラデー回転子を使用しないとして
も、半導体レーザ光源側への戻り光により、レーザ出力
にノイズが重畳するため、光アイソレータを使用する等
の対策を講じる必要があり、同様に低コスト化、小型化
が困難となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のこの
種の装置に比べて、安価で且つ小型化を可能とする信頼
性の高い光学式変位計を提供することを目的とするもの
である。
種の装置に比べて、安価で且つ小型化を可能とする信頼
性の高い光学式変位計を提供することを目的とするもの
である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、波長を異にする二つの放射光束を物体表
面に向かわせる光路には、各光束を一点に集光する第一
の集光手段、該集光点の位置に配置された微小開口手
段、該微小開口手段を通過した各光束を物体表面上に集
光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射
し、微小開口手段を通過した異なる二つの波長の光束を
分割する分割手段と、その背後に、夫々の波長の光に対
応する二つの受光素子とに導き、該二つの受光素子の出
力に基づいて物体の変位量を演算する演算手段とを備
え、前記第一、第二の集光手段のうち、少なくとも一方
に色収差を有するレンズを用いることを特徴とするもの
である。
成するために、波長を異にする二つの放射光束を物体表
面に向かわせる光路には、各光束を一点に集光する第一
の集光手段、該集光点の位置に配置された微小開口手
段、該微小開口手段を通過した各光束を物体表面上に集
光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射
し、微小開口手段を通過した異なる二つの波長の光束を
分割する分割手段と、その背後に、夫々の波長の光に対
応する二つの受光素子とに導き、該二つの受光素子の出
力に基づいて物体の変位量を演算する演算手段とを備
え、前記第一、第二の集光手段のうち、少なくとも一方
に色収差を有するレンズを用いることを特徴とするもの
である。
【０００８】本発明は、波長を異にする二つの放射光束
を物体表面に向かわせる光路には、各光束を一点に集光
する第一の集光手段、該集光点の位置に配置された微小
開口手段、該微小開口手段を通過した各光束を物体表面
上に集光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で
反射し、微小開口手段を通過した異なる二つの波長の光
束を分割する分割手段と、その背後に、夫々の波長の光
に対応する二つの受光素子とに導き、該二つの受光素子
の出力に基づいて物体の変位量を演算する演算手段とを
備え、光源から物体表面に至る往路中に、波長の異なる
二つの光束の広がり角度を異ならせる光学手段を設けた
ことを特徴とするものである。
を物体表面に向かわせる光路には、各光束を一点に集光
する第一の集光手段、該集光点の位置に配置された微小
開口手段、該微小開口手段を通過した各光束を物体表面
上に集光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で
反射し、微小開口手段を通過した異なる二つの波長の光
束を分割する分割手段と、その背後に、夫々の波長の光
に対応する二つの受光素子とに導き、該二つの受光素子
の出力に基づいて物体の変位量を演算する演算手段とを
備え、光源から物体表面に至る往路中に、波長の異なる
二つの光束の広がり角度を異ならせる光学手段を設けた
ことを特徴とするものである。
【０００９】また、本発明は、前記光学式変位計におい
て、前記第二の集光手段による各波長の光の集光点の中
間位置に物体表面がある場合における、二つの受光素子
の受光量Ｐｏ、Ｐｏ′を記憶する記憶手段を有し、任意
の位置に物体表面がある場合の二つの受光素子の受光量
がＰ、Ｐ′であるとき、物体表面の変位量Ｄは、Ｄ＝
〔（Ｐ／Ｐｏ）−（Ｐ′／Ｐｏ′）〕／〔（Ｐ／Ｐｏ）
＋（Ｐ′／Ｐｏ′）〕により求める手段を備えたことを
特徴とするものである。
て、前記第二の集光手段による各波長の光の集光点の中
間位置に物体表面がある場合における、二つの受光素子
の受光量Ｐｏ、Ｐｏ′を記憶する記憶手段を有し、任意
の位置に物体表面がある場合の二つの受光素子の受光量
がＰ、Ｐ′であるとき、物体表面の変位量Ｄは、Ｄ＝
〔（Ｐ／Ｐｏ）−（Ｐ′／Ｐｏ′）〕／〔（Ｐ／Ｐｏ）
＋（Ｐ′／Ｐｏ′）〕により求める手段を備えたことを
特徴とするものである。
【００１０】本発明は、更に、前記光学式変位計におい
て、前記第二の集光手段による各波長の光の集光点の中
間位置に物体表面がある場合において、二つの受光素子
からの光検出信号が等しくなるように、それぞれの受光
素子の信号増幅率を設定することを特徴とし、又は、波
長を異にする二つの放射光束を形成するため、放射波長
の異なる二つの単色光源を用い、前記第二の集光手段に
よる各波長の光の集光点の中間位置に物体表面がある場
合における、二つの受光素子からの光検出信号が等しく
なるように、二つの光源の放射出力の比率を設定するこ
とを特徴とし、又は、波長を異にする二つの放射光束を
形成するため、放射波長の異なる二つの単色光源を用
い、それらの光源の放射出力の比率を一定に保ち続ける
放射出力制御手段を設けることを特徴とするものであ
る。
て、前記第二の集光手段による各波長の光の集光点の中
間位置に物体表面がある場合において、二つの受光素子
からの光検出信号が等しくなるように、それぞれの受光
素子の信号増幅率を設定することを特徴とし、又は、波
長を異にする二つの放射光束を形成するため、放射波長
の異なる二つの単色光源を用い、前記第二の集光手段に
よる各波長の光の集光点の中間位置に物体表面がある場
合における、二つの受光素子からの光検出信号が等しく
なるように、二つの光源の放射出力の比率を設定するこ
とを特徴とし、又は、波長を異にする二つの放射光束を
形成するため、放射波長の異なる二つの単色光源を用
い、それらの光源の放射出力の比率を一定に保ち続ける
放射出力制御手段を設けることを特徴とするものであ
る。
【００１１】本発明は、単一の白色光源と、該光源から
の放射光束を物体表面に向かわせる光路には、光束を一
点に集光する第一の集光手段、集光点に置かれた微小開
口手段、該微小開口手段を通過した光を物体表面上に集
光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射
し、微小開口手段を通過した光を、各波長成分に分解す
る分解光学素子と、該分散光学素子の背後にラインセン
サとに導き、該ラインセンサの出力に基づいて物体の変
位量を演算する演算手段を設け、前記第一、第二の集光
手段のうち、少なくとも一方に色収差を有するレンズを
用いたことを特徴とするものである。
の放射光束を物体表面に向かわせる光路には、光束を一
点に集光する第一の集光手段、集光点に置かれた微小開
口手段、該微小開口手段を通過した光を物体表面上に集
光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射
し、微小開口手段を通過した光を、各波長成分に分解す
る分解光学素子と、該分散光学素子の背後にラインセン
サとに導き、該ラインセンサの出力に基づいて物体の変
位量を演算する演算手段を設け、前記第一、第二の集光
手段のうち、少なくとも一方に色収差を有するレンズを
用いたことを特徴とするものである。
【００１２】本発明は、前記光学式変位計において、微
小開口手段を設置する前のラインセンサの出力を校正デ
ータとして予め記憶し、微小開口手段を設置した状態で
任意の位置に物体表面がある場合のラインセンサの各画
素出力を前記校正データで除算し、更に、除算データの
ピーク位置を求め、物体表面変位量を前記ピーク位置の
変化として検出する測定方法を特徴とするものである。
小開口手段を設置する前のラインセンサの出力を校正デ
ータとして予め記憶し、微小開口手段を設置した状態で
任意の位置に物体表面がある場合のラインセンサの各画
素出力を前記校正データで除算し、更に、除算データの
ピーク位置を求め、物体表面変位量を前記ピーク位置の
変化として検出する測定方法を特徴とするものである。
【００１３】
【作用】本発明の構成により、波長の異なる光束を用
い、それらの光束を物体表面の前後に集光させ、夫々の
波長の光を受光素子により検出して、物体表面の変位量
を安価な手段により正確に測定することができる。
い、それらの光束を物体表面の前後に集光させ、夫々の
波長の光を受光素子により検出して、物体表面の変位量
を安価な手段により正確に測定することができる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面により説明す
る。図１には、本発明の第１の実施例が示されており、
第一の半導体レーザ光源１ａより放射された波長λ1 の
光は、偏光ビームスプリッタ２ａ、１／４波長板３ａを
通り、ダイクロイックミラー４に到達する。第二の半導
体レーザ光源１ｂより放射された波長λ2 の光は、偏光
ビームスプリッタ２ｂ、１／４波長板３ｂを通り、ダイ
クロイックミラー４に到達する。
る。図１には、本発明の第１の実施例が示されており、
第一の半導体レーザ光源１ａより放射された波長λ1 の
光は、偏光ビームスプリッタ２ａ、１／４波長板３ａを
通り、ダイクロイックミラー４に到達する。第二の半導
体レーザ光源１ｂより放射された波長λ2 の光は、偏光
ビームスプリッタ２ｂ、１／４波長板３ｂを通り、ダイ
クロイックミラー４に到達する。
【００１５】ダイクロイックミラー４は、波長λ1 の光
を透過し、波長λ2 の光を反射するため、双方の光は合
成され、アクロマティックレンズ５、ピンホール６、対
物レンズ７を経て物体表面８に到達する。ここで、対物
レンズ７としては、色収差未補正のレンズを使用するこ
とによって、波長λ1 の光と波長λ2 の光とは異なる位
置に集光させることができる。
を透過し、波長λ2 の光を反射するため、双方の光は合
成され、アクロマティックレンズ５、ピンホール６、対
物レンズ７を経て物体表面８に到達する。ここで、対物
レンズ７としては、色収差未補正のレンズを使用するこ
とによって、波長λ1 の光と波長λ2 の光とは異なる位
置に集光させることができる。
【００１６】物体表面からの反射光は、前述した往路を
逆方向に戻り、ダイクロイックミラー４で夫々の波長に
分離され、夫々の偏光ビームスプリッタ２ａ、２ｂによ
り反射されて受光素子９ａ、９ｂに入射する。受光素子
９ａ、９ｂには、メモリ、除算回路、ピーク検出回路等
から構成される演算手段１０が接続されている。１１
は、第一の半導体レーザ光源１ａと第二の半導体レーザ
光源１ｂとに接続された半導体レーザコントローラであ
り、二つの半導体レーザの出力の比率を一定に保ち得る
ように出力制御を行っている。
逆方向に戻り、ダイクロイックミラー４で夫々の波長に
分離され、夫々の偏光ビームスプリッタ２ａ、２ｂによ
り反射されて受光素子９ａ、９ｂに入射する。受光素子
９ａ、９ｂには、メモリ、除算回路、ピーク検出回路等
から構成される演算手段１０が接続されている。１１
は、第一の半導体レーザ光源１ａと第二の半導体レーザ
光源１ｂとに接続された半導体レーザコントローラであ
り、二つの半導体レーザの出力の比率を一定に保ち得る
ように出力制御を行っている。
【００１７】このような光学系の配置によって、物体表
面８の位置が変化すると、ピンホール６を通過する反射
光のうち、波長λ1 の光成分と波長λ2 の光成分の割合
が変化し、受光素子９ａ、９ｂの受光量に差を生じる。
よって、二つの受光素子９ａ、９ｂの差動信号を得るこ
とにより、物体表面８の変位を知ることができる。
面８の位置が変化すると、ピンホール６を通過する反射
光のうち、波長λ1 の光成分と波長λ2 の光成分の割合
が変化し、受光素子９ａ、９ｂの受光量に差を生じる。
よって、二つの受光素子９ａ、９ｂの差動信号を得るこ
とにより、物体表面８の変位を知ることができる。
【００１８】図２（ａ）には、物体表面８の変位と二つ
の受光素子９ａ、９ｂの出力信号との関係を示し、図２
（ｂ）には、図２（ａ）の二つの受光素子９ａ、９ｂの
出力信号により、差動出力信号を得た場合の状態を示し
ており、図２（ａ）、（ｂ）において、夫々の受光素子
の感度は、波長依存性のない理想的な場合の出力信号を
実線により表し、実際には、波長依存性があり、その場
合の出力信号を点線で示している。
の受光素子９ａ、９ｂの出力信号との関係を示し、図２
（ｂ）には、図２（ａ）の二つの受光素子９ａ、９ｂの
出力信号により、差動出力信号を得た場合の状態を示し
ており、図２（ａ）、（ｂ）において、夫々の受光素子
の感度は、波長依存性のない理想的な場合の出力信号を
実線により表し、実際には、波長依存性があり、その場
合の出力信号を点線で示している。
【００１９】このように、受光素子の感度には波長依存
性があるため、変位検出出力信号のリニアリティの悪
化、ダイナミックレンジの低下等の不具合を生じる。本
発明では、これを解決するために、次のような対策を講
じている。
性があるため、変位検出出力信号のリニアリティの悪
化、ダイナミックレンジの低下等の不具合を生じる。本
発明では、これを解決するために、次のような対策を講
じている。
【００２０】第一の手段として、対物レンズ７により形
成される二つの集光点の中央位置に、物体表面８がある
場合における、二つの受光素子９ａ、９ｂの受光量をメ
モリに記憶しておく。その場合の二つの受光素子の受光
量を夫々、Ｐ0 、Ｐ0 ′とする。そして、任意の位置に
物体表面があり、その場合において、二つの受光素子９
ａ、９ｂの受光量が、Ｐ、Ｐ′としたとき、物体表面の
変位量Ｄはコンピュータ等の演算手段を用いて、Ｄ＝
〔（Ｐ／Ｐｏ）−（Ｐ′／Ｐｏ′）〕／〔（Ｐ／Ｐｏ）
＋（Ｐ′／Ｐｏ′）〕の式により算出することができ
る。
成される二つの集光点の中央位置に、物体表面８がある
場合における、二つの受光素子９ａ、９ｂの受光量をメ
モリに記憶しておく。その場合の二つの受光素子の受光
量を夫々、Ｐ0 、Ｐ0 ′とする。そして、任意の位置に
物体表面があり、その場合において、二つの受光素子９
ａ、９ｂの受光量が、Ｐ、Ｐ′としたとき、物体表面の
変位量Ｄはコンピュータ等の演算手段を用いて、Ｄ＝
〔（Ｐ／Ｐｏ）−（Ｐ′／Ｐｏ′）〕／〔（Ｐ／Ｐｏ）
＋（Ｐ′／Ｐｏ′）〕の式により算出することができ
る。
【００２１】第二の手段として、対物レンズ７による二
つの集光点の中央位置に物体表面８が位置する場合にお
いて、二つの受光素子９ａ、９ｂからの検出出力信号が
等しくなるように、夫々の受光素子の信号増幅率を予め
設定しておくことにより、前記不具合を解決する。
つの集光点の中央位置に物体表面８が位置する場合にお
いて、二つの受光素子９ａ、９ｂからの検出出力信号が
等しくなるように、夫々の受光素子の信号増幅率を予め
設定しておくことにより、前記不具合を解決する。
【００２２】第三の手段として、対物レンズ７による二
つの集光点の中央位置に物体表面８が位置する場合にお
いて、二つの受光素子９ａ、９ｂからの検出出力信号が
等しくなるように、二つの半導体レーザの放射出力の比
率を予め設定しておくことにより、前記不具合を解決す
る。
つの集光点の中央位置に物体表面８が位置する場合にお
いて、二つの受光素子９ａ、９ｂからの検出出力信号が
等しくなるように、二つの半導体レーザの放射出力の比
率を予め設定しておくことにより、前記不具合を解決す
る。
【００２３】また、この実施例において、二つの半導体
レーザ光源１ａ、１ｂの放射出力が独立に変動すると、
受光素子９ａ、９ｂによる変位検出出力信号のリニアリ
ティや精度が悪化する等の不具合が生じる。このような
不具合は、二つの半導体レーザ光源１ａ、１ｂの放射出
力の比率を一定に保ち続けることがように、半導体レー
ザコントローラ１１を設けることにより、二つの半導体
レーザ光源の出力制御を行って解消することができる。
レーザ光源１ａ、１ｂの放射出力が独立に変動すると、
受光素子９ａ、９ｂによる変位検出出力信号のリニアリ
ティや精度が悪化する等の不具合が生じる。このような
不具合は、二つの半導体レーザ光源１ａ、１ｂの放射出
力の比率を一定に保ち続けることがように、半導体レー
ザコントローラ１１を設けることにより、二つの半導体
レーザ光源の出力制御を行って解消することができる。
【００２４】前述の第一の実施例では、光源として、放
射波長の異なる二つの半導体レーザを用いた場合につい
て説明したが、次の図３に示す第二の実施例は、二波長
同時発振レーザを使用する場合の光学式変位計について
説明する。二波長同時発振レーザ１ｃからは、互いに偏
光面が直交した光が放射される。この偏光面が直交した
光は、偏波保存光ファイバ１２を介して検出ヘッドＨ内
に配置されたビームスプリッタ１３に導かれる。
射波長の異なる二つの半導体レーザを用いた場合につい
て説明したが、次の図３に示す第二の実施例は、二波長
同時発振レーザを使用する場合の光学式変位計について
説明する。二波長同時発振レーザ１ｃからは、互いに偏
光面が直交した光が放射される。この偏光面が直交した
光は、偏波保存光ファイバ１２を介して検出ヘッドＨ内
に配置されたビームスプリッタ１３に導かれる。
【００２５】ビームスプリッタ１３を通過した光は、第
一のアクロマティックレンズ１４ａにより集光され、ピ
ンホール１５を通過し、第二のアクロマティックレンズ
１４ｂで略平行な光に変換される。この略平行な光は、
広帯域偏光ビームスプリッタ１６により、二つの波長の
光に分割される。分割された光路の一方には、レンズ１
７が配置され、同じく光路の他方には、レンズは配置さ
れておらず、この分割された光路は、再び広帯域偏光ビ
ームスプリッタ１８により合成される構成となる。
一のアクロマティックレンズ１４ａにより集光され、ピ
ンホール１５を通過し、第二のアクロマティックレンズ
１４ｂで略平行な光に変換される。この略平行な光は、
広帯域偏光ビームスプリッタ１６により、二つの波長の
光に分割される。分割された光路の一方には、レンズ１
７が配置され、同じく光路の他方には、レンズは配置さ
れておらず、この分割された光路は、再び広帯域偏光ビ
ームスプリッタ１８により合成される構成となる。
【００２６】レンズ１７が配置されない方の分割された
波長の光は、略平行のままの状態で導かれ、レンズ１７
が配置された方の分割された波長の光は、レンズ１７の
作用により収束光となる。この状態により、対物レンズ
１９に到達した二つの波長の光は、対物レンズ１９によ
り、物体表面８の前後に対応する異なる位置に集光す
る。そして、物体表面８からの反射光は、前記往路を逆
方向に向かい、ビームスプリッタ１３により反射され、
レンズ２０、プリズム２１を通って、二分割の受光素子
２２の別々の受光面に入射するように構成されている。
波長の光は、略平行のままの状態で導かれ、レンズ１７
が配置された方の分割された波長の光は、レンズ１７の
作用により収束光となる。この状態により、対物レンズ
１９に到達した二つの波長の光は、対物レンズ１９によ
り、物体表面８の前後に対応する異なる位置に集光す
る。そして、物体表面８からの反射光は、前記往路を逆
方向に向かい、ビームスプリッタ１３により反射され、
レンズ２０、プリズム２１を通って、二分割の受光素子
２２の別々の受光面に入射するように構成されている。
【００２７】よって、二波長同時発振レーザ光源１ｃか
らの二つの波長の光束は、広がり角度を異ならせしめる
光学手段により、物体表面８の異なる位置に集光させる
ことができ、この反射光を、各波長毎に検出する受光素
子２２により検出し、前記第一の実施例と同様に、物体
表面の変位を測定することができる。
らの二つの波長の光束は、広がり角度を異ならせしめる
光学手段により、物体表面８の異なる位置に集光させる
ことができ、この反射光を、各波長毎に検出する受光素
子２２により検出し、前記第一の実施例と同様に、物体
表面の変位を測定することができる。
【００２８】更に、図４には、本発明の第三の実施例が
示されている。この第三の実施例においては、光源とし
て、白色光源を使用し、該白色光源からの光束を色収差
を有するレンズを介して物体表面に集光し、この反射光
の出力を各波長毎にラインセンサで検出するものであ
る。
示されている。この第三の実施例においては、光源とし
て、白色光源を使用し、該白色光源からの光束を色収差
を有するレンズを介して物体表面に集光し、この反射光
の出力を各波長毎にラインセンサで検出するものであ
る。
【００２９】白色光源１ｄからの光は、光ファイバ１２
ａを介して検出ヘッドＨ内に配置されたビームスプリッ
タ１３に導かれる。このビームスプリッタ１３を通過し
た光は、アクロマティックレンズ５、ピンホール６、色
収差未補正の対物レンズ７を経て物体表面８に集光され
る。そして、反射光は前記往路を逆方向に戻り、ビーム
スプリッタ１３により反射され、レンズ２０、プリズム
２１を通って、受光素子としてのラインセンサ２３の受
光面に入射するように構成されている。ラインセンサ２
３の出力は、メモリ、除算回路、ピーク検出回路から構
成される演算手段１０に導かれ、物体表面８の変位が求
められる。
ａを介して検出ヘッドＨ内に配置されたビームスプリッ
タ１３に導かれる。このビームスプリッタ１３を通過し
た光は、アクロマティックレンズ５、ピンホール６、色
収差未補正の対物レンズ７を経て物体表面８に集光され
る。そして、反射光は前記往路を逆方向に戻り、ビーム
スプリッタ１３により反射され、レンズ２０、プリズム
２１を通って、受光素子としてのラインセンサ２３の受
光面に入射するように構成されている。ラインセンサ２
３の出力は、メモリ、除算回路、ピーク検出回路から構
成される演算手段１０に導かれ、物体表面８の変位が求
められる。
【００３０】この実施例における物体表面変位の測定原
理について説明する。図４において、ピンホール６のな
い場合には、光源の分光分布特性、物体表面の反射特性
等により、ラインセンサ２６で検出される分光分布は、
一例として図５（ａ）に示されるように複雑な形状とな
る。そこで、ピンホール６が設置されると、限られた波
長域の反射光のみが、ピンホール６の通過を可能とし、
それ以外の波長域の光は、ピンホール６により遮られ
る。これは、対物レンズ７による集光位置が波長により
異なることに起因する。
理について説明する。図４において、ピンホール６のな
い場合には、光源の分光分布特性、物体表面の反射特性
等により、ラインセンサ２６で検出される分光分布は、
一例として図５（ａ）に示されるように複雑な形状とな
る。そこで、ピンホール６が設置されると、限られた波
長域の反射光のみが、ピンホール６の通過を可能とし、
それ以外の波長域の光は、ピンホール６により遮られ
る。これは、対物レンズ７による集光位置が波長により
異なることに起因する。
【００３１】この結果、ピンホール６を設置した際のラ
インセンサ２３において、検出される分光分布は、図５
（ａ）に対して図５（ｂ）の波線を乗じた図５（ｃ）
の実線に示した状態となる。そして、物体表面８が変
位すると、ピンホール６を通過する波長域が移動し、ラ
インセンサ２３で検出される分光分布は、図５（ａ）に
対して図５（ｂ）の波線を乗じた図５（ｃ）の実線
に示した状態となる。従って、図５（ｃ）を図５（ａ）
で除算することにより、図５（ｂ）を求め、更に、その
ピーク位置を求めれば、ピーク位置の変位量から物体表
面８の変位を求めることができる。
インセンサ２３において、検出される分光分布は、図５
（ａ）に対して図５（ｂ）の波線を乗じた図５（ｃ）
の実線に示した状態となる。そして、物体表面８が変
位すると、ピンホール６を通過する波長域が移動し、ラ
インセンサ２３で検出される分光分布は、図５（ａ）に
対して図５（ｂ）の波線を乗じた図５（ｃ）の実線
に示した状態となる。従って、図５（ｃ）を図５（ａ）
で除算することにより、図５（ｂ）を求め、更に、その
ピーク位置を求めれば、ピーク位置の変位量から物体表
面８の変位を求めることができる。
【発明の効果】本発明の構成により、光学式変位計とし
て、従来のようなファラデー素子等の高価な光学素子を
使用することなく、低コスト化を実現できる効果を有
し、しかも、受光素子の分光感度特性に影響されること
のない、高精度の測定を可能とする効果を有する。
て、従来のようなファラデー素子等の高価な光学素子を
使用することなく、低コスト化を実現できる効果を有
し、しかも、受光素子の分光感度特性に影響されること
のない、高精度の測定を可能とする効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学式変位計の第一の実施例を示す構
成図である。
成図である。
【図２】（ａ）は物体表面の変位と二つの受光素子の出
力信号との関係、（ｂ）は物体表面の変位と二つの受光
素子の差動出力信号との関係を示すグラフである。
力信号との関係、（ｂ）は物体表面の変位と二つの受光
素子の差動出力信号との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の光学式変位計の第二の実施例を示す構
成図である。
成図である。
【図４】本発明の光学式変位計の第三の実施例を示す構
成図である。
成図である。
【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は図４の第三の実施例にお
ける物体表面変位の測定方法を説明するためのグラフで
ある。
ける物体表面変位の測定方法を説明するためのグラフで
ある。
【図６】従来の光学式変位計の一例を示す構成図であ
る。
る。
１ａ，１ｂ 半導体レーザ光源 １ｃ 二波長同時発振レーザ光源 １ｄ 白色光源 ２ 偏光ビームスプリッタ ３ １／４波長板 ４ ダイクロイックミラー ５ アクロマティックレンズ ６ ピンホール ７ 色収差未補正の対物レンズ ８ 物体表面 ９ 受光素子 １０ 演算手段 １１ 半導体レーザコントローラ １２ 偏波保存光ファイバ １３ ビームスプリッタ １４ａ アクロマティックレンズ １４ｂ アクロマティックレンズ １５ ピンホール １６，１８ 広帯域偏光ビームスプリッタ １７ レンズ １９ 対物レンズ ２０ レンズ ２１ プリズム ２２ 二分割の受光素子 ２３ ラインセンサ Ｈ 検出ヘッド
Claims (8)
- 【請求項１】 波長を異にする二つの放射光束を物体表
面に向かわせる光路には、各光束を一点に集光する第一
の集光手段、該集光点の位置に配置された微小開口手
段、該微小開口手段を通過した各光束を物体表面上に集
光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射
し、微小開口手段を通過した異なる二つの波長の光束を
分割する分割手段と、その背後に、夫々の波長の光に対
応する二つの受光素子とに導き、該二つの受光素子の出
力に基づいて物体の変位量を演算する演算手段とを備
え、前記第一、第二の集光手段のうち、少なくとも一方
に色収差を有するレンズを用いることを特徴とする光学
式変位計。 - 【請求項２】 波長を異にする二つの放射光束を物体表
面に向かわせる光路には、各光束を一点に集光する第一
の集光手段、該集光点の位置に配置された微小開口手
段、該微小開口手段を通過した各光束を物体表面上に集
光する第二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射
し、微小開口手段を通過した異なる二つの波長の光束を
分割する分割手段と、その背後に、夫々の波長の光に対
応する二つの受光素子とに導き、該二つの受光素子の出
力に基づいて物体の変位量を演算する演算手段とを備
え、光源から物体表面に至る往路中に、波長の異なる二
つの光束の広がり角度を異ならせる光学手段を設けたこ
とを特徴とする光学式変位計。 - 【請求項３】 前記第二の集光手段による各波長の光の
集光点の中間位置に物体表面がある場合における、二つ
の受光素子の受光量Ｐｏ、Ｐｏ′を記憶する記憶手段を
有し、任意の位置に物体表面がある場合の二つの受光素
子の受光量がＰ、Ｐ′であるとき、物体表面の変位量Ｄ
は、Ｄ＝〔（Ｐ／Ｐｏ）−（Ｐ′／Ｐｏ′）〕／〔（Ｐ
／Ｐｏ）＋（Ｐ′／Ｐｏ′）〕により求める手段を備え
たことを特徴とする請求項１、２記載の光学式変位計。 - 【請求項４】 前記第二の集光手段による各波長の光の
集光点の中間位置に物体表面がある場合において、二つ
の受光素子からの光検出信号が等しくなるように、それ
ぞれの受光素子の信号増幅率を設定することを特徴とす
る請求項１、２記載の光学式変位計。 - 【請求項５】 波長を異にする二つの放射光束を形成す
るため、放射波長の異なる二つの単色光源を用い、前記
第二の集光手段による各波長の光の集光点の中間位置に
物体表面がある場合における、二つの受光素子からの光
検出信号が等しくなるように、二つの光源の放射出力の
比率を設定することを特徴とする請求項１、２記載の光
学式変位計。 - 【請求項６】 波長を異にする二つの放射光束を形成す
るため、放射波長の異なる二つの単色光源を用い、それ
らの光源の放射出力の比率を一定に保ち続ける放射出力
制御手段を設けることを特徴とする請求項１、２記載の
光学式変位計。 - 【請求項７】 単一の白色光源と、該光源からの放射光
束を物体表面に向かわせる光路には、光束を一点に集光
する第一の集光手段、集光点に置かれた微小開口手段、
該微小開口手段を通過した光を物体表面上に集光する第
二の集光手段を配置し、該物体表面上で反射し、微小開
口手段を通過した光を、各波長成分に分解する分解光学
素子と、該分散光学素子の背後にラインセンサとに導
き、該ラインセンサの出力に基づいて物体の変位量を演
算する演算手段を設け、前記第一、第二の集光手段のう
ち、少なくとも一方に色収差を有するレンズを用いたこ
とを特徴とする光学式変位計。 - 【請求項８】 微小開口手段を設置する前のラインセン
サの出力を校正データとして予め記憶し、微小開口手段
を設置した状態で任意の位置に物体表面がある場合のラ
インセンサの各画素出力を前記校正データで除算し、更
に、除算データのピーク位置を求め、物体表面変位量を
前記ピーク位置の変化として検出することを特徴とする
請求項７の光学式変位計による測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9751193A JPH06307858A (ja) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | 光学式変位計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9751193A JPH06307858A (ja) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | 光学式変位計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06307858A true JPH06307858A (ja) | 1994-11-04 |
Family
ID=14194291
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9751193A Withdrawn JPH06307858A (ja) | 1993-04-23 | 1993-04-23 | 光学式変位計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06307858A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1480009A3 (en) * | 2003-05-19 | 2005-06-15 | Soatec Inc. | Laser measurement apparatus |
| JP2007536535A (ja) * | 2004-05-06 | 2007-12-13 | カール マール ホールディング ゲーエムベーハー | 光プローブチップを有する測定装置 |
| WO2009037949A1 (ja) * | 2007-09-19 | 2009-03-26 | Nikon Corporation | 計測装置およびその計測方法 |
| JP2009074867A (ja) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Nikon Corp | 計測装置およびその計測方法 |
| US8934739B2 (en) | 2010-08-06 | 2015-01-13 | Fujikura Ltd. | Sensor head and optical sensor |
-
1993
- 1993-04-23 JP JP9751193A patent/JPH06307858A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1480009A3 (en) * | 2003-05-19 | 2005-06-15 | Soatec Inc. | Laser measurement apparatus |
| US7196795B2 (en) | 2003-05-19 | 2007-03-27 | Soatec Inc. | Laser measurement apparatus |
| JP2007536535A (ja) * | 2004-05-06 | 2007-12-13 | カール マール ホールディング ゲーエムベーハー | 光プローブチップを有する測定装置 |
| WO2009037949A1 (ja) * | 2007-09-19 | 2009-03-26 | Nikon Corporation | 計測装置およびその計測方法 |
| JP2009074867A (ja) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Nikon Corp | 計測装置およびその計測方法 |
| US8934739B2 (en) | 2010-08-06 | 2015-01-13 | Fujikura Ltd. | Sensor head and optical sensor |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20000704 |