JPH0654231B2 - 非接触変位計 - Google Patents

非接触変位計

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JPH0654231B2
JPH0654231B2 JP61302230A JP30223086A JPH0654231B2 JP H0654231 B2 JPH0654231 B2 JP H0654231B2 JP 61302230 A JP61302230 A JP 61302230A JP 30223086 A JP30223086 A JP 30223086A JP H0654231 B2 JPH0654231 B2 JP H0654231B2
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義治 桑原
泰三 中村
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、非接触変位計に係り、特に、非接触粗さ計や
顕微鏡用オートフオーカス装置などに用いるに好適な、
測定対象物に微少スポツト光を照射する照明系と、該微
少スポツト光の像を形成する結像レンズとを含んで構成
され、測定対象物の合焦点からの偏位に応じた変化信号
を出力する非接触変位計に関する。
【従来の技術】 従来、加工面の粗さ測定は、触針式で行なわれていた。
しかしながら、測定対象物が軟質材である場合は傷がつ
く恐れがあるため、非接触式の粗さ計が開発されてい
る。これまで開発されてきた非接触式の粗さ計用の変位
検出器は、ビデオデイスク等の焦点検出装置の使用され
ている光学式センサを応用したものが多く、臨界角法及
び非点収差法などに分類される。 このうち臨界角法による変位検出器は、例えば実開昭6
1−6707に開示されているが、測定対象物に微少ス
ポツト光を照射する照明系と、測定対象物からの反射光
を平行光線化するコリメータレンズと、その平行光線を
全反射で伝える臨界角プリズムと、2個の受光素子とを
含んで構成されており、測定対象物が合焦面から偏位す
ると前記平行光線が発散又は収束傾向を示して反射率が
急変することを利用して変位信号を生成するものであ
る。 又、非点収差法は、測定対象物が合焦面から偏位すると
非点収差特性が楕円状になることを利用している。
【発明が解決しようとする問題点】
しかしながら、前記従来の非接触式変位検出器は、いず
れも複雑な光学系を用いると共に、高精度な光学部品が
必要である。従つて調整が困難であり価格も高いという
問題点があり、より簡易な光学系を用いる変位検出器が
要求されていた。
【発明の目的】
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、簡易な光学系を用いて、高いSN比で変位検出が
可能であり、しかも、測定範囲の広い非接触変位計を提
供することを目的とする。
【問題点を解決するための手段】
本発明は、非接触変位計を、測定対象物に微少スポツト
光を照射する照明系と、該微少スポツト光の像を2つ形
成する結像レンズと、結像光路中に、中心が光軸と一致
するように挿入されたリング状マスクと、一方の像の合
焦結像面から偏位して、中心が光軸と一致するように配
設され、前記微少スポツト光による一方の焦点ずれ像が
前記リング状マスクで制限された像の、光軸を中心とし
て半径方向の光量分布重心位置に対応した信号を出力す
るための、受光部が円状又はリング状の第1のセンサ
と、他方の像の合焦結像面から前記第1のセンサとは異
なる偏位量で、中心が光軸と一致するように配設され、
前記微少スポツト光による他方の焦点ずれ像が前記リン
グ状マスクで制限された像の、光軸を中心とした半径方
向の光量重心位置に対応した信号を出力するための、受
光部が円状又はリング状の第2のセンサとを用いて構成
し、前記第1のセンサと第2のセンサの出力差に基づい
て、測定対象物の合焦面からの変位に応じた変位信号を
出力することにより、前記目的を達成したものである。
【作用】
本発明は、測定対象物に照射した微少スポツト光による
焦点ずれ像が、結像光路中に挿入されたリング状マスク
で制限された像の、光軸を中心とした半径方向の光量分
布重心位置に対応した信号を、該微少スポツト光の像の
合焦結像面から変位して配設したセンサで検出すること
により、測定対象物の合焦面からの偏位に応じた変位信
号を出力するようにしている。従つて、従来より簡易な
光学系を用いて、高いSN比で変位検出が可能となる。 又、前記センサを同芯円状に配設された2個の受光素子
より構成し、該2個の受光素子の出力を差動増幅して前
記変位信号を生成するようにした場合には、センサを容
易に構成することができる。 又、前記センサを中央電極と周辺電極を有する円形の半
導体位置検出器より構成し、該2個の電極からの出力の
差信号をそれらの和信号で除することによつて前記変位
信号を生成するようにした場合には、センサを容易に小
型化できる。 又、測定対象物に照射した微少スポツト光の像を2つ形
成し、それぞれの焦点ずれ像が、前記リング状マスクで
制限された像の、光軸を中心とした半径方向の光量分布
重心位置に対応した信号を、各合焦結像面から異なる変
位量で配設した2つのセンサで出力し、各センサの出力
差に基づいて測定対象物の合焦面からの変位に応じた変
位信号を出力するようにした場合には、微少スポツト光
による焦点ずれ像のずれの方向を容易に識別することが
可能となり、測定範囲が拡張できる。
【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。 本発明の前提となる比較例では、第1図に示す如く、レ
ーザダイオード12、コリメータレンズ14、ビームス
プリツタ16、対物レンズ18よりなる照明系で測定対
象物10に微少スポツト光20を照射し、前記対物レン
ズ18及び集光レンズ22よりなる結像レンズでその微
少スポツト光20の像を形成する。 前記集光レンズ22の手前にはSN比を向上させるため
のリング状マスク24が設けられているが、このマスク
は省略することも可能である。 第1図は、測定対象物10に微少スポツト光20が集光
している状態、即ち、測定対象物10が合焦面にある状
態を示している。このときの微少スポツト光20の像が
形成される面を合集結像面と定義する。 この合集結像面から図の下方向に変化させてセンサ26
が配設されており、このセンサ26からは信号a 、b が
出力され、これらは差動増幅器28に入力されて変位信
号d が生成されている。 前記センサ26は、第2図に詳細に示す如く、同芯円状
に分割配設された内側受光素子30と外側受光素子32
とから構成されており、共通電極34が例えば裏面に接
続されている。前記受光素子30、32としては、例え
ばフオトダイオードやフオトトランジスタ等を使用する
ことができる。 以下第3図と第4図を参照して比較例の作用を説明す
る。 測定対象物10が合焦面からZ方向に変位して、P1又
はP2の変位面に合致すると、微少スポツト光20の像
の集光点はQ1又はQ2となる。このときセンサ26に
は、微少スポツト光の焦点ずれした像のリンズ状マスク
24で制限された像が第4図(A)(変位面がP1で集
光点がQ1の場合)又は第4図(B)(変位面がP2で
集光点がQ2の場合)のように形成される。従つてセン
サ26は、この焦点ずれした像の光軸を中心とした半径
方向の光量分布重心位置に対応した信号を出力すること
になり、測定対象物10の変位Zと差動増幅器28から
出力される変位信号d の関係は、例えば第5図に示す如
くとなる。従つて、この変位信号d が零であることから
変位面が合焦面であることを検出することができる。 この比較例によれば、非常に簡単に構成で変位検出が可
能となる。 この比較例では、リング状マスク24が設けられている
ので、SN比が高い、即ち、マスクが全く無いと、中心
部の像が完全には抜けないため、特に、第4図(B)の
場合に、センサ26の内側受光素子30にも出力が発生
し、バツクグラウンド成分が大となつて、SN比が低下
する。又、特開昭61−120912のような中心部の
みを遮蔽するデイスク状マスクの場合には、外側の像が
遮蔽されないため、特に、第4図(A)の場合に、像
が、内側受光素子30だけでなく外側受光素子32にも
広がつて、バツクグラウンド成分となり、コントラスト
が低下して、SN比が低下してしまう。これらに対し
て、リング状マスク24が存在する場合は、第4図
(A)(B)のいずれの場合も、バツクグラウンド成分
が少なく、SN比が高い。 次に第6図を参照して、特に顕微鏡等のオートフオーカ
ス装置のセンサ部として用いるのに好適な、本発明の実
施例を詳細に説明する。 この実施例においても、前記比較例と同様に、合焦結像
面から変位して第1センサ26が配設されている。 更に、前記比較例に対して、比較例と同様の対物レンズ
18、第2ビームスプリツタ40、第2集光レンズ42
よりなる、微少スポツト光20の像を別位に形成する光
学系が付加されている。 又、前記比較例と同様の第1センサ26の変位方向とは
逆方向に合焦結像面から変位させて第2センサ44が設
けられている。 前記第1センサ26、第2センサ44とも前記比較例の
センサ26と同じ構造であり、検出回路46には、前記
第1センサ26の出力信号a 1、b 1及び第2センサ4
4の出力信号a 2、b 2の差動増幅をそれぞれ行う差動
増幅器46A、46Bと、該差動増幅器46A、46B
の出力d 1、d 2を入力して変位信号(合焦信号)e を
生成する差動増幅器46Cから構成されている。 他の点については前記比較例と同様であるので説明は省
略する。 以下実施例の作用を説明する。 今比較例のようにセンサ26が1個しか設けられていな
い場合、第7図に示す如く、測定対象物10の変位Zに
よつてセンサ26に形成される微少スポツト光による焦
点ずれ像が、収束光Aの場合と収束光Bの場合で識別が
不可能である。しかしながら、第2センサ44の出力と
の差動を取つている変位信号e は異なつた値となり、こ
の2つの場合は区別される。従つて、この実施例によれ
ば、比較例に比べて測定範囲が拡張できる。 この実施例では、集光レンズをボイスコイル等で振動さ
せて平均化の効果を得ることも可能である。 次に、第8図及び第9図を参照して、センサと検出回路
の他の例を説明する。 このセンサ50は、第9図に詳細に示す如く、P型半導
体層50A、I型層(真性半導体層)50B、N型半導
体層50Cからなる三層半導体の上面に、中央電極50
D及びそれを中心として円形に形成された周辺電極50
Eを有し、下面に共通電極50Fが形成された半導体位
置検出器とされている。各電極は、例えばニツケル薄層
で構成されている。又、半導体材料としては、シリコン
Si 、ガリウム・アルミニウム・リンGa AlP等が使
用できる。 検出回路52は、第8図に詳細に示した如く、周辺電極
50Eの出力信号i 及び中心電極50Dの出力信号j を
電流電圧変換する電流電圧変換器52A、52Bと、該
電流電圧変換器52A、52Bの出力信号i ′、j ′の
差信号k (=i ′−j ′)、和信号l(=i ′+j ′)
をそれぞれ出力する差演算器52C、和演算器52D
と、差信号k を和信号lで除することによつて変位信号
m (=k /l)を得る除算器52Eとから構成されてい
る。この変位信号m は、センサ50への入射光の半径方
向での光量分布重心位置に対応した信号となるので、本
発明のセンサとして用いることができる。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、簡単な光学系を用
いて、高いSN比で変位検出が可能となる。又、非接触
式変位検出の分野における技術の多様化に寄与する。更
に、センサを2組設けたので、測定範囲を拡張すること
ができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る非接触変位計の前提となる比較
例の構成を示す正面図、第2図は、第1図のII−II線に
沿う横断面図、第3図は、比較例の作用を説明するため
の光学系の正面図、第4図は、同じくセンサに形成され
る像を示す平面図、第5図は、比較例の変位信号の一例
を示す線図、第6図は、本発明の実施例の構成を示す正
面図、第7図は、実施例の作用を説明するための線図、
第8図は、前記実施例で用いられているセンサと検出回
路の変形例を示す正面図、第9図は、第8図のIX−IX線
に沿う横断面図である。 10……測定対象物、 12……レーザダイオード、 14……コリメータレンズ、 16、40……ビームスプリツタ、 18……対物レンズ、20……微少スポツト光、 22、42……集光レンズ、 24……リング状マスク、 26、44、50……センサ、 28、46A、46B、46C……差動増幅器、 d 、e 、m ……変位信号、 30……内側受光素子、 32……外側受光素子、 46、52……検出回路、 50D……中央電極、50E……周辺電極、 52C……差演算器、52D……和演算器、 52E……除算器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定対象物に微少スポツト光を照射する照
    明系と、 該微少スポツト光の像を2つ形成する結像レンズと、 結像光路中に、中心が光軸と一致するように挿入された
    リング状マスクと、 一方の像の合焦結像面から偏位して、中心が光軸と一致
    するように配設され、前記微少スポツト光による一方の
    焦点ずれ像が前記リング状マスクで制限された像の、光
    軸を中心とした半径方向の光量分布重心位置に対応した
    信号を出力するための、受光部が円状又はリング状の第
    1のセンサと、 他方の像の合焦結像面から前記第1のセンサとは異なる
    偏位量で、中心が光軸と一致するように配設され、前記
    微少スポツト光による他方の焦点ずれ像が前記リング状
    マスクで制限された像の、光軸を中心とした半径方向の
    光量重心位置に対応した信号を出力するための、受光部
    が円状又はリング状の第2のセンサとを含み、 前記第1のセンサと第2のセンサの出力差に基づいて、
    測定対象物の合焦面からの変位に応じた変位信号を出力
    することを特徴とする非接触変位計。
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