JPH084564Y2 - 光学式変位測定器 - Google Patents

光学式変位測定器

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JPH084564Y2
JPH084564Y2 JP12730589U JP12730589U JPH084564Y2 JP H084564 Y2 JPH084564 Y2 JP H084564Y2 JP 12730589 U JP12730589 U JP 12730589U JP 12730589 U JP12730589 U JP 12730589U JP H084564 Y2 JPH084564 Y2 JP H084564Y2
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Description

【考案の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本考案は光学式変位測定器のフォーカスエラー検出方
式に関するものである。
〈従来の技術〉 第8図は本考案に係わる先行技術の構成図であり、本
願出願人によって、実願平01−19699号『光学式変位測
定器』として出願している。本考案は、この既出願の
『光学式変位測定器』を改善したものであるが、以下、
本考案を説明する前に、この既出願について概略説明す
る。
第8図において、レーザダイオード1より出射された
光は、コリメータレンズ2で平行光とされ、偏光ビーム
スプリッタ3で反射される。反射光は、1/4波長板4を
通って対物レンズ5にて集光され、被測定物6上に照射
される。照射された光は、被測定物6で反射され、対物
レンズ5、1/4波長板4、偏光ビームスプリッタ3を通
って、ハーフミラー7で2つに分岐される。透過光は、
集光レンズ8にて集光され、集光レンズ8の焦点前方に
焦点から距離xの位置に設置されたフォトダイオード10
に入射され、被測定物6の変位に対する変位信号Aが出
力される。一方、反射光は、集光レンズ9にて集光さ
れ、集光レンズ9の焦点後方に焦点から距離xの位置に
設置されたフォトダイオード11に入射され、同様に変位
信号Bが出力される。
ここで、フォトダイオード10、11から出力される変位
信号A、Bは、フォトダイオード10、11が焦点から同距
離x離れた位置でその前後に設置されているため、第9
図に示すように、被測定物6の変位に対しズレた信号と
なって出力される。この変位信号A、Bには、被測定物
6の反射率むらや面の傾き等の影響が含まれている。そ
のため、変位信号AとBの差をとるような(A−B)と
いう演算を行うことにより、被測定物6の反射率むらや
面の傾き等の影響が排除されたフォーカスエラー信号を
得ることができる。
〈考案が解決しようとする課題〉 しかしながら、上記従来技術に示す光学式変位測定器
においては、集光レンズ8、9は焦点距離が同一であ
り、この集光レンズ8,9の焦点前後同距離に置かれたフ
ォトダイオード10、11からの変位信号A、Bの変化の割
合は、第9図に示すように等しくならず、この変位信号
A、Bの差(A−B)をとったフォーカスエラー信号
は、第10図に示すように、合焦点前後で折れ曲がってし
まう。したがって、フォーカスサーボのゲインが変化す
ることになり、サーボ系が不安定となるという課題があ
った。
本考案は、上記従来技術の課題を踏まえて成されたも
のであり、2つの変位信号の変化の割合を等しくするこ
とにより、フォーカスエラー信号の合焦点前後における
ゲインの変化を無くすことができる光学式変位測定器を
提供することを目的としたものである。
〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するための本考案の第1の構成は、対
物レンズをフォーカス方向に駆動し被測定物上に光スポ
ットを集光しその反射光の光強度パターンを光検出器で
測定し演算処理することにより被測定物の微小変位を測
定する光学式変位測定器において、被測定物からの反射
光を2方向に分岐する光学要素と、前記光学要素により
分岐された2つの光をそれぞれ集光する2つの集光レン
ズと、前記2つの集光レンズの焦点前後同距離に配置さ
れ前記集光レンズにより集光された光がそれぞれ入射さ
れる2つのフォトダイオードと、前記2つのフォトダイ
オードの検出信号がそれぞれ入力されこの検出信号の変
化の割合を等しくするための2つのゲイン調整回路とを
設けた構成とし、この2つのゲイン調整回路の出力信号
の差からフォーカスエラー信号を得るようにしたことを
特徴とするものであり、第2の構成は、前記2つの集光
レンズを検出信号の変化の割合を等しくするための焦点
距離の異なる集光レンズとし、この集光レンズにより集
光された光がそれぞれ入射される2つのフォトダイオー
ドを前記2つの集光レンズの焦点前後かつ前記フォトダ
イオードの直径とフォトダイオード上のスポット径が等
しくなる距離に配置した構成とし、この2つのフォトダ
イオードの検出信号の差からフォーカスエラー信号を得
るようにしたことを特徴とするものである。
〈作用〉 本考案によると、2つのフォトダイオードの出力信号
の変化の割合が等しくなるように演算回路のゲインを調
整しており、又、2つの集光レンズの焦点距離を変える
ことにより、2つのフォトダイオードの出力信号の変化
の割合を等しくなるようにしており、フォーカスエラー
信号の合焦点前後におけるゲインの変化を無くすことが
できる。
〈実施例〉 以下、本考案を図面に基づいて説明する。
第1図は本考案に係わる光学式変位測定器の信号処理
の一実施例を示す構成図である。なお、光学系は第8図
の従来例と同一であるため省略する。
第1図において、フォトダイオード10、11の出力信号
A、Bは、ゲイン調整回路12、13にそれぞれ入力され、
G1、G2のゲイン調整が行われる。ここで、12、13はフォ
トダイオード10、11の変位信号の変化の割合を等しくす
るためのゲイン調整回路であり、例えば、フォトダイオ
ード10、11の出力信号A、Bの変化の割合とゲイン調整
回路12、13のゲインG1、G2の関係が下記の条件を満足す
るものである。
G1・dA/dz=G2・dB/dz ただし、zは被測定物6の変位量である。
したがって、ゲイン調整回路12、13の出力信号G1A、G
2Bは、第2図に示すように変化の割合が等しくされて、
演算回路14にそれぞれ入力される。この演算回路14に
て、ゲイン調整回路12、13の出力信号G1A、G2Bの差
(G1A−G2B)をとることにより、第3図に示すよう
に、合焦点前後で折れ曲がらず、リニアリティの良いフ
ォーカスエラー信号が求められるため、フォーカスサー
ボのゲインの変化を無くすることができる。
第4図は本考案の第2の実施例を示す光学式変位測定
器の構成図である。なお、第4図において第8図と同一
要素には同一符号を付して重複する説明は省略する。
第4図において、15、16は焦点距離の異なる集光レン
ズであり、フォトダイオード10を集光レンズ15の焦点前
方に焦点から距離xの位置に、フォトダイオード11を集
光レンズ16の焦点後方に焦点から距離yの位置にそれぞ
れ設置している。なお、距離x、yは、それぞれフォト
ダイオード10、11の直径とこのフォトダイオード10、11
上のスポット径が等しくなる距離である。
このような構成において、その光学系の動作は、第8
図の装置と同様であるため省略するが、ここで、フォト
ダイオード10、11上のスポット径をW10、W11、被測定物
6の変位量をzとすると(図中、右向きを正とする)、
集光レンズ15、16の焦点距離F15、F16は、次式の方程式
を満たすものとして表される。
dW10/dz=dW11/dz … 又、第11図に示すように、被測定物6が対物レンズ5
の焦点位置(対物レンズ5の中心から距離F5だけ離れた
位置)からzだけ内側(対物レンズ5寄り)へ入ると、
被測定物6に照射された光は折り返されてP1に集光し対
物レンズ5に入り、対物レンズ5からは虚像P2からの発
散光として集光レンズ15に入る。
ここで、対物レンズ5の有効径をA5、対物レンズ5上
のスポット径をW5、集光レンズ15上のスポット径を
W15、フォトダイオード10上のスポット径をW10とする。
対物レンズ5から集光位置P1までの距離l1は、 l1=F5−2z であり、対物レンズ5から虚像P2までの距離l2は、 l2=1/(1/F5−1/l1)={F5・(F5−2z)}/2z である。
また、集光レンズ15から虚像P2までの距離a15は、 a15=l2+D15 ただし、D15は対物レンズ5と集光レンズ15との距離 であり、集光レンズ15からその後側焦点位置までの距離
b15は、 b15=1/(1/F15−1/a15)=a15・F15/(a15−F15) である。
また、対物レンズ5、集光レンズ15およびフォトダイ
オード10の各スポット径の間には、 W15=W5・a15/l5・a15/(a15−D15) の関係があり、したがってフォトダイオード10上のスポ
ット径W10は次式で表される。
W10=W15・(b15−f15)/b15 =W5・(a15/(a15−D15)}・{(a15−F15)/(a15
・F15)} ×{a15・F15/(a15−F15)−f15} =W5・{a15・F15−(a15−F15)・f15} /{(a15−D15)・F15} … 他方、フォトダイオード11のスポット径W11は、第11
図において集光レンズ15を集光レンズ16に、フォトダイ
オード10をフォトダイオード11に、またa15,D15,f15
をそれぞれa16,D16,f16に変えたものに相当し、次の
式で表される。
W11=W5・{a16・F16−(a16−F16)・f16} /{(a16−D16)・F16} … この式及び式において、W5>A5の場合には、式
及び式のW5はA5となる。更に、対物レンズ5と集光レ
ンズ15、16との距離をD15、D16、対物レンズ5の焦点距
離をF5、集光レンズ15とフォトダイオード10及び集光レ
ンズ16とフォトダイオード11との距離をそれぞれf15、f
16とすると、 a15=D15+F5(F5−2z)/2z … f15=F15−x … a16=D16+F5(F5−2Z)/2z … f16=F16+y … となる。ここで、前記集光レンズ15、16の焦点距離
F15、F16をそれぞれ15mm、60mmに設定した時のフォトダ
イオード10、11上でのスポット径W10、W11と被測定物6
の変位量zとの関係のシュミレーションを第5図に示
す。なお、第5図においては、前記式〜式を用い
て、下記の数値を代入している。
対物レンズ5の有効径 A5=4.3mm 対物レンズ5の焦点距離 F5=4.6mm 対物レンズ5と集光レンズ15との距離 D15=135.8mm 対物レンズ5と集光レンズ16との距離 D16=142.8mm 集光レンズ15とフォトダイオード10の距離 f15=11.51mm 集光レンズ16とフォトダイオード11の距離 f16=73.95mm 第5図に示すように、被測定物6の変位量zが零での
合焦点前後のフォトダイオード10、11上のスポット径W
10、W11の変化の割合は、ほぼ等しくなっている。した
がって、フォトダイオード10、11からの変位信号A、B
は、第6図に示すように、その変化の割合が等しくな
り、変位信号A、Bの差をとったフォーカスエラー信号
は、第7図に示すように、合焦点前後で折れ曲がらず直
線となり、フォーカスサーボのゲインの変化は無くな
る。
なお、変位信号A、Bが完全に一致しない場合、フォ
ーカスエラー信号は完全な直線にはならないが、多少の
曲がりはフォーカスサーボ動作には支障がない。
又、第8図に示す従来例の構成図において、フォトダ
イオード10、11を異なる直径を用いた構成とすることに
よっても、第4図の装置と同様の効果を得ることができ
る。
更に被測定物6からの反射光を分岐する光学要素は上
記実施例中に示したハーフミラーに限るものではなく、
例えば、回析格子、偏光ビームスプリッタ、又は1/2波
長板と偏光ビームスプリッタとの組合せ等により反射光
を分岐しても良く、要は平行光を2方向に分岐できる構
成のものであれば良い。
又、変位の測定方法としては、上記フォーカスエラー
信号をもとにフォーカスサーボをかけ対物レンズ5のレ
ンズ変位量を測定しサーボエラーを考慮して出力するよ
うな構成やレンズ変位量の代りに入力レーザ光の干渉を
用いた構成により測定を行うようにしても良い。
〈考案の効果〉 以上、実施例と共に具体的に説明したように、本考案
によれば、2つのフォトダイオードの出力の変化の割合
を等しくするようなゲイン調整回路を設け、その出力の
差からフォーカスエラー信号を求めるような構成や焦点
距離の異なる2つの集光レンズを用いて、フォトダイオ
ードをその直径とフォトダイオード上のスポット径が等
しくなる距離に配置させた構成とすることにより、フォ
ーカスエラー信号の合焦点前後におけるリニアリティが
良くなるため、フォーカスサーボのゲイン変化が一定と
なり、サーボ系の安定した光学式変位測定器を実現する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本考案に係わる光学式変位測定器の信号処理の
一実施例を示す構成図、第2図は第1図の信号処理を構
成するゲイン調整回路の出力信号を示す図、第3図は第
1図の信号処理から得られるフォーカスエラー信号を示
す図、第4図は本考案に係わる光学式変位測定器の他の
実施例を示す構成図、第5図は第4図の装置を用いた際
のスポット径と被測定物の変位量の関係を示すシュミレ
ーション図、第6図は第4図の装置から得られるフォト
ダイオードの出力信号を示す図、第7図は第4図の装置
から得られるフォーカスエラー信号を示す図、第8図は
従来例の構成図、第9図は第8図の従来装置から得られ
るフォトダイオードの出力信号を示す図、第10図は第8
図の従来装置から得られるフォーカスエラー信号を示す
図、第11図は第4図の構成における光学系に関する説明
図である。 1……レーザダイオード、2……コリメータレンズ、3
……偏光ビームスプリッタ、4……1/4波長板、5……
対物レンズ、6……被測定物、7……ハーフミラー、1
0、11……フォトダイオード、12、13……ゲイン調整回
路、14……演算回路、15、16……集光レンズ。

Claims (2)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】対物レンズをフォーカス方向に駆動し被測
    定物上に光スポットを集光しその反射光の光強度パター
    ンを光検出器で測定し演算処理することにより被測定物
    の微小変位を測定する光学式変位測定器において、 被測定物からの反射光を2方向に分岐する光学要素と、
    前記光学要素により分岐された2つの光をそれぞれ集光
    する2つの集光レンズと、前記2つの集光レンズの焦点
    前後同距離に配置され前記集光レンズにより集光された
    光がそれぞれ入射される2つのフォトダイオードと、前
    記2つのフォトダイオードの検出信号がそれぞれ入力さ
    れこの検出信号の変化の割合を等しくするための2つの
    ゲイン調整回路とを設けた構成とし、この2つのゲイン
    調整回路の出力信号の差からフォーカスエラー信号を得
    るようにしたことを特徴とする光学式変位測定器。
  2. 【請求項2】前記2つの集光レンズを検出信号の変化の
    割合を等しくするための焦点距離の異なる集光レンズと
    し、この集光レンズにより集光された光がそれぞれ入射
    される2つのフォトダイオードを前記2つの集光レンズ
    の焦点前後かつ前記フォトダイオードの直径とフォトダ
    イオード上のスポット径が等しくなる距離に配置した構
    成とし、この2つのフォトダイオードの検出信号の差か
    らフォーカスエラー信号を得るようにしたことを特徴と
    する光学式変位測定器。
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