JPS6184505A - 位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は、光線を反射する被検面、例えばレンズ面と本
発明装置との相対的位薗を、光の干渉を利用して検出す
る位置検出装置に関するものである。

（発明の背景） 従来、レンズ面の位置やレンズの中心厚を測定する装置
として、リニアエンコーダを内蔵した、第７４図に示さ
れるような測長機がある。１は被検面であるレンズ面を
有するレンズ、２は垂直に移動可能なスピンドル、３は
スピンドル２に取り付けられた光学的なリニアスケール
、４は架台、５は架台４）こ取り付けられ、リニアスケ
ール３の変位量を読み取るセンナ、６はスピンドル３が
精度よく、且つ滑らかに移動できるように支持するベア
リング、７は載物台面である。なお、リニアスケール３
、センサ５及びセンサ５の出力を処理し、リニアスケー
ル３の変位量を表示する電子回路から成るものをリニア
エンコーダと称している。

レンズ１の上面の位置或いは中心厚を測定する場合、ま
ず載物台面７にレンズｌが載っていない状態で、スピン
ドル２を載物台面７まで下げ、その時のリニアエンコー
タの表示値を零にセットする。次にスピンドル２を十分
上に上げ、レンズ１を載物台面７に置き、スピンドル２
をレンズ１の上面まで下げる。その時のリニアエンコー
ダの表示値がレンズ１の上面の位置、即ち第７図のよう
に両凸レンズの場合はレンズ１の中心厚を示す。

第７図図示の測長機の問題点は、接触式であるため、被
検面にきすをつけやすいこと、スピンドル２の先端と被
検面又は載物台面７との間に接触圧による弾性変形が生
じ、測定誤差を発生すること、更には、被検物の内面が
測定不可能のため。

例えば貼り合わせレンズの貼り合わせ面と表面との距離
、又は複数レンズを組み合わせたレンズ系での空気間隔
を測定することができないこと、などである。

一方、非接触方法として、光切断法、三角測量法、被検
面に焦点を結ぶレンズ位置の移動量を測る方法があるが
、これらはすべて、被検物の内面を被検面として測定す
る場合には、常に被検物の表面の形状に依存し、その形
状を正確に知らないと、測定できないという大きな問題
点をもっている。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述した問題点を解決し、被検面と接
触しない、且つ被検面の表面の形状に本質的に依存しな
い位置検出装置を提供することである。

（発明の特徴） 上記目的を達成するために、本発明は、マイケルソンの
干渉計の原理を被検面の位置検出に応用し、その応用に
あたって、マイケルソンの干渉計とは逆の発想で、可干
渉距離の短い、即ちスペクトル幅のある程度広い光源を
用いて、干渉縞の可視度曲線が参照光学系の光路長の変
化に敏感であるようにしたこと、分割された一方の平行
光束を被検面上に集光し、被検面からの反射光束を再び
平行光束とするピント調整可能な対物レンズを設けて、
被検面の位置のみにより一方の光路の光路長が変わるよ
うにしたこと、分割された他方の平行光束の光路長を変
化させる参照光学系及び参照光学系の光路長の変化量を
測長する測長手段を設けて、参照光学系の光路長を変化
させながら、可視度の特定点、即ちピーク或いは変曲点
における前記光路長の変化量を測長し、その変化量から
被検面の位置を検出するようにしたことを特徴とする。

（発明の実施例） 光源の発光スペクトル線の幅の測定方法として、マイケ
ルソンの干渉計により光路差に対する可視度曲線を得、
それから計算により求める方法は、古くから知られてい
る。本発明はこの原理を位置検出に応用できるように工
夫したものである。

第１図は本発明の一実施例の光学系を示す、偏光方向、
移動方向などの説明上、第１図に示した直交座標系を使
用する。即ち、右を２軸、上をｙ軸、紙面から下へＸ軸
とする。８は光源、９は熱線吸収フィルタ、１０は集光
レンズ、１１はピンホール、１２はコリメータ、１３は
光源８のスペクトル幅、形状を整えるバンドパスフィル
タである。

光源８、熱線吸収フィルタ９及びバンドパスフィルタ１
３は、可干渉距離の短い、即ち光束のスペクトル幅のあ
る程度広い光源を構成する。可干渉距離の短い光源とは
レーザとの対比で表現されたもので、レーザの可干渉距
離が通常１００ｍｍ以上であるのに対し、本発明に用い
られる光源の可干渉距離は例えば１ｍｍ程度以下、波長
との比較でいえば１波長の１０００倍程度以下である。

スペクトルがガウス型で、その中心波長を５５０ｎｍと
した時、可視度が１／２となる光路差を５ｐｍとするた
めには、そのスペクトルの半値幅は２７ｎｍとなる。即
ち、ハロゲン電球と干渉フィルタを使えば、適した光源
が簡単に得られる。しかし、光源の１点しか使用しない
ため、輝度が高く、発光効率の高い発光ダイオードを使
うのが好ましい。

１４は偏光方位がＸ軸及びｙ軸に対して４５″である偏
光板、１５は光源８の光量変動を監視するために若干反
射させるビームスプリッタ、１６はレンズ、１７は光電
素子、１８は、偏光方位がｙ軸方向の透過光束と、偏光
方位がＸ軸方向の反射光束の、二つの平行光束に入射光
束を分割する偏光ビームスプリフタ、１９は位相の進む
方位をＸ軸又はＺ軸に対して４５°とした１／４波長板
、２０は、ｙ軸方向に移動可能に配置され、駆動手段及
びその移動量を測長する測長回路を有するコーナキュー
ブ、２１は位相の進む方位をＸ軸又はｙ軸に対して４５
°とした１７４波長板、２２．２３はレンズで、レンズ
１の被検面に平行光束をスポット状に集光する対物レン
ズ２４を構成する。レンズ２３は単独で２軸方向に、レ
ンズ２２とレンズ２３は一体となってＸ軸方向に、それ
ぞれ移動可能になっており、被検面上にピントが合うよ
うに調整される。２５は、対物レンズ２４により被検面
上に平行光束がスポットとなっているかどうかを監視す
るモニタ光学系に若干の光束を導くビームスプリッタ、
２６．２７．２８は前記モニタ光学系を構成するレンズ
、光束折曲げミラー及び接眼レンズ、２９は位相の進む
方位をＸ軸又はｚ軸に対して４５°とした１７４波長板
、３０は集光レンズ、３１はビームスプリッタ、３２は
偏光ビームスプリフタ、３３．３４は光電素子、３５は
偏光ビームスプリッタ、３６．３７は光電素子である。

偏光ビームスプリッタ３２及び光電素子３３．３４は、
一体となってｙ軸まわりに回転調整可能になっていて、
１／４波長板１９及びコーナキューブ２０から成る参照
光学系の光路長と、１／４波長板２１、対物レンズ２４
及びレンズｌの被検面から成る物体光学系の光路長とが
等しい時に光電素子３３の出力信号がピークとなるよう
な回転角に調整され、その位置で光電素子３３は偏光方
位Ｏ０の偏光成分を検出し、光電素子３４は偏光方位９
０°の偏光成分を検出する。偏光ビームスプリッタ３５
及び光電素子３６．３７は、一体となって２軸まわりに
回転調整可能になっていて、光電素子３６が偏光方位４
５°の偏光成分を検出し、光電素子３７が偏光方位１３
５’の偏光成分を検出するような回転角に調整される。

なお、偏光板１４の偏光方位について、参照光学系の反
射率と物体光学系の反射率との比が１の場合は、偏光方
位は４５°がよいが、１以上又は１以下の場合には、参
照光学系と物体光学系の（入射光量×反射率）が等しく
なるように、偏光方位を回転できることが好ましい。

光電素子１７，３３，３４，３６．３７及びコーナキュ
ーブ２０の移動量を測長する測長回路３８（第２図）か
らそれぞれ出力される信号は、信号処理系により処理さ
れるが、その信号処理系の一例は第２図に示される通り
である。

測定手順を説明すると、まず、対物レンズ２４のピント
がレンズ１の被検面に合うように眼で接眼レンズ２８か
ら観測しながら調整する０次にコーナキューブ２０を移
動させることにより、参照光学系と物体光学系の光路長
を一致させ、その時のコーナキューブ２０の移動量ｙ０
を測長する。

この移動量ｙｏが被検面の位置を示すものとなる。

次に動作について説明する。

光源８からバンドパスフィルタ１３までの構成によって
、可干渉距離の短い平行光束がつくり出される。この平
行光束は偏光板１４によりＸ軸及びｙ軸に対して４５°
の方位をもつ偏光光束となる。偏光ビームスプリッタ１
８で反射された光束はＸ軸方向に偏光方位をもち、１７
４波長板１９により円偏光となり、コーナキューブ２０
で反射され、再び１／４波長板１９を通ることにより再
度直線偏光となるが、その偏光方位はＸ軸方向となるの
で、偏光ビームスプリッタ１８を透過する。他方、偏光
ビームスプリッタ１８を透過した光束はｙ軸方向に偏光
方位をもち、１、／４波長板２１により円偏光となり、
対物レンズ２４を通り、レンズ１の被検面で反射し、再
びｌ／４波長板２１を通ることにより再度直線偏光とな
るが、その偏光方位はＸ軸方向となるので、偏光ビーム
スプリッタ１８で反射する。

偏光ビームスプリッタ１８から出射される二つの直交す
る直線偏光の光束は、ｌ／４波長板２９に入ると、右回
り及び左回りの二つの円偏光となリ、その合成は単に直
線偏光となり、その方位が参照光学系と物体光学系の光
路差により変化する。そして、全光量に対する直線偏光
の割合（強度）は可視度に比例し、したがって、光路差
により変化する。この直線偏光の強度及び方位は光電素
子３３，３４，３６．３７により検出される。

なお、偏光方位０°と１８０°とは全く同一方向を示す
ため、光電素子３３などの出力信号の位相は偏光方位の
２倍となる０例えば、偏光方位１８０°が信号位相の３
６００に対応する。したがって、光電素子３３．３４の
出力信号の位相差及び光電素子３６．３７の出力信号の
位相差は１８０°、光電素子３３．３６の出力信号の位
相差及び光電素子３４．３７の出力信号の位相差は９０
°である。

第２図に示される信号処理系において、光電素子１７は
光源８の光量変動モニタ信号Ｃ″を、光電素子３３は０
°相の偏光強度信号Ａ１を、光電素子３４は１８０°相
の偏光強度信号Ａ２を、光電素子３６は９０°相の偏光
強度信号Ｂ１を、光電素子３７は２７０°相の偏光強度
信号Ｂ２を、それぞれ出力し、リニアエンコーダなどの
測長回路３８はコーナキューブ２０の零点からの移動量
ｙを測長し、出力する。零点とは、本装置の位置検出基
準面３９（第１図）と偏光ビームスプリッタ１８との間
の光路長に、コーナキューブ２０と偏光ビームスプリッ
タ１８との間の光路長が等しくなる位置である。

各信号は増幅器４０〜４４によりオフセット及びゲイン
調整をされる。その結果、増幅器４１により増幅された
偏光強度信号Ａ１の電圧Ｖを縦軸にとり、コーナキュー
ブ２０の移動量ｙ或いはコーナキューブ２０を等速度で
移動させた時は時間ｔを横軸にとると、第３図のように
なる。振幅の一番大きい移動量ｙｏが光路差刃の時で、
可視度のピークに一致する。一方、オシロスコープで横
軸に正弦波、縦軸に余弦波を入れると、その軌跡が第４
図のように円を描くことはよく知られている。正弦波と
余弦波は９０°位相がずれたものであるから、偏光強度
信号Ａ１の振幅を求める方法として、偏光強度信号Ａ、
と９０°位相のずれた偏光強度信号Ｂ１とを使い、それ
ぞれを２乗して加算すれば、振幅の２乗が得られる。

しかし、第３図から分かるように、偏光強度信号Ａ、及
びＢ１は振動の中心がＯではなく、■。

になっている。光量は負のエネルギをもたないからであ
る。直流分ｖ０を０にする方法として簡単なのが偏光強
度信号Ａ、、Ｂ１から一定電圧ｖ。

を引くことであるが、直流分ｖ０は、光源８の光量変動
だけでなしに、対物レンズ２４のピント調整や被検面の
反射率等にも依存するため、この方法は賢明ではない、
そこで、第２図では、偏光強度信号Ａｌから１８００位
相のずれた偏光強度信号Ａ２を減算回路４５により減算
する。同様に、偏光強度信号Ｂ１から１８００位相のず
れた偏光強度信号Ｂ２を減算回路４６により減算する。

次に、割算回路４７．４８により（Ａ＋　−Ａ２　）。

（Ｂ１−８２　）をそれぞれ光量変動モニタ信号Ｃで割
算し、光量変動を補正する０割算回路４７゜４８の出力
信号をＡ、Ｂとする。信号Ａ、Ｂをそれぞれ乗算回路４
９．５０により２乗してから加算回路５１により加える
と、第５図に示されるように、光路差が零となる移動量
ｙｏのところにピークをもつ山型の曲線が得られる。こ
れが可視度曲線を２乗したものに対応する。

信号（Ａ　２　＋３３２　）はノイズ除去のためのフィ
ルタ５２を通った後、微分回路Ｓ３により第６図（Ａ）
のような波形に微分される。ｔｏは移動量ｙｏに相当す
る時間であり、ゼロクロス点である。パルス発生回路５
４は時間ｔ０で第６図（Ｂ）に示されるパルスＰＯを発
生する。一方、波形整形回路５５は信号（Ａ　２　十Ｂ
２　）のレベルがしきい値Ｌｔ以上の時にハイレベルの
信号をゲート５６に送り、これを開く。これにより、パ
ルスＰｏはゲート５６を通る。

検出動作中、コーナキューブ２０は参照光学系と物体光
学系の光路差を零にする方向に移動され、その移動量ｙ
が測長回路３８によって測長されて、出力されているが
１通常はゲート５７が閉じているので、メモリ５８には
入力されない。参照光学系と物体光学系の光路差が零に
なると、パルスＰＯが発生し、このパルスＰＯがゲート
５７を開くので、その時の移動量ｙ０がメモリ５８に入
力し、被検面の位置として記憶される。

レンズ１の中心厚を測定する場合には、その次にレンズ
１の後のレンズ面上に対物レンズ２４のピントを合わせ
、前述と同様の動作により移動量ｙ１を測定して、メモ
リ５８に記憶させる。レンズｌの屈折率をｎとすれば、
中心厚ｄは計算回路５９により下記の計算式から求めら
れる。

ｄ＝　（ｙ＋　−ｙｏ　）／ｎ 以上説明したのは、可視度のピークを検出した時の移動
量ｙｏを測定するものであるが、可視度曲線の変曲点を
利用して移動量Ｖｏを測定することもできる。第５５！
Ｊに示される可視度の２乗曲線を２回微分すると、第６
図（Ｃ）に示される曲線となり、可視度の２乗曲線の二
つの変曲点でゼロクロスする。このゼロクロス点ＬＯ１
＋ｔ０２でパルスＰ　０１　＋　Ｐ　０２を発生させ、
それぞれの時点での移動量ｙｏｒ　＋　’！　０２を記
憶し、　　ｙｏ　＝　（Ｖｏｔ＋Ｙｏｚ）／２を計算す
れば、移動量’ｌｏが得られる。

本実施例によれば、被検面にスポット光を当てる非接触
式であるから、被検面にきすをつけたり、弾性変形を生
じさせたりすることを防ぐことができる。また、貼り合
わせレンズの貼り合わせ面の位置や複数レンズの空気間
隔を測定することができる。更に、被検面がレンズの内
面のような場合でも、物体光学系の光路長はレンズ表面
の曲率半径により影響を受けることはないので、測定を
簡単にすることができる。

（発明と実施例の対応） 光源８、熱線吸収フィルタ９及びバンドパスフィルタ１
３が本発明の可干渉距離の短い光源に相当し、集光レン
ズ１０、ピンホール１１及びコリメータ１３がコリメー
ト光学系に相当し、偏光ビームスプリ゛ツタ１８が光束
分割手段及び光束合成手段に相当し、１／４波長板２９
からゲート５６まで（測長回路３８及び位置検出基準面
３９を除く）が干渉縞読取り手段に相当する。

（変形例） 干渉縞読取り手段としては１図示実施例のものに限定さ
れるものではなく、公知の種々の手段に代えることがで
きる。勿論、偏光を用いない手段をとってもよい。

また、可視度のピークを見い出すのは人間の眼で行うよ
うにしてもよい。その場合、光電素子３３の代わりに人
間の眼を置き、コーナキューブ２０をｙ方向に移動させ
ながら一番可視度がよくなった時の測長回路３８の測長
値を読み取る。精度向上、自動化に対しては得策ではな
いが、簡単で、安価な装置となる利点がある。

図示実施例では、光の波長があるスペクトル幅をもった
一つのみであるホモダイン干渉式となっているが、参照
光学系と物体光学系とで若干波長を変化させるヘテロゲ
イン干渉式にすることができる。

参照光学系にコーナキューブ２０を用いているが、レン
ズと凹面又は凸面から構成されるキャッツアイなどに代
えることができる。

参照光学系の光路長を変化させるために、光路中の媒質
の屈折率を変えるようにしてもよい、特に、ガラス厚を
測定する場合、標準の厚みのガラスをそのまま入れるこ
とにより、光路長を機械的に変化させる量を減らすこと
ができる。

偏光ど−ムスブリッタ１８が光束分割手段と光束合成手
段を兼用しているが、別々の手段を用いることがゼきる
。

図示実施例では、ピント調整可能な対物レンズ２４を光
軸方向にのみ移動させて被検面に集光させることによっ
て、装置側の物体光学系の光路長を変化させないように
しているが、光路長の既知な他の対物レンズに交換し、
それによる光路長の変化を計算により補正するようにし
てもよい、また、対物レンズ２４に自動焦点機構を備え
ることが可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、可干渉距離の短
い、即ちスペクトル幅のある程度広い光源を用いて、干
渉縞の可視度曲線が参照光学系の光路長の変化に敏感で
あるようにしたこと、分割された一方の平行光束を被検
面上に集光し、被検面からの反射光束を再び平行光束と
するピント調整可能な対物レンズを設けて、被検面の位
置のみにより一方の光路の光路長が変わるようにしたこ
と、分割された他方の平行光束の光路長を変化させる参
照光学系及び参照光学系の光路長の変化量を測長する測
長手段を設けて、参照光学系の光路長を変化させながら
、可視度の特定点における前記光路長の変化量を測長し
、その変化量から被検面の位置を検出するようにしたこ
とによって、被検面と接触せずに、且つ被検面の表面の
形状に本質的に依存せずに、被検面の位置を検出するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の光学系を示す配置図、第２
図は本発明の一実施例の信号処理系を示すブロック図、
第３図は偏光強度信号の波形を示す図、第４図は偏光強
度信号の振幅を示す図、第５図は可視度の２乗曲線を示
す図、第６図は信号処理中の波形を示す図、第７図は従
来の測長機を示す図である。 １・・・・・・レンズ、８・・・・・・光源、９・・・
・・・熱線吸収フィルタ、１０・・・・・・集光レンズ
、１１・・・・・・ピンホール、１２・・・・・・コリ
メータ、１３・・・・・・バンドパスフィルタ、１４・
・・・・・偏光板、１７，３３，３４．３６．３７・・
・・・・光電素子、１８，３２．３５・・・・・・偏光
ビームスプリッタ、１９，２１．２９・・・・・・１／
４波長板、２０・・・・・・コーナキューブ、２４・・
・・・・対物レンズ、３８・・・・・・測長回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、可干渉距離の短い光源と、該光源の光束を平行光束
   とするコリメート光学系と、該コリメート光学系の平行
   光束を二つに分割する光束分割手段と、分割された一方
   の平行光束を被検面上に集光し、被検面からの反射光束
   を再び平行光束とするピント調整可能な対物レンズと、
   分割された他方の平行光束の光路長を変化させる参照光
   学系と、該参照光学系の光路長の変化量を測長する測長
   手段と、前記対物レンズと前記参照光学系をそれぞれ通
   った平行光束を再び重ね合わせる光束合成手段と、重な
   り合った平行光束の干渉縞の可視度の特定点を見い出す
   ための干渉縞読取り手段とを備えた位置検出装置。