JPS6334963B2

JPS6334963B2 -

Info

Publication number: JPS6334963B2
Application number: JP6622581A
Authority: JP
Inventors: Yasukazu Fujimoto
Original assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Current assignee: Koyo Seiko Co Ltd
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1988-07-13
Also published as: JPS57179704A

Description

【発明の詳細な説明】この発明は、コヒーレント光を用いた測長方法
とその装置に関する。

従来よりコヒーレント（レーザー）光を測長用
プローブに用いる技術は種々存在した。例えば第
１図に示すように、図示しないレーザー光源から
の平行レーザービームをレンズ３にて絞り、物体
４の表面の反射光を同一レンズ３で受け、結像点
ｆの前後に配置された２つのピンホール５，６を
通過した反射光を受光器１，２で受けてその光電
出力を差動増幅し、その出力の正負により合焦点
状態を検知するもの、或は、図示しないが、結像
点上に光軸方向に振動するピンホールを配置し、
ピンホール通過後の光電出力信号の位相を検出し
て合焦点状態を検知するもの、或は平行レーザー
ビームを光軸方向に振動するレンズで絞り、焦点
距離を変調し、その時の物体からの反射光の光電
出力信号の位相差で合焦点状態を検出するもの、
或はレーザー光の直進性を利用して幾何学的な配
置関係から距離を測定するもの等々がある。

しかしこれらの技術を、加工された金属面等の
ように、反射率が高く、波長と同程度（0.1μｍ〜
1.0μｍ）の粗さ（凹凸）が、ある程度の規則性を
もつて並んでいるような物体表面に適用した場
合、干渉性のランダムなレーザー・スペツクル・
パターンと呼ばれる明暗模様が形成され、前記の
ような測定系においては雑音として作用し、測
長、位置決め精度の低下の主要因となる。

この発明は、コヒーレント光と加工金属表面と
の相互作用の結果、生ずるレーザー・スペツク
ル・パターンを積極的に利用し、被測定物表面の
反射率、表面状態に依存しない安定かつ高精度な
測長、或は形状測定を非接触にて行う光プローブ
システムを提供することを目的とするものであ
る。

一般に、第２図ａ，ｂに示すような構成におい
て、レーザー光をレンズＬで収束させた収束ガウ
ス・ビームを拡散性の半透膜Ｍに照射した場合、
その後方散乱光は、拡散性半透膜Ｍの表面状態に
依存するスペツクル・パターンを含んでいる。い
ま、拡散性半透膜Ｍが光軸と垂直な面内で図中矢
符ａに示すように一方向に移動する場合、拡散性
半透膜Ｍとビーム・ウエストω（ビーム半径最小
の点）との間の位置関係に依存して、後方の観測
面Ｓにおける移動方向が異なる。すなわち第２図
ａにおいては、拡散性半透膜Ｍと同方向ａに、第
２図ｂにおいては、拡散性半透膜Ｍと逆方向ｂに
移動する。

拡散性半透膜Ｍとビーム・ウエストω₀間の距
離が余り近くなければ、スペツクル・パターンは
ほぼ同形を保ちながら平行移動を行う
（translation領域）。前記距離が非常に小さくな
ると、スペツクル・パターンの平行移動が認めら
れず、スペツクル・パターンは完全に形を変え、
湧き出し、吸い込み運動が支配的になる範囲
（boiling領域）が存在する。この領域の大きさ
は、ａ＝πω₀ ²／λに依存する。ここでλは使用
されるレーザー光の波長、ω₀はガウスビームを
レンズで絞つたときの最小ビーム径である。

以上はすでに知られている事実であるが、被測
定面が反射面の場合にも全く同じ現象を観測する
ことができる。

この発明では被測定面が移動するのではなく、
特殊の構成とした光学系によつて、収束ガウス・
ビームを、焦点面上で、光軸に垂直の方向に微小
量だけ移動させて被測定面に照射する。このよう
な照射条件で、被測定面の一点から反射する反射
光中に含まれるスペツクル・パターンの移動方向
と、ビーム・ウエストの移動方向との関係を把握
して、被測定面とビーム・ウエストとの間の位置
関係を知る。すなわちスペツクル・パターンとビ
ーム・ウエストの移動方向の反転を検知し、この
状態を合焦点状態と見倣す。

光学系全体を、サーボ機構に搭載し、光軸方向
に移動可能に構成し、前記移動方向の情報をサー
ボ機構にフイードバツクして、常に合焦点状態に
なるように駆動する、その移動量を、例えばリニ
アスケール等にて計測し、測長を行う。また２次
元、或は３次元駆動装置を採用することにより、
物体の形状測定を行うこともできる。なおこの発
明は、ビーム・ウエストを移動させる代りに被測
定面を移動させてもよく、被測定面が透過面であ
つてもこの発明を適用することができる。

以下この発明を具体化した実施例について説明
する。第３図は以上の原理に基づいた半導体レー
ザー光による測長装置を示すブロツク図である。

光軸方向に移動可能とした移動台１０上に、半
導体レーザー１１、コンデンサレンズ１２、対物
レンズ１３を設け、レンズ１２，１３間の光軸上
に、ビーム・ウエスト位置を光軸に垂直な面内で
移動させるための音響光学偏向素子１４と、反射
光の一部を光軸と直角方向に反射するビーム・ス
プリツター１７とを設け、ビーム・スプリツター
１７の反射光軸上に、結像レンズ１８と１次元固
体イメージセンサー１９を設けて、これらを移動
台１０上に配置する。

0.8μｍ帯の発振波長、基本モードをもつ半導体
レーザー１１を出たコヒーレント光は、コンデン
サレンズ１２を経て収束発散し、再び対物レンズ
１３にて絞られ、ビーム・ウエストを対物レンズ
１３の前方に持つ収束ガウス・ビームとなる。信
号発生器１５で作られた信号を、増幅器１６にて
増幅、変調し、音響光学偏向素子１４を駆動す
る。

対物レンズ１３を出た収束ガウス・ビームは、
被測定面（図示せず）で反射し、スペツクル・パ
ターンを含む反射光が再びレンズ１３にて集光さ
れ、ビーム・スプリツター１７、結像レンズ１８
にて１次元固体イメージセンサー１９上に結像す
る。

１次元固体イメージセンサー１９の素子配列方
向は、予め、スペツクル・パターンの移動方向と
平行になるように調節してあつて、スペツクル・
パターンの移動方向は、１次元固体イメージセン
サー１９から出るビデオ信号の位相進み又は遅れ
として信号処理電子回路２０に弁別され、被測定
面とビーム・ウエスト間の位置関係を判断する。
そして該電子回路２０の出力をサーボモーター駆
動回路２１に入力して、移動台１０を光軸方向に
駆動するためのサーボモータ２２を信号処理電子
回路２０の判断結果に従つて駆動し、移動台１０
を前進又は後退させる。２３は半導体レーザー１
１に印加する定電圧電源である。

スペツクル・パターンの移動方向と、１次元固
体イメージセンサー１９からのビデオ信号の位相
の進み、遅れの関係を、第４図ａ，ｂ、第５図
ａ，ｂ、第６図ａ，ｂ、第７図ａ，ｂ、第８図
ａ，ｂに示す。

半導体レーザー１１からのコヒーレント光を前
記各レンズ１２，１３により収束ガウス・ビーム
として被測定面Ａに照射した場合、その反射光は
干渉しあい、ランダムなスペツクル・パターンと
呼ばれる明暗模様となることは既述の通りであ
り、１次元固体イメージセンサー１９に結像する
光に、第５図ａ，ｂに示す如き暗部S₁，S₂…が含
まれている。

いまビーム・ウエストωと被測定面Ａとの位置
関係が第４図ａの如く合焦点状態近傍であるとし
て、音響光学偏向素子（第３図）により、ビー
ム・ウエストωの位置を光軸に垂直な面内で
ω′の位置に移動させると、反射光R.Lが結像する
１次元固体イメージセンサー１９上の結像面で、
スペツクル・パターンが第５図ａからｂに示すよ
うに矢符ａ方向に移動する。すなわち１次元固体
イメージセンサー１９からのビデオ信号に、横軸
に時間ｔ、縦軸に明暗をとつた第６図ａからｂに
示す如き位相の遅れが生じる。

一方、ビーム・ウエストωと被測定面Ａとの位
置関係が第４図ｂとなるように移動台１０（第３
図）を送り基本単位ステツプｌだけ光軸方向に移
動させ、同様にビーム・ウエストωをω位置から
ω′位置に移動させると、スペツクル・パターン
は、第７図ａからｂに示すように結像面上で矢符
ｂ方向に移動する。すなわち１次元固体イメージ
センサー１９からのビデオ信号に、第８図ａから
ｂに示す如き位相の進みが生じる。

要するに、移動台１０を送り基本単位ステツプ
ｌだけ移動させることにより、スペツクル・パタ
ーンによるビデオ信号の位相が反転する。図にお
いてS.P.はビデオ・スイープ・スタート、E.P.は
ビデオ・スイープ・エンドを示す。

このように、移動台１０の送り基本単位ステツ
プｌだけの移動で、スペツクル・パターンの位相
が反転するとき、この送り基本単位ステツプｌの
範囲中に合焦点状態が含まれているとする。従つ
て、送り基本単位ステツプｌの送り量を、必要測
定精度によつて決めてやればよい。そして必要測
定精度により、a₁点（＝１／２ｌ）、a₂点あるいはa₃ 点を合焦点位置と見倣せばよく、これにより基準
位置Ｐに対する距離L₁，L₂，L₃を測定すること
ができる。

また移動台１０の移動を、光軸方向だけでな
く、２次元、３次元方向に移動させることによ
り、前記の測長のみに止まらず、物体の形状測定
を行うことが可能である。

この発明は以上のように、反射面である金属の
加工表面の測長又は形状測定において、点状の非
接触光プローブで、高精度、且つ安定したミクロ
ン・オーダーの測定を行うことができ、しかもそ
の操作が簡便である特徴を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来方法の一例を示す図、第２図ａ，
ｂはレーザー光を収束ガウス・ビームとしたとき
のビーム・ウエストと拡散半透膜との間の位置関
係による特性の説明図、第３図はこの発明の装置
の一例を示すブロツク図、第４図ａ，ｂはビーム
ウエストと被測定面との位置関係を示す説明図、
第５図ａ，ｂと第７図ａ，ｂはそれぞれスペツク
ル・パターンの移動を示す説明図、第６図ａ，ｂ
と第８図ａ，ｂはそれぞれビデオ信号の位相の遅
れ・進みを示す説明図である。１０……移動台、１１……半導体レーザー、１
２……コンデンサレンズ、１３……対物レンズ、
１４……音響光学偏向素子、１５……信号発生
器、１７……ビーム・スプリツター、１８……結
像レンズ、１９……１次元固体イメージセンサ
ー、２０……信号処理電子回路、２１……サーボ
モーター駆動回路、２２……サーボモーター、
ω，ω′……ビーム・ウエスト、Ａ……被測定面、
R.L……反射光、S₁，S₂，S₃，S₃′……スペツク
ル・パターンの暗部。

Claims

【特許請求の範囲】１コヒーレント（レーザー）光を照射する反射
面、透過面等の反射光、透過光中に、スペツク
ル・パターンが形成されるような被測定面の測
長、形状測定等を行う測長方法において、収束レーザー・ビームのビーム・ウエスト又は
被測定面を光軸に垂直な面内で移動させ、その移動方向と、スペツクル・パターンの移動
方向とにより、ビーム・ウエストと被測定面との
位置関係を判定し、その位置関係が予め定めた範囲にあるときを合
焦点状態と見倣して、被測定面とビーム・ウエス
トとが合焦点状態になるように光学系を光軸方向
に駆動して、その移動距離により測長、形状測定を行うこと
を特徴とする測長方法。２コヒーレント光の収束レーザー・ビームで被
測定面を照射すると共に、そのビーム・ウエスト
を光軸に垂直な面内で移動させる手段を備えた光
学系と、前記被測定面からの反射光を結像面に結像させ
る受光光学系と、前記結像面に結像する反射光のスペツクル・パ
ターンを検出してビデオ信号とする手段と、該手段のビデオ信号の位相の進み、遅れを検出
する信号処理電子回路と、該信号処理電子回路の信号により光学系全体を
光軸方向に駆動し、ビーム・ウエストと被測定面
との位置関係を常に合焦点状態とするサーボ機構
と、該サーボ機構による光学系の光軸方向の移動量
により、被測定面の測長、形状測定を行う移動距
離測定手段とを備えたことを特徴とする測長装
置。３ビーム・ウエストを光軸に垂直な面内で移動
させる手段が、信号発生器と、その信号で駆動さ
れる音響光学偏向素子とからなる特許請求の範囲
２記載の測長装置。