JP2010085395A - Optical position angle detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光沢性の表面物体上に形成された凹凸を光を用いて非接触に測定する光学式位置角度検出装置に関する。 The present invention relates to an optical position angle detecting device that measures unevenness formed on a glossy surface object in a non-contact manner using light.
表面物体上の凹凸を光を用いて非接触に測定する方法として種種の方式のものが従来から使用されており、その代表的な方式として三角測量方式のものがある。さらに表面位置だけでなく表面角度を同時測定するものとして例えば特許文献1に示されたものがあげられる。
この光センサは、図4に示すように変位測定用光学系と、傾き測定用光学系とを備えており、変位測定用光学系は三角測量の原理によって図4の上下方向の変位を検出できるよう構成されており、上記傾き測定用光学系は検出領域にある物体の傾きを検出できるように構成されている。
Various methods are conventionally used as a method for measuring irregularities on a surface object in a non-contact manner using light, and a typical method is a triangulation method. Furthermore, as what measures not only a surface position but a surface angle simultaneously, what was shown by
This optical sensor includes a displacement measuring optical system and an inclination measuring optical system as shown in FIG. 4, and the displacement measuring optical system can detect the vertical displacement of FIG. 4 by the principle of triangulation. The tilt measuring optical system is configured to detect the tilt of the object in the detection area.
すなわち図4において、変位測定用投光素子58からの変位測定用光55をダイクロイックミラー57に透過させた後、投光レンズ60で集光させて検出物体71の表面に照射する。検出物体71で反射した変位測定用光55を受光レンズ63で集光し、ダイクロイックミラー64に選択的に通過させて変位測定用受光素子61に結像させる。一方、傾き測定用投光素子59からの傾き測定用光56はダイクロイックミラー57で反射させた後、投光レンズ60で平行光束となり検出物体71の表面に照射する。検出物体71で反射した傾き測定用光56を受光レンズ63で集光し、ダイクロイックミラー64で選択的に反射させて傾き測定用受光素子62に集光させる。
That is, in FIG. 4, the displacement measuring light 55 from the displacement measuring
検出物体71が図4の上下に動くと受光レンズの集光位置が変位測定用受光素子61上で移動する。一方検出物体の角度が変わると受光レンズの集光位置が傾き測定用受光素子62上で移動する。そのため検出物体71の位置と傾きを独立に検出することができる。
When the detection object 71 moves up and down in FIG. 4, the light collection position of the light receiving lens moves on the
上記光学系と測定対象である表面物体を相対的に移動させることにより対象表面各点の上下位置と傾きを知ることができ、そのデータをつなぐことで断面形状、あるいは立体形状を取得することもできる。 By moving the optical system and the surface object to be measured relative to each other, the vertical position and inclination of each point on the target surface can be known, and the cross-sectional shape or three-dimensional shape can be acquired by connecting the data. it can.
一方、光を走査して表面の高さを測定するものとしてたとえば特許文献2に示されたものがあげられる。
図5はレーザ走査を用いた光学式位置角度検出装置の一例の構成図である。レーザ光源1は、例えば半導体レーザとコリメーションレンズの組み合わせであり、このレーザ光源1とポリゴンスキャナ2と走査レンズ3の組み合わせによる光走査手段によって搬送ステージ4上に載置されている対象表面6上に一次元的に走査されるものとなっている。
On the other hand, as shown in
FIG. 5 is a configuration diagram of an example of an optical position angle detection device using laser scanning. The
又、搬送ステージ4は、光走査手段によるレーザ光の一次元的な走査方向に対して直交する方向に移動するものとなっている。従って、光走査手段によるレーザ光の一次元的な走査と搬送ステージ4の移動とにより、レーザ光は、対象表面6に対して二次元走査される。
The
一方、対象表面6の法線について光走査手段と対称となる斜め上方には、結像光学系8が配置され、対象表面6からの反射光が結像光学系8を通して高さ測定手段としての1次元PSD(光位置検出器)9に結像されるものとなっている。
On the other hand, an imaging
このPSD9に結像されるレーザ光は、対象表面6上のレーザ光の照射される位置の高さに応じて移動し、これによりPSD9からは、レーザ光の位置と対象表面6からの反射光量に応じて電流による出力信号A1、B1が流れるものとなっている。
The laser light imaged on the PSD 9 moves in accordance with the height of the position on the
このPSD9の各出力A1、B1の出力端子には、それぞれI−V変換器10が接続され、さらにこれらI−V変換器10の出力がA/D変換機11によりデジタルデータに変換されたあと演算部7に送られ(A1−B1)/(A1+B1)の計算が行われ、これによりPSD9内の光点位置が検出される。
An IV
図6に高さ測定原理図を示す。対象表面6に対して走査レンズ3を介して光源からの光が照射される。標準的な状態ではその反射光は結像光学系8を介してPSD9の中央に入射する。対象表面6の高さがZだけ下がると反射点はY0変化し、PSD9上には結像光学系の倍率β倍されたY変位した位置に光が入射する。よってPSDで検知した光点位置変位Yから高さ変位Zは以下の式により計算できる。
Z=Y/(2βsinθ)
FIG. 6 shows the principle of height measurement. Light from the light source is irradiated to the
Z = Y / (2βsinθ)
以上は三角測量による高さの計測であったが、連続表面の場合には角度測定による形状計測の例があり、例えば特許文献3に示されたものがあげられる。
The above is the measurement of height by triangulation, but in the case of a continuous surface, there is an example of shape measurement by angle measurement, for example, the one shown in
図7は角度測定の原理図であり、走査レンズ3により対象表面6上に集光された光は結像光学系8により結像点に再結像される。ここで結像光学系の倍率をβとする。
FIG. 7 is a diagram showing the principle of angle measurement. The light condensed on the
対象表面6の斜面角度θ1の傾斜により反射光は角度θ2=2・θ1だけ傾く。この傾いた光も結像光学系8により同じ点に再結像する。このときPSD9の面を結像点から一定距離dだけ光軸方向に離れた位置に配置するとPSD9への入射位置は表面上での反射角θ2に比例して変動することになる。
The reflected light is inclined by the angle θ2 = 2 · θ1 due to the inclination of the inclined angle θ1 of the
このときの変動量Xにより対象表面6上の反射角変動θ1は以下の式で計算することができる。
θ1=(β・x)/(2・d)
このようにして対象表面上の傾斜角が検出される。この傾斜角の変化から対象表面6上の凹凸の有無を検知することができる。なお傾斜角は形状の微分値ととらえることもできるので得られた傾斜角データを積分することで形状データを作成することができる。
Based on the variation amount X at this time, the reflection angle variation θ1 on the
θ1 = (β · x) / (2 · d)
In this way, the inclination angle on the target surface is detected. The presence or absence of unevenness on the
上記最初の例においては高さと角度を同時に測定できるが、対象表面上において角度の検出用ビームは高さの検出用ビームよりはるかに大きくなっており、細かい凹凸の角度は測ることができないという欠点があった。 In the first example above, the height and angle can be measured at the same time, but the angle detection beam is much larger than the height detection beam on the target surface, and the angle of fine irregularities cannot be measured was there.
また、上記三角測量原理による高さの検出、あるいはPSDを焦点からずらすことによる角度の検出に用いている式においては反射光がレンズのどこを通過しても必ず反射点と共役な結像点1点に収束することを仮定している。しかし実際のレンズでは収差が存在し、反射光のレンズの通過位置によりPSDに入射する光点位置が変動する。 In addition, in the formula used for height detection based on the above triangulation principle or angle detection by shifting the PSD from the focal point, an imaging point that is always conjugate with the reflection point no matter where the reflected light passes through the lens. Assuming convergence to one point. However, there is aberration in an actual lens, and the position of the light spot incident on the PSD varies depending on the position of the reflected light passing through the lens.
例えば図6において標準高さで反射した光であってもレンズの外側を通るとPSD上でδだけ入射位置が違ってきてしまうなどの現象である。よって測定精度の限界はレンズの残存収差量で決まってしまう。そのため測定精度の高い光学式位置角度検出装置を作ろうとすると、レンズの残存収差を低減する必要があり、そのためにはレンズ枚数が多くなり、レンズは大きく、重くなり、コストも増大するという問題点があった。 For example, even in the case of light reflected at a standard height in FIG. 6, the incident position on the PSD changes by δ when passing outside the lens. Therefore, the limit of measurement accuracy is determined by the residual aberration amount of the lens. Therefore, when trying to make an optical position angle detection device with high measurement accuracy, it is necessary to reduce the residual aberration of the lens. For this purpose, the number of lenses increases, and the lenses become larger, heavier, and cost increases. was there.
そこで、本発明は小型軽量でありかつレンズ収差の影響を受けない高精度な光学式位置角度検出装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a highly accurate optical position angle detection device that is small and lightweight and is not affected by lens aberration.
上記課題を解決するため、対象表面に光源より光を照射し、その反射光を受光して該表面の位置や角度を測定する光学式位置角度検出装置であって、該照射光による該表面からの反射光を結像する結像光学系と、反射光を2つに分離するハーフミラーと、結像光学系からの光軸距離が互いに異なる位置にある二つの光位置検知手段と、該検知手段からの検知信号により光線の位置と方向を特定して結像光学系のレンズデータに基づいた該光線の逆追跡結果から対象表面上の反射点の位置と角度を算出する演算部と、を有することを特徴とする光学式位置角度検出装置とした。 In order to solve the above-described problem, an optical position angle detection device that irradiates a target surface with light from a light source, receives the reflected light, and measures the position and angle of the surface. An imaging optical system that forms an image of the reflected light, a half mirror that separates the reflected light into two, two optical position detection means at different optical axis distances from the imaging optical system, and the detection A calculation unit that specifies the position and direction of the light beam based on the detection signal from the means and calculates the position and angle of the reflection point on the target surface from the backtracking result of the light beam based on the lens data of the imaging optical system; It was set as the optical position angle detection apparatus characterized by having.
また、対象表面に光源より光を照射し、その反射光を受光して該対象表面の位置や角度を測定する光学式位置角度検出装置であって、前記光源より出射された光を、前記表面に対してライン状に走査する光走査手段と、該走査光による該表面からの反射光を結像する結像光学系と、反射光を2つに分離するハーフミラーと、結像光学系からの光軸距離が互いに異なる位置にある2つの光位置検知手段と、該検知手段からの検知信号により光線の位置と方向を特定して結像光学系のレンズデータに基づいた光線の逆追跡結果から対象表面上の反射点の位置と角度を算出する演算部と、を有することを特徴とする光学式位置角度検出装置とした。 An optical position angle detection device that irradiates light on a target surface from a light source and receives the reflected light to measure the position and angle of the target surface, wherein the light emitted from the light source is Optical scanning means that scans in a line with respect to the image, an imaging optical system that forms an image of reflected light from the surface by the scanning light, a half mirror that separates the reflected light into two, and an imaging optical system Two optical position detection means at different optical axis distances, and the ray tracing result based on the lens data of the imaging optical system by specifying the position and direction of the light ray by the detection signal from the detection means An optical position angle detecting device having a calculation unit for calculating the position and angle of the reflection point on the target surface.
上記のように、本発明による光学式位置角度検出装置は単一ビームを照射しその反射光を利用するので、位置と角度の測定点は同一であり対象表面上の位置分解能を高くできる。また、互いに光軸距離の異なる2つの光位置検知手段の出力から反射光光線の位置と方向を特定し、レンズデータに基づく逆光線追跡により反射点の位置と角度を算出するので、レンズの収差は反射点の算出にあたっては無関係となり、収差低減の必要がない。よって単レンズ等を使用することが可能となる。そのためレンズ系を小さく軽く低コストにすることができる。
また、反射点の位置だけでなく、反射角度もわかるので形状のより正確な把握が可能になるほか、連続な面であれば角度データを積分することにより高さ測定では通常困難な微小な凹凸測定も可能となる。
As described above, since the optical position angle detection device according to the present invention emits a single beam and uses the reflected light, the position and angle measurement points are the same, and the position resolution on the target surface can be increased. In addition, the position and direction of the reflected light beam are identified from the outputs of the two optical position detection means having different optical axis distances, and the position and angle of the reflection point are calculated by reverse ray tracing based on the lens data. The calculation of the reflection point is irrelevant, and there is no need for aberration reduction. Therefore, a single lens or the like can be used. Therefore, the lens system can be made small and light and low cost.
In addition to knowing not only the position of the reflection point, but also the reflection angle, it is possible to grasp the shape more accurately, and if it is a continuous surface, it is difficult to measure height by integrating the angle data by integrating the angle data. Measurement is also possible.
以下に、本発明の光学式位置角度検出装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Embodiments of the optical position angle detection device of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
図1に、本発明の第1の実施例の構成図を示す。対象表面6の上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源1が配設され、半導体レーザコリメーション光源1から出射されたレーザ光が投光レンズ3に入射し、対象表面6上に、レーザ光が収束して照射される。
FIG. 1 shows a configuration diagram of a first embodiment of the present invention. A semiconductor laser
一方、対象表面6上に照射されたレーザ光の正反射位置に対向して前側球面レンズ16aが配置され、その光路上に光線を分割するハーフミラー21が配置され、分割された各光軸上に同一仕様の後側球面レンズ16b、16cがそれぞれ配置され、前側球面レンズ16aとあわせて結像光学系8を構成する。
On the other hand, a front spherical lens 16a is arranged opposite to the regular reflection position of the laser beam irradiated on the
さらに後側球面レンズ16b、16cからの光軸上の距離が互いに異なる位置に光位置検知手段としてそれぞれ2次元PSD(PositionSensitiueDetector)18a、18bが配置される。 Further, two-dimensional PSDs (Position Sensitiue Detectors) 18a and 18b are arranged as optical position detecting means at positions where the distances on the optical axis from the rear spherical lenses 16b and 16c are different from each other.
各PSD18a、18bからの検知信号は図1では図示されていないI/V変換回路10、A/D回路11を介して演算部7に送出される。演算部7は、各PSD18a、18bの検知信号より各PSD18a、18b上の光点位置(X1、Y1)、(X2、Y2)を算出する。
Detection signals from the PSDs 18a and 18b are sent to the
以下に計算原理を説明する。PSD18aは通常のレンズ結像点より前側に、PSD18bは後側に配置している。標準的な状態ではその反射光はPSD18a、18bともその中央に入射する。例として対象表面6の高さと傾きが6aのように変わるとその反射光線は図のように進行し、PSD18a上にはY1の高さで、PSD18b上にはY2の高さで入射する。
The calculation principle will be described below. The PSD 18a is disposed on the front side of the normal lens imaging point, and the PSD 18b is disposed on the rear side. In a standard state, the reflected light is incident on the centers of the PSDs 18a and 18b. As an example, when the height and inclination of the
図1(b)にはPSD18a、18bを同一光軸上に並べた図を示す。PSD18a,18bの位置と間隔と光線の各入射位置Y1、Y2がわかると光学系上の光線を特定できる。そこで結像光学系8のレンズデータと特定された光線データから逆方向に光線追跡演算を行い、レーザ照射光との交点位置Y0とその直前の光線角度θを求める。このようにして収差補正されないレンズであるにもかかわらず従来例と同等の精度で反射点の位置と角度を算出することができる。
FIG. 1B shows a diagram in which PSDs 18a and 18b are arranged on the same optical axis. If the positions and intervals of the PSDs 18a and 18b and the incident positions Y1 and Y2 of the light beam are known, the light beam on the optical system can be specified. Therefore, ray tracing calculation is performed in the opposite direction from the lens data of the imaging
光線追跡の具体的手法は光学分野では光学設計の手段として一般的に行われておりここでは詳述しない。例えば非特許文献1等に詳しい。
このようにして反射点の高さ位置と角度が算出される。従来例と比べると、たとえ単レンズであったとしても反射点の位置と角度を算出する計算量は膨大となるが、最近のコンピュータ技術の発達によって非常に短時間に行うことができるようになっている。それでも計算時間がかかりすぎる場合にはあらかじめ各PSD18a、18bの出力に対応した反射点の位置と角度を計算して記憶しておき、各PSDによる光線の位置が判明した時点で記憶されたデータを読み出すことにより計算時間は短縮される。 In this way, the height position and angle of the reflection point are calculated. Compared to the conventional example, even if it is a single lens, the amount of calculation for calculating the position and angle of the reflection point is enormous, but with the recent development of computer technology, it can be performed in a very short time. ing. If the calculation time is still too long, the position and angle of the reflection point corresponding to the output of each PSD 18a, 18b is calculated and stored in advance, and the data stored when the position of the light beam by each PSD is determined is stored. The calculation time is shortened by reading.
本実施例では光位置検知手段として2次元PSDを用いている。PSDは特に演算をしなくても光量の重心に応じた位置信号を出力することや、応答速度が速いという長所がある。しかし薄い透明膜等による複数の光点の分別はできない。このような対象物を測定する場合には応答速度は落ちるが光位置検知手段として2次元CCD等のカメラ素子を使うこともできる。カメラ出力の画像処理により複数の光点があってもこれを分別し、それぞれの重心を求め、パワーによっていずれかを選択する等の処理が可能となる。一方PSDよりさらに応答を速くしたい、あるいは光量に対する感度を上げたいなどの要望がある場合にはPSDに代えて位置検出型光電子増倍管を使用することでこれらの要望にこたえることができる。 In this embodiment, a two-dimensional PSD is used as the optical position detection means. The PSD has advantages in that it outputs a position signal corresponding to the center of gravity of the light amount and does not require any calculation, and the response speed is fast. However, a plurality of light spots cannot be separated by a thin transparent film or the like. When measuring such an object, the response speed decreases, but a camera element such as a two-dimensional CCD can also be used as the optical position detection means. Even if there are a plurality of light spots by image processing of the camera output, it is possible to classify the spots, determine the center of gravity of each spot, and select one of them depending on the power. On the other hand, when there is a demand to make the response faster than PSD or to increase the sensitivity to the amount of light, it is possible to meet these demands by using a position detection type photomultiplier tube instead of PSD.
本実施例においてはハーフミラーの前後に1枚ずつレンズを設けているがこれはレンズの開口を大きくするためであり、レンズ開口が小さくてよければ前側1枚だけもしくは後側2枚だけでも構成可能である。またハーフミラーは透過光と反射光の光学系を一致させる必要があるため反射と透過で光路長変化を伴わないキューブ型か薄膜型のハーフミラーまたはビームスプリッタを使うことが望ましい。 In this embodiment, one lens is provided before and after the half mirror, but this is to increase the lens opening. If the lens opening is small, only one front side or only two rear sides may be used. Is possible. Since the half mirror needs to match the optical system of transmitted light and reflected light, it is desirable to use a cube-type or thin-film type half mirror or beam splitter that does not change the optical path length due to reflection and transmission.
本実施例で測定できるのは1回に1点だけであるが、対象物と光学系を相対的に移動させることにより2次元断面、あるいは3次元立体形状を測定することができる。相対的な移動方法としては対象物もしくは光学系をXYZステージで移動させる、対象物を回転させて光学系を1方向に移動させる等の方法がある。 Although only one point can be measured at a time in this embodiment, a two-dimensional cross section or a three-dimensional solid shape can be measured by relatively moving the object and the optical system. As a relative moving method, there are a method of moving an object or an optical system on an XYZ stage, a method of rotating the object and moving the optical system in one direction, and the like.
対象物の反射率が大きく変動する場合には光位置検知手段からの光量信号に基づき、適切な光量が光位置検知手段に入るよう光源のパワーを制御することが可能である。 When the reflectance of the object greatly fluctuates, it is possible to control the power of the light source based on the light amount signal from the optical position detection means so that an appropriate amount of light enters the optical position detection means.
図2に、本発明の第2の実施例の構成図を示す。対象表面6の上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源1が配設され、半導体レーザコリメーション光源1から出射されたレーザ光が共振型スキャナ2kに入射する。共振型スキャナ2kが往復振動することにより走査レンズ3には走査されたレーザ光が入射し、対象表面6上に、レーザ走査光が照射される。これら共振型スキャナ2k、走査レンズ3により光走査手段を構成する。
FIG. 2 shows a configuration diagram of the second embodiment of the present invention. A semiconductor laser
一方、対象表面6上に照射されたレーザ走査光の正反射位置に対向して走査方向と直交する方向に曲率をもつ前側シリンドリカルレンズ8aが配置され、その光路上にレーザの波長付近のみを通す干渉フィルタ15および光線を分割するハーフミラー21が配置され、分割された各光軸上に同一仕様の後側シリンドリカルレンズ8b、8cがそれぞれ配置され、前側シリンドリカルレンズ8aとあわせて結像光学系8を構成する。
On the other hand, a front cylindrical lens 8a having a curvature in a direction orthogonal to the scanning direction is arranged opposite to the regular reflection position of the laser scanning light irradiated on the
さらに後側シリンドリカルレンズ8b、8cからの光軸上の距離が互いに異なる位置に走査方向と直交方向に感度をもつ光位置検知手段としてそれぞれ1次元PSD(PositionSensitiueDetector)9a、9bが配置される。各PSDの電極幅は走査幅に対応して走査方向に充分な長さが必要である。位置感度があるのは電極間であり、走査方向と位置感度方向は直交している。 Further, one-dimensional PSDs (Position Sensitiue Detectors) 9a and 9b are arranged as optical position detection means having sensitivity in the direction orthogonal to the scanning direction at positions where the distances on the optical axis from the rear cylindrical lenses 8b and 8c are different from each other. The electrode width of each PSD needs to be sufficiently long in the scanning direction corresponding to the scanning width. Position sensitivity exists between the electrodes, and the scanning direction and the position sensitivity direction are orthogonal to each other.
各PSD9a、9bからの検知信号はI/V変換回路10、A/D回路11を介して演算部7に送出される。演算部7は、各PSD9a、9bの検知信号より各PSD9a、9b上の光点位置Y1、Y2を算出する。
Detection signals from the PSDs 9 a and 9 b are sent to the
PSD9aは通常のレンズ結像点より前側に、PSD9bは後側に配置している。PSD9a,9bの位置と間隔と光線の各入射位置Y1、Y2がわかると光学系上の光線を特定できる。そこで結像光学系8のレンズデータと特定された光線データから逆方向に光線追跡演算を行い、レーザ走査光との交点位置Y0とその直前の光線角度を求める。このようにして収差補正されないレンズであるにもかかわらず従来例と同等の精度でPSDの検知方向における反射点の位置と角度を算出することができる。
The PSD 9a is disposed on the front side of the normal lens imaging point, and the PSD 9b is disposed on the rear side. If the positions and intervals of the PSDs 9a and 9b and the incident positions Y1 and Y2 of the light beam are known, the light beam on the optical system can be specified. Therefore, ray tracing calculation is performed in the opposite direction from the lens data of the imaging
本実施例の結像光学系は走査方向の集光機能がないが、これは反射点とPSDまでの距離が短いため集光しなくてもPSDに入射すると考えてのことである。集光する必要がある場合には前側シリンドリカルレンズの後側に走査方向を集光するシリンドリカルレンズを配置すればよい。なお干渉フィルタ15は走査方向の光の広がりを制限する機能がある。 The imaging optical system of the present embodiment does not have a condensing function in the scanning direction. This is because the distance from the reflection point to the PSD is short, so that it is incident on the PSD without condensing. When it is necessary to collect light, a cylindrical lens that collects the scanning direction may be disposed behind the front cylindrical lens. The interference filter 15 has a function of limiting the spread of light in the scanning direction.
本実施例でシリンドリカルレンズを用いる理由は使っているPSD9a,9bが走査方向には感度を持たない1次元PSDであるのでレンズの走査方向はどこを通ったかわからないため走査方向には光線追跡ができないためである。走査方向にも感度を持つ2次元PSDや、位置検出型光電子増倍管を使用し、共振型スキャナからの走査位置データをも使用することにより球面レンズの使用も可能である。 The reason why the cylindrical lens is used in this embodiment is that the PSDs 9a and 9b used are one-dimensional PSDs that have no sensitivity in the scanning direction. Because. A spherical lens can be used by using a two-dimensional PSD having sensitivity also in the scanning direction, a position detection type photomultiplier tube, and also using scanning position data from a resonance type scanner.
本実施例においてはハーフミラーの前後に1枚ずつシリンドリカルレンズを設けているがこれはレンズの開口を大きくするためであり、レンズ開口が小さくてよければ前側1枚もしくは後側各1枚だけでも構成可能である。またハーフミラーは透過光と反射光の光学系を一致させる必要があるため反射と透過で光路長変化を伴わないキューブ型か薄膜型のハーフミラーまたはビームスプリッターを使うことが望ましい。 In this embodiment, one cylindrical lens is provided before and after the half mirror, but this is to increase the lens aperture. If the lens aperture is small, only one front lens or one rear lens can be used. It is configurable. Since the half mirror needs to match the optical system of transmitted light and reflected light, it is desirable to use a cube-type or thin-film type half mirror or beam splitter that does not change the optical path length due to reflection and transmission.
次に、図3に、第3の実施例の構成図を示す。図3は、第2実施例における走査型の光学式位置角度検出装置において共振型スキャナ2kをポリゴンスキャナ2に置き換え、反射光をポリゴンスキャナに戻した後分離して、二つの2次元PSD18a、18bに入射させる構造としたものである。
Next, FIG. 3 shows a configuration diagram of the third embodiment. FIG. 3 shows two two-dimensional PSDs 18a and 18b in which the resonance scanner 2k is replaced with a
対象表面上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源1が配設され、半導体レーザコリメーション光源1から出射されたレーザ光がポリゴンスキャナ2に入射する。ポリゴンスキャナ2が回転することによりテレセントリックに設計された走査レンズ3に走査されたレーザ光が入射し、対象表面上にレーザ走査光が照射される。
Above the target surface, a semiconductor laser
対象表面6上に照射されたレーザ走査光は対象表面でほぼ垂直に反射し、走査レンズ3、ポリゴンスキャナ2を逆行する。その後光路上のビームスプリッタ12に反射され、結像レンズ17、ハーフミラー21を介して2つの2次元PSD18a,18bに入射する。各PSD18a,18bからの検知信号は演算部7に送出される。図3においてはPSD18bからの信号のA/D変換部等は省略している。
The laser scanning light irradiated on the
なお14は1/4波長板であり、行きと帰りの偏光方向を90°変換し、ビームスプリッタ12を偏光ビームスプリッタとすることにより、光量の損失を抑えることができる。 Reference numeral 14 denotes a quarter-wave plate, which can reduce the loss of light quantity by converting the direction of polarization of the going and returning directions by 90 ° and using the beam splitter 12 as a polarizing beam splitter.
演算部は、上述したものと同様に各PSD18a,18bからの信号をもとに検知した光線の位置と方向を特定する。これから、結像レンズ17と走査レンズ3のレンズデータおよびポリゴンスキャナ2の反射方向に基づいて光線を追跡し、投光光軸との交点及び反射角度を算出する。この場合は投光光軸と交わる角度が非常に浅いので高さを算出するのは困難であるが反射角度は正確に求められる。なお投光光軸もスキャナの反射方向により角度が変わるのであらかじめ算出しておく必要がある。
The calculation unit specifies the position and direction of the detected light beam based on the signals from the PSDs 18a and 18b in the same manner as described above. From this, the light beam is traced based on the lens data of the
本実施例においては対象表面6の反射光を走査光学系内を安定的に逆行させるために走査レンズにおいて被測定対象平面側が走査レンズの焦点距離をf、設計上の入射瞳径をdとしたとき走査レンズを全走査幅において角度d/(2f)rad以下のテレセントリック光学系とすることが望ましい。
In this embodiment, in order to stably reverse the reflected light of the
本実施例においてはPSD18a,18b上のビームが走査によらず一定位置に入射するのでPSD18a,18bの電極長さは、第1の実施例と違い、走査巾と関係なくビームが入射するのに十分な大きさがあればよい。またPSD18a,18b上のビーム位置が走査によっては不変なので縦横方向にビーム位置感度を有する2次元PSDを用いることができ、第1の実施例と違って走査方向への傾きに対しても検知することができる。また、光線追跡を行う結像レンズ17や走査レンズ3が球面レンズであっても光線追跡を行うことができる。
In this embodiment, the beams on the PSDs 18a and 18b are incident on a fixed position regardless of scanning. Therefore, the electrode lengths of the PSDs 18a and 18b are different from those in the first embodiment, although the beams are incident regardless of the scanning width. It only needs to be large enough. Since the beam positions on the PSDs 18a and 18b do not change depending on scanning, a two-dimensional PSD having beam position sensitivity in the vertical and horizontal directions can be used. Unlike the first embodiment, the inclination in the scanning direction is detected. be able to. Further, even when the
角度を測定する従来例(特開2008−32669)においては収差低減のため走査レンズにおいて収差が補正されている範囲の開口しか使用できなかったが、本実施例においてはミラーの大きさが許す限り走査レンズの収差が補正されていない範囲の開口まで使用できる。また、スキャナの前後にスキャナの面倒れ補正を兼ねたシリンドリカルレンズを配置すれば薄いミラーでも大きな開口を確保することができる。 In the conventional example (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-32669) for measuring the angle, only the aperture in the range in which the aberration is corrected can be used for reducing the aberration, but in this embodiment, as long as the size of the mirror permits. The aperture can be used up to a range where the aberration of the scanning lens is not corrected. In addition, if a cylindrical lens that also serves to correct the tilting of the scanner is disposed before and after the scanner, a large opening can be secured even with a thin mirror.
なお実施例2、実施例3においてPSDを位置検出型光電子増倍管に置き換えることができ、この置き換えにより、光源光量を少なくでき、あるいは低反射率の物体の表面を測定することができる。またより高速化が可能となる。 In Example 2 and Example 3, PSD can be replaced with a position detection type photomultiplier tube, and by this replacement, the amount of light source can be reduced or the surface of an object with low reflectance can be measured. Further, higher speed can be achieved.
また実施例2、実施例3においてポリゴンスキャナと共振型ミラースキャナは相互に置き変えることができ、また、他の走査機でもよく、置き換えにより、コンパクト化、高速化、面倒れ低減、線形化等を図ることができる。 Further, in the second and third embodiments, the polygon scanner and the resonant mirror scanner can be replaced with each other, and other scanners may be used, and by replacing them, compactness, high speed, reduction in surface tilt, linearization, etc. Can be achieved.
1 光源
2 ポリゴンスキャナ
2k 共振型スキャナ
3 走査レンズ
4 搬送手段
6 対象表面
7 演算部
8 結像光学系
8a 前側シリンドリカルレンズ
8b、8c 後側シリンドリカルレンズ
9、9a、9b 1次元PSD
10 I/V変換回路
11 A/D変換回路
12 ビームスプリッタ
14 1/4波長板
15 干渉フィルター
16a 前側球面レンズ
16b、16c 後側球面レンズ
17 結像レンズ
18a、18b 2次元PSD
21 ハーフミラー
A1,A2,B1,B2,C1,C2,D1,D2 PSD信号出力
55変位測定用光
56傾き測定用光
57ダイクロイックミラー
58変位測定用投光素子
59傾き測定用投光素子
60投光レンズ
61変位測定用受光素子
62傾き測定用受光素子
63受光レンズ
64ダイクロイックミラー
71検出物体
DESCRIPTION OF
10 I / V conversion circuit 11 A / D conversion circuit 12 Beam splitter 14 1/4 wavelength plate 15 Interference filter 16a Front spherical lens 16b, 16c Rear
21 Half mirror A1, A2, B1, B2, C1, C2, D1, D2 PSD signal output 55 Displacement measuring light 56 Tilt measuring light 57
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2009
- 2009-08-31 JP JP2009199279A patent/JP2010085395A/en active Pending
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