JP2005221451A

JP2005221451A - レーザ変位計

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Publication number: JP2005221451A
Application number: JP2004031623A
Authority: JP
Inventors: Koji Kubo; 光司久保
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】機械的な駆動機構による被測定物の相対移動を必要とせず、しかも干渉縞の観察や分光器による波長分析も不要とする。
【解決手段】波長可変レーザ光源１１からのレーザ光を、ハーフミラー１２、軸上色収差光学系１３とを介して被測定物Ｓ上に投影する。レーザ光の波長を変化させると、特定の波長においてのみ、ピンホール１１ａの像が被測定物Ｓ上に合焦し、光検出部１４の受光光量が最大となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物上にレーザ光を照射し、その反射光により被測定物の変位を検出するレーザ変位計に関する。

被測定物上に点光源よりの光を収束させて投影し、その点光源の像が前記被測定物上に合焦されるよう、点光源に対する被測定物の相対位置を調整し、合焦が得られた位置をスケール等により計測するようにした位置検出装置が知られている。
このような装置では、被測定物を相対移動させるための駆動機構と、この駆動量を測定するための機構（エンコーダ等）が必須となり、システムの複雑化が避けられないという問題があった。

これに対し、このような機械的な駆動機構による被測定物の相対移動なしに被測定物の位置を測定する装置が知られている（非特許文献１、２）。
非特許文献１に開示された位置検出装置では、レーザ光を被測定物の１点に落射させ、その１点から戻ってくる球面波を複屈折結晶により偏光方向の直交した２つの波面に分割すると共に２つの偏光光間で位相差を生じさせ、その後、検光子を介して再び重ね合せることにより同心円状の干渉縞を生じさせる。このとき生成される干渉縞の周期は、物体の高さ（散乱角）により決定されるので、この干渉縞を周波数解析することにより、被測定物の位置を検出することができる。

また、他の位置検出装置としては、様々の波長成分の光を含む白色光を、軸上色収差を有する光学系を介して被測定物上に収束させて投影し、この反射光を空間フィルタを介して分光器に受光させる共焦点光学系を備えたものが、非特許文献２により知られている。この位置検出装置の測定原理は次の通りである。すなわち、軸上色収差を有する光学系は、波長により屈折率が異なり、従って通過する光の結像位置も異なる。このため、例えば白色光中のある波長成分のみが被測定物上に結像して空間フィルタを通過して分光器に入射し、他の波長成分の光は殆ど分光器に入射しない。このため、分光器が空間フィルタを透過した光の波長を分析することにより、被測定物の位置を検出することができる。
株式会社オフィール・ジャパン、コノプローブシリーズ（非接触式３次元形状測定装置）［Online］、平成１５年３月３０日検索、インターネット＜URL： http://www.ophirjapan.co.jp＞ＯＰＴＩＰＲＳＹＳＴＥＭＣＨＲ−１５０［Online］、平成１５年９月３０日検索、インターネット＜URL： http://www.optipro.com/Stil/index.html＞

しかし、干渉縞の解析は、コンピュータの演算負荷が大きく、また分光器による透過光の波長の分析は、分光器が高精度のプリズムを必要とするので、高価になるという問題がある。
本発明は、機械的な駆動機構による被測定物の相対移動を必要とせず、これによりシステムを簡略化すると共に機械的な走査精度やスケール精度の影響を受けることが無く、しかも干渉縞の観察や分光器による波長分析も不要としたレーザ変位計を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ変位計は、出力するレーザ光の波長が可変とされた波長可変レーザ光源と、前記レーザ光を収束させて被測定物上に導くようにされ前記レーザ光の波長に応じてその焦点距離が変化する軸上色収差光学系と、前記被測定物上で反射された前記レーザ光を前記軸上色収差光学系を介して受光して前記レーザ光の前記被測定物上での結像状態を検出する光検出部と、前記波長可変レーザ光源を制御して出力される前記レーザ光の波長を変化させる波長制御手段と、前記光検出部により前記被測定物上での前記レーザ光の合焦が検出された場合における前記レーザ光の波長に基づき前記被測定物の位置を判定する位置判定部とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、波長制御手段により、波長可変レーザ光源から出射されるレーザ光の波長が変化する。波長が変化すると、軸上色収差光学系の焦点距離が変化する。各波長毎の被測定物上でのレーザ光の結像状態が光検出部で検出され、合焦が検出された場合におけるレーザ光の波長に基づき、位置判定部により被測定物の位置が判定される。従って、機械的な駆動機構による被測定物の相対移動は不要である。しかも干渉縞の観察や分光器による波長分析等も不要である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態に係るレーザ変位計は、図１に示すように、波長可変レーザ光源１１、ハーフミラー１２、軸上色収差光学系１３及び光検出部１４を備え、これにより、被測定物Ｓの位置を検出するようにされている。
波長可変レーザ光源１１は、例えば半導体レーザであり、注入電流の大きさを制御することにより、出射されるレーザ光の波長が可変となるようにされている。注入電流の大きさは、制御部２１からの制御信号ＣＩに基づいて、ドライバ２２により制御される。

波長可変レーザ光源１１の光出射口には、出射されたレーザ光を発散させるためピンホール１１ａが配置されている。このピンホール１１ａを出たレーザ光が、ハーフミラー１２で反射し、軸上色収差光学系１３で収束される。軸上色収差光学系１３は、通過する光の波長によって、焦点距離が大きく異なるよう、積極的に軸上色収差を大きくした光学系である。従って、図２に示すように、波長可変レーザ光源１１の発振波長λ１、λ２、λ３と変わると（λ１＜λ２＜λ３）、ピンホール１１の像の結像位置もｈ１、ｈ２、ｈ３と変化する。波長可変レーザ光源１１の出射レーザ光が最大発振波長λｍａｘに設定された場合のピンホール１１ａの像の結像位置ｈｍａｘと、最小発振波長λｍｉｎに設定された場合のピンホール１１ａの結像位置ｈｍｉｎとの間の距離が、被測定物Ｓの測定レンジ以上となるよう、軸上色収差の大きさを決定する。

被測定物Ｓの表面で反射したレーザ光は、再び軸上色収差光学系１３に入射して収束され、ハーフミラー１２を通過して光検出部１４に入射する。
光検出部１４は、例えばピンホール１４ａと、共焦点位置に配置されたフォトダイオード１４ｂとを有する共焦点方式のものであり、被測定物Ｓ上にピンホール１１ａの像が結像された場合に、フォトダイオード１４ｂへの入射光の光量が最大となるように設定されている。
光検出部１４の他の構成例としては、焦点位置の前後にそれぞれピンホールとフォトダイオードを設け、被測定物Ｓが結像位置の前にあるのか後方にあるのかを判定できるようにしたダブルピンホール形式も考えられる。或いは、光学系の非点収差を利用して、同様に被測定物Ｓが結像位置の前方にあるのか後方にあるのかを判定できるようにした非点収差法形式も考えられる。

フォトダイオード１４ｂの検出信号Ｄａは、Ａ／Ｄ変換器２３によりディジタル信号Ｄｄに変換され、制御部２１に入力される。制御部２１は、このディジタル信号Ｄｄに基づき、被測定物Ｓ上におけるピンホール１１ａの像の結像状態を判定する。そして、ピンホール１１ａの像が被測定物Ｓ上で合焦した時点において波長可変レーザ光源１１が出射していたレーザ光の波長に基づき、被測定物Ｓの位置を検出する。

次に、この図１に示すレーザ変位計の動作を、図３及び図４に基づいて説明する。制御部２１は、ドライバ２２に出力する制御信号ＣＩを時間と共に変化させて、出力するレーザ光の波長を変化させる。ここでは一例として、図３（ａ）に示すグラフのようにレーザ光の波長λが、時刻ｔ（ｔｍｉｎ≦ｔ≦ｔｍａｘ）に対し１次関数的に増加するものとする。
このようなレーザ光の波長λの変化を与えることにより、光検出部１４が検出する検出信号Ｄａの変化曲線は、図３（ｂ）に示すように、いずれかの時刻ｔ、例えば時刻ｔfにおいてピークとなる。すなわち、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、被測定物Ｓが未知の位置ｈｕにある場合に、発振波長を最小のλｍｉｎから最大のλｍａｘまで変化させると、ある特定の波長λｆになったときのみ、ピンホール１１ａの像が被測定物Ｓ上に合焦し、光検出部１４の受光光量も最大となる。他の波長のレーザ光が出射されている場合には、いずれも焦点外れの状態となる。

被測定物Ｓの位置がｈｕとは異なる位置になれば、ピンホール１１ａの像が被測定物Ｓ上に合焦するときの波長も、上記のλｆとは異なるものになる。この合焦を得られる波長λと、被測定物Ｓの位置ｈとは、軸上色収差光学系１３の特性に基づいた対応関係にあるから、合焦時の波長λが分かれば、位置ｈを検出することができる。本実施の形態では、図５に示すような波長λと位置ｈとの対応関係を記憶したテーブル２４を設け、合焦時の波長λに基づいてテーブル２４を検索して、被測定物Ｓの位置を求める。テーブル２４を設ける代わりに、上記対応関係を表現した関数により被測定物Ｓの位置を演算するプログラムを備えるようにしてもよい。求められた被測定物の位置情報は、表示部２５に表示される。

なお、上記の実施の形態では、波長可変レーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長λが連続的に変化するようにしていたが、レーザ変位計の分解能との関係を考慮して、波長をステップ的に変化させるようにすることも可能である。
また、上記実施の形態では、波長可変レーザ光源１１から出射されるレーザ光の波長λが、経過時間ｔに比例して一次関数的に変化するようにしていたが、別の所定の関係式に沿って波長λを変化させるようにしてもよい。
また、波長λを所定の時間ｔの関数に沿って変化させることも必ずしも必須ではなく、例えばある波長λにおける光検出部１４の検出信号Ｄａに基づいて、検出信号Ｄａが大きくなるような方向に波長λを変化させるようなフィードバック制御を行うことも可能である。

次に、本実施の形態に係るレーザ変位計を、干渉計測装置に組み込んだ例を、図６及び図７に基づいて説明する。図６に示すように、この干渉計測装置１００は、波長可変レーザ光源３１、切り替えミラー４１、ファイバカプラ３２、光ファイバ３３、出射端３４、ハーフミラー３５、コリメータレンズ３６、ハーフミラー３７、参照ミラー３８、ハーフミラー３９、及びＣＣＤカメラ４０により構成されている。波長可変レーザ光源３１から出射されたレーザ光を出射端３４から出射させ、ハーフミラー３５により反射されコリメータレンズ３６及びハーフミラー３７を通過した測定光としてのレーザ光を被測定物Ｓに向けて投影する。一方、ハーフミラー３７で反射したレーザ光は参照ミラー３８で反射して参照光となる。この参照光と、被測定物で反射した物体光とが、ＣＣＤカメラ４０の撮像面上に干渉縞を形成する。この干渉縞を解析することにより、被測定物Ｓの表面性状を計測する。

干渉計測を行なう場合、この干渉計測装置１００自身の被測定物Ｓに対する位置を予め測定しておく必要がある。このため、図６に示す干渉計測装置１００は、被測定物Ｓに対する位置を測定するためのレーザ変位計１´を備えている。このレーザ変位計１´は、波長可変レーザ光源３１、レーザカプラ４２、光ファイバ４３、軸上色収差光学系４５、ハーフミラー３９、ハーフミラー３５、コリメータレンズ３６、ハーフミラー３７、ハーフミラー４６及び光検出器４７により構成されており、干渉計測装置の本体部分と、波長可変レーザ光源４１や光学部材（コリメートレンズ３６等）を共有している。軸上色収差光学系４５は、図１に示した軸上色収差光学系１３と同様のものである。レーザ変位計１´を使用する際には、図７に示すように、切り替えミラー４１を光路から離脱させ、波長可変レーザ光源３１から出射するレーザ光をレーザカプラ４２に入射させ、光ファイバ４３の出射端４４より出射させる。出射端４４を出射したレーザ光は、ハーフミラー４６、軸上色収差光学系４５、ハーフミラー３９、ハーフミラー３５、コリメータレンズ３６、ハーフミラー３７を通過して被測定物Ｓ上に投影される。軸上色収差光学系４５により、レーザ光の波長λによって出射端４４の像が結像する位置が異なるので、波長可変レーザ光源３１から出射されるレーザ光の波長λを変化させ、被測定物Ｓ上にその像を合焦させる。

以上、発明の実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、追加等が可能である。例えば、上記実施の形態では、被測定物Ｓ上の１点の位置を検出しているが、被測定物Ｓ上の複数の点の位置を測定し、被測定物Ｓの表面性状データを得るようにすることもできる。すなわち、図８に示すように、固定台５１上を前後及び／又は左右方向に移動可能なステージ５２上に被測定物Ｓを載置すると共に、この移動方向及び移動量をエンコーダ５３で計測してその計測値を制御部２１に送信する。このようにして被測定物Ｓを移動させつつ、被測定物Ｓ上の複数の点を、上記実施の形態と同様の方法で測定する。それらの測定値、及びその測定値が得られた時点でのエンコーダ５３の計測値との関係に基づき、被測定物Ｓの表面性状データを得ることができる。

本発明の実施の形態に係るレーザ変位計の全体構成を示す。軸上色収差光学系１３の機能を示す。図１に示すレーザ変位計の動作を示す。図１に示すレーザ変位計の動作を示す。図１に示すテーブル２４の内容を示す。本実施の形態に係るレーザ変位計を、干渉計測装置１００に組み込んだ例を説明する。本実施の形態に係るレーザ変位計を、干渉計測装置１００に組み込んだ例を説明する。本発明の実施の形態に係るレーザ変位計の変形例を示す。

符号の説明

１１・・・波長可変レーザ光源
１２・・・ハーフミラー
１３・・・軸上色収差光学系
１４・・・光検出部
Ｓ・・・被測定物
２１・・・制御部
２２・・・ドライバ
２３・・・Ａ／Ｄ変換器
２４・・・テーブル
２５・・・表示部
３１・・・波長可変レーザ光源
３２・・・ファイバカプラ
３３・・・光ファイバ
３４・・・出射端
３５・・・ハーフミラー
３６・・・コリメータレンズ
３７・・・ハーフミラー
３８・・・参照ミラー
３９・・・ハーフミラー
４０・・・ＣＣＤカメラ
１００・・・干渉計測装置
４１・・・切り替えミラー
４２・・・レーザカプラ
４３・・・光ファイバ
４５・・・軸上色収差光学系
４６・・・ハーフミラー
４７・・・光検出器
５１・・・固定台
５２・・・ステージ
５３・・・エンコーダ

Claims

出力するレーザ光の波長が可変とされた波長可変レーザ光源と、
前記レーザ光を収束させて被測定物上に導くようにされ前記レーザ光の波長に応じてその焦点距離が変化する軸上色収差光学系と、
前記被測定物上で反射された前記レーザ光を前記軸上色収差光学系を介して受光して前記レーザ光の前記被測定物上での結像状態を検出する光検出部と、
前記波長可変レーザ光源を制御して出力される前記レーザ光の波長を変化させる波長制御手段と、
前記光検出部により前記被測定物上での前記レーザ光の合焦が検出された場合における前記レーザ光の波長に基づき前記被測定物の位置を判定する位置判定部と
を備えたことを特徴とするレーザ変位計。
前記位置判定部は、前記レーザ光の波長と、前記軸上色収差光学系による前記レーザ光の合焦位置との関係を記憶したテーブルを備え、前記光検出部により前記被測定物上での前記レーザ光の合焦が検知された場合における前記レーザ光の波長に対応する前記合焦位置を前記テーブルにおいて参照することにより、前記被測定物の位置を判定する請求項１に記載のレーザ変位計。
前記波長制御手段は、前記波長を経過時間の関数に従って変化させるように構成され、
前記位置判定部は、前記光検出部により前記被測定物上での前記レーザ光の合焦が検出された時点での前記経過時間に基づいて前記被測定物の位置を判定するように構成された
ことを特徴とする請求項１記載のレーザ変位計。