JP2014044161A - Optical displacement meter - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical displacement meter which attains cost reduction, speed-up of readout rate, and downsizing.SOLUTION: An optical displacement meter includes: a light source emitting light of two or more wavelengths; an imaging optical system in which light from the light source is incident on a sample through an optical fiber and an objective lens having chromatic aberration, and focused at an on-axis position different for each wavelength; separation means for spatially separating light reflected from a surface of the sample from a path of the imaging optical system by using an optical fiber coupler; a reflection light imaging optical system constituted of a detector having a plurality of detection parts on which the reflection light from the separation means is incident through a chromatic aberration lens and an astigmatism-generating optical element; and calculation means for calculating a distance on the basis of an output from the detector having the plurality of detection parts.

Description

本発明は、光学式変位計に関し、詳しくは小型化、低コスト化、高速応答化を図った光学式変位計に関する。   The present invention relates to an optical displacement meter, and more particularly to an optical displacement meter that is reduced in size, cost, and response speed.

図5は特開平10−9827に記載された従来の光学式変位計の一般的な構成を示す図である。
図5において、Xeランプ等の光源1から発せられた複数の波長成分を含む光は、ピンホール6aを通過し、ビームスプリッタ3を通って対物レンズ4で集束され、試料5に照射される。
FIG. 5 is a diagram showing a general configuration of a conventional optical displacement meter described in JP-A-10-9827.
In FIG. 5, light including a plurality of wavelength components emitted from a light source 1 such as an Xe lamp passes through a pinhole 6 a, is focused by an objective lens 4 through a beam splitter 3, and is irradiated onto a sample 5.

試料5で反射した光はビームスプリッタ3で反射され、ピンホール6bを通過して光検出器7に入射する。光検出器7は色フィルタ8と受光センサ9で構成されている。色フィルタ8は三原色分解用のダイクロイックミラーが用いられ、受光センサ9は三原色用の3つの受光センサ9R,9G,9Bで構成されている。   The light reflected by the sample 5 is reflected by the beam splitter 3, passes through the pinhole 6 b, and enters the photodetector 7. The photodetector 7 includes a color filter 8 and a light receiving sensor 9. The color filter 8 uses a dichroic mirror for separating the three primary colors, and the light receiving sensor 9 includes three light receiving sensors 9R, 9G, and 9B for the three primary colors.

ここで、一般にレンズの焦点距離fは近似的に、
(1/f)=(n−1)×{(1/r1)−(1/r2)}
と表される。nはレンズを構成するガラス材質の屈折率であり、r1,r2はレンズの曲率半径である。
Here, in general, the focal length f of the lens is approximately,
(1 / f) = (n−1) × {(1 / r1) − (1 / r2)}
It is expressed. n is the refractive index of the glass material constituting the lens, and r1 and r2 are the curvature radii of the lens.

このように焦点距離fはレンズの屈折率nに依存し、しかもレンズの屈折率nは、通過する光の波長λに依存するので、光の合焦位置は波長λに応じ光軸方向に異なる位置となる。   As described above, the focal length f depends on the refractive index n of the lens, and the refractive index n of the lens depends on the wavelength λ of the light passing therethrough. Position.

図5に示すように、波長λ2の光が試料5の頂部で合焦したとすると、それより短い波長λ1の光は焦点距離が短くなるため試料5の手前(上方)で合焦することになり、長い波長λ3の光は焦点距離が長くなるため試料5の後方(下方)で合焦することになる。   As shown in FIG. 5, if the light of wavelength λ2 is focused on the top of the sample 5, the light of the shorter wavelength λ1 is focused in front (upper) of the sample 5 because the focal length is shortened. Thus, the light with the long wavelength λ3 is focused behind the sample 5 (downward) because the focal length becomes long.

例えば、波長λ1の光をB(青)、波長λ2の光をG(緑)、波長λ3の光をR(赤)とすれば、試料5の頂部で合焦した波長λ2の光が最も多く色分解フィルタ8を介して受光センサ9Gに入射される。処理部10は各受光センサ9B,9G,9Rが受光した各光量から受光センサ9Gの受光量が最も多いことを検知し、試料5の高さを緑色光の合焦位置と決定する。   For example, if the light of wavelength λ1 is B (blue), the light of wavelength λ2 is G (green), and the light of wavelength λ3 is R (red), the light of wavelength λ2 focused on the top of the sample 5 is the most. The light enters the light receiving sensor 9G through the color separation filter 8. The processing unit 10 detects that the amount of light received by the light receiving sensor 9G is the largest from the amounts of light received by the light receiving sensors 9B, 9G, and 9R, and determines the height of the sample 5 as the focus position of the green light.

図6は、他の従来例を示す構成図で、光検出器7にラインセンサを設けるように構成したものである。
図6において、ピンホール6aを通過して光検出器7に入射した光は、レンズ11で平行光となり、スペクトル分光器としてのプリズム12で各波長成分の光に分光され、レンズ13で集束された後に、CCD(電荷結合素子)等からなるラインセンサ14に入射する。
FIG. 6 is a block diagram showing another conventional example, in which a line sensor is provided in the photodetector 7.
In FIG. 6, the light that has passed through the pinhole 6 a and entered the photodetector 7 becomes parallel light by the lens 11, is split into light of each wavelength component by the prism 12 as a spectral spectrometer, and is focused by the lens 13. Then, the light enters the line sensor 14 composed of a CCD (charge coupled device) or the like.

このような構成において、前述と同様に試料5の頂部で反射した光が波長λ2の緑色光であれば、ラインセンサ14上の波長λ2に対応する位置に最も多くの光が照射される。従って、予め試料5の高さ位置とラインセンサ14の受光位置との関係を求めておけば、処理部10はラインセンサ14の受光位置から試料5の高さを求めることができる。   In such a configuration, if the light reflected from the top of the sample 5 is green light having the wavelength λ 2 as described above, the most amount of light is irradiated to the position corresponding to the wavelength λ 2 on the line sensor 14. Therefore, if the relationship between the height position of the sample 5 and the light receiving position of the line sensor 14 is obtained in advance, the processing unit 10 can obtain the height of the sample 5 from the light receiving position of the line sensor 14.

図7は特開2011−39026に記載された他の従来例を示すもので、光軸上色収差の大きい対物レンズ4では、光波長(色)により、焦点距離が異なり、青色光は近く、赤色光は遠くに合焦する。対物レンズ4に対し、測定対象である試料5と反対側の共焦点は色によらず共通と見做し、ここに、白色又は広帯域の点光源を配置すると、試料5の高さに応じて、試料5に合焦する色が1対1で変わる。そこで、試料5からの反射光が戻るときの共焦点位置にピンホール等の空間フィルタを設けて透過させれば、試料5に合焦した色の光を抽出できるという原理を利用している。   FIG. 7 shows another conventional example described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-39026. In the objective lens 4 having large chromatic aberration on the optical axis, the focal length varies depending on the light wavelength (color), blue light is close, and red The light is in the distance. The confocal point on the opposite side of the objective lens 4 with respect to the sample 5 to be measured is considered to be common regardless of the color, and if a white or broadband point light source is disposed here, the confocal point depends on the height of the sample 5 The color focused on the sample 5 changes one to one. Therefore, the principle that light of a color focused on the sample 5 can be extracted by providing a spatial filter such as a pinhole at the confocal position when the reflected light from the sample 5 returns is transmitted.

そして、処理部10内の回折格子等の分光器26を用いて、色(光波長)を特定することにより、色と1:1の関係にある試料5の高さ(変位)を測定している。   Then, the spectroscope 26 such as a diffraction grating in the processing unit 10 is used to specify the color (light wavelength), thereby measuring the height (displacement) of the sample 5 having a 1: 1 relationship with the color. Yes.

一般的には光ファイバ30を用い、白色光(広帯域光)をセンサヘッド15の共焦点まで導いて、光ファイバ端面30aのコアをピンホールに見立てて共焦点とし、コリメートレンズ16に発散光を与える形をとる。   In general, the optical fiber 30 is used, white light (broadband light) is guided to the confocal point of the sensor head 15, the core of the optical fiber end surface 30 a is regarded as a pinhole, and the collimating lens 16 is diverged. Take the form you give.

試料5での反射後は、試料5に照射された白色光のうち、試料5に合焦した色の光が選択的に光ファイバ端面30aの共焦点位置に集まり、光ファイバコア内に取り込まれ、光ファイバカプラ24を経由して分光器26へと導かれる。一方、他の色の光は、光ファイバ端面30aのコアが、ピンホールと同等に入射する光を制限するように機能するため、コアの外周で遮られて、光ファイバ30内に入射することはない。   After the reflection at the sample 5, the light of the color focused on the sample 5 out of the white light irradiated on the sample 5 selectively gathers at the confocal position of the optical fiber end face 30a and is taken into the optical fiber core. Then, the light is guided to the spectroscope 26 via the optical fiber coupler 24. On the other hand, since the core of the optical fiber end surface 30a functions to limit the incident light equivalent to the pinhole, the light of other colors is blocked by the outer periphery of the core and enters the optical fiber 30. There is no.

分光器26は、光ファイバ30内に戻った光の波長を検出し、その出力は、電子回路28に入力されて処理される。   The spectroscope 26 detects the wavelength of the light returned into the optical fiber 30 and its output is input to the electronic circuit 28 for processing.

図8は、光ファイバ出射光を平行光とするための色収差の補正されたコリメートレンズ50と、コリメートされて一方向(Z方向)に伝搬される被測定光を、その伝搬方向Zと直交する2方向X、Yの直線偏光にほぼ等分するための、偏光子52と、偏光子52出側の2本の直線偏光を透過させて、楕円偏光とするための零オーダーの波長板54と、波長板54出側の楕円偏光を、XY間45度方向の偏光成分と、XY間135度方向の偏光成分とに分けるための、XY間45度方向に傾けて配置した偏光分離素子56と、各偏光成分の光量をそれぞれ検出するための受光素子58A、58Bと、受光素子58A、58Bで検出した光量電圧信号A、Bを用いて、(A−B)/(A+B)の演算を行なうアナログ演算回路60とで構成されている。   FIG. 8 shows a collimating lens 50 with corrected chromatic aberration for making the light emitted from the optical fiber into parallel light, and the light to be measured which is collimated and propagated in one direction (Z direction) is orthogonal to the propagation direction Z. A polarizer 52 for almost equally dividing the linearly polarized light in two directions X and Y, and a zero-order wave plate 54 for transmitting two linearly polarized lights on the exit side of the polarizer 52 to make elliptically polarized light. A polarization separation element 56 disposed at an inclination in the 45 ° direction between XY to divide the elliptically polarized light on the exit side of the wave plate 54 into a polarization component in the 45 ° direction between XY and a polarization component in the 135 ° direction between XY; The calculation of (A−B) / (A + B) is performed using the light receiving elements 58A and 58B for detecting the light amounts of the respective polarization components and the light amount voltage signals A and B detected by the light receiving elements 58A and 58B. It consists of an analog arithmetic circuit 60 That.

特開平10−9827号公報JP-A-10-9827 特開2011−39026号公報JP 2011-39026 A

ところで、図5に示すダイクロイックミラーにより3経路を用いたものは、比較的大型化となり、ダイクロイックミラーが高価で、測定レンジ精度に限界があり、コストが高くなるという課題がある。
また、図6に示すプリズムと配列型検出器を用いたものは、比較的大型化となり、検出回路が高価で読み出しレートを高速化することができないという課題があった。
また、図7に示す偏光子と波長板を用いたものは、偏光分離素子や波長板が高価であり、偏光子を用いたことによる効率低下を招くという課題があった。
By the way, when the three paths using the dichroic mirror shown in FIG. 5 are relatively large, the dichroic mirror is expensive, the measurement range accuracy is limited, and the cost is high.
In addition, the prism and the array detector shown in FIG. 6 have a relatively large size, and there is a problem that the detection circuit is expensive and the reading rate cannot be increased.
Moreover, the thing using the polarizer and wavelength plate shown in FIG. 7 had the subject that the polarization separation element and the wavelength plate were expensive, and the efficiency fall by using a polarizer was caused.

従って本発明は、色収差レンズと非点収差素子と複数の検出部を持つ検出器を用いることにより、コスト減、読み出しレート高速化、小型化を図った光学式変位計を提供することを目的としている。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical displacement meter that uses a chromatic aberration lens, an astigmatism element, and a detector having a plurality of detectors to reduce costs, increase the readout rate, and reduce the size. Yes.

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の光学式変位計においては、
複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を光ファイバ及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路から光ファイバカプラによって空間的に分離する分離手段と、
前記分離手段からの反射光を色収差レンズ及び非点収差を生じさせる光学素子を介して入射する複数の検出部を持つ検出器からなる反射光結像光学系と、
前記複数の検出部を持つ検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。
The present invention has been made to solve the above problems, and in the optical displacement meter according to claim 1,
A light source including a plurality of wavelengths, and an imaging optical system that makes light from the light source enter the sample via an optical fiber and an objective lens having chromatic aberration, and focus at different on-axis positions for each wavelength;
Separation means for spatially separating reflected light from the sample surface from the path of the imaging optical system by an optical fiber coupler;
A reflected light imaging optical system comprising a detector having a plurality of detectors that enter the reflected light from the separating means via a chromatic aberration lens and an optical element that causes astigmatism;
An arithmetic means for calculating a distance based on an output from the detector having the plurality of detection units is provided.

請求項2においては、請求項1に記載の光学式変位計において、
前記光ファイバ出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする。
In claim 2, in the optical displacement meter according to claim 1,
The optical fiber outlet is disposed so as to be at a confocal position with respect to the surface of the sample.

請求項3においては、光学式変位計において、
複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を第1ピンポール及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路からビームスプリッタによって空間的に分離する分離手段と、分離後の反射光が焦点を結ぶ位置に配置された第2ピンホールと、
前記第2ピンホールからの反射光を色収差レンズ及び非点収差を生じさせる光学素子を介して入射する複数の検出部を持つ検出器からなる反射光結像光学系と、
前記複数の検出部を持つ検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする。
In claim 3, in the optical displacement meter,
A light source including a plurality of wavelengths, and an imaging optical system that injects light from the light source through a first pin pole and an objective lens having chromatic aberration, and focuses on a different axial position for each wavelength;
Separation means for spatially separating the reflected light from the sample surface from the path of the imaging optical system by a beam splitter; a second pinhole disposed at a position where the reflected light after separation is focused;
A reflected light imaging optical system comprising a detector having a plurality of detectors that enter the reflected light from the second pinhole via a chromatic aberration lens and an optical element that causes astigmatism;
An arithmetic means for calculating a distance based on an output from the detector having the plurality of detection units is provided.

請求項4においては、請求項3記載の光学式変位計において、
前記第1ピンホール出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする。
In claim 4, in the optical displacement meter according to claim 3,
The first pinhole outlet is disposed so as to be at a confocal position with respect to the surface of the sample.

請求項5においては、請求項1または請求項3に記載の光学式変位計において、
前記非点収差を発生させる手段は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする。
In Claim 5, in the optical displacement meter of Claim 1 or Claim 3,
The means for generating astigmatism is a cylindrical lens.

請求項6においては、請求項1または請求項3に記載の光学式変位計において、
前記非点収差を発生させる手段は、光軸上に傾いて配置した平行平板ガラスであることを特徴とする。
In Claim 6, in the optical displacement meter according to Claim 1 or Claim 3,
The means for generating astigmatism is a parallel plate glass arranged to be inclined on the optical axis.

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を光ファイバ及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路から光ファイバカプラによって空間的に分離する分離手段と、
前記分離手段からの反射光を色収差レンズ及び非点収差を生じさせる光学素子を介して入射する複数の検出部を持つ検出器からなる反射光結像光学系と、
前記複数の検出部を持つ検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたので、この演算手段が算出した値から対応する波長または距離を算出することができる。
As is apparent from the above description, according to the present invention, a light source including a plurality of wavelengths and light from the light source are incident on a sample via an optical fiber and an objective lens having chromatic aberration, and are on different axes for each wavelength. An imaging optical system for focusing at a position;
Separation means for spatially separating reflected light from the sample surface from the path of the imaging optical system by an optical fiber coupler;
A reflected light imaging optical system comprising a detector having a plurality of detectors that enter the reflected light from the separating means via a chromatic aberration lens and an optical element that causes astigmatism;
Since the calculation means for calculating the distance based on the output from the detector having the plurality of detection units is provided, the corresponding wavelength or distance can be calculated from the value calculated by the calculation means.

本発明の光学式変位計の実施形態の一例を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows an example of embodiment of the optical displacement meter of this invention. 反射光が検出器の表面で異なる楕円率となっている状態を示す図である。It is a figure which shows the state from which the reflected light has a different ellipticity on the surface of a detector. 本発明の光学式変位計の他の実施形態を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows other embodiment of the optical displacement meter of this invention. 本発明の光学式変位計の他の実施形態を示す要部構成図である。It is a principal part block diagram which shows other embodiment of the optical displacement meter of this invention. 従来の光学式変位計の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical displacement meter. 従来の光学式変位計の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical displacement meter. 従来の光学式変位計の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional optical displacement meter. 図7における処理部の要部構成を示す図である。It is a figure which shows the principal part structure of the process part in FIG.

図1は本発明の光学式変位計を示す構成図である。
図において光源1は複数の波長を含む白色光源である。光源1からの光は光ファイバ30aに入射し、その出射口30cから出射して結像光学系40に導入される。結像光学系40には対物レンズ(色収差レンズ)4及び,その後段には試料5が配置されており、対物レンズを透過した光は試料5を照射する。
FIG. 1 is a block diagram showing an optical displacement meter of the present invention.
In the figure, a light source 1 is a white light source including a plurality of wavelengths. Light from the light source 1 enters the optical fiber 30a, exits from the exit port 30c, and is introduced into the imaging optical system 40. The imaging optical system 40 is provided with an objective lens (chromatic aberration lens) 4 and a sample 5 at the subsequent stage, and the light transmitted through the objective lens irradiates the sample 5.

ここで、試料からは例えば波長λ1の光(青)、波長λ2の光(緑)、波長λ3の光(赤)が反射光として生じる。なお、光ファイバ30aの出射口30cは点光源とみなすことができ、試料5の表面に対して共焦点位置となるように配置されている。   Here, from the sample, for example, light of wavelength λ1 (blue), light of wavelength λ2 (green), and light of wavelength λ3 (red) are generated as reflected light. The exit 30c of the optical fiber 30a can be regarded as a point light source, and is arranged so as to be in a confocal position with respect to the surface of the sample 5.

試料5で反射した反射光は、入射経路と同様の経路を逆に辿り光ファイバ30aに形成した光ファイバカプラ24によって空間的に分離されて、光ファイバ30bを介して反射光結像光学系41に入射する。光ファイバ30bの出射口30dから出射した反射光は焦点距離を波長ごとに異なる位置にするための色収差レンズ4aを透過し、更にシリンドリカルレンズ(円柱レンズ)43を透過する。   The reflected light reflected by the sample 5 traces the same path as the incident path in the reverse direction and is spatially separated by the optical fiber coupler 24 formed in the optical fiber 30a, and the reflected light imaging optical system 41 via the optical fiber 30b. Is incident on. The reflected light emitted from the exit port 30d of the optical fiber 30b passes through the chromatic aberration lens 4a for setting the focal length to a different position for each wavelength, and further passes through the cylindrical lens (cylindrical lens) 43.

シリンドリカルレンズ43は反射光に非点収差を生じさせ、4分割フォトダイオード44の表面で波長に依存した結像形状を生み出す。シリンドリカルレンズ43では断面が非平面となる面に含まれる光は集光するが、断面が平面となる面に含まれる光は集光しない。その結果、シリンドリカルレンズ43を透過した光を光軸に垂直な面で見た場合、一般的には楕円の強度分布を有する。   The cylindrical lens 43 generates astigmatism in the reflected light, and generates an imaging shape depending on the wavelength on the surface of the quadrant photodiode 44. In the cylindrical lens 43, light included in a surface having a non-planar cross section is collected, but light included in a surface having a cross section is flat. As a result, when the light transmitted through the cylindrical lens 43 is viewed on a plane perpendicular to the optical axis, it generally has an elliptical intensity distribution.

シリンドリカルレンズは非点収差を生じさせるために用いており、同様の作用をする素子であれば他のものを用いてもよい。光軸について回転対象でない光学系であればよく、一例として、光軸上に傾いて配置した平行平板ガラスを用いても非点収差を生じさせることができる。   The cylindrical lens is used to cause astigmatism, and other elements may be used as long as they have the same function. Any optical system that is not subject to rotation with respect to the optical axis may be used, and as an example, astigmatism can be generated even when a parallel plate glass that is inclined with respect to the optical axis is used.

図2は図1に示す光ファイバ30bの出射口30dから出射した反射光が色収差レンズ12aを透過してシリンドリカルレンズ(円柱レンズ)43を透過し、4分割フォトダイオード44の表面で異なる楕円率となっている状態を示している。   2 shows that the reflected light emitted from the exit port 30d of the optical fiber 30b shown in FIG. 1 is transmitted through the chromatic aberration lens 12a and through the cylindrical lens (cylindrical lens) 43, and has different ellipticities on the surface of the quadrant photodiode 44. It shows the state.

4分割フォトダイオード44からの出力はそれぞれ演算手段42に入力され、各素子の出力が演算され検出面上の像形状についての情報を得ることができる。たとえば図2の素子A,B,C,Dの出力から、((A+B)−(C+D))/(A+B+C+D)という演算をすれば、縦長形状のとき正の値、横長形状のとき負の値となる。このような計算結果から波長を特定することができるので、最終的に高さを求めることができる。なお、演算手段としては電気回路やパソコン、マイクロコントローラなどを用いても良い。   Outputs from the four-divided photodiodes 44 are respectively input to the calculating means 42, and the output of each element is calculated to obtain information on the image shape on the detection surface. For example, if the calculation of ((A + B)-(C + D)) / (A + B + C + D) is performed from the outputs of the elements A, B, C, and D in FIG. It becomes. Since the wavelength can be specified from such a calculation result, the height can be finally obtained. Note that an electric circuit, a personal computer, a microcontroller, or the like may be used as the calculation means.

検出素子は4分割フォトダイオードに限らず、結像形状の変化によって複数の検出部の強度比が変化すればよい。例えば2分割フォトダイオードを用いてもよい。   The detection element is not limited to the four-divided photodiode, and the intensity ratio of the plurality of detection units may be changed by changing the imaging shape. For example, a two-divided photodiode may be used.

図3、図4は他の実施例を示すもので、これらの例においては光ファイバの替わりにピンホールを用いた点、反射光をビームスプリッタを用いて分離する点及び分離された反射光をピンホールを介して結像光学系に入射させる点が異なっている。
図3では、光源1からの光を第1ピンホール6aを通して結像光学系40へ導入し、図4では結像光学系40に直接第1ピンホール6aを設ける。そしてこれらのピンホールは試料表面に対して共焦点位置となるように配置する。
3 and 4 show other embodiments. In these examples, a point using a pinhole instead of an optical fiber, a point where the reflected light is separated using a beam splitter, and the separated reflected light are shown. The difference is that the light is incident on the imaging optical system via a pinhole.
In FIG. 3, the light from the light source 1 is introduced into the imaging optical system 40 through the first pinhole 6a. In FIG. 4, the first pinhole 6a is provided directly in the imaging optical system 40. These pinholes are arranged so as to be confocal with respect to the sample surface.

また、反射光を空間的に経路分離する手段として、ピンホール6aから試料表面までの間にビームスプリッタ3を配置し、ビームスプリッタ3で分離された反射光が焦点を結ぶ位置に第2ピンホール6bを配置する。これ以降の反射光結像光学系の構成と機能は図1に示すものと同様なのでここでの説明は省略する。   Further, as means for spatially separating the reflected light, the beam splitter 3 is disposed between the pinhole 6a and the sample surface, and the second pinhole is located at a position where the reflected light separated by the beam splitter 3 is focused. 6b is arranged. Since the configuration and function of the reflected light imaging optical system thereafter are the same as those shown in FIG. 1, the description thereof is omitted here.

図2、図3に示すような構成においても図1に示す光学式変位計と同様に機能する。
上述の構成によれば、反射光結像光学系を構成する色収差および非点収差を作る光学素子や光電変換素子は低コストのものが使用可能なので市販の分光器よりも低いコストで構成することができる。
2 and 3 also functions in the same manner as the optical displacement meter shown in FIG.
According to the above-described configuration, the optical elements and photoelectric conversion elements that make up the chromatic aberration and astigmatism constituting the reflected light imaging optical system can be used at low cost, so that they are configured at a lower cost than commercially available spectrometers. Can do.

また、4分割フォトダイオードは、分光器に使われる数百〜数千の素子配列に比べて低価格で高速に動作できる。
更に単純な光学系であるため、光学系が小型軽量となり組み込み用のセンサとして応用可能である。
In addition, the quadrant photodiode can operate at a low cost and at a high speed as compared with hundreds to thousands of element arrays used in a spectrometer.
Furthermore, since the optical system is simple, the optical system is small and light, and can be applied as a sensor for incorporation.

本発明の光学式変位計はシート状または薄板状の測定対象に対して、その表面とセンサとが相対的に移動しながら測定することにより正確な高さ測定が可能である。
また、シート状または薄板状の測定対象に対して、一対のセンサで測定対象を挟んで両側に配置して各々測定することで、測定対象の厚みを算出することができる。
また、両側に配置したセンサ同士が光源光結像光学系の光軸方向で相対的に変位する可能性があるとき、センサ同士の距離を測定する手段を別途設けることで測定対象の厚みを正しく算出できる
The optical displacement meter of the present invention can accurately measure the height of a sheet-like or thin plate-like measurement object by measuring the surface and the sensor while moving relative to each other.
Moreover, the thickness of a measuring object is computable by arrange | positioning and measuring each of a sheet-like or thin-plate-like measuring object on both sides of a measuring object with a pair of sensors.
In addition, when there is a possibility that the sensors arranged on both sides may be relatively displaced in the optical axis direction of the light source light imaging optical system, the thickness of the object to be measured can be set correctly by providing a means for measuring the distance between the sensors. Can be calculated

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば入射光経路や反射光経路の途中にコリメートレンズを配置してコリメート区間を設けても良い。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
The above description merely shows a specific preferred embodiment for the purpose of explanation and illustration of the present invention. For example, a collimating section may be provided by arranging a collimating lens in the middle of the incident light path or the reflected light path.
Therefore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes many changes and modifications without departing from the essence thereof.

1 光源
3 ビームスプリッタ
4 対物レンズ(色収差レンズ)
5 試料
6 ピンホール
7 光検出器
8 色フィルタ
9 受光センサ
10 処理部
11、13 レンズ
12 プリズム
14 ラインセンサ
15 センサヘッド
16 コリメートレンズ
24 光ファイバカプラ
28 電子回路
30 光ファイバ
30a、30d 出射口
40 結像光学系
41 反射光結像光学系
42 演算手段
43 シリンドリカルレンズ
44 4分割フォトダイオード
50 コリメートレンズ
52 偏光子
54 波長板
56 偏光分離素子
58 受光素子
60 アナログ演算回路
1 Light source 3 Beam splitter 4 Objective lens (chromatic aberration lens)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 Sample 6 Pinhole 7 Photodetector 8 Color filter 9 Light receiving sensor 10 Processing part 11, 13 Lens 12 Prism 14 Line sensor 15 Sensor head 16 Collimator lens 24 Optical fiber coupler 28 Electronic circuit 30 Optical fiber 30a, 30d Output port 40 Connection Image optical system 41 Reflected light imaging optical system 42 Arithmetic means 43 Cylindrical lens 44 Quadrant photodiode 50 Collimate lens 52 Polarizer 54 Wavelength plate 56 Polarization separation element 58 Light receiving element 60 Analog arithmetic circuit

Claims (6)

複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を光ファイバ及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路から光ファイバカプラによって空間的に分離する分離手段と、
前記分離手段からの反射光を色収差レンズ及び非点収差を生じさせる光学素子を介して入射する複数の検出部を持つ検出器からなる反射光結像光学系と、
前記複数の検出部を持つ検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする光学式変位計。
A light source including a plurality of wavelengths, and an imaging optical system that makes light from the light source enter the sample via an optical fiber and an objective lens having chromatic aberration, and focus at different on-axis positions for each wavelength;
Separation means for spatially separating reflected light from the sample surface from the path of the imaging optical system by an optical fiber coupler;
A reflected light imaging optical system comprising a detector having a plurality of detectors that enter the reflected light from the separating means via a chromatic aberration lens and an optical element that causes astigmatism;
An optical displacement meter comprising a calculation means for calculating a distance based on outputs from a detector having the plurality of detection units.
前記光ファイバ出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする請求項1に記載の光学式変位計。   2. The optical displacement meter according to claim 1, wherein the optical fiber outlet is disposed so as to be in a confocal position with respect to the surface of the sample. 複数の波長を含む光源と
前記光源からの光を第1ピンポール及び色収差のある対物レンズを介して試料に入射し、波長ごとに異なる軸上位置で合焦させる結像光学系と、
前記試料表面からの反射光を前記結像光学系の経路からビームスプリッタによって空間的に分離する分離手段と、分離後の反射光が焦点を結ぶ位置に配置された第2ピンホールと、
前記第2ピンホールからの反射光を色収差レンズ及び非点収差を生じさせる光学素子を介して入射する複数の検出部を持つ検出器からなる反射光結像光学系と、
前記複数の検出部を持つ検出器からの出力を元に距離を算出する演算手段を備えたことを特徴とする光学式変位計。
A light source including a plurality of wavelengths, and an imaging optical system that injects light from the light source through a first pin pole and an objective lens having chromatic aberration, and focuses on a different axial position for each wavelength;
Separation means for spatially separating the reflected light from the sample surface from the path of the imaging optical system by a beam splitter; a second pinhole disposed at a position where the reflected light after separation is focused;
A reflected light imaging optical system comprising a detector having a plurality of detectors that enter the reflected light from the second pinhole via a chromatic aberration lens and an optical element that causes astigmatism;
An optical displacement meter comprising a calculation means for calculating a distance based on outputs from a detector having the plurality of detection units.
前記第1ピンホール出口が前記試料の表面に対して共焦点位置となるように配置することを特徴とする請求項3記載の光学式変位計。   4. The optical displacement meter according to claim 3, wherein the first pinhole outlet is disposed so as to be in a confocal position with respect to the surface of the sample. 前記非点収差を発生させる手段は、シリンドリカルレンズであることを特徴とする請求項1または請求項3に記載の光学式変位計。   The optical displacement meter according to claim 1 or 3, wherein the means for generating astigmatism is a cylindrical lens. 前記非点収差を発生させる手段は、光軸上に傾いて配置した平行平板ガラスであることを特徴とする請求項1または請求項3に記載の光学式変位計。   The optical displacement meter according to claim 1 or 3, wherein the means for generating astigmatism is a parallel plate glass arranged to be inclined on the optical axis.
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