JP2863273B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、被測定物の微細な変位を非接触で測定する
ことができ、走査型トンネル顕微鏡等に用いることがで
きる変位測定装置に関する。

従来の技術 近年、非接触で被測定物の変位を測定する光学的な変
位測定装置の開発が盛んに行われている。その中でも特
に、微細な変位を測定する装置の開発が盛んであり、例
えば特開昭63−24114号公報に示されるように、全反射
の減衰現象を利用したような装置が提案されている。

ここで、従来の変位測定装置を、第６図の構成図に基
づいて説明する。この変位測定装置は光学ガラスから成
る直角プリズム状の測定子51を有しており、この測定子
51の被測定物50に臨む位置には測定面51aが設けられて
いる。上記測定面51aには、光源52から照射された測定
光Lmが臨界角以上の角度θ_１で入射しており、この測定
光Lmは測定面51aで反射した後、反射光Lm′となって光
電センサ53に入射する。この光電センサ53で上記反射光
Lm′の光量を電圧Eaに変換した後、演算装置54に出力
し、更に、この演算装置54では検出信号（電圧Ea）に基
づいて被測定物１の変位量を演算する。この演算結果に
基づいて、表示装置55に変移量を表示するような構成で
ある。

このように構成された従来の変位測定装置について、
以下その動作原理を説明する。いま測定子51の屈折率を
n₁、空気の屈折率をn₂とすれば、下記（１）式に示すス
ネルの法則にしたがって、入射角θ_１に対する屈折角θ
_２が決定される。

n₁・sinθ_１＝n₂・sinθ_２ …（１） ところが、下記（２）式で与えられる臨界角θｃを越
える入射角θ_１に対しては、式（１）を満たす屈折角θ
_２は存在しない。

sinθｃ＝₂/n₁ …（２） このため、入射した光のエネルギーはすべて反射さ
れ、いわゆる全反射の状態となる。

しかしながら微視的にみると、空気中にも電磁場が存
在し、光源の波長λ程度の深さで測定面51aに沿って進
行するエバネッセント波が発生している。このため、測
定面51aのごく近傍に光吸収性を有する被測定物50を近
づけた場合、被測定物50側へエネルギーの流れが生じ
る。この結果、もはや全反射は生じず反射光Lm′は減衰
することになる。

ここで、上記構成における特性を第７図に示す。尚、
第７図において、横軸は上記測定面51aと上記被測定物5
0との距離ｘ、縦軸は上記測定面51aの反射率Ｒである。
距離ｘが光源の波長λ以下になると反射率Ｒは急激に減
少していることが認められる。従って、この特性曲線を
用いれば反射率Ｒから距離ｘを決定することができるこ
とが分かる。具体的には、光電セン53の出力電圧Eaに基
づいて演算装置54で反射率Ｒを算出し、それを予め記憶
しておいた特性曲線あるいはそれを近似した式に代入す
ることで距離ｘの算出を行う。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上述した従来の変位測定装置は以下に
示す課題を有する。

即ち、上記測定面11aの反射率Ｒは上述にように距離
ｘの関数として与えられるが、下記（３）式に示すよう
に、距離ｘのほかに、光源52の波長λ、入射角θ、測定
子11の屈折率n₁、空気の屈折率n₂、被測定物１の屈折率
n₃の関数となっている。

Ｒ＝ｆ（x,λ，θ,n₁,n₂,n₃） …（３） 従って、上述の第７図に示したような距離ｘと測定面
11aの反射率Ｒとの関係を表わす特性曲線はλ，θ,n₁,n
₂,n₃の全てが既知の場合に初めて描くことができる。換
言すれば、反射率Ｒから距離ｘを決定するためにはλ，
θ,n₁,n₂,n₃の全てが既知であることが必要である。こ
こで、λ，θ,n₁,n₂は装置の構成によって一意的に決ま
るものであるため既知とすることができるが、n₃は被測
定物１の材質に依存するため一般に未知である。よっ
て、従来の変位測定装置は被測定物を屈折率が既知もの
に限定するか、或いは、それが未知も場合には事前に屈
折率を測定しなければならないという課題を有してい
た。

そこで、距離ｘを微小に変化させながら反射率Ｒの変
化を測定しそれを記憶しておき、特性曲線を求める方法
が考えられる。しかしながら、距離ｘの設定精度が直接
に測定精度に関わることから非常に精巧な位置決め機構
が必要となって、装置の製造コストが高騰するという課
題を有していた。

本発明は上記課題に鑑み、被測定物の材質に関わらず
その微細な変位を容易かつ高精度に測定することのでき
る変位測定装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本第１発明は上記目的を達成するために、被測定物の
表面に設けられ、既知なる屈折率を有するエネルギ吸収
手段と、光透過性材料から成り、上記エネルギ吸収手段
に臨む位置に測定面が形成された測定子と、上記測定面
に臨界角以上の角度で入射するように測定光を発生する
光源と、上記測定光が上記測定面で反射した後の反射光
の光強度を測定する光電変換手段と、上記光電変換手段
の出力信号に基づいて、変位量を演算する演算手段とを
備えたことを特徴とする。

また、本第２発明は、光透過性材料から成り、被測定
物に臨む位置に測定面を有する測定子と、上記測定面に
臨界角以上の角度で入射するように測定光を発生する光
源と、上記測定光が上記測定面で反射した後の反射光
を、電界ベクトルの振動方向が入射面に平行なＰ偏光と
入射面に垂直なＳ偏光とに分解する分光手段と、上記Ｐ
偏光とＳ偏光との光強度を独立して検出する２つの光電
変換手段と、上記量光電変換手段の出力信号に基づい
て、変位量を演算する演算手段とを、備えたことを特徴
とする。

更に、本第３発明は、光透過性材料から成り、被測定
物に臨む位置に測定面を有する測定子と、上記測定面に
臨界角以上の角度で入射するように測定光を発生する光
源と、上記測定光の上記測定面における反射光を４つの
異なる波長成分λ_１、λ_２、λ_３、λ_４とに分解する分
光手段と、上記各波長成分の光強度を独立して検出する
４つの光電変換手段と、上記４つの光電変換手段の出力
信号に基づいて、変位量を演算する演算手段とを備えた
変位測定装置であって、上記波長成分λ_１、λ_２、
λ_３、λ_４は、下記２式を満足するように構成されてい
ることを特徴とする。

1/λ_１＋1/λ_４＝1/λ_２＋1/λ_３ 1/λ_１−1/λ_４＝２（1/λ_２−1/λ_３） 作用 上記第１発明の構成であれば、光源からの測定光は測
定子の測定面で反射した後、光強度を測定する光電変換
手段に入射する。そして、光電変換手段から演算手段に
は光強度に応じた出力信号が与えられて、演算手段で変
位量が算出されることになる。

ここで、測定光が測定子の測定面で反射するとき、エ
ネルギ吸収手段と被測定物との距離が光源の波長よりも
短くなると、測定光の一部がエネルギ吸収手段によって
吸収される。この際、エネルギ吸収手段の屈折率は既知
故、全反射の減衰を示す特性曲線は一意的に決定される
ことになる。したがって、上記特性曲線を表す式を予め
演算手段に記憶させておけば、反射光の強度よりエネル
ギ吸収手段の変位（即ち、被測定物変位）を一意的に算
出することが可能となる。この結果、従来の変位測定装
置のように被測定物の材質を限定したり、あるいはその
屈折率を測定する必要はないので、容易に変位を測定で
きることになる。

加えて、上記特性曲線を実験的に求める動作も不要と
なるので、変位測定装置の製造コストが高騰するような
こともない。

また、上記第２発明の如く、測定光の反射光をＰ偏光
成分とＳ偏光成分とに分解しその光量を個別に検出すれ
ば、エネルギ吸収手段を被測定物の表面に配置すること
なく、測定面と被測定物との距離を算出することが可能
となる。したがって、上記第１発明と同様の効果を奏す
る他、エネルギ吸収手段を被測定物の表面に付与し難い
場合等においても容易に変位を測定することが可能とな
る。

更に、上記第３発明によれば、上記第２発明と同様の
効果を奏する他、演算が一層容易となり、演算時間を飛
躍的に短縮することが可能となる。

実施例 〔第１実施例〕 本発明による変位測定装置の第１実施例を、第１図及
び第２図に基づいて、以下に説明する。

第１図に示すように、変位測定装置は、無偏光のヘリ
ウム・ネオン・レーザ光（λ＝632.8［nm］）を発生す
るレーザ光源20と、このレーザ光源20から光ファイバー
21を介して接続される測定ヘッド10と、A/D変換器及び
マイクロ・コンピュータを中心に構成され、上記測定ヘ
ッド10からの電圧Ea、Erに基づいて変位量を算出する演
算装置30と、この演算装置30からの演算結果に基づい
て、演算結果を測定者に表示する表示装置40と、光吸収
性を有し被測定物１の表面に接着剤層４により貼着され
た測定用フィルム５とから構成されている。

ここで、上記測定ヘッド10は光学ガラスBK7で作成さ
れた測定子11を有している。この測定子11における上記
被測定物１に臨む位置には高い面積度で仕上げられた測
定面11aが形成されおり、前記レーザ光源20からの光束L
oの一部は上記測定面11aで反射した後、反射光Lm′とし
て光電変換ユニット15aに至る。具体的には、光ファイ
バー21を介して測定ヘッド10に導かれた光束Loは、無偏
光ビーム・スプリック13によって測定光Lmと参照光Lrと
に分割される。上記測定光Lmは、該測定光Lmを前記測定
面11a上でスポットに絞るための集光レンズ17を介して
上記測定子11に入射し、その側面で幾度かの全反射を繰
り返しながら上記測定面11aに至る。この際、測定面11a
での入射角が45゜となるよう、測定光Lmは照射されてい
る。更に、上記測定光Lmは測定面11aで反射して反射光L
m′となった後、測定光Lmと同様に、測定子11の側面で
幾度かの全反射を繰り返す。この後、反射光Lm′は測定
子11から出射し、更にコリメート・レンズ18を介して光
電変換ユニット15aに至る。この光電変換ユニット15aは
PINフォト・ダイオードと電流−電圧変換アンプから構
成されており、上記受光量Lm′を電圧Eaに変換する。そ
して、光電変換ユニット15aにて光電変換された電圧Ea
は、前記演算装置30に出力されることになる。

一方、上記参照光Lrは、上記光電変換ユニット15aと
同様の構成の光電変換ユニット15rよって電圧Erに変換
され、更に、この電圧Erは前記演算装置30に出力される
ことになる。

また、前記測定用フィルム５は、光学的に均質なポリ
エチレン・フィルム（厚さ：数十ミクロン、大きさ：数
ミリ角）から構成されており、上記測定面11aに臨む位
置に設置される。

ここで、以上のように構成された変位測定装置の動作
原理を、以下に説明する。

上記の如くレーザ光源20の波長λが632.8［nm］であ
ると、上記測定子11の屈折率n₁は1.52となり、また前記
（２）式より算出される臨界角θｃは41.3゜となる。こ
の場合、上記測定光Lmの測定面11aにおける入射角は45
゜となるように設定されているので、入射角は臨界角θ
ｃより大きくなる。このため、測定面11aでは全反射状
態となる。しかし、前記従来例に示すように、測定面11
aの表面にはエバネセント波が生じているため、測定用
フィルム５と測定面11aとの距離ｘが上記波長λ以下に
接近すれば、急激な減衰が起こる。

ところでこの場合、測定用フィルム５の屈折率は既知
である（波長λ＝632.8［nm］において1.65）ため、前
述の如く、上記距離ｘと測定面11aの反射率Ｒとの関係
を示す特性曲線を求める際、光源波長λ、入射角θ、測
定子11の屈折率n₁、空気の屈折率n₂の他、光吸収性物質
（測定用フィルム５）の屈折率n₃も既知となる。このよ
うに、本実施例においては、従来未知であったn₃をも既
知となるため、前記（３）式に示す反射率Ｒも容易に求
めることができ、反射率Ｒと距離ｘとの関係を示す特性
曲線を一意的に決定することが可能となる。

第２図は上記実施例の構成における特性図である。第
２図に示すように、距離ｘが大きくなるに連れて、反射
率Ｒは単調に増加していることが認められる。したがっ
て、反射率Ｒを測定することにより、距離ｘを一意的に
決定することが可能となる。

具体的には、以下の手順で反射率Ｒの測定を行う。先
ず、被測定物１（測定用フィルム５）と測定面11aとが
十分離れている状態、即ち距離ｘが波長λに比べ十分大
きくて全反射が生じている状態に設定する。そして、そ
の状態における上記光電変換ユニット15a、15rの各々の
出力信号Ea₀、Er₀に基づいて、上記演算装置30でEa₀、E
r₀を算出し、その値を最大相対光量Imaxとして演算装置
30内に格納しておく。次に、全反射が崩れる状態、即ち
EaがEa₀に比べて著しく減衰する状態になるよう距離ｘ
を減少させ測定を開始する。そして、任意の瞬間におけ
る出力Ea、Erから相対光量Ｉ＝Ea/Erを算出しそれを予
め格納しておいたImaxで除することによって測定面の反
射率Ｒが求まる。すなわちＲ＝I/Imaxである。次に、上
記演算装置30内に予め記憶しておいた本実施例固有の特
性曲線の式に上記反射率Ｒの値を代入して、測定面11a
と測定用フィルム５との距離ｘを算出する。更に、その
変動から測定用フィルム５の変位、即ち被測定物１の変
位を求めて表示装置40に表示する。

尚、本実施例の測定範囲は、第２図から明らかなよう
に、約0.01〜0.7μｍであり、その範囲において数nmの
分解能で被測定物１の変位を測定することが可能であ
る。

以上のように本実施例によれば、屈折率が未知の被測
定物１に屈折率が既知の測定用フィルム５を貼付するこ
とによって、距離ｘと反射率Ｒとの関係を表す特性曲線
を一意的に決定することができ、被測定物１の材質に関
わらずその変位を精度良く測定することができる。

また反射率Ｒの算出に際して、参照光による相対光量
をとり、さらに予め格納しておいた最大相対光量に対す
る割合をもって反射率Ｒとすることで、光源光量の変動
あるいは光学部品の表面反射など損失の影響を受けるこ
となく精度良く反射率を算出することができ、この結
果、測定精度を向上させることができる。

なお、本実施例において光源にはヘリウム・ネオン・
レーザを、測定子にはホウケイ酸クラウンガラスBK7を
それぞれ用いているが、これらに限定するものではな
く、全反射の減衰現象さえ生じれば如何なる光源或いは
測定子材質を用いてもよいことは勿論である。

また、測定用フィルム５の材料としてポリエチレン・
フィルムとしたが、屈折率（複素屈折率）が既知でさえ
あれば、高分子材料に限らず、ガラス、金属、セラミッ
ク等であってもよい。

更に、測定用フィルム５を被測定物１に貼着すること
で屈折率が既知の被測定面を形成したが、屈折率（複素
屈折率）が既知の材料を被測定物１上に塗布したり、或
いは機械的な手段で固定する構成であってもよい。

〔第２実施例〕 本発明の変位測定装置の第２実施例を、第３図に基づ
いて、以下に説明する。尚、上記第１実施例と同一の機
能を有する部材については、同一の番号を付しその説明
を省略する。

第３図に示すように、コリメート・レンズ18と光電変
換ユニット15aとの間には、偏光ビーム・スプリッタ14
が設けられており、この偏光ビーム・スプリッタ14は、
反射光Lm′を電界ベクトルの振動方向が入射面に平行な
Ｐ偏光成分Lpと、垂直なＳ偏光成分Lsとに分割する。上
記Ｐ偏光成分Lpは上記偏光ビーム・スプリッタ14を透過
し光電変換ユニット15aに至り、この光電変換ユニット1
5aによって電圧Eaに変換される。一方、Ｓ偏光成分Lsは
上記偏光ビーム・スプリッタ14の表面で反射し上記光電
変換ユニット15aと同様の構成の光電変換ユニット15bに
至り、この光電変換ユニット15bによって電圧Ebに変換
される。尚、上記偏光ビーム・スプリッタ14の入射面は
測定面11aの入射面と同一平面になるよう設定されてお
り、これによって、上記Ｐ偏光成分Lp及びＳ偏光成分Ls
は各々上記測定面11aに対するＰ偏光成分、Ｓ偏光成分
に一致するような構造となっている。上記電圧Ea、Eb、
及び前記電圧Erは、演算装置30に入力され、更にその演
算結果に基づいて、表示装置40で表示される。

本実施例においては、上記の如くビーム・スプリッタ
14と、光電変換ユニット15bとを設けた他、被測定物１
の表面には測定用フィルムを設けず、且つレーザ光源20
として偏光したレーザ光を用いたという点において、上
記第１実施例と異なっている。

ここで、以上のように構成された変位測定装置の動作
原理を、以下に説明する。

本実施例においては、測定面11aと被測定物１との距
離ｘがレーザ光源20の波長λ以下に接近すれば全反射の
減衰が起こり、その距離ｘに応じて測定光Lmの反射光L
m′が変化する動作は前述した第１の実施例と全く同様
である。但し、反射光Lm′をＰ偏光成分LpとＳ偏光成分
Lsとに分解し、その光量を個別に検出している点が異な
る。このような構成とすることにより、被測定物１の材
質に関わらずその変位を算出することが可能となる。具
体的には、以下の通りである。

前述の如く、測定面11aの反射率Ｒは前記（３）式に
示したように、距離ｘ、光源波長λ、入射角θ、測定子
11の屈折率n₁、空気の屈折率n₂、被測定物１の屈折率n₃
の関数として表現される。ところが、（３）式において
は偏光は考慮されていないため、そのままでは距離ｘを
求めることができない。そこで、偏光を考慮した場合の
反射率を下記式に示す。この場合、Ｐ偏光とＳ偏光とで
関数の形が異なるため、それぞれの反射率をRp、Rs
（ｐ、ｓの添字はそれぞれＰ成分、Ｓ成分を表す。）と
して、下記（４）式、（５）式に表す。

Rp＝fp（x,λ，θ,n₁,n₂,n₃） …（４） Rs＝fs（x,λ，θ,n₁,n₂,n₃） …（５） ここで、光源波長λ、入射角θ、測定子11の屈折率
n₁、空気の屈折率n₂は前述した装置の構成によって一意
的に決まるため既知である。一方、距離ｘは測定変数で
あって未知であり、また被測定物１の屈折率n₃も材質に
依存するため未知である。すなわち（４）式、（５）式
の２式において未知なる変数はｘとn₃の２つとなる。し
たがって、（４）式、（５）式よりn₃を消去すれば、ｘ
を求めることが可能となる。それを下記（６）式に示
す。

ｘ＝ｇ（Rp,Rs,λ，θ,n₁,n₂） …（６） （６）式よりＰ成分の反射率Rp、Ｓ成分の反射率Rsを
測定すれば、距離ｘを算出できることが分かる。尚、反
射率Rp、Rsの測定は、以下の手順で行う。

先ず、被測定物１と測定面11aとが十分離れている状
態、即ち距離ｘがレーザ光源20の波長λに比べ十分大き
く、全反射が生じている状態に設定する。その状態にお
ける上記光電変換ユニット15a、15b、15rの各々の出力
信号Ea₀、Eb₀、Er₀とする。そして、出力信号Ea₀、E
b₀、Er₀に基づいて、上記演算装置30によってEa₀/Er₀、
Eb₀/Er₀を算出し、その値を最大相対光量I a max、I b
maxとして演算装置30に格納しておく。次に、全反射が
崩れる状態すなわちEaがEa₀に比べて著しく減衰する状
態になるよう距離ｘを減少させ測定を開始する。任意の
瞬間における出力Ea、Eb、Erから相対光量Ia＝Ea/Er、I
b＝Eb/Erを算出し、それぞれを予め格納しておいたI a
max、I b maxで除することによってＰ成分の反射率Rp、
Ｓ成分の反射率Rsを求める。すなわちRp＝Ia/I a max、
Rs＝Ib/I b maxとなる。このようにして求めた反射率R
p、Rsを上記（６）式に代入する。これにより、距離ｘ
を容易に算出することが可能となる。

尚、本実施例においてはマイクロ・コンピュータの利
点を生かし、（６）式を求めることなく、（４）式、
（５）式から直接的に距離ｘを算出する方法を用いてい
る。即ち、予め記憶させておいた（４）式、（５）式の
変数ｘとn₃とに任意な値を代入し、演算した結果得られ
たRp、Rsの値と実際の測定によって得られた値との関係
から２式を満足する距離ｘの値を算出するアルゴリズム
を採用している。但し、距離ｘを算出する方法として
は、このような方法に限定するものではなく、予め解析
的に求めた（６）式を記憶させておき、測定によって得
られたRp、Rsの値を代入する方法であってもよい。

以上のように本実施例によれば、被測定物１の屈折率
が未知であっても、測定光Lmの反射光Lm′をＰ成分Lpと
Ｓ成分Lsとに分解しその光量を個別に検出することによ
って、測定面11aと被測定物１との距離ｘを算出するこ
とができる。即ち、被測定物１の材質に関わらずその変
位を精度良く測定することができる。このように、本第
２実施例によると、被測定物１にいっさい手を加えるこ
となくその変位を非接触で測定できるため、上記第１実
施例に示した測定用フィルム５を被測定物１の表面に付
与する方法をとることが困難な場合あるいはその影響が
無視できないような場合において特に有効となる。

〔第３実施例〕 本発明の変位測定装置の第３実施例を第４図に基づい
て、以下に説明する。尚、上記第１実施例と同一の機能
を有する部材については、同一の番号を付しその説明は
省略する。

第４図に示すように、光源としては、可視光域におい
て連続したスペクトルを有する白色光源23を用いてい
る。また、コリメートレンズ18と光電変換ユニット15a
との間には、反射光Lm′を光束Labと光束Lcとに分解す
る無偏光ビーム・スプリッタ31aと、上記光束Labを光束
LaとLbとに分解する無偏光ビーム・スプリッタ31bと、
特定の波長のみを透過する干渉フィルタ19aとを有して
いる。更に上記光束Lbの光進行方向には干渉フィルタ19
bと光電変換ユニット15bとが、光束Lcの光進行方向には
干渉フィルタ19cと光電変換ユニット15cとが、それぞれ
配置されている。これにより、上記光束La〜Lcは各々干
渉フィルタ19a〜19cによって波長選択を受けた後、光電
変換ユニット15a〜15cに入射される。この際、上記干渉
フィルタ19a〜19cの光干渉機能により、それぞれ特定の
波長のみが透過されて、光電変換ユニット15a〜15cに与
えられる。尚、透過する中心波長は、干渉フィルタ19a
では600［nm］、干渉フィルタ19bでは610［nm］、干渉
フィルタ19cでは620［nm］である。この後、上記測定光
La〜Lcおよび参照光Lrの光量は、各々光電変換ユニット
15a〜15c及び15rによって、それぞれ電圧Ea〜Ec及びEr
に変換され、演算装置30に入力されることになる。

ここで、以上のように構成された変位測定装置の動作
原理を、以下に説明する。

測定面11aと被測定物１に距離ｘが波長λ以下に接近
することによって全反射の減衰が起こり、その距離ｘに
応じて測定光Lmの反射光Lm′が変化する動作は前述した
第１実施例と全く同様である。即ち、上記測定面11aの
反射率Ｒは距離ｘに応じて変化し、前述の（３）式に示
したように、距離ｘ、光源波長λ、入射角θ、測定子11
の屈折率n₁、空気の屈折率n₂、被測定物１の屈折率n₂の
関数として表される。（３）式の内容をもう少し詳細に
示すと、下記（７）式の如く表される。

1/（１−Ｒ）＝Ａ・sinh2（ｋ・x/λ）＋Ｂ …（７） ここで、上記（７）式のｋ、ａ、ｂは、下記（８），
（９），（10）式により表される。

ｋ＝２π・（n₁/n₂・sin2θ−１）1/2 …（８） Ａ＝α（θ,n₁,n₂,n₃） …（９） Ｂ＝β（θ,n₁,n₂,n₃） …（10） 尚、α、βはある関数である。

いま、光源波長λ、入射角θ、測定子11の屈折率n₁、
空気の屈折率n₂は前述した装置の構成によって一意的に
決まるため既知である。距離ｘは測定変数であり未知、
被測定物１の屈折率n₃も材質に依存するため一般に未知
である。従って、（７）式において、ｘ、Ａ、Ｂの３つ
が未知である。（７）式より、距離ｘが一定であっても
測定光の波長λが異なれば測定面11aの反射率は異なっ
た値を示すことが分かる。そこでλ_１、λ_２、λ_３の３
つの接近した波長成分で同一点を測定したときの反射率
をそれぞれR₁、R₂、R₃とすれば（７）式より、下記（1
1）（12）（13）式の如く表される。

1/（１−R₁）＝Ａ・sinh2（ｋ・x/λ_１）＋Ｂ …（11） 1/（１−R₂）＝Ａ・sinh2（ｋ・x/λ_２）＋Ｂ …（12） 1/（１−R₃）＝Ａ・sinh2（ｋ・x/λ_３）＋Ｂ …（13） 尚、（11）式〜（13）式のＡ、Ｂ、ｋの値は（８）〜
（10）式に示したように波長λには関係しないので一定
となっている。

上記（11）式〜（13）式からＡ及びＢを消去すれば以
下の式が得られる。

上記（14）式より、各波長成分λ_１〜λ_３における反
射率R₁〜R₃を測定すれば、距離ｘを算出できることが分
かる。そこで、上記演算装置によって、光電変換ユニッ
ト15a〜15c及び15rの出力電圧Ea〜Ec及びErから各波長
成分における反射率R₁〜R₃を求め、（14）式を満たす距
離ｘの算出を行う。そして、その変動から被測定物１の
変位を求めることにより、表示装置40に表示することが
可能となる。

尚、出力電圧Ea〜Ec及びErから反射率R₁〜R₃を求める
動作は、前述した第２の実施例と同様の方法で行う。

また、（14）式から距離ｘを算出する方法として、任
意の距離ｘの値を（14）式の左辺に代入することで得ら
れた値と、測定によって得られた右辺の値との関係か
ら、（14）式を満足する距離ｘの値を算出するアルゴリ
ズムを採用している。

本第３実施例によれば、使用波長を自在に選択するこ
とが可能である。但し、次のことに留意する必要があ
る。即ち、物質の屈折率は一般に波長によって変化する
ので、厳密には式（11）式〜（13）式のＡ、Ｂ、ｋの値
は微妙に異なっており、そのことは測定誤差の要因とな
る。したがって、本第３実施例に示したように、その影
響が無視できる程度に接近した波長成分λ_１、λ_２、λ
_３を選択することが必要となる。また、距離ｘを算出す
る方法としては、前記第２実施例と同様に、予め（14）
式を解析的に解いた式を記憶させておき、測定によって
得られたR₁〜R₃の値を代入する方法であってもよい。

以上のように本第３実施例によると、既知なる３つの
波長成分における反射率を測定し、予め記憶しておいた
（14）式を満たす距離ｘを算出することによって、被測
定物の屈折率に関わらずその変位を容易かつ高精度で測
定することができる。

また、第２実施例の場合には、演算時間が若干長くな
るが、本実施例においては（14）式において未知数はｘ
だけであるので、演算が容易となって演算時間を飛躍的
に短縮することが可能となる。

更に、光源として、第一波長の光源を用いる必要がな
いので、装置コストが低下するという効果もある。

〔第４実施例〕 本発明の変位測定装置の第４の実施例を、第５図に基
づいて、以下に説明する。尚、上記第３実施例と同一の
機能を有する部材については、同一の番号を付しその説
明は省略する。

上記第３実施例と異なる点は、無偏光ビーム・スプリ
ッタ31aと干渉フィルタ19cとの間に無偏光ビーム・スプ
リッタ31cを設けると共に、この無偏光ビーム・スプリ
ッタ31cの光進行方向に干渉フィルタ19dと光電変換ユニ
ット15dとを配置することである。これにより、測定面1
1aにおける反射光Lm′はコリメートレンズ18通過した
後、無偏光ビーム・スプリッタ31aによって光束Labと光
束Lcdとに分解された後、光束Labは無偏光ビーム・スプ
リッタ31bにより光束Laと光束Lbとに分解される一方、
光束Lcdは無偏光ビーム・スプリッタ31cにより光束Lcと
光束Ldとに分解されることになる。そして、上記光束La
〜Ldは各々干渉フィルタ19a〜19dによって波長選択を受
けた後、光電変換ユニット15a〜15dに入射する。尚、透
過する中心波長は干渉フィルタ19aでは600［nm］、干渉
フィルタ19bでは622［nm］、干渉フィルタ19cでは672
［nm］、干渉フィルタ19dでは700［nm］である。上記測
定光La〜Ldおよび参照光Lrの光量は各々光電変換ユニッ
ト15a〜15d及び15rによって電圧Ea〜Ed及びErに変換さ
れ、演算装置30に入力されている。

ここで、以上のように構成された変位測定装置の動作
原理を以下に説明する。

本実施例では、第３実施例における３つの波長成分λ
_１、λ_２、λ_３にさらに異なる波長成分λ_４を加えてい
る。そこで、前述した第３の実施例における測定原理を
４波長に拡張すると、前記（14）式は下記（13）式の如
く変形される。

ここで、上記（17）式において、波長成分λ_１、
λ_２、λ_３、λ_４が、 I/λ_１＋1/λ_４＝1/λ_２＋1/λ_３ …（15） I/λ_１−1/λ_４＝２（1/λ_２−1/λ_３） …（16） なる２式を満たす場合、（17）式の左辺は以下のように
変形することができる。

左辺＝2cosh｛（1/λ_２−1/λ_３）ｋ・ｘ｝ …（17′） となる。したがって、 ｘ＝ｍ・log｛r/2＋（r₂/4−１）｝1/2 …（18） と表すことができる。

尚、上記（18）式において、ｍとｒとは下記（19）
式、（20）式の如く表すことができる。

ｍ＝（λ_２・λ_３）／｛（λ_２−λ_３）ｋ｝…（19） ｒ＝（17）式の右辺 …（20） 即ち、４つの波長成分λ_１、λ_２、λ_３、λ_４が（1
5）式、（16）式を満たすような構成とすれば、容易に
距離ｘを算出できることが分かる。前述した干渉フィル
タ19a〜19dの中心波長λ_１＝600［nm］、λ_２＝622［n
m］、λ_３＝672［nm］、λ_４＝700［nm］は（15）式、
（16）式を満足するようなものである。そこで、上記演
算装置30によって、光電変換ユニット15a〜15d及び15r
の出力電圧Ea〜Ed及びErから各波長成分における反射率
R₁〜R₄を求め、予え記憶しておいた（18）式へ代入する
ことで距離ｘの算出を行う。またその変動からｘを求
め、表示装置40に表示する。なおEa〜Ed及びErからR1〜
R4を求める動作は、前述した第２実施例と同様である。

以上のように本実施例によれば、（15）式、（16）式
を満たす既知なる４つの波長成分で測定面11aの反射率
を測定することによって、被測定物１の屈折率が未知で
あっても、測定面11aと被測定物１との距離ｘを算出す
ることができる。即ち、被測定物１の材質に関わらず、
その変位を容易かつ精度良く測定することができる。

また、前記第３実施例と比較して、更に演算が容易と
なるので、演算時間を一層短縮することが可能となる。

尚、上記第３実施例、第４実施例において、測定光Lm
の反射光Lm′を異なる波長成分に分解する手段として干
渉フィルタを用いたが、回折格子あるいはプリズムなど
の分光器であってもよい。また、光スペクトラム・アナ
ライザのように分光器と光電変換器の作用を兼ね備えた
いわゆる分光装置を用いてもよい。

更に、異なる波長成分の反射率を得る方法としては、
光源側の波長を変化させるような方法であってもよい。

発明の効果 以上説明したように本発明によれば、被測定物の材質
を限定したり、あるいはその屈折率を測定する必要はな
いので、被測定物の材質に関わらずその微細な変位を容
易かつ高精度に測定することができるという効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による変位測定装置の第１実施例の構成
図、第２図は第１実施例の構成における特性図、第３図
は本発明による変位測定装置の第２実施例の構成図、第
４図は本発明による変位測定装置の第３実施例の構成
図、第５図は本発明による変位測定装置の第４実施例の
構成図、第６図は従来の変位測定装置の構成図、第７図
は従来例の構成における特性図である。 １……被測定物、５……測定用フィルム、11……測定
子、11a……測定面、20……レーザ光源、23……白色光
源、15a〜15d,15r……光電変換ユニット、30……演算装
置。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面に設けられ、既知なる屈折
   率を有するエネルギ吸収手段と、 光透過性材料から成り、上記エネルギ吸収手段に臨む位
   置に測定面が形成された測定子と、 上記測定面に臨界角以上の角度で入射するように測定光
   を発生する光源と、 上記測定光が上記測定面で反射した後の反射光の光強度
   を測定する光電変換手段と、 上記光電変換手段の出力信号に基づいて、変位量を演算
   する演算手段と、 を備えたことを特徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】光透過性材料から成り、被測定物に臨む位
   置に測定面を有する測定子と、 上記測定面に臨界角以上の角度で入射するように測定光
   を発生する光源と、 上記測定光が上記測定面で反射した後の反射光を、電界
   ベクトルの振動方向が入射面に平行なＰ偏光と入射面に
   垂直なＳ偏光とに分解する分光手段と、 上記Ｐ偏光とＳ偏光との光強度を独立して検出する２つ
   の光電変換手段と、 上記両光電変換手段の出力信号に基づいて、変位量を演
   算する演算手段と、 を備えたことを特徴とする変位測定装置。
3. 【請求項３】光透過性材料から成り、被測定物に臨む位
   置に測定面を有する測定子と、 上記測定面に臨界角以上の角度で入射するように測定光
   を発生する光源と、 上記測定光の上記測定面における反射光を４つの異なる
   波長成分λ_１、λ_２、λ_３、λ_４とに分解する分光手段
   と、 上記４つの光電変換手段の出力信号に基づいて、変位量
   を演算する演算手段と、 上記各波長成分の光強度を独立して検出する４つの光電
   変換手段と、 を備えた変位測定装置であって、 上記波長成分λ_１、λ_２、λ_３、λ_４は、下記２式を満
   足するように構成されていることを特徴とする変位測定
   装置。 1/λ_１＋1/λ_４＝1/λ_２＋1/λ_３ 1/λ_１−1/λ_４＝２（1/λ_２−1/λ_３）