JP2943498B2 - 走査型レーザ変位計 - Google Patents

走査型レーザ変位計

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JP2943498B2
JP2943498B2 JP10265592A JP10265592A JP2943498B2 JP 2943498 B2 JP2943498 B2 JP 2943498B2 JP 10265592 A JP10265592 A JP 10265592A JP 10265592 A JP10265592 A JP 10265592A JP 2943498 B2 JP2943498 B2 JP 2943498B2
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政幸 與島
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型レーザ変位計に
関し、特に反射率の大きく異なる面の混在する測定物の
高さを測定する走査型レーザ変位計に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の走査型レーザ変位計は、図5に示
すように次の(a)〜(d)を備えている。 (a)一軸ステージを有し測定物61を載置する測定台
50。 (b)レーザ52と、レーザ52のビーム径を所要のビ
ーム径に拡大するビーム拡大器53と、ビーム拡大器5
3を通過したレーザ光を測定台50の真上から鉛直下方
に測定台50の送り方向と直交する方向に走査するガル
バノミラー54と、ガルバノミラー54で走査されたレ
ーザ光を測定台50の測定面上で所要のビーム径に収束
させかつ一定速度で走査させるfθレンズ55とで構成
される投光光学系51。 (c)測定物61の反射光の中でレーザ走査方向と直交
する方向(以下副走査方向と称す)に反射する光の一部
を斜め上方から集光する第1の円筒面レンズ57と、第
1の円筒面レンズ57の光軸上に置かれ走査方向に光を
集光する第2の円筒面レンズ58と、第1の円筒面レン
ズ57と第2の円筒面レンズ58の結像位置に置かれ第
1の円筒面レンズ57による結像位置を検出するPSD
(光位置検出素子)59とで構成される受光光学系5
6。 (d)受光光学56のPSD59の受光位置から三角測
量の原理で測定物61の高さを求める信号処理回路6
0。
【0003】図6は、測定物61の高さ測定原理を説明
するための側面図である。測定物61に真上からレーザ
光62を当て測定物61からの反射光をレーザの入射方
向から角度θ傾いた方向で第1の円筒面レンズ57によ
りPSD59上に結像させた場合、第1の円筒面レンズ
57の倍率をmとすると測定物61の高さhとPSD5
9上での距離d(高さhからの反射光の受光位置と測定
台50の基準面からの反射光の受光位置との間との距
離)との関係は、 h=d/(m sinθ) で与えられる。従ってPSD59上の受光位置の変位を
測ることで測定物61の高さが測定できる。
【0004】図7は照射ビーム領域内に反射強度の不均
一性がある場合の高さ測定誤差を説明するための側面図
である。
【0005】測定物表面64における反射率が均一な場
合照射ビーム領域内の強度重心はビーム中心と一致し、
PSD59上では受光位置63として検出される。一方
測定物表面64における反射率が不均一で強度重心がビ
ーム中心からずれると、それに比例してPSD59上で
の受光検出位置がずれる(受光位置63′,63″)。
照射レーザ光のビーム径をD、受光角度をθとして反射
ビームの強度重心が最大のD/2ずれたと仮定すれば高
さ測定誤差Δhは、Δh=D/(2 tanθ)となる。例
えば、ビーム径D=20μm、受光角度θ=30度とす
ればΔh=17.3μmとなる。
【0006】尚、走査型レーザ変位計の場合、スキャナ
(ガルバノミラー、ポリゴンミラー等)の面倒れがある
ため、照射ビームの位置そのものがばらつき、反射強度
の不均一性と同様に測定誤差の要因となる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この従来のレーザ走査
変位計では、三角測量の原理で反射光の受光位置をもと
に測定物の高さを求める場合に、単に受光ビームの強度
重心位置をビームの中心位置として高さを演算している
ため、反射率の不均一性による受光ビームの強度重心ず
れあるいは、スキャナの面倒れ誤差が高さ測定誤差とし
て生じるというような問題点があった。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の走査型レーザ変
位計は、(A)一軸ステージを有し測定物を載置する測
定台と、(B)レーザと、前記レーザのビーム径を所要
のビーム径に拡大するビーム拡大器と、前記ビーム拡大
器を通過したレーザ光を前記測定台の真上から鉛直下方
に前記測定台の送り方向と直行する方向に走査するスキ
ャナと、前記スキャナで走査されたレーザ光を前記測定
台の測定面上で所要のビーム径に収束させかつ一定速度
で走査させるfθレンズと、前記ビーム拡大器とスキャ
ナの間に置かれ測定物から鉛直方向に反射し前記fθレ
ンズで集光された反射光を分割するビームスプリッタ
と、前記ビームスプリッタで分割された光を結像させる
集光レンズと、前記集光レンズの結像位置に置かれ前記
測定台の測定面上で走査方向と直交する方向である副走
査方向における反射光の強度重心位置を検出する第1の
位置検出型受光素子とで構成される投受光光学系と、
(C)測定物の反射光の中で前記副走査方向に反射する
光の一部を斜め上方から副捜査方向に集光する第1の円
筒面レンズと、前記第1の円筒面レンズの光軸上に置か
れ捜査方向に光を集光する第2の円筒面レンズと、前記
第1の円筒面レンズと前記第2の円筒面レンズの結像位
置に置かれ前記第1の円筒面レンズによる結像位置を検
出する第2の位置検出型受光素子とで構成される受光光
学系と、(D)前記第2の位置検出型受光素子の受光位
置から三角測量の原理で測定物の高さを求める第1の演
算回路と前記第1の位置検出型受光素子の受光位置から
反射光の強度重心位置を検出し入射中心からのずれ量を
求め照射ビーム領域内における反射強度不均一性および
前記投受光光学系のスキャナの面倒れに起因する高さ測
定誤差を演算する第2の演算回路と、前記第1の演算回
路の出力を前記第2の高さ演算回路の出力で補正し高さ
を求める第3の高さ演算回路とて構成される信号処理回
路とを備えている。
【0009】
【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。
【0010】図1は、本発明の一実施例を示す斜視図で
ある。
【0011】本実施例は、次の(a)〜(d)を備えて
いる。 (a)一軸ステージを有し測定物16を載置する測定台
1。 (b)レーザ3と、レーザ3のビーム径を所要のビーム
径に拡大するビーム拡大器4と、ビーム拡大器4を通過
したレーザ光を測定台1の真上から鉛直下方に測定台1
の送り方向と直交する方向に走査するガルバノミラー5
と、ガルバノミラー5で走査されたレーザ光を測定台1
の測定面上で所要のビーム径に収束させかつ一定速度で
走査させるfθレンズ6と、ビーム拡大器4とガルバノ
ミラー5との間に置かれ測定物16から鉛直上方に反射
しfθレンズ6で集光された反射光を分割するビームス
プリッタ7とビームスプリッタ7で分割された光を所要
のビーム径に遮光するマスク8と、マスク8を通過した
光を結像させる集光レンズ9と、集光レンズ9の結像位
置に置かれ測定台1の測定面上で走査方向と直交する方
向(以下副走査方向と称す)における反射光の強度重心
位置を検出する第1のPSD10とで構成される投受光
光学系2。 (c)測定物16の反射光の中で副走査方向における反
射する光の一部を斜め上方から副走査方向に集光する第
1の円筒面レンズ12と、第1の円筒面レンズ12の光
軸上に置かれ走査方向に光を集光する第2の円筒面レン
ズ13と、第1の円筒面レンズ12と第2の円筒面レン
ズ13の結像位置に置かれ第1の円筒面レンズ12によ
る結像位置を検出する第2のPSD14とで構成される
受光光学系11。 (d)受光光学系11の第2のPSD14および投受光
光学系2の第1のPSD10の受光位置から測定物16
の高さを求める信号処理回路15。
【0012】図2は、図1に示した信号処理回路15の
構成を示したブロック図である。
【0013】受光光学系11の第2のPSD14の受光
位置のPSD中心からの変位量(d1 とする)をもと
に、受光光学系11の第1の円筒面レンズ12の結像倍
率(m1 とする)および受光光学系11の受光角度(θ
とする)を用いて、式 h1 =d1 /(m1 sin θ)……(1) から高さを求める第1の高さ演算回路17と、投受光光
学系2の第1のPSD10の受光位置のPSD中心から
の変位量(d2 とする)をもとに集光レンズ9の結像倍
率(m2 とする)および受光光学系11の受光角度θを
用いて、式 h2 =d2 /(m2 tan θ)……(2) から測定物16の反射率不均一およびガルバノミラー5
の面倒れに起因する測定誤差を求める第2の高さ演算回
路18と、第1の高さ演算回路17の出力(h1)と、
第2の高さ演算回路18の出力(h2 )を用いて、式 H=h1 −h2 ……(3) から測定誤差を補正し測定物16の走査点の高さHを求
める第3の高さ演算回路19とで信号処理回路15は構
成される。
【0014】図3は、高さが一定で反射率が不均一な測
定物16′の平面図、図4(a),(b),(c)は図
3に示した測定物を図1で示した走査型レーザ変位計で
測定した時の特徴を示すグラフである。
【0015】反射率が大きい領域20および小さい領域
21をもつ測定物16′に対して照射ビーム22を図3
で左から右に走査したとする。この場合に照射ビーム2
2が反射率の異なる2つの領域の境界にある間は、反射
ビームの強度重心が変化し重心位置がビーム22の中心
からずれる。このため図4(a)に示した第1の高さ演
算回路17の出力は領域21の左側の境界領域では見か
け上高さが一度高くなりもとにもどる。一方右側の境界
領域では逆に一度低くなりもとにもどる。
【0016】図3および図4において、P1は領域21
の左側の境界に接し始めた時の照射ビーム22の中心の
位置、P2は領域21の左側の境界から離れ始める時の
照射ビーム22の中心の位置、P3は領域21の右側の
境界に接し始めた時の照射ビーム22の中心の位置、P
4は領域21の右側の境界から離れ始める時の照射ビー
ム22の中心の位置を示す。
【0017】同図(b)は、第2の高さ演算回路18の
出力を示したものである。照射ビーム22が境界領域に
ある場合、照射ビームの強度重心の位置ずれ量に変動し
て高さ変動に相当する出力変動があらわれる。
【0018】同図(c)は、第1の高さ演算回路17の
出力から第2の高さ演算回路18の出力を演算した第3
の高さ演算回路19の出力である測定物16′の高さを
示したものである。境界領域における反射ビームの強度
重心ずれに伴う誤差がキャンセルされ正確の高さが測定
できる。
【0019】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、測定物の
照射ビーム領域内における反射率の不均一性およびスキ
ャナの面倒れに起因する反射光の強度重心位置ずれを検
出する手段をもち、かつ強度重心位置ずれに伴う高さ測
定誤差を演算・補正する機能を有しているため、反射率
変動の大きい物、スキャナの面倒れ誤差のある場合につ
いても正確に測定物の走査点の高さが測定でいるという
効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の斜視図である。
【図2】図1に示した信号処理回路15のブロック図で
ある。
【図3】図1に示した実施例の機能を説明するための測
定物の平面図である。
【図4】(a)〜(c)はそれぞれ図3に示す測定物1
6′を走査した時の第1の高さ演算回路17の出力を示
す図、第2の高さ演算回路18の出力を示す図および第
3の高さ演算回路19の出力を示す図である。
【図5】従来の走査型レーザ変位計の斜視図である。
【図6】図5に示した走査型レーザ変位計の測定原理を
説明する側面図である。
【図7】図5に示す高さ測定における問題点を説明する
側面図である。
【符号の説明】
1,50 測定台 2 投受光光学系 3,52 レーザ 4,53 ビーム拡大器 5,54 ガルバノミラー 6,55 fθレンズ 7 ビームスプリッタ 8 マスク 9 集光レンズ 10 第1のPSD 11,56 受光光学系 12,57 第1の円筒面レンズ 13,58 第2の円筒面レンズ 14 第2のPSD 15,16 信号処理回路 16,16′,61 測定物 17 第1の高さ演算回路 18 第2の高さ演算回路 19 第3の高さ演算回路 20 反射率大領域 21 反射率小領域 22 照射ビーム 51 投光光学系 59 PSD 62 レーザ光 63,63′,63″ 受光位置 64 測定物表面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01B 11/00 - 11/30 102

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (A)一軸ステージを有し測定物を載置
    する測定台と、(B)レーザと、前記レーザのビーム径
    を所要のビーム径に拡大するビーム拡大器と、前記ビー
    ム拡大器を通過したレーザ光を前記測定台の真上から鉛
    直下方に前記測定台の送り方向と直行する方向に走査す
    るスキャナと、前記スキャナで走査されたレーザ光を前
    記測定台の測定面上で所要のビーム径に収束させかつ一
    定速度で走査させるfθレンズと、前記ビーム拡大器と
    スキャナの間に置かれ測定物から鉛直方向に反射し前記
    fθレンズで集光された反射光を分割するビームスプリ
    ッタと、前記ビームスプリッタで分割された光を結像さ
    せる集光レンズと、前記集光レンズの結像位置に置かれ
    前記測定台の測定面上で走査方向と直交する方向である
    副走査方向における反射光の強度重心位置を検出する第
    1の位置検出型受光素子とで構成される投受光光学系
    と、(C)測定物の反射光の中で前記副走査方向に反射
    する光の一部を斜め上方から副捜査方向に集光する第1
    の円筒面レンズと、前記第1の円筒面レンズの光軸上に
    置かれ捜査方向に光を集光する第2の円筒面レンズと、
    前記第1の円筒面レンズと前記第2の円筒面レンズの結
    像位置に置かれ前記第1の円筒面レンズによる結像位置
    を検出する第2の位置検出型受光素子とで構成される受
    光光学系と、(D)前記第2の位置検出型受光素子の受
    光位置から三角測量の原理で測定物の高さを求める第1
    の演算回路と前記第1の位置検出型受光素子の受光位置
    から反射光の強度重心位置を検出し入射中心からのずれ
    量を求め照射ビーム領域内における反射強度不均一性お
    よび前記投受光光学系のスキャナの面倒れに起因する高
    さ測定誤差を演算する第2の演算回路と、前記第1の演
    算回路の出力を前記第2の高さ演算回路の出力で補正し
    高さを求める第3の高さ演算回路とて構成される信号処
    理回路とを備えることを特徴とする走査型レーザ変位
    計。
JP10265592A 1992-04-22 1992-04-22 走査型レーザ変位計 Expired - Lifetime JP2943498B2 (ja)

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CN104061862B (zh) * 2014-06-12 2017-12-12 北京航天发射技术研究所 基于位置传感器的远距离位移测量系统

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