JP3413503B2 - 変位検出装置 - Google Patents
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
-
- G—PHYSICS
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/026—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness by measuring distance between sensor and object
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、光学的非点収
差法を用いて対物レンズ系と被測定面との間の変位を非
接触に検出する検出装置に使用して好適な変位検出装置
に関する。
差法を用いて対物レンズ系と被測定面との間の変位を非
接触に検出する検出装置に使用して好適な変位検出装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から光学的非点収差法や、臨界角検
出法、ナイフエッジ法を用いて、対物レンズと被測定面
との間の変位あるいは、形状、表面粗さを測定する非接
触測定法が知られている。このような変位検出装置に
は、例えば、フォーカスエラー信号の絶対レベルにより
変位を検出する非接触表面粗さ計や、対物レンズに駆動
系を設け、フォーカスエラー信号をフィードバック制御
することで対物レンズを被接触面に追従させ、駆動系か
ら対物レンズと被測定面との間の変位を検出する合焦点
型非接触変位検出装置が用いられている。
出法、ナイフエッジ法を用いて、対物レンズと被測定面
との間の変位あるいは、形状、表面粗さを測定する非接
触測定法が知られている。このような変位検出装置に
は、例えば、フォーカスエラー信号の絶対レベルにより
変位を検出する非接触表面粗さ計や、対物レンズに駆動
系を設け、フォーカスエラー信号をフィードバック制御
することで対物レンズを被接触面に追従させ、駆動系か
ら対物レンズと被測定面との間の変位を検出する合焦点
型非接触変位検出装置が用いられている。
【０００３】図９において、この発明の出願人と同一出
願人による変位検出装置に関する出願（特願平３−１４
１８３６号）の実施例の構成を示す。この変位検出装置
は、スケール付き合焦点型非接触検出装置である。図９
において、１は検出光学系であり、被測定面６から反射
した反射光により対物レンズ５と被測定面６との間の距
離の焦点距離からのずれを検出するものである。１６は
アクチュエータであり、検出光学系１の受光素子７から
の出力に基づいて対物レンズ５と被測定面６との間の距
離が焦点距離となるように対物レンズ５を光軸２１方向
に移動するものである。２０はリニアスケールであり、
対物レンズ５の光軸２１と同軸２２上に配置されると共
に、アクチュエータ１６に一体的に取り付けられ、この
対物レンズと一体的に移動されるものである。なお、検
出光学系１は、レーザダイオード２、ビームスプリッタ
３、ミラー４および受光素子７とからなる。
願人による変位検出装置に関する出願（特願平３−１４
１８３６号）の実施例の構成を示す。この変位検出装置
は、スケール付き合焦点型非接触検出装置である。図９
において、１は検出光学系であり、被測定面６から反射
した反射光により対物レンズ５と被測定面６との間の距
離の焦点距離からのずれを検出するものである。１６は
アクチュエータであり、検出光学系１の受光素子７から
の出力に基づいて対物レンズ５と被測定面６との間の距
離が焦点距離となるように対物レンズ５を光軸２１方向
に移動するものである。２０はリニアスケールであり、
対物レンズ５の光軸２１と同軸２２上に配置されると共
に、アクチュエータ１６に一体的に取り付けられ、この
対物レンズと一体的に移動されるものである。なお、検
出光学系１は、レーザダイオード２、ビームスプリッタ
３、ミラー４および受光素子７とからなる。
【０００４】このように構成された従来の変位検出装置
は、以下のような動作をする。検出光学系１を用いて被
測定面６から反射した反射光により対物レンズ５と被測
定面６との間の距離の焦点距離からのずれを検出し、ア
クチュエータ１６を用いて検出光学系１の受光素子７の
出力に基づいて対物レンズ５と被測定面６との間の距離
が焦点距離になるように対物レンズ５を光軸２１方向に
移動させると共に、そのアクチュエータ１６に対物レン
ズ５の光軸２１と同軸２２上に配置したリニアスケール
２０を一体的に取り付けるようにしたので、被測定面６
の変位に対応して対物レンズ５とともにリニアスケール
２０が移動する。これにより被測定面６の変位をリニア
スケール２０の変位として検出するものである。
は、以下のような動作をする。検出光学系１を用いて被
測定面６から反射した反射光により対物レンズ５と被測
定面６との間の距離の焦点距離からのずれを検出し、ア
クチュエータ１６を用いて検出光学系１の受光素子７の
出力に基づいて対物レンズ５と被測定面６との間の距離
が焦点距離になるように対物レンズ５を光軸２１方向に
移動させると共に、そのアクチュエータ１６に対物レン
ズ５の光軸２１と同軸２２上に配置したリニアスケール
２０を一体的に取り付けるようにしたので、被測定面６
の変位に対応して対物レンズ５とともにリニアスケール
２０が移動する。これにより被測定面６の変位をリニア
スケール２０の変位として検出するものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の変位検出装置では、検出光学系１は少なくともレーザ
ダイオード２、ビームスプリッタ３、ミラー４および受
光素子７とを必要とし、これら単品を組み合わせて構成
するため、構成が複雑になり、装置が大型化し、微細な
調整を必要とするため位置ずれや振動に弱く、量産に向
かないという不都合があった。
の変位検出装置では、検出光学系１は少なくともレーザ
ダイオード２、ビームスプリッタ３、ミラー４および受
光素子７とを必要とし、これら単品を組み合わせて構成
するため、構成が複雑になり、装置が大型化し、微細な
調整を必要とするため位置ずれや振動に弱く、量産に向
かないという不都合があった。
【０００６】また、対物レンズ５に駆動系を設けて対物
レンズを被測定面６に対して可変にした場合、対物レン
ズ５の他にコリメータレンズも必要となり、その取り付
けの際の位置ずれが誤差要因になるという不都合があっ
た。
レンズを被測定面６に対して可変にした場合、対物レン
ズ５の他にコリメータレンズも必要となり、その取り付
けの際の位置ずれが誤差要因になるという不都合があっ
た。
【０００７】さらに、位置を検出する際に、検出光学系
１の光路長が長くなるため、温度変化による検出光学系
を構成する部品の熱膨張等の影響が考えられ、これら被
測定面６の変位量を１００分の１〔μｍ〕程度以上の高
精度で測定することは難しいという不都合があった。
１の光路長が長くなるため、温度変化による検出光学系
を構成する部品の熱膨張等の影響が考えられ、これら被
測定面６の変位量を１００分の１〔μｍ〕程度以上の高
精度で測定することは難しいという不都合があった。
【０００８】本発明は、かかる点に鑑みてなされたもの
であり、安価で小型、かつ高精度で変位を検出できる変
位検出装置の提供を目的とする。
であり、安価で小型、かつ高精度で変位を検出できる変
位検出装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の変位検出装置
は、例えば図１から図４に示す如く、被測定面６に対し
てレーザ光Ｌを集光する対物レンズ系５と、被測定面６
から反射した反射光により対物レンズ系５と被測定面６
との間の距離ｄの焦点距離ｆ１からのずれを示すフォー
カスエラー信号を検出する検出光学系１と、検出光学系
１の出力信号に基づいて対物レンズ系５と被測定面６と
の距離ｄが焦点距離ｆ１になるように対物レンズ系５を
光軸２１方向に移動するアクチュエータ１６と、対物レ
ンズ系５の光軸２１と同軸上に配置されると共に、アク
チュエータ１６に一体的に取り付けられたリニアスケー
ル２０または検出ヘッド２５とを備え、このリニアスケ
ール２０または検出ヘッド２５が対物レンズ系５と一体
的に移動されるようにした変位検出装置において、検出
光学系１として、少なくとも半導体レーザ光源４１と、
対物レンズ系５から戻ったレーザ光Ｌにより対物レンズ
系５と被測定面６との距離ｄが焦点距離ｆ１になる信号
を検出する複数の受光素子４２と、受光素子４２に対物
レンズ系５から戻った光を導く光学部品４３とをひとつ
のパッケージ内に集積したワンチップ光ＩＣ４４を用
い、少なくとも、アクチュエータ１６およびリニアスケ
ール２０並びに検出ヘッド２５とを有する本体３４と、
ワンチップ光ＩＣ４４および対物レンズ系５とを有し、
ワンチップ光ＩＣ４４および対物レンズ系５を所定の間
隔に支持し、本体３４とは別に設けられた光触針子３５
と、光触針子３５と本体３４とを連結し、低膨張率の長
尺部材からなるスピンドル４０とを備えたものである。
は、例えば図１から図４に示す如く、被測定面６に対し
てレーザ光Ｌを集光する対物レンズ系５と、被測定面６
から反射した反射光により対物レンズ系５と被測定面６
との間の距離ｄの焦点距離ｆ１からのずれを示すフォー
カスエラー信号を検出する検出光学系１と、検出光学系
１の出力信号に基づいて対物レンズ系５と被測定面６と
の距離ｄが焦点距離ｆ１になるように対物レンズ系５を
光軸２１方向に移動するアクチュエータ１６と、対物レ
ンズ系５の光軸２１と同軸上に配置されると共に、アク
チュエータ１６に一体的に取り付けられたリニアスケー
ル２０または検出ヘッド２５とを備え、このリニアスケ
ール２０または検出ヘッド２５が対物レンズ系５と一体
的に移動されるようにした変位検出装置において、検出
光学系１として、少なくとも半導体レーザ光源４１と、
対物レンズ系５から戻ったレーザ光Ｌにより対物レンズ
系５と被測定面６との距離ｄが焦点距離ｆ１になる信号
を検出する複数の受光素子４２と、受光素子４２に対物
レンズ系５から戻った光を導く光学部品４３とをひとつ
のパッケージ内に集積したワンチップ光ＩＣ４４を用
い、少なくとも、アクチュエータ１６およびリニアスケ
ール２０並びに検出ヘッド２５とを有する本体３４と、
ワンチップ光ＩＣ４４および対物レンズ系５とを有し、
ワンチップ光ＩＣ４４および対物レンズ系５を所定の間
隔に支持し、本体３４とは別に設けられた光触針子３５
と、光触針子３５と本体３４とを連結し、低膨張率の長
尺部材からなるスピンドル４０とを備えたものである。
【００１０】
【００１１】また、本発明の変位検出装置は、例えば、
図１から図４に示す如く、スピンドル４０はその長さ方
向に空洞を有し、空洞にワンチップ光ＩＣ４４のリード
線を配置するものである。
図１から図４に示す如く、スピンドル４０はその長さ方
向に空洞を有し、空洞にワンチップ光ＩＣ４４のリード
線を配置するものである。
【００１２】また、本発明の変位検出装置は、例えば、
図８に示す如く、スピンドル４０はその長さ方向に空洞
を有し、スピンドル４０の本体３４側端部にワンチップ
光ＩＣ４４およびコリメータレンズ３６を設け、スピン
ドル４０の被測定面６に対向する側の端部に対物レンズ
系５を設け、スピンドル４０が光触針子を含むように
し、スピンドル４０のワンチップ光ＩＣ４４およびコリ
メータレンズ３６が設けられた部分が本体３４内部に覆
われるようにしたものである。
図８に示す如く、スピンドル４０はその長さ方向に空洞
を有し、スピンドル４０の本体３４側端部にワンチップ
光ＩＣ４４およびコリメータレンズ３６を設け、スピン
ドル４０の被測定面６に対向する側の端部に対物レンズ
系５を設け、スピンドル４０が光触針子を含むように
し、スピンドル４０のワンチップ光ＩＣ４４およびコリ
メータレンズ３６が設けられた部分が本体３４内部に覆
われるようにしたものである。
【００１３】
【作用】本発明によれば、検出光学系１として、少なく
とも半導体レーザ光源４１と、対物レンズ系５から戻っ
たレーザ光Ｌにより対物レンズ系５と被測定面６との距
離ｄが焦点距離ｆ1 になる信号を検出する複数の受光素
子４２と、受光素子４２に対物レンズ系５から戻った光
を導く光学部品４３とをひとつのパッケージ内に集積し
たワンチップ光ＩＣ４４を用いたので、装置の安定化に
よる検出精度の向上および小型化を図ることができ、振
動や熱等の外乱に対する信頼性、量産性を向上すること
ができる。
とも半導体レーザ光源４１と、対物レンズ系５から戻っ
たレーザ光Ｌにより対物レンズ系５と被測定面６との距
離ｄが焦点距離ｆ1 になる信号を検出する複数の受光素
子４２と、受光素子４２に対物レンズ系５から戻った光
を導く光学部品４３とをひとつのパッケージ内に集積し
たワンチップ光ＩＣ４４を用いたので、装置の安定化に
よる検出精度の向上および小型化を図ることができ、振
動や熱等の外乱に対する信頼性、量産性を向上すること
ができる。
【００１４】また、本発明によれば、本体３４とは別に
設けられた光触針子３５と、光触針子３５と本体３４と
を連結し、低膨張率の長尺部材からなるスピンドル４０
とを設けたので、省スペース化を図ることができる。
設けられた光触針子３５と、光触針子３５と本体３４と
を連結し、低膨張率の長尺部材からなるスピンドル４０
とを設けたので、省スペース化を図ることができる。
【００１５】また、本発明によれば、スピンドル４０は
その長さ方向に空洞を有し、空洞にワンチップ光ＩＣ４
４のリード線を配置したので、省スペース化を図ること
ができる。
その長さ方向に空洞を有し、空洞にワンチップ光ＩＣ４
４のリード線を配置したので、省スペース化を図ること
ができる。
【００１６】また、本発明によれば、スピンドル４０は
その長さ方向に空洞を有し、スピンドル４０の本体３４
側端部にワンチップ光ＩＣ４４およびコリメータレンズ
３６を設け、スピンドル４０の被測定面６に対向する側
の端部に対物レンズ系５を設け、スピンドル４０が光触
針子を含むようにし、スピンドル４０のワンチップ光Ｉ
Ｃ４４およびコリメータレンズ３６が設けられた部分が
本体３４内部に覆われるようにしたので、省スペース化
を図ることができる。
その長さ方向に空洞を有し、スピンドル４０の本体３４
側端部にワンチップ光ＩＣ４４およびコリメータレンズ
３６を設け、スピンドル４０の被測定面６に対向する側
の端部に対物レンズ系５を設け、スピンドル４０が光触
針子を含むようにし、スピンドル４０のワンチップ光Ｉ
Ｃ４４およびコリメータレンズ３６が設けられた部分が
本体３４内部に覆われるようにしたので、省スペース化
を図ることができる。
【００１７】
【実施例】以下本発明に係る変位検出装置の一実施例
を、図１から図８に従い詳細に説明する。ここで、図１
から図８において図９の従来の変位検出装置に対応する
部分には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略す
る。
を、図１から図８に従い詳細に説明する。ここで、図１
から図８において図９の従来の変位検出装置に対応する
部分には同一の符号を付して、その詳細な説明を省略す
る。
【００１８】図４において、１はフォーカスエラー信号
Ｅを出力する検出光学系である。この検出光学系１は、
図１から図３に示すように、ワンチップ光ＩＣからなる
ものであり、光源としてのレーザダイオード４１、レー
ザダイオード４１から射出されたレーザ光Ｌを対物レン
ズ５に向けて反射するプリズム４３、被測定面６で反射
したレーザ光Ｌを受光する受光素子４２を含むものであ
る。この検出光学系１の外形寸法は例えば６．５ｍｍ×
７．５ｍｍ×１．４ｍｍという小型であり、光学系の配
置が精度良くなされ、量産が可能なものである。また、
更に集積化技術が進めば少なくとも半分以下の小型化が
可能となるものである。
Ｅを出力する検出光学系である。この検出光学系１は、
図１から図３に示すように、ワンチップ光ＩＣからなる
ものであり、光源としてのレーザダイオード４１、レー
ザダイオード４１から射出されたレーザ光Ｌを対物レン
ズ５に向けて反射するプリズム４３、被測定面６で反射
したレーザ光Ｌを受光する受光素子４２を含むものであ
る。この検出光学系１の外形寸法は例えば６．５ｍｍ×
７．５ｍｍ×１．４ｍｍという小型であり、光学系の配
置が精度良くなされ、量産が可能なものである。また、
更に集積化技術が進めば少なくとも半分以下の小型化が
可能となるものである。
【００１９】この検出光学系１としてのワンチップ光Ｉ
Ｃ４４と対物レンズ５と、両者を所定距離に固定支持す
る部材とで光触針子３５を構成する。上記光触針子３５
は、少なくとも、可動コイル１７と永久磁石１８で構成
されるアクチュエータ１６と、リニアスケール２０、検
出ヘッド２５、連結部材２７、取り付け基準面４５とで
構成される本体３４とはスピンドル４０を介して配置さ
れる。ここで、検出光学系１としてのワンチップ光ＩＣ
４４のリード線は、直接プリアンプ２に接続してもよい
が、図示しない支持部材等で支持してプリアンプ２に接
続してもよく、なお一層コンパクトな構成として、スピ
ンドル４０にその長さ方向に空洞を設け、その空洞にワ
ンチップＩＣ４４のリード線を配置するようにしてもよ
い。このリード線はワンチップ光ＩＣ４４とプリアンプ
２とを接続するものである。
Ｃ４４と対物レンズ５と、両者を所定距離に固定支持す
る部材とで光触針子３５を構成する。上記光触針子３５
は、少なくとも、可動コイル１７と永久磁石１８で構成
されるアクチュエータ１６と、リニアスケール２０、検
出ヘッド２５、連結部材２７、取り付け基準面４５とで
構成される本体３４とはスピンドル４０を介して配置さ
れる。ここで、検出光学系１としてのワンチップ光ＩＣ
４４のリード線は、直接プリアンプ２に接続してもよい
が、図示しない支持部材等で支持してプリアンプ２に接
続してもよく、なお一層コンパクトな構成として、スピ
ンドル４０にその長さ方向に空洞を設け、その空洞にワ
ンチップＩＣ４４のリード線を配置するようにしてもよ
い。このリード線はワンチップ光ＩＣ４４とプリアンプ
２とを接続するものである。
【００２０】一方、ワンチップ光ＩＣ４４のレーザダイ
オード４１から出射されるレーザ光Ｌは、その往路にお
いて、まずプリズム４３で焦点距離ｆ1 を有する対物レ
ンズ５に向けて反射される。対物レンズ５に入射された
レーザ光Ｌは、対物レンズ５により被測定面６に集光さ
れる。被測定面６で反射されたレーザ光Ｌは、その復路
において、まず対物レンズ５に入射された後にプリズム
４３に入射する。プリズム４３に入射したレーザ光Ｌ
は、合焦点位置の前後に配置された複数の受光素子４２
で検出される。
オード４１から出射されるレーザ光Ｌは、その往路にお
いて、まずプリズム４３で焦点距離ｆ1 を有する対物レ
ンズ５に向けて反射される。対物レンズ５に入射された
レーザ光Ｌは、対物レンズ５により被測定面６に集光さ
れる。被測定面６で反射されたレーザ光Ｌは、その復路
において、まず対物レンズ５に入射された後にプリズム
４３に入射する。プリズム４３に入射したレーザ光Ｌ
は、合焦点位置の前後に配置された複数の受光素子４２
で検出される。
【００２１】受光素子４２は、例えば図５Ａのように、
それぞれ４個の短冊状のフォトディテクターを４列平行
に配置されたフォトディテクターアレイで構成される。
これら２組のフォトディテクターアレイは、合焦点を中
心として、対称の位置となるように、配置する（４２
ａ，４２ｂ）。焦点位置の検出は、これら２組のフォト
ディテクターアレイに入射するスポット径の大きさを比
較することで行う。対物レンズ５が被測定面６に対して
焦点距離ｆ1 より遠い位置にある場合は、図５Ｂに示す
ように受光素子４２であるフォトディテクターアレイに
あたるスポット径は、合焦点より前に配置される方が小
さくなり、他方は大きくなる。又対物レンズ５と被測定
面６との距離が焦点距離ｆ1 にある場合は図５Ｃのよう
に、それぞれのフォトディテクターアレイにあたるスポ
ット径は等しくなる。さらに、対物レンズ５が被測定面
６に対し、焦点距離ｆ1 より近づいた場合には、図５Ｄ
のように、合焦点より前に配置されたフォトディテクタ
ーアレイにあたるスポット径は大きくなり、他方は小さ
くなる。
それぞれ４個の短冊状のフォトディテクターを４列平行
に配置されたフォトディテクターアレイで構成される。
これら２組のフォトディテクターアレイは、合焦点を中
心として、対称の位置となるように、配置する（４２
ａ，４２ｂ）。焦点位置の検出は、これら２組のフォト
ディテクターアレイに入射するスポット径の大きさを比
較することで行う。対物レンズ５が被測定面６に対して
焦点距離ｆ1 より遠い位置にある場合は、図５Ｂに示す
ように受光素子４２であるフォトディテクターアレイに
あたるスポット径は、合焦点より前に配置される方が小
さくなり、他方は大きくなる。又対物レンズ５と被測定
面６との距離が焦点距離ｆ1 にある場合は図５Ｃのよう
に、それぞれのフォトディテクターアレイにあたるスポ
ット径は等しくなる。さらに、対物レンズ５が被測定面
６に対し、焦点距離ｆ1 より近づいた場合には、図５Ｄ
のように、合焦点より前に配置されたフォトディテクタ
ーアレイにあたるスポット径は大きくなり、他方は小さ
くなる。
【００２２】このように、対物レンズ５と被測定面６と
の距離に対応して、受光素子４２にあたるスポット径が
変化する。従って、それぞれのフォトディテクターの出
力変化から焦点位置が検出でき、それぞれの出力の和と
差をとって、フォーカスエラー信号Ｅを生成する。
の距離に対応して、受光素子４２にあたるスポット径が
変化する。従って、それぞれのフォトディテクターの出
力変化から焦点位置が検出でき、それぞれの出力の和と
差をとって、フォーカスエラー信号Ｅを生成する。
【００２３】
【数１】
フォーカスエラー信号Ｅ＝（ａ1 ＋ａ4 ＋ｂ2 ＋ｂ3 ）
−（ａ2 ＋ａ3 ＋ｂ1 ＋ｂ4 ）
【００２４】なお、受光素子としては、先に示したこの
発明と同一出願人による変位検出装置に関する出願（特
願平３−１４１８３６号）の実施例にその構成を示した
４分割ダイオードを用いてもよい。図６の特性におい
て、横軸は対物レンズ５と被測定面６との間の距離ｄ
［ｍｍ］を示し、縦軸はフォーカスエラー信号Ｅの電圧
レベルＶ［Ｖ］を示すものである。原点Ｏは合焦点位置
を示し、この位置で焦点距離ｆ1 と対物レンズ５と被測
定面６との距離ｄとが等しくなる。
発明と同一出願人による変位検出装置に関する出願（特
願平３−１４１８３６号）の実施例にその構成を示した
４分割ダイオードを用いてもよい。図６の特性におい
て、横軸は対物レンズ５と被測定面６との間の距離ｄ
［ｍｍ］を示し、縦軸はフォーカスエラー信号Ｅの電圧
レベルＶ［Ｖ］を示すものである。原点Ｏは合焦点位置
を示し、この位置で焦点距離ｆ1 と対物レンズ５と被測
定面６との距離ｄとが等しくなる。
【００２５】このような特性を有するフォーカスエラー
信号Ｅをサーボ制御回路１５に供給する。サーボ制御回
路１５は、比較回路とサーボアンプとを有し、フォーカ
スエラー信号Ｅがゼロ値となるような駆動信号Ｓ１をア
クチュエータ１６を構成する可動コイル１７に供給す
る。
信号Ｅをサーボ制御回路１５に供給する。サーボ制御回
路１５は、比較回路とサーボアンプとを有し、フォーカ
スエラー信号Ｅがゼロ値となるような駆動信号Ｓ１をア
クチュエータ１６を構成する可動コイル１７に供給す
る。
【００２６】アクチュエータ１６は、可動コイル１７と
永久磁石１８と棒状の連結部材２７とを有している。こ
の可動コイル１７の一端部は連結部材２７の一端部に固
定され、この連結部材２７の他端部にはスピンドル４０
を介して光触針子３５が固定されている。
永久磁石１８と棒状の連結部材２７とを有している。こ
の可動コイル１７の一端部は連結部材２７の一端部に固
定され、この連結部材２７の他端部にはスピンドル４０
を介して光触針子３５が固定されている。
【００２７】また、連結部材２７の所定位置に目盛１９
が付けられたリニアスケール２０が固定されている。こ
こで、リニアスケール２０の目盛１９は対物レンズ５の
光軸２１の延長線上に合わせて付けられている。言い換
えれば、リニアスケール２０が対物レンズ５の光軸２１
に対して同軸（インライン）上に配置されていることに
なる。
が付けられたリニアスケール２０が固定されている。こ
こで、リニアスケール２０の目盛１９は対物レンズ５の
光軸２１の延長線上に合わせて付けられている。言い換
えれば、リニアスケール２０が対物レンズ５の光軸２１
に対して同軸（インライン）上に配置されていることに
なる。
【００２８】なお、リニアスケール２０としては、例え
ば、光の干渉縞を目盛１９として記録した光学的スケー
ルを用いることができる。光学的スケールに代替して、
磁気式スケールあるいは容量式スケールでもよい。
ば、光の干渉縞を目盛１９として記録した光学的スケー
ルを用いることができる。光学的スケールに代替して、
磁気式スケールあるいは容量式スケールでもよい。
【００２９】リニアスケール２０の目盛１９は取り付け
基準面４５を有するシャーシ等に固定された検出ヘッド
２５により検出することができる。この基準面４５は少
なくとも１面有すれば良いが、４つの各面に設けても良
い。
基準面４５を有するシャーシ等に固定された検出ヘッド
２５により検出することができる。この基準面４５は少
なくとも１面有すれば良いが、４つの各面に設けても良
い。
【００３０】よって、リニアスケール２０が変位すると
検出ヘッド２５の出力信号に基づき信号処理回路２６に
より変位量を検出することができる。検出された変位量
は信号処理回路２６を通じて図示しない表示器あるいは
データロガーに供給される。
検出ヘッド２５の出力信号に基づき信号処理回路２６に
より変位量を検出することができる。検出された変位量
は信号処理回路２６を通じて図示しない表示器あるいは
データロガーに供給される。
【００３１】上例では、ニリアスケール２０を連結部材
２７に接続して移動可能とし、検出ヘッド２５をシャー
シ等に固定する例を示したが、リニアスケール２０をシ
ャーシ等に固定し、検出ヘッド２５を連結部材２７に接
続して移動させてもよい。
２７に接続して移動可能とし、検出ヘッド２５をシャー
シ等に固定する例を示したが、リニアスケール２０をシ
ャーシ等に固定し、検出ヘッド２５を連結部材２７に接
続して移動させてもよい。
【００３２】この場合、上述したように、サーボ制御回
路１５は、フォーカスエラー信号Ｅがゼロ値となるよう
な駆動信号Ｓ１をアクチュエータ１６を構成する可動コ
イル１７に供給する。
路１５は、フォーカスエラー信号Ｅがゼロ値となるよう
な駆動信号Ｓ１をアクチュエータ１６を構成する可動コ
イル１７に供給する。
【００３３】これにより、可動コイル１７と連結部材２
７、スピンドル４０を通じて一体的に取り付けられてい
る光触針子３５の対物レンズ５と被測定面６との間の距
離ｄは、常に、対物レンズ５の焦点距離ｆ1 に等しい値
となるようにフィードバック制御される。つまり被測定
面６の微細な変位に対しても追従することができる。
７、スピンドル４０を通じて一体的に取り付けられてい
る光触針子３５の対物レンズ５と被測定面６との間の距
離ｄは、常に、対物レンズ５の焦点距離ｆ1 に等しい値
となるようにフィードバック制御される。つまり被測定
面６の微細な変位に対しても追従することができる。
【００３４】従って、被測定面６が変位したときには、
焦点距離ｆ1 を保持するように光触針子３５を移動させ
る。この光触針子３５の移動によりリニアスケール２０
の目盛１９を検出ヘッド２５が読み取ることにより被測
定面６の変位を検出することができる。検出ヘッド２５
の出力信号に基づき、信号処理回路２６により被測定面
６の変位量を計算することができる。
焦点距離ｆ1 を保持するように光触針子３５を移動させ
る。この光触針子３５の移動によりリニアスケール２０
の目盛１９を検出ヘッド２５が読み取ることにより被測
定面６の変位を検出することができる。検出ヘッド２５
の出力信号に基づき、信号処理回路２６により被測定面
６の変位量を計算することができる。
【００３５】計算された変位量は、図示しない表示器上
に表示し、あるいはデータロガーに記録することができ
るので、容易に自動計測が可能になる。なお、信号処理
回路２６で内挿処理を行うことにより、変位量を高分解
能で測定することができる。
に表示し、あるいはデータロガーに記録することができ
るので、容易に自動計測が可能になる。なお、信号処理
回路２６で内挿処理を行うことにより、変位量を高分解
能で測定することができる。
【００３６】このようにして得られた変位量は、光触針
子３５と一体的に移動するようにされたリニアスケール
２０または検出ヘッド２５が対物レンズ５の光軸２１と
同軸上、いわゆるインライン上に配置されていることか
ら、光軸２１の方向の傾き等によるアッベ誤差が発生し
ない。このため、リニアスケール２０または検出ヘッド
２５の変位量と対物レンズ５の変位量とが１対１に対応
するので、極めて高精度に変位量を検出することができ
る。
子３５と一体的に移動するようにされたリニアスケール
２０または検出ヘッド２５が対物レンズ５の光軸２１と
同軸上、いわゆるインライン上に配置されていることか
ら、光軸２１の方向の傾き等によるアッベ誤差が発生し
ない。このため、リニアスケール２０または検出ヘッド
２５の変位量と対物レンズ５の変位量とが１対１に対応
するので、極めて高精度に変位量を検出することができ
る。
【００３７】また、リニアスケール２０の検出範囲（目
盛１９のフルスケール）内であれば、検出精度を損なう
こと無く広い検出範囲が得られる。
盛１９のフルスケール）内であれば、検出精度を損なう
こと無く広い検出範囲が得られる。
【００３８】さらに、フィードバック制御としているの
で、被測定面６の反射率によってフォーカスエラー信号
Ｅの感度が変わっても、測定誤差を生じない上、サーボ
系やアクチュエータ１６の素子のばらつきやドリフトを
原因として誤差が生じることがない。このため、調整、
校正の手間が省略できて、長期にわたって安定した検出
を行うことができる。
で、被測定面６の反射率によってフォーカスエラー信号
Ｅの感度が変わっても、測定誤差を生じない上、サーボ
系やアクチュエータ１６の素子のばらつきやドリフトを
原因として誤差が生じることがない。このため、調整、
校正の手間が省略できて、長期にわたって安定した検出
を行うことができる。
【００３９】図１例において、アクチュエータ１６とし
てはボイスコイルモータを使用しているので、被測定面
６の変位に対する直線性が良い。ボイスコイルモータは
可動コイル１７に供給される電流に対して直線的に変位
するモータだからである。したがって、可動コイル１７
に供給される電流を測定することにより簡易に変位量の
検出を行うこともできる。なお、アクチュエータ１６と
しては、ボイスコイルモータに限らず、ＤＣサーボモー
タ、ステッピングモータあるいは電圧素子等に代替して
もよい。
てはボイスコイルモータを使用しているので、被測定面
６の変位に対する直線性が良い。ボイスコイルモータは
可動コイル１７に供給される電流に対して直線的に変位
するモータだからである。したがって、可動コイル１７
に供給される電流を測定することにより簡易に変位量の
検出を行うこともできる。なお、アクチュエータ１６と
しては、ボイスコイルモータに限らず、ＤＣサーボモー
タ、ステッピングモータあるいは電圧素子等に代替して
もよい。
【００４０】また、フォーカスエラー信号Ｅを得るため
の方法として、非点収差法や臨界角法、ナイフエッジ法
等を利用しても良い。いずれの方法においても、フォー
カスエラー信号Ｅがゼロ値になるように制御するので、
被測定面６の反射率が異なっても、精度良く変位を検出
することができる。
の方法として、非点収差法や臨界角法、ナイフエッジ法
等を利用しても良い。いずれの方法においても、フォー
カスエラー信号Ｅがゼロ値になるように制御するので、
被測定面６の反射率が異なっても、精度良く変位を検出
することができる。
【００４１】さらにまた、リニアスケール２０に原点３
１を形成することにより、その原点３１の位置を基準位
置として変位量を検出することができる。
１を形成することにより、その原点３１の位置を基準位
置として変位量を検出することができる。
【００４２】図７に本発明の変位検出装置の他の実施例
の構成を示す。なお、図７において、図４に対応するも
のには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図
７において、案内部材３２を連結部材２７が貫通するよ
うに配置する。ここで、案内部材３２の配置位置は、走
り精度を向上するために、対物レンズ５の光軸の延長線
上でリニアスケール２０の後方側に配置することが望ま
しい。この案内部材３２は検出ヘッド２５と共に支持部
材３３に取り付けられ、この支持部材３３は図示しない
シャーシに固定される。
の構成を示す。なお、図７において、図４に対応するも
のには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図
７において、案内部材３２を連結部材２７が貫通するよ
うに配置する。ここで、案内部材３２の配置位置は、走
り精度を向上するために、対物レンズ５の光軸の延長線
上でリニアスケール２０の後方側に配置することが望ま
しい。この案内部材３２は検出ヘッド２５と共に支持部
材３３に取り付けられ、この支持部材３３は図示しない
シャーシに固定される。
【００４３】このように、案内部材３２を設けること
で、連結部材２７の走り精度が向上し、検出ヘッド２５
のリニアスケール２０に対する読み取り精度が向上する
という利点が得られる。なお、案内部材３２の案内機構
としては、ベアリング等の接触型案内機構を用いても良
いが、マグネットあるいはエアスライドにより浮上させ
る非接触型案内機構を採用することで、一層高精度な変
位検出装置を構成することができる。
で、連結部材２７の走り精度が向上し、検出ヘッド２５
のリニアスケール２０に対する読み取り精度が向上する
という利点が得られる。なお、案内部材３２の案内機構
としては、ベアリング等の接触型案内機構を用いても良
いが、マグネットあるいはエアスライドにより浮上させ
る非接触型案内機構を採用することで、一層高精度な変
位検出装置を構成することができる。
【００４４】図８に本発明の変位検出装置の他の実施例
の構成を示す。なお、図８において、図４に対応するも
のには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図
８において、スピンドル４０の一端をリニアスケール２
０の下端部に接続する。スピンドル４０はその長さ方向
に空洞を有する。このスピンドル４０の空洞のリニアス
ケール２０側の一端部に検出光学系１としてのワンチッ
プ光ＩＣ４４を設ける。さらにスピンドル４０の空洞の
リニアスケール２０側の一端部であってワンチップ光Ｉ
Ｃ４４の下方にコリメータレンズ３６を設ける。スピン
ドル４０の空洞の他端部に対物レンズ５を設ける。ここ
で、スピンドル４０は光触針子を含むものであり、スピ
ンドル４０の検出光学系１としてのワンチップ光ＩＣ４
４およびコリメータレンズ３６が設けられている部分は
本体３４に覆われるように構成されている。
の構成を示す。なお、図８において、図４に対応するも
のには同一符号を付してその詳細な説明を省略する。図
８において、スピンドル４０の一端をリニアスケール２
０の下端部に接続する。スピンドル４０はその長さ方向
に空洞を有する。このスピンドル４０の空洞のリニアス
ケール２０側の一端部に検出光学系１としてのワンチッ
プ光ＩＣ４４を設ける。さらにスピンドル４０の空洞の
リニアスケール２０側の一端部であってワンチップ光Ｉ
Ｃ４４の下方にコリメータレンズ３６を設ける。スピン
ドル４０の空洞の他端部に対物レンズ５を設ける。ここ
で、スピンドル４０は光触針子を含むものであり、スピ
ンドル４０の検出光学系１としてのワンチップ光ＩＣ４
４およびコリメータレンズ３６が設けられている部分は
本体３４に覆われるように構成されている。
【００４５】このような例によれば、検出光学系１とし
てのワンチップ光ＩＣ４４をスピンドル４０の空洞内で
あって、本体３４の内部に設けるので、スピンドル４０
の先端部を細くすることができ、省スペース化を図るこ
とができる。また、本発明は上述の実施例に限らず本発
明の要旨を逸脱することなく種々の構成を取り得ること
はいうまでもない。
てのワンチップ光ＩＣ４４をスピンドル４０の空洞内で
あって、本体３４の内部に設けるので、スピンドル４０
の先端部を細くすることができ、省スペース化を図るこ
とができる。また、本発明は上述の実施例に限らず本発
明の要旨を逸脱することなく種々の構成を取り得ること
はいうまでもない。
【００４６】
【発明の効果】本発明によれば、検出光学系として、少
なくとも半導体レーザ光源と、対物レンズ系から戻った
レーザ光により対物レンズ系と被測定面との距離が焦点
距離になる信号を検出する複数の受光素子と、受光素子
に対物レンズ系から戻った光を導く光学部品とをひとつ
のパッケージ内に集積したワンチップ光ＩＣを用いたの
で、装置の安定化による検出精度の向上および小型化を
図ることができ、振動や熱等の外乱に対する信頼性、量
産性を向上することができる。さらに、ワンチップ光Ｉ
Ｃを用いることで、光路長が短縮されるため、構成部品
の熱膨張等の影響が無視できるほどになり、被測定面の
変位量を１００分の１μｍ程度以上の精度で測定できる
ようになる。さらに、ワンチップ光ＩＣを用いること
で、光学系の基準面が明確になり、ワンチップ光ＩＣと
対物レンズ系との位置関係を管理しやすくなる。
なくとも半導体レーザ光源と、対物レンズ系から戻った
レーザ光により対物レンズ系と被測定面との距離が焦点
距離になる信号を検出する複数の受光素子と、受光素子
に対物レンズ系から戻った光を導く光学部品とをひとつ
のパッケージ内に集積したワンチップ光ＩＣを用いたの
で、装置の安定化による検出精度の向上および小型化を
図ることができ、振動や熱等の外乱に対する信頼性、量
産性を向上することができる。さらに、ワンチップ光Ｉ
Ｃを用いることで、光路長が短縮されるため、構成部品
の熱膨張等の影響が無視できるほどになり、被測定面の
変位量を１００分の１μｍ程度以上の精度で測定できる
ようになる。さらに、ワンチップ光ＩＣを用いること
で、光学系の基準面が明確になり、ワンチップ光ＩＣと
対物レンズ系との位置関係を管理しやすくなる。
【００４７】また、本発明によれば、本体とは別に設け
られた光触針子と、光触針子と本体とを連結し、低膨張
率の長尺部材からなるスピンドルとを設けたので、従来
では測定機の構造上、測定不可能だった狭い部分等の測
定が可能となる。
られた光触針子と、光触針子と本体とを連結し、低膨張
率の長尺部材からなるスピンドルとを設けたので、従来
では測定機の構造上、測定不可能だった狭い部分等の測
定が可能となる。
【００４８】また、本発明によれば、スピンドルはその
長さ方向に空洞を有し、空洞にワンチップ光ＩＣのリー
ド線を配置したので、省スペース化を図ることができる
とともに、リード線の影響による振動特性の劣化を防止
できる。
長さ方向に空洞を有し、空洞にワンチップ光ＩＣのリー
ド線を配置したので、省スペース化を図ることができる
とともに、リード線の影響による振動特性の劣化を防止
できる。
【００４９】また、本発明によれば、スピンドルはその
長さ方向に空洞を有し、スピンドルの本体側端部にワン
チップ光ＩＣおよびコリメータレンズを設け、スピンド
ルの被測定面に対向する側の端部に対物レンズ系を設
け、スピンドルが光触針子を含むようにし、スピンドル
のワンチップ光ＩＣおよびコリメータレンズが設けられ
た部分が本体内部に覆われるようにしたので、省スペー
ス化を図ることができるとともに、スピンドルの先端部
が軽量化されるため、振動特性が向上される。
長さ方向に空洞を有し、スピンドルの本体側端部にワン
チップ光ＩＣおよびコリメータレンズを設け、スピンド
ルの被測定面に対向する側の端部に対物レンズ系を設
け、スピンドルが光触針子を含むようにし、スピンドル
のワンチップ光ＩＣおよびコリメータレンズが設けられ
た部分が本体内部に覆われるようにしたので、省スペー
ス化を図ることができるとともに、スピンドルの先端部
が軽量化されるため、振動特性が向上される。
【図１】この発明の変位検出装置の一実施例の一部省略
した斜視図である。
した斜視図である。
【図２】この発明の変位検出装置の一実施例の検出光学
系としてのワンチップ光ＩＣを示す斜視図である。
系としてのワンチップ光ＩＣを示す斜視図である。
【図３】この発明の変位検出装置の一実施例の検出光学
系としてのワンチップ光ＩＣと対物レンズとの関係を示
す図である。
系としてのワンチップ光ＩＣと対物レンズとの関係を示
す図である。
【図４】この発明の変位検出装置の一実施例の構成を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図５】この発明の変位検出装置の一実施例の受光素子
の動作を説明する図である。
の動作を説明する図である。
【図６】この発明の変位検出装置の一実施例のフォーカ
スエラー信号の特性を示す図である。
スエラー信号の特性を示す図である。
【図７】この発明の変位検出装置の他の実施例の構成を
示すブロック図である。
示すブロック図である。
【図８】この発明の変位検出装置の他の実施例の構成を
示すブロック図である。
示すブロック図である。
【図９】従来の変位検出装置の構成を示すブロック図で
ある。
ある。
１ 検出光学系
２ プリアンプ
５ 対物レンズ
６ 被測定面
１５ サーボ制御回路
１６ アクチュエータ
１７ 可動コイル
１８ 永久磁石
１９ 目盛
２０ リニアスケール
２１ 光軸
２５ 検出ヘッド
２６ 信号処理回路
２７ 連結部材
Ｅ フォーカスエラー信号
Ｌ レーザ光
Ｓ1 駆動信号
ｆ1 焦点距離
３４ 本体
３５ 光触針子
３６ コリメータレンズ
４０ スピンドル
４１ レーザダイオード
４２ 受光素子
４３ プリズム
４４ ワンチップ光ＩＣ
４５ 基準面
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 久米 英廣
東京都品川区北品川６丁目７番35号 ソ
ニー株式会社内
(56)参考文献 特開 平３−214112（ＪＰ，Ａ)
特開 平４−366711（ＪＰ，Ａ)
特開 昭61−239110（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01B 11/00 - 11/30
G01B 21/00
G02B 6/12
Claims (3)
- 【請求項１】 被測定面に対してレーザ光を集光する対
物レンズ系と、 上記被測定面から反射した反射光により上記対物レンズ
系と上記被測定面との間の距離の焦点距離からのずれを
示すフォーカスエラー信号を検出する検出光学系と、 上記検出光学系の出力信号に基づいて上記対物レンズ系
と上記被測定面との距離が焦点距離になるように上記対
物レンズ系を光軸方向に移動するアクチュエータと、 上記対物レンズ系の光軸と同軸上に配置されると共に、
上記アクチュエータに一体的に取り付けられたリニアス
ケールまたは検出ヘッドとを備え、 このリニアスケールまたは検出ヘッドが上記対物レンズ
系と一体的に移動されるようにした変位検出装置におい
て、 上記検出光学系として、少なくとも半導体レーザ光源
と、上記対物レンズ系から戻ったレーザ光により上記対
物レンズ系と上記被測定面との距離が焦点距離になる信
号を検出する複数の受光素子と、上記受光素子に上記対
物レンズ系から戻った光を導く光学部品とをひとつのパ
ッケージ内に集積したワンチップ光ＩＣを用い、 少なくとも、上記アクチュエータおよび上記リニアスケ
ール並びに上記検出ヘッドとを有する本体と、 上記ワンチップ光ＩＣおよび上記対物レンズ系とを有
し、上記ワンチップ光ＩＣおよび上記対物レンズ系を所
定の間隔に支持し、上記本体とは別に設けられた光触針
子と、 上記光触針子と上記本体とを連結し、低膨張率の長尺部
材からなるスピンドルとを備え たことを特徴とする変位
検出装置。 - 【請求項２】 請求項１記載の変位検出装置において、 上記スピンドルはその長さ方向に空洞を有し、上記空洞
に上記ワンチップ光ＩＣのリード線を配置することを特
徴とする変位検出装置。 - 【請求項３】 請求項１記載の変位検出装置において、 上記スピンドルはその長さ方向に空洞を有し、上記スピ
ンドルの本体側端部に上記ワンチップ光ＩＣおよびコリ
メータレンズを設け、 上記スピンドルの被測定面に対向する側の端部に上記対
物レンズ系を設け、 上記スピンドルが上記光触針子を含むようにし、 上記スピンドルの上記ワンチップ光ＩＣおよびコリメー
タレンズが設けられた部分が上記本体内部に覆われるよ
うにしたことを特徴とする変位検出装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25317593A JP3413503B2 (ja) | 1993-10-08 | 1993-10-08 | 変位検出装置 |
| US08/319,104 US5521394A (en) | 1993-10-08 | 1994-10-06 | Compact displacement detecting system with optical integrated circuit and connector in-line with optical axis |
| EP94115864A EP0647835B1 (en) | 1993-10-08 | 1994-10-07 | Displacement detecting system |
| DE69417673T DE69417673T2 (de) | 1993-10-08 | 1994-10-07 | Verschiebungsmesseinrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25317593A JP3413503B2 (ja) | 1993-10-08 | 1993-10-08 | 変位検出装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07110212A JPH07110212A (ja) | 1995-04-25 |
| JP3413503B2 true JP3413503B2 (ja) | 2003-06-03 |
Family
ID=17247586
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25317593A Expired - Fee Related JP3413503B2 (ja) | 1993-10-08 | 1993-10-08 | 変位検出装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5521394A (ja) |
| EP (1) | EP0647835B1 (ja) |
| JP (1) | JP3413503B2 (ja) |
| DE (1) | DE69417673T2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103411543A (zh) * | 2013-08-07 | 2013-11-27 | 厦门大学 | 丝杆导程精度检测设备及其测头装置 |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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