JP4133884B2

JP4133884B2 - 光学的変位測定器

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Publication number: JP4133884B2
Application number: JP2004078886A
Authority: JP
Inventors: 正岩本; 吉久谷村
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: EP1577639A1; JP2005265616A; US7330278B2; DE602005001961T2; ATE370388T1; EP1577639B1; CN100487369C; US20050206905A1; CN1670476A; DE602005001961D1

Description

本発明は光学的変位測定器に係り、特に、光源からの光を、対物レンズを含む光学系を介して対象物に入射し、対象物からの反射光を検出部で検出して対物レンズと対象物との間の変位を測定する光学的変位測定器に関する。

対象物の変位を非接触により測定するものとして、非特許文献１に述べられている光触針法が知られている。光触針法には、臨界角法、非点収差法、ナイフエッジ法、ヘテロダイン法等があるが、いずれも微小スポットを対象の物上に結ばせ、その反射光を集光し、その状態を検出する。したがってきわめて感度が高く、小型軽量であり、例えば光学的表面粗さ計用の光触針子として利用される。

また、特許文献１には、オートフォーカス技術の１つとしてピンホール方式が開示されている。ピンホール方式とは、対象物からの反射光を２つの光に分割し、一方の分割反射光の結像点の前と他方の分割反射光の結像点の後とにそれぞれ配置されたピンホールを有するピンホール板と、この各ピンホール板の直後に配置された光検出器とを用い、この光検出器の出力に基づいて焦点ずれを検出するものである。オートフォーカス技術によれば、対象物の上に常に焦点が合うようにレンズが移動するので、そのレンズの移動量から対象物の変位を測定できる。

特開平７−４３１４８号公報谷田貝豊彦著，「応用光学光計測入門」，第４刷，丸善株式会社，１９９２年３月１５日，ｐ１２０

非接触により対象物の変位を測定する従来技術のうち、光触針法は非常に高分解能であるが、その反面高精度検出の範囲が合焦位置の近傍に限られるため、測定範囲が極めて狭い。例えば通常数μｍの範囲でのみ測定が可能である。

特許文献１に記載されるようなオートフォーカス技術及びその改良技術は、常に対象物の上でフォーカスを合わせるようにし、そのときのレンズの移動量から対象物の変位を測定できるので測定範囲を広く取れる。しかしながら、オートフォーカス動作においては、例えば段差等で対象物表面の変位が不連続な場合等にレンズ追従の方向を見失い、新たなサーチ動作を要する恐れがあり、高速測定に対応が困難なことがある。

このように、非接触式変位測定においては、さまざまな方法が提案されているが、高精度化、高速化、低価格化、使い勝手向上、信頼性向上等の面から見ると、それぞれ長所もあり、反面課題もある。

本発明の目的は、光学的な変位測定において、新しい方法により、使いやすい光学的変位測定器を提供することである。

１．本発明の原理
本発明は、円錐形状のレンズの光学的特性を利用し、光源からの光を円錐形状のレンズを通して対象物に入射し、その反射光を再び円錐形状のレンズを通して戻すときの像の形状に基づいて対象物の変位を測定するものである。

図１に、その基本的な原理図を示す。図１では、変位を測定しようとする対象物２の前方に円錐形状の対物レンズ４が配置され、対物レンズ４の後方から図示されていない光源よりの光６が対物レンズ４を通して対象物２に入射され、対象物２の表面で反射された光は、再び円錐形状の対物レンズ４を介して戻される光８となる。図１では、図面が複雑にならないように、実際の光の半分、すなわち、対物レンズ４の上半分に入射する光６の挙動のみが示されている。また、説明を簡単にするため、対物レンズ４に入射する光６は平行光とし、入射するときの平行光の光軸と対物レンズ４の中心光軸５とは平行で、対象物はそれに対し垂直に配置されているものとする。

図１において、円錐形状の対物レンズ４の後方から平行光として入ってくる光６は、円錐形状の界面で、平行な光のまま、対物レンズ４の材料で定まる屈折率に従った角度で曲げられる。そして対象物２にその角度で入射し、対象物２の表面で入射角と等しい反射角で平行な光のまま反射し、対物レンズ４の円錐形状の方に戻される。戻された光は、円錐形状の界面で、再び曲げられ、元の光６に平行な光８となる。

ここで、円錐形状の対物レンズ４の後方から入る光６と、再び円錐形状の対物レンズ４を通って戻ってくる光８とを比較すると、戻ってくる光８は、対物レンズ４の中心光軸５からオフセットを有している。すなわち、対物レンズ４の上半分に平行に入射する光は、対象物２で反射し再び対物レンズ４の下側を通って戻るのであるが、その光８は、対物レンズ４の中心光軸５からオフセットした平行光となる。

図１を観察することで、このオフセットは、対象物２の位置によって変化することが容易にわかる。すなわち、対物レンズ４の中心光軸５に沿って対象物２の変位ΔＸをとり、中心光軸５に垂直な面内に光８のオフセットを示す量Δｙ₁，Δｙ₂をとると、ΔＸが変化すると、それに従ってΔｙ₁，Δｙ₂も変化する。ここで、Δｙ₁，Δｙ₂は、戻ってくる光８の、対象物２の像に対応する輪郭を表す位置である。例えば、入射する光６の最外周側の光が円錐形状の対物レンズ４によって曲げられた光が中心光軸５と交わるところを点Ｐ₀として、対象物２が点Ｐ₀まで変位すると、Δｙ₁は入射する光６の最外周側の距離と同じとなり、これがΔｙ₁の最大値となる。

上記で、対物レンズ４の上半分に入射する光６について説明したが、例えば、中心光軸５について対称形の円形断面ビームの平行光を対物レンズ４に入射すると、戻ってくる光８は、内側の半径がΔｙ₁で外側の半径がΔｙ₂の円環状となる。したがって、Δｙ₁又はΔｙ₂を測定すれば、対象物２の変位ΔＸがわかることになる。

本発明は、このように円錐形状のレンズの光学的特性を利用し、光源からの光を円錐形状のレンズを通して対象物に入射し、その反射光を再び円錐形状のレンズを通して戻すときの像の形状に基づいて対象物の変位を測定するものである。

２．課題解決手段
本発明に係る光学的変位測定器は、光源からの光を、対物レンズを含む光学系を介して対象物に入射し、対象物からの反射光を検出部で検出して対物レンズと対象物との間の変位を測定する光学的変位測定器において、対物レンズは、対象物に光を入射し、対象物からの反射光を再び受けて検出部に導く円錐形状のレンズであって、検出部における検出像の形状が対物レンズと対象物との間の変位に応じて変化することに基づいて対物レンズと対象物との間の変位を測定することを特徴とする。

また、検出像は、略円環状であることが好ましい。また、本発明に係る光学的変位測定器において、検出像の略円環状の内径に基づいて変位を測定することが好ましい。

また、本発明に係る光学的変位測定器において、検出像の略円環状の内径のうち、特に最大径に基づいて変位を測定することが好ましい。光源からの光を円形断面の平行光とすると、対象物が傾いているときに、検出像は楕円形状になる。傾き角度によっても楕円形状の最大径は変化しないので、この最大径に基づいて対象物の変位を求めることができる。

また、検出部は、撮像素子を備えることが好ましい。撮像素子により、検出像の形状を精度よく求めることができる。

また、本発明に係る光学的変位測定器において、円錐形状の対物レンズは、円錐の外周部分で屈折する光の中で最も外側の最外周光がレンズの中心光軸上で交わる遠点側交点と、円錐先端部分で屈折する光と最外周光とが交わる近点側交点との間の変位測定範囲に対象物を配置し、対象物から反射した光を再び受けて屈折して検出部側に戻すときに、変位測定範囲における対象物の変位に応じて大きさが変化する像となる円錐形状のレンズであることが好ましい。検出像の内径側のオフセットは、遠点側交点において最大値となり、近点側交点においてゼロとなるので、その間で検出像の形状の変化を精度よく検出することができる。

また、光学系は、光源からの平行光を分けてＳ偏光成分を反射し対象物側に向かわせるビームスプリッタと、ビームスプリッタからのＳ偏光成分を円偏光に変換して対象物側に向かわせ、対象物側から反射されてくる円偏光をＰ偏光成分に変換してビームスプリッタに戻す（１／４）波長板と、（１／４）波長板と対象物との間に設けられる円錐形状の対物レンズと、を含み、対象物から円錐形状の対物レンズ及び（１／４）波長板を通って戻されてビームスプリッタを透過するＰ偏光成分の像を検出部により検出することが好ましい。上記構成により、対象物に入射する光と、対象物から反射して検出像を検出するための光とを分離でき、変位の測定がより便利になる。

以上のように、本発明に係る光学的変位測定器によれば、新しい方法により、対象物の変位測定に使いやすいものとなる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図２は、光学的変位測定器１０の構成を示す図で、主に光源２０と、円錐形状の対物レンズ２８を含む光学系と、対象物の像を検出する検出部３０を示し、これらを配置し支持する筐体や、検出部３０に接続される変位量算出部等の図示を省略してある。

図２において、光源２０は、対物レンズ２８の先に置かれる対象物に入射する光を供給するための光源で、例えば半導体レーザ等で構成することができる。安定している光源であれば、発光ダイオードその他の発光素子等を用いることもできる。光源２０の先にはコリメートレンズ２２が設けられる。コリメートレンズ２２は、光源２０から発せられた光を平行光に整形する機能を有するレンズである。したがって、コリメートレンズ２２を通ったあとの光は、例えば、断面が円形の平行光のスポット光とすることができる。

光学系は、ビームスプリッタ２４と、（１／４）波長板２６と、円錐形状の対物レンズ２８を含む。コリメートレンズ２２の中心光軸はビームスプリッタ２４の反射部の中心を通り、そこから９０度曲げられた軸が対物レンズ２８の中心光軸４０となる。（１／４）波長板２６の中心を中心光軸４０が通る。また、中心光軸４０をビームスプリッタ２４の反対側に延長した線上に検出部３０が配置される。すなわち、ビームスプリッタ２４で直角に曲げられるが、光源２０−コリメートレンズ２２−ビームスプリッタ２４−（１／４）波長板２６−対物レンズ２８−（対象物）−対物レンズ２８−（１／４）波長板２６−ビームスプリッタ２４−検出部３０は、それらの中心が同軸上に配置される。

ビームスプリッタ２４は、コリメートレンズ２２からの平行光を受けて、これを分けてＳ偏光成分の光の方向を９０度変えて対象物側、すなわち対物レンズ２８側に向かわせる機能を有する光学部品である。かかるビームスプリッタ２４は、図２に示すように、半透膜を間にはさんだ２つの直角プリズムで構成することができる。

波長板２６は、Ｓ偏光成分の光を入射するときはこれを円偏光の光に変換し、円偏光の光を入射するときはＳ偏光成分の光と９０度の位相差を有するＰ偏光成分の光に変換する光学素子である。かかる（１／４）波長板２６は、周知の複屈折性材料のフィルム等を、中心光軸４０に対し所定の光軸傾きで配置して構成することができる。

円錐形状の対物レンズ２８は、中心光軸４０を円錐の中心軸とする光学素子で、図２に示すように、円錐形状の底面側から入射する光を円錐の界面で対物レンズ２８の材料で定まる屈折率に従って屈折し、また、円錐側から入射する光を円錐の界面でやはり屈折率に従って屈折して円錐の底面側に戻す機能を有する。

円錐は曲面レンズと異なり、焦点を有せず、円錐の底面側から入射する平行光は、平行光のまま、屈折率で定まる角度で屈折する。図２では、対物レンズ２８の上半分に入射する平行光のうち、最外周側の光の屈折軌跡を光４２、中心光軸を通る光の屈折軌跡を光４４で示してある。同様に、対物レンズ２８の下半分に入射する平行光のうち、最外周側の光の屈折軌跡を光４６、中心光軸を通る光の屈折軌跡を光４８で示してある。

なお、中心光軸４０と、光４２又は光４６との交点は、図１で述べたＰ₀で、対象物の変位の測定範囲における遠点側の境界で、これを遠点側交点５０とすると、上半分の最外周側に対応する光４２と下半分の中心光軸側に対応する光４８の交点、あるいは下半分の最外周側に対応する光４６と上半分の中心光軸側に対応する光４４の交点が、後述するように対象物の変位の測定範囲における近点側の境界となるので、これを近点側交点５２ということにする。したがって、遠点側交点５０と近点側交点５２との間が変位の測定が可能な測定範囲５４となる。

かかる光学系における光の進み方を説明する。光源２０からの光はコリメートレンズ２２により円形断面の平行光のスポットに整形され、ビームスプリッタ２４によりＳ偏光成分の光が９０度曲げられ、（１／４）波長板２６によって円偏光となる。その後円錐形状の対物レンズ２８により上記のように屈折して図示されていない対象物に入射される。対象物に入射した光は、入射角と同じ大きさの反射角で反射され、円錐形状の対物レンズ２８により上記のように再び屈折する。このときの円錐の界面における入射角は、元の屈折角と同じになるので、対物レンズ２８を通ったあとの光は、中心光軸４０に平行な光に戻される。

こうして対物レンズ２８を通って中心光軸４０に平行な円偏光の光は、（１／４）波長板２６によってＰ偏光成分の光に変換され、ビームスプリッタ２４をそのまま中心光軸４０に沿って直進し、検出部３０に至る。

検出部３０は、中心光軸４０に垂直な面内において、対象物から戻された光の像の形状を検出する機能を有する。かかる検出部３０は、撮像素子で構成することができる。撮像素子の例として、ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）を２次元配置したものを用いることができる。また、フォトトランジスタやフォトダイオードを２次元配置したもの等の、半導体撮像素子を用いることもできる。撮像素子等によって検出される２次元的データは、図示されていない変位量算出部に送られ、対象物の変位が計算される。また、特に簡易的には、検出部３０を投影板とし、対象物から戻された光の像の形状を投影し、これを寸法測定器等で測定することもできる。

図３−図５は、かかる構成の光学的変位測定器１０の作用を、具体的に対象物２を配置し、そのときの検出部３０における像の形状を用いて説明する図である。これらの図において、（ａ）は、光学的変位測定器１０に対象物２を配置するときの光の進む軌跡を示す図で、（ｂ）は検出部３０における像の形状を示す図である。

図３は、対象物２が、図２で説明した測定範囲５４のおよそ中間の位置にあるときの様子を示す図である。図２と同様の要素については同一の符号を付して詳細な説明を省略する。そして、対象物２から反射する光の軌跡を追跡しやすくするために、対象物２に入射する光４２に対応する光を光６２とし、以下同様に光４４に対応する光を光６４、光４６に対応する光を光６６、光４８に対応する光を光６８と示し、対物レンズ２８に入射する光のうち最外周側の光に対応する光６２，６６の軌跡をドットが長めの破線で、中心光軸側の光に対応する光６４，６８の軌跡をドットが短めの破線で示してある。

図３からわかるように、円錐形状の対物レンズ２８により屈折し対象物２に入射する光は、対象物２で反射され再び対物レンズ２８を戻ると、中心光軸４０に対しオフセットする。すなわち、検出部３０で検出される像７０は、略円環状となり、中心部が空白となる。

図４は、対象物２が、図２で説明した測定範囲５４の遠点側の境界である遠点側交点５０にあるときの様子を示す図である。光の軌跡についての符号の付し方は図３と同様である。この場合は、対象物２から反射され対物レンズ２８を戻る光の中心光軸４０に対するオフセットが最大となり、検出部３０で検出される像７２は、中心部が円形の空白となる。この直径は、対物レンズ２８に光源２０側から入射する光のスポット径と同じである。

図５は、対象物２が、図２で説明した測定範囲５４の近点側の境界である近点側交点５２にあるときの様子を示す図である。光の軌跡についての符号の付し方は図３と同様である。この場合は、対象物２から反射され対物レンズ２８を戻る光の中心光軸４０に対するオフセットがゼロとなり、測定範囲５４について遠点側交点５０とは反対側の境界となる。検出部３０で検出される像７４は、中心部が円形の空白となる。この直径は、対物レンズ２８に光源２０側から入射する光のスポット径と同じである。

検出部３０で検出される像７４は、中心部の空白がない、円形の像となる。この直径は、対物レンズ２８に光源２０側から入射する光のスポット径と同じである。

図３−図５から、対物レンズ２８と対象物２との間の距離である変位を求めるには、検出部３０における像の形状の変化を測定すればよいことがわかる。特に、光源からの光が円形断面の平行光のスポット光であるときには、この像の形状は略円環状になるので、その内径又は外径を測定することで対象物の変位を求めることができる。好ましくは、略円環状の内径を測定し、これを予め求めておいた換算式またはルックアップテーブル等の換算手段を用いて対象物の変位を求めることがよい。換算は、対物レンズ２８の円錐形状の頂角、対物レンズ２８の屈折率等により定めることができる。また、較正用試料を用いて換算を行うこととしてもよい。検出部３０の撮像データから、マイクロコンピュータ等を用いて、リアルタイムで対象物の変位を演算するものとしてもよい。また、変位に基づき、対象物の速度、加速度等の運動量を求めることもできる。

対象物２が中心光軸４０に対し傾斜することがある。そのときは、検出部３０において検出される像は円形から楕円形に変形する。この場合でも、楕円形の最大径は傾斜角によって変化しない。したがって、検出部３０における略円環状の像の測定は、最大径を用いることにして、対象物２の傾きの影響を少なくすることができる。

本発明の基本的な原理を示す図である。本発明に係る実施の形態における光学的変位測定器の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、対象物が測定範囲のおよそ中間の位置にあるときの様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、対象物が測定範囲の遠点側の境界にあるときの様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、対象物が測定範囲の近点側の境界にあるときの様子を示す図である。

符号の説明

２対象物、４，２８円錐形状の対物レンズ、５，４０中心光軸、６，８，４２，４４，４６，４８，６２，６４，６６，６８光、１０光学的変位測定器、２０光源、２２コリメートレンズ、２４ビームスプリッタ、２６（１／４）波長板、３０検出部、５０遠点側交点、５２近点側交点、５４測定範囲、７０，７２，７４像。

Claims

光源からの光を、対物レンズを含む光学系を介して対象物に入射し、対象物からの反射光を検出部で検出して対物レンズと対象物との間の変位を測定する光学的変位測定器において、
対物レンズは、対象物に光を入射し、対象物からの反射光を再び受けて検出部に導く円錐形状のレンズであって、検出部における検出像の形状が対物レンズと対象物との間の変位に応じて変化することに基づいて対物レンズと対象物との間の変位を測定することを特徴とする光学的変位測定器。
請求項１に記載の光学的変位測定器において、
検出像は、略円環状であることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項２に記載の光学的変位測定器において、
検出像の略円環状の内径に基づいて変位を測定することを特徴とする光学的変位測定器。
請求項３に記載の光学的変位測定器において、
検出像の略円環状の内径のうち、特に最大径に基づいて変位を測定することを特徴とする光学的変位測定器。
請求項１に記載の光学的変位測定器において、
検出部は、撮像素子を備えることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項１に記載の光学的変位測定器において、
円錐形状の対物レンズは、円錐の外周部分で屈折する光の中で最も外側の最外周光がレンズの中心光軸上で交わる遠点側交点と、円錐先端部分で屈折する光と最外周光とが交わる近点側交点との間の変位測定範囲に対象物を配置し、対象物から反射した光を再び受けて屈折して検出部側に戻すときに、変位測定範囲における対象物の変位に応じて大きさが変化する像となる円錐形状のレンズであることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項１に記載の光学的変位測定器において、
光学系は、
光源からの平行光を分けてＳ偏光成分を反射し対象物側に向かわせるビームスプリッタと、
ビームスプリッタからのＳ偏光成分を円偏光に変換して対象物側に向かわせ、対象物側から反射されてくる円偏光をＰ偏光成分に変換してビームスプリッタに戻す（１／４）波長板と、
（１／４）波長板と対象物との間に設けられる円錐形状の対物レンズと、
を含み、対象物から円錐形状の対物レンズ及び（１／４）波長板を通って戻されてビームスプリッタを透過するＰ偏光成分の像を検出部により検出することを特徴とする光学的変位測定器。