JPH01114703A - Image formation type displacement gauge - Google Patents

Image formation type displacement gauge

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Publication number
JPH01114703A
JPH01114703A JP27377787A JP27377787A JPH01114703A JP H01114703 A JPH01114703 A JP H01114703A JP 27377787 A JP27377787 A JP 27377787A JP 27377787 A JP27377787 A JP 27377787A JP H01114703 A JPH01114703 A JP H01114703A
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JP
Japan
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measured
displacement
plane direction
plane
scanning
Prior art date
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Application number
JP27377787A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshiaki Yamauchi
良明 山内
Shozo Saegusa
三枝 省三
Hidehiko Shindo
英彦 神藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Filing date
Publication date
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Publication of JPH01114703A publication Critical patent/JPH01114703A/en
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Abstract

PURPOSE:To simultaneously measure the displacement in the in-plane direction of an object to be measured and the displacement in the out-of-plane direction by splitting a beam from a light source into two beams and radiating them to the object to be measured, and scanning one beam thereof in the in-plane direction of the object to be measured. CONSTITUTION:The object to be measured 13 is a DAT use tape, and a beam from a light source 1 becomes a circularly polarized light through a collimator lens 2 and a lambda/4 plate 3, made incident on a polarized light beam splitter 4 and split into two beams. Subsequently, one beam thereof radiates the tape surface of the object to be measured 13 through a beam splitter 7 and an objective lens 8, and its reflected light forms an image on a photodetector 11 through a condensing lens 9 and a cylindrical lens 10, and detects the displacement quantity in the out-of-plane direction. Next, the other beam radiates a tape edge part of the object to be measured 13 by the lens 8, and its reflected light forms an image on a photodetector 12. In this case, a signal of the detector 12 is fedback to a fine adjustment mechanism 14 and moves a movable mirror 6, and allows the beam to follow up the displacement of the tape edge part, therefore, the displacement in the in-plane direction can also be measured simultaneously.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、結像型変位計に係り、特に、レーザダイオー
ドLDからのビームを2つ以上に分割して利用し数ポイ
ント同時に計測できる変位計に関する。  。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to an imaging type displacement meter, and in particular, to a displacement meter that can measure several points simultaneously by dividing a beam from a laser diode LD into two or more. Regarding the meter. .

〔従来の技術〕[Conventional technology]

レーザダイオードLDを用いた光学式変位計のうち、特
にビームを2ビームに分割し各ビームを利用して2ポイ
ント計測を行っている例としては、特公昭61−524
03号、[i’アプライド オプティクスff123巻
15号(1984)r2ビーム光システムによる表面粗
さ計測J   (A pplied○ptics  V
ol、23  No、 15 (1984)Surfa
ce profile measurement wi
th a dual−bean+ optical s
ystem) +昭和62年度精密工学会春季大会学術
講演会論文集pp785〜786「光干渉顕微鏡を用い
た除振型表面粗さ測定技術の開発」等がある。
Among optical displacement meters using a laser diode LD, an example in which the beam is divided into two beams and each beam is used to perform two-point measurement is the Japanese Patent Publication No. 61-524.
No. 03, [i'Applied Optics ff Vol. 123 No. 15 (1984) Surface roughness measurement using R2 beam optical system J (A applied optics V
ol, 23 No. 15 (1984) Surfa
ce profile measurement wi
th a dual-bean+ opticals
system) + Proceedings of the 1986 Society for Precision Engineering Spring Conference, pp. 785-786, ``Development of vibration-isolated surface roughness measurement technology using an optical interference microscope'', etc.

上記特許公報の例は、光学的位置検出装置として、2ビ
ーム型の可動光学的読取りヘッドと位置検出マーカを有
する固定スケールとを備えている。
The example of the above-mentioned patent publication is equipped with a two-beam type movable optical reading head and a fixed scale having a position detection marker as an optical position detection device.

上記ヘッドでマーカを読取り、ディジタル信号に変換し
、この信号により位置決め検出を行っている。ここでは
、固定スケール上のマーカのピッチ間隔を定め、2スポ
ツトで検出し、演算処理により高精度な位置決めが可能
であるとしている。
The marker is read by the head, converted into a digital signal, and positioning is detected using this signal. Here, the pitch interval of markers on a fixed scale is determined, detection is performed using two spots, and highly accurate positioning is possible through arithmetic processing.

また、上記外国文献の例では、同様に、ビームを2ビー
ムに分割し、2ポイントの面外方向の変位量を検出し、
被測定面上をスキャンし、表面粗さを計測している。こ
こに1面外方向とは被測定面に垂直な方向、すなわち、
ビーム方向である。
In addition, in the example of the foreign literature mentioned above, the beam is similarly divided into two beams, and the amount of displacement in the out-of-plane direction of the two points is detected,
The surface to be measured is scanned and the surface roughness is measured. Here, the direction outside one plane is the direction perpendicular to the surface to be measured, that is,
Beam direction.

さらに、精密工学会の論文は、3ポイント計4Iすを行
った例であり、1ポイントを測定面上の点基準とし、こ
の基準と残りの2ポイントの測定値との演算処理により
、外乱に影響されない表面粗さ計を構成している。
Furthermore, the paper by the Japan Society for Precision Engineering is an example of a total of 4I measurements performed at 3 points, where one point is used as a reference point on the measurement surface, and by calculation processing of this reference and the measured values of the remaining 2 points, disturbances are reduced. It constitutes an unaffected surface roughness meter.

このように、従来は、2ポイント計測または3ポイント
計測の形式ではあったが、各ビームにより得られる情報
は、マーカのピッチを「1」。
In this way, conventionally, the format was 2-point measurement or 3-point measurement, but the information obtained by each beam was determined by setting the marker pitch to "1".

rOJで表わした信号や面外方向の変位信号であった・ 〔発明が解決しようとする問題点〕 上記従来技術は、マーカのピッチを「1」。It was a signal expressed in rOJ and a displacement signal in the out-of-plane direction. [Problem that the invention seeks to solve] In the above conventional technology, the pitch of the marker is "1".

「0」で表わし2ポイント計測する方法か面外変位量を
2ポイントまたは3ポイント計測する方法であり、面外
変位量成分と時間との2次元的な計測方法にすぎない。
This is a method of expressing it as "0" and measuring two points, or a method of measuring the amount of out-of-plane displacement at two or three points, which is just a two-dimensional measurement method of the out-of-plane displacement amount component and time.

微少変位挙動している物体の動きは、厳密にいうと、面
外挙動成分のほかに面内挙動成分をも含んでいる。面内
成分とは、被測定面方向の成分であり、ビームに垂直な
方向の成分である。従来の方法では、この面内方向成分
は計測しないで1面外変位量のみを計測し、全体の挙動
を議論している。したがって、測定系の振動や空気流動
等による面内方向成分の影響を受ける欠点があった。
Strictly speaking, the movement of an object exhibiting minute displacement behavior includes in-plane behavior components as well as out-of-plane behavior components. The in-plane component is a component in the direction of the surface to be measured, and a component in the direction perpendicular to the beam. In conventional methods, this in-plane direction component is not measured, only the amount of one out-of-plane displacement is measured, and the overall behavior is discussed. Therefore, there is a drawback that the measurement system is affected by in-plane direction components due to vibration of the measurement system, air flow, and the like.

本発明の目的は、このような微少挙動計測において、面
内、面外両方向の変位量を同時に計測し、面内2面外1
時間の3次元的計測を行うことにより、物体の挙動状態
をより正確に把握できる結像型変位計を提供することで
ある。
The purpose of the present invention is to simultaneously measure the amount of displacement in both in-plane and out-of-plane directions in such minute behavior measurements, and to
An object of the present invention is to provide an imaging type displacement meter that can more accurately grasp the behavioral state of an object by three-dimensionally measuring time.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明は、上記目的を達成するために、光源からのビー
ムを少なくとも2つのビームに分割して被測定物に照射
し少なくとも2つのポイントで変位を計測する結像型変
位計として、前記分割された複数のビームの少なくとも
1つのビームを被測定物の面内方向に走査する機構を備
え、被測定物の面外方向への変位と面内方向への変位と
を同時に測定する結像型変位計を提案するものである。
In order to achieve the above object, the present invention provides an imaging displacement meter that divides a beam from a light source into at least two beams, irradiates the object to be measured, and measures displacement at at least two points. An imaging type displacement device that is equipped with a mechanism that scans at least one of the plurality of beams in the in-plane direction of the object to be measured, and simultaneously measures the displacement in the out-of-plane direction and the displacement in the in-plane direction of the object to be measured. This paper proposes a meter.

前記ビーム走査機構は、分割された複数のビームのうち
固定ビームを基準として少なくとも1つのビームを走査
する機構とすることができる。
The beam scanning mechanism may be a mechanism that scans at least one of the plurality of divided beams with a fixed beam as a reference.

また、前記ビーム走査機構は、走査ビームの被測定物に
対する相対位置を常に一定に保持するサーボ回路を備え
てもよい。
Further, the beam scanning mechanism may include a servo circuit that always maintains a constant relative position of the scanning beam with respect to the object to be measured.

前記サーボ回路は、具体的には、走査ビームを被測定物
のエツジ上に保持するように制御する。
Specifically, the servo circuit controls the scanning beam to be held on the edge of the object to be measured.

〔作用〕[Effect]

本発明に用いる各ビームの機能について説明する。 The function of each beam used in the present invention will be explained.

本発明の面内方向変位計測の原理を第2図および第3図
に示す。ビームスプリッタ7によりビームを被測定物1
3側に折り曲げ、対物レンズ8により集光し、被測定物
13のエツジ部に照射する。
The principle of in-plane displacement measurement according to the present invention is shown in FIGS. 2 and 3. Beam splitter 7 directs the beam to the object to be measured 1
The beam is bent to the third side, focused by the objective lens 8, and irradiated onto the edge portion of the object to be measured 13.

その反射光は集光レンズ10により光検出器12に導か
れる。光検出器12は光量分布状態を検出し、被測定物
13の面内方向の変位を計測する。
The reflected light is guided to a photodetector 12 by a condensing lens 10. The photodetector 12 detects the light amount distribution state and measures the displacement of the object to be measured 13 in the in-plane direction.

面内方向の光軸からの被測定物の移動量eとは。What is the amount of movement e of the object to be measured from the optical axis in the in-plane direction?

第2図および第3図から、     f となる。ただし、aはゲイン定数(変換係数)、Xは光
検出器側での像の移動量、fは対物レンズ8の焦点距離
、2は対物レンズ8から被測定物までの距離、roはビ
ームの有効半径である。
From Fig. 2 and Fig. 3, it becomes f. where a is the gain constant (conversion coefficient), X is the amount of image movement on the photodetector side, f is the focal length of the objective lens 8, 2 is the distance from the objective lens 8 to the object to be measured, and ro is the beam This is the effective radius.

また、面外挙動の面内計測への漏れ込み度δはで表わさ
れる。式(2)から、漏れ込み度δを最小にするには、
ezOすなわち面内方向の光軸からの移動’iAeをほ
ぼ0で使えばよく、しかも、Z央fすなわち若干のデフ
ォーカス状態での計測が有効であることがわかる。
Further, the degree of leakage of out-of-plane behavior into in-plane measurement δ is expressed by δ. From equation (2), to minimize the degree of leakage δ,
It can be seen that it is sufficient to use ezO, that is, the movement 'iAe in the in-plane direction from the optical axis, approximately 0, and that it is effective to measure Z center f, that is, in a slightly defocused state.

さらに、光検出器に入る像と検出器の受光量との関係を
みると、総光量が被測定物の面内挙動に比例し、光軸中
心部では出力がほぼ直線的であるため、この検出法を用
いて計測する。
Furthermore, looking at the relationship between the image entering the photodetector and the amount of light received by the detector, the total amount of light is proportional to the in-plane behavior of the object to be measured, and the output is almost linear at the center of the optical axis. Measure using a detection method.

ここで問題となるのは、面内方向の変位量である。すな
わち、この変位量がビームウェストより大きいと、被測
定物のエツジをはずれる可能性がある。
The problem here is the amount of displacement in the in-plane direction. That is, if this amount of displacement is larger than the beam waist, there is a possibility that the edge of the object to be measured may be missed.

そこで、本発明においては、エツジを利用した面内変位
計測法の検出ビームを走査型とする。面内変位計測用ビ
ーム走査型フィードバック回路の構成を第4図に示す。
Therefore, in the present invention, the detection beam of the in-plane displacement measurement method using edges is of a scanning type. FIG. 4 shows the configuration of a beam scanning feedback circuit for measuring in-plane displacement.

通常、ビームは、Cに示すように、被測定物のエツジ部
がビームウェストの中心にくるように照射する。このと
き光検出器での結像状態はCよとなる。この状態から被
測定物が面内方向に変位した場合、bまたはdのように
、ビームがエツジ中心からずれ、光検出器側では、bl
、d工のように検出される。a、eのように完全にエツ
ジからはずれると、面内方向へそれ以上の変位が生じて
も、検出される光量分布はalまたはelの状態から変
らず、変位は検出不可能となる。これを解決するには、
ビームを被測定物のエツジ部の変位に追従させる必要が
ある。
Normally, the beam is irradiated so that the edge of the object to be measured is at the center of the beam waist, as shown in C. At this time, the image formation state on the photodetector becomes C. If the object to be measured is displaced in the in-plane direction from this state, the beam shifts from the edge center as shown in b or d, and on the photodetector side, bl
, detected as d-engine. When it is completely off the edge as shown in a and e, even if further displacement occurs in the in-plane direction, the detected light amount distribution does not change from the state of al or el, and the displacement becomes undetectable. To solve this,
It is necessary to make the beam follow the displacement of the edge of the object to be measured.

まず、検出用ビームを被測定物13のエツジ部に照射し
、そめ反射光によりエツジ部の面内方向の変位量を光検
出器12で光量分布状態としてとらえ、信号処理回路1
8を通し、サーボ回路17内の位相補償回路15と駆動
回路16により、微動機構14(例えば圧電型ピエゾ素
子)にフィードバックして、可動ミラー6を駆動する。
First, a detection beam is irradiated onto the edge portion of the object to be measured 13, and the amount of displacement in the in-plane direction of the edge portion is detected by the photodetector 12 as a light amount distribution state by the reflected light, and the signal processing circuit 1
8, the phase compensation circuit 15 in the servo circuit 17 and the drive circuit 16 feed back to the fine movement mechanism 14 (for example, a piezoelectric type piezo element) to drive the movable mirror 6.

ビームはこの可動ミラー6により、゛偏光ビームスプリ
ッタ4.ビームスプリッタ7を介し、被測定物のエツジ
部の面内方向の動きを追従できる。この方法によれば、
ビームは常に被測定物のエツジに追従し、面内方向の変
位を計測可能である。
The beam is transmitted by this movable mirror 6 to a polarizing beam splitter 4. Via the beam splitter 7, the movement of the edge portion of the object to be measured in the in-plane direction can be followed. According to this method,
The beam always follows the edge of the object to be measured, making it possible to measure displacement in the in-plane direction.

一方、面外変位計測に関しては、従来技術の非点収差法
を用いる。非点収差法の原理を第5図に示す。図示しな
いLDからのビームをコリメータレンズ系で平行ビーム
とし、ビームスプリッタ7で折り曲げ、対物レンズ8に
より被測定物13に照射する。
On the other hand, for out-of-plane displacement measurement, a conventional astigmatism method is used. The principle of the astigmatism method is shown in FIG. A beam from an LD (not shown) is made into a parallel beam by a collimator lens system, bent by a beam splitter 7, and irradiated onto an object to be measured 13 by an objective lens 8.

このとき、被測定物13に生じる面外方向の変位により
、(A)合焦時(対物レンズ8の焦点が被測定面に合っ
たとき)、(B)レンズが近すぎたとき、(C)レンズ
が遠すぎたときの3通りの場合が考えられる。(A)の
場合は、対物レンズ8の焦点が被測定面に合っているた
め、反射光が平行ビームとなり、集光レンズ9.シリン
ドリカルレンズ10を通ってきた受光面上のビーム像は
円形となる。(B)の場合は、対物レンズ8から発散ビ
ームとなり、集光レンズ9.シリンドリカルレンズ10
を通ってきた受光面上のビーム像は。
At this time, due to the displacement in the out-of-plane direction that occurs in the object to be measured 13, (A) when focusing (when the focus of the objective lens 8 is on the surface to be measured), (B) when the lens is too close, (C) ) There are three possible cases when the lens is too far away. In case (A), since the focus of the objective lens 8 is on the surface to be measured, the reflected light becomes a parallel beam, and the condenser lens 9. The beam image on the light receiving surface that has passed through the cylindrical lens 10 becomes circular. In the case of (B), the beam becomes a diverging beam from the objective lens 8 and the condensing lens 9. Cylindrical lens 10
The image of the beam on the light receiving surface that has passed through it.

縦長の楕円となる。同様に(C)の場合は、集束ビーム
となり、受光面上では縦長の楕円となる。
It becomes a vertically long ellipse. Similarly, in case (C), the beam becomes a focused beam and forms a vertically elongated ellipse on the light receiving surface.

この光学系を用い非点隔差されたビーム像について第6
図のように信号処理を行う。光検出器11として4分割
受光素子を用い、4つのそれぞれの受光面での光量を検
出し、 A十B+C+D A+B+C十D A+B+C+D の演算処理により面外変位量を求める。
Using this optical system, the sixth
Perform signal processing as shown in the figure. A four-split light receiving element is used as the photodetector 11, the amount of light on each of the four light receiving surfaces is detected, and the amount of out-of-plane displacement is determined by the calculation process A+B+C+D A+B+C+D A+B+C+D.

〔実施例〕〔Example〕

次に、第1図および第7図〜第16図を参照して本発明
の詳細な説明する。
Next, the present invention will be explained in detail with reference to FIG. 1 and FIGS. 7 to 16.

第1図は、被測定物13としてDAT用テープの挙動を
計測する変位計の変位挙動計測用光学系の構成を示す図
である。DAT用テープ13はシリンダ面に巻き付けら
れており、シリンダが高速回転する際、シリンダ面上の
ヘッドにより微小変位挙動を起こしている。本実施例で
は光源1としてLDを用い、発光されたビームをコリメ
ータレンズ2で平行光とし、直線偏光であるこのビーム
をλ/4板3を通し円偏光として偏光ビームスプリッタ
4に入射させる。偏光ビームスプリッタ4は入射ビーム
を互いに偏光方向の違う2ビームに分割する。1ビーム
は、この偏光ビームスプリッタ4を直行し、ビームスプ
リッタ7を介して対物レンズ8に゛より集光され、被測
定物13のテープ面に直接照射される。この検出ビーム
は面外方向の変位を検出するものであり、その反射光は
集光レンズ9とシリンドリカルレンズ1oを介して、光
検出器11(4分割受光素子)上に結像し、前述の非点
隔差法により面外方向の変位量を計測するのに用いられ
る。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical system for measuring displacement behavior of a displacement meter that measures the behavior of a DAT tape as an object to be measured 13. FIG. The DAT tape 13 is wrapped around the cylinder surface, and when the cylinder rotates at high speed, the head on the cylinder surface causes minute displacement behavior. In this embodiment, an LD is used as the light source 1, the emitted beam is converted into parallel light by a collimator lens 2, and this linearly polarized beam is passed through a λ/4 plate 3 and incident on a polarizing beam splitter 4 as circularly polarized light. The polarizing beam splitter 4 splits the incident beam into two beams having different polarization directions. One beam passes through the polarizing beam splitter 4 orthogonally, is focused by the objective lens 8 via the beam splitter 7, and is directly irradiated onto the tape surface of the object to be measured 13. This detection beam is for detecting displacement in the out-of-plane direction, and its reflected light is imaged on the photodetector 11 (quadrant light receiving element) via the condensing lens 9 and the cylindrical lens 1o, and the above-mentioned It is used to measure the amount of displacement in the out-of-plane direction using the astigmatism method.

分割されたもう一方のビームは、面内方向の変位量を検
出するため、対物レンズ8により被測定物13のテープ
エツジ部へ照射され、その反射光は集光レンズ10を介
して光検出器12上に結像し、被測定物の面内方向の変
位に応じて光量変化を生じ、面内方向の変位量の計測に
用いられる。
The other divided beam is irradiated onto the tape edge portion of the object to be measured 13 by the objective lens 8 in order to detect the amount of displacement in the in-plane direction, and the reflected light is sent to the photodetector 12 via the condensing lens 10. An image is formed on the object, and the amount of light changes depending on the in-plane displacement of the object to be measured, and is used to measure the amount of in-plane displacement.

この際、前項で説明したように、検出ビームがエツジを
はずれると計測不可能となるので、第4図に示すように
、光検出器12の信号は、信号処理回路18を通り、サ
ーボ回路17内の位相補償回路15と駆動回路16とを
介して、微動機構14(圧電型ピエゾ素子)にフィード
バックされ、可動ミラー6を動かし、内面方向の変位検
出用ビームを被測定物13のテープエツジ部に追従させ
る。
At this time, as explained in the previous section, if the detection beam deviates from the edge, measurement becomes impossible, so as shown in FIG. Feedback is sent to the fine movement mechanism 14 (piezoelectric piezo element) through the phase compensation circuit 15 and drive circuit 16 inside, moves the movable mirror 6, and directs the displacement detection beam in the inner direction to the tape edge portion of the object to be measured 13. make it follow.

このように一方のビームに走査機能をもたせ面内方向の
、変位に追従させると、面外方向の変位と面内方向の変
位とを同時に計測できる。
In this way, if one beam has a scanning function and is made to follow the displacement in the in-plane direction, the displacement in the out-of-plane direction and the displacement in the in-plane direction can be measured simultaneously.

本発明の他の実施例を第7図に示す。本実施例は第1図
実施例と同様に、ビームを偏光ビームスプリッタ4によ
り2ビームに分割し、1ビームを面外変位計測用とし、
もう一方は、面内変位計測用とし、ビームを平行に走査
する微動機構を備えている。この微動機構19のいくつ
かの具体例を第8図に示す。
Another embodiment of the invention is shown in FIG. In this embodiment, as in the embodiment shown in FIG. 1, the beam is split into two beams by a polarizing beam splitter 4, one beam is used for out-of-plane displacement measurement,
The other is for in-plane displacement measurement and is equipped with a fine movement mechanism that scans the beam in parallel. Some specific examples of this fine movement mechanism 19 are shown in FIG.

(A)は、θが同じ2つのくさび型光学素子23を用い
、そのうち23Aは固定とし23Bは数本の板ばね24
とコイルばねにより支持しである。
In (A), two wedge-shaped optical elements 23 with the same θ are used, of which 23A is fixed and 23B is several leaf springs 24.
It is supported by a coil spring.

これを駆動機構25により光軸方向に駆動し入射ビーム
を平行に走査する。
This is driven in the optical axis direction by a drive mechanism 25 to scan the incident beam in parallel.

(B)は、ビーム光を2枚の可動ミラーにより平行に走
査する構造である。ミラー6には、駆動機構25を備え
、制御回路27から各駆動回路26を介して送られる信
号により制御する。
(B) shows a structure in which a beam of light is scanned in parallel by two movable mirrors. The mirror 6 includes a drive mechanism 25 and is controlled by signals sent from a control circuit 27 via each drive circuit 26 .

(C)は、放物面x128の中心に孔をあけ、この孔か
らビームを入射させる例である。放物面鏡28の焦点位
置に揺動可能なミラー6を設け、ミラー6の揺動により
入射ビームを平行に走査する。
(C) is an example in which a hole is made at the center of the paraboloid x128 and the beam is made to enter through this hole. A swingable mirror 6 is provided at the focal point of the parabolic mirror 28, and the swinging of the mirror 6 scans the incident beam in parallel.

(D)は、2枚のミラー6を平行に設置し、ベース自体
を中心の周りに微小に揺動させ、入射ビームを平行に走
査する。
In (D), two mirrors 6 are installed in parallel, the base itself is slightly swung around the center, and the incident beam is scanned in parallel.

(E)は、ファイバコネクタ20と光ファイバ21とフ
ァイバコネクタ22とからなる。この場合は、入射ビー
ムをファイバコネクタ20でとらえ、光ファイバ21を
介して、ファイバコネクタ22からビームを照射する。
(E) consists of a fiber connector 20, an optical fiber 21, and a fiber connector 22. In this case, the incident beam is captured by the fiber connector 20, and the beam is irradiated from the fiber connector 22 via the optical fiber 21.

ファイバコネクタ20は固定し、ファイバコネクタ25
を光軸に対して直角に駆動し、ビームを平行に走査する
The fiber connector 20 is fixed, and the fiber connector 25
is driven perpendicular to the optical axis to scan the beam in parallel.

これらの微動機構を用いれば、ビームを走査して、面外
と面内方向の変位を同時に計測可能な変位計が得られる
By using these fine movement mechanisms, it is possible to obtain a displacement meter that can simultaneously measure displacements in out-of-plane and in-plane directions by scanning a beam.

上記ビーム走査法を用いた表面形状測定装置の一実施例
を第9図に示す。本実施例は基本的には第1図と同様の
光学系であるが、2ポイントとも面外方向の変位を検出
する6以下、測定動作について説明する。
FIG. 9 shows an embodiment of a surface profile measuring device using the beam scanning method described above. The present embodiment is basically the same optical system as that shown in FIG. 1, but the measurement operation will be explained below in 6, in which displacement in the out-of-plane direction is detected at both points.

第10図(A)、(B)は、aを固定スポット。In FIGS. 10(A) and 10(B), a is a fixed spot.

bを走査スポットとし、その位置関係を示している。す
なわち、a点から見てb点を横方向に走査可能としたこ
とが本実施例の特徴である。具体的には、旋盤カッティ
ング時のワークみぞ切り部(第11図)、磁気ディスク
装置R/Wヘット押付は圧力によるディスク表面摩耗状
態、光デイスク案内溝(グループ)カッティング状態等
を測定するものである。このときのa、b点信号は1回
転および振動等の外乱成分がのり、第10図に示すよう
に、非常に雑音の多いものとなる。ところが、そのa、
b点の信号の特徴は、互いに近接しているため、風外乱
でも、はとんど同期したものである。そこで、a信号か
らb信号を引くと、(C)のb −aに示すように、外
乱成分が除去されたきれいな信号となる。この結果、雑
音の少ない正確な表面形状測定が可能となる。
b is a scanning spot, and its positional relationship is shown. That is, the feature of this embodiment is that point b can be scanned in the horizontal direction when viewed from point a. Specifically, it measures the grooved part of the workpiece during lathe cutting (Figure 11), the state of wear on the disk surface due to pressure when pressing the R/W head of the magnetic disk device, the cutting condition of the optical disk guide groove (group), etc. be. At this time, the signals at points a and b contain disturbance components such as one rotation and vibration, and as shown in FIG. 10, they become very noisy. However, that a,
Since the signals at point b are close to each other, they are almost synchronized even in the presence of wind disturbances. Therefore, when the b signal is subtracted from the a signal, a clean signal from which the disturbance component has been removed is obtained, as shown by b - a in (C). As a result, accurate surface shape measurement with less noise becomes possible.

このときの信号処理系統の構成を第12図に示す。まず
、基準信号発生回路で走査ビーム駆動信号(例えば正弦
波)を発生させる。この信号をのこぎり波発生回路に通
し、アクチュエータを駆動させる。こののこぎり波の上
下エツジ部分にはなまりが発生するため、中間の直線部
分のみを用いる。例えば、あらかじめスライスレベルを
決めておき、直線性の良い部分が実際の信号処理系に入
るようにする。そのチョッピング回路からの信号をトリ
ガ同期信号として用い、先のb−a信号を得るタイミン
グすなわちB信号チョッピング回路がハイの場合のみ正
規の信号処理を行わせる。第13図にこのときの信号を
示す。こうして得られた処理結果を時系列的に表示する
と、第10図(D)が得られる。
The configuration of the signal processing system at this time is shown in FIG. First, a scanning beam drive signal (for example, a sine wave) is generated by a reference signal generation circuit. This signal is passed through a sawtooth wave generation circuit to drive the actuator. Since the upper and lower edge portions of this sawtooth wave are rounded, only the straight line portion in the middle is used. For example, the slice level is determined in advance so that the portion with good linearity is entered into the actual signal processing system. The signal from the chopping circuit is used as a trigger synchronization signal, and normal signal processing is performed only when the previous ba signal is obtained, that is, when the B signal chopping circuit is high. FIG. 13 shows the signals at this time. When the processing results obtained in this way are displayed in chronological order, FIG. 10(D) is obtained.

次に、この走査方法で問題となる点の解決方法を説明す
る。
Next, a method for solving problems with this scanning method will be explained.

いま、直径130mの光ディスクの回転数を60rps
 (=3600rpm)とし、a点の設置点はディスク
中心から50noとする。一方、b点の可動範囲を50
.1〜50.3m(7)0.2mrJ1とする。第14
図に示すように、ディスクの回転方向に対し垂直方向に
ビームを走査すると、走査速度が(A)のように無限大
でない限り、ビーム走査方向は、直線にはならず、(B
)のように円弧に近いパターンとなる。
Now, the rotation speed of an optical disc with a diameter of 130 m is 60 rps.
(=3600 rpm), and the installation point of point a is 50 no from the center of the disk. On the other hand, the movable range of point b is set to 50
.. 1 to 50.3 m (7) 0.2 mrJ1. 14th
As shown in the figure, when the beam is scanned in a direction perpendicular to the rotational direction of the disk, the beam scanning direction will not be a straight line unless the scanning speed is infinite as shown in (A);
), resulting in a pattern similar to an arc.

そこで、まず、a点のディスクの移動速度を求めると、 V a =2πfr=27cX60X0.05=IR,
l15(m/s)となる。次に、b点について求めると
Therefore, first, when calculating the moving speed of the disk at point a, V a =2πfr=27cX60X0.05=IR,
115 (m/s). Next, let's find out about point b.

r1=50.1mmでは、V、  =18.887(+
m/s)r、  =50.3mmでは、V、  = 1
8.962(m/s)となる。例えば、第15図に示す
ように、ディスク回転方向に対する垂直方向と走査ビー
ム方向とのなす角度をθとしたとき、この角度θを10
’以下にするためには、 j a n−1(Va/Vb) <10@ただし、vb
は走査ビーム速度である。走査ビーム速度vbは、10
7.115m/5(7)速度で動かせば良いことがわか
る。
When r1=50.1mm, V, =18.887(+
m/s) r, = 50.3 mm, V, = 1
8.962 (m/s). For example, as shown in FIG. 15, if the angle between the direction perpendicular to the disk rotation direction and the scanning beam direction is θ, then this angle θ is 10
'To make it below, j a n-1(Va/Vb) <10@However, vb
is the scanning beam velocity. The scanning beam velocity vb is 10
You can see that it is best to move it at a speed of 7.115 m/5 (7).

また、そのサイクルは計測間隔をΔ2とすると。Also, in this cycle, the measurement interval is set to Δ2.

2XΔXXtanθ〉Δ2 という条件下で、ビームが行って戻ってくるまでの時間
(位置ずれ)を考えて、Δz=o、0704■となる。
Considering the time (positional shift) for the beam to go and return under the condition of 2XΔXXtanθ>Δ2, Δz=o, 0704■.

このときのビーム走査繰り返し周波数fcは、Va/Δ
2となり、例えばΔz=0゜0704m+mを1■に対
応させると、fc=18゜85 K Hzに設置すれば
良いから、本実施例の実行が可能である。
The beam scanning repetition frequency fc at this time is Va/Δ
For example, if Δz=0°0704m+m is made to correspond to 1■, then it is sufficient to install fc=18°85 KHz, so this embodiment can be implemented.

LDからの1ビームを4ビームに分割しそのうち2ビー
ムを走査ビームとする本発明のもう1つの実施例を第1
6図に示す。□本実施例ではビーム分割にウォラストン
プリズム29を2つ用いている。この場合分割された2
つの走査ビームは、例えば面内方向変位成分をx−Y軸
に沿った2次元成分に分割して検出するために用いる6
したがって、面内変位成分をより精密に計測できる。
Another embodiment of the present invention in which one beam from the LD is divided into four beams, two of which are scanning beams, is described in the first embodiment.
It is shown in Figure 6. □In this embodiment, two Wollaston prisms 29 are used for beam splitting. In this case the divided 2
The two scanning beams are used, for example, to divide the in-plane direction displacement component into two-dimensional components along the x-Y axes and detect them.
Therefore, the in-plane displacement component can be measured more precisely.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

本発明によれば、LDからの発光ビームを偏光ビームス
プリッタにより2ビ一ム以上に分割し、少なくとも1ビ
ームを走査する機構を備えたので、面内挙動と同時に面
外挙動も計測できる。また、2ポイント以上を、同時に
計測し、そのうちに1ポイントを測定面の基準として、
ある特定面の変位情報からこのときの外乱成分(振動や
空気流動等の影響)を除去することが可能である。
According to the present invention, the emitted beam from the LD is divided into two or more beams by a polarizing beam splitter, and since a mechanism is provided for scanning at least one beam, it is possible to measure out-of-plane behavior as well as in-plane behavior. Also, measure two or more points at the same time, and use one point as a reference for the measurement surface.
It is possible to remove disturbance components (effects of vibration, air flow, etc.) at this time from the displacement information of a certain specific surface.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による結像型変位計の一実施例の変位挙
動計測用光学系の構成を示す図、第2図および第3図は
本発明の面内方向変位計測の原理を示す図、第4図は面
内方向変位計測用ビーム走査型フィードバック回路の構
成を示す図、第5図および第6図は面外方向変位計測用
非点収差法の原理と信号処理方法とを示す図、第7図は
本発明による他の実施例の変位挙動計測用光学系の走査
機構の具体例を示す図、第8図は面内変位計測用ビーム
の走査機構の具体例を示す図、第9図は本発明によるさ
らに他の実施例の表面形状計測用光学系の構成を示す図
、第10図は第9図実施例の表面形状信号の処理方式を
示す図、第11図は旋盤のワークとみぞ切すバイトとの
関係を示す図。 第12図は表面形状計測用信号処理系統を示す図、第1
3図はアクチュエータ駆動信号を示す図、第14図は光
デイスク面におけるディスク回転方向とビーム走査方向
との関係を示す図、第15図はディスク面における走査
ビームの移動方向を示す図、第16図はビームを4分割
する場合の光学系の構成を示す図である。 1・・・レーザダイオードLD、2・・・コリメータレ
ンズ、3・・・λ/4板、4・・・偏光ビームスプリッ
タ、5・・・固定ミラー、6・・・可動ミラー、7・・
・ビームスプリッタ、8・・・対物レンズ、9・・・シ
リンドリカルレンズ、10・・・集光レンズ、11・・
・光検出器(4D)、12・・・光検出器(IDまたは
2D)、13・・・被測定物、14・・・微動機構、1
5・・・位相補償回路、16・・・駆動回路、17・・
・サーボ回路、18・・・信号処理回路、19・・・微
動機構、20.22・・・ファイバコネクタ、21・・
・光ファイバ、23・・・くさび型光学素子、24・・
・板ばね、25・・・駆動機構、26・・・駆動回路、
27・・・制御回路、28・・・放物面鏡、29・・・
ウォラストンプリズム。 代理人  弁理士  鵜 沼 辰 之 第 1 図 6−−−−−ヅオlミ2− 第3図 +3−−−−−−M1ノブ’;l’j’tグ筈4 M +a+  (b) (c)(d)  re>第5図 (A)                  (Bン 
               (C)第6図 +8−−一−→号23埋回井 第7図 第8図 ζhQ1) δ−−−−g*糎講 27一−−Jl虜1ii7層 2g8図(そn2) (C) (D) %噛− (E) 20.22−−−−−フ2ヂ圧3?2り2+−−−−−
一兎)力)゛ 第9図 第10図 (A) (C) a         b        b−6第11
図 第13図 第12図 第14図 第15図
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical system for measuring displacement behavior in an embodiment of an imaging type displacement meter according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are diagrams showing the principle of in-plane direction displacement measurement according to the present invention. , FIG. 4 is a diagram showing the configuration of a beam scanning type feedback circuit for measuring displacement in the in-plane direction, and FIGS. 5 and 6 are diagrams showing the principle and signal processing method of the astigmatism method for measuring displacement in the out-of-plane direction. , FIG. 7 is a diagram showing a specific example of the scanning mechanism of the optical system for measuring displacement behavior according to another embodiment of the present invention, FIG. 8 is a diagram showing a specific example of the scanning mechanism of the beam for measuring in-plane displacement, and FIG. FIG. 9 is a diagram showing the configuration of an optical system for surface shape measurement according to still another embodiment of the present invention, FIG. 10 is a diagram showing a surface shape signal processing method in the embodiment of FIG. 9, and FIG. A diagram showing the relationship between a workpiece and a groove cutting tool. Figure 12 is a diagram showing the signal processing system for surface shape measurement.
3 is a diagram showing the actuator drive signal, FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the disc rotation direction and the beam scanning direction on the optical disc surface, FIG. 15 is a diagram showing the moving direction of the scanning beam on the disc surface, and FIG. The figure shows the configuration of an optical system when a beam is divided into four parts. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Laser diode LD, 2... Collimator lens, 3... λ/4 plate, 4... Polarizing beam splitter, 5... Fixed mirror, 6... Movable mirror, 7...
・Beam splitter, 8... Objective lens, 9... Cylindrical lens, 10... Condensing lens, 11...
・Photodetector (4D), 12...Photodetector (ID or 2D), 13...Object to be measured, 14...Fine movement mechanism, 1
5... Phase compensation circuit, 16... Drive circuit, 17...
・Servo circuit, 18... Signal processing circuit, 19... Fine movement mechanism, 20.22... Fiber connector, 21...
・Optical fiber, 23... Wedge-shaped optical element, 24...
- Leaf spring, 25... Drive mechanism, 26... Drive circuit,
27... Control circuit, 28... Parabolic mirror, 29...
Wollaston prism. Agent Patent Attorney Tatsuno Unuma 1 Figure 6-----Duomi 2- Figure 3 +3--M1 knob';l'j't 4 M +a+ (b) (c) (d) re>Figure 5 (A) (B
(C) Figure 6 +8--1-→No. 23 buried well Figure 7 Figure 8 ) (D) % bite - (E) 20.22------F2 pressure 3?2 ri2+------
Figure 9 Figure 10 (A) (C) a b b-6 11
Figure 13 Figure 12 Figure 14 Figure 15

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)光源からのビームを少なくとも2つのビームに分
割して被測定物に照射し少なくとも2つのポイントで変
位を計測する結像型変位計において、前記分割された複
数のビームの少なくとも1つのビームを前記被測定物の
面内方向に走査する機構を備え、被測定物の面外方向へ
の変位と面内方向への変位とを同時に測定することを特
徴とする結像型変位計。
(1) In an imaging displacement meter that divides a beam from a light source into at least two beams and irradiates the object to be measured to measure displacement at at least two points, at least one of the plurality of divided beams An imaging type displacement meter comprising a mechanism for scanning the object to be measured in an in-plane direction, and simultaneously measuring an out-of-plane displacement and an in-plane displacement of the object to be measured.
(2)特許請求の範囲第1項において、 前記ビーム走査機構が、 前記分割された複数のビームのうち固定ビームを基準と
して前記少なくとも1つのビームを走査する機構である
ことを特徴とする結像型変位計。
(2) Imaging according to claim 1, wherein the beam scanning mechanism is a mechanism that scans the at least one beam among the plurality of divided beams with a fixed beam as a reference. Mold displacement meter.
(3)特許請求の範囲第1項または第2項において、 前記ビーム走査機構が、 前記走査ビームの前記被測定物に対する相対位置を常に
一定に保持するサーボ回路を備えたことを特徴とする結
像型変位計。
(3) In claim 1 or 2, the beam scanning mechanism includes a servo circuit that always maintains a constant relative position of the scanning beam with respect to the object to be measured. Image type displacement meter.
(4)特許請求の範囲第3項において、 前記サーボ回路が、 前記走査ビームを前記被測定物のエッジ上に保持するサ
ーボ回路であることを特徴とする結像型変位計。
(4) The imaging type displacement meter according to claim 3, wherein the servo circuit is a servo circuit that holds the scanning beam on an edge of the object to be measured.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014130342A (en) * 2005-12-19 2014-07-10 International Frontier Technology Laboratory Inc Card of which genuineness can be distinguished by hologram chip

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014130342A (en) * 2005-12-19 2014-07-10 International Frontier Technology Laboratory Inc Card of which genuineness can be distinguished by hologram chip

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