JPH01118712A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、物体表面の粗さ或は微小段差、光デイスク装
置に於ける焦点ずれ、物体表面の振動に伴う変位量等を
光学的に測定する変位測定装置に関するものである。

（従来の技術） 従来、斯種変位測定装置の一つとして、光学系に生ずる
非点収差を応用した粗さ測定装置が知られている（例え
ば精機学会発行「精密機械」ｖｏｌ、５１゜４月号、１
９８５年、　ｐ２２．２３）。

一般に、非点収差法による粗さ測定に於いては、第１図
に示す如くレーザ（１）から発せられる光線束を光学系
（２）を介して測定対象物（３）の測定面（３１）上に
集光し、測定面（３１）にて反射された光線束は光学系
（２）に配設したシリンドリカルレンズ（２５）によっ
て非点収差が与えられ、フォトダイオード（４）へ照射
される。

従来の非点収差法による粗さ測定装置に於いては、フォ
トダイオードとして第７図に示す如く４つの検出部から
なる４分割フォトダイオード（４１）が用いられる。フ
ォトダイオード（４１）へ照射される光線束は非点収差
を有しているから、フォトダイオード（４１）上のビー
ムスポット（８）は、測定面（３１）上の集光点の変位
に伴って第７図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）に示す様に楕円
から円へ、円から楕円へと変化し、この形状変化に基づ
いて４つの検出部の出力に差が生じる。従って、この出
力差に基づいて変位量が算出されるのである。

（解決しようとする問題点） ところが従来装置に於いては、レーザ（１）からの光線
束が、測定面（３１）の凹凸によって生じた局所的な斜
面の上に集光されたとき、該斜面にて反射された光線束
の光路が変化して、フォトダイオード（４１）上のビー
ムスポット（８）が第７図（ａ）に破線で示す様に所定
の位置からずれ、このずれに伴う検出信号の変化に因っ
て測定値に誤差を生じる問題があった。

（問題点を解決する為の手段） 本発明の目的は、光センサー上のビームスポットの位置
によって測定精度が影響されない光学式の変位測定装置
を提供することである。

本発明に係る測定装置は、測定対象物（３）の測定面（
３１）へ向けて光線束を発するレーザ（１）と、該レー
ザからの光線束を測定面（３１）上に集光すると共に測
定面（３１）にて反射された光線束に非点収差を与える
光学系（２）と、非点収差が与えられた光線束を受光し
てビームスポットの面積に応じた出力信号を発する光セ
ンサーと、該光センサーの出力信号に基づいて測定面（
３１）上の集光点の変位を算出する演算処理回路とから
構成されている。

（作　用） 光学系（２）から測定面（３１）へ向かって放射された
光線束が測定面（３１〉にて反射される際、第４図（ａ
）に示す如く測定面（３１）の反射点が入射光（１１）
の合焦面（１０）よりもδだけ後方に設定されたときは
、反射光（１２）のビームウェスト位置く仮想出射点）
Ｐ′は焦点Ｐよりも２δだけ後方にずれることになる。

又、第４図（ｂ）に示す如く測定面（３１）の反射点が
入射光（１１）の合焦面（１０）よりもδだけ前方に設
定されたときは、反射光（１２）のビームウェスト位置
Ｐ′は焦点Ｐよりも２δだけ前方にずれることになる。

この結果、光学系（２）中を進む反射光線束の光路がず
れてビーム径が変化する。更に光学系（２）にて非点収
差が与えられた光線束は、断面形状が楕円となり、前記
反射光線束のビーム径の変化に伴って、第５図に示す如
く光センサー上のビームスポット（８）の形状が変化す
る。この場合、光学系（２）の諸元を適当に選ぶことに
よって、測定面（３１）の変位δに対する楕円面積の変
化を一義的に決定することが可能でありく第６図参＠）
、この結果、光センサーからは変位δに応じた出力が得
られる。

従って、変位δとセンサー出力との関係を予め演算処理
回路に設定しておくことにより、任意の測定面の変位を
測定出来る。

（発明の効果）− 本発明に係る光学式変位測定装置に於いては、第２図に
鎖線で示す如くフォトダイオード（４）上のビームスポ
ット（８）が所定位置からずれた場合でも、ビームスポ
ット（８）の楕円面積、従ってセンサー出力に変化は生
じないから、ビームスポット（８）のずれに因る測定誤
差は発生せず、高精度の測定が可能である。

（実施例） 第１図は本発明に係る変位測定装置を用いた粗さ測定シ
ステムを示している。

測定対象物（３）は、駆動装置（９１）によって２軸方
向に位置制御されるＸ−Ｙテーブル（９）に固定される
。

半導体レーザ（１）には電源回路（７）が接続され、こ
れによってレーザ（１）から発せられる光線束は、光学
系く２）を経て測定対象物（３）の測定面（３１）へ集
光される。

光学系（２）は、従来の非点収差方式の測定装置と基本
的な構成が同一であって、ビームスプリッタ（２１）、
コリメータレンズ（ｚ２）、１７４波長板（２３）、及
び対物レンズ（２４）を所定の間隔で配列すると共に、
測定面（３１）にて反射された光線束に非点収差を与え
るシリンドリカルレンズ（２５）をスプリッタ（２１）
の側部に配設している。

非点収差が与えられた反射光線束は光センサーとなるフ
ォトダイオード（４）へ照射される。該フォトダイオー
ド（４）は単一の検出部を具え、第２図に示す如く検出
部表面に形成されるビームスポット（８）の面積に応じ
た出力信号ａを発するものである。

フォトダイオード（４）の出力信号ａは第１図に示す様
にＡ／Ｄ変換回路（５）へ送って、ダイオード出力に応
じたデジタル信号すに変換する。該デジタル信号すは、
マイクロコンピュータよりなる制御回路（９２）へ送ら
れる。

一方、駆動装置（９１）からはＸ−Ｙテーブル（９）の
移動速度に応じたサンプリング同期信号Ｃが出力され、
該同期信号Ｃは制御回路（９２）を経てＡ／Ｄ変換回路
（５）へ供給される。又、制御回路（９２）は駆動装置
（９１）の動作を制御すると共に、Ａ／Ｄ変換回路（５
）からのデジタル信号すに、サンプルホールド等の信号
処理を施して、変位δを算出する。

算出された変位δは、測定面（３１）上の測定ポイント
を表わす位置データと共に、表示装置（６）に表示され
る。

上記測定システムの光学系に於いて、第３図に示す様に
、対物レンズの主平面（２４ａ）でのビーム直径をＡ、
コリメータレンズの主平面（２２ａ）でのビーム直径を
Ｂ、シリンドリカルレンズの主平面（２５ａ）でのビー
ム直径をＥ、フォトダイオード表面（４ａ）でのビーム
スポットの楕円長軸の長さをＪ、短軸の長さをＤとする
。又、対物レンズの主平面（２４ａ）からコリメータレ
ンズの主平面（２２ａ）までの距離をし、コリメータレ
ンズの主平面（２２ａ）からシリンドリカルレンズの主
平面（２５ａ）及びフォトダイオード表面（４ａ）まで
の距離を夫々Ｈ及びＩとする。

この場合、−服的な光学解析によって下記の関係式が得
られる。ここで、Ｆｏは対物レンズ（２４）の焦点距離
、Ｆ、はコリメータレンズ（２２）の焦点距離である。

Ｄ　＝Ａ　［（１−４／Ｆ　ｌ＞−（／＋Ｌ　（１−Ｎ
／Ｆ　＋））・２δ／　ｐ　ｏ”］Ｊ　＝ＡＩＤ−１／
ｐ　＋）÷＋Ｎ−Ｌ（１−１／Ｆ　＋）−２８（Ｆ　１
１り／（Ｆ　Ｉ−Ｈ）ｌ・２δ／ＦＯ’］又、楕円の面
積（スポット面積Ｓ）は下式で表される。

Ｓ＝１／４・πＤＪ 従って、第３図の光学系が設定されると、Ａ、Ｂ、Ｅ、
Ｌ、Ｈ，１、Ｆ、、及びＦｌの諸値は与えられるから、
変位δを変数としてスポット面積Ｓが一義的に決定され
ることになる。

第６図は、変位δとスポット面積Ｓとの関係の一例を示
すものである。この場合、変位δが２０μ輪から４０μ
険に変化すると、スポット面積は略３７、ｌＸ１０コμ
ｍ　２から略２０．３ｘ　１０’μｍ２と大きく変化す
ることになる。

フォトダイオード（４）の出力はスポット面積に略比例
するから、第６図の結果から、本発明の測定装置によれ
ば十分な分解能で変位δを測定出来ることが分かる。

実際の測定に際しては、例えば表面に所定深さの凹部を
設けた検定用試験片を用いて、予め変位δとダイオード
出力との関係を求め、この関係を前記制御回路＜９２）
に設定しておく。これによって制御回路（９２〉は正確
な変位量を算出し、その結果が表示装置（６）に表示さ
れる。

本発明の測定装置によれば、上述の如く高精度の測定が
可能であるばかりでなく、光センサーが従来の如き４分
割フォトダイオード（４１）によらず、単一の検出部か
らなるフォトダイオード（４）によって構成されている
から、信号処理回路の構成が簡易となる。

又、従来装置では測定精度を上げる為、４分割フォトダ
イオード（４１）の支持装置に複雑な位置調整機構が必
要であったが、本発明ではフォトダイオード（４）に高
精度の位置決めは不要であるから、支持装置が簡易とな
る。

尚、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求
の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である
ことは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施した粗さ測定システムの構成図、
第２図はフォトダイオード上のビームスポットを示す図
、第３図は光学系の各部寸法を示す図、第４図は変位に
伴う焦点ずれを説明する光路図、第５図はスポット形状
の変化を示す図、第６図は変位とスポット面積の関係を
示すグラフ、第７図は従来装置フォトダイオードの動作
を説明する図である。 （１）・・・レーザ　　　　（２）・・・光学系（３１
）・・・測定面　　　　（４）・・・フォトダイオード
（８）・・・ビームスポット

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］測定対象物（３）の測定面（３１）へ向けて光線
   束を発するレーザ（１）と、該レーザからの光線束を測
   定面（３１）上に集光すると共に測定面（３１）にて反
   射された光線束に非点収差を与える光学系（２）と、非
   点収差が与えられた光線束を受光してビームスポットの
   面積に応じた出力信号を発する光センサーと、該光セン
   サーの出力信号に基づいて測定面（３１）上の集光点の
   変位を算出する演算処理回路とから構成される光学式変
   位測定装置。 ［２］光学系（２）には光線束に非点収差を与えるシリ
   ンドリカルレンズ（２５）が配設されている特許請求の
   範囲第１項に記載の光学式変位測定装置。 ［３］光センサーはフォトダイオード（４）である特許
   請求の範囲第１項又は第２項に記載の光学式変位測定装
   置。