JPH02231515A - レーザーダイオードを用いた光学式変位計の光軸調整方法 - 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、内部に半導体レーザチップと該レーザチップ
の出力をモニタする出力補正用フォトダイオードとを有
するレーザーダイオードを用いた光学式変位計を利用し
て、被検出物の厚さを測定する際の光軸調整方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

レーザダイオードを用いた光学式変位計は、第１図のよ
うにしてなる。

即ち、光学式変位計１は、レーザーダイオード２、位置
検出素子３、レーザ投光回路４、投光レンズ５及び受光
レンズ６等を内蔵するものである。

レーザーダイオード２は、レーザ投先回路４によって駆
動されてレーザ光を発生し、投光レンズ５を介して被検
出物７表面を照射する。

被検出物７表面で反射したレーザ光は受光レンズ６を介
して位置検出素子３に入射する。

この時、被検出部７の位置によって、位置検出素子３の
受光位置が変化するので、これを電気信号に変換するこ
とによって、被検出物７の距離を知ることができる． このような光学式変位計を２台用いて被検出物を挟み込
み、それぞれの変位計から被検出物の表面までの距離を
測定すれば、被検出物の厚さを測定することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述のような挟み込み測定を行う際に、２台の光学式変
位計の光軸が一致していることが望ましい。

なぜならば、被検出物７の厚みが均等でなければ、光軸
のずれにようて厚さ測定はでたらめな値となる。

もし、被検出物７の厚みが均等であったとしても、被検
出物７がレーザーダイオード２の投光と垂直でない場合
には大きな測定誤差を生ずる。

例えば、第２図に示すように厚さＤの被検出物７が角度
θだけ傾いているとする。

２つの光学式変位計の光軸が一致している際には、Ａ−
Ｂ間の厚さを測定するべきところが、被検出物７の傾き
θによって、ＡＩ−Ｂｌ間を測定することとなる。

このＡＩ−Ｂｌ間の距離ＤＩは、第２図から明らかなよ
うに、 Ｄ１＝Ｄ／ｃｏｓθ となる。

よって、被検出物７が角度θだけ傾いていることから生
じる誤差ΔＤ１は、 ΔＤ１＝０１−Ｄ 一Ｄ／ｃｏｓθ−Ｄ ＝Ｄ−（１−ｃｏｓθ）　／　ｃｏｓθとなる。

更に、Ａ側の変位計の光軸がＢ側の変位計の光軸と距離
Ｌだけずれている場合、Ａ側の測定点がＡ１からＡ２に
変わるので、その時の誤差ΔＤ２はＡｌ−Ａ間の距離に
等しく、 ΔＤ２＝Ｌ　ｔａｎθ となる。

よって２つの変位計の光軸が距離Ｌだけずれており、被
検出物７が角度θだけ傾いている時に生じる誤差ΔＤ３
は、 ΔＤ３＝ΔＤ１＋ΔＤ２ ＝Ｄ（１　　ｃｏｓθ）　／　ｃｏｓθ＋Ｌ　ｔａｎθ
である。

この誤差ΔＤ３のうち第１項のΔＤ１は、２台の変位計
の光軸が一敗していても被検出物７の傾きによって生じ
る誤差である。

通常、被検出物７は変位計の光軸と垂直に置かれており
、その傾きは約５゜を超えることはないと考える。

また、被検出物６がシリコンウエハ等の薄板状のものと
仮定し、厚さ約０．５ｍｍのものであれば、ΔＤ１＝Ｄ
　・（　１　−　ｃｏｓθ）　／　ｃｏｓθ＝１．９　
ＸＩＯ−２閤 ＝１．９μｍ となる。

これに対し、変位計の光軸のずれによる誤差ΔＤ２＝Ｌ
　ｔａｎθは光軸のずれＬに大きく影響されるもので、
例えば、被検出物７の傾きがθ＝５゜で、光軸のずれＬ
＝０．５ｍ＋＊とすると、ΔＤ２＝４４μｍの誤差を生
じることとなる。

よって、被検出物７が角度θだけ傾いており、２台の変
位計の光軸が距離だけずれている場合に生じる誤差ΔＤ
３のうち第１項のΔＤ１は第２項のΔＤ２に比して無視
できる程度に小さく、２台の変位計の光軸のずれが、測
定の誤差に大きく影響することがわかる。

このような２台の変位計を用いた挟み込み測定の際には
、目視ＴＩＴ［認することによって、変位計の光軸合わ
せを行っているが、光軸を精度よく一致させることは困
難であり、前述したような測定誤差を生ずることとなる
ものである。

そこで、正確な取付け位置を機械加工して、この位置に
変位計を取付けることが考えられるが、加工費の点でコ
スト高となるばかりでなく、変位計自体の光軸のばらつ
きによりケースを正確な位置に取付けてもレーザーダイ
オードの光軸が正確に一致するとは限らないものである
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記問題点に鑑みて、半導体レーザチップと
該レーザチップの出力をモニタする出力補正用フォトダ
イオードとを有するレーザーダイオードを用いた２台の
光学式変位計を被検出物を厚さ方向に挟み込む位置で互
いにレーザーダイオードの投光方向を対面させて仮設置
し、該変位計のうちの一方の変位計のレーザーダイオー
ドを点灯し、該レーザーダイオードの発生するレーザ光
を他方の変位計のレーザーダイオードが内蔵するフォト
ダイオードによって受光させ、該フォトダイオードの受
光量を電圧値に変換し、前記２台の変位計の位置を微調
整して、前記電圧値が最適値となるように固定すること
を特徴とするレーザーダイオードを用いた光学式変位計
の光軸調整方法を開示するものである。

ここで、フォトダイオードの出力する電圧値を、平滑回
路を用いて直流電圧化し、この電圧を電圧計を用いて目
視確認することができる。

また、２台の変位計の位置の微調整を手動によって行う
ことも可能であり、自動位置調整装置を用いて行うこと
も可能である。

（作用） 本発明に係るレーザーダイオードを用いた光学式変位計
の光軸調整方法は、上述のようにしてなり、光学式変位
計に内蔵されるレーザーダイオードの出力補正用フォト
ダイオードを利用して、２台の光学式変位計の光軸調整
を行うものである。

〔実施例〕

次に本発明の詳細を説明する。

本発明に用いられる光学式変位計１は、第１図にその簡
略図を示すように、レーザーダイオード２、位置検出素
子３、レーザ投光回路４、投光レンズ５及び受光レンズ
６等を内蔵している。

レーザーダイオード２はレーザ投光回路４によって駆動
されてレーザ光を発生する。

ここで発生したレーザ光は投光レンズ５を介して被検出
物７に投光され、被検出物７表面で反射したレーザ光は
受光レンズ６を介して位置検出素子３によって受光され
る。

この時、第１図に示すように、レーザ光は被検出物７と
変位計１との距離に応じた位置で位置検出素子３に受光
されるので、この位置検出素子３の発生する電流値に基
づいて受光位置を検出すれば、被検出物５との距離を特
定することができる。

このようなレーザーダイオードを用いた２台の光学式変
位計１ａ、１ｂを第３図に示すように、被検出物７を厚
さ方向に挟み込む位置で互いに投光部を対面させて仮設
置する。

変位計１ａ、１ｂは基本的に同一のものを用いることと
し、その内部にはそれぞれレーザーダイオード２ａ，　
２ｂを内蔵するものである。

この時のレーザーダイオード２ａ、２ｂの光軸は一致し
ておらず、例えば第３図に示したように上下方向にずれ
ている場合や第３図で紙面の垂直方向にずれている場合
、第４図に示したように光軸が平行でない場合及びこれ
らの複合した場合が考えられる。

ここで光学式変位計１に内蔵されるレーザーダイオード
２は、第５図の一部切欠斜視図に示すような構造でなる
ものである。

即ち、このレーザーダイオード２はレーザチップ８とレ
ーザチップ８の光軸上の後方に配されるフォトダイオー
ド１１を内蔵しており、レーザチツプ８の投光方向に位
置してケース１０の一部に透光板９を取付けている。

半導体レーザは、温度変化によって出力が大きく変・化
する為に、出力の補正を行う必要があるが、このフォト
ダイオード１１によってレーザチップ８の出力を受光し
、これをフィードバックして出力補正を実現している。

本発明では、このレーザーダイオード２に内蔵されてい
るフォトダイオードｌ１を利用して、レーザーダイオー
ド２の光軸を調整するものである。

ここで用いられる光学式変位計１に内蔵されるレーザー
ダイオード２は、第６図に示すような回路に接続されて
いる。

フォトダイオード１１の発生する出力電流は光電圧変換
用抵抗Ｒ１によって電圧に変換され、レベルシフト回路
１２及び平滑回路１３を介して出力される．第３図また
は第４図のように互いに投光部を対面させて仮設置され
た光学式変位計１ａ、■ｂのうち、一方の変位計、例え
ば１ａを点灯させて、他方の変位計１ｂを点灯せずに、
レーザーダイオード２ａの発生するレーザ光をレーザー
ダイオード２ｂに入射させる。

レーザーダイオード２ａがパルス点灯しているときには
、レーザーダイオード２ｂ内のフォトダイオード１１が
このレーザ光を受光してパルス波を発生し、レベルシフ
ト回路１２はこれをレベルシフトして出力する。

更に、この信号は平滑回路１３によって直流電圧化され
て出力される。

この時、２つのレーザーダイオード２ａ、２ｂの光軸が
一致している時に、受光側のレーザーダイオード１ｂの
フォトダイオード１１の受光量が最大となり、その出力
値も最大となる。

これに対し、レーザーダイオード２ａ、２ｂの光軸がず
れている場合には、フォトダイオード１１の受光量が減
少するので、平滑回路１３の出力電圧が最大となるよう
に、２台の変位計１ａ、１ｂの位置を調整すれば、光軸
合わせを正確に行うことができる。

２台の変位計１ａ、１ｂのレーザーダイオード２ａ１２
ｂの光軸が一致しているときには、被検出物７がレーザ
ーダイオード２ａ、２ｂの光軸と垂直な面に対して角度
θの傾きをもっていたとしても、ΔＤ１＝Ｄ・　（１−
ｃｏｓθ）　／　ｃｏｓθの測定誤差が生じるだけであ
る。

平滑回路１３を介して得られるフォトダイオード１１の
出力電圧は、例えば、電圧計によって測定することも可
能であり、またコンピュータに入力して解析することも
可能である。

フォトダイオード１ｌの出力電圧を電圧計で測定する時
には、出力電圧を目視して、最大値を確認して変位計の
微調整を行うことができる。

また出力電圧をコンピュータに入力する場合には、電圧
の最大値が得られる変位計の位置を自動的に検出して、
変位計を自動位置調整装置によって位置の微調整を自動
的に行うことも可能である．このようにした本発明のレ
ーザーダイオードを用いた光学式変位計の光軸調整方法
では、変位計に用いられているレーザーダイオードに内
蔵されたフォトダイオードを利用して、簡単に光軸を合
わせることが可能となり、正確な測定を行うことを可能
とするものである。

〔発明の効果〕

本発明に係るレーザーダイオードを用いた光学式変位計
の光軸調整方法は上述のようにしてなり、光学式変位計
の光軸調整を簡単でかつ正確に行うことを可能とするも
のである。

また、フォトダイオードの電圧を読み取り、光軸の調整
を行うので、光軸合わせを自動的に行うことを可能とす
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザーダイオードを用いた光学
式変位計の光軸調整方法に用いられる変位計の説明図、
第２図は変位計を用いた厚さ測定における誤差の説明図
、第３図、第４図は光学式変位計の光軸のずれの説明図
、第５図は本発明に用いられるレーザーダイオードの説
明用一部切欠斜視図、第６図は本発明に用いられる簡略
回路図である。 １：光学式変位計、 ２：レーザーダイオード、３：位置検出素子、４：レー
ザ投光回路、　　　５：投光レンズ、６：受光レンズ、
　　　　　７：被検出物、８：レーザチップ、　　　　
９：投光板、１０：ケース、　　　　　　　１１：フォ
トダイオード、１２： レベルシフト回路、 １３：平滑回路。 特 許 出 願 人 株式会社キーエンス 第 図 第 図 −ＶＣＣ 第 図 第 図 第 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体レーザチップと該レーザチップの出力をモニ
   タする出力補正用フォトダイオードとを有するレーザー
   ダイオードを用いた２台の光学式変位計を被検出物を厚
   さ方向に挟み込む位置で互いにレーザーダイオードの投
   光方向を対面させて仮設置し、 該変位計のうちの一方の変位計のレーザーダイオードを
   点灯し、 該レーザーダイオードの発生するレーザ光を他方の変位
   計のレーザーダイオードが内蔵するフォトダイオードに
   よって受光させ、 該フォトダイオードの受光量を電圧値に変換し、前記２
   台の変位計の位置を微調整して、前記電圧値が最適値と
   なるように固定することを特徴とするレーザーダイオー
   ドを用いた光学式変位計の光軸調整方法。 ２）フォトダイオードの出力する電圧値を、平滑回路を
   用いて直流電圧化し、この電圧を電圧計を用いて目視確
   認することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレ
   ーザーダイオードを用いた光学式変位計の光軸調整方法
   。 ３）２台の変位計の位置の微調整を手動によって行うこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載
   のレーザーダイオードを用いた光学式変位計の光軸調整
   方法。 ４）２台の変位計の位置の微調整を、自動位置調整装置
   を用いて行うことを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のレーザーダイオードを用いた光学式変位計の光軸調
   整方法。