JPH0363001B2 - - Google Patents
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- JPH0363001B2 JPH0363001B2 JP57200753A JP20075382A JPH0363001B2 JP H0363001 B2 JPH0363001 B2 JP H0363001B2 JP 57200753 A JP57200753 A JP 57200753A JP 20075382 A JP20075382 A JP 20075382A JP H0363001 B2 JPH0363001 B2 JP H0363001B2
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- Japan
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- reflected
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- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 20
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 6
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
- G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
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- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、被測定物の微小変位や表面粗さを光
学的に測定する光学式寸度測定装置に関する。
学的に測定する光学式寸度測定装置に関する。
従来、この種の寸度測定位置としてはレーザ光
を応用したものが広く知られているが、対物レン
ズの焦点ずれを利用することにより被測定物の微
小変位や表面粗さを測定する方式のものとして、
例えば特開昭56−7246号に開示されたものがあ
る。
を応用したものが広く知られているが、対物レン
ズの焦点ずれを利用することにより被測定物の微
小変位や表面粗さを測定する方式のものとして、
例えば特開昭56−7246号に開示されたものがあ
る。
第1図はこのような方式による従来の光学式寸
度測定装置の概略構成を示す図で、同図中符号1
はレーザ光源、2はコリメートレンズ、3は偏光
プリズムで、この偏光プリズム3はレーザ光源1
からの入射光がP偏光となるような方向に置かれ
ている。又、符号4で示すものは1/2波長板、5
は対物レンズ、6は被測定物である反射物体で、
7は偏光プリズム3からの反射光を後述する分割
受光センサ8に導くプリズムである。尚、このプ
リズム7の反射面7Cは反射光の光軸Cに対し、
ほぼ臨界角となるように設定されている。上記分
割受光センサ8は第2図に示すように二分割され
た受光面8A,8Bからなつており、上記プリズ
ム7の入射面に対してほぼ垂直な面となつてい
る。又、この分割線8Cは反射光の光軸Cとほぼ
1点で交わるようになつている。
度測定装置の概略構成を示す図で、同図中符号1
はレーザ光源、2はコリメートレンズ、3は偏光
プリズムで、この偏光プリズム3はレーザ光源1
からの入射光がP偏光となるような方向に置かれ
ている。又、符号4で示すものは1/2波長板、5
は対物レンズ、6は被測定物である反射物体で、
7は偏光プリズム3からの反射光を後述する分割
受光センサ8に導くプリズムである。尚、このプ
リズム7の反射面7Cは反射光の光軸Cに対し、
ほぼ臨界角となるように設定されている。上記分
割受光センサ8は第2図に示すように二分割され
た受光面8A,8Bからなつており、上記プリズ
ム7の入射面に対してほぼ垂直な面となつてい
る。又、この分割線8Cは反射光の光軸Cとほぼ
1点で交わるようになつている。
以上のような構成において、レーザ光源1より
出射されたレーザ光はコリメートレンズ2によつ
て平行光束に変換され、P偏光で偏光プリズム3
に入射される。偏光プリズム3に入射したレーザ
光は、偏光プリズム3を透過して次の1/4波長板
4に導かれる。1/4波長板4に入射したレーザ光
は円偏光の光束に変換された後、対物レンズ5を
介して反射物体6の表面に集光される。
出射されたレーザ光はコリメートレンズ2によつ
て平行光束に変換され、P偏光で偏光プリズム3
に入射される。偏光プリズム3に入射したレーザ
光は、偏光プリズム3を透過して次の1/4波長板
4に導かれる。1/4波長板4に入射したレーザ光
は円偏光の光束に変換された後、対物レンズ5を
介して反射物体6の表面に集光される。
反射物体6で反射したレーザ光は反射光とな
り、再び同一光路を逆進して対物レンズ5、1/4
波長板4を通り、S偏光となつて偏光プリズム3
に入射される。偏光プリズム3に入射した反射光
は反射してプリズム7に導かれ、反射面7Cで反
射して分割受光センサ8に入射され、光量が検出
される。
り、再び同一光路を逆進して対物レンズ5、1/4
波長板4を通り、S偏光となつて偏光プリズム3
に入射される。偏光プリズム3に入射した反射光
は反射してプリズム7に導かれ、反射面7Cで反
射して分割受光センサ8に入射され、光量が検出
される。
ところで、分割受光センサ8に入射した反射光
は被測定物である反射物体6の表面が対物レンズ
5の焦点に位置している時は対物レンズ5で平行
光となるので、プリズム7に入射する反射光の入
射角は全て等しくなる。その結果、分割受光セン
サ8で受光される反射光の光量は全面均一とな
る。一方、反射物体6の表面が対物レンズ5の焦
点位置より矢印X方向に変位した場合には、反射
光は対物レンズ5を通過したのち発散光となるの
で、入射光の光軸より上側の光線は平行光の時と
比べて入射角が小さくなり、反射率が低下する。
また、入射光の光軸より下側の光線は入射角が大
きくなるので、反射率が増加する。その結果、分
割受光センサ8に入射する反射光の光量が不均一
となり、受光面8Aの受光量が低下する。
は被測定物である反射物体6の表面が対物レンズ
5の焦点に位置している時は対物レンズ5で平行
光となるので、プリズム7に入射する反射光の入
射角は全て等しくなる。その結果、分割受光セン
サ8で受光される反射光の光量は全面均一とな
る。一方、反射物体6の表面が対物レンズ5の焦
点位置より矢印X方向に変位した場合には、反射
光は対物レンズ5を通過したのち発散光となるの
で、入射光の光軸より上側の光線は平行光の時と
比べて入射角が小さくなり、反射率が低下する。
また、入射光の光軸より下側の光線は入射角が大
きくなるので、反射率が増加する。その結果、分
割受光センサ8に入射する反射光の光量が不均一
となり、受光面8Aの受光量が低下する。
また、反射物体6の表面が矢印X方向と逆方向
に変位した場合には反射光は収束光となるので、
反射光の入射光の関係が上記発散光の場合と逆に
なり、受光面8Bの受光量が低下する。
に変位した場合には反射光は収束光となるので、
反射光の入射光の関係が上記発散光の場合と逆に
なり、受光面8Bの受光量が低下する。
したがつて、従来では分割受光センサ8の受光
面8Aと8Bの出力差を求めることにより、反射
物体表面と対物レンズ焦点との相対的な位置関係
を検出し、被測定物の微小変位や表面粗さを測定
していた。
面8Aと8Bの出力差を求めることにより、反射
物体表面と対物レンズ焦点との相対的な位置関係
を検出し、被測定物の微小変位や表面粗さを測定
していた。
しかしながら、このような従来の測定位置にお
いては、本来レーザ光源1が持つ雑音によつて生
ずる光量のゆらぎや光量分布の不均一性をも検出
してしまうため、反射物体6の位置に応じた光量
変化と区別がつかないという欠点があつた。
いては、本来レーザ光源1が持つ雑音によつて生
ずる光量のゆらぎや光量分布の不均一性をも検出
してしまうため、反射物体6の位置に応じた光量
変化と区別がつかないという欠点があつた。
本発明は上記の欠点を解消するためになされた
もので、レーザ光源の雑音による影響を受けるこ
となく、被測定物の微小変位や表面粗さを正確に
測定し得る光学式寸度測定装置を提供することを
目的とするものである。
もので、レーザ光源の雑音による影響を受けるこ
となく、被測定物の微小変位や表面粗さを正確に
測定し得る光学式寸度測定装置を提供することを
目的とするものである。
本発明は上記の目的を達成するために、被測定
物からの反射光を光分割素子によつて二分割し、
この二分割された反射光を光軸に対してほぼ臨界
角となる反射面を持つ二つのプリズムによつて二
つの分割光検出素子に導き、この二つの分割光検
出素子の出力信号を重ね合せることにより被測定
物の微小変位及び表面粗さを測定することを特徴
としている。
物からの反射光を光分割素子によつて二分割し、
この二分割された反射光を光軸に対してほぼ臨界
角となる反射面を持つ二つのプリズムによつて二
つの分割光検出素子に導き、この二つの分割光検
出素子の出力信号を重ね合せることにより被測定
物の微小変位及び表面粗さを測定することを特徴
としている。
以下、図面に示す実施例に基づいて本発明を詳
細に説明する。
細に説明する。
第3図〜第5図はいずれも本発明の一実施例を
説明するためのもので、第3図は測定装置の概略
構成を示す図で、第4図及び第5図は遮弊板の作
用を説明する図である。尚、各図中第1図と同一
部分には同一符号を付し、その部分の説明は省略
する。
説明するためのもので、第3図は測定装置の概略
構成を示す図で、第4図及び第5図は遮弊板の作
用を説明する図である。尚、各図中第1図と同一
部分には同一符号を付し、その部分の説明は省略
する。
第3図において符号30で示すものは偏光プリ
ズム3によつて導かれた反射光を二つの分割する
ハーフミラーで、符号31,32で示すものはハ
ーフミラー30によつて二分割された反射光を分
割受光センサ33,34に導くプリズムである。
このプリズム31,32は材質、大きさ、及び形
状が同一のもので従来と同様、反射面31C,3
2Cが光軸Cに対しほぼ臨界角となるように設定
され、その表面には反射防子膜が施されている。
また、これらのプリズム31,32は、反射光が
平行光の場合に、反射面31C,32Cの反射光
に対する角度が等しく、且つ分割受光センサ3
3,34の分割線が光軸Cと交わるようになつて
いる。
ズム3によつて導かれた反射光を二つの分割する
ハーフミラーで、符号31,32で示すものはハ
ーフミラー30によつて二分割された反射光を分
割受光センサ33,34に導くプリズムである。
このプリズム31,32は材質、大きさ、及び形
状が同一のもので従来と同様、反射面31C,3
2Cが光軸Cに対しほぼ臨界角となるように設定
され、その表面には反射防子膜が施されている。
また、これらのプリズム31,32は、反射光が
平行光の場合に、反射面31C,32Cの反射光
に対する角度が等しく、且つ分割受光センサ3
3,34の分割線が光軸Cと交わるようになつて
いる。
一方、分割受光センサ33,34も従来と同様
のもので、それぞれ二分割された受光面33A,
33B及び34A,34Bを有している。尚、こ
れらのプリズム31,32及び分割受光センサ3
3,34の位置的関係は、ハーフミラー30と光
軸Cが交わる点を中心として入射面内で一方を適
当な角度だけ回転させた時、ほぼ重なり合う位置
にある。
のもので、それぞれ二分割された受光面33A,
33B及び34A,34Bを有している。尚、こ
れらのプリズム31,32及び分割受光センサ3
3,34の位置的関係は、ハーフミラー30と光
軸Cが交わる点を中心として入射面内で一方を適
当な角度だけ回転させた時、ほぼ重なり合う位置
にある。
したがつて反射物体6からの反射光は従来と同
様、同一光路を逆進して偏光プリズム3で反射
し、ハーフミラー30によつて二分割される。二
分割した反射光はそれぞれプリズム31,32に
入射され、反射して分割受光センサ33,34に
導かれる。ここで、反射物体6の表面が対物レン
ズ5の焦点位置にある時、すなわち反射光が平行
光である場合には分割受光センサ33,34の各
受光面の受光量は均等となり、発散光及び収束光
の場合にはそれぞれ対応して分割受光センサ3
3,34の各受光面の出力が変化する。したがつ
て、受光面33Aの出力I33Aと受光面34Bの出
力I33Bの和から受光面33Bの出力I33Bと受光面
34Aの出力I33Aの和を差引くことによつて反射
物体6の位置を検出することが可能である。
様、同一光路を逆進して偏光プリズム3で反射
し、ハーフミラー30によつて二分割される。二
分割した反射光はそれぞれプリズム31,32に
入射され、反射して分割受光センサ33,34に
導かれる。ここで、反射物体6の表面が対物レン
ズ5の焦点位置にある時、すなわち反射光が平行
光である場合には分割受光センサ33,34の各
受光面の受光量は均等となり、発散光及び収束光
の場合にはそれぞれ対応して分割受光センサ3
3,34の各受光面の出力が変化する。したがつ
て、受光面33Aの出力I33Aと受光面34Bの出
力I33Bの和から受光面33Bの出力I33Bと受光面
34Aの出力I33Aの和を差引くことによつて反射
物体6の位置を検出することが可能である。
例えば発散光の場合について説明する。いま仮
りに、説明を容易にするために偏光プリズム3か
らの反射光の光軸Cより図中左側の領域をAと
し、右側の領域をBとして、反射光が平行光の時
のプリズム31,32の反射光31C,32Cで
反射率をROとすると、A領域における発散光の
光線はハーフミラー30に対する入射角の関係か
ら反射面32Cでの反射率がROより大きくなり、
反射面32Cでの反射率がROより小さくなる。
また、B領域の発散光の光線については反射面3
1Cでの反射率がROより小さくなり、反射面3
2Cでの反射率ROより大きくなる。したがつて、
平均的にはA領域における反射面31Cでの反射
率とB領域における反射面32Cでの反射率は
RO+rとなり、B領域における反射面31Cで
の反射率とA領域における反射面32Cでの反射
率はRO−rとなる。尚、rは反射光の発散度に
よるもので、r>0、RO≫rである。
りに、説明を容易にするために偏光プリズム3か
らの反射光の光軸Cより図中左側の領域をAと
し、右側の領域をBとして、反射光が平行光の時
のプリズム31,32の反射光31C,32Cで
反射率をROとすると、A領域における発散光の
光線はハーフミラー30に対する入射角の関係か
ら反射面32Cでの反射率がROより大きくなり、
反射面32Cでの反射率がROより小さくなる。
また、B領域の発散光の光線については反射面3
1Cでの反射率がROより小さくなり、反射面3
2Cでの反射率ROより大きくなる。したがつて、
平均的にはA領域における反射面31Cでの反射
率とB領域における反射面32Cでの反射率は
RO+rとなり、B領域における反射面31Cで
の反射率とA領域における反射面32Cでの反射
率はRO−rとなる。尚、rは反射光の発散度に
よるもので、r>0、RO≫rである。
今、A領域における反射光の光量をIO+ΔIAと
し、B領域の光量をIO+ΔIBとすると、分割受光
センサ33,34の各出力は下記のように表わさ
れる。
し、B領域の光量をIO+ΔIBとすると、分割受光
センサ33,34の各出力は下記のように表わさ
れる。
I33A=α(RO+r)(IO+ΔIA)/2
I33B=α(RO−r)(IO+ΔIB)/2
I33A=α(RO−r)(IO+ΔIA)/2
I33B=α(RO+r)(IO+ΔIB)/2
尚、上式においてΔIA,ΔIBはレーザ光源1の
雑音による光量変化であり、通常はΔIA,ΔIB≪IO
である。また、αは分割受光センサ33,34の
効率を表わす比例定数である。このことから、反
射物体6と対物レンズ5の焦点との相対的な位置
関係は次式によつて表わされる。
雑音による光量変化であり、通常はΔIA,ΔIB≪IO
である。また、αは分割受光センサ33,34の
効率を表わす比例定数である。このことから、反
射物体6と対物レンズ5の焦点との相対的な位置
関係は次式によつて表わされる。
(I33A+I34B)−(I33B+I34A)
=2α・r・IO+α・r(ΔIA+ΔIB) ……(1)
一方、比較のために第1図に示す分割受光セン
サ8の場合には次式のようになる。
サ8の場合には次式のようになる。
I8B−I8A=2α・r・IO−α
・RO(ΔIB−ΔIA)+α・r)ΔIA+ΔIB)
……(2) ここで、(1),(2)式において第1項の2α・r・IO
が検出すべき信号で、その他の項は雑音成分を意
味している。(1)式と(2)式との大きな違いは(2)式に
−α・RO(ΔIB−ΔIA)の項があることである。(2)
式で第1項と第2項の大きさを比べた時、たとえ
IO≫ΔIA,ΔIBであつてもRO≫rであるので、雑音
成分である第2項の方が大きくなることが起り得
る。しかしながら、(1)式においては−αRO(IB−
ΔIA)の項が存在しないので、ほとんどレーザ光
源1の影響を受けることなく、反射物体6の位置
を検出することが可能となる。
……(2) ここで、(1),(2)式において第1項の2α・r・IO
が検出すべき信号で、その他の項は雑音成分を意
味している。(1)式と(2)式との大きな違いは(2)式に
−α・RO(ΔIB−ΔIA)の項があることである。(2)
式で第1項と第2項の大きさを比べた時、たとえ
IO≫ΔIA,ΔIBであつてもRO≫rであるので、雑音
成分である第2項の方が大きくなることが起り得
る。しかしながら、(1)式においては−αRO(IB−
ΔIA)の項が存在しないので、ほとんどレーザ光
源1の影響を受けることなく、反射物体6の位置
を検出することが可能となる。
したがつて、本実施例によれば上述した構成の
光学系全体又は反射物体6を反射物体表面に平行
な平面内で移動させ(1)式に基づいて信号を検出す
ることにより、反射物体6の表面粗さ及び微小変
位を正確に測定できる。
光学系全体又は反射物体6を反射物体表面に平行
な平面内で移動させ(1)式に基づいて信号を検出す
ることにより、反射物体6の表面粗さ及び微小変
位を正確に測定できる。
尚、本実施例においては反射物体6の傾きによ
る影響を除去するために、レーザ光源1と対物レ
ンズ5の間に紙面に対し垂直な或る幅を持つ遮蔽
板35が設けられている。このようにすれば第4
図の斜線部分で示すように反射物体6の表面が光
軸に対して垂直であれば、反射光は分割受光セン
サ33,34の分割線33C,334Cに対して
対称であるが、反射物体6の表面が入射光の光軸
に対して垂直でなく傾いている場合には遮蔽板3
5が第5図に示すように平行移動するように見え
る。したがつて、反射光の光量分布の連続した部
分の一部が分割線33C,34Cを越えて隣りの
受光面へ移動しない範囲で反射物体6が傾いたと
しても、分割受光センサ33,34の出力は変化
せず、信号の安定化が図れる。
る影響を除去するために、レーザ光源1と対物レ
ンズ5の間に紙面に対し垂直な或る幅を持つ遮蔽
板35が設けられている。このようにすれば第4
図の斜線部分で示すように反射物体6の表面が光
軸に対して垂直であれば、反射光は分割受光セン
サ33,34の分割線33C,334Cに対して
対称であるが、反射物体6の表面が入射光の光軸
に対して垂直でなく傾いている場合には遮蔽板3
5が第5図に示すように平行移動するように見え
る。したがつて、反射光の光量分布の連続した部
分の一部が分割線33C,34Cを越えて隣りの
受光面へ移動しない範囲で反射物体6が傾いたと
しても、分割受光センサ33,34の出力は変化
せず、信号の安定化が図れる。
以上述べたように本発明によれば、被測定物か
らの反射光を二つのプリズムを用いて、二つの二
分割光検出素子で検出することにより、レーザ光
源の雑音による影響に左右されない高精度の光学
式寸度測定装置に提供できる。
らの反射光を二つのプリズムを用いて、二つの二
分割光検出素子で検出することにより、レーザ光
源の雑音による影響に左右されない高精度の光学
式寸度測定装置に提供できる。
第1図は従来の光学式寸度測定装置の概略構成
図、第2図は分割受光センサの平面図、第3図は
本発明の一実施例である光学式寸度測定装置の概
略構成図、第4図及び第5図は同実施例における
遮蔽板の作用を説明する説明図である。 1……レーザ光源、2……コリメートレンズ、
3……偏光プリズム、4……1/4波長板、5……
対物レンズ、6……反射物体、30……ハーフミ
ラー、31,32……プリズム、33,34……
分割受光センサ、35……遮蔽板。
図、第2図は分割受光センサの平面図、第3図は
本発明の一実施例である光学式寸度測定装置の概
略構成図、第4図及び第5図は同実施例における
遮蔽板の作用を説明する説明図である。 1……レーザ光源、2……コリメートレンズ、
3……偏光プリズム、4……1/4波長板、5……
対物レンズ、6……反射物体、30……ハーフミ
ラー、31,32……プリズム、33,34……
分割受光センサ、35……遮蔽板。
Claims (1)
- 1 レーザ光源と、このレーザ光源から出射され
た光を入射光として被測定物の表面に集光させる
対物レンズと、この対物レンズに前記光源からの
光を導くとともに前記被測定物で反射し再び対物
レンズを通過してくる反射光を前記光源以外の方
向に導く偏光素子と、この偏光素子より導かれた
反射光を二分割する光分割素子と、この二分割さ
れた反射光を光軸に対してほぼ臨界角となる反射
面を有する二つのプリズムと、この二つのプリズ
ムで反射した二つの反射光の光量変化を検出する
二つの二分割光検出素子とを具備してなる光学式
寸度測定装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57200753A JPS5990007A (ja) | 1982-11-16 | 1982-11-16 | 光学式寸度測定装置 |
US06/875,508 US4726685A (en) | 1982-11-16 | 1986-06-18 | Optical measuring device for detecting surface characteristics of object |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP57200753A JPS5990007A (ja) | 1982-11-16 | 1982-11-16 | 光学式寸度測定装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS5990007A JPS5990007A (ja) | 1984-05-24 |
JPH0363001B2 true JPH0363001B2 (ja) | 1991-09-27 |
Family
ID=16429597
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP57200753A Granted JPS5990007A (ja) | 1982-11-16 | 1982-11-16 | 光学式寸度測定装置 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4726685A (ja) |
JP (1) | JPS5990007A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108204890A (zh) * | 2017-12-27 | 2018-06-26 | 四川大学 | 照明系统光场均匀性的测试方法及其检测装置 |
Families Citing this family (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS6182209U (ja) * | 1984-11-02 | 1986-05-31 | ||
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