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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- 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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