JPH0425711A - 光学式変位計 - Google Patents
光学式変位計Info
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- JPH0425711A JPH0425711A JP13096190A JP13096190A JPH0425711A JP H0425711 A JPH0425711 A JP H0425711A JP 13096190 A JP13096190 A JP 13096190A JP 13096190 A JP13096190 A JP 13096190A JP H0425711 A JPH0425711 A JP H0425711A
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
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Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
（産業上の利用分野］
本発明は、合焦点方式の光学式変位計に係り、特に、高
精度の変位計、粗さ計、オートフォーカスの検出器とし
て用いるのに好適な、被測定表面性状や鋭いエツジを持
つ段差による回折像やレンズの収差等により、特定の受
光面に強力なピーク光が入った場合でも、その影響を小
さくすることが可能な、新規な光学式変位計に関するも
のである。 ［従来の技術］ 合焦点方式の変位計としては、従来、非点収差法、臨界
角法、フーコー法等が知られている。これらに共通して
いるのは、受光素子に２分割素子、あるいは４分割素子
を用い、ピントが合った状態では、結像スポットが各分
割素子に均等に当るのに対して、デフォーカスすると、
どれかの素子に強く当るので、これを利用して、各素子
の出力差から変位信号を得るようにしている点である。 （発明が解決しようとする課題］ しかしながら、被測定表面性状や、鋭いエツジを持つ段
差による回折像やレンズの収差等により、受光素子上の
結像スポットの強度分布が、例えば第５図に示すように
乱されて、その分布中心にピークを持たない場合には、
合焦位置であるにも拘わらず、分割された受光素子１０
Ａと１０８の出力が均等とならず、受光素子１０Ｂの方
が受光素子１０Ａより出力が大きくなるため、デフォー
カスと判断されてしまい、合焦位置を正確に検出するこ
とができなくなって、変位測定誤差を生じるという問題
点を有していた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、反射光の結像スポットの強度分布が対称でない場
合であっても、正確な変位測定を行うことが可能な光学
式変位計を安価に提供することを目的とする。
精度の変位計、粗さ計、オートフォーカスの検出器とし
て用いるのに好適な、被測定表面性状や鋭いエツジを持
つ段差による回折像やレンズの収差等により、特定の受
光面に強力なピーク光が入った場合でも、その影響を小
さくすることが可能な、新規な光学式変位計に関するも
のである。 ［従来の技術］ 合焦点方式の変位計としては、従来、非点収差法、臨界
角法、フーコー法等が知られている。これらに共通して
いるのは、受光素子に２分割素子、あるいは４分割素子
を用い、ピントが合った状態では、結像スポットが各分
割素子に均等に当るのに対して、デフォーカスすると、
どれかの素子に強く当るので、これを利用して、各素子
の出力差から変位信号を得るようにしている点である。 （発明が解決しようとする課題］ しかしながら、被測定表面性状や、鋭いエツジを持つ段
差による回折像やレンズの収差等により、受光素子上の
結像スポットの強度分布が、例えば第５図に示すように
乱されて、その分布中心にピークを持たない場合には、
合焦位置であるにも拘わらず、分割された受光素子１０
Ａと１０８の出力が均等とならず、受光素子１０Ｂの方
が受光素子１０Ａより出力が大きくなるため、デフォー
カスと判断されてしまい、合焦位置を正確に検出するこ
とができなくなって、変位測定誤差を生じるという問題
点を有していた。 本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、反射光の結像スポットの強度分布が対称でない場
合であっても、正確な変位測定を行うことが可能な光学
式変位計を安価に提供することを目的とする。
【８１題を達成するための手段】
本発明は、合焦点方式の光学式変位計を、光源と、該光
源から放射された光を被測定表面に集光させるための対
物レンズと、被測定表面による反射光を結像するための
結像レンズと、前記反射光を分割するためのビームスプ
リッタと、該ビームスプリッタにより分割された各反射
光の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置された、複
数の絞りと、各絞りを通過した反射光の光重をそれぞれ
検出するための、複数の受光素子とを用いて構成し、各
受光素子の出力の差に基づいて被測定表面の変位信号を
得るようにして、前記目的を達成したものである。 又、前記各受光素子の出力の差を、その和で割った値を
変位信号としたものである。 【作用及び効果］ 本発明においては、反射光をビームスプリッタで分割し
、各反射光の合焦位置よりも前及び後に、それぞれ絞り
を設け、各絞りを通過した反射光の光量をそれぞれ受光
素子で検出し、各受光素子の出力の差を取ることによっ
て、被測定表面の変位信号を得るようにしている。従っ
て、変位信号作成の手段が、基本的には絞りを通過する
光量の大きざとなるため、波形が無関係となり、表面粗
さ等による強度分布の乱れの影響が少なく、誤差が生じ
にくい。又、安価な絞りを用いているので、従来の２分
割素子１個使用の場合と同等のコストで反射むらの影響
を除くことができる。 特に、各受光素子の出力の差を、その和で割った値を変
位信号とした場合には、変位信号が反射光量の大小に無
関係となり、被測定表面の反射率の影響を受けなくなる
。 （実施例］ 以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。 本実施例は、第１図に示す如く、光源としての半導体レ
ーザ（ＬＤン１０と、該半導体レーザ１０から放射され
た光を平行ビームとするためのコリメータレンズ１２と
、該コリメータレンズ１２によって平行光線化された光
ビーム１４を被測定表面１６に向けて反射するための偏
光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１８と、該偏光ビームス
プリッタ１８により進行方向を変えられた光ビーム１４
を被測定表面１６に集光して光スポット２２を形成する
ための対物レンズ２０と、被測定表面１６による散乱反
射光が半導体レーザ１０に戻らないようにすると共に、
偏光ビームスプリッタ１８との組合わせで、ハーフミラ
−を用いた場合よりも効率を高めるための１／４波長板
２４と、前記偏光ビームスプリッタ１８を通過した反射
光を結像するための結像レンズ２６と、該結像レンズ２
６を通過した光を分割するためのビームスプリッタ２８
と、該ビームスプリッタ２８により分割された各反射光
の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置された、２つ
の絞り（ピンホール）３０Ａ、３０Ｂと、各絞り３０Ａ
、３０Ｂを通過した反射光の光量をそれぞれ検出するた
めの、２つの受光素子（例えばホトダイオード）３２Ａ
、３２Ｂと、各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力電流を電
圧に変換するための電流−電圧変換器３４Ａ、３４Ｂと
、各電流−電圧変換器３４Ａ、３４の出力電圧を増幅す
るための増幅器３６Ａ、３６Ｂと、該増幅器３６Ａと３
６Ｂの出力の差を演算する差演算器３８と、前記増幅器
３６Ａと３６Ｂの出力の和を演算する和演算器４０と、
前記差演算器３８の出力を和演算器４０の出力で割って
変位信号Ｓとするための除算器４２とから構成されてい
る。 以下実施例の作用を説明する。 今、反射光量をＱｏとすると、ビームスプリッタ２８の
透過側（前ビン側）及び反射側（後ビン側）には、それ
ぞれ＜１／２）Ｑｏの光量が向う。 第２図に示す如く、前ビン側の絞り３０Ａの位置におけ
るレーザビームの半径をＷａ、後ビン側の絞り３０Ｂの
位置でのレーザビームの半径をｗｂとしく但しレーザビ
ームの半径は、強度分布の１／ｅ２とする）、絞りの半
径をｒとすると、絞りを通過する光ＩＱａ （前ビン
側）、Ｑｂ（後ビン側）は、それぞれ次式で表わされる
。 Ｑａ−（１／２）Ｑ。 ｘ ［１−ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗａ） ２ ）
］・・・ （１） Ｑｂ ＝ （１／２）Ｑ。 ｘ ［１−ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗｂ） ２）
］・・・ く ２ ） 従って、変位信号Ｓは、次式で表わされる。 Ｓ＝ （Ｑｂ −Ｑａ ）／ （Ｑｂ ＋Ｑａ ）−［
ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗａ） ２ ）ｅＸＩ）（−２（
ｒ ／ｗｂ） ’ ） ］／ ［２−ｅｘｐ（−２（ｒ
／ｗａ） ２）ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗｂ） ２
） ） コ ・ ＜ ３ ）この（３
〉式から明らかなように、変位信号Ｓは反射光量Ｑｏと
無関係となる。 今、各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力が、それぞれ第３
図に示す如くであったとすると、その時に得られる変位
信号Ｓは、第４図に示す如く、従来とほぼ同様のＳ字状
カーブとなり、被測定表面の変位に応じた変位信号を得
ることができる。 本実施例においては、増幅器３６ＡのゲインＫを可変と
しているので、対物レンズ２ｏのピント位置で簡単に変
位信号ＳをＯに調整することができる。このようにゲイ
ンＫが前ビン側の反射光量Ｑａに乗ぜられている場合の
変位信号Ｓは、次式％式％ この場合でも、（３）式と同様に、変位信号Ｓは反射光
量Ｑｏと無関係である。 なお、前記実施例においては、ビームスプリッタ２８が
、結像レンズ２６と絞り３０Ａ、３０Ｂの間に配設され
ていたが、ビームスプリッタ２８の配設位置は、これに
限定されず、結像レンズ２６（２枚必要となる）と偏光
ビームスプリッタ１８の間に設けてもよい。 又、偏光ビームスプリッタ１８の代わりにハーフミラ−
を用いてよい。
源から放射された光を被測定表面に集光させるための対
物レンズと、被測定表面による反射光を結像するための
結像レンズと、前記反射光を分割するためのビームスプ
リッタと、該ビームスプリッタにより分割された各反射
光の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置された、複
数の絞りと、各絞りを通過した反射光の光重をそれぞれ
検出するための、複数の受光素子とを用いて構成し、各
受光素子の出力の差に基づいて被測定表面の変位信号を
得るようにして、前記目的を達成したものである。 又、前記各受光素子の出力の差を、その和で割った値を
変位信号としたものである。 【作用及び効果］ 本発明においては、反射光をビームスプリッタで分割し
、各反射光の合焦位置よりも前及び後に、それぞれ絞り
を設け、各絞りを通過した反射光の光量をそれぞれ受光
素子で検出し、各受光素子の出力の差を取ることによっ
て、被測定表面の変位信号を得るようにしている。従っ
て、変位信号作成の手段が、基本的には絞りを通過する
光量の大きざとなるため、波形が無関係となり、表面粗
さ等による強度分布の乱れの影響が少なく、誤差が生じ
にくい。又、安価な絞りを用いているので、従来の２分
割素子１個使用の場合と同等のコストで反射むらの影響
を除くことができる。 特に、各受光素子の出力の差を、その和で割った値を変
位信号とした場合には、変位信号が反射光量の大小に無
関係となり、被測定表面の反射率の影響を受けなくなる
。 （実施例］ 以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する
。 本実施例は、第１図に示す如く、光源としての半導体レ
ーザ（ＬＤン１０と、該半導体レーザ１０から放射され
た光を平行ビームとするためのコリメータレンズ１２と
、該コリメータレンズ１２によって平行光線化された光
ビーム１４を被測定表面１６に向けて反射するための偏
光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１８と、該偏光ビームス
プリッタ１８により進行方向を変えられた光ビーム１４
を被測定表面１６に集光して光スポット２２を形成する
ための対物レンズ２０と、被測定表面１６による散乱反
射光が半導体レーザ１０に戻らないようにすると共に、
偏光ビームスプリッタ１８との組合わせで、ハーフミラ
−を用いた場合よりも効率を高めるための１／４波長板
２４と、前記偏光ビームスプリッタ１８を通過した反射
光を結像するための結像レンズ２６と、該結像レンズ２
６を通過した光を分割するためのビームスプリッタ２８
と、該ビームスプリッタ２８により分割された各反射光
の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置された、２つ
の絞り（ピンホール）３０Ａ、３０Ｂと、各絞り３０Ａ
、３０Ｂを通過した反射光の光量をそれぞれ検出するた
めの、２つの受光素子（例えばホトダイオード）３２Ａ
、３２Ｂと、各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力電流を電
圧に変換するための電流−電圧変換器３４Ａ、３４Ｂと
、各電流−電圧変換器３４Ａ、３４の出力電圧を増幅す
るための増幅器３６Ａ、３６Ｂと、該増幅器３６Ａと３
６Ｂの出力の差を演算する差演算器３８と、前記増幅器
３６Ａと３６Ｂの出力の和を演算する和演算器４０と、
前記差演算器３８の出力を和演算器４０の出力で割って
変位信号Ｓとするための除算器４２とから構成されてい
る。 以下実施例の作用を説明する。 今、反射光量をＱｏとすると、ビームスプリッタ２８の
透過側（前ビン側）及び反射側（後ビン側）には、それ
ぞれ＜１／２）Ｑｏの光量が向う。 第２図に示す如く、前ビン側の絞り３０Ａの位置におけ
るレーザビームの半径をＷａ、後ビン側の絞り３０Ｂの
位置でのレーザビームの半径をｗｂとしく但しレーザビ
ームの半径は、強度分布の１／ｅ２とする）、絞りの半
径をｒとすると、絞りを通過する光ＩＱａ （前ビン
側）、Ｑｂ（後ビン側）は、それぞれ次式で表わされる
。 Ｑａ−（１／２）Ｑ。 ｘ ［１−ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗａ） ２ ）
］・・・ （１） Ｑｂ ＝ （１／２）Ｑ。 ｘ ［１−ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗｂ） ２）
］・・・ く ２ ） 従って、変位信号Ｓは、次式で表わされる。 Ｓ＝ （Ｑｂ −Ｑａ ）／ （Ｑｂ ＋Ｑａ ）−［
ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗａ） ２ ）ｅＸＩ）（−２（
ｒ ／ｗｂ） ’ ） ］／ ［２−ｅｘｐ（−２（ｒ
／ｗａ） ２）ｅｘｐ（−２（ｒ ／ｗｂ） ２
） ） コ ・ ＜ ３ ）この（３
〉式から明らかなように、変位信号Ｓは反射光量Ｑｏと
無関係となる。 今、各受光素子３２Ａ、３２Ｂの出力が、それぞれ第３
図に示す如くであったとすると、その時に得られる変位
信号Ｓは、第４図に示す如く、従来とほぼ同様のＳ字状
カーブとなり、被測定表面の変位に応じた変位信号を得
ることができる。 本実施例においては、増幅器３６ＡのゲインＫを可変と
しているので、対物レンズ２ｏのピント位置で簡単に変
位信号ＳをＯに調整することができる。このようにゲイ
ンＫが前ビン側の反射光量Ｑａに乗ぜられている場合の
変位信号Ｓは、次式％式％ この場合でも、（３）式と同様に、変位信号Ｓは反射光
量Ｑｏと無関係である。 なお、前記実施例においては、ビームスプリッタ２８が
、結像レンズ２６と絞り３０Ａ、３０Ｂの間に配設され
ていたが、ビームスプリッタ２８の配設位置は、これに
限定されず、結像レンズ２６（２枚必要となる）と偏光
ビームスプリッタ１８の間に設けてもよい。 又、偏光ビームスプリッタ１８の代わりにハーフミラ−
を用いてよい。
第１図は、本発明に係る光学式変位計の実施例の全体構
成を示す光路図、 第２図は、前記実施例における絞りを通過する光ビーム
の光量を示す線図、 第３図は、同じく受光素子の出力の例を示す線図、 第４図は、同じく被測定表面の変位と変位信号Ｓの関係
の例を示す線図、 第５図は、従来の合焦点方式の光学式変位計で測定誤差
を生じる恐れがある、反射光の結像スポットの強度分布
の例を示す線図である。 １０・・・半導体レーザ、 １２・・・コリメータレンズ、 １４・・・光ビーム、 １６・・・被測定表面、 １８・・・偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０・・・
対物レンズ、 ２２・・・光スポット、 ２６・・・結像レンズ、 ２８・・・ビームスプリッタ、 ３０Ａ１３０Ｂ・・・絞り、 ３２Ａ、３２Ｂ・・・受光素子、 ３８・・・差演算器、 ４０・・・和演算器、 ４２・・・除算器、 Ｑｏ・・・反射光量、 Ｓ・・・変位信号。
成を示す光路図、 第２図は、前記実施例における絞りを通過する光ビーム
の光量を示す線図、 第３図は、同じく受光素子の出力の例を示す線図、 第４図は、同じく被測定表面の変位と変位信号Ｓの関係
の例を示す線図、 第５図は、従来の合焦点方式の光学式変位計で測定誤差
を生じる恐れがある、反射光の結像スポットの強度分布
の例を示す線図である。 １０・・・半導体レーザ、 １２・・・コリメータレンズ、 １４・・・光ビーム、 １６・・・被測定表面、 １８・・・偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０・・・
対物レンズ、 ２２・・・光スポット、 ２６・・・結像レンズ、 ２８・・・ビームスプリッタ、 ３０Ａ１３０Ｂ・・・絞り、 ３２Ａ、３２Ｂ・・・受光素子、 ３８・・・差演算器、 ４０・・・和演算器、 ４２・・・除算器、 Ｑｏ・・・反射光量、 Ｓ・・・変位信号。
Claims (2)
- （１）光源と、 該光源から放射された光を被測定表面に集光させるため
の対物レンズと、 被測定表面による反射光を結像するための結像レンズと
、 前記反射光を分割するためのビームスプリッタと、 該ビームスプリッタにより分割された各反射光の合焦位
置よりも前及び後にそれぞれ配置された、複数の絞りと
、 各絞りを通過した反射光の光量をそれぞれ検出するため
の、複数の受光素子とを備え、 各受光素子の出力の差に基づいて被測定表面の変位信号
を得ることを特徴とする合焦点方式の光学式変位計。 - （２）請求項１において、前記各受光素子の出力の差を
、その和で割った値を変位信号とすることを特徴とする
光学式変位計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13096190A JPH0425711A (ja) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | 光学式変位計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13096190A JPH0425711A (ja) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | 光学式変位計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0425711A true JPH0425711A (ja) | 1992-01-29 |
Family
ID=15046678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13096190A Pending JPH0425711A (ja) | 1990-05-21 | 1990-05-21 | 光学式変位計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0425711A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05322561A (ja) * | 1992-05-15 | 1993-12-07 | Olympus Optical Co Ltd | 焦点検出装置 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59125007A (ja) * | 1982-12-29 | 1984-07-19 | Matsushita Electric Works Ltd | 距離測定装置 |
| JPS60194301A (ja) * | 1984-03-15 | 1985-10-02 | Matsushita Electric Works Ltd | 距離検出装置 |
-
1990
- 1990-05-21 JP JP13096190A patent/JPH0425711A/ja active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS59125007A (ja) * | 1982-12-29 | 1984-07-19 | Matsushita Electric Works Ltd | 距離測定装置 |
| JPS60194301A (ja) * | 1984-03-15 | 1985-10-02 | Matsushita Electric Works Ltd | 距離検出装置 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05322561A (ja) * | 1992-05-15 | 1993-12-07 | Olympus Optical Co Ltd | 焦点検出装置 |
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