JPH0469508A - 非接触式形状測定装置及び形状測定法 - 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） この発明は、プラスチックス、軟質金属または薄物等の
被測定物の形状を、該被測定物表面を損傷することなく
、レーザ光を使用し非接触にて測定する光非接触形状測
定装置及び測定方法に関し、さらに詳細には、前記被測
定物の形状を広測定範囲において高精度且つ高信頼性に
測定することのできる光非接触形状測定装置及び測定方
法に関するものである。

（従来の技術） 一般に、クレイモデルとして与えられる自動車のボディ
及びＯＡ機器・家電製品等の外装等の物体の形状を３次
元測定することは、該物体の高機能化並びに高精度化に
ともない、該測定の正確性・精密性・高速性及び高信頼
性、さらに広範囲性が要求されるようになっている。

前記物体の形状を測定する方法には、触針等の測定子を
該被測定物の測定部位に当接させて、該測定部位を測定
する接触式と、レーザ光等を該測定子の代わりに使用し
て、前記被測定物の測定部位を測定する非接触式とがあ
る。

前記接触式の測定方法においては、該測定子がある形状
寸法を有しており、該形状寸法より小径の被測定物の測
定部位における形状を測定することは不可能であり、こ
の意味において前記被測定物の形状を正確に認知するこ
とはできない。

また、前記被測定物が、プラスチックス及び軟質金属等
の材質を有するものであったり、薄物等の形状を有して
いる場合には、前記測定子が当接する際の外力等により
該形状が歪んでしまい、正確な測定が行えないことはお
ろか、前記材質等を有する被測定物を損傷する恐れがあ
る。

上記理由より最近殊に、前記非接触式の測定方法が脚光
を浴びてきており、該非接触による形状測定方式は、光
学原理に基づいているため、前記接触式の測定方法に比
較して、被測定部位を損傷しないこと（軟質材の測定が
可能）、高精度測定であること、高速走査が可能である
こと（短時間測定、移動物体測定が可能）、広範囲の測
定面積を網羅できること、測定部と被測定部位との間に
一定距離が得られること（測定空間での自由度確保が可
能）等の特徴がある。

従来の光を使用した非接触形状測定法は、格子を非測定
部位に投影する格子投影法と、レーザビーム等を触針と
みなす先触針法とに大別することができる。

前者の格子投影法は、等間隔に形成された基準格子を介
して、該基準格子の陰影等を被測定物の測定部位に投影
して、該測定部位に現出する格子縞間隔の位相変化から
、前記被測定物の形状を求める変調格子縞位相法と、基
準格子と変調格子を重畳することにより発生する等直線
即ちモアレ縞から、前記被測定物の形状を求めるモアレ
トボグラッフィ法がある。

また、後者の先触針法は、三角測量法と、カメラのオー
トフォーカス機構を利用した方法、焦点位置に対応する
結像点（最大強度）位置を検出する方法並びに結像点の
強度差が零になるような位置を検出する方法等の焦点位
置合せ法と、照射光軸と被測定部位からの反射光軸とが
同軸を成すとともに最大強度を示す光点の位置を検出す
る同軸線形変位法とがある。

従来の先触針法を、前記三角測量法を例にとって、第１
１図を参照しながら説明する。

装置本体２の一方には、レーザ光を放射する半導体レー
ザ等のレーザ光源３並びに該レーザ光を被測定物１１の
測定表面に結像する照射レンズ４を有する照射光学系が
配設されており、前記レーザ光は、該照射光学系により
形成される照射光軸５に沿って被測定物１１に照射され
る。

また、前記装置本体２の照射光学系の他方には、ボジシ
ョニングセンサ等の検出部９並びに該検出部９に被測定
物１１の測定表面により反射されたレーザ光を受光する
受光レンズ８を有する反射光学系が配設されており、該
反射光学系の反射光軸１０は、前記照射光軸５に対して
角度口偏角されている。

上記のように構成された三角測量法による光非接触形状
測定装置ｌによると、レーザ光源３より放射されたレー
ザ光は、照射レンズ４を介して、照射光軸５に沿って被
測定物１１の測定表面の測定点Ｐに照射され、該測定点
Ｐより反射されたレーザ光は、測定点Ｐの反射軸６に沿
うとともに受光レンズ８を介して、検出部９の受光点Ｑ
に受光される。

次に、前記装置本体２または被測定物１１のうち何れか
を移動することにより、該被測定物１１の測定表面にお
ける測定点Ｐ′に、前記レーザ光が照射されるようにす
る。

該レーザ光は、該測定点Ｐ′より反射されて、測定点Ｐ
′の反射軸７に沿って同様に検出部９の受光点Ｑ′に受
光される。

この際、前記被測定物１１の測定表面における測定点Ｐ
から測定点Ｐ′までの変位量Ｚと、前記検出部９の受光
面における受光点Ｑがら受光点Ｑ′までの変位ｔｘとは
、所定の比率による線形性を有しており、従って該変位
量Ｚは、該検出部９により変位量Ｘを検出することによ
り認知することができる。

上記の動作を連続して、前記被測定物１１の測定表面を
走査することにより、該被測定物１１の表面形状を測定
することができる。

なお、前記三角測量法による光非接触形状測定装置ｌに
よると、第１２図に示すように、装置本体２に配設され
た反射光学系に対して、被測定物１１の測定表面が反対
側にあり、且つ該測定表面が４５°以上の急斜面である
場合には、照射光軸５に沿うとともに測定点Ｐにより反
射されたレーザ光が該被測定物１１の本体の遮断されて
、測定点Ｐの反射軸６に沿って反射光学系において受光
することができなくなるシャドウ効果が発生して、前記
被測定物１１の形状測定を行うことができなくなる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記従来の光非接触形状測定装置及び測
定方法によれば、前記変調格子縞位相法並びにモアレト
ボグラッフィ法等の格子投影法を利用して被測定物の表
面形状を測定しようとした場合、該測定物表面に格子縞
等を投影しなければならないため、該被測定物の表面形
状を高精度にて測定することができず、対象となる被測
定物が限定されてしまうとともに、前記格子縞等を画像
処理しなければならず、従って該処理機構が煩雑になる
という問題点があった。

また、前記先触針法における三角測量法によると、照射
光軸と反射光軸とが所定の角度口を有して偏角されてい
るため、該反射光軸に対して反対側に位置する被測定物
の急斜面において、第１２図に示すシャドウ効果が発生
してしまい、該被測定物の表面形状の測定が不可能にな
るとともに、該三角測量法の測定原理等により被測定物
の急斜面の測定精度が良好とはいえないという問題点が
あった。

また、前記被測定物表面により反射される反射レーザ光
は、正反射光成分と、散乱光成分とを有しており、前者
の正反射光成分が、該被測定物の形状を測定する際に悪
影響を及ぼし、該被測定物の形状を正確且つ高精度に測
定することができないという問題点があった。

さらに、前記先触針法を利用して、起伏に冨んだ被測定
物の該表面形状を測定する場合には、単一度合の精度し
か有していない従来の光非接触形状測定装置では、粗形
状部の測定に際して、不具合を生ずるとともに、該測定
の測定精度を高めることが困難であるという問題点があ
った。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、被測
定物の表面形状を広測定範囲において高精度且つ高信頼
性の形状測定を行うことのできる光非接触形状測定装置
及び測定方法を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、レーザ光を出
射するレーザ光源部と、該レーザ光源部より出射された
レーザ光を集光するとともに偏光並びに偏向する照射光
学系と、該叩射光学系を介した照射レーザ光を被測定物
表面に集光する対物レンズ部と、該被測定物表面により
反射された反射レーザ光を分光するとともに集光し、さ
らに該反射レーザ光の光量差を現出する反射光学系と、
該反射光学系を介した反射レーザ光の光量差を検出する
検出部と、前記対物レンズと被測定物表面との距離調整
を行うことにより該反射レーザ光の光量差を調整する焦
点調整機構と、前記照射光学系より照射される照射レー
ザ光を該被測定物表面において移動走査を行う移動走査
機構と、を少な（とも一つ有することにより、上記目的
を達成するものである。

また、本発明は、前記レーザ光源部から出射されたレー
ザ光を照射光学系により集光するとともに偏光並びに偏
向し、該対物レンズを介して被測定物表面に照射し、該
被測定物表面により反射された反射レーザ光を反射光学
系により集光するとともに分光し、さらに該反射レーザ
光の光量差を現出し、該光量差を前記焦点調整機構によ
り、前記検出部により光量差を検出することにより、該
対物レンズ部と被測定物表面との距離を調整し、さらに
該被測定物を移動走査機構により移動走盃して、前記被
測定物の表面を被接触にて測定することにより、上記目
的を達成するものである。

また、本発明は、レーザ光を出射するレーザ光源と、該
レーザ光を集光する照射系集光レンズと該照射系集光レ
ンズにより集光されたレーザ光の透過面積を調整するア
パチャと、該アパチャを介したレーザ光を偏光する偏光
ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッタにより偏
光されたレーザ光を被測定物表面に集光する対物レンズ
と、該被測定物表面により反射され、さらに該対物レン
ズ並びに偏光ビームスプリッタを介した反射レーザ光を
分光するビームスプリッタと、該ビームスプリッタを介
した反射レーザ光の所定の波長領域を透過する光学フィ
ルタと、該光学フィルタを透過した散乱レーザ光を集光
する反射系集光レンズと、該反射系集光レンズの焦点前
後で光量差を現出するナイフェツジと、該ナイフェツジ
を介した反射レーザ光の光量差を検出する検出部と、を
少なくとも一つ有する光プローブ装置を前記対物レンズ
の光軸に移動することにより該対物レンズと被測定物表
面との距離調整を行う距離調整用サーボ機構と、前記照
射レーザ光を被測定物表面において移動走査を行う移動
走査用サーボ機構と、を有することにより、上記目的を
達成するものである。

さらに、本発明は、前記被測定物の測定表面により反射
された反射レーザ光を、前記偏光ビームスプリッタによ
り正反射成分を有する正反射レーザ光と、散乱成分を有
する散乱レーザ光と、に分光するとともに、該散乱レー
ザ光を透過して、該散乱レーザ光により該被測定物の測
定表面の形状を非接触にて測定することにより、上記目
的を達成するものである。

また、本発明は、複数の照射光学系の各々にレーザ光を
各々出射する複数のレーザ光源において、該複数のレー
ザ光源の内少なくとも一つのレーザ光源から出射される
レーザ光を、集光レンズとアパチャとにより、他のレー
ザ光より光束幅を幅狭にし、さらに前記偏光ビームスプ
リッタ並びに対物レンズを介して、前記被測定物表面に
照射することにより、幅狭のレーザ光束を有する照射光
学系の焦点深度を、他の光学系よりも大きくして、粗調
整機能を有したことにより、上記目的を達成するもので
ある。

また、本発明は、複数の照射光学系に各々異なる波長の
レーザ光を出射するレーザ光源を備え、該各々異なる波
長のレーザ光を　各々の光軸に設けられた偏光ビームス
プリッタにより、前記対物レンズの光軸に沿うように偏
向し、該対物レンズを介して前記被測定物の測定表面に
照射し、さらに該被測定物の測定表面より反射された反
射レーザ光を、前記照射光学系に対応する反射光学系の
各々にビームスプリッタを介して分光するとともに、該
分光された反射レーザ光の各々の所定の波長領域を透過
する光学フィルタを介して、各々の反射レーザ光に識別
することにより、同一の対物レンズを使用して、前記被
測定物表面を非接触にてｍ＋＋定することにより、上記
目的を達成するものである。

さらに、本発明は、１記被測定物表面により反射された
反射レーザ光を、反射光学系に設けられたビームスプリ
ッタにより複数の光軸に分光し、該複数の光軸に光学フ
ィルタと反射系集光レンズとナイフェツジとを有する光
学系を各々設けるとともに、各々のナイフェツジの配設
角度を異ならせて、該光学系の各々の反射レーザ光の光
量差を前記検出部により検出し、該検出値を各々が相補
して、該検出値の誤差を相殺するようにしたことにより
、上記目的を達成するものである。

また、本発明は、前記反射光学系の反射系集光レンズの
後方に、該反射系集光レンズの焦点前後において光量差
を現出させる円筒レンズを設け、該光量差を前記検出部
により検出して、前記被測定物の表面形状を非接触にて
測定することにより、上記目的を達成するものである。

さらに、本発明は、前記反射光学系の反射系集光レンズ
の後方に、該反射集光レンズの焦点前後において光量差
を現出させるフーコープリズムを設け、該光量差を前記
検出部により検出することにより、上記目的を達成する
ものである。

（作用） 本発明においては、レーザ光源と照射系レンズとアパチ
ャ等とから成る照射光学系の光軸と、光学フィルタと反
射系レンズとナイフェツジと検出部等から成る反射光学
系の光軸とが、前記照射光学系の光軸が偏光ビームスプ
リッタにより偏光されるとともに偏向されることにより
、対物レンズ部において同一の光軸を成しているため、
前記照射光学系と反射光学系とが所定の角度口を有して
偏角されておらず、従って被測定物の斜面等の形状を測
定する際に、前記シャドウ効果が発生することがなくな
る。

また、前記偏光ビームスプリッタが照射光学系の光軸を
偏向するのみならず、該被測定物の測定面より反射され
た反射レーザ光を、正反射光成分と散乱レーザ光成分と
に分別するとともに、該散乱レーザ光成分を前記被測定
物形状の測定に供しているため、正反射レーザ光成分に
よる形状測定への悪影響を回避することができる。

また、前記照射系レンズとアパチャとの特性の異なる照
射光学系を複数備え、少なくとも一つを他のものより、
照射レーザ光の光束径よりも小径にすることにより、該
照射レーザ光の焦点深度を大きくしているため、前記照
射光学系を、単位面積当たりの被測定物の表面形状起伏
が大きい場合に、粗調整用として利用することができる
。

さらに、前記被測定物の計測面により反射された反射レ
ーザ光を、該反射レーザ光の光軸上に設けられたビーム
スプリッタにより複数の光軸の反射レーザ光に分光し、
各々分光された反射レーザ光を各々の反射光学系を介し
て検出器により検出する際に、該各々の反射光学系に設
けられる該検出器に光量差を現出するナイフェツジを、
各々取付角度を異ならせて配設しているため、該各々の
検出器に現出する光量差を相補することができる。

また、前記照射光学系並びに反射光学系を、前記検出部
によりレーザ光の光量差を検知しながら距離調整用サー
ボ機構によりサーボするとともに、前記被測定物の測定
表面を移動走査サーボ機構によりサーボすることにより
、該測定表面を非接触にて測定することができる。

（実施例） 本発明の実施例を、図面に基いて詳細に説明する。

第１図は本発明に係わる光非接触形状測定装置の実施例
を示す側面図、第２図は本実施例に係わる光非接触形状
測定装置を示す斜視図、第３図は本実施例の照射光学系
並びに偏光ビームスプリッタの動作を説明する一部斜視
図、第４図は被測定物の測定面より反射された反射光を
正反射光成分と散乱反射光成分に分光する偏光ビームス
プリッタの動作を説明する斜視図、第５図は本実施例の
反射光学系並びにビームスプリッタの動作を説明する斜
視図、第６図は本実施例に係わる複数の反射光学系に設
けられたナイフェツジの動作を説明する斜視図、第７図
（ａ）及び（ｂ）はナイフェツジを利用した測定原理を
説明する説明図、第８図は実際の被測定物の測定表面を
測定し、た結果を示す実測図、第９図は本発明に係わる
光非接触形状測定装置のレーザにＨｅ−Ｎｅレーザを使
用した他の実施例を示す側面図、第１０図は本発明に係
わる光非接触形状測定装置に円筒レンズを使用した他の
実施例を示す側面図が示されている。

第１図及び第２図において、光非接触形状測定装置５０
は、微調用照射光学系６０並びに粗調用照射光学系６５
が装着されており、各々の光軸前方には、それぞれ微調
用偏光ビームスプリッタ３４並びに粗調用偏光ビームス
プリッタ４４が配設され、また被測定物５５の被測定面
５５ａに対向して対物レンズ５６が嵌装され、該対物レ
ンズ５６と微調用偏光ビームスプリッタ３４並びに粗調
用偏光ビームスプリッタ４４との光軸上方には、粗調用
ビームスプリッタ４５並びに微調用ビームスプリッタ３
５が配設され、また該光軸最上方には、微調用第２反射
光学系６２が装着され、さらに前記粗調用ビームスプリ
ッタ４５並びに微調用ビームスプリッタ３５の側方には
、各々粗調用反射光学系６６並びに微調用第１反射光学
系６１が装着されて光プローブ装置３ｏが構成され、該
光プローブ装置３０をＺ軸方向にサーボするＺ軸方向サ
ーボ機構５１と５前記被測定物５５を載置する被測定物
載置台５３をＸ軸及びＹ軸にサーボするＸＹ軸方向サー
ボ機構５２とが備えられている。

前記微調用照射光学系６０には、電力が供給されること
によりレーザ光を放射する半導体レーザ等の微調用レー
ザ光源３】が装備されており、該微調用レーザ光源３】
の光軸前方には、該放射されるレーザ光を集光する微調
用照射系レンズ３２並びに該レーザ光の透過面積を調整
する微調用アパチャ３３が装備されている。

該微調用アパチャ３３の前方であって前記微調用照射光
学系６０の光軸には、偏光面７０を有して、該偏光面７
０により放射レーザ光を偏光するとともに偏向、及び反
射レーザ光を正反射光成分と散乱光成分とに分光する微
調用偏光ビームスプリッタ３４が装備されている。

該微調用偏光ビームスプリッタ３４の偏光面７０により
前記放射レーザ光が偏向された後の光軸の偏向方向前方
には、前記対物レンズ５６が装備されている。

一方、前記粗調用照射光学系６５には、該微調用照射光
学系６０と同様に粗調用レーザ光源４１と、粗調用照射
系レンズ４２と、粗調用アパチャ４３とが装備されてお
り、該粗調用照射光学系６５の光軸前方には、粗調用偏
光ビームスプリッタ４４が装備されている。

この際、該粗調用レーザ光源４１より放射されるレーザ
光が、前記微調用レーザ光源３１より放射されるレーザ
光の波長と異なるように、該粗調用レーザ光源４１が選
択されている。

該粗調用偏光ビームスプリッタ４４は、微調用偏光ビー
ムスプリッタ３４同様に偏光面を有しており、該粗調用
レーザ光源４１から放射された放射レーザ光を該偏光面
により偏光するとともに偏向することにより、該放射レ
ーザ光の光軸を前記微調用偏光ビームスプリッタ３４並
びに対物レンズ５６とから成る光軸に同一に重畳するよ
うに構成されている。

また、前記微調用偏光ビームスプリッタ３４は、前記被
測定物５５の被測定面５５ａより反射された反射レーザ
光を正反射光成分と散乱光成分とに分光するように該偏
光面７０が形成されており、前記粗調用偏光ビームスプ
リッタ４４も同様の動作を為すように偏光面が形成され
ている。

前記対物レンズ５６、微調用偏光ビームスプリッタ３４
並びに粗調用偏光ビームスプリッタ４４より成る光軸の
上方には、粗調用ビームスプリッタ４５及び微調用ビー
ムスプリッタ３５が順次配設されており、さらに該光軸
上方には、微調用第２反射光学系６２が装備されている
。

前記微調用ビームスプリッタ３５は、微調用偏光ビーム
スプリッタ３４により分光された散乱光成分を、偏向ま
たは透過する分光面８０が形成されており、前記粗調用
ビームスプリッタ４５も同様の動作を為すように分光面
が形成されている。

前記微調用ビームスプリッタ３５の分光面８０により偏
向された散乱光成分の偏向軸の前方には、所定の波長領
域を透過する微調用光学フィルタ３６ａと、散乱光を集
光する微調用反射系レンズ３７ａと、該微調用反射系レ
ンズ３７ａの焦点前後において光量差を現出する微調用
ナイフェツジ３８ａと、該微調用ナイフェツジ３８ａを
介シタ光量差を検出する例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）
等の微徴用検出器３９ａとが装着されている。

さらに、前記微調用ビームスプリッタ３５により透過さ
れた散乱光成分の光軸に設けられた微調用第２反射光学
系６２には、微調用第１反射光学系６１同様に微調用光
学フィルタ３６ｂと微調用反射系レンズ３７ｂと微調用
ナイフェツジ３８ｂと微徴用検出器３９ｂとが装備され
ている。

一方、前記粗調用ビームスプリッタ４５により偏向され
た散乱光の偏向軸前方には、前記微調用第１反射光学系
６１と同様に、粗調用光学フィルタ４６と粗調用反射系
レンズ４７と粗調用ナイフェツジ４８と粗調用検出器４
９とが装備されている。

上記のようにして、光プローブ装置３０が構成されてい
る。

前記光プローブ装置３０には、該光プローブ装置３０を
Ｚ軸方向に移動駆動することができるように、Ｚ軸方向
サーボ機構５１が設けられるとともに、前記被測定物５
５が載置される被測定物載置台５３をＸ軸及びＹ軸方向
に走査駆動することができるように、ＸＹ軸方向サーボ
機構５２が設けられている。

上記のように、光非接触形状測定装置５０が構成されて
いる。

次に、前記光非接触形状測定装置５０の動作を、微調用
照射光学系６０における微調用レーザ光源３１から放射
された放射レーザ光を観点とし順次説明する。

第３図に示されているように、前記微調用レーザ光源３
１より放射された放射レーザ光は、微調用照射系レンズ
３２により集光され、さらに微調用アパチャ３３により
レーザ光の透過面積が調整されて、微調用照射レーザ光
７１として前記微調用偏光ビームスブリック３４に照射
される。

該微調用照射レーザ光７１は、該微調用偏光ビームスプ
リッタ３４に形成されている偏光面７０により、該偏光
面７０を透過するＰ偏光レーザ光７２と、該偏光面７０
により図の下方に偏向されるＳ偏光レーザ光７３とに分
光される。

前記偏光面７０によりＳ偏光された偏向レーザ光７３は
、前記対物レンズ５６を介して、形状測定される被測定
物５５の被測定面５５ａに集光照射される。

該対物レンズ５６を介して被測定面５５ａに照射された
Ｓ偏光レーザ光７３ば、該被測定面５５ａにより反射さ
れ、該反射レーザ光は微調用反射レーザ光７４として、
前記微調用偏光ビームスブノッタ３４に、第４図に示す
ように入射される。

前記被測定物表面により反射された反射レーザ光を、前
記偏光ビームスプリッタにより正反射レーザ光と散乱レ
ーザ光とに分光するとともに、該散乱レーザ光を透過す
ることにより、該被測定物表面の形状を非接触にて測定
する。

この場合において、前記微調用偏光ビームスプリッタ３
４に再度入射された微調用反射レーザ光７４は、該微調
用偏光ビームスプリッタ３４の偏光面７０により、正反
射光成分を有する正反射レーザ光７５と、散乱光成分を
有する微調用散乱レーザ光７６と、に分光されて、該正
反射レーザ光７５は、前記微調用照射光学系６ｏに入射
するようになっている。

次に、前記微調用散乱レーザ光７６は、該微調用偏光ビ
ームスプリッタ３４の光軸後方に設けられた前記粗調用
偏光ビームスプリッタ４４及び粗調用ビームスプリッタ
４５を介して、該光軸に設けられた微調用ビームスプリ
ッタ３５に入射し、第５図に示すように、該微調用ビー
ムスプリッタ３５に形成されている分光面８０により、
偏向された偏向微調用レーザ光７６ａと、透過された透
過微調用レーザ光７６ｂとに分光される。

該偏向微調用レーザ光７６ａは、前記微調用第１反射光
学系６１における微調用光学フィルタ３６ａに入射され
、さらに微調用反射系レンズ３７ａにより集光され、該
微調用反射系レンズ３７ａの焦点前後において光量差を
現出させる微調用ナイフェツジ３８ａを介して、該光量
差を検出する微調用検出器３９ａに入射される。

二つの照射光学系の各々にレーザ光を各々出射する二つ
のレーザ光源の、一方のレーザ光源がら出射されるレー
ザ光を、集光レンズとアパチャとを有する光学系により
、他のレーザ光より光束幅を幅狭にし、さらに前記偏光
ビームスプリッタ並びに対物レンズを介して、前記被測
定物表面に照射することにより、該幅狭のレーザ光束を
有する照射光学系の焦点深度を大きくする。

この場合、前記粗調用照射光学系６５並びに粗調用偏光
ビームスプリッタ４４を介して、前記対物レンズ５６に
より集光されて、前記被測定物５５の被測定面５５ａに
照射され、さらに該被測定面５５ａにより反射され、前
記微調用偏光ビームスフリツタ３４及び粗調用偏光ビー
ムスプリッタ４４を透過した粗調用散乱レーザ光７７は
、焦点深度を大きくするために、前記微調用散乱レーザ
光７６の光束径よりも小径にされており、該粗調用散乱
レーザ光７７も微調用散乱レーザ光７６同様に偏向粗調
用レーザ光７７ａと透過粗調用レーザ光７７ｂに分光さ
れている。

複数の照射光学系に各々異なる波長のレーザ光を出射す
るレーザ光源を備え、該各々異なる波長のレーザ光を、
各々の光軸に設けられた偏光ビームスプリッタにより、
前記対物レンズの光軸に偏向し、該対物レンズを介して
前記被測定物表面に照射し、さらに該被測定物表面より
反射された反射レーザ光を、前記照射光学系に対応する
反射光学系の各々にビームスプリッタにより分光すると
ともに、該分光された反射レーザ光の各々の所定の波長
領域を透過する光学フィルタを介して、各々の反射レー
ザ光に識別することにより、同一の対物レンズを使用し
て、前記被測定物表面を非接触にて測定する。

この場合、該偏向粗調用レーザ光７７ａは、前記偏向微
調用レーザ光７６ａと波長領域を異にしており、前記微
調用第１反射光学系６１における微調用光学フィルタ３
６ａにより、該微調用第１反射光学系６１における微調
用反射系レンズ３７ａ以前に遮光されるようになってい
る。

また、前記透過粗調用レーザ光７７ｂも同様に、前記微
調用第２反射光学系６２における微調用光学フィルタ３
６ｂにより、遮光されるようになっている。

この際、前記偏向微調用レーザ光７６ａと透過微調用レ
ーザ光７６ｂとは、各々微調用第１反射光学系６１にお
ける微調用光学フィルタ３６ａ及び微調用第２反射光学
系６２における微調用光学フィルタ３６ｂを透過するよ
うになっている。

なお、前記粗調用散乱レーザ光７７は、微調用ビームス
プリッタ３５の光軸手前に設けられた粗調用ビームスプ
リッタ４５においても偏向粗調用レーザ光７７ａと透過
粗調用レーザ光７７ｂとに分光されており、該偏向粗調
用レーザ光７７ａは、該粗調用反射光学系６６における
粗調用光学フィルタ４６を透過するようになっている。

該粗調用反射光学系６６に設けられている粗調用光学フ
ィルタ４６は、粗調用ビームスプリッタにおいて偏向さ
れた偏向微調用レーザ光７６ａを遮光するようになって
いる。

前記被測定物表面により反射された反射レーザ光を、反
射光学系に設けられたビームスプリッタにより複数の光
軸に分光し、該複数の光軸に光学フィルタと反射系集光
レンズとナイフェツジとを有する光学系を各々設けると
ともに、各々のナイフェツジの配設角度を異ならせて、
該光学系の各々の反射レーザ光の光量差を前記検出部に
より検出し、該検出値を各々が相補する。

この場合、第６図に示すように、前記微調用散乱レーザ
光７６が微調用ビームスプリッタ３５に入射し、該微調
用ビームスプリッタ３５の分光面８０により分光された
偏向微調用レーザ光７６ａと透過微調用レーザ光７６ｂ
とは、それぞれ微調用第１反射光学系６１と微調用第２
反射光学系６２に入射されるように構成されている。

この際、該微調用第１反射光学系６１における微調用ナ
イフェツジ３８ａと、微調用第２反射光学系６２におけ
る微調用ナイフェツジ３８ｂとは、各々微調用検出器３
９ａと微調用検出器３９ｂとに光量差を現出する位置を
相違させるために、該ナイフェツジの切欠角度が偏角さ
れていることにより、該微調用検出器３９ａと微調用検
出器３９ｂとに現出する各光量差が相補的に作用し、従
って該光量差値の誤差が相殺される。

なお、前記ナイフェツジを利用した測定原理を、第７図
（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。

同図（ａ、　）において、被測定点Ｓには、光等が照射
され、該被測定点により反射された反射光８４が、該被
測定点Ｓを光軸上に有するレンズ８１に入射するととも
に、該レンズ８１により集光されて、該レンズ８】の焦
点前後において光量差を現出するナイフェツジ８２を介
して、該光量差を検出する検出部８３の検出面８３ａに
入射するように構成されている。

前記被測定点Ｓが、該光軸前方ｓ１に位置している場合
は、該Ｓ１において反射された反射光８４がレンズ８Ｉ
を介して、前記ナイフェツジ８２により、同図（ｂ）に
示すように、該検出面８３ａへの入射領域の下方が遮光
される。

また、該被測定点Ｓが位置ｓ２とした場合には、該検出
面８３ａにおｌ−ｊる入射領域は、遮光されることはな
い。

さらに、該被測定点が位置Ｓ３とした場合には、該検出
面８３ａにおける入射領域は、該入射領域の上方が遮光
される。

上記の原理より、該被測定点Ｓの位置が変位すると、前
記検出部８３の検出部８３にて検出される入射領域が変
化することにより、該被測定点Ｓの変位量を検出するこ
とができる。

このように、ナイフェツジを使用した方法によると、前
記微調用検出器３９ａ、微調用検出器３９ｂ及び粗調用
検出器４９に、例えば電荷結合素子を使用して、煩雑な
画像処理を行う必要なしに被測定点の変位量を容易に検
出することができる。

上記のように構成された光非接触形状測定装置５０によ
ると、前記被測定物載置台５３に載置された被測定物５
５の被測定面５５ａを測定するために、前記光プローブ
装置３０を、前記Ｚ軸方向サーボ機構５１によりＺ軸方
向にサーボするとともに、該被測定物載置台５３をＸＹ
軸方向サーボ機構５２によりＸ軸及びＹ軸方向にサーボ
し、これと同しくして前記各光量差を検出することによ
り、該被測定面５５ａの表面形状を測定することができ
る。

本実施例による光非接触形状測定装置５０を使用して、
径１ｍｍのビンゲージの上半円筒表面を測定した結果を
、第８図に示す。

第８図の横軸には、該ビンゲージの中心を零とした変位
量が、また縦軸には、該ビンゲージの半円頂点を零とし
た変位量がそれぞれ示されている。

上記測定結果より、本実施例に係わる光非接触形状測定
装置５０によると、測定精度が約±１００ｍ程となって
おり、従来の例えば三角測量法に比較すると、約五倍の
精度を向上することができた。

即ち、本実施例おいて示すように構成された光非接触形
状測定装置５０は、照射光学系の光軸と、反射光学系の
光軸とが、前記照射光学系の光軸が偏光ビームスプリッ
タにより偏向されることにより、対物レンズ部において
同一の光軸を成しており、従って前記照射光学系と反射
光学系とが偏角されておらず、被測定物の斜面等の形状
を測定する際に、前記シャドウ効果が発生することを防
止できる。

また、請求項４に示すが如く、前記偏光ビームスプリッ
タが照射光学系の光軸を偏向する他に、該被測定物の測
定面より反射された反射レーザ光を、正反射光成分と散
乱レーザ光成分とに分光して、該散乱レーザ光成分を前
記被測定物形状の測定に供するように構成されているた
め、正反射レーザ光成分による形状測定への悪影響を回
避することができる。

また、請求項５に示すが如く、前記照射系レンズとアパ
チャとの特性の異なる照射光学系を二つ備え、一方を他
方のものの解削レーザ光の光束径よりも小径にすること
により、該照射レーザ光の焦点深度を太き（するととも
に、請求項６に示すが如く、二つのレーザ光源から照射
されるレーザ光の波長領域を相違させて、光学フィルタ
により特定の波長領域のレーザ光を選択しているため、
二つの波長の異なるレーザ光を同一光軸上で使用するこ
とができ、さらに該焦点深度の大きい照射光学系を、単
位面積当たりの被測定物の表面形状起伏が大きい場合等
において、粗調整用に利用することができる。

さらに、請求項７に示すが如く、前記被測定物の測定表
面より反射された反射レーザ光を、ビームスプリツタに
より二つの異なる光軸の反射レーザ光に分光し、各々分
光された反射レーザ光を各々の反射光学系を介して検出
器により検出しており、この際、該各々の反射光学系設
けられる該検出器に光量差を現出するナイフェツジを、
各々取付角度を異なるように配設しているため、該各々
の検出器に現出する光量差を相補することができ、従っ
て測定表面の測定誤差を相殺することができる。　次に
、本発明に係わる他の実施例を、第９図を参照しながら
説明する。

なお、先の実施例と同一の箇所には、同一符号を符し説
明を省略する。

微調用照射光学系９０は、該微調用照射光学系９０にＨ
ｅ−Ｎｅレーザを供給するＨｅ−Ｎｅレーザ発生装置９
１と、該Ｈｅ−Ｎｅレーザを伝達する光ファイバ９２と
、該光ファイバ９２より放射された該Ｈｅ−Ｎｅレーザ
を集光する微調用照射系レンズ３２と、微調用アパチャ
３３とから構成されている。

従って、光非接触形状測定装置５０を使用して、被測定
物５５の被測定面５５ａを計測する際の、微調整用に、
前記Ｈｅ　−Ｎ　ｅレーザ発生装置９１を光源とするＨ
ｅ−Ｎｅレーザを使用しているため、該測定精度をより
向上することができるとともに、先の実施例同様の効果
を奏することができる。

次に、本発明に係わる他の実施例を、第１０図を参照し
ながら説明する。

なお、先の実施例と同一の箇所には、同一符号を符し説
明を省略することはいうまでもない。

微調用第１反射光学系９６は、微調用光学フィルタ３６
ａと、微調用反射系レンズ３’７　ａと、該微調用反射
系レンズ３７ａの焦点前後において光量差を現出するた
めの微調用円筒レンズ９５ａと、微調用検出器３９ａと
から構成されている。

また、微調用第２反射光学系９７は、微調用光学フィル
タ３６ｂと、微調用反射系レンズ３７ｂと、該微調用反
射系レンズ３７ｂの焦点前後において光量差を現出する
ための微調用円筒レンズ９５ｂと、微調用検出器３９ｂ
とから構成されてい前記微調用円筒レンズ９５ａと微調
用円筒レンズ９５ｂとは、取付角度が相違してあり、こ
れにより測定値の測定誤差を相殺するようになっている
。

本実施例においても、先の実施例同様の効果を奏するこ
とができる。

次に、本発明に係わる他の実施例を説明する。

先の実施例において開示したように、例えば微調用光学
フィルタ３６ａ、微調用反射系レンズ３７ａ、微調用ナ
イフェツジ３８ａ及び微調用検出器３９ａが各々配設さ
れた微調用第１反射光学系ｓｏｉ、＝ｓいて、該微調用
ナイフェツジ３８ａ（７）代わりに、同じく該微調用反
射系レンズ３７ａの焦点前後において光量差を該微調用
検出器に現出するフーコープリズムを設けて、該光量差
を該微調用検出器により検出するように構成することも
できる。

（発明の効果） 本発明に係わる光非接触形状測定装置及び測定方法は、
上記のように構成されているため、以下に記載するよう
な効果を有する。

（１）し〜ザ光源と照射系レンズとアパチャ等とから成
る照射光学系の光軸と、光学フィルタと反射系レンズと
ナイフェツジと検出部等がら成る反射光学系の光軸とが
、前記解射光学系の光軸が偏光ビームスプリッタにより
偏光されることにより、対物レンズ部において同一の光
軸を成すように構成されているため、前記照射光学系と
反射光学系とが所定の角度を有して偏角されておらず、
従って被測定物の斜面等の形状を測定する際に、前記シ
ャドウ効果が発生する恐れがなく、正確且つ高信頼性の
被測定物の形状測定が可能になるという優れた効果を有
する。

（２）また、前記偏光ビームスプリッタが、該被測定物
の測定面より反射された反射レーザ光を、正反射光成分
と散乱レーザ光成分とに分光するとともに、該散乱レー
ザ光成分を前配被測定物形状の測定に供するように構成
されているため、形状測定の際に該正反射レーザ光成分
が悪影響を及ぼすことを回避でき、高精度な被測定物の
形状測定を行うことができるという優れた効果を有する
。

（３）また、前記照射系レンズとアパチャとの特性の異
なる照射光学系を複数備え、少なくとも一つを他のもの
の照射レーザ光の光束径よりも小径にするように構成さ
れているため、該照射レーザ光の焦点深度を大きくする
ことができ、該焦点深度の大きい照射光学系を、単位面
積当たりの被測定物の表面形状起伏が大きい場合に粗調
整用に利用することができ、従って該被測定物の表面形
状により、粗調整から微調整へ状況に対応しながら測定
表面を測定することができるため、該測定範囲を広（す
ることが可能になるという優れた効果を有する。

（４）また、照射光学系における複数のレーザ光源から
照射されるレーザ光の波長領域をそれぞれ異なるように
するとともに、反射光学系における各々の光学フィルタ
により特定の波長領域のレーザ光を選択しているため、
複数の異なる波長のレーザ光を同一光軸上で使用するこ
とができることにより、高い汎用性が得られるという優
れた効果を有する。

（５）さらに、前記被測定物の計測表面により反射され
た反射レーザ光を、該反射レーザ光の光軸上に設けられ
たビームスプリッタにより複数の光軸の反射レーザ光に
分光し、各々分光された反射レーザ光を各々の反射光学
系を介して検出器により検出するし、この検出の際に、
該各々の反射光学系に設けられる該検出器に光量差を現
出するナイフェツジを、各々取付角度を異ならせて配設
しているため、該検出器による検出値を相補することが
でき、該計測表面の測定誤差を相殺することができ、高
精度の形状測定が可能になるという優れた効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる光非接触形状測定装置の実施例
を示す側面図、 第２図は本実施例に係わる光非接触形状測定装置を示す
斜視図、 第３図は本実施例の照射光学系並びに偏光ビームスプリ
ッタの動作を説明する一部斜視図第４図は被測定物の測
定面より反射された反射光を正反射光成分と散乱反射光
成分に分光する偏光ビームスプリッタの動作を説明する
斜視図、第５図は本実施例の反射光学系並びにビームス
プリッタの動作を説明する斜視図、 第６図は本実施例に係わる複数の反射光学系に設けられ
たナイフェツジの動作を説明する斜視図、第７図（ａ）
及び（ｂ）はナイフェツジを利用した測定原理を説明す
る説明図、 第８図は実際の被測定物の測定表面を測定した結果を示
す実測図、 第９図は本発明に係わる光非接触形状測定装置のレーザ
にＨｅ−Ｎｅレーザを使用した他の実施例を示す側面図
、 第１０図は本発明に係わる光非接触形状測定装置に円筒
レンズを使用した他の実施例を示す側面第１１区は従来
の光非接触形状測定装置の一例を示す側面図、 第１２図はシャドウ効果を説明する側面図である。 ３０　・　・ ３１　・　・ ３２　・ ３３　・　・ ３５　・　・ ３６　・　・ ３７　・　・ ３８　・　・ ３９　・　・ ５０　・　・ ５１　・　・ ５２　・　・ ５５　・　・ ・光プローブ装置 ・微調用レーザ光源 微調用照射系レンズ 微調用アパチャ 微調用偏光ビームスプリッタ 微調用ビームスプリッタ 微調用光学フィルタ、 微調用反射系レンズ 微調用ナイフェツジ 微調用検出器、 ・光非接触形状測定装置、 ・Ｚ軸方向サーボ機構、 ・ＸＹ軸方向サーボ機構、 ・被測定物、５６・・・対物レンズ、 ６０　・ ６１　・ ６２　・ ６５　・ ７０　・ ７５　・ ７６　・ ７７　・ 微調用照射光学系、 微調用第１反射光学系、 微調用第２反射光学系、 粗調用照射光学系、 粗調用反射光学系、 偏光面、８０・・・分光面、 正反射ｌメーザ光、 微調用散乱レーザ光、 粗調用散乱レーザ光。 ８３ａ 位置Ｓ１ 第 図 （ａ） （ｂ） 位置Ｓ２ 位置Ｓ３ 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を出射するレーザ光源部と、該レーザ光
   源部より出射されたレーザ光を集光するとともに偏光並
   びに偏向する照射光学系と、該照射光学系を介した照射
   レーザ光を被測定物表面に集光する対物レンズ部と、 該被測定物表面により反射された反射レーザ光を分光す
   るとともに集光し、さらに該反射レーザ光の光量差を現
   出する反射光学系と、 該反射光学系を介した反射レーザ光の光量差を検出する
   検出部と、 前記対物レンズと被測定物表面との距離調整を行うこと
   により該反射レーザ光の光量差を調整する焦点調整機構
   と、 前記照射光学系より照射される照射レーザ光を該被測定
   物表面において移動走査を行う移動走査機構と、 を少なくとも一つ有することを特徴とする光非接触形状
   測定装置。
2. （２）前記レーザ光源部から出射されたレーザ光を照射
   光学系により集光するとともに偏光並びに偏向し、該対
   物レンズを介して被測定物表面に照射し、該被測定物表
   面により反射された反射レーザ光を反射光学系により集
   光するとともに分光し、さらに該反射レーザ光の光量差
   を現出し、前記検出部により光量差を検出することによ
   り、該光量差を前記焦点調整機構により該対物レンズ部
   と被測定物表面との距離を調整し、さらに該被測定物を
   移動走査機構により移動走査して、前記被測定物の表面
   を非接触にて測定することを特徴とする請求項１記載の
   光非接触形状測定方法。
3. （３）レーザ光を出射するレーザ光源と、 該レーザ光を集光する照射系集光レンズと、該照射系集
   光レンズにより集光されたレーザ光の透過面積を調整す
   るアパチャと、 該アパチャを介したレーザ光を偏光する偏光ビームスプ
   リッタと、 該偏光ビームスプリッタにより偏光されたレーザ光を被
   測定物表面に集光する対物レンズと、該被測定物表面に
   より反射され、さらに該対物レンズ並びに偏光ビームス
   プリッタを介した反射レーザ光を分光するビームスプリ
   ッタと、 該ビームスプリッタを介した反射レーザ光の所定の波長
   領域を透過する光学フィルタと、該光学フィルタを透過
   した散乱レーザ光を集光する反射系集光レンズと、 該反射系集光レンズの焦点前後で光量差を現出するナイ
   フエッジと、 該ナイフエッジを介した反射レーザ光の光量差を検出す
   る検出部と、 を少なくとも一つ有する光プローブ装置を前記対物レン
   ズの光軸に移動することにより該対物レンズと被測定物
   表面との距離調整を行う距離調整用サーボ機構と、 前記照射レーザ光を被測定物表面において移動走査を行
   う移動走査用サーボ機構と、 を有することを特徴とする請求項１記載の光非接触形状
   測定装置。
4. （４）前記被測定物表面により反射された反射レーザ光
   を、前記偏光ビームスプリッタにより正反射レーザ光と
   散乱レーザ光とに分光するとともに、該散乱レーザ光を
   透過することにより、該被測定物表面の形状を非接触に
   て測定することを特徴とする光非接触形状測定装置。
5. （５）複数の照射光学系の各々にレーザ光を各々出射す
   る複数のレーザ光源の、少なくとも一つのレーザ光源か
   ら出射されるレーザ光を、集光レンズとアパチャとを有
   する光学系により、他のレーザ光より光束幅を幅狭にし
   、さらに前記偏光ビームスプリッタ並びに対物レンズを
   介して、前記被測定物表面に照射することにより、該幅
   狭のレーザ光束を有する照射光学系の焦点深度を大きく
   したことを特徴とする光非接触形状測定装置。
6. （６）複数の照射光学系に各々異なる波長のレーザ光を
   出射するレーザ光源を備え、該各々異なる波長のレーザ
   光を、各々の光軸に設けられた偏光ビームスプリッタに
   より、前記対物レンズの光軸に偏光されるとともに偏向
   し、該対物レンズを介して前記被測定物表面に照射し、
   さらに該被測定物表面より反射された反射レーザ光を、
   前記照射光学系に対応する反射光学系の各々にビームス
   プリッタにより分光するとともに、該分光された反射レ
   ーザ光の各々の所定の波長領域を透過する光学フィルタ
   を介して、各々の反射レーザ光に識別することにより、
   同一の対物レンズを使用して、前記被測定物表面を非接
   触にて測定することを特徴とする光非接触形状測定装置
   。
7. （７）前記被測定物表面により反射された反射レーザ光
   を、反射光学系に設けられたビームスプリッタにより複
   数の光軸に分光し、該複数の光軸に光学フィルタと反射
   系集光レンズとナイフエッジとを有する光学系を各々設
   けるとともに、各々のナイフエッジの配設角度を異なら
   せて、該光学系の各々の反射レーザ光の光量差を前記検
   出部により検出し、該検出値を各々が相補するように構
   成したことを特徴とする光非接触形状測定装置。
8. （８）前記反射光学系の反射系集光レンズの後方に、該
   反射系集光レンズの焦点前後において光量差を現出させ
   る円筒レンズを設け、該光量差を前記検出部により検出
   することを特徴とする光非接触形状測定装置。
9. （９）前記反射光学系の反射系集光レンズの後方に、該
   反射集光レンズの焦点前後において光量差を現出させる
   フーコープリズムを設け、該光量差を前記検出部により
   検出させたことを特徴とする光非接触形状測定装置。