JPH0511883B2 - - Google Patents
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- JPH0511883B2 JPH0511883B2 JP62009770A JP977087A JPH0511883B2 JP H0511883 B2 JPH0511883 B2 JP H0511883B2 JP 62009770 A JP62009770 A JP 62009770A JP 977087 A JP977087 A JP 977087A JP H0511883 B2 JPH0511883 B2 JP H0511883B2
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- 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
- G01B11/002—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates
- G01B11/005—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring two or more coordinates coordinate measuring machines
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-
- G—PHYSICS
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- 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
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
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Description
本発明は、形状測定用光プローブに係り、特
に、三次元測定機のプローブとして用いるのに好
適な、光の臨界角近傍での反射率の変化を利用し
て、測定対象物の形状を光学的手段により非接触
で測定する光プローブの改良に関するものであ
る。
に、三次元測定機のプローブとして用いるのに好
適な、光の臨界角近傍での反射率の変化を利用し
て、測定対象物の形状を光学的手段により非接触
で測定する光プローブの改良に関するものであ
る。
載物台に載置された測定対象物と測定機本体に
支持されたプローブとを、移動機構によつて三次
元的に相対移動させ、これによりプローブと測定
対象物との相対移動量を検出して、この移動量を
データ処理装置で所定処理し、測定対象物の高さ
や形状等を測定できる三次元測定機が普及してい
る。 この三次元測定機用のプローブとしては、接触
式のプローブが主に使用されているが、測定対象
物が、薄いプラスチツク製の部品やクレイモデル
等に及ぶにつれて、非接触式のプローブの開発が
要請されるようになつてきている。 従つて従来から、光学的手段を用いた非接触式
のプローブが各種提案されてきたが、接触式のプ
ローブと比較して分解能が粗いという問題点があ
つた。 分解能を改善するため、プリズムでの全反射が
起きるときの臨界角付近での光の内部反射率の変
化を利用する臨界角プリズムを用いたプローブが
提案されている。例えば日本国の実開昭61−6707
には、分解能を増すために臨界角プリズム内で内
部反射を４回行わせるプローブが示されている。
支持されたプローブとを、移動機構によつて三次
元的に相対移動させ、これによりプローブと測定
対象物との相対移動量を検出して、この移動量を
データ処理装置で所定処理し、測定対象物の高さ
や形状等を測定できる三次元測定機が普及してい
る。 この三次元測定機用のプローブとしては、接触
式のプローブが主に使用されているが、測定対象
物が、薄いプラスチツク製の部品やクレイモデル
等に及ぶにつれて、非接触式のプローブの開発が
要請されるようになつてきている。 従つて従来から、光学的手段を用いた非接触式
のプローブが各種提案されてきたが、接触式のプ
ローブと比較して分解能が粗いという問題点があ
つた。 分解能を改善するため、プリズムでの全反射が
起きるときの臨界角付近での光の内部反射率の変
化を利用する臨界角プリズムを用いたプローブが
提案されている。例えば日本国の実開昭61−6707
には、分解能を増すために臨界角プリズム内で内
部反射を４回行わせるプローブが示されている。
しかしながら、測定対象物の形状の変化に対す
るプローブの光学系における光量分布の変化、即
ち感度が未だ充分大きくないため、分解能を細か
くするためには、電気的な増幅を大きくしなけれ
ばならず、電気的ノイズが混入し易いという問題
点がある。
るプローブの光学系における光量分布の変化、即
ち感度が未だ充分大きくないため、分解能を細か
くするためには、電気的な増幅を大きくしなけれ
ばならず、電気的ノイズが混入し易いという問題
点がある。
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくな
されたもので、光学系における感度が充分高く、
電気的な増幅を大きくしなくても細かい分解能が
得られる形状測定用光プローブを提供することを
目的とする。
されたもので、光学系における感度が充分高く、
電気的な増幅を大きくしなくても細かい分解能が
得られる形状測定用光プローブを提供することを
目的とする。
本発明は、形状測定用光プローブにおいて、測
定対象物に光の微小スポツトを照射する照明手段
と、前記微小スポツトからの光を集めて平行光線
化する対物レンズと、該対物レンズから出た略平
行光線を内部反射で伝えると共に、該平行光線が
臨界角近傍で入射されるように設定された光伝達
部材と、該光伝達部材の入射面内にあるＰ偏光成
分の光を主に通過させ、該光伝達部材に入射させ
る偏光選択手段と、前記光伝達部材からの光を受
光して電気信号に変換する光電変換素子とを含む
ことにより、前記目的を達成したものである。 又、本発明の実施態様は、前記光伝達部材を臨
界角プリズムとしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記光伝達部材
を、一定の傾斜角で支持され、光が内部反射で伝
わる平板ガラスを含んで構成したものである。
定対象物に光の微小スポツトを照射する照明手段
と、前記微小スポツトからの光を集めて平行光線
化する対物レンズと、該対物レンズから出た略平
行光線を内部反射で伝えると共に、該平行光線が
臨界角近傍で入射されるように設定された光伝達
部材と、該光伝達部材の入射面内にあるＰ偏光成
分の光を主に通過させ、該光伝達部材に入射させ
る偏光選択手段と、前記光伝達部材からの光を受
光して電気信号に変換する光電変換素子とを含む
ことにより、前記目的を達成したものである。 又、本発明の実施態様は、前記光伝達部材を臨
界角プリズムとしたものである。 又、本発明の他の実施態様は、前記光伝達部材
を、一定の傾斜角で支持され、光が内部反射で伝
わる平板ガラスを含んで構成したものである。
本発明に係る形状測定用光プローブにおいて
は、臨界角付近での光の内部反射率の変化を利用
して、対物レンズから、臨界角近傍の入射角で入
射される光を内部反射で伝える光伝達部材に入射
させる光線として、入射角に対する反射率変化が
Ｓ偏光成分より大きなＰ偏光成分を用いているの
で、臨界角近傍での反射率の変化が急峻となり、
微小スポツトの位置の変化に対する光電変換素子
上での光量分布の変化が大きくなつて、分解能が
細かくなる。
は、臨界角付近での光の内部反射率の変化を利用
して、対物レンズから、臨界角近傍の入射角で入
射される光を内部反射で伝える光伝達部材に入射
させる光線として、入射角に対する反射率変化が
Ｓ偏光成分より大きなＰ偏光成分を用いているの
で、臨界角近傍での反射率の変化が急峻となり、
微小スポツトの位置の変化に対する光電変換素子
上での光量分布の変化が大きくなつて、分解能が
細かくなる。
以下、本発明の好適な実施例を、第１図乃至第
５図を参照して説明する。 第１図に、本発明に係る形状測定用光プローブ
の実施例の内部構造を示す。 この実施例は、レーザダイオード１２及び集光
レンズ１４からなる照明手段１６を含んでいる。
該照明手段１６により、測定対象物１０に対して
光の微小スポツト１８を照射して、その微小スポ
ツト１８の像２０ａを、レンズ３０と３２よりな
る対物レンズ３４によつて結像する。この対物レ
ンズ３４の倍率は、１〜５倍とされている。 前記照明手段１６の光軸と対物レンズ３４の光
軸との角度、即ち照射角δは、90°以下に設定さ
れている。 前記レーザダイオード１２の光は直線偏光で、
電気ベクトルは１２ａの方向であるが、測定対象
物１０での反射により偏光状態は変化する。 前記対物レンズ３４を構成する２枚のレンズ３
０，３２の間には干渉フイルタ３６が設けられて
おり、レーザダイオード１２の波長である780ナ
ノメータの光のみを通過させて、外乱光を防いで
いる。 前記対物レンズ３４と微小スポツトの像２０ａ
との間には、偏光ビームスプリツタ３８が設けら
れており、光線を入射面内にあるＰ偏光成分４０
と、入射面と垂直なＳ偏光成分４２とに分離して
いる。この偏光ビームスプリツタ３８を用いる理
由については、後で説明する。 ここで、微小スポツト１８が対物レンズ３４の
光軸上にある場合の、その像２０ａを含んで光軸
に垂直な平面を像面（image plane）５０ａと呼
ぶ。この像面５０ａには、外乱光を防ぐためのピ
ンホール板５２が設けられている。微小スポツト
１８の直径が25μｍで、対物レンズ３４の倍率が
２倍の場合、ピンホール板５２のピンホールの直
径は500μｍ程度に設定する。 前記像面５０ａの上方には、この像面５０ａに
焦点を有するリレーレンズ５４が配設されてい
る。実施例では、リレーレンズ５４として、直径
が1.5mm乃至２mmと小さく、焦点距離が対物レン
ズ３４の焦点距離よりかなり短い分布屈折率レン
ズが用いられている。 次いで、角度βの小さな入射プリズム５６と、
平板ガラス５８と、射出プリズム６０からなる窓
板６２が傾斜角αで支持されている。前記プリズ
ム５６，６０と平板ガラス５８は、屈折率が約
1.52であり、互いに接着固定されている。前記角
度βは、臨界角であるarcsin（1/1.52）の近傍の
約42°に設定され、傾斜角αは（90°−臨界角）の
近傍である約48°に設定されており、入射プリズ
ム５６に垂直に入射する光線は50％以上全反射さ
れるようになつている。 前記微小スポツトの像２０ａからの光は、リレ
ーレンズ５４で略平行光線に変換されて入射プリ
ズム５６に入り、内部反射を繰返しながら平板ガ
ラス５８の中を伝わり、射出プリズム６０から外
部に出て光量分布６４を形成し、この光量分布が
位置感知検出器（PSD）６６ａによつて測定さ
れ、処理装置６８ａを経由して外部出力される。
前記平板ガラス５８として、厚みＷが約５mm、高
さ方向の長さＬが約60mmのものを用いた場合、全
反射の回数は約16回である。 前記位置感知検出器６６ａとしては、例えば光
量分布の中心を測定できる横効果（lateral
effect）フオトダイオードが用いられている。な
お、位置感知検出器６６ａとして、２重セル（bi
−cell）フオトダイオードを用いることもでき
る。 前記偏光ビームスプリツタ３８の側面には、Ｓ
偏光成分による微小スポツト１８の像２０ｂの位
置を測定する位置感知検出器（PSD）６６ｂが
設けられ、測定結果は処理装置６８ｂから外部出
力される。この位置感知検出器６６ｂは、後述す
るように測定対象物１０の形状を粗い分解能で測
定するという意味から、粗目の位置感知検出器と
呼ぶ。この位置感知検出器６６ｂとしても、横効
果フオトダイオードが用いられている。 ここで、測定対象物１０がＸ方向に相対移動し
た場合に、どのような出力の変化があるかを、第
２図を用いて説明する。 第２図において、測定対象物１０の形状変化
は、Ｚ軸方向の変化として現われ、照射角δが零
でない場合は、光の微小スポツト１８は、０１，
０２、０３のように変化する。ここで、対物レン
ズ３４による０１の像がＰ１とすると、０２の像
はＰ２、０３の像はＰ３のようになる。又、偏光
ビームスプリツタ３８に対して対称な位置に、像
Ｐ１′，Ｐ２′、Ｐ３′が結像される。 この場合、像Ｐ１の光線は、リレーレンズ５４
で平行光線となり、平板ガラス５８の中を全反射
して、位置感知検出器６６ａ上に光量分布Ｑ１を
形成する。次に、像Ｐ２の光は傾斜して略平行光
線となるため、繰返し反射するにつれて位置が大
きく偏位して光量分布Ｑ２を形成する。従つて、
測定対象物１０がＺ軸方向にΔZだけ変位すると、
位置感知検出器６６ａ上では、Ｚ１軸方向に、全
反射の回数に比例する量であるΔZ１に拡大され
ていることがわかる。従つて、光量分布の中心の
変位量ΔZ１を処理装置６８ａから出力すれば、
外部の処理装置でΔZの算出ができる。 同時に、粗目の位置感知検出器６６ｂ上では、
Ｚ２軸方向にΔZ２だけ像の位置が変化する。こ
のΔZ２はΔZと同じオーダであり拡大率が小さい
ため、ΔZを広い測定範囲で粗目の分解能で測定
する際に都合がよい。従つて、粗目の位置感知検
出器６６ｂは省略することもできる。 次に、傾斜角αを（90°−臨界角）の近傍に設
定している理由を、第３図を用いて説明する。像
Ｐ２からの光はリレーレンズ５４で略平行光線と
なるが、Δtだけ焦点より前に像Ｐ２があるため、
実際にはやや拡散光線となる。この場合、光線ｔ
１は全反射し易くなるため反射率が高くなり、一
方、光線ｔ２は入射角が小さくなるため反射率が
小さくなり、最終的な光量分布Ｑ２は、光線ｔ１
とｔ２との反射率が等しい場合の光量分布Ｑ２′
に対してΔ１だけ中心が外側に移動する。 逆に、像Ｐ３からの光はリレーレンズ５４でや
や集束光線となるため、その最終的な光量分布Ｑ
３の中心は反射率が等しい場合の光量分布Ｑ３′
に対してΔ２だけ外側に移動する。従つて、傾斜
角αとして（90°−臨界角）の近傍の値を選択す
る場合には、感度が高くなる。 この効果は、第２図における照射角δが零に近
付いて、微小スポツト０１〜０３が光軸に近接
し、それに伴つて微小スポツトの像Ｐ１〜Ｐ３も
光軸に近接した場合には特に重要になる。即ち、
反射率が入射角によつて変化しない場合の第３図
の光量分布Ｑ２′の中心は、光量分布Ｑ１の中心
と近接してくるため、光量分布Ｑ２の中心の変化
量ΔZ１は臨界角の効果による量Δ１でほとんど
決まるからである。 次に、第１図で偏光ビームスプリツタ３８を用
いた理由及びその作用を、第４図と第５図を用い
て説明する。第４図は、屈折率ｎの平板ガラス５
８の境界面５８ａに入射角θで入射する光線ｉが
反射光ｒと屈折光ｔに分れる様子を示したもので
ある。入射光線ｉ、反射光線ｒは、それぞれＰ偏
光成分４０とＳ偏光成分４２とから構成されてい
る。ここで入射角θを変化させた場合のＰ偏光成
分４０の反射率Rp、Ｓ偏光成分４２の反射率Rs
の変化を第５図に示す。この第５図は、光学の分
野では公知であるが、図においてθ１は臨界角で
あり、θ２はブリユースタ角（Ｂ rewster
angle）で、それぞれ以下の式で表現される。 θ１＝arcsin（１／ｎ） …(1) θ２＝arctan（１／ｎ） …(2) 第５図から、Ｐ偏光成分の方が、臨界角近傍で
の反射率の変化が大きいことがわかる。従つて、
偏光ビームスプリツタ３８でＰ偏光成分のみを選
択する場合には、第３図における光量分布Ｑ２，
Ｑ３の中心の移動量Δ１，Δ２がより大きくなる
ため、測定の感度が更に高くなり、分解能もより
細くできることがわかる。なお、測定範囲も分解
能とほぼ比例して短くなるため、粗目の位置感知
検出器６６ｂで大まかな測定を行うと非常に効果
的である。 更に、臨界角近傍での反射率の変化を利用する
場合には、内部反射の回数が多くなるほどその効
果は急激に増幅されるため、第２図に示すような
平板ガラス５８を用いる本実施例においては、測
定の感度は非常に高められており、最終的には
0.1μｍのオーダの分解能を達成できた。 従来のように測定対象物上の微小スポツトから
の光を略平行光線に変換して直線内部反射させる
のと異なり、本実施例においては、微小スポツト
の像を対物レンズで生成し、その像からの光をリ
レーレンズで略平行光線として、その光線を平板
ガラスの中を繰返し内部反射させる構成としたの
で、高精度の大きな臨界角プリズムを用いること
なく、臨界角近傍で入射する光の反射率の変化を
利用した測定が可能となる。従つて、光学部品の
価格を安くすることができ、プリズム製作時に屈
折率を正確に測定する必要もなくなる。又、長い
平板ガラスを用いているため、繰返し反射の回数
が従来よりも桁違いに多くなり、微小スポツトの
少しの位置の変化でも位置感知検出器上の光量分
布は大きく変化するので、光学系における感度が
一層高まり、分解能をより細かくすることができ
る。更に、平板ガラスの傾斜角の微調整は容易で
あるため、平板ガラスの屈折率に応じて、例えば
実験的に自由に微調整いて最適な角度を選ぶこと
ができ、調整が容易である。 なお、光伝達部材の種類は平板ガラスに限定さ
れず、臨界角プリズムを用いても良い。 なお、前記実施例においては、照明手段１６を
レーザダイオード１２と集光レンズ１４との組み
合せで構成していたが、照明手段１６の構成はこ
れに限定されず、高出力の可視域発光ダイオード
やHe−Neレーザを用いた構成も可能である。
又、集光レンズ１４の代りに対物レンズ３４を兼
用する構成も考えられる。更に、照明手段１６を
複数個設けて、測定対象物１０の傾きに応じて切
替える構成も考えられる。 又、前記実施例においては、位置感知検出器６
６ａ，６６ｂとして、光量分布の中心を測定でき
る横効果フオトダイオードを用いていたが、位置
感知検出器の構成もこれに限定されず、光量分布
をそのまま測定できるCCDタイプやMOSタイプ
のラインセンサを使用することもできる。 更に、前記実施例においては、偏光ビームスプ
リツタ３８と粗目の位置感知検出器６６ｂを設け
ていたが、位置感知検出器６６ａにおける分解能
がそれほど細かくなくてもよい場合には、偏光ビ
ームスプリツタ３８と粗目の位置感知検出器６６
ｂを省略することができる。この場合、偏光ビー
ムスプリツタ３８の代りに、単なる偏光板を設け
て、Ｐ偏光成分だけを窓板６２に伝える構成も考
えられる。 又、前記対物レンズ３４の倍率は、５倍程度を
越えるとスペツクルパターン（speckle pattern）
を検出し易くなるため、５倍程度以下とすること
が望ましいが、出力信号に電気的なフイルタリン
グを行う方法と組み合わせれば、５倍以上でも充
分可能である。 次に、本発明の応用例として、本発明に係る形
状測定用光プローブを三次元測定機に備えたシス
テムの例を第６図を参照して説明する。 このシステムは、三次元測定機９０の載物台１
０１に測定対象物１０を載置し、Ｚ軸のスピンド
ル１０２の先端に本発明に係る光プローブ９２を
係合して、測定対象物１０の形状を非接触で測定
しようとするものである。 三次元測定機９０の各軸には、図示されない位
置測定トランスデユーサが組み込まれ、測定対象
物１０と光プローブ９２との相対移動量は、カウ
ンタ１１０，１１１，１１２で計数され、測定ユ
ニツト１１３で演算処理が施される。 又、制御ユニツト１１４からは、ドライバ１１
５，１１６，１１７を通して、図示されない駆動
モータの駆動信号が出力されるため、全自動で測
定が行われる。制御ユニツト１１４から光プロー
ブ９２に対しては、プローブ電源１２０を介して
電源が供給されており、光プローブ９２からは、
第２図の位置感知検出器６６ａの出力として、光
量分布の中心の移動量ΔZ１が、Ｚ１レジスタ１
２１に出力されている。又、粗目の位置感知検出
器６６ｂの出力として、像の移動量ΔZ２がＺ２
レジスタ１２２に出力されている。 測定開始にあたり、まずＺ２レジスタ１２２の
値がほぼ零になるように、Ｚ軸のスピンドル１０
２を上下させて位置を決める。次いで、Ｚ１レジ
スタ１２１の値が予め定められた許容値に収まる
ように、Ｚ軸のスピンドル１０２を微調整して、
測定ユニツト１１３でのデータ取り込みを開始す
る。 この後はスライダ１０３をＸ軸方向に移動させ
ながら、Ｚ１レジスタ１２１の値が許容値に収ま
るようにＺ軸のスピンドル１０２を上下させてい
く。同様にコラム１０４をＹ軸方向に移動させる
ことによつて、測定対象物１０の全上面を走査で
き、それぞれの（Ｘ，Ｙ）座標に対してＺ座標の
値が求まるため、形状測定ができることになる。
又、形状に段差があつてＺ１レジスタ１２１の値
がオーバーフローしたような場合は、Ｚ２レジス
タ１２２の値を零に近付けるようにＺ軸のスピン
ドル１０２を調整することによつて、大まかな位
置決めを行い、次いでＺ１レジスタ１２１の値を
用いることによつて、効率的な測定が実行され
る。 これまで本発明の光プローブは三次元測定機へ
の応用という観点から述べてきたが、非接触で高
分解能な形状測定ができるという特徴を活かし
て、他の測定機のプローブとしても使用すること
ができる。例えば真円度測定機のプローブとして
用いた場合には、非接触であるため測定対象物に
傷が付かない、材質が軟かいものでも適用できる
という特徴がある。又、金属の箔片の厚さやコー
テングされた物質の厚さ等の測定機のプローブと
しても使用できる可能性がある。
５図を参照して説明する。 第１図に、本発明に係る形状測定用光プローブ
の実施例の内部構造を示す。 この実施例は、レーザダイオード１２及び集光
レンズ１４からなる照明手段１６を含んでいる。
該照明手段１６により、測定対象物１０に対して
光の微小スポツト１８を照射して、その微小スポ
ツト１８の像２０ａを、レンズ３０と３２よりな
る対物レンズ３４によつて結像する。この対物レ
ンズ３４の倍率は、１〜５倍とされている。 前記照明手段１６の光軸と対物レンズ３４の光
軸との角度、即ち照射角δは、90°以下に設定さ
れている。 前記レーザダイオード１２の光は直線偏光で、
電気ベクトルは１２ａの方向であるが、測定対象
物１０での反射により偏光状態は変化する。 前記対物レンズ３４を構成する２枚のレンズ３
０，３２の間には干渉フイルタ３６が設けられて
おり、レーザダイオード１２の波長である780ナ
ノメータの光のみを通過させて、外乱光を防いで
いる。 前記対物レンズ３４と微小スポツトの像２０ａ
との間には、偏光ビームスプリツタ３８が設けら
れており、光線を入射面内にあるＰ偏光成分４０
と、入射面と垂直なＳ偏光成分４２とに分離して
いる。この偏光ビームスプリツタ３８を用いる理
由については、後で説明する。 ここで、微小スポツト１８が対物レンズ３４の
光軸上にある場合の、その像２０ａを含んで光軸
に垂直な平面を像面（image plane）５０ａと呼
ぶ。この像面５０ａには、外乱光を防ぐためのピ
ンホール板５２が設けられている。微小スポツト
１８の直径が25μｍで、対物レンズ３４の倍率が
２倍の場合、ピンホール板５２のピンホールの直
径は500μｍ程度に設定する。 前記像面５０ａの上方には、この像面５０ａに
焦点を有するリレーレンズ５４が配設されてい
る。実施例では、リレーレンズ５４として、直径
が1.5mm乃至２mmと小さく、焦点距離が対物レン
ズ３４の焦点距離よりかなり短い分布屈折率レン
ズが用いられている。 次いで、角度βの小さな入射プリズム５６と、
平板ガラス５８と、射出プリズム６０からなる窓
板６２が傾斜角αで支持されている。前記プリズ
ム５６，６０と平板ガラス５８は、屈折率が約
1.52であり、互いに接着固定されている。前記角
度βは、臨界角であるarcsin（1/1.52）の近傍の
約42°に設定され、傾斜角αは（90°−臨界角）の
近傍である約48°に設定されており、入射プリズ
ム５６に垂直に入射する光線は50％以上全反射さ
れるようになつている。 前記微小スポツトの像２０ａからの光は、リレ
ーレンズ５４で略平行光線に変換されて入射プリ
ズム５６に入り、内部反射を繰返しながら平板ガ
ラス５８の中を伝わり、射出プリズム６０から外
部に出て光量分布６４を形成し、この光量分布が
位置感知検出器（PSD）６６ａによつて測定さ
れ、処理装置６８ａを経由して外部出力される。
前記平板ガラス５８として、厚みＷが約５mm、高
さ方向の長さＬが約60mmのものを用いた場合、全
反射の回数は約16回である。 前記位置感知検出器６６ａとしては、例えば光
量分布の中心を測定できる横効果（lateral
effect）フオトダイオードが用いられている。な
お、位置感知検出器６６ａとして、２重セル（bi
−cell）フオトダイオードを用いることもでき
る。 前記偏光ビームスプリツタ３８の側面には、Ｓ
偏光成分による微小スポツト１８の像２０ｂの位
置を測定する位置感知検出器（PSD）６６ｂが
設けられ、測定結果は処理装置６８ｂから外部出
力される。この位置感知検出器６６ｂは、後述す
るように測定対象物１０の形状を粗い分解能で測
定するという意味から、粗目の位置感知検出器と
呼ぶ。この位置感知検出器６６ｂとしても、横効
果フオトダイオードが用いられている。 ここで、測定対象物１０がＸ方向に相対移動し
た場合に、どのような出力の変化があるかを、第
２図を用いて説明する。 第２図において、測定対象物１０の形状変化
は、Ｚ軸方向の変化として現われ、照射角δが零
でない場合は、光の微小スポツト１８は、０１，
０２、０３のように変化する。ここで、対物レン
ズ３４による０１の像がＰ１とすると、０２の像
はＰ２、０３の像はＰ３のようになる。又、偏光
ビームスプリツタ３８に対して対称な位置に、像
Ｐ１′，Ｐ２′、Ｐ３′が結像される。 この場合、像Ｐ１の光線は、リレーレンズ５４
で平行光線となり、平板ガラス５８の中を全反射
して、位置感知検出器６６ａ上に光量分布Ｑ１を
形成する。次に、像Ｐ２の光は傾斜して略平行光
線となるため、繰返し反射するにつれて位置が大
きく偏位して光量分布Ｑ２を形成する。従つて、
測定対象物１０がＺ軸方向にΔZだけ変位すると、
位置感知検出器６６ａ上では、Ｚ１軸方向に、全
反射の回数に比例する量であるΔZ１に拡大され
ていることがわかる。従つて、光量分布の中心の
変位量ΔZ１を処理装置６８ａから出力すれば、
外部の処理装置でΔZの算出ができる。 同時に、粗目の位置感知検出器６６ｂ上では、
Ｚ２軸方向にΔZ２だけ像の位置が変化する。こ
のΔZ２はΔZと同じオーダであり拡大率が小さい
ため、ΔZを広い測定範囲で粗目の分解能で測定
する際に都合がよい。従つて、粗目の位置感知検
出器６６ｂは省略することもできる。 次に、傾斜角αを（90°−臨界角）の近傍に設
定している理由を、第３図を用いて説明する。像
Ｐ２からの光はリレーレンズ５４で略平行光線と
なるが、Δtだけ焦点より前に像Ｐ２があるため、
実際にはやや拡散光線となる。この場合、光線ｔ
１は全反射し易くなるため反射率が高くなり、一
方、光線ｔ２は入射角が小さくなるため反射率が
小さくなり、最終的な光量分布Ｑ２は、光線ｔ１
とｔ２との反射率が等しい場合の光量分布Ｑ２′
に対してΔ１だけ中心が外側に移動する。 逆に、像Ｐ３からの光はリレーレンズ５４でや
や集束光線となるため、その最終的な光量分布Ｑ
３の中心は反射率が等しい場合の光量分布Ｑ３′
に対してΔ２だけ外側に移動する。従つて、傾斜
角αとして（90°−臨界角）の近傍の値を選択す
る場合には、感度が高くなる。 この効果は、第２図における照射角δが零に近
付いて、微小スポツト０１〜０３が光軸に近接
し、それに伴つて微小スポツトの像Ｐ１〜Ｐ３も
光軸に近接した場合には特に重要になる。即ち、
反射率が入射角によつて変化しない場合の第３図
の光量分布Ｑ２′の中心は、光量分布Ｑ１の中心
と近接してくるため、光量分布Ｑ２の中心の変化
量ΔZ１は臨界角の効果による量Δ１でほとんど
決まるからである。 次に、第１図で偏光ビームスプリツタ３８を用
いた理由及びその作用を、第４図と第５図を用い
て説明する。第４図は、屈折率ｎの平板ガラス５
８の境界面５８ａに入射角θで入射する光線ｉが
反射光ｒと屈折光ｔに分れる様子を示したもので
ある。入射光線ｉ、反射光線ｒは、それぞれＰ偏
光成分４０とＳ偏光成分４２とから構成されてい
る。ここで入射角θを変化させた場合のＰ偏光成
分４０の反射率Rp、Ｓ偏光成分４２の反射率Rs
の変化を第５図に示す。この第５図は、光学の分
野では公知であるが、図においてθ１は臨界角で
あり、θ２はブリユースタ角（Ｂ rewster
angle）で、それぞれ以下の式で表現される。 θ１＝arcsin（１／ｎ） …(1) θ２＝arctan（１／ｎ） …(2) 第５図から、Ｐ偏光成分の方が、臨界角近傍で
の反射率の変化が大きいことがわかる。従つて、
偏光ビームスプリツタ３８でＰ偏光成分のみを選
択する場合には、第３図における光量分布Ｑ２，
Ｑ３の中心の移動量Δ１，Δ２がより大きくなる
ため、測定の感度が更に高くなり、分解能もより
細くできることがわかる。なお、測定範囲も分解
能とほぼ比例して短くなるため、粗目の位置感知
検出器６６ｂで大まかな測定を行うと非常に効果
的である。 更に、臨界角近傍での反射率の変化を利用する
場合には、内部反射の回数が多くなるほどその効
果は急激に増幅されるため、第２図に示すような
平板ガラス５８を用いる本実施例においては、測
定の感度は非常に高められており、最終的には
0.1μｍのオーダの分解能を達成できた。 従来のように測定対象物上の微小スポツトから
の光を略平行光線に変換して直線内部反射させる
のと異なり、本実施例においては、微小スポツト
の像を対物レンズで生成し、その像からの光をリ
レーレンズで略平行光線として、その光線を平板
ガラスの中を繰返し内部反射させる構成としたの
で、高精度の大きな臨界角プリズムを用いること
なく、臨界角近傍で入射する光の反射率の変化を
利用した測定が可能となる。従つて、光学部品の
価格を安くすることができ、プリズム製作時に屈
折率を正確に測定する必要もなくなる。又、長い
平板ガラスを用いているため、繰返し反射の回数
が従来よりも桁違いに多くなり、微小スポツトの
少しの位置の変化でも位置感知検出器上の光量分
布は大きく変化するので、光学系における感度が
一層高まり、分解能をより細かくすることができ
る。更に、平板ガラスの傾斜角の微調整は容易で
あるため、平板ガラスの屈折率に応じて、例えば
実験的に自由に微調整いて最適な角度を選ぶこと
ができ、調整が容易である。 なお、光伝達部材の種類は平板ガラスに限定さ
れず、臨界角プリズムを用いても良い。 なお、前記実施例においては、照明手段１６を
レーザダイオード１２と集光レンズ１４との組み
合せで構成していたが、照明手段１６の構成はこ
れに限定されず、高出力の可視域発光ダイオード
やHe−Neレーザを用いた構成も可能である。
又、集光レンズ１４の代りに対物レンズ３４を兼
用する構成も考えられる。更に、照明手段１６を
複数個設けて、測定対象物１０の傾きに応じて切
替える構成も考えられる。 又、前記実施例においては、位置感知検出器６
６ａ，６６ｂとして、光量分布の中心を測定でき
る横効果フオトダイオードを用いていたが、位置
感知検出器の構成もこれに限定されず、光量分布
をそのまま測定できるCCDタイプやMOSタイプ
のラインセンサを使用することもできる。 更に、前記実施例においては、偏光ビームスプ
リツタ３８と粗目の位置感知検出器６６ｂを設け
ていたが、位置感知検出器６６ａにおける分解能
がそれほど細かくなくてもよい場合には、偏光ビ
ームスプリツタ３８と粗目の位置感知検出器６６
ｂを省略することができる。この場合、偏光ビー
ムスプリツタ３８の代りに、単なる偏光板を設け
て、Ｐ偏光成分だけを窓板６２に伝える構成も考
えられる。 又、前記対物レンズ３４の倍率は、５倍程度を
越えるとスペツクルパターン（speckle pattern）
を検出し易くなるため、５倍程度以下とすること
が望ましいが、出力信号に電気的なフイルタリン
グを行う方法と組み合わせれば、５倍以上でも充
分可能である。 次に、本発明の応用例として、本発明に係る形
状測定用光プローブを三次元測定機に備えたシス
テムの例を第６図を参照して説明する。 このシステムは、三次元測定機９０の載物台１
０１に測定対象物１０を載置し、Ｚ軸のスピンド
ル１０２の先端に本発明に係る光プローブ９２を
係合して、測定対象物１０の形状を非接触で測定
しようとするものである。 三次元測定機９０の各軸には、図示されない位
置測定トランスデユーサが組み込まれ、測定対象
物１０と光プローブ９２との相対移動量は、カウ
ンタ１１０，１１１，１１２で計数され、測定ユ
ニツト１１３で演算処理が施される。 又、制御ユニツト１１４からは、ドライバ１１
５，１１６，１１７を通して、図示されない駆動
モータの駆動信号が出力されるため、全自動で測
定が行われる。制御ユニツト１１４から光プロー
ブ９２に対しては、プローブ電源１２０を介して
電源が供給されており、光プローブ９２からは、
第２図の位置感知検出器６６ａの出力として、光
量分布の中心の移動量ΔZ１が、Ｚ１レジスタ１
２１に出力されている。又、粗目の位置感知検出
器６６ｂの出力として、像の移動量ΔZ２がＺ２
レジスタ１２２に出力されている。 測定開始にあたり、まずＺ２レジスタ１２２の
値がほぼ零になるように、Ｚ軸のスピンドル１０
２を上下させて位置を決める。次いで、Ｚ１レジ
スタ１２１の値が予め定められた許容値に収まる
ように、Ｚ軸のスピンドル１０２を微調整して、
測定ユニツト１１３でのデータ取り込みを開始す
る。 この後はスライダ１０３をＸ軸方向に移動させ
ながら、Ｚ１レジスタ１２１の値が許容値に収ま
るようにＺ軸のスピンドル１０２を上下させてい
く。同様にコラム１０４をＹ軸方向に移動させる
ことによつて、測定対象物１０の全上面を走査で
き、それぞれの（Ｘ，Ｙ）座標に対してＺ座標の
値が求まるため、形状測定ができることになる。
又、形状に段差があつてＺ１レジスタ１２１の値
がオーバーフローしたような場合は、Ｚ２レジス
タ１２２の値を零に近付けるようにＺ軸のスピン
ドル１０２を調整することによつて、大まかな位
置決めを行い、次いでＺ１レジスタ１２１の値を
用いることによつて、効率的な測定が実行され
る。 これまで本発明の光プローブは三次元測定機へ
の応用という観点から述べてきたが、非接触で高
分解能な形状測定ができるという特徴を活かし
て、他の測定機のプローブとしても使用すること
ができる。例えば真円度測定機のプローブとして
用いた場合には、非接触であるため測定対象物に
傷が付かない、材質が軟かいものでも適用できる
という特徴がある。又、金属の箔片の厚さやコー
テングされた物質の厚さ等の測定機のプローブと
しても使用できる可能性がある。
以上説明した通り、本発明によれば、光学系に
おける感度が充分に高く、電気的ノイズが混入し
にくいので、電気的な増幅を大きくしなくても細
かい分解能を得ることができるという優れた効果
を有する。
おける感度が充分に高く、電気的ノイズが混入し
にくいので、電気的な増幅を大きくしなくても細
かい分解能を得ることができるという優れた効果
を有する。
第１図は、本発明に係る形状測定用光プローブ
の実施例の内部構造を示す断面図、第２図は、前
記実施例の光プローブ内での光線の伝播状態を説
明するための線図、第３図は、第２図の平板ガラ
ス中の光線の伝播状態を拡大して示す線図、第４
図は、光線の反射と屈折を説明する原理図、第５
図は、入射角に対する反射率の変化を示す線図、
第６図は、本発明に係る形状測定用光プローブを
三次元測定機に応用した例を示す、一部ブロツク
線図を含む正面図である。 １０……測定対象物、１６……照射手段、１８
……光の微小スポツト、２０ａ……像、３４……
対物レンズ、３８……偏光ビームスプリツタ、４
０……Ｐ偏光成分、５４……リレーレンズ、５６
……入射プリズム、５８……平板ガラス、６０…
…射出プリズム、６２……窓板、α……傾斜角、
６６ａ……位置感知検出器、９２……光プロー
ブ。
の実施例の内部構造を示す断面図、第２図は、前
記実施例の光プローブ内での光線の伝播状態を説
明するための線図、第３図は、第２図の平板ガラ
ス中の光線の伝播状態を拡大して示す線図、第４
図は、光線の反射と屈折を説明する原理図、第５
図は、入射角に対する反射率の変化を示す線図、
第６図は、本発明に係る形状測定用光プローブを
三次元測定機に応用した例を示す、一部ブロツク
線図を含む正面図である。 １０……測定対象物、１６……照射手段、１８
……光の微小スポツト、２０ａ……像、３４……
対物レンズ、３８……偏光ビームスプリツタ、４
０……Ｐ偏光成分、５４……リレーレンズ、５６
……入射プリズム、５８……平板ガラス、６０…
…射出プリズム、６２……窓板、α……傾斜角、
６６ａ……位置感知検出器、９２……光プロー
ブ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 測定対象物に光の微小スポツトを照射する照
明手段と、 前記微小スポツトからの光を集めて略平行光線
化する対物レンズと、 該対物レンズから出た略平行光線を内部反射で
伝えると共に、該平行光線が臨界角近傍で入射さ
れるように設定された光伝達部材と、 該光伝達部材の入射面内にあるＰ偏光成分の光
を主に通過させ、該光伝達部材に入射させる偏光
選択手段と、 前記光伝達部材からの光を受光して電気信号に
変換する光電変換素子と、 を含む形状測定用光プローブ。 ２ 前記光伝達部材が臨界角プリズムである特許
請求の範囲第１項記載の形状測定用光プローブ。 ３ 前記光伝達部材が、一定の傾斜角で支持さ
れ、光が内部反射で伝わる平板ガラスを含んで構
成されている特許請求の範囲第１項記載の形状測
定用光プローブ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US909926 | 1986-09-22 | ||
| US06/909,926 US4743770A (en) | 1986-09-22 | 1986-09-22 | Profile-measuring light probe using a change in reflection factor in the proximity of a critical angle of light |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6379004A JPS6379004A (ja) | 1988-04-09 |
| JPH0511883B2 true JPH0511883B2 (ja) | 1993-02-16 |
Family
ID=25428055
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62009769A Granted JPS6379003A (ja) | 1986-09-22 | 1987-01-19 | 形状測定用光プロ−ブ |
| JP62009770A Granted JPS6379004A (ja) | 1986-09-22 | 1987-01-19 | 形状測定用光プロ−ブ |
Family Applications Before (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62009769A Granted JPS6379003A (ja) | 1986-09-22 | 1987-01-19 | 形状測定用光プロ−ブ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4743770A (ja) |
| JP (2) | JPS6379003A (ja) |
Families Citing this family (105)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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