JPH05215526A - 表面形状測定装置 - Google Patents

表面形状測定装置

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JPH05215526A
JPH05215526A JP2127692A JP2127692A JPH05215526A JP H05215526 A JPH05215526 A JP H05215526A JP 2127692 A JP2127692 A JP 2127692A JP 2127692 A JP2127692 A JP 2127692A JP H05215526 A JPH05215526 A JP H05215526A
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JP
Japan
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light
reflecting mirror
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mirror
target
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JP2127692A
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English (en)
Inventor
Satoru Takahashi
悟 高橋
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Hitachi Ltd
Akita Electronics Systems Co Ltd
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Hitachi Ltd
Akita Electronics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 一次元的な表面変位を小型の装置で高速・高
精度に測定する。 【構成】 半導体レーザ1とコリメートレンズ3によっ
て作られたレーザービーム7を直角プリズム4のピンホ
ール5を通して回転平面鏡6に送り投下光13となし、
この投下光13を主レンズ11,スリット付反射鏡15
のスリット17を通してターゲット12の表面に垂直に
投下する。反射光21(戻り光22)を反射鏡20で受
けて前記スリット付反射鏡15の戻り光用反射鏡16に
送り、投下光13の光路を逆に戻して主レンズ11,回
転平面鏡,直角プリズムに送り、位置検出素子(PS
D)30に到達させる。PSDではターゲットの表面変
位によって像点が移動するため、これを検出して一次元
的な表面変位を測定する。投光・集光用レンズの共用に
より高精度,小型化が達成でき、回転平面鏡により高速
化が達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一次元走査型表面形状測
定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】表面検査技術としては、たとえば、オプ
トロニクス社発行「オプトロニクス」1985年11月
号、11月10日発行、P77〜P82に記載されてい
るように、機械的接触式あるいは光学的非接触式とがあ
る。また、光学的非接触式表面形状測定装置において
も、測定機構としては、(1)メカニカル移動方式、
(2)光切断方式とがある。前者のメカニカル移動方式
はスポット測定の表面変位計を用いて、センサヘッドも
しくはターゲットを一次元的にメカニカルに移動させて
一次元的な表面変位を測定する方式である。また、後者
の光切断方式は、スリット状の光をターゲットに投下
し、その反射光をCCDエリアセンサ上に結像させ、一
次元形状を測定する方式である。このような技術につい
ては、たとえば、日経BP社発行「日経メカニカル」1
979年8月6日号、P73〜P80「レーザ光で表面
粗さを加工中に測定」に、また、オーム社発行「東芝レ
ビュー」1989年5月号、平成元年5月1日発行、P
413〜P416に記載されている。なお、後者の文献
には、レーザ管から発行されたレーザ光を、コリメー
ト,ポリゴンミラー,反射鏡,放物柱面鏡を介して検査
対象に導き、その反射光をレシーバで受ける検出ヘッド
光学系が開示されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来のメカニカル移動
方式表面形状測定装置は、測定に多くの時間を要すると
ともに、システムが大型化する。また、前記光切断方式
表面形状測定装置は、CCDエリアセンサの分解能が低
いために高い測定精度を得にくい。そこで、本発明者は
高速・高精度な一次元表面形状測定を、小型なシステム
で実現すべく本発明を成した。
【0004】本発明の目的は、高精度測定が高速で行え
る表面形状測定装置を提供することにある。
【0005】本発明の他の目的は、小型でかつコスト低
減が可能な表面形状測定装置を提供することにある。本
発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろ
う。
【0006】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明の表面形状測定装置にあって
は、光源から発光されたレーザ光は、コリメートレン
ズ,直角プリズムのピンホールを通って回転鏡(回転平
面鏡)によって方向を変えられて主レンズに到る構造と
なっている。また、前記回転鏡は回転制御されることか
らレーザ光(レーザービーム)は、一次元的に振らされ
て走査用投下光(レーザビーム)となる。また、前記主
レンズは前記投下光のターゲット表面での反射点が焦点
位置になるように配置される。また、投下光をターゲッ
トに対して垂直に投下するようになっている。また、こ
の装置には、スリット付反射鏡が前記ターゲットと回転
鏡との間に配設されている。前記投下光は前記スリット
を通ってターゲット表面に到達しかつ反射する。前記戻
り光用反射鏡は投下光受光面に設けられ、かつ投下光の
光軸に対して傾斜している。一方、前記ターゲットの斜
め上方には反射鏡が配設されている。この反射鏡は前記
ターゲット表面での反射光を前記戻り光用反射鏡に送る
構造となっているが、戻り光用反射鏡に到った戻り光が
前記投下光の光路に沿って逆に戻るように設定されてい
る。さらに、前記回転鏡で反射された戻り光は、前記回
転鏡とコリメートレンズとの間の光路に設けられた直角
プリズムによって光路を変えられて位置検出素子(PS
D)に至る。この位置検出素子では、前記ターゲットの
表面変位によって位置検出素子上の像点が移動すること
を検出して、ターゲットの表面変位を一次元的に測定す
るようになっている。
【0007】
【作用】上記した手段によれば、本発明の表面形状測定
装置は、同一の主レンズを投光・受光レンズとして使用
し2つのレンズを使用しない構造となっていることか
ら、従来のように2つのレンズ間のアライメントが不要
となり、測定精度が高くなるとともに、レンズ共用化に
よって装置の小型化も達成できる。また、本発明の表面
形状測定装置にあっては、像点の位置検出に位置検出素
子(PSD)を用いていることから像の高分解能が可能
になり、高精度な測定ができる。さらに、本発明の表面
形状測定装置は、回転鏡を用いた光学系でレーザー光を
走査するため、高速走査が可能となるとともに、走査構
造小型化から装置全体の小型化が達成できる。
【0008】
【実施例】図1は本発明の一実施例による一次元走査型
表面形状測定装置の光学系の要部を示す模式的斜視図、
図2は同じく一次元走査型表面形状測定装置の光学系を
示す模式的斜視図である。本発明の表面形状測定装置
は、図2に示すように、光源としての半導体レーザ1か
らレーザ光2が発光され、そのレーザ光2はコリメート
レンズ3,直角プリズム4のピンホール5を通って回転
平面鏡(回転鏡)6に到達するようになっている。前記
コリメートレンズ3によって半導体レーザ1はレーザビ
ーム7となり、ピンホール5を通過する。前記回転平面
鏡6はモーター8によって回転制御される。回転平面鏡
6で方向を変えられたレーザビーム7は、図1に示すよ
うに、主レンズ11に導かれかつ前記モーター8による
回転制御によって一次元的に振らされる(走査)。前記
主レンズ11はターゲット12の上方に位置し、かつレ
ーザビーム7による投下光13がターゲット12の表面
で焦点を結ぶような位置に設定されている。また、この
主レンズ11は後述するが反射光(戻り光)の集光レン
ズとしても使用される。
【0009】一方、前記主レンズ11とターゲット12
間には、スリット付反射鏡15が配設されている。この
スリット付反射鏡15は前記投下光13が到達する受光
面が反射鏡となっている。この反射鏡は前記投下光13
の光軸に対して傾斜し、後述する反射光を受けて前記投
下光13の光路を遡るように反射させるような戻り光用
反射鏡16となっている。また、この戻り光用反射鏡1
6の表面には貫通するスリット17が設けられている。
このスリット17の延在方向は矢印で示すように走査方
向19となる。したがって、前記モーター8によって回
転平面鏡6が回転すると、投下光13はターゲット12
の表面を一次元的に走査することになる。また、前記タ
ーゲット12の斜め上方には反射鏡20が配設され、前
記ターゲット12の表面における投下光13の反射光2
1を受け、前記スリット付反射鏡15の戻り光用反射鏡
16に送り込むようになっている。また、前記反射鏡2
0は、スリット付反射鏡15の戻り光用反射鏡16に送
り込んだ戻り光22が、投下光13の光路に沿って主レ
ンズ11方向に逆戻りするように設定されている。前記
ターゲット12に投下される投下光13は、ターゲット
12に対して垂直に投下される。また、この場合、前記
反射鏡20は投下光13に対してたとえば30°の斜め
方向に設定されて反射光21を受けるようになってい
る。戻り光22は戻り光用反射鏡16で反射され主レン
ズ11を通って回転平面鏡6に戻る。また、この戻り光
22は直角プリズム4の表面で方向を変えられて検出素
子30に到達する。前記検出素子30としては、具体的
には位置検出素子(PSD)30が使用されている。
【0010】このような表面形状測定装置にあっては、
図示しない試料台上にターゲット12を載置固定する。
その後、半導体レーザ1からレーザ光2を発光させ、こ
のレーザ光をコリメートレンズ3で所望のレーザビーム
7となす。このレーザビーム7は直角プリズム4のピン
ホール5を通って回転平面鏡6に至り反射されて主レン
ズ11,スリット付反射鏡15のスリット17を通って
ターゲット12の表面に達する。そして、ターゲット1
2の表面で反射した反射光21は、反射鏡20によって
反射されて戻り光22となり、前記スリット付反射鏡1
5の戻り光用反射鏡16に送られる。戻り光22は、こ
の戻り光用反射鏡16で反射されて投下光13の光路を
逆に戻るように主レンズ11に進み回転平面鏡6に達す
る。回転平面鏡6で反射された戻り光22は、直角プリ
ズム4の表面で反射されて位置検出素子30に到達す
る。位置検出素子30では、ターゲット12の表面の像
を結ぶが、この像点はターゲット12の表面の変位によ
って移動する。したがって、回転平面鏡6を回転制御し
て投下光13をターゲット12の表面に沿って一次元的
に走査することによって、ターゲット12の凹凸等の表
面形状を一次元的に測定ができることになる。
【0011】
【発明の効果】(1)本発明の表面形状測定装置にあっ
ては、ターゲットにレーザビームを投下する投光レンズ
と、ターゲットからの反射光(戻り光)を集光する集光
レンズは1枚の主レンズで行う構造となっていることか
ら、従来のように2枚のレンズ、すなわち投光レンズと
集光レンズ間のアライメントが必要でなくなり、測定が
高精度化するという効果が得られる。
【0012】(2)上記(1)により、本発明の表面形
状測定装置は、レーザビームの投光,集光は1枚のレン
ズで行う構造となっているとともに、投光,集光の光軸
(光学系)が直角プリズムとスリット付反射鏡間で同一
(共用)であることから、投光,集光機構がコンパクト
となり、装置の小型化,低コスト化が達成できるという
効果が得られる。
【0013】(3)本発明の表面形状測定装置にあって
は、ターゲット表面に対して投下光を垂直に投下し、こ
の光軸に対して30°の斜め方向に設定された反射鏡で
反射光を受けることから、高精度な表面測定が達成でき
るという効果が得られる。
【0014】(4)本発明の表面形状測定装置にあって
は、像点の位置変化の検出に分解能が高い位置検出素子
(PSD)を用いていることから、高精度な表面測定が
達成できるという効果が得られる。
【0015】(5)本発明の表面形状測定装置にあって
は、レーザービームの走査には、回転鏡を用いた光学系
のみでおこなうことから、走査速度の高速化が達成でき
るという効果が得られる。
【0016】(6)上記(1)〜(5)により、本発明
によれば、高速・高精度測定が可能な小型で安価な一次
元走査型表面形状測定装置を提供することができるとい
う相乗効果が得られる。
【0017】以上本発明者によってなされた発明を実施
例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に
限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で
種々変更可能であることはいうまでもない、たとえば、
前記実施例では光源として半導体レーザを使用したが、
他のレーザ発生装置、たとえば気体レーザでもよい。ま
た、回転鏡は多面鏡でもよい。さらにPSDの代わりに
リニアイメージセンサを使用してもよい。
【0018】以上の説明では主として本発明者によって
なされた発明をその背景となった利用分野である表面形
状測定技術に適用した場合について説明したが、それに
限定されるものではなく、たとえば、表面粗さ測定技術
などに適用できる。本発明は少なくとも一次元的表面測
定技術には適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による表面形状測定装置の光
学系の要部を示す模式的斜視図である。
【図2】本発明の一実施例による表面形状測定装置の光
学系を示す模式的斜視図である。
【符号の説明】
1…半導体レーザ、2…レーザ光、3…コリメートレン
ズ、4…直角プリズム、5…ピンホール、6…回転平面
鏡、7…レーザビーム、8…モーター、11…主レン
ズ、12…ターゲット、13…投下光、15…スリット
付反射鏡、16…戻り光用反射鏡、17…スリット、2
0…反射鏡、21…反射光、22…戻り光、30…検出
素子(PSD,位置検出素子)。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザビームを回転鏡によって一次元的
    に振らすとともに、所望の光学系によって投下光となし
    てターゲット表面に投下し、かつ前記ターゲット表面で
    の反射光を所望の光学系によって検出素子に導いてター
    ゲット表面を測定する表面形状測定装置であって、前記
    投下光の焦点合わせおよび反射光の集光は同一の主レン
    ズによって行うように構成したことを特徴とする表面形
    状測定装置。
  2. 【請求項2】 レーザビームを回転鏡によって一次元的
    に振らすとともに、所望の光学系によって投下光となし
    てターゲット表面に投下し、かつ前記ターゲット表面で
    の反射光を所望の光学系によって検出素子に導いてター
    ゲット表面を測定する表面形状測定装置であって、前記
    ターゲット表面が投下光の焦点位置となるように配設さ
    れた主レンズと、前記主レンズとターゲット間に配置さ
    れるとともに投下光受光面が光軸に対して傾斜した戻り
    光用反射鏡となりかつこの戻り光用反射鏡面に投下光を
    通過させるスリットが設けられたスリット付反射鏡と、
    前記ターゲット表面での反射光を受け前記スリット付反
    射鏡の戻り光用反射鏡に反射光を送りかつ反射光が投下
    光の光路に沿って戻るように設定された反射鏡と、前記
    回転平面鏡からの戻り光をプリズムを介して受光する検
    出素子とからなる表面形状測定装置。
JP2127692A 1992-02-06 1992-02-06 表面形状測定装置 Pending JPH05215526A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100291978B1 (ko) * 1996-06-27 2001-09-17 가네꼬 히사시 적합연산장치
CN110207587A (zh) * 2019-06-10 2019-09-06 北京航天计量测试技术研究所 一种角锥棱镜光学顶点测量装置和测量方法
CN110567377A (zh) * 2019-06-10 2019-12-13 北京航天计量测试技术研究所 一种角锥棱镜长度标准杆长度测量装置及其测量方法
CN112326585A (zh) * 2020-10-28 2021-02-05 南京农业大学 一种用于快速检测草莓白粉病的红外光谱装置及检测方法

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