JPH05322560A - 変位計測装置 - Google Patents

変位計測装置

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JPH05322560A
JPH05322560A JP12348192A JP12348192A JPH05322560A JP H05322560 A JPH05322560 A JP H05322560A JP 12348192 A JP12348192 A JP 12348192A JP 12348192 A JP12348192 A JP 12348192A JP H05322560 A JPH05322560 A JP H05322560A
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JP
Japan
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light
light receiving
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lens
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Withdrawn
Application number
JP12348192A
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English (en)
Inventor
Shin Asano
伸 浅野
Takeshi Tsuno
武志 津野
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 被計測対象物で反射した反射光を、4分割受
光素子に導入し、4分割受光素子の出力を演算回路で処
理し、対物レンズと被計測対象物表面との相対的な変位
を計測する変位計測装置において、位置調整に伴う人為
的な誤差及び径年的な誤差を排除して精度の良い位置計
測を行うことを目的とする。 【構成】 4分割受光素子を支持機構により光軸と直交
する平面内で変位可能に支持し、4分割受光素子の四つ
に分割された受光面うち、対向するものの出力が等しく
なるように制御回路によりアクチュエータを制御して4
分割受光素子を光軸に対して垂直な平面内で直交する二
つの方向にそれぞれ変位させるようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、被計測対象物の変位量
を計測する変位計測装置に関し、具体的には、オートフ
ォーカス装置、変位計及び表面粗さ計等に適用されるも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来の変位計測装置の一例を図3に示
す。同図に示すように、光源201から出射した平行光
線束は、レンズ202、レンズ203を通過してビーム
径が拡大され、偏光ビームスプリッタ204に入射す
る。平行光線束の偏光方向は、偏光ビームスプリッタ2
04の透過偏光方向に合わせられているため、殆どの平
行光線束が偏光ビームスプリッタ204を通過する。偏
光ビームスプリッタ204を通過した平行光線束は、1
/4波長板205に入射し、ここで、偏光特性が直線偏
光から円偏光に変化する。
【0003】円偏光に変化した平行光線束は、対物レン
ズ206を通過して被計測対象物207の表面に絞りこ
まれ、その表面で反射する。反射した平行光線束は、再
び対物レンズ206を通過し、1/4波長板205に入
射し、ここで、偏光方向が円偏光から90°傾いた直線
偏光となり、偏光ビームスプリッタ204に入射する。
この直線偏光の偏光方向は、偏光ビームスプリッタ20
4の反射偏光方向と一致するため、この直線偏光は、偏
光ビームスプリッタ204を通過することなく、直角に
反射する。
【0004】その後、この直線偏光は、集光レンズ20
8、円筒面レンズ209を通過後、4分割受光素子21
0に入射する。この4分割受光素子210は、図4に示
すように、光電面が四つの受光面A,B,C,Dに分割
され、各受光面A,B,C,Dに入射した光量に応じた
出力電流IA1,IB1,IC1,ID1を演算回路211に出
力する。演算回路211は、出力電流IA1,IB1
C1,ID1に基づいて、以下に示すように出力信号F1
を演算する。 F1={(IA1+IB1)−(IC1+ID1)}/(IA1+IB1+IC1+ID1
【0005】ここで、図4に示すように、被計測対象物
207がδ1,δ2,δ3の各位置へ移動すると、この位
置に対して4分割受光素子210の各受光面A,B,
C,Dに入射する光線束の断面形状は、幾何光学の原理
に基づいて、横楕円から真円を経て縦楕円となる。従っ
て、被計測対象物207の変位量δを横軸に、出力信号
1を縦軸にとると、その出力特性曲線は図5に示すよ
うに変化する。この為、図5に示すように、出力信号F
1に対して被計測対象物207の変位量δが直線的に変
化する領域αを用いることにより、高精度に変位を計測
することが可能となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来の方法で、精度の
良い変位計測を行うためには、図3に示すように、4分
割受光素子210の中心線に対し、これに入射する直線
偏光である光線束の光軸を一致させる必要がある。も
し、これが一致しないと、図6に示すように、4分割受
光素子210の各光電面A〜Dに入射する光線束の断面
位置が偏ってしまい、図7に示すように出力特性が異常
となり、変位計測装置としての性能が劣化してしまう。
【0007】しかし、従来では、4分割受光素子210
の中心線に対して光線束の光軸を一致させるための光学
系の調整は、人間の感覚で行っているため、人為的な誤
差が生じていた。また、4分割受光素子210の保持治
具が径年的に変化するため、一旦、正確に調整したとし
ても、4分割受光素子210の中心線に対し、光線束の
光軸を充分な精度で維持させることは困難であった。本
発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、4
分割受光素子210の中心線に対してこれに入射する光
線束の光軸を常に一致させることのできる信頼性の高い
位置計測装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明の構成は光源と、偏光ビームスプリッタと1/4波
長板と対物レンズと集光レンズと円筒面レンズと有する
光学系と、4分割受光素子とを備え、該光源から出た光
を対物レンズに入射させた後、被計測対象物表面上へ照
射し、該表面で反射した反射光を対物レンズを介して、
1/4波長板と偏光ビームスプリッタと集光レンズと円
筒面レンズとに導き、4分割受光素子に導入し、該4分
割受光素子の出力を演算回路で処理し、対物レンズと、
被計測対象物表面との相対的な変位を計測する変位計測
装置において、上記4分割受光素子を光軸と直交する平
面内で変位可能に支持する支持機構と、該4分割受光素
子を光軸に対して垂直な平面内で直交する二つの方向に
それぞれ駆動させる二つのアクチュエータと、上記4分
割受光素子の四つに分割された受光面うち、対向するも
のの出力が等しくなるように上記アクチュエータを制御
する制御回路とを有することを特徴とする。
【0009】
【作用】4分割受光素子の中心軸と、この4分割受光素
子に入射する光線束の光軸とが一致するとき、4分割受
光素子の四つの受光面からの出力のうち、相互に向かい
合う受光面からの出力は等しくなり、その出力信号の差
は零となる。また、4分割受光素子の中心軸と、この4
分割受光素子に入射する光線束の光軸とが一致しないと
き、4分割受光素子の四つの受光面からの出力のうち、
相互に向かい合う受光面からの出力は異なり、その出力
信号の差は零とならない。従って、その出力信号の差を
採って、4分割受光素子を水平方向及び垂直方向へ駆動
するアクチュエータに制御信号として入力し、出力信号
が零となるように制御すれば、、4分割受光素子の中心
軸と、この4分割受光素子に入射する光線束の光軸とを
常に一致させることができる。
【0010】
【実施例】以下、本発明について、図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。図1に本発明の一実施例を示
す。同図に示すように、光源1から出射した平行光線束
は、レンズ2、レンズ3を通過してビーム径が拡大さ
れ、偏光ビームスプリッタ4に入射する。平行光線束の
偏光方向は、偏光ビームスプリッタ4の透過偏光方向に
合わせられているため、殆どの平行光線束が偏光ビーム
スプリッタ4を通過する。偏光ビームスプリッタ4を通
過した平行光線束は、1/4波長板5に入射し、ここ
で、偏光特性が直線偏光から円偏光に変化する。
【0011】円偏光に変化した平行光線束は、対物レン
ズ6を通過して被計測対象物7の表面に絞りこまれ、そ
の表面で反射する。反射した平行光線束は、再び対物レ
ンズ6を通過し、1/4波長板5に入射し、ここで、偏
光方向が円偏光から90°傾いた直線偏光となり、偏光
ビームスプリッタ4に入射する。この直線偏光の偏光方
向は、偏光ビームスプリッタ4の反射偏光方向と一致す
るため、この直線偏光は、偏光ビームスプリッタ4を通
過することなく、直角に反射する。
【0012】その後、この直線偏光は、集光レンズ8、
円筒面レンズ9を通過後、4分割受光素子10に入射す
る。この4分割受光素子10は、光電面が四つの受光面
A,B,C,Dに分割され、各受光面A,B,C,Dに
入射した光量に応じた出力電流IA,IB,IC,IDを演
算回路11及び制御回路12に出力する。4分割受光素
子10は、支持機構13により、入射する光線束の光軸
と垂直な平面内で変位可能に支持されており、更に、図
2に示すように4分割受光素子10を垂直方向及び水平
方向に駆動させるアクチュエータ14a,14bが支持
機構13に設けられている。
【0013】一方、演算回路11は、出力電流IA
B,IC,IDに基づいて、以下に示すように出力信号
Fを演算する。 F={(IA+IB)−(IC+ID)}/(IA+IB+IC+ID) また、制御回路12は、出力電流IA,IB,IC,ID
基づいて、以下に示すように出力信号Sv,Shを演算
し、アクチュエータ14a,14bへ制御信号として入
力する。 Sh=IA−IBv=IC−ID
【0014】アクチュエータ14a,14bは、制御信
号として入力された出力信号Sv,Shの値が0となるよ
うに、4分割受光素子10を垂直方向及び水平方向に駆
動させる。例えば、図6に示すように、出力電流IA
出力電流IBより大きい場合には、出力信号Shは0より
大きくなるが、この出力信号Shを0に近づけるために
4分割受光素子10を図中右方へ移動させる。同様に、
出力電流IDが出力電流ICより大きい場合には、出力信
号Svは0より小さくなるが、この出力信号Svを0に近
づけるために4分割受光素子10を図中下方へ移動させ
る。
【0015】この結果、出力信号Sv,Shは0となり、
4分割受光素子10に入射する直線偏光である光線束の
光軸と、4分割受光素子10の中心軸とが常に一致する
こととなる。このように、本実施例では、4分割受光素
子10と4分割受光素子10に入射する光線束とを一致
させる位置合わせを、人間の感覚に依る従来と異なり、
制御回路12によりアクチュエータ14a,15bを駆
動して機械的に行うため、人為的な誤差を排除すること
ができる。この為、図7に示すような異常な出力信号F
が得られることはない。
【0016】従って、本発明によれば、図5に示すよう
に演算回路11からの出力信号Fに対して被計測対象物
207の変位量δが直線的に変化する領域αを常時用い
ることにより、高精度に変位を計測することが可能とな
る。また、4分割受光素子10を支持する支持機構13
に経年的な変化が起こったとしても、制御回路12は、
出力信号Sv,Shは0となるように、自動的にその位置
ずれを補正できるので、信頼性の高い位置計測が可能と
なる。
【0017】尚、上記実施例は、連続直接描画装置のオ
ートフォーカス装置として使用されるものであるが、本
発明はこれに限るものではなく、相対的な変位を計測す
るものに対して広く適用することができるものである。
【0018】
【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明は4分割受光素子を支持機構により光
軸と直交する平面内で変位可能に支持し、4分割受光素
子の四つに分割された受光面うち、対向するものの出力
が等しくなるように制御回路によりアクチュエータを制
御して4分割受光素子を光軸に対して垂直な平面内で直
交する二つの方向にそれぞれ変位させるので、人為的な
誤差を排除して、4分割受光素子に入射する光線束の光
軸と、4分割受光素子の中心軸とを常に一致させること
ができ、信頼性の高い位置計測を行うことが可能とな
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る位置計測装置の構成図
である。
【図2】4分割受光素子を変位させる機構の概念図であ
る。
【図3】従来の位置計測装置の構成図である。
【図4】試料位置の変化に従って変化する4分割受光素
子の光電面上における入射光線束の断面形状を示す説明
図である。
【図5】4分割受光素子の中心軸と該4分割受光素子に
入射する光線束の光軸とが一致するときの出力特性曲線
の一例を示すグラフである。
【図6】4分割受光素子の中心軸と該4分割受光素子に
入射する光線束の光軸とが一致しないときの4分割受光
素子の光電面上における入射光線束の断面形状を示す説
明図である。
【図7】4分割受光素子の中心軸と該4分割受光素子に
入射する光線束の光軸とが一致しないときの出力特性曲
線の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
1,201 光源 2,3,202,202 レンズ 4,204 偏光ビームスプリッタ 5,205 1/4波長板 6,206 対物レンズ 7,207 被計測対象物 8,208 集光レンズ 9,209 非球面レンズ 10,210 4分割受光素子 11,211 演算回路 12 制御回路 13 支持機構 14a,14b アクチュエータ IA1,IB1,IC1,ID1 4分割受光素子からの出力電
流 IA,IB,IC,ID 4分割受光素子からの出力電流 Sv,Sh 制御回路からの出力信号 F 演算回路からの出力信号

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と、偏光ビームスプリッタと1/4
    波長板と対物レンズと集光レンズと円筒面レンズと有す
    る光学系と、4分割受光素子とを備え、該光源から出た
    光を対物レンズに入射させた後、被計測対象物表面上へ
    照射し、該表面で反射した反射光を対物レンズを介し
    て、1/4波長板と偏光ビームスプリッタと集光レンズ
    と円筒面レンズとに導き、4分割受光素子に導入し、該
    4分割受光素子の出力を演算回路で処理し、対物レンズ
    と、被計測対象物表面との相対的な変位を計測する変位
    計測装置において、上記4分割受光素子を光軸と直交す
    る平面内で変位可能に支持する支持機構と、該4分割受
    光素子を光軸に対して垂直な平面内で直交する二つの方
    向にそれぞれ駆動させる二つのアクチュエータと、上記
    4分割受光素子の四つに分割された受光面うち、対向す
    るものの出力が等しくなるように上記アクチュエータを
    制御する制御回路とを有することを特徴とする変位計測
    装置。
JP12348192A 1992-05-15 1992-05-15 変位計測装置 Withdrawn JPH05322560A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012002703A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Mori Seiki Co Ltd 変位検出装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012002703A (ja) * 2010-06-17 2012-01-05 Mori Seiki Co Ltd 変位検出装置
US8810807B2 (en) 2010-06-17 2014-08-19 Mori Seiki Co., Ltd. Displacement detecting device

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Effective date: 19990803