JPH06105173B2 - 非接触表面形状測定装置 - Google Patents

非接触表面形状測定装置

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JPH06105173B2
JPH06105173B2 JP63161156A JP16115688A JPH06105173B2 JP H06105173 B2 JPH06105173 B2 JP H06105173B2 JP 63161156 A JP63161156 A JP 63161156A JP 16115688 A JP16115688 A JP 16115688A JP H06105173 B2 JPH06105173 B2 JP H06105173B2
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
この発明は非接触で被測定物の表面形状を測定する装置
の改良に関する。
【従来の技術】
従来、第6図に示されるように、レーザダイオード等の
光源1から光ビーム2をビームスプリツタ3及び対物レ
ンズ4を介して被測定物5での被測定表面5Aに、これと
略直交する方向に投射し、該被測定表面5Aで散乱反射さ
れた反射光を、再度対物レンズ4、ビームスプリツタ3
を経て、該ビームスプリツタ3の反射面3Aにより、直角
に反射させ、プリズム6を介して、受光素子8に入射さ
せるようにした表面形状測定装置がある。 前記受光素子8はホトダイオード等からなる内側素子8A
及びその外側に隣接する外側素子8Bとから構成され、こ
れら内側素子8A及び外側素子8Bの出力は、比較器9を経
て、検出器(図示省略)に入力されるようになつてい
る。 ここで、前記内側素子8A及び外側素子8Bの出力は、前記
被測定表面5Aの凹凸により、光源1からの距離に変化が
生じると、これに対応して増減し、両者の出力の差に基
づいて、被測定表面5Aの光源1からの距離、即ち表面形
状を測定することができる。
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の表面形状測定装置は、その光学系の配置がT
字型となるために、装置容積が大きくなり、且つ部品点
数が多いという問題点がある。 更に、ビームスプリツタ3を用いているため、光量損が
大きいという問題点もある。 これに対して、前記ビームスプリツタ3をフーコーのプ
リズムと称される偏光器にして、光量損を低減させるこ
とも考えられるが、この場合は、直線偏光を投光しなけ
ればならず、測定結果に癖が出やすく、又、この対策と
して、波長板で円偏光に戻す場合は新たな光量損が発生
するという問題点がある。 又、対物レンズの光軸の傾き、被測定表面の傾斜及び形
状のバラツキがあると正確な測定ができないという問題
があつた。
【発明の目的】
この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであ
つて、小型、軽量、且つ低コストで製造することがで
き、更に、ビームスプリツタによる光の損失がなく、検
出可能範囲を広くすることができると共に光軸の傾き、
被測定表面の傾斜等があつても正確な測定をすることが
できる非接触表面形状測定装置を提供することを目的と
する。
【課題を解決するための手段】
この発明は、光ビームを射出する光源と、被測定物の被
測定表面に対向して配置され、該被測定表面と略直交す
る前記光ビームの光路上に光軸を備えた対物レンズと;
この対物レンズと前記光源の間に配置され、前記光軸を
中心とする該光軸近傍部であつて、前記光ビームが前記
光路を通つて前記被測定表面に直進し、且つ、該被測定
表面で反射されて形成された反射光が、前記光軸と略平
行に通過することを許容する中央部、及び、この中央部
の外側に隣接する少なくとも、相対向する2個所に配置
され、前記対物レンズ及び前記中央部を通つた反射光の
外側で前記反射光を集光させる断面三角形の複数の外側
部からなるプリズムと;各々が内側素子及びこの内側素
子の外側に隣接する外側素子からなり、これらの境界が
対応する前記外側部により前記反射光が集光される光ス
ポツトの位置近傍であつて、前記光軸を中心とし、且
つ、これに直交する平面上の同心円の接線方向となるよ
うに配置された、前記外側部と同数の受光素子と;この
受光素子上の、前記外側部による前記反射光の光スポツ
ト位置変化による前記内側素子及び外側素子の受光量変
化に基づく出力信号の変化により、前記被測定表面の前
記光軸方向の変位量を検出する検出器と;から非接触表
面形状測定装置を構成することにより上記目的を達成す
るものである。 又、この発明は、前記中央部を平行平面ガラスとして上
記目的を達成するものである。 更にこの発明は、前記中央部を空洞とすることにより上
記目的を達成するものである。
【作用】
この発明においては、光源から投射された光ビーム及び
この光ビームが被測定表面で反射された反射光、即ち、
投光系及び受光系を同一の中心光軸を共有して配置する
ことができ、従つて、測定装置全体を筒状に構成でき、
これによつて、装置の小型、軽量化、更には部品点数の
削減、製造コストの低減、を図ることができる。又、装
置全体をプローブ形状に構成できるので、利用範囲が増
大すると共に、被測定面の検出可能範囲が大きくなる。
更には、ビームスプリツタを用いていないので、ビーム
スプリツタによる光量損がなく、且つ、偏光器等を用い
る必要がない。 更に又、プリズムの外側部が相対向する少なくとも2個
所に設けられ、これに対応して各々内側素子と外側素子
からなる複数の受光素子が設けられているので、より正
確な測定ができると共に、光軸の傾き、被測定面の傾斜
等の影響を除くことができる。
【実施例】
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。 この実施例、第1図及び第2図に示されるように、光ビ
ーム10を射出するレーザーダイオード等の光源12と;被
測定物14の被測定表面14Aに対向して配置され、該被測
定表面14Aと略直交する前記光ビーム10の光路上に光軸1
1を備えた対物レンズ16と;この対物レンズ16と前記光
源12の間に配置され、前記光軸11を中心とする該光軸近
傍部であつて、前記光ビーム10が前記光路を通つて前記
被測定表面14Aに直進し、且つ、該被測定表面14Aで反射
されて形成された反射光が、前記光軸11と略平行に通過
することを許容する中央部18、及び、この中央部18の外
側に隣接し、前記対物レンズ16及び前記中央部18を通つ
た反射光の外側で前記反射光を集光させる断面三角形の
外側部20からなるプリズム22と;内側素子24A及びこの
内側素子24Aの外側に隣接する外側素子24Bからなり、こ
れらの境界24Cが前記外側部20による前記反射光が集光
される光スポツト位置近傍にあるように配置された2個
の受光素子26A、26Bと;前記内側素子24A及び外側素子2
4Bの受光量変化に基づく出力信号の変化により、前記被
測定表面14Aの前記光軸11方向の変位量を検出する検出
器28と;から非接触表面形状測定装置を構成したもので
ある。 前記プリズム22における中央部18は、第1図に示される
ように、平行平面ガラス状に構成されている。 又、対物レンズ16は、光源12から、中央部18を経て入射
された平行光線を、光軸11と被測定表面14Aとの交点に
屈折させ、更に、該交点から散乱反射された反射光を、
平行光線としてプリズム22方向に屈折させるように、そ
の焦点距離が選択されている。 上記受光素子26A、26Bはともに前記対物レンズ16の光軸
側、即ち内側に配置された内側素子24Aとこれに隣接し
て外側に配置された外側素子24Bとからなり、これらの
境界24Cは光軸11を中心とし、且つこれを直交する平面
上の同心円の接線方向となるようにされている。 又、前記プリズム22における外側部20は、光軸11から見
て外側が先細りとなる断面三角形状に形成されていて、
対物レンズ16を通つて、光軸11と平行光線とされた反射
光が、該光軸11を斜めに横切り、反対側に集光するよう
に、反射光を屈折させる構成となつている。 上記第1図及び第2図に示される実施例によれば、例え
ば、対物レンズ16に対して被測定表面14Aの距離Dが図
の状態から増大すると、外側部20による光スポツトは内
側、即ち光軸11方向に移動し、逆に、距離Dが減少する
と光スポツトは外側に移動する。 従つて、距離Dが増大したときは、受光素子26A、26Bそ
れぞれにおける内側素子24Aの受光量が増大し、又外側
素子24Bの受光量が減少する。逆に、距離Dが減少した
場合は、内側素子24Aの受光量が減少し、外側素子24Bの
受光量が増大する。 これら内側素子24A、24Bの出力は、比較器30を経て検出
回路28Aに入力され、内側素子24A、外側素子24Bそれぞ
れの出力信号の差に基づいて、距離Dの位置が求められ
る。 これによつて、被測定物14の被測定表面14Aの形状が把
握されることになる。 この実施例においては、光軸11の両側に受光素子26A、2
6Bが配置されているので、該光軸11の傾き、被測定表面
14Aの傾き、形状ムラ等の影響が受け難くなる。 なお、上記実施例において、プリズム22の外側部20は、
中央部18の両側にのみ配置されているが、これは、第3
図に示されるように、断面三角形状のプリズムからなる
4個の外側部32を中央部18の周囲に配置したプリズム22
Aとしてもよい。 この場合は、外側部32に合わせて4個の受光素子26A〜2
6Dを設ける。 この第3図の実施例の場合は、前記第1実施例と比較し
て、更に、被測定表面14Aの傾斜、形状のバラツキ、あ
るいは光軸の傾き等の影響が受け難く、正確な測定がで
きる。 更に又、第4図(A)に示されるように、円形の中央部
34の外側を断面三角形状のプリズムである環状の外側部
36で囲むように配置し、プリズム22Bを構成してもよ
い。 この場合は、同心輪状の内側素子27A及び外側素子27Bを
境界27Cを間に配置して構成される輪状の受光素子27を
設けるのが最もよい。又、第4図(B)に示されるよう
に、中央部34の周囲に例えば6個の受光素子26A〜26Fを
等角度間隔で配置するようにしてもよい。 なお上記実施例において、受光素子26A〜26Fは、各々が
内側素子24A及びこれに隣接する外側素子24Bから構成さ
れたものであるが、本発明はこれに限定されるものでな
く、受光素子がプリズムにおける外側部による反射光線
の光スポットの位置を検出できるものであればよい。 従つて、例えば、検出器として、シリコンフオトダオー
ド等を利用した光半導体位置検出器(PSD)等を用いる
ものであつてもよい。 次に、第5図に示される本発明の第4実施例につき説明
する。 この第4実施例は、外側部21の間の中央部19が空洞とさ
れたプリズム23を設け、前記光源12を、前記光軸11上で
あつて、一対のプリズム23の交叉する光路の内側の位置
に配置したものである。第5図の符号36はレンズを示
す。 この実施例の場合、光軸11を中心とした該光軸11近傍部
である中央部19が空洞とされているので、光量損失が少
なく、又、ビームスプリツタを用いていないので、光量
損失が少なく、製造コストを低減させることができ、い
わゆるフーコー法を利用した散乱光検出方式の自動焦点
装置、レーダーデイスク、コンパクトデイスクプレーヤ
ー等におけるピツクアツプ、変位計に応用することがで
きる。又、外乱光を遮ることができるので、受光素子に
よつて得られる信号のSN比を向上させることができる。
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、投光系及び受光系
を同一の光軸周りに配置して、装置全体を筒状に構成で
き、装置の小型軽量化、部品点数の削減、製造コストの
低減を図ることができると共に、ビームスプリツタによ
る光の損失を解消し、且つ検出可能範囲を拡大すること
ができ、又、各々が内側素子と外側素子からなる複数の
受光素子により正確な測定ができると共に、光軸の傾
き、被測定面の傾斜あるいは形状のバラツキによる影響
を除くことができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る非接触表面形状測定装置の実施例
を示す断面図、第2図は同実施例におけるプリズムを示
す平面図、第3図は本発明の第2実施例に係る非接触表
面形状測定装置におけるプリズムを示す平面図、第4図
は同第3実施例におけるプリズムを示す平面図、第5図
は本発明の第4実施例に係る非接触表面形状測定装置を
示す断面図、第6図は従来の非接触表面形状測定装置を
示す断面図である。 10……光ビーム、10A……光路、 10B……交点、11……光軸、 12……光源、14……被測定物、 14A……被測定物表面、16……対物レンズ、 18、19、34……中央部、 20、21、32、36……外側部、 22、22A、22B、23……プリズム、 24A、27A……内側素子、24B、27B……外側素子、 24C、27C……境界、26A〜26F、27……受光素子 28……検出器。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光ビームを射出する光源と、被測定物の被
    測定表面に対向して配置され、該被測定表面と略直交す
    る前記光ビームの光路上に光軸を備えた対物レンズと;
    この対物レンズと前記光源の間に配置され、前記光軸を
    中心とする該光軸近傍部であつて、前記光ビームが前記
    光路を通つて前記被測定表面に直進し、且つ、該被測定
    表面で反射されて形成された反射光が、前記光軸と略平
    行に通過することを許容する中央部、及び、この中央部
    の外側に隣接する少なくとも、相対向する2個所に配置
    され、前記対物レンズ及び前記中央部を通つた反射光の
    外側で前記反射光を集光させる断面三角形の複数の外側
    部からなるプリズムと;各々が内側素子及びこの内側素
    子の外側に隣接する外側素子からなり、これらの境界が
    対応する前記外側部により前記反射光が集光される光ス
    ポツトの位置近傍であつて、前記光軸を中心とし、且
    つ、これに直交する平面上の同心円の接線方向となるよ
    うに配置された、前記外側部と同数の受光素子と;この
    受光素子上の、前記外側部による前記反射光の光スポツ
    ト位置変化による前記内側素子及び外側素子の受光量変
    化に基づく出力信号の変化により、前記被測定表面の前
    記光軸方向の変位量を検出する検出器と;を有してなる
    非接触表面形状測定装置。
  2. 【請求項2】前記中央部は平行平面ガラスとされた請求
    項1の非接触表面形状測定装置。
  3. 【請求項3】前記中央部は空洞とされた請求項1の非接
    触表面形状測定装置。
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