JPH0642944A - Surface-roughness measuring apparatus - Google Patents

Surface-roughness measuring apparatus

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JPH0642944A
JPH0642944A JP5862192A JP5862192A JPH0642944A JP H0642944 A JPH0642944 A JP H0642944A JP 5862192 A JP5862192 A JP 5862192A JP 5862192 A JP5862192 A JP 5862192A JP H0642944 A JPH0642944 A JP H0642944A
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JP
Japan
Prior art keywords
optical system
detection element
surface roughness
laser light
light source
Prior art date
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Pending
Application number
JP5862192A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoru Takahashi
悟 高橋
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Hitachi Ltd
Akita Electronics Systems Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Akita Electronics Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd, Akita Electronics Co Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP5862192A priority Critical patent/JPH0642944A/en
Publication of JPH0642944A publication Critical patent/JPH0642944A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a surface-roughness measuring apparatus wherein the roughness of a surface and the displacement of the surface can be measured simultaneously by using one laser light source. CONSTITUTION:A laser beam is generated by a semiconductor laser 1, the laser beam is condensed by a condensing lens 4 and projected perpendicularly onto the surface of an object 7 under test, reflected light 8 with reference to a projection from the condensing lens 4 is condensed by a condensing lens 10, and an image of the reflected light is formed on a position measuring element 12 for surface displacement detection. In addition, a positive reflection component from the surface of the object 7 under test is taken out by a mirror 3 which has been arranged and installed between the semiconductor laser 1 and the condensing lens 4, and the specular reflection component is photodetected by a phototransistor 14.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は物体の表面粗さを測定す
る技術、特に、物体の表面粗さと表面変位を同時に測定
するために用いて効果のある技術に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for measuring the surface roughness of an object, and more particularly to a technique effectively used for simultaneously measuring the surface roughness and the surface displacement of an object.

【0002】[0002]

【従来の技術】物体の表面状態を測定する場合、その測
定対称は多くあり、その代表的なものに、表面変位(凹
凸など)、表面粗さなどがある。いずれもレーザー光
源、光学系、及び受光素子との組み合わせによる測定装
置がある。例えば、表面変位を測定するに際しては、三
角測量の原理を応用した表面変位計が用いられ、また、
表面粗さの測定には光触針法を用いた表面粗さ測定装置
がある。
2. Description of the Related Art When measuring the surface condition of an object, there are many measurement symmetries, and typical ones are surface displacement (unevenness, etc.) and surface roughness. Each of them has a measuring device in combination with a laser light source, an optical system, and a light receiving element. For example, when measuring surface displacement, a surface displacement meter that applies the principle of triangulation is used.
For measuring the surface roughness, there is a surface roughness measuring device using a photo-contact method.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明者の検討によれ
ば、各々が単一の機能のみを有した測定装置によって表
面状態を測定する従来技術は、測定項目の種類数に応じ
た測定装置を必要とし、コストアップを招くと共に使い
勝手が悪いという問題がある。
According to the study by the present inventor, the conventional technique for measuring the surface state by the measuring devices each having only a single function is the measuring device according to the number of kinds of measuring items. However, there is a problem in that the cost is increased and the usability is poor.

【0004】なお、従来、非接触で表面粗さを測定する
方法として、投下光と反射光の干渉によって生じる干渉
縞を測定するものがある。しかし、数100μmの表面
変位と1μm以下の表面粗さとを1台の装置で同時に測
定する方法は考えられていなかった。
Conventionally, as a method of measuring the surface roughness in a non-contact manner, there is a method of measuring an interference fringe generated by the interference between the projected light and the reflected light. However, a method of simultaneously measuring a surface displacement of several 100 μm and a surface roughness of 1 μm or less with one device has not been considered.

【0005】そこで、本発明の目的は、1つのレーザー
光源を用いて表面粗さと表面変位の測定を同時に行うこ
とのできる技術を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a technique capable of simultaneously measuring surface roughness and surface displacement using one laser light source.

【0006】本発明の前記目的ならびにその他の目的と
新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らか
になるであろう。
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.

【0007】[0007]

【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、
以下の通りである。
Among the inventions disclosed in the present application, a brief description will be given to the outline of typical ones.
It is as follows.

【0008】すなわち、レーザー光を発生するレーザー
光源と、該光源からのレーザー光を集光して被測定物の
表面へ垂直に投光する第1の光学系と、該第1の光学系
からの投光に対する反射光を集光する第2の光学系と、
該第2の光学系の焦点位置に配設される表面変位検出用
の第1の検出素子と、前記レーザー光源と前記第1の光
学系との間に配設されて前記第1の光学系からの投光に
対する正反射成分を取り出す光学部材と、該光学部材か
らの正反射成分を受光する第2の検出素子とを設けるよ
うにしている。
That is, a laser light source for generating a laser beam, a first optical system for collecting the laser beam from the light source and projecting the laser beam perpendicularly to the surface of the object to be measured, and the first optical system A second optical system for collecting reflected light with respect to the projection of
A first detection element for detecting a surface displacement, which is arranged at a focus position of the second optical system, and the first optical system which is arranged between the laser light source and the first optical system. An optical member for taking out the specular reflection component with respect to the light projected from and the second detection element for receiving the specular reflection component from the optical member are provided.

【0009】[0009]

【作用】上記した手段によれば、被測定物に垂直に投光
したレーザービームに対し、或る角度で反射する反射光
は第2の光学系によって第1の検出素子上に結像され、
その像点変化から表面変位を測定することができ、ま
た、投光レーザービームに対し逆方向に進む正反射成分
は第1の光学系によって集光され、光学部材によって第
2の検出素子上に導かれ、この検出素子の出力と第1の
検出素子の出力との比に基づいて表面粗さの測定が可能
になる。したがって、表面変位と表面粗さを同時に測定
することができる。
According to the above-mentioned means, the reflected light reflected at a certain angle with respect to the laser beam projected perpendicularly to the object to be measured is imaged on the first detection element by the second optical system,
The surface displacement can be measured from the change of the image point, and the specular reflection component traveling in the opposite direction with respect to the projected laser beam is condensed by the first optical system, and is reflected on the second detection element by the optical member. Then, the surface roughness can be measured based on the ratio between the output of the detection element and the output of the first detection element. Therefore, the surface displacement and the surface roughness can be measured at the same time.

【0010】[0010]

【実施例】図1は本発明による表面測定装置の一実施例
を示す構成図である。
1 is a block diagram showing an embodiment of a surface measuring apparatus according to the present invention.

【0011】本実施例の表面測定装置において、レーザ
ー光源としての半導体レーザー1の出射光路上には、ピ
ンホール2(コリメートレンズ2からの光を狭い径で通
過させる為のもの)を備えたミラー3(光学部材)及び
集光レンズ4(第1の光学系)が順次配設されている。
この集光レンズ4の出光側には絞り5が配設され、絞ら
れた投光レーザービーム6が被測定物7上に投光され
る。
In the surface measuring apparatus of this embodiment, a mirror provided with a pinhole 2 (for passing the light from the collimator lens 2 with a narrow diameter) on the emission optical path of the semiconductor laser 1 as a laser light source. 3 (optical member) and a condenser lens 4 (first optical system) are sequentially arranged.
A diaphragm 5 is provided on the light exit side of the condenser lens 4, and a projected laser beam 6 that has been focused is projected onto an object to be measured 7.

【0012】この投光レーザービーム6に対し、両側に
同一の角度(θ)で反射光8,9が生じる。反射光8を
集光するために集光レンズ10(第2の光学系)が配設
され、また、反射光9を集光するために集光レンズ11
(第3の光学系)が配設されている。さらに、集光レン
ズ10の焦点位置には位置検出素子(PSD:Position
Sensitive Detector 、入射スポット光の位置に比例し
たアナログ信号を出力する半導体光センサ)12(第1
の検出素子)が配設され、同様に集光レンズ11の焦点
位置には位置検出素子13(第3の検出素子)が配設さ
れている。また、ミラー3の出射光路上には、集光レン
ズ11で集光した正反射光成分が導かれ、集光レンズ4
の焦点位置にフォトトランジスタ14(第2の検出素
子)が配設されている。
Reflected lights 8 and 9 are generated on both sides of the projected laser beam 6 at the same angle (θ). A condenser lens 10 (second optical system) is arranged to collect the reflected light 8, and a condenser lens 11 is arranged to collect the reflected light 9.
(Third optical system) is provided. Further, a position detection element (PSD: Position) is provided at the focal position of the condenser lens 10.
Sensitive Detector, a semiconductor optical sensor that outputs an analog signal proportional to the position of the incident spot light) 12 (first
The detection element) is disposed, and similarly, the position detection element 13 (third detection element) is disposed at the focal position of the condenser lens 11. Further, the specularly reflected light component condensed by the condenser lens 11 is guided to the emission optical path of the mirror 3, and the condenser lens 4
The phototransistor 14 (second detection element) is disposed at the focal position of.

【0013】次に、以上の構成による実施例の動作につ
いて説明する。
Next, the operation of the embodiment having the above configuration will be described.

【0014】半導体レーザー1より発するレーザービー
ムは、ピンホール2で絞られた後、ミラー3を介して集
光レンズ4に到達し、この集光レンズ4によって集光さ
れ、絞り5を介して被測定物7の表面へ垂直に投光され
る。この投光に対し、角度θ(ここでは、θ=30°)
で反射光8,9が生じる。同時に、垂直方向へ木の葉形
に反射光強度分布15が生じ、投光光軸上に向かって正
反射光が生じる。この正反射成分(I0 )は集光レンズ
4によって集光され、ミラー3で直角方向へ反射のの
ち、フォトトランジスタ14に到達する。
The laser beam emitted from the semiconductor laser 1 is focused by the pinhole 2, then reaches the condenser lens 4 via the mirror 3, is condensed by the condenser lens 4, and is focused by the diaphragm 5. The light is projected vertically onto the surface of the measurement object 7. The angle θ with respect to this light projection (here, θ = 30 °)
The reflected lights 8 and 9 are generated. At the same time, the reflected light intensity distribution 15 is generated in a leaf shape in the vertical direction, and specularly reflected light is generated toward the projection optical axis. This specular reflection component (I 0 ) is condensed by the condenser lens 4, reflected by the mirror 3 in the direction at right angles, and then reaches the phototransistor 14.

【0015】一方、反射光8は集光レンズ10によって
集光され、位置検出素子12上に結像する。同時に、反
射光9は集光レンズ11によって集光され、位置検出素
子13上に結像する。位置検出素子12,13において
は、被測定物7上の反射点の上下方向に変化があると、
これに応じて位置検出素子上の像点が移動し、この移動
量から三角測量の原理に従って表面変位を測定すること
ができる。
On the other hand, the reflected light 8 is condensed by the condenser lens 10 and forms an image on the position detecting element 12. At the same time, the reflected light 9 is condensed by the condenser lens 11 and forms an image on the position detection element 13. In the position detecting elements 12 and 13, if there is a change in the vertical direction of the reflection point on the DUT 7,
In response to this, the image point on the position detecting element moves, and the surface displacement can be measured from this moving amount according to the principle of triangulation.

【0016】表面変位の測定は、位置検出素子13によ
っても求めることができる。すなわち、反射光9は集光
レンズ11によって集光され、位置検出素子13上に結
像される。この像点の移動から表面変位が測定される。
このように、反射光を2系統により変位を検出すること
で、被測定物7に大きな凹凸(または急峻な凹凸)があ
って集光レンズまで反射光が到達しない場合(すなわち
死角が発生している場合)でも、測定不能を生じること
がない。
The surface displacement can also be measured by the position detecting element 13. That is, the reflected light 9 is condensed by the condenser lens 11 and imaged on the position detection element 13. The surface displacement is measured from the movement of this image point.
In this way, when the displacement of the reflected light is detected by the two systems, there is a large unevenness (or steep unevenness) on the DUT 7 and the reflected light does not reach the condenser lens (that is, a blind spot occurs. Even if) exists, no measurement failure will occur.

【0017】さらに、フォトトランジスタ14に入光し
た正反射成分I0 と位置検出素子12(または位置検出
素子13)に入光した乱反射成分I30との反射強度比
(I0/I30)に基づいて表面粗さRaを求めることがで
きる。反射強度比と表面粗さRaの関係は図2の如く
(ここでは、θ=30°の場合を示している)であり、
反射強度比が求められれば一義的に表面粗さRaを得る
ことができる。
Furthermore, the reflection intensity ratio (I 0 / I 30 ) between the specular reflection component I 0 incident on the phototransistor 14 and the irregular reflection component I 30 incident on the position detecting element 12 (or the position detecting element 13) is determined. Based on this, the surface roughness Ra can be obtained. The relationship between the reflection intensity ratio and the surface roughness Ra is as shown in FIG. 2 (here, the case of θ = 30 ° is shown).
If the reflection intensity ratio is obtained, the surface roughness Ra can be uniquely obtained.

【0018】以上説明したように、この実施例によれ
ば、1つのレーザー光源と1つの反射点とにより、表面
変位(例えば、測定範囲約2mm)と表面粗さ(例え
ば、測定範囲Ra>0.1μm)の測定を同時に行うこと
ができる。
As described above, according to this embodiment, the surface displacement (for example, the measuring range of about 2 mm) and the surface roughness (for example, the measuring range Ra> 0) are obtained by one laser light source and one reflection point. .1 μm) can be measured at the same time.

【0019】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、本発明は前記実施例に
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言うまでもない。
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.

【0020】例えば、上記実施例では、レーザー光源と
して半導体レーザーを用いるものとしたが、これに代え
て気体レーザー(例えば、He−Ne)を用いるが可能
である。
For example, in the above-mentioned embodiment, the semiconductor laser is used as the laser light source, but a gas laser (for example, He-Ne) can be used instead.

【0021】また、上記実施例においては、ピンホール
付きのミラー3を用いるものとしたが、直角プリズムに
ピンホールを設けたものであってもよい。
In the above embodiment, the mirror 3 with a pinhole is used, but a right angle prism may be provided with a pinhole.

【0022】さらに、位置検出素子(PSD)に代え
て、入光部に絞りを設けたフォトトランジスタとしても
よい。この場合、表面変位の測定はできないが、表面粗
さの測定は可能になる。
Further, the position detecting element (PSD) may be replaced with a phototransistor having a diaphragm at the light entrance portion. In this case, the surface displacement cannot be measured, but the surface roughness can be measured.

【0023】[0023]

【発明の効果】本願において開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
下記の通りである。
The effects obtained by the typical ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
It is as follows.

【0024】すなわち、レーザー光を発生するレーザー
光源と、該光源からのレーザー光を集光して被測定物の
表面へ垂直に投光する第1の光学系と、該第1の光学系
からの投光に対する反射光を集光する第2の光学系と、
該第2の光学系の焦点位置に配設される表面変位検出用
の第1の検出素子と、前記レーザー光源と前記第1の光
学系との間に配設されて前記第1の光学系からの投光に
対する正反射成分を取り出す光学部材と、該光学部材か
らの正反射成分を受光する第2の検出素子とを設けるよ
うにしたので、1つのレーザー光源を用いて表面粗さと
表面変位の測定を同時に行うことができると共に、測定
装置のローコスト化及び小型化を図ることができる。
That is, a laser light source for generating a laser beam, a first optical system for converging the laser beam from the light source and projecting the laser beam perpendicularly to the surface of the object to be measured, and the first optical system A second optical system for collecting reflected light with respect to the projection of
A first detection element for detecting a surface displacement, which is arranged at a focus position of the second optical system, and the first optical system which is arranged between the laser light source and the first optical system. Since the optical member for extracting the specular reflection component with respect to the light projected from the light source and the second detection element for receiving the specular reflection component from the optical member are provided, the surface roughness and the surface displacement can be obtained by using one laser light source. Can be simultaneously measured, and the cost and size of the measuring device can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による表面測定装置の一実施例を示す構
成図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a surface measuring apparatus according to the present invention.

【図2】表面粗さと反射強度比の関係を示す特性図であ
る。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a relationship between surface roughness and a reflection intensity ratio.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 半導体レーザー 2 ピンホール 3 ミラー 4 集光レンズ 5 絞り 6 投光レーザービーム 7 被測定物 8,9 反射光 10,11 集光レンズ 12,13 位置検出素子 14 フォトトランジスタ 15 反射光強度分布 1 Semiconductor Laser 2 Pinhole 3 Mirror 4 Condenser Lens 5 Aperture 6 Projected Laser Beam 7 DUT 8, 9 Reflected Light 10, 11 Condenser Lens 12, 13 Position Detection Element 14 Phototransistor 15 Reflected Light Intensity Distribution

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 レーザー光を発生するレーザー光源と、
該光源からのレーザー光を集光して被測定物の表面へ垂
直に投光する第1の光学系と、該第1の光学系からの投
光に対する反射光を集光する第2の光学系と、該第2の
光学系の焦点位置に配設される表面変位検出用の第1の
検出素子と、前記レーザー光源と前記第1の光学系との
間に配設されて前記第1の光学系からの投光に対する正
反射成分を取り出す光学部材と、該光学部材からの正反
射成分を受光する第2の検出素子とを具備することを特
徴とする表面粗さ測定装置。
1. A laser light source for generating laser light,
A first optical system that collects laser light from the light source and projects the laser light perpendicularly to the surface of the object to be measured, and a second optical system that collects reflected light with respect to the light projected from the first optical system. A system, a first detection element for detecting a surface displacement provided at a focal position of the second optical system, and the first detection element provided between the laser light source and the first optical system. 2. An apparatus for measuring surface roughness, comprising: an optical member for extracting a specular reflection component with respect to the light projected from the optical system, and a second detection element for receiving the specular reflection component from the optical member.
【請求項2】 前記第2の光学系の光路と同一角度の光
路を有して前記被測定物からの反射光を集光する第3の
光学系と、該第3の光学系の焦点位置に配設される表面
変位検出用の第3の検出素子とを具備することを特徴と
する請求項1記載の表面粗さ測定装置。
2. A third optical system having an optical path at the same angle as the optical path of the second optical system and condensing reflected light from the object to be measured, and a focus position of the third optical system. The surface roughness measuring device according to claim 1, further comprising a third detection element for detecting a surface displacement, which is disposed in the.
【請求項3】 前記光学部材は、前記レーザー光源から
のレーザー光を通過させるピンホールを備えたミラーで
あることを特徴とする請求項1記載の表面粗さ測定装
置。
3. The surface roughness measuring device according to claim 1, wherein the optical member is a mirror having a pinhole through which laser light from the laser light source passes.
【請求項4】 前記第1,第3の検出素子は、位置検出
素子(PSD)であることを特徴とする請求項1記載の
表面粗さ測定装置。
4. The surface roughness measuring device according to claim 1, wherein the first and third detecting elements are position detecting elements (PSD).
【請求項5】 前記第2の検出素子は、フォトトランジ
スタであることを特徴とする請求項1記載の表面粗さ測
定装置。
5. The surface roughness measuring device according to claim 1, wherein the second detection element is a phototransistor.
JP5862192A 1992-03-17 1992-03-17 Surface-roughness measuring apparatus Pending JPH0642944A (en)

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