JPH0694415A

JPH0694415A - 光学的測定装置

Info

Publication number: JPH0694415A
Application number: JP24765992A
Authority: JP
Inventors: Taizo Toyama; 退三遠山
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1992-09-17
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1994-04-05

Abstract

(57)【要約】【目的】センサ部をコンパクト化するとともに測定制
御を容易にした光学的測定装置を提供する。【構成】光学系１０３を通して一方の光源１０１から
の光ビームが被測定物２に照射されているときに該被測
定物２により反射される光ビームをステアリングミラー
１０５を介して位置検出手段１０４に結像させ、位置検
出手段１０４の両端から取り出される信号レベルが平衡
するように制御手段１０６を動作させてステアリングミ
ラー１０５の反射角度を調整する。そして、一方の光源
１０１が停止して他方の光源１０２が駆動したときの光
ビームを被測定物２に照射し、該被測定物２により反射
される光ビームを角度調整されたステアリングミラー１
０５を通して位置検出手段１０４に結像させ、このとき
の位置信号と一方の光源による位置信号を演算手段１０
７に取り込んで演算することにより、被測定物２の形状
などを測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面形状な
どを半導体レーザなどの光源を用いて測定する光学的測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５により従来の光学的測定装置につい
て説明する。図５において、１は差動オートコリメーシ
ョンセンサ部、２は、このセンサ部１により形状測定さ
れる被測定物である。差動オートコリメーションセンサ
部１は、１個の半導体レーザ３と、この半導体レーザ３
から発生するレーザ光を２本の並行するレーザビームに
分離する方解石４と、方解石４から出射される２本のレ
ーザビームを被測定物２側へ反射するとともに被測定物
２で反射されたレーザビームを透過するビームスプリッ
タ５と、ビームスプリッタ５と被測定物２間に角度調整
可能に配置されたステアリングミラー６と、ビームスプ
リッタ５を透過するビームを集光する集光レンズ７と、
この集光レンズ７のビーム透過側に配置した偏光ビーム
スプリッタ８と、この偏光ビームスプリッタ８を透過す
る一方のビームａを検出する固定フォトセル９と、偏光
ビームスプリッタ８により反射される他方のビームｂを
検出する可動フォトセル１０とから構成される。

【０００３】固定フォトセル９は、図５に示すように半
円形の受光面を有するフォトダイオードを２つ組合わせ
たものからなり、このフォトセル９は、そのフォトダイ
オード９ａ，９ｂの境界である中央線が集光レンズ７の
光軸と直交する状態で固定される。（図５において、フ
ォトセル９は、説明の便宜上、前記中央線が集光レンズ
７の光軸と平行になるように描かれている。）また、可
動フォトセル１０は、固定フォトセル９と同様に、半円
形の受光面を有するフォトダイオード１０ａ，１０ｂを
組合わせたものからなり、可動フォトセル１０はフォト
ダイオード１０ａ，１０ｂの境界である中央線が集光レ
ンズ７の光軸と直交する状態に設けられ、このフォトセ
ル１０は、図略のサーボモータなどを含むサーボ機構に
より集光レンズ７の光軸と平行な方向に移動可能になっ
ている。（図５において、可動フォトセル１０も、フォ
トセル９と同様に、中央線が集光レンズ７の光軸と平行
になるように描かれている。）さらに、ステアリングミ
ラー６は、図示しないサーボモータなどを含むサーボ機
構により回転されるようになっている。

【０００４】上述のように構成された従来の光学的形状
測定装置において、半導体レーザ３から発生するレーザ
は方解石４により２本のレーザビームに分離され、ビー
ムスプリッタ５に入射する。ビームスプリッタ５に入射
された２本のレーザビームはビームスプリッタ５により
ステアリングミラー６へ反射され、このステアリングミ
ラー６を介して被測定物２に照射される。そして、被測
定物２の表面位置Ｐ１，Ｐ２で反射された、表面形状情
報を含む反射ビームＢ１，Ｂ２は、ステアリングミラー
６によりビームスプリッタ５へ反射される。このビーム
スプリッタ５を透過したビームＢ１およびＢ２は集光レ
ンズ７により集光された後、偏光ビームスプリッタ８に
より対応するフォトセル９または１０の受光面上に結像
される。

【０００５】ここで、ビームＢ１が固定フォトセル９上
に結像されると、フォトダイオード９ａ，９ｂの出力差
がゼロになるように不図示のサーボ機構を動作させてス
テアリングミラー６を図５の矢印方向に回転させる。す
なわち、ビームＢ１がフォトセル９の中央（フォトダイ
オード９ａ，９ｂの境界線）にくるようにステアリング
ミラー６の角度を制御する。

【０００６】次に、可動フォトセル１０のフォトダイオ
ード１０ａ，１０ｂの出力差がゼロになるように不図示
のサーボ機構を動作させて可動フォトセル１０を図５に
おいて矢印方向に移動させる。このとき、フォトセル１
０の移動距離は、位置Ｐ１における被測定物２の接線角
から位置Ｐ２における接線角を差し引いた値に相当す
る。すなわち、位置Ｐ１と位置Ｐ２との接線角の差は被
測定面形状の２次微分に相当するから、両接線角の差を
２回積分することにより、被測定物２の表面形状を測定
できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ような従来の光学的測定装置では、可動部がステアリン
グミラーと可動フォトセルの２箇所あるため、これらの
サーボ機構も２系統必要になり、構造が複雑になるとと
もに、センサ部が大形化する問題がある。また、ステア
リングミラー６の角度を制御して、Ｂ１をフォトセル９
の中央に位置合せするため、ステアリングミラーの角度
分解能によって、このセンサの分解能が決められてしま
う。つまり、センサの分解能を向上させるには、ステア
リングミラーの角度分解能を向上させなければならず、
ステアリングミラーの駆動機構，制御機構は複雑になっ
てしまう。また、方解石を使用してレーザビームを２本
に分離するものであるため、ビーム間隔が固定されてし
まい、被測定物の表面形状が種々に変化して色々な空間
周波数を持つ被測定物の測定には対応できないという不
具合があった。

【０００８】本発明は、上述のような事情に鑑みなされ
たもので、その目的とするところは、センサ部をコンパ
クト化できるとともに、測定制御を容易にした光学的測
定装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】クレーム対応図である図
１に基づいて本発明を説明すると、本発明は、交互に発
光制御される一対の光源１０１，１０２と、前記各光源
１０１，１０２から出射される光ビームを被測定物２に
向けて照射させる光学系１０３と、前記被測定物２によ
り反射される光ビームの位置を検出する位置検出手段１
０４と、前記被測定物２により反射される光ビームを前
記位置検出手段１０４に向ける回転可能なステアリング
ミラー１０５と、前記一方の光源１０１からの光ビーム
を被測定物２に照射しているときに該被測定物２により
反射される光ビームの前記位置検出手段１０４に対する
結像位置が前記位置検出手段１０４の両端から取り出さ
れる信号レベルが一定レベルより小さくなるように前記
ステアリングミラー１０５の反射角度を調整制御する制
御手段１０６と、前記ステアリングミラー１０５が角度
調整された後に前記他方の光源１０２からの光ビームを
被測定物２に照射し、該被測定物２により反射される光
ビームが前記ステアリングミラー１０５を介して前記位
置検出手段１０４に結像されたときの位置信号と前記一
方の光源による反射光ビームの位置信号とから被測定物
２の測定値を算出する演算手段１０７とを備えてなるも
のである。

【００１０】

【作用】上記の構成により、一方の光源１０１からの光
ビームが被測定物２に照射されているときに該被測定物
２により反射される光ビームがステアリングミラー１０
５を介して位置検出手段１０４に結像されると、位置検
出手段１０４の両端から取り出される信号レベルが一定
レベルより小さくなるように制御手段１０６が動作して
ステアリングミラー１０５の反射角度を調整する。そし
て、一方の光源１０１が停止して他方の光源１０２が駆
動されると、この光源１０２の光ビームが被測定物２に
照射され、該被測定物２により反射される光ビームが角
度調整されたステアリングミラー１０５を通して位置検
出手段１０４に結像される。このときの位置信号と一方
の光源による位置信号を演算手段１０７に取り込んで演
算することにより、被測定物２の形状などを測定でき
る。よって、位置検出手段が１個で済み、そのサーボ機
構も不要になってセンサ部をコンパクト化し得る。ま
た、ステアリングミラー１０５の位置を決めるレベル
は、任意に決めた一定量以下であればよいため、ステア
リングミラーの駆動には通常のステッピングモーター等
を使用することが可能で、コンパクト化し得る。

【００１１】

【実施例】図２〜図４により本発明の実施例について説
明する。図２は、本発明による光学的測定装置の全体の
構成図を示すもので、１１は被測定物２の形状測定を行
う差動オートコリメーションセンサ部（以下単にセンサ
部という）である。

【００１２】センサ部１１は、図２に示すように、光軸
が互いに直交する向きに配置した一対の半導体レーザ１
１１ａ，１１１ｂと、この半導体レーザ１１１ａ，１１
１ｂのレーザ光出射前面に配置したコリメータレンズ１
１２ａ，１１２ｂと、半導体レーザ１１１ａからのレー
ザ光を透過するとともに、半導体レーザ１１１ｂからの
レーザ光を９０度に反射するビームスプリッタ１１３
と、このビームスプリッタ１１３のレーザ光出射側に配
置され、ビームスプリッタ１１３のレーザ光を通過する
とともに、被測定物２からの反射レーザビームＢ１，Ｂ
２を９０度に反射する。偏光ビームスプリッタ１１４
と、この偏光ビームスプリッタ１１４の下面に設けた１
／４波長板１１５と、偏光ビームスプリッタ１１４の側
方に配置され、被測定物２により、偏光ビームスプリッ
タ１１４を介して反射されてくる反射レーザビームＢ
１，Ｂ２の反射方向を調整するパルスモータ１１６ａ付
きのステアリングミラー１１６と、ステアリングミラー
１１６で反射されるレーザビームＢ１，Ｂ２を集光する
集光レンズ１１６と、この集光レンズ１１７の焦点位置
に配置され、レーザビームＢ１，Ｂ２の結像位置を検出
するＰＳＤ等からなる一次元の位置検出素子１１８とか
ら構成される。

【００１３】図２において、１２は、センサ部１１を含
む測定装置全体を制御し管理する中央処理装置（以下Ｃ
ＰＵという）であり、このＣＰＵ１２には、測定プログ
ラムおよび位置検出素子１１８で検出された位置データ
（ずれ量）Ｃ１、測定される表面形状データＤ１〜Ｄｎ
等を格納するメモリ１３が接続されているとともに、入
力インタフェース１４および出力インタフェース１５が
接続されている。

【００１４】入力インタフェース１４には、Ａ−Ｄコン
バータ１６を介して演算回路１７が接続されている。ま
た、出力インタフェース１５には、位置検出素子１１７
で検出されるレーザビームＢ１の位置信号Ｃ１（位置検
出素子の中心からのずれ量）に応じたパルス信号を発生
するパルス発生回路１８および駆動回路１９を介してス
テアリングミラー１１６のパルスモータ１１６ａが接続
され、さらに、半導体レーザ１１１ａ，１１１ｂを交互
に動作させる駆動回路２０が接続されている。

【００１５】演算回路１７は、位置検出素子１１８に対
するレーザビームＢ１，Ｂ２の入射位置に応じて位置検
出素子１１７の両端から取り出される信号から位置信号
を算出するものであり、この位置信号はＡ−Ｄコンバー
タ１６によりデジタル量に変換されてＣＰＵ１２に取り
込まれる。また、半導体レーザ１１１ａ，１１１ｂのう
ち、一方の半導体レーザ１１１ｂは、図２の矢印Ｘ方向
に移動できる構造になっており、この半導体レーザ１１
１ｂを矢印Ｘ方向に移動することにより、レーザビーム
の間隔を調整できるようになっている。

【００１６】本実施例と請求項との対応において、半導
体レーザ１１１ａ，１１１ｂが光源１０１，１０２を、
コリメータレンズ１１２ａ，１１２ｂ，ビームスプリッ
タ１１３，１１４および１／４波長板１１５が光学系
を、ステアリングミラー１１６およびパルスモータ１１
６ａがステアリングミラー１０５を、位置検出素子１１
８が位置検出手段１０４を、ＣＰＵ１２，パルス発生回
路１８および駆動回路１９が制御手段１０６を、ＣＰＵ
１２および演算回路１７が演算手段１０７をそれぞれ構
成している。

【００１７】次に、本実施例の動作を図３に示すフロー
チャートを参照して説明する。装置の初期の測定段階で
は、オプティカルフラットを用いて平面を測定し、両方
の半導体レーザ１１１ａ，１１１ｂのレーザビームＢ
１，Ｂ２が共に位置検出素子１１８の中央、すなわち位
置検出素子１１８の両端から取り出される出力信号を演
算回路１７で演算したときの位置信号がゼロとなる位置
にくるよう、ステアリングミラー１１６およびビームス
プリッタ１１３，１１４等を調整しておく。また、完全
にゼロにならなくとも、演算回路での演算値を補正でき
る構成にしておけばよい。

【００１８】次に、実際の被測定物２の形状を測定する
場合について述べる。まず、センサ部１１を被測定物２
の形状を測定できる測定位置へ移動する（ステップＳ
１）。そして、次のステップＳ２において、測定箇所カ
ウンタｎ＝１に設定する。

【００１９】次に、メモリ１３内の測定プログラムに従
ってＣＰＵ１２から送出されるレーザ動作指令を出力イ
ンタフェース１５を通して駆動回路２０に加えることに
より、まず、半導体レーザ１１１ａを駆動し、この半導
体レーザ１１１ａから発生するレーザビームをビームス
プリッタ１１３，１１４および１／４波長板１１５を通
して被測定物２の表面位置Ｐ１へ照射する（ステップＳ
３）。

【００２０】被測定物２の表面位置Ｐ１で反射されたレ
ーザビームＢ１は１／４波長板１１５および偏光ビーム
スプリッタ１１４を通してステアリングミラー１１６に
向けられ、さらにこのステアリングミラー１１６で反射
されるレーザビームＢ１は集光レンズ１１７により集光
されて位置検出素子１１８上に結像される。ここで、被
測定表面位置Ｐ１の接線角をθ₁とすると、このレーザ
ビームＢ１は、図４に示すように集光レンズ１１７に対
し２θ₁の角度で入射する。また、集光レンズ１１７を
通過したレーザビームＢ１は、位置検出素子１１８に対
しその中心からｄ₁ずれた位置に結像する。このときの
接線角θ₁は、レンズの結像式により、θ₁＝ｄ₁／２
ｆで表わされ、ｆは集光レンズ１１７から位置検出素子
１１８までの距離である。

【００２１】次のステップＳ４では、レーザビームＢ１
の結像位置ｄ₁に応じて位置検出素子１１８の両端から
取り出される出力信号を演算回路１７に取り込むことに
より、レーザビームＢ１の位置信号Ｃ１を算出し、この
位置信号Ｃ１をＡ−Ｄコンバータ１６によりデジタル信
号に変換して、ＣＰＵ１２に取り込む。ＣＰＵ１２で
は、取り込んだ位置信号Ｃ１が、−ａ＜ｃ₁ ＜ａ（ａは
０に近い数値）を判定する。ここで、−ａ＜ｃ₁ ＜ａで
ないと判定されたときはステップＳ６に進み、ステアリ
ングミラー１１６のパルスモータ１１６ａを−ａ＜ｃ₁
＜ａになるまで回転させる。このとき、パルス発生回路
１８から位置信号Ｃ１に応じた数のパルスが発生し、こ
のパルスを駆動回路１９を通してパルスモータ１１６ａ
に加えることにより、ステアリングミラー１１６を図２
の矢印方向に回転させる。そして、演算回路１７からの
位置信号Ｃ１が−ａ＜ｃ₁ ＜ａになった角度にステアリ
ングミラー１１６をロックする。

【００２２】一方、ステップＳ５において、−ａ＜ｃ₁
＜ａになったことが判定されると、ステップＳ７に進
み、位置信号Ｃ１をメモリ１３の所定のエリアに記憶す
る。その後、ステップＳ８において、半導体レーザ１１
１ａからのレーザビームの発生を停止し、半導体レーザ
１１１ｂを駆動して、該半導体レーザ１１１ｂから発生
するレーザビームをビームスプリッタ１１３，１１４お
よび１／４波長板を通して被測定物２の被測定面へ照射
する。

【００２３】被測定物２の表面位置Ｐ２で反射されたレ
ーザビームＢ２は１／４波長板１１５および偏光ビーム
スプリッタ１１４を通してステアリングミラー１１６に
向けられ、さらにこのステアリングミラー１１６で反射
されるレーザビームＢ２は集光レンズ１１７により集光
されて位置検出素子１１８上に結像される。次のステッ
プＳ４では、レーザビームＢ２の結像位置ｄ₂に応じて
位置検出素子１１８の両端から取り出される出力信号を
演算回路１７に取り込むことにより、レーザビームＢ２
の位置信号Ｃ２を算出し、この位置信号Ｃ２をＡ−Ｄコ
ンバータ１６によりデジタル信号に変換してＣＰＵ１２
に取り込む。ＣＰＵ１２では、取り込んだ位置信号Ｃ２
と前述のビームＢ１に対応する位置信号Ｃ１との差、Ｄ
_i＝Ｃ２−Ｃ１を算出する（ステップＳ１０）。この差
は、（表面位置Ｐ２の接線角）−（表面位置Ｐ１の接線
角）＝Δθに相当する。従って、このΔθは被測定面形
状の２次微分に相当するから、Δθ（＝Ｄ_i）を２回積
分することにより、被測定物２の２本のレーザビーム間
に位置する表面形状を測定できる。

【００２４】次のステップＳ１１では、ステップＳ１０
で求めた差データＤ_iをメモリ１３の所定のエリアに記
憶する。そして、次のステップＳ１２において、被測定
物２の測定が完了したかを判定する。ここで、測定が完
了したことが判定されると、被測定物２に対する測定動
作は終了する。また、測定が完了していないことが判定
されたときはステップＳ１３に進み、センサ部１１を次
の測定位置へ移動させる。その後、ステップＳ１４にお
いて測定箇所カウンタｎの値をｎ＝ｎ＋１に設定し、ス
テップＳ３に戻る。以下、被測定物２の形状測定が完了
するまで、図３のステップＳ３以下の処理を繰り返し実
行する。

【００２５】上述のように本実施例においては、図３の
フローチャートからも明らかなように、まず、一方の半
導体レーザ１１１ａを動作させて、そのレーザビームを
被測定面へ照射し、この被測定面からの反射レーザビー
ムＢ１が位置検出素子１１８に結像したときの位置信号
Ｃ１が−ａ＜ｃ₁ ＜ａ、すなわちレーザビームＢ１の結
像位置が位置検出素子１１８のほぼ中央にくるようにス
テアリングミラー１１６を調節した後、一方の半導体レ
ーザ１１１ａを停止し、他方の半導体レーザ１１１ｂを
駆動して、そのレーザビームを被測定面に照射し、この
被測定面からの反射レーザビームＢ２が位置検出素子１
１８に結像したときの位置信号Ｃ２とレーザビームＢ１
の位置信号Ｃ１との差から被測定面の形状を得るように
したので、固定式の位置検出素子が１個で済み、従来の
ように位置検出素子を移動させるためのサーボ機構が不
要になり、ステアリングミラーのサーボ機構のみとな
る。このため、センサ部の構成が簡単になり、小形化で
きるとともに、形状測定のための制御も容易になる。

【００２６】また、ステアリングミラーの角度を調節し
て、一方のレーザビームを常に集光レンズの光軸に一致
させるようにするから、角度範囲の大きな被測定物の形
状測定が可能になる。また、他方の半導体レーザ１１１
ｂを図２の矢印Ｘ方向に移動させることにより、２本の
レーザビーム間隔を変化できるから、色々な空間周波数
を持った被測定物を測定することができる。

【００２７】なお、本発明は、上記実施例に示す構成の
ものに限定されず、請求項に記載した範囲を逸脱しない
限り、種々の変形が可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、一
方の光源からの光ビームが被測定物に照射されていると
きに該被測定物により反射される光ビームをステアリン
グミラーを介して位置検出手段に結像させ、位置検出手
段の両端から取り出される信号レベルが平衡するように
ステアリングミラーの反射角度を調整する。そして、一
方の光源が停止して他方の光源が駆動したときの光ビー
ムを被測定物に照射し、該被測定物により反射される光
ビームを角度調整されたステアリングミラーを通して位
置検出手段に結像させることで被測定物の形状などを測
定するようにしたので、位置検出手段が１個で済み、か
つその駆動手段が不要になってセンサ部をコンパクト化
できるとともに、測定制御も容易になるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクレーム対応図である。

【図２】本発明による光学的測定装置の一例を示す全体
の構成図である。

【図３】本実施例における形状測定の手順を示すフロー
チャートである。

【図４】本実施例におけるレーザビームの位置検出素子
への結像状態を示す説明図である。

【図５】従来の光学的測定装置の構成図である。

【符号の説明】

１１差動オートコリメーションセンサ部１１１ａ，１１１ｂ半導体レーザ１１３ビームスプリッタ１１４偏光ビームスプリッタ１１５１／４波長板１１６ステアリングミラー１１６ａパルスモータ１１７集光レンズ１１８位置検出素子１２ＣＰＵ１３メモリ１７演算回路１８パルス発生回路１９駆動回路２０駆動回路１０１，１０２光源１０３光学系１０４位置検出手段１０５ステアリングミラー１０６制御手段１０７演算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交互に発光制御される一対の光源と、前
記各光源から出射される光ビームを被測定物に向けて照
射させる光学系と、前記被測定物により反射される光ビ
ームの位置を検出する位置検出手段と、前記被測定物に
より反射される光ビームを前記位置検出手段に向ける回
転可能なステアリングミラーと、前記一方の光源からの
光ビームを被測定物に照射しているときに該被測定物に
より反射される光ビームの前記位置検出手段に対する結
像位置が前記位置検出手段の両端から取り出される信号
レベルが平衡するように前記ステアリングミラーの反射
角度を調整制御する制御手段と、前記ステアリングミラ
ーが角度調整された後に前記他方の光源からの光ビーム
を被測定物に照射し、該被測定物により反射される光ビ
ームが前記ステアリングミラーを介して前記位置検出手
段に結像されたときの位置信号と前記一方の光源による
反射光ビームの位置信号とから被測定物の測定値を算出
する演算手段とを備えたことを特徴とする光学的測定装
置。