JPH0718689B2 - 光学式厚み測定法及び装置 - Google Patents

光学式厚み測定法及び装置

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JPH0718689B2
JPH0718689B2 JP61145688A JP14568886A JPH0718689B2 JP H0718689 B2 JPH0718689 B2 JP H0718689B2 JP 61145688 A JP61145688 A JP 61145688A JP 14568886 A JP14568886 A JP 14568886A JP H0718689 B2 JPH0718689 B2 JP H0718689B2
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政博 大野
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Description

【発明の詳細な説明】 a.技術分野 本発明は、光学的に透明又は半透明な被検物の肉厚測定
に関するもので、特に薄板ガラスの肉厚測定に関するも
のである。
従来技術及びその問題点 従来、薄板ガラスの肉厚を非接触で測る方法として、静
電容量型検出器を被検物の表裏面にそれぞれ配し、基準
片との差により肉厚を求める方法があるが、この方法で
は絶対寸法を知る事ができないし、例えばテレビカメラ
の撮像管のストライプフイルター(薄板のガラス)にあ
っては表面から内部の面までの厚さは測れない。
また光学的肉厚測定法には、光切断法や顕微鏡の合焦に
よる方法などがあるが、光束の被検物透過による収差の
発生のため高精度に肉厚を測定する事はできなかった。
c.目的 本発明は、被検物の光学系により集光光束を投射し、光
学系又は被検物を光学系の光軸方向に移動した時、被検
物の表面及び裏面(あるいは内部の面)での軸上中心強
度最大の位置を検出し、さらに光学系の集光光束の開口
数NAo,被検物の屈折率n等からの補正演算を行なう事
により肉厚tを求めようというもので、被検物の表面か
ら内部の面までの肉厚測定をも可能とし、肉厚の絶対寸
法も高精度に測定可能とする方法及び装置を提供する事
を目的とする。
d.発明の概要 本発明は、透光性の被検物にその一面から光学系よって
集光光束を投射し、光学系又は被検物を光学系の光軸方
向に動かしながら、被検物の表面で集光光束の軸上中心
強度が最大となる位置と、集光光束が被検物を通過して
裏面に至ったときの該裏面での集光光束の軸上中心強度
が最大となる位置とを検出して、この間の光学系又は被
検物の移動距離aを検出するとともに、集光光束が被検
物を透過することによって生じる、裏面での軸上中心強
度が最大となる像面位置と、近軸光線の裏面への合焦位
置とのずれ量bNを求め、被検物の屈折率をnとして、被
検物の表面と裏面間の実際の肉厚tを、 t=n(a+bN) で求めることを特徴としている。
bNは、例えば、次の近似演算によって求めることができ
る。すなわち、光学系による集光光束の開口数をNAo
添字iを繰り返し回数、biを補正量とし、t1=naなるt1
を初期値とするとき、 bi={(n2-1)NAo 2[20n4+3n2(n2+3)・NAo 2+(n4+2n2+2)・N
Ao 4]}ti/80n7 ti=n(a+bi-1) なる式を用いて、 ti-ti-1≦Δ(Δは十分小さな値とする)の条件が満足
されるまで、i=1からNまで計算をN回繰り返し、そ
のときのtN=n(a+bN-1)を被検物の肉厚tとするのであ
る。
また本発明は、被検物の表面及び裏面での反射光から同
様にして被検物の肉厚を検出する装置を提案する。
本発明装置は、光源と;該光源からの光を透光性の被検
物に集光投射するための対物レンズと;被検物からの反
射光を観測面に導くための手段と;反射光の軸上中心強
度を検出するための光電検出手段と、;対物レンズによ
る集光点または被検物を、該対物レンズの光軸方向に移
動するための手段と;この移動手段による移動量を検出
するための移動量検出手段と;該移動量検出手段及び光
電変換手段それぞれからの情報を演算する手段と;を備
え、この演算手段が、移動量検出手段によって検出され
る、被検物の表面及び裏面での集光光束の反射光の軸上
中心強度がそれぞれ最大となる間の移動距離をa、被検
物の屈折率をnとして、裏面での反射光の軸上中心強度
が最大となる像面位置と、近軸光線の裏面への合焦位置
とのずれ量bNを近似演算し、被検物の表面と裏面間の実
際の肉厚tを、 t=n(a+bN) で求める。
e.発明の実施例 上記目的を達成するための本発明の肉厚測定法について
述べる。第1図のような図示していない光学系による開
口数NAoを持つ集光光束1を、屈折率nで肉厚tを持つ
平行平面である被検物(ガラス)2に投射する。そこ
で、被検物(又は光学系)を光学系の光軸方向であるZ
方向に動かすと、まず被検物の表面2−1でピントが合
い、次に移動量aだけ離れた所で裏面2−2でピントが
合う。
今、光学系を無収差とすると(すなわち集光光束は完全
に一点に集まる。)、裏面2−1ではガウス像面Aと軸
上中心強度最大像面Bとは一致する(第2図(1)参
照)が、裏面2−2では光束が被検物2の内部を透過し
て来るため、第2図(2)に示す様に、球面収差SAの発
生により、ガウス像面A′と軸上中心強度最大の像面
B′とはずれ量bNだけずれる。
以上述べた事を第3図のZ軸移動に対する軸上中心強度
Iとの関係で示すと、集光光束に対し被検物2をX軸方
向に動かしていくと、まず被検物の表面での像面A,B点
での様に軸上中心強度は最大となり、次に移動量aだ
け動いた所で裏面での像面B′の位置での様に軸上中
心強度は最大となる。この時、被検物の肉厚tは t=n(a+bN) ………(1) で求められる。
そこで本発明は、移動量aを測定し、前記像面A′,B′
のずれ量bNを計算する事により、被検物の肉厚tを求め
ようというものである。
それでは、ずれ量bNの計算のやり方について述べる。波
面収差が小さい時には、Marechelによると、波面収差の
標準偏差が最小の時、軸上中心強度が最大になる(レン
ズ設計のための波面光学P24〜P25東海大出版会)という
事が解っている。
一般にピントずらしを行った後の波面収差W(P)は、
2次,4次,6次,8次の波面収差係数をW2,W4,W6,W8とす
ると W(P)=W2P2+W4P4+W6P6+W8P8 (P=0〜1) ……(2) で表わせ、この(2)式の波面収差の分散〈ΔW2〉は となる。従って〈ΔW2〉を最小にするW2である。
以上の結果を幾何光学の縦収差に直して考えると、球面
収差の2次,4次,6次の各係数をC1,C2,C3とし、ピント
ずらし量をRとすると、球面収差S(P)は S(P)=C1P2+C2P4+C3P6(P=0〜1)……(4) で与えられ、その時の波面収差W(P)は、集光光束光
学系の焦点距離をf,最外光線の瞳における高さをhoとす
ると で表せる。
(2)式,(5)式の係数を比較し、さらに(3)式に
代入すると となる。
このRはガウス像面から軸上中心強度最大の像面までの
ずらし量を与える。
ここで光学系による無収差光束を平行平面である被検物
に透過させると、球面収差S(P)は、光学系の開口数
NAに応じ と表せるから、(7)式を(4)式と比較すると、 である。ここで であり、 R=bNゆえ、(6)式より となり、ずれ量bNが求まれば(1)式より肉厚tは求ま
るはずであるが、実際には、ずれ量bNは肉厚tの関数と
なっており、肉厚tが解っていない時はずれ量bNは求ま
らない。
そこでiを繰り返し回数としt1=naなるtiを肉厚tの初
期値として ここでti=n(a+bi-1) なる式に代入し、ずれ量bNの1回目の近似値としてb1
求め、次にこのb1を(1)式に代入し、2回目の肉厚t
の近似値t2を求める。次に、このt2を(8)式に代入
し、ずれ量bNの2回目の近似値b2を求め、以下同じ手順
で繰り返し演算をtN−tN-1≦Δ(Δは十分小さな値とす
る)までN回行う。この時のtNが求める肉厚tとなる。
すなわち t=tN=n(a+bN-1) で肉厚が求まる。さて、以上述べた測定法に基づいた具
体的な装置について、本発明で用いた一実施例を第4図
に基き以下説明する。
今、光源3からの光束は、コンデンサーレンズ5により
ピンホール6の位置で点光源となる。この途中に任意の
波長を選択するための干渉フィルター4を入れる。ピン
ホール6の位置で点光源となった光束は、対物レンズ7
により開口数NAoを持った集光光束として屈折率n,厚さ
tを持つ被検物8に投射される。
被検物8よりの反射光は、元来た経路を戻り、ビームス
プリッター9にてフォトダイオードの様な光電変換素子
10に導かれる。光電変換素子10の前には、反射光の軸上
中心強度を選択するためピンホール11が配されている。
もちろん光電変換素子は固体撮像素子の様な物でもよ
く、その場合ピンホール11は不要となる。光電変換素子
10からのアナログ信号はサンプルホールド回路12,A/D変
換回路13を経てデジタル信号となり、マイコン14に入力
される。
この時、被検物8を対物レンズ7の光軸方向に図示して
いない移動手段で動かすと、表面8−1及び裏面8−2
でピントが合い、この時、光電変換素子10上の信号は最
大となる。この表面及び裏面でのピント位置の差、即ち
移動量aを測長スケール15で読み取り、読取り信号をマ
イコン14へ入力する。マイコン14は、屈折率n,開口数NA
o,移動量aなどの値を用い前述した測定法に基づいて
肉厚tを算出する。尚、移動量aは、被検物の表面及び
裏面あるいは内部の面での中心強度最大位置間の距離と
同意である。
第5図には本発明に用いた第2の実施例を示す。第4図
と同じ部品は説明を省略する。光源に直線偏光レーザ16
を用いる。直線偏光レーザ16からの光は、ビームエキス
パンダー17により拡大され、対物レンズによって被検物
に集光光束として投射される。被検物からの反射光をビ
ームスプリッター9′により光電変換素子に導く。レー
ザを用いる事により光強度が増大し、さらに対物レンズ
により被検面に非常に小さな集光スポットが形成できる
ため、精度が向上する。またビームスプリッター9′に
偏光ビームスプリッター及び対物レンズの前に1/4波長
板18を用いると、1/4波長板透過後の光束は円偏光とな
り、被検面からの反射光が再び1/4波長板を通ると、レ
ーザ発振光とは偏光方向が直交する。このため、偏光ビ
ームプリッターにより、反射光すなわち信号光はすべて
光電変換素子に導かれる。又、レーザビームによるビー
ムエキスパンダー17からの反射光すなわちノイズは、レ
ーザ発振光と偏光方向が同じため、光電変換素子には導
かれない。従って偏光ビームスプリッター及び1/4波長
板を用いることでS/N比の向上が計れる。また光源は半
導体レーザでもよく、その場合、ビームエキスパンダー
17は不要となる。
f.効果 以上のように本発明は、集光光束を被検物の一面から照
射し、光学系又は被検物を動かして、被検物の表面及び
裏面での軸上中心強度が最大となる距離を求めるだけで
なく、集光光束が被検物内を通過することによって生じ
る収差を考慮して、被検物の表裏の間の距離、つまり肉
厚を求めるようにしたので、正確に肉厚を求めることが
できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の測定法を説明するための図、第2図
(1),(2)は無収差集光光束が被検物の表面及び被
検物を透過した時に発生する球面収差図、第3図は被検
物の表面及び裏面にピントが合った時の軸上中心強度の
関係を示すための図、第4図は本発明の測定法に基づい
た測定装置の一実施例を示す説明図、第5図は測定装置
の別の実施例を示す説明図である。 1:集光光束、2:被検物、3:白色光源 4:干渉フィルター、5:コンデンサーレンズ 6:ピンホール、7:対物レンズ、8:被検物 9:ビームスプリッター、10:光電変換素子 11…ピンホール、12:サンプルホールド回路 13:A/D変換回路、14:マイコン 15:測長スケール、16:直線偏光レーザ 17:ビームエキスパンダー 18:1/4波長板

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】透光性の被検物にその一面から光学系より
    集光光束を投射し、 光学系又は被検物を光学系の光軸方向に動かしながら、
    被検物の表面で集光光束の軸上中心強度が最大となる位
    置と、集光光束が被検物を通過して裏面に至ったときの
    該裏面での集光光束の軸上中心強度が最大となる位置と
    を検出して、この間の光学系又は被検物の移動距離aを
    検出し、 集光光束が被検物を透過することによって生じる、裏面
    での軸上中心強度が最大となる像面位置と、近軸光線の
    裏面への合焦位置とのずれ量bNを求め、 被検物の屈折率をnとして、被検物の表面と裏面間の実
    際の肉厚tを、 t=n(a+bN) で求めることを特徴とする光学式厚み測定法。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、光学系に
    よる集光光束の開口数をNAo、添字iを繰り返し回数、b
    iを補正量とし、t1=naなるt1を初期値とするとき、 bi={(n2-1)NAo 2[20n4+3n2(n2+3)・NAo 2+(n4+2n2+2)・N
    Ao 4]}ti/80n7 ti=n(a+bi-1) なる式を用いて、 ti-ti-1≦Δ(Δは十分小さな値とする)の条件が満足
    されるまで、i=1からNまで計算をN回繰り返し、そ
    のときのtN=n(a+bN-1)を被検物の肉厚tとして求める光
    学式厚み測定法。
  3. 【請求項3】光源と; 該光源からの光を透光性の被検物に集光投射するための
    対物レンズと; 上記被検物からの反射光を観測面に導くための手段と; 上記反射光の軸上中心強度を検出するための光電検出手
    段と; 上記対物レンズによる集光点または被検物を、該対物レ
    ンズの光軸方向に移動するための手段と; この移動手段による移動量を検出するための移動量検出
    手段と; 該移動量検出手段及び上記光電変換手段それぞれからの
    情報を演算する手段と; を備え、 この演算手段は、上記移動量検出手段によって検出され
    る、被検物の表面及び裏面での集光光束の反射光の軸上
    中心強度がそれぞれ最大となる間の移動距離をa、被検
    物の屈折率をnとして、 裏面での反射光の軸上中心強度が最大となる像面位置
    と、近軸光線の裏面への合焦位置とのずれ量bNを近似演
    算し、被検物の表面と裏面間の実際の肉厚tを、 t=n(a+bN) で求めることを特徴とする光学式厚み測定装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第3項において、光源が直
    線偏光レーザである光学式厚み測定装置。
  5. 【請求項5】特許請求の範囲第3項において、光源が半
    導体レーザである光学式厚み測定装置。
  6. 【請求項6】特許請求の範囲第3項において、被検物か
    らの反射光を観測面に導く手段が偏光ビームスプリッタ
    である光学式厚み測定装置。
  7. 【請求項7】特許請求の範囲第6項において、偏光ビー
    ムスプリッタと対物レンズとの間に、1/4波長板が挿入
    されている光学式厚み測定装置。
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