JPH074496Y2 - 非接触変位計 - Google Patents

非接触変位計

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JPH074496Y2
JPH074496Y2 JP1988006745U JP674588U JPH074496Y2 JP H074496 Y2 JPH074496 Y2 JP H074496Y2 JP 1988006745 U JP1988006745 U JP 1988006745U JP 674588 U JP674588 U JP 674588U JP H074496 Y2 JPH074496 Y2 JP H074496Y2
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博雅 土井
佐藤  直
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Description

【考案の詳細な説明】
【産業上の利用分野】
本考案は、非接触変位計に係り、特に、顕微鏡のオート
フオーカス装置や非接触の形状測定用プローブの検出器
として用いるのに好適な、測定対象物に集束スポツト光
を照射する点光源を含む照明装置と、該集束スポツト光
の像を形成するための結像光学系と、該像を形成するた
めの光線を、稜線と直角な方向に分離して2個所に結像
させるためのフーコープリズムと、前記分離された光線
それぞれの前記方向の光量分布に応じた電気信号を生成
する受光信号とを含み、測定対象物の前記結像光学系の
光軸方向の変位を検出する非接触変位計の改良に関す
る。
【従来の技術】
顕微鏡のオートフオーカス装置や非接触の形状測定用プ
ローブの検出器として、各種の光学式の非接触変位計が
提案されているが、そのうちの1つに、例えば「Kees B
ulthuis et al.“Ten billion bits on a disk"IEEE Sp
ectrum August1979」に開示されているように、第5図
に示す如く、レーザビームを2分して所定(X)方向に
離隔して集束させるためのフーコープリズムを用いた変
位計が知られている。 第5図に示した非接触変位計において、測定対象物10に
集束スポツト光12を照射するための照明装置は、点光源
としてのレーザダイオード14、コリメータレンズ16、偏
光ビームスプリツタ18、レーザダイオード14へのバツク
トークを防止するための1/4波長板20及び対物レンズ22
よりなる。前記集束スポツト光12の直径は、例えば前記
対物レンズ22の開口数(N.A.)が0.5の場合で、略1μ
mとされている。 又、前記集束スポツト光12の像を形成するための結像光
学系は、前記対物レンズ22及び集光レンズ24よりなり、
三角柱状のフーコープリズム26が、光線を、所定方向と
してのX方向に分離して、2個所に像28A、28Bを形成す
る働きを有している。 前記フーコープリズム26によつて分離された光線の一方
(図の右方)のX方向の光量分布に応じた電気信号を生
成する受光素子30A、30Bが設けられており、その出力信
号は、差動増幅器32によつて変位信号mとなる。一方、
前記フーコープリズム26によつて分離された光線の他方
(図の左方)のX方向の光量分布に応じた電気信号を生
成する受光素子30C、30Dも設けられており、その出力信
号も、図示省略した差動増幅器によつて処理されてい
る。 ここで、前記受光素子30A、30B、30C、30Dは、いずれ
も、前記測定対象物10が、前記集束スポツト光12が最小
となる面、即ち合焦面にあるときに、前記集束スポツト
光12の2個の像28A、28Bが形成される面に配設されてい
る。 このような非接触変位計において、測定対象物10が、結
像光学系の光軸Aの方向(Z方向)に変位すると、集束
スポツト光12の像を形成するための光線は、受光素子30
A、30B、30C、30D上で1点に集束せず、光量分布の重心
位置は所定のX方向に変位する。従つて、変位信号m
は、測定対象物10の変位に応じた信号となり、測定対象
物10が合焦面に近付くほど小さな信号となる。 又、このような非接触変位計をオートフオーカス装置に
使用する場合には、変位信号mが零となるように、測定
対象物10をZ方向に移動させることになる。
【考案が解決しようとする問題点】
しかしながら、考案者等が、このような非接触変位計を
試作して実験したところ、測定対象物によつては、表面
粗さや微小な塵等の影響によつて、反射散乱光が方向性
を有する場合があり、強度分布が変化して結像光学系へ
の入射光量が変化し、変位信号mに誤差を生じることが
ある。特に、結像光学系への入射光量が減少した場合
は、測定対象物が合焦面近傍にない場合でも、変位信号
mが小さくなつて零に近付いてしまい、合焦面と誤判定
する可能性があることがわかつた。
【考案の目的】
本考案は、前記従来の問題点を解消するべくなされたも
ので、フーコープリズムを用いた非接触変位計におい
て、測定対象物表面の数μmのオーダの微細な領域での
形状のばらつきや微細な塵等の影響を受け難くすること
を目的とする。
【問題点を解決するための手段】
本考案は、測定対象物に集束スポツト光を照射する点光
源を含む照明装置と、該集束スポツト光の像を形成する
ための結像光学系と、該像を形成するための光線を、稜
線と直角な方向に分離して2個所に結像させるためのフ
ーコープリズムと、前記分離された光線それぞれの前記
方向の光量分布に応じた電気信号を生成する受光素子と
を含み、測定対象物の前記結像光学系の光軸方向の変位
を検出する非接触変位計において、前記照明装置中に、
前記点光源からの光を反射するミラーと、前記集束スポ
ツト光が前記フーコープリズムの稜線と平行な方向に振
動するように該ミラーを振動させる加振器を備えると共
に、該加振器と同期して前記受光素子の出力の最大値を
保持する回路又は前記出力を平均化する回路を付加する
ことによつて、前記目的を達成したものである。
【作用】
測定対象物の表面性状の影響を減らすためには、照射パ
ターンを特定の範囲で走査することによつて、照射範囲
を拡げればよい。この際、フーコープリズムによつて、
像を形成するための光線(例えばレーザビーム)が、フ
ーコープリズムの稜線と直角なX方向に離隔して集束さ
れると仮定すると、集束スポツト光の像がX方向に振動
するのは、焦点ずれと同じでS/N比低下にもなり好まし
くないが、X方向と直角なY方向(フーコープリズムの
稜線と平行な方向)には、像が振動しても受光素子の信
号は変化しない。そこで、本考案では、像をフーコープ
リズムの稜線と平行な方向に振動させて、受光素子の出
力の最大値を保持するか、又は、前記出力を平均化する
ようにしている。従つて、一部に散乱反射光が対物レン
ズに入り難い領域等があつても、安定な変位信号が得ら
れる。
【実施例】
以下、図面を参照して、本考案の実施例を詳細に説明す
る。 本考案の第1実施例は、第1図及び、第1図を矢視II-I
I方向から見た第2図に示す如く、前記従来例と同様
の、測定対象物10に集束スポツト光12を照射するため
の、点光源としてのレーザダイオード14(第2図)、コ
リメータレンズ16、偏光ビームスプリツタ18、1/4波長
板20及び対物レンズ22よりなる照明装置と、前記集束ス
ポツト光12の像を形成するための、前記対物レンズ22及
び集光レンズ24よりなる結像光学系と、前記像を形成す
るための光線を、稜線と直角なX方向に分離して2個所
に結像させるためのフーコープリズム26と、前記分離さ
れた光線それぞれの前記X方向の光量分布に応じた電気
信号を生成する受光素子30A、30B、30C、30Dと、前記受
光素子30A及び30Bの出力に基づいて、変位信号mを形成
する差動増幅器32とを含み、測定対象物10の前記結像光
学系の光軸方向(Z方向)の変位を検出する非接触変位
計において、前記照明装置中に、第2図に示す如く、前
記レーザダイオード14からの光を反射するミラー40と、
前記集束スポツト光12が前記フーコープリズム26の稜線
と平行なY方向に振動するように該ミラー40を振動させ
る加振器42を備えると共に、該加振器42と同期して前記
受光素子30A、30Bの出力の最大値を保持するためのピー
クホールド回路50を付加したものである。 前記加振器42は、第2図に示した如く、ベース46に固定
された音叉43と加振コイル44からなり、該音叉43の一面
に、前記ミラー40が固定されている。 前記加振コイル44には、加振回路48からの交流電流が供
給され、該加振回路48からは交流電流の1周期毎に同期
信号dがパルスとして出力されている。 ここで、前記音叉43は、第2図の43B→43C間を振動する
ため、レーザダイオード14の鏡像は、ほぼ14B14C間を
振動するようになる。なお、音叉43が中立状態にあると
きの鏡像は14A点にある。 又、前記受光素子30A、30Bの出力は、プリアンプ31を経
て、最大値を保持する回路としての前記ピークホールド
回路50に入力され、その保持値が、前記差動増幅器32で
従来と同様に変位信号mとされる。なお、前記ピークホ
ールド回路50は、前記加振回路48から出力される同期信
号dのタイミングで、保持値をクリアするようにされて
いる。 付設の処理回路52は、前記加振回路48から出力される同
期信号dのタイミングで変位信号mを保持して、アナロ
グ/デジタル(A/D)変換等の処理を行うためのもので
ある。 以下、第2図を参照して、第1実施例の作用を説明す
る。 まず、音叉43が中立点にあるときは、レーザダイオード
14の発光部の鏡像は14A点にあり、集束スポツト光も12A
点にある。 次に音叉43が振動すると、鏡像は14B→14C間を振動する
ようになるため、集束スポツト光も、12B→12C間(Y方
向)で振動するようになる。従つて、集束スポツト光の
像もY方向、即ち第1図の紙面に垂直な方向に振動する
ようになるが、受光素子30A、30Bの出力は、測定対象物
10の表面形状が均一であれば変化しない。 ここで、集束スポツト光12のY方向の振動の幅Wを50〜
100μmとすると、仮に測定対象物10の表面の線分12B-1
2Cの近傍に数μmのオーダの反射特性の悪化する領域が
存在し、これによつて、受光素子30A、30Bの出力に、同
期信号dの1周期中に信号が小さくなる部分が存在して
も、ピークホールド回路50の出力は最大値が保持されて
いるため、前記のような反射特性の悪化する領域にかか
わらず、従来より正確な変位信号mが生成される。 この第1実施例においては、変位信号mが真値より小さ
くなることがないので、合焦面を誤判定することがな
い。 次に、第3図を参照して、本考案の第2実施例を詳細に
説明する。 この第2実施例は、第3図に示す如く、第1実施例のピ
ークホールド回路50に代えて、受光素子30A、30Bの出力
を加振周期の1周期分、積分して平均化するための積分
回路60を設けたものである。 他の構成及び作用は、第1実施例と基本的に同じである
ので詳細な説明は省略する。 この第2実施例においては、第4図に示す如く、測定対
象物10上のごみ62等によつて、受光素子30A、30Bの出力
が逆に大きくなる場合であつても、正確な変位信号mが
生成される。 この第2実施例においては、受光素子の出力を平均化す
るために積分回路60を用いているので、構成が簡略であ
る。なお、平均化回路の構成は、積分回路に限定され
ず、他の方法で平均化する構成とすることも可能であ
る。 前記実施例においては、いずれも、加振器42を音叉43と
加振コイル44によつて構成しているので、加振器の構成
が簡略である。なお、加振器の構成はこれに限定され
ず、ボイスコイルやピエゾ素子等、他の加振手段を使用
することもできる。
【考案の効果】
以上説明した通り、本考案によれば、フーコープリズム
を用いた非接触変位計において、測定対象物の表面の一
部に反射散乱光が対物レンズに入り難い領域等があつて
も安定な変位信号が得られる。従つて、測定対象物表面
の数μmのオーダの微細な領域での形状のばらつきや微
細な塵等の影響を受け難くな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、本考案に係る非接触変位計の第1実施例の構
成を示す、一部ブロツク線図を含む正面図、第2図は、
第1図の矢視II-II方向から見た平面図、第3図は、本
考案の第2実施例の構成を示す、一部ブロツク線図を含
む正面図、第4図は、第2実施例の作用を説明するため
の断面図、第5図は、従来の非接触変位計の一例の構成
を示す正面図である。 10……測定対象物、12……集束スポツト光、14……レー
ザダイオード、18……偏光ビームスプリツタ、22……対
物レンズ、26……フーコープリズム、30A、30B、30C、3
0D……受光素子、32……差動増幅器、40……ミラー、42
……加振器、48……加振回路、d……同期信号、50……
ピークホールド回路、60……積分回路(平均化回路)。

Claims (2)

    【実用新案登録請求の範囲】
  1. 【請求項1】測定対象物に集束スポツト光を照射する点
    光源を含む照明装置と、該集束スポツト光の像を形成す
    るための結像光学系と、該像を形成するための光線を、
    稜線と直角な方向に分離して2個所に結像させるための
    フーコープリズムと、前記分離された光線それぞれの前
    記方向の光量分布に応じた電気信号を生成する受光素子
    とを含み、測定対象物の前記結像光学系の光軸方向の変
    位を検出する非接触変位計において、 前記照明装置中に、前記点光源からの光を反射するミラ
    ーと、前記集束スポツト光が前記フーコープリズムの稜
    線と平行な方向に振動するように該ミラーを振動させる
    加振器を備えると共に、 該加振器と同期して前記受光素子の出力の最大値を保持
    する回路を付加したことを特徴とする非接触変位計。
  2. 【請求項2】測定対象物に集束スポツト光を照射する点
    光源を含む照明装置と、該集束スポツト光の像を形成す
    るための結像光学系と、該像を形成するための光線を、
    稜線と直角な方向に分離して2個所に結像させるための
    フーコープリズムと、前記分離された光線それぞれの前
    記方向の光量分布に応じた電気信号を生成する受光素子
    とを含み、測定対象物の前記結像光学系の光軸方向の変
    位を検出する非接触変位計において、 前記照明装置中に、前記点光源からの光を反射するミラ
    ーと、前記集束スポツト光が前記フーコープリズムの稜
    線と平行な方向に振動するように該ミラーを振動させる
    加振器を備えると共に、 該加振器と同期して前記受光素子の出力を平均化する回
    路を付加したことを特徴とする非接触変位計。
JP1988006745U 1988-01-22 1988-01-22 非接触変位計 Expired - Lifetime JPH074496Y2 (ja)

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JPH01112409U JPH01112409U (ja) 1989-07-28
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPS57203911A (en) * 1981-06-10 1982-12-14 Matsushita Electric Ind Co Ltd Signal processing system
JPS61210902A (ja) * 1985-03-15 1986-09-19 Toshiba Corp 試料面高さ測定装置
JPS62283427A (ja) * 1986-06-02 1987-12-09 Mitsubishi Electric Corp 焦点誤差検出装置

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