JPH074914A

JPH074914A - 光学式微小変位、粗さ計

Info

Publication number: JPH074914A
Application number: JP31074592A
Authority: JP
Inventors: Tadaoki Yamashita; 忠興山下
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1995-01-10

Abstract

(57)【要約】【目的】物体の微小変位量または表面粗さを非接触で
精密計測する計測器。【構成】半導体レーザ３を光源とし，集光レンズ，対
物レンズ２，ナイフエッジ，２分割光ダイオード４，等
によりプローブを構成し，これからのビームを測定対象
物体１に集束照射し，その反射光を２分割光ダイオード
で受光し，これら２種の信号を処理することすることに
よって，物体の微小変位量や表面粗さを計測する。ま
た，対物レンズを前後左右に微動制御する機構を設け，
測定開始時のゼロ設定や測定対象表面での走査を容易に
する。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、物体の微小変位量ま
たは物体表面の粗さを非接触で精密計測する計測器に関
するものである。半導体レーザを光源とするプローブか
らのレーザビームを測定対象物体に収束照射し、その反
射光を２分割光ダイオード等で受光することによって変
位量を知るプローブであって、物体の微小変位や物体表
面の粗さを測定する計測器である。（従来技術）まず、変位計について述べる。ロボットや
精密工作機械の位置決め等には、変位量を計測しながら
制御する方法がとられ、種々の変位計が実用されてい
る。電気式のものに電気マイクロメータ、静電容量型ト
ランスデユーサ等がある。これらは、相対的計測器であ
って量は得られないこと、また、精密計測器としては、
前者は精度不十分、後者は測定範囲が小さい等の問題が
ある。光学式のものもあり、レーザ干渉計はその精度の
点で実用されているが、装置自体が大きくて高価、そし
てコーナキューブ等のミラー取り付けの必要等の点があ
る。また、三角測量タイプの半導体レーザプローブも実
用されているが、サブミクロンの測定は困難で、精密計
測にはやや不十分である。表面粗さ計としては、古くか
ら触針式のものが実用されてきたが、対象物に傷がつき
やすく、非接触のものが望まれ、レーザプローブ式のも
のが研究されている。臨界角プリズムを用いたもの等で
（日本機械学会編：機械加工計測技術、朝倉書店、１９
８６年、ｐｐ．１５４〜１５５）、よく考案されてお
り、ｎｍオーダまでの粗さが測定できる。しかし、構造
が複雑で、実用に当たっては、セッテイング等が困難、
相対値の測定にとどまっている、等の問題があり、実用
にまでは至っていない。（発明が解決しようとする課題）近年の精密工学では、
マイクロメータないしナノメータでの計測が必要であ
り、このオーダでの精度を満たし、非接触でかつ取り扱
いか容易なものの実現が望まれている。まず、マイクロ
メータ以下での長さ単位が容易に値付けできるもの、つ
いで、センサ部を対象物に設定するときにマイクロメー
タレベルの精度での接近設定が容易にできるものが必要
である。これは、人間がそのまま感知しうるｃｍ，ｍｍ
のレベルでは問題にならないことであったが、マイクロ
メータレベルでは至難の術なのである。これが容易に出
来るものが望まれている。さらに、このような微細計測
では、測定系が振動雑音を得やすく、従来の計測器はす
べて防震台等を必要とした。このような実用上不便なも
のは除去したいという課題もある。（課題を解決するための手段）レーザビームを照射する
測定対象面が粗面であり、また、反射率が低い、等の場
合、センサ部に返ってくる光強度は一般に変化する。と
ころが、明細書に詳述するように、２分割光検出器での
分割面差電流をこれらの和電流で除した値を読み値とす
ると、面の状態に関わりなく変位のみの関数となること
が見出だされた（明細書第５図、さらに、山下：Ａｐｐ
ｌ．ＰｈｙｓＬｅｔ．投稿中、山下：Ｒ．Ｓ．Ｉ．誌
投稿中）。この読み値に、干渉計等によって値付けす
る。また、明細書に示すように、対物レンズを前後方向
に微動させてオートフーカス制御させる機構をつけ、半
自動的にセッテイング可能とした。また、光信号の読み
取り時間を速くし、測定が可動機械系の共振時間以内に
終わるように設計し、外来振動の影響を除去した。（作用）読み値は、変位の一義的な関数となるので、こ
れを標準計測器で校正し、その校正値をあらかじめメモ
リしておき、読み取りのつど校正して出力すれば、量と
しての変位を知ることができる。プローブにはオートフ
ォーカス機能があるので、プローブを測定対象面に接近
させるのみで、自動的にフォーカスする。可動機械系の
振動開始以内の時間に測定を終了するので、外来振動雑
音を受けない。（実施例）第１図は、このプローブの光学系を説明する
ものである。測定対象物体１に対し、半導体レーザ３か
ら出射したレーザビームは、対物レンズ２により絞られ
て表面に焦点を結ぶように配置される。反射光は、同じ
光学系を通って返り、ビームスプリッタで分けられ、２
分割光ダイオード４で受光される。第２図は、光電流の
増幅処理回路図である。分割面で受光された光電流は、
図に示した増幅器によりそれぞれ増幅され、それぞれの
差電流と和電流が取り出される。この差電流は、変位量
に関係した信号として、また、オートフォーカッシング
用信号として用いられる。すなわち、この信号により、
対物レンズを前後に微動させ、つねに焦点を物体表面に
結ぶようにする。これにより、プローブを対象物体に近
づけることにより自ずとフォーカッシングすることがで
きる。以上の概要説明に対し、第３図によりその光学系
をやや詳しく説明する、光学系の光路途中にナイフエッ
ジ８が配置され、ビーム断面は半円となる。このような
光学系の場合、測定対象物体７が丁度対物レンズの焦点
位置にあるときは、その光像は２分割ダイオード４の分
割線上にくる。そして図のように、測定対象物体表面が
焦点位置より遠方にずれると、反射ビームは２分割ダイ
オードの下方部分に入射する。また、手前側にずれる
と、反射ビームは上方部分で検出される。このような原
理により、光学系焦点位置に対する物体表面の変位値
が、２分割ダイオードの信号の関数として得られる。焦
点近傍では光の回折が生じるので、これが原因となって
リニアに近い関係が得られる。この原埋の学術的根拠
は、本発明者がＲｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．誌に
発表予定で投稿中である。まえに概要を述べたように、
差電流，Ｉ_１−Ｉ_２，を和電流，Ｉ_１＋Ｉ_２，で除した
量は、物体の表面状態の如何に拘らず、変位量の関数に
なることを見出した。第４図は、本発明にかかるプロー
ブによる測定結果の１例である。平面度のよいニッケル
燐の鏡面（平均粗さ１ｎｍ以下、反射率６５％）、反射
率の小さいガラス片（反射率２．５％）、表面が粗い研
削鋼（平均粗さ１．２μｍ）についての結果を示した
が、この（Ｉ_１−Ｉ_２）／Ｉ_１＋Ｉ_２）をとると、表面
状態に拘らず、変位量のみの関数となることが分かる。
つまり、この量は変位量で一義的にきまるので、標準計
測器で校正すれば、変位量（長さ）を測定できることに
なる。この信号は、以前に述べたフォーカッシング信号
としても用いられる。このオートフォーカッシングによ
って丁度オンフォーカスしたところでオートフォーカス
機能を停止する。すなわち、対物レンズを機械的に固定
し動かなくする、またはオンフォーカスした状態での対
物レンズ駆動コイル電流を一定に保持し対物レンズの動
きを止める、等の動作を行わしめるのである。そして、
この状態で２分割ダイオードによる変位測定動作に入ら
せる。変位測定の場合は、この状態で必要なだけ変位測
定を続ける。また、粗さ計測のときは、この状態を保ち
ながら、対物レンズまたは測定系本体を面に沿って移動
させながら変位測定すなわち粗さ測定を行ってゆくので
ある。第５図は、対物レンズ駆動系の１実施例である。
対物レンズは、レンズ左右支持ばね１０で保持される。
そして、レンズｘ軸駆動電磁石１１により左右すなわち
ｘ軸方向に駆動される。対物レンズのｘ軸方向への移動
により、対象物体表面上の焦点は表面上をｘ軸方向に移
動し、その点での変位つまり粗さを測定する。また、同
図１２は、対物レンズ左右支持ばね系を支持するレンズ
前後支持ばねである。さらに、この系は、レンズｚ軸駆
動電磁石１３により前後方向すなわちｚ軸方向に駆動さ
せられる。これは、まえに述べた対物レンズのフォーカ
ッシング制御のメカニズムである。対物レンズｚ軸駆動
を止める１実施例を述べる。第５図において、レンズお
よびレンズ左右支持ばね系の質量に対し、レンズｘ軸駆
動電磁石およびレンズ前後支持バネ系の質量を充分に大
きくする。すなわち、１０〜１００倍とする。そして、
それぞれのばね定数を適当に設計し、両者の固有共振周
波数を１０〜１００倍とする。この系において、レンズ
をｘ軸方向に速く振動させた場合、質量が大きくて共振
数の小さいｚ軸方向の振動はゆっくりしているので、こ
の間にｘ軸方向の振動を数１０回行わせることができ
る。光学的電気的測定時間は、これら機械的駆動時間よ
り格段に高速に行うことができるので、１振動（走査）
の間に数１０〜１００点の変位データを取り入れること
ができる。すなわち、短い時間の範囲では、対物レンズ
ｚ軸駆動系が静止していると考えることが出来、この間
に測定が完了する。対物レンズｚ軸駆動系は、フォーカ
ス位置で機械的に止めることもできる。止める際の衝撃
で１μｍ程度の変動も許されないので、むずかしい仕事
である。レンズｚ軸駆動系の質量に対し、１／１０００
以下の質量のピンを用い、複数方向からピンを打ち込み
固定しなければならない。このように、対物レンズを一
時的に固定し、その間に変位測定を行う。（発明の効果）まず、微小変位計としての応用について
は、測定対象物体表面が、多少の粗面でも、また、反射
率が非常に低くても、非接触かつ反射式に測定できる小
型な半導体レーザプローブが得られた。これらの実用に
ついては、計測範囲が微小なのでセッテイングが難しか
ったが、オートフォーカス機構をもちいて容易にセッテ
イングすることができる。粗さ計としては、非接触で測
定対象物体に傷をつけないと言う大きな特徴を有するも
のが得られ、金属にみならず、樹脂や生体等の柔らかい
物体の粗さが測定可能となった。また、前者同様セッテ
イングも容易である。そして、対物レンズのみの高速駆
動で面粗さデータの高速測定が可能となり、これはとり
もなおさず、外来振動雑音の影響を受けないで雑音振動
の１周期以内に多くの点の測定を終了することができる
のである。

【図面の簡単な説明】第１図は、本発明にかかる、光学式微小変位、粗さ計の
全体、とくにその光学系を解説する図である。第２図
は、光電流の測定回路系であり、とくに、２分割光ダイ
オードの差電流、和電流を求める回路系を示している。
第３図は、測定対象物体の微小変位を、２分割光ダイオ
ードで測定する原理を説明する図である。第４図は、２
分割光ダイオードの差電流を和電流で除した値と、変位
量との関数関係を種々の物体表面について実験した結果
を示している。第５図は、対物レンズのｘ軸方向および
ｚ軸方向の駆動構造を表す１実施例である。１は、測定対象物体、２は、対物レンズ、４は、本発明
で重要な役割を果たす２分割光ダイオードである。

Claims

【特許請求の範囲】１）半円、矩形等、その断面が点対称でないレーザビー
ムを対物レンズで収束させて対象物体表面に照射し、そ
の反射光を多分割光検出器で受光して、該物体の微小変
位や粗さを計測する測定器において、該光検出器の分割
面での受光電流の差分をこれらの電流の和で除した値を
読取値とし、これを距離値で校正した値を測定値とする
ことを特徴とする微小変位、粗さ計。２）対物レンズを前後方向に微動可能としてビームが常
に対象物体表面に収束するようなフォーカッシング制御
を行い、測定に際して対物レンズが所定位置に来た時点
で制御を中止して対物レンズの前後方向の動きを止め、
光による測定を行って読取値の取り込みを行うことを特
徴とする微小変位、粗さ計。３）特許請求の範囲１）において、対物レンズを、光軸
方向に対して少なくとも１つの直角方向に振動または移
動させ、測定点の走査を行わしめる構造を有することを
特徴とする微小変位、粗さ計。