JPH0968408A - 光学式変位センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被検面の傾斜による影響を受けにくいピンホ
ールによるダブルビームサイズ法の特長を活かしなが
ら、受光素子の光軸合わせを容易かつ高精度にできるよ
うにすること。 【解決手段】 ピンホールによるダブルビームサイズ法
による検出光学系の構成をベースとし、２分割された第
１，２反射光束を受光する第１及び第２の受光素子１
１，１２を、受光面に円形状の中心受光領域ａ₁，ａ₂と
その周囲に位置する４分割受光領域ｂ₁〜ｅ₁，ｂ₂〜ｅ₂
とを有する５分割受光領域構造のものとし、かつ、第１
及び第２の受光素子１１，１２の出力信号に基づき焦点
位置ずれ量Ｆｅを算出する第１の演算手段１７の他に、
第１及び第２の受光素子１１，１２の各々の４分割受光
領域ｂ₁〜ｅ₁，ｂ₂〜ｅ₂の出力信号に基づき第１及び第
２の受光素子１１，１２の中心の光軸からのずれ量
ｄ_x1，ｄ_y1，ｄ_x2，ｄ_y2を各々算出する第２の演算手段
２０，２１を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光触針式形状測定
機において用いられる光触針式変位センサや、物体表面
の振動や変位を測定するための微小変位センサなどに活
用される光学式変位センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光ピックアップ用の光学式変位
センサは極めて感度が高く、小型・軽量であることか
ら、光学的表面粗さ計用の光触針子などとして利用され
ている。このような光触針式変位センサは微小スポット
を被検面上に結像させその反射光を検出することを基本
とするもので、臨界角法、非点収差法、或いは、ピンホ
ールによるダブルビームサイズ法などの方式が知られて
いる。

【０００３】ここに、この種の光触針式変位センサにお
いては、被検面が光軸に対して傾斜している場合、この
被検面からの反射光はその一部が対物レンズの開口によ
ってけられ、反射光束の内、焦点検出光学系に入射する
光束の断面形状が回転対称でなくなってしまう。この結
果、元々、検出光学系の構成が回転対称でない非点収差
法や臨界角法によるものでは、光束の断面形状が回転対
称でなくなることの影響で焦点誤差出力のゼロ点の位置
が変化してしまう。よって、被検面の傾斜角が大きく変
化する形状測定の場合には、高精度な測定を行うことが
できない。

【０００４】一方、特公平２−５５７２２号公報等によ
り知られているピンホールによるダブルビームサイズ法
による光触針式変位センサは、その検出光学系の構成が
光軸に対して回転対称であるため、被検面の傾斜方向に
よる原点位置（焦点誤差出力のゼロ点）の変動を受けに
くい構造となっている。よって、被検面が任意の方向に
傾斜する３次元形状測定のための光触針プローブとして
用いる場合、高精度な測定が可能となる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ピンホール
によるダブルビームサイズ法において高感度な焦点誤差
出力を得ようとする場合、ピンホールの光軸直交方向の
位置決めに高い精度が要求される。これは、ピンホール
の位置に誤差があると、検出光学系が回転対称でなくな
り、焦点誤差出力のゼロ点のずれが被検面の傾斜角、傾
斜方向によって変化してしまうからである。しかし、現
状では、ピンホールの位置決めないしは制御は試行錯誤
によって行うしかなく、高い精度の位置決めを行うこと
ができず、ピンホールによるダブルビームサイズ法によ
る光触針式変位センサを実用化する上で支障となってい
る。

【０００６】ちなみに、この種の光触針式変位センサの
光軸調整自体としては、例えば、特開平５−３２２５６
０号公報に記載されている手法がある。しかし、非点収
差法による検出光学系を備えたものであり、ピンホール
によるダブルビームサイズ法には適用できない手法であ
る。

【０００７】このようなことから、ピンホールによるダ
ブルビームサイズ法による特長を活かしながら、光軸合
わせを高精度に行うことができ、その光学系の組み付け
の容易な光学式変位センサを実現することが課題となっ
ている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、光源と、この光源から出射された光束を集光させて
被検面に照射する対物レンズと、前記被検面から反射さ
れてこの対物レンズを透過した光束を第１反射光束と第
２反射光束とに２分割する光束分割手段と、前記光束分
割手段により２分割された一方の第１反射光束の集光点
より前側のピンホール位置に配置された第１の受光素子
と、前記光束分割手段により２分割された他方の第２反
射光束の集光点より後側のピンホール位置に配置された
第２の受光素子と、これらの第１及び第２の受光素子か
ら得られる出力信号に基づき焦点位置ずれ量を算出する
第１の演算手段とを有することで、基本的に、ピンホー
ルによるダブルビームサイズ法による検出光学系として
構成されている。ここに、前記第１の受光素子は、受光
面に円形状の中心受光領域とこの中心受光領域の周囲に
位置する４分割受光領域とを有する５分割受光領域構造
であり、第２の受光素子も第１の受光素子と同じ５分割
受光領域構造であり、これらの第１及び第２の受光素子
の各々の４分割受光領域から得られる出力信号に基づき
これらの第１及び第２の受光素子中心の光軸からのずれ
量を各々算出する第２の演算手段を備えることにより、
ピンホールによるダブルビームサイズ法による焦点位置
ずれ量の検出機能を確保しながら、第１及び第２の受光
素子中心の光軸からのずれ量も検出できるので、高精度
な光軸位置合わせが可能となる。

【０００９】請求項２記載の発明では、さらに、第１及
び第２の受光素子を各々光軸に直交する平面内で変位自
在に支持する支持機構と、前記第１及び第２の受光素子
を各々光軸に対して垂直な平面内で４分割受光領域の分
割線に対応して直交する２つの方向に駆動させる２つず
つのアクチュエータと、第２の演算手段により算出され
たずれ量が０となるようにこれらのアクチュエータを制
御する制御手段とを有するので、高精度な光軸位置合わ
せが自動的に行われ、経時変化の影響を受けないことに
なる。

【００１０】また、請求項３記載の発明では、第１の演
算手段を、第１及び第２の受光素子各々の中心受光領域
から得られる出力を各々の受光素子内の全ての受光領域
から得られる出力の総和で除算する第１の演算回路と、
これらの第１の演算回路の出力値の演算に基づき焦点位
置ずれ量を算出する第２の演算回路とにより構成するこ
とにより、中心受光領域の受光量が受光面全体の受光量
で比率情報に無次元化され、光束の光量分布のみに依存
する出力が得られる。よって、光束分割手段の分割率や
受光素子の個体差が相殺され、焦点位置ずれ量の検出精
度が向上する。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の一形態を図面に基
づいて説明する。本発明の光学式変位センサは、実施の
一形態として、例えば、被検物１の被検面１ａの形状を
測定するための光触針式形状測定機中の光触針変位セン
サ２に適用されている。

【００１２】この光触針変位センサ２の光学系構成を図
２により説明する。この光触針変位センサ２はピンホー
ルによるダブルビームサイズ法をベースとして構成され
ており、半導体レーザ等による光源３と対象とする被検
面１ａとの間の光路上には、コリメートレンズ４、偏光
ビームスプリッタ５、１／４波長板６及び対物レンズ７
が順に配設されている。これにより、光源３から出射さ
れた光束はコリメートレンズ４により平行化された後、
偏光ビームスプリッタ５及び１／４波長板６を透過して
直線偏光から円偏光に変換されて対物レンズ７に入射す
る。よって、円偏光に変換された光束は対物レンズ７に
よって被検物１の被検面１ａに集光され、この被検面１
ａで反射される。被検面１ａで反射された光束は、再び
対物レンズ７を通り、１／４波長板６を経て入射光束と
は異なる方向の直線偏光に変換されて偏光ビームスプリ
ッタ５に入射することにより、その反射面で反射され、
入射光と分離される。

【００１３】次に、この偏光ビームスプリッタ５による
反射光路上には結像レンズ８、光束分割手段となるハー
フミラー９が順に配設されている。このハーフミラー９
により２分割される一方の第１反射光束１０ａの光路上
には第１の受光素子１１が配置され、他方の第２反射光
束１０ｂの光路上には第２の受光素子１２が配置されて
いる。より詳細には、前記第１の受光素子１１は前記結
像レンズ８によって集光される第１反射光束１０ａの集
光点より前側にずらしたピンホール位置に配設され、前
記第２の受光素子１２は前記結像レンズ８によって集光
される第２反射光束１０ｂの集光点より後側にずらした
ピンホール位置に配設されている。

【００１４】よって、被検面１ａと対物レンズ７との距
離の変化に応じて第１，２反射光束１０ａ，１０ｂのピ
ンホール前後の集光位置がずれるため、基本的に第１及
び第２の受光素子１１，１２の各々の出力差から焦点位
置ずれ量を検出することが可能となる。このようにし
て、特公平２−５５７２２号公報等に原理が記載された
ピンホールによるダブルビームサイズ法による検出光学
系が構成されている。

【００１５】ここに、本実施の形態においては、第１及
び第２の受光素子１１，１２の受光面が図１(ａ)(ｂ)に
示すように構成されている。まず、図１(ａ)は第１の受
光素子１１の受光面の構造を示し、５つに分割された受
光領域を有する構造とされている。即ち、中心に位置し
て光軸上に配置される円形状の中心受光領域ａ₁ と、こ
の中心受光領域ａ₁ の周囲に位置する等分された４分割
受光領域ｂ₁ ，ｃ₁ ，ｄ₁ ，ｅ₁ とを備えている。これ
らの４分割受光領域ｂ₁ ，ｃ₁ ，ｄ₁ ，ｅ₁ の分割線
は、第１反射光束１０ａの光軸（対物レンズ７の光軸）
に対して垂直な平面内で直交する２つの方向ｘ，ｙに一
致するように設定されている（従って、非点収差法のよ
うに、ｘ，ｙ方向に対角配置させたものとは異なる）。

【００１６】図１(ｂ)に示す第２の受光素子１２の受光
面の構造は、第１の受光素子１１の受光面の構造と全く
同一とされている。即ち、中心に位置して光軸上に配置
される円形状の中心受光領域ａ₂ と、この中心受光領域
ａ₂ の周囲に位置する等分された４分割受光領域ｂ₂ ，
ｃ₂ ，ｄ₂ ，ｅ₂ とを備えている。これらの４分割受光
領域ｂ₂ ，ｃ₂ ，ｄ₂ ，ｅ₂ の分割線は、第２反射光束
１０ｂの光軸（対物レンズ７の光軸）に対して垂直な平
面内で直交する２つの方向ｘ，ｙに一致するように設定
されている。

【００１７】なお、第１及び第２の受光素子１１，１２
に関して示す方向ｘ，ｙは、これらの第１及び第２の受
光素子１１，１２の配置の違いにより物理的には異なる
方向となるが、光軸を基準とし、この光軸に対して垂直
な平面内での方向を示しており、光学的には同一の方向
となる。

【００１８】また、これらの第１及び第２の受光素子１
１，１２は各々支持機構となる取付治具１３，１４によ
り光軸と垂直な平面内で変位可能に支持されている。こ
こに、前記取付治具１３には、第１の受光素子１１の位
置をｘ方向、ｙ方向に各々駆動させるアクチュエータ１
５ｘ，１５ｙが取り付けられている。取付治具１４側も
同様であり、この取付治具１４には第２の受光素子１２
の位置をｘ方向、ｙ方向に各々駆動させるアクチュエー
タ１６ｘ，１６ｙが取り付けられている。

【００１９】さらに、前記第１及び第２の受光素子１
１，１２の出力側には第１の演算手段を構成する演算回
路１７が接続されている。この演算回路１７は、第１及
び第２の受光素子１１，１２の中心受光領域ａ₁ ，ａ₂
から得られる出力信号をａ₁ ，ａ₂ としたとき、 Ｆｅ＝（ａ₁ −ａ₂ ）／（ａ₁ ＋ａ₂ ） なる演算を行って、対物レンズ７の焦点位置ずれ量Ｆｅ
を算出するものである。この焦点位置ずれ量Ｆｅが０と
なるように対物レンズ７のアクチュエータ（図示せず）
が駆動制御される。

【００２０】また、前記第１及び第２の受光素子１１，
１２の出力側には各々制御手段を構成して対応するアク
チュエータ１５ｘ，１５ｙ，１６ｘ，１６ｙを制御する
制御回路１８，１９が接続されている。これらの制御回
路１８，１９中には、各々第２の演算手段を構成する演
算回路２０，２１が含まれている。

【００２１】演算回路２０は、被検面１ａが入射光軸に
直交している場合において、第１の受光素子１１の中心
の光軸からのずれ量をｄ_x1，ｄ_y1としてｘ，ｙの２方向
分を算出する。即ち、第１の受光素子１１の４分割受光
領域ｂ₁ ，ｃ₁ ，ｄ₁ ，ｅ₁から得られる出力信号を各
々ｂ₁ ，ｃ₁ ，ｄ₁ ，ｅ₁ としたとき、ずれ量ｄ_x1，ｄ
_y1は、 ｄ_x1＝｛(ｂ₁＋ｅ₁)−(ｃ₁＋ｄ₁)｝／（ｂ₁＋ｃ₁＋ｄ₁
＋ｅ₁） ｄ_y1＝｛(ｂ₁＋ｃ₁)−(ｄ₁＋ｅ₁)｝／（ｂ₁＋ｃ₁＋ｄ₁
＋ｅ₁） として算出される。

【００２２】演算回路２１も同様であり、被検面１ａが
入射光軸に直交している場合において、第２の受光素子
１２の中心の光軸からのずれ量をｄ_x2，ｄ_y2としてｘ，
ｙの２方向分を算出する。即ち、第２の受光素子１２の
４分割受光領域ｂ₂ ，ｃ₂ ，ｄ₂ ，ｅ₂ から得られる出
力信号を各々ｂ₂ ，ｃ₂ ，ｄ₂ ，ｅ₂ としたとき、ずれ
量ｄ_x2，ｄ_y2は、 ｄ_x2＝｛(ｂ₂＋ｅ₂)−(ｃ₂＋ｄ₂)｝／（ｂ₂＋ｃ₂＋ｄ₂
＋ｅ₂） ｄ_y2＝｛(ｂ₂＋ｃ₂)−(ｄ₂＋ｅ₂)｝／（ｂ₂＋ｃ₂＋ｄ₂
＋ｅ₂） として算出される。

【００２３】このように、５分割受光領域構造の第１及
び第２の受光素子１１，１２を用い、この内、４分割受
光領域から得られる出力信号に基づきこれらの第１及び
第２の受光素子１１，１２の中心の光軸からのずれ量ｄ
_x1，ｄ_y1，ｄ_x2，ｄ_y2を各々算出する演算回路２０，２
１を備えることにより、ピンホールによるダブルビーム
サイズ法による焦点位置ずれ量Ｆｅの検出機能を確保し
ながら、第１及び第２の受光素子１１，１２の中心の光
軸からのずれ量ｄ_x1，ｄ_y1，ｄ_x2，ｄ_y2も検出できるの
で、これらのｄ_x1，ｄ_y1，ｄ_x2，ｄ_y2が０となるように
第１及び第２の受光素子１１，１２を位置調整すること
により、高精度な光軸位置合わせが可能となる。

【００２４】このような位置調整は、制御回路１８，１
９及びアクチュエータ１５ｘ，１５ｙ，１６ｘ，１６ｙ
を用いて自動的に行われる。即ち、制御回路１８は演算
回路２０により算出されたずれ量ｄ_x1が０でない場合に
はこのずれ量ｄ_x1が０となるようにアクチュエータ１５
ｘを駆動させる。また、ずれ量ｄ_y1が０でない場合には
このずれ量ｄ_y1が０となるようにアクチュエータ１５ｙ
を駆動させる。これにより、第１の受光素子１１の中心
が光軸に合致するように自動的に位置合わせされる。ま
た、制御回路１９は演算回路２１により算出されたずれ
量ｄ_x2が０でない場合にはこのずれ量ｄ_x2が０となるよ
うにアクチュエータ１６ｘを駆動させる。また、ずれ量
ｄ_y2が０でない場合にはこのずれ量ｄ_y2が０となるよう
にアクチュエータ１６ｙを駆動させる。これにより、第
２の受光素子１２の中心が光軸に合致するように自動的
に位置合わせされる。このような位置合わせ制御は、経
時的に行われるので、経時的要因により光軸ずれが生じ
たような場合にも対処できる。

【００２５】ところで、本実施の形態における演算回路
１７では、第１及び第２の受光素子１１，１２の中心受
光領域ａ₁ ，ａ₂ から得られる出力信号ａ₁ ，ａ₂ のみ
に基づいて焦点位置ずれ量Ｆｅを算出するようにした
が、これらの第１及び第２の受光素子１１，１２の全受
光領域から得られる出力信号に基づいて算出するように
してもよい。このためには、演算回路１７中に第１及び
第２の演算回路（図示せず）を設けて、以下の演算を行
わせればよい。まず、第１の演算回路により、 Ｓ₁ ＝ａ₁ ／（ａ₁＋ｂ₁＋ｃ₁＋ｄ₁＋ｅ₁） Ｓ₂ ＝ａ₂ ／（ａ₂＋ｂ₂＋ｃ₂＋ｄ₂＋ｅ₂） として、受光素子１１，１２毎の比率情報を算出する。
即ち、第１の受光素子１１の中心受光領域ａ₁ から得ら
れる出力を、全ての受光領域ａ₁ ，ｂ₁ ，ｃ₁ ，ｄ₁ ，
ｅ₁ から得られる出力の総和で除算して情報Ｓ₁ を取得
する。同様に、第２の受光素子１２の中心受光領域ａ₂
から得られる出力を、全ての受光領域ａ₂，ｂ₂ ，ｃ
₂ ，ｄ₂ ，ｅ₂ から得られる出力の総和で除算して情報
Ｓ₂ を取得する。次いで、第２の演算回路により、 Ｆｅ＝（Ｓ₁−Ｓ₂）／（Ｓ₁＋Ｓ₂） なる演算を行い、焦点位置ずれ量Ｆｅを算出する。

【００２６】これによれば、中心受光領域ａ₁ ，ａ₂ の
受光量が受光面全体の受光量で比率情報として無次元化
され、光束の光量分布のみに依存する出力が得られる。
よって、ハーフミラー９の分割率や第１及び第２の受光
素子１１，１２間の個体差が相殺され、焦点位置ずれ量
Ｆｅの検出精度が向上する。

【００２７】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ピンホー
ルによるダブルビームサイズ法による検出光学系の構成
をベースとし、２分割された光束を受光する第１及び第
２の受光素子を、受光面に円形状の中心受光領域とこの
中心受光領域の周囲に位置する４分割受光領域とを有す
る５分割受光領域構造のものとし、かつ、これらの第１
及び第２の受光素子から得られる出力信号に基づき焦点
位置ずれ量を算出する第１の演算手段の他に、これらの
第１及び第２の受光素子の各々の４分割受光領域から得
られる出力信号に基づきこれらの第１及び第２の受光素
子中心の光軸からのずれ量を各々算出する第２の演算手
段を備えたので、ピンホールによるダブルビームサイズ
法による焦点位置ずれ量の検出機能を確保しながら、第
１及び第２の受光素子中心の光軸からのずれ量も検出す
ることができ、よって、この光軸からのずれ量が０とな
るように位置調整することにより、光軸位置合わせを高
精度に行うことができる。

【００２８】請求項２記載の発明によれば、さらに、第
１及び第２の受光素子を各々光軸に直交する平面内で変
位自在に支持する支持機構と、前記第１及び第２の受光
素子を各々光軸に対して垂直な平面内で４分割受光領域
の分割線に対応して直交する２つの方向に駆動させる２
つずつのアクチュエータと、第２の演算手段により算出
されたずれ量が０となるようにこれらのアクチュエータ
を制御する制御手段とを有するので、高精度な光軸位置
合わせを動的に行わせることができ、経時変化の影響を
受けない調整制御が可能となる。

【００２９】また、請求項３記載の発明によれば、第１
の演算手段を、第１及び第２の受光素子各々の中心受光
領域から得られる出力を各々の受光素子内の全ての受光
領域から得られる出力の総和で除算する第１の演算回路
と、これらの第１の演算回路の出力値の演算に基づき焦
点位置ずれ量を算出する第２の演算回路とにより構成し
たので、中心受光領域の受光量を受光面全体の受光量で
比率情報に無次元化することができ、光束の光量分布の
みに依存する出力が得られるため、光束分割手段の分割
率や受光素子の個体差を相殺でき、焦点位置ずれ量の検
出精度を一層向上させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態を示し、（ａ）は第１の
受光素子の正面図、（ｂ）は第２の受光素子の正面図、
（ｃ）は演算・制御系を含めて概念的に示す構成図であ
る。

【図２】光触針変位センサを示す光学系構成図である。

【図３】アクチュエータ及び取付治具を含めて示す受光
素子の正面図である。

【符号の説明】

１ａ 被検面 ３ 光源 ７ 対物レンズ ９ 光束分割手段 １０ａ 第１反射光束 １０ｂ 第２反射光束 １１ 第１の受光素子 １２ 第２の受光素子 １３，１４ 支持機構 １５ｘ，１５ｙ，１６ｘ，１６ｙ アクチュエータ １７ 第１の演算手段 １８，１９ 制御手段 ２０，２１ 第２の演算手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源と、 この光源から出射された光束を集光させて被検面に照射
   する対物レンズと、 前記被検面から反射されてこの対物レンズを透過した光
   束を第１反射光束と第２反射光束とに２分割する光束分
   割手段と、 受光面に円形状の中心受光領域とこの中心受光領域の周
   囲に位置する４分割受光領域とを有して、前記光束分割
   手段により２分割された一方の第１反射光束の集光点よ
   り前側のピンホール位置に配置された第１の受光素子
   と、 この第１の受光素子の受光面と同一の受光面を有して、
   前記光束分割手段により２分割された他方の第２反射光
   束の集光点より後側のピンホール位置に配置された第２
   の受光素子と、 これらの第１及び第２の受光素子から得られる出力信号
   に基づき焦点位置ずれ量を算出する第１の演算手段と、 これらの第１及び第２の受光素子の各々の４分割受光領
   域から得られる出力信号に基づきこれらの第１及び第２
   の受光素子中心の光軸からのずれ量を各々算出する第２
   の演算手段と、を有することを特徴とする光学式変位セ
   ンサ。
2. 【請求項２】 第１及び第２の受光素子を各々光軸に直
   交する平面内で変位自在に支持する支持機構と、 前記第１及び第２の受光素子を各々光軸に対して垂直な
   平面内で４分割受光領域の分割線に対応して直交する２
   つの方向に駆動させる２つずつのアクチュエータと、 第２の演算手段により算出されたずれ量が０となるよう
   にこれらのアクチュエータを制御する制御手段と、をさ
   らに有することを特徴とする請求項１記載の光学式変位
   センサ。
3. 【請求項３】 第１の演算手段は、第１及び第２の受光
   素子各々の中心受光領域から得られる出力を各々の受光
   素子内の全ての受光領域から得られる出力の総和で除算
   する第１の演算回路と、これらの第１の演算回路の出力
   値の演算に基づき焦点位置ずれ量を算出する第２の演算
   回路とよりなることを特徴とする請求項１記載の光学式
   変位センサ。