JPS6073405A - 表面要素の位置測定方法および装置 - Google Patents

表面要素の位置測定方法および装置

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JPS6073405A
JPS6073405A JP59186613A JP18661384A JPS6073405A JP S6073405 A JPS6073405 A JP S6073405A JP 59186613 A JP59186613 A JP 59186613A JP 18661384 A JP18661384 A JP 18661384A JP S6073405 A JPS6073405 A JP S6073405A
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lens
surface element
waves
wave
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JP59186613A
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グロ　ダニエル
ダン　クロー
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Battelle Memorial Institute Inc
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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
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    • G01B2210/50—Using chromatic effects to achieve wavelength-dependent depth resolution

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明の目的は対象とする表面要素の位置を参照目盛に
対比して測定する方法および装置に関し、複数の光波を
含む光束から、各光波の焦点に対応する複数の点に焦点
を結ばせ、表面要素上に焦点を結んだ光の波長を測定す
る型のものである。
従来技術 この型の方法および装置は西独特許第 １９６２５１５号および英国特許第２０７７４２１号に
開示されている。
西独特許第１９６２５１５号は、接触することなしに距
離を光学的に測定する装置に関し、光束から個別の複数
の焦点を結ばせる。この装置は２つの焦点の間にある対
象の位置を測定することができる。対象によって反射さ
れて焦点に収斂した２つの光波の強度を比較する。
この装置に対比して対象の位置を測定するには、これら
の光波が等しい強度を有する時に行なう。
この等しい強度を得るために装置を変位させる・この装
置の最終位置によって対象の位置を定めることができる
。この装置は実際はハイブリ、ド装置であって、装置の
位置を測定する°機械的測定系と、この装置に対比して
対象の位置を測定する光学的測定系とを含む。
英国特許第２０７７４２１号は、対象の変位を測定する
ための方法および光学的装置に関し、等しい強度を有す
る相異なる２つの単色光束の焦点を同一軸上に結ばせ、
参照平面から等距離に位置する個別の２つの焦点を得る
。光の相対的強度の測定は、対象で反射された後に、２
つの光束の光波について行なう。光の相対的強度は、各
光波の強度の差または商によって定める。この相対的強
度の特性値は対象の変位によって変化する。
上記２つの場合において、対象の位置測定は２つの光学
的信号を比較して行なう。比較の精度は明らかに信号の
強度に依存する。その結果、このような装置の解像力お
よび精度は極めて狭いものであって、位置させる対象の
表面の光学的性質に依存する。
問題点 本発明の目的は、これら従来装置の欠点を解消すること
である。
解決手段 上記問題点は、波長が異なるが、振幅が実質的に等しい
複数の光波を含む少なくとも１つの光束を１つの光源か
ら発生させて形成し、この光源は光束の光軸に対して実
質的に直角な平面に配置し、光軸に沿りた個別の点にこ
れらの光波の焦点を結ばせ、これらの点が参照目盛を構
成し、これらの点の位置を各光波に固有の焦点距離によ
って定め、各焦点距離が唯１つの光波の波長に対応する
ことを利用し、参照目盛に対比して表面要素の位置を測
定する方法であって、表面要素によって反射された光を
スペクトルに分解し、各スペクトルを構成する光波の光
密度を測定し、これらの光波の間で光密度を比較して光
密度が最大である光波を決定し、この光波の波長を参照
目盛に対比して表面要素の位置を定めることを特徴とす
る、表面要素の位置測定方法によって解決される。
また、上記問題点は、振幅が実質的に等しい複数の光波
を含む光束を発生する少なくとも１つの多色光源を有し
、参照目盛に対比して表面要素の位置を測定する装置で
あって、光束に含まれる各光波を、その波長に特有な個
別の点に焦点を結ばせるレンズと、光束の焦点位置を構
成する一部の点と、これらの点の１つに位置するよう（
定めた位置を測定すべき表面要素と、この表面要素によ
って反射された光束のスペクトルを分析する手段と、光
密度が最大なスペクトル成分の波長を決定する手段と、
このスペクトル成分の焦点位置、従って表面要素の位置
を決定する手段とを有することを特徴とする表面要素の
位置測定装置によって解決される。
実施例 添付する２つの図面は本発明の装置の実施態様を例示す
る説明図である。
第１図の装置は、多色光源１から光束を発生する。この
光源はたとえばタングステン燈、アーク燈または他の光
源とすることができる。光束の光軸２は、光波を少なく
とも部分的に反射することができ、位置を測定すべき表
面要素４に指向している。通常型の同心円線条を有する
ホログラフィレンズ３は、光束を形成する相異なる光波
を、各波長λｌ　、λ２・・・λｎの関数として焦点を
結ばせる。
もし−次回折のみを考慮するのであれば、これら相ｊ！
表る光波は複数の焦点（Ｆｌ、Ｆ、・・・Ｆｎ）を結ぶ
。これら一群の焦点は焦点Ｆの位置を構成する。この型
のホログラフィレンズにおいて、焦点距離は焦点を結ぶ
光波の波長の逆数にはぼ比例することが重要である。光
源１から発生し、レンズ３によって焦点を結び、表面要
素４によって反射された光波は、ハーフミラ−５によっ
て凹面回折格子６に指向させられる。この回折格子は表
面要素によって反射された光をスペクトルに分解し、こ
のスペクトルの光波を光検出子７の線形集合体に収斂さ
せる。この光検出子７は、それぞれ点と考えることがで
き、たとえばＣＯＤ回路とすることができる。回折格子
６による光波の回折は次式によって行なわれる。
ａ・（ｇＩｆＩα十龜β）＝にλ 式中、ａ＝格子６の２つの細条間の距離α＝光波の入射
角 β＝光波の回折角 に＝整数（低次の回折についてはに＝］）λ＝入射光の
波長 反射光スペクトルの光波は、格子６によって回折され、
光検出子７の集合体の上の点（Ｐｌ　。
Ｐ２・・・Ｐｎ）の各表面帯域に収斂し、この帯域の表
面は、焦点（Ｆ１＃Ｆ２・・・Ｆｎ）が表面要素４から
遠ければ遠い程、大きい。それ故、１つまたは複数の光
検出子によりて、各帯域における光の強度を精密に測定
しさえすれば、この帯域における光密度、すなわちこの
帯域に収斂する光波の密度を特徴づける情報を得ること
ができる。解析器８は、各光検出子に指向する各光波の
光密度に対応して各光検出子から発生する電気信号（１
１。
Ｉ２・・・Ｉｎ）の強度を相互に比較して、密度が最大
な反射光スペクトルの波長λ２をめることができる。計
算器９は、この波長λ２を、レンズ３に固有な検量関数
ｒ（λ）に導入する。この関数はレンズによって焦点を
結んだ各光波の波長と、その焦点距離とを関係づけるも
のである。
単純化する目的で、第１図は唯１つの光源を示すが、自
明なように、光束の光軸に対して実質的に直角な平面上
に１複数の光源を並べて配置することができ、これらの
光源は１つまたは複数の列に整合させることができる。
このような組合せを行なう理由は、１つまたは複数の列
に整合させた帯域の各組合せからなる複数の各画像の密
度を比較できるようにするためである。
第２図に例示する曲線は、２７０本の同心円線条を有し
、その外側の線条の直径が約５順であるホログラフィレ
ンズを使用した場合であって、横軸は焦点距離を示し、
縦軸は波長を示す。乙の曲線を得るには、検量するため
にホログラフィレンズを使用して６つの波長のわかった
単色光束の焦点を結ばせた。次にレンズの焦点位置にミ
ラーを置き、各単色光束について反射光の光密度が最大
であるミラーの位置を測定した。
計算器９は、参照点の位置または参照目盛に対比して、
表面要素４の位置を特性づけるところの信号Ｘ１＝ｒ（
λ２）を発生する。参照点の位置または参照目盛の位置
は、検量曲線ｒ（λ）によって決定される。参照点は、
たとえばレンズ３の位置によって構成することができ、
参照目盛は、特に全部または一部の焦点Ｆの位置によっ
て構成することができる。
円線条を有するホログラフィレンズによっては、二次回
折を測定することもでき、また三次以上の回折も同様に
測定することができる。二次回折は波長λ１　、λ２・
・・λｎの一部を二次焦点Ｆ′を構成するｐ／ｌｌ　ｐ
／２・・・Ｆ′ｏに焦点を結ばせる。これらの二次焦点
はレンズと一次焦点Ｆの位置との間に位置し、Ｆ′に焦
点を結んだ光波の強度はＦに焦点を結んだ光波の強度よ
シ弱い。どのようた分析器を使用しても、二次焦点の位
置においた何らかの対象によって反射される光のスペク
トルがあるので、各ホログラフィレンズについて少なく
とも２つの焦点位置を測定することができ、また同一の
測定装置について少なくとも２つの個別の領域を測定す
ることができる。
光源１から発生した光束の一部はホログラフィレンズ３
によって反射されてノイズとなる。このノイズ光は表面
要素４によって反射された光波にすることは避けられな
い。
本発明の第２の実施態様として、この欠点を解消するた
めに、同心円線条のレンズ３の代シに、光束軸２に対し
て直角な平面よシ多くとも数度傾斜している僅かに楕円
を確びた同心線条を有するレンズを使用する。この配置
によって、レンズによって反射されたノイズ光部分を、
表面要素４によって反射された光波束の後方に、指向さ
せることができる。
本発明の第３の実施態様として、表面要素によって反射
された波長λ冨の光束部分の最小断面に対して、円形開
口を有する絞シ１０をミラー５と、スペクトル分析系の
凹面回折格子との間に、配置することが有利である。こ
の絞シは反射光束から、表面要素の後方に焦点を結んだ
光波の一部を除去する。この光波はそれぞれ表面要素上
に円板形として現われ、その直径は表面要素と、光波の
焦点との間の距離に比例する。この光波の円板形の直径
が絞シの直径よシ大きいＫも拘らず除去することができ
る。さらにこの絞シはレンズ３によって反射された光波
を部分的に阻止する。この絞シは表面要素上に焦点を結
んだ光波λ２をよシ一層間らかに示す効果を有する。
本発明の第４の実施態様として、少なくとも１つの反射
レンズを有し、取説しかできる古典的光学系を、レンズ
３とその焦点位置Ｆとの間におく。
これによって単一のレンズ３を多くの用途に使用するこ
とができる、たとえばレンズ３に対して焦点Ｆの位ｆｌ
変えることができる。
本発明の第５の実施態様として、ホログラフィレンズ３
の代シに色収差の大きい屈折レンズを使用して、複数の
焦点Ｆ１　、Ｆ２・・・Ｆｎに光束２から各光波の焦点
を結ばせることができる。この屈折レンズの焦点の位置
はホログラフィレンズの焦点の位置よ層明らかに短かい
。この理由によって、これら２つの型のレンズは補完的
でおるということができる。
本発明の第６の実施態様として、ホログラフィ円筒レン
ズと呼ばれる、平行線条を有するホログラフィレンズを
使用する。この型のレンズは円線条を有するレンズとは
異なシ、複数の焦点Ｆ１＋Ｆ２・・・Ｆｎからなる焦点
位置がレンズの線条に平行な線分となる。
この実施態様は同一平面上になくて隣接する２つの表面
要素ａ、ｂの間の距離を測定する場合に使用することが
できる。この場合、反射光スペクトル分析系は２つの光
波λ６およびλｂが表面要素ａおよびｂの上にそれぞれ
焦点を明かに結ぶことを示す請求めるべき距離は各表面
要素からレンズに至る距離の差である。これらの距離は
、平行線条を有するレンズに固有な検量曲線を利用し、
さきの場合と同様にして定める。
この実施態様においては、線状焦点においた表面要素ａ
およびｂの間の距離を見出すことができる。このとき前
記各表面要素によって反射された光波λ８およびλｂの
相対的強度を比較する。
第３図は本発明の第７の実施態様を示し、ここではマル
チモード光ファイバ２６を使用する、その芯の直径は約
１０〜１００μｍであシ、この直径は測定ヘッド２０お
よび光電変換系２１によって変化する。この系２１は多
色光束を発生し、位置を測定すべき表面要素３１によっ
て反射された光を解析するように設計されている。多色
光源２２は、平行光束を形成する第１屈折レンズ２３に
拡散光束を指向させる。第２屈折レンズ２４は光ファイ
バ２６の第１端２５にこの光束の焦点を結ばせ、この第
１端２５は第１コネクタ２７で固定されている。第２コ
ネクク２９は、光ファイバ２６の第２端２８を測定ヘッ
ド２０に固定する。この第２端２８は点光源として作用
し、光源２２から発生した光束を構成する波長λｌ〜λ
。をホログラフィレンズ３０に指向させる。このレンズ
は光波を各光波の波長の関数として収斂させ、焦点位置
Ｆを形成する。表面要素３１によってレンズ３０に向け
て反射された光波は、光ファイバ２６の第２端２８の端
面に焦点を結ぶ。第１端２５は表面要素３１によってレ
ンズ３０に向けて反射された光波の点光源として作用す
る。これらの光波をレンズ２４に指□向させる。仁のレ
ンズ２４の作用として、前記反射光に平行する光束を形
成する。
レンズ２３および２４の間にハーフミラ−３２があり、
このハーフミラ−３２は反射光波の平行光格子３４に指
向させる。この格子３４によって回折された光波は、第
１図の集合体７と同様な光検出子３５の集合体に指向さ
せる。光検出子から発生した電気信号は、第１図の解析
器８と計算器９との作用を合せて有する演算装置３６に
よって処理する。
この実施態様において、第１図の絞シ１ｏと同様な絞り
を使用しないことに留意すべきである。
これは、反射光が入射する光ファイバ２６の第２端２８
が、表面要素の後方に焦点を結んだ光波の少なくとも一
部を除去する点およびレンズ３ｏによって反射された光
波を阻止する点において、さきの絞シと同様な効果を有
するためである。
本発明の測定装置の応用例として、機械的小片の幅を測
定することができる。この目的で、測定すべき小片の両
側に２つの測定装置をおき、次の関係式によってこの小
片の幅を見出すことができる。
Ｘ　＝　ｄ　−Ｘｉ　−Ｘｓ 式中、請求める寸法 ｄ＝２つの測定装置間の距離 Ｘ、　＝第１測定装置と小片との間の距離Ｘ２　＝第２
測定装置と小片との間の距離本発明の測定装置は、反射
光スペクトルの変化を時間の関数として測定し、動的測
定を行なうことができる。規則的な時間間隔をおいてス
ペクトルを分析する仁とによって表面要素の変位を測定
することができる。この使用形態は、特に口？ットの行
動位置、速度、もしくは加速度の自動制御、または工作
機械の自動制御に応用することができる。
ここに記載する応用例はすべての例を列挙したものでは
ない。本発明の装置は、接触することなしに距離の測定
を行表う場合に有利に使用することができる。
ここに記載する光スペクトル分析系は例示にすぎないこ
とに留意すべきである。当業者は現存するすべてのスペ
クトル分析系を容易に採用することができるであろう。
たとえば揺動する回折レンズを有する分析系を使用して
、各回折光波を光検出装置に順次指向させることもでき
る。光検出子が最大の光強度を測定する時に、格子の対
応位置は、レンズ焦点の位置にある表面要素の位置、従
って測定装置から表面要素までの距離を現わす。
反射光スペクトル分析系の他の実施態様として、回折格
子を固定し、光検出子を運動させることもできる。また
表面要素によって反射された光束をスペクトルに分解す
るために、回折格子以外の手段を使用できることも明ら
かであろう。本発明の範囲を限定しない例として、光束
スペクトル分析手段を拡散プリズムまたは薄層スペクト
ルフィルタから構成することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の装置の第１の実施態様の説明図であシ
、 第２図は検量曲線の略図であシ、 第３図は本発明の装置の他の実施態様の説明図である。 １・・・−）［，２・・・光軸、３・・・ホログラフィ
レンズ、４・・・表面要素、５・・・ハーフミラ−１６
・・・回折格子、７・・・光検出子、８・・・解析器、
９・・・計算器。 特許出願人 パテル　メモリアル　インスティチュート特許出願代理
人 弁理士　青　木　朗 弁理士西舘和之 弁理士　寺　１）　豊 弁理士　山　口　昭　之 弁理士　西　山　雅　也

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、波長が異なるが、振幅が実質的に等しい複数の光波
    を含む少なくとも１つの光束を１つの光源から発生させ
    て形成し、この光源は光束の光軸に対して実質的に直角
    な平面に配置し、光軸に沿った個別の点にこれらの光波
    の焦点を結ばせ、これらの点が参照目盛を構成し、これ
    らの点の位置を各光波に固有の焦点距離によって定め、
    各焦点距離が唯１つの光波の波長に対応することを利用
    し、参照目盛に対比して表面要素の位置を測定する方法
    であって、表面要素によりて反射された光をスペクトル
    に分解し、各スペクトルを構成する光波の光密度を測定
    し、これらの光波の間で光密度を比較して光密度が最大
    である光波を決定し、この光波の波長を参照目盛に対比
    して表面要素の位置を定めることを特徴とする、表面要
    素の位置測定方法。 ２、光束をス（クトルに分解する前に、表面要素によっ
    て反射された光束を構成する光波の一部を特徴する特許
    請求の範囲第１項記載の方法。 ３、振幅が実質的に等しい複数の光波を含む光束を発生
    する少なくとも１つの多色光源を有し、参照目盛に対比
    して表面要素の位置を測定する装置であって、光束に含
    まれる各光波を、その波長に特有な個別の点に焦点を結
    ばせるレンズと、光束の焦点位置を構成する一部の点と
    、これらの点の１つに位置するように定めた、位置を測
    定すべき表面要素と、この表面要素によって反射された
    光束のスペクトルを分析する手段と、光密度が最大なス
    ペクトル成分の波長を決定する手段と、このスペクトル
    成分の焦点位置、従って表面要素の位置を決定する手段
    とを有することを特徴とする表面要素の位置測定装置。 ４、各光波の焦点を結ばせるレンズが、同心円線条を有
    するホログラフィレンズである、特許請求の範囲第３項
    記載の装置。 ５、各光波の焦点を結ばせるレンズが、同心楕円線条を
    有するホログラフィレンズでアシ、かつこのレンズが光
    束の光軸に直角な平面に対して傾斜している平面に位置
    する、特許請求の範囲第３項記載の装置。 ６、各光波の焦点を結ばせるレンズが光収差の大きい屈
    折レンズである、特許請求の範囲第３項記載の装置。 ７、各光波の焦点を結ばせるレンズとその焦点との間に
    、少なくとも１つの屈折レンズからなる古典的光学系を
    特徴とする特許請求の範囲第３項記載の装置。 ８、表面要素によって反射された光束を構成する光波の
    一部を選択する絞シを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の装置。
JP59186613A 1983-09-12 1984-09-07 表面要素の位置測定方法および装置 Pending JPS6073405A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CH4950/83-9 1983-09-12
CH4950/83A CH663466A5 (fr) 1983-09-12 1983-09-12 Procede et dispositif pour determiner la position d'un objet par rapport a une reference.

Publications (1)

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JPS6073405A true JPS6073405A (ja) 1985-04-25

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JP59186613A Pending JPS6073405A (ja) 1983-09-12 1984-09-07 表面要素の位置測定方法および装置

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JP (1) JPS6073405A (ja)
CH (1) CH663466A5 (ja)

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