JPS61240103A - Optical minute displacement meter - Google Patents

Optical minute displacement meter

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Publication number
JPS61240103A
JPS61240103A JP8199385A JP8199385A JPS61240103A JP S61240103 A JPS61240103 A JP S61240103A JP 8199385 A JP8199385 A JP 8199385A JP 8199385 A JP8199385 A JP 8199385A JP S61240103 A JPS61240103 A JP S61240103A
Authority
JP
Japan
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displacement
displacement meter
splitter
minute displacement
optical
Prior art date
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Pending
Application number
JP8199385A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Noriyuki Miyahara
宮原 則行
Akimasa Morita
晃正 森田
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Filing date
Publication date
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Priority to US06/852,845 priority patent/US4732485A/en
Priority to DE19863613209 priority patent/DE3613209A1/en
Publication of JPS61240103A publication Critical patent/JPS61240103A/en
Pending legal-status Critical Current

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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

PURPOSE:To facilitate the setting of a displacement meter to the register in a detection head having high dissolving power and to enable automatic measurement, by together providing a minute displacement meter having a wide measuring range in coaxial relation to a minute displacement having high resolving power and simultaneously measuring the same measuring point by a plurality of minute displacement meters. CONSTITUTION:The reflected beam from a specimen 6 is guided to the outside by the polarizing beam splitter 3 of a minute displacement meter and a beam splitter 30 is provided between the splitter 3 and a beam splitter 7. A part of the reflected beam from the specimen 6 through the splitter 30 is incident to a quartering photosensor 23 from a cylindrical lens 21 to form an image thereon and the focus error signal from the sensor 23 is processed by a differential amplifier 33 and a compensation circuit 34 to control a stage driving motor 37. The reflected beams divided by the splitter 7 are respectively applied to critical angle prisms 8, 9 and the signals thereof are applied to bisecting photosensors 31, 32. The signals from said sensors 31, 32 are processed by differential amplifier systems 38, 39 and an adder circuit 40 and applied to a displacement sensor 44 through a displacement output apparatus 40.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、工作物の表面粗さや微小変位(上下変位)等
を非接触式に測定する光学式微小変位針に関するのであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical micro-displacement needle that measures the surface roughness, micro-displacement (vertical displacement), etc. of a workpiece in a non-contact manner.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

最近、工作物の表面粗さや微小変位等の測定に非接触の
光学式測定器として光学式微小変位計が用いられるよう
になってきているが、その中でも測定精度の向上、vt
置の小型化の可能性を有するものとして焦点検出方式を
応用したものが注目されており、これらのものとして臨
界角法、非点収差法等を応用したものがある。
Recently, optical micro-displacement meters have been used as non-contact optical measuring instruments to measure surface roughness and micro-displacement of workpieces.
Focus detection methods have been attracting attention as they have the potential to reduce the size of the device, and these methods include those using critical angle methods, astigmatism methods, and the like.

まず、臨界角法を用いたものとしては、例えば第11図
に示したものがある。これは、レーザダイオード1から
の赤外レーザ光が、コリメータレンズ2.偏光ビームス
プリッタ3.λ/4板4゜対物レンズ5を通って試料6
上に投射され、反射された光は5.λ/4板4.偏光ビ
ームスプリンタ3.ビームスプリッタ7を通って臨界角
プリズム8又は9に入射し、臨界角プリズム8又は9で
反射した光は夫々二つのフォトダイオード10゜11又
は12.13(第12図参照)に入射するように構成さ
れている。そして、試料6の測定面が対物レンズ5の焦
点位置になる場合、測定面で反射された光は対物レンズ
5によって平行光束となり、臨界角プリズム8又は9に
入射するが、この時入射光が丁度臨界角近傍で入射する
ように臨界角プリズム8又は9を設定しておくと、各二
個のフォトダイオード10.’11又は12.13には
第12図(b)に示した如く同一光量の光が到達する。
First, as an example of a method using the critical angle method, there is a method shown in FIG. 11, for example. This means that the infrared laser beam from the laser diode 1 passes through the collimator lens 2. Polarizing beam splitter 3. The sample 6 passes through the λ/4 plate 4° objective lens 5.
The light projected upward and reflected is 5. λ/4 plate 4. Polarized beam splinter 3. The light passing through the beam splitter 7 enters a critical angle prism 8 or 9, and is reflected by the critical angle prism 8 or 9 so that the light enters two photodiodes 10°11 or 12.13 (see FIG. 12), respectively. It is configured. When the measurement surface of the sample 6 becomes the focal point of the objective lens 5, the light reflected from the measurement surface becomes a parallel beam of light by the objective lens 5 and enters the critical angle prism 8 or 9, but at this time, the incident light If the critical angle prism 8 or 9 is set so that the incidence is exactly near the critical angle, two photodiodes 10. The same amount of light reaches '11 or '12.13 as shown in FIG. 12(b).

又、測定面が焦点位置より対物レンズ5に近い位置にあ
る場合、反射光は対物レンズ5を通った後発散光となり
臨界角プリズム8又は9に入射するが、この時光軸の両
側で入射角が異なるため、全反射の条件を満たさない側
の光はプリズム8又は9の外へ出てしまい且つ全反射の
条件を満たす側の光は全反射されるので、第12図(a
)に示した如くフォトダイオード10又は12には少量
の光しか到達せず且つフォトダイオードII又は13に
は充分な光が到達する。又、測定面が焦点位置より対物
レンズ5から遠い位置にある場合は、上記と逆になり、
第12図(C)に示した如くフォトダイオード10又は
12には充分な光が到達し且つフォトダイオード11又
は13には少量の光しか到達しない。従って、各二つの
フォトダイオード10.11又は12.13の出力差を
読み取りつ一試料6を移動させて走査することにより、
その測定面の表面粗さや微小変位等を測定することがで
きる。
In addition, when the measurement surface is located closer to the objective lens 5 than the focal point, the reflected light becomes a divergent light after passing through the objective lens 5 and enters the critical angle prism 8 or 9, but at this time, the incident angle is different on both sides of the optical axis. Because of the difference, the light on the side that does not satisfy the conditions for total reflection exits the prism 8 or 9, and the light on the side that satisfies the conditions for total reflection is totally reflected.
), only a small amount of light reaches photodiode 10 or 12, and sufficient light reaches photodiode II or 13. Also, if the measurement surface is located further from the objective lens 5 than the focal position, the above is reversed.
As shown in FIG. 12(C), sufficient light reaches the photodiode 10 or 12, and only a small amount of light reaches the photodiode 11 or 13. Therefore, by reading the output difference between each of the two photodiodes 10.11 or 12.13 and scanning by moving the sample 6,
It is possible to measure the surface roughness, minute displacement, etc. of the measurement surface.

又、非点収差法を用いたものとして、例えば第13図に
示したものがある。これは、レーザ光源14からのレー
ザ光が空間フィルター15を通って偏光ビームスプリフ
タ16に入射し、続いてλ/4板17.対物レンズ18
を通って試料19上に投射され、反射された光は対物レ
ンズ18.λ/4板17.偏光ビームスプリンタ16.
ビームスプリンタ20を通ってシリンドリカルレンズ2
1又は22に入射し、シリンドリカルレンズ21又は2
2により非点収差が生じるように集光された光束は夫々
四個のフォトダイオード25.26゜27.28から成
る検出器23又は24(第14図参照)に入射するよう
に構成されている。そして、この光学系において非点収
差があるので、レーザ光源14からの点像を試料19の
測定面に入射した場合、測定面で反射した後検出器23
又は24上に結像する点像の形状は焦点の前後で第14
図(al、 (bl、 (c)に示した如く変化する。
Furthermore, as an example of an apparatus using the astigmatism method, there is one shown in FIG. 13, for example. This is because the laser light from the laser light source 14 passes through the spatial filter 15 and enters the polarizing beam splitter 16, and then the λ/4 plate 17. Objective lens 18
The reflected light is projected onto the sample 19 through the objective lens 18. λ/4 plate 17. Polarized beam splinter 16.
Cylindrical lens 2 passes through beam splinter 20
1 or 22, and the cylindrical lens 21 or 2
The light beams condensed to produce astigmatism by 2 are configured to be incident on detectors 23 or 24 (see FIG. 14) each consisting of four photodiodes 25.26° and 27.28°. . Since this optical system has astigmatism, when a point image from the laser light source 14 is incident on the measurement surface of the sample 19, it is reflected by the measurement surface and then sent to the detector 23.
Or, the shape of the point image formed on 24 is the 14th point image before and after the focal point.
It changes as shown in Figures (al, (bl, and c)).

その像をフォトダイオード25,26,27.28で検
出し演算(Vzs+Vzt)−(Vz6+Vzs) を
行−yでその値を読み取りつ一試料19を移動させて走
査することにより、その測定面の表面粗さや微小変位等
を測定することができる。但し、Vi は検出器iの出
力である。
The image is detected by the photodiodes 25, 26, 27.28, and the calculation (Vzs+Vzt) - (Vz6+Vzs) is read in the row -y.By moving and scanning the sample 19, the surface of the measurement surface is detected. Roughness, minute displacement, etc. can be measured. However, Vi is the output of detector i.

〔本発明が解決しようとする問題点〕[Problems to be solved by the present invention]

上記の如き臨界角法を用いた光学式微小変位計では、最
高InII+程度の高い分解能を持たせることが可能で
あるが、変位と出力との関係にリニアリティーがあるの
はせいぜい±1μm程度の範囲でしかないために、測定
に際してはまずレンジでわずか2μmの範囲に検出ヘッ
ドをセントしなければならないという問題があった。又
、被測定物の表面に±1μm以上の凹凸があると測定面
が測定範囲から外れてしまい、そのため自動測定ができ
ないという問題があった。
The optical micro-displacement meter using the critical angle method as described above can have a high resolution of up to InII+, but the linearity in the relationship between displacement and output is within a range of ±1 μm at most. Therefore, there was a problem in that the detection head had to be placed within a range of only 2 μm in a microwave when making measurements. Further, if the surface of the object to be measured has irregularities of ±1 μm or more, the measurement surface will be out of the measurement range, which causes the problem that automatic measurement cannot be performed.

又、上記の如き非点収差法を用いた光学式微小変位計で
は、数10μm以上という広い測定レンジを有している
反面、分解能が小さいという問題があった。
Further, although the optical micro-displacement meter using the astigmatism method as described above has a wide measurement range of several tens of micrometers or more, it has a problem of low resolution.

本発明は、上記問題点に鑑み、高い分解能を有しつつも
検出ヘッドの測定レンジ内へのセットが容易であり且つ
自動測定も可能にした光学式微小変位計を提供すること
を目的としている。
In view of the above problems, it is an object of the present invention to provide an optical micro-displacement meter that has high resolution, allows easy setting of the detection head within the measurement range, and also enables automatic measurement. .

〔問題点を解決するための手段と作用〕本発明による光
学式微小変位計は、第1図に示した如く高分解能の微小
変位計と同軸に測定レンジの広い微小変位計を併設して
、複数の微小変位計で同一測定点を同時に測定するよう
にするか、又は第5図に示した如く高分解能の微小変位
計の測定レンジを時分割的に拡大して、複数の測定レン
ジで同一測定点をほぼ同時に測定するようにし、これに
より得られた広い測定レンジでの変位検出信号を用いて
検出ヘッドのセントを行うようにすると共に、該変位検
出信号を用いて検出へ・7ドと試料載置ステージとの相
対位置の制御を行うようにしたものである。
[Means and effects for solving the problems] The optical minute displacement meter according to the present invention has a high-resolution minute displacement meter and a minute displacement meter with a wide measurement range installed coaxially, as shown in FIG. Either measure the same measurement point with multiple micro-displacement meters at the same time, or expand the measurement range of a high-resolution micro-displacement meter in a time-sharing manner as shown in Figure 5 to measure the same measurement point across multiple measurement ranges. The measurement points are measured almost simultaneously, and the resulting displacement detection signal over a wide measurement range is used to center the detection head. The relative position with respect to the sample mounting stage is controlled.

〔実施例〕〔Example〕

以下、図示した各実施例に基づき、上記従来例と同一の
部材には同一符号を付して本発明の詳細な説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on each of the illustrated embodiments, with the same reference numerals assigned to the same members as in the conventional example described above.

第1回乃至第3図は夫々本発明による光学式微小変位計
の第一実施例の光学系、処理回路及び変位検出信号を示
しており、これは上記の臨界角法による従来例の偏光ビ
ームスプリッタ3とビームスプリッタ7との間にビーム
スプリッタ30を設置して試料6からの反射光を一定量
外へ導くようにし、その先軸上にシリンドリカルレンズ
21を設置して光が四分割フォトセンサ23上に結像す
るようにしたものである。尚、31.32は夫々臨界角
プリズム8,9の後方に配置された二分割フォトセンサ
である。
Figures 1 to 3 respectively show the optical system, processing circuit, and displacement detection signal of the first embodiment of the optical micro-displacement meter according to the present invention. A beam splitter 30 is installed between the splitter 3 and the beam splitter 7 to guide a certain amount of reflected light from the sample 6 to the outside, and a cylindrical lens 21 is installed on the tip axis of the beam splitter 30 to split the light into four parts. The image is formed on 23. Note that 31 and 32 are two-part photosensors arranged behind the critical angle prisms 8 and 9, respectively.

又、四分割フォトセンサ23の出力信号は、作動アンプ
33.補償回路34を経てサーボ用のパワーアンプ35
に至り、パワーアンプ35の出力信号によりステージ3
6の上下(Z軸方向)駆動用サーボモータ37を制御す
るようになっている。
Further, the output signal of the four-division photosensor 23 is sent to the operational amplifier 33. Power amplifier 35 for servo via compensation circuit 34
stage 3 is reached by the output signal of the power amplifier 35.
It is designed to control a servo motor 37 for driving up and down (Z-axis direction) of No. 6.

一方、二分割フォトセンサ31.32の出力信号は夫々
作動アンプ系38.39を経て加算回路40に至り、補
償回路41を経て変位出力装置42に出力される。又、
ステージ36はX軸方向ステージ駆動系43によりX軸
方向にも駆動され、その変位は変位センサ44により検
出されて変位出力装置に送られる。尚、45は第1図の
光学系を包含した検出ヘッドである。
On the other hand, the output signals of the two-split photosensors 31 and 32 reach an adder circuit 40 via operational amplifier systems 38 and 39, respectively, and are outputted to a displacement output device 42 via a compensation circuit 41. or,
The stage 36 is also driven in the X-axis direction by an X-axis stage drive system 43, and its displacement is detected by a displacement sensor 44 and sent to a displacement output device. Note that 45 is a detection head that includes the optical system shown in FIG.

第一実施例は上述の如く構成されているから、試料6か
らの反射光の一部はビームスプリンタ30により外へ導
かれ、シリンドリカルレンズ21により四分割フォトセ
ンサ23上に結像せしめられ、上記の非点収差法の原理
に基づいて信号を発生する。四分割フォトセンサ23で
得られたフォーカス・エラー信号は、差動アンプ33.
補償回路34で信号処理されてパワーアンプ35に入力
され、パワーアンプ35の出力信号によりステージ駆動
用サーボモータ37を制御する。従って、臨界角法によ
る高分解能の微小変位計で測定されている被測定点は、
同時に非点収差法による測定レンジの広い微小変位計に
より測定されていることになり、その変位検出信号を用
いて検出ヘッド45を測定レンジのほぼ中央位置にセッ
トをすれば、測定レンジが広いのでセットが容易である
Since the first embodiment is configured as described above, a part of the reflected light from the sample 6 is guided outside by the beam splinter 30, and is imaged on the four-division photosensor 23 by the cylindrical lens 21. The signal is generated based on the principle of the astigmatism method. The focus error signal obtained by the four-division photosensor 23 is sent to a differential amplifier 33.
The signal is processed by the compensation circuit 34 and input to the power amplifier 35, and the stage drive servo motor 37 is controlled by the output signal of the power amplifier 35. Therefore, the point being measured using a high-resolution micro-displacement meter using the critical angle method is
At the same time, the measurement is being performed using a minute displacement meter with a wide measurement range using the astigmatism method, and if the detection head 45 is set at approximately the center of the measurement range using the displacement detection signal, the measurement range is wide. Easy to set up.

又、この変位検出信号を用いてフィードバックすること
によりステージ36上の試料6と検出ヘッド45との相
対位置を高分解能の微小変位針の測定レンジ内に常に保
つことができるので、ステージ36のX軸方向位置を変
位センサ44でモニターしながらステージ36をX軸方
向に駆動しつつZ軸方向の測定を臨界角法により行えば
、緩かに変化する表面凹凸が大きな試料でもその表面を
高分解能で自動測定することができる。
In addition, by feeding back using this displacement detection signal, the relative position between the sample 6 on the stage 36 and the detection head 45 can always be maintained within the measurement range of the high-resolution minute displacement needle, so that the If the stage 36 is driven in the X-axis direction while the axial position is monitored by the displacement sensor 44, and the Z-axis direction is measured using the critical angle method, even a sample with large surface irregularities that change slowly can be measured with high resolution. It can be measured automatically.

又、第2図において点線で示した如く補償回路34の出
力を変位出力装置42に送れば、試料6の表面の大きな
凹凸構造を同時に出力することも可能なのは云うまでも
無い。従って、第3図(alに示した如き表面性状の試
料6に対し、補償回路34は第3回出)に示した如き大
きな凹凸を出力し、この出力を利用して自動焦点調節が
行われているので、補償回路41の出力は第3図tar
に示した如く試料6の表面の微小な凹凸のみの信号とな
る。
It goes without saying that if the output of the compensation circuit 34 is sent to the displacement output device 42 as shown by the dotted line in FIG. 2, it is possible to simultaneously output the large uneven structure on the surface of the sample 6. Therefore, for the sample 6 with the surface texture as shown in FIG. Therefore, the output of the compensation circuit 41 is as shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the signal is only from the minute irregularities on the surface of the sample 6.

変位出力装置42ではこれら二つの人力のレベル及び位
相の調整を行って加算し、第2図+d)に示した如く表
面性状を正しく表わした出力信号に変え、CRTディス
プレイ1 レコーダなどの手段で外部へ表示する。又、
二つの同期した出力信号を個別に表示するようにしても
良い、又、第2図(b)又はTCIに示した信号のみを
出力することも可能なのは言うまでも無い、尚、変位セ
ンサ44には検出ヘッド45を利用しても良い。
The displacement output device 42 adjusts and adds the levels and phases of these two human forces, converts them into an output signal that accurately represents the surface texture as shown in Figure 2+d), and outputs it externally using a CRT display 1 recorder or other means. Display to. or,
It goes without saying that the two synchronized output signals may be displayed individually, or only the signal shown in FIG. 2(b) or TCI may be output. Alternatively, the detection head 45 may be used.

第4図は第二実施例の光学系を示しておりこれは第一実
施例において、シリンドリカルレンズ21を結像レンズ
46に又四分割フォトセンサ23をPSD (半導体装
置検出素子)47に夫装置ぎ換え、ビームスプリッタ3
0と結像レンズ46との間に光束を半分に制御する固定
の光路制限部材48を配設した意思外は第一実施例と同
じである。
FIG. 4 shows the optical system of the second embodiment, which differs from the first embodiment in that the cylindrical lens 21 is used as the imaging lens 46, and the quarter-divided photosensor 23 is used as the PSD (semiconductor device detection element) 47. Replace beam splitter 3
This embodiment is the same as the first embodiment except that a fixed optical path limiting member 48 for controlling the luminous flux by half is provided between the lens 0 and the imaging lens 46.

尚、結像レンズ46は光をPSD47上に結像すべく配
設されている。
Incidentally, the imaging lens 46 is arranged to form an image of the light onto the PSD 47.

この第二実施例は上述の如く構成されているから、ビー
ムスプリンタにより側方へ取り出された光束のうちその
断面の半分は光路制限部材48により遮蔽され、残りの
光束はPSD47上に結像する。残りの光束は軸外光な
ので、その結像位置は試料6の光軸方向位置に対応して
移動する。この移動を検出することにより第一実施例と
同様な効果が得られる。尚、PSD47の代りに特開昭
58−217909号公報に示した如き二分割フォトセ
ンサを用いても良い。
Since this second embodiment is configured as described above, half of the cross section of the light beam taken out laterally by the beam splinter is blocked by the optical path limiting member 48, and the remaining light beam is imaged on the PSD 47. . Since the remaining light flux is off-axis light, its imaging position moves in accordance with the position of the sample 6 in the optical axis direction. By detecting this movement, the same effects as in the first embodiment can be obtained. Incidentally, instead of the PSD 47, a two-segment photosensor as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 58-217909 may be used.

第5図乃至第7図は夫々第三実施例の光学系。5 to 7 show optical systems of the third embodiment, respectively.

光路制限部材まわり及び処理回路を示しており、こレバ
第一実施例において、シリンドリカルレンズ21を結像
レンズ46に又四分割フォトセンサ23をPSD47に
夫々置き換え、コリメータレンズ2と偏光ビームスプリ
ンタ3との間に光路中に挿脱可能の光路制限部材49を
配設した点以外は第一実施例と同じである。光路制限部
材49は第6図に示した如きチョッパや液晶シャッタ、
ソレノイドを利用したものなど多々ある。
The area around the optical path limiting member and the processing circuit are shown, and in the first embodiment of this lever, the cylindrical lens 21 is replaced with an imaging lens 46, the four-part photosensor 23 is replaced with a PSD 47, and the collimator lens 2 and polarizing beam splinter 3 are replaced. The second embodiment is the same as the first embodiment except that an optical path limiting member 49 which can be inserted into and removed from the optical path is provided between the optical paths. The optical path limiting member 49 may be a chopper or a liquid crystal shutter as shown in FIG.
There are many types that use solenoids.

又、光路制限部材49の同期信号はセンサ50(第6図
)から出力され、第7図の補正回路51を経た後サンプ
リング回路52,53.54に入力され、サンプリング
回路52,53.54は夫々差動アンプ33.差動アン
プ系38.39の出力をサンプリングし、更にそれらの
出力は夫々ローパスフィルタ回路55,56.57を通
って補償回路34.加算回路40に戻されるようになっ
ている。
Further, the synchronization signal of the optical path limiting member 49 is output from the sensor 50 (FIG. 6), and after passing through the correction circuit 51 of FIG. 7, is input to the sampling circuits 52, 53. Differential amplifier 33. The outputs of the differential amplifier systems 38, 39 are sampled, and the outputs are further passed through low-pass filter circuits 55, 56, 57, respectively, to the compensation circuits 34. The signal is returned to the adder circuit 40.

第三実施例は上述の如く構成されているから、光路制限
部材49が光路内に挿入されていない時は、光束の全域
が使えるので、作用としては通常の高分解能微小変位計
と同じになる。一方、光路制限部材49が光路内に挿入
されると光束の半分が制限され、第5図に示した如く光
束aのみが試料に当たり、反射して光束すとなって戻り
、ビームスプリッタ30により外部へ取り出され、結像
レンズ46の作用によりPSD47上に結像せしめられ
る。そして、光切断法による自動焦点調節と同じ原理に
より焦点検出が行われる。従って、この実施例では、本
来の高分解能微小変位計としての作用と光切断法を用い
た自動焦点検出装置として作用が時分割的に発生する。
Since the third embodiment is configured as described above, when the optical path limiting member 49 is not inserted into the optical path, the entire range of the light beam can be used, so the operation is the same as that of a normal high-resolution minute displacement meter. . On the other hand, when the optical path limiting member 49 is inserted into the optical path, half of the luminous flux is restricted, and as shown in FIG. The image is taken out and imaged onto the PSD 47 by the action of the imaging lens 46. Focus detection is then performed using the same principle as automatic focus adjustment using the light cutting method. Therefore, in this embodiment, the function as an original high-resolution minute displacement meter and the function as an automatic focus detection device using the optical cutting method occur in a time-division manner.

このままでは時分割的に分解能と測定レンジが変位する
ので、第7図に示すようにセンサ50からの出力信号に
対し補正回路51で位相補正及びレベル補正を行い、サ
ンプリング回路52,53.54で差動アンプ33、差
動アンプ計38.39からの信号を夫々サンプリングし
、その後ローパスフィルタ回路55.56.57を通す
ことにより、時分割された情報を時間平均してやる。従
って、ステージ36のX軸方向への駆動を十分ゆっくり
行えば(実際上ゆっくりしないと振動が大きくてだめの
はず。
If this continues, the resolution and measurement range will change in a time-division manner, so the correction circuit 51 performs phase and level correction on the output signal from the sensor 50, as shown in FIG. By sampling the signals from the differential amplifier 33 and the differential amplifiers 38 and 39, respectively, and passing them through low-pass filter circuits 55, 56, and 57, the time-divided information is time-averaged. Therefore, if the stage 36 is driven slowly enough in the X-axis direction (actually, if it is not slow enough, the vibrations will be large and it will be useless).

)、高分解能微小変位計と広い測定レンジを有する微小
変位計がほぼ同時的に存在することになり、その結果二
つの測定レンジで同一測定点をほぼ同時に測定すること
になる。従って、第一実施例と同+1に、検出ヘッドの
測定レンジ内へのセットが容易となり且つ自動測定が可
能となる。尚、第6図では光路制限部材(チョッパ)4
9の同期信号をセンサ50で検出しているが、光路制限
部材49をステップモータにより回転させ、該ステップ
モータの駆動パルスを補正回路51に入力するようにし
ても良い。
), a high-resolution micro-displacement meter and a micro-displacement meter with a wide measurement range exist almost simultaneously, and as a result, the same measurement point is measured almost simultaneously with the two measurement ranges. Therefore, in addition to the first embodiment, setting the detection head within the measurement range becomes easier and automatic measurement becomes possible. In addition, in FIG. 6, the optical path limiting member (chopper) 4
9 is detected by the sensor 50, the optical path limiting member 49 may be rotated by a step motor, and the drive pulse of the step motor may be input to the correction circuit 51.

第8図乃至第10図は夫々第四実施例の光学系。8 to 10 show optical systems of the fourth embodiment, respectively.

光路制限部材まわり及び変位−出力関係を示しており、
これは従来の臨界角性利用の光路制限部材分解能微小変
位計において、コリメータレンズ2と偏光ビームスプリ
ッタ3との間に光路中に挿脱可能の光路制限部材58を
配設した点以外は該微小変位計と同じである。光路制限
部材58は第9図に示した如く中心開口部59を有して
いて全光束に対して同心円状に中心光束を一部残す作用
があり、又中心開口部59の大きさは任意に設定し得る
ものである。具体的には液晶シャッタを使用し、駆動パ
ルスが来た時は中心開口部59以外は光を遮断し、来な
い時は全光束が通るようにしている。これと同一の機能
を有しているものならば、カメラ等のアイリス絞りを用
いても良いし、開口部の大きさが各種あるピンホール板
を交換可能又は挿脱可能に設置しても良い。
The area around the optical path limiting member and the displacement-output relationship are shown.
This is a conventional optical path limiting member resolution minute displacement meter that utilizes critical angle characteristics, except that an optical path limiting member 58 that can be inserted and removed in the optical path is disposed between the collimator lens 2 and the polarizing beam splitter 3. It is the same as a displacement meter. The optical path limiting member 58 has a central opening 59 as shown in FIG. 9, and has the effect of leaving a part of the central luminous flux concentrically with respect to the total luminous flux, and the size of the central opening 59 can be set arbitrarily. It can be set. Specifically, a liquid crystal shutter is used to block light except for the central opening 59 when a driving pulse is received, and to allow the entire luminous flux to pass through when the driving pulse does not come. As long as it has the same function, an iris diaphragm from a camera, etc. may be used, or a pinhole plate with various opening sizes may be installed in a replaceable or removable manner. .

第四実施例は上述の如く構成されているから、光路制限
部材58に対して駆動パルスが来ず全光束が通る時には
、従来の高分解能微小変位計と同一の機能を果たす、又
、光路制限部材58に対して駆動パルスが来た時には、
ビーム径が制限され、結果として対物レンズ5のNAが
小さくなり、第10図に示した如く変位に対する感度か
にふくなると共に測定レンジが拡大する。これを時分割
で行い、第三実施例と同様に処理することで他の実施例
と同じ効果が得られる。
Since the fourth embodiment is configured as described above, when no driving pulse comes to the optical path limiting member 58 and the entire luminous flux passes through it, it performs the same function as a conventional high-resolution minute displacement meter, and also limits the optical path. When a driving pulse comes to the member 58,
The beam diameter is limited, and as a result, the NA of the objective lens 5 is reduced, and as shown in FIG. 10, the sensitivity to displacement is increased and the measurement range is expanded. By performing this in a time-sharing manner and performing the same processing as in the third embodiment, the same effects as in the other embodiments can be obtained.

尚、上記各実施例において事実上構成される微小変位計
は二つであるが、三ヶ以上構成されるようにしても良い
Incidentally, in each of the above embodiments, two minute displacement meters are actually configured, but three or more may be configured.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

上述の如く、本発明による光学式微小変位光学径は、高
い分解能を有しつつも検出ヘッドの測定レンジ内へのセ
ットが容品であり且つ自動測定も可能であるという実用
上極めて重要な利点を有している。又、複数の測定値が
同期して得られるという利点も有している。
As mentioned above, the optical micro-displacement optical diameter according to the present invention has extremely important practical advantages in that while it has high resolution, it is easy to set the detection head within the measurement range and automatic measurement is also possible. have. It also has the advantage that multiple measured values can be obtained synchronously.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第一図乃至第3図は夫々本発明による光学式微小変位計
の第一実施例の光学系、処理回路及び変位検出信号を示
す図、第4図は第二実施例の光学系を示す図、第5図乃
至第7図は夫々第三実施例の光学系、光路制限部材まわ
り及び処理回路を示す図、第8図乃至第10図は夫々第
四実施例の光学系、光路制限部材まわり及び変位−出力
関係を示す図、第11図及び第12図は夫々臨界角法を
用いたー従来例の光学系及びフォトダイオード上の受光
状態を示す図、第13図及び第14図は夫々非点収差法
を用いた他の従来例の光学系及びフォトダイオード上の
受光状態を示す図である。 ■・・・・レーザダイオード、2・・・・コリメータレ
ンズ、3・・・・偏光ビームスプリフタ、4・・・・λ
/4板、5・・・・対物レンズ、6・・・・試料、7・
99.ビームスプリンタ、8.9・・・・臨界角プリズ
ム、21・・・・シリンドリカルレンズ、23・・・・
四分割フォトセンサ、33・・・・差動アンプ、34・
・・・補償回路、35・・・・パワーアンプ、36・・
・・ステージ、37・・・・ステージ駆動用サーボモー
タ、38.39・・・・差動アンプ系、40・・・・加
算回路、41・・・・補償回路、42・・・・変位出力
装置、43・・・・X軸方向ステージ駆動系、44・・
・・変位センサ、46・・・・結像レンズ、47・・・
・PSD、48.49・・・・光路制限部材、50・・
・・センサ、51・・・・補正回路、52.53.54
・・・・サンプリング回路、55.56.57・・・・
ローパスフィルタ回路、58・・・・光路制限部材、5
9・・・・中心開口部。 11図 第2図       之 第3図 才4図 :I!5図 オフ図 オS図 111図 第12図 手続補正書(自発) 29発明の名称     光学式微小変位計4、代  
理  人     〒105東京都港区新橋5の196
、補正の内容 (11明細書第10頁2行目及び6行目の「第2図」を
夫々「第3図1と訂正する。 (2)  明細書第15頁14〜15行目の「光学式微
小変位光学径」を「光学式微小変位計Jと訂正する。 (3)  第1O図を別紙添付の通り訂正する。
Figures 1 to 3 are diagrams showing the optical system, processing circuit, and displacement detection signal of the first embodiment of the optical minute displacement meter according to the present invention, and Figure 4 is a diagram showing the optical system of the second embodiment. , FIGS. 5 to 7 are diagrams showing the optical system, the area around the optical path limiting member, and the processing circuit, respectively, of the third embodiment, and FIGS. 8 to 10 are diagrams showing the optical system, the area around the optical path limiting member, respectively, of the fourth embodiment. Figures 11 and 12 are diagrams showing the conventional optical system and the light reception state on the photodiode using the critical angle method, and Figures 13 and 14 are diagrams showing the displacement-output relationship, respectively. FIG. 7 is a diagram showing another conventional optical system using an astigmatism method and a light receiving state on a photodiode. ■... Laser diode, 2... Collimator lens, 3... Polarizing beam splitter, 4... λ
/4 plate, 5...objective lens, 6...sample, 7...
99. Beam splinter, 8.9... Critical angle prism, 21... Cylindrical lens, 23...
Quadrant photo sensor, 33...Differential amplifier, 34...
...Compensation circuit, 35...Power amplifier, 36...
... Stage, 37 ... Servo motor for stage drive, 38.39 ... Differential amplifier system, 40 ... Addition circuit, 41 ... Compensation circuit, 42 ... Displacement output Device, 43...X-axis direction stage drive system, 44...
...Displacement sensor, 46...Imaging lens, 47...
・PSD, 48.49... Optical path limiting member, 50...
...Sensor, 51...Correction circuit, 52.53.54
...Sampling circuit, 55.56.57...
Low-pass filter circuit, 58... Optical path limiting member, 5
9... Center opening. Figure 11 Figure 2 Figure 3 Figure 4: I! Figure 5 Off Figure S Figure 111 Figure 12 Procedural amendment (voluntary) 29 Title of invention Optical minute displacement meter 4, generation
196 Shinbashi 5, Minato-ku, Tokyo 105
, Contents of the amendment (11 "Fig. 2" on page 10, lines 2 and 6 of the specification are corrected as "Fig. 3 1." (2) "Fig. "Optical minute displacement optical diameter" is corrected to "Optical minute displacement meter J." (3) Figure 1O is corrected as attached.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)高分解能の微小変位計と同軸に測定レンジの広い
微小変位計を併設して、複数の微小変位計で同一測定点
を同時に測定するようにして成る光学式微小変位計。
(1) An optical micro-displacement meter that is constructed by installing a high-resolution micro-displacement meter and a micro-displacement meter with a wide measurement range on the same axis, so that multiple micro-displacement meters simultaneously measure the same measurement point.
(2)高分解能の微小変位計の測定レンジを時分割的に
拡大して、複数の測定レンジで同一測定点をほぼ同時に
測定するようにして成る光学式微小変位計。
(2) An optical micro-displacement meter that expands the measurement range of a high-resolution micro-displacement meter in a time-division manner so that multiple measurement ranges can measure the same measurement point almost simultaneously.
JP8199385A 1985-04-17 1985-04-17 Optical minute displacement meter Pending JPS61240103A (en)

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JP8199385A JPS61240103A (en) 1985-04-17 1985-04-17 Optical minute displacement meter
US06/852,845 US4732485A (en) 1985-04-17 1986-04-16 Optical surface profile measuring device
DE19863613209 DE3613209A1 (en) 1985-04-17 1986-04-17 OPTICAL SURFACE PROFILE MEASURING DEVICE

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JP (1) JPS61240103A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4971445A (en) * 1987-05-12 1990-11-20 Olympus Optical Co., Ltd. Fine surface profile measuring apparatus
JPH0493712A (en) * 1990-08-10 1992-03-26 Nippon Kyodo Kikaku Kk Vehicle-distance measuring apparatus and automobile impact buffer apparatus using it
JP2005326324A (en) * 2004-05-17 2005-11-24 Toshiba Corp Apparatus surface roughness measuring device and method

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