JPS6228707A - 無接触測定用のｆ−シ−タ補正されたテレセントリツク系対物鏡を有する装置 - Google Patents

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】 産業上の利用分野： 本発明は、無接触測定用のＦ−シータ補正されたテレセ
ントリック系対物鏡を有する装置に関する。

従晶術２ 物体、例えばフィラメント状、針金状、棒状または管状
物体を無接触測定しかつ制御する種々の装置および方法
が存在し、概して変調された光ビーム、一般にレーデ−
ビームは、物体を介して案内され、かつ光検知器上にピ
ントｇ節され、この場合光検知器によって記録されるシ
ェーディング時間は、一定の前提条件下で物体の測定す
べき寸法に対する１つの尺度である。

測定すべき寸法と、シェーディング時間との間の最も可
能な一次関数を導き出すことは、種々の方法で実現させ
ることができ、すなわち適当な対物鏡を用いて実現させ
ることもできる。この場合、測定速度が増加しかつ測定
すべき物体の大きさが増大すると、測定系ならびに光学
系に対してより高度な要求が常に課される。このような
測定目的に使用可能な対物鏡は、Ｆ−シータ補正された
テレセントリック系対物鏡である。このことは、レーず
−ビームの射出する中心ビームが全ての偏向角に対して
走査の際に光軸と平行にあり、かつ入射ビームに対する
この偏向角と線形高さとの間の一次関数が像空間内に存
在することを意味する。しかし、公知のテレセントリッ
ク系は、測定視野全拡大した際に対物鏡の費用が極めて
著しく一ヒ昇するという欠点を有する。

発明が解決しようとする問題点： したがって、本発明の課題は、安価に製造することがで
きかつ迅速で正確な測定および監視を可能ならしめる、
Ｆ−シータ補正されたテレセントリック系対物鏡を有す
る測定装置を記載すべきことにある。

問題点を解決するための手段： この課題は、対物ｆｉ７，１２．１３が反射屈折光学素
子γ２．７３　；１２２．　１２３　；１３２゜１３３
を有することを特徴とする、無接触測定用のＦ−シータ
補正されたテレセントリック系対物＠を有する装置によ
って解決される。

優れた実施態様は、特許請求の範囲第２項から第１１項
までのいずれか１項に記載されている。

英施例： 次に、本発明を実権例の図面につき詳説する。

ストラン１状物体を連続的に測定する場合、物体は、例
えばレーデ−の光学ビームが交叉している範囲を横断し
、この範囲の走査面は、材料の走行方向に対して垂直で
ありかつビームを時間間隔をもって覆い、この時間間隔
は、ビームの配置および材料の寸法に依存する。当該パ
ラメータ、例えば物体の直径を効果的に測定するには、
植々の条件を充たさなければならない：ａ）ビーム直径
は、検出信号の急傾斜の上昇時間および降下時間を得る
ために、小さくて十分でなければならず、 ｂ）定食速度は、材料の長手方向連動に関連して高くな
げればならず、かつ横方向運動に関連しては者しく高く
なげればならず、 Ｃ）ビームは、輪郭をなぞる時間の前後に物体に対して
垂直でなげればならず、 ｄ）物体を測定ビームと平行に運動させることにより読
取り全損なってはならず、 ｅ）輪郭分なぞる時間゛は、物体の位置とは無関係に走
査時間内で物体の直径の一次関数でなげわばならないか
または測定視野の一次関数でなげればならない。

最初の６つの条件は、一定の速度で回転するボリゴ／鏡
によって反射されるレーデ−ビームによって充たすこと
ができる。条件ｄ）およびｅ）は、レーデ−ビームを測
定物体上に投射する対物鏡がテレセントリック系で構成
されている場合、すなわち主ビームが全ての走査角度に
対して軸線と平行のままである場合に充たされる。

この最後の条件は、対物鏡がＦ−シータ補正されている
こと、すなわち対物鏡から射出するビームの高さが対物
鏡に入射するビームの角度との一次関数を有することを
前提とする。

この条件を充たすことができる場合には、直径の測定は
、輪郭をなぞる時間を１回測定することによって実施す
ることができ、それによって費用のかかるデシタル計算
は不用となる。

既に先に述べたように、Ｆ−シータ補正されたテレセン
トリック系対物鏡は、測定視野、すなわち射出ビームの
最大高さが大きくなる場合、すなわち比較的大きい寸法
を有する測定物体を検知しなげればならない場合には著
しく高価である。次に、簡単な、ひいては経済的な構造
を可能にする測定装置および殊に測定対物鍵を詳説する
。提案した解決は、反射屈折光学系のテレセントリック
にＦ−シータ補正した対物鏡を使用することに帰着する
。２つの反射表面を使用することにより、素子の数を減
少させることができる。それというのも、存在する素子
は２回またはむしろ６回ンーデービームが横断するから
である。しかし、この課題は、なお付加的に、これまで
の反射屈折光学系対物鏡の場合以外のものの場合にはビ
ームを暗くすることが全く必要なかったことにより困難
になる。

第１図は、物体、例えば連続的に製造されるストランド
の寸法、例えば直径を連続的に検知する本発明による装
置の１つの可能な構造を略示する。レーデ−１、例えば
ヘリウム−ネオン−レーデ−が認められ、このレーデ−
のビーム２は、第１反射鏡３によって拡張光学素子４を
介し反射され、この拡張光学素子は、レーデ−のビーム
を、例えば直径４朋のビームに拡張する。ビームは、拡
張光学素子４かも第２反射鏡５上に達し、そこからポリ
ゴンｍ６上に達し、このボリコ９ン鏡は、公知方法で一
定の回転速度でレーデ−ビームを一定の周波数で一定の
角度で偏向させる。反射鏡の数および配置が強制的でも
なければ、拡張光学素子の配置が強制的でもないことは
、明らかであるが、このことは、装置の特に緻密な構造
から明らかである。走査ビームは、回転鏡６かも対物鏡
７を通過し、この対物鏡は、不実施例において３個の索
子７１゜７２および７３からなり、かつさらに下記に第
６図および第４図につき詳細に記載されている。

光学素子７１はメニスカレンズであり、光学素子７２は
マンギン鏡（Ｍａｎｇｉｎｓｐｉｅｇｅｌ　）であり、
かつ光学素子７３は〒行事面板である。この対物鏡から
ビームは、測定すべき物体８上に達し、そこから集光レ
ンズ、例えばフレネルゾーンプレート９を介して光検知
器１０上に達する。本発明の範囲によれば、勿論回転鏡
と結合する、自体公知の測定電子機器上には入射しない
。

ビームを暗くすることを阻止するために、種々の手段を
設けることができる。すなわち、例えば部分的にのみ反
射する被膜を完成させることができるか、或いは光学ビ
ームを光軸に対して横方向に移動させるかまたは反射素
子を容易に傾倒させることができる。第１図および嬉２
図による対物鏡の場合、部分的に反射する被膜７４はマ
ンギン鏡７２上に使用され、かつ部分的に反射する被膜
７５は反射板７３上に使用され、ならびにマンギン鏡７
２を容易に傾倒させることならびに反射板７３を容易に
傾倒させることは、それぞれ数秒間だけおよび数分間だ
け実施される。部分的に被↑夏することおよび反射する
素子を容易に傾倒させることによって、ビームを暗くす
ることは阻止することができる。

更に、この実施列の場合、反射板の部外被膜７５は、こ
の板の回転鏡から見て後方の表面に配置されていること
認めることができる。この配置の場合、光学素子は、個
別的に包含され、かつ適当なホルダー７６により調整可
能な板７８上に固定され、この板は、全部の光学装置を
包囲するケーシング１１の底板７Ｔに保持されている。

第３図には、Ｆ−シータ補正されたテレセントリック系
対物鏡の１つの好ましい実施例が記載されている。この
対物鏡の光学素子は、従来方法で同心配置して枠中に取
付けられており、暗くすることのない走査範囲を得るた
めに、入射ビームは、対物鏡の光軸に比してずれており
、かつベンディングされている。回転鏡３、第１光学素
子、メニスカスレンズ１２１、第２光学素子、マンギン
鏡１２２および第６光−字素子、平面板１２３が認めら
れる。メニスカスレンズ１２１は、アールＲ１ｅ有する
第１屈折面およびアールＲ２を有する第２屈折面を有す
る。マンギン鏡は、アールＲ６を有する第１反射面およ
びアールＲ４を有する第２面を有し、この実施例の場合
、平面鏡１２３の第１面は、反射層１２４を備えている
。反射層１２４は、平面板の一部の上にのみ拡がってい
る。同様に、マンヤン境のアールＲ３に有する第１面は
、完全には反射層１２５を備えていない。第４図から明
らかなように、第６図の平面と垂直にある反射層１２４
および１２５は、双方の該当する面の半分に亘って拡が
っている。対物鏡の素子を計算するのに重要な異なる距
離および厚さは、ＴＯ９’ｒｌ　、Ｔ２．Ｔ３およびＴ
４で記載されている。

平面板１２３の厚さは、本実施例の場合には全く役割を
演じない。ビーム路は第６図から直ちに明らかである： 対物鏡の光軸に比して、例えば反射鏡（第１図中の５）
によってずらされかつ傾斜した光ビームは、回転鏡から
メニスカス補正素子を通り、マンギン鏡の透明範囲を通
過し、平面板１２３の表面Ｐ１上の反射層１２４によっ
て反射され、マンギン鏡を介してアールＲ３ｅ有する反
射面１２５に達し、マンギン鏡を介して平面板１２３上
に投射され、平面板１２３を通り、かつ測定物体上に差
込むために対物鏡をテレセントリックにＦ−シータ補正
されたビームとして去る。

次の第１表および第２表の場合、それぞれ計算にとって
重要な１直の範囲が記載されており、この範囲内でテレ
セントリックにＦ−シータ補正されたビームを達成する
ことができ、このビームは、測定すべき物体の所望の寸
法全迅速に高い精度で測定することができるために必要
とされる性質を有する。更に、正確な直はとくに使用さ
れるガラスに依存する。

λ　藁 キ　Ｑ λ　　へ 戻　戻　喘 紀　輩　猶 また、このような対物役の範囲内で、比較的強く湾曲し
たメニスカスレンズの代りに２個のメニスカスレンズを
使用することもできる。

第５図には、同様にテレセントリックにＦ−シータ補正
された、反射屈折光学系である簡単な対物鏡が記載され
ている。対物鏡１３は、メニスカスレンズ１３１、表面
反射される＊１３２および同様に表面反射される平面板
１３３かも構成されている。鏡１３２上の被Ｍ１３４お
よび平ｆ板１３３上の被膜１３５は、先行する実施例の
場合と同様にビームを暗くすることを阻止するために部
分的にのみ完成されている。また、この場合被覆した鏡
１３２および平面板１３３は、光路に対して傾斜させる
ことができるかまたは素子は、常法で同心配置して保持
され、ビームは、ずらされ、かつ傾斜して対物鏡に導通
させることができる。この対物鏡の値は、反射鏡１３２
の値を除いて第１表の範囲内で移動する。それというの
も、ビームはこの反射鏡を１回通過するだけだからであ
る。Ｒ５の値は、６．５〜８．５の間で移動し、かつＲ
６のイ直は、１．５〜２．０の間で移動することができ
る。

しかし、本発明の範囲内で１または２個のメニスカスレ
ンズの代りに多数のメニスカスレンズを使用し、かつ平
面板の代りに同様く湾曲した板および鏡を使用すること
もできる。第１図、第６図および第５図から明らかなよ
うに、平面板および湾曲した鏡は、前面または後面上で
反射させることができる。平面板の代りに湾曲した鏡を
使用しかつこの鏡が第２面上で反射している場合には、
残りの光学素子の相当する値は勿論変化する。鏡は常用
の蒸着法または化学的方法で被覆される。第２図および
第４図から明らかなように、鏡素子および平面板は、矩
形条片であるが、勿論円形の鏡もしくは板であってもよ
い。全く同様に、メニスカスレンズは円形以外に完成さ
せることもできる。

前記の場合には、専ら球面素子および平面素子であった
が、その代りに本質的に評価に対しても利点をもたらす
１つの平面内にあるように射出ビームを保持するために
対物鏡を円柱光学素子と一緒に構成することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、ストランＰ状物体の直径を連続的に測定する
本発明による装置を示す略示平面図、第２図は、第１図
のＨ−■の断面を拡大して示す略示縦断面図、第６図は
、本発明による対物鏡の第２の実施列を示す略示平面図
、第４図は、第６図による対物鏡を断面で示す略示縦断
面図、かつ第５図は、本発明による対物鏡の第６の実施
例を示す略示平面図である。 ３．５・・・反射鏡、４・・・拡張光学素子、６・・・
回転鏡、γ、１２．１３・・・対物鏡、１１・・・ケー
シング、７２，７３：１２２，１２３：１３２゜１３３
・・・反射屈折光学素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、無接触測定用のＦ−シータ補正されたテレセントリ
   ック系対物鏡を有する装置において、対物鏡（７、１２
   、１３）が反射屈折光学素子（７２、７３；１２２、１
   ２３；１３２、１３３）を有することを特徴とする、無
   接触測定用のＦ−シータ補正されたテレセントリック系
   対物鏡を有する装置。 ２、反射屈折光学素子の１つがマンギン鏡（１２２）で
   ある、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３、反射屈折光学素子の１つが平面板（７３、１２３、
   １３３）である、特許請求の範囲第１項または第２項に
   記載の装置。 ４、対物鏡に対する次のパラメータ： 　￥曲率半径　　　　厚さまたは距離　　　　　　　　
   屈折率￥入射アパーチャー 　０．２０＜Ｔ０＜０．２７５ −０．１５０＜Ｒ１＜−０．１０５ 　０．０３２＜Ｔ１＜０．０４０　１．４８＜ｎ１＜１
   ．５５−０．１８＜Ｒ２＜−０．１５５ 　０．００５＜Ｔ２＜０．００８ １．４０＜Ｒ３＾＊＜１．９０ 　０．０４＜Ｔ３＜０．０６　　１．４８＜ｎ３＜１．
   ５５１．０５＜Ｒ４＜１．５０ 　０．２５＜Ｔ４＜０．３５ Ｐ１＾＊＾＊平面 〔但し、＊第１のビーム入射に対して透過性のマンギン
   鏡表面、＊＊第１のビーム射出に対して反射する第２の
   鏡〕を有する、特許請求の範囲第２項または第３項に記
   載の装置。 ５、反射屈折光学素子の１つが球面鏡（１３２）である
   、特許請求の範囲第１項または第３項に記載の装置。 ６、対物鏡が円柱光学素子から構成されている、特許請
   求の範囲第１項記載の装置。 ７、反射屈折光学素子が部分的に鏡面反射する、特許請
   求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載の
   装置。 ８、光学素子が矩形である、特許請求の範囲第１項から
   第７項までのいずれか１項に記載の装置。 ９、反射屈折光学素子が部分的鏡面反射と一緒に対物鏡
   から射出するビームを暗くすることを阻止するために入
   射ビーム軸に対して傾倒されている、特許請求の範囲第
   ７項記載の装置。 １０、対物鏡の全部の光学素子が同心配置されており、
   対物鏡上に衝突するビームが部分的鏡面反射と一緒に対
   物鏡から射出するビームを暗くすることを阻止するため
   に対物鏡軸に対してずらされかつ傾斜されている、特許
   請求の範囲第７項記載の装置。 １１、ヘリウム−ネオン−レーザー、２個の調節可能な
   反射鏡（３、５）、２個の反射鏡の間に配置された拡張
   光学素子（４）およびビームを対物鏡上に到達させる回
   転鏡（６）を有し、その際全部の部材がケーシング（１
   １）中に配置されている、特許請求の範囲第１項から第
   １０項までのいずれか１項に記載の装置。