JPS63148106A - Body position measuring instrument - Google Patents

Body position measuring instrument

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Publication number
JPS63148106A
JPS63148106A JP29454686A JP29454686A JPS63148106A JP S63148106 A JPS63148106 A JP S63148106A JP 29454686 A JP29454686 A JP 29454686A JP 29454686 A JP29454686 A JP 29454686A JP S63148106 A JPS63148106 A JP S63148106A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
subject
light
diffracted
lens
diffraction grating
Prior art date
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Pending
Application number
JP29454686A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Mino
三野 正幸
Mitsutoshi Iko
位高 光俊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Minolta Co Ltd
Original Assignee
Minolta Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Minolta Co Ltd filed Critical Minolta Co Ltd
Priority to JP29454686A priority Critical patent/JPS63148106A/en
Publication of JPS63148106A publication Critical patent/JPS63148106A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To measure the position of a body with high accuracy by diffracting a laser beam from a light source by a diffraction grating and projecting a couple of diffracted light beams on an object and measuring interference fringes formed by the couple of diffracted light beams reflected by the object by using a line sensor. CONSTITUTION:The laser beam B projected by the laser 1 is made into parallel light by a lens 2 for shaping and a collimator lens 3, passed through a polarization beam splitter 4, and made into circular polarized light through a 1/4-wavelength plate 5 to strike on the diffraction grating 6. The couple of diffracted light beams of (+ or -1)th order from the grating 6 are reflected by mirrors 8A and 8B and projected on the object 7 to be measured. Reflected light beams from the object 7 are passed through the mirrors 8A and 8B, a lens 7, and the grating 6, and made into linear polarized light by the wavelength plate 5 to strike on the splitter 4, so that it is photodetected by the line sensor 10. A processing part 11 uses the output of the sensor 10 to compute the width or number of interference fringes, thereby measuring the body position with high accuracy.

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は物体の微少な変位量や物体表面の形状等を非接
触で測定する物体位置の測定方法に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method for measuring the position of an object, which measures the minute displacement of an object, the shape of the surface of the object, etc. in a non-contact manner.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

各種の物品の生産工程において、近年FA化が進むにつ
れて、それら物品の位置を制御したりその表面の仕上り
状態を検査したりするために、物体の変位量や表面形状
を測定する必要性が増大している。その中でも、特にレ
ンズやミラーのようにその表面に蒸着被膜が形成され傷
がつき易いものや、半道体のように微少な力が加えられ
ただけで内部に不都合な応力が生じ易いものについては
、変位量や表面形状の測定を非接触で行うことが第1の
条件になっている。
As factory automation has progressed in recent years in the production process of various products, the need to measure the displacement and surface shape of objects has increased in order to control the position of these products and inspect the surface finish. are doing. Among these, we are particularly concerned with items such as lenses and mirrors, which have vapor-deposited films on their surfaces and are easily scratched, and items such as half-circuit bodies, which tend to generate undesirable internal stress even when a small amount of force is applied. The first condition is that the amount of displacement and surface shape be measured in a non-contact manner.

このように非接触式で物体の変位量や表面形状を測定す
る物体位置測定装置としては、光を用いるものが多く実
用化され、例えば次に挙げるような装置が知られている
。なお、本発明においては、以下、物体の変位量や形状
の測定をまとめて物体位置の測定と称する。
Many object position measuring devices that use light have been put into practical use as non-contact method for measuring the amount of displacement and surface shape of an object, and the following devices are known, for example. In the present invention, hereinafter, the measurement of the amount of displacement and shape of an object will be collectively referred to as the measurement of the object position.

まず、もっとも代表的なものとして、顕微鏡の焦点合わ
せによる方法がある。この方法は、顕微鏡とDAD (
ディジタルオーディオディスク)等に用いられる焦点検
出機構とを組み合わせたもので、被験体の拡大面の合焦
或いは焦点エラーを検出して物体位置の測定を行うもの
である。
First, the most typical method is a method using focusing of a microscope. This method uses a microscope and DAD (
It is a combination of a focus detection mechanism used in digital audio discs, etc., and measures the object position by detecting the focus or focus error of the magnified surface of the subject.

さらに、光ファイバーを利用した光反射式のセンサがあ
る。このセンサは、開口端において所定の投光角を有す
る光ファイバーから被験体に光を投射し、被験体から反
射された光を同じく開口端において所定の受光角を有す
る光ファイバーに入射させ、この光ファイバーによる受
光量を測定することによって、被験体の変位量を求める
ものである。
Furthermore, there are light reflection sensors that use optical fibers. This sensor projects light onto a subject from an optical fiber that has a predetermined light projection angle at its aperture end, and makes the light reflected from the subject enter an optical fiber that also has a predetermined light reception angle at its aperture end. The amount of displacement of the subject is determined by measuring the amount of light received.

即ち、投光用と受光用の光ファイバーが夫々所定の投光
角と受光角を有しているので、それらを所定の間隔を隔
てて並べておくことで、被験体の変位量等に応じて受光
用の光ファイバーによる受光量が変化し、この受光量の
変化を換算することで被験体の変位量等を求めることが
できるのである。
In other words, since the optical fibers for light emission and light reception have a predetermined light emission angle and light reception angle, by arranging them at a predetermined interval, the light reception can be adjusted according to the amount of displacement of the subject, etc. The amount of light received by the optical fiber changes, and by converting this change in the amount of light received, the amount of displacement of the subject, etc. can be determined.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかし、上述した従来の物体位置測定装置を用いた場合
には、次のような問題があった。
However, when the above-described conventional object position measuring device was used, there were the following problems.

前者の、顕微鏡の焦点合わせによる装置においては、高
精度を得るためには対物レンズの倍率を上げる必要があ
る。対物レンズの倍率が高いと、被験体と対物レンズと
が非常に接近することになる。このようになると、測定
装置の作動距離、即ち、測定装置または被験体が相互に
接触することなく移動できる距離が短くなり、凹凸のあ
る被験体等を測定することが難しくなる。
In the former device, which uses microscope focusing, it is necessary to increase the magnification of the objective lens in order to obtain high precision. If the magnification of the objective lens is high, the subject and the objective lens will be very close together. In this case, the working distance of the measuring device, that is, the distance that the measuring device or the subject can move without coming into contact with each other becomes short, making it difficult to measure a subject with uneven surfaces.

一方、後者の、被験体からの反射光量の変化を測定する
ものにおいては、受光量のピーク点を境にして、光ファ
イバーの開口端に近い側においては受光量の変化が急激
で被験体の変位量を高感度で測定できるものの、被験体
がピーク点よりも遠い位置にある場合には受光量の変化
はさほど大きくない。従って、測定精度を高めるために
は作動距離が限定され、変位量の大きい被験体や表面に
大きな凹凸のある被験体を測定することが難しいもので
あった。
On the other hand, in the latter method, which measures the change in the amount of light reflected from the subject, the change in the amount of light received is rapid on the side near the aperture end of the optical fiber, with the peak point of the amount of received light as a border, and the displacement of the subject Although the amount of light can be measured with high sensitivity, if the subject is located far from the peak point, the change in the amount of received light is not very large. Therefore, in order to improve measurement accuracy, the working distance is limited, making it difficult to measure objects with large displacements or large irregularities on the surface.

本発明の目的は、上記実情に鑑み、物体の変位量やその
表面形状等を、非接触で、しかも、広い作動距離を確保
して精度よく測定fきる物体位置測定装置を提供するこ
とにある。
In view of the above-mentioned circumstances, an object of the present invention is to provide an object position measuring device that can accurately measure the displacement of an object, its surface shape, etc. in a non-contact manner while ensuring a wide working distance. .

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明による物体位置測定装置の特徴構成は、レーザビ
ームを出射する光源と、このレーザビームを回折させる
回折格子と、この回折格子により回折された回折光のう
ち正負一対の回折光を被験体上に収束投影するとともに
、この被験体から反射された前記一対の回折光を収束さ
せる収束光学系と、この収束光学系により収束され前記
回折格子により回折されて干渉された前記一対の回折光
を前記レーザビームから選択的に分離する光線束分割素
子と、この光線束分割素子により分割された光線束を受
けるラインセンサと、このラインセンサからの出力信号
を用いて前記被験体から反射された一対の回折光どうし
の干渉により生じた干渉縞の幅または数を演算する処理
部とを備えていることにある。
The characteristic configuration of the object position measuring device according to the present invention includes a light source that emits a laser beam, a diffraction grating that diffracts the laser beam, and a pair of positive and negative diffracted lights of the diffracted lights diffracted by the diffraction grating onto the subject. a convergent optical system that converges the pair of diffracted lights reflected from the object, and a convergent optical system that converges the pair of diffracted lights reflected from the subject; a beam splitting element that selectively separates the laser beam; a line sensor that receives the beam split by the beam splitting element; and a line sensor that uses the output signal from the line sensor to detect a pair of beams reflected from the subject and a processing section that calculates the width or number of interference fringes caused by interference between diffracted lights.

〔作 用〕[For production]

まず、本発明の物体位置測定装置による測定の原理を第
2図を用いて説明する。第2図の構成は最も簡単なもの
であり、図中左方から右方に進む光源(図示せず)から
の出射光は平行光である。
First, the principle of measurement by the object position measuring device of the present invention will be explained with reference to FIG. The configuration shown in FIG. 2 is the simplest one, and the light emitted from a light source (not shown) traveling from the left to the right in the figure is parallel light.

図中(6)は回折格子で、レーザ光源からのレーザビー
ムは、この回折格子(6)に入射した後、回折される。
In the figure, (6) is a diffraction grating, and the laser beam from the laser light source is diffracted after being incident on this diffraction grating (6).

この回折光は周知のように複数存在するが、そのうちの
[+1次]の回折光と[−1次コの回折光とを用いる。
As is well known, there are a plurality of diffracted lights, of which the +1st-order diffracted light and the -1st-order diffracted light are used.

なお、用いる回折光は[±1次]の回折光に限定される
ものではなく、−例えば、[±2次]や[±3次]とい
ったように、絶対値が同一の正負の回折次数を持つ一対
の回折光であってもよく、さらには、絶対値が異なる正
負一対の回折光であってもよい。また、直進する[0次
コの回折光は、光路中に介装された遮光板(9)によっ
て遮るようにする。
Note that the diffracted light to be used is not limited to [±1st order] diffracted light, but - for example, positive and negative diffraction orders with the same absolute value, such as [±2nd order] and [±3rd order], can be used. It may be a pair of diffracted lights that have different absolute values, or it may be a pair of positive and negative diffracted lights that have different absolute values. Further, the 0th-order diffracted light traveling straight is blocked by a light shielding plate (9) interposed in the optical path.

以下、[±1次コの回折光を例にとって説明する。Hereinafter, explanation will be given taking the diffracted light of [±1st order] as an example.

回折格子(6)からの[±1次]の回折光は、回折格子
(6)の後方に配設されたレンズ(7)を通過し、[0
次]の回折光の中心に対して平行に配設された一対のミ
ラー(8^)、(8B)によって反射され、前記レンズ
(7)の焦点(0゜)上で交差するように収束され、被
験体(T)上に投影されるように構成されている。
The [±1st order] diffracted light from the diffraction grating (6) passes through the lens (7) disposed behind the diffraction grating (6), and then passes through the [0
The diffracted light is reflected by a pair of mirrors (8^) and (8B) arranged parallel to the center of the diffracted light, and is converged so as to intersect on the focal point (0°) of the lens (7). , is configured to be projected onto the subject (T).

図中には、説明の簡略化のために、回折格子(6)を透
過後下方に回折された回折光(以下、[−1次コの回折
光と表示する)のみを表示しである。図示しない上方に
回折された回折光(以下、[+1次]の回折光と表示す
る)は、[0次]の回折光の中心に対して[−1次コの
回折光と対称な光路を進むものである。
In order to simplify the explanation, only the diffracted light that is diffracted downward after passing through the diffraction grating (6) (hereinafter referred to as [-1st-order diffracted light) is shown in the figure. The upwardly diffracted light (not shown) (hereinafter referred to as [+1st order] diffracted light) follows an optical path that is symmetrical to the [-1st order] diffracted light with respect to the center of the [0th order] diffracted light. It is something that progresses.

被験体(T)がレンズ(7)の焦点(0゜)に位置して
いるときには、[−1次]の回折光は被験体(T)によ
って反射された後、[+1次]の回折光と全く同じ光路
を逆に辿り、上方のミラー(8A)によって反射され、
レンズ(7)を通過し、再び回折格子(6)によって回
折され平行光となって戻る。
When the subject (T) is located at the focal point (0°) of the lens (7), the [-1st order] diffracted light is reflected by the subject (T), and then becomes the [+1st order] diffracted light. It follows exactly the same optical path in reverse and is reflected by the upper mirror (8A),
The light passes through the lens (7), is diffracted again by the diffraction grating (6), and returns as parallel light.

一方、[+1次コの回折光も同じように[−1次]の回
折光と全く同じ光路を逆に辿り、再び回折格子(6)に
よって回折され、平行光となって戻る。従って、それら
被験体(T)から反射されて戻ってきた2つの回折光ど
うしの間では干渉縞は生じていない。
On the other hand, the [+1st-order] diffracted light similarly follows exactly the same optical path as the [-1st-order] diffracted light, is diffracted again by the diffraction grating (6), and returns as parallel light. Therefore, no interference fringes are generated between the two diffracted lights reflected and returned from the subject (T).

被験体(T)がレンズ(7)の焦点(0゜)から変位し
た場合、例えば゛、図示のように、レンズ(7)の焦点
(0゜)よりも[δZ]だけ光源寄りに位置している場
合を考えると、一対の回折光は夫々被験体(T)上では
交差せず、被験体(T)で反射されレンズ(7)の焦点
(Oo)よりも[2δZ]だけ光源寄りの点(Po)で
交差する。
When the subject (T) is displaced from the focal point (0°) of the lens (7), for example, ゛, as shown in the figure, the subject (T) is located closer to the light source by [δZ] than the focal point (0°) of the lens (7). If we consider the case where the pair of diffracted lights do not intersect on the subject (T), they are reflected by the subject (T) and are reflected by [2δZ] closer to the light source than the focal point (Oo) of the lens (7). Intersect at point (Po).

この交差点(Po)は、上方のミラー(8A)に関して
対称な点(Pl)と等価で、被験体(T)から反射され
た[−1次]の回折光は、この点(Pl)から出射され
たように戻る。従って、上方のミラー(8A)によって
反射され、レンズ(7)を通過し、再び回折格子(6)
によって回折された光は、その進行方向が光源からの出
射されたもとの光に対して下方に[δφ]だけ偏る。
This intersection point (Po) is equivalent to a symmetrical point (Pl) with respect to the upper mirror (8A), and the [-1st order] diffracted light reflected from the subject (T) is emitted from this point (Pl). Return as done. Therefore, it is reflected by the upper mirror (8A), passes through the lens (7), and returns to the diffraction grating (6).
The traveling direction of the light diffracted by is biased downward by [δφ] with respect to the original light emitted from the light source.

一方、被験体(T)から反射された[+1次]の回折光
の進行方向は、光源から出射されたもとの光に対して上
方に[δφ]だけ偏る。従って、それら被験体(T)か
ら反射されて戻ってきた2つの回折光どうしの間には、
[2δφ]なる進行方向の隔たりがあり、干渉縞が生し
る。
On the other hand, the traveling direction of the [+1st order] diffracted light reflected from the subject (T) is deviated upward by [δφ] with respect to the original light emitted from the light source. Therefore, between the two diffracted lights reflected and returned from the subject (T),
There is a gap of [2δφ] in the traveling direction, and interference fringes occur.

そして、この干渉縞をCCD型のラインセンサ上に投影
することで、このラインセンサから紙面に垂直な方向に
縦の干渉縞の明暗に応じた出力信号が得られるのである
。この干渉縞は、上述した被験体(T)から反射されて
戻ってきた一対の回折光どうしの進行方向の隔たりによ
ってその間隔が異なるものである。そして、この進行方
向の隔たり、即ち、被験体(T)から反射されて戻って
きた光の回折角の変化は、以下説明するように、被験体
の位置に応じて変化する。
By projecting these interference fringes onto a CCD type line sensor, an output signal corresponding to the brightness of the vertical interference fringes can be obtained from this line sensor in a direction perpendicular to the plane of the paper. The distance between the interference fringes varies depending on the distance in the traveling direction between the pair of diffracted lights reflected and returned from the above-mentioned subject (T). The distance in the traveling direction, that is, the change in the diffraction angle of the light reflected and returned from the subject (T) changes depending on the position of the subject, as will be explained below.

従って、上述したラインセンサからの出力信号を用いて
、干渉縞の所定範囲内での本数、或いは、その明部又は
暗部の間隔等を演算することで、被験体(T)の基準位
置であるレンズ(7)の焦点(0゜)からの変位量[δ
Zコを求めることができるのである。
Therefore, the reference position of the subject (T) can be determined by calculating the number of interference fringes within a predetermined range or the interval between bright or dark parts using the output signal from the above-mentioned line sensor. Displacement amount of lens (7) from focal point (0°) [δ
It is possible to find Z.

以下、第2図を用いて、被験体(T)の変位量[δZ]
と干渉縞の間隔との関係を求める。
Hereinafter, using Fig. 2, the amount of displacement [δZ] of the subject (T)
Find the relationship between and the spacing of interference fringes.

先ず、被験体(T)の変位量[δZ]は、レンズ(7)
の焦点距離[f]に比して小さいので、被験体(T)か
ら反射され再び回折格子(6)で回折された回折光どう
しの光路差[ω1を、平面波の差として求める。
First, the amount of displacement [δZ] of the subject (T) is calculated from the lens (7).
The optical path difference [ω1] between the diffracted lights reflected from the subject (T) and diffracted again by the diffraction grating (6) is determined as a difference in plane waves.

また、この仮定から、レンズ(7)の焦点(0゜)のミ
ラー(8A)について対称な点(01)と、回折格子(
6)が光軸(L)に交わる点(E)とを結ぶ直線に、前
述した点(P、)から下ろした垂線の足を(シ)として
、 1「でl、 ”−f/cos θ          
     □  く 1 〉但し、θ: [±1次コの
回折光の回折角とする。
Also, from this assumption, the point (01) that is symmetrical about the mirror (8A) at the focal point (0°) of the lens (7) and the diffraction grating (
6) and the point (E) where it intersects the optical axis (L), let the foot of the perpendicular line drawn from the point (P,) mentioned above be (shi), 1 ``de l, ''-f/cos θ
□ 1 〉However, θ: [± the diffraction angle of the first-order diffracted light.

上述した光路差[ω]は、 Q)  =2 ・(D/2) ・tan δ φ   
     □  く 2 〉但し、D:光源から出射さ
れた光線束の直径 δφ:被験体(T)から反射され再び回折格子(6)で
回折された光の被 験体(T)の変位に伴う回折角の 変化量 である。
The optical path difference [ω] mentioned above is: Q) = 2 ・(D/2) ・tan δ φ
□ Ku 2 〉However, D: Diameter of the light beam emitted from the light source δφ: Diffraction angle of the light reflected from the subject (T) and diffracted again by the diffraction grating (6) due to the displacement of the subject (T) is the amount of change.

この回折角の変化量[δφ〕は微少なので、tan δ
 φ と9 δ φ               □
  く 3 〉とおける。
Since the amount of change in this diffraction angle [δφ] is minute, tan δ
φ and 9 δ φ □
3).

ここで、被験体(T)から反射され、再び回折格子(6
)に入射する光は、被験体(T)が[δZ]だけ移動す
ると、[θ+δθ]の角度で回折格子(6)に入射し、
[δφ]の角度で回折される。
Here, it is reflected from the subject (T) and again the diffraction grating (6
), when the subject (T) moves by [δZ], the light enters the diffraction grating (6) at an angle of [θ + δθ],
It is diffracted at an angle of [δφ].

従って、一般の回折式、 5in(入射角)−sin(回折角)=−n・λ/d□
 〈4〉 但し、n:回折次数(整数) λ:使用した光の波長 d:回折格子の格子間隔 の微分により、 δ φ = δ θ −cos θ         
   □  く 5 〉が得られる。
Therefore, the general diffraction formula is 5in (incidence angle) - sin (diffraction angle) = -n・λ/d□
<4> However, n: diffraction order (integer) λ: wavelength of the light used d: differentiation of the grating spacing of the diffraction grating, δ φ = δ θ − cos θ
□ ku 5 〉 is obtained.

また、この入射角の変化M[δθ]は、第1図において
、 tanδθ=δh/頂1+      ’     <
6>であるから、くl〉式を用い、この入射角の変化量
[δθ]が微少であることから、 tan δ θ シ; δ θ           
    □  く7〉と置くことによって、次のく8〉
式で求められる。
In addition, this change in the angle of incidence M[δθ] is expressed as tanδθ=δh/apex 1+'<
6>, therefore, using the formula, and since the amount of change in the angle of incidence [δθ] is minute, tan δ θ ; δ θ
□ By placing ku7〉, the next ku8〉
It is determined by the formula.

δθ=δh−cosθ/f      −<8>さらに
、第1図におけるΔ0IPIQ、において、P、Q、 
 =  δh=2−  δZ −’s、i n θ  
    □  く 9 〉であり、く4〉式において、
光が最初に回折格子(6)に入射するときの条件(入射
角が[O0]、回折角が[θコ)から、 sin θ =n・ λ/d            
   −<10>を用いて、 δh=2・ δz・ λ/d            
 −<11>但し、回折次数[n]は[+1次]とする
δθ=δh−cosθ/f −<8>Furthermore, in Δ0IPIQ in FIG. 1, P, Q,
= δh=2- δZ -'s, in θ
□ Ku 9 〉, and in the formula ku 4〉,
From the conditions when light first enters the diffraction grating (6) (the angle of incidence is [O0] and the angle of diffraction is [θ), sin θ = n・λ/d
- Using <10>, δh=2・δz・λ/d
-<11> However, the diffraction order [n] is [+1st order].

である。It is.

従って、〈2〉式に〈5〉式と〈8〉式と<11〉式と
を代入して、 ω=(2・δZ/F) ・(λ/d)・cos2θ □
 〈12〉但し、F=f/D なる関係式が得られる。また、この関係から、tan 
δ φ = (2・dZ/f) ・(λ/d)・cos
”θ −く13〉なる関係式が得られる。
Therefore, by substituting equations <5>, <8>, and <11> into equation <2>, we get ω=(2・δZ/F) ・(λ/d)・cos2θ □
<12> However, the relational expression F=f/D is obtained. Also, from this relationship, tan
δ φ = (2・dZ/f)・(λ/d)・cos
A relational expression ``θ − 13〉 is obtained.

一方、被験体(T)がレンズ(7)の焦点(0゜)から
変位することで生じる干渉縞の間隔(明部と暗部とを合
わせた幅)[a]は、 a= λ/2・sin δ φ           
  □  く14〉で表される。被験体(T)の変位に
よる回折角の変化量[δφ]は微小なので、 sinφ = tanφ              
  □  く15〉と置き、<13〉式と<14〉式と
から、a=Ld/4・ δZ−cos” θ     
    □  く16〉なる関係式が得られる。
On the other hand, the interval of interference fringes (the combined width of the bright and dark areas) [a] caused by the displacement of the subject (T) from the focal point (0°) of the lens (7) is as follows: a= λ/2・sin δ φ
□ Represented by ku14〉. Since the amount of change [δφ] in the diffraction angle due to the displacement of the subject (T) is minute, sinφ = tanφ
□ Put ku15〉, and from formulas <13> and <14>, a=Ld/4・δZ−cos” θ
□ The relational expression 16〉 is obtained.

従;て、レンズ(7)の焦点距離[f]、回折格子(6
)の格子間隔[d]、及び、平行光の回折格子(6)に
よる回折角[θコが予め分かっていれば、干渉縞の間隔
(上述の明部と暗部とを合わせた幅[aコ、或いは、明
部または暗部のみの幅[a/2] )を計測し、上述の
り16〉式を用いて換算することによって、被験体(T
)の変位量を測定することができるのである。
Therefore, the focal length [f] of the lens (7) and the diffraction grating (6
) and the diffraction angle [θ] of the parallel light by the diffraction grating (6) are known in advance. , or by measuring the width of only the bright part or the dark part [a/2] and converting it using the above formula 16>, the test subject (T
) can be measured.

この干渉縞の間隔を計測するために、本発明による物体
位置測定装置においては、CCD型のラインセンサを用
い、このラインセンサからの出力の変化を測定すること
を以て行うようにしである。
In order to measure the interval between interference fringes, the object position measuring device according to the present invention uses a CCD type line sensor and measures changes in the output from this line sensor.

〔実施例〕 以下、図面に基づいて、本発明の実施例を説明する。〔Example〕 Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.

第1図は、本発明による物体位置測定装置の概略構成を
示している。
FIG. 1 shows a schematic configuration of an object position measuring device according to the present invention.

図中(1)はHe−Neレーザで、光源であるこのHe
−Neレーザ(1)から出射されるp偏光成分のみから
なるレーザビーム(B)は、整形用レンズ(2)によっ
て整形されコリメータレンズ(3)によって平行光にさ
れた後、偏光ビームスプリッタ(4)を透過し、四分の
一波長板(5)によって円偏光になって回折格子(6)
に入射する。
(1) in the figure is a He-Ne laser, and this He-Ne laser is the light source.
A laser beam (B) consisting of only a p-polarized light component emitted from the -Ne laser (1) is shaped by a shaping lens (2) and made into parallel light by a collimator lens (3), and is then made into a parallel beam by a polarizing beam splitter (4). ), the quarter-wave plate (5) turns it into circularly polarized light, and the diffraction grating (6)
incident on .

回折格子(6)の後方には、レンズ(7)、及び、光軸
(L)に対して対称にかつ平行に配置された一対のミラ
ー(8A) 、 (8B)が設けられている。そして、
この回折格子(6)による[±1次]の回折次数を持つ
回折光のみを、上記一対のミラー(8A) 、 (8B
)によって反射し、上記レンズ(7)によってその焦点
(0゜)において交差するように収束させている。即ち
、レンズ(7)及び一対のミラー (8A) 、 (8
B)によって、収束光学系(C5)が構成されている。
A lens (7) and a pair of mirrors (8A) and (8B) arranged symmetrically and parallel to the optical axis (L) are provided behind the diffraction grating (6). and,
Only the diffracted light having the [±1st order] diffraction order by this diffraction grating (6) is transferred to the pair of mirrors (8A) and (8B).
) and are converged by the lens (7) so that they intersect at their focal point (0°). That is, a lens (7) and a pair of mirrors (8A), (8
B) constitutes a converging optical system (C5).

回折格子(6)を透過して直進する[0次コの回折光は
、光路内に置かれた遮光板(9)によって遮断されるよ
うになっている。なお、用いる回折光は、上述した[±
1次]の回折光に限らず、[±2次]、[±3次]とい
った、絶対値が同じ正負の回折次数を持つ一対のものが
好適である。
The 0th-order diffracted light that passes through the diffraction grating (6) and travels straight is blocked by a light shielding plate (9) placed in the optical path. Note that the diffracted light used is [±
In addition to diffracted light of [first order], a pair of diffraction orders having positive and negative diffraction orders with the same absolute value, such as [±second order] and [±third order], is suitable.

測定対象となる被験体(T)は、前記レンズ(7)の焦
点(0゜)ないしその近傍に位置させるようにする。上
述した一対の回折光は、この被験体(T)によって反射
され、被験体(T)からの反射光は、再び前述した一対
のミラー(8A) 、 (8B)、レンズ(7)、及び
、回折格子(6)を通過し、四分の一波長板(5)によ
ってS偏光成分のみからなる直線偏光となって再び偏光
ビームスプリッタ(4)に入射する。
The subject (T) to be measured is positioned at or near the focal point (0°) of the lens (7). The above-mentioned pair of diffracted lights are reflected by this subject (T), and the reflected light from the subject (T) is again reflected by the above-mentioned pair of mirrors (8A), (8B), lens (7), and The light passes through the diffraction grating (6), becomes linearly polarized light consisting only of the S-polarized component by the quarter-wave plate (5), and enters the polarizing beam splitter (4) again.

被験体(T)により反射されて戻って来た光は、この偏
光ビームスプリッタ(4)によって、He−Neレーザ
(1)に対する戻り光とならずに全て反射され、CCD
型のラインセンサ(10)に向かうように構成されてい
る。
The light reflected by the subject (T) and returned is completely reflected by this polarizing beam splitter (4) without becoming return light to the He-Ne laser (1), and is reflected by the CCD.
The line sensor (10) is configured to face the line sensor (10) of the mold.

本発明による物体位置測定装置の測定原理については、
既に第2図を用いて詳述したので改めて詳しく説明する
ことはしないが、被験体(T)がレンズ(7)の焦点(
Oo)上に位置しているときには、干渉縞は生じず、被
験体(T)がレンズ(7)の焦点(Oo)から外れてい
るときには、第2図に示すレンズ(7)の焦点(0゜)
からの被験体(T)の変位量[δZ]に応して、間隔[
a]の異なる干渉縞が生じる。
Regarding the measurement principle of the object position measuring device according to the present invention,
It has already been explained in detail using Figure 2, so I will not explain it in detail again, but when the subject (T) is at the focal point (
When the subject (T) is located on the focal point (Oo) of the lens (7), no interference fringes occur, and when the subject (T) is located on the focal point (Oo) of the lens (7) shown in FIG.゜)
According to the displacement amount [δZ] of the subject (T) from
a] different interference fringes are generated.

第3図に、干渉縞とそれに応じたCCD型のラインセン
サ(10)の出力信号との関係を示す。
FIG. 3 shows the relationship between interference fringes and corresponding output signals of the CCD type line sensor (10).

図中上段に示すように、間隔[a]なる干渉縞が生じて
いる場合、図中中段に示すラインセンサ(10)を構成
する、フォトダイオードからなる各画素(10a)から
の出力信号は、図中下段に示すようになる。
As shown in the upper part of the figure, when interference fringes with an interval [a] are generated, the output signal from each pixel (10a) consisting of a photodiode that constitutes the line sensor (10) shown in the middle part of the figure is as follows. The result is as shown in the lower part of the figure.

この出力信号は、第1図に示す処理部(11)に人力さ
れる。処理部(11)では、第3図に一点鎖線で示す基
準値に基づいて、この基準値よりも高い出力を示す画素
(10a)の数をもって、明部の幅[a/2]を求める
。第3図に示す例では、基準値よりも高い出力を示す画
素(10a)は6個あり、画素ピッチが一例として[1
3μm]あるとして、明部の幅[a/2]は[78μm
]と求められる。
This output signal is manually input to the processing section (11) shown in FIG. The processing unit (11) calculates the width [a/2] of the bright area based on the reference value shown by the dashed line in FIG. 3 and the number of pixels (10a) exhibiting an output higher than this reference value. In the example shown in FIG. 3, there are six pixels (10a) that exhibit an output higher than the reference value, and the pixel pitch is [1
3 μm], the width of the bright part [a/2] is [78 μm
] is required.

この干渉縞の間隔、即ち、明部と暗部とを合わせた幅[
a]と、被験体(T)の変位量[δZ]との間には、既
に述べたように、次の関係がある。
The interval between these interference fringes, that is, the combined width of the bright and dark areas [
a] and the displacement amount [δZ] of the subject (T), as described above, there is the following relationship.

a=f−d/4−δ7.−cos2θ    □ 〈1
6〉但し、f:レンズ(7)の焦点距離 °d:回折格子(6)の格子間隔 θ:千行光の回折格子(6)による 回折角 例えば、レンズ(7)の焦点距離が[1100t]、回
折格子(6)の格子間隔が[2μm]であるとすると、
He−Neレーザ(1)からのレーザビーム(B)の波
長が[0,6328μmコであるので、sinθ=0.
3164 となり、<16〉式は、 a=200000/3.6・ δZ         
  −<17>と書き直される。
a=f-d/4-δ7. −cos2θ □ 〈1
6> However, f: focal length of lens (7) ° d: grating interval θ of diffraction grating (6): angle of diffraction by thousand-line diffraction grating (6) For example, if the focal length of lens (7) is [1100t ], assuming that the grating spacing of the diffraction grating (6) is [2 μm],
Since the wavelength of the laser beam (B) from the He-Ne laser (1) is [0.6328 μm, sin θ=0.
3164, and the formula <16> is a=200000/3.6・δZ
- Rewritten as <17>.

干渉縞の幅[a]は明部と暗部とを合わせたものである
から、明部のみの幅[a/2]を観測するとすれば、<
17〉式は、 a/2=100000/3.6・δZ     −<1
8>と書き直される。
The width [a] of the interference fringe is the sum of the bright and dark parts, so if we observe the width [a/2] of only the bright part, <
17> Formula is a/2=100000/3.6・δZ −<1
It is rewritten as 8>.

被験体(T)をレンズ(7)の焦点(0゜)に置き、干
渉縞が生じない状態から、被験体(T)を光軸(L)に
沿って変位させ、[3w]の幅の明部を持つ干渉縞が観
測されたとすると、<18>弐に、a/2 = 300
0μm                −<19>を
代入して、 δZ=9.2593.crm            
   −<20>が得られる。即ち、焦点(0゜)から
の被験体(T)の変位量[δ2]は[9,2593μm
]であることが測定されるのである。
Place the subject (T) at the focal point (0°) of the lens (7), displace the subject (T) along the optical axis (L) from a state where no interference fringes occur, and place the subject (T) at the focal point (0°) of the lens (7). Assuming that interference fringes with bright areas are observed, a/2 = 300 in <18>2
Substituting 0 μm −<19>, δZ=9.2593. crm
-<20> is obtained. That is, the amount of displacement [δ2] of the subject (T) from the focal point (0°) is [9,2593 μm
] is measured.

上述したく焦点(0゜)からの被験体(T)の変位量[
δ2]と干渉縞の明部の幅[a/2]との関係を、第4
図(イ)のグラフに示す。
As mentioned above, the amount of displacement of the subject (T) from the focal point (0°) [
δ2] and the width of the bright part of the interference fringe [a/2], the fourth
This is shown in the graph in Figure (a).

測定可能な被験体(T)の変位量はレンズ(7)の焦点
(0゜)を基準としたものに限られるものではない。例
えば、上述した[3鶴]の幅の明部を持つ干渉縞が観測
された状態から、被験体(T)を光軸(L)に沿って変
位させ、干渉縞の明部の幅が、ラインセンサ(10)の
ひとつの画素(10a)の幅に相当する長さだけ増加し
たとすると、先程と同様に、画素ピッチが[13μm]
であるとして、<18〉式に、 a/2 = 3013μm             
                <21>を代入して
、 δZ=9.2193μm           <22
>が得られ、<20〉式と<22〉式との差を取って、
被験体(T)の変位量[Δ]が[0,04μm]である
ことが測定されるのである。
The amount of displacement of the subject (T) that can be measured is not limited to that based on the focal point (0°) of the lens (7). For example, from a state in which interference fringes with a bright part with a width of [3 cranes] are observed, the subject (T) is displaced along the optical axis (L), and the width of the bright part of the interference fringe becomes Assuming that the length is increased by the width of one pixel (10a) of the line sensor (10), the pixel pitch is [13 μm] as before.
Assuming that, in the formula <18>, a/2 = 3013 μm
Substituting <21>, δZ=9.2193μm <22
> is obtained, and taking the difference between the formula <20> and the formula <22>,
The amount of displacement [Δ] of the subject (T) is measured to be [0.04 μm].

計測可能な干渉縞の暗部又は明部の幅及びその移動量は
、ラインセンサ(10)の構成によって異なる。
The width of the measurable dark or bright part of the interference fringe and the amount of movement thereof vary depending on the configuration of the line sensor (10).

その上限は、ラインセンサ(10)をその長手方向に移
動できるように構成すれば、ラインセンサ(10)の長
さである。例えば、CCD型のラインセンサ(10)が
、[13μIIl]・の幅を持つ画素(10a)をその
幅方向に[2048個]並べて構成されたものであれば
、[26,6m]である。また、下限は、ラインセンサ
(10)の画素ピッチの[13μm]である。
The upper limit is the length of the line sensor (10) if the line sensor (10) is configured to be movable in its longitudinal direction. For example, if the CCD type line sensor (10) is configured by arranging [2048] pixels (10a) having a width of [13 μIIl]· in the width direction, the width is [26,6 m]. Moreover, the lower limit is [13 μm] of the pixel pitch of the line sensor (10).

そして、このように構成した場合、測定可能な被験体(
T)の変位量の下限値[Δ]は、干渉縞の明部の幅[a
/2]が[13μm]だけ増減したときの、被験体(T
)の焦点位置からの変位量[δ2]の差である。この被
験体(T)の変位量の下限値[Δ]は、干渉縞の明部の
幅[a/2]に応じて変化する。
And when configured like this, the measurable subject (
The lower limit value [Δ] of the displacement amount of T) is the width [a
/2] increases or decreases by [13 μm], the test subject (T
) from the focal point position [δ2]. The lower limit value [Δ] of the displacement amount of the subject (T) changes depending on the width [a/2] of the bright part of the interference fringe.

例えば、明部の幅[a/2]が[ltm]のときは、下
限値[Δ]は[0,35μffl]になる。また、明部
の幅[a/2]が[13,3鶴]のときは、下限値[Δ
]は[0,002μm]になる。
For example, when the bright portion width [a/2] is [ltm], the lower limit value [Δ] is [0,35 μffl]. Also, when the width of the bright part [a/2] is [13, 3 cranes], the lower limit value [Δ
] becomes [0,002 μm].

上述した、被験体(T)の変位量の下限値[Δ]と干渉
縞の明部の幅[a/2]との関係を、第4図(ロ)のグ
ラフに示す。なお、この下限値[Δコは画素ピッチのよ
り小さいラインセンサ(10)を用いることで、より小
さくできる。
The relationship between the lower limit [Δ] of the amount of displacement of the subject (T) and the width [a/2] of the bright part of the interference fringes is shown in the graph of FIG. 4(b). Note that this lower limit value [Δ can be made smaller by using a line sensor (10) with a smaller pixel pitch.

次に、本発明の物体位置測定装置による被験体(T)の
作動距離について説明すると、第2図において、回折格
子(6)で回折された[±1次]の回折光が被験体(T
)によって全て反射される範囲、即ち、[阿]が作動距
離と見做せる。
Next, to explain the working distance of the subject (T) by the object position measuring device of the present invention, in FIG.
) can be regarded as the working distance.

第2図において、 0.1テT=X+=f−tan θ         
   □  く23〉である。なお、この距離は、一対
のミラー(8A) 。
In Figure 2, 0.1teT=X+=f-tan θ
□ 23〉. Note that this distance is between a pair of mirrors (8A).

(8B)間の距離でもある。(8B) is also the distance between.

また、第2図に二点鎖線で示す2つの相似な三角形を考
えて、 (x++D/2)/f=(x+/2)/W    −<
24>なる関係があるから、<24〉式に〈23〉式を
代入して、 W=f”・tan θ/2・(D/2+f−tan θ
)    −<25>なる関係式が得られる。
Also, considering two similar triangles shown by two-dot chain lines in Fig. 2, (x++D/2)/f=(x+/2)/W −<
24>, so by substituting the formula <23> into the formula <24>, we get W=f”・tan θ/2・(D/2+f−tan θ
) −<25> is obtained.

先程と同様に、レンズ(7)の焦点距離を[100mm
] 、回折格子(6)の格子間隔を[2μm]とし、レ
ンズ(7)のFナンバーを[4]とすると、He−Ne
レーザ(1)からのレーザビームCB)の波長が[0,
6328μm]であるので、それらを<25〉式に代入
して、 讐=36.4菫粛                 
    □  く26〉となる。この値は、顕微鏡によ
る方式の作動距離に比べて、はるかに優れている。
As before, change the focal length of the lens (7) to [100mm]
], the grating interval of the diffraction grating (6) is [2 μm], and the F number of the lens (7) is [4], He-Ne
The wavelength of the laser beam CB) from the laser (1) is [0,
6328 μm], so by substituting them into the formula <25>, we get = 36.4 Sumire
□ 26〉. This value is much better than the working distance of the microscopic method.

一方、被験体(T)が平面でなかったり、その置かれ方
によって、上述した測定用の光学系の光軸(L)に直交
しない場合がある。この状態を示すのが第5図である。
On the other hand, the subject (T) may not be flat or may not be perpendicular to the optical axis (L) of the measurement optical system described above depending on how it is placed. FIG. 5 shows this state.

なお、この図においては、回折光の中心光線のみを示し
である。
Note that in this figure, only the central ray of the diffracted light is shown.

第5図から分かるように、回折格子(6)によって回折
された[±11次]回折光の交差点に被験体(T)が位
置している場合には、被験体(T)の傾きに拘らず、被
験体(T)から反射された再回折光は、一対のミラー(
8A) 、 (8B)に対してレンズ(7)の焦点(0
゜)と対称な点(0+)、(o。)から出射したように
進み、先程と同様に、レンズ(7)を透過し回折格子(
6)によって回折された後も干渉縞は観測されない。
As can be seen from Figure 5, when the subject (T) is located at the intersection of the [±11th order] diffracted light diffracted by the diffraction grating (6), regardless of the inclination of the subject (T), First, the re-diffracted light reflected from the subject (T) is reflected by a pair of mirrors (
Focus (0) of lens (7) for (8A) and (8B)
It travels as if it were emitted from the point (0+), (o.), which is symmetrical to ゜), and as before, it passes through the lens (7) and forms the diffraction grating (
No interference fringes are observed even after diffraction by 6).

一方、この状態から被験体(T)が光軸(L)方向に移
動すると、被験体(T)から反射された再回折光は、夫
々、一対のミラー(8A) 、 (8B)に対して再回
折光の交差点(Po)と対称な点(p+)、 (pz)
から出射したように進む。それら再回折光は、夫々、上
述した点(01)、(0□)からの光に対して進行方向
が偏っているので、再びレンズ(7)を透過し回折格子
(6)によって回折されたそれら再回折光どうしの間で
、先程と同じように干渉縞が観測されるのである。
On the other hand, when the subject (T) moves in the direction of the optical axis (L) from this state, the re-diffracted light reflected from the subject (T) is directed against the pair of mirrors (8A) and (8B), respectively. Point (p+), (pz) symmetrical to the intersection (Po) of the re-diffracted light
Proceed as if it were launched from. Since the traveling directions of these re-diffracted lights are biased with respect to the light from the points (01) and (0□) mentioned above, they pass through the lens (7) again and are diffracted by the diffraction grating (6). As before, interference fringes are observed between these re-diffracted lights.

今までの説明では、回折格子(6)によって回折された
[±11次]一対の回折光は、光軸(L)上で焦点を結
ぶように収束光学系(CS)が構成されていたが、これ
に替えて、一対の回折光が焦点でないところで交差する
ような収束光学系(CS)であっても、同様に被験体(
T)の変位量等を測定することができる。このことを第
6図を用いて説明する。
In the explanation so far, the converging optical system (CS) was configured so that the pair of [±11th order] diffracted lights diffracted by the diffraction grating (6) are focused on the optical axis (L). , Alternatively, even if a converging optical system (CS) is used in which a pair of diffracted lights intersect at a place other than the focal point, the subject (
The amount of displacement etc. of T) can be measured. This will be explained using FIG. 6.

第6図においても、[−1次]の回折光のみを描いであ
るが、この[−1次]の回折光は、光軸(L)から外れ
た位置で焦点(00”)を結ぶことになる。この場合に
は、一対の回折光の中心線が光軸(L)と交差する点(
0゜)に被験体(T)が位置しているときに干渉縞が生
じない。
In Figure 6, only the [-1st-order] diffracted light is depicted, but this [-1st-order] diffracted light focuses (00'') at a position off the optical axis (L). In this case, the point (
No interference fringes occur when the subject (T) is located at 0°).

即ち、[−1次]の回折光は被験体(T)によって反射
され、この被験体(T)に対して前記焦点(0,″)と
対称な点(0゜゛)に点像を結ぶ。この[−1次]の回
折光は上方のミラー(8A)によって反射され、このミ
ラー(8A)に対して上記点(0゜゛)と対称な点(o
、’)から出射したように進み、レンズ(7)を通過し
た後、回折格子(6)によって回折される。
That is, the [-1st order] diffracted light is reflected by the subject (T), and forms a point image with respect to the subject (T) at a point (0°) that is symmetrical to the focal point (0,''). This [-1st order] diffracted light is reflected by the upper mirror (8A), and with respect to this mirror (8A), a point (o
, '), and after passing through the lens (7), is diffracted by the diffraction grating (6).

また、被験体(T)が位置する点(Oo)のミラー(8
A)に対して対称な点(0,)は、回折格子(6)が光
軸(L)に交わる点(E)と上記点(01″)とを結ぶ
直線上にある。従って、被験体(T)から反射された一
対の回折光は、夫々、もとの回折光に対して進行方向の
偏りはなく、干渉縞は生じないのである。
In addition, the mirror (8) of the point (Oo) where the subject (T) is located is
The point (0,) that is symmetrical with respect to A) is on the straight line connecting the point (E) where the diffraction grating (6) intersects the optical axis (L) and the above point (01''). The pair of diffracted lights reflected from (T) are not biased in the traveling direction with respect to the original diffracted lights, and no interference fringes are generated.

一方、被験体(T)が上記点(0゜)から光軸(L)方
向に変位すると、[−1次]の回折光は点(po’)に
点像を結ぶ。この点のミラー(8A)に対して対称な点
(p + ’ )は、被験体の変位量[δZ]の2倍の
距離[2δZ]だけ前記点(o+’)から光軸(L)方
向に移動することとなるから、被験体(T)によって反
射された後ミラー(8八)によって反射され、この点(
p+’)から反射されたように進む[−1次]の回折光
は、レンズ(7)を通過し回折格子(6)で回折された
後、光源から出射されたもとの光に対してその進行方向
が偏る。
On the other hand, when the subject (T) is displaced from the above point (0°) in the direction of the optical axis (L), the [-1st order] diffracted light forms a point image at the point (po'). A point (p+') that is symmetrical with respect to the mirror (8A) at this point is located in the direction of the optical axis (L) from the point (o+') by a distance [2δZ] that is twice the amount of displacement [δZ] of the subject. Therefore, after being reflected by the subject (T), it is reflected by the mirror (88), and this point (
The [-1st-order] diffracted light, which travels as if reflected from p+'), passes through the lens (7) and is diffracted by the diffraction grating (6), and then returns to the original light emitted from the light source. The direction is biased.

図示はしないが、[+11次]回折光も上述した[−1
次]の回折光と対称な光路を進むので、被験体(T)で
反射され再び回折格子(6)で回折された後、光源から
出射されたもとの光に対してその進行方向が偏る。従っ
て、それら被験体(T)から反射された一対の回折光ど
うしを干渉させることで干渉縞が観測されるのである。
Although not shown, the [+11th order] diffracted light is also the above-mentioned [−1
Since it travels along an optical path symmetrical to the diffracted light of the next light, after being reflected by the object (T) and diffracted again by the diffraction grating (6), its traveling direction is biased with respect to the original light emitted from the light source. Therefore, interference fringes are observed by causing a pair of diffracted lights reflected from the subject (T) to interfere with each other.

そして、この干渉縞の幅等を計測することで、被験体(
T)の変位量[δZ]を測定することができる。
Then, by measuring the width etc. of this interference fringe, the subject (
T) displacement amount [δZ] can be measured.

さらに、今までの各構成においては、一対のミラー(8
A) 、 (8B)は、何れも光軸(L)を挟んで対称
に、かつ、平行に配設されている場合を説明したが、一
対のミラー(8A) 、 (8B)は、必ずしも平行で
なくてもよい。一対のミラー(8A) 、 (8B)を
、イ)第7図に示すように、光軸(L)と[α]なる角
度を持たせて被験体(T)側はど狭まるように配設して
も、rl)第8図に示すように、光軸(L)と[β]な
る角度を持たせて被験体(T)側゛  はど拡がるよう
に配設してもよい。
Furthermore, in each configuration up to now, a pair of mirrors (8
A) and (8B) are both arranged symmetrically and in parallel across the optical axis (L), but the pair of mirrors (8A) and (8B) are not necessarily parallel. It doesn't have to be. A) A pair of mirrors (8A) and (8B) are arranged so that they have an angle [α] with the optical axis (L) and are narrower on the subject (T) side, as shown in Figure 7. However, as shown in FIG. 8, it may be arranged so that it has an angle [β] with the optical axis (L) and spreads out on the subject (T) side.

何れの構成においても測定の原理は、今まで説明してき
た構成と大差がないので省略するが、夫々の構成におい
て、測定精度と作動距離において若干の違いがある。
The principle of measurement in either configuration is not much different from the configurations described so far, so a description thereof will be omitted, but there are some differences in measurement accuracy and working distance in each configuration.

即ち、第2図で説明した構成において、(9〉式で示さ
れる、 P+Q+=δh=2・δZ−sinθ なる関係が、一対のミラー(8A) 、 (8B)の傾
きによって変化する。
That is, in the configuration described in FIG. 2, the relationship expressed by equation (9), P+Q+=δh=2·δZ−sinθ, changes depending on the inclination of the pair of mirrors (8A) and (8B).

イ)の構成では、 P+Q+=  δh=2−  δZ−sin(θ +2
α)    −<27>なる関係がある。従って、第2
図に示す構成に比べて、測定精度が良くなるが、作動距
離は若干短くなる。
In the configuration of b), P+Q+= δh=2− δZ−sin(θ +2
α) −<27>. Therefore, the second
Compared to the configuration shown in the figure, measurement accuracy is improved, but the working distance is slightly shorter.

一方、口)の構成では、 P+Q+=  δh=2・ δZ−sin(θ −2β
)    −<28>なる関係がある。従って、第2図
に示す構成に比べて、測定精度が若干悪くなるものの、
作動距離は長くなる。
On the other hand, in the configuration of
) - There is a relationship: <28>. Therefore, although the measurement accuracy is slightly worse than the configuration shown in Figure 2,
The working distance will be longer.

また、先に述べた各構成では、光源であるHe−Neレ
ーザ(1)側から被験体(T)側に向かって、回折格子
(6)、レンズ(7)、及び、一対のミラー(8^)、
(8B)をその順に配設した構成を説明したが、その配
設順序は適宜変更可能である。
Furthermore, in each of the configurations described above, a diffraction grating (6), a lens (7), and a pair of mirrors (8 ^),
Although the configuration in which (8B) are arranged in that order has been described, the arrangement order can be changed as appropriate.

第9図に示す構成は、回折格子(6)をレンズ(7)よ
りも被験体(T)側に配設したものである。
In the configuration shown in FIG. 9, the diffraction grating (6) is placed closer to the subject (T) than the lens (7).

測定の原理は、基本的には先に第2図の構成によるもの
と同じであるが、測定精度と作動距離とが若干変わる。
The principle of measurement is basically the same as that using the configuration shown in FIG. 2, but the measurement accuracy and working distance are slightly different.

そのことを説明する。Let me explain that.

レンズ(7)により収束される光線束の光路中に回折格
子(6)を介装することによって、回折格子(6)が光
軸(L)に交わる点(E)と、回折格子(6)により回
折された回折光が収束結像する点(上方のミラー(8A
)がないと仮定すれば点(01))との距離[Wコは、 H(L=f−cos” θ             
  □  く29〉になることが知られている。
By interposing the diffraction grating (6) in the optical path of the bundle of rays converged by the lens (7), the point (E) where the diffraction grating (6) intersects with the optical axis (L) and the point (E) where the diffraction grating (6) The point where the diffracted light is converged and imaged (upper mirror (8A)
), then the distance to point (01)) [W is H(L=f−cos” θ
□ It is known that ku29〉.

従って、第2図の構成において説明に用いた、被験体(
T)の変位量[δZ]がレンズ(7)の焦点距離[f]
に比して小さいという仮定を用いれば、 ■#積汀 であり、第2図の構成において得られたく8〉式の替わ
りに、 δθ=δh/f−cos”θ    □ 〈30〉なる
関係式が得られる。
Therefore, the subject (
The amount of displacement [δZ] of T) is the focal length [f] of the lens (7)
If we use the assumption that it is smaller than is obtained.

これにより、被験体(T)から反射された一対の回折光
どうしの光路差[ω]は、り12〉弐の替わりに、 ω=(2・δZ/F) 、 (λ/d) ・(1/co
sθ) −<31>となる。
As a result, the optical path difference [ω] between the pair of diffracted lights reflected from the subject (T) becomes ω=(2・δZ/F), (λ/d)・( 1/co
sθ) −<31>.

ここで、[ω=λ/4]、即ち、光強度変化が50%の
割合でおこるときの被験体(T)の変位量[δ2]を感
度の目安とすると、 λ=0.6328μm d=2μm F=4 の条件では、第2図の構成による場合、被験体(T)の
変位量[δ2]は、<12〉式から、δZ=1.1μ 
m             −−く32〉となる。一
方、第9図の構成による場合、被験体(T)の変位量[
δ2]は、<31〉式から、δZ=0.95μ m  
                    −く33〉
となる。
Here, if [ω=λ/4], that is, the amount of displacement [δ2] of the subject (T) when the light intensity changes at a rate of 50%, is used as a guideline for sensitivity, then λ=0.6328μm d= 2μm Under the condition of F=4, when using the configuration shown in Fig. 2, the displacement amount [δ2] of the subject (T) is δZ=1.1μ from the formula <12>.
m --ku32〉. On the other hand, in the case of the configuration shown in FIG. 9, the displacement amount of the subject (T) [
δ2] is from the formula <31>, δZ=0.95μ m
-ku33〉
becomes.

〈33)式と〈32〉式とを比べれば、第2図の構成に
比して、この第9図の構成の方が感度が高いと言える。
Comparing equations <33) and <32>, it can be said that the configuration shown in FIG. 9 has higher sensitivity than the configuration shown in FIG. 2.

ところで、第2図の構成のレンズ(7)においては、回
折格子(6)により[θコなる回折角をもって回折する
一対の回折光が通過できるだけの広い画角が必要であり
、その広い画角に対して口径食を生じさせずに回折光を
通過させるためには、レンズ(7)の外径も大きなもの
が必要となる。
By the way, in the lens (7) having the configuration shown in Fig. 2, it is necessary to have a wide angle of view that allows the pair of diffracted lights diffracted by the diffraction grating (6) to pass through with a diffraction angle of [θ]. In order to pass the diffracted light without causing vignetting, the lens (7) also needs to have a large outer diameter.

一方、第9図の構成のレンズ(7)においては、光源か
らのレーザビームはレンズ(7)を通過した後回折格子
(6)で回折されるから、同じFナンバーを持つレンズ
(7)であってもレンズ(7)の外径を小さくでき、逆
に、同じ外径のレンズ(7)であってもFナンバーを小
さくできる。従って、第9図の構成では、Fナンバーの
小さなレンズを採用することによってさらに感度を向上
させることも可能である。
On the other hand, in the lens (7) having the configuration shown in Fig. 9, the laser beam from the light source is diffracted by the diffraction grating (6) after passing through the lens (7). Even if the lens (7) has the same outer diameter, the outer diameter of the lens (7) can be made smaller, and conversely, even if the lens (7) has the same outer diameter, the F number can be made smaller. Therefore, in the configuration of FIG. 9, it is possible to further improve the sensitivity by employing a lens with a small F number.

さらに、第9図のような構成にした場合には、コリメー
タレンズ(3)を省略することもでき、第10図に示す
ように、偏光ビームスプリッタ(4)に替えて光線束分
割素子としてのハーフミラ−(12)を設けることで、
物体位置測定装置の全体の光学系の構成を簡略化するこ
とができる。
Furthermore, in the case of the configuration shown in Fig. 9, the collimator lens (3) can be omitted, and as shown in Fig. 10, the polarizing beam splitter (4) can be used as a beam splitting element. By providing a half mirror (12),
The configuration of the entire optical system of the object position measuring device can be simplified.

また、作動距離[W]については、第9図において、 酊酊=x+=EO+・sinθ =f−cos” θ ・sin θ   □  く34
〉積汀1罰+−CO9θ =f−cos3θ             □  く
35〉であるから、第2図の構成において得られた<2
5〉式の替わりに、 H=f2−cos5θ・Sinθ /2・(D/2+f、cos”θ−5inθ)−<36
> なる関係式が得られる。なお、〈36〉式における[D
]は回折格子(6)に入射する光線束の径であるが、回
折格子(6)とレンズ(7)との間隔が微少であるので
、近似的に F = f/D なる関係式から求めることができる。
Regarding the working distance [W], in Figure 9, intoxication=x+=EO+・sinθ=f−cos” θ・sinθ □ 34
〉Product 1 penalty + -CO9θ = f-cos3θ □ 35〉, so <2 obtained in the configuration of Fig. 2
5> Instead of formula, H=f2-cos5θ・Sinθ/2・(D/2+f, cos”θ-5inθ)−<36
> A relational expression is obtained. Note that [D
] is the diameter of the beam of light incident on the diffraction grating (6), but since the distance between the diffraction grating (6) and the lens (7) is minute, it can be approximately determined from the relational expression F = f/D. be able to.

先程と同じ数値を〈36〉式に代入すれば、W=29.
7mm                      
           <37)となる。
Substituting the same numerical value as before into formula <36>, W=29.
7mm
<37).

<37〉弐と〈26〉弐とを比べれば、第2図の構成に
比して、この第9図の構成の方が若干作動距離が小さい
が、数学的には同じオーダで大差はない。
Comparing <37>2 and <26>2, the configuration shown in Figure 9 has a slightly shorter working distance than the configuration shown in Figure 2, but mathematically they are on the same order and there is no big difference. .

第11図に示す構成は、第2図の構成におけるレンズ(
7)を、光軸(L)に対して対称で、かつ、回折格子(
6)による[±1次]の回折光の進行方向に直交する一
対のレンズ(7A) 、 (7B)から構成したもので
ある。
The configuration shown in FIG. 11 is similar to the lens (
7) is symmetrical about the optical axis (L) and has a diffraction grating (
6) is composed of a pair of lenses (7A) and (7B) that are orthogonal to the traveling direction of the [±1st order] diffracted light.

測定の原理は、既に述べた構成の場合と同じであるが、
この構成によれば、夫々のレンズ(7A) 、 (7B
)の外径を、第2図に示す構成のレンズ(7)の外径に
対して、[1/cosθ]に小さくでき、しかも、一対
の回折光の進行方向に対して直交するように配設されて
いるから画角も小さいもので済み、コスト面で有利であ
る。
The principle of measurement is the same as for the configurations already described, but
According to this configuration, the respective lenses (7A) and (7B
) can be made smaller to [1/cosθ] than the outer diameter of the lens (7) having the configuration shown in FIG. Because of this, the angle of view can be small, which is advantageous in terms of cost.

さらに、第12図に示す構成は、光軸(L)に対して対
称な一対のレンズ(7A) 、 (7B)を、一対のミ
ラー(8A) 、 (8B)よりも被験体(T)側に、
かつ、一対のミラー(8A) 、 (8B)により反射
された後の一対の回折光の進行方向に直交するように配
設したものである。
Furthermore, in the configuration shown in FIG. 12, a pair of lenses (7A) and (7B) symmetrical with respect to the optical axis (L) are placed closer to the subject (T) than a pair of mirrors (8A) and (8B). To,
Moreover, it is disposed so as to be orthogonal to the traveling direction of the pair of diffracted lights after being reflected by the pair of mirrors (8A) and (8B).

この構成においても、測定の原理は既に述べた構成の場
合と同じであるが、先程の第11図に示す構成と同様に
、夫々のレンズ(7A) 、 (7B)の外径を小さく
できるとともに画角を小さくでき、コスト面で有利であ
る。
In this configuration, the principle of measurement is the same as in the configuration already described, but as in the configuration shown in FIG. The angle of view can be made small, which is advantageous in terms of cost.

本発明の物体位置測定装置による物体の変位等の測定は
、被験体(T)を光軸(L)方向に移動させることによ
って行うことができるが、物体の位置測定等は、先の各
構成で説明した物体位置測定装置自体をその光軸(L)
方向に移動させることによっても行うことができる。同
様に、物体の表面形状等の測定は、被験体(T)、或い
は、物体位置測定装置の何れかを、光軸(L)に直交す
る方向に移動させて行うことができる。
Measurement of the displacement of an object by the object position measuring device of the present invention can be performed by moving the subject (T) in the direction of the optical axis (L). The object position measuring device itself explained in
This can also be done by moving in the direction. Similarly, the surface shape of an object can be measured by moving either the subject (T) or the object position measuring device in a direction perpendicular to the optical axis (L).

本発明による物体位置測定装置は、基本的に、物体の変
位或いは物体表面の形状等を測定するために用いること
ができるが、その応用として、ガラス板やレンズ、或い
は、透明アルマイトのアルマイト層といった、透明物体
の厚みを測定するために用いることができる。
The object position measuring device according to the present invention can basically be used to measure the displacement of an object or the shape of the object surface, but it can also be applied to glass plates, lenses, or anodized layers of transparent alumite. , can be used to measure the thickness of transparent objects.

即ち、先ず、透明物体上面からの反射光を用いて干渉縞
が生じなくなるように物体位置測定装置を光軸(L)方
向に移動させる。次に、透明物体下面からの反射光を用
いて干渉縞が生じなくなるように物体位置測定装置を光
軸(い方向に移動させる。このとき、測定中の面とは異
なる面からの反射光による干渉縞は非常に密になるので
測定に支障を来すことはない。
That is, first, the object position measuring device is moved in the optical axis (L) direction so that interference fringes are no longer generated using the reflected light from the top surface of the transparent object. Next, the object position measuring device is moved in the direction of the optical axis so that interference fringes are no longer generated using the reflected light from the lower surface of the transparent object. Since the interference fringes are very dense, they do not interfere with measurement.

このようにして測定された上下両面の位置の差は、光学
的厚さ[t0]であり、屈折率を[nlとして、幾何学
的厚さ[む、]との間に、t0=  (2−1/n)・
t、              −<38>なる関係
がある。
The difference between the positions of the upper and lower surfaces measured in this way is the optical thickness [t0], and the difference between the geometric thickness [mu] and the refractive index [nl] is t0 = (2 -1/n)・
There is a relationship: t, −<38>.

従って、屈折率[nlが既知であれば測定された光学的
厚さ[t0]から幾何学厚さ[t、]を求めることがで
き、幾何学的厚さ[t、]が既知であれば測定された光
学的厚さ[t0]から屈折率[nlを求めることができ
る。
Therefore, if the refractive index [nl is known, the geometric thickness [t,] can be determined from the measured optical thickness [t0], and if the geometric thickness [t, ] is known, then the geometric thickness [t, ] can be determined from the measured optical thickness [t0]. The refractive index [nl] can be determined from the measured optical thickness [t0].

なお、本発明による物体位置測定装置に用いる被験光と
して、先に述べた各構成ではHe−Neレーザ(1)か
ら出射されるレーザビーム(B)を用いていたが、その
他各種気体レーザ、或いは、半導体レーザ等からのレー
ザビームを用いることも可能である。
In addition, as the test light used in the object position measuring device according to the present invention, in each of the configurations described above, the laser beam (B) emitted from the He-Ne laser (1) was used, but other various gas lasers or It is also possible to use a laser beam from a semiconductor laser or the like.

また、本発明による物体位置測定装置に用いるラインセ
ンサ(10)は、先の各構成で説明したCCD型のもの
に替えて、MOS型やPCD型、或いは、C3D型等の
種々の構成のものを用いることも可能である。
Furthermore, the line sensor (10) used in the object position measuring device according to the present invention may be of various configurations such as a MOS type, a PCD type, or a C3D type, instead of the CCD type described in each configuration above. It is also possible to use

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上述べてきたように、本発明による物体位置測定装置
は、光源からのレーザビームを回折格子で回折させてそ
の一対の回折光を被験体に投射し、この被験体から反射
された一対の回折光どうしを干渉させ、その干渉縞をラ
インセンサを用いて計測することで物体位置を測定する
ものであり、干渉を利用し、物体の奥行き方向([0次
コの回折光の方向)の変位をその方向と直交する方向の
干渉縞に変換して計測するので、物体に非接触で広い作
動距離を確保したまま高精度の物体位置の測定を行うこ
とができるものである。
As described above, the object position measuring device according to the present invention diffracts a laser beam from a light source with a diffraction grating, projects a pair of diffracted lights onto a subject, and then projects a pair of diffracted lights reflected from the subject. The object position is measured by causing light to interfere with each other and measuring the interference fringes using a line sensor.The interference is used to measure the displacement of the object in the depth direction (the direction of the 0th-order diffracted light). Since the measurement is performed by converting the image into interference fringes in a direction perpendicular to that direction, it is possible to measure the object position with high precision while maintaining a wide working distance without contacting the object.

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

図面は本発明に係る物体位置測定装置の実施例を示し、
第1図は概略構成図、第2図は測定原理を示す光路図、
第3図は干渉縞とラインセンサの出力との関係を示す概
略図、第4図(イ)は焦点からの被験体の変位量と干渉
縞の明部の幅との関係を示すグラフ、第4図(II)は
測定可能な被験体の変位量の下限値と干渉縞ψ明部の幅
との関係を示すゴラフ、第5図は被験体が傾斜している
ときの光路図、第6図は回折光が光軸上に収束しないと
きの光路図、第7図及び第8図は一対のミラーが平行で
ないときの光路図、第9図は回折格子がレンズよりも被
験体側に位置しているときの光路図、第10図は物体位
置測定装置の別の実施例を示す第1図に相当する概略構
成図、第11図及び第12図はレンズを分割構成とした
ときの光路図である。 (1)・・・・・・光源、(4) 、 (12)・・・
・・・光線束分割素子、(6)・・・・・・回折格子、
(10)・・・・・・ラインセンサ、(11)・・・・
・・処理部、(T)・・・・・・被験体、(C3)・・
・・・・収束光学系、(B)・・・・・・レーザビーム
The drawings show an embodiment of the object position measuring device according to the present invention,
Figure 1 is a schematic configuration diagram, Figure 2 is an optical path diagram showing the measurement principle,
Figure 3 is a schematic diagram showing the relationship between interference fringes and the output of the line sensor, Figure 4 (a) is a graph showing the relationship between the amount of displacement of the subject from the focus and the width of the bright part of the interference fringe. Figure 4 (II) is a Goraf showing the relationship between the lower limit of the measurable displacement of the subject and the width of the interference fringe ψ bright part, Figure 5 is the optical path diagram when the subject is tilted, and Figure 6 is the optical path diagram when the subject is tilted. The figure shows the optical path diagram when the diffracted light is not converged on the optical axis, Figures 7 and 8 are the optical path diagrams when the pair of mirrors are not parallel, and Figure 9 shows the optical path diagram when the diffraction grating is located closer to the subject than the lens. FIG. 10 is a schematic configuration diagram corresponding to FIG. 1 showing another embodiment of the object position measuring device, and FIGS. 11 and 12 are optical path diagrams when the lens is in a split configuration. It is. (1)...Light source, (4), (12)...
... ray beam splitting element, (6) ... diffraction grating,
(10)... Line sensor, (11)...
...Processing unit, (T)...Subject, (C3)...
...Convergent optical system, (B) ...Laser beam.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] レーザビームを出射する光源と、このレーザビームを回
折させる回折格子と、この回折格子により回折された回
折光のうち正負一対の回折光を被験体上に収束投影する
とともに、この被験体から反射された前記一対の回折光
を収束させる収束光学系と、この収束光学系により収束
され前記回折格子により回折されて干渉された前記一対
の回折光を前記レーザビームから選択的に分離する光線
束分割素子と、この光線束分割素子により分割された光
線束を受けるラインセンサと、このラインセンサからの
出力信号を用いて前記被験体から反射された一対の回折
光どうしの干渉により生じた干渉縞の幅または数を演算
する処理部とを備えた物体位置測定装置。
A light source that emits a laser beam, a diffraction grating that diffracts the laser beam, and a pair of positive and negative diffracted lights among the diffracted lights diffracted by the diffraction grating are convergently projected onto an object, and are reflected from the object. a converging optical system that converges the pair of diffracted lights; and a beam splitting element that selectively separates the pair of diffracted lights that are converged by the converging optical system and diffracted and interfered by the diffraction grating from the laser beam. and a line sensor that receives the beam split by this beam splitting element, and the width of interference fringes caused by interference between a pair of diffracted lights reflected from the subject using the output signal from this line sensor. or an object position measuring device equipped with a processing unit that calculates numbers.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014126385A (en) * 2012-12-25 2014-07-07 Azbil Corp Optical measuring apparatus
JP5725681B1 (en) * 2014-01-22 2015-05-27 レーザーテック株式会社 Interferometer and phase shift amount measuring apparatus
JP2015175642A (en) * 2014-03-13 2015-10-05 キヤノン株式会社 Measurement device and method for manufacturing article
CN110274539A (en) * 2018-03-15 2019-09-24 欧姆龙株式会社 Sensing head

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