JPS631905A - 光学式厚み測定法及び装置 - 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】 ａ、技術分野 本発明は、光学的に透明又は半透明なθｑ検物の肉厚測
定に関するもので、特に薄板ガラスの肉厚ｉ１＋１１定
に関するものである。

ｂｉ従来技術及びその問題点 従来、助板ガラスの肉厚を非接触て訓＜’、＋　、１）
θ（として、静電容是型検出器を被検物のＪ＜裏１１１
１にそれぞれ配ｔ、基準片との差により肉厚に７１りめ
？、ツノ゛θ（があるが、この方法では絶対寸法を知イ
）事ができないｔ、例えばテレビカメラの撮像５１・の
ストライブフィルター（薄板のガラス）にあり−では表
１１４１から内部の曲までの厚さは測れない、。

また光学的肉厚１１１１定法には、光切断？７；や顕微
鏡の合焦による方Ｖ、などがあるか、光束の被検物透過
による収差の発生のため高精度に肉厚を測定する事はで
きなかった。

０、目的 本発明は、被検物に光学系により集光光束を投射ｔ、光
学系又は被検物を光学系の光軸方向に移動した１１、ν
、被検物の表面及び裏面（あ′るいは内部の而）での軸
上中心強度最大の位置を検出ｔ、さらに光学系め集光光
束の開口数Ｎ　Ａｏ、被検物の屈折率ｎ等からの補正演
算を行なう事により肉厚ｔを求めようというもので、被
検物の表Ｉ〔１１から内部の面までの肉厚測定をも可能
とｔ、肉厚の絶対寸法も高精度に測定可能とする方法及
び装置を提供する事を目的とする。

ｄ、実施例の構成及び作用 上記目的を達成するための本発明の肉ｔｂ測定法につい
て述へる。第１図のようなし１示していない光学系によ
る開口数ＮＡ、を持つ集光光束１を、屈折率ｎで肉Ｎ、
ｔを持つ平行平面である被検物（ガラス）２に投射する
。そこで、被検物（又は光学系）を光学系の光軸方向で
あるＺ方向に動かすと、まず被検物の表面２−１でピン
トが合い、次に移動量ａだけ離れた所で裏面２−２でピ
ントが合う。

今、光学系を無収差とすると（すなわち集光光束は完全
に一点に集まる。）、表面２−１ではガウス像面Ａと軸
４二中心強度最大像面Ｂとは一致する（第２図（１）参
照）が、裏面２−２では光束が被検物２の内部を透過し
て来るため、第２図（２）に示す様に、球面収差ＳＡの
発生により、ガウス像面Ａ′と軸上中ノラ；強度最大の
像面Ｂ′とはずれ量ｂＮだけずれる。

以上述べ九本を第３図のＺ軸移動に対する軸上中心強度
工との関係で示すと、集光光束に対し被検物２をＸ軸方
向に動かしていくと、まず被検物の表ｍｌでの像面Ａ、
’Ｂ点で■の様に軸上中心強度は最大と□′なり、次に
移動ｉａだけ動いた所で裏面での像面Ｂ′の位置で■の
様に軸上中心強度は最人となる。この時、被検物の肉厚
１は ＋：＝ｎ　（ａ＋ｂＮ）　　・・・−（１）て求められ
る。

そこで本発明は、移動量ａを測定ｔ、前記像面Ａ’　、
Ｂ’のずれ＠ｂ　Ｎを計算する事により、被検物の肉厚
１、を求めようというものである。

それでは、ずれ量ｂＮの計算のやり方について述へる。

波面収差が小さい時には、Ｍａｒｅｃｈｅｌによると、
波面収差の標準偏差が最小の時、軸上中心強度が最大に
なる（レンズ設計のための波面光学Ｐ２４〜Ｐ２５東海
大出版会）という事が解っている。

一般にピン１−ずらしを行った後の波面収差ｗ（ｐ’）
は、２次、４次、６次、８次の波面収差振数をｗ、、　
ｗ、、、　ｗ、’、　ｗ、とするとＷ（Ｐ）＝Ｗ、Ｉ：
１２＋Ｗ、、Ｐ’＋Ｗ、ＰＣ＋ＷＩｌＰ’（１）　＝　
Ｏ〜［）・・・・・・　（２）で表わせ、二の（２）式
の波面収差の分散〈ΔＷ２〉は モ　　−−Ｗ４．・Ｗ、。

となる。従ってくΔＷ２〉を最小しこ−・ｉ　イ′＋＼
＼ｆ、はである。

以１：の結果を幾可光学の縦収差に直してとえると、球
１ｆ１１収差の２次、４次、６次の各係数をＣよ。

Ｃｉ、、ＣＩ、とｔ、ピントずらし量在■くど−すると
、球面収差Ｓ（丁））は ５（Ｖ）＝（：、Ｐ２＋Ｃ７Ｐ１＋Ｃ，Ｐ’（Ｐ＝０〜
Ｉ　）（４）で１ｊ、えられ、その時の波面収差Ｗ　（
，１）　）は、１Ｆ、ソコ光束光学系の焦点距離を「、
最外光線のｌｌ＋ｉ・における高さをｌ＋０とすると −Ｃ，／４せる。

（２Ｆ人、（５）式の係数を比較ｔ、さらしこ（３）式
に代入すると となる。

このＩくばカラス像面から軸」−中心強度最大の像面ま
でのすらし４１ｔをｔｊ−える。

二こで光学系による無収差光束な・１４行平面である被
検物に透過させると、球面収差５（ｐ）は、光学系の開
１１故ＮＡに応し ・・・　・　（７） と表せるから、（７）式を（４）式と比較すると、２　
ｎ３　　　　ｆ２　　。

８ｎ５　　　　ｆ４　。

１６ｎ７　、　　　　　１毛・ ｈ□ である。ここで−−−−−二ＮＡｏであり、■ Ｒ＝　ｂ　Ｎゆえ、　（６）式より （ｎ２４３）ＮＡ□”＋　（ｎ４＋ｚｎ′＋２）ＮＡｏ
４）＞　　ｔ　　　　　　　　　　　　−−（８）とな
り、すれ’＋１−ｂＮが求まれば（１）式より肉厚りは
求まるはすであるか、実際には、ずれ量ｂＮは肉厚ｔの
関数となっており、肉厚ｔが解っていない時はすれ借す
えは求まらない。

そこで１を繰り返し回数としＬ工＝　ｎ　ａなるＬ□を
肉厚ｔの初期値として （ｎ２−１）（ｎ′→−１）ＮＡｏ’十（ｎ４＋２ｎ′
＋２）　・ＮＡｏ４〕）　　・＋＋ここて＋、　、＝　
ｒ＋　（ａ　十ｂ　ｉ−□）なる式に代入ｔ、ずれ４Ｈ
，ｂＮの１−回し１の近似値とじです、を求め、次にこ
のす、を（１）人に代入ｔ、２　ｔ１１＋　＋＋の肉１
！；、　（の近似値ｔ２を求める。次しこ、このｔ、；
１（８）人しこ代入ｔ、ずれＹＩ＜　１３　ｐ４の２回
目の近似値ｂ２を求め、以下回しｆ順で繰り返し演算を
ｔＮ　１：Ｎ−１≦Δ（Δは１−分車さな値とする）ま
でＮ回行う。この時のｔＮが求める肉厚１となる。

すなわち ｊ＝：ｌ、Ｎ＝口（＋ｉ　＋　ｂ　Ｎ−ｓ、　）で肉厚
が求まる。さて、以上述べた測定法に上＋、７５いた具
体的な装置について、本発明で用いた−・実施例を第４
図に基き以下説明する。

今、光源３からの光束は、コンデンサーレンズ５によピ
ンホール６の位置で点光源となる。この途中に任意の波
長を選択するための干渉フィルター４を入れる。ピンホ
ール６の位置で点光源となった光束は、対物レンズ７に
より開［１数ＮＡｏを持った集光光束として屈折率ｎ、
厚さ１に持−）被検物８に投射される。

被検物８よりの反射光は、元来た経路’４ｓ−，ｈｊ：
す、ビームスプリッタ−９にてフォトダイオ−１〜の様
な光電変換素子１０に心かれる。光電変換ノ・ミ了１０
の前には、反射光の軸上中心強度を選択するためピンホ
ール１１が配されている。もち７．ん光電変換素子は固
体撮像素子の様な物でもよく、その場合ピンホール１１
は不要となる。光電変換素ｒ　、Ｌ　ｏからのアナログ
信号はサンプルホールド回路１２．Δ／　Ｉ）変換回路
１３を経てデジタル４Ｍ号となり、マイコン１４に入力
される。

この時、被検物８を対物レンズ７の光軸方向にしｊ示し
ていない移動手段で動かすと、表面８−１及び裏面８−
２でピン１−が合い、この時、光電変換素子１０上の信
号は最大となる。この表面及び裏面でのピン１−位置の
差、即ち移動是ａを測長スケール１５で読み取り、読取
リイ、？シンをマイコン１４へ人力する。マイコン１４
は、ｈ！折率ｎ、開１−１数Ｎ　Ａ　ｏ　＋移動（、（
ａなどの値を用い前述した測定θ電に」、！、づいて肉
厚ｔを算出する。尚、移動４ｔａは、被検物の表面及び
裏面あるいは内部の而での中心強度最大位置間の距離と
同意である。

第５図には本発明に用いた第２の実施例を示す。

第４図と同じ部品は説明を省略する。光源に直線偏光レ
ーザ１６を用いる。直線偏光レーザ１６からの光は、ビ
ームエキスパンダー１７により拡大され、対物レンズに
よって被検物に集光光束としで投射される。被検物から
の反射光をビームスプリッタ−９′により光電変換素子
に導く。レーザを用いる事により光強度が増大ｔ、さら
に対物レンズにより被検面に非常に小さな集光スポット
が形成できるため、精度が向上する。またヒ−ｌ、スプ
リッター９′に偏光ビームスプリンター及び対物レンズ
の＋’ｔｆに１７４波長板］８を用いろと、１／４波長
抜透過後の光束は円偏光となり、被検向からの反射光が
再び１／４波長板を通ると、レーザ発振光とは偏光方向
が直交する。このため、偏光ビー１５プリッタ−により
、反射光すなオ）も信号光はすべて光電変換素子に導か
れる。又、レーザビームによるビームエキスパンダー１
７からの反射光すなわちノイズは、レーザ発振光と偏光
方向が回しため、光電変換素子には導かれない。従って
偏光ビームスプリッタ−及び１／４波長伝を用いること
でＳ／Ｎ比の向上が計れる。また光源は半導体レーザで
もよく、その場合、ビームエキスパンダー１７は不要と
なる。

＝１２− ｅ、動床 以」−述べた様に、本発明を用いれば、光束が被検物を
透過するために、収差が発生しても、肉厚の絶対寸法力
讐、−度よく測れるｔ、ガラスの表面から内部の面まで
の距離の測定をも可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための図、第２図（１
，）、（２）は無収差集光光束が被検物の表面及び被検
物を透過した時に発生する球面収差図、第３図は被検物
の表面及び裏面にピントが合った時の軸上中心強度の関
係を示すための図、第４図は本発明の測定法に基づいた
測定装置の一実施例を示す説明図、第５図は測定装置の
別の実施例を示す説明［ン１である。 Ｌ：集光光束　２：被検物　３：白色光源４：干渉フィ
ルター　５：コンデンサーレンズ６：ピンホール　７：
対物レンズ　８：被検物９：ビームスプリッター　１０
：光電変換素子１１：ピンホール　１２：サンプルホー
ルド回路１３：Ａ／Ｈ弯換回路　１４：マイコン１５　
：　１ｌｌｌｌ長スケール　１６：直線偏光レーサ１７
：ヒー１．ｘキスパンター １８：Ｉ／４波長板 特Ｗ’ｌ出願人　加光学二り業株式会月代表者　松本　
徹 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　透明又は半透明の被検物に光学系より集光光束を投
   射し、光学系又は被検物を光学系の光軸方向に動かした
   時、被検物の表面及び裏面（あるいは内部の面）でのそ
   れぞれの集光光束の軸上中心強度最大の位置を検出する
   事により、被検物の肉厚を求める事を特徴とする光学式
   厚み測定法。 ２　光学系による集光光束の開口数をＮＡｏ、被検物の
   肉厚をｔ、被検物の屈折率をｎ、被検物の表面及び裏面
   （あるいは内部の面）での中心強度最大位置間の距離を
   ａ、添字ｉを繰り返し回数、ｂ＿ｉを光学系の開口数Ｎ
   Ａ＿ｏ、被検物の屈折率ｎ等によって補正量とし、ｔ＿
   １＝ｎａなるｔ＿１を初期値とする時、 ｂ＿ｉ＝｛〔（ｎ＾２−１）／（８０ｎ＾７）〕・ＮＡ
   ＿ｏ＾２〔２０ｎ＾４＋３ｎ＾２（ｎ＾２＋３）・ＮＡ
   ＿ｏ＾２＋（ｎ＾４＋２ｎ＾２＋２）ＮＡ＿ｏ＾４〕｝
   ｔ＿ｉここでｔ＿ｉ＝ｎ（ａ＋ｂ＿ｉ＿−＿１） なる式を、ｔ＿ｉ−ｔ＿ｉ＿−＿１≦Δ（Δは十分小さ
   な値とする）の条件を満足するようにｉ＝１からＮまで
   計算をＮ回繰り返して得られる時のｔ＿Ｎ＝ｎ（ａ＋ｂ
   ＿Ｎ＿−＿１）なるｔ＿Ｎを被検物の肉厚ｔとして求め
   る事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学式厚
   み測定法。 ３　十分小さな光源と、該光源からの光を透明ないしは
   半透明な被検物に集光投射するための対物レンズと前記
   被検物からの反射光を観測面に導くための手段と、前記
   反射光の軸上中心強度を検出するための光電検出手段と
   、前記対物レンズによる集光点又は被検物を該対物レン
   ズの光軸方向に移動するための手段と、その移動量を検
   出するための移動量検出手段と、該移動量検出手段及び
   前記光電検出手段それぞれからの情報を演算する手段と
   を有する事を特徴とする光学式厚み測定装置。 ４　光源が直線偏光レーザーである事を特徴とする特許
   請求の範囲第３項記載の光学式厚み測定装置。 ５　光源が半導体レーザーである事を特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の光学式厚み測定装置。 ６　被検物からの反射光を観測面に導く手段が偏光ビー
   ムスプリッターである事を特徴とする特許請求の範囲第
   ３項記載の光学式厚み測定装置。 ７　偏光ビームスプリッターと対物レンズの間に１／４
   波長板を挿入する事を特徴とする特許請求の範囲第３項
   記載の光学式厚み測定装置。