KR100890986B1

KR100890986B1 - 변위계 및 변위 측정 방법

Info

Publication number: KR100890986B1
Application number: KR1020040019095A
Authority: KR
Inventors: 아키시바유지
Original assignee: 가부시키가이샤 키엔스
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2009-03-27
Also published as: US7242485B2; CN1550754A; CN100401013C; TWI292814B; TW200506316A; JP2004286598A; KR20040083012A; US20050030553A1; JP4209709B2

Abstract

본 발명은 피측정물의 표면 상태에 의존하지 않고 안정적인 계측이 가능한 변위계 및 변위 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 변위계는 피측정물(16)에 투사하는 대물 렌즈(15)와, 소정의 진폭으로 대물 렌즈(15)를 통과하는 빛의 광축 방향을 따라 대물 렌즈(15)를 진동시키는 진동부와, 대물 렌즈(15)의 위치를 검출하는 위치 검출부와, 광축 방향과 직교하는 평면을 따라서 대물 렌즈(15)를 이동시키는 대물 렌즈 주사부(52)와, 대물 렌즈(15)가 이동한 위치를 검출하는 대물 렌즈 이동 검출부(53)와, 대물 렌즈 이동 검출부(53)에 의해 검출된 측정 영역 내에서, 대물 렌즈(15)의 위치 정보와 복수의 측정 포인트에서 측정된 변위량에 기초하여 측정 영역 내에서 변위량의 분포를 연산하기 위한 연산 처리부(58)와, 연산 처리부(58)에 의해 연산된 결과를 출력하기 위한 출력부를 구비한다.

Description

변위계 및 변위 측정 방법{DISPLACEMENT SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING DISPLACEMENT}

도 1은 종래의 변위계의 일례를 도시하는 모식적 구성도.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 변위계를 도시하는 모식적 구성도.

도 3은 진동부의 다른 실시예를 도시하는 구성도.

도 4는 대물 렌즈에 입광하는 빛의 형태를 도시하는 모식도.

도 5는 주사 위치 제어 신호의 개요를 도시하는 그래프.

도 6은 피측정물(16)의 변위를 측정한 측정 결과의 일례를 도시하는 모식도.

도 7은 다른 피측정물(16)의 변위를 측정한 측정 결과의 일례를 도시하는 모식도.

도 8은 다른 피측정물(16)의 변위를 측정한 측정 결과의 일례를 도시하는 모식도.

도 9는 다른 피측정물(16)의 변위를 측정한 측정 결과의 일례를 도시하는 모식도.

도 10은 다른 피측정물(16)의 변위를 측정한 측정 결과의 일례를 도시하는 모식도.

도 11은 본 발명의 실시예 2에 따른 변위계를 도시하는 모식적 구성도.

도 12는 대물 렌즈 주사부의 다른 실시예를 도시하는 구성도.

도 13은 대물 렌즈 주사부의 또 다른 실시예를 도시하는 구성도.

도 14는 본 발명의 실시예 3에 따른 변위계를 도시하는 모식적 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11: 레이저 파워 제어부

12: 레이저 다이오드

13: 빔 분할기

14: 콜리메이트 렌즈

15: 대물 렌즈

16: 피측정물

17: 광 조리개부

17a: 핀홀

18: 포토다이오드

19: 증폭기

20: 연산부

21: 음차

22: 음차 진폭 검출기

23: 증폭기

24: 솔레노이드

25: 음차 진폭 제어부

50: 거리 변환부

51: 측정 영역 지정부

52: 대물 렌즈 주사부

52A: 서보 모터

52B: 보이스 코일

52C: 보이스 코일용 자석

53: 대물 렌즈 이동 검출부

53A: 회전각 센서

53B: 홀소자

53C: 홀소자용 자석

54: 회전축

55: 회전축 유지부

56: 음차 홀더

57: 주사 위치 제어부

58: 연산 처리부

59: 메모리부

60: 개구부

61: 판 스프링

62: 선형 가이드

63: 촬상 모니터

64: 제2 빔 분할기

65: 촬상용 수광부

66: 출력부

본 발명은, 예컨대 금속, 수지, 유리, 세라믹, 종이 등의 피측정물의 표면에 빛을 투사하여 피측정물의 표면의 변위를 측정하는 변위계와 변위 측정 방법, 및 같은 측정 원리를 이용하여 피측정물의 두께를 측정하는 두께 측정기에 관한 것이다.

종래, 금속이나 수지 등의 피측정물의 표면의 변위를 측정하는 장치에는 예컨대 합초점 검출형 비접촉 변위계가 이용되고 있다. 또한, 본 발명자들은 일본 특허 제3300803호[이 특허 문헌은 본 명세서에 참조문헌으로 포함됨]에 개시되는 변위계를 먼저 개발했다. 상기 특허 제3300805호에 따른 변위계의 구성예를 도 1에 도시한다. 이 도면에 도시하는 변위계는 레이저 파워 제어부(11)로 구동되는 레이저 다이오드(12)의 출사광이 빔 분할기(13), 콜리메이트 렌즈(14) 및 대물 렌즈(15)를 순차 통과하여 피측정물(16)에 투사되도록 구성되어 있다. 피측정물(16)로부터의 반사광은 대물 렌즈(15)와 콜리메이트 렌즈(14)를 지나 빔 분할기(13)로 반사하고, 핀홀(17a)을 형성하는 광 조리개부(17)의 핀홀(17a)을 지나 포토다이오드(18)에 입사한다. 포토다이오드(18)에 의해 광전 변환된 신호는 증폭기(19)에 입력되고, 그 출력 신호(X)는 연산부(20)에 입력된다.

U자형을 한 음차(21)의 일측 길이부의 선단에는 대물 렌즈(15)의 주연 부분 이 부착된다. 대물 렌즈(15)는 음차(21)의 진동에 의해 레이저 다이오드(12)의 출사광의 광축 방향으로 소정 진폭으로 진동된다. 음차(21)의 일측 길이부의 선단측의 측방에는, 예컨대 자기, 빛 또는 정전 용량을 이용한 센서로 이루어진는 위치 검출부인 음차 진폭 검출기(22)가 배치되어, 음차(21)의 진폭, 즉 대물 렌즈(15)의 위치를 검출할 수 있다. 음차 진폭 검출기(22)가 검출한 검출 진폭 신호는 증폭기(23)에 입력되고, 그 출력 신호(Y)는 연산부(20)에 입력된다. 음차(21)의 타측 길이부의 선단측의 측방에는 음차(21)를 진동시키기 위한 솔레노이드(24)가 배치되어 있다. 솔레노이드(24)에는 음차 진폭 제어부(25)로부터 제어 전류가 공급되고, 음차 진폭 제어부(25)에는 증폭기(23)의 출력 신호가 주어져 음차(21)의 진폭이 일정하도록 제어된다.

이하, 이 변위계의 동작을 설명한다. 음차 진폭 제어부(25)로부터 솔레노이드(24)에 제어 전류를 공급하면 솔레노이드(24)에 의해 제어 전류에 따른 자계가 발생한다. 이 발생 자계에 의해 음차(21)가 소정 진폭으로 진동하고, 대물 렌즈를 지나는 빛의 광축 방향으로 대물 렌즈(15)가 진동한다. 음차 진폭 검출기(22)는 음차(21)의 진폭, 즉 대물 렌즈(15)의 진폭을 검출하고, 대물 렌즈(15)의 진폭인 정현파 신호를 출력한다. 이 정현파 신호를 증폭기(23)로 증폭하고, 증폭기(23)로부터 출력되는 출력 신호(Y)가 연산부(20)에 입력된다.

한편, 레이저 파워 제어부(11)로부터 레이저 다이오드(12)에 구동 전류를 공급하면, 레이저 다이오드(12)는 레이저광을 출사한다. 이 출사광은 빔 분할기(13), 콜리메이트 렌즈(14) 및 대물 렌즈(15)를 지나 피측정물(16)에 투사된다. 피측정물(16)에서 반사된 반사광은 대물 렌즈(15)와 콜리메이트 렌즈(14)를 지나 빔 분할기(13)로 반사되어 광 조리개부(17) 측에 투사되고, 핀홀(17a)을 투과한 빛만이 포토다이오드(18)에 입사한다. 그 때문에, 포토다이오드(18)에는, 피측정물(16)로 생긴 잠광(潛光) 및 레이저 다이오드(12)로 생긴 미광(迷光)에 의한 반사광은 핀홀(17a)에서 차단되어 핀홀(17a)을 지나지 않고, 피측정물(16)에 생긴 합초점의 빛만이 입사하게 된다.

이 때, 대물 렌즈(15)가 진동하기 때문에 대물 렌즈(15)와 피측정물(16)과의 거리가 변화하게 된다. 소정의 거리에 있어서, 피측정물(16)에 투사한 빛의 합초점이 피측정물(16)에 생기면 포토다이오드(18)의 수광 출력은 순간 최대가 되고, 이 수광 출력에 따른 신호가 증폭기(19)에 입력되고, 증폭기(19)로부터 출력 신호(X)가 출력되어 연산부(20)에 입력된다. 연산부(20)는 출력 신호(X)가 최대 값이 되는 시점에서의 출력 신호(Y)의 레벨, 즉 대물 렌즈(15)의 진폭을 샘플링하여 변위 신호(S)로서 출력한다. 그리고 샘플링된 변위 신호(S)를 거리 변환부(50)에 입력하고, 변위 신호(S)를 변위 신호(S)에 따른 거리로 변환하여, 피측정물(16)의 표면의 변위를 측정한다. 이 수광량이 최대가 되는 위치, 즉 피측정물(16)에 투사한 빛의 합초점이 피측정물(16) 상에서 얻어지는 대물 렌즈(15)의 위치를 파악해서, 피측정물(16)의 표면의 변위를 측정함으로써 변위를 고정밀하게 그리고 고속으로 측정할 수 있다. 또한 광 조리개부를 이용하기 때문에 피측정물(16)로 생기는 잠광이나 미광으로 인해 반사광이 생기더라도, 변위계에서 변위의 측정값에 오차가 발생하지 않게 할 수 있다.

그러나, 이 변위계에서는 피측정물에 투광하는 빛의 스폿 사이즈가 작기 때문에, 피측정물의 표면 상태에 따라 측정이 불가능해 질 수도 있는 문제가 있었다. 예컨대 피측정물의 표면에 오목부나 구멍이 있거나, 빛이 정상적으로 반사되기 어려운 영역이 존재하는 경우에는 변위계로부터 피측정물에 투광된 빛이 변위계에 정확하게 반사되지 않게 되어, 측정을 할 수 없게 된다. 또한 피측정물의 표면에 스폿 사이즈의 오더로 미세한 요철이 있는 경우는 조금이라도 측정 위치가 변동하거나 피측정물이 움직이면 측정값이 크게 변동하기 때문에 정확한 계측이 곤란하게 된다고 하는 문제도 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 피측정물의 표면 상태에 의존하지 않고 안정적인 계측이 가능한 변위계 및 변위 측정 방법을 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 청구항 1에 기재되는 변위계는 피측정물(16)에 투사하는 빛을 발생시키는 발광부와, 상기 발광부에서 출사된 빛을 받아 피측정물(16)에 투사하는 대물 렌즈(15)와, 소정의 진폭으로 제1 방향을 따라서 상기 대물 렌즈(15)를 진동시키는 진동부와, 제1 방향으로 상기 대물 렌즈(15)가 이동한 위치를 검출하는 위치 검출부와, 피측정물(16)로부터의 반사광이 통과하는 광 조리개부와, 상기 광 조리개부를 통과하는 빛을 수광하는 수광부와, 상기 수광부에서 수광한 수광량이 최대가 되는 시점에서 상기 위치 검출부로부터 검출 위치를 취득하여, 이것에 기초하여 피측정물(16)에 관한 변위를 연산하는 변위 연산 부를 구비한다. 이 변위계는 더욱 상기 대물 렌즈(15)를 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 이동시키는 대물 렌즈 주사부(52)와, 상기 대물 렌즈 주사부(52)에 의해 대물 렌즈(15)를 제2 방향을 따라서 이동시킴으로써 피측정물(16)에서의 측정 포인트를 소정의 이동량으로 이동시키고, 복수의 측정 포인트에서 변위를 측정하고, 각 측정 포인트에서의 변위 측정 결과에 기초해서 피측정물(16)에 관한 2차원적 변위를 연산하는 연산 처리부(58)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 따르면, 대물 렌즈(15)를 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 이동시키고, 측정 포인트를 바꾸면서 복수의 위치에서 변위량을 연속으로 측정하는 것이 가능하므로, 가령 어느 한 점에서 측정이 불가능하더라도 다른 근방의 점에서의 측정 결과에 의해서 변위량 또는 변위량의 근사치를 얻을 수 있다.

또한, 청구항 2의 변위계는 청구항 1에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 원호 상에 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 3의 변위계는 청구항 2에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부에 의해 직교 평면으로 상기 대물 렌즈가 이동한 위치를 검출하는 대물 렌즈 이동 검출부를 더 구비하고, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 소정의 회전축을 중심으로 하여 원호 상에 이동시키는 서보 모터(52A)로 구성되며, 상기 대물 렌즈 이동 검출부(53)는 상기 서보 모터(52A)의 회전각을 검출하는 회전각 센서(53A)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

청구항 4의 변위계는 청구항 2에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부에 의해 직교 평면으로 상기 대물 렌즈가 이동한 위치를 검출하는 대물 렌즈 이동 검출부를 더 구비하고, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 소정의 회전축을 중심으로 하여 회전 이동시키는 보이스 코일(52B)로 구성되며, 상기 대물 렌즈 이동 검출부(53)는 상기 보이스 코일(52B)의 이동을 검출하는 홀소자(53B)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

청구항 5의 변위계는 청구항 2에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 연결한 캔틸레버로 구성되는 것을 특징으로 한다.

청구항 6의 변위계는 청구항 1에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 직선형으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

청구항 7의 변위계는 청구항 1에 있어서, 피측정물(16)로부터의 반사광의 광로 상에 배치되는 촬상용 수광부(65)와, 상기 촬상용 수광부(65)에서 검출된 수광 신호에 기초하여 피측정물(16)을 결상하여 표시하기 위한 촬상 모니터(63)를 더 구비하고, 상기 촬상 모니터(63)에 표시하는 화상을 촬상하는 타이밍은 소정의 측정 포인트에서, 상기 진동부가 상기 대물 렌즈(15)를 진동시켜 상기 수광부의 수광량이 최대가 된 시점으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 8의 변위계는 피측정물(16)에 투사하는 빛을 발생시키는 발광부와, 상기 발광부에서 출사된 빛을 받아 피측정물(16)에 투사하는 대물 렌즈(15)와, 소정의 진폭으로 상기 대물 렌즈(15)를 통과하는 빛의 광축 방향을 따라서 대물 렌즈(15)를 진동시키는 진동부와, 광축 방향으로 상기 대물 렌즈(15)가 이동한 위치를 검출하는 위치 검출부와, 피측정물(16)로부터의 반사광이 통과하는 광 조리개부와, 상기 광 조리개부를 통과한 빛을 수광하는 수광부와, 상기 수광부에서 수광한 수광량이 최대인 시점에서 상기 위치 검출부로부터 검출 위치를 취득하고, 이것에 기초해서 피측정물(16)에 관한 변위를 연산하는 변위 연산부를 구비한다. 이 변위계는 또한, 피측정물(16) 상에서 측정 대상이 되는 측정 영역을 지정하는 측정 영역 지정부(51)와, 상기 측정 영역 지정부(51)에서 지정된 측정 영역에 따라 상기 대물 렌즈(15)를 광축 방향과 직교하는 평면을 따라서 이동시키는 대물 렌즈 주사부(52)와, 상기 대물 렌즈 주사부(52)에 의해 직교 평면으로 상기 대물 렌즈(15)가 이동한 위치를 검출하는 대물 렌즈 이동 검출부(53)와, 상기 대물 렌즈 이동 검출부(53)에 의해서 검출되는 측정 영역 내에서 측정된 복수의 측정 포인트에서의 대물 렌즈(15)의 위치 정보와 복수의 측정 포인트에서 측정된 변위량에 기초하여, 측정 영역 내에서 변위량의 분포를 연산하기 위한 연산 처리부(58)와, 상기 연산 처리부(58)에 의해서 연산된 결과를 출력하기 위한 출력부(60)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의해서, 대물 렌즈(15)를 제1 방향과 직교하는 제2 방향을 따라서 이동시키고, 측정 포인트를 바꾸면서 복수의 위치에서 변위량을 연속으로 측정할 수 있으므로, 가령 어느 한 점에서 측정이 불가능하더라도 다른 근방의 점에서의 측정 결과에 의해서 변위량 또는 변위량의 근사치를 얻을 수 있다.

또한, 청구항 9의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 피측정물(16) 상에서 지정된 경로 또는 영역 내를 소정의 간격으로 주사하도록 상기 대물 렌즈(15)를 이동시키고, 상기 연산 처리부(58)는 각 측정 포인트에서 측정된 변위량을 연속량으로 하여, 상기 지정된 경로 또는 영역 내에서 피측정물(16)의 프로파일을 표시할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의해서, 선으로 지정된 부분의 변위량을 연속으로 취득할 수 있고, 지정 부분의 형상이나 기울기를 검출하는 것이 가능해진다.

또한, 청구항 10의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52) 가 피측정물(16) 상에 지정된 경로 또는 영역 내를 소정의 간격으로 주사하도록 상기 대물 렌즈(15)를 이동시키고, 상기 연산 처리부(58)는 각 측정 포인트에서 측정된 변위량을 평균하여, 상기 지정된 경로 또는 영역의 변위량으로서 연산하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의해서, 선으로 지정된 영역의 변위량의 평균값을 취득할 수 있고, 변위계가 피측정물(16)에 투광하는 빛의 스폿 사이즈를 근사적으로 크게 하여 측정하는 것이 가능해진다.

또한, 청구항 11의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 측정 영역 지정부(51)가 상기 대물 렌즈(15)를 이동시키는 범위인 주사폭, 이동의 중심 위치인 주사 중심, 대물 렌즈(15)를 주기적으로 이동시키는 경우의 주사 주기, 1회당 이동량인 주사 스텝 중 적어도 하나를 설정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의해서, 변위 측정의 정도나 측정 시간을 사용자가 원하는 대로 적절하게 변경할 수 있다. 예컨대, 변위 측정의 정밀도를 향상시키기 위해서는 주사 스텝을 작게 하는 것이 좋다. 또한 측정 시간을 단축시키기 위해서는 주사 스텝을 크게 하거나, 또는 이동 범위를 작게 설정하는 것이 좋다.

또한, 청구항 12의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 발광부에서 출사되는 빛을 평행광으로 변환하여 그 평행광을 상기 대물 렌즈(15)에 입사시키는 콜리메이트 렌즈(14)를 더 구비하고, 상기 대물 렌즈(15)는 상기 대물 렌즈 주사부(52)에 의해서, 상기 콜리메이트 렌즈(14)로부터의 평행광의 광축에 대하여 수직 방향으로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 13의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 소정의 위치를 중심으로 하여 소정의 진폭으로 진동하도록 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 14의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 원호 상에 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 15의 변위계는 청구항 14에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 소정의 회전축을 중심으로 하여 원호 상에 이동시키는 서보 모터(52A)로 구성되고, 상기 대물 렌즈 이동 검출부(53)는 상기 서보 모터(52A)의 회전각을 검출하는 회전각 센서(53A)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 16의 변위계는 청구항 14에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 소정의 회전축을 중심으로 하여 회전 이동시키는 보이스 코일(52B)로 구성되고, 상기 대물 렌즈 이동 검출부(53)는 상기 보이스 코일(52B)의 이동을 검출하는 홀소자(53B)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 17의 변위계는 청구항 14에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 연결한 캔틸레버로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 18의 변위계는 청구항 8에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부(52)가 상기 대물 렌즈(15)를 직선형으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 19의 변위계는 청구항 8에 있어서, 피측정물(16)로부터의 반사 광의 광로 상에 배치되는 촬상용 수광부(65)와, 상기 촬상용 수광부(65)에서 검출된 수광 신호에 기초하여 피측정물(16)을 결상하여 표시하기 위한 촬상 모니터(63)를 더 구비하고, 상기 촬상 모니터(63)로 표시하는 화상을 촬상하는 타이밍은 소정의 측정 포인트에서, 상기 진동부가 상기 대물 렌즈(15)를 진동시켜 상기 수광부의 수광량이 최대가 된 시점으로 설정되는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의해서, 피측정물(16)에 대하여 초점이 맞는 화상을 표시할 수 있다.

또한, 청구항 20의 변위 측정 방법은 피측정물(16)에 투사한 빛의 반사광을 수광하여 피측정물(16)의 표면의 변위를 측정하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 피측정물(16)에 투사하는 빛이 통과하는 대물 렌즈(15)를 빛의 광축 방향으로 진동시키는 단계와, 진동시킨 대물 렌즈(15)의 위치를 검출하고, 피측정물(16)로부터의 반사광의 광량이 최대인 시점에서 대물 렌즈(15)의 위치를 검출하는 단계와, 검출된 위치에 기초하여 피측정물(16)의 표면의 변위를 연산하는 단계를 포함한다. 또한 변위 측정 방법은 상기 대물 렌즈(15)를 광축 방향과 직교하는 방향으로 이동시켜, 변위를 연산하는 피측정물(16) 상의 측정 포인트를 이동시키는 단계와, 이동된 측정 포인트에서 변위량을 측정하여, 복수의 측정 포인트에서의 변위량을 측정하는 단계와, 각 측정 포인트에서 측정된 변위량에 기초해서 피측정물(16)에 관한 2차원적 변위를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다. 단, 이하에 설명하는 실시예는 본 발명의 기술 사상을 구체화하기 위한 변위계 및 변위 측정 방법을 예시하는 것일 뿐이며, 본 발명이 변위계 및 변위 측정 방법을 이하의 것으로 특정하지 않는다.

또한, 본 명세서는 특허청구범위에 기재하는 부재를 실시예의 부재에 특정하는 것은 결코 아니다. 또, 각 도면이 도시하는 부재의 크기나 위치 관계 등은 설명을 명확하게 하기 위해서 과장된 것이 있다. 또한 이하의 설명에 있어서, 동일한 명칭, 부호에 관해서는 동일 또는 동질의 부재를 나타내므로, 상세한 설명을 적절하게 생략한다. 또한, 본 발명을 구성하는 각 요소는 복수의 요소를 동일한 부재로 구성하여 하나의 부재로 복수의 요소를 겸용하는 형태로 해도 좋고, 반대로 하나의 부재의 기능을 복수의 부재로 분담하여 실현할 수도 있다.

본 발명에 있어서 변위계는 피측정물의 표면의 변위를 측정하는 변위계로서, 피측정물의 높이나 깊이, 두께, 고도차, 단차, 경사나 각도 등을 측정하는 장치에 한정되지 않고, 높이나 경사 등의 측정 결과에 기초하여 표면 형상 등을 측정할 수 있는 장치도 포함하는 의미로 사용된다. 마찬가지로 변위 측정 방법에 있어서도 이들 피측정물의 높이나 깊이, 두께，고도차, 단차, 경사나 각도 등을 측정하는 방법에 한정되지 않고, 이들 측정 결과에 기초하여 표면 형상 등을 측정하는 방법도 포함하는 의미로 사용된다.

[실시예 1]

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 변위계의 구성도를 도시한다. 이 도면에 도시하는 변위계는 발광부인 레이저 다이오드(12)와, 레이저 다이오드(12)로부터 출사되는 빛을 평행광으로 변환시키는 콜리메이트 렌즈(14)와, 대물 렌즈(15)와, 대물 렌즈(15)를 유지하는 음차(21)와, 광축 방향으로 음차(21)를 진동시키기 위한 진동부인 솔레노이드(24)와, 솔레노이드(24)에 의해 진동되는 음차(21)의 위치를 검출하는 위치 검출부인 음차 진폭 검출기(22)를 구비한다. 또한, 이 변위계는 피측정물(16)로부터의 반사광이 통과하는 광 조리개부(17)에 핀홀(17a)이 형성되어 있다. 또한, 광 조리개부(17)의 핀홀(17a)의 위치에는 수광부로서 포토다이오드(18)가 설치된다.

레이저 파워 제어부(11)에 의해 구동되는 레이저 다이오드(12)의 출사광은 빔 분할기(13), 콜리메이트 렌즈(14) 및 대물 렌즈(15)를 순차 통과하여 피측정물(16)에 투사된다. 피측정물(16)로부터의 반사광은 대물 렌즈(15)와 콜리메이트 렌즈(14)를 지나 하프 미러를 구성하는 빔 분할기(13)로 반사되어, 광 조리개부(17)의 핀홀(17a)을 지나 포토다이오드(18)에 입사한다.

포토다이오드(18)로 광전 변환된 신호는 증폭기(19)에 입력되고, 그 출력 신호(X)는 연산부(20)에 입력된다. U자형으로 형성된 음차(21)의 일측 길이부의 선단에는 대물 렌즈(15)의 주연 부분이 부착되어 있다. 대물 렌즈(15)는 음차(21)의 진동에 의해 레이저 다이오드(12)의 출사광의 광축 방향에서 소정의 진폭으로 진동된다. 음차(21)의 일측 길이부의 선단측의 측방에는 위치 검출부로서 음차 진폭 검출기(22)가 배치되어 있다. 음차 진폭 검출기(22)는, 예컨대 자기, 빛 또는 정전 용량을 이용한 센서가 이용될 수 있고, 음차(21)의 진폭 위치를 검출함으로써 음차(21)에 접속된 대물 렌즈(15)의 위치를 검출한다. 또 위치 검출부는 이와 같이 음차의 진폭을 검출하는 것 외에, 음차에 연결되어 진동하는 대물 렌즈의 위치를 직접 검출하도록 구성될 수도 있다.

음차 진폭 검출기(22)가 검출한 검출 진폭 신호는 증폭기(23)에 입력되고, 그 출력 신호(Y)는 연산부(20)에 입력된다. 음차(21)의 타측 길이부의 선단측의 측방에는 음차(21)를 진동시키기 위한 솔레노이드(24)가 배치되어 있다.

솔레노이드(24)는 음차 진폭 제어부(25)로부터 공급되는 제어 전류에 의해서 구동된다. 음차(21)의 진폭이 일정하게 제어되도록 구성되는 음차 진폭 제어부(25)에는 증폭기(23)의 출력 신호가 제공된다, 또 음차(21)는, 예컨대 800 Hz, 진폭이 ±0.3 mm으로 진동하는 것을 이용할 수 있다. 연산부(20)에서 연산되어 출력되는 변위 신호가 거리 변환부(50)에 입력된다.

이 변위계는 포토다이오드(18)로 수광한 수광량이 최대가 되는 시점에서의 대물 렌즈(15)의 위치를 음차 진폭 검출기(22)로 검출하여, 이것에 기초하여 피측정물(16)에서의 빛의 반사점, 즉 표면의 변위를 변위 연산부인 연산부(20) 및 거리 변환부(50)에서 연산한다.

이제, 이와 같이 구성한 변위계의 동작을 설명한다. 음차 진폭 제어부(25)로부터 솔레노이드(24)에 전류를 공급하면 솔레노이드(24)에 의해 자계가 발생한다. 이 발생 자계에 의해 음차(21)가 소정 진폭으로 진동하여, 대물 렌즈를 지나는 빛의 광축 방향으로 대물 렌즈(15)가 진동한다. 음차 진폭 검출기(22)는 음차(21)의 진폭, 즉 대물 렌즈(15)의 진폭을 검출하여, 대물 렌즈(15)의 진폭인 정현파 신호를 출력한다. 이 정현파 신호를 증폭기(23)로 증폭하고, 증폭기(23)에서 출력되는 출력 신호(Y)를 연산부(20)에 입력한다.

한편, 레이저 파워 제어부(11)로부터 레이저 다이오드(12)에 구동 전류를 공급하면 레이저 다이오드(12)는 레이저광을 출사한다. 이 출사광은 빔 분할기(13), 콜리메이트 렌즈(14) 및 대물 렌즈(15)를 지나 피측정물(16)에 투사된다. 피측정물(16)에서 반사된 반사광은 대물 렌즈(15)와 콜리메이트 렌즈(14)를 통과하고 빔 분할기(13)에서 반사되어 광 조리개부(17) 측에 투사되며, 핀홀(17a)을 투과한 빛만이 포토다이오드(18)에 입사한다. 그 때문에, 포토다이오드(18)에는 피측정물(16)로 생긴 잠광 및 레이저 다이오드(12)로 발생한 미광에 의한 반사광은 핀홀(17a)에서 차단되어 핀홀(17a)을 지나지 않고 포토다이오드(18)에는 피측정물(16)에 생긴 합초점의 빛만이 입사하게 된다.

그런데, 대물 렌즈(15)가 진동하기 때문에, 대물 렌즈(15)와 피측정물(16)과의 거리가 변화하여, 소정 거리에 달한 시점에서 피측정물(16)에 투사한 빛의 합초점이 피측정물(16)에 생기면, 포토다이오드(18)의 수광 출력은 순간에 최대가 되어, 이 수광 출력에 따른 신호가 증폭기(19)에 입력되고, 증폭기(19)로부터 출력 신호(X)가 출력되어 연산부(20)에 입력된다. 연산부(20)는 출력 신호(X)의 최대값을 검출함으로써 피측정물(16)에 투사한 빛의 합초점이 생긴 시점을 정확히 검출할 수 있다. 연산부(20)는 출력 신호(X)가 최대값이 되는 시점에서의 출력 신호(Y)의 레벨, 즉 대물 렌즈(15)의 진폭을 샘플링하여 변위 신호(S)로서 출력한다. 그리고 샘플링한 변위 신호(S)를 거리 변환부(50)에 입력하여, 변위 신호(S)를 변위 신호(S)에 따른 거리로 변환하여, 피측정물(16)의 표면의 변위를 측정한다.

또, 이 예에서는 음차 진폭 검출부(22)가 출력하는 정현파 신호를 샘플링함으로써, 대물 렌즈(15)의 변위를 직접 구한다. 단，대물 렌즈(15)의 변위를 취득하는 방법이 이 방법에만 한정되지 않는다. 예컨대, 일본 특허 3300803호에 개시되는 바와 같이, 음차 진폭 검출기(22)의 출력 신호가 진폭과 위상을 이미 알고 있는 정현파 신호인 것을 이용하여, 피측정물(16)의 합초점이 생긴 시점의 위상 또는 위상차로부터 간접적으로 대물 렌즈(15)의 변위를 취득하는 방법도 이용할 수 있다.

또한, 진동부의 다른 실시예로서 도 3에 도시하는 바와 같이, 대물 렌즈(15)뿐만 아니라 콜리메이트 렌즈(14)도 음차(21)에 접속하여도 좋다. 도 3의 예에서는 음차(21)의 일측 길이부의 선단에 대물 렌즈(15)의 주연 부분을 부착하고, 타측 길이부의 선단에 대물 렌즈(15)와 동일 광축 상에 배치한 콜리메이트 렌즈(14)의 주연 부분을 부착하고 있다. 그리고 대물 렌즈(15)와 콜리메이트 렌즈(14)가 함께 진동할 수 있도록 구성되어 있다. 이렇게 구성하면 음차(21)의 일측 길이부와 타측 길이부의 중량을 평형시킬 수 있어, 음차(21)를 효율적으로 흔들 수 있다. 또한 음차(21)의 일측 길이부의 외측면 및 타측 길이부의 외측면 각각에 압전 소자를 고착하여, 이 압전 소자에 전압을 인가함으로써 음차(21)를 진동시킬 수 있다.

이러한, 피측정물(16) 상의 임의의 한 점에서의 변위의 연산 방법은, 예컨대 상기 일본 특허 3300803호에 기재한 방법이나, 그 밖의 알려진 방법 또는 장래 개발되는 방법을 적절하게 이용할 수 있어, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

[측정 영역]

이상과 같이 변위계는 지정된 측정 포인트에서 변위량을 측정한다. 또한 변 위계는 측정 포인트를 복수개 지정할 수 있다. 구체적으로는, 측정 영역 지정부(51)에서 측정 대상이 되는 측정 영역을 지정한다. 측정 영역은 원호나 직선 등의 선형으로 지정한다. 측정 영역 지정부(51)에 의한 지정 방법은, 예컨대 선분의 시점과 종점을 지정하는 방법, 자유 곡선을 직접 지정하는 방법 등을 적절하게 이용할 수 있다. 또한, 지정된 측정 영역의 직선이나 곡선에 있어서, 측정 포인트의 간격인 주사 스텝도 지정할 수 있다. 또는, 측정하고 싶은 복수의 위치를 측정 포인트로서 사용자가 직접 지정해도 좋다. 또는, 사용자가 지정한 위치에 기초하여 변위계가 측정 영역을 자동적으로 설정하는 방법으로 해도 좋다. 예컨대, 지정된 위치를 기준으로 하여 측정 포인트의 간격도 소정치로 설정된다.

이와 같이 하여 설정된 측정 영역 내에서 변위계는 복수의 측정 포인트로써 각각 변위량을 측정한다. 그리고 측정된 복수 위치의 변위량에 기초하여 피측정물(16)의 표면 상태를 알 수 있다. 예컨대, 측정 영역에서의 요철 형상 등을 표시하는 프로파일, 기울기, 최대 높이, 최소 높이, 평균 높이, 고저차, 두께 등을 연산하여 필요에 따라서 표시한다. 표시 방법은, 예컨대 도 6∼도 10에 도시한 바와 같이, 피측정물(16)의 프로파일을 단면 형상으로서 시각적으로 출력부(66)의 디스플레이 등으로 표시한다. 또는 평균 높이나 기울기 등의 수치를 더불어 표시한다.

이 방법에 따르면, 연속하는 복수의 위치에서 변위를 측정하기 때문에, 만일 어떤 위치에서 피측정물의 표면 상태 등에 의해 측정이 불가능한 경우라도 그 근변의 측정 가능한 위치에서 측정된 변위량을 이용하여 측정 불가능한 위치의 변위량 을 예측해서 보완할 수 있다. 이것에 의해서, 피측정물에 투광하는 빛의 스폿 사이즈가 작은 변위계를 사용할 때에도 측정 불능 사태를 회피할 수 있다.

또한, 측정 영역을 점형으로부터 선형으로 함으로써 빛의 스폿 사이즈가 등가적으로 커지는 측정을 실현할 수 있다. 예컨대, 소정의 선분을 측정 영역으로서 지정하여, 이 영역 내의 복수의 측정 포인트의 변위량을 측정함으로써 변위량의 평균값 등을 얻을 수 있으므로, 결과적으로 스폿을 선형으로 연장한 변위 측정과 동등한 측정이 실현된다.

부가해서 설명하면, 측정 영역 내의 프로파일을 측정할 수도 있기 때문에, 종래에 실현할 수 없었던 2차원, 3차원 영역의 높이나 고저차, 단차, 폭, 각도 등도 측정할 수 있게 된다. 특히, 연속적으로 복수 위치에서 측정하여, 그 결과를 통계적으로 확인할 수 있도록 구성함으로써, 측정 포인트를 하나씩 지정하는 시간을 생략하고, 또한 평균이나 최대값, 최소값, 기울기 연산이라고 하는 처리도 용이하게 실현할 수 있어, 매우 사용성이 좋은 환경이 실현된다.

물론, 대물 렌즈 주사부(52)를 정지시켜 임의의 한 점만의 변위량을 측정하도록 사용할 수도 있다.

[대물 렌즈 주사부(52)]

측정 포인트의 이동은 대물 렌즈(15)를 이동시킴으로써 행해진다. 대물 렌즈(15)는 빛의 광축과 직교하는 방향으로 이동하고, 도 4에서는 수평 방향으로 이동한다. 발광부에서 대물 렌즈(15)에 입광되는 빛은 개재하는 콜리메이트 렌즈(14)에 의해서 평행광으로 되어 있다. 그 결과, 도 4에 도시하는 바와 같이 평 행광과 직교하는 방향으로 이동시켜도 광축 방향의 초점 거리는 불변하고 피측정물(16) 상에서 초점을 연결할 수 있기 때문에 변위 측정이 가능해진다. 대물 렌즈(15)가 이동하더라도 평행광을 받을 수 있도록, 바람직하게는 대물 렌즈(15)의 크기는 콜리메이트 렌즈(14)보다도 렌즈면의 직경을 작게 하고, 또한 대물 렌즈(15)의 이동 가능 범위가 콜리메이트 렌즈(14)의 직경에 들어가도록 설정한다.

대물 렌즈(15)는 대물 렌즈 주사부(52)에 의해 이동된다. 도 2에 도시하는 변위계는 대물 렌즈 주사부(52)로서 서보 모터(52A)와, 대물 렌즈 주사부(52)에 의해 대물 렌즈(15)가 이동한 위치를 검출하는 대물 렌즈 이동 검출부(53)로서 서보 모터(52A)의 회전각을 검출하는 회전각 센서(53A)를 구비한다. 서보 모터(52A)는 진동부를 구성하는 음차(21)를 유지하는 음차 홀더(56)에 설치된 회전축(54)을 통하여 진동부를 회전 가능하게 연결하고 있다. 회전축(54)은 진동부에 연결된 대물 렌즈(15)가 광축과 직교하는 평면에 따라서 이동되도록 위치 결정된다. 도 2에 있어서는 회전축(54)은 음차 홀더(56)의 후단을 관통하여 음차(21)를 수평면 내에서 회전시키고, 콜리메이트 렌즈(14)로부터의 평행광을 대물 렌즈(15)가 수직으로 받을 수 있도록 구성되어 있다. 서보 모터(52A)의 회전은 서보 모터(52A)에 접속된 주사 위치 제어부(57)에 의해서 제어된다. 주사 위치 제어부(57)는 연산 처리부(58)로부터 출력되는 주사 위치 제어 신호에 기초하여 서보 모터(52A)의 회전을 제어한다.

[대물 렌즈 이동 검출부(53)]

또한, 서보 모터(52A)의 회전축(54)에는 대물 렌즈 이동 검출부(53)로서 회전각 센서(53A)가 부착되고, 회전각 센서(53A)에 의해서 대물 렌즈(15)의 위치가 검출된다. 회전각 센서(53A)는 대물 렌즈 이동 위치 신호를 주사 위치 제어부(57)에 송출하고, 주사 위치 제어부(57)는 대물 렌즈 이동 위치 신호와 주사 위치 제어 신호에 기초하여 대물 렌즈(15)의 위치를 정확히 제어할 수 있다. 또한, 주사 위치 제어부(57)는 대물 렌즈(15)의 위치 정보를 연산부(20)에 보고한다. 이것에 의해서, 변위계는 측정 위치를 파악하면서 주사할 수 있다. 연산부(20)는 대물 렌즈(15)의 위치 정보를 받아 측정 포인트마다 변위량을 거리 변환부(50)로 연산하여, 연산 결과를 연산 처리부(58)에 출력한다. 연산 처리부(58)는 메모리부(59)를 구비하며, 각 측정 포인트에서의 변위량을 유지한다. 그리고 소정의 연산 처리를 하여, 그 결과를 필요에 따라서 출력한다. 예컨대 디스플레이에 표시하거나, 프린터에 인쇄하거나, 기억 매체에 보존하거나, 또는 그 밖의 처리를 위해 외부 기기에 송출한다. 출력부(66)는 이들 처리에 따라서 디스플레이 등의 표시부, 프린트 등의 인쇄부, 기억 장치 등의 매체 기록부, 컴퓨터 등의 외부 기기 등을 이용할 수 있다. 또한 연산부(20)와 연산 처리부(58)는 시스템 LSI 등의 IC로 구성될 수 있고, 이들을 동일한 회로로 구성할 수도 있다.

[측정 영역 지정부(51)]

도 2에 도시하는 변위계는 사용자가 원하는 측정 영역을 지정하기 위한 측정 영역 지정부(51)를 구비한다. 측정 영역은 측정하려는 영역이 선으로 지정된다. 측정 영역 지정부(51)는, 예컨대 콘솔이나 키보드, 마우스, 터치 패널 등의 입력 수단을 적절하게 이용할 수 있다. 측정 영역 지정부(51)는 변위계에 포함되는 것 외 에, 탈착 가능한 부재로서 유선, 무선으로 변위계 본체와 접속된다. 또는, 변위계에 접속된 컴퓨터에 접속되는 입력 디바이스를 이용하여도 좋다.

측정 영역 지정부(51)는 연산 처리부(58)에 접속되어 있다. 사용자가 측정 영역 지정부(51)로부터 측정 영역을 지시하며, 이 정보에 기초하여 연산 처리부(58)는 음차 위치 제어 신호 및 주사 위치 제어 신호를 각각 음차 진폭 제어부(25) 및 주사 위치 제어부(57)에 출력하고, 이들을 제어한다. 도 5는 주사 위치 제어 신호의 개요를 도시하고 있다. 측정 영역은 대물 렌즈(15)를 이동시키는 범위인 주사폭, 이동의 중심 위치인 주사 중심, 대물 렌즈(15)를 주기적으로 이동시키는 경우의 주사 주기, 1회당 이동량인 주사 스텝 등으로 결정된다. 사용자가, 예컨대 주사 스텝과 주사폭을 지정하면 대물 렌즈(15)는 지정된 주사 스텝으로 단계적으로 이동되고, 주사폭만큼 이동하면 곧 반대 방향으로 이동하고, 주기적으로 이동함으로써 피대상물의 표면을 주사한다. 또, 지정을 간단히 하기 위해서 사용자가 피측정물 상에 임의의 한 점을 지정하면, 이 점을 주사 중심으로 하여 미리 설정된 주사폭과 주사 스텝에서 주사 영역을 자동으로 설정할 수도 있다. 또는, 대물 렌즈(15)를 주기적으로 주사시키는 방법에 한정되지 않고, 사용자가 지정한 임의의 경로에 따라서 이동시키거나, 임의의 점에서 변위를 측정하기 위해 이러한 경로나 점을 지정하도록 구성하여도 좋다.

주사에 필요한 시간 또는 주사 속도는 주로 주사 스텝과 주사폭에 의해 결정된다. 주사 스텝을 크게 하고, 주사폭을 좁게 할수록 주사 속도는 빨라진다. 한편, 주사 스텝을 작게 할수록 주사 정밀도는 향상하여, 보다 미세한 변위 측정이 가능 해진다. 따라서, 측정 영역이나 그 파라미터는 속도와 정밀도의 균형에 따라 원하는 값으로 설정된다.

한편, 도 5에 도시하는 바와 같이 주사 위치 제어 신호와 병행하여, 음차 위치 신호가 연산 처리부(58)로부터 음차 진폭 제어부(25)에 송출된다. 따라서 대물 렌즈(15)를 광축과 수직하는 면을 따라 이동시키는 동안에도 진동부에 의해서 대물 렌즈(15)는 광축 방향으로 진동되고, 전술한 바와 같이 수광부의 최대값을 검출하여 변위를 연산한다. 바람직하게는, 1 주사 스텝마다 대물 렌즈(15)를 진동부에서 광축 방향으로 1 주기 이상 진폭시켜 각 스텝마다 변위를 측정할 수 있도록 한다. 이 때문에, 주사 위치 제어 신호와 음차 위치 검출 신호는 연산 처리부(58)에서 동기시켜 출력한다.

이와 같이, 설정된 측정 영역에서 실제로 여러 가지 피측정물(16)의 변위를 측정하는 예를 도 6∼도 10에 도시한다. 각각의 도면은 피측정물(16)의 형상과 그 측정 결과인 표면 높이를 그래프로 나타내고 있다. 또한 이들 각 도면은 측정의 이미지를 설명하는 것이며, 피측정물(16)의 표면과 측정 결과를 일치시키지 않았다.

도 6은 금속제로 광택면을 갖는 피측정물(16)의 표면 프로파일을 측정한 측정값이다. 이 도면과 같이, 광택면을 갖는 피측정물(16)이라도 지정된 측정 영역 내에서 높이의 변화를 표시할 수 있다.

도 7은 측정 불가능한 점이 있는 피측정물(16)을 측정하는 예를 도시한다. 이 예에서는 요철을 갖는 세라믹의 표면을 순차 측정하며, 어떤 위치에서는 변위의 측정이 불가능하기 때문에 측정 결과가 표시되지 않지만, 그 전후의 측정 결과로부 터 변위량을 추측할 수 있다. 또한, 측정 불능점의 전후의 변위량으로부터 불능점의 변위량을 연산하여 보완할 수 있다. 또는, 전체의 변위량을 평균화하거나, 특이한 값을 추출하여 보정하거나, 평활화 처리를 가할 수도 있다.

도 8은 피측정물(16)의 높이를 측정하는 예를 도시한다. 이 예에서는 투명 유리 상에 실리콘 접착제가 돌출한 경우의 고저차를 검출하고 있다. 이와 같이, 피측정물(16)의 표면을 주사하여 최대 높이와 최소 높이를 검출하고, 그 차를 연산함으로써 정확한 고저차를 얻을 수 있다.

또한, 도 9는 기울기를 측정하는 예를 도시한다. 이 예에서는 페라이트와 전극으로 구성된 헤드부의 선단에서의 변위를 측정하여, 그 근사 직선으로부터 경사 각도를 구하고 있다. 이와 같이, 각 점에서의 변위 측정값이 변동하더라도 일정한 범위 전체의 측정 결과로부터 각도 특성을 얻을 수 있다. 또한 마찬가지로, 측정 범위에서 평균 높이를 구할 수도 있다.

또한, 도 10은 깊이를 측정하는 예를 도시한다. 이 예에서는 피측정물(16)의 표면에 오목부가 형성되어 있고, 그 상면과 저면의 변위를 측정하여 깊이를 측정하고 있다.

이와 같이 하여, 변위계는 복수의 측정 포인트에서의 변위량을 각각 측정하여, 측정된 복수 위치의 변위량에 기초하여 피측정물의 표면 상태를 알 수 있다. 또한 상기한 구성에서는 발광부에서 발하는 빛의 광축을 이동시키지 않고 대물 렌즈측을 이동시킴으로써 피측정물 표면의 측정 포인트의 주사를 실현하고 있다. 이 때문에, 발광부의 광축을 주사시키기 위한 복잡한 기구를 설치할 필요가 없고, 주 사 기구를 매우 저렴하게 구성할 수 있다는 우수한 특징이 실현된다.

[실시예 2]

이상의 도 2에 도시하는 구성에서는 대물 렌즈 주사부(52)로서 서보 모터(52A)를 사용했지만, 대물 렌즈 주사부는 이것에 한정되지 않는다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 변위계를 도 11에 도시한다. 도 11에 도시하는 변위계는 도 2와 거의 동일한 구성이지만, 대물 렌즈 주사부(52)로서 보이스 코일(52B)과 보이스 코일용 자석(52C)을 이용한 회전 기구를 채용하고, 또한 대물 렌즈 이동 검출부(53)로서 홀소자(53B)와 홀소자용 자석(53C)을 이용한다.

보이스 코일용 자석(52C)은 회전축(54)을 유지하여 정지 상태로 고정되고, 단면 コ자형의 개구부(60)를 구비하는 회전축 유지부(55)의 개구부 내면에 고정된다. 한편 보이스 코일(52B)은 음차 홀더(56)의 상면에 돌출하여 개구부(60)에 삽입된 형태로 보이스 코일(52B) 자석과 대항하도록 음차 홀더(56)에 고정된다. 이 변위계는 주사 위치 제어부(57)에 의해서 보이스 코일(52B)에 흐르는 전류를 조정하고, 이 전류와 교차하는 자계의 상호 작용에 기초하여 보이스 코일용 자석(52C)과의 사이에서 구동력을 발생시켜, 회전축(54)을 중심으로 대물 렌즈(15)를 회전시킨다.

또한, 대물 렌즈(15)의 이동 위치는 홀소자(53B)와 홀소자용 자석(53C)에 의해서 검출된다. 도 11의 예에서는 음차 홀더(56)에 홀소자용 자석(53C)을 고정하고, 이 홀소자용 자석(53C)과 대항하는 위치에 정지하는 홀소자(53B)를 설치하고 있다. 홀소자(53B)는 GaAs나 InSb의 홀 효과를 이용하여 자계 강도를 검출하는 소 자이다. 홀소자(53B)는 홀소자용 자석(53C)과의 거리에 따른 자계 강도를 검출하여, 음차 홀더(56)의 회전각 또는 회전 거리를 대물 렌즈 이동 위치 신호로서 주사 위치 제어부(57)에 출력한다.

또한, 대물 렌즈(15)의 이동 방식은 도 12와 도 13에 도시하는 바와 같은 방법도 이용할 수 있다. 이들 도면은 대물 렌즈(15)의 고정 상태를 도시하는 평면도이다. 도 12에서는 대물 렌즈(15)를 판 스프링(61)에 고정시켜 판 스프링(61)을 진동시킴으로써 수평면 내에 이동시키고 있다. 판 스프링(61)은 도시하지 않는 진동부에 의해서 진동된다. 이 구성은 매우 저렴하게 구성할 수 있다.

또, 전술한 대물 렌즈의 이동 방식에서는 그 궤적이 모두 원호형이 된다. 이 경우, 원호의 반경을 크게 함으로써 궤적을 원호형으로부터 직선상에 가까이 할 수 있다.

또한, 도 13에 있어서는 대물 렌즈(15)를 직선상에 이동시키기 위해서 미끄럼 이동 가능한 선형 가이드(62)를 이용하고 있다. 선형 가이드(62)는 가이드 레일에 따라 직선상에서 미끄러지게 이동 가능하다. 따라서 선형 가이드(62)에 고정된 대물 렌즈(15)는 확실하게 직선 이동된다. 이들 도면에 도시하는 방식에 있어서도 대물 렌즈 이동 검출부를 적절하게 설치할 수도 있다.

[실시예 3]

또한, 본 발명의 실시예 3으로서, 촬상 모니터(63)를 구비하는 예를 도 14에 도시한다. 이 도면에 도시하는 변위계는 도 2와 거의 같은 구성에서, 발광부의 광로에 구비된 제2 빔 분할기(64)를 구성하는 제2 하프 미러와, 제2 하프 미러로부터 의 반사광의 광로 상에 구비된 촬상용 수광부(65)인 CCD 카메라 등의 이미지 센서와, CCD 카메라에 접속된 촬상 모니터(63)를 더 구비한다. 촬상 모니터(63)는 CCD 카메라로 검출된 수광 신호에 기초하여 피측정물(16)을 표시한다. 이 촬상 모니터(63)는 대물 렌즈(15)의 이동 시에 항시 피측정물(16)을 계속 표시하는 것이 아니라, 특정한 타이밍에서만 촬상함으로써 핀트가 맞는 선명한 화상을 표시할 수 있다. 촬상 모니터(63)에 표시하는 화상을 촬상하는 타이밍은 대물 렌즈(15)의 초점이 맞은 시점에서, 또한 CCD 카메라가 촬상 모니터(63)에 표시하는 화상을 촬상하는 타이밍은 진동하며 이동하는 대물 렌즈(15)의 주사폭 중 소정의 주사 위치, 바람직하게는 주사 중심으로서, 또한 대물 렌즈(15)의 합초점의 시점이다. 이것에 의해서, 대물 렌즈(15)의 주사 위치가 때때로 시시각각 변화하더라도 촬상 모니터(63) 상에서는 소정의 주사 위치에서의 정지 상태 화상이 표시된다. 또한 합초점의 타이밍은 전술한 방법과 마찬가지로 수광부의 광량이 최대가 된 시점으로 한다. 필요에 따라서 조명 장치를 설치하고, 이 타이밍에 연동하여 플래시를 바추어도 좋다. 이것에 의해서, 초점이 맞는 타이밍을 확실하게 그리고 순간적으로 포착할 수 있고, 특별한 기구를 필요로 하지 않고 매우 고성능인 오토 포커스 기능이 실현된다. 촬상 모니터(63)는 이와 같이 촬상된 화상만을 표시하고, 새로운 촬상이 이루어지는 타이밍에서 화상 표시를 갱신하여도 좋다. 이것에 의해서, 촬상 모니터(63)에는 항상 깨끗한 화상만 표시할 수 있다. 또는, 주사폭이나 주사 스텝에도 의존하지만, 1 주기의 주사 속도가 촬상 모니터(63)의 갱신 속도(텔레비전 레이트로서는 60 Hz 정도)보다도 느린 경우에는 프레임 메모리를 설치함으로써 변동 이 적은 화상이 표시할 수 있다. 프레임 메모리는 1 프레임, 즉 1 화면분의 화상 데이터를 기억하는 메모리이다. 촬상된 화상 데이터를 유지하여 동일한 화상 데이터를 반복 표시함으로써 배속 표시에도 대응할 수 있는 고품질 표시가 가능해진다. 또, 이 예에서는 촬상 모니터를 출력부와 별도로 표시하고 있지만, 촬상 모니터는 출력부의 일례인 표시부와 겸용하여도 좋다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 변위계 및 변위 측정 방법은 변위 측정을 피측정물 상의 한 점에서 행하는 것뿐만 아니라, 선형의 범위를 가진 영역에서 측정할 수 있다. 이것에 의해서, 가령 검출이 불가능한 측정 포인트가 존재해도 그 근변의 변위량을 측정해서 추측 및 보완할 수 있다. 이 때문에, 미소한 스폿으로 피측정물의 치밀한 변위 측정을 행할 때에도 측정 불가능하게 되는 일없이 신뢰성 높은 변위계 및 변위 측정 방법이 실현된다. 또한, 측정 영역에 있어서 측정된 복수의 측정값을 조합한 처리도 가능하고, 평균값이나 고저차, 기울기 검출, 프로파일 등의 정보를 얻을 수 있고, 보다 상세한 측정이 실현된다.

Claims

피측정물에 투사하는 빛을 발생시키는 발광부와,

상기 발광부에서 출사된 빛을 받아 피측정물에 투사하는 대물 렌즈와,

상기 대물 렌즈를 미리 결정된 진폭으로 상기 대물 렌즈를 통과하는 빛의 광축 방향을 따라서 진동시키는 진동부와,

광축 방향으로 상기 대물 렌즈가 이동한 위치를 검출하는 위치 검출부와,

피측정물로부터의 반사광이 통과하는 광 조리개부와,

상기 광 조리개부를 통과한 빛을 수광하는 수광부와,

빛을 수광하는 상기 수광부에서 수광한 수광량이 최대인 시점에서 상기 위치 검출부로부터 검출 위치를 취득하고, 취득된 검출 위치에 기초하여 피측정물에 관한 변위를 연산하는 변위 연산부와,

피측정물 상에서 측정 대상이 되는 측정 영역을 지정하는 측정 영역 지정부와,

상기 측정 영역 지정부에서 지정된 측정 영역에 따라 상기 대물 렌즈를 광축 방향과 직교하는 평면을 따라 상기 진동부에 의한 진동의 주기보다도 긴 주기로 주기적으로 왕복 이동시키는 대물 렌즈 주사부와,

상기 대물 렌즈 주사부에 의해 직교 평면에서 상기 대물 렌즈가 이동한 위치를 검출하는 대물 렌즈 이동 검출부와,

상기 대물 렌즈 이동 검출부에 의해서 검출되는 측정 영역 내에서 측정한 복수의 측정 포인트에서의 상기 대물 렌즈의 위치 정보와, 복수의 측정 포인트에서 측정된 변위량에 기초하여, 측정 영역 내의 변위량 분포를 연산하기 위한 연산 처리부와,

피측정물로부터의 반사광의 광로상에 배치되고, 피측정물을 상기 대물 렌즈를 통해 촬상하기 위한 촬상용 수광부와,

상기 연산 처리부에 의해 연산된 결과를 피측정물의 단면 형상으로서 시각적으로 표시함과 함께, 상기 피측정물의 단면 형상에 관련된 통계적인 수치 결과를 함께 표시하고, 상기 촬상용 수광부에서 검출된 수광 신호에 기초하여 촬상된 피측정물의 화상을 표시하기 위한 표시부

를 구비하고,

상기 피측정물의 상기 화상으로서, 상기 진동부로 진동되는 상기 대물 렌즈 주사부에서 주기적으로 왕복 이동되는 상기 대물 렌즈의 주사 위치가 각각의 측정 포인트이고, 빛을 수광하는 상기 수광부의 수광량이 최대로 된 시점에서 촬상된 화상만이 상기 표시부에 표시되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변위계.
제1항에 있어서,

상기 통계적인 수치 결과는 평균 높이, 최대값, 최소값, 기울기 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 변위계.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 대물 렌즈 주사부는 피측정물 상에 지정된 경로 또는 영역 내를 미리 결정된 간격으로 주사하도록 상기 대물 렌즈를 이동시키고, 상기 연산 처리부는 각 측정 포인트에서 측정된 변위량을 연속량으로 하여, 상기 지정된 경로 또는 영역 내에서의 피측정물의 프로파일을 상기 표시부에 표시할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변위계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 피측정물 상에 지정된 경로 또는 영역 내를 미리 결정된 간격으로 주사하도록 상기 대물 렌즈를 이동시키고, 상기 연산 처리부는 각 측정 포인트에서 측정된 변위량을 평균하여 상기 지정된 경로 또는 영역의 변위량으로서 연산하는 것을 특징으로 하는 변위계.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 측정 영역 지정부는 상기 대물 렌즈를 이동시키는 범위인 주사폭, 이동의 중심 위치인 주사 중심, 상기 대물 렌즈를 주기적으로 이동시키는 경우의 주사 주기, 1회당 이동량인 주사 스텝 중 적어도 어느 하나를 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 변위계는 상기 발광부에서 출사되는 빛을 평행광으로 변환하여 평행광을 상기 대물 렌즈에 입사시키는 콜리메이트 렌즈를 더 구비하고, 상기 대물 렌즈는 상기 대물 렌즈 주사부에 의해서, 상기 콜리메이트 렌즈로부터의 평행광의 광축에 대하여 수직 방향으로 이동할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 상기 대물 렌즈를 미리 결정된 위치를 중심으로 하여 미리 결정된 진폭으로 진동하도록 이동시키는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 상기 대물 렌즈를 원호 상에 이동시키는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제8항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 상기 대물 렌즈를 미리 결정된 회전축을 중심으로 하여 원호 상에 이동시키는 서보 모터로 구성되고, 상기 대물 렌즈 이동 검출부는 상기 서보 모터의 회전각을 검출하는 회전각 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제8항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 상기 대물 렌즈를 미리 결정된 회전축을 중심으로 하여 회전 이동시키는 보이스 코일로 구성되고, 상기 대물 렌즈 이동 검출부는 상기 보이스 코일의 이동을 검출하는 홀소자로 구성되는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제8항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 상기 대물 렌즈를 연결한 캔틸레버로 구성되는 것을 특징으로 하는 변위계.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 대물 렌즈 주사부는 상기 대물 렌즈를 직선형으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 변위계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 변위계는 상기 표시부로서 촬상 모니터를 구비하고, 상기 촬상 모니터에 표시하는 화상을 촬상하는 타이밍을, 각각의 측정 포인트에서 상기 진동부가 상기 대물 렌즈를 진동시켜, 빛을 수광하는 상기 수광부의 수광량이 최대가 된 시점으로 하는 것을 특징으로 하는 변위계.
제1항 또는 제2항에 있어서, 측정 영역 내에서 측정을 행하는 측정 포인트가 하나인 것을 특징으로 하는 변위계.
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