JPH06160036A

JPH06160036A - 光学的測定装置

Info

Publication number: JPH06160036A
Application number: JP30871792A
Authority: JP
Inventors: Taizo Toyama; 退三遠山; Kazuhiro Doutoku; 一博道徳
Original assignee: Toyoda Koki KK
Current assignee: Toyoda Koki KK
Priority date: 1992-11-18
Filing date: 1992-11-18
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】形状測定用レンズ系の焦点距離を可変にし
て、測定角度分解能を被測定物に応じ任意に選定でき
る。【構成】交互に動作する半導体レーザ２１ａ，２１ｂ
からのレーザビームをビームスプリッタ２２、偏向ビー
ムスプリッタ２３および１／４波長板２４を通して被測
定物２に照射し、この被測定物２により反射されるレー
ザビームをレンズ系２６を通して位置検出素子２７に結
像させる。また、レンズ系２６の凸レンズ２６２および
凹レンズ２６３を焦点距離調整機構３１によりスライド
させることによりレンズ系の焦点距離を変化させ、この
焦点距離を変えることで、被測定物２の形状測定を要求
される角度分解能を単一のレンズ系で任意に選定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面形状な
どを半導体レーザなどの光源を用いて測定する光学的測
定装置に関し、さらに詳しくは、測定角度分解能を可変
にした光学的測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４により従来の光学的測定装置につい
て説明する。図４において、１はレーザオートコリメー
ションセンサ部、２は、このセンサ部１により非接触で
形状測定される被測定物である。

【０００３】レーザオートコリメーションセンサ部１
は、光軸が直交する向きに配置した１対の半導体レーザ
３ａ，３ｂと、半導体レーザ３ａ，３ｂから発生するレ
ーザ光を所定間隔離れた平行ビームに変換して被測定物
２に向けるビームスプリッタ４と、このビームスプリッ
タ４の光ビーム出射側に配置された偏光ビームスプリッ
タ５および１／４波長板６と、偏光ビームスプリッタ５
の右方に配置され被測定物２から反射されてくる光ビー
ムを方向転換するビームベンダ７と、このビームベンダ
７で反射される光ビームを集光する集光レンズ８とこの
集光レンズ８の焦点位置に配置され、反射ビーム光の結
像位置から被測定物２の接線角を検出するためのＰＳＤ
等からなる位置検出素子９と、偏光ビームスプリッタ５
の左方に配置され、該偏光ビームスプリッタ５で反射さ
れる半導体レーザ３ａ，３ｂからの一部のレーザビーム
を方向転換するビームベンダ１０と、このビームベンダ
１０で反射されるレーザビームを集光する集光レンズ１
１、およびこの集光レンズ１１の焦点位置に配置され、
レーザビームの結像位置から半導体レーザ３ａ，３ｂの
温度ドリフトを検出する温度ドリフト検出用のＰＳＤ素
子１２とから構成される。

【０００４】上述のように構成されたレーザオートコリ
メーションセンサ部１を用いて被測定物２の表面形状を
測定する場合は、半導体レーザ３ａ，３ｂを所定時間毎
に交互に動作させてレーザ光を交互に発生させる。この
各レーザ光はビームスプリッタ４、偏光ビームスプリッ
タ５および１／４波長板６を通して被測定物２に照射さ
れる。被測定物２の表面で反射された各レーザ光の反射
光は、１／４波長板６を通過した後、偏光ビームスプリ
ッタ５によりビームベンダ７の方向へ曲げられ、集光レ
ンズ８により位置検出素子９上に結像される。これに伴
い位置検出素子８からは反射光の結像位置に応じた信号
がそれぞれ出力される。

【０００５】一方、半導体レーザ３ａ，３ｂから交互に
発生するレーザ光は、偏光ビームスプリッタ５およびビ
ームベンダ１０により温度ドリフト検出用の集光レンズ
１１側へ曲げられ、集光レンズ１１により集光されて、
ＰＳＤ素子１２上に結像される。これに伴い、ＰＳＤ素
子１２からは各レーザ光の結像位置に応じた信号がそれ
ぞれ出力される。この各出力が半導体レーザ３ａ，３ｂ
の温度ドリフトによるずれ成分となる。従って、半導体
レーザ３ａ，３ｂ毎に位置検出素子９から出力される位
置信号とＰＳＤ素子１２から出力される信号との差を求
めれば、この各差信号が半導体レーザ３ａ，３ｂの温度
ドリフト分を補正した真の被測定物の表面形状を表わす
接線角の信号となるから、この両反射光による被測定物
の接線角の差分を２回積分することにより、レーザ照射
点の形状データを得ることができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで上述のような
レーザオートコリメーション方式の測定装置において、
被測定物の接線角に対する光学系の角度分解能Δθは、
Δθ＝Δｄ／２ｆ（但し、Δｄは位置検出素子９の分解
能であり、ｆは集光レンズ８の焦点距離である）で表わ
される。このことから、焦点距離ｆが大きくなると角度
分解能が良くなり、焦点距離ｆが小さいと悪くなる。つ
まり、焦点距離ｆを大きくすることにより角度分解能を
良くすると、測定可能な角度範囲が狭くなってしまう。

【０００７】従って、従来の光学的測定装置における光
学系のレンズは、通常単レンズを使用しているため、分
解能を上げて平面に近い形状を測定したり、あるいは分
解能を下げて球に近い形状を測定しようとすると、それ
ぞれの角度分解能に対応した焦点距離のレンズに取り替
え、同時に位置検出素子の位置をレンズに合わせて変更
しなければならないという問題があった。

【０００８】本発明は、上述のような事情に鑑みなされ
たものであり、形状測定用レンズ系の焦点距離を可変に
して、測定角度分解能を被測定物に応じ任意に選定でき
るようにした光学的測定装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】一実施例である図１に対
応づけて本発明を説明すると、本発明は、光ビームを発
生する光源２１ａ，２１ｂと、前記光源２１ａ，２１ｂ
から発生する２本の光ビームを被測定物２に向けて照射
させる光学系（２２，２３，２４）と、前記被測定物２
により反射される光ビームを集光するとともに前記被測
定物２の接線角測定に要求される角度分解能および測定
角度範囲に応じて焦点距離が調整可能なレンズ系２６
と、前記レンズ系２６の焦点距離を調整する焦点距離調
整手段３１と、前記レンズ系２６の焦点位置に配置され
前記被測定物２により反射される光ビームの結像位置を
検出する位置検出手段２７と、前記位置検出手段２７か
ら出力される信号を基に前記レンズ系２６の焦点に応じ
た被測定物表面の接線角を求める演算手段４０，４１と
を備えてなるものである。

【００１０】

【作用】上記の構成により、焦点距離調整手段３１が操
作されるとレンズ系２６の焦点距離は位置検出手段２７
上に焦点を結ぶ状態で変化し、この焦点距離を適当に変
えることで角度分解能を上げたり、下げたりすることが
できる。よって、被測定物の形状測定に要求される角度
分解能を任意に選定することが可能になる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１は、本発明による光学的測定装置の一実施例
を示す全体の構成図である。図１において、２０は被測
定物２の形状測定を行う差動レーザオートコリメーショ
ンセンサ部（以下単にセンサ部という）である。

【００１２】センサ部２０は、図１に示すように、光軸
が互いに直交する向きに配置した一対の半導体レーザ２
１ａ，２１ｂと、半導体レーザ２１ａからのレーザ光を
透過するとともに半導体レーザ２１ｂからのレーザ光を
９０度に反射するビームスプリッタ２２と、このビーム
スプリッタ２２のレーザ光出射側に配置され、ビームス
プリッタ２２のレーザ光の一部を反射し、残りのレーザ
光を通過するとともに被測定物２からの反射レーザビー
ムを９０度に反射する偏光ビームスプリッタ２３と、こ
の偏光ビームスプリッタ２３の下面に設けた１／４波長
板２４と、偏光ビームスプリッタ２３の右方に配置さ
れ、被測定物２により、偏光ビームスプリッタ２３を介
して反射されてくる反射レーザビームを方向転換するビ
ームベンダ２５と、このビームベンダ２５で反射される
レーザビームを集光する焦点距離の可変な形状測定用の
レンズ系２６と、このレンズ系２６の焦点位置に配置さ
れ、レーザビームの結像位置を検出するＰＳＤ等からな
る位置検出素子２７と、偏光ビームスプリッタ２３の左
方に配置され、該偏光ビームスプリッタ２３で反射され
る半導体レーザ２１ａ，２１ｂからの一部のレーザビー
ムを方向転換するビームベンダ２８と、このビームベン
ダ２８で反射されるレーザビームを集光する焦点距離の
可変な温度ドリフト検知用のレンズ系２９と、このレン
ズ系２９の焦点位置に配置され、レーザビームの結像位
置から半導体レーザ２１ａ，２１ｂの温度ドリフトを検
出する温度ドリフト検出用のＰＳＤ素子３０とから構成
される。

【００１３】前記形状測定用のレンズ系２６は、図１に
示すように、鏡筒２６１内に光軸を一致させて鏡筒２６
１の長手方向にスライド可能に設けた凸レンズ２６２お
よび凹レンズ２６３を備え、この凸レンズ２６２および
凹レンズ２６３は焦点距離調整機構３１により光軸方向
に移動可能になっている。

【００１４】焦点距離調整機構３１は、図１に示すよう
に、回転可能に支持した１対の送りねじ３１１，３１２
と、これらの送りねじ３１１，３１２を別々に回転駆動
するステッピングモータ、その他の小形モータ３１３，
３１４と、送りねじ３１１に螺合され結合部材３１５を
介して凸レンズ２６２に連結したナット部材３１６、お
よび送りねじ３１２に螺合され結合部材３１７を介して
凹レンズ２６３に連結したナット部材３１８とから構成
される。

【００１５】前記温度ドリフト検出用のレンズ系２９
は、図１に示すように、鏡筒２９１内に光軸を一致させ
て鏡筒２９１の長手方向にスライド可能に設けた凸レン
ズ２９２および凹レンズ２９３を備え、この凸レンズ２
９２および凹レンズ２９３は焦点距離調整機構３２によ
り光軸方向に移動可能になっている。

【００１６】焦点距離調整機構３２は、図１に示すよう
に、回転可能に支持した１対の送りねじ３２１，３２２
と、これらの送りねじ３２１，３２２を別々に回転駆動
するステッピングモータ、その他の小形モータ３２３，
３２４と、送りねじ３２１に螺合され結合部材３２５を
介して凸レンズ２９２に連結したナット部材３２６、お
よび送りねじ３２２に螺合され結合部材３２７を介して
凹レンズ２９３に連結したナット部材３２８とから構成
される。

【００１７】なお、小形モータ３１３，３１４および３
２３，３２４は、それぞれエンコーダ３１３ａ，３１４
ａおよび３２３ａ，３２４ａを備え、これらのエンコー
ダはそれぞれのモータの回転数から凸レンズおよび凹レ
ンズの移動量を検出し、この検出された移動量信号はＣ
ＰＵ４０に入力され、各小形モータをサーボ制御するよ
うになっている。

【００１８】図１において、４０は、センサ部２０を含
む測定装置全体を制御し管理する中央処理装置（以下Ｃ
ＰＵと略称する）であり、このＣＰＵ４０には、種々の
データを格納するメモリ４１、表示部４２ａを備えた入
出力装置４２、半導体レーザ２１ａを駆動するレーザ発
振回路４３、半導体レーザ２１ｂを駆動するレーザ発振
回路４４、形状測定用焦点調整機構３１の小形モータ３
１３，３１４の駆動回路４５，４６、温度ドリフト検出
用焦点調整機構３２の小形モータ３２３，３２４の駆動
回路４７，４８、および位置検出素子２７の出力信号
（ｄ₁）から温度ドリフト検出用ＰＳＤ素子３０の出力
信号（ｄ₂）を差し引くことにより半導体レーザの温度
ドリフトを補正した真の形状測定データ（ｄ）を算出す
る演算回路４９がそれぞれ接続されている。

【００１９】図２は、メモリ４１に格納される各種デー
タの一例を示す。この図２から明らかなように、メモリ
４１には、測定プログラム、測定データ（接線角θ）、
レンズ系２６，２９、焦点距離ｆと角度分解能および測
定角度範囲との関係を表わすデータテーブル４１ａ、焦
点距離ｆに対する凸レンズと凹レンズ間の距離Δおよび
凹レンズから位置検出素子２６または３０間の距離Ｓの
関係を表わすｆ−Δ−Ｓテーブル４１ｂ、演算回路４９
から求められる位置データｄと接線角θとの関係を各焦
点距離ｆ毎に構築したｄ−θテーブル４１ｃが、それぞ
れ格納されている。なお、テーブル４１ａ〜４１ｃは実
験結果などを基に構築される。

【００２０】次に、上記のように構成された本実施例の
動作を図３に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、入出力装置４２を操作することにより、メモリ４
１内のデータテーブル４１ａから図２に示すｆ−角度分
解能−測定角度範囲表のデータを読み出し、これを入出
力装置４２の表示部４２ａに表示する（ステップＳ
１）。

【００２１】次のステップＳ２は、レンズ系２６，２９
の焦点距離ｆが選定されたかを判定する。すなわち、表
示部４２ａに表示されているｆ−角度分解能−測定角度
範囲表を参照して被測定物２の形状を測定するのに必要
な角度分解能および測定角度範囲を見つけ出し、この角
度分解能および測定角度範囲を得るのに必要な焦点距離
ｆを入出力装置４２の操作により指定する。焦点距離ｆ
が選定されたことがＣＰＵ４０で判定されるとステップ
Ｓ３に進み、メモリ４１内のｆ−Δ−Ｓテーブル４１ｂ
から、選定された焦点距離ｆを得るためのレンズ間距離
Δおよび距離Ｓを選択する。

【００２２】次のステップＳ４では、選択された距離Δ
のデータをＣＰＵ４０で解読し、焦点調整機構３１，３
２の制御指令信号として駆動回路４５，４７に出力し、
小形モータ３１３，３２３を駆動して凸レンズ２６２お
よび２９２を光軸方向に移動することで、凸レンズ２６
２と凹レンズ２６３間の距離Δ、および凸レンズ２９２
と凹レンズ２９３間の距離を選択された距離Δに設定す
る。そして、次のステップＳ５では、選択された距離Ｓ
のデータをＣＰＵ４０で解読し、焦点調整機構３１，３
２の制御指令信号として駆動回路４６，４８に出力し、
小形モータ３１４，３２４を駆動して凹レンズ２６３，
２９３を光軸方向に移動することで、凹レンズ２６３と
位置検出素子２７間の距離、および凹レンズ２９３とＰ
ＳＤ素子３０間の距離を選択された距離Ｓに設定する。
このようにすることにより、形状測定用レンズ系２６お
よび温度ドリフト検出用レンズ系２９の焦点距離ｆを被
測定物２の形状測定に要求される角度分解能および測定
角度範囲が得られる状態に調整する。レンズ系２６，２
９の焦点距離設定が終了したならば、ステップＳ６に進
み、被測定物２を測定位置へ移動する。

【００２３】次に、メモリ４１内の測定プログラムにし
たがってＣＰＵ４０から送出されるレーザ動作指令をレ
ーザ発振回路４３に加えることにより、該レーザ発振回
路４３を動作させ、その発振信号により半導体レーザ２
１ａを駆動することで半導体レーザ２１ａからレーザビ
ームを発生させる（ステップＳ７）。このレーザビーム
は、ビームスプリッタ２２、偏光ビームスプリッタ２３
および１／４波長板２４を通して被測定物２の表面へ照
射される。

【００２４】被測定物２の表面で反射されたレーザビー
ムは１／４波長板２４を通過した後、偏光ビームスプリ
ッタ２３によりビームベンダ２５の方向へ曲げられ、さ
らにビームベンダ２５により集光用のレンズ系２６へ曲
げられる。集光用レンズ系２６では、被測定物２の形状
成分を含むレーザビームを集光して位置検出素子２７上
に結像させる。レーザビームの結像位置に応じて位置検
出素子２７から出力される位置信号ｄ₁は演算回路４９
に入力される。

【００２５】一方、偏光ビームスプリッタ２３によりビ
ームベンダ２８側へ曲げられた半導体レーザ２１ａのレ
ーザビームはビームベンダ２８により集光レンズ系２９
へ曲げられる。この集光レンズ系２９では、半導体レー
ザ２１ａからのレーザビームを集光してＰＳＤ素子３０
上に結像し、その結像位置に応じた位置信号ｄ₂を半導
体レーザ２１ａの温度ドリフト成分として出力し、演算
回路４９に入力する。

【００２６】演算回路４９では、ｄ＝ｄ₁−ｄ₂の演算
を行うことにより、温度ドリフト成分を除去した被測定
物２の表面形状に対応する位置信号ｄ_aを算出し、ＣＰ
Ｕ４０に入力する（ステップＳ８）。

【００２７】ＣＰＵ４０では、算出した位置信号ｄ_aを
基に、前記調整された焦点距離ｆに対応するメモリ４１
内のｄ−θテーブル４１ｃを検索することにより、位置
信号ｄ_aに相当する接線角θ_aを選択する（ステップＳ
９）。

【００２８】半導体レーザ２１ａによる形状測定が終了
すると、今度は、ＣＰＵ４０からの動作指令によりレー
ザ発振回路４４が動作され、その発振信号により半導体
レーザ２１ｂを駆動する（ステップＳ１０）。これに伴
い半導体レーザ２１ｂから発生するレーザビームは、半
導体レーザ２１ａの場合と同様にビームスプリッタ２
２、偏光ビームスプリッタ２３および１／４波長板２４
を通して被測定物２の表面へ照射される。

【００２９】被測定物２の表面で反射されたレーザビー
ムは１／４波長板２４を通過した後、偏光ビームスプリ
ッタ２３によりビームベンダ２５の方向へ曲げられ、さ
らにビームベンダ２５により集光用のレンズ系２６へ曲
げられる。集光用レンズ系２６では、被測定物２の形状
成分を含むレーザビームを集光して位置検出素子２７上
に結像させ、その結像位置に応じて位置検出素子２７か
ら出力される位置信号ｄ₁は演算回路４９に入力され
る。

【００３０】一方、偏光ビームスプリッタ２３により、
ビームベンダ２８側へ曲げられた半導体レーザ２１ｂの
レーザビームはビームベンダ２８により集光レンズ系２
９へ曲げられる。この集光レンズ系２９では、半導体レ
ーザ２１ｂからのレーザビームを集光してＰＳＤ素子３
０上に結像し、その結像位置に応じた位置信号ｄ₂を半
導体レーザ２１ｂの温度ドリフト成分として出力し、演
算回路４９に入力する。

【００３１】演算回路４９では、ｄ＝ｄ₁−ｄ₂の演算
を行うことにより、演算ドリフト成分を除去した被測定
物２の表面形状に対応する位置信号ｄ_bを算出し、ＣＰ
Ｕ４０に入力する（ステップＳ１１）。

【００３２】ＣＰＵ４０では、算出した位置信号ｄ_bを
基に、前記調整された焦点距離ｆに対応するメモリ４１
内のｄ−θテーブル４１ｃを検索することにより、位置
信号ｄ_bに相当する接線角θ_bを選択する（ステップＳ
１２）。

【００３３】次のステップＳ１３では、各半導体レーザ
２１ａ，２１ｂからのレーザビームの照射により求めた
接線角θ_a，θ_bの差Δθ＝θ_a−θ_bを算出し、差の
データΔθをメモリ４１内の所定の領域に記憶する。そ
して、この差のデータΔθを２回積分することにより、
被測定物２の表面形状を求める。

【００３４】また、次のステップＳ１５では、被測定物
２の測定が完了したかを判定する。ここで、被測定物２
の測定が完了していない場合は、レーザオートコリメー
ションセンサ部２０を被測定物２に対して所定量相対移
動させ、ステップＳ６に戻り、ステップＳ６以下の処理
を実行する。また、測定完了が判定されたならば、被測
定物の測定処理は終了する。

【００３５】上述のような本実施例においては、形状測
定用レンズ系および温度ドリフト検出用レンズ系の焦点
距離を調整可能に構成し、そして、被測定物の形状測定
に要求される角度分解能および測定角度範囲に応じて各
レンズ系の焦点距離を変えることにより、希望する角度
分解能に選定できるようにしたので、分解能を上げて平
面に近い表面形状を測定したい場合や、分解能を下げて
球に近い表面形状を測定したい場合でも、各レンズ系の
焦点距離を変更するだけで単一のセンサ部をそれぞれに
対応させることができる。

【００３６】なお、上記の実施例では、各レンズ系２
６，２９の焦点距離を小形モータおよび送りねじ等を組
合せた調整機構３１，３２により調整する方式について
述べたが、本発明はこれに限定されない。例えば、手動
により各レンズ系の凸レンズおよび凹レンズを調整でき
るようにしてもよい。また、本発明のレンズ系は、上記
実施例に示す組合せレンズに限定されないほか、その焦
点距離調整手段も上記実施例に示す構成のものに限ら
ず、種々の変形が可能である。

【００３７】さらにまた、半導体レーザに温度ドリフト
がなく、温度ドリフトの補正が不要の場合には、上記実
施例に示す温度ドリフト検出用のレンズ系を省略しても
よい。また、本発明における形状測定の光源は半導体レ
ーザに限らず、他の光源を利用してもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、平
行する２本の光ビームを被測定物に照射し、この被測定
物により反射される光ビームを位置検出手段に結像させ
るレンズ系の焦点距離を調整可能に構成したので、この
焦点距離を被測定物の形状測定に要求される角度分解能
および測定角度範囲に応じて調整することができる。こ
れに伴い分解能を上げて平面に近い表面形状を測定した
い場合や、分解能を下げて球に近い表面形状を測定した
い場合でも単一のセンサ部でそれぞれに対応した角度分
解能を選定することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光学的測定装置の一実施例を示す
全体の構成図である。

【図２】本実施例におけるメモリの格納内容例を示す説
明図である。

【図３】本実施例における形状測定の動作手順を示すフ
ローチャートである。

【図４】従来の光学的測定装置の構成図である。

【符号の説明】

２被測定物２０レーザオートコリメーションセンサ部２１ａ，２１ｂ半導体レーザ（光源）２２ビームスプリッタ２３偏光ビームスプリッタ２４１／４波長板２６，２９レンズ系２７位置検出素子３０ＰＳＤ素子３１，３２焦点距離調整機構４０ＣＰＵ４１メモリ４２入出力装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを発生する光源と、前記光源か
ら発生する光ビームを被測定物に向けて照射させる光学
系と、前記被測定物により反射される光ビームを集光す
るとともに前記被測定物の接線角測定に要求される角度
分解能および測定角度範囲に応じて焦点距離が調整可能
なレンズ系と、前記レンズ系の焦点距離を調整する焦点
距離調整手段と、前記レンズ系の焦点位置に配置され前
記被測定物により反射される光ビームの結像位置を検出
する位置検出手段と、前記位置検出手段から出力される
信号を基に前記レンズ系の焦点に応じた被測定物表面の
接線角を求める演算手段とを備えたことを特徴とする光
学的測定装置。