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JP5520036B2 - 光学式変位計 - Google Patents

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Description

本発明は、光学式変位計に係り、特に、クロマティックコンフォーカル変位計の高分解能且つ高速応答化と小型化を図ることが可能な、被測定光の波長測定部分の改良に関する。
図1に全体構成を例示するクロマティックコンフォーカル変位計(特許文献1参照)は、次のような原理を利用している。即ち、光軸上色収差の大きい対物レンズ12では、光波長(色)により、焦点距離が異なり、青色光は近く、赤色光は遠くに合焦する。前記対物レンズ12に対し、測定対象であるワーク8と反対側の共焦点(色収差の補正されたコリメートレンズ14の焦点位置)は色によらず共通と見做し、ここに、白色又は広帯域の点光源を配置すると、ワーク8の高さに応じて、ワーク8に合焦する色が1対1で変わる。そこで、ワーク8からの反射光が戻るときの共焦点位置にピンホール等の空間フィルタを設けて透過させれば、ワークに合焦した色の光を抽出できる。
そして、コンソール20内の回折格子等の分光器26を用いて、色(光波長)を特定することにより、色と1:1の関係にあるワーク8の高さ(変位)を測定できる。
一般的には光ファイバ30を用い、白色光(広帯域光)をセンサヘッド10の共焦点まで導いて、光ファイバ端面30Aのコアをピンホールに見立てて共焦点とし、コリメートレンズ14に発散光を与える形をとることが多い。
ワーク反射後は、図2に例示する如く、ワーク8に照射された白色光のうち、ワーク8に合焦した色(図2では緑色光)の光が選択的に光ファイバ端面30Aの共焦点位置に集まり、光ファイバコア内に取り込まれ、光ファイバカプラ24を経由して分光器26へと導かれる。一方、他の色の光は、光ファイバ端面30Aのコアが、ピンホールと同等に入射する光を制限するように機能するため、コアの外周で蹴られて、光ファイバ30内に入射することはない。
分光器26は、光ファイバ30内に戻った光の波長を検出し、その出力は、電子回路28に入力されて処理される。
従来のクロマティックコンフォーカル変位計の光波長(色)を特定する分光部では、図3に例示する如く、光の回折現象を利用した回折格子や、屈折率の色分散を利用したプリズム等、空間的に色を分けて飛ばす光学素子26Aを用いていた。そして、C−MOSラインセンサ、CCDラインセンサ、フォトダイオードアレイ等のリニアアレイ状受光素子26Bで光を受け、光の飛んだ方向を検出して、光波長を特定していた。図3において、26Cは、光ファイバ30から出たワーク反射光を平行光線化するための色収差の補正されたコリメートレンズである。
特開2008−256679号公報 特公平1−15808号公報
ここで、図3に例示したようなリニアアレイ状受光素子26Bを使用した場合、高分解能化を実現するには、(1)受光エレメントのピッチが狭いこと、(2)受光エレメントの素子数が多いこと、(3)各受光エレメントのS/N比が良いことという条件を満足する必要が有る。
しかしながら、リニアアレイ状受光素子を使用しなければならないという制約の下では、高速且つ高分解能の実現は、次のとおり難しかった。
即ち、CCDラインセンサを用いた場合、受光エレメントのピッチは狭く、素子数は多く、S/Nも良いが、シリアル出力であるため、1kHz以上の高速応答性の実現は難しい。
一方、C−MOSラインセンサを用いた場合、受光エレメントのピッチは狭く、素子数は多く、パラレル出力であるため、数十kHz以上の高速応答性を実現できるが、S/Nが悪いため、高分解能且つ高速応答性の実現は困難である。
又、フォトダイオードアレイを用いた場合、S/Nは良く、高速応答性を有するが、受光エレメントのピッチを狭くすることで、素子数を多くする(高分解能化に必要な数は数千オーダー)ことが困難なため、高分解能化の実現が難しい。更に、信号処理回路をエレメント数分設けると、回路規模が大きくなるという問題もある。
一方、クロマティックコンフォーカル変位計以外の他方式の非接触変位計としては、静電容量式変位計、光干渉式変位計、光ファイバ式変位計、三角測量式変位計、対物レンズを走査して合焦時のレンズ位置を検出する合焦点式変位計、共焦点式変位計等がある。
しかしながら、静電容量式変位計は、高速応答且つ高分解能が実現可能であるが、測定スポットが大きく、作動距離が小さく、傾斜に弱く、非導体で誤差を生じるという問題点を有する。
又、光干渉式変位計も、高速応答且つ高分解能であるが、段差に対応できずABS測定が不可であり、傾斜に弱く、測定スポットが大きく、表面粗さの影響が大きいという問題点を有する。
又、光ファイバ式変位計は、高速応答であるが、材質毎に校正が必要で、測定スポットが大きく、作動距離が小さいという問題点を有する。
又、三角測量式変位計は、比較的応答性が良いが、高分解能での高速応答が難しく、傾斜に弱いという問題点がある。
又、合焦点式変位計及び共焦点式変位計は、測定スポットが微小で、作動距離が大きいが、応答性が低く、熱ドリフトが大きいという問題点を有する。
このように、nmオーダーの高分解能(表示分解能ではなくS/N的に分解能が高い)を持ちつつ、100kHz超の高速応答性を実現できるのは、静電容量式変位計と光干渉式変位計だけと考えられる。しかし、これらは、共に作動距離が小さく、傾斜に弱く、測定スポットが大きいという問題点を有していた。
一方、クロマティックコンフォーカル変位計ではないが、光波長計測の1つの手法として、特許文献2に記載された技術が有る。
これは、図4に示す如く、光の伝搬方向をZ軸とし、その直交方向をX軸、Y軸とおいた場合、次のようにして光の波長を計測する。
(1)任意の偏光状態の被測定光をコリメートし、Z方向に伝搬させる。
(2)偏光子40の軸の向きをXY間45度方向にし、光を通過させ、XY間45度方向の直線偏光を得る。
(3)進相軸、遅相軸をX、Y軸に揃えた波長板42を通過させ、光波長に応じた(XY偏波間)位相差を持った楕円偏光を得る。
(4)方解石44を、XY間45度方向に傾けて配置し、楕円偏光を、XY間45度方向の偏光成分と、XY間135度方向の偏光成分とに分ける。それぞれの光量をフォトダイオード(PD)で受光し、光量電圧信号A、Bを得る。
(5)アナログ回路(図示省略)により、A/Bを演算し、更に対数演算することで、ある光波長の範囲で、光波長変化に対し、ゆるやかな単調変化を示す電圧出力を得る。
図3に示したように、光波長を回折格子等の光学素子26Aにより方向別に分けて検出する方法では、光波長の方向別角度差を位置差として拡大するために、光学素子26Aからリニアアレイ状受光素子26Bまでの距離を大きくとる必要があるのに対して、図4に示した方法によれば、小型化が容易であるだけでなく、応答の遅いリニアアレイ状受光素子を使う場合に比べて、応答が早い単体フォトダイオードを使うので、信号処理の高速応答化を実現できるという特徴を有する。
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、傾斜に強く、直線性が高く、作動距離が大きく、測定スポットが微小で、非金属も測定できるというクロマティックコンフォーカル変位計の長所を活かしつつ、高分解能且つ高速応答化及び小型化、並びに出力の直線性の改善を可能とすることを課題とする。
本発明では、例えば複屈折性結晶でできた波長板を通過する互いに垂直な偏光成分間に、光波長に応じた位相差(光路差)が生じることを利用し、この位相差を偏光成分間の光量比に置き換えて検出する。この際、複屈折性結晶の厚みと光波長範囲を適当に選べば、この分光器では、光波長変化に対しゆるやかな単調変化を示す電圧出力が得られる。
本発明は、このような知見に基づいてなされたもので、色収差を有する対物レンズに対し、測定対象と反対側の共焦点に広帯域光源を配置し、測定対象からの反射光が戻るときの共焦点位置に空間フィルタを設けて透過させることにより、測定対象にプローブの焦点が合焦した波長の被測定光を抽出し、分光して該被測定光の波長を特定することにより、測定対象の位置を測定するクロマティックコンフォーカル方式の光学式変位計において、コリメートされて一方向に伝播される前記被測定光を、その伝播方向Zと直交する2方向X、Yの直線偏光に分ける偏光子と、該2方向の直線偏光を通過させて、光波長に応じた位相差を持つ楕円偏光とする波長板と、該楕円偏光を、XY間の2つの方向の偏光成分に分ける偏光分離素子と、各偏光成分の光量を検出する受光素子と、該受光素子で検出した光量信号A、Bを用いて、(A−B)/(A+B)の演算を行う演算回路とを備え、対物レンズの色収差によるプローブの焦点位置の光波長特性と分光出力(A−B)/(A+B)の光波長特性を相殺して直線性を改善することにより、前記課題を解決したものである。
ここで、前記偏光分離素子の出側のコリメート光を、該コリメート光の光軸に垂直な断面積より小さな受光面を有する受光素子で受光するようにして、応答速度を更に高速化することができる。
又、前記偏光分離素子の出側のコリメート光を絞る手段を更に備えることができる。
更に、前記コリメート光を絞る手段を集光手段とし、該集光手段の集光点に前記受光素子を配設することにより、光量を確保することができる。
本発明によれば、高分解能且つ高速応答が実現できないという従来のクロマティックコンフォーカル変位計の問題点を克服することで、他方式の非接触変位計では実現困難であった、長作動距離、微細測定スポット、傾斜による誤差小、高分解能且つ高速応答性を同時に満足する変位測定が可能となる。更に、出力の直線性が改善される。特に、受光面の小さな受光素子を用いた場合は、応答速度を更に高速化することができる。
ただし、透明体の場合、表面と表面の光を区別できないので、従来のクロマティックコンフォーカル変位計で可能であった、薄物透明体厚の測定は不可能となる。
クロマティックコンフォーカル変位計の全体構成を示す、一部ブロック線図を含む光路図 同じく光ファイバ内の光スペクトルの一例を示す図 同じく従来の分光器の構造例を示す光路図 特許文献2に記載された分光器の要部構成を示す光路図 本発明の第1実施形態における分光器の構成を示す斜視図 第1実施形態における、XY間45度方向の直線偏光である偏光子出力を波長板無で受光素子PDにより受光した時の(i)偏光状態と(ii)偏光成分抽出方向である検光方向による光量変化の例を示す図 同じく光波長900nmの光入射で偏光子+波長板出力がXY間位相差60度となるときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化の例を示す図 同じく光波長720nmの光入射で偏光子+波長板出力がXY間位相差75度となるときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化の例を示す図 同じく光波長600nmの光入射で偏光子+波長板出力がXY間位相差90度となるときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化の例を示す図 同じく光波長514.3nmの光入射で偏光子+波長板出力がXY間位相差105度となるときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化の例を示す図 同じく光波長450nmの光入射で偏光子+波長板出力XY間位相差120度となるときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化の例を示す図 波長板を構成する水晶の屈折率分散を示す図 第1実施形態における受光素子PDA、PDBの受光量レベルの光波長特性を示す図 本発明による(A−B)/(A+B)演算出力の光波長特性を示す図 クロマティックセンサのプローブの焦点位置の光波長特性の例を示す図 光波長に対するクロマティックセンサのプローブの焦点位置変化と(A−B)/(A+B)特性の例を示す図 本発明のクロマティックセンサにおける、ワーク変位(クロマテッィクセンサのプローブの焦点位置)に対する(A−B)/(A+B)出力特性の例を示す図 (A)第1実施形態の一部と(B)第2実施形態の要部を比較して示す光路図 第2実施形態の変形例の要部を示す光路図 第2実施形態の他の変形例の要部を示す光路図 第2実施形態の更に他の変形例の要部を示す光路図
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の第1実施形態は、図1に示したような全体構成のクロマティックコンフォーカル変位計において、その分光器26として、図5に示す如く、光ファイバ出射光を平行光とするための色収差の補正されたコリメートレンズ50と、該コリメートレンズ50によりコリメートされて一方向(Z方向)に伝搬される被測定光を、その伝搬方向Zと直交する2方向X、Yの直線偏光にほぼ等分するための、軸をXY間45度方向に向けて配置した偏光子52と、該偏光子52出側の2本の直線偏光を透過させて、光波長に応じたXY偏波間位相差を持つ楕円偏光とするための零オーダーの波長板54と、該波長板54出側の楕円偏光を、XY間45度方向の偏光成分と、XY間135度方向の偏光成分とに分けるための、XY間45度方向に傾けて配置した偏光分離素子56と、各偏光成分の光量をそれぞれ検出するための受光素子(例えばフォトダイオードPD)58A、58Bと、該受光素子58A、58Bで検出した光量電圧信号A、Bを用いて、(A−B)/(A+B)の演算を行なうアナログ演算回路60とを用いたものである。
前記波長板54は、マルチオーダーではなく零オーダーの物を用いて、進相軸をX軸方向、遅相軸をY軸方向に向けて配置する。例えば、光波長600nm用の1/4波長板を使い、光波長450nm〜900nmの範囲内の光を通過させると、X軸とY軸とで、120〜60度程度の位相差を持った楕円偏光が得られる(波長板の屈折率分散を無視すると、光波長に反比例した位相差が生じる)。
前記偏光分離素子56としては、偏光ビームスプリッタ(PBS)を用いることができる。
以下、作用を説明する。
(1)任意の偏光状態の被測定光をコリメートレンズ50によりコリメートし、Z軸方向に伝搬させる。
(2)前記偏光子52に、(1)の光を通過させる。これにより、XY間45度方向の直線偏光を得る。
(3)前記波長板54に、(2)の光を通過させる。これにより、波長に応じたXY偏波間位相差を持った楕円偏光を得る。
(4)前記偏光分離素子56により、(3)の楕円偏光を、XY間45度方向の偏光成分と、XY間135度方向の偏光成分とに分ける。
(5)それぞれを前記PD58A、58Bで受光し、光量電圧信号A、Bを得る(A、Bは逆でも良い。後段回路で符号反転すれば同じである)。
(6)前記アナログ演算回路60により、(A−B)/(A+B)を演算して、光波長変化に対し、ゆるやかな単調変化を示す電圧出力を得る。
より詳しくは、前記偏光子52の出力は、XY間45度方向の直線偏光であり、波長板無しでフォトダイオードPDA(58A)、PDB(58B)により受光すると、そのときの(i)偏光状態と(ii)偏光成分抽出方向(検光方向と称する)による光量変化は、図6に例示するようになる。
前記偏光子52の出力を波長板(一例として、光波長600nm用の1/4波長板)54を通して出力する。ここで、ひとまず波長板54の屈折率波長分散は小さいとして無視する。
(1)光波長900nmの光入射でXY間位相差60度のときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化は、図7に例示するようになる。このとき、(A−B)/(A+B)演算結果は+0.5となる。
又、(2)光波長720nmの光入射でXY間位相差75度のときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化は、図8に例示するようになる。このとき、(A−B)/(A+B)の演算結果は+0.26となる。
又、(3)光波長600nmの光入射でXY間位相差90度のときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化は、図9に例示するようになる。このとき(A−B)/(A+B)の演算結果は0となる。
又、(4)光波長514.3nmの光入射でXY間位相差105度のときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化は、図10に例示するようになる。このとき、(A−B)/(A+B)の演算結果は−0.26となる。
又、(5)光波長450nmの光入射でXY間位相差120度のときの(i)偏光状態と(ii)検光方向による光量変化は、図11に例示するようになる。このとき、(A−B)/(A+B)の演算結果は−0.5となる。
ここで、先程無視した波長板54を構成する水晶の屈折率分散(光波長による屈折率の変化)が図12のようであることを考慮すると、2つのフォトダイオードPDA、PDBの受光レベルの光波長特性及びその直線性誤差は、図13に例示するようになり、(A−B)/(A+B)の光波長特性及びその直線性誤差は、図14に例示するようになる。
一方、図1に示したクロマティックセンサは、色収差の強い対物レンズ12を用いているため、図1中に例示したように、青色光のような短波長の光では大きな屈折率ゆえ近くに焦点を結び、赤色光のような長波長の光では小さな屈折率ゆえ遠くに焦点を結ぶ。この特性は直線的ではなく、焦点位置変化の光波長特性は、例えば図15に例示するような曲線を描く。
図14に示した分光器の(A−B)/(A+B)の光波長特性、図15に例示したクロマティックセンサのプローブの焦点位置の光波長特性の例を重ね合わせると、図16に示す如くとなり、曲がりの一致度がかなり高いことが分かる。
従って、プローブ特性と分光器特性が相殺して直線性が改善される結果、ワーク変位(プローブ焦点位置)に対する(A−B)/(A+B)出力特性(分光器出力)は、最終的に図17に例示するようになり、直線性誤差が数%以下の数100kHzの高速アナログ出力が可能であることがわかる。クロマティックセンサの焦点位置変化の光波長特性の例は1例であり、レンズ設計変更によっては、出力特性をより直線的にできる可能性もある。さらに、(A−B)/(A+B)出力をアナログ回路またはデジタル回路により直線性補正して、直線性を向上させることもできる。
次に、応答速度を更に高速化した本発明の第2実施形態について説明する。
受光素子、例えばフォトダイオードの場合、端子間(静電)容量が小さいほど、高速応答な受光回路が構築できる。ここで、フォトダイオードのPN接合の空乏層が持つ静電容量は受光面の面積に比例するため、受光面を小さくすれば、静電容量を小さくし、高速化できる。
フォトダイオードの受光面を小さくするためには、入射ビームを細くする必要があるが、図5に示した第1実施形態のクロマティックコンフォーカル変位計では、図18(A)に示す如く、フォトダイオード58A、58Bへ入る光がコリメート光であるため、第2実施形態では、図18(B)に示す如く、ここに色収差の十分補正されたレンズ62A、62Bを挿入して、数10μm以下の微小光スポットを作るようにする。
例えば、フォトダイオードがSi−PINフォトダイオードである場合、第1実施形態のPD受光面サイズ:数mm角又はφ(端子間容量:数10pF)、応答速度:数100kHzであるのに対し、第2実施形態では、PD受光面サイズ:数10μm〜100μm角又はφ(端子間容量:1pF未満)、応答速度:数MHz以上が実現できる。アバランシェフォトダイオード等の別タイプのフォトダイオードを使えば、更に高速化できる可能性もある。
第2実施形態によれば、従来、応答速度の限界が数100kHzだった変位計の世界で、史上最速の1MHz超の変位計を実現することにより、従来できなかった高速測定が可能になり、MENSアクチュエータの高速応答性評価、三次元形状測定の超高スループット化、タービンなどの高速回転体で検査用の減速が不要なリアルタイム検査などが可能になる。
なお、レンズ62A、62Bの代わりに、図19に示す変形例のように凹面鏡64A、64Bを用いることもできる。図18(B)や図19の例のように集光手段であるレンズ62A、62Bや凹面鏡64A、64Bを用いた場合は、受光素子58A、58Bの受光量を確保することができる。なお、受光素子58A、58Bの受光量が十分な場合は、図20に示す他の変形例のように絞り板66A、66Bを用いたり、迷光の問題が無い場合は、図21に示す更に他の変形例のように受光面の小さな受光素子58A、58Bにコリメート光を直接入射させることも可能である。
なお、前記実施形態では、偏光分離素子56として、PBSを用いていたが、方解石や他の偏光分離素子を用いてもよく、偏光成分の方向も、45度と135度に限定されない。又、波長板54も、光波長600nm用の1/4波長板に限定されない。更に、波長板の進相軸、遅相軸の配置の向きも、X軸方向、Y軸方向に限定されず、XY平面内で傾けることも可能である。即ち、前記実施形態の進相軸をX軸方向、遅相軸をY軸方向に対して、波長板をXY平面内で回転調整することで、波長板厚みの個体差(そこで生じる位相差の個体差)を合わせ込むことができる。又、光量信号A、Bも、電圧信号に限定されず、演算もアナログ演算に限定されない。
8…ワーク(測定対象)
10…センサヘッド
12…対物レンズ
20…コンソール
22…白色(広帯域)光源
26…分光器
30…光ファイバ
52…偏光子
54…波長板
56…偏光分離素子
58A、58B…受光素子(PD)
60…アナログ演算回路
62A、62B…レンズ
64A、64B…凹面鏡
66A、66B…絞り板

Claims (4)

  1. 色収差を有する対物レンズに対し、測定対象と反対側の共焦点に広帯域光源を配置し、測定対象からの反射光が戻るときの共焦点位置に空間フィルタを設けて透過させることにより、測定対象にプローブの焦点が合焦した波長の被測定光を抽出し、分光して該被測定光の波長を特定することにより、測定対象の位置を測定するクロマティックコンフォーカル方式の光学式変位計において、
    コリメートされて一方向に伝播される前記被測定光を、その伝播方向Zと直交する2方向X、Yの直線偏光に分ける偏光子と、
    該2方向の直線偏光を通過させて、光波長に応じた位相差を持つ楕円偏光とする波長板と、
    該楕円偏光を、XY間の2つの方向の偏光成分に分ける偏光分離素子と、
    各偏光成分の光量を検出する受光素子と、
    該受光素子で検出した光量信号A、Bを用いて、(A−B)/(A+B)の演算を行う演算回路とを備え
    対物レンズの色収差によるプローブの焦点位置の光波長特性と分光出力(A−B)/(A+B)の光波長特性を相殺して直線性を改善したことを特徴とする光学式変位計。
  2. 前記偏光分離素子の出側のコリメート光を、該コリメート光の光軸に垂直な断面積より小さな受光面を有する受光素子で受光することを特徴とする請求項1に記載の光学式変位計。
  3. 前記偏光分離素子の出側のコリメート光を絞る手段を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の光学式変位計。
  4. 前記コリメート光を絞る手段が集光手段であり、該集光手段の集光点に前記受光素子が配設されていることを特徴とする請求項3に記載の光学式変位計。
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