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INTERFERENCE/TRIANGULATION SAME-OPTICAL-AXIS COMBINATION DISTANCE MEASURING INSTRUMENT meetings

Patent code P09A014946
File No. KK25-FM002
Posted date Jan 12, 2010
Application number P2006-258651
Publication number P2008-076336A
Patent number P4945750
Date of filing Sep 25, 2006
Date of publication of application Apr 3, 2008
Date of registration Mar 16, 2012
Inventor
  • (In Japanese)松田 文夫
  • (In Japanese)西脇 彰
  • (In Japanese)杉浦 純平
Applicant
  • (In Japanese)独立行政法人国立高等専門学校機構
Title INTERFERENCE/TRIANGULATION SAME-OPTICAL-AXIS COMBINATION DISTANCE MEASURING INSTRUMENT meetings
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple and precise same-optical-axis combination distance measuring instrument combined with micro displacement measurement by an interference fringe and displacement measurement by a triangulation method.
SOLUTION: This interference/triangulation same-optical-axis combination distance measuring instrument is constituted of one laser beam emitted toward a diffusion face, the interference fringe generated by reflected lights from the diffusion face and a reference face, an optical device for reading those, a portion for processing an image and for calculating a displacement of the diffusion face in a range within a half wevelength of the laser beam, based on moving of sinking-down to a circular center direction of the interference fringe on concentric circles generated by the displacement of the diffusion face or of going-up from the circular center, a lens for receiving the reflected light from the diffusion face, a position detecting element for knowing a position of a point of converging the reflected light from the diffusion face, and a portion for calculating the displacement of the diffusion face, using a principle of the triangulation, based on a position of the position detecting element, in an instrument for measuring the face-vertical-directional displacement of the diffusion face.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


物体面の凹凸や変位を非接触で高精度に計測する要求に対し,レーザーを用いたスペックル光の干渉による微小変位計測がある。この手法は,被測定物体表面が拡散面であっても照射レーザー光のスポット径を小さく絞ることにより,粗面からの反射光をあたかも鏡面からの反射光のように得ることが可能となり,参照光との干渉によって干渉縞を形成し,この干渉縞のフリンジの半径方向への移動距離から,測定面の変位を求めるものである。この欠点は波長(Heレーザ波長:633nm)以上の変位に対しては,変位が連続しない限り,フリンジの移動が,半波長周期で何回移動した結果か判別できないことである。従って測定範囲は半波長以内となる。測定スポット径は4.8μmである。測定精度はフリンジの一つ分の移動距離の10分の1から100分の1の読み取りが可能と考えれば,およそ(63.3/2)nmから(6.33/2)nmとなる。
一方,同様の要求に対して,三角測量の手法によって被測定面の変位を求める方法もある。この方法は製品としてはすでに存在し,その一例として,カタログ状の仕様は測定範囲が±0.2mmで,測定精度が0.001μm,最小スポット径が20×12μmである。測定精度が0.01μmはカタログ上で,実際は0.1μm=100nm程度と考えられる。



非特許文献1には、拡散面であっても照射レーザーのスポット径を小さく絞ることにより、拡散面である被測定面からの反射光をあたかも鏡面からの反射光のように得ることが可能となり、この被測定面からの反射光と参照面からの反射光との干渉によって干渉縞を形成して、被測定面の面垂直方向の変位が同心円上の干渉縞の円中心方向への沈み込みまたは湧き上がりの移動となって表示され、移動量から被測定面の変位が算出される方法がすでに提案されている。



【非特許文献1】
レーザー研究、Vol.32、pp538~542,2004



また、三角測量による変位計測はすでに確立した方法であり、製品としても数多く存在している。カタログ値の測定範囲と測定精度の一例として、(±8mm,500nm)と(±0.2mm,10nm)が記載されている。



拡散面であることが多い加工中の垂直方向の変位を非接触で高精度に計測する要求に対して、スペックル光の干渉による微小変位計測と、三角測量の手法による変位計測を用いて、干渉縞による測定精度と三角測量の測定範囲を有する変位計測が可能である。

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、面の垂直方向の変位を非接触に計測する干渉・三角測量同一光軸複合距離計測装置に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
拡散面の凹凸や変位を計測する装置において、
上記拡散面に対してほぼ垂直方向から、収束光学系によってスポット径を小さく絞って、一定の波長のレーザー光を照射する手段と、
上記照射されるレーザー光の上記拡散面からのほぼ垂直方向の反射光であって、上記照射されるレーザー光と同一光軸に入る反射光と、参照面からの反射光との干渉によって生じた同心円状の干渉縞を撮像する手段と、
この撮像された干渉縞の同心円状の干渉縞の半径方向の変化から上記レーザー光の半波長以内の拡散面変位を算出する手段と、
上記照射されるレーザー光の上記拡散面で拡散反射された散乱光を集めた点の位置を検出する手段と、
この検出された位置と上記拡散面の照射位置とから三角測量の原理を用いて、当該拡散面の面垂直方向の、上記レーザー光の半波長の整数倍の変位を算出し、この算出された半波長の整数倍の変位と上記半波長以内の変位とから、当該拡散面の面垂直方向の変位を求める手段とを備えたことを特徴とする拡散面の凹凸や変位を計測する装置

【請求項2】
 
上記拡散面からの散乱光を集めるのはレンズであり、上記三角測量の原理を用いた算出は、次式によることを特徴とする請求項1記載の拡散面の凹凸や変位を計測する装置
Δb=Δa×(b/a)×(L1/L2)
Δb:三角測量の原理を用いて算出した上記拡散面の面垂直方向の変位
a:上記照射されるレーザー光軸から上記拡散面からの散乱光を集めた点までの距離
b:上記拡散面の照射位置から上記拡散面からの散乱光を集めた点の、拡散面の垂直方向の距離
Δa:上記拡散面からの散乱光を集めた点の位置の変位
L1:上記拡散面の照射位置から上記レンズまでの距離
L2:上記拡散面からの散乱光を集めた点から上記レンズまでの距離

【請求項3】
 
上記拡散面の面垂直方向の変位は、次式で算出されることを特徴とする請求項1または2記載の拡散面の凹凸や変位を計測する装置
x=n(λ/2)+Δx
n=[(Δb±e)/(λ/2)]
x:拡散面の面垂直方向の変位
Δb:三角測量の原理を用いて算出した上記拡散面の面垂直方向の変位
Δx:上記干渉縞の半径方向の変化から算出した上記レーザー光の半波長以内の拡散面の変位
e:上記三角測量における測定精度
n:整数([ ]は小数点以下を切り捨てて整数値とする演算を示す。)

【請求項4】
 
拡散面の凹凸や変位を計測する方法において、
上記拡散面に対してほぼ垂直方向から、収束光学系によってスポット径を小さく絞って、一定の波長のレーザー光を照射し、
上記照射されるレーザー光の上記拡散面からのほぼ垂直方向の反射光であって、上記照射されるレーザー光と同一光軸に入る反射光と、参照面からの反射光との干渉によって生じた同心円状の干渉縞を撮像し、
この撮像された干渉縞の同心円状の干渉縞の半径方向の変化から上記レーザー光の半波長以内の拡散面変位を算出し
上記照射されるレーザー光の上記拡散面で拡散反射された散乱光を集めた点の位置を検出し、
この検出された位置と上記拡散面の照射位置とから三角測量の原理を用いて、当該拡散面の面垂直方向の、上記レーザー光の半波長の整数倍の変位を算出し、この算出された半波長の整数倍の変位と上記半波長以内の変位とから、当該拡散面の面垂直方向の変位を求めることを特徴とする拡散面の凹凸や変位を計測する方法
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2006258651thum.jpg
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