JP2000283713A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定範囲を越えた測定や光の走査に起因して
光が受光素子の端部位置を通過しても、受光素子の端部
位置での劣特性の影響を受けることなく、測定対象面の
変位を高速なまま高精度に測定できること。 【解決手段】 受光素子９の受光面９ａ上では、測定対
象面が高さ方向に移動すると、縦方向ｚに移動する。測
定対象面が測定限度位置を越えると、結像点は受光面９
ａの端部位置９ｃ上に移動するが、この端部位置９ｃに
はマスク部２０が設けられ光を遮蔽する。また、光の走
査により結像点は幅方向ｘに移動する。この際、結像点
は受光面９ａの端部位置に上を通過するが、この端部位
置にはマスク部が設けられ光を遮蔽する。マスク部２０
により光を遮蔽することにより、端部位置９ｃで応答性
の劣る検出信号の出力を防ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光による三角測量
を利用して測定対象面上で光を走査させて前記測定対象
面の変位量を非接触で測定する変位測定装置に係り、特
に受光素子の応答特性の影響を排除して高速かつ正確な
変位量が得られる変位測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光を用いて測定対象面の高さ変位（凹
凸）を測定する場合、図１１に示すように、投光器５１
からレーザビームを測定対象物５２の表面に照射し、そ
の照射点Ｐの像Ｋを結像レンズ５３によって受光素子５
４の受光面上に結像させる三角測量方法による変位測定
装置が用いられている。この受光素子５４は、受光面５
４ａ上の結像点がＫの位置からＫ’，Ｋ”へ移動する移
動量に対応した信号を出力するように構成されている。
受光素子５４は、図１１に示すように、結像レンズ５３
の光軸に対し傾いて配置されており、受光面５４ａのど
の位置に対しても結像するようになっている。

【０００３】この変位測定装置では、測定対象物５２の
表面の凹凸（変位）により照射点Ｐが高さ方向に移動し
て照射点Ｐ’又は照射点Ｐ”に位置する。これにより、
受光素子５４の受光面５４ａの結像点Ｋが結像点Ｋ’又
は結像点Ｋ”の位置に移動する。受光素子５４からの信
号も結像点Ｋの移動量に応じて変化する。この信号の変
化量から測定対象面の高さ方向（Ｚ）の変位を検出する
ことができる。なお、装置は、高さ方向Ｚの変位測定に
所定限度の測定範囲を有している。測定範囲は、上限位
置ＲＵと下限位置ＲＬとの間であり、測定対象物５２の
表面がこの測定範囲ＲＵ，ＲＬ間に位置していればこの
測定対象物５２表面の変位量を測定できる。

【０００４】また、図１２は走査型の変位測定装置６０
を示す斜視図である。この走査型の変位測定装置６０の
投光系は、光源６１と振動ミラー型等の偏向装置６２と
収束レンズ６３で構成されている。光源６１から照射さ
れる照射光は、偏向装置６２によって一定角度内の範囲
で偏向される。偏向された照射光は、収束レンズ６３に
よってその光軸が一平面上で平行に移動する。そして、
その照射光は、測定台７１上に載置されている測定対象
物７０の表面７０ａに所定の入射角度により照射され
る。照射光により形成された照射点Ｐは、直線的に往復
走査又は片道走査される。

【０００５】照射光は照射点Ｐの位置で受光系に正反射
される。照射点Ｐの像は、第１円筒面レンズ（シリンド
リカルレンズ）６４及び第２円筒面レンズ６５によって
受光素子６６の受光面６６ａに結像される。この変位測
定装置６０では、測定対象面７０ａが鏡面のように反射
率が高い場合は、照射点Ｐで反射される光の殆どが、照
射点Ｐを対称にして入射角度と同じ角度で受光系に反射
される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、測定対象面７
０ａが粗面の場合は反射率が低い。この場合は、受光系
に円筒面レンズ６４，６５を用いた従来の走査型の変位
測定装置６０では、照射点Ｐからの反射光が散乱して受
光面６６ａに結像されると、受光素子６６の受光面６６
ａの像がぼけてしまい、測定精度が著しく低下するとい
う問題点があった。

【０００７】即ち、円筒面レンズ６４，６５は、基本的
にレンズ円筒面の周方向に対してのみ収束性を示し、他
の方向には収束性はない。このため、図１３（ａ）に示
すように、照射点Ｐで反射した測定光のうち、第１円筒
面レンズ６４の円筒面の周方向に拡がった散乱光は、第
１円筒面レンズ６４で収束されて第２円筒面レンズ６５
に入射される。そして、第２円筒面レンズ６５で受光素
子６６の受光面６６ａの中心へ向かうように偏向され
て、受光面６６ａ上に結像点Ｋを形成する。

【０００８】また、図１３（ｂ）に示すように、照射点
Ｐで反射した測定光のうち、第１円筒面レンズ６４の円
筒面の軸方向に拡がった散乱光は、第１円筒面レンズ６
４では全く収束されずに拡がったままで第２円筒面レン
ズ６５へ入射される。このため、受光素子６６の受光面
６６ａ上の結像点Ｋは、受光面６６ａの幅方向に伸びた
直線になる。

【０００９】しかも、照射点Ｐの像を焦点距離の短い第
１円筒面レンズ６４だけで絞り込むようにしている。こ
のため、第１円筒面レンズ６４の収差により、受光素子
６６の受光面６６ａ上の像Ｋにおける、図１４に示す横
長の長円状の短い径方向を、小さく絞り込むことができ
ない。これにより、受光素子６６から出力される信号の
変動が大きくなり、測定表面の変位を高い精度で測定す
ることができない問題点を生じる。

【００１０】また、上記の走査型の構成においては、測
定表面を高速に走査するため新たな問題が生じた。変位
測定装置は、予め高さ方向（Ｚ）に測定範囲ＲＵ，ＲＬ
が定められているため、測定表面がこの測定範囲を越え
ると、受光素子５４，６６の受光面から外れた位置に結
像点Ｋが作られることになる。ここで、受光側の光学系
で受光素子５４，６６の受光面上の所定範囲内にのみ結
像点Ｋが作られるよう製造することはできない。受光素
子５４，６６は、受光面の端部で応答性が劣る特性を有
している。以下、図１１の構成の受光素子５４を例に用
いて説明する。

【００１１】例えば、半導体素子であるＢＧＡの半田ボ
ールの変位量を測定する等の場合には、ＢＧＡの半田ボ
ールの頂点部分での変位量を正確に測定するために変位
測定装置の高さを調整しておく。すると、ＢＧＡの底部
（即ち、半導体素子の面）が測定範囲から外れた位置と
なることがある。このような場合、走査型の構成である
と、照射点Ｐの位置が短時間で測定範囲から外れ、ま
た、復帰することとなる。対応して受光素子５４の受光
面５４ａ上では結像点ＫがＺ方向における端部位置５４
ｂを高速に通過することになる。これにより、受光素子
５４の受光面５４ａの端部位置５４ｂを結像点Ｋが通過
した際に出力される誤差を含む検出信号が、受光面５４
ａ上で正確に検出された変位量の検出信号に影響を与
え、結果として変位測定精度を向上できない問題が生じ
た。

【００１２】図１５は、受光素子５４の受光面５４ａを
示す図である。受光素子５４は、受光面５４ａ上に一対
の細長い電極５４Ａ，５４Ｂが配置される。通常、この
電極５４Ａ，５４Ｂ同士の内側の有効エリア（図中範囲
Ｌ２１で記載）内に結像点Ｋが作られれば変位量を正確
に検出できる。この電極５４Ａ，５４Ｂは、受光面５４
ａの端部５４ｅから所定距離内側に形成されており、電
極５４Ａ，５４Ｂの外側の部分（端部位置５４ｂ）に結
像点Ｋが作られると、前述した応答性が劣り変位量に誤
差を含む検出信号が出力されてしまう。

【００１３】装置が走査型でない場合にあっては、この
端部位置５４ｂで検出された変位量が測定範囲外である
と判断して使用しない等の対処が可能である。しかし、
走査型の構成であると、前述したように、ＢＧＡの半田
ボールの測定のように照射光がＲＵ，又はＲＬの外側に
なる場合は、受光素子５４の端部位置５４ｂを光が瞬間
に通過することになる。このように端部位置５４ｂを通
過した際に出力された検出信号は応答性が劣り、有効エ
リアの範囲Ｌ２１内で検出された際の検出信号を鈍らせ
る如く影響を与える。上記ＢＧＡの具体的では、測定範
囲外であるＢＧＡ底部での変位量の検出信号によって測
定したいＢＧＡ頂点部の変位量が正確に得られないこと
があった。

【００１４】図１６は、使用している受光素子の光入射
位置による応答性の違いを示す図である。仮に（ａ）の
ような変調光（変調周波数は例えば１０ｋＨｚ）が入射
した場合、その検出信号（図は受光素子出力Ａ＋Ｂの波
形；受光量に相当する）は、有効受光面上に入射した場
合の応答（ｂ）に比べ、端部に入射した場合には（ｃ）
のように立ち上がり、下がり共に時間のかかった（なま
った）応答となる。この部分では、正しい変位測定結果
を得ることができない。立ち上がり、立ち下がりに要し
ている時間は現状のデータサンプリングピッチ；８３ｎ
ｓピッチ；１２Ｍサンプル／ｓ）の２００〜３００デー
タ分に相当し、測定結果に大きな影響を与えている。

【００１５】上記のように受光素子の端部位置で応答性
が低下する問題は、受光素子から出力される変位量のデ
ータを電気的処理で解消することはできない。また、図
１５に図示したが、受光素子５４の受光面５４ａ上で
は、四方の端部位置がいずれも同様に応答特性が劣り、
上記Ｚ方向の端部位置５４ｂに加えて、走査方向Ｘに対
応した端部位置５４ｄについても同様に応答性が劣る特
性を保有している。（図１５には、この端部位置５４
ｂ，５４ｄを斜線で示した。） そして、近年の変位測定装置は、次第に走査速度が高速
化されてきており、この走査速度の高速化によって、上
記受光素子の応答性に係る問題が表出してきたためこの
解決策が求められていた。

【００１６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、測定範囲を越えた測定や光の走査に起
因して光が受光素子の端部位置を通過しても、受光素子
の端部位置での劣特性の影響を受けることなく、測定対
象面の変位を高速なまま高精度に測定できる変位測定装
置を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の変位測定装置は、請求項１記載のように、
測定対象面に照射光をあて、受光素子の受光面上に形成
された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変
位量を非接触で測定する変位測定装置において、前記受
光素子の受光面には、前記変位量の変化による前記光の
結像点の移動方向両端部にそれぞれ所定幅で前記光を遮
蔽するマスク部を形成したことを特徴とする。

【００１８】また、請求項２記載の発明は、測定対象面
上にあてる照射光を走査し、受光素子の受光面上に形成
された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変
位量を非接触で測定する変位測定装置において、前記受
光素子の受光面には、前記照射光の走査に対応した該受
光面上での光の移動方向両端部にそれぞれ所定幅で前記
光を遮蔽するマスク部を形成したことを特徴とする。

【００１９】また、請求項３記載のように、前記受光素
子の受光面には、前記変位量の変化による前記光の結像
点の移動方向両端部と、予め設定される変位量の測定範
囲に対応した所定長さの開口範囲内で前記光の結像点を
形成させ前記測定範囲を越えた箇所に対応する前記受光
面の端部位置には、それぞれ所定幅で前記光を遮蔽する
マスク部が形成された構成としてもよい。

【００２０】また、請求項４記載の発明は、測定対象面
に照射光をあて、受光素子の受光面上に形成された結像
点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接
触で測定する変位測定装置において、前記受光素子の受
光面に設けられ、予め設定される変位量の測定範囲に対
応した所定長さの開口範囲内で前記光の結像点を形成さ
せ、前記測定範囲を越えた箇所に対応する前記受光面の
端部位置では前記光を遮蔽するマスク部が形成されてい
ることを特徴とする。

【００２１】また、請求項５記載の発明は、測定対象面
上にあてる照射光を走査し、受光素子の受光面上に形成
された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変
位量を非接触で測定する変位測定装置において、前記走
査した照射光を前記測定対象面上に照射して照射点を形
成する投光手段と、前記照射点からの測定光を受光素子
の受光面上で受光して結像点を形成する受光手段とを有
し、該受光手段は、光軸廻りに均等な結像特性を有する
複数の集光レンズ部が前記照射光の走査方向に沿って構
成され、前記測定光を収束させるレンズアレイと、光軸
廻りに均等な結像特性を有し、前記収束された測定光を
前記受光面上に前記結像点を形成させる結像レンズを備
え、前記受光素子の受光面には、前記受光手段による前
記光の集束特性に応じて予め設定される隣接した一対の
結像点のスポット間隔に対応した所定幅の開口範囲内で
前記光の結像点を形成させ、前記スポット間隔を越えた
箇所に対応する前記受光面の端部位置では前記光を遮蔽
するマスク部が形成されていることを特徴とする。

【００２２】また、請求項６記載のように、前記マスク
部は、前記受光素子の受光面上に光を遮蔽する部材を塗
布あるいは貼付して形成することができる。

【００２３】また、請求項７記載のように、前記マスク
部は、前記受光素子の受光面上に設けられた透明板の内
面又は外面に光を遮蔽する部材を塗布あるいは貼付して
形成してもよい。

【００２４】上記構成によれば、受光素子の端部には、
変位量の変化による前記光の結像点の移動方向両端部
と、予め設定される変位量の測定範囲に対応した所定長
さの開口範囲内で前記光の結像点を形成させ前記測定範
囲を越えた箇所に対応する前記受光面の端部位置に、そ
れぞれ所定幅で前記光を遮蔽するマスク部が形成されて
いる。これにより、光を高速に走査して変位量を測定す
る際に、短時間で変位量が測定範囲を越えたとき、及び
この光の走査が受光素子の端部位置を通過する際、この
光を遮蔽するため、応答性の劣るこの端部位置の検出信
号を出力することなく、良好な受光範囲の検出信号のみ
出力することができ、走査速度が高速であっても正確な
変位量を得られるようになる。

【００２５】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１及び図２に
示すように、変位測定装置１は、投光手段２から照射さ
れる照射光を、測定対象物の測定対象面３０ａ上で走査
し、その反射光を受光手段６で受光するものである。測
定対象物３０は、測定台３１に載置されている。投光手
段２は、レーザダイオード等の光源３と、回転ミラー
型，振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置４
と、偏向装置４から出射した光を測定対象面上に収束さ
せる収束レンズ５で構成されている。

【００２６】偏向装置４は、照射光を測定対象面３０ａ
上に斜め入射させる位置に配置される。偏向装置４は、
光源３から入射された照射光を屈曲させ、一定の振り幅
で照射光をＸ方向に走査する。収束レンズ５は、その長
手方向を走査方向Ｘと一致させて、偏向装置４から出射
された光の光路上に配置される。収束レンズ５は、偏向
装置４で走査された照射光を収束させて、光軸が平行移
動するビームを測定対象面３０ａに出射する。測定対象
面上では、照射光により照射点Ｐが形成される。

【００２７】受光手段６は、レンズアレイ７と、光軸廻
りに均等な結像特性を有する結象レンズ８と、受光素子
９で構成されている。受光手段６は反射光の光路上に配
置される。レンズアレイ７は、複数（図１では６個）の
集光レンズ部７ａ〜７ｆが走査方向Ｘに沿って所定ピッ
チを有して一列に並んだ状態で構成されている。各集光
レンズ部７ａ〜７ｆは、照射光の走査幅より小さい寸法
で、合成樹脂又はガラスで形成されてレンズアレイ７を
構成する。各集光レンズ部７ａ〜７ｆの焦点距離ｆ１
（たとえば２０ｍｍ）は互いに等しく、その各光軸はそ
れぞれ平行である。各集光レンズ部７ａ〜７ｆは、光軸
廻りに均等な結像特性を有するレンズ部となっている。

【００２８】結像レンズ８は、反射光の走査幅寸法（た
とえば３６ｍｍ）より大きい径を有する。結像レンズ８
は、その光軸と反射光の光路が一致するように配置され
ている。結像レンズ８の入射面は各集光レンズ部７ａ〜
７ｆと対面しており、出射面は受光面と対面している。
結像レンズ８は、入射面に入射した反射光を光軸廻りに
均等に絞込み、受光素子９の受光面９ａ上に一点に結像
させる。なお、結像レンズ８の入射面は、球面，非球面
を問わない。また、反射光が入射する範囲に対応した部
分のみを切り出した形状にしてもよい。

【００２９】受光素子９は、矩形状の受光面９ａを有す
る。受光面９ａの中心は結像レンズ８の光軸と交わって
いる。受光素子９は、結像レンズ８の焦点距離ｆ２離れ
た位置に配置されている。受光面９ａの走査方向Ｘと平
行な受光幅ｗは、１個の集光レンズ部７ａ（〜７ｆ）の
走査方向Ｘの幅ｔに、集光レンズ部７ａ〜７ｆの焦点距
離ｆ１と結像レンズ８の焦点距離ｆ２の比（倍率）ｆ２
／ｆ１を乗じた値よりも大きく設定されている。たとえ
ば、１個の集光レンズ部７ａの走査方向Ｘの幅が６ｍｍ
で、倍率４のときは受光面９ａの走査方向Ｘの幅ｗは２
４ｍｍよりも大きい。

【００３０】受光面９ａ上に結像された像（結像点Ｋ）
は、測定対象面３０ａの変位により、この受光面９ａ上
での走査方向ｘ（受光面９ａの幅方向）と直交する方向
ｚ（縦方向）に移動するようになっている。この縦方向
ｚは、測定対象面３０ａの変位に伴い、結像位置が結像
レンズ８の光軸方向に移動するのに対応させるため、水
平方向に対し図２に示すような所定の傾きをもって配置
されている。

【００３１】図３は、受光素子９を示す平面図である。
図３（ａ）に示すように、受光素子９は縦方向ｚに長さ
Ｌ２を有し、縦方向の両端部にはそれぞれ幅方向ｘに沿
って互いが平行な電極９Ａ，９Ｂが設けられる。これら
電極９Ａ，９Ｂ間の受光範囲Ｌ２１に結像点Ｋが結像さ
れると、この結像位置に対応して一対の検出信号Ａ，Ｂ
が出力される。測定対象面３０ａがレンズアレイ７に近
づくと、相対的に検出信号Ａが大きくなり、検出信号Ｂ
が小さくなる。一方、測定対象面３０ａがレンズアレイ
７から遠ざかると、相対的に検出信号Ｂが大きくなり、
検出信号Ａが小さくなる。

【００３２】受光素子９の受光面９ａ上の受光範囲Ｌ２
１は、測定範囲（上限位置ＲＵ、下限位置ＲＬ）の距離
に対応している。測定対象面３０ａが上下限の測定範囲
ＲＵ，ＲＬ内（図１１参照）に位置していれば、この測
定対象面３０ａの変位量を示す検出信号が正確な値で出
力される。なお、これら受光面９ａの縦方向ｚの長さＬ
２、測定範囲ＲＵ，ＲＬ間の距離（測定対象面３０ａの
測定可能な高さ方向Ｚの距離範囲）、受光側の光学系
７，８の焦点距離と倍率、はそれぞれが相互に関係して
いる。例えば、装置に用いる受光素子と測定範囲に合わ
せた受光の光学系を作成するようになっている。

【００３３】装置は、受光面９ａの受光範囲Ｌ２１の範
囲内に測定範囲（上限位置ＲＵ，下限位置ＲＬ）がいず
れも位置するよう各部を設定する。そしてこの受光素子
９には、縦方向ｚの長さＬ２方向の端部位置９ｃに幅Ｌ
２３を有して前述した応答性が劣る部分が存在してい
る。

【００３４】この受光面９ａ上で縦方向ｚの長さＬ２方
向の端部位置９ｃには、電極９Ａ，９Ｂと受光面９ａの
端部９ｅとの間にマスク部２０を形成する。図３（ｂ）
に示すように、このマスク部２０は、端部位置９ｃ及び
電極９Ａ，９Ｂ上をいずれも覆う略長方形状に設けられ
る。これら一対のマスク部２０の一端部２０ａ，２０ａ
同士間の間隔（開口範囲）Ｌ２２は、前記測定範囲に対
応して設定する。図示の例では、この開口範囲Ｌ２２
は、受光素子９の受光範囲Ｌ２１よりも若干短い距離に
設定されている。

【００３５】マスク部２０は、受光面９ａ上に光を透過
及び反射しない材質（例えば、遮光性インキ等）を塗
布、あるいはシートを貼付して形成する。あるいは、受
光面９ａ上には所定厚さを有するガラス等の透明体が設
けられるため、この透明体の表面又は裏面にマスク部２
０を設けた構成とすれば、透明体での光の屈折を防げ、
開口範囲Ｌ２２をより厳密に設定できる。

【００３６】受光素子９から出力される検出信号Ａ，Ｂ
は、図４に示すような変位演算手段に出力される。変位
演算手段１０には、検出信号Ａ，Ｂを電流／電圧変換す
る一対の電流電圧変換部Ｉ／Ｖが設けられている。各電
流電圧変換部Ｉ／Ｖで変換された検出信号Ａ，Ｂはそれ
ぞれ加算部１２と減算部１３に出力される。加算部１２
では検出信号Ａ，Ｂが加算され、加算信号を出力する。
減算部１３では検出信号Ａ，Ｂが減算され、減算信号を
出力する。加算信号及び減算信号は除算部１４に入力さ
れて除算され、変位信号Ｄを出力するようになってい
る。

【００３７】次に、本実施の形態の作用について、図１
〜図６を用いて説明する。光源３から照射された照射光
は、偏向装置４により屈曲され、所定のストロークで走
査される。走査された照射光は収束レンズ５に入射さ
れ、測定対象面３０ａ上に照射点Ｐを形成し、この測定
対象面３０ａ上で走査方向Ｘに平行に移動するビームと
なる。照射光は照射点Ｐごとに反射又は散乱し、その反
射，散乱光（測定光）は受光手段６側へ出射される。

【００３８】図５（ａ）に示すように、照射点Ｐが走査
されて、レンズアレイ７の一端にある集光レンズ部７ａ
に対向する位置に移動する。この照射点から反射，散乱
した光（測定光）は、集光レンズ部７ａによってほぼ平
行なビームとなって収束する。収束された測定光は、結
像レンズ８の光軸に対し角度のある状態で結像レンズに
入射される。

【００３９】結像レンズ８は、集光レンズ部７ａに入射
された測定光を、向きを変えて受光素子９の受光面９ａ
の一端側の位置に結像させる。図６（ａ）に示すよう
に、側方からみても、照射点Ｐから反射，散乱する光
は、集光レンズ部７ａ〜７ｅによってほぼ平行に収束さ
れ、結像レンズ８によって受光素子９の受光面９ａ上に
結像される。

【００４０】このため、受光素子９の受光面９ａには、
照射点Ｐの高さに正確に対応した位置に点状の像Ｋａ
（結像点）が形成される。受光素子９は、受光面９ａの
縦方向ｚでの結像点Ｋの位置に対応した検出信号Ａ，Ｂ
を電極から出力する。なお、照射点Ｐから他の集光レン
ズ部７ｂ〜７ｆに入射する測定光も収束されて結像レン
ズ８に入射される。しかし、これらの光は受光素子９の
受光面９ａ上には結像されない。

【００４１】また、照射点の走査によって、図５（ｂ）
に示すように、照射点Ｐはレンズアレイ７の集光レンズ
部７ａの光軸と交わる位置に移動する。この照射点Ｐか
ら反射，散乱した光（測定光）は、主に集光レンズ部７
ａによってほぼ平行なビームに収束される。収束された
測定光は、結像レンズ８の光軸と平行な状態で入射され
る。このため、照射点Ｐの像Ｋａは、受光素子９の受光
面９ａの幅方向ｘのほぼ中心位置に形成される。

【００４２】更に、照射点の走査によって図５（ｃ）に
示すように、照射点は、レンズアレイ７の集光レンズ部
７ａに対向する範囲内で、その光軸に対し隣の集光レン
ズ部７ｂ寄りに移動する。すると、この照射点Ｐから反
射，散乱した光（測定光）は、主に集光レンズ部７ａに
よって収束され、結像レンズ８の光軸に対し図５（ａ）
の場合と逆の角度をもって結像レンズに入射される。こ
のため、結像レンズ８は、受光素子９の受光面９ａの幅
方向ｘの他端側の位置で点状の像Ｋａを形成する。

【００４３】このように、照射点Ｐが集光レンズ部７ａ
に対向する範囲内で移動すると、受光素子９の受光面９
ａ上の像Ｋａの位置は、受光面９ａの幅方向ｘの一端部
から他端部（図面上では上から下）に移動することにな
る。また、照射点の走査にともなって、例えば図６
（ｂ）に示すように照射点ＰがＰ’のように高さ方向に
δだけ移動すると、受光素子９の受光面９ａ上の像が
Ｋ’のように縦方向ｚに移動し、その位置に対応する検
出信号Ａ，Ｂが出力される。そして、この検出信号Ａ，
Ｂから照射点Ｐ’の高さ、照射点Ｐの高さとの差δが判
り、測定対象面３０ａの変位量が得られる。

【００４４】そして、図５（ｄ）に示すように、照射点
Ｐが幅方向ｘへの走査で集光レンズ部７ａと集光レンズ
部７ｂの境界部に対向する位置に来ると、その照射点Ｐ
からの光は、隣接する２つの集光レンズ部７ａ，７ｂに
よってそれぞれほぼ平行なビームに集束されて結像レン
ズ８に入射される。このため、受光素子９の受光面９ａ
の幅方向の両端に像Ｋａ，Ｋｂがつくられるが、この２
つの結像点Ｋａ，Ｋｂの受光面９ａの縦方向ｘの位置は
ともに等しいので、受光素子９からは像が１つの場合と
同様にその縦方向ｘの位置に対応した検出信号が出力さ
れる。

【００４５】照射点Ｐが更に幅方向ｘに走査されると、
図５（ｅ）に示すように、照射点Ｐが集光レンズ部７ｂ
に対向する範囲内まで移動する。すると、照射点Ｐから
反射、散乱した光（測定光）は、主に集光レンズ部７ｂ
によって収束され、その光軸に対し角度のある状態で結
像レンズ８に入射される。そして、結像レンズ８は、受
光素子９の受光面９ａの幅方向ｘの一端側の位置で点状
の像Ｋｂをつくる。

【００４６】以下同様に、照射点Ｐがレンズアレイ７の
走査方向幅（ここでは３６ｍｍ）を走査される間に、結
像点Ｋは、各集光レンズ部７ａ〜７ｆごとに受光面９ａ
の幅方向ｘの一端から他端まで移動する。これと同時
に、測定対象面３０ａの変位に応じて結像点Ｋは受光面
９ａ上で縦方向ｚに移動する。そして受光素子９から、
測定対象面３０ａの高さ変位に正確に対応した一対の検
出信号Ａ，Ｂが変位演算手段１０に出力される。検出信
号Ａ，Ｂは、図４に示すように、電流電圧変換部Ｉ／Ｖ
により、それぞれ電圧変換される。変換された検出信号
Ａ，Ｂは、ともに加算部１２と減算部１３に出力され
る。そして、加減演算後、加算部１２から加算信号、減
算部１３から減算信号が出力され、除算部１４で除算さ
れて変位信号Ｄを出力する。

【００４７】この変位信号Ｄに基づいて各測定対象面３
０ａの変位を測定することができる。また、照射光の走
査範囲より径が大きい１つの光軸廻りに均等な結像特性
を有する集光レンズのみで照射点からの測定光をほぼ平
行に収束して結像レンズへ出射する従来の方式に比べ
て、受光面９ａの幅が小さい受光素子９を用いることが
できるようになる。つまり、この種の受光素子９は、そ
の面積が大きい程、応答速度が遅くなることが知られて
いる。上記実施形態のように、小さな複数の集光レンズ
部７ａ〜７ｆで照射点Ｐからの測定光を収束するように
構成することで、受光面９ａの幅方向ｘが小さく応答速
度の速い受光素子９を用いることができる。これによ
り、走査速度を上げて受光素子９の信号出力に対する処
理速度を上げることができ、測定時間を短縮することが
可能となる。

【００４８】そして、上記説明による走査型の変位測定
においては、測定対象面３０ａの段差（凹凸）が大きい
場合、この測定対象面３０ａが短時間のうちに測定範囲
ＲＵ，ＲＬを越え、また、測定範囲内に復帰する場合が
ある。しかし、上記受光素子９の受光面９ａは、マスク
部２０により測定範囲ＲＵ，ＲＬに対応した開口範囲Ｌ
２２が設定されている。

【００４９】このため、例え測定対象面３０ａの高さ方
向Ｚの位置が測定範囲を越えても、受光素子９の受光面
９ａ上の結像点Ｋは、このマスク部２０上に位置し、受
光面９ａ（端部位置９ｂ）への入射を遮蔽することがで
きる。この際、受光素子９は検出信号Ａ，Ｂを出力しな
い。これにより、受光素子９の縦方向ｚの端部位置９ｂ
での劣る応答性に起因する検出精度低下を未然に防止で
きる。

【００５０】〔第２実施形態〕以下に説明する第２実施
形態は、上記構成のレンズアレイ７を用いた構成におい
て、受光素子９の幅方向ｘでの応答特性の劣化を防止し
ようとするものである。

【００５１】この受光素子９の受光面９ａ上では、上記
走査によって結像点Ｋが幅方向ｘに移動する。図７
（ａ）に示すように、この結像点Ｋ（Ｋａ，Ｋｂ）のス
ポット間隔Ｓｄは、レンズアレイ７の各集光レンズ部７
ａ〜７ｆの配列ピッチと、受光側の光学系（レンズアレ
イ７，結像レンズ８）の倍率によって決まる。

【００５２】この結像点Ｋのスポット間隔Ｓｄは、受光
素子９の受光面９ａの幅方向ｘの幅ｗより小さくなるよ
う設定されており、受光面９ａ上で集光レンズ７ａ〜７
ｆのうち、測定点Ｐが隣接する任意の２つの集光レンズ
（例えば７ａ，７ｂ）の境界面近くにあるときは、隣接
する任意の２つの集光レンズ（例えば７ａ，７ｂ）によ
る結像点Ｋａ，Ｋｂが同時に存在するようになってい
る。

【００５３】受光素子９は、この幅方向ｘに関しても両
端の端部位置９ｄに幅ｗ２３を有して応答性が劣る部分
が存在している。幅ｗ２１で示した部分が応答性の問題
なく使用することができる受光範囲となっている。

【００５４】図８は、受光素子９の受光面９ａ上での結
像点Ｋの移動状態を示す動作図である。同図は、上記第
１実施形態の図５で説明した動作に、受光素子９の実際
的な配置を記載し、受光面９ａ上での結像点Ｋの移動状
態を示したものである。図８（ａ）〜（ｅ）に示すよう
に、測定対象面３０ａ上での照射点Ｐの走査に応じて、
受光面９ａ上では結像点Ｋが幅方向ｘに移動していく。
レンズアレイ７は、複数の集光レンズ７ａ〜７ｆを有す
るため、隣接する集光レンズの結像点Ｋａ〜Ｋｆが上記
スポット間隔Ｓｄを有して移動する。

【００５５】この走査の際、各結像点Ｋ（Ｋａ〜Ｋｆ）
は、それぞれ受光面９ａの端部位置９ｄを通過すること
になる。したがって、図８（ｃ）の如く、結像点Ｋａが
受光範囲ｗ２１に位置している際に、結像点Ｋｂが応答
性の劣る端部位置９ｄに位置する状態が生じる。同様
に、図８（ｄ）のようにこの後、結像点Ｋｂが受光範囲
ｗ２１に位置している際に、結像点Ｋａが応答性の劣る
端部位置９ｄに位置する状態となる。このように、結像
点Ｋが受光素子９で応答性の劣る端部位置９ｄを通過す
ると、このとき、受光範囲ｗ２１で検出されていた結像
点Ｋに基づく検出信号の出力に影響を与える。

【００５６】したがって、図７（ｂ）に示すように、受
光面９ａ上で幅方向ｘの端部位置９ｄには、前記幅ｗ２
３を有する略長方形状のマスク部２１を形成する。これ
ら一対のマスク部２１の一端部２１ａ，２１ａ同士間の
間隔（開口範囲）ｗ２２は、前記スポット間隔Ｓｄに対
応して設定している。図示の如く、この開口範囲ｗ２２
は、受光素子９の受光範囲ｗ２１よりも若干短く、ま
た、同時に２つの結像点Ｋ（Ｋａ，Ｋｂ）を受光できる
間隔に設定されている。厳密には、受光範囲ｗ２１≧開
口範囲ｗ２２≧（スポット間隔Ｓｄ＋スポット径）に設
定する。

【００５７】図９は、マスク部２１を設けた状態での結
像点Ｋの移動状態を示す図である。上述したマスク部２
１を設けることにより、受光素子９の受光面９ａは、開
口範囲ｗ２２部分でのみ光を受光することができる。マ
スク部２１は、結像点がこのマスク部２１上に位置して
いる期間は、受光面９ａへの入射を遮蔽し、受光素子９
は検出信号Ａ，Ｂを出力しない。

【００５８】図９（ａ）〜（ｅ）の順で結像点Ｋは、幅
方向ｘに沿って移動するが、図９（ｃ）の如く、結像点
Ｋａが開口範囲ｗ２２に位置している際に、結像点Ｋｂ
が応答性の劣る端部位置９ｄに位置しても、受光面９ａ
はこの結像点Ｋｂの光を受光しない。同様に、図９
（ｄ）のようにこの後、結像点Ｋｂが開口範囲ｗ２２に
位置している際に、結像点Ｋａが応答性の劣る端部位置
９ｄに位置しても、受光面９ａはこの結像点Ｋａの光を
受光しない。これにより、受光素子９の幅方向ｘの端部
位置９ｄでの劣る応答性に起因する検出精度の低下を未
然に防止できる。

【００５９】図１０は、上記各実施形態で説明したマス
ク部２０，２１を一体的に設けた構成である。図示のよ
うに、マスク部２３は、受光素子９の受光面９ａの各辺
に沿った四角な環状に形成してもよい。このマスク部２
３は、前述した開口範囲Ｌ２２，ｗ２２を有して構成さ
れる。このマスク部２３を設けることにより、受光素子
９の４辺それぞれの端部位置９ｃ，９ｄでの劣る応答性
の箇所に結像点Ｋを形成しないよう構成できる。そし
て、前述したレンズアレイ７を用いて光を高速に走査し
ても、また、測定対象面３０ａの変位量が測定範囲Ｒ
Ｕ，ＲＬを越え、復帰しても、受光素子９からは精度よ
い検出信号Ａ，Ｂを得ることができ、高精度な変位量を
得られるようになる。

【００６０】上記実施形態では、ビームの走査範囲が３
６ｍｍに対して、６つの集光レンズ部７ａ〜７ｆを有す
るレンズアレイ７を用いた構成であったが、これは本発
明を限定するものではない。例えば、集光レンズ部７ａ
〜７ｆをより小さくすれば（例えば幅２ｍｍ）、受光素
子９の受光面９ａの幅方向ｘの幅をさらに小さくするこ
とができるので、受光素子９の応答速度が上がりその結
果、受光素子９から出力される検出信号に対する処理速
度をさらに上げることができる。

【００６１】また、レンズアレイ７の各集光レンズ部７
ａ〜７ｆの焦点距離ｆ１と、結像レンズ８の焦点距離ｆ
２の比ｆ２／ｆ１を小さくすれば受光素子９の縦方向ｚ
の長さも小さくできる。一方、結像レンズ８の焦点距離
ｆ２を小さくすると、結像レンズ８の周辺部においては
収差が増大し、集光レンズ部７ａ〜７ｆの幅が一定のま
ま焦点距離ｆ１を大きくすると、集光レンズ部７ａ〜７
ｆは暗くなり受光量が低下する。このため、測定対象面
３０ａの表面状態や測定に要求される精度等に応じて、
各レンズ７，８の外径、焦点距離等を決定すればよい。

【００６２】また、上記実施形態のレンズアレイ７は、
複数の集光レンズ部７ａ〜７ｆが合成樹脂あるいはガラ
スで一体成形されたものを用いたが、個別につくられた
複数の集光レンズ部７ａ〜７ｆを接着して一体化しても
よく、また、各集光レンズ部７ａ〜７ｆを接着せずに隙
間のない状態で一列に並べたものであってもよい。ま
た、上記実施形態では、結像レンズ８は、一方の面が実
際に球面状に形成されているレンズを用いていたが、光
をその光軸の周りに均等にしぼり込むことができる結像
レンズであればよく、両面が球面または非球面のレンズ
を用いてもよい。

【００６３】

【発明の効果】本発明の変位測定装置によれば、測定対
象面が測定範囲を越える際、受光素子の受光面上で光の
結像点は変位量に対応して端部位置に移動するが、マス
ク部材はこの端部位置で光を遮蔽する構成であり、応答
性の劣る端部位置では光を検出せず、正常に検出された
検出信号に影響を与えないようにできる。これにより、
変位量が瞬間的に増減する場合であっても変位測定精度
を維持して正確な変位量を得ることができるようにな
る。特に、光を高速走査する装置の場合、変位量が短時
間で増減する為有効となる。

【００６４】また、測定対象面上で光を走査させると、
この走査に対応して受光素子の受光面上で光の結像点が
走査方向に対応して端部位置に移動するが、マスク部は
この端部位置で光を遮蔽する構成であり、応答性の劣る
端部位置では光を検出せず、正常に検出された検出信号
に影響を与えないようにできる。これにより、光を高速
走査させても変位測定精度を維持して正確な変位量を得
ることができるようになる。特に、受光系にレンズアレ
イを用いた構成により、結像点の収差を少なくして像が
ぼやけることなく結像でき、小型で応答性の良い受光素
子を用いることができ、変位測定精度を向上できる等の
効果を有する。加えて、このレンズアレイを用いた際に
走査された光は受光素子の端部位置でマスク部材により
遮蔽され、有効な開口範囲内でのみ光を受光する構成で
あるため、走査による高速測定の利点を活かし、測定精
度を向上できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位測定装置を示す斜視図。

【図２】同変位測定装置の側面図。

【図３】受光素子を示す平面図（その１）。

【図４】変位測定装置の変位演算手段を示すブロック
図。

【図５】受光素子上での結像点の移動状態を示す図。

【図６】図５の側面図。

【図７】受光素子を示す平面図（その２）。

【図８】受光素子の端部位置での光の通過を説明するた
めの図。

【図９】受光素子上のマスク部による光の遮蔽を説明す
るための図。

【図１０】マスク部の他の構成例を示す図。

【図１１】変位測定の原理を示す図。

【図１２】従来の走査型の変位測定装置を示す斜視図。

【図１３】従来装置の受光側での光の集束を示す図。

【図１４】同従来装置の受光側での光の集束を示す図。

【図１５】受光素子の端部位置での劣特性を説明するた
めの平面図。

【図１６】受光素子の端部位置での劣特性を説明するた
めの図。

【符号の説明】

１…変位測定装置、２…投光手段、３…光源、４…偏向
装置、５…収束レンズ、６…受光手段、７…レンズアレ
イ、７ａ〜７ｆ…集光レンズ部、８…結像レンズ、９…
受光素子、９ａ…受光面、９Ａ，９Ｂ…電極、９ｃ，９
ｄ…端部位置、２０，２１，２３…マスク部、３０…測
定対象物、３０ａ…測定対象面、Ｘ…測定対象面上での
光の走査方向、ｘ…受光面上での光の走査方向、Ｚ…測
定対象面の高さ方向、ｚ…受光面での変位量に対応した
光の移動方向、ＲＵ，ＲＬ…測定限度位置（上限位置、
下限位置）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA09 AA24 BB07 CC26 DD06 FF01 FF09 GG06 HH04 HH12 HH14 JJ01 JJ16 LL04 LL10 LL13 LL15 LL30 LL62 MM16 QQ25 QQ26 QQ27 2F112 AA02 BA06 CA13 DA05 DA06 DA09 DA13 DA15

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象面に照射光をあて、受光素子の
   受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記
   測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置に
   おいて、 前記受光素子の受光面には、前記変位量の変化による前
   記光の結像点の移動方向両端部にそれぞれ所定幅で前記
   光を遮蔽するマスク部を形成したことを特徴とする変位
   測定装置。
2. 【請求項２】 測定対象面上にあてる照射光を走査し、
   受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基
   づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位
   測定装置において、 前記受光素子の受光面には、前記照射光の走査に対応し
   た該受光面上での光の移動方向両端部にそれぞれ所定幅
   で前記光を遮蔽するマスク部を形成したことを特徴とす
   る変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記受光素子の受光面には、前記変位量
   の変化による前記光の結像点の移動方向両端部と、予め
   設定される変位量の測定範囲に対応した所定長さの開口
   範囲内で前記光の結像点を形成させ前記測定範囲を越え
   た箇所に対応する前記受光面の端部位置には、それぞれ
   所定幅で前記光を遮蔽するマスク部が形成されている請
   求項１及び請求項２記載の変位測定装置。
4. 【請求項４】 測定対象面に照射光をあて、受光素子の
   受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記
   測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置に
   おいて、 前記受光素子の受光面に設けられ、予め設定される変位
   量の測定範囲に対応した所定長さの開口範囲内で前記光
   の結像点を形成させ、前記測定範囲を越えた箇所に対応
   する前記受光面の端部位置では前記光を遮蔽するマスク
   部が形成されていることを特徴とする変位測定装置。
5. 【請求項５】 測定対象面上にあてる照射光を走査し、
   受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基
   づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位
   測定装置において、 前記走査した照射光を前記測定対象面上に照射して照射
   点を形成する投光手段と、 前記照射点からの測定光を受光素子の受光面上で受光し
   て結像点を形成する受光手段とを有し、 該受光手段は、 光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズ部
   が前記照射光の走査方向に沿って構成され、前記測定光
   を収束させるレンズアレイと、 光軸廻りに均等な結像特性を有し、前記収束された測定
   光を前記受光面上に前記結像点を形成させる結像レンズ
   を備え、 前記受光素子の受光面には、前記受光手段による前記光
   の集束特性に応じて予め設定される隣接した一対の結像
   点のスポット間隔に対応した所定幅の開口範囲内で前記
   光の結像点を形成させ、前記スポット間隔を越えた箇所
   に対応する前記受光面の端部位置では前記光を遮蔽する
   マスク部が形成されていることを特徴とする変位測定装
   置。
6. 【請求項６】 前記マスク部は、前記受光素子の受光面
   上に光を遮蔽する部材を塗布あるいは貼付して形成され
   ている請求項１乃至５のいずれかに記載の変位測定装
   置。
7. 【請求項７】 前記マスク部は、前記受光素子の受光面
   上に設けられた透明板の内面または外面に光を遮蔽する
   部材を塗布あるいは貼付して形成されている請求項１乃
   至５のいずれかに記載の変位測定装置。