JP2003240509A - 変位センサ - Google Patents
変位センサInfo
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Abstract
変位計測が可能で、かつ、計測に要する時間が短縮化す
る。 【解決手段】 投光部1と、遮光マスク901a及び受
光素子902aを有する受光部9と、投光部1からの光
束を計測対象物体8に集光する第1の集光素子3,5,
7と、反射光束を受光部へ集光する第2の集光素子3,
5,7と、投光光軸及び受光光軸を計測対象物体側で同
軸にする第1の光路制御素子2と、投光部から計測対象
物体への光路長及び計測対象物体から受光部への光路長
を連続的に変化させる光路長掃引機構6とを備え、遮光
マスクは、第2の集光素子から受光素子への光路中に配
置され、第2の集光素子で反射光束を集光する位置が光
路長掃引機構で変化すると、反射光束の一部を遮光する
割合を変化し、受光素子は、遮光マスクを通過した光束
を受光し、光路長掃引機構で変化した受光素子の出力信
号に基づいて計測対象物体までの距離情報を取得する。
Description
象物体の変位を計測する変位センサに関する。
等の技術分野においては、製品の製造に用いる製造装置
の位置制御や製造装置に対する製品の位置制御、あるい
は製品の検査等に変位センサが多く用いられている。こ
の変位センサには三角測量方式が一般に用いられてい
る。これは、計測対象物体へ光を照射し、計測対象物体
により反射された光を位置検出素子等で検出するもので
あり、計測対象物体の変位に伴なって変化する位置検出
素子上の受光スポットの重心位置変化に基づいて変位量
を計測するものである。
位センサによれば、計測対象物体上に照射された光のス
ポットサイズを回折限界のような微小なスポットサイズ
に保つことはできない。図48に示すように、たとえ光
源にレーザ1001などのコヒーレント光を使用しレン
ズ1002によって集光しても、実線で示すように回折
限界のスポットサイズが得られるのは1006で示した
一点だけであり、他のほとんどの位置でスポットサイズ
は広がる。計測対象物体1005上で広がった照射光に
よる反射光を位置検出素子1004上にレンズ1003
により集光したとしても破線で示すように広がりを持っ
た受光スポットとなる。
測対象物体には、表面上の微小な凹凸や色むらにより反
射強度むらが存在する。その結果、計測対象物体上で反
射された光のスポット内にも輝度むらが生じ、それは位
置検出素子上での受光スポットの重心位置変化となる。
すなわち、計測対象物体の変位量が0でも計測対象物体
表面上での位置が異なれば反射強度むらのために位置検
出素子上での受光スポットの重心位置が異なり、その結
果、測定結果である変位計測値は異なったものとなる。
これが計測誤差となり、高精度な計測の妨げとなる。
特開平7−113617号公報に記載のものが従来から
知られている。この公報記載の技術にあっては、三角測
量方式とは異なり、レンズを変位計測方向に掃引するこ
とで照射光束の集光位置を変化させ、照射光束の集光位
置が計測対象物体上と一致するときに反射光の受光スポ
ットの大きさが最小となることに基づいて変位量を計測
している。この方法によれば反射光の受光スポットの重
心位置を利用しないため、反射強度むらの影響をほとん
ど受けない変位計測が可能である。
は、レンズを音叉に取付けて掃引する構造であることか
ら、掃引周波数を高くするには限界がある。なぜならば
レンズは受光量の確保のため、および回折限界によって
定まるスポット径を微小化するために一定の大きさが必
要であり小型化ができない。そのために固有振動数が低
くなってしまい、掃引周波数を高くすることは困難であ
る。掃引周波数が低ければ1点の変位量を計測するため
に必要な時間が長くなる。複数点を計測する場合や、同
一点において測定値を平均化処理してさらに高精度な計
測を行う場合、総合計の計測時間は計測点数あるいは平
均化処理回数に比例して長くなる。
な計測に用いられることが多く、その場合計測点は膨大
な数となり、さらに高精度計測のために平均化処理が求
められることが多い。アプリケーションにもよるが通
常、計測対象物体の形状を精度良く計測しようとすると
総合計の計測時間は秒から分オーダーとなることが多
く、生産数量を制約する工程となってしまう。総合計の
計測時間を短くするために、検査を間引きすれば不良品
を見過ごすおそれが生じ、測定値の平均化処理回数を減
らせば計測精度を落とすことになる。
が定まり、この固有振動周波数により実質的に掃引周波
数が決まってしまうことから、レンズを交換することに
よって簡単に検出距離や変位計測範囲を変更することは
できない。なぜならレンズの交換は掃引周波数の変更を
必要とし、処理回路や音叉駆動用のコイル等の変更が必
要となるからである。掃引周波数を変えずに検出距離や
変位計測範囲の変更を行うためには、音叉と一体になっ
たレンズはそのままにして、これとは別に多数のレンズ
を光路中に付加することにより等価的にレンズの光学特
性を変化させるか、あるいは、掃引されるレンズを変更
した上で掃引周波数が同じになるように光学系全体を設
計し直す必要がある。多数のレンズを追加すると、外形
が大きくなり、コストが高くなってしまう。計測対象物
体や装置形状に応じた検出距離、変位計測範囲に対応す
るために都度、センサを再設計、製作する場合は、開発
等の費用が生じるため、やはりコストが高くなってしま
う。
目してなされたものであり、その目的とするところは、
反射強度むらの影響をほとんど受けない高精度な変位計
測が可能で、かつ、計測に要する時間が短い変位センサ
を提供することである。
ンズの交換が可能な構造とする事により、検出距離や変
位計測範囲を容易に変更できる変位センサを実現し、様
々な個別のアプリケーションにも対応できる上記変位セ
ンサを提供することである。
造時における異種レンズの選択的採用が容易な構造とす
る事により、検出距離や変位計測範囲の幅広い組合せの
中から選択された組合せに適合させて、低コストで製造
することが容易な、上記変位センサを提供することであ
る。
実施態様の2つの例である図1および図2の符号を参照
しながら本発明を説明する。図1と図2とで符号が異な
る場合は「/」の前に図1の符号を、後に図2の符号を
示す。本発明の変位センサは、投光部(1)と、遮光マ
スク(901a)と受光素子(902a)とを有する受
光部(9)と、投光部(1)から出射された光束を計測
対象物体(8)に集光する第1の集光素子(3,5,7
/14)と、計測対象物体(8)からの反射光束を受光
部(9)へ集光する第2の集光素子(7,5,3/1
5)と、投光部(1)から計測対象物体(8)に至る投
光光路中、かつ、計測対象物体(8)から受光部(9)
に至る受光光路中に配置され、第1の集光素子(3,
5,7/14)と投光部(1)により規定される投光光
軸および第2の集光素子(7,5,3/15)と受光部
(9)により規定される受光光軸を計測対象物体(8)
側で同軸にする第1の光路制御素子(2)と、投光光軸
と受光光軸とが同軸となった光路中であり、かつ、投光
光路および受光光路中の光束が非平行である箇所に配置
された、投光部から計測対象物体に至る光路長および計
測対象物体から受光部に至る光路長を連続的に変化させ
る光路長掃引機構(6)とを具備する。遮光マスク(9
01a)は、第2の集光素子(7,5,3/15)から
受光素子(902a)へ至る光路中に配置され、計測対
象物体(8)からの反射光束が第2の集光素子(7,
5,3/15)により集光される位置が光路長掃引機構
(6)の作動によって変化するときに、その反射光束の
一部が遮光マスク(901a)によって遮光される割合
を変化させるものである。受光素子(902a)は、遮
光マスク(901a)を通過した光束を受光するもので
ある。本発明の変位センサは以上の構成により、光路長
掃引機構(6)の作動により変化する受光素子(902
a)の出力信号をもとに、計測対象物体(8)までの距
離についての情報を取得するものである。
す通りである。投光部から出射された光束は、第1の集
光素子を経て、計測対象物体上に集光され、その反射光
束が第2の集光素子により、受光部の遮光マスク上に集
光される。遮光マスクの形状は様々なものが可能である
が、例えばピンホールを設けたマスクとした場合には、
遮光マスク上における反射光束のスポットサイズが変化
する過程で、スポットサイズが最も小さくなって反射光
束の最も多くの部分がピンホールを通過するときに受光
部の受光量が最大となる。
体へ照射される光束の集光位置は変化する。ここでいう
光路長とは、投光部から計測対象物体に至るまで、およ
び計測対象物体から受光部に至るまでの光路長を意味し
ている。例えば、光路張掃引機構が中立的な状態のとき
投光部から出射された光束が集光するような位置に計測
対象物体があるとすれば、光路長掃引機構が光路長を短
くする状態(図3)になったとき、照射光束はまだ集光
していない(計測対象物体がないとすればそれがあった
位置より遠方で集光する)状態となる。
合、計測対象物体からの反射光束は図4に示すように遮
光マスク上では集光しきれず、遮光マスク上における光
束のスポットサイズが相対的に大きいことから受光部の
受光量は小さくなる。
場合、計測対象物体上での光束が広がっている(図5)
上、その反射光束は遮光マスク上に結像しない(遮光マ
スクよりも受光素子側で結像する)ことからやはり受光
部の受光量は小さくなる。
状態のときは、照射光束および計測対象物体からの反射
光束の集光位置は、光路長掃引機構が中立的な状態のと
きの反射光束の集光位置に対してそれぞれ上述の位置と
は逆の側に移動することになり、光路長が短い場合と同
様に遮光マスク上で光束は相対的に大きく、受光量が小
さくなる。
設けられている場合は、計測対象物体が鏡面物体であっ
ても拡散反射物体であっても、光路長掃引機構の作動に
より照射光束の集光位置が計測対象物体上となるとき
に、受光量が最大となり、受光部からの出力信号が最大
となる。
変位を求めることができる。図6は光路光掃引機構の作
動に伴う光路長の変化と受光部の出力信号の変化とを示
したものである。出力信号の極大値は、光路長掃引機構
が光路長の掃引を行い、計測対象物体上で照射光束を集
光させるような状態となったときに得られる。図6では
このときの光路長の変化量がX1である。計測対象物体
への照射光束の集光位置は、光路長の変化量と1対1対
応になることから、あらかじめ掃引による光路長の変化
量から集光位置の変位量に換算する式さえ求めておけ
ば、光路長の変化量を何らかのセンサ等で直接あるいは
間接的に常時測定することで、受光部の出力信号が最大
となったときの光路長の変化量から計測対象物体の変位
量を求めることができる。
限らず、ナイフエッジにより構成し、受光素子に2分割
フォトダイオード(2つのフォトダイオードが隣接して
配置された素子)を用いても変位の計測は可能である。
以下にその場合の原理も示しておく。
れた前述の図1の状態に対応するものである。ナイフエ
ッジの先端が反射光束の集光位置と一致するように配置
され、このとき、受光素子である2分割フォトダイオー
ドは、2つのフォトダイオードの受光量が等しくなるよ
うに設置されている。光路長の掃引により光路長が短く
なった状態、すなわち前述の図4に対応するものが図8
であり、左側のフォトダイオードに向かう光束がナイフ
エッジにより遮蔽されている。逆に光路長が長くなった
状態を示したものが図9であり、右側のフォトダイオー
ドに向かう光束がナイフエッジにより遮蔽されている。
これらの図からわかるように、計測対象物体上で照射光
束が集光したときに2分割フォトダイオードの2つのフ
ォトダイオードの出力が等しくなり、集光していないと
きは片方のフォトダイオードの出力が大きくなる。従っ
て、出力信号を用いて変位を求めるためには、前述の方
法において受光素子の出力がピークとなる時点を、2分
割フォトダイオードの2つのフォトダイオードの出力が
等しくなる時点で置き換えて考えることにより同様に変
位計測が可能である。
光束が微小なスポットとなったときの光路長に基づいて
計測を行うことから、計測対象物体の反射強度むらに影
響されない変位計測が可能である。また、形状、質量が
大きなレンズを掃引するような、投光部から計測対象物
体までの光路長を一定に保ったまま照射光束の集光位置
を変化させる方法とは異なり、集光機能は動くことのな
い集光素子によって行い、それとは別にそれ自体は集光
機能を持たずに光路長を変化させる機能を有する光路長
掃引機構を設けたので、この光路長掃引機構を小型かつ
軽量で実現することが可能となる。従って、掃引周波数
を高くすることができ、1点の計測に必要な時間は短く
なる。応答時間は計測を開始してから計測結果を出力す
るまでの時間であるが、本センサにおいては平均化処理
も含めて計測点数の多少にかかわらず計測時間に対して
出力に要する時間はごく僅かであり、応答時間の大部分
が計測時間によって占められるので、本態様によって計
測に要する時間を短くすることにより、応答時間の短い
計測が実現できる。また、一定の応答時間内であれば、
平均化回数を増やすことでより測定誤差が小さい高精度
な計測が実現できる。
は、光源から出た光を1度ピンホールを通過させるなど
して実質的な発光面積を小さくすることが望ましい。な
ぜなら、発光面積が大きいと光路長掃引機構によって光
路長の掃引を行ったとき計測対象物体上における光束の
最小スポットサイズも大きくなってしまい、計測対象物
体の反射強度むらの影響を受けやすくなるからである。
『第1の集光素子と投光部により規定される投光光軸』
における投光部とは、光源の発光位置を意味し、発光位
置として代表的には発光面の中心や重心の位置を採用す
ることができる。前述のようにピンホールを使用する場
合はピンホールの中心の位置を採用することができる。
の場合、受光素子はピンホールを通過した光束を受光す
ればよいのでフォトダイオードなどの光の強度を電流や
電圧に変換する素子を用いれば良い。この場合、『第2
の集光素子と受光部とにより規定される受光光軸』と
は、具体的には第2の集光素子とピンホールの中心とで
規定される受光光軸を意味する。
成されたマスクである場合、受光素子には入射した光の
位置の変化に伴って出力が変化する2分割フォトダイオ
ードやさらに分割数を多くしたフォトダイオードアレ
イ、位置検出素子(PSD)、CCDなどを用い、ナイ
フエッジを通過した光束の位置の変化を出力の変化とし
て得ることができる。ナイフエッジの場合、『第2の集
光素子と受光部とにより規定される受光光軸』において
受光光軸を規定する「受光部」は、前述のピンホールの
ようにあらかじめ特定された1点ではなく、ナイフエッ
ジの縁線上のいずれか1点(厳密にはナイフエッジから
わずかに離れた点)となる。光学系の調整が完了した状
態においては、計測対象物体からの反射光束の中心位置
がナイフエッジの縁線上のいずれか1点と一致してるは
ずであり、このとき投光光軸と受光光軸とは第1の光路
制御素子により計測対象物体側で同軸になっている。光
学系が十分に調整されていないなどにより、計測対象物
体からの反射光束の中心位置がナイフエッジの縁線上の
いずれか1点と一致していないときは、ナイフエッジの
縁線上において反射光束の中心位置に最も近い点が受光
光軸を規定していると考えることができる。
の集光機能を有する光学素子である。
体に集光する第1の集光素子』における「集光する」と
は常に計測対象物体上で集光している状態を意味するも
のではない。これは、投光部と計測対象物体との間には
光路長掃引機構があり、集光位置は掃引によって時間的
に変化するためで、掃引中は、ある瞬間に計測対象物体
上で集光するという状態を指す。
ムスプリッタや、回折を利用して一部の光束を異なる方
向に分岐させるグレーティングやホログラム、あるい
は、複屈折を利用することで偏光方向に応じて出射光束
の方向を異ならせたウォラストンプリズム等の、入射し
た光束を一定の割合である方向に出射すると同時に一定
の割合で他の方向に出射させる機能を有する光学素子で
ある。
に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路
長を連続的に時間的に変化させる。この光路長掃引機構
としては、音叉や片持ち梁に反射面を設けて振動させる
もの、ボイスコイルモータや圧電素子を用いて反射面を
その面と垂直方向に往復運動させるもの、電気光学結晶
に外部電圧を印加して媒質の屈折率を変化させるもの、
などを利用することができる。
例である図10の符号を参照して、第1の集光素子であ
り、かつ、第2の集光素子である第6の集光素子(1
3)を備えており、第1の光路制御素子(2)は、第6
の集光素子(13)と投光部(1)および受光部(9)
との間に配置されている。
あり、集光素子3、5、7は第6の集光素子の一例であ
る。
(共通化)することで、部品点数を減らすことができ、
低コスト化が可能となる。同時に、小型化も達成するこ
とができる。
いる場合、スポットサイズおよびそれに伴ってピンホー
ルのサイズを極めて小さなものにしたときは温度変化な
どによりピンホールと発光点の光学的な位置関係がずれ
て正しく動作しなくなるおそれがあるが、第1の集光素
子と第2の集光素子を兼用(共通化)することで、ピン
ホールと光源の光学的な位置を定めている光学部品の点
数を少なくするとともに、第1の光路制御素子と投光部
との間の距離および第1の光路制御素子とピンホールと
の間の距離を短くすることができ、温度等による投光
部、ピンホール、第1の光路制御素子の相対的な位置ず
れの量を小さく抑えることができる。すなわち温度変化
に対して安定な検出が可能となる。
第6の集光素子(13)と計測対象物体(8)との間に
あってもよいし、図11に示すように第6の集光素子
(13)と第1の光路制御素子(2)との間にあっても
よい。
は、その一例である図12の符号を参照して、光路長掃
引機構(6)は、光軸に対して垂直に配置され、投光光
軸と受光光軸とが同軸とされた光軸方向に沿って変位す
る反射面(6)を有し、投光部(1)から出射された光
束をその反射面に導くとともに、その反射面(6)で反
射された光束を計測対象物体(8)へと導き、かつ、計
測対象物体(8)からの反射光束を前述の計測対象物体
(8)へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導
く第2の光路制御素子(4a)をさらに備えている。
ある。
によっても計測対象物体上の変位計測点が計測対象物体
表面上を移動することなく計測を行うことが可能となり
(スポットサイズは変化するがスポットの中心は動かな
い)、常に安定して特定点の変位計測をすることが可能
となる。このため微小な物体や、微小な部分の変位計測
が可能となる。
題とならない程度の垂直からのずれがある場合も含む意
味で使用している。たとえば、光路長掃引機構を片持ち
梁などにより構成した場合、掃引することで多少反射面
の角度も変動することになるが、この程度の垂直からの
角度ずれがあってもここでいう垂直に含まれる。
面(6)は、第2の光路制御素子を透過した位置に配置
しても良い(図12)し、反射した位置に配置しても良
い(図13)。
子と第2の集光素子とを兼用(共通化)した第6の集光
素子(13)を用いても良い(図14、図15)。この
ようにすれば、集光素子の個数を減らすことができ、さ
らに、投光部と第1の光路制御素子との間の距離および
遮光マスクと第1の光路制御素子との間の距離を短くす
ることなどにより温度変化等に対して安定な検出が可能
となるのは前述と同様である。
例である図16、図17の符号を参照して、第2の光路
制御素子(4a)は第1の光路制御素子(2)と上述の
反射面(6)との間に配置されており、第1の集光素子
は第3の集光素子(16)と第4の集光素子(17)と
からなり、第2の集光素子は第3の集光素子(16)と
第5の集光素子(18)とからなっている。さらに、第
4の集光素子(17)は投光部(1)から反射面(6)
に至る光路中に集中または分散して配置された単一また
は複数のレンズであって、そのうちの少なくとも1つの
レンズは投光部(1)から第2の光路制御素子(4a)
に至る光路中に配置され、かつ投光部(1)から出射さ
れた光束を反射面(6)付近に集光しており、第3の集
光素子(16)は反射面(6)と計測対象物体(8)と
の間に集中又は分散されて配置された単一または複数の
レンズであって、そのうちの少なくとも1つのレンズは
第2の光路制御素子(4a)と計測対象物体(8)との
間に配置され、かつ反射面(6)で反射された光束を計
測対象物体(8)へ集光するとともに計測対象物体
(8)からの反射光束を反射面(6)付近に集光し、ま
た、第5の集光素子(18)は反射面(6)から受光部
(9)に至る光路中に集中または分散して配置された単
一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも
1つのレンズは第2の光路制御素子(4a)から受光部
(9)に至る光路中に配置され、かつ計測対象物体
(8)で反射された後に反射面(6)で反射された光束
を受光部(9)へと集光する。
あり、ここで集光素子5、7は第3の集光素子の一例で
あり、集光素子3、5は第4の集光素子と第5の集光素
子とを兼用(共通化)したものである。集光素子5は第
3、第4および第5の集光素子に共通して含まれる部分
となっている。
光を光路長掃引機構の反射面付近で集光させていること
から、反射面の面積を極めて小さなものにすることが可
能となる。その結果、光路長掃引機構に片持ち梁や音叉
などを使用する場合にも、小型、軽量化が可能となり、
固有振動数を高くすることができる。これにより、掃引
周波数を高くすることが可能となり、より応答時間の短
い計測が実現できる。また、一定の応答時間内であれ
ば、平均化回数を増やすことでより測定誤差が小さい高
精度な計測が実現できる。
面が光軸方向に往復運動する範囲の中に集光点が存在す
る場合を含むが、それだけに限らずその範囲の周辺で集
光する場合であっても、反射面上でのスポットサイズが
十分小さく、反射面を小型化できることにより前述の効
果を有する場合については、含まれる。さらに、投光素
子(1)から出射された光束が第3の集光素子に入射す
るまでに一旦集光されるような構成であれば上記の効果
が生じることから『反射面付近に集光』すると言える。
一』とは、レンズ機能単位での個数を指し、組レンズの
ように複数のレンズを一体に組み合わせて凸レンズや凹
レンズのような単一のレンズとしての機能を有するもの
を含む。また、『複数』とは、上記の『単一』のレンズ
が複数存在することを意味する。
例である図18、図19の符号を参照して、第4の集光
素子と第5の集光素子とを兼用(共通化)して第7の集
光素子(19)とし、第1の光路制御素子(2)と第2
の光路制御素子(4a)との間に配置した構成とするこ
とも可能である。
化がはかられ、部品点数を減らすことができることから
低コスト化、小型化が可能となる。
図20、図21の符号を参照して、第3の集光素子と第
4の集光素子と第5の集光素子とを兼用(共通化)して
第8集光素子(20)とし、第2の光路制御素子(4
a)と反射面(6)との間に配置することも可能であ
る。
ので、さらに低コスト化、小型化が可能となる。
は、投光部と受光部とが前記第1の光路制御素子の作用
に関して互いに鏡像となる位置関係に配置されている。
に関する位置関係を意味しており、単に投光部と受光部
の外形的な形状を意味するものではない。従ってここで
は、投光部は光源の発光点を意味し、受光部では遮光マ
スクにピンホールが設けられた場合はピンホールを意味
し、遮光マスクがナイフエッジにより構成された場合は
ナイフエッジの縁線上のいずれか1点であって受光光軸
を規定する点を意味する。
合、ピンホールと投光部の光源の発光点が第1の光路制
御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係である
と、光路長が中立状態以外にあるときに照射光が計測対
象物体上に集光されるような位置に計測対象物体がある
ときを含めて、計測対象物体が鏡面物体であるか拡散反
射物体であるかを問わず同一の変位計測値を得ることが
できる。遮光マスクがナイフエッジにより構成された場
合は、ナイフエッジの縁線上の受光光軸を規定する点と
投光部の光源の発光点とが第1の光路制御素子の作用に
関して互いに鏡像となる位置関係であれば同様に計測対
象物体が鏡面物体でも拡散反射物体でも同一の変位計測
値を得ることができる。
は、その2つの例である図22と図23の符号を参照
し、反射面が光軸方向に沿って変位する領域(21)
が、投光部(1)から出射された光束が第4の集光素子
(3,5)によって集光される位置(22)を含まない
ようにしている。
置』とは、反射面が存在しないと考えた場合に第4の集
光素子によって集光される位置を意味している。
フミラーや偏光ビームスプリッタ等が用いられるが、反
射面で反射された光束を計測対象物体へ導く際に、光束
の全光量を計測対象物体へ導くのは現実には不可能であ
る。程度の大小はあっても、必ず計測対象物体以外の方
向、すなわち投光部および受光部の方向に戻り光が生じ
ることになる。反射面上で投光部から出射された光束を
集光するような構成とした場合、この戻り光は受光部に
おいて集光し、大部分が受光素子で受光されてしまう。
従って、計測対象物体からの反射光束による出力信号と
比べて無視できない強度となり、検出の妨げとなってし
まう。
って変位する領域の近傍ではあるが、反射面上では投光
部から出射された光束が集光しない構成としたので、受
光素子上でも戻り光は集光することがない。従って戻り
光の強度は受光素子の出力信号上では問題とならない程
度にまで下げることが可能であり、計測対象物体からの
反射光束による受光素子の出力信号を確実に検出するこ
とができる。
ある図24の符号を参照して、反射面が光軸方向に沿っ
て変位する領域(21)が、投光部(1)から出射され
た光束が第4の集光素子(3,5)によって集光される
位置(22)を含むようにされ、さらに、計測対象物体
が有効計測領域(23)内にあるときに、計測対象物体
からの反射光束が第3の集光素子(7,5)によって集
光しうる領域(25)が、投光部(1)から出射された
光束が第4の集光素子(3,5)によって集光される位
置(22)を含まないようにされる。
めに本態様の一例である図24の構成およびそれに対応
した受光素子の出力信号を示した図25を参照して説明
する。図中、21で示した領域は反射面が光軸方向に沿
って変位する領域、6dは光路長掃引機構が光路長を最
短にする状態のときの反射面、6eは光路長掃引機構が
光路長を最長にする状態のときの反射面、23は有効計
測領域、8bは有効計測領域内で最も対物レンズ7から
遠い位置にある場合の計測対象物体、8cは有効計測領
域内で最も対物レンズ7から近い位置にある場合の計測
対象物体を示し、24bは有効計測領域内で最も対物レ
ンズ7から遠い位置にある計測対象物体8bからの反射
光束が第3の集光素子によって集光される点、24cは
有効計測領域内で最も対物レンズ7から近い位置にある
計測対象物体8cからの反射光束が第3の集光素子によ
って集光される点を示している。25は有効計測領域2
3内にある計測対象物体8からの反射光束が第3の集光
素子によって集光し得る領域を示している。これに対応
して図25では、前述の図6と同様に光路長の変化量が
X1のときに図24には図示していない計測対象物体か
ら反射光束が受光素子に入射し、出力信号27が得られ
る。光路長の変化量がX2のときに投光部から出射され
た光束が第4の集光素子によって反射面上で集光し、そ
のときに戻り光が生じて受光素子に受光され、受光信号
26が発生する。光路長の変化量X3、X4はそれぞれ
図24で反射面が24b、24cにある場合に対応して
おり、斜線で示した領域28が有効計測領域内で計測対
象物体からの反射光束を受光し得る時間領域を表す。
出力信号26は必ず有効計測領域内にある計測対象物体
からの反射光束を受光し得る領域28の外で得られた
め、戻り光によって有効検出領域内にある計測対象物体
からの反射光による受光素子出力信号27の正確な検出
が妨げられることはない。一方、戻り光による受光素子
の出力信号26は計測対象物体の位置によらず常に反射
面の変位量がX2となるときに発生する。計測対象物体
の変位を計測するためには光路長の変化量を何らかのセ
ンサ等で測定し、光路長の変化量から計測対象物体の変
位量へ換算すればよいが、換算を行う際にこの信号26
が発生するときの変位量によって光路長の変化量の測定
値を校正すれば、前述のセンサ等がもつ温度ドリフトの
影響による光路長の変化量測定誤差を抑えることがで
き、より安定した変位計測が可能となる。
ては、光軸方向に沿って変位する前記反射面の変位を周
期的な振動とし,前記反射面の位置と前記投光部から出
射された光束が前記第4の集光素子によって集光される
位置とが一致するときに生じる前記受光素子の出力信号
から前記反射面の変位が往路中であるときの出力信号も
しくは復路中であるときの出力信号のうち任意に定めた
一方を選択して取得する手段と、前記投光部から出射さ
れた光束が前記計測対象物体上に集光するときにその反
射光束によって発生する前記受光素子の出力信号が得ら
れるまでの時間を計測する手段と、前記計測された時間
をもとに計測対象物体までの距離についての情報を得る
手段とを備えることができる。
反射面の変位が周期的であり、投光部から出射された光
束を有効計測領域内にある計測対象物体上に集光しうる
ような反射面の位置(前述の25の領域と同じ)に反射
面が存在するときには、反射面が単調増加または単調減
少的に変位するものである。これにより、振動の往路中
または復路中では、少なくとも有効計測領域内にある計
測対象物体上に照射光を集光するときの反射面の変位量
は時間に対して一意的に定めることができる。
センサ等で計測することは行わず、光路長の変化が時間
的に周期的な変化をするもの、例えば正弦波状の振動等
とみなして、光路長の変化量が既知である特定の点から
の経過時間を計測することによって計測対象物体の変位
を計測している。この光路長の変化量が既知である特定
の点として前述の戻り光による受光素子出力信号26を
用いている。
するセンサ等が不要となる。
ては、その例である図26、図27の符号を参照して、
第4の集光素子がコリメートレンズ(11)と中間レン
ズ(5)とからなり、コリメートレンズ(11)は投光
部(1)と第2の光路制御素子(4a)との間に配置さ
れて投光部(1)から出射された光束をほぼ平行とし、
中間レンズ(5)は第2の光路制御素子(4a)と反射
面(6)との間に配置されて前述のほぼ平行となった光
束を反射面(6)付近に集光する。さらに、第5の集光
素子が中間レンズ(5)と受光レンズ(12)とからな
り、受光レンズは受光部(9)と第2の光路制御素子
(4a)との間に配置されて計測対象物体(8)からの
反射光束を受光部(9)に集光するものである。『反射
面付近に集光』は先に用いた意味と同様である。
と、計測対象物体の形状、大きさ、そしてそれらのばら
つきの程度によって望ましい検出距離と変位計測範囲が
異なる。様々な用途に対応するためには、異なる検出距
離、異なる変位計測範囲をもつ別の機種が実際上必要と
なる。投光部から計測対象物体までの間および計測対象
物体から受光部までの間をそれぞれ単一のレンズによっ
て構成した場合、所望の検出距離と変位計測範囲を得る
ためには、レンズと光路長掃引機構の変更が必要とな
り、結局はセンサ全体を最初から設計して製造する必要
がある。本態様によれば、中間レンズと対物レンズの焦
点距離と位置を変更するだけで所望の検出距離、変位計
測範囲を得ることができる。具体的には、対物レンズの
作動距離によって検出距離が定まり、中間レンズと対物
レンズの焦点距離および位置によって決まる合成された
レンズ系(以下合成レンズという)の倍率と、反射面の
変位量とから変位計測領域の大きさが定まる。この構成
によればレンズの交換が可能な構造となり、様々なアプ
リケーションに対応する機種を提供することができる。
また、製造時における異種レンズの選択的採用が容易な
構造とすることにより、検出距離や変位計測範囲の幅広
い組合せの中から選択された組合せに適合させて、レン
ズ以外の部品を共通化した低コストな変位センサを製造
することができる。
上の最小スポットサイズを小さくするとより反射強度む
らに強くなるため、レンズの収差を十分に抑えた光学系
とすることが望ましい。中間レンズと対物レンズの間の
光束が集束光束または発散光束である場合、レンズの変
更によって光束は集束あるいは発散の状態が変化するこ
ととなるが、中間レンズと対物レンズの間には光路制御
素子が存在するためそれによって生じる収差の量も変化
する。
サイズを得るためには、全体の光学系の中で用いたとき
に収差が最小となるよう特別に作った非球面レンズや組
レンズを用いる必要があり、非常に高価なものとなる。
本態様によれば、中間レンズと対物レンズの間の光束は
(光学系の構成上コリメートレンズと中間レンズおよび
中間レンズと受光レンズの間の光束も)ほぼ平行なの
で、無限光学系用の一般的な仕様のレンズを使用するこ
とができ、計測対象物体上で小さなスポットサイズを得
る変位センサを低コストで実現できる。『ほぼ平行』と
したのは、上記の効果が得られる程度の平行光束に近い
状態を意味しており、厳密な平行光束に限るものではな
いからである。
例である図28(光学配置は図1と同じである)および
図29の符号を参照して、コリメートレンズと受光レン
ズは共通のレンズ(3)であり、第1の光路制御素子
(2)と第2の光路制御素子(4a)の間に配置されて
いる。コリメートレンズと受光レンズを兼用(共通化)
することにより、部品点数を減らすことができ、低コス
ト化、小型化が可能である。さらに前述のものと同様、
投光部と第1の光路制御素子との間の距離、遮光マスク
と第1の光路制御素子との間の距離を短くすることなど
により温度変化に対して安定な検出を可能としている。
一例である図30の符号を参照して、投光部(1)は直
線偏光を出射し、第2の光路制御素子はその直線偏光が
入射面に対し垂直または平行となるように配置された偏
光ビームスプリッタ(4b)であり、偏光ビームスプリ
ッタ(4b)から出射した光束が前記中間レンズ(5)
へ至る光路中、かつ、前記反射面で反射された後に中間
レンズ(5)から出射した光束が偏光ビームスプリッタ
(4b)へ至る両方の光路中に配置された、投光部
(1)が出射する光の波長に対する1/4波長板(2
9)を具備する。
直線偏光は第2の光路制御素子によってそのほとんどが
反射もしくは透過され、中間レンズ、1/4波長板を経
て反射面で反射されされた後、再度、1/4波長板、中
間レンズを経て偏光ビームスプリッタへ入射する。この
際、1/4波長板を往復して透過することから直線偏光
は90度回転しており、偏光ビームスプリッタでそのほと
んどを最初に反射させる光学系として構成した場合は、
今度はほとんどが透過し、逆に最初に透過させる光学系
として構成した場合は反射することとなる。第2の光路
制御素子にハーフミラーを利用した場合に比べ、計測対
象物体へ照射する光束の光量を4倍程度に増やすことが
できる。従って、受光素子の出力信号も同様に増え、S
/Nの向上により、さらに高精度な変位計測や応答時間
の短い計測などが可能となる。
一例である図31の符号を参照して、反射面(6)に対
して光束を反射面(6)に対して垂直な方向以外から出
射する反射面用投光部(30)と、反射面用投光部(3
0)から出射されて反射面(6)で反射された光束を受
光する位置検出素子(33)が設けられ、位置検出素子
(33)の出力信号と、受光部(9)の出力信号をもと
に計測対象物体(8)までの距離についての情報を取得
するものとすることができる。
出力信号をもとに光路長の変化量に対応する反射面の位
置を知ることができる。図36に位置検出素子の出力信
号から求まる位置検出素子出力演算結果の例を示してい
る。これは図6における光路長の変化量に対応するもの
である。演算としては位置検出素子上に入射する光束の
位置に対応して一意的に演算結果が決まるものであれば
良く、位置検出素子の2つの出力をA、Bとした場合、
A/(A+B)や(A−B)/(A+B)などが一般的
によく用いられる。簡単にAやBあるいはA−Bでも可
能である。先に図6を用いて説明したとおり、反射面の
位置は計測対象物体への照射光束の集光位置と1対1に
対応し、あらかじめ計測対象物体の変位量へ換算する式
を求めておくことで、受光部の出力信号が最大となった
ときに対応する位置検出素子の出力から計測対象物体の
変位量を求めることができる。また、反射面の裏面を反
射面の位置を知るための上記光学系の反射面として利用
することもできるが、図6のように計測対象物体へ照射
する光束などを反射する側の面そのものを利用する構成
では、反射面用投光部と位置検出素子は反射面に対して
計測対象物体の側に配置されることとなり、反射面の裏
面側には、光路長掃引機構を形状等の制限無く自由に配
置することができ、簡単な構造の掃引機構を採用するこ
とができる。
置検出素子の受光面上で微小なスポットサイズに集光す
るようにすれば位置検出素子の分解能が向上するので望
ましい。またこの光束は、反射面が変位しても常に反射
面内に収まるよう照射すれば位置検出素子上でスポット
の重心位置が不規則に変化することを避けることができ
るので例外処理や補正が不要となり望ましい。
係を再度示すと次の通りである。
子(3,5,7/14)と第2の集光素子(7,5,3
/15)の機能を兼ね備えたものである。ここでは
「/」の前に図1の符号、後に図2の符号を示してい
る。
子(17)と第5の集光素子(18)の機能を兼ね備え
たものである。
子(16)と第4の集光素子(17)と第5の集光素子
(18)の機能を兼ね備えたものである。
の集光素子とで構成することができる。
の集光素子とで構成することができる。
の形態について図面を参照しながらさらに詳細に説明す
る。
す図である。本センサの光学系は、投光部として赤色半
導体レーザ34、「第1の光路制御素子」としてキュー
ブハーフミラー2、コリメートレンズと受光レンズを共
通としたレンズ3、中間レンズ5、「第3の集光素子」
として対物レンズ7、「第2の光路制御素子」として偏
光ビームスプリッタ4b、赤色半導体レーザ34が出射
する光の波長に対する1/4波長板29、光路長掃引機
構として片持ち梁36と電磁石38、受光部の遮光マス
クとしてピンホール901a、受光部の受光素子として
フォトダイオード902a、バンドパスフィルタ903
を備える。
ンズ7とは「第1の集光素子」であると同時に「第2の
集光素子」である。投光部から出射された光束を計測対
象物体8に集光する「第1の集光素子」にはコリメート
レンズ(本実施例ではレンズ3)と中間レンズ5と対物
レンズ7が該当し計測対象物体8からの反射光束受光部
へ集光する「第2の集光素子」には対物レンズ7と中間
レンズ5と受光レンズ(本実施例ではレンズ3)が該当
するが本実施形態では、レンズ3によってコリメートレ
ンズと受光レンズが共通化されているので上記の対応関
係となる。
定用の投光部30を構成する赤外半導体レーザ35と集
光素子32、位置検出素子33を備える。計測対象物体
8も併せて示している。片持ち梁36は図32に示すよ
うに振動子3601と反射面としてのミラー3602か
らなっている。
規定される投光光軸と、ピンホール901aの中心とレ
ンズ3とで規定される受光光軸とは計測対象物体8側で
キューブハーフミラー2によって計測対象物体8側で同
軸となっている。ピンホール901aと赤色半導体レー
ザ34の発光点とはキューブハーフミラー2の作用に関
して互いに鏡像となる位置関係に配置されている。
束が出射され、キューブハーフミラー2を透過し、レン
ズ3によって平行な光束にされる。この直線偏光の平行
光束の大部分が反射されるような向きで第2の光路制御
素子である偏光ビームスプリッタ4bが配置されてい
る。偏光ビームスプリッタ4bで反射された平行光束は
1/4波長板29、中間レンズ5を経てミラー3602
付近に集光されるとともにミラー3602によって反射
面に対してほぼ垂直に反射される。ただし、反射面であ
るミラー3602が37を支点とする片持ち梁の振動と
して変位するので、垂直から多少の角度変化が生じる。
ミラー3602で反射された光束は再度中間レンズ5、
1/4波長板29と経て偏光ビームスプリッタ4bに入
射する。この光束は赤色1/4波長板を透過する前のミ
ラー3602に向かう光束の偏光方向に対して90度の
直線偏光をもち、平行もしくはほぼ平行な光束となって
いる。この光束が対物レンズ7によって計測対象物体8
に照射される。計測対象物体8からの反射光束は対物レ
ンズ7で受光され以後、計測対象物体8への照射経路と
は逆の経路をたどる。計測対象物体8が鏡面物体の場合
は反射光束の偏光方向は維持されるため、照射したとき
と同様に1/4波長板の往復透過によって90度偏光が
回転し、赤色半導体レーザ34が出射した光の偏光方向
と同じ偏光方向でキューブハーフミラー2に入射する。
一方、計測対象物体8が拡散反射物体の場合は反射光束
の偏光方向は様々な方向を含むことになるが、計測対象
物体へ照射したときと同じ偏光方向の成分のみがキュー
ブハーフミラー2まで到達することになる。計測対象物
体8からの反射光束のうち、キューブハーフミラー2で
反射した光がピンホール901a付近で集光し、ピンホ
ール901aを透過した光束がフォトダイオード902
aによって受光される。ピンホール901aの前には赤
色半導体レーザ34の波長のみを透過するバンドパスフ
ィルタが挿入され、計測対象物体8からの反射光束以外
の迷光を除去している。
8上でスポットが目で見ることができるのでセンサを使
用する上で非常に便利である。色は赤色に限らず可視光
であれば便利である。赤外光等の非可視光を使用するこ
ともできる。
リッタ4bともにプレート形状ではなくキューブ形状の
ものを使用したのはプレート形状では透過光に非点隔差
が発生し、計測対象物体上およびピンホールを設けたマ
スク上で最小スポットサイズが広がってしまうからであ
る。プレート形状のハーフミラー、偏光ビームスプリッ
タを使用し、これらとは異なった方向に傾けた板状の透
過性の媒質(例えば透明板ガラス)を光路中に挿入して
この非点隔差を補正することも可能である。また、キュ
ーブハーフミラー2および偏光ビームスプリッタ4bの
向きは、それぞれの入射光束と反射光束が図31では同
一平面内となるようにしているが、これに限るものでは
ない。
過させる光学部品にはガラスのように複屈折をほとんど
もたない媒質を使用することが好ましい。
は集光素子32によって位置検出素子33の受光面上に
集光される。途中、この出射された光束がミラー360
2の変位によっても常に全ての光束が反射し、かつ、位
置検出素子33に入射するよう光束の幅とミラー360
2への入射角度およびミラー3602の大きさとの関係
を定めている。ミラー3602は小さいほうが振動させ
る際の周波数を高くすることができるので望ましい。位
置検出素子の受光面上のスポットサイズは位置検出素子
の出力の分解能に影響するため小さいほど望ましい。本
構成では分解能を優先するため位置検出素子上で光束を
集光させているが、掃引周波数の高さを優先するのであ
ればミラー3602上で光束を集光させてもよい。赤外
半導体レーザ35を用いたのは、光学部品で散乱された
光などの迷光がフォトダイオード902aに入射し、赤
色半導体レーザ34の光による計測対象物体8からの微
弱な反射光のS/N比を低下させることを防止するため
である。従って赤外半導体レーザ35の波長は赤外には
限らずバンドパスフィルタ903が透過しない波長であ
れば同様の効果が得られる。
内部構成を示す図を、図34はセンサヘッドに接続され
るコントローラ部の内部構成を示す図を表している。図
35はセンサヘッドとコントローラからなる本変位セン
サの全体を表した図である。
した光学系に加え、赤色半導体レーザ34用のAPC回
路41、赤外半導体レーザ35用のAPC回路42、フ
ォトダイオード902a用のI/V回路43、位置検出
素子ようのI/V回路44ならびに振動子駆動回路45
を備えている。
ーザの出力を一定に保って駆動するための回路であり、
特にAPC回路41はコントローラからの投光パワ制御
信号に応じて半導体レーザ35の出力の大きさを制御す
る機能も有する。I/V回路43はフォトダイオード9
02aの出力電流を電圧に変換して受光素子出力信号を
コントローラへ出力するための回路、I/V回路44は
位置検出素子33の2つの出力電流をそれぞれ電圧に変
換して位置検出素子出力信号A、Bをコントローラへ出
力するための回路である。振動子駆動回路45は電磁石
38を駆動する電流をコントローラからの振動子駆動パ
ルスに応じて供給するするための回路である。光路長掃
引機構は、振動子3601にミラー3602を付けた片
持ち梁36を電磁石38により駆動する構造としている
ので振動子3601には磁性体を用いている。図32で
は振動子3601にミラー3602を接着しているが振
動子の表面を研磨して鏡面としても良いし、研磨面に蒸
着を行って鏡面を形成しても良い。
/D変換回路48、49、50、ピーク検出回路51、
AGC(自動利得制御)回路52、投光パワ制御回路5
3、CPU54、発振回路55、振動子駆動パルス生成
回路56、メモリ57、外部I/Oインターフェース5
8、変位量表示部駆動回路59、表示部60を有する。
A、Bはそれぞれアンプ46、47によって増幅され、
A/D変換回路48、49によってデジタル信号に変化
されCPUに入力される。センサヘッドからの受光素子
出力信号はまずピーク検出回路51によって受光量が計
測される。その大きさに応じて投光パワ制御回路53が
赤色半導体レーザ34の発光パワを最適とする投光パワ
制御信号をセンサヘッド39のAPC回路41に送り、
フィードバック制御が行なわれる。次に受光素子出力信
号はAGC回路を経て増幅あるいは減衰され、A/D変
換回路によってデジタル信号に変換されCPU54に入
力される。
ルス生成回路56の基準クロックとして用いられてい
る。振動子駆動パルス生成回路56は振動子駆動回路4
5に振動子駆動パルスを与える。振動子駆動パルスによ
って、振動子3601を駆動するために電磁石38に流
す電流のパルス幅、周期が決定される。メモリ57は得
られた計測値や変位量への換算式を記憶したりCPU5
4の変位量計算過程で必要なデータの記憶を行う。得ら
れた変位量は外部I/Oインターフェースを通じて出力
される。このコントローラ40は表示部60を有してお
り、変位量表示部駆動回路59を通じて表示部60に変
位量が表示される。CPU54は受光素子出力信号をA
/D変換回路50を通じて検出し、受光素子出力信号が
生じたタイミングで位置検出素子出力信号AとB(A/
D変換回路48、49によってデジタル信号に変換され
たもの)を取得し、光路長の変化量と相関を持つ位置検
出素子出力演算結果Y=A/(A+B)が得られるよう
演算を行う。この位置検出素子出力演算結果Yに対応す
る計測対象物体の変位量をメモリ57の内容を参照して
求める。また、求めた計測対象物体の変位量を外部I/
Oインターフェース58と変位量表示部駆動回路59へ
と出力する。
素子の出力信号等を示した図である。ミラー3602の
変位に伴って位置検出素子出力信号A、Bが正弦波状に
変化し、計測対象物体8上で照射光束が集光する時に対
応して受光素子出力信号がパルス状に得られる。本実施
形態では光軸方向に沿ってミラー3602の変位する領
域が、赤色半導体レーザ34から出射された光束が中間
レンズ5によって集光される位置を含まないようにした
場合を示しており、ミラー3602からの戻り光は受光
素子の出力信号に入らない。受光素子出力信号のパルス
のピークとなる時点の位置検出素子出力信号A、Bから
得られる位置検出素子出力演算結果Y=A/(A+B)
をY1、Y2、Y3、Y4として示している。一方、位
置検出素子出力演算結果Yから計測対象物体8の変位量
への換算式があらかじめメモリ57に記憶されており、
対応する変位量が計算されることになる。
ズの結像の関係をもとに次のような換算式により計算さ
れる。
(以下、合成レンズ)の焦点距離、L0は計測対象物体
の基準位置と合成レンズの計測対象物体側主点との距
離、L1は半導体レーザ34から出射された光束がミラ
ー3602付近で集光する点と合成レンズのミラー36
02側主点との光学的な距離、L2は計測対象物体8
(合成レンズによるミラー3602の像と一致)と合成
レンズの計測対象物体側主点との距離、DおよびHは定
数である。定数D、Hは実際に計測対象物体を既知量変
位させることで求めることが可能である。
物体を既知量変位させ、それに対応した位置検出素子出
力演算結果Yの一覧をデータとして保持し、補間処理を
加えるなどして変位量を算出しても良いし、位置検出素
子出力演算結果Yの一覧データから適当な近似式によっ
て換算式を導出し、その式によって変位量を算出しても
良い。
たものである。ST1からST5の処理がCPUにより
実行される。計測開始後、ST1ではA/D変換回路5
0より得られる受光素子出力信号のピークを検出する。
ST2ではST1で検出した受光素子出力信号のピーク
のタイミングにあたる位置検出素子出力信号A、BをA
/D変換回路48、49を通じて取得する。ST3では
ST2で得られた位置検出素子出力信号A、Bを演算
し、位置検出素子出力演算結果Y=A/(A+B)を得
る。ST4では得られた演算結果Yとメモリ57にあら
かじめ格納されている換算式をもとに計測対象物体の変
位量に換算を行う。換算が終わると再度ST1に戻ると
ともに並列してST5の処理を行う。ST5の平均化処
理とは変位量の測定精度を向上させるための処理であ
り、設定により回数を定めることができる。設定した回
数平均化処理を行ったのち計測対象物体の変位量の出力
を行う。
軸方向に沿って変位する領域が、赤色半導体レーザ34
から出射された光束が中間レンズ5によって集光される
位置を含み、計測対象物体8が有効計測領域にあるとき
に、計測対象物体8からの反射光束が中間レンズ5によ
って集光しうる領域が、赤色半導体レーザ34から出射
された光束が中間レンズ5によって集光される位置を含
まないようにした場合を以下に示す。この実施態様で
は、ミラー3602の変位量を投光部30や位置検出素
子32を用いて測定することは行わず、光路長の変化が
時間的に周期的な変化をする正弦波状の振動とみなし
て、戻り光が生じる時点からの経過時間を計測すること
によってそのときの光路長の変化を求める。すなわち、
光学系の配置は図38に示すとおりであり、これは図3
1の構成から反射面の変位量測定用の投光部30(赤外
半導体レーザ35と反射面の変位量測定用の集光素子3
2)および位置検出素子33を省いたものである。セン
サヘッドの内部構成としては図39、コントローラの内
部構成は図40のとおりであり、位置検出素子の出力信
号を処理するアンプとA/D変換回路は省かれている。
関連する波形とともに図41に示す。計測対象物体8上
で照射光束が集光する時に対応してパルス状の受光素子
出力信号27が得られ、赤色半導体レーザ34から出射
された光束が中間レンズ5によってミラー3602上で
集光される時に対応して戻り光がパルス状の受光素子出
力信号26として得られる。正弦波状の光路長の変化量
(ミラー3602が正弦波状に振動すると光路長の変化
も正弦波状となる)も参考のために示している。X1は
計測対象物体8上で照射光束が集光するときの光路長の
変化量、X2は赤色半導体レーザ34から出射された光
束が中間レンズ5によってミラー3602上に集光され
るとき(戻り光が生じるとき)の光路長の変化量、X3
は有効計測領域内で最も対物レンズ7から遠い位置に照
射光束が集光するときの光路長の変化量、X4は有効計
測領域内で最も対物レンズ7から近い位置に照射光束が
集光するときの光路長の変化量を示している。
にミラー3602が正弦波状に振動すると往路中と復路
中でそれぞれ戻り光と計測対象物体による出力信号が得
られる。戻り光による出力信号を基準とする場合、往路
中か復路中の一方の戻り光による出力信号のみを選択し
て基準とする必要があるのでその方法の一例を以下に示
す。図41にはミラー3602を正弦波状に振動させる
ための振動子駆動パルスの例も示しているが、この振動
子駆動パルスを参照するだけでは必ずしも戻り光26の
一方を選択することはできない。そこで、図のように戻
り光が生じるX2に近い方において振動子の反転するタ
イミングが振動子駆動パルスの立下りエッジのタイミン
グにやや遅れているとすると、この振動子駆動パルスの
立下りエッジをトリガとしてワンショットパルスを発生
させ、このワンショットパルスを反転させて計測対象物
体上での集光による出力信号27を間に挟まない往路と
復路の2つの戻り光26の間で立ち上がる信号を作り出
しリセット信号としている。このリセット信号により受
光素子出力信号の取得を開始すれば必ず最初のパルスが
戻り光26で基準パルスとなり、その次の2つのパルス
が計測対象物体からの出力信号27となる。そこで、そ
れぞれの基準パルスからの経過時間t1とt2を計測
し,光路長の変化が時間的に周期的な変化をする正弦波
状であることを用いてt1、t2に対応した光路長の変
化量を求めることができる。これにより、計測対象物体
8の変位量ΔX(t)は例えば次のような換算式により
計算される。
の基準位置と合成レンズの計測対象物体側主点との距
離、L1半導体レーザ34から出射された光束がミラー
3602付近で集光する点と合成レンズのミラー360
2側主点との光学的な距離、L2は計測対象物体8(合
成レンズによるミラー3602の像と一致)と合成レン
ズの計測対象物体側主点との距離、D、K、ωおよびφ
0は定数である。ωは振動子駆動パルスの周期から求
め、φ0はcos(ωt1+φ0)=cos(ωt2+
φ0)となることから求め、定数D、Kは実際に計測対
象物体を既知量変位させることで求めることが可能であ
る。
換算は、前述の方法と同様に、この方法に限らず、実際
に計測対象物体を既知量変位させ、それに対応した位置
検出素子出力演算結果Yの一覧をデータとして保持し、
補間処理を加えるなどして変位量を算出しても良いし、
位置検出素子出力演算結果Yの一覧データから適当な近
似式によって換算式を導出し、その式によって変位量を
算出しても良い。
トを図42に示す。ST1からST10の処理がCPU
により実行される。計測開始後、ST1ではまずリセッ
ト信号が入力されるのを待つ。ST2ではリセット信号
が入力されてからA/D変換回路50より得られる受光
素子出力信号の1つめのピークを検出する。ST3では
このピークの検出とともに時間の計測を開始する。ST
4では2つめの受光素子出力信号の2つめのピークを検
出し、ST5では、ST3で検出した受光素子出力信号
の最初のピークから2つめのピークが得られるまでの経
過時間t1をメモリ57に記憶させる。ST6ではさら
に受光素子出力信号の3つめのピークを検出し、ST7
では、ST3で検出した受光素子出力信号の最初のピー
クから3つめのピークが得られるまでの経過時間t2を
メモリ57に記憶させる。ST8では、受光素子出力信
号の3つめのピークが得られた後、メモリ57からt
1、t2および計測対象物体の変位量へ換算するための
換算式を読み出し、t1とt2それぞれに対応する計測
対象物体の変位量に換算を行う。ST9では換算された
2つの計測対象物体の変位量を平均している。ST10
での平均化処理は図37の場合と同様、変位量の測定精
度を向上させるための処理であり、設定等により任意に
回数を定めればよい。
を図43に示す。ここではセンサヘッド側に搭載される
回路41から45の基板を図中の62で示している。こ
の図に対応した正面図を図44に、側面図を図45に示
す。ただし、光学系の構成が良く分かるように図44で
は一部の部材や基板等を省略し、図45では光学系のみ
を図示している。光学系の構成は図31に示した実施形
態と同等のものであり、符号も図31と同じである。た
だし、キューブハーフミラー2とレンズ3との間にミラ
ー61を光学系小型化のために挿入している。
て、これまでに示したものの他にも図46に示すよう
に、反射面(6)上で投光部(1)から出射された光束
を集光し、第2の光路制御素子(2)を投光部(1)と
第1の集光素子(14)との間に配置したものも可能で
ある。この構成では第1の集光素子(14)が投光部
(1)から出射された光束を反射面(6)上に集光する
とともに、反射面(6)によって反射された光束を計測
対象物体(8)へ集光している。また、同様な構成とし
て図47に示すような、反射面(6)上で投光部(1)
から出射された光束を集光し、第2の光路制御素子
(2)を受光部(9)と第2の集光素子(15)との間
に配置したものも可能である。この構成では第2の集光
素子(15)が反射面(6)で反射された光束を計測対
象物体(8)上に集光するとともに、反射面(6)によ
って反射された計測対象物体(8)からの反射光束を受
光部(9)へ集光している。
射光束が微小なスポットとなったときの光路長に基づい
て計測を行うことから、計測対象物体の反射強度むらに
影響されない変位計測が可能である。また、集光機能は
動くことのない集光素子によって行い、それとは別にそ
れ自体は集光機能を持たずに光路長を変化させる機能を
有する光路長掃引機構を設けたので、この光路長掃引機
構を小型かつ軽量で実現が可能となる。従って、掃引周
波数を高くすることができ、計測時間の短い、高精度な
計測が可能な変位センサを提供することができる。
る。
である。
掃引機構が光路長を短くする状態での照射光束を示した
図である。
象物体が鏡面物体である場合の光路長掃引機構が光路長
を短くする状態での反射光束を示した図である。
象物体が拡散反射物体である場合の光路長掃引機構が光
路長を短くする状態での反射光束を示した図である。
光部の出力信号の時間的な変化を示した図である。
フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成を示し
た図である。
フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成におい
て、光路長掃引機構が光路長を短くする状態での反射光
束を示した図である。
フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成におい
て、光路長掃引機構が光路長を長くする状態での反射光
束を示した図
図である。
図である。
図である。
図である。
用いた光学系構成を示した図である。
用いた他の光学系構成を示した図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
投光部から出射された光束との関係を示した図である。
投光部から出射された光束との関係を示した図である。
光束との関係を示した図である。
号を示した図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
構成を示す図である。
されるコントローラ部の内部構成を示す図である。
る。
出素子の出力信号と位置検出素子出力の演算結果を示し
た図である。
示すフローチャートである。
図である。
内部構成を示す図である。
接続されるコントローラ部の内部構成を示す図である。
と関連する波形を示した図である。
れを示すフローチャートである。
図図である。
図である。
る光学系の側面図である。
した図である。
した図である。
示す図である。
兼用(共通化)したレンズ 4a キューブハーフミラー 4b 偏光ビームスプリッタ 5 中間レンズ 6 反射面 6a 光路長掃引機構が中立的な状態の
ときの反射面 6b 光路長掃引機構が光路長を短くす
る状態のときの反射面 6c 光路長掃引機構が光路長を長くす
る状態のときの反射面 6d 光路長掃引機構が光路長を最短に
する状態のときの反射面 6e 光路長掃引機構が光路長を最長に
する状態のときの反射面 7 対物レンズ 8 計測対象物体 8b 有効計測領域内で最も遠い位置に
ある場合の計測対象物体 8c 有効計測領域内で最も近い位置に
ある場合の計測対象物体 9 受光部 901a ピンホール 901b ナイフエッジ 902a フォトダイオード 902b 2分割フォトダイオード 903 バンドパスフィルタ 11 コリメートレンズ 12 受光レンズ 13 第6の集光レンズ 14 第1の集光レンズ 15 第2の集光レンズ 16 第3の集光レンズ 17 第4の集光レンズ 18 第5の集光レンズ 19 第7の集光レンズ 20 第8集光レンズ 21 反射面が光軸方向に沿って変位す
る領域 22 投光部から出射された光束がコリ
メートレンズと中間レンズにより集光される点 23 有効計測領域 24b 有効計測領域内で最も遠い位置に
ある計測対象物体からの反射光束がコリメートレンズと
中間レンズによって集光される点 24c 有効計測領域内で最も近い位置に
ある計測対象物体からの反射光束がコリメートレンズと
中間レンズによって集光される点 25 計測対象物体が有効計測領域内に
あるときにその反射光束が対物レンズと中間レンズによ
って集光されうる領域 26 戻り光による受光素子出力信号 27 有効検出領域内にある計測対象物
体からの受光素子出力信号 28 有効計測領域内にある計測対象物
体からの反射光束を受光し得る領域 29 1/4波長板 30 反射面の変位量測定用の投光部 31 反射面の変位量測定用のレーザ 32 反射面の変位量測定用の集光素子 33 位置検出素子 34 赤色半導体レーザ 35 赤外半導体レーザ 36 片持ち梁 3601 振動子 3602 ミラー 37 片持ち梁の支点 38 電磁石 39 センサヘッド 40 コントローラ 41,42 APC回路 43,44 I/V回路 45 振動子駆動回路 46,47 アンプ 48,49,50 A/D変換回路 51 ピーク検出回路 52 AGC回路 53 投光パワ制御回路 54 CPU 55 発振回路 56 振動子駆動パルス生成回路 57 メモリ 58 外部I/Oインターフェース 59 変位量表示部駆動回路 60 表示部 61 ミラー 62 センサヘッド側に搭載される回路
41から45の基板 1001 レーザ 1002,1003 レンズ 1004 位置検出素子 1005 計測対象物体 1006 回折限界スポットサイズが得られ
る点
Claims (14)
- 【請求項1】 投光部と、 遮光マスクと受光素子とを有する受光部と、 前記投光部から出射された光束を計測対象物体に集光す
る第1の集光素子と、 前記計測対象物体からの反射光束を受光部へ集光する第
2の集光素子と、 前記投光部から前記計測対象物体に至る投光光路中、か
つ、前記計測対象物体から前記受光部に至る受光光路中
に配置され、前記第1の集光素子と前記投光部により規
定される投光光軸と、前記第2の集光素子と前記受光部
により規定される受光光軸とを計測対象物体側で同軸に
する第1の光路制御素子と、 前記投光光軸と前記受光光軸とが同軸となった光路中で
あり、かつ、前記投光光路および受光光路中の光束が非
平行である箇所に配置された、投光部から計測対象物体
に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路
長を連続的に変化させる光路長掃引機構と、を具備し、 前記遮光マスクは、前記第2の集光素子から前記受光素
子へ至る光路中に配置され、前記計測対象物体からの反
射光束が第2の集光素子により集光される位置が前記光
路長掃引機構の作動によって変化するときに、その反射
光束の一部が前記遮光マスクによって遮光される割合を
変化させるものであり、 前記受光素子は、前記遮光マスクを通過した光束を受光
するものであり、 それにより、前記光路長掃引機構の作動により変化する
受光素子の出力信号をもとに、計測対象物体までの距離
についての情報を取得する変位センサ。 - 【請求項2】 前記第1の集光素子であり、かつ、第2
の集光素子である第6の集光素子を備え、 前記第1の光路制御素子は、前記第6の集光素子と前記
投光部および前記受光部との間に配置されている請求項
1に記載の変位センサ。 - 【請求項3】 前記光路長掃引機構は、光軸に対して垂
直に配置され、前記同軸とされた光軸方向に沿って変位
する反射面を有し、 投光部から出射された光束を前記反射面へと導くととも
に、前記反射面で反射された光束を計測対象物体へと導
き、かつ、計測対象物体からの反射光束を、前記計測対
象物体へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導
く第2の光路制御素子をさらに備えた請求項1または2
に記載の変位センサ。 - 【請求項4】 前記第2の光路制御素子は、前記第1の
光路制御素子と前記反射面との間に配置され、 前記第1の集光素子は、第3の集光素子と第4の集光素
子とからなり、 前記第2の集光素子は、前記第3の集光素子と第5の集
光素子とからなり、 前記第4の集光素子は、前記投光部から前記反射面に至
る光路中に集中または分散して配置された単一または複
数のレンズであって、そのうちの少なくとも1つのレン
ズは前記投光部から前記第2の光路制御素子に至る光路
中に配置され、前記投光部から出射された光束を前記反
射面付近に集光し、 前記第3の集光素子は、前記反射面と前記計測対象物体
との間に集中または分散して配置された単一または複数
のレンズであって、そのうちの少なくとも1つのレンズ
は前記第2の光路制御素子と前記計測対象物体との間に
配置され、前記反射面で反射された光束を前記計測対象
物体へ集光するとともに、前記計測対象物体からの反射
光束を前記反射面付近に集光し、 前記第5の集光素子は、前記反射面から前記受光部に至
る光路中に集中または分散して配置された単一または複
数のレンズであって、そのうちの少なくとも1つのレン
ズは前記第2の光路制御素子から前記受光部に至る光路
中に配置され、前記計測対象物体で反射された後に前記
反射面で反射された光束を前記受光部へ集光する請求項
3に記載の変位センサ。 - 【請求項5】 前記第4の集光素子であり、かつ、前記
第5の集光素子である第7の集光素子を備え、前記第7
の集光素子は前記第1の光路制御素子と前記第2の光路
制御素子の間に配置された請求項4に記載の変位セン
サ。 - 【請求項6】 前記第3の集光素子であり、かつ、前記
第4の集光素子であり、かつ、前記第5の集光素子であ
る第8集光素子を備え、前記第8集光素子は前記第2の
光路制御素子と前記反射面との間に配置された請求項4
に記載の変位センサ。 - 【請求項7】 前記投光部と前記受光部とが前記第1の
光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係
に配置された請求項4から6いずれかに記載の変位セン
サ。 - 【請求項8】 前記反射面が光軸方向に沿って変位する
領域が、前記投光部から出射された光束が前記第4の集
光素子によって集光される位置を含まないようにされた
請求項7に記載の変位センサ。 - 【請求項9】 前記反射面が光軸方向に沿って変位する
領域が、前記投光部から出射された光束が前記第4の集
光素子によって集光される位置を含むようにされ、 前記計測対象物体が有効計測領域内にあるときに、前記
計測対象物体からの反射光束が前記第3の集光素子によ
って集光しうる領域が、前記投光部から出射された光束
が前記第4の集光素子よって集光される位置を含まない
ようにされた請求項7に記載の変位センサ。 - 【請求項10】 光軸方向に沿って変位する前記反射面
の変位は周期的な振動であり,前記反射面の位置と前記
投光部から出射された光束が前記第4の集光素子によっ
て集光される位置とが一致するときに生じる前記受光素
子の出力信号から、前記反射面の変位が往路中であると
きの出力信号もしくは復路中であるときの出力信号のう
ち任意に定めた一方を選択して取得する手段と、 前記選択して取得された出力信号を基準として、前記投
光部から出射された光束が前記計測対象物体上に集光す
るときにその反射光束によって発生する前記受光素子の
出力信号が得られるまでの時間を計測する手段と、 前記計測された時間をもとに計測対象物体までの距離に
ついての情報を得る手段とを備えた請求項9に記載の変
位センサ。 - 【請求項11】 前記第4の集光素子は、コリメートレ
ンズと中間レンズとからなり、前記コリメートレンズは
投光部と第2の光路制御素子との間に配置され、投光部
から出射された光束をほぼ平行とし、前記中間レンズは
前記第2の光路制御素子と前記反射面との間に配置さ
れ、ほぼ平行となった光束を前記反射面付近に集光し、 前記第5の集光素子は、前記中間レンズと受光レンズと
からなり、前記受光レンズは前記受光部と前記第2の光
路制御素子との間に配置され、計測対象物体からの反射
光束を受光部に集光する請求項4から10いずれかに記
載の変位センサ。 - 【請求項12】 前記コリメートレンズと前記受光レン
ズは、共通のレンズであり、前記第1の光路制御素子と
前記第2の光路制御素子の間に配置された請求項11に
記載の変位センサ。 - 【請求項13】 前記投光部は直線偏光を出射し、 前記第2の光路制御素子は、前記直線偏光が入射面に対
し垂直または平行となるよう配置された偏光ビームスプ
リッタであり、前記偏光ビームスプリッタから出射した
光束が前記中間レンズへ至る光路中、かつ、前記反射面
で反射された後に前記中間レンズから出射した光束が前
記偏光ビームスプリッタへ至る光路中に配置された、前
記投光部が出射する光の波長に対する1/4波長板を具
備する請求項11または12に記載の変位センサ。 - 【請求項14】 前記反射面の反射面に対して光束を反
射面に垂直な方向以外から出射する反射面用投光部と、 前記反射面で反射された、反射面用投光部から出射され
た光束を受光する位置検出素子とを具備し、 前記位置検出素子の出力信号と、前記受光部の出力信号
をもとに計測対象物体までの距離についての情報を取得
する請求項3から9もしくは11から13のいずれかに
記載の変位センサ。
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