JP2816257B2 - 非接触変位測定装置 - Google Patents

非接触変位測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、測定対象の変位量を非
接触で測定することができる非接触変位測定装置に関
し、特に測定対象の表面状態に関わらず、これに対応し
て常に正確な変位量を測定することができる非接触変位
測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】測定対象の寸法、形状、振動、等の変位
測定は光学系を用いた非接触変位測定装置により高精度
に測定することができる。図4は従来の非接触変位測定
装置39の構成を示すブロック図であり、この図を用い
て変位の測定動作を説明すると、半導体レーザ40から
放射された光は照明レンズ41を通り細く絞られ、L1
の位置にある測定対象Bに照射され測定対象のb1の位
置に光スポットが形成される。測定対象Bの表面で反
射、散乱した光の一部を結像レンズ43でとらえ、光ス
ポットの像を光検出素子44の受光面上に投影すると、
光スポットの像がc1に形成される。
【0003】結像レンズ43で作られた反射点の像は、
測定対象Bが前後に移動すると、それに応じて光検出素
子44上を移動する。測定対象BがL2の位置に移動す
ると光スポットがb2の位置に移り、それに応じて結像
レンズ43で作られる光スポットの像も光検出素子44
上でc2に移動する。光検出素子44の両側の端子44
a,44bからは光スポットの像の光量と位置に依存し
た電流が発生する。この電流i1,i2は電圧変換さ
れ、それぞれV1,V2とされ、図示しない処理部でV
1,V2の和と差の信号をつくり除算されると、像の光
量変化によらず光スポットの位置のみによって決まる変
位出力が得られる。光スポット位置(測定対象Bの位
置)と光スポットの像の位置は一定の関係をもつのでこ
の変位出力により測定対象Bの位置を知ることができ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、測定範囲内
で、測定対象Bの位置を変化させたときに生ずる測定誤
差の許容値を直線性として定義しているが、この直線性
は、測定対象Bの表面状態により異なるものである。
尚、測定対象Bの標準試料としては鏡面を有する物体、
あるいは白色散乱体のいずれかが用いられている。した
がって、上記従来の非接触変位測定装置では、測定対象
Bの表面状態が場所により異なり反射率が変わる場合に
は、直線性が得られず、測定誤差を生じ正確な変位の測
定を行うことができなかった。上記欠点は、測定対象B
の表面状態を検知するセンサが提供されていないことも
要因となっている。
【0005】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、測定対象の表面状態を常時監視し、測
定対象の表面状態にかかわらず常に直線性を得ることが
でき高精度な変位測定を行うことができる非接触変位測
定装置を提供することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の非接触変位測定装置は、測定対象Bに対し
光学系を用いて非接触に変位を測定する非接触変位測定
装置において、測定対象に対し出射光N1を出射する投
光部3、及び測定対象からの反射光N2を受光する受光
部4が設けられた主光学系2と、該主光学系の近傍に設
けられ、測定対象の散乱光Wを偏光状態で透過する偏光
フィルタ17、及び受光素子18が設けられた散乱光検
出用光学系15と、前記主光学系の検出出力に基づき測
定対象の変位に対応する変位出力信号S1を出力する処
理部10と、前記散乱光検出用光学系の検出出力に基づ
き測定対象の表面状態に対応する補正用データS4によ
り前記変位出力信号S1を補正出力する直線補正部20
と、を具備することを特徴としている。
【0007】
【作用】測定対象Bは、表面状態が異なることにより直
線性が異なってくる。主光学系2、および処理部10で
測定対象Bの変位出力信号S1が得られる。さらに散乱
光検出用光学系15ではこの測定対象Bの散乱光に基づ
き表面状態を検出する。また、直線補正部20によりこ
の表面状態に対応した直線性の補正用データS4が得ら
れる。これにより、測定対象Bの表面状態が自動的に検
出でき、この表面状態に対応して補正した変位出力信号
S1を得ることができる。
【0008】
【実施例】図1は、本発明の非接触変位測定装置の実施
例を示すブロック図である。センサヘッド1には、主光
学系2としての投光部3、及び受光部4が設けられる。
投光部3には、所定波長(例えば780nm)の光を出射
する半導体レーザ5が設けられる。この半導体レーザ5
の出射光N1は照明レンズ6を通り細く絞られ測定対象
Bに光スポットbが照射される。受光部4は、結像レン
ズ7、光検出素子8により構成され、結像レンズ7は、
測定対象Bの表面で反射した反射光N2の一部を捉え、
光スポットbの像を光検出素子8の受光面上のc部分に
投影する。ここで、出射光N1,反射光N2は測定対象
Bに対し所定角度Rを有して正反射の関係とされ、この
ため投光部3、受光部4はこの所定角度Rに沿って配置
されている。
【0009】そして、結像レンズ7で作られた反射点の
像は、測定対象BのL1−L2方向の変位に対応する光
スポットb1−b2の移動に応じて光検出素子8上をc
1−c2方向に移動する。光検出素子8は、ポジション
センサによって構成されており、2つの端子8a,8b
からは光スポットbの像の光量と位置に依存した電流i
1,i2が出力される。この出力は、各々電流−電圧変
換部9a,9bで電圧信号V1,V2に変換後、処理部
10に出力される。
【0010】処理部10は、電圧信号V1,V2に基づ
きこれら電圧信号V1,V2の差を演算する減算部1
1、和を演算する加算部12が前段に設けられる。さら
に減算部11、加算部12の出力は、除算部13に入力
されて除算演算され、直線化するリニア補正部14を介
して出力される。これにより、測定対象Bの像の光量変
化に関わらず光スポットbの位置のみによって決まる変
位出力信号S1が得られる。
【0011】上記センサヘッド1の主光学系2の中間部
分、つまり投光部3及び受光部4間には、散乱光検出用
光学系15が設けられる。散乱光検出用光学系15は、
測定対象Bに照射される出射光N1の散乱光Wを検出す
る。測定対象Bに向いて設けられる干渉フィルタ16
は、前記出射光N1の波長の光のみを透過させる。この
干渉フィルタ16に隣接して偏光フィルタ17が設けら
れ、偏光された光が受光素子18に入射する。これによ
り受光素子18は、測定対象Bの散乱光Wの受光レベ
ル、すなわち測定対象Bの表面状態に応じた散乱光出力
信号S2が得られる。
【0012】この散乱光出力S2は、直線補正部20に
入力される。直線補正部20は、散乱光出力S2を増幅
する増幅部24を介し、判別回路25に出力される。増
幅部24前段には検波部を設けてもよい。判別回路25
は、散乱光出力信号S2に基づき測定対象Bを判別す
る。判別する測定対象Bは、光沢のある物体B1、散乱
体B2、光が内部に入り込む物体B3の3種類である。
【0013】図3に示すのは、表面状態が異なる各測定
対象B1,B2,B3の直線性を示すグラフである。そ
して、測定範囲(L1−L2;但し、L1は最長測定位
置、L2は最短測定位置、L0は測定範囲の中心)内に
おける前記変位出力信号S1は、各測定対象B1,B
2,B3の変位量に応じて各々直線性が異なる。光沢の
ある物体B1は表面状態が全反射に近く、直線性は定範
囲全域にわたり傾きが緩やかで変化分が少ない。これに
対し光が内部に入り込む物体B3は吸収作用により近距
離測定になる程、誤差が拡大する右下がりの傾きが急な
直線性である。散乱体B2は、反射作用によりこれらの
中間特性を示している。
【0014】ところで、散乱体B2と、光が内部に入り
込む物体B3は、通常、受光レベルのみで見た場合に
は、ほぼ同一レベルであり判別が困難である。しかしな
がら本発明者は、これら散乱体B2と、光が内部に入り
込む物体B3の散乱光Wは、それぞれ偏光状態が異なる
ことを発見し、前記偏光フィルタ17を用いることによ
りこれらの受光レベルに差をもたせ受光素子18で検出
を行い散乱光出力信号S2を出力して判別回路25は各
測定対象B1,B2,B3のいずれであるかの判別を行
うことができる。
【0015】判別回路25は、この判別結果に基づき各
測定対象B1,B2,B3に対応した補正信号S3を補
正データ部26に出力する。補正データ部26には、予
め各測定対象B1,B2,B3毎に予想される直線性
(前記図3参照)に対応する補正データが記憶されてい
る。そして、補正信号S3の入力により各測定対象Bの
直線性に対応する補正用データS4をリニア補正部14
に出力する。これにより、リニア補正部14は、変位出
力信号S1を各測定対象B1,B2,B3の直線性に対
応させるべく補正して出力する。
【0016】以上の構成により例えば、光が内部に入り
込む物体B3上に、光沢のある物体B1及び散乱体B2
がそれぞれ設けられた物体の厚さを測定する場合、主光
学系2は、測定箇所のいずれかの測定対象B1,B2,
B3に対して出射光N1を出射し、処理部10はこの反
射光N2により変位出力信号S1を出力する。同時に散
乱光検出用光学系15、直線補正部20により出射光N
1の散乱光Wを用いてこの測定箇所の測定対象が判別さ
れ、かつ生成される補正用データS4により前記変位出
力信号S1は測定箇所の測定対象Bの直線性に対応して
補正出力される。これにより、直線性が異なる測定対象
Bを連続して測定するときにこの測定を同一な特性で正
確に行うことができる。
【0017】次に、図2に示すのは、上記実施例の変形
例を示すブロック図である。この実施例では前記直線補
正部20の構成を変形している。判別回路25が出力す
る補正信号S3は、第1、第2の定数選択回路27a,
27bに夫々入力される。これら第1、第2の定数選択
回路27a,27bは、図3に示す各測定対象B(B
1,B2,B3)の1次直線の算式y=Bax+d
(y;変位出力信号S1,B;各測定対象,x;測定対
象の変位,a;定数(測定対象毎の直線の傾き),d;
測定対象Bの変位0のときの誤差0に対するオフセット
値)におけるパラメータB,dを記憶している。
【0018】そして前記リニア補正部14の出力は、感
度補正回路28に入力されるとともに、この感度補正回
路28には第1の定数選択回路27aの信号が入力さ
れ、直線性の傾き分を補正してオフセット回路29に出
力される。オフセット回路29には第2の定数選択回路
27bの信号が入力され、直線性のオフセット値分を補
正して最終的な変位出力信号S1を出力する。これによ
り、補正信号S3により各測定対象B1,B2,B3毎
に対応した直線性を有する変位出力信号S1を得ること
ができる。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、測定対象の変位は、測
定対象の表面状態を検出する散乱光検出用光学系、さら
にこの散乱光検出用光学系の出力に基づきこの表面状態
に対応する直線性で補正して出力する直線補正部を備え
た構成であり、測定対象の表面状態を自動的に検出し常
に最適な直線性を得ることができ、これにより変位測定
を高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の非接触変位測定装置の実施例を示すブ
ロック図。
【図2】同装置の他の実施例を示すブロック図。
【図3】表面状態が異なる測定対象の直線性を示すグラ
フ。
【図4】従来の非接触変位測定装置の構成を示すブロッ
ク図。
【符号の説明】
1…センサヘッド、2…主光学系、3…投光部、4…受
光部、5…半導体レーザ、6…照明レンズ、7…結像レ
ンズ、8…光検出素子、9a,9b…電流−電圧変換
部、10…処理部、11…減算部、12…加算部、13
…除算部、14…リニア補正部、15…散乱光検出用光
学系、16…干渉フィルタ、17…偏光フィルタ、18
…受光素子、20…直線補正部、24…増幅部、25…
判別回路、26…補正データ部、27a…第1の定数選
択回路、27b…第2の定数選択回路、28…感度補正
回路、29…オフセット回路、B(B1,B2,B3)
…測定対象、b…光スポット、N1…出射光、N2…反
射光、W…散乱光、S1…変位出力信号、S2…散乱光
出力信号、S3…補正信号、S4…補正用データ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−25710(JP,A) 特開 平4−252915(JP,A) 特開 昭63−108218(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01C 3/00 - 3/32 G01B 11/00 - 11/30

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 測定対象(B)に対し光学系を用いて非
    接触に変位を測定する非接触変位測定装置において、測
    定対象に対し出射光(N1)を出射する投光部(3)、
    及び測定対象からの反射光(N2)を受光する受光部
    (4)が設けられた主光学系(2)と、該主光学系の近
    傍に設けられ、測定対象の散乱光(W)を偏光状態で透
    過する偏光フィルタ(17)、及び受光素子(18)が
    設けられた散乱光検出用光学系(15)と、前記主光学
    系の検出出力に基づき測定対象の変位に対応する変位出
    力信号(S1)を出力する処理部(10)と、前記散乱
    光検出用光学系の検出出力に基づき測定対象の表面状態
    に対応する補正用データ(S4)により前記変位出力信
    号(S1)を補正出力する直線補正部(20)と、を具
    備することを特徴とする非接触変位測定装置。
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