JP3326682B2 - 変位測定装置 - Google Patents
変位測定装置Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光による３角測量
を利用して測定対象面の変位を測定する変位測定装置に
おいて、その変位検出精度を向上させ、測定速度を向上
させるための技術に関する。
を利用して測定対象面の変位を測定する変位測定装置に
おいて、その変位検出精度を向上させ、測定速度を向上
させるための技術に関する。
【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５に示すように、投光器５から
レーザビームを測定対象物１の表面１ａに照射し、その
照射点Ｓの像を結像レンズ６によって受光素子７の受光
面７ａ上に結像させる３角測量方法による変位測定装置
が用いられている。
凸）を測定する場合、図５に示すように、投光器５から
レーザビームを測定対象物１の表面１ａに照射し、その
照射点Ｓの像を結像レンズ６によって受光素子７の受光
面７ａ上に結像させる３角測量方法による変位測定装置
が用いられている。
【０００３】この受光素子７は、受光面７ａ上の結像点
の縦方向の位置に対応した信号を出力するように構成さ
れており、照射点Ｓの高さ方向（投光器５のビームの光
軸と結像レンズ６の光軸とで形成される面内の方向）の
変位に対する結像点Ｋの移動軌跡に受光面７ａが一致す
る角度に配置されている。
の縦方向の位置に対応した信号を出力するように構成さ
れており、照射点Ｓの高さ方向（投光器５のビームの光
軸と結像レンズ６の光軸とで形成される面内の方向）の
変位に対する結像点Ｋの移動軌跡に受光面７ａが一致す
る角度に配置されている。
【０００４】この変位測定装置に対して測定対象物１を
投光器５のビームの光軸と結像レンズ６の光軸とで形成
される面と直交する方向に相対移動し、照射点ＳがＳ′
あるいはＳ″のように高さ方向に動くと、受光素子７の
受光面７ａの結像点Ｋの位置がＫ′あるいはＫ″のよう
に移動して、受光素子７からの信号も結像点の変位に応
じて変化する。この信号の変化量から測定対象面の高さ
方向の変位を検出することができる。
投光器５のビームの光軸と結像レンズ６の光軸とで形成
される面と直交する方向に相対移動し、照射点ＳがＳ′
あるいはＳ″のように高さ方向に動くと、受光素子７の
受光面７ａの結像点Ｋの位置がＫ′あるいはＫ″のよう
に移動して、受光素子７からの信号も結像点の変位に応
じて変化する。この信号の変化量から測定対象面の高さ
方向の変位を検出することができる。
【０００５】ところが、変位測定装置に対して測定対象
物１を相対移動する機構は、通常モータ等を駆動源とす
る低速なものであるので、測定対象物１の表面全体にわ
たって細かいピッチで測定しようとすると、測定時間が
非常に長くなってしまう。
物１を相対移動する機構は、通常モータ等を駆動源とす
る低速なものであるので、測定対象物１の表面全体にわ
たって細かいピッチで測定しようとすると、測定時間が
非常に長くなってしまう。
【０００６】このため、近年では、図６に示すような走
査型の変位測定装置を用いて、測定対象物の移動のう
ち、Ｘ軸またはＹ軸方向のいずれか一方のみを移動する
だけで測定できるようにしている。この走査型の変位測
定装置は、光源１１から出力されるビームを振動ミラー
型等の偏向装置１２によって一定角度内の範囲で偏向さ
せ、この偏向されたビームをレンズ１３によってその光
軸が一平面上で平行に移動するビームにして、基準面２
上の測定対象物１の表面１ａに出射し、その照射点Ｓを
直線的に往復走査あるいは片道走査し、その照射点Ｓの
像を第１の円筒面レンズ（シリンドリカルレンズ）１４
および第２の円筒面レンズ１５によって受光素子１６の
受光面１６ａに結像させる。
査型の変位測定装置を用いて、測定対象物の移動のう
ち、Ｘ軸またはＹ軸方向のいずれか一方のみを移動する
だけで測定できるようにしている。この走査型の変位測
定装置は、光源１１から出力されるビームを振動ミラー
型等の偏向装置１２によって一定角度内の範囲で偏向さ
せ、この偏向されたビームをレンズ１３によってその光
軸が一平面上で平行に移動するビームにして、基準面２
上の測定対象物１の表面１ａに出射し、その照射点Ｓを
直線的に往復走査あるいは片道走査し、その照射点Ｓの
像を第１の円筒面レンズ（シリンドリカルレンズ）１４
および第２の円筒面レンズ１５によって受光素子１６の
受光面１６ａに結像させる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
たように受光部に円筒面レンズを用いた従来の走査型の
変位測定装置では、測定対象面が鏡面のように反射率が
高く照射点Ｓからの光の殆どが反射軸と平行な光の場合
には問題にならないが、測定対象面が粗で反射率が低く
照射点Ｓからの光が散乱して広がった場合には、受光素
子の受光面の像がぼけてしまい、測定精度が著しく低下
するという問題がある。
たように受光部に円筒面レンズを用いた従来の走査型の
変位測定装置では、測定対象面が鏡面のように反射率が
高く照射点Ｓからの光の殆どが反射軸と平行な光の場合
には問題にならないが、測定対象面が粗で反射率が低く
照射点Ｓからの光が散乱して広がった場合には、受光素
子の受光面の像がぼけてしまい、測定精度が著しく低下
するという問題がある。
【０００８】即ち、円筒面レンズは、基本的にレンズの
円筒面の周方向に対してのみ集束性を示し、他の方向に
対して集束性が無いため、図７の（ａ）に示すように、
照射点Ｓで反射、散乱した光のうち、第１の円筒面レン
ズ１４の円筒面の周方向に広がった光は第１の円筒面レ
ンズ１４で集束されて第２の円筒面レンズ１５に入射
し、第２の円筒面レンズ１５で受光素子１６の受光面１
６ａの幅方向の中心へ向かうように偏向されて受光面１
６ａ上に像Ｋを結ぶが、図７の（ｂ）のように、照射点
Ｓで反射、散乱した光のうち、第１の円筒面レンズ１４
の円筒の軸方向に広がった光は、第１の円筒面レンズ１
４では全く集束されずに広がったままで第２の円筒面レ
ンズ１５へ入射するため、受光素子１６の受光面１６ａ
上の像Ｋは受光面１６ａの幅方向に延びた直線となる。
円筒面の周方向に対してのみ集束性を示し、他の方向に
対して集束性が無いため、図７の（ａ）に示すように、
照射点Ｓで反射、散乱した光のうち、第１の円筒面レン
ズ１４の円筒面の周方向に広がった光は第１の円筒面レ
ンズ１４で集束されて第２の円筒面レンズ１５に入射
し、第２の円筒面レンズ１５で受光素子１６の受光面１
６ａの幅方向の中心へ向かうように偏向されて受光面１
６ａ上に像Ｋを結ぶが、図７の（ｂ）のように、照射点
Ｓで反射、散乱した光のうち、第１の円筒面レンズ１４
の円筒の軸方向に広がった光は、第１の円筒面レンズ１
４では全く集束されずに広がったままで第２の円筒面レ
ンズ１５へ入射するため、受光素子１６の受光面１６ａ
上の像Ｋは受光面１６ａの幅方向に延びた直線となる。
【０００９】しかも、照射点の像を焦点距離の短い第１
の円筒面レンズ１４だけでしぼり込むようにしているた
め、その円筒面レンズ１４の収差により、受光素子１６
の受光面１６ａ上の結像パターンは、図８に示すように
横長の長円状にぼやけてしまい、受光素子１８から出力
される信号のＳ／Ｎが低下し、測定表面の変位を高い精
度で測定することができない。
の円筒面レンズ１４だけでしぼり込むようにしているた
め、その円筒面レンズ１４の収差により、受光素子１６
の受光面１６ａ上の結像パターンは、図８に示すように
横長の長円状にぼやけてしまい、受光素子１８から出力
される信号のＳ／Ｎが低下し、測定表面の変位を高い精
度で測定することができない。
【００１０】本発明は、この問題を解決し、被測定面が
粗く照射点からの光が広がっている場合でも、精度の高
い測定が高速に行なえる変位測定装置を提供することを
目的としている。
粗く照射点からの光が広がっている場合でも、精度の高
い測定が高速に行なえる変位測定装置を提供することを
目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の変位測定装置は、同一平面上で所定範囲を
光軸が平行に移動するビームを測定対象面に出射して、
該測定対象面上のビームの照射点を走査する投光部と、
測定対象面上の照射点からの光を受けて該照射点の像を
受光素子の受光面上に結像させ、前記受光素子の受光面
上の光の結像位置に対応する信号を出力させる受光部と
を有し、前記受光素子から出力される信号に基づいて前
記照射点の走査方向に沿った前記測定対象面の変位を測
定する変位測定装置において、前記受光部は、外形寸法
が前記ビームの走査幅より小さく焦点距離がそれぞれ等
しい複数の球面集束型の集光レンズ部が、それぞれの光
軸を平行に且つ該光軸と直交する線上に連続した状態で
一列に並んで形成され、前記各集光レンズ部の光軸が測
定対象面上を走査される照射点に交わる向きで、該照射
点までの距離が前記焦点距離とほぼ等しくなる位置に配
置され、前記照射点からの光を前記各集光レンズ部によ
って集束するレンズアレイと、前記レンズアレイの各集
光レンズ部によって集束されたビームを前記受光素子の
受光面上に集束させて、該受光面上に測定対象面上の照
射点の像を結像させる球面集束型の結像レンズとを備え
ている。
に、本発明の変位測定装置は、同一平面上で所定範囲を
光軸が平行に移動するビームを測定対象面に出射して、
該測定対象面上のビームの照射点を走査する投光部と、
測定対象面上の照射点からの光を受けて該照射点の像を
受光素子の受光面上に結像させ、前記受光素子の受光面
上の光の結像位置に対応する信号を出力させる受光部と
を有し、前記受光素子から出力される信号に基づいて前
記照射点の走査方向に沿った前記測定対象面の変位を測
定する変位測定装置において、前記受光部は、外形寸法
が前記ビームの走査幅より小さく焦点距離がそれぞれ等
しい複数の球面集束型の集光レンズ部が、それぞれの光
軸を平行に且つ該光軸と直交する線上に連続した状態で
一列に並んで形成され、前記各集光レンズ部の光軸が測
定対象面上を走査される照射点に交わる向きで、該照射
点までの距離が前記焦点距離とほぼ等しくなる位置に配
置され、前記照射点からの光を前記各集光レンズ部によ
って集束するレンズアレイと、前記レンズアレイの各集
光レンズ部によって集束されたビームを前記受光素子の
受光面上に集束させて、該受光面上に測定対象面上の照
射点の像を結像させる球面集束型の結像レンズとを備え
ている。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。図１および図２は、本発明の一実
施形態の変位測定装置の構成を示す図である。
実施形態を説明する。図１および図２は、本発明の一実
施形態の変位測定装置の構成を示す図である。
【００１３】図１において、投光部は、光源２１から出
力されるレーザビームを回転ミラー型または振動ミラー
型等の偏向装置２２によって偏向し、この偏向した光を
レンズ２３によって、同一平面上の所定範囲（例えば３
０ｍｍ）内を光軸が平行に移動するビームを、基準面２
上の測定対象物１の表面１ａに出射して、測定対象物１
の表面１ａ上のビームの照射点Ｓを直線的（実際には被
測定対象表面の凹凸により蛇行する）に片道あるいは往
復走査する。
力されるレーザビームを回転ミラー型または振動ミラー
型等の偏向装置２２によって偏向し、この偏向した光を
レンズ２３によって、同一平面上の所定範囲（例えば３
０ｍｍ）内を光軸が平行に移動するビームを、基準面２
上の測定対象物１の表面１ａに出射して、測定対象物１
の表面１ａ上のビームの照射点Ｓを直線的（実際には被
測定対象表面の凹凸により蛇行する）に片道あるいは往
復走査する。
【００１４】この照射点からの光を受ける受光部は、レ
ンズアレイ２５、結像レンズ２６および受光素子２７に
よって構成されている。
ンズアレイ２５、結像レンズ２６および受光素子２７に
よって構成されている。
【００１５】レンズアレイ２５は、等しい焦点距離ｆ１
（例えば２０ｍｍ）を有する複数（図１、２では５個）
の集光レンズ部２５ａ〜２５ｅが一列に並ぶように合成
樹脂あるいはガラスで一体成形されている。
（例えば２０ｍｍ）を有する複数（図１、２では５個）
の集光レンズ部２５ａ〜２５ｅが一列に並ぶように合成
樹脂あるいはガラスで一体成形されている。
【００１６】各集光レンズ部は、投光部から出射される
ビームの走査幅寸法（３０ｍｍ）内に複数個並ぶよう
に、少なくともその並び方向に沿った幅が走査幅より短
い（例えば６ｍｍ）略矩形状の外形を有し、光軸に直交
する一方の面が球面状に形成された球面集束型のもので
あり、それぞれの光軸が平行で且つその光軸に直交する
線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた
状態で一体化されている。
ビームの走査幅寸法（３０ｍｍ）内に複数個並ぶよう
に、少なくともその並び方向に沿った幅が走査幅より短
い（例えば６ｍｍ）略矩形状の外形を有し、光軸に直交
する一方の面が球面状に形成された球面集束型のもので
あり、それぞれの光軸が平行で且つその光軸に直交する
線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた
状態で一体化されている。
【００１７】レンズアレイ２５は、各集光レンズ部の光
軸が測定対象物１の表面１ａ上を走査される照射点に交
わる向きで、その照射点までの距離が焦点距離ｆ１とほ
ぼ等しくなる位置に配置されている。なお、ここで球面
集束型のレンズは、光をその光軸の周りに均等にしぼり
込むことができるレンズである。
軸が測定対象物１の表面１ａ上を走査される照射点に交
わる向きで、その照射点までの距離が焦点距離ｆ１とほ
ぼ等しくなる位置に配置されている。なお、ここで球面
集束型のレンズは、光をその光軸の周りに均等にしぼり
込むことができるレンズである。
【００１８】このため、照射点の高さ方向の変位量が焦
点距離ｆ１に比べて格段に小さい場合、各集光レンズ部
２５ａ〜２５ｅは、照射点からの光をほぼ平行に集束し
て結像レンズ２６へ出射する。
点距離ｆ１に比べて格段に小さい場合、各集光レンズ部
２５ａ〜２５ｅは、照射点からの光をほぼ平行に集束し
て結像レンズ２６へ出射する。
【００１９】結像レンズ２６は、投光部から出射される
ビームの走査幅寸法（３０ｍｍ）より大きい径を有し、
光軸と直交する一方の面が球面状に形成され、焦点距離
ｆ２が例えば８０ｍｍの球面集束型のレンズで形成され
ており、レンズアレイ２５からのビームを集束して、受
光素子２７の受光面２７ａに照射点の像を結像させる。
結像レンズ２６は、その光軸がレンズアレイ２５の中央
の集光レンズ部２５ｃの光軸と一致するように配置され
ている。なお、図１、２では結像レンズ２６の外形を円
形に示しているが、レンズアレイ２５からの光が入射す
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。
ビームの走査幅寸法（３０ｍｍ）より大きい径を有し、
光軸と直交する一方の面が球面状に形成され、焦点距離
ｆ２が例えば８０ｍｍの球面集束型のレンズで形成され
ており、レンズアレイ２５からのビームを集束して、受
光素子２７の受光面２７ａに照射点の像を結像させる。
結像レンズ２６は、その光軸がレンズアレイ２５の中央
の集光レンズ部２５ｃの光軸と一致するように配置され
ている。なお、図１、２では結像レンズ２６の外形を円
形に示しているが、レンズアレイ２５からの光が入射す
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。
【００２０】受光素子２７は矩形状の受光面２７ａを有
し、受光面２７ａに照射された光の位置のうち、受光面
２７ａの縦方向に沿った位置に対応する信号を出力する
ように構成されている。受光面２７ａの横幅は、レンズ
アレイ２５の各集光レンズ部２５ａ〜２５ｅの幅に各集
光レンズ部と結像レンズ２６の焦点距離の比ｆ２／ｆ１
（倍率）を乗じた大きさ（例えば集光レンズ部の幅が前
記したように６ｍｍで倍率が４のとき２４ｍｍ）に予め
設定されており、受光素子２７は、その受光面２７ａの
中心が、結像レンズ２６からその焦点距離ｆ２離れた位
置で結像レンズ２６の光軸に交わり、且つ、測定対象物
１の表面１ａの高さ方向の変位にともなって移動する結
像点が受光面２７ａ上で縦方向に移動する向きで配置さ
れている。
し、受光面２７ａに照射された光の位置のうち、受光面
２７ａの縦方向に沿った位置に対応する信号を出力する
ように構成されている。受光面２７ａの横幅は、レンズ
アレイ２５の各集光レンズ部２５ａ〜２５ｅの幅に各集
光レンズ部と結像レンズ２６の焦点距離の比ｆ２／ｆ１
（倍率）を乗じた大きさ（例えば集光レンズ部の幅が前
記したように６ｍｍで倍率が４のとき２４ｍｍ）に予め
設定されており、受光素子２７は、その受光面２７ａの
中心が、結像レンズ２６からその焦点距離ｆ２離れた位
置で結像レンズ２６の光軸に交わり、且つ、測定対象物
１の表面１ａの高さ方向の変位にともなって移動する結
像点が受光面２７ａ上で縦方向に移動する向きで配置さ
れている。
【００２１】なお、投光部からのビームの光軸と受光部
のレンズアレイ２５の光軸とは、受光量を確保するため
に、基準面２の法線をはさんで等しい角度、即ち正反射
の向きとなるように予め設定されている。
のレンズアレイ２５の光軸とは、受光量を確保するため
に、基準面２の法線をはさんで等しい角度、即ち正反射
の向きとなるように予め設定されている。
【００２２】次のこの変位測定装置の動作を図３、図４
に基づいて説明する。図３は受光部を結像レンズ２６の
光軸と直交する向きで上からみた図、図４は受光部を結
像レンズ２６の光軸が水平となる向きで側方から見た図
である。
に基づいて説明する。図３は受光部を結像レンズ２６の
光軸と直交する向きで上からみた図、図４は受光部を結
像レンズ２６の光軸が水平となる向きで側方から見た図
である。
【００２３】基準面２上の測定対象物１に向かって出射
されるビームの照射点Ｓは、基準面２および測定対象物
１の表面１ａ上を一定方向に走査される。
されるビームの照射点Ｓは、基準面２および測定対象物
１の表面１ａ上を一定方向に走査される。
【００２４】ここで、ビームの照射点Ｓが、例えば図３
の（ａ）に示すように、レンズアレイ２５の集光レンズ
部２５ａに対向する範囲でその光軸より外側にある場
合、照射点Ｓから反射、散乱した光は、主に集光レンズ
部２５ａによってほぼ平行なビームに集束され、結像レ
ンズ２６に対してその光軸に角度のある状態で入射す
る。
の（ａ）に示すように、レンズアレイ２５の集光レンズ
部２５ａに対向する範囲でその光軸より外側にある場
合、照射点Ｓから反射、散乱した光は、主に集光レンズ
部２５ａによってほぼ平行なビームに集束され、結像レ
ンズ２６に対してその光軸に角度のある状態で入射す
る。
【００２５】結像レンズ２６は、集光レンズ部２５ａか
らのビームを集束しつつ、その光軸の向きを変えて、受
光素子２７の受光面２７ａの一端側の位置に集束させ
る。
らのビームを集束しつつ、その光軸の向きを変えて、受
光素子２７の受光面２７ａの一端側の位置に集束させ
る。
【００２６】レンズアレイ２５の各集光レンズ部および
結像レンズ２６は光をその光軸の周りに均等に絞り込む
球面集束型のレンズであるから、図４の（ａ）に示すよ
うに、側方からみて照射点Ｓから散乱する光も集光レン
ズ部２５ａによってほぼ平行に集束され、結像レンズ２
６によって受光素子２７の受光面２７ａ上に集束され
る。
結像レンズ２６は光をその光軸の周りに均等に絞り込む
球面集束型のレンズであるから、図４の（ａ）に示すよ
うに、側方からみて照射点Ｓから散乱する光も集光レン
ズ部２５ａによってほぼ平行に集束され、結像レンズ２
６によって受光素子２７の受光面２７ａ上に集束され
る。
【００２７】このため、受光素子２７の受光面２７ａに
は、照射点Ｓの高さに正確に対応した位置に点状の像Ｋ
ａが作られ、その位置に対応した電気信号が出力され
る。
は、照射点Ｓの高さに正確に対応した位置に点状の像Ｋ
ａが作られ、その位置に対応した電気信号が出力され
る。
【００２８】この信号は図示しない信号処理部に入力さ
れ、基準面２から照射点Ｓまでの高さが検出される。
れ、基準面２から照射点Ｓまでの高さが検出される。
【００２９】なお、照射点Ｓから他の集光レンズ部２５
ｂ〜２５ｅに入射する弱い光も集束されて結像レンズ２
６に入射するが、これらの光は受光素子２７の受光面２
７ａ上には結像されない。
ｂ〜２５ｅに入射する弱い光も集束されて結像レンズ２
６に入射するが、これらの光は受光素子２７の受光面２
７ａ上には結像されない。
【００３０】また、ビームの走査によって照射点Ｓが、
図３の（ｂ）に示すように、レンズアレイ２５の集光レ
ンズ部２５ａの光軸と交わる位置にきた場合には、照射
点Ｓから反射、散乱した光は、主に集光レンズ部２５ａ
によってその光軸と平行なビームに集束され、結像レン
ズ２６に対してその光軸に平行な状態で入射する。
図３の（ｂ）に示すように、レンズアレイ２５の集光レ
ンズ部２５ａの光軸と交わる位置にきた場合には、照射
点Ｓから反射、散乱した光は、主に集光レンズ部２５ａ
によってその光軸と平行なビームに集束され、結像レン
ズ２６に対してその光軸に平行な状態で入射する。
【００３１】このため、照射点Ｓの像Ｋａは、受光素子
２７の受光面２７ａの幅方向のほぼ中心位置につくられ
る。
２７の受光面２７ａの幅方向のほぼ中心位置につくられ
る。
【００３２】さらにビームが走査されて照射点Ｓが、図
３の（ｃ）に示すように、レンズアレイ２５の集光レン
ズ部２５ａに対向する範囲内でその光軸より隣の集光レ
ンズ部２５ｂ寄りにある場合、照射点Ｓから反射、散乱
した光は、主に集光レンズ部２５ａによって集束され、
結像レンズ２６に対してその光軸に図３の（ａ）の場合
と逆な角度をもって入射する。
３の（ｃ）に示すように、レンズアレイ２５の集光レン
ズ部２５ａに対向する範囲内でその光軸より隣の集光レ
ンズ部２５ｂ寄りにある場合、照射点Ｓから反射、散乱
した光は、主に集光レンズ部２５ａによって集束され、
結像レンズ２６に対してその光軸に図３の（ａ）の場合
と逆な角度をもって入射する。
【００３３】このため、結像レンズ２６は、受光素子２
７の受光面２７ａの幅方向の他端側の位置で点状の像Ｋ
ａをつくる。
７の受光面２７ａの幅方向の他端側の位置で点状の像Ｋ
ａをつくる。
【００３４】このように、照射点Ｓの位置が集光レンズ
部２５ａに対向する範囲内で一端から他端に移動する
と、受光素子２７の受光面２７ａ上の像Ｋａの位置は、
受光面２７ａの幅方向の一端側から他端側に移動するこ
とになる。
部２５ａに対向する範囲内で一端から他端に移動する
と、受光素子２７の受光面２７ａ上の像Ｋａの位置は、
受光面２７ａの幅方向の一端側から他端側に移動するこ
とになる。
【００３５】また、ビームの走査にともなって、例えば
図４の（ｂ）に示すように照射点がＳ′のように高さ方
向（基準面２の法線方向）にδだけ移動すると、受光素
子２７の受光面２７ａ上の像の位置がＫ′のようにず
れ、その位置に対応する信号が出力され、この信号から
照射点Ｓ′の基準面２からの高さが検出され、照射点Ｓ
の高さとの差δも判る。
図４の（ｂ）に示すように照射点がＳ′のように高さ方
向（基準面２の法線方向）にδだけ移動すると、受光素
子２７の受光面２７ａ上の像の位置がＫ′のようにず
れ、その位置に対応する信号が出力され、この信号から
照射点Ｓ′の基準面２からの高さが検出され、照射点Ｓ
の高さとの差δも判る。
【００３６】そして、図３の（ｄ）に示すように、照射
点Ｓが集光レンズ部２５ａと集光レンズ部２５ｂの境界
部に対向する位置にくると、その照射点Ｓからの光は、
２つの集光レンズ部２５ａ、２５ｂ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２６に入射する
ため、受光素子２７の受光面２７ａ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、Ｋ
ｂの受光面２７ａの縦方向に沿った位置はともに等しい
ので、受光素子２７からは像が一つの場合と同様にその
縦方向の位置に対応した信号が出力される。
点Ｓが集光レンズ部２５ａと集光レンズ部２５ｂの境界
部に対向する位置にくると、その照射点Ｓからの光は、
２つの集光レンズ部２５ａ、２５ｂ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２６に入射する
ため、受光素子２７の受光面２７ａ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、Ｋ
ｂの受光面２７ａの縦方向に沿った位置はともに等しい
ので、受光素子２７からは像が一つの場合と同様にその
縦方向の位置に対応した信号が出力される。
【００３７】ビームがさらに走査されて、図３の（ｅ）
に示すように、照射点Ｓが集光レンズ部２５ｂに対向す
る範囲内まで移動すると、照射点Ｓから反射、散乱した
光は、主に集光レンズ部２５ｂによって集束され、結像
レンズ２６に対してその光軸に角度のある状態で入射
し、結像レンズ２６は、受光素子２７の受光面２７ａの
幅方向の一端側の位置で点状の像Ｋｂをつくる。
に示すように、照射点Ｓが集光レンズ部２５ｂに対向す
る範囲内まで移動すると、照射点Ｓから反射、散乱した
光は、主に集光レンズ部２５ｂによって集束され、結像
レンズ２６に対してその光軸に角度のある状態で入射
し、結像レンズ２６は、受光素子２７の受光面２７ａの
幅方向の一端側の位置で点状の像Ｋｂをつくる。
【００３８】以下同様に、照射点Ｓが所定範囲（ここで
は３０ｍｍ）を走査される間に、受光素子２７の受光面
２７ａ上の像Ｋは、レンズアレイ２５の集光レンズ部の
数に等しい回数だけ幅方向に一端から他端まで移動しな
がら、測定対象物１の表面１ａの高さの変位に応じて縦
方向に移動し、受光素子２７からは、測定対象物１の表
面１ａの高さ変位に正確に対応した信号が出力され、こ
の信号に基づいて、測定対象表面の変位を測定すること
ができる。
は３０ｍｍ）を走査される間に、受光素子２７の受光面
２７ａ上の像Ｋは、レンズアレイ２５の集光レンズ部の
数に等しい回数だけ幅方向に一端から他端まで移動しな
がら、測定対象物１の表面１ａの高さの変位に応じて縦
方向に移動し、受光素子２７からは、測定対象物１の表
面１ａの高さ変位に正確に対応した信号が出力され、こ
の信号に基づいて、測定対象表面の変位を測定すること
ができる。
【００３９】このように、実施形態の変位測定装置で
は、複数の球面集束型の集光レンズ部が投光部のビーム
走査方向と平行に一列に連続した状態で並んでいるレン
ズアレイによって照射点からの光をほぼ平行なビームに
集束し、このビームを球面集束型の結像レンズで受光素
子の受光面上に点状に集束させるようにしている。
は、複数の球面集束型の集光レンズ部が投光部のビーム
走査方向と平行に一列に連続した状態で並んでいるレン
ズアレイによって照射点からの光をほぼ平行なビームに
集束し、このビームを球面集束型の結像レンズで受光素
子の受光面上に点状に集束させるようにしている。
【００４０】このため、測定対象物の表面が粗な場合で
も、受光素子の受光面上の像が広がってぼけることがな
く、精度の高い変位測定ができる。
も、受光素子の受光面上の像が広がってぼけることがな
く、精度の高い変位測定ができる。
【００４１】また、ビームの走査範囲より径が大きい１
つの球面集束型の集光レンズのみで照射点からの光をほ
ぼ平行に集束して結像レンズ２６へ出射する方式に比べ
て、受光面の幅が小さい受光素子を用いることができ
る。つまり、この種の受光素子はその幅が大きい程の応
答速度が遅くなることが知られているので、上記したよ
うに、小さな複数の集光レンズ部で照射点からの光を集
束するように構成することで、受光面の幅が小さい応答
速度の速い受光素子を用いることができ、走査速度を上
げて受光素子からの信号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。
つの球面集束型の集光レンズのみで照射点からの光をほ
ぼ平行に集束して結像レンズ２６へ出射する方式に比べ
て、受光面の幅が小さい受光素子を用いることができ
る。つまり、この種の受光素子はその幅が大きい程の応
答速度が遅くなることが知られているので、上記したよ
うに、小さな複数の集光レンズ部で照射点からの光を集
束するように構成することで、受光面の幅が小さい応答
速度の速い受光素子を用いることができ、走査速度を上
げて受光素子からの信号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。
【００４２】なお、上記実施形態では、ビームの走査範
囲３０ｍｍに対して５つの集光レンズ部２５ａ〜２５ｅ
を有するレンズアレイ２５を用いていたが、これは本発
明を限定するものでない。例えば、より外形の小さい集
光レンズ部（例えば幅２ｍｍ）をより多く（例えば１５
個）用いるようにしてもよく、このように集光レンズ部
の幅を小さくすれば、受光素子の受光面の幅をさらに小
さくすることができ、受光素子から出力される信号に対
する処理速度をさらに上げることができる。
囲３０ｍｍに対して５つの集光レンズ部２５ａ〜２５ｅ
を有するレンズアレイ２５を用いていたが、これは本発
明を限定するものでない。例えば、より外形の小さい集
光レンズ部（例えば幅２ｍｍ）をより多く（例えば１５
個）用いるようにしてもよく、このように集光レンズ部
の幅を小さくすれば、受光素子の受光面の幅をさらに小
さくすることができ、受光素子から出力される信号に対
する処理速度をさらに上げることができる。
【００４３】また、各集光レンズ部の焦点距離ｆ１と結
像レンズ２６の焦点距離ｆ２の比ｆ２／ｆ１を小さくす
れば受光素子の幅も小さくできるが、このために結像レ
ンズ２６の焦点距離ｆ２を小さくすると収差が悪化し、
集光レンズ部の焦点距離ｆ１を大きくすると受光量が低
下するため、被測定表面の状態や測定に要求される精度
等に応じて、各レンズの外形、焦点距離等を決定すれば
よい。
像レンズ２６の焦点距離ｆ２の比ｆ２／ｆ１を小さくす
れば受光素子の幅も小さくできるが、このために結像レ
ンズ２６の焦点距離ｆ２を小さくすると収差が悪化し、
集光レンズ部の焦点距離ｆ１を大きくすると受光量が低
下するため、被測定表面の状態や測定に要求される精度
等に応じて、各レンズの外形、焦点距離等を決定すれば
よい。
【００４４】また、前記実施形態のレンズアレイ２５
は、複数の集光レンズ部が合成樹脂あるいはガラスで一
体成形されていたが、個別につくられた複数の集光レン
ズを接着して一体化してもよく、また、各集光レンズを
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。
は、複数の集光レンズ部が合成樹脂あるいはガラスで一
体成形されていたが、個別につくられた複数の集光レン
ズを接着して一体化してもよく、また、各集光レンズを
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。
【００４５】また、前記実施形態では、レンズアレイ２
５の各集光レンズ部および結像レンズ２６を、一方の面
が実際に球面状に形成されている球面集束型のレンズを
用いていたが、光をその光軸の周りに均等にしぼり込む
ことができる球面集束型の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。
５の各集光レンズ部および結像レンズ２６を、一方の面
が実際に球面状に形成されている球面集束型のレンズを
用いていたが、光をその光軸の周りに均等にしぼり込む
ことができる球面集束型の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。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の変位測定
装置は、光をその光軸の周りに均等にしぼり込むことが
できる球面集束型の複数の集光レンズ部がビーム走査方
向と平行に一列に並んでいるレンズアレイによって、照
射点からの光をほぼ平行なビームにし、このビームを球
面集束型の結像レンズで受光素子の受光面に集束させる
ようにしている。
装置は、光をその光軸の周りに均等にしぼり込むことが
できる球面集束型の複数の集光レンズ部がビーム走査方
向と平行に一列に並んでいるレンズアレイによって、照
射点からの光をほぼ平行なビームにし、このビームを球
面集束型の結像レンズで受光素子の受光面に集束させる
ようにしている。
【００４７】このため、測定対象物の表面が粗な場合で
も、受光素子の受光面上の照射点の像が広がってぼける
ことがなく、しかも、受光面の幅の小さい応答速度が速
い受光素子を用いることができ、精度の高い変位測定を
高速に行なえる。
も、受光素子の受光面上の照射点の像が広がってぼける
ことがなく、しかも、受光面の幅の小さい応答速度が速
い受光素子を用いることができ、精度の高い変位測定を
高速に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の構成を示す斜視図
【図２】実施形態の側面図
【図３】実施形態の受光部をその光軸に直交する向きで
上からみた図
上からみた図
【図４】実施形態の受光部をその光軸が水平となる向き
で側方からみた図
で側方からみた図
【図５】光による変位測定の原理図
【図６】従来の走査型の変位測定装置の構成を示す斜視
図
図
【図７】従来装置の動作を説明するための図
【図８】従来装置の結像パターンを示す図
２１ 光源 ２２ 偏向装置 ２３ レンズ ２５ レンズアレイ ２５ａ〜２５ｅ 集光レンズ部 ２６ 結像レンズ ２７ 受光素子 ２７ａ 受光面
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01C 3/06
Claims (1)
- 【請求項１】同一平面上で所定範囲を光軸が平行に移動
するビームを測定対象面に出射して、該測定対象面上の
ビームの照射点を走査する投光部と、 測定対象面上の照射点からの光を受けて該照射点の像を
受光素子の受光面上に結像させ、前記受光素子の受光面
上の光の結像位置に対応する信号を出力させる受光部と
を有し、 前記受光素子から出力される信号に基づいて前記照射点
の走査方向に沿った前記測定対象面の変位を測定する変
位測定装置において、 前記受光部は、 外形寸法が前記ビームの走査幅より小さく焦点距離がそ
れぞれ等しい複数の球面集束型の集光レンズ部が、それ
ぞれの光軸を平行に且つ該光軸と直交する線上に連続し
た状態で一列に並んで形成され、前記各集光レンズ部の
光軸が測定対象面上を走査される照射点に交わる向き
で、該照射点までの距離が前記焦点距離とほぼ等しくな
る位置に配置され、前記照射点からの光を前記各集光レ
ンズ部によって集束するレンズアレイと、 前記レンズアレイの各集光レンズ部によって集束された
ビームを前記受光素子の受光面上に集束させて、該受光
面上に測定対象面上の照射点の像を結像させる球面集束
型の結像レンズとを備えていることを特徴とする変位測
定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25775897A JP3326682B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 変位測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25775897A JP3326682B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 変位測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1183426A JPH1183426A (ja) | 1999-03-26 |
| JP3326682B2 true JP3326682B2 (ja) | 2002-09-24 |
Family
ID=17310696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25775897A Expired - Fee Related JP3326682B2 (ja) | 1997-09-04 | 1997-09-04 | 変位測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3326682B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108236505B (zh) * | 2013-04-30 | 2021-02-26 | 株式会社高迎科技 | 标记单元信息获取方法 |
-
1997
- 1997-09-04 JP JP25775897A patent/JP3326682B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH1183426A (ja) | 1999-03-26 |
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