JP4112112B2 - 変位測定装置 - Google Patents

Description

【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５４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５４ａ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７０ａ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６６ａ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６４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５４ｂ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５４ａ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５４ａ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；８３ｎｓ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５４ｂ，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、
照射光を屈曲させて一定の振り幅で走査させる偏向装置を備え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であって応答性の劣る部分に、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。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の変位測定装置において、前記受光素子の受光面には、前記測定対象面の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であって応答性の劣る部分に、それぞれ所定幅で前記光を遮蔽する他のマスク部を形成したことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項３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４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２４ｍｍ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Ｌ２１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Ｌ２、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Ｌ２３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２０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７ａ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９ａ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３０ａ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Ｌ２２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７ａ〜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〜７ｆ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ｗ２３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２１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２３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ＲＵ，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３６ｍｍ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７ａ〜７ｆの焦点距離ｆ１と、結像レンズ８の焦点距離ｆ２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〜７ｆ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，９ｄ…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）。

Claims (4)

1. 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、
   照射光を屈曲させて一定の振り幅で走査させる偏向装置を備え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であって応答性の劣る部分に、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。
2. 前記受光素子の受光面には、前記測定対象面の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であって応答性の劣る部分に、それぞれ所定幅で前記光を遮蔽する他のマスク部を形成したことを特徴とする請求項１記載の変位測定装置。
3. 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２のいずれかに記載の変位測定装置。
4. 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２のいずれかに記載の変位測定装置。

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