JPH07117412B2

JPH07117412B2 - 距離測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH07117412B2
Application number: JP21962391A
Authority: JP
Inventors: 健夫渡邊
Original assignee: Shin Nippon Koki KK
Current assignee: Shin Nippon Koki KK
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1991-08-30
Publication date: 1995-12-18
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: JPH0560556A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、合焦程度を測定するこ
とによって被測定点までの距離を測定する方法の一つで
ある、非点収差式の距離測定方法及び装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来、被測定点までの絶対距離や、被測
定点自身の基準位置からの移動距離（すなわち変位量）
を測定する方法として、非点収差法がよく知られてい
る。

【０００３】この方法の原理を図７に基づいて説明す
る。図において、Ｐは光軸１上に位置する被測定点であ
り、この被測定点Ｐからの光線束が対物レンズ２、さら
には円柱レンズ３を通して受光素子４に導かれる。ここ
で、上記光線束を円柱レンズ３に通すことにより非点収
差が生じるため、被測定点Ｐが所定の基準位置Ｐ_Oにあ
る場合には、受光素子４に投射される像は図８（ｂ）に
示すような円５となるが、被測定点Ｐが光軸１上におい
て上記基準位置Ｐ_Oよりも対物レンズ２に近い位置Ｐ_Sに
ある場合には、受光素子４に投射される像は図８（ａ）
に示すような横長楕円６となり、被測定点Ｐが光軸１上
において上記基準位置Ｐ_Oよりも対物レンズ２から遠い
位置Ｐ_Lにある場合には、受光素子４に投射される像は
図８（ｃ）に示すような縦長楕円７となる。従って、こ
のような像の変化を受光面が複数に分割された（例えば
４分割の）受光素子４で読み取ることにより、被測定点
Ｐが基準位置Ｐ_Oを基準としてどの位置にあるかを測定
することが可能となる。

【０００４】このような非点収差の原理による測定方法
を実際に利用するに際しては、受光量の変化による誤差
を少なくするために、得られたデータを受光総量で除し
たり、受光総量が一定となるように発光量を制御したり
することが行われている。しかしながら、実際の被測定
点が旋削面等のように傾斜の比較的大きな曲面上や鋭い
エッジをもつ段差上に位置する場合の測定時には、回折
像の影響等によって特定の受光面にのみ局部的に非常に
強度の高い光が入射されるため、これに起因して被測定
面の断面曲線の振幅が実際よりも数倍から十数倍大きく
測定されるおそれがある。すなわち、単純な非点収差方
法による測定では、被測定面の表面状態の影響、換言す
れば受光線束の光強度分布のバラツキによる影響を大き
く受けるため、常に高精度の測定を行うことは困難とな
っている。

【０００５】そこで、特開昭６２−２１０９号公報や特
開昭６２−２１１０号公報には、被測定点からの受光線
束をビームスプリッタで２方向に分割し、一方の光線束
を従来の非点収差法と同様に円柱レンズを通して第１の
４分割受光素子上に入射し、他方の光線束を上記円柱レ
ンズと相対的に９０°回転して配置された別の円柱レン
ズを通して第２の４分割受光素子上に入射し、第１の４
分割受光素子の出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４から得られ
る演算値Ｓ_A＝｛(Ａ１＋Ａ３）−（Ａ２＋Ａ４)｝／（Ａ１＋Ａ２＋Ａ３＋Ａ４）と、第２の４分割受光素子の出力Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ
４から得られる演算値Ｓ_B＝｛(Ｂ１＋Ｂ３）−（Ｂ２＋Ｂ４)｝／（Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３＋Ｂ４）との差動出力Ｓ_g（＝Ｓ_A−Ｓ_B）を取ることにより、前
記影響の軽減を図るようにしたものが開示されるに至っ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記方法によれば、特
定の受光面にのみ局部的に強度の高い（あるいは低い）
光が入射された場合に、この光線による測定精度への悪
影響を緩和することができる。しかしながら、このよう
な悪影響を完全に削除することは極めて困難であり、よ
り測定精度を高めることができる方法及び装置の開発が
大きな課題となっている。

【０００７】本発明は、このような事情に鑑み、被測定
点より発せられる光線束の光強度分布にバラツキがある
場合にも、これによる影響を完全に相殺して高精度の距
離測定を行うことができる距離測定方法及び装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、光軸上の被測
定点から受ける光線束を少なくとも対物レンズ及び円柱
レンズを通して４分割受光素子に照射し、この受光素子
の出力に基づいて上記被測定点の距離を測定する非点収
差式の距離測定方法において、上記光線束を対物レンズ
に通した後にビームスプリッタで２方向に分割し、分割
した一方の光線束を円柱レンズに通して第１の４分割受
光素子に入射させるとともに、他方の光線束を円柱レン
ズを介さずに第２の４分割受光素子に入射させ、このと
きの上記第１の４分割受光素子の感知出力Ａ１，Ａ２，
Ａ３，Ａ４と、これらの感知出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ
４にそれぞれ対応する第２の４分割受光素子の感知出力
Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４とにより与えられる下式の値Ｓ＝（Ａ１＋Ａ３)／(Ｂ１＋Ｂ３)−(Ａ２＋Ａ４)／(Ｂ２＋Ｂ４) を算出し、この値Ｓに基づいて上記被測定点の距離を演
算するものである。

【０００９】また本発明は、上記方法を実現する装置で
あって、被測定点に光線を照射する光源と、上記被測定
点で反射されてきた光線束を通す対物レンズと、この対
物レンズを通った光線束を２方向に分割するビームスプ
リッタと、このビームスプリッタで分割された各光線束
がそれぞれ入射される位置に設けられた第１の４分割受
光素子及び第２の４分割受光素子と、第１の４分割受光
素子とビームスプリッタとの間に設けられた円柱レンズ
と、上記第１の４分割受光素子の感知出力Ａ１，Ａ２，
Ａ３，Ａ４とこれらの感知出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４
にそれぞれ対応する第２の４分割受光素子の感知出力Ｂ
１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４とにより与えられる上記値Ｓを算
出し、この値Ｓに基づいて上記被測定点の距離を演算す
る距離演算手段とを備えたものである。

【００１０】

【作用】上記構成によれば、ビームスプリッタで２方向
に分割された光線束のうち、一方の光線束は円柱レンズ
を通して第１の４分割受光素子に入射され、他方の光線
束は円柱レンズを介さずに第２の４分割受光素子に入射
されるので、もし上記光線束の光強度分布にバラツキが
あって第１の４分割受光素子の特定面にのみ非常に強度
の高い（あるいは低い）光線が入射された場合には、こ
の受光面に対応する第２の４分割受光素子の受光面にも
同様に上記の強度の高い（あるいは低い）光線が入射さ
れることとなる。従って、後に実施例の項でも詳述する
ように、各部品間の光軸が十分に合致しており、各４分
割受光素子に入射される像に十分な対称性が認められる
場合には、上記第１の４分割受光素子の感知出力Ａ１，
Ａ２，Ａ３，Ａ４のうち楕円長軸（あるいは楕円短軸）
に対応する出力値同士の和（Ａ１＋Ａ３）及び楕円短軸
（あるいは楕円長軸）に対応する出力値同士の和（Ａ２
＋Ａ４）をそれぞれこれらに対応する第２の４分割受光
素子の感知出力の和（Ｂ１＋Ｂ３），（Ｂ２＋Ｂ４）で
除してその差をとった値、すなわち、下式の値Ｓ＝（Ａ１＋Ａ３)／(Ｂ１＋Ｂ３)−(Ａ２＋Ａ４)／(Ｂ２＋Ｂ４) を算出することにより、この値Ｓに基づいて上記被測定
点の距離を高精度で演算することができる。

【００１１】

【実施例】本発明方法の一実施例を図１に基づいて説明
する。

【００１２】まず、図示のように光軸１上に位置する被
測定点Ｐから発せられた光線束１０を対物レンズ１２に
通し、ビームスプリッタ１４で２方向（図例では右方と
下方）に分割する。分割した一方の光線束１６について
は、これを円柱レンズ１８に通して非点収差を生じさせ
てから第１の４分割受光素子２０Ａの各受光面に入射さ
せる。これにより、この第１の４分割受光素子２０Ａの
受光面には、被測定点Ｐの位置に応じて図に斜線で示す
ような楕円形あるいは円形の像が形成され、各受光面に
ついて個別に感知出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４が得られ
る。これに対し、分割した他方の光線束２２について
は、これを円柱レンズを介さずに第２の４分割受光素子
２０Ｂの各受光面に入射させる。これにより、この第２
の４分割受光素子２０Ｂの受光面には、被測定点Ｐの位
置にかかわらず図に斜線で示すような円形の像が形成さ
れ、各受光面について個別に、上記出力Ａ１，Ａ２，Ａ
３，Ａ４に対応する感知出力Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４が
得られる。

【００１３】なお、上記各４分割受光素子２０Ａ，２０
Ｂとしては、例えば４分割フォトダイオード等、４つの
受光面を有し、かつ各受光面の受光量を個別に電気信号
に変換する種々のものが適用可能である。また図１で
は、各４分割受光素子２０Ａ，２０Ｂのさらに後方にそ
れぞれの受光面をそのまま後方へ倒した状態の図を描い
てある。

【００１４】上記測定動作において、仮に、光線束１０
の一部に非常に強い（あるいは弱い）光線（以下、特異
な光線と称する。）２４が混じっていたとし、この特異
な光線２４が４分割受光素子２０Ａの感知出力Ａ１に影
響する部分２６Ａに至ったとすると、これと同時に、上
記特異な光線２４はビームスプリッタ１４で分割された
後に第２の４分割受光素子２０Ｂの感知出力Ｂ１に影響
する部分２６Ｂにも必ず至ることとなる。従って、上記
特異な光線２４が第１の４分割受光素子２０Ａのどの受
光面に入射されたとしても、各部品間の光軸が十分に合
致しており、第１の４分割受光素子２０Ａに投射される
像に十分な対称性が認められる場合には、１の４分割受
光素子２０Ａの出力値Ａ１〜Ａ４のうち、楕円長軸（ま
たは短軸）に対応する出力同士の和（Ａ１＋Ａ３)、及
び楕円短軸（または長軸）に対応する出力同士の和（Ａ
２＋Ａ４)、をそれぞれの出力に対応する出力同士の和
（Ｂ１＋Ｂ３)，(Ｂ２＋Ｂ４）で除すことにより、光強
度分布のバラツキを完全に相殺することができ、よっ
て、次の式及び式により、例えば対物レンズ１２か
ら被測定点Ｐまでの距離Ｌを光強度分布のバラツキに関
係なく正確に算出することができる。Ｌ＝Ｆ(Ｓ)≒Ｌo ＋ｋＳ … Ｓ＝（Ａ１＋Ａ３)／(Ｂ１＋Ｂ３)−(Ａ２＋Ａ４)／(Ｂ２＋Ｂ４) … なお、式においてＬo は基準距離、すなわち第１の４
分割受光素子２０Ａに投影される像が円形となるときの
対物レンズ１２から被測定点Ｐまでの距離であり、ｋは
比例定数である。

【００１５】次に、上記式の演算により光線束１０の
光強度のバラツキによる影響が相殺されることを理論的
に証明する。

【００１６】まず、第２の４分割受光素子２０Ｂにおけ
る各感知出力Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４は、それぞれ、被
測定点Ｐからの受光線束１０の断面光強度分布及び受光
面積に比例するが、受光像が円形であるため各受光面の
受光面積は全て等しいとみなすことができ、よって各出
力Ｂ１〜Ｂ４は断面光強度分布のみに比例することとな
る。そこで、各受光面の受光線束の光強度をｂ₁，ｂ₂，
ｂ₃，ｂ₄、比例定数をｋ_Bとすると、各出力Ｂ１〜Ｂ４
はＢ１＝ｋ_Bｂ₁；Ｂ２＝ｋ_Bｂ₂；Ｂ３＝ｋ_Bｂ₃；Ｂ４＝ｋ_Bｂ₄ … と表すことができる。

【００１７】これに対し、第１の４分割受光素子２０Ａ
における各感知出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４は、それぞ
れ、上記光強度ｂ₁，ｂ₂，ｂ₃，ｂ₄及び受光面積に比例
するので、各受光面積をａ₁，ａ₂，ａ₃，ａ₄、比例定数
をｋ_Aとすると、Ａ１＝ｋ_Aａ₁ｂ₁；Ａ２＝ｋ_Aａ₂ｂ₂；Ａ３＝ｋ_Aａ₃ｂ₃；Ａ４＝ｋ_Aａ₄ｂ₄ … と表すことができる。ここで、各部品間の光軸が十分に
合致しており、第１の４分割受光素子２０Ａに投射され
る像に十分な対称性が認められる場合には、ａ₃＝ａ₁，
ａ₄＝ａ₂とおくことができる。これを上記式に代入す
ると、Ａ１＝ｋ_Aａ₁ｂ₁；Ａ２＝ｋ_Aａ₂ｂ₂；Ａ３＝ｋ_Aａ₁ｂ₃；Ａ４＝ｋ_Aａ₂ｂ₄ …´ となる。この´式及び上記式を上記式に代入する
ことにより、次式が得られる。Ｓ＝（ｋ_A／ｋ_B)(ａ₁−ａ₂) … この式から明らかなように、上記断面光強度分布ｂ₁〜
ｂ₄は相殺され、Ｓは受光面積ａ₁，ａ₂の差に比例する
関数となるので、このＳに基づき、断面光強度のバラツ
キに影響を受けることなく前記式により正確な距離Ｌ
を演算することができる。

【００１８】さらに、図１に示すようにビームスプリッ
タ１４の前方に適当な直径の円形開口部をもつ絞り２８
を設け、光線束１０の周辺部の不安定光線束を除去する
ようにすれば、４分割受光素子２０Ａ，２０Ｂに至る光
線束１６，２２がよりシャープなものとなり、測定値を
さらに安定させることができる。

【００１９】また図１では、ビームスプリッタ１４を透
過した光線束１６を円柱レンズ１８に通してから第１の
４分割受光素子２０Ａに入射させ、ビームスプリッタ１
４で反射された光線束２２を直接、第２の４分割受光素
子２０Ｂに入射させるようにしたものを示したが、逆
に、ビームスプリッタ１４で透過した光線束を直接４分
割受光素子に入射させ、ビームスプリッタ１４で反射さ
れた光線束を円柱レンズ１８に通してから上記４分割受
光素子と異なる４分割受光素子に入射させるようにして
もよい。この場合、前者の４分割受光素子を第２の４分
割受光素子、後者の４分割受光素子を第１の４分割受光
素子として上記実施例と同様に式、式の演算を行う
ことにより、正確な距離を求めることができる。

【００２０】また、図１のビームスプリッタ１４と円柱
レンズ１８との間または円柱レンズ１８と４分割受光素
子２０Ａとの間、及びビームスプリッタ１４と４分割受
光素子２０Ｂとの間などの適当な位置に適当な焦点距離
の凸レンズや凹レンズ（いずれも図示せず）を入れるこ
とによって、それぞれの４分割受光素子２０Ａ，２０Ｂ
の位置をそれぞれの光軸上の望ましい位置に定めること
も可能である。

【００２１】また、対物レンズ１２等からの被測定点Ｐ
の絶対距離Ｌではなく、基準位置からの被測定点Ｐの変
位量（すなわち移動距離）ｕを求めたい場合には、次式ｕ＝ｆ(ｓ)≒ｋＳ … により上記変位量ｕを容易に求めることができる。

【００２２】次に、上記方法を実施するのに好適な装置
の一例を図２に示す。

【００２３】この装置は、レーザ発光体等で構成される
光源３０を備え、その前方（図では左方）に、非球面レ
ンズ３２、凹レンズ３４、ピンホール３６、偏光ビーム
スプリッタ３８、λ／４波長板４０、及び対物レンズ１
２が順に配設されている。上記偏光ビームスプリッタ３
８の下方には、絞り２８、ビームスプリッタ１４、及び
第２の４分割受光素子２０Ｂが順に配され、ビームスプ
リッタ１４の後方（図では右方）には、円柱レンズ１８
及び第１の４分割受光素子２０Ａが順に配設されてお
り、以上の部品は図外のフレーム内に組み込まれてい
る。２つの４分割受光素子２０Ａ，２０Ｂは演算処理装
置（距離演算手段）５０に接続されており、各受光素子
２０Ａ，２０Ｂの感知出力Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４が演
算処理装置５０に入力されるようになっている。

【００２４】演算処理装置５０は、一例として図３に示
すような演算回路を備えている。図において、５１〜５
４は加算器、５５，５６は除算器、５７は減算器、５８
は演算出力である。この回路により、演算処理装置５０
は前記式に示した値Ｓを演算し、この値Ｓに基づき距
離Ｌや変位量ｕの演算を行うように構成されている。

【００２５】次に、この装置の作用を説明する。

【００２６】光源３０から発せられた光線束４２は、非
球面レンズ３２で集束され、凹レンズ３４で所定の焦点
長を有する光線束に修形された後、ピンホール３６でシ
ャープな断面真円状の光線束４３に整形され、偏光ビー
ムスプリッタ３８、λ／４波長板４０、対物レンズ１２
を順次経て被測定面４４上の被測定点Ｐに集光される。
この被測定点Ｐで反射された光は、あたかも被測定点自
身Ｐから発せられたかのように光線束１０となって対物
レンズ１２及びλ／４波長板４０を通り、偏光ビームス
プリッタ３８で下方に反射される。この光線束は、絞り
２８で不安定成分が除去された後、ビームスプリッタ１
４で下方と後方との２方向に分割される。分割された一
方の光線束１６は、円柱レンズ１８で非点収差を生じた
後に第１の４分割受光素子２０Ａに至り、他方の光線束
２２はそのまま第２の４分割受光素子２０Ｂに至る。各
受光素子２０Ａ，２０Ｂの感知出力Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜
Ｂ４は演算処理装置５０に入力され、この演算処理装置
５０で演算された距離Ｌや変位量ｕの値に関する信号は
図外の表示装置や別の演算処理装置等へ出力されること
となる。

【００２７】なお、図２には明示していないが、外乱光
の影響をなるべく小さくするためには、光学系の途中、
例えば対物レンズ１２の前後や絞り２８の前後に光源３
０の発光波長に応じた干渉フィルタを挿入したり、光源
３０に変調をかけて使用したりすることが必要である。

【００２８】また、測定範囲全域で安定した測定結果を
得るためには、被測定点Ｐの直径を可能な限り小さく
し、被測定点Ｐが対物レンズ１２に対して前後に移動し
ても被測定点Ｐの大きさが変わらないようにすることが
望ましいので、対物レンズ１２を通って被測定点Ｐに至
る光線束４３がなるべく断面直径が小さく平行な光線束
となるように光源３０、非球面レンズ３２、凹レンズ３
４、ピンホール３６等の位置や焦点距離、径等を適当に
定めることが望ましい。

【００２９】また、このような断面極小で平行な光線束
４３を形成する場合には、図２に示したピンホール３６
や高価な偏光ビームスプリッタ３８を用いる代わりに、
図４に示すような鏡板７０を用いることも可能であり、
これによって高価なλ／４波長板４０を省略することも
可能になる。この鏡板７０は、４５°傾斜した小さな貫
通孔７２を中央に有しており、従って、この貫通孔７２
の開口形状は４５°の楕円となっている。このような鏡
７０を図４に示すように４５°傾けた状態で上記偏光ビ
ームスプリッタ３８に代えてこれと同位置に配設するこ
とにより、光線束４２は上記貫通孔７２を通って光線束
４３となって被測定点Ｐへ照射され、反射されて戻って
きた光線束１０、すなわち上記光線束４３よりも断面積
が非常に大きくなっている光線束１０は、その大部分が
上記貫通孔７２以外の領域で下方に反射され、ビームス
プリッタ１４へ導入されることとなる。

【００３０】このような鏡板７０を使用した場合には、
図５（ａ）〜（ｃ）及び同図（ｄ）に示すように、第１
の４分割受光素子２０Ａの受光面上に形成される像７
６，７７，７８及び第２の４分割受光素子２０Ｂの受光
面上に形成される像７９の中央に中空部７６´，７７
´，７８´，７９´が形成されることとなるが、これら
の中空部７６´〜７９´の形状は像７６〜７９の形状に
それぞれ対応しているので、発光強度がある程度高けれ
ば、測定精度にほとんど影響を及ぼすことはない。ただ
し、前記実施例で示したような偏光ビームスプリッタ３
８及びλ／４波長板４０を用いるようにすれば、反射し
てきた光線束１０の一部が光源３０に逆戻りすることを
ほぼ完全に防ぐことができ、これにより光源３０の発光
をより安定させることが可能である。

【００３１】なお、本発明では、各光線束の方向を問わ
ず、例えば被測定点に対して下方から光線を照射するよ
うな装置にも上記実施例と同様にして容易に適用するこ
とができる。

【００３２】また本発明では、ビームスプリッタの種類
を問わず、図１，２に示す直角プリズム式のものの他、
受光線束を２方向に分割する種々のビームスプリッタが
適用可能である。

【００３３】また、対物レンズ１２のゆがみや絞り２８
の不整形等により、第１の４分割受光素子２０Ａに投射
される像に完全な対称性が認められない場合でも、前記
式で示した値Ｓに代え、次の´式に示す値Ｓ´を用
いることにより、上記対称性を害することによる測定結
果への悪影響を抑えることが可能である。Ｓ´＝（Ａ１/Ｂ１＋Ａ３/Ｂ３）−（Ａ２/Ｂ２＋Ａ４/Ｂ４） …´ すなわち、この値Ｓ´は、その感知出力Ａ１〜Ａ４をこ
れに対応する第２の４分割受光素子２０Ｂの感知出力Ｂ
１〜Ｂ４で除することにより、上記特異な光線２４によ
る測定精度への影響を相殺し、各比Ａ１／Ｂ１，Ａ２／
Ｂ２，Ａ３／Ｂ３，Ａ４／Ｂ４，を用いて第１の４分割
受光素子２０Ａにおける長軸と短軸との寸法差の度合い
を表したものである。

【００３４】この´式は、第１の４分割受光素子２０
Ａに入射される対称性にかかわらず光強度分布の影響が
完全に相殺されているものであり、以下にその証明を行
う。まず、第１の４分割受光素子２０Ａの出力Ａ１〜Ａ
４及び第２の４分割受光素子２０Ｂの出力Ｂ１〜Ｂ４は
前記実施例と同様にＢ１＝ｋ_Bｂ₁；Ｂ２＝ｋ_Bｂ₂；Ｂ３＝ｋ_Bｂ₃；Ｂ４＝ｋ_Bｂ₄ … Ａ１＝ｋ_Aａ₁ｂ₁；Ａ２＝ｋ_Aａ₂ｂ₂；Ａ３＝ｋ_Aａ₃ｂ₃；Ａ４＝ｋ_Aａ₄ｂ₄ … で表される。これらを前記´式に代入すると、次式が
得られる。Ｓ´＝（ｋ_A／ｋ_B){(ａ₁＋ａ₃)−(ａ₂＋ａ₄)} …´ ここに示される値Ｓ´は、前記式で示された値Ｓと同
様に光強度分布ｂ₁〜ｂ₄と無関係で、受光面積ａ₁，
ａ₂，ａ₃，ａ₄のみの関数となっており、第１の４分割
受光素子２０Ａの受ける像の長軸と短軸との差によって
決まる値である。よって、この値Ｓ´を用いても光強度
分布に影響を受けない正確な距離が得られるのは明らか
である。また、この´式においてａ₃＝ａ₁、ａ₄＝ａ₂
とすれば、次式Ｓ´＝２（ｋ_A／ｋ_B)(ａ₁−ａ₂) … が得られるが、この値Ｓ´と、上記式で与えられる値
Ｓとが等価であることは明らかである。

【００３５】なお、上記´式の演算を行うには、例え
ば図６に示すような演算回路を用いるようにすればよ
い。なお、同図において６１〜６４は除算器、６５，６
６は加算器、６７は減算器、６８は演算出力である。

【００３６】この図６と前記図３とを比較して明らかな
ように、前記式に示した演算方式によれば、後の´
式に示した演算方式と比べて高価な除算器を半分の２個
に済ますことができ、その分コストの削減を図ることが
可能である。また、感知出力Ｂ１〜Ｂ４のうちのいずれ
かの出力値が極端に微弱である場合、この出力値がその
まま分母となる´式の演算では非常に不安定な出力が
得られることになるが、上記式による演算方式では、
感知出力Ｂ１，Ｂ３の和（Ｂ１＋Ｂ３）、及び感知出力
Ｂ２，Ｂ４の和（Ｂ２＋Ｂ４）がそれぞれ分母となるの
で、感知出力Ｂ１〜Ｂ４のうちのいずれか１つが極端に
微弱であっても分母の値までが微弱となることはほとん
どなく、従って演算出力値をより安定させることができ
る。

【００３７】ただし、前記´式に示した演算方式によ
れば、受光像の対称性に誤差がある場合にも、これによ
る測定結果への影響を削減することができる利点があ
る。

【００３８】

【発明の効果】以上のように本発明は、被測定点から受
ける光線束を対物レンズに通した後にビームスプリッタ
で２方向に分割し、一方の光線束を円柱レンズを通して
第１の４分割受光素子に、他方の光線束を円柱レンズを
介さずに第２の４分割受光素子にそれぞれ入射させ、上
記第１の４分割受光素子の感知出力Ａ１〜Ａ４と、これ
らの感知出力にそれぞれ対応する第２の４分割受光素子
の感知出力Ｂ１〜Ｂ４とにより与えられる次式の値Ｓ＝（Ａ１＋Ａ３)／(Ｂ１＋Ｂ３)−(Ａ２＋Ａ４)／(Ｂ２＋Ｂ４) に基づいて上記被測定点の距離を演算するものであるの
で、被測定点から受ける光線束の光強度分布にバラツキ
がある場合でも、その影響を完全に相殺することがで
き、これにより高精度の距離測定を行うことができる効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の一実施例を説明するための光学系
の構成図である。

【図２】上記方法を実現するための距離測定装置の一例
を示す構成図である。

【図３】上記方法における演算に要する回路を示した図
である。

【図４】上記距離測定装置において偏向ビームスプリッ
タの代用となり得る鏡板の断面正面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）（ｃ）は上記鏡板を使用した時に
第１の４分割受光素子の受光面に形成される像を示す正
面図、（ｄ）は上記鏡板を使用した時に第２の４分割受
光素子の受光面に形成される像を示す正面図である。

【図６】他の方法における演算に要する回路を示した図
である。

【図７】非点収差法の原理を説明するための光学系の構
成図である。

【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）は非点収差により４分割受
光素子の受光面に形成される像を示す図である。

【符号の説明】

１０被測定点から受ける光線束１２対物レンズ１４ビームスプリッタ１８円柱レンズ２０Ａ第１の４分割受光素子２０Ｂ第２の４分割受光素子３０光源５０演算処理装置（距離演算手段）Ａ１〜Ａ４第１の４分割受光素子の感知出力Ｂ１〜Ｂ４第２の４分割受光素子の感知出力Ｐ被測定点

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸上の被測定点から受ける光線束を少
なくとも対物レンズ及び円柱レンズを通して４分割受光
素子に照射し、この受光素子の出力に基づいて上記被測
定点の距離を測定する非点収差式の距離測定方法におい
て、上記光線束を対物レンズに通した後にビームスプリ
ッタで２方向に分割し、分割した一方の光線束を円柱レ
ンズに通して第１の４分割受光素子に入射させるととも
に、他方の光線束を円柱レンズを介さずに第２の４分割
受光素子に入射させ、このときの上記第１の４分割受光
素子の感知出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４と、これらの感
知出力Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４にそれぞれ対応する第２
の４分割受光素子の感知出力Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と
により与えられる下式の値Ｓ＝（Ａ１＋Ａ３)／(Ｂ１＋Ｂ３)−(Ａ２＋Ａ４)／(Ｂ２＋Ｂ４) を算出し、この値Ｓに基づいて上記被測定点の距離を演
算することを特徴とする距離測定方法。
【請求項２】被測定点に光線を照射する光源と、上記
被測定点で反射されてきた光線束を通す対物レンズと、
この対物レンズを通った光線束を２方向に分割するビー
ムスプリッタと、このビームスプリッタで分割された各
光線束がそれぞれ入射される位置に設けられた第１の４
分割受光素子及び第２の４分割受光素子と、第１の４分
割受光素子とビームスプリッタとの間に設けられた円柱
レンズと、上記第１の４分割受光素子の感知出力Ａ１，
Ａ２，Ａ３，Ａ４とこれらの感知出力Ａ１，Ａ２，Ａ
３，Ａ４にそれぞれ対応する第２の４分割受光素子の感
知出力Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４とにより与えられる下式
の値Ｓ＝（Ａ１＋Ａ３)／(Ｂ１＋Ｂ３)−(Ａ２＋Ａ４)／(Ｂ２＋Ｂ４) を算出し、この値Ｓに基づいて上記被測定点の距離を演
算する距離演算手段とを備えたことを特徴とする距離測
定装置。