JP2000180116A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象面の表面状態にかかわらず、高精度
の変位測定を行うとともに、受光面の幅方向の収差をな
くして結像させる。 【解決手段】 測定対象物２０の測定対象面２０ａに垂
直入射される照射光は走査手段４により一定の間隔で走
査される。この照射光の散乱光は照射点を挟んで対向す
る位置に照射点から等距離に設けられた一対の受光手段
６−１，６−２でそれぞれ検出される。この一対の受光
手段６−１，６−２は、走査される照射点からの散乱光
を、各照射点に対応する位置で走査方向と直交する方向
に集束させるレンズアレイ７−１，７−２と、集束され
た照射光を受光素子９−１，９−２の受光面９ａ上に結
像させる球面集束型の結像レンズ８−１，８−２で構成
される。これにより、測定対象面２０ａ上の段差２０ｃ
等で一方の受光手段６−１側で散乱光が検出できない場
合でも、他方の受光手段６−２側で散乱光を受光し変位
量を測定出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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物の変位を非接触で測定する変位測
定装置に係り、特に測定対象の凹凸により反射光が遮光
される測定対象面があっても変位量を測定できる変位測
定装置に関する。

【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９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。

【０００３】この受光素子５４は、受光面上の結像点Ｋ
の縦方向（投光器５１のビームと結像レンズ５３の光軸
とで形成される面と同じ方向）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Ｐの高さ方向の
変位に対する結像点Ｋの移動軌跡に受光面が一致する角
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５２
を投光器５１のビームの光軸と結像レンズ５３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Ｐ
が高さ方向に動くと（照射点Ｐ’又は照射点Ｐ”）、受
光素子５４の受光面の結像点Ｋの位置がこれに対応する
ように移動して（結像点Ｋ’又は結像点Ｋ”）、受光素
子５４からの信号も結像点Ｋ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、上記変位測定装置は、測定対象
物５２を高さ方向に垂直なＸ軸方向とＹ軸方向とに相対
移動させる機構を有している。この機構は、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５
２の表面全体に渡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１０に示すような
走査型の変位測定装置１００を用いて、測定対象物１１
０の移動のうち、Ｘ軸又は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。図１０
は、その走査型の変位測定装置１００の概略斜視図であ
る。

【０００７】この走査型の変位測定装置１００の投光系
では、光源１０１から放射されるビームを振動ミラー型
等の偏向装置１０２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１０３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する。そし
て、そのビームを測定台１１１上に載置されている測定
対象物１１０の表面１１０ａに所定の入射角度により照
射し、その照射点Ｐを直線的に往復走査又は片道走査す
る。

【０００８】照射点Ｐを直線的に往復走査又は片道走査
されたビームは、入射角度と同じ角度で受光系に正反射
され、その照射点Ｐの像を第１円筒面レンズ（シリンド
リカルレンズ）１０４及び第２円筒面レンズ１０５によ
って受光素子１０６の受光面１０６ａに結像される。こ
の変位測定装置１００では、測定対象面１１０ａ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。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
に、受光系に円筒面レンズ１０４，１０５を用いた従来
の走査型の変位測定装置１００では、測定対象面１１０
ａが粗面であるため反射率が低く、照射点Ｐからの光が
散乱して拡がった場合には、受光素子１０６の受光面１
０６ａの像がぼけてしまい、測定精度が著しく低下する
という問題点がある。

【００１０】即ち、円筒面レンズ１０４，１０５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、他の方向には集束性はない。このため、図１１
（ａ）に示すように、照射点Ｐで反射，散乱した光のう
ち第１円筒面レンズ１０４の円筒面の周方向に拡がった
光は、第１円筒面レンズ１０４で集束されて第２円筒面
レンズ１０５に入射され、第２円筒面レンズ１０５で受
光素子１０６の受光面１０６ａの幅方向の中心へ向かう
ように偏向されて、受光面１０６ａ上に像Ｋを結ぶ。

【００１１】これに対し、図１１（ｂ）に示すように、
照射点Ｐで反射，散乱した光のうち第１円筒面レンズ１
０４の円筒面の軸方向に拡がった光は、第１円筒面レン
ズ１０４では全く集束されずに拡がったままで第２円筒
面レンズ１０５へ入射される。このため、受光素子１０
６の受光面１０６ａ上の像Ｋは受光面１０６ａ幅方向に
伸びた直線になる。

【００１２】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１０４だけで絞り込むようにしているた
め、第１円筒面レンズ１０４の収差により、受光素子１
０６の受光面１０６ａ上の結像パターンは、図１２に示
すように横長の長円状にぼやけてしまう。これにより、
受光素子１０６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問
題点を生じる。

【００１３】さらに、図１３に示すように、測定対象物
１１０の測定対象面１１０ａに凹凸があり、所定の段差
１１０ｃを有していることがある。このような形状で
は、投光系から放射されたビームが所定の入射角度によ
り照射し入射角度と同じ角度で受光系に正反射される際
に、この段差１１０ｃで遮られることがある。この場
合、段差１１０ｃ付近の変位を測定できなかった。

【００１４】本発明は、上記欠点を除くためになされた
ものであって、その目的は、測定対象面の表面状態にか
かわらず、高精度の変位測定を行うことにある。また、
他の目的は、受光面の幅方向の収差をなくして結像させ
ることにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１記載の変位測定装置は、測定対象
面に垂直入射される照射光からの散乱光を受光素子の受
光面で捉えて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、前記垂直入射される照射光により前記測
定対象面に形成される照射点を一定の範囲で走査する走
査手段と、前記照射点を挟んで対向する位置に前記照射
点から等距離に設けられている一対の受光手段と、を有
し、前記一対の受光手段は、複数の球面集束型の集光レ
ンズを有し、前記散乱光を集束させるレンズアレイと、
前記集束された照射光を前記受光面上に結像させる球面
集束型の結像レンズと、をそれぞれ備えていることを特
徴としている。

【００１６】また上記レンズアレイは、前記集光レンズ
の各光軸は平行であり、複数の前記集光レンズは前記各
光軸と直交する一直線上に配置されており、該集光レン
ズの各々の焦点距離は略等しく、且つ、前記照射点から
の散乱光を集束させることとしてもよい。

【００１７】更に、上記変位測定装置に、前記一対の受
光素子の受光面に結像された前記照射光の位置に基づき
前記測定対象面の変位信号を出力する変位測定手段を備
えることとしてもよい。

【００１８】また、上記変位測定手段は、前記一対の受
光素子の各受光面上での結像位置に応じて得られた該各
受光素子の照射光に対し対称な位置の出力電気信号同士
を予め合計する２つの電流電圧変換部と、該電流電圧変
換部で得られた各々の電気信号を加算する加算部と、前
記電流電圧変換部で得られた各々の電気信号を減算する
減算部と、該減算部で得られた電気信号を前記加算部で
得られた電気信号で除算する除算部と、を具備する構成
としてもよい。

【００１９】上記構成によれば、測定対象物２０の測定
対象面２０ａに垂直入射される照射光は走査手段４によ
り一定の間隔で走査される。この照射光の散乱光は照射
点を挟んで対向する位置に前記照射点から等距離に設け
られた一対の受光手段６−１，６−２でそれぞれ検出さ
れる。この一対の受光手段６−１，６−２は、走査され
る照射点からの散乱光を、前記各照射点に対応する位置
で走査方向と直交する方向に集束させるレンズアレイ７
−１，７−２と、集束された照射光を受光素子９−１，
９−２の受光面ａ上に結像させる球面集束型の結像レン
ズ８−１，８−２で構成されている。これにより、測定
対象面２０ａ上の段差２０ｃ等で一方の受光手段６−１
側で散乱光が検出できない場合であっても、他方の受光
手段６−２側で散乱光を受光し変位量を測定出力するこ
とができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１は本発明による変位測定装置
の実施の形態を示す概略斜視図、図２は同側面図であ
る。変位測定装置１は、測定光を走査して出射する走査
光学系２と受光手段である一対の受光光学系６（６−
１，６−２）とで大略構成されている。走査光学系２
は、レーザダイオード３と、レーザダイオード３から放
射されるレーザ光を屈曲させ測定対象物２０に導く回転
ミラー型又は振動ミラー型の偏向装置４と、偏向装置４
から放射された光（投光ビーム）を固定された測定台２
１上に載置されている測定対象物２０に集束させるレン
ズ５を有する。

【００２１】一方、受光光学系６（６−１，６−２）
は、測定対象面２０ａ上で走査される照射点Ｐにより形
成される移動軌跡（走査方向）ＰＬを中央として互いに
対称な位置にそれぞれ設けられている。各受光光学系６
（６−１，６−２）は、レンズアレイ７（７−１，７−
２）と球面集束型の結像レンズ８（８−１，８−２）と
受光素子９（９−１，９−２）で構成されている。

【００２２】レンズアレイ７は、互いに等しい焦点距離
ｆ１（例えば２０ｍｍ）を有する複数（図１に図示の例
では５個）の集光レンズ部７ａ〜７ｅが一列に並ぶよう
に合成樹脂あるいはガラスで一体形成されている。

【００２３】各集光レンズ部７ａ〜７ｅは、それぞれ、
走査光学系２から放射される投光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
列方向に沿った幅が走査幅より短い（１個が例えば６ｍ
ｍ）略矩形状の外形を有する。また、各集光レンズ部７
ａ〜７ｅは、その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レンズ部となっている。各光軸は
それぞれ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。

【００２４】レンズアレイ７は、各集光レンズ部７ａ〜
７ｅの光軸が測定対象物２０の表面２０ａ上に走査され
る照射点Ｐ（移動軌跡ＰＬ）と交わるように配置されて
いる。また、図２に示すように、レンズアレイ７は、そ
の長手方向が照射点Ｐの移動軌跡ＰＬと平行になるよう
に配置されている。各レンズアレイ７は、偏向装置４か
ら測定対象面２０ａへの垂直な光軸を対象にして、所定
角度の広がりをもって配置されている。照射点Ｐからレ
ンズアレイ７までの距離は焦点距離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
ンズとは、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことが
できるレンズである。

【００２５】結像レンズ８は、走査光学系２から放射さ
れるビームの走査幅寸法（３０ｍｍ）より大きい径を有
し、その光軸方向に平行に入射した光が一転に結像され
るように設計されている。なお、この面はレンズアレイ
７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。

【００２６】結像レンズ８は、その光軸がレンズアレイ
７の中央の集光レンズ部７ｃの光軸と一致するように、
結像レンズ８の設計上平行光を入射させる面とレンズア
レイ７の球面は対面して配置されている。

【００２７】各受光素子９（９−１，９−２）は、矩形
状の受光面９ａの中心が結像レンズからその焦点距離ｆ
２離れた位置で結像レンズ８の光軸と交わっている。受
光面９ａに結像される結像点Ｋは、測定対象面２０ａの
変位（凹凸）に対応して受光面９ａ上を移動するように
なっている。この結像点Ｋの移動方向を縦方向と称す。
受光素子９は結像レンズ８の焦点までの距離ｆ２を維持
するため、縦方向が水平方向に対し所定の傾きをもって
それぞれ配置されている。

【００２８】縦方向に直交する受光面９ａの横幅は、レ
ンズアレイ７の各集光レンズ部７ａ〜７ｅの走査方向の
幅に、各集光レンズ部７ａ〜７ｅと結像レンズ８の焦点
距離の比ｆ２／ｆ１（倍率）を乗じた大きさ（例えば集
光レンズ部の幅が上述した通り６ｍｍで倍率が４のとき
２４ｍｍ）に予め設定されている。

【００２９】各受光素子９−１，９−２の縦方向の両端
には電極が設けられており、この縦方向の移動量に対応
した電流信号を出力するようになっている。具体的に
は、一方の受光素子９−１の両端からは、電流信号Ａ１
及び変位が電流信号Ｂ１を出力するようになっている。
同様に、他方の受光素子９−２の両端からは、電流信号
Ａ２及び電流信号Ｂ２を出力するようになっている。電
流信号Ａ１と電流信号Ｂ１の比率及び電流信号Ａ２と電
流信号Ｂ２の比率は、受光面９ａに結像する結像点Ｋの
縦方向の位置によって決まる。

【００３０】図６は一対の受光素子９−１，９−２の出
力に基づき測定対象物２０の変位を演算する電気的構成
（変位測定手段１０）を示すブロック図である。この変
位測定手段１０は、加減演算部を構成する電流−電圧変
換部１１，加算部１２及び減算部１３と、除算部１４を
有している。電流−電圧変換部１１は、各受光素子９−
１，９−２ごとに、入力された電流信号を電圧信号に変
換する第１電流−電圧変換部１１ａ及び第２電流−電圧
変換部１１ｂが並列接続されて構成されている。加算部
１２は、各電流−電圧変換部１１ａ，１１ｂからの電圧
信号を加算し、減算部１３は、各電流−電圧変換部１１
ａ，１１ｂからの電圧信号を減算する。除算部１４は、
加算部１２及び減算部１３から出力された信号を除算し
て変位信号Ｄを出力するようになっている。

【００３１】次に、本実施の形態の作用について図２〜
図６を用いて説明する。まず、不図示の駆動回路により
レーザダイオード３から偏向装置４へレーザ光が放射さ
れる。入射されたレーザ光（投光ビーム）は、図２に示
すように、偏向装置４により測定台２１と平行な面内で
測定台２１の搬送方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ
軸方向）に片道又は往復走査される。走査された投光ビ
ームはレンズ５を介して集束され、測定台２１上に測定
対象物２０の測定対象面２０ａに対して垂直に入射して
測定対象面２０ａ上に照射点Ｐを形成する。投光ビーム
は、測定対象面が鏡面でない場合は、照射点Ｐから散乱
する。

【００３２】ここで、照射点Ｐが、例えば図３（ａ）に
示すように、レンズアレイ７の集光レンズ部７ａに対向
する範囲でその光軸より外側にある場合、照射点Ｐから
反射，散乱した光は、主に集光レンズ部７ａによってほ
ぼ平行なビームに集束され、結像レンズ８に対してその
光軸に角度のある状態で入射される。

【００３３】結像レンズ８は、集光レンズ部７ａからの
ビームを、その光軸の向きを変えて受光素子９の受光面
９ａの一端側の位置に集束させる。レンズアレイ７の各
集光レンズ部７ａ〜７ｅ及び結像レンズ８は、光を光軸
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（ａ）に示すように、側方からみて照射点Ｐか
ら散乱する光も集光レンズ部７ａ〜７ｅによってほぼ平
行に集束され、結像レンズ８によって受光素子９の受光
面９ａ上に集束される。

【００３４】このため、各受光素子９−１，９−２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が作られ、その位置に対応した電流信号が
出力される。なお、照射点Ｐから他の集光レンズ部に入
射する光も集束されて結像レンズに入射するが、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。

【００３５】また、ビームの走査によって照射点Ｐが、
図３（ｂ）に示すように、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来た場合には、照射点Ｐか
ら反射，散乱した光は、主に集光レンズ部７ａによって
ほぼ平行なビームに集束され、結像レンズ８に対してそ
の光軸に角度のある状態で入射される。このため、照射
点Ｐの像Ｋａは、受光素子９の受光面９ａの幅方向のほ
ぼ中心位置につくられる。

【００３６】更にビームが走査されて照射点Ｐが、図３
（ｃ）に示すように、レンズアレイ７の集光レンズ部７
ａに対向する範囲内でその光軸により隣の集光レンズ部
７ｂ寄りにある場合、照射点Ｐから反射，散乱した光
は、主に集光レンズ部７ａによって集束され、結像レン
ズ８に対してその光軸に図３（ａ）の場合と逆な角度を
もって入射する。このため、結像レンズ８は、受光素子
９の受光面９ａの幅方向の他端側の位置で点状の像Ｋａ
をつくる。

【００３７】このように、照射点Ｐの位置が集光レンズ
部７ａ〜７ｅ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９の受光面９ａ上の像Ｋａの位置は、受
光面９ａの幅方向の一端側から他端側に移動することに
なる。

【００３８】また、ビームの走査にともなって、例えば
図４（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’のようにずれてその位置に対応する電流信号が出
力される。そして、この電流信号から照射点Ｐ’の基準
面からの高さが検出され、照射点Ｐの高さとの差δも判
る。

【００３９】そして、図３（ｄ）に示すように、照射点
Ｐが集光レンズ部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，Ｋ
ｂの受光面９ａの縦方向に沿った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
向の位置に対応した電流信号が出力される。

【００４０】ビームがさらに走査されて、図３（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
囲内まで移動すると、照射点Ｐから反射，散乱した光
は、主に集光レンズ部７ｂによって集束され、結像レン
ズ８に対してその光軸に角度のある状態で入射する。そ
して、結像レンズ８は、受光素子９の受光面９ａの幅方
向の一端側の位置で点状の像Ｋｂをつくる。

【００４１】以下同様に、照射点Ｐが所定範囲（ここで
は３０ｍｍ）を走査される間に、受光素子９の受光面９
ａ上の像Ｋは、レンズアレイ７の集光レンズ部７ａ〜７
ｅ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２０の表面２０ａの高さの変位に
応じて縦方向に移動する。そして受光素子９からは、測
定対象物２０の表面２０ａの高さ変位に正確に対応した
電流信号が出力され、この電流信号に基づいて各測定対
象面２０ａの変位を測定することができる。

【００４２】ここで、図７の側面図に示すように、照射
点Ｐが測定対称面２０ａに形成される段差部２０ｃの近
傍に位置した場合、一方の受光光学系６に散乱されるは
ずの光が凸部の側面により遮断される（図中点線で記
載）。この場合、遮断により結像されなかった一方の受
光素子９−１からは測定対象物２０の表面２０ａの高さ
変位に対応した電流信号が出力されない。しかしなが
ら、他方の受光素子９−２には、上述した通り照射点Ｐ
の像Ｋが結像され、測定対象物２０の表面２０ａの高さ
変位に正確に対応した電流信号が出力され、この電流信
号に基づいて各測定対象面２０ａの変位を測定すること
ができる。

【００４３】上述のように出力された電流信号は、以下
のように処理される。図６に示すように、電流信号Ａ
１，Ａ２は、第１電流−電圧変換部１１ａに入力されて
電圧信号に変換される。電流信号Ｂ１，Ｂ２は、第２電
流−電圧変換部１１ｂの入力されて電圧信号に変換され
る。第１電流−電圧変換部１１ａでは電流信号Ａ１とＡ
２が、第２電流−電圧変換部１１ｂでは電流信号Ｂ１と
Ｂ２がそれぞれ加算され、電圧信号Ａ，Ｂに変換され
る。変換された電圧信号Ａ，Ｂは、加算部１２と減算部
１３にそれぞれ出力される。

【００４４】加算部１２により加算された値Ａ＋Ｂと減
算部１３により減算された値Ａ−Ｂは、ともに除算部１
４に出力され、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）として算出さ
れ、変位信号Ｄとして出力される。

【００４５】なお、図７の如く、照射点Ｐが測定対象面
２０ａの段差部２０ｃ近傍に位置して一方の受光素子９
−１には結像されなかった場合、例えば、その一方の受
光素子９−１からは、電流信号Ａ１，Ｂ１は出力されな
いこととなる。この場合でも電流信号Ａ２，Ｂ２のみを
電圧信号Ａ，Ｂに変換して加算部１２及減算部１３に入
力してＡ２＋Ｂ２とＡ２−Ｂ２を算出し、アナログ形式
の除算部１４で（Ａ２−Ｂ２）／（Ａ２＋Ｂ２）を算出
して変位信号Ｄを算出することができる。このように、
加算（Ａ２＋Ｂ２）及び減算（Ａ２−Ｂ２）された出力
を除算部１４で除算する構成により、受光量の変動に影
響されずに精度良い変位出力を得ることができるように
なる。

【００４６】ところで、上記構成の変位測定手段１０に
よれば、各受光素子９−１，９−２に対応する出力信号
（電流信号）を予め加えてから加算及び減算を行った後
に変位演算を行うため、除算部１４を１つにまとめるこ
とができ、低コスト化できる。なお、第１電流−電圧変
換部１１ａ、第２電流−電圧変換部１１ｂ、加算部１
２、減算部１３は、オペアンプを用いて構成できる。ま
た、除算部１４はＣＰＵを用いてデジタル処理する構成
にすることもできる。

【００４７】このように、実施形態の変位測定装置１で
は、受光光学系には球面集束型の結像レンズ８が走査光
学系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７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８で受光素子９の受光面９ａ上に点状に集束させ
るようにしている。このため、測定対象物の表面が粗な
場合でも、受光素子９の受光面９ａ上の像が広がってぼ
やけることがなく、精度の高い変位測定ができる。

【００４８】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８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、その幅が大きい程、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９ａの幅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。

【００４９】図８は、上記変位測定手段１０の変形例を
示すブロック図である。上述した変位測定手段１０で
は、各受光素子９−１，９−２の対応する出力信号（電
流信号）を加算した後に変位演算を行ったが、図８に示
すように、各受光素子９−１，９−２からの出力信号ご
とに変位演算を行う形式としてもよい。具体的には、上
述した変位測定装置１０において示した加減演算部と除
算部とが各受光光学系６ごとに構成する。

【００５０】この場合、各加算部１２における加算信号
Ｌ１（Ａ１＋Ｂ１），Ｌ２（Ａ２＋Ｂ２）は、それぞれ
レベル判定手段１５に入力され、データＬ１，Ｌ２が所
定の基準値に達しているか否かが判別される。基準値に
達していると判定された場合は、判定結果が選択手段で
あるデコーダ１６に入力される。

【００５１】判定結果により加算信号Ｌ１のみが基準値
に達している場合、一方の受光素子９−１側の変位信号
Ｄ１（（Ａ１−Ｂ１）／（Ａ１＋Ｂ１））を出力させる
信号が切替手段１７に出力され、スイッチＳ１側に切り
替わる。これにより変位信号Ｄ１が出力される。一方、
判定結果により加算信号Ｌ１及びＬ２がともに基準値に
達している場合、他方の受光素子９−２側の変位信号Ｄ
２（（Ａ２−Ｂ２）／（Ａ２＋Ｂ２））を出力させる信
号が切替手段１７に出力され、スイッチＳ２側に切り替
わる。これにより変位信号Ｄ２が出力される。

【００５２】また、判定結果により加算信号Ｌ２のみが
基準値に達している場合、各受光素子９−１，９−２の
変位信号Ｄ１，Ｄ２の平均値Ｄ３を出力させる信号が切
替手段１７に出力され、スイッチＳ３側に切り替わる。
これにより平均化手段１８で平均化処理された平均値Ｄ
３が出力される。なお、加算信号Ｌ１，Ｌ２がともに基
準値より低い場合、デコーダ１６は測定不能であるとし
てアラーム信号を外部に出力し、変位出力は予め決めら
れたある一定の値をとるようにする。

【００５３】図８の変位測定手段１０によれば、各受光
素子９−１，９−２にそれぞれ加算部１２及び減算部１
３を設けた構成であり、ノイズレベルが増大することが
なくＳ／Ｎ比が良好であり、変位測定精度を向上させる
ことができる。特に、一方の受光素子にしか光が入らな
い又は受光量が低いときでも所定の精度を得ることがで
きる。

【００５４】上記実施形態では、ビームの走査範囲が３
０ｍｍに対して、５つの集光レンズ部７ａ〜７ｅ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の幅をさらに小さくすることができ、受光素子９
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。

【００５５】また、各集光レンズ部の焦点距離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の縦方向の長さも小さくできるが、このた
めに結像レンズ８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、測定対象物の表面状態や測定に要
求される精度等に応じて、各レンズの外径、焦点距離等
を決定すればよい。

【００５６】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。

【００５７】また、上記実施形態では、レンズアレイ７
の各集光レンズ部および結像レンズ８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。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように本発明による変位測
定装置では、測定対象面から散乱された光を、投光器か
ら垂直入射される光の照射点に対称に受光系を一対で設
けることにより、特に、測定対象面上の段差などで、一
方の受光系側の散乱光が遮蔽されるなどして十分な受光
量が得られないときでも、他方の受光系で得られた受光
量により変位測定でき測定精度を維持できるようにな
る。

【００５９】また、両受光手段にレンズアレイを設ける
ことにより、上記効果に加えて受光面の幅方向の収差を
なくして結像させることができる。特に、測定対象面が
粗な場合でも、受光素子の受光面上の照射点の像が広が
ってぼやけることがなく、しかも、受光面が小さく応答
速度が速い受光素子を用いることができ、精度の高い変
位測定を高速に行えるようになる。

【００６０】更に、変位測定手段に、受光素子に対する
出力信号を予め加えてから加算及び減算を行い、その後
除算を行うため、受光量の変動があっても変位量を精度
良く測定でき、除算部の構成が簡単で変位測定手段の低
コスト化を図ることができる。

【００６１】また、各受光手段ごとに加算，減算，除算
を行い、各加算信号が所定の基準値を満たしているか否
かを判定し、その判定結果に基づき除算により得られた
変位信号を出力するように変位測定手段を構成すること
により、ノイズレベルが増大することがなくＳ／Ｎ比が
良好であり、変位測定精度を向上させることができる。
特に、受光量が低いときでも所定の精度を得ることがで
きるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による変位測定装置の概略斜視図であ
る。

【図２】本発明による変位測定装置の側面図である。

【図３】本発明による実施の形態の受光光学系における
照射点の走査に対応した結像点を示した上面図である。

【図４】本発明による実施の形態の受光光学系における
照射点に対応した結像点を示した側面図である。

【図５】本発明の実施の形態における変位測定装置の高
さ方向の変位を示した側面図である。

【図６】本発明の実施の形態における変位測定手段を示
したブロック図である。

【図７】測定対象物の照射点近傍に段差がある場合の散
乱光の遮断状態を示す側面図である。

【図８】本発明の他の実施の形態における変位測定手段
を示したブロック図である。

【図９】従来の変位測定装置を示した概略斜視図であ
る。

【図１０】従来の受光光学系における照射点に対応した
結像点を示した図である。

【図１１】従来の変位測定装置の受光面に結像された結
像点を示した図である。

【図１２】測定対象物の照射点近傍に段差がある場合の
散乱光の遮断状態を示す側面図である。

【図１３】従来の変位測定装置における測定対象物の照
射点近傍に段差がある場合の散乱光の遮断状態を示す側
面図である。

【符号の説明】

１…変位測定装置、２…走査光学系、３…レーザダイオ
ード、４…偏向装置、５…レンズ、６（６−１，６−
２）…受光光学系、９（９−１，９−２）…受光素子、
９ａ…受光面、１０…変位測定手段、１１…電流−電圧
変換部、１２…加算部、１３…減算部、１４…除算部、
１５…レベル判定手段、１６…デコーダ、１７…切替手
段、１８…平均化手段、２０…測定対象物、７（７−
１，７−２）…レンズアレイ、８（８−１，８−２）…
結像レンズ、Ｐ…照射点、ＰＬ…走査方向（移動軌
跡）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永塚 一穀 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 (72)発明者 辻村 映治 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA06 AA09 DD03 DD04 DD10 DD12 FF01 FF09 FF41 GG06 GG12 HH13 JJ03 JJ05 JJ08 LL08 LL10 LL13 MM16 PP22 QQ25 QQ27 QQ42 SS09 UU01 UU02 UU05 UU06 UU07 2F112 AA07 BA06 BA07 CA12 CA13 DA05 DA06 DA09 DA15 DA25 DA26 DA32 FA03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象面に垂直入射される照射光から
   の散乱光を受光素子の受光面で捉えて前記測定対象面の
   変位を測定する変位測定装置において、 前記垂直入射される照射光により前記測定対象面に形成
   される照射点を一定の範囲で走査する走査手段と、 前記照射点を挟んで対向する位置に前記照射点から等距
   離に設けられている一対の受光手段と、を有し、 前記一対の受光手段は、 複数の球面集束型の集光レンズを有し、前記散乱光を集
   束させるレンズアレイと、 前記集束された照射光を前記受光面上に結像させる球面
   集束型の結像レンズと、をそれぞれ備えていることを特
   徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】 前記レンズアレイは、前記集光レンズの
   各光軸は平行であり、複数の前記集光レンズは前記各光
   軸と直交する一直線上に配置されており、該集光レンズ
   の各々の焦点距離は略等しく、且つ、前記照射点からの
   散乱光を集束させることを特徴とする請求項１記載の変
   位測定装置。
3. 【請求項３】 前記一対の受光素子の受光面に結像され
   た前記照射光の位置に基づき前記測定対象面の変位信号
   を出力する変位測定手段を備えることを特徴とする請求
   項１又は２のいずれかに記載の変位測定装置。
4. 【請求項４】 前記変位測定手段は、 前記一対の受光素子の各受光面上での結像位置に応じて
   得られた該各受光素子の照射光に対し対称な位置の出力
   電気信号同士を予め合計する２つの電流電圧変換部と、 該電流電圧変換部で得られた各々の電気信号を加算する
   加算部と、 前記電流電圧変換部で得られた各々の電気信号を減算す
   る減算部と、 該減算部で得られた電気信号を前記加算部で得られた電
   気信号で除算する除算部と、を具備することを特徴とす
   る請求項３記載の変位測定装置。
5. 【請求項５】 前記変位測定手段は、 前記一対の受光素子の各受光面上での結像位置に応じて
   得られた一対の電気信号を加減演算する加減演算部と、
   該加減演算部で前記各変位が加算された加算信号と前記
   加減演算部で前記各変位が減算された減算信号に基づい
   て除算を行う除算部と、を前記各受光手段ごとに有する
   とともに、 前記各除算部で除算された値に対応する各変位信号及び
   前記除算された値の平均値に対応する変位信号の入力を
   受け、いずれかの変位信号を出力するように切替自在な
   切替手段と、 前記各加算信号が所定の基準値を満たしているか否かを
   判定するレベル判定手段と、 該レベル判定手段における判定結果に基づき前記切替手
   段に入力される前記各変位信号のうち適切なものを選択
   的に切り替えて出力する選択手段と、を具備することを
   特徴とする請求項３記載の変位測定装置。