JP2000321019A - 変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象での反射率にばらつきがあっても、
受光素子の入射光量の差を小さくでき、受光素子が飽和
したり入射光量の不足が生じず測定精度を向上できるこ
と。 【解決手段】 光源２から出射される光は、λ／２波長
板１４で偏光状態が調整され偏向手段３で偏向されて測
定対象Ｗの測定面Ｗａを走査するよう照射される。測定
対象の散乱光は、受光系により受光素子１０の受光面１
０ａに結像点を作るよう集束される。受光系には偏光手
段１２が設けられ、光の偏光成分に応じて光を透過させ
る。偏光手段１２は、測定面Ｗａが鏡面の場合、受光素
子１０方向に光を透過させない。測定面Ｗａが粗面の場
合、ほぼ半分の光を受光素子１０方向に透過させる。こ
れにより、受光素子１０に入る鏡面と粗面の入射光量の
差を小さくでき、飽和及びノイズ影響を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、測定対象の変位量
を走査しながら測定する変位測定装置に係り、特に、測
定面の反射状態に影響を受けない変位測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】三角測量の原理を利用した変位測定装置
は、投光側からレーザ光を測定対象に照射し、散乱光を
受光側の受光素子の受光面に結像させ、この結像点の位
置に基づき測定対象の測定面の変位を検出する。そし
て、レーザ光を走査する走査型の変位測定装置は、この
走査により高速に変位量が測定できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の変位測定装置で
は、測定対象の測定面の光の散乱状態に影響を受けやす
かった。特に、測定面が鏡面である場合と粗面である場
合とで光の散乱状態が大きく異なる。例えば、プリント
基板上に設けられた金メッキのフットパターン（鏡面）
上に印刷されたクリーム半田（粗面）が形成されてお
り、この半田の盛り付け量（変位量）を測定する場合が
ある。

【０００４】このため、鏡面の測定面を基準として調整
し、投光側で測定対象に対する光の出射光量を制限し、
受光素子を飽和させないことが考えられる。しかし、出
射光量を制限すると、反射率の低い粗面での入射光量が
さらに低下して測定精度が悪化する問題が生じた。逆
に、粗面を基準として適当な入射光量になるよう出射光
量を調整すると、鏡面測定時に入射光量が飽和してしま
う。

【０００５】走査型の変位測定装置では、測定対象上で
の光の走査が高速であり、同時に高速にデータサンプリ
ングを行なう構成であるため、測定面が鏡面である場
合、受光素子に入射するレーザ光の入射光量が大きい
と、この受光素子が飽和してしまい、次のデータサンプ
リングまでに飽和状態が解消されないことがあった。一
方、粗面で有る場合、受光素子に入射する入射光量が少
なくノイズの影響を受けやすかった。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、測定対象での反射率にばらつきがあって
も、受光素子の入射光量の差を小さくでき、受光素子が
飽和したり入射光量の不足が生じず測定精度を向上でき
る変位測定装置を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の変位測定装置は、請求項１記載のように、
測定対象に光を照射し該測定対象の散乱光の結像位置に
基づき測定対象の変位量を測定する変位測定装置におい
て、前記測定対象への投光系に設けられ該測定対象に所
定の偏光状態の光を照射する光源と、前記測定対象から
散乱する光の受光系に設けられ、特定の偏光成分のみ透
過させる偏光手段と、前記偏光手段を透過した光を受光
面で受光し、該受光面上での光の結像位置に応じた変位
信号を出力する受光素子と、を備えたことを特徴とす
る。

【０００８】また、請求項２記載のように、前記投光系
には、前記光源からの光の偏光状態を調整するための波
長板を設けてもよい。

【０００９】また、請求項３記載のように、前記光源
は、前記偏光手段による光の透過量に対応して出射光量
を可変自在としてもよい。

【００１０】また、請求項４記載のように、前記投光系
には、光源からの光を測定対象上で走査するための偏向
手段が設けられ、前記受光系には、前記散乱光を前記受
光素子の受光面に結像させるためのレンズが設けられ、
前記偏向手段は、前記光の走査方向に沿って所定長さを
有する構成としてもよい。

【００１１】また、請求項５記載のように、前記投光系
には、光源からの光を測定対象上で走査するための偏向
手段が設けられ、前記受光系は、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を備え、前記偏光手段は、前記
レンズアレイと前記結像レンズの間に配置され、光の走
査方向に沿って所定長さを有する構成としてもよい。

【００１２】また、請求項６記載のように、前記レンズ
アレイの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、前記測定対象からの散乱光を集束させる構成とする
ことができる。

【００１３】上記構成によれば、光源から出射された光
が測定対象に照射され、散乱光は偏光手段を介して受光
素子の受光面上に結像する。偏光手段は、散乱光中の特
定の偏光成分を透過させる。測定対象が鏡面であると受
光素子側への透過する比率が著しく少なくなる。測定対
象が粗面であると受光素子側への透過成分がほぼ半分に
なる。これにより、測定対象が鏡面と、粗面の場合にお
ける偏光手段を透過して受光素子に入射する光量の差が
小さくなり、受光素子が飽和することなく精度のよい変
位測定が行える。

【００１４】

【発明の実施の形態】〔第１実施形態〕図１は、本発明
の変位測定装置の構成を示す斜視図である。図示のよう
に走査型の変位測定装置１は、投光側の光源２から出射
される光（所定波長のレーザ光）を偏向手段３で走査
し、投光レンズ４を介して測定対象Ｗの測定面Ｗａに照
射する。偏向手段３は、例えば図示のポリゴンミラーを
回転させた構成であり、回転により光を走査する。

【００１５】受光側では、測定対象Ｗから反射した光
は、シリンドリカルレンズ７および結像レンズ８により
受光素子１０の受光面１０ａ上に結像させる。

【００１６】そして、シリンドリカルレンズ７と結像レ
ンズ８の間には、偏光素子１２が設けられる。この偏光
素子１２は、入射した光の偏光成分（Ｐ，Ｓ偏光）に応
じて一方の偏光成分を透過させ、直交する他方の偏光成
分を分岐反射させる。偏光素子１２としては偏光ビーム
スプリッタが用いられる。

【００１７】上記の投光レンズ４、シリンドリカルレン
ズ７、結像レンズ８、偏光素子１２は、それぞれ光の走
査方向に沿って、少なくともこの走査幅以上の長さを有
している。ところで、投光側には、光源２と偏光手段３
の間に、図示の如く偏光状態可変のための波長板（λ／
２板）１４が設けられている。

【００１８】次に、上記構成による作用を説明する。図
２は、測定対象Ｗの測定面Ｗａの状態を示す図である。
図２（ａ）は、測定面Ｗａが鏡面の場合を示す図であ
る。測定面Ｗａの反射率が高い場合（反射率γ１）、光
源２から出射される光が直線偏光であると、偏光素子１
２は、Ｐ偏光成分の光を受光素子１０側に透過させ、Ｓ
偏光成分の光は反射、分岐させる。ここで、例えば、Ｐ
偏光：Ｓ偏光＝１：９の場合、９割の光が受光素子１０
側に透過せずカットされる。

【００１９】図２（ｂ）は測定対象Ｗの測定面Ｗａが粗
面の場合の作用を示す図である。測定面Ｗａの反射率が
低い場合（反射率γ２）、偏光素子１２は、Ｓ偏光成分
の光、及びＰ偏光成分の光に対して１：１のビームスプ
リッタとして作用する。

【００２０】図３は、これら鏡面と粗面での各部の状態
を示す比較図である。ここで、光源２の出射パワーＰ
１，Ｐ２がいずれも同じＰであると、反射率γ１＝０．
９、γ２＝０．０９とすると、反射パワーは、鏡面が
０．９Ｐ、粗面が０．０９Ｐとなり１０倍の差がある。
図４（ａ）は偏光素子１２を用いない状態（従来）にお
いて受光素子に入るパワーを示す図である。

【００２１】しかし、上記偏光素子１２を設けることに
より、受光素子１０に入るパワーは、鏡面が０．０９
Ｐ、粗面が０．０４５Ｐとなり、２倍まで近づけること
ができる（図４（ｂ）参照）。

【００２２】そして、鏡面と粗面の光量差を小さくでき
ることにより、これら全体の光量を底上げすることがで
きる。即ち、光源２の出射パワーＰを上げることで粗面
の光量を増加させてノイズの影響を排除できるようにな
る。例えば、光源２の出射パワーＰ（Ｐ１，Ｐ２）を１
０倍にすれば、受光素子１０に入るパワーは、鏡面が
０．９Ｐ、粗面が０．４５Ｐとなる。この際、粗面にお
ける受光素子１０に入るパワーは、偏光素子１２がない
もの（従来）に比して５倍に高めることができるように
なる（図４（ｃ）参照）。

【００２３】〔第２実施形態〕次に、図５は、λ／２波
長板１４の構成を示す図である。光源２と偏向手段３と
の間にλ／２波長板１４を設けることにより、光源２か
ら出射された光の偏光方向を調整することができるよう
になる。λ／２波長板１４は、光軸に対し所定の角度範
囲φで回転自在である。この角度範囲φでλ／２波長板
１４を回転させることにより、光源２から出射される直
線偏光の偏光方向を可変できる。この角度範囲は、０°
＜φ＜４５°とされ、図示の如く、直線偏光成分の偏光
方向を変えることができる。λ／２の角度φ＝４５度の
とき、λ／２波長板１４を透過した光は、図示の如く、
入射光に対し直交する方向の直線偏光成分（φ＝４５
°）の光となる。

【００２４】このように、λ／２波長板１４を設けるこ
とにより、光源１４から出射される光の偏光方向が一定
となるように調整できるようになる。そして、このλ／
２波長板１４の調整により偏光手段１２に入射する光の
Ｐ，Ｓ偏光成分の状態を調整することができ、偏光手段
１２での透過、及び反射分岐の比率を連続的に可変させ
ることもできるようになる。

【００２５】〔第３実施形態〕上記実施の形態では、受
光側の光学系にシリンドリカルレンズ７と結像レンズ８
を設けて、光を受光素子１０に結像させる構成とした。
この受光側の光学系はこれに限らない。図６に示すのは
受光側の光学系の変更例を示す図である。同図に示すよ
うに、受光側では、測定対象Ｗから反射した光を、レン
ズアレイ２０および結像レンズ２１により受光素子１０
の受光面１０ａ上に結像させる構成とする。

【００２６】図６に示すレンズアレイ２０は、互いに等
しい焦点距離ｆ１を有する複数（図示の例では６個）の
集光レンズ部２０ａ〜２０ｆが走査方向に沿って一列に
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。各集光レンズ部２０ａ〜２０ｆは、その光軸に直交
する一方の面（図中上面）が球面状に形成された球面集
束型のレンズである。なお、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。

【００２７】結像レンズ２１は、光軸方向に平行に入射
した光が一点に結像されるように設計されている。な
お、図示のような球面の形状に限らず、この面はレンズ
アレイ２０からの光が入射する範囲に対応した部分のみ
（図中点線で記載）を切り出した形状のものを用いても
よい。

【００２８】このようなレンズアレイ２０と結像レンズ
２１を用いた構成によれば、光を光軸の周りに均等に絞
り込む作用があり、照射点Ｐからの反射光の散乱状態の
影響を受けずに、集光レンズ部２０ａ〜２０ｆによって
ほぼ平行に集束され、結像レンズ２１によって受光素子
１０の受光面１０ａ上にビームがぼやけることなくシャ
ープな状態で集束させることができる。

【００２９】また、レンズアレイ２０と結像レンズ２１
の間は光が平行光であるため、この間に上述した偏光手
段１２を設けることにより、偏光手段１２に対する光の
入出射角度を一定にすることができ、偏光手段１２にお
ける上記透過、反射分岐の作用をより安定して行えるよ
うになる。

【００３０】以上、説明した実施形態では、プリズム型
の偏光手段を用いたため収差を最小限にするために、レ
ンズアレイ２０と結像レンズ２１の間に偏光手段を設け
る必要があったが、薄板型の偏光手段を用いた場合には
この限りではなく、受光系のいずれの位置に設けてもよ
い。

【００３１】また、上記各実施形態では、走査型の変位
測定装置を例に説明したが、上記偏光手段１２を設ける
構成は、光を走査しないで変位測定する１点照射型の変
位測定装置に適用してもよく、この場合においても、測
定対象の測定面の反射状態の影響を受けずに正確な変位
測定を行えるようになる。

【００３２】

【発明の効果】本発明の請求項１によれば、偏光手段が
散乱光の偏光成分に応じて該光を透過あるいは反射分岐
させる構成であり、測定対象の反射状態が大きく異なっ
ても受光素子に入射する光量の差を小さくできる。これ
により測定対象上の鏡面と粗面を連続して測定しても受
光素子の飽和や、ノイズ影響がなく変位測定精度を向上
させることができるようになる。請求項２によれば、光
源からの光の偏光状態を調整する波長板を設けることに
より、投光側での光の偏光状態を調整でき、偏光手段に
対して常時一定の偏光状態の光を入射させることがで
き、偏光手段による光の透過、反射分岐を安定化できる
ようになる。請求項３によれば、光源は、前記偏光手段
による光の透過、反射量に対応して出射光量を可変自在
な構成である。これにより、偏光手段を設けて受光素子
に入射する光量の差が小さく設定した状態で、光源の出
射光量を増大させれば受光素子の入射光量を鏡面及び粗
面でいずれも増大させることができ、飽和及びノイズ影
響がなくより高精度な変位測定が行えるようになる。

【００３３】請求項４記載のように、測定対象に走査し
た光を照射する構成とすることにより、走査型の変位測
定装置においても上記効果を得ることができるようにな
る。特に、鏡面と粗面を連続して高速走査してもこの反
射状態の影響を受けずに高速且つ高精度に変位測定でき
るようになる。請求項５記載のように、上記効果が得ら
れるとともに、受光系をレンズアレイと結像レンズで構
成することにより受光素子の受光面上にシャープな結像
点を作ることができ、偏光手段を配置しやすくなる。請
求項６記載のように、レンズアレイの集光レンズの各光
軸が平行で一直線上に配置し集光レンズの各々の焦点距
離を略等しく構成すれば、レンズアレイと結像レンズの
間が平行光であるため、偏光手段に対する光の入出射を
安定でき、偏光手段での光の透過、反射分岐作用を安定
して得ることができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の変位測定装置の第１実施形態を示す全
体斜視図。

【図２】測定対象の表面状態を示す図。

【図３】測定対象の表面状態による特性を示す図。

【図４】受光素子に入るパワーを示す図。

【図５】本発明の第２実施形態によるλ／２波長板の構
成を示す図。

【図６】本発明の第３実施形態を示す全体斜視図。

【符号の説明】 １…変位測定装置、２…光源、３…偏向手段、４…投光
レンズ、７…シリンドリカルレンズ、８，２１…結像レ
ンズ、１０…受光素子、１２…偏光手段、１４…λ／２
波長板、２０…レンズアレイ、Ｗ…測定対象、Ｗａ…測
定面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田下 貴久 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 AA06 AA09 DD05 FF41 FF49 GG04 GG12 GG22 HH04 HH09 JJ01 JJ15 KK01 LL08 LL10 LL15 LL33 LL35 LL37 PP22 UU01 UU02 UU06 UU07 2F112 AA01 BA07 CA13 DA06 DA09 DA15 DA17 DA25 EA01 2H045 AA01 DA31

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象に光を照射し該測定対象の散乱
   光の結像位置に基づき測定対象の変位量を測定する変位
   測定装置において、 前記測定対象への投光系に設けられ該測定対象に所定の
   偏光状態の光を照射する光源と、 前記測定対象から散乱する光の受光系に設けられ、特定
   の偏光成分のみを透過させる偏光手段と、 前記偏光手段を透過した光を受光面で受光し、該受光面
   上での光の結像位置に応じた変位信号を出力する受光素
   子と、を備えたことを特徴とする変位測定装置。
2. 【請求項２】 前記投光系には、前記光源からの光の偏
   光方向を調整するための波長板が設けられた請求項１記
   載の変位測定装置。
3. 【請求項３】 前記光源は、前記偏光手段による光の透
   過量に対応して出射光量を可変自在な請求項１記載の変
   位測定装置。
4. 【請求項４】 前記投光系には、光源からの光を測定対
   象上で走査するための偏向手段が設けられ、 前記受光系には、前記散乱光を前記受光素子の受光面に
   結像させるためのレンズが設けられ、 前記偏向手段は、前記光の走査方向に沿って所定長さを
   有する請求項１乃至３のいずれかに記載の変位測定装
   置。
5. 【請求項５】 前記投光系には、光源からの光を測定対
   象上で走査するための偏向手段が設けられ、 前記受光系は、 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を備え、 前記偏光手段は、前記レンズアレイと前記結像レンズの
   間に配置され、光の走査方向に沿って所定長さを有する
   請求項１乃至３のいずれかに記載の変位測定装置。
6. 【請求項６】 前記レンズアレイの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、前記測定対象からの散乱
   光を集束させる請求項５記載の変位測定装置。