JP2001304831A

JP2001304831A - 光学式角度測定装置

Info

Publication number: JP2001304831A
Application number: JP2000121850A
Authority: JP
Inventors: Tatsuhiko Matsuura; 辰彦松浦; Motohiro Okazaki; 基弘岡崎; Shigenobu Takagi; 成宣高木; Hideji Shimonaka; 秀二下中
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2001-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】投光側の平行光線の断面積のみを簡単な構成
で調節する手段を備えた光学式角度測定装置を提供す
る。【解決手段】レーザダイオード１１から出たコヒーレ
ント光はコリメータレンズ４１で平行光線とされ、電動
絞り１８を通ることによって、その断面形状が狭められ
る。断面積が狭められた平行光線は、ハーフミラー４２
を通過した後、ワークｗｋの被測定面ｔｓに照射され
る。ワークｗｋの被測定面ｔｓで反射した光は、入射光
とほぼ同じ光路を辿ってハーフミラー４２まで戻り、ハ
ーフミラー４２で反射した後、受光レンズ４３で集光さ
れてＣＣＤ１３の受光面に受光スポットを形成する。被
測定面ｔｓが傾くと、受光スポットは原点から外れる。
原点から受光スポットまでの距離及び方向を測定すれ
ば、被測定面ｔｓの傾き角度及び方向が分かる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源からの光を平
行光線にして被測定面に投光し、被測定面からの反射光
を二次元イメージセンサに集光し、その集光スポットの
位置に基づいて被測定面の傾き角度を測定する光学式角
度測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と解決すべき課題】この種の光学式角度測
定装置は、例えばハードディスク記憶装置のディスク面
の傾き角度、光ディスク記憶装置の光学ピックアップレ
ンズの傾き角度等の検出に用いられる。従来の光学式角
度測定装置の原理を図４に基づいて説明する。

【０００３】図４において、光学式角度測定装置５０の
レーザダイオード等の光源５１から出たコヒーレント光
をコリメータレンズ５２で平行光線にし、ハーフミラー
５３を通した後に測定対象物（以下、ワークという）ｗ
ｋの被測定面（鏡面）に投光する。ワークｗｋの被測定
面で反射した光は、入射光とほぼ同じ光路を辿ってハー
フミラー５３まで戻り、ハーフミラー５３で反射した
後、受光レンズ（ｆ・θレンズ又はｆ・ｔａｎθレン
ズ）５４で集光されて二次元イメージセンサ５５の受光
面に受光スポットを形成する。

【０００４】被測定面が入射光に垂直であれば、反射光
は入射光と同一光路を辿ってハーフミラー５３まで戻
り、受光レンズ５４で集光され形成される受光スポット
は二次元イメージセンサ５５の受光面の中心（原点）に
形成される。被測定面が傾くと、受光スポットは原点か
ら外れる。したがって、原点から受光スポットまでの距
離及び方向を測定すれば、被測定面の傾き角度（方向を
含む）が分かる。

【０００５】上記のような光学式角度測定装置におい
て、平行光線の径（以下、投光径という）より被測定面
が広い場合は問題ないが、投光径より狭い被測定面の傾
き角度を測定する場合につぎのような問題がある。つま
り、図５に示すように、ワークｗｋの被測定面ｔｓの周
囲に別の面（以下、異物面という）ｆｓが存在する場
合、異物面ｆｓが投光径の内部に入ってしまうと、異物
面ｆｓで反射した光がノイズとして加わるため、測定誤
差が大きくなる。例えば、実線で示す被測定面ｔｓによ
る反射光の受光スポットと異なる位置に、破線で示すよ
うな異物面ｆｓで反射した光の受光スポットが生じてし
まう。この問題は、被測定面にうねりがあり、そのうね
りの周期が投光径に比べて十分大きくない場合にも生じ
得る。

【０００６】従来、このような問題を解決する簡易的な
方法として、図５に示すように、光学式角度測定装置５
０とワークｗｋとの間に遮光板ｓｐを入れて平行光線の
断面積を小さくすることにより、周囲の異物面ｆｓを除
く被測定面ｔｓだけに光が当たるようにしていた。

【０００７】しかしながら、この方法では、異なるワー
クには異なる遮光板を用意する必要があり、測定の準備
に時間がかかる。また、この遮光板は投光側の平行光線
（入射光）だけでなく反射光をも遮ることになるので、
測定可能な傾き角度を制限してしまう結果になる。

【０００８】本発明は、上記のような従来の課題に鑑み
て、投光側の平行光線の断面積のみを簡単な構成で調節
する手段を備えた光学式角度測定装置を提供することを
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明による光学式角度
測定装置は、光源からの光を平行光線にして被測定面に
投光し、被測定面からの反射光を二次元イメージセンサ
に集光し、その集光スポットの位置に基づいて被測定面
の傾き角度を測定する光学式角度測定装置であって、平
行光線の断面形状を変更する遮光手段を備えていること
を特徴とする。このような構成によれば、被測定面が狭
く、その周囲に別の面（異物面）がある場合に、投光さ
れる平行光線の断面積を遮光手段によって小さくして、
被測定面のみが照射されるようにすることができる。こ
の結果、被測定面の周囲の異物面による反射光ノイズの
発生を抑え、測定誤差を小さくすることができる。

【００１０】好ましくは、遮光手段が、被測定面からの
反射光を遮らない投光経路上に設けられている。これに
より、光学式角度測定装置の測定可能な傾き角度が制限
されることはない。

【００１１】具体的な構成として、上記の平行光線がハ
ーフミラーを通って被測定面に投光され、被測定面から
の反射光がハーフミラーで反射して二次元イメージセン
サに向かうように光学系が構成され、遮光手段が光源と
ハーフミラーとの間に設けられていることが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態を説明する。

【００１３】図１は、本発明の実施形態に係る光学式角
度測定装置の構成を示すブロック図である。この装置
は、ヘッド部１とコントローラ部２に別れている。ヘッ
ド部１は、光源としてのレーザダイオード１１とその制
御回路１２を備えている。レーザダイオード１１から発
した光は、後述する光学系を通って測定対象物の被測定
面（鏡面）に投光される。

【００１４】また、ヘッド部１は、後述する光学系を介
して被測定面からの反射光を受光する二次元イメージセ
ンサとしてのＣＣＤ１３とＣＣＤドライバ１４及びＣＣ
Ｄ制御回路１５を備えている。被測定面の傾き角度に応
じて、ＣＣＤ１３の受光面における集光スポットの位置
が変化するので、逆に原点に対する集光スポットの位置
から被測定面の傾き角度を判定することができる。

【００１５】ＣＣＤ制御回路１５は、送受信バッファ１
６を介してコントローラ部２からＣＣＤ用クロックを与
えられると共に画素クロックをコントローラ部２に与え
る。ＣＣＤ１３から読み出される信号（受光信号）は、
アンプ１７を介してコントローラ部２に渡される。ま
た、ヘッド部１は、後述する遮光手段としての電動絞り
１８とそれを駆動するためのモータ制御回路１９を備え
ている。

【００１６】コントローラ部２は、ヘッド部１の送受信
バッファ１６に接続される送受信バッファ２１と画像処
理ＩＣ２２を備え、ＣＣＤ用クロックは画像処理ＩＣ２
２から送受信バッファ２１を介してヘッド部１に与えら
れる。逆に、画素クロックが送受信バッファ２１を介し
てヘッド部１から画像処理ＩＣ２２に入力される。ま
た、ヘッド部１のＣＣＤ１３からアンプ１７を介して渡
された受光信号は、コントローラ部２のアンプ２３が受
信し、Ａ／Ｄコンバータ２４でディジタル値に変換され
て画像処理ＩＣ２２に入力される。

【００１７】画像処理ＩＣ２２で受光信号に所定の処理
が施され、その出力がビデオエンコーダ２５に渡され
る。ビデオエンコーダ２５の出力（映像出力）は液晶デ
ィスプレイ（ＬＣＤ）２６に与えられると共に、外部出
力として取り出すこともできる。ＬＣＤ２６は、ＣＣＤ
１３の受光面における集光スポットの位置を二次元表示
する。

【００１８】また、画像処理ＩＣ２２のデータ出力は、
メモリ２７及びマイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２８に入
力される。ＣＰＵ２８は、制御プログラムにしたがって
以下のような制御を行う。つまり、画像処理ＩＣ２２及
びメモリ２７から読み出したデータを測定データに加工
し、ＲＳ２３２Ｃドライバ２９を介して外部機器に伝送
する。また、受光データのピーク値検出を行い、そのデ
ータをメモリ２７に記憶させる。更に、出力ドライバ３
０を介してＢＣＤ出力、アラーム出力及び判定出力を行
う。また、入力ドライバ３１を介して外部からのタイミ
ング信号やホールド信号を入力する。更に、Ｄ／Ａコン
バータ３２を介して、ＣＣＤ１３の受光面における集光
スポットのＸＹ座標に対応するＸアナログ電圧及びＹア
ナログ電圧を出力することもできる。

【００１９】また、ＣＰＵ２８は、レーザ制御信号を出
力してヘッド部１のレーザ制御回路１２を介してレーザ
ダイオード１１の発振を制御する。更に、モータ制御信
号を出力してヘッド部１のモータ制御回路１９を介して
電動絞り１８を制御する。これによって、後述するよう
にレーザダイオード１１から光学系を介して投光される
平行光線の断面積を変更することができる。

【００２０】図２は、実施形態に係る光学式角度測定装
置の光学系を示す図である。光学式角度測定装置１０の
レーザダイオード（光源）１１から出たコヒーレント光
はコリメータレンズ４１で平行光線とされ、遮光手段と
しての電動絞り１８を通ることによって、その断面形状
が変更される（断面積が狭められる）。断面積が狭めら
れた平行光線は、ハーフミラー４２を通過した後、測定
対象物（ワーク）ｗｋの被測定面（鏡面）ｔｓに照射さ
れる。ワークｗｋの被測定面ｔｓで反射した光は、入射
光とほぼ同じ光路を辿ってハーフミラー４２まで戻り、
ハーフミラー４２で反射した後、受光レンズ（ｆ・θレ
ンズ又はｆ・ｔａｎθレンズ）４３で集光されて二次元
イメージセンサ（ＣＣＤ）１３の受光面に受光スポット
を形成する。

【００２１】被測定面ｔｓが入射光に垂直であれば、反
射光は入射光と同一光路を辿ってハーフミラー４２まで
戻り、受光レンズ４３で集光され形成される受光スポッ
トはＣＣＤ１３の受光面の中心（原点）に形成される。
被測定面ｔｓが傾くと、受光スポットは原点から外れ
る。したがって、原点から受光スポットまでの距離及び
方向を測定すれば、被測定面ｔｓの傾き角度（方向を含
む）が分かる。

【００２２】図２において、電動絞り１８の働きによっ
てワークｗｋに投光される平行光線の断面が狭められる
ので、ワークｗｋの表面のうち、被測定面ｔｓのみが平
行光線で照射され、周囲の異物面ｆｓは照射されないよ
うにすることができる。したがって、従来技術の課題と
して説明したような問題は発生しない。つまり、異物面
ｆｓで反射した光がノイズとして加わり測定誤差が大き
くなるといった現象を回避することができる。

【００２３】例えば、光ディスク記憶装置の光学ピック
アップレンズの傾き角度を測定する際には、ピックアッ
プレンズの曲面の周囲に設けられた「こば」と呼称され
る平坦部分に平行光線を照射し、その傾き角度を測定す
る。この際、ピックアップレンズの曲面部分やピックア
ップレンズの支持部材にまで平行光線が照射されると上
記のような問題が生ずる。このような場合に、本発明の
光学式角度測定装置は電動絞り１８によって平行光線を
所望の断面積に狭めることができるので、被測定面ｔｓ
のみに絞って平行光線を照射することができる。

【００２４】また、図２から分かるように、電動絞り１
８はコリメータレンズ４１とハーフミラー４２との間、
すなわち、被測定面ｔｓからの反射光を遮らない投光経
路上に設けられている。したがって、電動絞り１８によ
って平行光線（投光）を絞っても、それによって、測定
可能な傾き角度を制限してしまうことはない。

【００２５】なお、電動絞り１８によって平行光線（投
光）の断面が狭められると、それに比例して光量が減少
することになるが、これについては、受光信号のレベル
が適切な範囲内に入るようにレーザダイオード１１の出
力をフィードバック制御すればよい。

【００２６】次に、本実施形態に係る光学式角度測定装
置の他の特徴について簡単に説明をする。

【００２７】まず、受光レンズ４３とＣＣＤ１３との相
対位置調整について説明する。測定誤差を小さくするに
は、受光レンズ４３の光軸がＣＣＤ１３の受光面に正確
に垂直となるように両者の位置関係を調整する必要があ
る。例えば、受光レンズ４３を固定した場合、その光軸
（Ｚ軸）に対してＣＣＤ１３の受光面がＺ軸に垂直なＸ
Ｙ平面となるように、Ｘ方向及びＹ方向の両方について
傾き調整を行う必要がある。しかし、Ｘ方向及びＹ方向
の両方に傾き調整する機構は複雑になる。

【００２８】そこで、本実施形態の光学式角度測定装置
では、受光レンズ４３及びＣＣＤ１３の一方をＸ方向に
傾き調整する機構と、他方をＹ方向に傾き調整する機構
とを有する。Ｘ方向又はＹ方向のいずれかのみに傾き調
整する機構は比較的簡単に実現できる。受光レンズ４３
及びＣＣＤ１３の一方をＸ方向に傾き調整し、他方をＹ
方向に傾き調整することによって、最終的に受光レンズ
４３の光軸とＣＣＤ１３の受光面とを垂直にすることが
できる。この場合、受光レンズ４３の光軸とＣＣＤ１３
の受光面とが交わる点が原点となる。なお、傾き角度の
調整に際しては、ＣＣＤ１３の出力信号の重心演算を行
うことにより、正確な調整が可能となる。

【００２９】また、受光レンズ４３とＣＣＤ１３との距
離調整については、受光レンズ４３の焦点がＣＣＤ１３
の受光面上にある状態から少しずらした（デフォーカ
ス）状態のほうが好ましい。受光レンズ４３の焦点がＣ
ＣＤ１３の受光面上にある状態では、受光スポットが小
さいために、ＣＣＤの画素と画素との間の不感帯の影響
で測定値の直線性にうねりが発生するからである。デフ
ォーカス状態にすることにより、受光スポットの径が多
少広がり、不感帯の影響が緩和される。

【００３０】つぎに、レーザダイオード１１の向き調整
について説明する。レーザダイオード１１から発した光
を効率よくコリメータレンズ４１に導き平行光線とする
には、レーザダイオード１１の向きをコリメータレンズ
４１の光軸（Ｚ軸）に対してＸ方向及びＹ方向に調整す
る必要がある。しかし、受光レンズ４３及びＣＣＤ１３
の調整と同じく、レーザダイオード１１の向きをＸ方向
及びＹ方向の両方向に調整する機構は複雑になる。

【００３１】そこで、本実施形態の光学式角度測定装置
では、レーザダイオード１１の向き（傾き）をＸ方向の
みに調整可能とし、Ｙ方向には調整しない。レーザダイ
オード１１から発せられる光は、断面が楕円形の広がり
を有する。そこで、楕円形断面の長軸がＹ方向となるよ
うに、レーザダイオード１１の取り付け方向を固定す
る。こうすれば、Ｙ方向には広がり角度が大きいので、
傾き調整を行わなくても問題ない。広がり角度の小さい
Ｘ方向についてのみ傾き調整を行えば足りる。

【００３２】図３（ａ）及び（ｂ）は、レーザダイオー
ド１１の向きをＸ方向のみに調整可能とする簡単な構造
例を示している。図３（ａ）は図２の一部に相当し、
Ｙ軸方向から見た平面図である。図３（ｂ）はレーザ
ダイオード１１及びその取付台１１ａをＸ軸方向から見
た側面図である。図３（ａ）及び（ｂ）から分かるよう
に、取付台１１ａにピン１１ｂを垂直に立て、このピン
１１ｂでレーザダイオード１１（のホルダ）を枢支する
簡単な構造で足りる。これにより、レーザダイオード１
１は矢印で示すように、ピン１１ｂ（Ｙ軸）の周りに
（Ｘ方向に）回動自在となる。

【００３３】以上、本発明の実施形態を説明したが、本
発明はこれらの実施形態に限らず、種々の形態で実施す
ることができる。例えば、平行光線の断面形状を変更す
る（狭める）遮光手段は、上記の実施形態の電動絞りに
限るわけではなく、手動操作によって絞り量を変更する
ように構成されていてもよい。また、上記実施形態では
遮光手段（絞り）をコリメータレンズ４１とハーフミラ
ー４２との間に設けたが、レーザダイオード（光源）１
１とコリメータレンズ４１との間に遮光手段（絞り）を
設けて平行光線の断面形状を変更してもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明の光学式
角度測定装置によれば、平行光線の断面形状を変更する
遮光手段を設けたことにより、被測定面が狭く、その周
囲に別の面（異物面）がある場合に、投光される平行光
線の断面積を遮光手段によって狭め、被測定面のみが照
射されるようにすることができる。この結果、被測定面
の周囲の異物面による反射光ノイズの発生を抑え、測定
誤差を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る光学式角度測定装置の
構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施形態に係る光学式角度測定装置の
光学系を示す図である。

【図３】レーザダイオードの向きをＸ方向のみに調整可
能とする簡単な構造例を示す図である。

【図４】従来の光学式角度測定装置の原理を示す図であ
る。

【図５】従来の光学式角度測定装置の問題点とその解決
方法の一例を示す図である。

【符号の説明】

１１光源１３二次元イメージセンサ１８遮光手段４２ハーフミラーｔｓ被測定面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高木成宣大阪府大阪市東淀川区東中島１−３−14 株式会社キーエンス内 (72)発明者下中秀二大阪府大阪市東淀川区東中島１−３−14 株式会社キーエンス内Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA17 AA37 BB03 BB13 BB25 DD04 DD06 FF01 FF26 GG06 GG12 GG22 HH03 JJ03 JJ26 LL04 LL10 LL30 LL46 NN02 PP03 PP22 QQ00 QQ03 SS09 SS13 UU01 UU02 UU05 UU07 2H042 AA09 AA15 AA21 5C054 AA01 AA05 CA06 CC02 DA01 DA08 EA05 FA02 FC04 GA04 GB15 HA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を平行光線にして被測定面に
投光し、被測定面からの反射光を二次元イメージセンサ
に集光し、その集光スポットの位置に基づいて被測定面
の傾き角度を測定する光学式角度測定装置であって、前記平行光線の断面形状を変更する遮光手段を備えてい
ることを特徴とする光学式角度測定装置。
【請求項２】前記遮光手段が、被測定面からの反射光を
遮らない投光経路上に設けられていることを特徴とする
光学式角度測定装置。
【請求項３】前記平行光線がハーフミラーを通って前記
被測定面に投光され、被測定面からの反射光が前記ハー
フミラーで反射して前記二次元イメージセンサに向かう
ように光学系が構成され、前記遮光手段が前記光源と前
記ハーフミラーとの間に設けられていることを特徴とす
る請求項２記載の光学式角度測定装置。