JP2002286414A - 光学変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が簡単で、コンパクト化が可能で、コス
トダウンが図れ、読取り精度の高い光学変位計を提供す
ることを課題とする。 【解決手段】 被検物１０７の表面変位をＬＤ（光源）
１０１からの光束を線状光として被検物１０７に対して
照射し、その反射光あるいは拡散光をＰＳＤ（受光手
段）１１５に入射させ、光束のＰＳＤ１１５での入射位
置により被検物１０７の表面変位を読み取る光学変位計
であって、ＬＤ１０１からの発散光束を集光作用に方向
性を有する素子であるシリンドリカルレンズ１０５に対
して直接導くように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被検物の表面変位
を光源からの発散光束を線状光として前記被検物に対し
て照射し、その反射光あるいは拡散光を受光手段に入射
させ、前記光束の前記受光手段での入射位置により前記
被検物の表面変位を読み取る光学変位計に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は従来の光学変位計の一例を示す
構成図である。図において、１は光源としての半導体レ
ーザダイオード（以下、ＬＤという）、３はＬＤ１から
出射したレーザ光を平行光とするコリメータレンズ、５
は集光作用に方向性を有する素子、すなわち、コリメー
タレンズ３で平行光とされた光を一方向に集光し、凹凸
のある被検物上７に線状光として照射するシリンドリカ
ルレンズである。

【０００３】被検物７の表面での線状の反射光または拡
散光は、集光レンズ１１で集光され、受光手段としての
ＰＳＤ１５に至る。そして、図１３に示すように、被検
物７へ照射された線状の光のうち、被検物７の平面部７
ａで反射した光はＰＳＤ１５の受光面１５ａのＡ′に至
り、被検物７の凸部７ｂで反射した光はＰＳＤ１５の受
光面１５ａのＢ′に至り、受光位置が異なる。

【０００４】ただし、被検物７へ照射された線状光の長
手方向は、図で紙面垂直方向に一致する。このように、
平面部７ａで反射した光と、凸部７ｂで反射した光とで
は、ＰＳＤ１５からの出力が異なり、平面部７ａである
か、凸部７ｂであるかが判断できる。

【０００５】さらに、図１４は図１３を斜視的にあらわ
した図であるが、図に示すように、ＰＳＤ１５の受光面
１５ａは、被検物７上の線状光の長手方向に複数個分割
されており、線状光に照射された被検物表面上の変位の
分布が集光レンズ１１を介して複数個に分割されたＰＳ
Ｄ１５の受光面１５ａにおいて受光位置の分布という形
に置き換えられる。

【０００６】ＰＳＤ１５の分割された各受光素子からは
各々独立的に受光位置に応じた電気出力信号が発生する
ように構成されており、各受光素子からの電気出力信号
を検出することで、被検物７の線状光の照射された部分
の分布を検出することができる。

【０００７】また、矢印Ｉ方向に被検物７を線状光に対
して相対移動すれば、ＰＳＤ１５の各受光信号から発生
する電気出力信号は、経時的に変化するので、各信号の
変化状態から、被検物７の表面の変位分布を２次元的に
検出することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記構成の光
学変位計において、集光作用に方向性を有する光学素子
であるシリンドリカルレンズ５の結像性能を高めること
で、被検物上の線状光の幅を狭め、被検物の変位読み取
り分解能を高めるために、光源であるＬＤ１と、シリン
ドリカルレンズ５との間に、ＬＤ１から出射したレーザ
光を平行光とするコリメータレンズ３が設けられてい
る。

【０００９】しかし、この場合、構成部品が多くなり、
コンパクト化が難しく、材料費、組み付け及び調整の工
数の面からコストアップする問題点がある。さらに、コ
リメータレンズ３によってシリンドリカルレンズ５に
は、ＬＤ１から出射した光束のうち強度の低い周辺光も
投射されるため、上記線状光の長手方向の光量分布の一
様性が損なわれるこの結果、被検物７で反射した線状光
は、分割されたＰＳＤ１５上において、光量の不均一性
が発生し、ＰＳＤ１５の各受光素子からの出力信号にオ
フセットが発生し、被検物１７の表面変位を性格に検出
できなくなる等の問題点がある。

【００１０】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、その第１の課題は、構成が簡単で、コンパクト化
が可能で、コストダウンも図れる光学変位計を提供する
ことにある。

【００１１】第２の課題は、被検物上の線状光の幅を狭
めて被検物上の表面の変位読み取り分解能を高めた上、
線状光の長手方向の光量分布の一様性を高めることで、
変位読み取り信号の信頼性が向上する光学変位計を提供
することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決する請求
項１記載の発明は、被検物の表面変位を光源からの発散
光束を集光作用に方向性を有する光学素子を介して線状
光として前記被検物に対して照射し、その反射光あるい
は拡散光を受光手段に入射させ、前記光束の前記受光手
段での入射位置により前記被検物の表面変位を読み取る
光学変位計であって、前記光源からの発散光束を前記集
光作用に方向性を有する光学素子に対して直接導くこと
を特徴とする光学変位計である。

【００１３】最初に、図１５を用いて従来の光学変位計
の光学系を説明する。図１５（ａ）において、ＰＰ′は
被検物上における長さｌの線状光、集光作用に方向性を
有する光学素子としてのシリンドリカルレンズＣｙｌ〜
ＰＰ′間の実線は、シリンドリカルレンズＣｙｌの集光
作用のない方向における最外線を示し、破線はシリンド
リカルレンズＣｙｌの集光作用のある方向における最外
線を示している。

【００１４】コリメータレンズＣｏｌでコリメートされ
た光はシリンドリカルレンズＣｙｌで線状光ＰＰ′に集
光されるがシリンドリカルレンズＣｙｌに入射する光束
の範囲は線状光ＰＰ′の長さｌの径を有する。

【００１５】一方、図１６（ａ）は請求項１記載の発明
の原理を示している。図１５（ａ）と同様に、長さｌの
線状光ＰＰ′を形成するが、途中コリメータレンズＣｏ
ｌを介しておらず、シリンドリカルレンズＣｌｙに入射
する光束の範囲は長さｌの径より小さくなっている。

【００１６】図１５（ａ）では、図１６（ａ）に比べ、
シリンドリカルレンズＣｙｌに入射する光の径が大きい
が、光源ＬＤとシリンドリカルレンズＣｙｌの間にコリ
メータレンズＣｏｌを介しているためシリンドリカルレ
ンズで発生する収差は小さく、線状光ＰＰ′の幅は十分
に小さい。

【００１７】しかし、図１６（ａ）において、線状光Ｐ
Ｐ′の長さｌに使用される光束は、シリンドリカルレン
ズＣｙｌの中心付近を通過するため、シリンドリカルレ
ンズＣｙｌで発生する収差は小さく、線状光ＰＰ′の幅
は十分に小さい。

【００１８】このように、図１６（ａ）では、コリメー
タレンズＣｏｌを用いなくとも図１５（ａ）の場合と同
様に充分幅の小さい線状光ＰＰ′を得ることができる。
さらに、図１５（ｂ）図１６（ｂ）はそれぞれ図１５
（ａ）図１６（ａ）の線状光ＰＰ′の長手方向の光量分
布を示している。

【００１９】これらの図が示すように、コリメータレン
ズＣｏｌがない場合、長さｌの線状光ＰＰ′に用いられ
る光束は光源ＬＤから発せられた光束のうち中心付近の
みであるため、線状光ＰＰ′の光量分布はコリメータレ
ンズＣｏｌがある場合に比べて一様性が高いものとな
る。

【００２０】このように、前記光源からの発散光束を前
記集光作用に方向性を有する光学素子に対して直接導く
ことにより、構成が簡単で、コンパクト化が可能で、コ
ストダウンも図れ、さらに、被検物上の線状光の幅を狭
めて被検物上の表面の変位読み取り分解能を高めた上、
線状光の長手方向の光量分布の一様性を高めることで、
変位読み取り信号の信頼性が向上する。

【００２１】尚、上記構成で、光源としては、半導体レ
ーザ、ＬＥＤ、蛍光管等があるが限定するものではな
い。ここで、請求項１記載の発明の前記集光作用に方向
性を有する素子としては、請求項２記載の発明のよう
に、シリンドリカルレンズ、曲面ミラー、回折格子、ホ
ログラム、ＧＲＩＮレンズがある。

【００２２】請求項３記載の発明は、請求項１または２
記載の発明において、前記光源と前記集光方向に方向性
を有する光学素子との間、前記集光方向に方向性を有す
る光学素子と前記被検物との間のいずれかに、前記線状
光の長手方向と直交する方向の光束の開きを制限する開
口絞りを設けたことを特徴とする光学変位計である。

【００２３】前記光源と前記集光方向に方向性を有する
光学素子との間、前記集光方向に方向性を有する光学素
子と前記被検物との間のいずれかに、前記線状光の長手
方向と直交する方向の光束の開きを制限する開口絞りを
設けたことにより、集光方向に方向性を有する光学素子
で発生する前記線状光の幅方向の光学フレアを押さえる
ことができ、前記線状光の幅が充分に小さくなり、被検
物の変位読取り分解能が向上する。

【００２４】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
いずれかに記載の発明の前記光源が、半導体レーザであ
り、該半導体レーザから出射した楕円ビームの長軸方向
を前記線状光の長手方向と略一致させたことを特徴とす
る光学変位計である。

【００２５】図１８に示すように、半導体レーザＬＤの
出射光は、その光軸に対する垂直断面内において、光量
の分布が短軸ＡＡ′、長軸ＢＢ′であらわされる楕円状
となっている。

【００２６】図１７（ａ）に示すように、線状光ＰＰ′
の長手方向と光源である半導体レーザＬＤの出射楕円光
の長軸ＢＢ′とを略一致させることで、線状光ＰＰ′の
長手方向の光量分布の均一性が向上する。

【００２７】この結果、図１４に示される分割されるＰ
ＳＤ１５ａの分割された方向に対する光量の均一性が良
好なものとなり、各分割受光素子で発生する光量の不均
一性により電気オフセットが小さくなる。

【００２８】このため各分割受光素子出力信号は、被検
物７表面の変位分布を性格に反映するもするとなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】次に図面を用いて本発明の実施の
形態例を説明する。 （１）第１の実施の形態例 第１の実施の形態例を説明する構成図である図１に示す
ように、１０１は光源としてのＬＤ、１０５は集光作用
に方向性を有する素子、すなわち、ＬＤ１０１から出射
した拡散光を一方向に集光し、凹凸のある被検物１０７
上に線状光として照射するシリンドリカルレンズであ
る。

【００３０】被検物１０７の表面での反射光または拡散
光は、集光レンズ１０１で集光され、受光手段としての
ＰＳＤ１１５に至る。そして、従来例で説明したよう
に、被検物１０７へ照射された線状の光のうち、被検物
１０７の平面部１０７ａで反射した光と、被検物７の凸
部７ｂで反射した光とのＰＳＤ１１５での入射位置が異
なることを用いて、被検物１０７の表面変位を検出す
る。

【００３１】上記構成によれば、光源であるＬＤ１０１
からの発散光束を集光作用に方向性を有する素子である
シリンドリカルレンズ１０５に直接導くことにより、構
成が簡単で、コンパクト化が可能で、コストダウンも図
れる。

【００３２】さらに、被検物７上の線状光の幅を狭めて
被検物７上の表面の変位読み取り分解能を高めた上、線
状光の長手方向の光量分布の一様性を高めることで、変
位読み取り信号の信頼性が向上する。

【００３３】（２）第２の実施の形態例 第２の実施の形態例を説明する構成図である図２を用い
て説明する。尚、第１の実施の形態例を示す図１と同一
部分には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００３４】図において、ＬＤ１０１とシリンドリカル
レンズ１０５との間には、線状光の長手方向と直交する
方向の光束の開きを制限する開口絞り１３１が設けられ
ている。

【００３５】このような開口絞り１３１を設けたことに
より、線状光の幅方向に発生する光学フレアが抑えら
れ、線状光の幅が十分狭いものとなり、被検物１０７表
面の変位読取り分解能が向上する。

【００３６】尚、本発明は、上記実施の形態例に限定す
るものではない。上記実施の形態例では、シリンドリカ
ルレンズ１０５の前、即ち、開口絞り１３１をＬＤ１０
１とシリンドリカルレンズ１０５との間に設けたが、図
３に示すように、シリンドリカルレンズ１０５の後、即
ち、シリンドリカルレンズ１０５と被検物１０７との間
に開口絞り１３１′を設けてもよい。

【００３７】（３）第３の実施の形態例 上記実施の形態例では、集光作用に方向性を有する素子
としてシリンドリカルレンズを用いた例で説明したが、
他の素子でも可能である。

【００３８】第３の実施の形態例を説明する構成図であ
る図４を用いて説明する。尚、第１の実施の形態例を示
す図１と同一部分には、同一符号を付し、重複する説明
は省略する。

【００３９】図において、ＬＤ１０１と被検物１０７と
の間には、集光作用に方向性を有する素子として回折格
子２０５が設けられている。上記構成によれば、光源で
あるＬＤ１０１からの発散光束を集光作用に方向性を有
する素子である回折格子２０５に直接導くことにより、
構成が簡単で、コンパクト化が可能で、コストダウンも
図れる。

【００４０】さらに、被検物７上の線状光の幅を狭めて
被検物７上の表面の変位読み取り分解能を高めた上、線
状光の長手方向の光量分布の一様性を高めることで、変
位読み取り信号の信頼性が向上する。

【００４１】更に、シリンドリカルレンズ１０５は一方
向のみに集光作用を有するのに対し、回折格子２０５は
二方向の集光作用を有するので、線状光の幅と長さとを
任意に形成できる。

【００４２】尚、回折格子を用いる第３の実施例には、
以下のような変形例も可能である。図５に示すように、
ＬＤ１０１からの光束を集光作用に方向性のある素子と
して回折格子２０５が設けられている。さらに、この回
折格子２０５により、光束の進行方向が変向され、被検
物１０７へ照射される。

【００４３】また、被検物１０７とＰＳＤ１１５との間
には、被検物１０７の表面での反射光または拡散光を集
光し、ＰＳＤ１１５方向へ導く回折格子２０７が設けら
れている。

【００４４】このような構成においても、第１の実施の
形態例と同様な効果を得ることができる。さらに、回折
格子２０５，２０７を適宜選択することにより、出射光
を任意の方向へ導くことができ、光学系の自由度が向上
し、装置をコンパクトにできる。

【００４５】（４）第４の実施の形態例 集光作用に方向性を有する素子として、第１及び第２の
実施の形態例では、シリンドリカルレンズ、第３の実施
の形態例では回折格子を用いたが、さらに他の素子でも
可能である。

【００４６】第４の実施の形態例を説明する構成図であ
る図６を用いて説明する。尚、第１の実施の形態例を示
す図１と同一部分には、同一符号を付し、重複する説明
は省略する。

【００４７】図において、ＬＤ１０１と被検物１０７と
の間には、集光作用に方向性を有する素子として曲面ミ
ラー３０５が設けられている。また、被検物１０７とＰ
ＳＤ１１５との間には、被検物１０７の表面での反射光
または拡散光を集光し、ＰＳＤ１１５方向へ導く曲面ミ
ラー３０７が設けられている。

【００４８】このような構成においても、第１の実施の
形態例と同様な効果を得ることができる。さらに、曲面
ミラー３０５，３０７は、シリンドリカルレンズ、集光
レンズ、回折格子より安価であるので、装置のコストダ
ウンを図ることができる。

【００４９】（５）第５の実施の形態例 第５の実施の形態例を説明する構成図である図７を用い
て説明する。尚、第１の実施の形態例を示す図１と同一
部分には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００５０】図において、透明体４０１の一方の端面に
は、透明体４０１の他方の端面方向へ光束を出射するＬ
Ｄ１０１が設けられ、透明体４０１の他方の端面には、
集光方向に方向性を有するシリンドリカルレンズ部４０
３が透明体４０１と一体的に形成されている。

【００５１】透明体４０１と被検物１０７との間には、
透明体４０１のシリンドリカルレンズ部４０３から出射
した光束を被検物１０７へ案内するミラー４０５が設け
られている。

【００５２】さらに、集光レンズ１１１と被検物１０７
との間には、被検物１０７の表面での反射光または拡散
光を集光レンズ１１１へ案内するミラー４０７が設けら
れている。

【００５３】このような構成においても、第１の実施の
形態例と同様な効果を得ることができる。さらに、透明
体４０１にシリンドリカルレンズ部４０３を形成し、透
明体４０１にＬＤ１０１を設けることにより、装置のコ
ンパクト化及び組み付け工数の低減が図れる。

【００５４】尚、本発明は、上記実施の形態例に限定す
るものではない。図８に示すように、透明体４１１の一
方の端面に集光レンズ部４１３を透明体４１１と一体的
に形成し、透明体４１１の他方の端面にＰＳＤ１１５を
設けるようにしてもよい。

【００５５】このような構成によれば、透明体４１１に
集光レンズ部４１３を形成し、透明体４１１にＰＳＤ１
１５を設けることにより、さらに、装置のコンパクト化
及び組み付け工数の低減が図れる。

【００５６】（６）第６の実施の形態例 第６の実施の形態例を説明する構成図である図９を用い
て説明する。尚、第１の実施の形態例を示す図１と同一
部分には、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

【００５７】図において、ＬＤ１０１及びシリンドリカ
ルレンズ１０５からなる照射系と、集光レンズ１１１及
びＰＳＤ１１５からなる受光系とが平行に設けられてい
る。そして２枚のミラー５０１，５０３を設け、ミラー
５０１にてシリンドリカルレンズ１０５からの線状光を
反射して被検物１０７へ案内し、ミラー５０３にて被検
物１０７の表面での反射光または拡散光を反射して集光
レンズ１１１へ案内するようにした。

【００５８】上記構成によれば、装置のコンパクト化を
図ることができる。尚、本発明は、上記実施の形態例に
限定するものではない。上記実施の形態例で、ミラー５
０１及びミラー５０３の代わりに回折格子を用いてもよ
い。

【００５９】さらに、図１０に示すように、ミラー５０
１及びミラー５０３と同じ反射面５１１，５１３を有す
る反射体５１５を用いてもよい。 （７）第７の実施の形態例 第７の実施の形態例を説明する構成図である図１１を用
いて説明する。尚、第１の実施の形態例を示す図１と同
一部分には、同一符号を付し、重複する説明は省略す
る。

【００６０】図において、透明体６０１には、透明体内
部に向かって光束を出射するＬＤ１０１が設けられる第
１の面６０３と、ＬＤ１０１から出射された光束を反射
して線状光とし、被検物１０７と対向する第２の面６０
５から出射させるシリンドリカル曲面６０７と、第２の
面６０５を介して入射した被検物１０７の表面での反射
光または拡散光を反射して、第３の面６０９に設けられ
たＰＳＤ１１５へ集光させる集光曲面６１１とが設けら
れている。

【００６１】尚、本実施の形態例では、シリンドリカル
曲面６０７及び集光曲面６１１は、アルミ等の蒸着によ
り形成した。上記構成によれば、装置のコンパクト化を
図ることができる。

【００６２】尚、本発明は上記実施の形態例に限定する
ものではない。上記実施の形態例において、シリンドリ
カル曲面６０７及び集光曲面６１１の代わりに、平面状
の回折格子面であってもよい。

【００６３】尚、第１〜第７の実施の形態例において
も、光源はＬＤに限定するものではないが、光源をＬＤ
とし、ＬＤから出射される楕円ビームの長軸方向が被検
物上の線状光の長手方向に略一致するように光学配置を
行えば、線状光の長手方向の光量分布の一様性が高ま
る。

【００６４】このため、分割されたＰＳＤの受光部に結
像される線状光の光量分布の一様性が良好となり、ＰＳ
Ｄの各受光部において発生する変位出力信号は、線状光
の長手方向の光量分布の不均一性による電気オフセット
が小さく、良好なものとなる。

【００６５】

【発明の効果】以上述べたように、請求項１及び請求項
２記載の発明によれば、前記光源からの発散光束を前記
集光作用に方向性を有する光学素子に対して直接導くこ
とにより、構成が簡単で、コンパクト化が可能で、コス
トダウンも図れ、さらに、被検物上の線状光の幅を狭め
て被検物上の表面の変位読み取り分解能を高めた上、線
状光の長手方向の光量分布の一様性を高めることで、変
位読み取り信号の信頼性が向上する。

【００６６】請求項３記載の発明によれば、前記光源と
前記集光方向に方向性を有する光学素子との間、前記集
光方向に方向性を有する光学素子と前記被検物との間の
いずれかに、前記線状光の長手方向と直交する方向の光
束の開きを制限する開口絞りを設けたことにより、集光
方向に方向性を有する光学素子で発生する前記線状光の
幅方向の光学フレアを押さえることができ、前記線状光
の幅が充分に小さくなり、被検物の変位読取り分解能が
向上する。

【００６７】請求項４記載の発明によれば、前記光源
は、半導体レーザであり、該半導体レーザから出射した
楕円ビームの長軸方向を前記線状光の長手方向と略一致
させたことにより、線状光ＰＰ′の長手方向の光量分布
の均一性が向上する。

【００６８】この結果、受光手段で発生する光量の不均
一性により電気オフセットが小さくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態例を説明する構成図である。

【図２】第２の実施の形態例を説明する構成図である。

【図３】第２の実施の形態例の変形例を説明する構成図
である。

【図４】第３の実施の形態例を説明する構成図である。

【図５】第３の実施の形態例の変形例を説明する構成図
である。

【図６】第４の実施の形態例を説明する構成図である。

【図７】第５の実施の形態例を説明する構成図である。

【図８】第５の実施の形態例の変形例を説明する構成図
である。

【図９】第６の実施の形態例を説明する構成図である。

【図１０】第６の実施の形態例の変形例を説明する構成
図である。

【図１１】第７の実施の形態例を説明する構成図であ
る。

【図１２】従来の光学変位計の一例を示す構成図であ
る。

【図１３】図１２に示す光学変位計の原理を説明する図
である。

【図１４】図１３を斜視的にあらわした図である。

【図１５】従来の光学変位計の要部を示す図である。

【図１６】請求項１記載の発明の原理図である。

【図１７】請求項４記載の発明の効果を説明する図であ
る。

【図１８】請求項４記載の発明の効果を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１０１ ＬＤ（光源） １０５ シリンドリカルレンズ １０７ 被検物 １１５ ＰＳＤ（受光手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA06 AA24 AA52 BB05 DD02 FF02 FF09 GG03 GG06 GG07 HH05 HH12 JJ03 JJ08 JJ16 LL08 LL10 LL19 LL30 LL42 LL51 UU01 UU03 2F112 AA06 BA10 BA11 CA13 DA06 DA09 DA11 DA32

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物の表面変位を光源からの発散光束
   を集光作用に方向性を有する光学素子を介して線状光と
   して前記被検物に対して照射し、その反射光あるいは拡
   散光を受光手段に入射させ、前記光束の前記受光手段で
   の入射位置により前記被検物の表面変位を読み取る光学
   変位計であって、 前記光源からの発散光束を前記集光作用に方向性を有す
   る光学素子に対して直接導くことを特徴とする光学変位
   計。
2. 【請求項２】 前記集光作用に方向性を有する素子は、
   シリンドリカルレンズ、曲面ミラー、回折格子、ホログ
   ラム、ＧＲＩＮレンズ、のうちのいずれかであることを
   特徴とする請求項１記載の光学変位計。
3. 【請求項３】 前記光源と前記集光方向に方向性を有す
   る光学素子との間、前記集光方向に方向性を有する光学
   素子と前記被検物との間のいずれかに、前記線状光の長
   手方向と直交する方向の光束の開きを制限する開口絞り
   を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の光学
   変位計。
4. 【請求項４】 前記光源は、半導体レーザであり、 該半導体レーザから出射した楕円ビームの長軸方向を前
   記線状光の長手方向と略一致させたことを特徴とする請
   求項１乃至３のいずれかに記載の光学変位計。