JP2002365015A - 変位測定センサ及び変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 受光素子の境界で結像点を消滅させる。 【解決手段】 変位測定センサ１は、測定対象Ｗに測定
光を照射する投光部２と、受光領域８ａを有する受光素
子８と反射光を受光領域８ａ上に結像点Ｐとして形成さ
せる結像レンズ７と反射光を集光し平行にして結像レン
ズ７へ出射する受光レンズ６とを含む受光部５と、を備
える。変位測定センサ１は、測定対象Ｗの変位に応じた
反射光の光路変化に伴って受光領域８ａ上を移動する結
像点Ｐの位置から、測定対象Ｗの変位を非接触で測定す
るためのセンサである。変位測定センサ１は、受光レン
ズ６と結像レンズ７間に設けられ、測定対象Ｗの変位に
応じて変化する反射光の入射角に追随して測定光の透過
光量を変動させ、結像点Ｐがその移動方向Ｘ₁ ，Ｘ₂ 側
の受光領域８ａの境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に接近するに従い、透
過光量を減衰させる光量調整手段１０を具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投光部からの測定
光を測定対象に照射し、その反射光を受光素子上に結像
させる変位測定センサ、及び、その結像点の移動量から
測定対象の変位量を非接触で測定する変位測定装置に係
り、特に、受光素子の受光領域の境界で、結像点の光量
を減衰させる変位測定センサ及び変位測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】図３６に従来の変位測定装置を示す。変
位測定装置１００は、投光部１０１と受光部１０４とで
構成される。投光部１０１は、レーザ光を出射するレー
ザ光源１０２と、そのレーザ光を受光し、測定対象Ｗに
照射させる投光レンズ１０３からなる。

【０００３】受光部１０４は、測定対象Ｗで反射された
レーザ光を受光する受光レンズ１０５を有する。この受
光レンズ１０５は、受光したレーザ光を平行光として出
射する。平行光は結像レンズ１０６に受光され、受光素
子１０７上に所定のビーム径を有する結像点Ｐとして結
像される。

【０００４】測定対象Ｗに凹凸があれば、受光素子１０
７上に結像される結像点Ｐは図中矢印で示すＸ方向に移
動する。例えば、測定対象Ｗの基準面Ｗ₁ より高い凸部
Ｗ₂を照射したときは、結像点Ｐは、受光素子１０７の
中心から左方向Ｘ₁ へ移動する。これに対し、測定対象
Ｗの基準面Ｗ₁ より低い凹部Ｗ₃ を照射したときは、結
像点Ｐは、受光素子１０７の中心から右方向Ｘ₂ へ移動
する。

【０００５】受光素子１０７の両端には、それぞれ電極
端子が設けられている。変位測定装置１００では、受光
素子１０７上の結像点Ｐの結像位置と両端子までの距離
に基づき、両端子から電流が出力される。変位測定装置
１００は、この一対の出力信号から測定対象Ｗの変位
（凹凸）を測定するものである。

【０００６】図３７は、受光素子１０７の受光領域１０
７ａ上に結像された結像点Ｐとその光量を示している。
この光量分布はガウス形で近似される。同図（ａ）に示
すように、結像点Ｐが受光領域１０７ａ内に含まれてい
る場合は、光量は、結像点Ｐの中心に対して左右対称な
凸状の分布となる。このとき、この光量分布の重心位置
と結像点の中心とが一致する。なお、この分布のピーク
から約１３. ５％下がったときの幅が結像点のコアのビ
ーム径となる。残りの部分は、結像点のフレアである。

【０００７】一方、測定対象Ｗの変位が凸部Ｗ₂ よりも
更に上昇して、結像点Ｐが受光素子１０７の受光領域１
０７ａの境界付近で結像されると、同図（ｂ）に示すよ
うに、受光領域１０７ａの境界より内側部分の結像点
Ｐ’だけが受光素子５７で受光され、受光領域１０７ａ
外に到達した結像点は検出されないこととなる。

【０００８】同様に、測定対象Ｗの変位が凹部Ｗ₃ より
も更に下降して、結像点Ｐが受光素子１０７の受光領域
１０７ａの境界付近で結像されると、同図（ｂ）に示す
ように、受光領域１０７ａの境界より内側部分の結像点
Ｐ”だけが受光素子１０７で受光され、受光領域１０７
ａ外に到達した結像点は検出されないこととなる。

【０００９】したがって、このときの光量分布は、受光
領域１０７ａからはみ出した結像点が切り落とされたよ
うな分布となる。

【００１０】しかし、このときの光量分布では、結像点
Ｐのコア部分がすべて受光されておらず、また、非受光
領域における散乱光により結像点Ｐのフレア部分が広が
ることとなる。したがって、この光量分布から求められ
る重心位置は、結像点Ｐの中心と一致せず、この重心位
置を結像点Ｐの中心として、受光素子５７の両電極端子
までの距離が算出されてしまうこととなる。すなわち、
結像点Ｐと光量重心との位置ずれの分誤差が生じ、誤っ
たままの測定値として使用されてしまうという問題点が
あった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記従来技
術の問題点を解決するため、結像点の光量を減衰させる
ことにより、光量重心との位置ずれが生じた場合でも、
誤差の影響を最小限にして、変位測定の測定精度の向上
を図ることにある。特に、受光領域内でのみ結像点と光
量重心との位置を一致させることにより、更に、変位測
定の測定精度の向上を図ることにある。

【００１２】また他の目的は、受光レンズと結像レンズ
との間に光量調整手段を設けることにより、光量調整手
段に平行な測定光が入射され、反射光分布内すべてが光
量調整手段に対し同じ入射角となるため、結像されるビ
ーム径の重心をずらすことなく、光量制御の容易化を図
ることにある。

【００１３】更に他の目的は、受光領域の境界に反射光
が到達した場合でも、電気的処理により結像点が検出さ
れないこととすることにより、受光領域上で検出される
結像点はその中心と光量重心が一致したものだけとし、
測定誤差のない高精度な変位測定を図ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】次に、上記の課題を解決
するための手段を説明する。本発明の変位測定センサ
は、請求項１記載のように、測定対象Ｗに測定光を照射
する投光部２と、受光領域８ａを有する受光素子８と、
前記反射光を前記受光領域８ａ上に結像点Ｐとして形成
させる結像レンズ７と、前記反射光を集光し平行にして
前記結像レンズ７へ出射する受光レンズ６と、を含む受
光部５と、を備え、前記測定対象Ｗの変位に応じた前記
反射光の光路変化に伴って前記受光領域８ａ上を移動す
る前記結像点Ｐの位置から、前記測定対象Ｗの変位を非
接触で測定するための変位測定センサであって、前記受
光レンズ６と前記結像レンズ７間に設けられ、前記測定
対象Ｗの変位に応じて変化する前記反射光の入射角に追
随して前記測定光の透過光量を変動させ、前記結像点Ｐ
がその移動方向Ｘ₁ ，Ｘ₂ 側の前記受光領域８ａの境界
Ｂ₁ ，Ｂ ₂ に接近するに従い、前記透過光量を減衰させ
る光量調整手段１０，２０，３０，４０，５０，６０を
具備することを特徴とする。

【００１５】投光部２から測定対象Ｗに測定光を照射す
る。その反射光は受光レンズ６で受光され平行になる。
平行にされた反射光は、光量調整手段１０，２０，３
０，４０，５０，６０と透過する。透過した反射光は、
結像レンズ７により受光素子８の受光領域８ａ上に結像
させ、結像点Ｐが形成される。

【００１６】測定対象Ｗに変位が生じると、反射光の光
路が変化して受光素子８に導かれる。この反射光の光路
変化により、光量調整手段１０に対する反射光の入射角
が変化する。これに追随して、光量調整手段１０を透過
する反射光の透過光量が変化する。そして、結像点Ｐが
その移動方向Ｘ₁ ，Ｘ₂ 側の受光領域８ａの境界Ｂ₁，
Ｂ₂ に接近するに従い、透過光量は減衰する。

【００１７】この状態で反射光が受光領域８ａに結像さ
れても、減衰された透過光量、即ち、受光領域８ａにお
ける受光量が極めて少ないため、その結像点Ｐと光量重
心との位置ずれが生じた場合でも、誤差の影響が最小限
にとどまり、変位測定の測定精度が向上する。

【００１８】また上記請求項１記載の変位測定センサの
光量調整手段１０，２０，３０，４０，５０，６０は、
請求項２記載のように、更に、前記受光領域８ａの境界
Ｂ₁，Ｂ₂ で前記透過光量を０に収束させるように構成
されることを特徴とする。

【００１９】この発明によれば、測定対象Ｗに変位が生
じると、反射光の光路が変化して受光素子８に導かれ
る。この反射光の光路変化により、光量調整手段１０，
２０，３０，４０，５０，６０に対する反射光の入射角
が変化する。これに追随して、光量調整手段１０を透過
する反射光の透過光量が変化する。そして、結像点Ｐが
その移動方向Ｘ₁ ，Ｘ₂ 側の受光領域８ａの境界Ｂ₁ ，
Ｂ₂ に接近するに従い、透過光量は減衰する。そして、
受光領域８ａの境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ で透過光量が０に収束す
る。即ち、受光領域８ａの境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ では、反射光
は結像されない。従って、結像点Ｐと光量重心との位置
ずれが生じることはなく、受光領域８ａ上で結像された
結像点Ｐは常に光量重心と一致するため、変位測定の測
定精度が更に向上する。

【００２０】なお、上記光量調整手段は、偏光ビームス
プリッタ，無偏光ビームスプリッタ，誘電体ビームスプ
リッタ，金属ハーフミラー，コールドミラー等の分光素
子が適用可能である。したがって、このような光学部品
を用いることにより簡単に光量の調整が可能となる。特
に、これらの偏光ビームスプリッタ，無偏光ビームスプ
リッタ，誘電体ビームスプリッタ，金属ハーフミラー，
コールドミラー等の分光素子は、通常透過成分と反射成
分とに分光させる部品であるが、入射角度に依存する光
量減衰特性を利用することで、透過成分と反射成分の光
量の割合を変動させることができる。

【００２１】また上記請求項１記載の変位測定センサ
は、請求項３記載のように、更に、前記光量調整手段１
０，２０，３０，４０，５０，６０に入射された前記反
射光のうち前記光量調整手段１０，２０，３０，４０，
５０，６０で反射される二次反射光を受光し、該二次反
射光の受光量を出力する二次反射光受光部８１を具備す
ることを特徴とする。

【００２２】本発明によれば、測定対象Ｗからの反射光
が、光量調整手段１０，２０，３０，４０，５０，６０
に入射されると、光量調整手段１０，２０，３０，４
０，５０，６０を透過する透過光と、光量調整手段１
０，２０，３０，４０，５０，６０の分光面で反射され
る二次反射光と、に分光される。透過光は、受光素子８
にて受光され、その受光量は透過光量として出力され
る。一方、二次反射光は、二次反射光受光部８１にて受
光され、二次反射光量が出力される。したがって、透過
光量と二次反射光量とからなる測定対象Ｗからの全反射
光量を得ることができる。

【００２３】また本発明の変位測定装置は、請求項４記
載のように、請求項１又は２記載の変位測定センサ１の
前記受光素子８から前記受光領域８ａ上の前記結像点Ｐ
の位置に基づいて出力される出力信号に基づき、前記測
定対象Ｗの変位を演算する変位演算部７５と、予め設定
された光量閾値と前記結像点Ｐの受光量とを比較し、そ
の比較結果から前記結像点Ｐの位置を判定する光量判定
部７９と、を具備し、前記変位演算部は、前記透過光量
が前記光量閾値以上と判定された場合のみ、前記結像点
Ｐが前記両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内に位置す
るものとして、前記測定対象Ｗの変位の演算処理を実行
することとしてもよい。

【００２４】本発明によれば、受光素子８に反射光が受
光されたとき、光量判定部７９は、予め設定された光量
閾値と結像点Ｐの受光量とを比較する。結像点Ｐの受光
量が光量閾値未満となる比較結果であるときは、結像点
Ｐが受光領域８ａの境界Ｂ₁，Ｂ₂ に交わっているか、
あるいは、受光領域８ａ外に移動したこととなる。一
方、結像点Ｐの受光量が光量閾値以上となる比較結果で
あるときは、結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域
８ａ内に位置していると判定される。そして、結像点Ｐ
が両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内に位置している
と判定されたときのみ測定対象Ｗの変位の演算処理を実
行する。これにより、変位測定の対象となる結像点Ｐ
は、受光領域８ａ上において結像点Ｐの中心とその光量
重心が一致したもの、即ち、両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光
領域８ａ内に位置するものだけとなり、測定誤差のない
変位測定が可能となる。

【００２５】また本発明の変位測定装置は、請求項５記
載のように、請求項３記載の変位測定センサ１の前記受
光素子８から前記受光領域８ａ上の前記結像点Ｐの位置
に基づいて出力される第一出力信号に基づき、前記測定
対象Ｗの変位を演算する変位演算部７５と、予め設定さ
れた透過率閾値と、前記第一出力信号及び前記二次反射
光受光部８１より前記二次反射光の受光量として出力さ
れる第二出力信号から得られる前記反射光の透過率と、
を比較し、その比較結果から前記結像点Ｐの位置を判定
する透過率判定部８５と、を具備し、前記変位演算部７
５は、前記透過率が前記透過率閾値以上と判定された場
合のみ、前記結像点Ｐが前記両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光
領域８ａ内に位置するものとして、前記測定対象Ｗの変
位の演算処理を実行することとしてもよい。

【００２６】本発明によれば、受光素子８に反射光が受
光されたとき、透過率判定部８５は、予め設定された透
過率閾値と反射光の透過率とを比較する。第一出力信号
は透過光量（受光素子８の受光量）に対応しており、反
射光の透過率は、第一出力信号及び第二出力信号から算
出される。反射光の透過率が透過率閾値未満となる比較
結果であるときは、結像点Ｐが受光領域８ａの境界
Ｂ₁ ，Ｂ₂ に交わっているか、あるいは、受光領域８ａ
外に移動したこととなる。

【００２７】一方、反射光の透過率が透過率閾値以上と
なる比較結果であるときは、結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ
₂ 間の受光領域８ａ内に位置していると判定される。そ
して、結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内
に位置していると判定されたときのみ測定対象Ｗの変位
の演算処理を実行する。これにより、変位測定の対象と
なる結像点Ｐは、受光領域８ａ上において結像点Ｐの中
心とその光量重心が一致したもの、即ち、両境界Ｂ₁ ，
Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内に位置するものだけとなり、測
定誤差のない変位測定が可能となる。

【００２８】特に、反射光の透過率は、反射光の全光量
に対する透過光量の割合となるため、反射率が異なる測
定対象Ｗであっても、反射光の透過率から光量調整手段
１０，２０，３０，４０，５０，６０による反射光の減
衰状態及び結像点Ｐの位置を把握できることとなる。

【００２９】

【発明の実施の形態】まず、第一実施の形態について説
明する。図１は本発明による変位測定センサ１を示す側
面図である。本例は、測定対象Ｗの基準面Ｗａを最も低
い高さとしたときの例である。変位測定センサ１（１
Ａ）は、投光部２と受光部５とで構成されている。投光
部２は、レーザ光源３と投光レンズ４とを有する。受光
部５は、受光レンズ６と、偏光ビームスプリッタ１０
と、結像レンズ７と、受光素子８（ＰＳＤ）と、で構成
されている。

【００３０】レーザ光源３は、測定対象Ｗに測定光（レ
ーザ光）を照射するものである。Ｋのレーザ光は、Ｐ偏
光成分のみからなる光である。投光レンズ４は、拡散す
るレーザ光を測定対象Ｗ上で一点に収束させるためのレ
ンズである。

【００３１】受光レンズ６は、測定対象Ｗから反射した
レーザ光を受光し、平行光として出射するものである。
結像レンズ７は、受光レンズ６と同一の光軸Ｙ上に設け
られている。結像レンズ７は、受光レンズ６側から出射
された平行なレーザ光を受光する。そして、受光したレ
ーザ光を、受光素子８上に所定のビーム径を有する結像
点として結像点Ｐを形成させる。結像点Ｐは、測定対象
Ｗの高さ方向の変位に応じて、図１に示す矢印方向Ｘに
移動する。

【００３２】受光素子８は、例えばＰＳＤ(Position Se
nsitive Detector) からなり、受光領域８ａにレーザ光
が到達し、結像点Ｐが形成されると、形成位置に光エネ
ルギーに比例した電荷が発生する。発生した電荷は、光
電流としてＰＳＤ両端に設けられている不図示の電極端
子から出力される。出力電流は、結像点Ｐの形成位置か
ら電極端子までの距離に反比例して出力される。

【００３３】偏光ビームスプリッタ１０は、立方体形状
の光学部品であり、受光レンズ６及び結像レンズ７と同
一光軸Ｙ上に設けられている。この偏光ビームスプリッ
タ１０は、Ｐ偏光透過特性を有する。偏光ビームスプリ
ッタ１０の入射面１０ａ及び出射面１０ｃは、光軸Ｙに
対しほぼ直交して設けられている。偏光ビームスプリッ
タ１０には、入射面１０ａから入射されたレーザ光をＳ
偏光とＰ偏光とに分光する分光面１０ｂを有する。図１
に示すように、分光面１０ｂは、入射面１０ａから結像
点Ｐの移動方向Ｘに対し、例えば４５度傾いて形成され
ている。換言すれば、分光面１０ｂは、測定対象Ｗの高
さが変位することによって入射するレーザ光の入射角度
が変動する向きに傾いて形成されている。分光面１０ｂ
は、入射光を透過光と２次反射光とに分離する。

【００３４】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。変位測定センサ１Ａを測定対象Ｗ上に移動させる。
レーザ光源３からレーザ光を照射する。レーザ光は、投
光レンズ４を介して測定対象ＷにＰ偏光で照射される。
図２（ａ）は、レーザ光が測定対象Ｗの基準面Ｗａの位
置に照射されたときの図である。図２（ａ）に示すよう
に、レーザ光は測定対象Ｗ上で反射する。反射したレー
ザ光は、受光レンズ６に受光され、平行なビームとなっ
て出射される。

【００３５】直線偏光が保たれた平行なレーザ光は、偏
光ビームスプリッタ１０の入射面１０ａに対してほぼ垂
直に入射する。そして、入射したレーザ光は、分光面１
０ｂに対し、入射したレーザ光がすべて透過する入射角
度、例えば４５度の入射角度で入射する。このとき、照
射側の直線偏光が透過する特性を持つ分光面１０ｂであ
るので、レーザ光は分光面１０ｂを透過する。透過した
レーザ光は、平行なまま結像レンズ７に入射される。

【００３６】結像レンズ７に入射したレーザ光は、受光
素子８の中心に完全な形で結像される。図３（ａ）に、
このときの受光素子８の受光領域８ａに形成された結像
点Ｐ及びその光量を示す。この光量分布はガウス形で近
似される。同図（ａ）に示すように、光量は、結像点Ｐ
の中心に対して左右対称な凸状の分布となる。この光量
分布の重心位置と結像点Ｐの中心とが一致する。

【００３７】次に、図２（ｂ）に示すように、レーザ光
源３から照射されたレーザ光が、測定対象Ｗの基準面Ｗ
ａよりも高い位置Ｗｂに照射されたとき、反射したレー
ザ光の光路はこれに伴って変化する。反射したレーザ光
は、受光レンズ６により平行光となる。平行にされたレ
ーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０の入射面１０ａに
対し、やや斜めに入射される。そして、入射したレーザ
光は若干屈折し、分光面１０ｂに対し、４５度よりもや
や大きな入射角度、例えば５０度で入射される。

【００３８】図４は、偏光ビームスプリッタ１０におけ
る分光面１０ｂへの入射角度に対する透過光の光量の特
性を示したグラフである。図２（ａ）に示すように分光
面１０ｂに対して４５度の入射角度でレーザ光が入射さ
れたときの透過光の光量を１００％とすると、図４中一
点鎖線で示すように、入射角度が大きくなるにつれ、透
過光の光量が減衰する。これに伴い、反射光の光量が増
加する。したがって、図２（ｂ）の場合は、入射角度が
５０度なので、透過光の光量は、４５度で入射したとき
の約７５％になる。

【００３９】約７５％に減衰された透過光は、結像レン
ズ７に入射され、受光素子８の受光領域８ａの中心と境
界Ｂ₁ の間に完全な形で結像される。結像点Ｐは、図２
（ａ）に比べＸ₁ 方向に移動している。このときの受光
状態を図３（ｂ）に示す。この光量分布は上記同様ガウ
ス形で近似される。同図（ｂ）に示すように、光量は、
結像点Ｐの中心に対して左右対称な凸状の分布となる。
この光量分布の重心位置Ｇと結像点Ｐの中心とが一致す
る。

【００４０】そして、図２（ｃ）に示すように、投光部
３が更に高い位置Ｗc にレーザ光を照射したとき、測定
対象Ｗで反射されたレーザ光の光路は更に変化する。反
射されたレーザ光は、受光レンズ６により平行光とな
る。平行にされたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１
０の入射面１０ａに対し、更に広角となってに入射され
る。そして、入射したレーザ光は若干屈折し、分光面１
０ｂに対し、５０度よりもやや大きな入射角度、例えば
５５度で入射される。

【００４１】図４の一点鎖線によりこのときの分光特性
を見ると、分光面１０ｂに対し４５度に入射したときを
１００％とすると、透過光の光量が０％となる。すなわ
ち、分光面１０ｂに入射されたレーザ光はすべて反射さ
れることとなる。したがって、図２（ｃ）に示すよう
に、透過光は受光素子８の受光領域８ａの境界Ｂ₁ には
到達せず、図３（ｃ）に示すように光量が出力されなく
なる。

【００４２】従ってこのように構成された変位測定セン
サ１Ａでは、結像点Ｐが受光領域８ａ内に完全に形成さ
れるときは、ガウス形の左右対称な凸状波形の光量が検
出され、結像点Ｐの中心と光量の重心Ｇが一致する。そ
して、結像点Ｐがその中心から境界Ｂ₁ へ移動し、反射
光の分光面１０ｂへの入射角が例えば約５０度を超えて
変化したときの反射光の光路で反射光が受光領域８ａに
導かれると、光量が急激に減衰する。そして、結像点Ｐ
が受光領域８ａの境界Ｂ₁ にかかるような位置で透過光
の光量は０になる。

【００４３】よって、不完全な形で結像点Ｐが形成され
ることがなく、光量波形も左右対称となるので、結像点
Ｐの中心と光量重心Ｇとが一致して、電極端子までの距
離が正確に検出でき、結像点Ｐの位置ずれ誤差のない良
好な変位出力を算出することができる。なお、光量が０
になるとき、測定対象Ｗの変位は、測定不可として検出
される。

【００４４】次に、図４〜図７を用いて、本発明の変位
測定センサの第二実施の形態について説明する。なお、
第一実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説
明を省略する。図５に示すように、本実施の形態の変位
測定センサ１Ｂでは、偏光ビームスプリッタ２０は、第
一実施の形態の偏光ビームスプリッタ１０を光軸Ｙ回り
に１８０度回転させた状態で、受光レンズ６と結像レン
ズ７との間に配置されている。即ち、第一実施の形態の
偏光ビームスプリッタ１０の分光面１０ｂと本実施の形
態の偏光ビームスプリッタ２０の分光面２０ｂは、光軸
Ｙに対しほぼ左右対称となっている。

【００４５】この実施の形態の作用について説明する。
変位測定センサ１Ｂを測定対象Ｗ上に移動させる。レー
ザ光源３からレーザ光を直線偏光で照射する。レーザ光
は、投光レンズ４を介して測定対象ＷにＰ偏光で照射さ
れる。図６（ａ）は、レーザ光が測定対象Ｗの基準面Ｗ
ａの位置に照射されたときの図である。図６（ａ）に示
すように、レーザ光は測定対象Ｗ上で反射する。反射し
たレーザ光は、受光レンズ６に受光され、平行なビーム
となって出射される。

【００４６】直線偏光が保たれた平行なレーザ光は、偏
光ビームスプリッタ２０の入射面２０ａに対してほぼ垂
直に入射する。そして、入射したレーザ光は、分光面２
０ｂに対し、入射したレーザ光がすべて透過する角度、
例えば４５度の入射角度で入射する。透過したレーザ光
は、平行なまま結像レンズ７に入射される。

【００４７】結像レンズ７に入射したレーザ光は、受光
素子８の中心に完全な形で結像される。図７（ａ）に、
このときの受光素子８の受光領域８ａに形成された結像
点Ｐ及びその光量を示す。この光量分布はガウス形で近
似される。同図（ａ）に示すように、光量は、結像点Ｐ
の中心に対して左右対称な凸状の分布となる。この光量
分布の重心位置Ｇと結像点Ｐの中心とが一致する。

【００４８】次に、図６（ｂ）に示すように、レーザ光
源３から照射されたレーザ光が、測定対象Ｗの基準面Ｗ
ａよりも低い位置Ｗｄに照射されたとき、反射されたレ
ーザ光の光路が変化する。反射したレーザ光は、受光レ
ンズ６により平行光となる。平行にされたレーザ光は、
偏光ビームスプリッタ２０の入射面２０ａに対し、やや
斜めに入射される。そして、入射したレーザ光は若干屈
折し、分光面２０ｂに対し、４５度よりもやや大きな入
射角度、例えば５０度で入射される。

【００４９】図４の一点鎖線に示すように、図６（ａ）
に示すような分光面２０ｂに対して４５度の入射角度で
レーザ光が入射されたときの透過光の光量を１００％と
すると、入射角度が大きくなるにつれ、透過光の光量が
減衰する。これに伴い、反射光の光量が増加する。した
がって、図６（ｂ）の場合は、入射角度が５０度なの
で、透過光の光量は、４５度で入射したときの約７５％
になる。

【００５０】約７５％に減衰された透過光は、結像レン
ズ７に入射され、受光素子８の受光領域８ａの中心と境
界Ｂ₂ の間に完全な形で結像される。このときの受光状
態を図７（ｂ）に示す。この光量分布は上記同様ガウス
形で近似される。同図（ａ）に示すように、光量は、結
像点Ｐの中心に対して左右対称な凸状の分布となる。こ
の光量分布の重心位置Ｇと結像点Ｐの中心とが一致す
る。

【００５１】そして、図６（ｃ）に示すように、投光部
３が更に高い位置Ｗｅを照射したとき、反射されたレー
ザ光の光路が変化する。測定対象Ｗで反射されたレーザ
光は、受光レンズ６により平行光となる。平行にされた
レーザ光は、偏光ビームスプリッタ２０の入射面２０ａ
に対し、更に広角となってに入射される。そして、入射
したレーザ光は若干屈折し、分光面２０ｂに対し、５０
度よりもやや大きな入射角度、例えば５５度で入射され
る。

【００５２】図４の一点鎖線によりこのときの分光特性
を見ると、分光面２０ｂに対し４５度に入射したときに
対して透過光の光量が０％となる。すなわち、分光面２
０ｂに入射されたレーザ光はすべて反射されることとな
る。したがって、図６（ｃ）に示すように、透過光は受
光素子８の受光領域８ａの境界Ｂ₂ には到達せず、図７
（ｃ）に示すように、光量が出力されなくなる。

【００５３】従ってこのように構成された変位測定セン
サ１Ｂでは、第一実施の形態と同様、結像点Ｐが受光領
域８ａ内に完全に形成されるときは、ガウス形の左右対
称な凸状波形の光量が検出され、結像点Ｐの中心と光量
の重心Ｇが一致する。そして、結像点Ｐがその中心から
境界Ｂ₂ へ移動し、反射光の分光面２０ｂへの入射角が
例えば約５０度を超えて変化したときの反射光の光路で
反射光が受光領域８ａに導かれると、光量が急激に減衰
する。そして、結像点Ｐが受光領域８ａの境界Ｂ₂ にか
かるような位置で透過光の光量は０になる。よって、不
完全な形で結像点Ｐが形成されることがなく、光量波形
も左右対称となるので、結像点Ｐの中心と光量重心Ｇと
が一致して、電極端子までの距離が正確に検出でき、結
像点Ｐの位置ずれ誤差のない良好な変位出力を算出する
ことができる。なお、光量が０になるとき、測定対象Ｗ
の変位は、測定不可として検出される。

【００５４】次に第三実施の形態について説明する。上
述した第一実施の形態の変位測定センサ１Ａでは、偏光
ビームスプリッタ１０の分光特性（光量減衰特性）は、
図４の一点鎖線に示すように、反射光の分光面１０ｂへ
の入射角が大きくなると、透過光量が減衰する特性の偏
光ビームスプリッタ１０を用いたのに対し、本実施の形
態では、偏光ビームスプリッタ１０に換え、図８の一点
鎖線に示すように、図４の一点鎖線の分光特性と左右対
称な分光特性，すなわち、反射光の分光面３０ｂへの入
射角が小さくなると、透過光量が減衰する特性の偏光ビ
ームスプリッタ３０を適用した変位測定センサ１Ｃであ
る（図１及び図９参照）。

【００５５】図９（ａ）に示すように、測定対象Ｗの基
準面Ｗａの位置にレーザ光が照射されると、反射したレ
ーザ光は、偏光ビームスプリッタ３０の分光面３０ｂに
対し４５度の入射角で入射される。そして、図８の一点
鎖線に示すように、ほぼ１００％透過して結像レンズ７
に入射され、図７（ａ）に示すように、図３（ａ）と同
様、受光素子８の中心に完全な形で結像される。

【００５６】次に、図９（ｂ）に示すように、レーザ光
源３から照射されたレーザ光が、測定対象Ｗの基準面Ｗ
ａよりも低い位置Ｗｄに照射されると、反射したレーザ
光の光路はこれに伴って変化し、偏光ビームスプリッタ
３０の分光面３０ｂに対し４０度の入射角で入射され
る。偏光ビームスプリッタ３０を透過する透過光は、図
８の一点鎖線に示すように、分光面３０ｂに対し４５度
の入射角で入射した場合に比べて約７５％にまで減衰す
る。そして、図７（ｂ）に示すように、この透過光は、
結像レンズ７に入射され、受光素子８の受光領域８ａの
中心と境界Ｂ₂ の間に完全な形で結像される。結像点Ｐ
は、図９（ａ）に比べＸ₂ 方向に移動している。

【００５７】そして、図９（ｃ）に示すように、投光部
３が更に低い位置Ｗｅにレーザ光を照射したとき、測定
対象Ｗで反射されたレーザ光の光路は更に変化し、偏光
ビームスプリッタ３０の分光面３０ｂに対し３５度の入
射角で入射される。図８の一点鎖線によりこのときの分
光特性を見ると、分光面３０ｂに対し４５度に入射した
ときに対して透過光の光量が０％となる。すなわち、分
光面３０ｂに入射されたレーザ光はすべて反射されるこ
ととなる。したがって、図９（ｃ）に示すように、レー
ザ光は、受光素子８の受光領域８ａの境界Ｂ₂ には到達
せず、図７（ｃ）に示すように光量が出力されなくな
る。

【００５８】次に第四実施の形態について説明する。上
述した第二実施の形態の変位測定センサ１Ｂでは、偏光
ビームスプリッタ２０の分光特性（光量減衰特性）は、
図４の一点鎖線に示すように、反射光の分光面２０ｂへ
の入射角が大きくなると、透過光量が減衰する特性の偏
光ビームスプリッタ２０を用いたのに対し、本実施の形
態では、偏光ビームスプリッタ２０に換え、図８の一点
鎖線に示すように、図４の一点鎖線の分光特性と左右対
称な分光特性，すなわち、反射光の分光面４０ｂへの入
射角が小さくなると、透過光量が減衰する特性の偏光ビ
ームスプリッタ４０を適用した変位測定センサ１Ｄであ
る（図５及び図１０参照）。

【００５９】図１０（ａ）に示すように、測定対象Ｗの
基準面Ｗａの位置に照射されると、反射したレーザ光
は、偏光ビームスプリッタ４０の分光面４０ｂに対し４
５度の入射角でに入射される。そして、ほぼ１００％透
過して結像レンズ７に入射され、図３（ａ）に示すよう
に、図７（ａ）と同様、受光素子８の中心に完全な形で
結像される。

【００６０】次に、図１０（ｂ）に示すように、レーザ
光源３から照射されたレーザ光が、測定対象Ｗの基準面
Ｗａよりも低い位置Ｗｄに照射されると、反射したレー
ザ光の光路はこれに伴って変化し、偏光ビームスプリッ
タ４０の分光面４０ｂに対し４０度の入射角で入射され
る。偏光ビームスプリッタ４０を透過する透過光は、図
８の一点鎖線に示すように、分光面４０ｂに対し４５度
の入射角で入射した場合に比べて約７５％にまで減衰す
る。そして、図３（ｂ）に示すように、偏光ビームスプ
リッタ４０を透過したレーザ光は、結像レンズ７に入射
され、受光素子８の受光領域８ａの中心と境界Ｂ₂ の間
に完全な形で結像される。結像点Ｐは、図１０（ａ）に
比べＸ₁ 方向に移動している。

【００６１】そして、図１０（ｃ）に示すように、投光
部３が更に低い位置Ｗｅにレーザ光を照射したとき、測
定対象Ｗで反射されたレーザ光の光路は更に変化し、偏
光ビームスプリッタ４０の分光面４０ｂに対し３５度の
入射角で入射される。図８の一点鎖線によりこのときの
分光特性を見ると、分光面４０ｂに対し４５度に入射し
たときに対して透過光の光量が０％となる。すなわち、
分光面４０ｂに入射されたレーザ光はすべて反射される
こととなる。したがって、図１０（ｃ）に示すように、
レーザ光は、受光素子８の受光領域８ａの境界Ｂ₁ には
到達せず、図３（ｃ）に示すように光量が出力されなく
なる。

【００６２】次に本発明の第五実施の形態について説明
する。本実施の形態は、測定対象Ｗの基準面Ｗａから高
さ方向に上下に変位する例である。なお、第一及び第二
実施の形態と同一部分には同一符号を付し、その説明を
省略する。図１１に示すように、本実施の形態の変位測
定センサ１Ｅでは、第一及び第二実施の形態で用いた、
光軸Ｙ回りにほぼ左右対称とされている一対の偏光ビー
ムスプリッタ１０，２０を、光軸Ｙ方向に直列に配置し
た構成である。両偏光ビームスプリッタ１０，２０は、
受光レンズ６と結像レンズ７との間に配置されている。
第一実施の形態で用いた偏光ビームスプリッタ１０は受
光レンズ６側（前段側）に配置され、第二実施の形態で
用いた偏光ビームスプリッタ１０は結像レンズ７側（後
段側）に配置される。

【００６３】次に、本実施の形態の作用について説明す
る。変位測定センサ１Ｅを測定対象Ｗ上に移動させる。
レーザ光源３からレーザ光を照射する。レーザ光は、投
光レンズ４を介して測定対象ＷにＰ偏光で照射される。
図１２（ａ）は、レーザ光が測定対象Ｗの基準面Ｗａの
位置に照射されたときの図である。図１２（ａ）に示す
ように、レーザ光は測定対象Ｗ上で反射する。反射した
レーザ光は、受光レンズ６に受光され、平行なビームと
なって出射される。

【００６４】直線偏光された平行なレーザ光は、前段の
偏光ビームスプリッタ１０の入射面１０ａに対してほぼ
垂直に入射する。そして、入射したレーザ光は、分光面
１０ｂに対し、入射したレーザ光がすべて透過する入射
角度、例えば４５度の入射角度で入射する。このとき、
図４の一点鎖線で示すように、照射側の直線偏光が透過
する特性を持つ分光面１０ｂであるので、レーザ光は、
分光面１０ｂをほぼ１００％透過する。

【００６５】偏光ビームスプリッタ１０から透過した平
行なレーザ光は、後段の偏光ビームスプリッタ２０の入
射面２０ａに対してほぼ垂直に入射する。そして、入射
したレーザ光は、分光面２０ｂに対し、入射したレーザ
光がすべて透過する入射角度、例えば、４５度の入射角
度で入射する。このとき、図４の一点鎖線で示すよう
に、照射側の直線偏光が透過する特性を持つ分光面１０
ｂであるので、レーザ光は分光面２０ｂをほぼ１００％
透過する。透過したレーザ光は、平行なまま結像レンズ
７に入射される。

【００６６】結像レンズ７に入射したレーザ光は、受光
素子８の中心に完全な形で結像される。図３（ａ）に、
このときの受光素子８の受光領域８ａに形成された結像
点Ｐ及びその光量を示す。この光量分布はガウス形で近
似される。同図（ａ）に示すように、光量は、結像点Ｐ
の中心に対して左右対称な凸状の分布となる。この光量
分布の重心位置Ｇと結像点Ｐの中心とが一致する。

【００６７】次に、図１２（ｂ）に示すように、レーザ
光源３から照射されたレーザ光が、測定対象Ｗの基準面
Ｗａよりも高い位置Ｗｂに照射された場合について説明
する。測定対象の基準面Ｗａよりも高い位置Ｗｂにレー
ザ光が照射されると、図１２（ｂ）に示すように、反射
したレーザ光の光路が変化する。反射したレーザ光は、
受光レンズ６により平行光となる。平行にされたレーザ
光は、前段の偏光ビームスプリッタ１０の入射面１０ａ
に対し、やや斜めに入射される。そして、入射したレー
ザ光は若干屈折し、分光面１０ｂに対し、４５度よりも
やや大きな入射角度、例えば５０度で入射される。分光
面１０ｂに入射されたレーザ光は、透過光と反射光とに
分光される。図４の一点鎖線に示すように、図１２
（ａ）に示すような各分光面１０ｂ，２０ｂに対して４
５度の入射角度でレーザ光が入射されて受光領域８ａに
到達したときの透過光の光量を１００％とすると、透過
光量は約７５％に減衰される。そして、分光面１０ｂを
透過したレーザ光は、出射面１０ｃから若干屈折して平
行なまま出射面１０ｃから出射される。反射光は、側面
１０ｄから出射される。

【００６８】前段の偏光ビームスプリッタ１０を透過し
たレーザ光は、平行なまま後段の偏光ビームスプリッタ
２０の入射面２０ａに入射される。そして、内部で若干
屈折して、分光面２０ｂに対し、４５度よりもやや小さ
な入射角度、例えば４０度で入射される。入射されたレ
ーザ光は、分光面２０ｂで、図４の一点鎖線に示すよう
に、４０度では１００％透過する。透過光は、偏光ビー
ムスプリッタ２０の出射面２０ｃから出射され、平行な
まま結像レンズ７に入射される。

【００６９】後段の偏光ビームスプリッタ２０を透過し
たレーザ光は、結像レンズ７に入射され、受光素子８の
受光領域８ａの中心と境界の間に完全な形で結像され
る。結像点Ｐは、図１２（ａ）に比べて、Ｘ₂ 方向に移
動している。このときの受光状態を図３（ｂ）に示す。
この光量分布は上記同様ガウス形で近似される。同図
（ａ）に示すように、光量は、結像点の中心に対して左
右対称な凸状の分布となる。この光量分布の重心位置Ｇ
と結像点Ｐの中心とが一致する。

【００７０】したがって、測定対象Ｗからの反射光は、
全反射光量の７５％に減衰されて、受光素子８に結像さ
れる。

【００７１】次に、図１２（ｃ）に示すように、レーザ
光源３から照射された直線偏光のレーザ光が、Ｗｂより
も更に高い位置Ｗｃに照射された場合について説明す
る。測定対象Ｗの位置Ｗｃで反射したレーザ光の光路
は、図１２（ｃ）に示すように、更に変化する。反射し
たレーザ光は、受光レンズ６により平行光となる。平行
にされたレーザ光は、前段の偏光ビームスプリッタ１０
の入射面１０ａに対し、更に広角となってに入射され
る。そして、入射したレーザ光は若干屈折し、分光面１
０ｂに対し５０度よりもやや大きな入射角度、例えば５
５度で入射される。

【００７２】図４の一点鎖線によりこのときの分光特性
を見ると、分光面１０ｂに対し４５度に入射したときに
対して透過光の光量が０％となる。すなわち、前段の分
光面１０ｂに入射されたレーザ光はすべて反射されるこ
ととなる。したがって、図１２（ｃ）に示す点線の光路
のように、透過光は受光素子８の受光領域８ａの境界Ｂ
₁ には到達せず、図３（ｃ）に示すように、光量が出力
されなくなる。

【００７３】次に、図１２（ｄ）に示すように、レーザ
光源３から照射された直線偏光のレーザ光が、測定対象
Ｗの基準面Ｗａよりも低い位置Ｗｄに照射された場合に
ついて説明する。測定対象Ｗの基準面Ｗａよりも低い位
置Ｗｄで反射したレーザ光の光路は、更に変化する。反
射したレーザ光は、受光レンズ６により平行光となる。
平行にされたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１０の
入射面１０ａに対し、やや斜めに入射される。そして、
入射したレーザ光は若干屈折し、分光面１０ｂに対し、
４５度よりもやや小さな入射角度、例えば４０度で入射
される。分光面１０ｂに入射されたレーザ光は、図４の
一点鎖線に示すように、４０度では、１００％透過す
る。分光面１０ｂを透過したレーザ光は、若干屈折して
平行なまま出射面１０ｃから出射される。

【００７４】前段の偏光ビームスプリッタ１０を透過し
たレーザ光は、平行なまま後段の偏光ビームスプリッタ
２０の入射面２０ａに入射される。そして、内部で若干
屈折して、分光面２０ｂに対し、４５度よりもやや大き
な入射角度、例えば５０度で入射される。入射されたレ
ーザ光は、分光面２０ｂで透過光と反射光とに分光され
る。反射光は、偏光ビームスプリッタ１０の側面２０ｄ
から出射される。図４の一点鎖線に示すように、図１２
（ａ）に示すように分光面２０ｂに対して４５度の入射
角度でレーザ光が入射されて受光領域８ａに到達したと
きの透過光の光量を１００％とすると、透過光の透過光
量は約７５％に減衰される。透過光は、偏光ビームスプ
リッタ２０の出射面２０ｃから出射され、平行なまま結
像レンズ７に入射される。

【００７５】後段の偏光ビームスプリッタ２０を透過し
たレーザ光は、結像レンズ７に入射され、受光素子８の
受光領域８ａの中心と境界Ｂ₂ の間に完全な形で結像さ
れる。結像点Ｐは、図１２（ａ）に比べてＸ₂ 方向に移
動している。このときの受光状態を図７（ｂ）に示す。
この光量分布は上記同様ガウス形で近似される。同図
（ａ）に示すように、光量は、結像点Ｐの中心に対して
左右対称な凸状の分布となる。この光量分布の重心位置
Ｇと結像点Ｐの中心とが一致する。

【００７６】したがって、測定対象Ｗからの反射光は、
全反射光量の７５％に減衰されて、受光素子８に結像さ
れる。

【００７７】次に、図１２（ｅ）に示すように、レーザ
光源３から照射されたレーザ光が、Ｗｂよりも更に低い
位置Ｗｅに照射された場合について説明する。Ｗｂより
も更に低い位置Ｗｅに照射されると、反射したレーザ光
の光路は、更に変化する。反射したレーザ光は、受光レ
ンズ６により平行光となる。平行にされたレーザ光は、
前段の偏光ビームスプリッタ１０の入射面１０ａに対
し、更に斜め入射される。そして、入射したレーザ光は
若干屈折し、分光面１０ｂに対し、４０度よりもやや小
さな入射角度、例えば３５度で入射される。分光面１０
ｂに入射されたレーザ光は、図４に示すように、３５度
では１００％透過する。分光面１０ｂを透過したレーザ
光は、出射面１０ｃから若干屈折して平行なまま出射面
１０ｃから出射される。反射光は、側面１０ｄから出射
される。

【００７８】前段の偏光ビームスプリッタ１０を透過し
たレーザ光は、平行なまま後段の偏光ビームスプリッタ
２０の入射面２０ａに入射される。そして、内部で若干
屈折して、分光面２０ｂに対し、４５度よりもやや大き
な入射角度、例えば５５度で入射される。図４の一点鎖
線によりこのときの分光特性を見ると、分光面２０ｂに
対し４５度に入射したときに対して透過光の光量が０％
となる。すなわち、後段の分光面２０ｂに入射されたレ
ーザ光はすべて反射されることとなる。したがって、図
１２（ｅ）に示す点線の光路のように、透過光は受光素
子８の受光領域８ａの境界Ｂ₂ には到達せず、図７
（ｃ）に示すように光量が出力されなくなる。

【００７９】従ってこのように構成された変位測定セン
サ１Ｅでは、第一及び第二実施の形態と同様、結像点Ｐ
が受光領域８ａ内に完全に形成されるときは、ガウス形
の左右対称な凸状波形の光量が検出され、結像点Ｐの中
心と光量の重心Ｇが一致する。そして、結像点Ｐがその
中心から境界Ｂ₁ （又はＢ₂ ）へ移動し、反射光の分光
面１０ｂ（又は２０ｂ）への入射角が例えば約４０（又
は５０）度を超えて変化したときの反射光の光路で反射
光が受光領域８ａに導かれると、図４の一点鎖線で示す
分光特性により、光量が急激に減衰する。そして、結像
点Ｐが受光領域８ａの境界Ｂ₁ （又はＢ₂ ）にかかるよ
うな位置で透過光の光量を０になる。よって、不完全な
形で結像点Ｐが形成されることがなく、光量波形も左右
対称となるので、結像点Ｐの中心と光量重心Ｇとが一致
して、電極端子までの距離が正確に検出でき、結像点Ｐ
の位置ずれ誤差のない良好な変位出力を算出することが
できる。なお、光量が０になるとき、測定対象Ｗの変位
は、測定不可として検出される。

【００８０】また、本実施の形態では、ほぼ左右対称な
偏光ビームスプリッタ１０を光軸Ｙ回りに直列に配置し
たので、測定対象Ｗの基準面Ｗａに対し上下いずれの方
向に変位する場合であっても、受光領域８ａ上における
結像点Ｐの移動方向Ｘ（Ｘ₁，Ｘ₂ ）の両境界Ｂ
（Ｂ₁ ，Ｂ₂ ）で透過光の光量を０に収束させることが
できる。これにより、第一及び第二実施の形態に比し、
測定レンジを広くとることができることとなる。

【００８１】また、本実施の形態においては、偏光ビー
ムスプリッタ１０を前段側に配置し、偏光ビームスプリ
ッタ２０を後段側に配置したが、図１３に示すように、
偏光ビームスプリッタ２０を前段側に配置し、偏光ビー
ムスプリッタ１０を後段側に配置してもよい。

【００８２】更に、本実施の形態においては、偏光ビー
ムスプリッタ１０と偏光ビームスプリッタ２０を光軸Ｙ
方向に直列に組み合わせて適用したが、一方の偏光ビー
ムスプリッタでＸ₁ 方向に結像点を移動させ、他方の偏
光ビームスプリッタでＸ₂ 方向に結像点を移動させる組
み合わせであれば良い。例えば、偏光ビームスプリッタ
１０と偏光ビームスプリッタ３０を光軸Ｙ方向に直列に
組み合わせてもよく、又、偏光ビームスプリッタ２０と
偏光ビームスプリッタ４０を光軸Ｙ方向に直列に組み合
わせてもよい。更には、偏光ビームスプリッタ３０と偏
光ビームスプリッタ４０を光軸Ｙ方向に直列に組み合わ
せてもよい。

【００８３】なお、上述した第一〜第五実施の形態にお
いては、レーザ光源３からＰ偏光のレーザ光を測定対象
Ｗに照射することとしていたため、偏光ビームスプリッ
タ１０もこれに対応してＰ偏光透過特性を有するものを
用いていたが、レーザ光源３から照射されるレーザ光の
偏光成分をＳ偏光とした場合、偏光ビームスプリッタ１
０もこれに対応してＳ偏光透過特性を有するものも適用
可能である。

【００８４】また、この直線偏光は、図１４（ａ）に示
すように、集光レンズを適用してレーザ光源３であるＬ
Ｄそのものの向きを規定してもよく、また、図１４
（ｂ）に示すように、集光レンズ及びλ／２板を用いて
直線偏光の向きを規定してもよい。

【００８５】なお、上述した第一〜第五実施の形態にお
いては、偏光ビームスプリッタ１０〜４０の入射面１０
ａ〜４０ａを光軸Ｙに対し直交させ、分光面１０ｂ〜４
０ｂを入射面１０ａ〜４０ａに対し４５度に設定した
が、受光領域８ａの移動方向Ｘ側の境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ で光
量が０に収束するように配置されていれば、これらの設
定角度に限定されることはない。

【００８６】また、図４及び図８に示す偏光ビームスプ
リッタ１０〜４０の分光特性は、一例であり、受光領域
８ａの移動方向Ｘ側の境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ で光量が０に収束
するように配置されていれば、偏光ビームスプリッタの
性能や材質等により図４及び図８に示す特性とは異なる
偏光ビームスプリッタを用いても良い。

【００８７】また、上述した第一〜第五実施の形態にお
いては、立方体形状の偏光ビームスプリッタ１０〜４０
を適用したが、この形状に限定されることはなく、図１
５（第一及び第三実施の形態に対応）、図１６（第二及
び第四実施の形態に対応）、図１７（第五実施の形態に
対応）に示すように、板状の偏光ビームスプリッタ１０
（３０），２０（４０）を適用した変位測定センサであ
ってもよい。

【００８８】更に、上述した第一〜第五実施の形態にお
いては、光量調整手段として偏光ビームスプリッタ１０
〜４０を用いたが、これに限定されることはなく、無偏
光ビームスプリッタを用いてもよい。

【００８９】また、図１５〜図１７に示すように、ビー
ムスプリッタの他、誘電体ビームスプリッタ，金属ハー
フミラー，コールドミラー等、測定対象Ｗからの反射光
を透過光と二次反射光とに分光する分光面５０ｂ，６０
ｂを有するとともに、反射光の入射角度により分光特性
が第一〜第五実施の形態のように変動する板状の分光素
子５０，６０を適用した変位測定センサ１Ｆ，１Ｇ，１
Ｈであってもよい。この場合、投光部２から照射される
測定光は、直線偏光に限定されることはない。

【００９０】次に第六実施の形態について説明する。第
一実施の形態〜第五実施の形態では、受光領域８ａの移
動方向Ｘ側の境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ において、透過光量が０に
収束するように光量調整手段１０〜６０を配置した例で
ある。本実施の形態は、第一実施の形態〜第五実施の形
態において、図１８に示すように、少なくとも境界
Ｂ ₁ ，Ｂ₂ で透過光量が減衰するように配置されている
例である。

【００９１】したがって、図４の二点鎖線に示すよう
に、結像点Ｐが境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に到達するときの分光面
１０ｂ，２０ｂに対する入射角が、例えば約１０％以下
に減衰するように各偏光ビームスプリッタ１０，２０が
配置されているものとする。

【００９２】同様に、図８の二点鎖線に示すように、結
像点Ｐが境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に到達するときの分光面３０
ｂ，４０ｂに対する入射角が、例えば約１０％以下に減
衰するように、各偏光ビームスプリッタ３０，４０が配
置されているものとする。

【００９３】以下、第一実施の形態の変位測定センサ１
Ａに適用した例について図１９及び図２０を用いて説明
する。図１９（ａ）に示すように、変位が基準面Ｗａで
あるときは、図２０（ａ）に示すように、結像点Ｐは受
光領域８ａの中央に完全な形で形成される。図１９
（ｂ）に示すように、変位がＷｂに上昇すると、図２０
（ｂ）に示すように、結像点Ｐは完全な形のまま受光領
域８ａの中央からＸ₁ 方向へ移動する。

【００９４】図１９（ｃ）に示すように、更に変位がＷ
ｃに上昇すると、図２０（ｃ）に示すように、結像点Ｐ
は更にＸ₁ 方向へ移動し、受光領域８ａの境界Ｂ₁ に到
達する。結像点Ｐが境界Ｂ₁ に到達すると、図２０
（ｃ）に示すように、結像点Ｐの受光領域８ａからはみ
出した部分（図中点線）が受光素子８で検出されず、図
中斜線部分のみが検出されるため、境界Ｂ₁ 上の結像点
Ｐの光量が格段に減衰する。透過光量が減衰しているの
で、光量分布も小さくなり、境界Ｂ₁ に亘って受光素子
８上に到達した結像点Ｐの中心とその光量重心との位置
ずれ誤差が小さくなり、測定誤差を少なくすることがで
きる。

【００９５】また、第二実施の形態の変位測定センサ１
Ｂに適用した例について図２１及び図２２を用いて説明
する。図２１（ａ）に示すように、変位が基準面Ｗａで
あるときは、図２２（ａ）に示すように、結像点Ｐは受
光領域８ａの中央に完全な形で形成される。図２１
（ｂ）に示すように、変位がＷｄに下降すると、図２２
（ｂ）に示すように、結像点Ｐは完全な形のまま受光領
域８ａの中央からＸ₂ 方向へ移動する。

【００９６】図２１（ｃ）に示すように、更に変位がＷ
ｅに下降すると、図２２（ｃ）に示すように、結像点Ｐ
は更にＸ₂ 方向へ移動し、受光領域８ａの境界Ｂ₂ に到
達する。図２１（ｃ）に示すように、結像点Ｐが境界Ｂ
₂ に到達すると、図２２（ｃ）に示すように、結像点Ｐ
の受光領域８ａからはみ出した部分（図中点線）が受光
素子８で検出されず、図中斜線部分のみが検出されるた
め、境界Ｂ₂ 上の結像点Ｐの光量が格段に減衰する。透
過光量が減衰しているので、光量分布も小さくなり、境
界Ｂ₂ に亘って受光素子８上に到達した結像点Ｐの中心
とその光量重心との位置ずれ誤差が小さくなり、測定誤
差を少なくすることができる。

【００９７】なお、第三実施の形態の変位測定センサ１
Ｃについては、図２３（ａ）に示すように、変位が基準
面Ｗａであるときは、図２２（ａ）に示すように、結像
点Ｐは受光領域８ａの中央に完全な形で結像される。図
２３（ｂ）に示すように、変位がＷｄに下降すると、図
２２（ｂ）に示すように、結像点Ｐは完全な形のまま受
光領域８ａの中央からＸ₂ 方向へ移動する。図２３
（ｃ）に示すように、更に変位がＷｅに下降すると、図
２２（ｃ）に示すように、結像点Ｐは更にＸ₂ 方向へ移
動し、受光領域８ａの境界Ｂ₂ に到達する。結像点Ｐが
境界Ｂ₂ に到達すると、図２２（ｃ）に示すように、結
像点Ｐの受光領域８ａからはみ出した部分（図中点線）
が受光素子８で検出されず、図中斜線部分のみが検出さ
れる。したがって、変位測定センサ１Ｂに適用した場合
と同様、境界Ｂ₂ に亘って受光素子８上に到達した結像
点Ｐの中心とその光量重心との位置ずれ誤差が小さくな
り、測定誤差を少なくすることができる。

【００９８】また、第四実施の形態の変位測定センサ１
Ｄについては、図２４（ａ）に示すように、変位が基準
面Ｗａであるときは、図２０（ａ）に示すように、結像
点Ｐは受光領域８ａの中央に完全な形で結像される。図
２４（ｂ）に示すように、変位がＷｂに上昇すると、図
２０（ｂ）に示すように、結像点Ｐは完全な形のまま受
光領域８ａの中央からＸ₁ 方向へ移動する。図２４
（ｃ）に示すように、更に変位がＷｃに上昇すると、図
２０（ｃ）に示すように、結像点Ｐは更にＸ₁ 方向へ移
動し、受光領域８ａの境界Ｂ₁ に到達する。結像点Ｐが
境界Ｂ₁ に到達すると、図２０（ｃ）に示すように、結
像点Ｐの受光領域８ａからはみ出した部分（図中点線）
が受光素子８で検出されず、図中斜線部分のみが検出さ
れる。したがって、変位測定センサ１Ａに適用した場合
と同様、境界Ｂ₁ に亘って受光素子８上に到達した結像
点Ｐの中心とその光量重心との位置ずれ誤差が小さくな
り、測定誤差を少なくすることができる。

【００９９】更に、第五実施の形態の変位測定センサ１
Ｅについては、図２５（ａ）に示すように、変位が基準
面Ｗａであるときは、図２０（ａ）に示すように、結像
点Ｐは受光領域８ａの中央に完全な形で結像される。図
２５（ｂ）に示すように、変位がＷｂに上昇すると、図
２０（ｂ）に示すように、結像点Ｐは完全な形のまま受
光領域８ａの中央からＸ₁ 方向へ移動する。図２５
（ｃ）に示すように、更に変位がＷｃに上昇すると、図
２０（ｃ）に示すように、結像点Ｐは更にＸ₁ 方向へ移
動し、受光領域８ａの境界Ｂ₁ に到達する。結像点Ｐが
境界Ｂ₁ に到達すると、図２０（ｃ）に示すように、結
像点Ｐの受光領域８ａからはみ出した部分（図中点線）
が受光素子８で検出されず、図中斜線部分のみが検出さ
れる。したがって、変位測定センサ１Ａに適用した場合
と同様、境界Ｂ₁ に亘って受光素子８上に到達した結像
点Ｐの中心とその光量重心との位置ずれ誤差が小さくな
り、測定誤差を少なくすることができる。

【０１００】また、図２５（ｄ）に示すように、変位が
基準面ＷａからＷｄに下降すると、図２２（ｂ）に示す
ように、結像点Ｐは完全な形のまま受光領域８ａの中央
からＸ₂ 方向へ移動する。図２５（ｅ）に示すように、
更に変位がＷｅに下降すると、図２２（ｃ）に示すよう
に、結像点Ｐは更にＸ₂ 方向へ移動し、受光領域８ａの
境界Ｂ₂ に到達する。結像点Ｐが境界Ｂ₂ に到達する
と、図２２（ｃ）に示すように、結像点Ｐの受光領域８
ａからはみ出した部分（図中点線）が受光素子８で検出
されず、図中斜線部分のみが検出される。したがって、
変位測定センサ１Ｂに適用した場合と同様、境界Ｂ₂ に
亘って受光素子８上に到達した結像点Ｐの中心とその光
量重心との位置ずれ誤差が小さくなり、測定誤差を少な
くすることができる。

【０１０１】なお、第三〜第五実施の形態の他の変位測
定センサ１Ｆ〜１Ｈについては、図示はしないが適用可
能である。

【０１０２】次に、第七実施の形態について説明する。
本実施の形態は、第六実施の形態の変位測定センサ１の
受光素子８の境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に亘って検出された結像点
Ｐ（図２０（ｃ）及び図２２（ｃ）参照）を信号処理す
る変位測定装置の構成である。図２６に示す電気的構成
図のように、変位測定装置７０は、受光素子８の出力信
号を変換処理する信号変換部７１と、制御部７４を有す
る。信号変換部７１は不図示のケーブルを介して変位測
定センサ１と接続されている。信号変換部７１は、一対
の電流電圧変換部７２ａ，７２ｂ及びＡＤ変換部７３
ａ，７３ｂとで構成されている。電流電圧変換部７２
ａ，７２ｂは受光素子８から出力される一対の電流信号
をそれぞれ電圧信号に増幅変換する。ＡＤ変換部７３
ａ，７３ｂは変換された一対の電圧信号をそれぞれデジ
タル信号に変換し、制御部７４に出力する。

【０１０３】制御部７４は、ＣＰＵと、ＲＡＭ，ＲＯＭ
等のメモリーと、で構成され、メモリー内に格納された
プログラムに従ってＣＰＵに演算処理等を実行させる。
このプログラムは、信号変換部７１から出力される一対
のデジタル信号に基づき測定対象Ｗの変位を演算する変
位演算部７５と、受光領域８ａ上の結像点Ｐの位置に基
づいて受光素子８から出力される出力信号の透過光量レ
ベルを判定する光量判定部７９と、で機能的に構成され
る。

【０１０４】変位演算部７５は、一対のデジタル信号を
加算処理する加算部７６と、一対のデジタル信号の差分
を算出する減算部７７と、加算部７６から出力される加
算信号で、減算部７７から出力される減算信号を、除算
する除算部７８と、で構成される。

【０１０５】光量判定部７９には、予め所定の光量閾値
が設定されている。この光量閾値は、既知である測定対
象Ｗの反射率と投光部２の出力に基づいて設定される。
すなわち、予め設定された測定対象Ｗからの全反射光量
の約１０％に設定されている。

【０１０６】光量判定部７９は、光量閾値と結像点Ｐの
受光量（透過光量）とを比較し、その比較結果から結像
点Ｐの位置を判定する。結像点Ｐの受光量が光量閾値未
満となる比較結果であるときは、結像点Ｐが受光領域８
ａの境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に交わっているか、あるいは、受光
領域８ａ外に移動したこととなる。一方、結像点Ｐの受
光量が光量閾値以上となる比較結果であるときは、結像
点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ ₂ 間の受光領域８ａ内に位置して
いると判定する。この時の判定信号は、除算部７８に出
力され、変位測定に用いられる。

【０１０７】次に、この例の作用について図２７のフロ
ーを用いて説明する。図２０（ａ）及び（ｂ），図２２
（ａ）及び（ｂ）に示すように、受光領域８ａ上に結像
点Ｐが完全な形で形成された場合について説明する。

【０１０８】まず、透過光が結像されると受光素子８で
光電変換され、一対の電流信号が出力信号として出力さ
れる。そして、信号変換部７１にて一対のデジタル信号
に変換される（ＳＴ１）。

【０１０９】一対のデジタル信号は加算部７６及び減算
部７７にそれぞれ出力される。加算部７６では一対のデ
ジタル信号の加算処理が実行され、加算信号が光量判定
部７１へ出力される。この加算信号は変更ビームスプリ
ッタ１０を透過した透過光量であり、受光素子８での受
光量である。（ＳＴ２）。

【０１１０】光量判定部７１では、このときの加算信号
のレベルを検出し、光量閾値と比較する（ＳＴ３）。こ
のとき、加算信号レベルが光量閾値以上となり（ＳＴ３
−ＹＥＳ）、結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域
８ａ内に位置していると判定される。そして、変位演算
部７５に判定信号として変位実行信号を送出する。変位
演算部７５では、変位実行信号を受けると、加算部７６
の加算信号と減算部７７の除算信号とに基づいて、除算
部７８にて除算処理を実行し、測定対象Ｗの変位を算出
する（ＳＴ４）。そして、不図示の表示部に演算結果が
出力表示される（ＳＴ５）。

【０１１１】次に、図２０（ｃ），図２２（ｃ）に示す
ように、受光領域８ａの境界Ｂ₁ （境界Ｂ₂ ）に亘って
結像点Ｐが形成された場合について説明する。なお、Ｓ
Ｔ１及びＳＴ２は、上述の図２０（ａ）及び（ｂ），図
２２（ａ）及び（ｂ）に示す受光領域８ａ上に結像点Ｐ
が完全な形で形成された場合と同様であるので省略す
る。

【０１１２】光量判定部７１では、このときの加算信号
のレベルを検出し、光量閾値と比較する（ＳＴ３）。こ
のとき、加算信号レベルが光量閾値未満となり（ＳＴ３
−ＮＯ）、結像点Ｐが受光領域８ａの境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に
交わっているか、あるいは、受光領域８ａ外に移動した
と判定される（加算信号レベルが０）。そして、変位演
算部７５（除算部７８）に判定信号として変位実行不可
信号が送出される。変位演算部７５では、変位実行不可
信号を受けると、除算部７８にて測定対象Ｗの変位を算
出する除算処理を実行しない（ＳＴ６）。そして、不図
示の表示部に演算不可の結果が出力表示される（ＳＴ
５）。

【０１１３】本例によれば、受光素子８に反射光が受光
されたとき、光量判定部７９は、予め設定された光量閾
値と、結像点Ｐの受光量（透過光量）である加算信号
と、を比較する。そして、結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂
間の受光領域８ａ内に位置していると判定されたときの
み測定対象Ｗの変位の演算処理を実行する。これによ
り、変位測定の対象となる結像点Ｐは、受光領域８ａ上
において結像点Ｐの中心とその光量重心が一致したも
の、即ち、両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内に位置
するものだけとなり、測定誤差のない変位測定が可能と
なる。なお、上述では、光量閾値を通常の透過光量の１
０％としたが、これに限定されることはなく、任意の値
に設定可能である。

【０１１４】次に第八実施の形態について説明する。第
八実施の形態は、第六実施の形態の変位測定センサ１
に、光量調整手段１０〜６０に入射された測定対象Ｗか
らの反射光が、光量調整手段１０〜６０で二次反射され
る際の二次反射光を受光する二次反射光受光部８１を設
けた構成である。

【０１１５】図２５は、本実施の形態の一例であり、図
１９に示す第六実施の形態の変位測定センサ１Ａを基に
した図である。ここでは、光量調整手段１０〜６０とし
て偏光ビームスプリッタ１０を例に挙げて説明する。図
２５に示すように、変位測定センサ１には、偏光ビーム
スプリッタ１０に入射された測定対象Ｗからの反射光
が、偏光ビームスプリッタ１０で二次反射される際の二
次反射光を受光する二次反射光受光部８１が設けられて
いる。二次反射光受光部８１は、二次反射光の光路上に
設けられる。

【０１１６】二次反射光受光部８１は、結像レンズ８１
ａとフォトダイオード８１ｂで構成されている。フォト
ダイオード８１ｂは、二次反射光を光電変換し、二次反
射光の受光量に応じた第二出力信号を出力する。

【０１１７】次に、この例の作用について説明する。図
２８（ａ）に示すように、変位Ｗａの測定対象Ｗから反
射されたレーザ光は、受光レンズ６を介して偏光ビーム
スプリッタ１０の入射面１０ａに対してほぼ垂直に入射
する。そして、入射したレーザ光は、分光面１０ｂに対
し、入射したレーザ光がすべて透過する入射角度、例え
ば４５度の入射角度で入射する。このとき、照射側の直
線偏光が透過する特性を持つ分光面１０ｂであるので、
レーザ光は分光面１０ｂを透過する。透過したレーザ光
は、平行なまま結像レンズ７に入射される。結像レンズ
７に入射したレーザ光は、図２０（ａ）に示すように、
受光素子８の中心に完全な形で結像される。そして、受
光素子８から受光量に対応する出力信号（第一出力信
号）が出力される。

【０１１８】次に、図２８（ｂ）に示すように、変位が
Ｗｂに上昇すると、分光面１０ｂに対する入射角が５０
度となる。そして、図４の二点鎖線に示す偏光ビームス
プリッタ１０の特性により、偏光ビームスプリッタ１０
に入射された反射光が、分光面１０ｂで分光される。分
光された反射成分（二次反射光）は、二次反射光受光部
８１で受光され、第二出力信号として出力される。

【０１１９】更に、図２８（ｃ）に示すように、変位が
ＷｂからＷｃに上昇するに従って、分光面１０ｂに対す
るレーザ光の入射角が増加し、レーザ光は分光面１０ｂ
により透過光と二次反射光に分光される。透過光の透過
光量は、レーザ光の分光面１０ｂに対する入射角が増加
するに従って減衰し、移動方向Ｘ₁ 方向へ移動し、結像
点Ｐが受光領域８ａの境界Ｂ₁ に到達する。一方、透過
光量が減衰するに従って、二次反射光量は増加する。

【０１２０】このように、測定対象Ｗから反射されたレ
ーザ光の全反射光量はすべて受光素子８と二次反射光受
光部８１により受光されるため、受光素子８から出力さ
れる第一出力信号と二次反射光受光部８１から出力され
る第二出力信号とを用いれば、レーザ光の全反射光量に
対する透過光量の割合が検出可能となる。

【０１２１】なお、本実施の形態は、第六実施の形態の
他の変形例についても適用可能であり、この場合は、偏
光ビームスプリッタから反射される二次反射光の光路上
に二次反射光受光部８１を設ければ良い。

【０１２２】すなわち、第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ｂにおいては、図２９に示すように、二次反射光受
光部８１が配置される。また、第六実施の形態の変位測
定センサ１Ｃにおいては、図３０に示すように、二次反
射光受光部８１が配置される。更に、第六実施の形態の
変位測定センサ１Ｄにおいては、図３１に示すように、
二次反射光受光部８１が配置される。また、第六実施の
形態の変位測定センサ１Ｅにおいては、図３１及び図３
２に示すように、一対の二次反射光受光部８１，８１が
配置される。

【０１２３】次に第九実施の形態について説明する。第
九実施の形態は、図２８〜図３３に示すような第八実施
の形態の変位測定センサ１を用い、境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ にて
検出された結像点Ｐを信号処理する変位測定装置８０の
構成である。本実施の形態の制御部８４は、第七実施の
形態の制御部７４の光量判定部７９に換え、透過率判定
部８５を備えた構成である。なお、第七実施の形態の変
位測定装置７０と同一部分には同一符号を付し、その説
明を省略する。

【０１２４】図３４に示す電気的構成図のように、変位
測定装置８０は、受光素子８の出力信号を変換処理する
信号変換部７１と、制御部７４を有する。信号変換部７
１は不図示のケーブルを介して変位測定センサ１と接続
されている。本実施の形態の信号変換部７１は、更に、
二次反射光受光部８１からの出力電流信号を変換するた
めの電流電圧変換部８２及びＡＤ変換部８３が設けられ
ている。電流電圧変換部８２はフォトダイオード８１ｂ
から出力される電流信号を電圧信号に増幅変換する。Ａ
Ｄ変換部８３は変換された電圧信号をデジタル信号に変
換し、制御部７４に出力する。

【０１２５】透過率判定部８５は、予め設定された透過
率閾値と、第一出力信号及び第二出力信号から得られる
反射光の透過率と、を比較し、その比較結果から結像点
Ｐの位置を判定する。

【０１２６】第一出力信号は透過光量に対応しており、
第二出力信号は二次反射光量に対応している。したがっ
て、測定対象Ｗからの反射光の透過率は、透過率＝透過
光量／（透過光量＋二次反射光量）…（１）の式で算出
される。分母の（透過光量＋二次反射光量）は、測定対
象Ｗからの全反射光量である。

【０１２７】透過率判定部８５には、予め所定の透過率
閾値が設定されている。この透過率閾値は、図４の二点
鎖線に示す透過光量が、反射光の入射角に追従して急激
に減衰する透過率、例えば、１０％に設定されている。
透過率判定部８５は、透過光量の透過率が透過率閾値
（１０％）未満のときに、結像点Ｐが受光領域８ａの境
界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に交わっているか、あるいは、受光領域８
ａ外に移動したと判定する。一方、反射光の透過率が透
過率閾値（１０％）以上となる比較結果であるときは、
結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内に位置
していると判定する。この時の判定信号は、変位演算部
７５に出力され変位測定に用いられる。

【０１２８】次に、この例の作用について、第八実施の
形態の変位測定センサ１Ａを参照して、図３５のフロー
を用いて説明する。まず、図２８（ａ）に示すように、
変位Ｗａの測定対象Ｗから反射されたレーザ光は、受光
レンズ６を介して偏光ビームスプリッタ１０の入射面１
０ａに対してほぼ垂直に入射する。そして、入射したレ
ーザ光は、分光面１０ｂに対し、入射したレーザ光がす
べて透過する入射角度、例えば４５度の入射角度で入射
し、入射レーザ光はすべて透過する。したがって、二次
反射光受光部８１の受光量は０となる（ＳＴ０）。透過
光は受光素子８で受光され、図２０（ａ）に示すよう
に、受光領域８ａの中心に完全に結像点Ｐが形成される
（ＳＴ１）。

【０１２９】受光素子８から出力される一対の電流信号
は信号変換部７１にてデジタル信号に変換される。一
方、二次反射光受光部８１の受光量は０なので、電流電
圧変換部８２及びＡＤ変換部８３では変換処理は行われ
ず、第二出力信号は出力されない。

【０１３０】デジタル変換された一対のデジタル信号は
変位演算部７５に出力される。一対のデジタル信号は加
算部７６及び減算部７７にそれぞれ出力される。加算部
７６では一対のデジタル信号の加算処理が実行され、加
算信号が光量判定部７１へ出力される。この加算信号は
透過光量に対応する。（ＳＴ２）。

【０１３１】そして加算部７６にて加算処理され加算信
号が第一出力信号として透過率判定部８５に出力され
る。透過率判定部８５では、上記（１）式により反射光
の透過率が算出される。第二出力信号は０なので、透過
率は１００％となる。このときの算出透過率と、透過率
閾値と、を比較する（ＳＴ３Ａ）。

【０１３２】算出透過率は１００％であるため光量閾値
（１０％）以上となり（ＳＴ３−ＹＥＳ）、結像点Ｐが
両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受光領域８ａ内に位置していると
判定され、変位演算部７５に判定信号として変位実行信
号を送出する。変位演算部７５では、変位実行信号を受
けると、除算部７８にて除算処理が実行され、測定対象
Ｗの変位を算出する（ＳＴ４）。そして、不図示の表示
部に演算結果が出力表示される（ＳＴ５）。

【０１３３】次に、変位がＷａからＷｂに上昇した場合
について説明する。図２８（ｂ）に示すように、変位Ｗ
ｂの測定対象Ｗから反射されたレーザ光は、受光レンズ
６を介して偏光ビームスプリッタ１０の分光面１０ｂに
対し、例えば５０度の入射角度で入射する。図４の二点
鎖線に示す分光特性により、入射レーザ光は透過成分
（透過光）と反射成分（二次反射光）とに分光される。
すなわち、透過光は分光面１０ｂに４５度の入射角で入
射されたときの透過光量を１００％とすると約７５％に
減衰する。一方、二次反射光の光量は、減衰分の約２５
％である。二次反射光は二次反射光受光部８１にて受光
され、受光量に応じた電流信号が出力される（ＳＴ
０）。透過光は受光素子８で受光され、図２０（ｂ）に
示すように、受光領域８ａ上に完全に結像点Ｐが形成さ
れる。そして、一対の電流信号が出力される（ＳＴ
１）。

【０１３４】受光素子８からの一対の電流信号及び二次
反射光受光部８１から出力される電流信号は、ともに信
号変換部７１にて変換処理される。受光素子８からの一
対の電流信号は一対のデジタル信号として変位演算部７
５に出力される。一方、二次反射光受光部８１から出力
される電流信号はデジタル変換され、第二出力信号とし
て透過率判定部８５に出力される（ＳＴ２）。

【０１３５】デジタル変換された一対のデジタル信号は
変位演算部７５に出力される。一対のデジタル信号は加
算部７６及び減算部７７にそれぞれ出力される。加算部
７６では一対のデジタル信号の加算処理が実行され、受
光素子８からの一対のデジタル信号は加算部７６にて加
算処理される。この加算信号は透過光量に対応する第一
出力信号である（ＳＴ２）。

【０１３６】透過率判定部８５では、第一出力信号と第
二出力信号とに基づき、反射光の透過率を算出する。す
なわち、上記（１）式に基づき、第一出力信号（透過光
量）を、第一出力信号と第二出力信号（二次反射光量）
を加算した値で、除算する。このときの算出透過率と、
透過率閾値と、を比較する（ＳＴ３Ａ）。このとき、算
出透過率は約７５％なので光量閾値（１０％）以上とな
り（ＳＴ３−ＹＥＳ）、結像点Ｐが両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間
の受光領域８ａ内に位置していると判定され、変位演算
部７５に判定信号として変位実行信号を送出する。変位
演算部７５では、変位実行信号を受けると、除算部７８
により、測定対象Ｗの変位を算出する（ＳＴ４）。そし
て、不図示の表示部に演算結果が出力表示される（ＳＴ
５）。

【０１３７】次に、図２８（ｃ），図２０（ｃ）に示す
ように、変位がＷｃに上昇した場合について説明する。
図２８（ｃ）に示すように、変位Ｗｃの測定対象Ｗから
反射されたレーザ光は、受光レンズ６を介して偏光ビー
ムスプリッタ１０の分光面１０ｂに対し、例えば５５度
の入射角度で入射する。図４の二点鎖線に示す分光特性
により、入射レーザ光は透過成分（透過光）と反射成分
（二次反射光）とに分光される。すなわち、透過光は分
光面１０ｂに４５度の入射角で入射されたときの透過光
量を１００％とすると約５％にまで急激に減衰する。一
方、二次反射光の光量は、減衰分の約９５％である。二
次反射光は二次反射光受光部８１にて受光され、受光量
に応じた電流信号が出力される（ＳＴ０）。透過光は受
光素子８で受光され、図２０（ｃ）に示すように、受光
領域８ａの境界Ｂ₁ から外側部分が切り取られた結像点
Ｐが受光領域８ａの境界Ｂ₁ の内側に形成される。そし
て、一対の電流信号が出力される（ＳＴ１）。

【０１３８】受光素子８からの一対の電流信号及び二次
反射光受光部８１から出力される電流信号は、ともに信
号変換部７１にて変換処理される。受光素子８からの一
対の電流信号は一対のデジタル信号として変位演算部７
５に出力される。一方、二次反射光受光部８１から出力
される電流信号はデジタル変換され、第二出力信号とし
て透過率判定部８５に出力される。

【０１３９】一対のデジタル信号は加算部７６及び減算
部７７にそれぞれ出力される。受光素子８からの一対の
デジタル信号は加算部７６にて加算処理される。この加
算信号は透過光量に対応する第一出力信号である（ＳＴ
２）。

【０１４０】透過率判定部８５では、第一出力信号と第
二出力信号とに基づき、反射光の透過率を算出する。す
なわち、上記（１）式に基づき、第一出力信号（透過光
量）を、第一出力信号と第二出力信号（二次反射光量）
を加算した値で、除算する。このときの算出透過率と、
透過率閾値と、を比較する（ＳＴ３Ａ）。

【０１４１】このとき、算出透過率は約５％なので光量
閾値（１０％）未満となり（ＳＴ３−ＮＯ）、結像点Ｐ
が受光領域８ａの境界Ｂ₁ に交わっているか、あるい
は、受光領域８ａ外に移動したと判定され、変位演算部
７５に判定信号として変位実行不可信号を送出する。変
位演算部７５では、変位実行不可信号を受けると、測定
対象Ｗの変位を算出処理を実行しない（ＳＴ６）。そし
て不図示の表示部に演算不可の結果が出力表示される
（ＳＴ５）。

【０１４２】これにより、変位測定の対象となる結像点
Ｐは、受光領域８ａ上において結像点Ｐの中心とその光
量重心が一致したもの、即ち、両境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ 間の受
光領域８ａ内に位置するものだけとなり、測定誤差のな
い変位測定が可能となる。換言すれば、結像点Ｐが受光
領域８ａの境界Ｂ₁ ，Ｂ₂ に交わっているか、あるい
は、受光領域８ａ外に移動したと判定されたときは、変
位測定処理から除外することができる。特に、反射光の
透過率は、反射光の全光量に対する透過光量の割合とな
るため、反射率が異なる測定対象Ｗであっても、偏光ビ
ームスプリッタ１０による反射光の減衰状態及び結像点
Ｐの位置を把握できることとなる。なお、上述では、光
量閾値を全透過光量の１０％としたが、これに限定され
ることはなく、任意の値に設定可能である。

【０１４３】なお、本実施の形態では、図２８に示す第
八実施の形態の変位測定センサ１Ａを例に挙げて説明し
たが、図２９〜図３３に示す第八実施の形態の他の変位
測定センサ１Ｂ〜１Ｅについても適用可能である。した
がって、境界Ｂ₂ 側についても同様の効果を得ることが
できる。

【０１４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明による変位測
定センサでは、結像点の光量を減衰させることにより、
光量重心との位置ずれが生じる場合は、誤差の影響を最
小限にし、受光領域内でのみ結像点と光量重心との位置
を一致させ、変位測定の測定の信頼性向上を図ることが
可能となる。特に、受光領域の境界に到達するまでに、
結像点の光量を減衰させることにより、受光領域内の結
像点をすべて光量重心との位置を一致させることがで
き、更に、変位測定の測定の信頼性向上を図ることが可
能となる。

【０１４５】また、受光レンズと結像レンズとの間に光
量調整手段を設けることにより、光量調整手段に平行な
測定光が入射され、反射光分布内すべてが光量調整手段
に対し同じ入射角となるため、結像されるビーム径の重
心をずらすことなく、光量制御の容易化を図ることが可
能となる。

【０１４６】更に、電気的処理により両境界間の受光領
域内の結像点のみを測定処理の対象とすることにより、
受光領域上で検出される結像点はその中心と光量重心が
一致したものだけとなり、測定誤差のない高精度な変位
測定を図ることが可能となる。特に、測定対象Ｗの反射
光の透過率を基準にして結像点の位置を判定することに
より、反射率の異なる測定対象Ｗにも適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一実施の形態の変位測定センサ
を示す概略側面図である。

【図２】本発明による第一実施の形態の変位測定センサ
の受光部における測定光の光路を示す概略側面図であ
る。

【図３】本発明による第一実施の形態及び第三実施の形
態並びに第五実施の形態のにおける変位測定センサの受
光素子における測定光の受光状態及びこれに対応する光
量を示す図である。

【図４】偏光ビームスプリッタに入射されるレーザ光の
入射角度に対する透過光の減衰特性を示す図である。

【図５】本発明による第二実施の形態の変位測定センサ
を示す概略側面図である。

【図６】本発明による第二実施の形態の変位測定センサ
の受光部における測定光の光路を示す概略側面図であ
る。

【図７】本発明による第二及び第三実施の形態並びに第
五実施の形態における変位測定センサの受光素子におけ
る測定光の受光状態及びこれに対応する光量を示す図で
ある。

【図８】第三及び第四実施の形態における変形例の偏光
ビームスプリッタに入射される測定光の入射角度に対す
る透過光の減衰特性を示す図である。

【図９】本発明による第三実施の形態の変位測定センサ
の受光部における測定光の光路を示す概略側面図であ
る。

【図１０】本発明による第四実施の形態の変位測定セン
サの受光部における測定光の光路を示す概略側面図であ
る。

【図１１】本発明による第五実施の形態の変位測定セン
サを示す概略側面図である。

【図１２】本発明による第五実施の形態の変位測定セン
サの受光部における測定光の光路を示す概略側面図であ
る。

【図１３】本発明による第五実施の形態の変位測定セン
サの変形例を示す概略側面図である。

【図１４】投光部の変形例を示す概略側面図である。

【図１５】本発明による第一及び第三実施の形態の変位
測定センサの偏光ビームスプリッタを、板状偏光ビーム
スプリッタ又は板状素子にした例を示す概略側面図であ
る。

【図１６】本発明による第二及び第四実施の形態の変位
測定センサの偏光ビームスプリッタを、板状偏光ビーム
スプリッタ又は板状素子にした例を示す概略側面図であ
る。

【図１７】本発明による第五実施の形態の変位測定セン
サの偏光ビームスプリッタを、板状偏光ビームスプリッ
タ又は板状素子にした例を示す概略側面図である。

【図１８】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サの受光素子における測定光の受光状態及びこれに対応
する光量を示す図である。

【図１９】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ａの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図２０】本発明による第六実施の形態における変位測
定センサ１Ａ，１Ｄ，１Ｅの受光素子における測定光の
受光状態及びこれに対応する光量を示す図である。

【図２１】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ｂの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図２２】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ｂ，１Ｃ，１Ｅの受光素子における測定光の受光状
態及びこれに対応する光量を示す図である。

【図２３】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ｃの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図２４】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ｄの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図２５】本発明による第六実施の形態の変位測定セン
サ１Ｅの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図２６】本発明による第七実施の形態の変位測定装置
の電気的構成を示す概略機能ブロック図である。

【図２７】本発明による第七実施の形態の変位測定装置
のフローチャートである。

【図２８】本発明による第八実施の形態の変位測定セン
サ１Ａの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図２９】本発明による第八実施の形態の変位測定セン
サ１Ｂの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図３０】本発明による第八実施の形態の変位測定セン
サ１Ｃの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図３１】本発明による第八実施の形態の変位測定セン
サ１Ｄの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図３２】本発明による第八実施の形態の変位測定セン
サ１Ｅの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図３３】本発明による第八実施の形態の変位測定セン
サ１Ｅの受光部における測定光の光路を示す概略側面図
である。

【図３４】本発明による第九実施の形態の変位測定装置
の電気的構成を示す概略機能ブロック図である。

【図３５】本発明による第九実施の形態の変位測定装置
のフローチャートである。

【図３６】従来の変位測定装置の概略側面図である。

【図３７】従来の変位測定装置の受光素子における測定
光の受光状態及びこれに対応する光量を示す図である。

【符号の説明】

１（１Ａ〜１Ｈ）…変位測定センサ ２…投光部 ３…レーザ光源 ４…投光レンズ ５…受光部 ６…受光レンズ ７…結像レンズ ８…受光素子（ＰＳＤ） ８ａ…受光領域 １０〜４０…偏光（又は無偏光）ビームスプリッタ ５０，６０…板状の分光素子，１０ｂ〜６０ｂ…分光面 ７０…変位測定装置 ７５…変位演算部 ７９…光量判定部 ８１…二次反射光受光部， ８５…透過率判定部 Ｂ（Ｂ₁ ，Ｂ₂ ）…受光領域の境界 Ｐ…結像点 Ｘ（Ｘ₁ ，Ｘ₂ ）…結像点の移動方向 Ｙ…光軸 Ｗ…測定対象

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象（Ｗ）に測定光を照射する投光
   部（２）と、 受光領域（８ａ）を有する受光素子（８）と、前記反射
   光を前記受光領域上に結像点（Ｐ）として形成させる結
   像レンズ（７）と、前記反射光を集光し平行にして前記
   結像レンズへ出射する受光レンズ（６）と、を含む受光
   部（５）と、を備え、 前記測定対象の変位に応じた前記反射光の光路変化に伴
   って前記受光領域上を移動する前記結像点の位置から、
   前記測定対象の変位を非接触で測定するための変位測定
   センサであって、 前記受光レンズと前記結像レンズ間に設けられ、前記測
   定対象の変位に応じて変化する前記反射光の入射角に追
   随して前記反射光の透過光量を変動させ、前記結像点が
   その移動方向（Ｘ₁ ，Ｘ₂ ）側の前記受光領域の境界
   （Ｂ₁ ，Ｂ₂ ）に接近するに従い、前記透過光量を減衰
   させる光量調整手段（１０，２０）を具備することを特
   徴とする変位測定センサ。
2. 【請求項２】 前記光量調整手段は、更に、前記受光領
   域の境界（Ｂ₁ ，Ｂ ₂ ）で前記透過光量を０に収束させ
   るように構成されることを特徴とする請求項１記載の変
   位測定センサ。
3. 【請求項３】 更に、前記光量調整手段に入射された前
   記反射光のうち前記光量調整手段で反射される二次反射
   光を受光し、該二次反射光の受光量を出力する二次反射
   光受光部（８１）を具備することを特徴とする請求項１
   記載の変位測定センサ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載の変位測定センサの
   前記受光素子から前記受光領域上の前記結像点の位置に
   基づいて出力される出力信号に基づき、前記測定対象の
   変位を演算する変位演算部（７５）と、 予め設定された光量閾値と前記結像点の受光量とを比較
   し、その比較結果から前記結像点の位置を判定する光量
   判定部（７９）と、を具備し、 前記変位演算部は、前記透過光量が前記光量閾値以上と
   判定された場合のみ、前記結像点が前記両境界間の受光
   領域内に位置するものとして、前記測定対象の変位の演
   算処理を実行することを特徴とする変位測定装置。
5. 【請求項５】 請求項３記載の変位測定センサの前記受
   光素子から前記受光領域上の前記結像点の位置に基づい
   て出力される第一出力信号に基づき、前記測定対象の変
   位を演算する変位演算部（７５）と、 予め設定された透過率閾値と、前記第一出力信号及び前
   記二次反射光受光部より前記二次反射光の受光量として
   出力される第二出力信号から得られる前記反射光の透過
   率と、を比較し、その比較結果から前記結像点の位置を
   判定する透過率判定部（８５）と、を具備し、 前記変位演算部は、前記透過率が前記透過率閾値以上と
   判定された場合のみ、前記結像点が前記両境界間の受光
   領域内に位置するものとして、前記測定対象の変位の演
   算処理を実行することを特徴とする変位測定装置。