【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位測定装置に係り、特に、被測定対象物の変位及び傾きを計測するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の変位測定装置として、特開平７−１１３６１７号公報に開示されているものが挙げられる。これは、いわゆる合焦点検出型非接触変位計であって、金属や樹脂等の被測定対象物の変位量を測定するものであり、光源から発せられた可視光をビームスプリッタ及びハーフミラーに透過させ、コリメータレンズ及び音叉に取付けられた対物レンズを介して被測定対象物に投射させるとともに、音叉を振動させることにより対物レンズを光軸方向に振動させてこの対物レンズを透過した光の焦点位置を変動させている。
【０００３】
そして、被測定対象物からの反射光は、対物レンズ、コリメータレンズを透過した後、ビームスプリッタで反射し、受光素子に入射する。対物レンズを光軸方向に振動させることにより、対物レンズによる光源からの光の焦点位置を移動させる。すると焦点位置が被測定対象物の光照射面に一致した瞬間に受光素子前面に配されたピンホールを通過する光量（即ち、反射光の光量）が最大となる。そして、この最大の受光量が得られた時点での対物レンズの位置を検出することで対物レンズから被測定対象物までの距離が演算される。以降、被測定対象物を光軸と直交する方向へ移動したときには、上記と同様の方法により距離を演算することで被測定対象物の変位が測定されるのである。
【０００４】
ところで、この種の変位計では、被測定対象物の変位を測定する際に、同時に被測定対象物の投射面の傾きを検出したい場合があるが、上記構成では、傾き検出の機能を備えていないため、傾きを検出することができる変位計が求められていた。
【０００５】
そこで、例えば、特開平７−２９４２５０号公報に開示されているものが開発されている。図６に示すように、変位測定用光源７１から発せられた可視光をビームスプリッタ７２及びハーフミラー７３を透過させ、音叉８１の長寸部に取付けられたコリメータレンズ７４及び対物レンズ７５を介して被測定対象物Ａに投射させるとともに、音叉８を振動させることで両レンズ７４，７５を光軸方向に振動させて対物レンズ７５を透過した光の焦点位置を変動させる。また、対物レンズ７５の近傍には、変位測定用光源７１とは異なる波長の可視光を発するモニタ用光源７６が配されており、後述する受光素子７８の受光量に基づく所定のタイミングに合わせて瞬間的にこのモニタ用光源７６からの光が直接被測定対象物Ａに投射されるようになっている。
変位測定用光源７１から発せられた光は、被測定対象物Ａで反射し、両レンズ７４，７５を透過した後、収束光とされてハーフミラー７３に向かい、このハーフミラー７３で透過する光と反射する光とに分離される。このうち透過した光はビームスプリッタ７２で反射してピンホール７７を介して受光素子７８に受光されるようになっており、上記の変位測定装置と同様の方法により被測定対象物Ａの変位が検出される。
【０００６】
また、ハーフミラー７３を反射した光はＣＣＤ９にて撮像されるようになっている。ここで、変位測定用光源７１とモニタ用光源７６との色（波長）の相違により、対物レンズ７５での色収差により焦点位置が異なることを利用して、モニタ用光源７６からの光が被測定対象物Ａを反射した後、ＣＣＤ９で結像するようにされている。このようにすると、被測定対象物Ａが傾いていないときのＣＣＤ９の撮影像はモニタ用光源７６の光による被測定対象物Ａからの反射光の像が表示されると共に、その像の外側に変位測定用光源７１からの反射光の像が円形に表示さる。逆に被測定対象物Ａが傾いているときには、合焦信号に合わせて発せられたモニタ用光源７６のうち合焦点で反射した光の像が表示され、変位測定用光源７１からの光による像がモニタ用光源７６からの光による像からずれるので、これをモニタ等の表示部に表示することで被測定対象物Ａの傾きを判断するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、被測定対象物Ａの変位及び傾きの双方を測定するには、２つの光源７１，７６が必要となるほか、モニタ用光源７６の点灯・消灯には複雑な制御回路が必要となるから、装置が大型化・コスト高になるという欠点がある。また、対物レンズ７５での色収差はごく僅かであるから、ＣＣＤ９の撮影像から両光源７１，７６の光の中心が互いにずれていることを認識するのは困難を極め、識別性が悪い。尚、識別性が悪くなるとは、例えば具体的には、被測定対象物Ａの表面の形状によっては、モニタ用光源によって表示される像が点や線状でなく、二次元的に広がりをもった複雑な形状になることがあり、中心位置の判断が困難となるような場合である。しかも、ハーフミラー７３に向かう被測定対象物Ａからの反射光は非平行光であるから、このハーフミラー７３で非点収差が生じる。そうすると焦点位置と被測定対象物Ａの光照射面とが一致していたとしても、受光素子７８で焦点が結ばれなくなってピンホール７７により受光素子７８へ入射する反射光が阻止されることが考えられるから、変位の測定精度にも悪影響を及ぼすという問題がある。
【０００８】
本発明は上記にような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は小型・低コスト化を図りつつ、被測定対象物の変位及び傾きを精度良く測定することができる変位測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、小型・低コストであって精度良く被測定対象物の傾き及び変位を測定することができる光学装置を開発すべく、鋭意研究してきたところ、以下の知見を見いだして本発明を完成するに至った。
発明者は被測定対象物からの反射光の光強度分布に着目した。すなわち、被測定対象物の投射面が対物レンズを透過した光の光軸に対して垂直となるように位置しているときの反射光の光強度分布と傾いて位置しているときの光強度分布とが相違しており、具体的には、光軸に対して垂直に位置しているときの反射光では略均一な光強度分布の光束とされており、傾いているときにはその分布に偏りが生じているところに着目したのである。
従って、反射光を撮像手段にて撮像し、これをモニタ等の表示手段により表示することで、被測定対象物の傾きを検出できるとした。ただし、反射光を直接撮像手段に受光させたとしても光強度分布の偏りを識別することが容易ではないことから、さらに進んで、反射光を円錐レンズを介して撮像手段に受光させるようにした。この結果、被測定対象物の傾きによって左右されることなくその傾きを識別する際の基準となる像の中心部分をベッセルビームにより明示できると共に、被測定対象物が傾いているときの反射光の光強度分布の偏りを色濃く反映させることが可能となり、さらに、従来のようにモニタ用光源を駆動させるための複雑な制御も不要となる。従って、光源を１つとして小型・低コスト化を図りつつ傾き検出の識別性を飛躍的に向上させることを可能とした。
【００１０】
本発明の変位測定装置は、かかる新規な知見に基づいてなされたものであり、請求項１の発明は、光を出射する投光手段と、この投光手段からの光を略平行光にするコリメータレンズと、このコリメータレンズからの略平行光を収束させて被測定対象物上に投射する対物レンズと、この対物レンズによる前記投光手段からの光の焦点位置を移動させる焦点位置駆動手段と、この焦点位置駆動手段に駆動信号を与えて前記対物レンズによる光の焦点が前記被測定対象物の光照射面の前後に移動するようにする焦点駆動制御手段と、前記被測定対象物の光照射面からの反射光が入射されてその受光量に応じた受光信号を出力する受光部と、前記対物レンズによる光の焦点位置の変化と前記受光信号の変化とに基づいて前記被測定対象物の光照射面までの距離を検出する距離検出手段とを備えた変位測定装置において、前記コリメータレンズと前記対物レンズとの間の光軸上に光分離手段を設け、この光分離手段で分離された前記被測定対象物の光照射面からの反射光を円錐レンズを通して撮像手段に入射させ、前記撮像手段から前記光照射面の傾きに応じて変化する前記円錐レンズを透過した光の分布を示す信号を出力するようにしたところに特徴を有する。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記コリメータレンズと前記対物レンズとの間に、コリメータレンズからの略平行光を発散させる発散レンズが設けられ、前記焦点位置駆動手段は前記発散レンズ及び／又は前記対物レンズを光軸方向に往復移動させるところに特徴を有する。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
被測定対象物からの反射光を円錐レンズを介して撮像手段に受光させるようにしたから、被測定対象物が傾いているときの反射光の光強度分布の偏りを色濃く反映させることが可能となり、光源を１つとして小型・低コスト化を図りながら、傾き検出の識別性を飛躍的に向上させることができる。
さらには、コリメータレンズにより、被測定対象物からの反射光を略平行光に変えて光分離手段に入射するようにしたから、非点収差が生じることがなくなり、受光部での受光量の変化が緩慢になることを防止することもできる。
【００１３】
＜請求項２の発明＞
対物レンズからの透過光の焦点を明確に結像するには、開口角を大きくすることが望ましく、そのためには対物レンズに入射する光の光芒を広くすれば良いのであるが、そうすると従来では、コリメータレンズ、その他の光学部品自体も大きくしなくてはならず、全体として光学系を大きくしなければならないという欠点があった。
また、対物レンズを光軸方向に移動させることによって焦点位置を変える方法では、対物レンズの移動量と焦点位置の移動量とは同一とされていることから、分解能を変えることができなかった。
【００１４】
これに対して、本発明では、コリメータレンズと対物レンズとの間に、コリメータレンズからの略平行光を発散させる発散レンズを設け、焦点位置駆動手段により発散レンズと対物レンズとを光軸方向に相対的に往復移動させる構成としているから、上記のように焦点位置の移動範囲やその最小移動量を変えることによって分解能を変えることができる。しかも、発散レンズを用いて焦点位置を変えるようにしているから、発散レンズよりも被測定対象物とは反対側にある光学系を通る光の光芒を絞ることができる。従って、これらの光学系を小型化することもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明に係る変位測定装置の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。本実施形態の変位測定装置はいわゆる合焦点検出型被接触変位測定装置であって、例えば、金属や樹脂等の被測定対象物の変位を測定するものである。その構成は図１に示すとおりであり、制御手段３からの出力制御によりレーザ光源１１（「投光手段」に相当）からレーザ光が出射され、この出射光がビームスプリッタ１２を透過してコリメータレンズ１３に至り、略平行光に変えられてからハーフミラー１４（「光分離手段」に相当）及び対物レンズ１５を透過して板状の不透明体であるワークＷ（「被測定対象物」に相当する。）に投射されるようになっている。
【００１６】
対物レンズ１５はＵ字状の音叉２１の一端部に取付けられており、他端部の近くには制御手段３（「焦点駆動制御手段」に相当）からの制御信号に応じて動作する音叉振動用の励磁コイル２２（音叉と共に「焦点位置駆動手段」を構成する）が配設されている。励磁コイル２２に制御手段３からの制御信号が供給されると、音叉２１が図面上下方向に振動することに伴なって対物レンズ１５が光軸ＬＣの方向に往復移動されるようになっている。また、音叉２１のうち、対物レンズ１５を取付けた部位の近傍には対物レンズ１５の位置を検出するレンズ位置検出コイル２３が配設されており、このレンズ位置検出コイル２３からの出力信号が制御部３に出力されるようになっている。
【００１７】
ワークＷの表面で反射したレーザ光は対物レンズ１５を透過し、ハーフミラー１４にてこれを透過する光と反射する光とに分離される。このうち、透過した光はコリメータレンズ１３を透過して収束光とされた後、ビームスプリッタ１２を反射して受光面の前方にピンホール１６を設けた受光素子１７（請求項に記載の「受光部」に相当）に受光され、その受光信号が制御部３に出力される。尚、対物レンズ５を透過したレーザ光がワークＷの表面上に焦点を結ぶと、その反射光がピンホール１６で結像し、受光素子１７での受光量が最大となる。一方、対物レンズ５を透過したレーザ光がワークＷの表面上に焦点を結んでいないときには、その反射光の受光量は著しく少なくなる。
【００１８】
一方、ワークＷからの反射光のうちハーフミラーを反射した光は円錐レンズ１８を透過し、その透過光が撮像手段たるＣＣＤ４に受光され、ＣＣＤ４１の撮像信号が制御部３に出力されるようになっている。この円錐レンズ１９は、光が平坦面から円錐曲面側に透過するように、かつ、その透過光がＣＣＤ４の撮像面で交差する位置に配されている。
尚、本実施形態の変位測定装置ではレーザ光源から焦点位置までの光学的距離と焦点位置から受光素子前面に設けられたピンホール１６までの光学的距離とを同一としているいわゆる共焦点光学系を用いている。
【００１９】
制御部３は、受光素子１７からの受光信号及びレンズ位置検出コイル２３からの検出信号を基にしてワークＷ表面の変位を測定する。具体的には、受光素子１７からの受光信号をモニタし、その受光信号が最大値となったときにレンズ位置検出コイル２３からの検出信号を取り込む。そして、取り込んだ検出信号から対物レンズ１５の位置を検出することでワークＷまでの距離を割り出す。尚、対物レンズ１５の位置が検出されると、この検出された位置と対物レンズ１５の焦点距離とから、ワークＷの距離が割り出されるようになっている。以降、ワークＷが光軸ＬＣと直交する方向へ移動したときには、上記と同様の手順によりワークＷ表面の距離を割り出すことでワークＷの変位を検出する。これにより、制御部３は請求項に記載の「距離検出手段」としての機能も有する。
また、ＣＣＤ４から出力された撮像信号を受けると、例えば多階調表示のモニタ５に出力して、撮影像をこれに表示させるようになっている。
【００２０】
続いて本実施形態の作用について説明する。
レーザ光源１１からの出射光はビームスプリッタ１２、コリメータレンズ１３、ハーフミラー１４及び対物レンズ１５を透過してワークＷの表面に投射され、このワークＷからの反射光は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の光路を逆に辿り、ビームスプリッタ１２を反射して受光素子１７にて受光される。ここで、ワークＷの反射光は略平行光としてハーフミラー１４を透過するから、非点収差が生じることなく、受光素子１７の受光面で確実に焦点が結ばれる。
制御部３では、受光素子１７からの受光信号が最大となったときのレンズ位置検出コイル２３の検出信号に基づいてワークＷの変位量を測定する。
【００２１】
さて、制御部３は受光素子１７からの受光信号が最大であると判断すると、ＣＣＤ４にて受光されたワークＷからの反射光をモニタ５に表示する（図２〜図４参照）。尚、図２〜図４は、図１におけるワークＷの各位置▲１▼〜▲３▼（図面下段）に対応してモニタ５に表示された円形像を示したものであり（図面上段）、濃色となるほど光強度が高くなり、逆に白に近づくほど強度が低くなることを示している。また、光路中には、ワークＷの各位置において円錐レンズに入射するワークＷからの反射光のうち光軸と平行であって、かつ、紙面と平行な断面における光強度の分布を示したものであり、強度が高くなるほど濃色となるように示されている。また、ＣＣＤ４の撮像面とモニタ５の表示面との関係は、ＣＣＤ４の図面下端とモニタ５の図面左端とが対応するようになっている。
【００２２】
ここで、ワークＷが光軸ＬＣに対して直交するように位置しているとき（図１において▲１▼の位置である。以下、正規位置という。）には、その反射光の光強度分布は一様であり、円錐レンズ１９を透過すると、いわゆるベッセルビームとされてＣＣＤ４にて撮像される。これをモニタ５に表示すると円形像の中心に光強度が最も高い輝点が認められ、輝点を中心に一様の光強度分布とされる（図２参照）。そして、作業者はこの円形像を確認することによりワークＷが正規位置にあることを確認することができる。
【００２３】
一方、ワークＷが光軸ＬＣに対して傾いて位置しているときには、ワークＷからの反射光の光強度分布に偏りが生じ、円錐レンズ１８を透過すると、ベッセルビームは、その輝点の明るさが弱くなるものの、その周囲に比べ十分な明るさをもって形成される。例えば、ワークＷが正規位置から左上がりとなるように傾けられているときには図３に示すようにワークＷからの反射光の光強度は、ハーフミラー１４を反射する前は図面右側に偏り、反射した後では図面下側に偏った状態となる。円錐レンズ１８を透過してＣＣＤ４に撮像された円形像ではベッセルビームによる輝点を中心に左側が右側よりも明るくなっている。ここで、例えばモニタ５に表示された円形像において左側が右側に比べて明るいことを確認してワークＷが左上がりとなるように傾いていると判断することができる。
【００２４】
反対に、ワークＷが正規位置から左上がりとなるように傾けられているときには図４に示すようにワークＷからの反射光の光強度は、ハーフミラー１４を反射する前は図面右側に偏り、反射した後では図面下側に偏った状態となる。円錐レンズ１８を透過てＣＣＤ４に撮像された円形像では中央から右側が左側よりも明るくなっている。ここで、例えばモニタ５に表示された円形像において右側が左側に比べて明るいことを確認してワークＷが右上がりに傾いていると判断することができる。
また、ワークＷが紙面と平行であって、かつ、光軸と直交する軸を中心に傾けられた場合にも同様に、光強度分布の偏りが生じるから、これをモニタ５で確認することにより、ワークＷの傾きを検出することができる。
【００２５】
本実施形態の変位測定装置によれば、光源を１つとしながら、変位量と被検出物体の傾きとを検出することが可能であるから、装置の小型・低コスト化を図ることができる。また、円錐レンズ１８を設けたことにより、モニタ５に表示される円形像の中心をベッセルビームによる輝点で明示できると共に、ワークＷからの反射光の光強度分布の偏りを明確に示すことができ、これによってワークＷの傾きを容易に認識することができる。
さらには、コリメータレンズ１３をハーフミラー１４よりもレーザ光源１１側に配したことにより、ハーフミラー１４には略平行光とされたワークＷからの反射光が入射するから、非点収差が生ぜず、受光素子１７の受光面で確実に焦点を結ぶことができ、変位量の検出に悪影響を及ぼすことを回避することができる。
【００２６】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略すると共に、同一の作用・効果の説明についても省略する。
本実施形態では、対物レンズ１５とハーフミラー１４との間に発散レンズ１９を配し、この発散レンズ１９が音叉２１の一端部に取付けられた構成とされている。このような構成では、発散レンズ１９の往復移動（矢線に示す方向）によりレーザ光源１１からの出射光の焦点位置が変動される。
ここで、例えばレーザ光源１１からの出射光の分解能（焦点の最小移動量）を変えたいときには対物レンズ１５あるいは発散レンズ１９の交換又は対物レンズ１５と発散レンズ１９との間隔を変えるようにすればよいから、その自由度が高くなるという効果が得られる。しかも、発散レンズ１９とレーザ光源１１との間にある光学系を通る光の光芒を絞ることができるから、光学系を小型化することも可能である。
【００２７】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、円錐レンズ１８の平面側から円錐曲面側へ光を透過させる構成としていたが、反対に円錐曲面側から光を入射させ、平面側から出射させるように構成してもよい。
【００２８】
（２）また、投光手段としてはコヒーレント光を出射するレーザ光源１１に限らず、例えば、発光ダイオードや白色電灯等のインコヒーレント光を放射する光源を用いることもできる。これらを用いた場合でもワークＷが傾けられているときには、やはり、ワークＷからの反射光の光強度分布に偏りが生じており、上記実施形態と同様にモニタ５に表示された円形像の明るさにアンバランスが表れるから、これを確認することでワークＷの傾きを確認することができる。
【００２９】
（３）また、上記実施形態では不透明体であるワークＷの変位を検出する実施例を示したが、例えば透明体の表裏両面と対物レンズ１５との距離を検出することにより、この透明体の厚さ寸法を検出することも可能である。
【００３０】
（４）また、制御手段３では、ＣＣＤ４からの撮像信号を基にモニタ５に撮影像を表示する構成としていたが、例えば、モニタ５に表示された円形像の各明るさに重みを設け、これにより、円形像の重心を求め、これが衷心に表れる輝点あるいは円形像の中心との不一致が所定以上となった時には、外部に信号を出力し、ワークＷが傾いていることを作業者等に報知する構成としても良い。
【００３１】
（５）また、制御部３は受光素子１７からの受光信号が最大であると判断したときに、ＣＣＤ４にて受光されたワークＷからの反射光をモニタ５に表示する構成としていたが、例えば、モニタ５には常時ＣＣＤ４にて受光されたワークＷからの反射光を表示するようにしてもよい。
【００３２】
（６）第２実施形態では、発散レンズ１９を音叉２１により往復移動させる構成としていたが、例えば対物レンズ１５のみを往復移動させる構成や、両レンズ１５，１９を互いに反対方向に往復移動させるような構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る変位測定装置の構成図
【図２】本発明の作用効果を示すための模式図
【図３】本発明の作用効果を示すための模式図
【図４】本発明の作用効果を示すための模式図
【図５】第２実施形態に係る変位測定装置の構成図
【図６】従来の変位測定装置の構成図
【符号の説明】
３…制御手段
４…ＣＣＤ（電荷結合素子）
１１…レーザ光源
１４…ハーフミラー
１７…受光素子
１９…発散レンズ
２１…音叉
２２…励磁コイル[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement measuring device, and more particularly, to a device for measuring a displacement and a tilt of an object to be measured.
[0002]
[Prior art]
As a conventional displacement measuring device, there is one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-113617. This is a so-called focus detection type non-contact displacement meter that measures the amount of displacement of an object to be measured such as metal or resin, and transmits visible light emitted from a light source to a beam splitter and a half mirror. And projecting the object through a collimator lens and an objective lens attached to the tuning fork, and oscillating the tuning fork to oscillate the objective lens in the direction of the optical axis so that the focal position of light transmitted through the objective lens Is fluctuating.
[0003]
Then, the reflected light from the measured object passes through the objective lens and the collimator lens, is reflected by the beam splitter, and enters the light receiving element. By vibrating the objective lens in the optical axis direction, the focal position of light from the light source by the objective lens is moved. Then, at the moment when the focal position coincides with the light irradiation surface of the object to be measured, the amount of light passing through the pinhole arranged on the front surface of the light receiving element (that is, the amount of reflected light) becomes maximum. Then, the distance from the objective lens to the object to be measured is calculated by detecting the position of the objective lens when the maximum amount of received light is obtained. Thereafter, when the object to be measured is moved in a direction orthogonal to the optical axis, the displacement of the object to be measured is measured by calculating the distance by the same method as described above.
[0004]
By the way, in this type of displacement meter, when measuring the displacement of the object to be measured, there is a case where it is desired to simultaneously detect the inclination of the projection surface of the object to be measured. Therefore, there has been a demand for a displacement meter capable of detecting the inclination.
[0005]
Then, for example, the one disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-294250 has been developed. As shown in FIG. 6, visible light emitted from a displacement measurement light source 71 is transmitted through a beam splitter 72 and a half mirror 73, and passes through a collimator lens 74 and an objective lens 75 attached to a long portion of a tuning fork 81. By projecting the light on the object to be measured A and vibrating the tuning fork 8, both the lenses 74 and 75 are vibrated in the optical axis direction to change the focal position of the light transmitted through the objective lens 75. In addition, a monitor light source 76 that emits visible light having a wavelength different from that of the displacement measurement light source 71 is disposed near the objective lens 75, and is synchronized with a predetermined timing based on the amount of light received by a light receiving element 78 described later. The light from the monitor light source 76 is instantaneously directly projected onto the object A to be measured.
The light emitted from the displacement measurement light source 71 is reflected by the object A to be measured, passes through both lenses 74 and 75, becomes convergent light, travels toward the half mirror 73, and passes through the half mirror 73. And reflected light. The transmitted light is reflected by the beam splitter 72 and received by the light receiving element 78 via the pinhole 77, and the displacement of the object A is measured by the same method as the above displacement measuring device. Is detected.
[0006]
The light reflected by the half mirror 73 is captured by the CCD 9. Here, the light from the monitor light source 76 is measured using the fact that the focal position is different due to the chromatic aberration of the objective lens 75 due to the difference in color (wavelength) between the displacement measurement light source 71 and the monitor light source 76. After reflecting the object A, an image is formed by the CCD 9. In this manner, when the object A to be measured is not tilted, an image of the reflected light from the object A to be measured by the light of the monitor light source 76 is displayed on the captured image of the CCD 9 and is outside the image. The image of the reflected light from the displacement measurement light source 71 is displayed in a circular shape. Conversely, when the object A to be measured is tilted, an image of light reflected at the focal point among the monitor light sources 76 emitted according to the focus signal is displayed, and an image formed by light from the light source 71 for displacement measurement is displayed. Is displaced from the image due to the light from the monitor light source 76, and this is displayed on a display unit such as a monitor to determine the inclination of the object A to be measured.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above configuration, two light sources 71 and 76 are required to measure both the displacement and the tilt of the measured object A, and a complicated control circuit is required to turn on and off the monitor light source 76. Since it is necessary, there is a disadvantage that the device becomes large and the cost is high. Further, since the chromatic aberration in the objective lens 75 is very small, it is extremely difficult to recognize that the centers of the light of the two light sources 71 and 76 are deviated from each other from the photographed image of the CCD 9 and the discrimination is poor. It should be noted that, for example, specifically, depending on the shape of the surface of the object A to be measured, the image displayed by the monitor light source is not a point or a line, but has a two-dimensional spread. This is a case where a complicated shape may be formed, and it is difficult to determine the center position. In addition, the reflected light from the object A to be measured toward the half mirror 73 is non-parallel light, so that the half mirror 73 causes astigmatism. Then, even if the focus position and the light irradiation surface of the object A to be measured coincide with each other, the focus is not formed by the light receiving element 78, and the reflected light incident on the light receiving element 78 is blocked by the pinhole 77. Because it is conceivable, there is a problem that the measurement accuracy of the displacement is adversely affected.
[0008]
The present invention has been completed based on the above-described circumstances, and a purpose thereof is to provide a displacement measuring apparatus capable of accurately measuring the displacement and inclination of a measured object while reducing the size and cost. Is to provide.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has conducted intensive research in order to develop an optical device that is small, low-cost, and can accurately measure the tilt and displacement of an object to be measured. It was completed.
The inventor paid attention to the light intensity distribution of the reflected light from the object to be measured. That is, the light intensity distribution of the reflected light when the projection surface of the object to be measured is positioned perpendicular to the optical axis of the light transmitted through the objective lens, and the light intensity when the projection surface is inclined. The distribution is different.Specifically, the reflected light when positioned perpendicular to the optical axis is a light flux having a substantially uniform light intensity distribution. We paid attention to the place where
Therefore, the inclination of the measured object can be detected by imaging the reflected light by the imaging means and displaying the reflected light by the display means such as a monitor. However, even if the reflected light is directly received by the imaging means, it is not easy to identify the bias of the light intensity distribution. Therefore, the imaging light is further received by the imaging means via a conical lens because it is not easy to identify the bias of the light intensity distribution. . As a result, the center part of the image serving as a reference when identifying the inclination can be specified by the Bessel beam without being influenced by the inclination of the object to be measured, and the reflected light when the object to be measured is inclined can be specified. The bias of the light intensity distribution can be reflected deeply, and the complicated control for driving the monitor light source as in the related art is not required. Therefore, it is possible to dramatically improve the discrimination of tilt detection while reducing the size and cost by using one light source.
[0010]
The displacement measuring device of the present invention is based on such a novel finding, and the invention of claim 1 is a light projecting device that emits light, and converts the light from the light projecting device into substantially parallel light. A collimator lens, an objective lens that converges substantially parallel light from the collimator lens and projects the collimated light on an object to be measured, and a focal position driving unit that moves a focal position of light from the light projecting unit by the objective lens. Focus drive control means for supplying a drive signal to the focus position driving means so that the focal point of the light by the objective lens moves back and forth on the light irradiation surface of the object to be measured; and light for the object to be measured. A light-receiving unit that receives light reflected from the irradiation surface and outputs a light-receiving signal corresponding to the amount of received light; and the object to be measured based on a change in a focal position of light by the objective lens and a change in the light-receiving signal. Light irradiation surface A distance detecting means for detecting a distance in the optical system, wherein a light separating means is provided on an optical axis between the collimator lens and the objective lens, and the object to be measured separated by the light separating means is provided. The reflected light from the light irradiation surface of the object is made incident on the image pickup means through the conical lens, and the image pickup means outputs a signal indicating the distribution of light transmitted through the conical lens that changes according to the inclination of the light irradiation surface. It has a feature in the manner described above.
[0011]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, a diverging lens that diverges substantially parallel light from the collimator lens is provided between the collimator lens and the objective lens. The divergent lens and / or the objective lens are reciprocated in the optical axis direction.
[0012]
Function and effect of the present invention
<Invention of claim 1>
Since the reflected light from the object to be measured is received by the imaging means via the conical lens, it becomes possible to reflect the bias of the light intensity distribution of the reflected light when the object to be measured is tilted in a deep color. In addition, it is possible to dramatically improve the discrimination of tilt detection while reducing the size and cost by using one light source.
Furthermore, the collimator lens changes the reflected light from the object to be measured into substantially parallel light so as to enter the light separating means, so that astigmatism does not occur, and the amount of light received by the light receiving unit changes. Can be prevented from becoming slow.
[0013]
<Invention of Claim 2>
To clearly form an image of the focal point of the transmitted light from the objective lens, it is desirable to increase the aperture angle, and for that purpose, it is only necessary to widen the beam of light incident on the objective lens. There is a disadvantage that the collimator lens and other optical components themselves must be enlarged, and the optical system as a whole must be enlarged.
Further, in the method of changing the focal position by moving the objective lens in the optical axis direction, the resolution cannot be changed because the amount of movement of the objective lens and the amount of movement of the focal position are the same.
[0014]
On the other hand, in the present invention, a diverging lens that diverges substantially parallel light from the collimator lens is provided between the collimator lens and the objective lens, and the divergent lens and the objective lens are moved in the optical axis direction by the focus position driving unit. Since the reciprocating movement is performed relatively, the resolution can be changed by changing the moving range of the focal position and the minimum moving amount thereof as described above. In addition, since the focal position is changed using the diverging lens, the beam of light passing through the optical system on the opposite side of the object to be measured from the diverging lens can be narrowed. Therefore, these optical systems can be downsized.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
<First embodiment>
One embodiment of a displacement measuring device according to the present invention will be described with reference to FIGS. The displacement measuring device of the present embodiment is a so-called in-focus detection type displacement measuring device for contact, and measures the displacement of an object to be measured such as a metal or a resin, for example. The configuration is as shown in FIG. 1. A laser beam is emitted from a laser light source 11 (corresponding to a "light projecting unit") by output control from the control unit 3, and the emitted light is transmitted through a beam splitter 12 to a collimator. After reaching the lens 13, the light is converted into substantially parallel light, and then passes through the half mirror 14 (corresponding to “light separating means”) and the objective lens 15, and is a plate-shaped opaque work W (“the object to be measured”). Equivalent).
[0016]
The objective lens 15 is attached to one end of a U-shaped tuning fork 21. Near the other end, a tuning fork vibration operated according to a control signal from the control means 3 (corresponding to "focus drive control means"). Excitation coil 22 (which constitutes "focus position driving means" together with the tuning fork) is provided. When a control signal is supplied from the control means 3 to the exciting coil 22, the objective lens 15 is reciprocated in the direction of the optical axis LC as the tuning fork 21 vibrates in the vertical direction in the drawing. . A lens position detecting coil 23 for detecting the position of the objective lens 15 is provided near the part of the tuning fork 21 to which the objective lens 15 is attached, and an output signal from the lens position detecting coil 23 is controlled. The data is output to the unit 3.
[0017]
The laser light reflected on the surface of the work W passes through the objective lens 15 and is separated by the half mirror 14 into light transmitted through the half mirror 14 and light reflected therefrom. The transmitted light is transmitted through the collimator lens 13 to be converged, then reflected by the beam splitter 12 and provided with a light receiving element 17 having a pinhole 16 in front of the light receiving surface. The light receiving signal is output to the control unit 3. When the laser beam transmitted through the objective lens 5 is focused on the surface of the work W, the reflected light forms an image on the pinhole 16, and the amount of light received by the light receiving element 17 is maximized. On the other hand, when the laser light transmitted through the objective lens 5 is not focused on the surface of the work W, the amount of the reflected light received is significantly reduced.
[0018]
On the other hand, the light reflected by the half mirror among the reflected light from the work W is transmitted through the conical lens 18, the transmitted light is received by the CCD 4 serving as the imaging unit, and the imaging signal of the CCD 41 is output to the control unit 3. Has become. The conical lens 19 is disposed so that light is transmitted from the flat surface to the conical curved surface side and at a position where the transmitted light intersects on the imaging surface of the CCD 4.
In the displacement measuring apparatus of the present embodiment, a so-called confocal optical system is used in which the optical distance from the laser light source to the focal position and the optical distance from the focal position to the pinhole 16 provided on the front surface of the light receiving element are the same. Used.
[0019]
The control unit 3 measures the displacement of the surface of the work W based on the light receiving signal from the light receiving element 17 and the detection signal from the lens position detecting coil 23. Specifically, the light receiving signal from the light receiving element 17 is monitored, and when the light receiving signal reaches the maximum value, the detection signal from the lens position detection coil 23 is taken in. Then, the distance to the workpiece W is determined by detecting the position of the objective lens 15 from the received detection signal. When the position of the objective lens 15 is detected, the distance of the workpiece W is calculated from the detected position and the focal length of the objective lens 15. Thereafter, when the work W moves in the direction orthogonal to the optical axis LC, the displacement of the work W is detected by calculating the distance on the surface of the work W in the same procedure as described above. Thus, the control unit 3 also has a function as a “distance detection unit” described in the claims.
Further, when receiving an image signal output from the CCD 4, the image signal is output to, for example, a monitor 5 for multi-tone display, and a captured image is displayed on the monitor.
[0020]
Next, the operation of the present embodiment will be described.
The light emitted from the laser light source 11 passes through the beam splitter 12, the collimator lens 13, the half mirror 14, and the objective lens 15 and is projected on the surface of the work W, and the reflected light from the work W is emitted from the laser light source 11. The laser beam travels backward along the optical path of the laser beam, is reflected by the beam splitter 12, and is received by the light receiving element 17. Here, the reflected light of the work W passes through the half mirror 14 as substantially parallel light, so that the light is reliably focused on the light receiving surface of the light receiving element 17 without astigmatism.
The controller 3 measures the amount of displacement of the workpiece W based on the detection signal of the lens position detection coil 23 when the light receiving signal from the light receiving element 17 is maximized.
[0021]
When the controller 3 determines that the light receiving signal from the light receiving element 17 is the maximum, the controller 3 displays the reflected light from the work W received by the CCD 4 on the monitor 5 (see FIGS. 2 to 4). 2 to 4 show circular images displayed on the monitor 5 corresponding to the respective positions (1) to (3) of the work W in FIG. 1 (lower part in the drawing) (upper part in the drawing). ), The darker the color, the higher the light intensity, and conversely, the closer to white, the lower the light intensity. In the optical path, the distribution of the light intensity in a cross section parallel to the optical axis and parallel to the paper surface of the reflected light from the work W incident on the conical lens at each position of the work W is shown. The higher the intensity, the darker the color. Further, the relationship between the imaging surface of the CCD 4 and the display surface of the monitor 5 is such that the lower end of the drawing of the CCD 4 and the left end of the drawing of the monitor 5 correspond to each other.
[0022]
Here, when the workpiece W is positioned so as to be orthogonal to the optical axis LC (position (1) in FIG. 1; hereinafter, referred to as a normal position), the light intensity distribution of the reflected light Is uniform and, when transmitted through the conical lens 19, is converted into a so-called Bessel beam and imaged by the CCD 4. When this is displayed on the monitor 5, a bright spot having the highest light intensity is recognized at the center of the circular image, and a uniform light intensity distribution is formed around the bright point (see FIG. 2). Then, the operator can confirm that the work W is at the regular position by confirming the circular image.
[0023]
On the other hand, when the workpiece W is inclined with respect to the optical axis LC, a bias occurs in the light intensity distribution of the reflected light from the workpiece W, and when the workpiece W passes through the conical lens 18, the Bessel beam becomes bright at the bright spot. Although it is weak, it is formed with sufficient brightness compared to its surroundings. For example, when the work W is tilted to the left from the normal position, the light intensity of the reflected light from the work W is biased to the right in the drawing before being reflected by the half mirror 14 as shown in FIG. After that, the state is biased to the lower side of the drawing. In the circular image transmitted through the conical lens 18 and captured by the CCD 4, the left side is brighter than the right side around the bright spot by the Bessel beam. Here, for example, in the circular image displayed on the monitor 5, the left side is confirmed to be brighter than the right side, and it can be determined that the work W is inclined so as to rise to the left.
[0024]
On the other hand, when the work W is tilted to the left from the normal position, the light intensity of the reflected light from the work W is biased rightward in the drawing before being reflected by the half mirror 14 as shown in FIG. After being reflected, the state is deviated to the lower side in the drawing. In the circular image transmitted through the conical lens 18 and captured by the CCD 4, the right side from the center is brighter than the left side. Here, for example, by confirming that the right side of the circular image displayed on the monitor 5 is brighter than the left side, it is possible to determine that the work W is inclined upward to the right.
Similarly, when the work W is parallel to the plane of the paper and is tilted about an axis perpendicular to the optical axis, a deviation in the light intensity distribution similarly occurs. , The inclination of the work W can be detected.
[0025]
According to the displacement measuring device of the present embodiment, it is possible to detect the displacement amount and the inclination of the detected object while using only one light source, so that the size and cost of the device can be reduced. In addition, by providing the conical lens 18, the center of the circular image displayed on the monitor 5 can be clearly indicated by a luminescent spot by a Bessel beam, and the deviation of the light intensity distribution of the reflected light from the work W is clearly shown. Thus, the inclination of the work W can be easily recognized.
Furthermore, since the collimator lens 13 is disposed closer to the laser light source 11 than the half mirror 14, reflected light from the workpiece W, which has been converted into substantially parallel light, enters the half mirror 14, so that astigmatism does not occur. In addition, it is possible to surely focus on the light receiving surface of the light receiving element 17 and to avoid adversely affecting the detection of the displacement amount.
[0026]
<Second embodiment>
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Also, description of the same operation and effect will be omitted.
In the present embodiment, a diverging lens 19 is provided between the objective lens 15 and the half mirror 14, and the diverging lens 19 is attached to one end of the tuning fork 21. In such a configuration, the focal position of the light emitted from the laser light source 11 is changed by the reciprocating movement of the diverging lens 19 (in the direction indicated by the arrow).
Here, for example, when it is desired to change the resolution of the light emitted from the laser light source 11 (the minimum movement amount of the focal point), the objective lens 15 or the divergent lens 19 is replaced or the distance between the objective lens 15 and the divergent lens 19 is changed. Therefore, the effect of increasing the degree of freedom is obtained. Moreover, since the beam of light passing through the optical system between the diverging lens 19 and the laser light source 11 can be narrowed, the size of the optical system can be reduced.
[0027]
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and furthermore, besides the following, within the scope not departing from the gist. Can be implemented with various modifications.
(1) In the above embodiment, light is transmitted from the flat surface side of the conical lens 18 to the conical curved surface side. Alternatively, light may be incident from the conical curved surface side and emitted from the flat surface side. Good.
[0028]
(2) The light projecting means is not limited to the laser light source 11 that emits coherent light, and a light source that emits incoherent light, such as a light emitting diode or a white light, may be used. Even when these are used, when the work W is tilted, the light intensity distribution of the reflected light from the work W is still deviated, and the circular image displayed on the monitor 5 is displayed similarly to the above embodiment. Since the imbalance appears in the brightness, the inclination of the workpiece W can be confirmed by checking this.
[0029]
(3) In the above embodiment, the example of detecting the displacement of the work W, which is an opaque body, has been described. However, for example, by detecting the distance between the front and back surfaces of the transparent body and the objective lens 15, this transparent body can be detected. It is also possible to detect the thickness dimension.
[0030]
(4) Further, the control means 3 is configured to display the photographed image on the monitor 5 based on the image pickup signal from the CCD 4. For example, a weight is assigned to each brightness of the circular image displayed on the monitor 5. Accordingly, the center of gravity of the circular image is obtained, and when the difference between the center of the circular image and the bright spot that appears in the center becomes more than a predetermined value, a signal is output to the outside to confirm that the work W is tilted. It may be configured to notify the worker or the like.
[0031]
(5) When the controller 3 determines that the light receiving signal from the light receiving element 17 is the maximum, the controller 3 displays the reflected light from the work W received by the CCD 4 on the monitor 5. Alternatively, the monitor 5 may always display the reflected light from the work W received by the CCD 4.
[0032]
(6) In the second embodiment, the diverging lens 19 is reciprocated by the tuning fork 21, but, for example, only the objective lens 15 is reciprocated, or both lenses 15, 19 are reciprocated in opposite directions. Configuration may be used.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a displacement measuring device according to a first embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing the operation and effect of the present invention. FIG. 3 is a schematic diagram showing the operation and effect of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the operation and effect of the present invention. FIG. 5 is a configuration diagram of a displacement measurement device according to a second embodiment. FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional displacement measurement device.
3 ... Control means 4 ... CCD (charge coupled device)
11 laser light source 14 half mirror 17 light receiving element 19 divergent lens 21 tuning fork 22 excitation coil
