JP2005043383A - 距離計測方法及び距離センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 大深度測定及び高分解能測定を可能にする。
【解決手段】 発光ダイオードや半導体レーザ等よりなり発光素子１から出射された単波長の光はコリメータレンズ２により平行光にされる。コリメータレンズ２から出射された平行光は、円錐レンズ３により小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変えられて被測定物Ｏｂの表面に照射される。被測定物Ｏｂの表面により拡散された光が集光レンズ４により位置検出素子５に集光されることによって、被測定物Ｏｂの表面の距離を計測することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大深度で且つ高分解能な測定が可能な距離計測方法及び距離センサに関するものである。

従来の距離センサとしては、例えば特許文献１に示されているものが知られている。図９は前記従来の距離センサの基本構成を示しており、図９において、１０１は発光ダイオードや半導体レーザ等よりなる発光素子、１０２は開口数ＮＡの第１のレンズ、１０３は焦点距離ｆの第２のレンズ、１０４はＰＳＤやＣＣＤ等よりなる位置検出素子である。これら光学系はＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満たすように構成されている。ここで、Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件とは、第２のレンズ１０３の焦点距離ｆと、発光素子１０１の光軸と第２のレンズ１０３の光軸とのなす角θと、第２のレンズ１０３の主平面と位置検出素子１０４の検出面とのなす角βと、発光素子１０１の光軸と第２のレンズ１０３の光軸との交点Ｏから第２のレンズ１０３までの距離Ｌと、発光素子１０１の光軸と第２のレンズ１０３の主平面との交点と第２のレンズ１０３の主点との距離ｄとの間に、（数１）に示す関係があることを言う。
［数１］
β＝ｔａｎ^-1（ｆ₀ ／ｄ）
但し、ｆ₀ ＝ｆＬ／（Ｌ−ｆ）
光学系がＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足すると、被測定物Ｏｂが第１のレンズ１０２の焦点位置Ｏにある場合はもちろん、被測定物Ｏｂが第１のレンズ１０２の焦点位置Ｏからずれた点Ｏ´にあっても、第１のレンズ１０２によって
結像されたビームは、第２のレンズ１０３により位置検出素子１０４上に結像する。

以下、前記のように構成された距離センサの動作について説明する。

発光素子１０１から出射された光は、第１のレンズ１０２により点Ｏに位置する被測定物Ｏｂ上に結像される。点Ｏに位置する被測定物Ｏｂ上に結像された光は被測定物Ｏｂ上で拡散し、拡散した光の一部は第２のレンズ１０３により位置検出素子１０４上のＡ点に結像する。被測定物Ｏｂの位置が点Ｏ´となった場合には、先ほど説明したように、この光学系はＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足しているため、位置検出素子１０４上のＢ点に結像する。発光素子１０１の光軸上での被測定物Ｏｂの移動量や凹凸等は、位置検出素子１０４上での結像位置の移動量に対応するため、位置検出素子１０４上における結像位置の移動量を測定することにより、被測定物Ｏｂの移動量や凹凸等を求めることができる。
特開昭６２−２８６１０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、第１のレンズ１０２を通過した光は、波動光学的には、図１０に示すように、第１のレンズ１０２の開口数ＮＡと発光素子１０１の波長λとによって定まる焦点深度λ／ＮＡ² 及びビーム径１．２２×λ／ＮＡを持つ。従って、第１のレンズ１０２の焦点位置Ｏから離れるに伴って、被測定物Ｏｂ上におけるビーム径は大きくなり、距離センサの横分解能は低下する。例えば、Ｈｅ−Ｎｅ（λ：６３３ｎｍ）のビームと第１のレンズ（開口数ＮＡ＝０．１）とを用いた場合、焦点深度は６３μｍとなり、ビーム径は７．７μｍとなる。

このように、従来の構成において、大焦点深度を実現するために第１のレンズ１０２の開口数ＮＡを小さくすると、ビーム径は大きくなる。前述したように、従来の構成においては、大焦点深度の要求と小ビーム径の要求とは相反する関係にあって、１００ｍｍの焦点深度でビーム径を２０μｍ以下にすることは物理的に困難であった。

従って、従来の構成の距離センサによると、測定深度が１００ｍｍ以上で且つ高精度な測定を行なうことは困難であった。

前記に鑑み、本発明は、大深度測定及び高精度測定が可能な距離計測方法及び距離センサを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、単波長の平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に照射するものである。

具体的には、本発明に係る距離計測方法は、単波長の平行光を出射する工程と、出射された平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に照射する工程と、前記被測定物の表面に照射された後、拡散されたビームを集光する工程と、集光されたビームの位置を検出する工程と、検出されたビームの位置に基づき前記被測定物の表面における距離を測定する工程とを備えている。

本発明に係る距離計測方法によると、単波長の平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に照射する工程を備えており、被測定物の表面に照射されるビームにおいては小ビーム径が長い距離に亘って持続するため、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置においてもビーム径は小さいままである。

本発明に係る第１の距離センサは、単波長の光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射された平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射する投影ユニットと、前記被測定物の表面により拡散された拡散光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えている。

第１の距離センサによると、投影ユニットは、平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射するため、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置においてもビーム径は小さいままである。

本発明に係る第２の距離センサは、単波長の光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射された平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え出射する投影ユニットと、前記投影ユニットから出射されたビームを前記被測定物の表面に向かって走査しながら出射すると共に前記被測定物の表面により拡散された拡散光を反射する走査ミラーと、前記走査ミラーにより反射された拡散光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えている。

第２の距離センサによると、第１の距離センサと同様、投影ユニットは、平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射するため、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置においてもビーム径は小さいままである。また、走査ミラーは、投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射するので、被測定物の表面における距離測定を高速に行なうことができる。

本発明に係る第３の距離センサは、単波長の光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射された平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え出射する投影ユニットと、前記投影ユニットから出射されたビームを走査しながら出射する走査ミラーと、前記走査ミラーから出射されたビームを被測定物の表面に対して垂直な方向から出射する照明レンズと、前記照明レンズから出射され、前記被測定物の表面により拡散された拡散光のうち、前記走査ミラーが走査する方向と垂直な方向の成分を集光する第１のシリンドリカルレンズと、前記第１のシリンドリカルレンズにより集光された光のうち、該第１のシリンドリカルレンズの光軸に平行な成分を集光する第２のシリンドリカルレンズと、前記第２のシリンドリカルレンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えている。

第３の距離センサによると、第１の距離センサと同様、投影ユニットは、平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射するため、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置においてもビーム径は小さいままである。また、請求項３の構成と同様、走査ミラーは、投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射するので、被測定物の表面における距離測定を高速に行なうことができる。さらに、照明レンズは、走査ミラーから出射されたビームを被測定物の表面に対して垂直な方向から出射するため、ビームは、被測定物の表面に凹凸があっても被測定物の測定点に確実に届く。

本発明に係る第４の距離センサは、単波長の光を出射する発光素子と、前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズから出射された平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え出射する投影ユニットと、前記投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射する第１の反射面と、前記被測定物の表面により拡散された拡散光を透過させる透過部と、前記第１の反射面の裏面側に設けられ入射する光を反射する第２の反射面とを有する走査ミラーと、前記走査ミラーの透過部を透過してきた光を前記走査ミラーの第２の反射面に導く固定ミラーと、前記走査ミラーの第２の反射面により反射された拡散光を集光する集光レンズと、前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えている。

第４の距離センサによると、第１の距離センサと同様、投影ユニットは、平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射するため、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置においてもビーム径は小さいままである。また、請求項３の構成と同様、走査ミラーの第１の反射面は、投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射するので、被測定物の表面における距離測定を高速に行なうことができる。さらに、走査ミラーに距離測定方向の面ぶれが発生した場合、第１の反射ミラーの面ぶれを第２の反射ミラーによって相殺することができる。

第１〜第４の距離センサにおいて、前記投影ユニットは円錐レンズにより構成することができる。

また、第１〜第４の距離センサにおいて、前記投影ユニットは、前記コリメータレンズから出射された平行光をリング状の開口部により回折させながら通過させるマスクと、該マスクを通過した回折光を前記ビームに集光するレンズとから構成することができる。

本発明に係る距離計測方法によると、被測定物の表面に照射されるビームにおいては小ビーム径が長い距離に亘って持続するため、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置でもビーム径は小さいままであるから、小ビーム径を焦点深度が大きい範囲に亘って実現できるので、大深度で且つ高精度な測定が可能になる。

本発明に係る第１の距離センサによると、投影ユニットにより被測定物の表面に照射されるビームにおいては、小ビーム径が長い距離に亘って持続するビームの焦点位置から少し程度離れた位置でもビーム径は小さいままであるから、小ビーム径を焦点深度が大きい範囲に亘って実現できるので、大深度で且つ高精度な測定が可能になる。

本発明に係る第２の距離センサによると、第１の距離センサと同様、小ビーム径を焦点深度が大きい範囲に亘って実現できるので、大深度で且つ高精度な測定が可能になると共に、走査ミラーは、投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射するので、走査ミラーが走査する方向の距離測定を高速に行なうことができる。

本発明に係る第３の距離センサによると、小ビーム径を焦点深度が大きい範囲に亘って実現できるので、大深度で且つ高精度な測定が可能になると共に、投影ユニットから出射されたビームは被測定物の表面を走査するので、走査ミラーが走査する方向の距離測定を高速に行なうことができる上に、被測定物の表面に凹凸があっても、被測定物の表面にビームが確実に届くため、ビームの走査に起因して発生する所謂隠れ等の問題が発生しないので、正確な測定を行なうことができる。

本発明に係る第４の距離センサによると、小ビーム径を焦点深度が大きい範囲に亘って実現できるので、大深度で且つ高精度な測定が可能になると共に、投影ユニットから出射されたビームは被測定物の表面を走査するので、走査ミラーが走査する方向の距離測定を高速に行なうことができる上に、走査ミラーに距離測定方向の面ぶれが発生した場合でも、第１の反射ミラーの面ぶれを第２の反射ミラーによって相殺できるため、面ぶれ等の誤差が発生しないので、距離測定を精度良く行なうことができる。

第１〜第４の距離センサにおいて、投影ユニットが円錐レンズよりなると、平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変え出射する投影ユニットを確実に実現することができる。

第１〜第４の距離センサにおいて、投影ユニットが、平行光をリング状の開口部により回折させながら通過させるマスクと、該マスクを通過した回折光を集光するレンズとからなると、平行光を小ビーム径が長い距離に亘って持続するようなビームに変えながら出射する投影ユニットを確実に実現することができる。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの基本構成を示しており、図１において、１は発光ダイオードや半導体レーザ等よりなり単波長の光を出射する発光素子、２は発光素子１から出射された光を平行光とするコリメータレンズであって、発光素子１及びコリメータレンズ２により発光部が構成されている。また、３は頂角αの円錐形状を有する屈折率ｎの円錐レンズであって、該円錐レンズ３は投影ユニットを構成している。また、４は集光レンズ、５はＰＳＤを使用したり、或いはラインセンサ等のＣＣＤ出力を画像処理することにより位置を検出する位置検出素子であって、これらの光学系は従来例で述べたＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足している。

以下、前記のように構成された第１の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの動作を説明する。

発光素子１から出射された光はコリメータレンズ２により平行光にされる。この平行光は、円錐レンズ３に入射した後、該円錐レンズ３により、図２に示すように、（数２）で表した光軸とのなす角βを持って屈折する。
［数２］
β＝ｓｉｎ^-1｛ｎｓｉｎ（π／２−α／２）｝−π／２＋α／２
コリメータレンズ２から出射する平行光の光エネルギー密度をｉとし、幾何光学解析により、円錐レンズ３の頂点から光軸に沿って距離ρで且つ光軸からの距離ｒの点における光エネルギー密度Ｉ（ρ、ｒ）は、（数３）となる。

（数３）より、ビームプロファイルは１／ｒの曲線となり、光エネルギー密度は光軸上で極大となることが分かる。このような光エネルギー密度が高いρの領域は、円錐レンズ３の有効径をＤとすると、（数４）のように表せる。
［数４］
ρ＜Ｄ／｛２ｔａｎ（β）｝
例えば、円錐レンズ３の頂角αを１６５°、有効径Ｄを３０ｍｍ、屈折率ｎを１．５１５として計算すると、光エネルギー密度が高い領域ρ＜２８７ｍｍとなり、大焦点深度を実現できる。

図３は、前記の構成において、円錐レンズ３とＨｅ−Ｎｅのビームとを用いて実験を行なった結果を示している。図３より、円錐レンズ３の頂点からの距離が２５０ｍｍ以内の領域においてビーム径１５μｍ以下を実現できていることが分かる。このように小ビーム径が長い距離に亘って持続されることを、以下においては、大焦点深度且つ小ビーム径と呼ぶことにする。

前記のような照射ビームを用いて、従来例と同様の距離計測を行なうことにより、大深度で且つ高分解能な測定が可能である距離計測方法及び距離センサを実現することができる。

以上説明したように、第１の実施形態によると、光学系に、発光素子１から出射された光を平行光とするコリメータレンズ２及び平行光を集光する円錐レンズ３を設けることにより、照射ビームを焦点深度２００ｍｍ以上で且つビーム径２０μｍ以下にできるため、大深度で且つ高分解能な距離測定を行なうことができる。

（第２の実施形態）
図４（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの基本構成を示している。図４（ａ）においては、図１と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。図４（ａ）において、７は光軸からの距離ｈの位置に幅ｐの円形スリットを有するマスクであって、該マスク７にはコリメータレンズ２から出射された平行光が入射する。８はマスク７から距離ｔ離れた位置に配置され、マスク７により回折させられた光を被測定物Ｏｂに投影する焦点距離ｆの投影レンズであって、これらマスク７及び投影レンズ８により投影ユニットが構成されている。尚、図４（ｂ）はマスク７の平面構造を示しており、図中において、ハッチングが施されていない部分が円形スリットである。

また、これらの光学系は従来例で述べたＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足している。

以下、前記のように構成された第２の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの動作を説明する。

発光素子１から出射された波長λの単波長の光は、コリメータレンズ２により平行光にされた後、マスク７に入射する。平行光は、マスク７の円形スリットにより回折され、投影レンズ８の主平面上において１．２２×ｔ／ｐの幅（円形スリットを透過する全光エネルギーの８４％がこの幅に入る）を有する拡散光となる。この拡散光は、投影レンズ８によって、第１の実施形態における円錐レンズ３を出射した光と同様の光となる。但し、光エネルギー密度の高い領域ΔＺは（数５）のように表される。
［数５］
ΔＺ＝１．２２×ｆ・ｔ・λ／（ｐ・ｈ）
例えば、ｈ＝１ｍｍ、ｐ＝０．０１ｍｍ、ｆ＝２００ｍｍ、ｔ＝１０ｍｍ、λ＝６３３ｎｍとすると、ΔＺ＝１５４ｍｍとなり、測定深度を１００ｍｍ以上にできる。また、ビーム径は、第１の実施形態と同様に、２０μｍ程度にすることができる。

従って、前記のような照射ビームを用いて、従来例と同様の距離計測を行なうことにより、大深度で且つ高分解能な測定が可能である距離計測方法及び距離センサを実現できる。

以上説明したように、第２の実施形態によると、光学系に、円形スリットを有するマスク７及び投影レンズ８を設けることにより、照射ビームを大焦点深度且つ小ビーム径にできるため、大深度で且つ高分解能な距離測定を行なうことができる。

（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態に係る距離センサの基本構成を示している。図５においては、図１と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。尚、第３の実施形態においては、投影ユニットとして第１の実施
形態と同様に円錐レンズ３を用いているが、第２の実施形態で説明した投影ユニットを用いてもよいことは言うまでもない。図５において、１０は投影ユニットからの光をｘ軸方向に走査し、被測定物Ｏｂからの拡散光を集光レンズ４に導く走査ミラー、１１は走査ミラー１０を回転走査させる走査モータである。これら光学系は従来例で述べたＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足している。

以下、前記のように構成された第３の実施形態に係る距離センサの動作を説明する。

発光素子１から出射された波長λの単波長の光は、コリメータレンズ２により平行光となり、円錐レンズ３に入射する。円錐レンズ３を出射した光は、走査ミラー１０を介して被測定物Ｏｂに照射される。走査ミラー１０は走査モータ１１により、被測定物Ｏｂ上でｘ軸方向に走査するように回転する。被測定物Ｏｂで拡散した光の一部は、走査ミラー１０及び集光レンズ４を介して位置検出素子５上に集光する。

以上説明したように、従来例と同様の距離計測を行なうことができると共に、第１及び第２の実施形態で説明したように、円錐レンズ等で構成された大焦点深度且つ小ビーム径を実現する投影ユニットを用いることにより、大深度で且つ高分解能な測定が可能である距離センサを実現できる。

また、走査ミラー１０及び走査モータ１１を用いることにより、第１及び第２の実施形態とは異なり、ｘ軸方向の走査を光学的にすることができるため、高速な測定が可能となる。

（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態に係る距離センサの基本構成を示している。図６においては、図５と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。尚、第４の実施形態においては、投影ユニットとして第１の実施形態と同様に円錐レンズ３を用いているが、第２の実施形態で説明した投影ユニットを用いてもよいことは言うまでもない。図６において、１２は走査ミラー、１３は走査ミラー１２を前側焦点面とし、被測定物Ｏｂと直交する光軸を有する照明レンズ、１４は被測定物Ｏｂ上の拡散光のうちｙ方向の光だけを位置検出素子５上に結像させる第１のシリンドリカルレンズ、１５は位置検出素子５を後側
の焦点面とし、第１のシリンドリカルレンズ１４の光軸に平行な光を位置検出素
子５に結像する第２のシリンドリカルレンズである。また、これら光学系は従来例で述べたＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足している。

以下、前記のように構成された第４の実施形態に係る距離センサの動作を説明する。

発光素子１から出射された波長λの単波長の光は、コリメータレンズ２により平行光となり、円錐レンズ３に入射する。円錐レンズ３を出射した光は、走査ミラー１２を介して照明レンズ１３に導かれる。照明レンズ１３は走査ミラー１２を前側焦点面とし被測定物Ｏｂと直交する光軸を有しているため、照明レンズ１３から出射した光は被測定物Ｏｂに直交するように照射される。照明レンズ１３により照射されたビームにおいては、（数４）又は（数５）で表した光エネルギー密度の高い領域は、照明レンズ１３の集光作用により減少するが、照明レンズ１３の開口数ＮＡを小さくし、（数４）では円錐レンズ３の頂角αをより１８０°に近づけることにより、また、（数５）では円形スリットの幅ｐを狭くすることにより、光エネルギー密度の高い領域を１００ｍｍ以上にすることが可能である。

被測定物Ｏｂ上で拡散した光は、第１のシリンドリカルレンズ１４により、ｙ方向の成分だけが位置検出素子５の平面上に集光させられる。また、第２のシリンドリカルレンズ１５により、第１のシリンドリカルレンズ１４から出射した光のうち第１のシリンドリカルレンズ１４の光軸に平行な光だけが位置検出素子５上に集光する。

以上説明したように、従来例と同様の距離計測を行なうことができると共に、第１及び第２の実施形態で説明したように、円錐レンズ等で構成された大焦点深度且つ小ビーム径を実現する投影ユニットを用いることにより、大深度で且つ高分解能な測定が可能である距離センサを実現できる。

また、走査ミラー１２及び走査モータ１１を用いることにより、第１及び第２の実施形態とは異なり、ｘ軸方向の走査を光学的にすることができるため、高速な測定が可能となる。

以下、第４の実施形態と第３の実施形態との差異を図７を用いて説明する。図７は、第３の実施形態を用いて、段差のある被測定物Ｏｂを測定した場合を示している。第３の実施形態の場合には、走査ミラー１０を基点にして回転走査をするため、被測定物Ｏｂにおける斜線部Ｐの領域には照射光が入らないため、測定できない部位が存在する。これは、被測定物Ｏｂに対して、常に直交方向から照明光が入射しないために発生する。

これに対して、第４の実施形態によると、照明レンズ１３を設けたため、被測定物Ｏｂに対して常に直交方向から照明光が入射するため、図７のＰ部のような照明光が入らない部位が発生しないので、正確に測定ができる。

尚、第４の実施形態における照明レンズ１３としては、ｆθレンズを用いてもよく、ｆが大きい場合には、ｆｔａｎ（θ）又はｆｓｉｎ（θ）レンズを用いてもよいことは言うまでもない。

（第５の実施形態）
図８は本発明の第５の実施形態に係る距離センサの基本構成を示している。図８においては、図５と同一の機能を持つものは同一の符号を付すことにより、説明を省略する。尚、第５の実施形態においては、投影ユニットとして第１の実施形態と同様に円錐レンズ３を用いているが、第２の実施形態で説明した投影ユニットを用いてもよいことは言うまでもない。図８において、１６は走査ミラーであって、該走査ミラー１６は、円錐レンズ３から出射された光を被測定物Ｏｂの方に反射する第１の反射面と、該第１の反射面の裏面側に設けられた第２の反射面と、被測定物Ｏｂにより拡散された拡散光を透過する中央の開口部とを有している。１７は被測定物Ｏｂにより拡散され走査ミラー１６の開口部を透過した拡散光を走査ミラー１７の第２の反射面に導き、該第２の反射面により反射された拡散光を集光レンズ４を介して位置検出素子５上に結像させるように配置させられた固定ミラーである。また、これら光学系は従来例で述べたＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇの条件を満足している。

以下、前記のように構成された第５の実施形態に係る距離センサの動作を説明する。

発光素子１から出射した波長λの単波長の光は、コリメータレンズ２により平行光となり、円錐レンズ３に入射する。円錐レンズ３を出射した光は、走査ミラー１６の第１の反射面を介して被測定物Ｏｂに照射される。被測定物Ｏｂ上で拡散した光の一部は、走査ミラー１６の開口部を透過し、固定ミラー１７により反射させられる。固定ミラー１７は、被測定物Ｏｂからの拡散光を走査ミラー１７の第２の反射面に導き、集光レンズ４を介して位置検出素子５上に結像させるように配置されているので、被測定物Ｏｂ上での拡散光は位置検出素子５上に結像する。

以上説明したように、従来例と同様の距離計測を行なうことができると共に、第１及び第２の実施形態で説明したように、円錐レンズ等で構成された大焦点深度且つ小ビーム径を実現する投影ユニットを用いることにより、大深度で且つ高分解能な測定が可能である距離センサを実現できる。

また、走査ミラー１６及び走査モータ１１を用いることにより、第１〜４の実施形態とは異なり、ｘ軸方向の走査を光学的にすることができるため、高速な測定が可能となる。

以下、第５の実施形態と第３の実施形態との差異を説明する。第３の実施形態によると、走査ミラー１０及び走査モータ１１にｙ方向の面ぶれ又は軸ぶれが発生すると、位置検出素子５上のｙ方向、つまり、距離測定の方向への移動となり、距離測定誤差が発生する。このような面ぶれが、走査モータ１１の回転角に同期して規則的に発生する場合には補正できるが、面ぶれに繰り返し再現性がない場合には、補正することができず、距離測定誤差となって距離測定の精度を劣化させる。

これに対して、第５の実施形態によると、走査ミラー１６及び固定ミラー１７を設け、走査ミラー１６及び走査モータ１１にｙ方向の面ぶれが発生しても、走査ミラー１６の裏面を用いて再度反射させるため、ｙ方向の面ぶれの影響を相殺することができるので、精度良く距離測定を行なうことができる。

本発明に係る距離計測方法又は第１〜第４の距離センサによると、ビームの焦点位置から少し程度離れた位置においてもビーム径は小さいままであるから、大深度測定及び高精度測定が可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの基本構成を示す図である。 前記第１の実施形態における円錐レンズの動作を説明する図である。 前記第１の実施形態における円錐レンズの特性を説明する図である。 本発明の第２の実施形態に係る距離計測方法及び距離センサの基本構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る距離センサの基本構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る距離センサの基本構成を示す図である。 前記第３の実施形態に係る距離センサの問題点を説明する図である。 本発明の第５の実施形態に係る距離センサの基本構成を示す図である。 従来の距離センサの構成及び動作を説明する図である。 従来の距離センサの問題点を説明する図である。

符号の説明

１ 発光素子
２ コリメータレンズ
３ 円錐レンズ
４ 集光レンズ
５ 位置検出素子
７ マスク
８ 投影レンズ
１０ 走査ミラー
１１ 走査モータ
１２ 走査ミラー
１３ 照明レンズ
１４ 第１のシリンドリカルレンズ
１５ 第２のシリンドリカルレンズ
１６ 走査ミラー
１７ 固定ミラー

Claims (5)

1. 単波長の平行光を出射する工程と、
   出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔＺに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え被測定物の表面に照射する工程と、
   前記被測定物の表面に照射された後、拡散されたビームを集光する工程と、
   集光されたビームの位置を検出する工程と、
   検出されたビームの位置に基づき前記被測定物の表面における距離を測定する工程とを備えていることを特徴とする距離計測方法。
   ΔＺ＝１．２２×ｆ・ｔ・λ／（ｐ・ｈ）
   ただし、
   ｆ：投影レンズの焦点距離
   ｔ：スリットからの距離
   λ：光の波長
   ｐ：スリット幅
   ｈ：光軸からの距離
2. 単波長の光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離Δに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え被測定物の表面に向かって出射する投影ユニット、
   前記被測定物の表面により拡散された拡散光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
   ΔＺ＝１．２２×ｆ・ｔ・λ／（ｐ・ｈ）
   ただし、
   ｆ：投影レンズの焦点距離
   ｔ：スリットからの距離
   λ：光の波長
   ｐ：スリット幅
   ｈ：光軸からの距離
3. 単波長の光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔＺに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え出射する投影ユニットと、
   前記投影ユニットから出射されたビームを前記被測定物の表面に向かって走査しながら出射すると共に前記被測定物の表面により拡散された拡散光を反射する走査ミラーと、
   前記走査ミラーにより反射された拡散光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
   ΔＺ＝１．２２×ｆ・ｔ・λ／（ｐ・ｈ）
   ただし、
   ｆ：投影レンズの焦点距離
   ｔ：スリットからの距離
   λ：光の波長
   ｐ：スリット幅
   ｈ：光軸からの距離
4. 単波長の光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔＺに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え出射する投影ユニットと、
   前記投影ユニットから出射されたビームを走査しながら出射する走査ミラーと、
   前記走査ミラーから出射されたビームを被測定物の表面に対して垂直な方向から出射する照明レンズと、
   前記照明レンズから出射され、前記被測定物の表面により拡散された拡散光のうち、前記走査ミラーが走査する方向と垂直な方向の成分を集光する第１のシリンドリカルレンズと、
   前記第１のシリンドリカルレンズにより集光された光のうち、該第１のシリンドリカルレンズの光軸に平行な成分を集光する第２のシリンドリカルレンズと、
   前記第２のシリンドリカルレンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
   ΔＺ＝１．２２×ｆ・ｔ・λ／（ｐ・ｈ）
   ただし、
   ｆ：投影レンズの焦点距離
   ｔ：スリットからの距離
   λ：光の波長
   ｐ：スリット幅
   ｈ：光軸からの距離
5. 単波長の光を出射する発光素子と、
   前記発光素子から出射された光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズから出射された平行光を、スリットと投影レンズからなる光学系にて、下記数式を満たす距離ΔＺに亘って光軸上のエネルギー密度が極大になるようなビームに変え出射する投影ユニットと、
   前記投影ユニットから出射されたビームを被測定物の表面に向かって走査しながら出射する第１の反射面と、前記被測定物の表面により拡散された拡散光を透過させる透過部と、前記第１の反射面の裏面側に設けられ入射する光を反射する第２の反射面とを有する走査ミラーと、
   前記走査ミラーの透過部を透過してきた光を前記走査ミラーの第２の反射面に導く固定ミラーと、
   前記走査ミラーの第２の反射面により反射された拡散光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズにより集光された光の位置を検出する位置検出素子とを備えていることを特徴とする距離センサ。
   ΔＺ＝１．２２×ｆ・ｔ・λ／（ｐ・ｈ）
   ただし、
   ｆ：投影レンズの焦点距離
   ｔ：スリットからの距離
   λ：光の波長
   ｐ：スリット幅
   ｈ：光軸からの距離

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