JP2006058115A

JP2006058115A - 光学的変位測定器

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Publication number: JP2006058115A
Application number: JP2004239524A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Iwamoto; 正岩本; Yoshihisa Tanimura; 吉久谷村
Original assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Corp; Mitsutoyo Kiko Co Ltd
Priority date: 2004-08-19
Filing date: 2004-08-19
Publication date: 2006-03-02
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: JP4652745B2

Abstract

【課題】新しい方法により、使いやすい光学的変位測定器を提供することである。
【解決手段】測定対象物８の前方に円錐形状の対物プリズム１６が配置される。光源１２、コリメートレンズ１４により、対物プリズム１６の中心光軸３０から平行に偏移した往路光４０が対物プリズム１６を通り、その円錐形状の界面で屈折して測定対象物８に入射される。測定対象物８の表面で反射された光は、対物プリズム１６に戻され、その円錐形状の界面で再び曲げられ、往路光４０に平行な復路光４６となる。中心光軸３０からの復路光４６のオフセット量は、測定対象物８の変位に応じて変化する。復路光４６を集光レンズ１８で焦点１９に集光し、ピンホール光学素子２０で散乱光の影響を抑制して、光位置検出センサ２２でオフセット量を検出し、測定対象物８の変位を測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は光学的変位測定器に係り、特に、光源からの光を、対物光学系を介して対象物に入射し、対象物からの反射光を検出部で検出して対物光学系と対象物との間の変位を測定する光学的変位測定器に関する。

対象物の変位を非接触により測定するものとして、非特許文献１、非特許文献２に述べられている「光を用いる三角測量方式」が知られている。これは、半導体レーザ等からの光ビームを被測定表面に照射し、この照射された表面の反射光を集光レンズ等で像を結ばせ、照射方向とは異なる方向に置かれた光位置検出器上に結ばせるもので、表面が移動すれば位置検出器上のビームの位置が変化するので、三角測量の原理で、被測定表面の変位を求めることができる。

また、非特許文献３に述べられている「光触針法」も非接触変位測定法として知られている。光触針法には、臨界角法、非点収差法、ナイフエッジ法、ヘテロダイン法等があるが、いずれも微小スポットを対象の物上に結ばせ、その反射光を集光し、その状態を検出する。したがってきわめて感度が高く、小型軽量であり、例えば光学的表面粗さ計用の光触針子として利用される。

また、特許文献１には、オートフォーカス技術の１つとして「ピンホール方式」が開示されている。ピンホール方式とは、対象物からの反射光を２つの光に分割し、一方の分割反射光の結像点の前と他方の分割反射光の結像点の後とにそれぞれ配置されたピンホールを有するピンホール板と、この各ピンホール板の直後に配置された光検出器とを用い、この光検出器の出力に基づいて焦点ずれを検出するものである。オートフォーカス技術によれば、対象物の上に常に焦点が合うようにレンズが移動するので、そのレンズの移動量から対象物の変位を測定できる。

特開平７−４３１４８号公報谷善平編著，「新版オプト・デバイス応用ノウハウ」，第１刷，ＣＱ出版株式会社，２０００年１２月１５日，ｐ３２２−３２３小林昭監修，「超精密生産技術体系，第３巻，計測・制御技術」，第１刷，フジテクノシステム，１９９５年７月１５日，ｐ１７２−１７３谷田貝豊彦著，「応用光学光計測入門」，第４刷，丸善株式会社，１９９２年３月１５日，ｐ１２０

非接触により対象物の変位を測定する従来技術のうち、「光を用いる三角測量方式」は高速で物体表面位置を検出できるが、三角測量法の原理上、高精度のためには光源と光位置検出器との距離を大きくとる必要がある。したがって、測定面の近くに測定のための十分な空間を要し、例えば狭い入り口を有する筐体内部のワークの変位測定等に向いていない。

また、「光触針法」は非常に高分解能であるが、その反面高精度検出の範囲が合焦位置の近傍に限られるため、測定範囲が極めて狭い。例えば通常数μｍの範囲でのみ測定が可能である。また、物体の表面の状態によって測定値が左右される問題を有する。その様子を、図７を用いて説明する。

図７は、「光触針法」において、測定対象物８に照射された光が戻ってきたとき、それを検出レンズ４で測定対象物８の物点位置を検出する様子を示す図である。図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、検出レンズ４と測定対象物８との間の距離が図７に示すＸ軸方向にそってそれぞれ異なり、図７（ｂ）は、測定対象物８が検出レンズ４の合焦位置にあり、図７（ａ）はそれより−ΔＸ₁だけ検出レンズ４側に近い場合、図７（ｃ）はそれより＋ΔＸ₂だけ検出レンズ４側に遠い場合である。測定対象物８の表面が粗く、検出レンズ４が散乱光により測定対象物８の位置を測定するときは、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応し、測定対象物８の物点位置をそれぞれ−ΔＸ₁，０，＋ΔＸ₂と検出するものと考えられる。一方、測定対象物８の表面が鏡面のときは、測定対象物８を鏡としたときの、検出レンズ４の合焦位置の鏡像６が測定されるので、図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に対応する測定対象物８の物点位置は、それぞれ−２ΔＸ₁，０，＋２ΔＸ₂と検出するものと考えられる。

つまり、測定対象物８の表面の状態が散乱面か鏡面か等によって、同じ物体からの反射光から異なる物点位置が検出されることがある。このように、「光触針法」は測定範囲が極めて狭く、その物体の表面の状態によって測定値が左右される問題を有する。

また、特許文献１に記載されるようなオートフォーカス技術及びその改良技術は、常に対象物の上でフォーカスを合わせるようにし、そのときのレンズの移動量から対象物の変位を測定できるので測定範囲を広く取れる。しかしながら、オートフォーカス動作においては、例えば段差等で対象物表面の変位が不連続な場合等にレンズ追従の方向を見失い、新たなサーチ動作を要する恐れがあり、高速測定に対応が困難なことがある。

このように、非接触式変位測定においては、さまざまな方法が提案されているが、高精度化、高速化、低価格化、使い勝手向上、信頼性向上等の面から見ると、それぞれ長所もあり、反面課題もある。

本発明の目的は、光学的な変位測定において、新しい方法により、使いやすい光学的変位測定器を提供することである。

１．本発明の原理
本発明は、円錐形状プリズムの光学的特性を利用し、光源からの光を円錐形状プリズムの中心光軸より偏らせて対象物に入射し、その反射光を再び円錐形状のプリズムを通して戻すと、対象物と円錐形状プリズムとの間の変位に応じ、戻ってきた光は円錐形状プリズムの中心光軸からオフセットすることに基づいて対象物の変位を測定するものである。

図１に、その様子を示す。図１では、変位を測定しようとする測定対象物８の前方に円錐形状の対物プリズム１６が配置され、光源１２及びその光を平行光にするコリメートレンズ１４は、その光軸を円錐形状の対物プリズム１６の中心光軸３０から平行に偏移して配置される。図1の例では、対物プリズム１６の下半分側から光源１２からの平行光が対物プリズム１６に供給される。この光を、対物プリズム１６に入って行く光の意味で往路光４０と呼ぶことにする。

対物プリズム１６に入った平行光は、対物プリズム１６の円錐形状の界面で、平行な光のまま、対物プリズム１６の材料で定まる屈折率に従った角度で曲げられた光４２となる。そして測定対象物８にその角度で入射し、測定対象物８の表面で入射角と等しい反射角で平行な光のまま反射し、対物プリズム１６の円錐形状の方に戻される。戻された光４４は、円錐形状の界面で、再び曲げられ、元の往路光４０に平行な光となる。この光を対物プリズムから帰ってくる光の意味で復路光４６と呼ぶことにする。図１からわかるように、復路光４６は往路光４０に平行で、往路光４０が中心光軸３０の下側を進む光とすれば、復路光４６は、往路光４０と中心光軸３０に対し反対側の上側を戻る光となる。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）は、対物プリズム１６と測定対象物８との間隔、すなわち対物プリズム１６の中心光軸３０に沿って、対物プリズム１６から見た測定対象物８の位置を変えてある。すなわち、図１（ａ）は、中心光軸３０と測定対象物８との交点付近にちょうど対物プリズム１６からの光４２が当たる場合で、これを測定対象物８の位置の標準状態とすると、図１（ｂ）は、測定対象物８の位置が標準状態より対物プリズム１６側に近いとき、図１（ｃ）は、測定対象物８の位置が標準状態より対物プリズム１６側から遠いときを示している。

このように、測定対象物８の位置が標準状態からずれると、往路光４０が同じでも、対物プリズム１６により曲げられた光４２が測定対象物８の表面に当たる点が変化し、それに応じ、測定対象物８から戻される光４４の光路が変わり、戻される光４４が対物プリズム１６の円錐形状の界面に当たる位置が変化する。したがって、対物プリズム１６で再び曲げられた復路光４６は、往路光４０に平行ではあるが、中心光軸３０からのオフセット量が標準状態のものと変化する。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ）の例では、矢印で示すように、復路光４６の中心光軸３０からのオフセット量は、測定対象物８が対物プリズム１６に近づくと少なくなり、遠ざかると大きくなる。したがって、復路光４６の中心光軸３０からのオフセット量を光学的に検出することで、測定対象物８の中心光軸３０に沿った変位を求めることができる。

図１からわかるように、往路光４０を中心光軸３０に平行とすれば復路光４６も中心光軸３０に平行となる。つまり、対物プリズム１６へ供給する往路光４０も、対物プリズム１６から測定対象物８の変位情報を含んで戻ってくる復路光４６も、対物プリズム１６の中心光軸３０に対し平行で、光源１２等の光供給源や、変位情報を検出する検出部等は、平行光線のまま、対物プリズム１６の背後から必要なだけ離すことができる。したがって、測定面の近くに測定のための十分な空間を要することなく、例えば狭い入り口を有する筐体内部のワークの変位測定等に向いている。

本発明は、このように、円錐形状プリズムの光学的特性を利用し、光源からの光を円錐形状プリズムの中心光軸より偏らせて対象物に入射し、その反射光を再び円錐形状のプリズムを通して戻すと、対象物と円錐形状プリズムとの間の変位に応じ、戻ってきた光は円錐形状プリズムの中心光軸からオフセットすることに基づいて対象物の変位を測定するものである。

２．課題解決手段
本発明に係る光学的変位測定器は、往路光を屈折させて対象物に光を当て、対象物から反射する光を屈折させて復路光とする対物光学系であって、往路光を中心光軸に平行な光としたときに、対象物の位置にかかわらず、復路光を往路光に平行な光とする対物光学系と、対物光学系の中心光軸から平行に偏移させた光を、対物光学系を介して対象物に当てる光源と、対象物と対物光学系との間の変位に応じて対物光学系の中心光軸からオフセットする復路光を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光学的変位測定器は、往路光を屈折させて対象物に光を当て、対象物から反射する光を屈折させて復路光とする対物光学系であって、往路光を中心光軸に平行な光としたときに、対象物の位置にかかわらず、復路光を往路光に平行な光とする対物光学系と、対物光学系の中心光軸と光軸を合わせて配置され、光源の光の方向を変えて対物光学系の中心光軸から平行に偏移させた光とし、対物光学系を介して対象物に光を当て、対象物からの復路光を検出部に導く偏向ビームスプリッタと、対象物と対物光学系との間の変位に応じて対物光学系の中心光軸からオフセットする復路光を検出する検出部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光学的変位測定器において、偏向ビームスプリッタと対物光学系との間に設けられ、復路光の中心軸からのオフセット量を拡大する拡大光学系を備えることが好ましい。

また、本発明に係る光学的変位測定器において、光源の光を２つに分ける光学系であって、これらの光を偏向ビームスプリッタを通すことで光の方向が変更されたときに対物光学系の中心光軸からの偏移量の異なる２つの往路光となるように、２つの光を生成する２光線光学系を備え、検出部は、２つの往路光に応じた２つの復路光のそれぞれについて対物光学系の中心光軸からのオフセットを検出し、それらの平均化に基づき、対象物と対物光学系との間の変位を求めることが好ましい。

また、検出部は、対物光学系の中心光軸と同軸又は平行な集光軸を有し、オフセットの大きさに応じて集光軸から偏移する復路光を集光軸上の焦点に集光する集光レンズと、焦点を隔てて集光レンズの反対側に配置され、オフセットの大きさに応じて変化する集光後の光の集光軸からの偏移量を検出する光学的検出器と、を備えることが好ましい。

また、本発明に係る光学的変位測定器において、集光レンズの集光軸上の略焦点位置に配置され、集光軸近傍の光のみ通す絞り光学素子を備えることが好ましい。

また、対物光学系は、略円錐形状を有するプリズム、又は略円錐形状のプリズムと断面形状が略同一のプリズム、又は略円錐形状のプリズムと断面形状が略同一の光学素子の組み合わせのいずれか１であることが好ましい。

本発明に係る光学的変位測定器によれば、新しい方法により、対象物の変位測定に使いやすいものとなる。

以下において図面を用い、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において、往路光を屈折させて対象物に光を当て、対象物から反射する光を屈折させて復路光とする対物光学系として、略円錐形状を有するプリズムを説明するが、これ以外の対物光学系であっても、往路光を中心光軸に平行な光としたときに、対象物の位置にかかわらず、復路光を往路光に平行な光とするものであればよい。例えば、三角プリズムのように、略円錐形状のプリズムと断面形状が略同一のプリズムでもよく、また一体構造でなくても複数の光学プリズムや光学平行板を組み合わせて同等の断面形状を形成する複合光学素子でもよい。また、場合によっては、中心光軸に対称として分離して配置される複数の光学素子の組み合わせでもよい。

図２は、光学的変位測定器１０の構成要素を示す図で、図１の原理で説明した各要素に、検出部の要素を加えたものである。図１と同様の要素については同一の符号を付し、重複する説明は省略する。光学的変位測定器１０は、図１で説明した部分と、これにより得られた復路光４６の中心光軸３０からのオフセット量の変化を検出する検出部とから構成される。そして、図１と比較しやすいように、測定対象物８の位置を標準位置、対物プリズムに近い位置、遠い位置に対応させ、それぞれ図２（ａ），（ｂ），（ｃ）として示してある。

光学的変位測定器１０の構成要素のうち、図１で説明した部分は、レーザ光を放出する光源１２、光源からの光を平行にするコリメートレンズ１４、略円錐形状の対物プリズム１６の部分で、上記のように、コリメートレンズ１４により平行にされた往路光４０は、対物プリズム１６の中心光軸３０から平行に偏移している。より詳しくは、図１の例で、対物プリズム１６の下半分の部分に往路光４０が供給される。そして、上記のように、測定対象物８から戻された光４４は対物プリズム１６を経て、往路光４０に平行な復路光４６となる。

対物プリズム１６は、対物面側が円錐状で、光源側は例えば円柱状の光学部品である。円錐の頂角は、測定対象物８との間隔、あるいは変位の所要分解能等で定めることができる。例えば、対象物との間隔が少ない環境で測定を行うときは頂角が大きいほうが適しており、変位の分解能をあげるには頂角が小さいほうが適している。円錐の中心軸が対物プリズム１６の光学的中心軸、すなわち中心光軸３０で、上記のように、往路光４０が中心光軸３０に平行かつ偏移するように、光源１２とコリメートレンズ１４が配置される。かかる対物プリズム１６は、光学用ガラス、光学用プラスチック等の光学材料を加工又は成形して得ることができる。

検出部は、集光レンズ１８とピンホール光学素子２０と光位置検出センサ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）２２とから構成され、復路光４６の中心光軸３０からのオフセット量の変化を検出する機能を有する。

集光レンズ１８は、凸レンズのような結像レンズで、集光軸３２に平行な光線を、集光軸上の焦点１９に集光する機能を有する光学素子である。集光軸３２は、対物プリズム１６の中心光軸３０に平行で、好ましくは、測定対象物８が標準の位置、すなわち図２（ａ）の状態における復路光４６の中心光路と同軸であることがよい。

ピンホール光学素子２０は、小さなピンホールを有する光遮蔽板で、集光軸３２上の焦点１９の位置に垂直に置かれる。そして、ピンホールが、ちょうど集光軸３２がその中を通過するように配置される。ピンホール光学素子２０は、測定対象物８からの散乱光を遮蔽し、中心光軸３０に平行な復路光のみピンホールを通過するようにする絞り機能を有する。

その様子を図３に示す。すなわち、測定対象物８の表面が鏡面でなく、散乱光成分６０があるときは、ある成分は集光レンズ１８から遠くそれるが、ある成分は対物プリズム１６を通過する光６２となる。この光６２は、対物プリズム１６の中心光軸３０に必ずしも平行とならず、集光レンズ１８で集光されても必ずしも焦点１９の上に合焦しないノイズ光成分６４となる。そこで、ピンホール光学素子２０により、集光レンズ１８を通った光のうち、焦点１９の位置における集光軸３２近傍のものだけを通すようにする。すなわち、中心光軸３０に平行でない復路光４６は、集光レンズ１８を通っても焦点１９に合焦しないので、このようなノイズ光成分６４を、ピンホール光学素子２０により遮蔽することができる。かかるピンホール光学素子２０は、光を遮蔽する材質の板材に、適当な貫通穴を設けたものを用いることができる。板材の厚さ及びピンホールの大きさは、光位置検出センサ２２の感度等で定めることができる。

光位置検出センサ２２は、焦点１９に対し集光レンズ１８の反対側に配置され、光点の位置あるいは光像を検出できる光学素子で、市場で一般にＰＳＤと呼ばれているものを用いることができる。また、２次元配置ＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）等の撮像素子を用いることもできる。光位置検出センサ２２の２次元的測定範囲の中心は、集光軸３２にほぼ一致させることが好ましい。こうすることで、測定対象物８が標準位置にあるときにおける復路光４６の光路の中心と集光軸とを合わせる上記の例の場合、測定対象物８が標準位置にあるときの復路光４６の像を、光位置検出センサ２２のほぼ中心にくるようにできる。そして、光位置検出センサ２２の中心からの像のずれの大きさにより、測定対象物８の変位の大きさを検出できる。

かかる構成の光学的変位測定器１０の作用を説明する。最初に図２（ａ）の測定対象物８が標準位置にあるときを説明する。光源１２とコリメートレンズ１４の光源系の光軸は、対物プリズム１６の中心光軸３０と平行に偏移して配置されるので、コリメートレンズ１４により生成された往路光４０は、中心光軸３０に平行で、例えば中心光軸３０より下側に偏移した光として対物プリズム１６に供給され、対物プリズム１６の屈折率及び円錐形状の角度に従って曲げられた光４２となり、測定対象物８の表面に当てられる。図３に示すように通常、測定対象物８からは正反射光以外にさまざまな方向に散乱光６０が戻るが、円錐形状の対物プリズム１６の性質として、図３に示すように、距離に応じて特定の角度の光のみが通過後中心光軸３０に平行となる。結果として、測定対象物８が鏡面である場合の反射光と同じ経路を持って戻される光４４のみが往路光４０に平行な復路光４６となり、集光レンズ１８以後の検出部で検出されることになる。図２（ａ）及び後で述べる図２（ｂ），（ｃ）にはそのようにして戻される光４４と、それによる復路光４６のみが示されている。

ここで、復路光４６の光路の中心と集光レンズ１８の集光軸３２とを同軸として、復路光４６は集光レンズ１８により焦点１９に集光される光４８となり、さらにピンホール効果により焦点１９より進められる光５０は、光位置検出センサ２２上に像を結ぶ。この場合、光位置検出センサ２２の中心と集光軸３２とを合わせるので、像は、光位置検出センサ２２のちょうど中心を重心位置としてある広がりをもったものとして結ばれる。

なお、測定対象物８が鏡面である場合の反射光と同じ経路を持って戻される光以外の成分は、略焦点１９の位置に配置されるピンホール光学素子２０により進路を妨げられ、光位置検出センサ２２上には到達しない。したがって、測定対象物８の表面が鏡面であろうと散乱面であろうと、ピンホール光学素子２０の作用により、測定対象物８が鏡面である場合の反射光と同じ経路を持って戻される光の成分のみが評価され、測定対象物８の表面状態又は表面形状等の表面性状に左右されにくくなる。

次に、図２（ｂ）のように、測定対象物８が標準位置よりも対物プリズム１６側に近い位置に変位すると、光源１２及びコリメートレンズ１４からの往路光４０は同じでも、円錐形状の対物プリズム１６によって曲げられ斜めに測定対象物８に当たる光は、標準位置に比べ、測定対象物８のより下側に当たる。したがって、測定対象物８から戻される光４４は、対物プリズム１６の円錐形状の中心光軸３０からより近いところで屈折され、復路光４６は、標準位置の場合に比べ、図２（ｂ）の矢印で示すように、中心光軸３０とのオフセット量が少なくなる。

中心光軸３０とのオフセット量が少ない復路光４６は、上記の例で、集光軸３２より下側の光となり、集光レンズ１８で焦点１９に集光されると、さらに進んで、光位置検出センサ２２の上側のほうに重心位置をもつ像を結ぶ。

一方、図２（ｃ）のように、測定対象物８が標準位置よりも対物プリズム１６側から遠い位置に変位すると、対物プリズム１６によって曲げられ斜めに測定対象物８に当たる光は、標準位置に比べ、測定対象物８のより上側に当たり、測定対象物８から戻される光４４は、対物プリズム１６の円錐形状の中心光軸３０からより遠いところで屈折され、復路光４６は、標準位置の場合に比べ、図２（ｃ）の矢印で示すように、中心光軸３０とのオフセット量が多くなる。中心光軸３０とのオフセット量が多い復路光４６は、上記の例で、集光軸３２より上側の光となり、集光レンズ１８で焦点１９に集光されると、さらに進んで、光位置検出センサ２２の下側のほうに重心位置をもつ像を結ぶ。

このように、測定対象物８の中心光軸３０に沿った変位に応じ、光位置検出センサ２２に結ばれる像の重心位置が変化する。この変化量を光位置検出センサ２２の撮像面上の位置信号として検出し、図示されていない変換器により、変換率あるいは変換関数を用いて、測定対象物８の変位として出力することができる。

図４は、光源１２及びコリメートレンズ１４の光軸を、対物プリズム１６の中心光軸３０から傾けて用いる場合の光学的変位測定器７０の構成を示す図である。図２と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。ここでは、光源１２及びコリメートレンズ１４の光軸を、対物プリズム１６の中心光軸３０から傾け、偏向ビームスプリッタ７２と（１／４）波長板７４とを対物プリズム１６の手前に配置する。

偏向ビームスプリッタ７２は、コリメートレンズ１４からの平行光を受けて、これを分けてＳ偏光成分の光の方向を９０度変えて対象物側、すなわち対物プリズム１６側に向かわせる機能を有する光学部品である。かかる偏向ビームスプリッタ７２は、図４に示すように、半透膜を間にはさんだ２つの直角プリズムで構成することができる。この場合半透膜の傾きは、中心光軸３０に対し、４５度とする。

（１／４）波長板７４は、Ｓ偏光成分の光を入射するときはこれを円偏光の光に変換し、円偏光の光を入射するときはＳ偏光成分の光と９０度の位相差を有するＰ偏光成分の光に変換する光学素子である。かかる（１／４）波長板７４は、周知の複屈折性材料のフィルム等を、中心光軸３０に対し所定の光軸傾きで配置して構成することができる。

そして、図４の例では、対物プリズム１６の中心光軸３０に、集光レンズ１８の集光軸を同軸として合わせ、偏向ビームスプリッタ７２の中心軸も対物プリズム１６の中心光軸３０上にくるように配置される。

このような構成の光学的変位測定器７０の作用を説明する。なお、図４において説明を簡単にするため、測定対象物８の位置を標準位置とし、光の経路は、代表光の１本で示した。光源１２からのレーザ光はコリメートレンズ１４により平行光となり、対物プリズム１６の中心光軸３０に対し９０度の角度で偏向ビームスプリッタ７２に供給される。この光は偏向ビームスプリッタ７２で９０度曲げられ、（１／４）波長板７４を経て円偏向の光としての往路光４０となる。往路光４０は、対物プリズム１６の中心光軸３０に平行で、かつ偏移している。したがって、図２で説明したと同様に、円錐形状の対物プリズム１６によって曲げられた光４２は測定対象物８に当てられ、測定対象物８から反射して戻された光４４は再び円錐形状の対物プリズム１６で曲げられて、往路光４０に平行な復路光４６となる。

復路光４６は、（１／４）波長板７４により円偏向の光からＰ偏向の光に変換され、偏向ビームスプリッタ７２をそのまま中心光軸３０に沿って直進し、集光レンズ１８により焦点１９に集光される光４８となり、さらにピンホール光学素子２０のピンホール効果により焦点１９より進められる光５０は、光位置検出センサ２２上に像を結ぶ。なお、ピンホール光学素子２０の散乱光ノイズ除去作用は、図３で述べたものと同じである。

測定対象物８が中心光軸３０に沿って変位すると、その大きさに応じ、光位置検出センサ２２上の像の重心位置が変化する。したがって、この変化量を光位置検出センサ２２の撮像面上の位置信号として検出し、図示されていない変換器により、変換率あるいは変換関数を用いて、測定対象物８の変位として出力することができる。

このように、偏向ビームスプリッタ７２と（１／４）波長板７４とを用いることで、光源系を対物プリズム１６の中心光軸３０に対し傾けることができ、光学的変位測定器７０の構成配置の自由度を増すことができる。また、割合容積の大きい光学系を対物プリズム１６の中心光軸から偏移させて配置する必要がなくなり、対物プリズム１６の外径を小さくできる。なお、この場合でも、往路光４０と復路光４６とは対物プリズム１６の中心光軸３０に対しいずれも平行であるので、（１／４）波長板７４等を対物プリズム１６の背後から必要なだけ離すことができる。したがって、測定面の近くに測定のための十分な空間を要することなく、例えば狭い入り口を有する筐体内部のワークの変位測定等に向いている。

対象物の変位の検出についてその分解能を向上させるため、光学系の途中に拡大レンズ系を設けることができる。図４で説明した構成に、さらに拡大レンズ系を設けた光学的変位測定器８０の例を図５に示す。図４と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。この光学的変位測定器８０においては、（１／４）波長板７４と対物プリズム１６との間の光路に、２つの凸レンズ８２，８４からなる拡大光学系が設けられる。

この構成によれば、往路光及び復路光の中心光軸３０からのオフセット量は、拡大光学系の前後で拡大される。すなわち、対物プリズム１６に入る往路光４０及び戻される復路光４６の中心光軸３０からのオフセット量より、（１／４）波長板７４に入る光及び戻される光の中心光軸３０からのオフセット量のほうが大きい。このようにオフセット量が拡大された光が集光レンズ１８により焦点１９に集光され、ピンホール光学素子２０のピンホール効果によりさらに進められて光位置検出センサ２２上に像を結ぶ。したがって、光位置検出センサ２２は、測定対象物８の変位に応じた像の位置の変化を、より拡大して検出することができる。

図２等で説明した光学的変位測定器１０等は、測定対象物８に対して測定光が斜めに当たる。したがって、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）からも分かるように、測定対象物８の変位により、測定光の当たる位置が若干ずれる。すなわち測定対象物８の変位により測定ポイントが若干ずれる。図６は、測定対象物８に２方向から測定光を当て、それぞれの測定光に基づくデータについて平均処理等を行うことで、測定ポイントのずれの影響を抑制することができる光学的変位測定器９０の構成を示す図である。この光学的変位測定器９０においては、図４の構成に、さらに、光源の光を２つに分ける２光線光学系を設けている。図４と同様の要素については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、図６において説明を簡単にするため、測定対象物８の位置を標準位置とし、それぞれの光の経路は、１本で代表させて示した。

この光学的変位測定器９０において、光源１２とコリメートレンズ１４の光軸は、対物プリズム１６の中心光軸３０と平行に配置される。そして、中心光軸３０に平行なコリメートレンズ１４の光は、無偏向ビームスプリッタ９２と、ミラー９４により、中心光軸３０と９０度傾いた２つの平行光に分けられる。ここで、無偏向ビームスプリッタ９２と、ミラー９４とが、上記の２光線光学系に相当する。

無偏向ビームスプリッタ９２は、入射した光を反射光と透過光に分ける光学素子で、例えば２つの三角プリズムを組み合わせて得ることができる。無偏向ビームスプリッタ９２の反射・透過面は、中心光軸３０に４５度傾いて配置される。また、ミラー９４は、無偏向ビームスプリッタ９２に対し、光源１２等の反対側に配置され、反射面は、中心光軸３０に４５度傾いて配置される。そして、無偏向ビームスプリッタ９２とミラー９４の配置は、コリメートレンズ１４から出た光は、無偏向ビームスプリッタ９２の反射・透過面によって、一方は反射により９０度向きを変更され、他方は透過によりそのまま直進してミラー９４の反射面に当たり、そこで９０度向きを変更されるように設定される。

無偏向ビームスプリッタ９２とミラー９４により、進路を９０度変更された２つの光９６，９７は、偏向ビームスプリッタ７２に供給される。２つの光９６，９７は、偏向ビームスプリッタ７２によって９０度向きを変更され、（１／４）波長板７４を通過したあと２つの往路光４０，４１となる。そして、２つの光９６，９７の偏向ビームスプリッタ７２に入射する配置関係は、２つの往路光４０，４１の中心光軸３０に対するオフセット量が互いに異なるように設定される。好ましくは、図６に示すように、２つの往路光４０，４１は中心光軸３０に対し互いに対称関係となるのがよい。すなわち、２つの光９６，９７は、偏向ビームスプリッタ７２の半透膜と中心光軸３０とが交わるところに関し、互いに対称な位置で、偏向ビームスプリッタ７２の半透膜に入射するように配置されるのがよい。

２つの往路光４０，４１は、図６の例では、中心光軸３０の上側及び下側を対称な関係で進み、対物プリズム１６によりそれぞれ曲げられた光４２，４３となる。測定対象物８からは、それぞれ戻された光４４，４５となり、再び対物プリズム１６で屈折されて、２つの往路光４０，４１に平行な復路光４６，４７となる。図６の例では測定対象物８を標準位置としたので、復路光４６は往路光４１と重なり、復路光４７は往路光４０と重なるように示されている。

２つの復路光４６，４７は、図４の説明と同様に、それぞれ（１／４）波長板７４、偏向ビームスプリッタ７２を通り、集光レンズ１８により焦点１９に集光される光４８，４９となり、さらにピンホール光学素子２０のピンホール効果により焦点１９より進められる光５０，５１は、光位置検出センサ２２，２３上に像を結ぶ。光位置検出センサ２２，２３は、一体構造のものとしてもよい。なお、ピンホール光学素子２０の散乱光ノイズ除去作用は、図３で述べたものと同じである。

測定対象物８が中心光軸３０に沿って変位すると、上記のように、測定ポイントが測定対象物８の表面で若干ずれる。このとき、往路光４０，４１を中心光軸３０に対し対称とするときは、対物プリズム１６によって曲げられた光４２，４３は、中心光軸３０に対し対称の関係で測定対象物８に当てられる。したがって、測定対象物８の変位により、光が当たる測定ポイントは、中心光軸３０から対称に若干ずれた２つの位置となる。光位置検出センサ２２，２３は、この中心光軸３０に対し対称の２つの測定ポイントについて、その変位を検出することになる。

このように、図６の構成の光学的変位測定器９０は、測定対象物８の変位により、中心光軸３０から対称に若干ずれた２つの測定ポイントについて、その変位を検出することができる。そこで、これらのデータに基づき、適当な平均化処理を行い、測定対象物８の変位による測定ポイントの変化の影響を抑制できる。図６の例のように、２つの往路光４０，４１を中心光軸３０に対し対称とするときは、平均化処理は単純平均でよい。２つの往路光４０，４１の中心光軸３０からのオフセット量が同じでないときは、適当な重み付け平均化処理を行うことがよい。

本発明に係る光学的変位測定の原理を説明する図である。本発明に係る実施の形態における光学的変位測定器の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態におけるピンホール光学素子の作用を説明する図である。第２の実施形態における光学的変位測定器の構成を示す図である。第３の実施形態における光学的変位測定器の構成を示す図である。第４の実施形態における光学的変位測定器の構成を示す図である。従来技術の非接触式変位測定器の課題を説明する図である。

符号の説明

４検出レンズ、６合焦位置の鏡像、８測定対象物、１０，７０，８０，９０光学的変位測定器、１２光源、１４コリメートレンズ、１６対物プリズム、１８集光レンズ、１９焦点、２０ピンホール光学素子、２２，２３光位置検出センサ、３０中心光軸、３２集光軸、４０，４１往路光、４６，４７復路光、６０散乱光成分、６４ノイズ光成分、７２偏向ビームスプリッタ、７４（１／４）波長板、８２，８４凸レンズ、９２無偏向ビームスプリッタ、９４ミラー。

Claims

往路光を屈折させて対象物に光を当て、対象物から反射する光を屈折させて復路光とする対物光学系であって、往路光を中心光軸に平行な光としたときに、対象物の位置にかかわらず、復路光を往路光に平行な光とする対物光学系と、
対物光学系の中心光軸から平行に偏移させた光を、対物光学系を介して対象物に当てる光源と、
対象物と対物光学系との間の変位に応じて対物光学系の中心光軸からオフセットする復路光を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする光学的変位測定器。
往路光を屈折させて対象物に光を当て、対象物から反射する光を屈折させて復路光とする対物光学系であって、往路光を中心光軸に平行な光としたときに、対象物の位置にかかわらず、復路光を往路光に平行な光とする対物光学系と、
対物光学系の中心光軸と光軸を合わせて配置され、光源の光の方向を変えて対物光学系の中心光軸から平行に偏移させた光とし、対物光学系を介して対象物に光を当て、対象物からの復路光を検出部に導く偏向ビームスプリッタと、
対象物と対物光学系との間の変位に応じて対物光学系の中心光軸からオフセットする復路光を検出する検出部と、
を備えることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項２に記載の光学的変位測定器において、
偏向ビームスプリッタと対物光学系との間に設けられ、復路光の中心軸からのオフセット量を拡大する拡大光学系を備えることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項２に記載の光学的変位測定器において、
光源の光を２つに分ける光学系であって、これらの光を偏向ビームスプリッタを通すことで光の方向が変更されたときに対物光学系の中心光軸からの偏移量の異なる２つの往路光となるように、２つの光を生成する２光線光学系を備え、
検出部は、
２つの往路光に応じた２つの復路光のそれぞれについて対物光学系の中心光軸からのオフセットを検出し、それらの平均化に基づき、対象物と対物光学系との間の変位を求めることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の光学的変位測定器において、
検出部は、
対物光学系の中心光軸と同軸又は平行な集光軸を有し、オフセットの大きさに応じて集光軸から偏移する復路光を集光軸上の焦点に集光する集光レンズと、
焦点を隔てて集光レンズの反対側に配置され、オフセットの大きさに応じて変化する集光後の光の集光軸からの偏移量を検出する光学的検出器と、
を備えることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項５に記載の光学的変位測定器において、
集光レンズの集光軸上の略焦点位置に配置され、集光軸近傍の光のみ通す絞り光学素子を備えることを特徴とする光学的変位測定器。
請求項１から請求項４のいずれか１に記載の光学的変位測定器において、
対物光学系は、略円錐形状を有するプリズム、又は略円錐形状のプリズムと断面形状が略同一のプリズム、又は略円錐形状のプリズムと断面形状が略同一の光学素子の組み合わせのいずれか１であることを特徴とする光学的変位測定器。