JP2010230400A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

【課題】
装置構成がシンプルで安価に製造することができ、かつ測定対象物の変位を高精度に測定することができる光学式変位計を提供する。
【解決手段】
被検面における測定点Ａからの反射光路上に中心Ｏ’が位置すると共に、距離ＡＯ’が曲率半径となるように凹面鏡を配置し、前記測定点Ａと前記凹面鏡との間の前記反射光路上に中心Ｏが位置するようにハーフミラーを配置し、かつ前記ハーフミラーでの反射光を受光する受光素子を設けて光学系を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物の変位を測定する光学式変位計に関し、さらに詳細には反射光学系を用いた光学式変位計に関する。

従来、例えば、樹脂、金属、ガラス等の種々の測定対象物の変位、例えば測定対象物の検出面における高さや距離等の変化を測定する場合に、光学式変位計が一般に用いられている。この光学式変位計は、その光学系に例えば特許文献１等に開示されているような三角測距法の原理を利用したものが多く用いられている。

図６は、その光学系の基本的な構成を例示したものである。図示するように、この光学式変位計１００は、投光軸Ｑと受光軸Ｒのなす角を２θとし、光源１０１からの検出光を投光レンズ１０２を介して測定対象物１０３の被検面１０４における測定点のＡ点に照射し、その反射光を受光レンズ１０５を介して受光素子１０６のＡ’点に集光し、この集光スポットの位置を図示しない処理装置を介し、三角測距法の原理を利用して測定することにより、測定対象物までの距離あるいは変位を求めるものである。

特開２００９−４７５６７号公報

ところで、この光学式変位計１００においては、図示するように被検面１０４を距離Δだけ上下させ、すなわちＡ点の位置を基準位置から＋Δ及び−Δだけ変位させ、Ａ点に対応する変位点をそれぞれＢ点、Ｃ点として受光素子１０６上で検出光（反射光）を観察すると、Ｂ点、Ｃ点の像は、受光レンズ１０５の像面であるα面よりずれているため、夫々の結像位置すなわちＢ’点、Ｃ’点は受光素子１０８からずれて結像（デフォーカス）され、これにより高精度の計測ができないという問題がある。

かかる問題に対処するためには、光源１０１の測定波長や受光光学系を変更し、あるいは補正をかける等の構成の変更が必要となり、これにより多数のレンズを光学系に配置したり、受光素子１０６の構成を変更したりする等により製造コストが大幅にアップするという問題がある。また、また、光学レンズには屈折や色収差等に起因する問題があり、さらには被検面１０４の状態によっては乱反射による散乱光やその反射光に起因し測定精度が低下し、高精度の測定ができないという問題もあった。

本発明は上述したような実情に鑑みなされたもので、本発明の主たる課題すなわち目的は、装置構成がシンプルで安価に製造することができ、かつ測定対象物の変位を高精度に測定することができる光学式変位計を提供することにある。

本発明の上記目的は、光源から照射した検出光を投光レンズを介し測定対象物の被検面に入射し、この反射光を受光素子で受光し、この受光信号を処理して前記測定対象物の変位を測定する光学式変位計において、前記被検面における測定点Ａからの反射光路上に中心Ｏ’が位置すると共に、距離ＡＯ’が曲率半径となるように凹面鏡を配置し、前記測定点Ａと前記凹面鏡との間の前記反射光路上に中心Ｏが位置するようにハーフミラーを配置し、かつ前記ハーフミラーでの反射光を受光する受光素子を有して成り、前記測定点Ａからの反射光を前記ハーフミラーを透過させて前記凹面鏡に入射し、その反射光を前記ハーフミラーにより反射させて前記受光素子に入射するように構成したことを特徴とする光学式変位計を提供することによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記検出光の前記測定点Ａの鉛直方向となす入射角及び反射角をθ１とするとき、１０°＜θ１＜３０°であることを特徴とする光学式変位計を提供することによって、効果的に達成される。

さらにまた、本発明の上記目的は、前記検出光は半導体レーザ光源又は発光ダイオードからのスリット光であり、前記受光素子は２次元イメージセンサであることを特徴とする光学式変位計を提供することによって、効果的に達成される。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、反射光路中にハーフミラー及び凹面鏡を配置して光学式変位計の光学系を構成することにより、下記のとおりの効果が得られることを見出し、本発明を想到するに至ったものである。

すなわち、本発明に係る光学式変位計よれば、従来のものに較べ光学レンズを多数必要とせずに光学系を構成することができ、これにより構造が極めてシンプルになることから安価に製造することができ、また、光学レンズ特有の屈折あるいは色収差等に起因する構成上あるいは精度上の問題がなくなることから高精度な測定ができる。

本発明の一実施形態に係る光学式変位計の装置構成説明図である。 図１に示す光学式変位計の光学系の配置図である。 本発明に係る光学式変位計の変更例に係るＮ倍光学系の説明図である。 本発明に係る光学式変位計の基本測定原理の説明図である。 上述した基本測定原理の応用に係る説明図である。 従来の三角測距法を利用した光学式変位計の装置構成説明図である。

以下、本発明の内容を実施形態に基づき詳細に説明する。なお、本発明は必ずしも以下の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲において、その構成を種々に変更し得ることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施形態に係る光学式変位計１の装置構成を説明する図で、１倍光学系の場合を示したものである。

本光学式変位計１は、半導体レーザ光源２からレーザ光をスポット光またはスリット光として射出し、投光レンズ３を介して測定対象物４の被検面５のＡ点（測定点）に、被検面５の鉛直方向となす角度がθ１の入射角をもって入射し、Ａ点で角度θ１をもって反射させ、その反射光をハーフミラー６を透過して凹面鏡７に入射し、さらに凹面鏡７からの反射光をハーフミラー６で反射させて受光素子８のＡ’点に結像するように構成されている。半導体レーザ光源２から射出するレーザ光は、測定対象物４の被検面５の形状ないし測定目的により、スポット光とスリット光とが使い分けられる。なお、光源は半導体レーザ光源２に限らず、例えば発光ダイオードとすることも可能である。同様に、受光素子８には、１次元ラインセンサ、２次元ラインセンサ、ポジションセンサ（ＰＳＤ）等が使用される。

とくにレーザ変位センサを用いると、ほとんどの測定対象物の計測ができ、非接触で高速の計測ができる。また、ＰＳＤ素子を使用することにより、ＣＣＤイメージセンサと異なり、画像処理をすることなく位置データが直接得られ、デジタル処理を必要としないのでレスポンスが非常に速いという利点がある。

凹面鏡７はその曲率半径ｒの中心が測定中心のＡ点となるように配設され、また、ハーフミラー６の中心をＯ点としたとき、距離ＡＯ＝Ａ’Ｏに設定され、受光素子８は図示するように光路Ａ’Ｏに対して２θ１の傾きをもって配置されている。

本構成において、いま、被検面５が上方に距離Δだけ移動し、この被検面５’にレーザ光が当っている点をＢ点とし、曲率半径ｒが距離Δに対し十分に大きい、すなわちｒ＞＞Δであるとすると、上記と同様にＢ点からの反射光はハーフミラー６を透過して凹面鏡７に入射し、その反射光はハーフミラー６を透過してＢ”点に戻ると共に、ハーフミラー６で反射した光は受光素子８上のＢ’点に結像される。すなわち、測定対象物４のＡ点からＢ点への移動は、受光素子８上ではＡ’点からＢ’点となり、その移動距離は図示するようにΔ／ｃｏｓθ１として表される。この値は信号処理部１０において電気的に処理され、これによりＡＢ間の距離あるいは高低差等の変位が測定される。なお、この信号処理部１０については一般によく知られているもので、格別なものではないので、この詳細は省略する。

なお、上述の信号処理部１０を含む光学系は筐体１１内に収納されており、半導体レーザ光源２から照射されたレーザ光は筐体１１の入射光窓１１Ａから被検面５に入射し、反射光が反射光窓１１Ｂから出入するようになっている。本光学式変位計１は、測定対象物４の被検面５に向けて設置される。以上のとおり構成された本光学式変位計１は、測定目的に応じ、複数台設置され、部品や製品の測定あるいは検査に供せられる。

図２は、上記光学式変位計１における光学系の詳細な配置構成を示したものである。図示するように、半導体レーザ光源２から照射されるレーザ光のＡ点への光路と直交する方向の軸をＹとするとき、光路ＡＯ’中に配置されるハーフミラー６はこのＹ軸に対しθ２の傾きをもって設置されている。したがって、凹面鏡７からの反射光はハーフミラー６のＯ点で４θ１−２θ２の反射角をもって反射し、受光素子８上のＡ’点に９０°−２θ１の角度をもって結像される。この場合、もし被検面５上での光束がスリット形状であれば、受光素子８に２次元エリアセンサを用いることにより、被検面５表面の凹凸形状（横断面における断面形状）を測定することができる。

なお、上記光学系の配置構成は、受光素子８が半導体レーザ光源２と凹面鏡７との間に配置される構成となっているが、ハーフミラー６の設置角度θ２を大きく（９０°を超える角度に）設定することにより、受光素子８を凹面鏡７の右方向に配置することも可能である。

本発明に係る光学系では、入射角を上述のようにθ１とするとき、０°＜θ１＜９０°であれば理論上構成は可能であるが、１０°＜θ１＜３０°に設定されていることが好ましい。この角度θ１は小さくなる程遠方の物まで測定ができるが、装置が細長形状となり、逆に大きくなると、受光センサが大型化し、設置が困難となる問題がある。

図３は、本発明の上記光学式変位計１の変更例に係るＮ倍光学系の場合の説明図である。

図示するように、いま、図１の場合と同様に、Ａ点にレーザ光が当っている被検面５が上方に距離Δだけ移動し、この被検面５’にレーザ光が当っている点をＢ点とし、凹面鏡７の焦点距離ｆ＝ｒ／２（ｒは凹面鏡７の曲率半径）、Ａ点及びＢ点の凹面鏡７による結像位置をそれぞれＡ”点及びＢ”点、凹面鏡７の中心をＯ’点、距離ＡＯ’＝ａ、距離Ａ’Ｏ’＝ａＮとすると、測定対象物４のＡ点からＢ点への移動は、受光素子８上ではＡ’点からＢ’点となり、その移動量はＮΔ／ｃｏｓθ１として表される。このとき、結像法則１／ｆ＝１／ａ＋１／ａＮ、つまり２／ｒ＝（Ｎ＋１）／ａＮが成り立つ。

このようなＮ倍光学系から成る光学式変位計１は、微小な変位、例えば被検面５表面の極めて小さい凹凸を測定するような場合に適用され、その位置を拡大して検出することにより高精度の測定をすることができる。

以上のとおり、本光学式変位計１は光学系に凹面鏡７を用いて測定対象物４の変位を測定する点に特徴を有している。

図４は、この凹面鏡７を用いて変位を測定する基本原理の説明図である。図示するように、いま、平面９上に点光源としてＡ点をとり、このＡ点を凹面鏡７の曲率半径ｒの中心に配置すると、Ａ点より射出した光は凹面鏡７のＤ点に入射し、Ｄ点で反射して再びＡ点に戻る。同様に、平面９上に点光源としてＢ点をとり、距離ＡＢが曲率半径ｒに較べ極めて小さい、すなわちｒ＞＞ＡＢとすると、Ｂ点より射出した光は凹面鏡７のＤ点に入射し、Ｄ点で反射して平面９上のＢ’点に結像する。このとき、距離ＡＢ＝ＡＢ’となる。なお、平面９上に点光源としてＣ点をとった場合も同様であり、Ｄ点で反射した光は平面９上のＣ’点に結像し、距離ＡＣ＝ＡＣ’となる。

このように、水平面９上の点光源から射出した光は凹面鏡７のＤ点に限らず、Ｅ点、Ｆ点等の凹面のいかなる点に入射しても、平面９上には常に同じ結像が得られることが分かる。また、凹面鏡７は、光学レンズのような屈折あるいは色収差の問題がないことから、高精度の測定が可能である。

図５は、上述した基本原理を本発明に応用して変位を測定する場合の原理説明図である。

図示するように、平面９上の、凹面鏡７の曲率中心（曲率半径ｒ）に点光源のＡ点を置き、凹面鏡７の中心Ｏ’とＡ点を結んだ直線Ｏ’Ａを光軸とし、この光軸を平面９に対してθ１の角度を持たせて配置する。また、平面９の測定方向Ｚにおいて、Ａ点の前後に点光源のＢ点及びＣ点を置き、Ａ点と凹面鏡７の中心Ｏ’との光路内にハーフミラー６を配置して光学系を構成する。

上記構成において、Ａ点より射出した光はハーフミラー６を透過し、凹面鏡７に入射後、反射して再びハーフミラー６に戻り、透過光がＡ点に戻る一方、反射光は受光素子８上のＡ’点に結像する。

一方、距離ＡＢ＝ＡＣとすると、Ｂ点より射出した光はハーフミラー６を透過し、凹面鏡７に入射後、反射して再びハーフミラー６に戻り、透過光がＣ点に結像し、反射光が受光素子８上の’点に結像する。同様に、Ｃ点より射出した光はＢ点及びＢ’点に結像する。
このとき、Ｂ’点、Ａ’点、Ｃ’点を結んだ線、すなわち受光素子８の受光面は９０°−θ１の傾きを有していることは図から容易に理解されるところである。

本発明に係る光学式変位計は、例えば、樹脂・ゴム・フィルム等の業界、機械・機器・金属等の業界、電機・電子・半導体等の業界、あるいは食品・薬品等の業界等において、それぞれの製造過程における、例えば部品や製品の形状、振動、厚み、高さ（段差）、位置決め等の、検査あるいは測定用として広く利用することができる。

１ （本発明に係る）光学式変位計
２ 半導体レーザ光源
３ 投光レンズ
４ 測定対象物
５、５’ 被検面
６ ハーフミラー
７ 凹面鏡
８ 受光素子
９ 平面
１０ 信号処理部
１１ 筐体
１００ （従来の）光学式変位計
１０１ 光源
１０２ 投光レンズ
１０３ 測定対象物
１０４ 被検面
１０５ 受光レンズ
１０６ 受光素子

Claims (3)

1. 光源から照射した検出光を投光レンズを介し測定対象物の被検面に入射し、この反射光を受光素子で受光し、この受光信号を処理して前記測定対象物の変位を測定する光学式変位計において、前記被検面における測定点Ａからの反射光路上に中心Ｏ’が位置すると共に、距離ＡＯ’が曲率半径となるように凹面鏡を配置し、前記測定点Ａと前記凹面鏡との間の前記反射光路上に中心Ｏが位置するようにハーフミラーを配置し、かつ前記ハーフミラーでの反射光を受光する受光素子を有して成り、前記測定点Ａからの反射光を前記ハーフミラーを透過させて前記凹面鏡に入射し、その反射光を前記ハーフミラーにより反射させて前記受光素子に入射するように構成したことを特徴とする光学式変位計。
2. 前記検出光の前記測定点Ａの鉛直方向となす入射角及び反射角をθ１とするとき、
   １０°＜θ１＜３０°であることを特徴とする請求項１に記載の光学式変位計。
3. 前記検出光は半導体レーザ光源又は発光ダイオードからのスリット光であり、前記受光素子は２次元イメージセンサであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式変位計。
   

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