JP2019052934A - 変位センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高精度で従来より安価で小型化可能な変位センサを提供する。【解決手段】測定対象物の変位を検出する変位センサであって、線状の光線を出射する線状光源１００と、ビームスプリッター５と、ラインセンサ６と、結像レンズ７とを備え、線状光源１００は、結像レンズ７の光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して配置され、結像レンズ７は、線状光源１００と共役となる位置に線状光源１００の像を結像レンズ７の光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して形成し、ビームスプリッター５は、線状光源１００と結像レンズ７の間に配置され、ラインセンサ６は、結像レンズ７とビームスプリッター５を介して、結像レンズ７によって形成させる像と共役となる位置に、結像レンズ７の光軸がビームスプリッター５で反射された光軸の垂線に対して所定角度の傾き有して配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、変位センサに関する。

対物レンズの軸上色収差を利用した共焦点変位計が提案されている。このような共焦点変位計は、白色光源から出射した光が光ファイバや光ファイバカプラを経由してセンサヘッドに導かれる。光ファイバ端から空間に放射された光は、コリメートレンズで平行光に変換され、平行光が色収差の大きい対物レンズによって測定対象のワークの近傍に集光する。色収差の大きい対物レンズに入射した光は、色収差によって波長毎に焦点を結ぶ位置が異なる。ワーク上で焦点を結んだ波長の光は、入射経路を逆行して対物レンズで平行光になり、コリメートレンズによって光ファイバ端に結像する。この時の波長において、ワークの位置と光ファイバ端は共焦点の関係にある。一方、ワークとは異なる位置で焦点を結んだ波長の反射光は、対物レンズに入射した後に平行光とならないため、コリメートレンズによって光ファイバ端に結像しない。ワークで反射した波長の光線は、光ファイバ端で結像して光ファイバを通って光ファイバカプラで分岐された後、分光器に入射し反射した光の波長が判定される。波長が焦点を結ぶ距離は、予め測定しておくことで、ワークによって反射してきた波長が分かれば、ワークと対物レンズの距離を測定することができる（例えば、特許文献１参照）。

なお、共焦点（コンフォーカル）とは、ワークの表面からの反射光を、検出器で受光する光学系であり、光源から照射された照明光が、ワークの表面に焦点を結ぶとき、その反射光も検出器上で焦点が合うように設計されている光学系である。

このような共焦点変位計で用いられる分光器は、入射スリット、回折格子、および受光素子が一列に並べられたラインセンサを有している。例えば、光ファイバから導入された光は、分光器の入射スリットから入射して回折格子によって波長ごとに異なる方向に回折される。回折格子で回折された光それぞれは、ラインセンサ上のそれぞれの位置に結像する。ラインセンサ上の素子の位置と波長の関係を予め測定しておくことで、ラインセンサの出力に基づいて、反射してきた光の波長を知ることができる。

特開２０１１−３９０２６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、共焦点変位計が色収差の大きな対物レンズと分光器を有している。色収差の大きな対物レンズは、色収差が波長に対して線形に変化することが好ましい。このような対物レンズは、設計が難しいため一般的な結像レンズと比較した場合、設計コストが高価で有り、構造が一般的な結像レンズと異なるため製造コストも高価になる。
また、分光器は、入射スリット、回折格子、およびラインセンサの取り付け精度、温度や湿度に対する寸法や位置の安定性の確保等が必要であり、回折格子等の光学素子が高価であるのみならず組立、調整などの製造コストも高価である。
このように、特許文献１に記載の技術における共焦点変位計は、色収差の大きな対物レンズや分光器によってコストがアップしていた。また、特許文献１に記載の技術では、光源、色収差の大きな対物レンズ、波長を検出する分光器がそれぞれ独立しているため、変位計の小型化が難しいという課題もあった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、高精度で従来より安価で小型化が容易な変位センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る変位センサ（１０、１０Ａ、１０Ｂ）は、測定対象物（９）の変位を検出する変位センサであって、線状の光線を出射する線状光源（１００、光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、およびスリット４）と、ビームスプリッター（５）と、ラインセンサ（６）と、結像レンズ（７）とを備え、前記線状光源は、前記結像レンズの光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して配置され、前記結像レンズは、前記線状光源と共役となる位置に前記線状光源の像を前記結像レンズの光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して形成し、前記ビームスプリッターは、前記線状光源と前記結像レンズの間に配置され、前記ラインセンサは、前記結像レンズと前記ビームスプリッターを介して、前記結像レンズによって形成させる像と共役となる位置に、前記結像レンズの光軸が前記ビームスプリッターで反射された光軸の垂線に対して前記所定角度の傾き有して配置されている。

また、本発明の一態様に係る変位センサにおいて、前記線状光源は、レーザー（光源１）と、前記レーザーと前記ビームスプリッターとの間に、前記結像レンズの光軸に垂直に配置される第１のシリンドリカルレンズ（２）と、前記第１のシリンドリカルレンズと前記ビームスプリッターとの間に、前記結像レンズの光軸の垂線に対して前記所定角度の傾きを有して配置される第２のシリンドリカルレンズ（３）と、前記第２のシリンドリカルレンズと前記ビームスプリッターとの間に、前記前記ビームスプリッターと平行且つ前記結像レンズの光軸の垂線に対して前記所定角度の傾きを有して配置されるスリット（４、４Ａ）と、をさらに備え、前記レーザーから出射された光線を、前記第１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って平行光を形成し、前記スリットを透過させることで前記線状の光を形成するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る変位センサは、前記測定対象物と当該変位センサの光軸である前記結像レンズの光軸との傾きを検出する傾斜センサ（２１）と、前記傾斜センサで検出した傾きに基づいて、当該変位センサで測定した変位を補正する検出回路（２０）と、とさらに備えるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る変位センサは、前記ビームスプリッターと前記ラインセンサとの間に、第３のシリンドリカルレンズ（６２）、をさらに備え、前記第３のシリンドリカルレンズは、前記ラインセンサと平行かつ前面に配置されるようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る変位センサは、前記線状光源の直後に、複数のスリットが設けられ、前記結像レンズの光軸の垂線に対して前記所定角度の傾きを有して配置されたスリットホイール（３０）と、前記スリットホイールを回転させるモータ（３１）と、をさらに備え、前記ラインセンサは、前記スリットホイールの回転による反射光に基づいて前記測定対象物の変位を測定するようにしてもよい。

また、本発明の一態様に係る変位センサにおいて、前記結像レンズは、倍率が１倍の両側テレセントリックレンズであるようにしてもよい。

本発明によれば、高精度で従来より安価で小型化が容易な変位センサを実現できる。

第１実施形態に係る変位センサの構成例を示す図であり、ｚ軸の＋側から見た図である。 第１実施形態に係る変位センサの構成例を示す図であり、ｙ軸の＋側から見た図である。 第１実施形態に係る第１のシリンドリカルレンズ、第２のシリンドリカルレンズ、およびスリットの構成例の斜視図である。 図１における反射光を示す図である。 本実施形態に係る測定対象物が結像レンズの光軸であるｘ軸に対して垂直ではない場合を説明するための図である。 潜り込みが発生した場合の反射光の光路例を説明する図である。 潜り込みが発生した場合の光量の例を示す図である。 第１実施形態の第２変形例に係る変位センサの構成例を示す図であり、ｚ軸の＋側から見た図である。 第２実施形態に係る変位センサの構成例を示す図であり、ｚ軸の＋側から見た図である。 第２実施形態に係るスリットホイールの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態に係る変位センサ１０の構成例を示す図であり、ｚ軸の＋側から見た図である。なお、図１では、反射光を省略して示している。図２は、本実施形態に係る変位センサの構成例を示す図であり、ｙ軸の−側から見た図である。

図１、図２に示すように変位センサ１０は、光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、スリット４、ビームスプリッター５、ラインセンサ６、結像レンズ７、および検出回路２０を備える。また、ラインセンサ６は、ラインセンサ素子６１を備える。符号９は、測定対象物（ワーク）である。
なお、本実施形態では、光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、およびスリット４を線状光源１００という。また、図１において、結像レンズ７の光軸方向をｘ軸方向、ｘ軸方向に垂直な方向をｙ軸方向とする。また、ｘｙ平面に垂直な方向をｚ軸方向とする。なお、測定対象物９は、変位センサ１０の光軸であり結像レンズ７の光軸であるｘ軸に対して垂直に置かれる。

光源１は、例えば１つの波長の平行な光束を出射するレーザー光源である。光源１は、半導体レーザーをコリメートレンズで平行光にしたものであってもよく、ＨｅＮｅ（ヘリウムネオン）などのガスレーザー等であってもよい。また、光源１の光軸とｘ軸とのなす角は０度である。以下の説明では、光源１が４５０ｎｍの波長を有する青色半導体レーザーである例を説明する。

第１のシリンドリカルレンズ２は、ｘｙ断面に曲率を持ち、ｚｘ断面は平面であるレンズである。第１のシリンドリカルレンズ２は、光源１が出射した光をｚ軸方向の直線上に集光する。また、第１のシリンドリカルレンズ２の光軸とｘ軸とのなす角は０度である。

第２のシリンドリカルレンズ３は、ｚｘ断面に曲率を持ち、ｘｙ断面は平面であるレンズである。第２のシリンドリカルレンズ３は、第１のシリンドリカルレンズ２を透過した光をｙ軸方向の直線上に集光する。また、第２のシリンドリカルレンズ３の光軸とｘ軸とのなす角は、例えば１４度である。すなわち、図１に示すように、第２のシリンドリカルレンズ３は、ｘｙ平面上で結像レンズ７の光軸であるｘ軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して設置される。この傾き角度は、ラインセンサ素子６１の長さ、検出する変位に基づく値である。

スリット４は、例えば、矩形の板に光が透過するスリット領域４1がｙ軸方向に形成されている。スリット領域４１の大きさは、例えば、ｙ軸方向が１６ｍｍ、ｚ軸方向が０．０２ｍｍの矩形開口である。スリット４は、例えば、ガラスに金属を蒸着したものや、ステンレスなどの金属の薄板にエッチングでスリット領域４１を形成したものである。スリット４には、第２のシリンドリカルレンズ３を透過し集光された光が入射し、スリット領域４１を透過した光がビームスプリッター５に入射する。また、第１のシリンドリカルレンズ２と第２のシリンドリカルレンズ３とスリット領域４１を透過した光は、図３を用いて後述するように、線状の光となる。また、スリット４も第２のシリンドリカルレンズ３と平行に設置され、ｘ軸に対して所定角度の傾きを有して設置されている。ｘ軸とのなす角は、例えば１４度である。
光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、およびスリット４で構成される線状光源１００は、このように、線状の光を出射する。そして、結像レンズ７には、線状光源１００が出射した線状の光が入射する。

ビームスプリッター５は、光源１側に反射防止膜、結像レンズ７側にハーフミラー膜が形成されている。ビームスプリッター５は、入射した光のうち５０％を透過する。すなわち、図１、図２に示したビームスプリッター５は、反射光と透過光との比が１：１のハーフミラーである。ビームスプリッター５は、ｘｙ平面上で結像レンズ７の光軸であるｘ軸に対して４５度の傾きを有して設置される。

ラインセンサ６のラインセンサ素子６１は、例えば２０４８個の８×８μｍの矩形の光検出素子が線上に並べられている。また、ラインセンサ６は、ラインセンサ素子６１を保護するカバーガラスが設けられている。また、ラインセンサ素子６１は、ラインセンサ６に形成される像が、後述するようにスリット４のスリット領域４１によって形成される像８と全域にわたって共焦点の関係になるように設置されている。また、ラインセンサ６は、結像レンズ７の光軸がビームスプリッター５で反射された光軸の垂線に対して所定角度の傾き有して配置されている。

結像レンズ７は、例えば、開口数ＮＡが大きく倍率が１倍の両側テレセントリックレンズである。

符号８は、スリット領域４１による像であり、結像レンズ７が結像する位置における像である。スリット４が結像レンズ７の光軸に対して傾いて設置されているため、像８も結像レンズ７の光軸であるｘ軸に対して傾いて形成される。また、点８ａ、８ｂ、８ｃそれぞれは、像８における焦点（結像）位置の例である。

検出回路２０は、ラインセンサ６によって検出された結果に基づいて、測定対象物９の変位を検出する。

図３は、本実施形態に係る第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、およびスリット４の構成例の斜視図である。
図３において、符号１ａは、光源１が出射した平行光のレーザー光である。レーザー光１ａは、第１のシリンドリカルレンズ２によって、符号２ａに示すようにｚ軸方向に線上に集光される。そして、位置２ａの光は、第２のシリンドリカルレンズ３によって、ｙ軸方向に線上に集光されてスリット領域４１に集光される。

図３に示したように、光源１から出射されたレーザー光１ａは、第１のシリンドリカルレンズ２に入射する。ここで、光源１の波長が４５０ｎｍであり、レーザー光１ａの直径が２ｍｍであるとする。第１のシリンドリカルレンズ２は、ｘｙ平面に曲率を有するためｘｙ平面上で集光する。第１のシリンドリカルレンズ２によって集光される光の焦点の位置は、位置２ａである。第１のシリンドリカルレンズ２がｚｘ平面で曲率を有していないため、ｚ軸方向の幅が２ｍｍのまま光束の幅は変化しない。

この場合、第１のシリンドリカルレンズ２によって集光される位置２ａでの光は、ｙ軸方向の幅が数１０μｍ、ｚ軸方向の幅が２ｍｍである。ｙ軸方向の幅は、光源１からの平行光の平行度、第１のシリンドリカルレンズ２の曲率等によって決まる値である。
焦点の位置２ａから広がった光束は、第２のシリンドリカルレンズ３に入射する。ここで、第２のシリンドリカルレンズ３とスリット４それぞれのｘ軸に対する傾きは１４度である。この傾き角度は、長さ６ｍｍ、変位４ｍｍ（±２ｍｍ）のラインセンサ素子６１で検出できるようにした角度であり、１４．０３６度（＝ｔａｎ-１（４／１６））に相当している。

第２のシリンドリカルレンズ３は、ｚｘ平面に曲率を有しているため、ｚｘ方向で集光され、第１のシリンドリカルレンズ２の焦点の位置２ａでの広がりを維持する。
スリット４は、第２のシリンドリカルレンズ３の焦点位置に配置されている。ここで、スリット領域４１の大きさは、ｙ軸方向が１６ｍｍ、ｚ軸方向が０．０２ｍｍの矩形開口である。このため、第２のシリンドリカルレンズ３からスリット４に入射した光線は、スリット領域４１をほぼ透過することができる。
このようにして、結像レンズ７の光軸であるｘ軸に対して１４度傾いた１６ｍｍ×０．０２ｍｍの矩形のスリット光が形成される。
なお、上述した各サイズは一例であり、これに限られない。

図１、図２を参照して、スリット４を透過した光による光学系の動作を説明する。
スリット４を透過した光は、ビームスプリッター５を半分が透過し、半分が反射する。ビームスプリッター５の光源側に光源１の波長に合わせた反射防止膜が形成されているので、ビームスプリッター５の光源側での面の反射は無視できる。なお、反射光は図示していないが他の部品に反射してラインセンサ６に入射しないように、反射光が進む位置に図示しない反射防止機構、反射防止塗装が設けられていることが好ましい。

ビームスプリッター５を透過した光は、結像レンズ７に入射する。ここで、結像レンズ７は、スリット領域４１の像８を測定対象物９の近辺に等倍率で結像させる。なお、スリット４の中心が結像レンズ７の物側焦点に、像８の中心が結像レンズ７の像側焦点となるように配置されている。ここで、結像レンズ７の光軸であるｘ軸に垂直な面（物面）にあるものを、ｘ軸に垂直な面に結像させるのであれば、通常のレンズ（非テレセントリックレンズ）を用いて構成できる。しかしながら、本実施形態の場合は、スリット４がｘ軸に対して傾いているため、光軸方向の距離が像高によって異なる。この結果、本実施形態の光学系では、結像の横倍率に加えて縦倍率を考慮する必要がある。通常のレンズ（非テレセントリックレンズ）では横倍率が一定であり、縦倍率が横倍率の二乗に比例する。このため、結像レンズ７に通常のレンズを用いた場合は、レンズとの距離によって倍率が変化するため、スリット４による像８が直線状にならない。このため、本実施形態では、結像レンズ７にレンズとの距離によって結像の横倍率が変化しない両側テレセントリックレンズを用いる。また、本実施形態では、結像レンズ７の結像倍率を等倍（１倍）としている。

このようにして結像したスリット領域４１による像８は、スリット領域４１と合同になる。そして、測定対象物９が変位センサ１０の測定範囲にある場合は、像８のいずれかの場所（図１では、例えば点８ａ、８ｂ、８ｃ）で交差する。なお、本実施例で像８のｘ軸方向の距離は、±２ｍｍである。
このように、本実施形態では、結像レンズ７が、線状光源と共役となる位置に線状光源の像を結像レンズ７の光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して形成している。ここで、共役とは、像を形成する対象と、レンズにより結像される像と、の結像関係である。

続けて、測定対象物９で結像して反射する光りについて、図４を用いて説明する。
図４は、図１における反射光を示す図である。図４に示す例では、測定対象物９と像８との交点が点８ａであったとする。

点８ａでは、スリット領域４１と測定対象物９が共焦点の関係にある位置のため強い反射が生じる。一方、他の位置（例えば点８ｂ、８ｃ）では、像８の焦点と測定対象物９が一致していないため、反射光が弱くなる。
図４に示すように、測定対象物９によって反射した反射光は、結像レンズ７を透過し、ビームスプリッター５によって反射されてラインセンサ６に入射する。この場合、像８とラインセンサ素子６１とは共焦点の関係にあり、像８における点８ａとラインセンサ素子６１における点６ａとは、共焦点の関係にある。このため、像８のうち点８ａの位置で結像した光は、ラインセンサ素子６１の点６ａの位置に結像する。像８において点８ａ以外の位置では焦点がずれているため反射光が弱いので、ラインセンサ素子６１に入射する光量が点６ａと比較して弱い。
このように、本実施形態では、ラインセンサ６が、結像レンズ７と５ビームスプリッターを介して、結像レンズ７によって形成させる像と共役となる位置に、結像レンズ７の光軸がビームスプリッター５で反射された光軸の垂線に対して所定角度の傾き有して配置されている。

検出回路２０は、ラインセンサ素子６１の各素子の受光光量を検出する。本実施形態では、±２ｍｍの変位を２０４８個の素子で検出するので、１素子が変位約２μｍに相当する。共焦点の関係であるため、共焦点周囲と、共焦点と共焦点では無い位置での光量差が大きいが、周囲にわずかに広がる。このため、検出回路２０は、光量の重心やピークを求めることで１素子（サブピクセル）の分解能（１／１０素子程度）で反射光の位置を求めることができる。なお、検出回路２０は、反射光の光量に対してクラスタリング処理を行った後に重心やピークを求めるようにしてもよい。また、検出回路２０は、受光強度と位置を用いて、例えば受光強度と位置との積の総和を、受光強度の総和で除算することで重心を求めるようにしてもよい。

ここで、結像レンズ７が完全な両側テレセントリックレンズでない場合、スリット領域４１の像８は、完全な直線にならないこともある。このような場合は、測定対象物９の位置に校正用の板をｘ軸と垂直に設置し、結像レンズ７との距離を必要な距離ステップで移動させながら、ラインセンサ素子６１と距離との対応付けを検量線として予め求めておき、検出回路２０に記憶させるようにしてもよい。検出回路２０は、記憶しているラインセンサ素子６１と距離との対応付けに基づいて、検出した値を補正することで誤差の少ない測定を行うことができる。

これにより、本実施形態によれば、測定対象物９を結像レンズ７の光軸に垂直な平面に置くことで、従来のように高価な色収差レンズや分光器を用いること無く、簡単な光学系で色収差式の変位センサと同等の分解能、精度を得ることができる共焦点変位計を実現することができる。

なお、共焦点（コンフォーカル）とは、測定対象物９の表面からの反射光を、検出器であるラインセンサ６で受光する光学系であり、光源から照射された照明光が、測定対象物９の表面に焦点を結ぶとき、その反射光も検出器上で焦点が合うように設計されている光学系である。

＜第１実施形態の第１変形例＞
次に、測定対象物９が結像レンズ７の光軸であるｘ軸に対して垂直ではない場合について、図５を用いて説明する。
図５は、本実施形態に係る測定対象物９が結像レンズ７の光軸であるｘ軸に対して垂直ではない場合を説明するための図である。図５に示す例では、測定対象物９ａがｙ軸に対して角度がθ傾いている例である。図５において、角度φは、ｙ軸に対する像８の傾きを表し、スリット４の傾きと同様であり、ここでは１４度であるとする。

測定対象物９がｘ軸に垂直に置かれている場合は、点８ａで像８と測定対象物９とが交差する。この場合、光軸と像８との交点を通る基準位置Ｓｐと測定対象物９との変位は、ｈ_０である。
一方、図５に示したように測定対象物９ａがｘ軸に垂直なｙ軸に対して、光軸との交点を中心に角度がθ傾いているため、像８と測定対象物９ａとの交点は、点８ｂの位置となる。この場合、測定される基準位置Ｓｐと測定対象物９ａとの変位は、ｈである。

傾きθ、変位ｈ_０、ｈとの関係は、次式（１）のように表される。

ここで、傾斜センサ２１で、測定対象物９と変位センサ１０の光軸との傾きの角度θを測定することで、式（１）に基づいて正しい変位ｈ_０を求めることができる。このような場合、検出回路２０が式（１）を記憶する。そして、検出回路２０は、傾斜センサ２１が測定した測定値を用いて、測定した変位ｈを補正して正しい変位ｈ_０を求める。

＜第１実施形態の第２変形例＞
次に、測定対象物９の表面が紙など繊維状の場合、潜り込みと呼ばれる現象が発生して測定結果に誤差が生じる場合がある。このような場合について、図６と図７を用いて説明する。図６は、潜り込みが発生した場合の反射光の光路例を説明する図である。なお、図６は、光線を測定対象物に照射して、測定対象物からの反射光の角度をラインセンサで測定して測定対象物と変位センサとの距離を測定する三角測量型変位センサの光学系を模式的に表したものである。また、図７は、潜り込みが発生した場合の光量の例を示す図である。図７において、横軸はラインセンサ６内の位置、縦軸は受光強度を表している。

図６において、符号１１は、光源が放射した光線を不図示のコリメータレンズで平行光にした後の光線である。符号１２は、測定対象物であり、例えば紙である。符号１３は、潜り込みによって発生する光（以下、潜り込み光という）である。符号１４は、集光レンズである。符号１５は、ラインセンサである。符号１６は、測定対象物１２の表面で光源からの光線１１が反射した場合の反射光である。符号１７は、測定対象物１２の内部で反射した潜り込み光による反射光である。

光線１１が測定対象物１２に照射されると、測定対象物１２の表面で反射した反射光は、集光レンズ１４を介してラインセンサ１５の点１５ａの位置に結像する。測定対象物１２が紙であるため、光線１１の一部が表面で拡散するとともに、繊維の隙間から紙の内部に入り込んで拡散する光、すなわち潜り込み光となる。この潜り込み光の一部の反射光１７が集光レンズ１４を介してラインセンサ１５の点１５ａとは異なる点１５ｂの位置に結像する。

この結果、図７に示すように、測定対象物１２の表面で反射した反射光１６による受光強度ｐ１の第１の極大値と、潜り込み光によって反射した反射光１７による受光強度ｐ２の第２の極大値が発生する。この潜り込み光によって反射した反射光１７による受光強度ｐ２は、紙を構成している繊維の種類、状態、水分率、灰分率、コーティングの有り無し等によって異なるため、表面の反射光１６との分離が難しく測定誤差の要因となる場合がある。

このような潜り込み光による影響を防ぐには、光源１のビーム径を紙の繊維に対して十分に大きくする手法があるが、本実施形態の第２変形例では、スリット領域４１による像８を大きくすることで、潜り込み光による影響を防ぐ。

図８は、第１実施形態の第２変形例に係る変位センサ１０Ａの構成例を示す図であり、ｚ軸の＋側から見た図である。
第２変形例の変位センサ１０Ａの基本構成は、図１の変位センサ１０と同様であるが、図８に示すように、ラインセンサ６の直前に第３のシリンドリカルレンズ６２をさらに備える。また、スリット４Ａのスリット領域４１Ａの形状は、ｙ方向の幅が１６ｍｍ、ｚ方向の高さが０．５ｍｍ程度の矩形である。そして、スリット４Ａの配置を第２のシリンドリカルレンズ３の焦点位置から遠ざけ、光束の大きさがスリット領域４１Ａの大きさより少し大きくなる位置に配置する。

なお、図８の変型例では、光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、およびスリット４Ａを線状光源１００Ａという。図８の変型例においても、線状光源１００Ａは、線状の光を出射する。そして、結像レンズ７には、線状光源１００Ａが出射した線状の光が入射する。また、図８の変型例においても、結像レンズ７は、線状光源と共役となる位置に線状光源の像を結像レンズ７の光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して形成している。また、図８の変型例においても、ラインセンサ６は、結像レンズ７と５ビームスプリッターを介して、結像レンズ７によって形成させる像と共役となる位置に、結像レンズ７の光軸がビームスプリッター５で反射された光軸の垂線に対して所定角度の傾き有して配置されている。

このスリット領域４１Ａによる像８を結像させるように結像レンズ７を配置する。第２変形例では、像８Ａの大きさは、スリット領域４１Ａと同じ大きさの１６ｍｍ×０．５ｍｍとなる。
測定対象物９による反射経路は、図４と同様である。ここで、第３のシリンドリカルレンズ６２が無い場合、ラインセンサ素子６１に戻ってくる反射光の像の大きさは、１６ｍｍ×０．５ｍｍであり、ラインセンサ素子６１の検出範囲より大きい。ここで、ラインセンサ素子６１の検出範囲は、１６ｍｍ×０．００８ｍｍであるとする。

このため、第２変形例では、ラインセンサ６の直前に、ラインセンサ６と平行に第３のシリンドリカルレンズ６２を設ける。そして、第３のシリンドリカルレンズ６２の焦点がラインセンサ素子６１の検出範囲に一致するように第３のシリンドリカルレンズ６２を配置する。これにより、反射光の高さが０．５ｍｍの光束を集光して０．００８ｍｍに入射させることで、高さ方向の検出範囲が０．００８ｍｍのラインセンサ素子６１を用いて測定することができる。

すなわち、第２変形例では、潜り込み光による影響を防ぐために、スリット領域４１Ａを大きくすることでスリット領域４１Ａによる像８Ａの大きさを変位センサ１０より大きくする。さらに第２変形例では、ラインセンサ６の直前に第３のシリンドリカルレンズ６２を設ける。これにより、第２変形例によれば、測定対象物が紙等であっても、潜り込み光による影響を防いで、精度よく測定を行うことができる。

なお、本実施形態では、光源１にレーザー光源を用いる例を説明したが、これに限られない。光源１は、例えば高圧水銀ランプ、白熱電球、発光ダイオード等であってもよい。これらを光源１に用いる場合は、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３に限られず、光源１の種類に合わせた光学系を用いればよい。この場合は、スリット領域４１Ａの輝度を、できるだけ均一な輝度になるような光源と光学系であればよい。

また、光源１は、点光源である例を説明したが、これに限られない。光源１は、放射領域が線状である、例えば面発光ダイオードや半導体レーザーであってもよい。この場合、２つのシリンドリカルレンズやスリット４は、光源に合わせた光学系であればよい。

また、実施形態では、照明光と反射光との分離にハーフミラーであるビームスプリッター５を用いる例を説明したが、これに限られない。ハーフミラーに替えて偏光ビームスプリッターをビームスプリッター５に用いるようにしてもよい。この場合は、光源１側からＰ偏光で入射させ、偏光ビームスプリッターから測定対象物９の間に、４分の１波長板を偏光ビームスプリッターから透過光の偏光方向に対して４５度の角度で配置することが望ましい。このように構成することで、光源１からの光束が、ほぼ全て測定対象物９に照射されるので、偏光ビームスプリッターで反射する光量を低減することができ、迷光の処理が簡素で済む。この結果、測定対象物９からの反射光が、ほぼラインセンサ６に集光するため光の利用効率を向上することができＳ／Ｎを向上させることができる。なお、測定対象物９が偏光に影響を与える部材の場合は、偏光ビームスプリッターではなくハーフミラーをビームスプリッター５に用いることが好ましい。

また、実施形態では、結像レンズ７として、両側テレセントリックの等倍レンズを例に説明したが、これに限られない。結像レンズ７としては、非テレセントリックのレンズ、非等倍のレンズ等を用いることも可能である。この場合は、測定対象物９付近のスリット像が直線とならず曲がるため、ラインセンサ６の位置と変位との関係が直線にならない。このため、検出回路２０に予めラインセンサと変位との関係を記憶させておき検出回路２０が測定した変位を補正するようにしてもよい。

また、実施形態では、変位を検出する検出器としてラインセンサ６を用いる例を説明したが、これに限られない。ラインセンサ６に替えて、例えばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ； 電荷結合素子）画像センサ、Ｃ−ＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ＭＯＳ）画像センサであってもよい。ＣＣＤ画像センサやＣ−ＭＯＳ画像センサを用いる場合は、１０μｍ以下の幅のラインセンサ６に対して、位置調整制度が緩和され、調整行程が簡単になる効果を得ることができる。

［第２実施形態］
本実施形態では、ラインセンサ６のコントラストを変位センサ１０に対して、さらに向上させる例を説明する。
図９は、本実施形態に係る変位センサ１０Ｂの構成例を示す図であり、ｚ軸の＋側から見た図である。図９に示すように変位センサ１０Ｂは、光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、スリット４、ビームスプリッター５、ラインセンサ６、結像レンズ７、検出回路２０、スリットホイール３０、モータ３１、およびモータ駆動部２２を備える。また、ラインセンサ６は、ラインセンサ素子６１を備える。なお、第１実施形態の変位センサ１０と同じ機能を有する機能部には、同じ符号を用いて説明を省略する。

図９に示すように、変位センサ１０Ｂでは、スリット４とビームスプリッター５との間に、スリット４に平行にスリットホイール３０を備える。
スリットホイール３０は、複数の螺旋状スリットを備え、モータ３１によって回転する。スリットホイール３０は、例えば光学ガラスに光を透過しない金属等を蒸着したもので、エッチング等により光を透過する複数の螺旋状のスリットを備える。スリットホイール３０は、モータ３１の回転軸に取り付けられている。スリットホイール３０とｘ軸とのなす角は、例えば１４度である。なお、スリットホイール３０の構造例については、図１０を用いて後述する。

なお、本実施形態では、光源１、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３、およびスリット４を線状光源１００という。なお、線状光源１００は、スリットホイール３０を備えていてもよい。本実施形態においても、線状光源１００は、線状の光を出射する。そして、結像レンズ７には、線状光源１００が出射した線状の光が入射する。また、本実施形態においても、結像レンズ７は、線状光源と共役となる位置に線状光源の像を結像レンズ７の光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して形成している。また、本実施形態においても、ラインセンサ６は、結像レンズ７と５ビームスプリッターを介して、結像レンズ７によって形成させる像と共役となる位置に、結像レンズ７の光軸がビームスプリッター５で反射された光軸の垂線に対して所定角度の傾き有して配置されている。

モータ駆動部２２は、変位の測定時、モータ３１を所定の回転速度で回転させる。
モータ３１は、モータ駆動部２２によって回転する。

なお、モータ３１は、モータ３１の回転を検出するエンコーダを備えるようにしてもよい。この場合、検出回路２０は、エンコーダが検出した検出結果に基づいて、 1/4回転に相当するパルスを作り出しそのパルスに基づいて、ラインセンサ６の露光を行うようにしてもよい。

次に、スリットホイール３０の構成例を説明する。
図１０は、本実施形態に係るスリットホイール３０の構成例を示す図である。図１０に示す例のスリットホイール３０は、光を透過する４本の螺旋状スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの部分が形成されていている。
螺旋状スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄのスリット幅は、スリット４のスリット領域４１の開口の幅とほぼ同等の幅である。螺旋状スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの間隔は、例えば、スリット領域４１の開口の長さの１／１０になるように設定されている。

スリットホイール３０が反時計方向に１／４回転（９０度）した場合、螺旋がスリット領域４１の開口の長さの１／１０だけ、スリット領域４１の開口の長手方向、右から左に移動するように形成されている。
また、４本の螺旋状スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、４回対象になっているので、９０度回転するごとに３０ａが３０ｂのあった位置に、３０ｂが３０ｃのあった位置に３０ｃが３０ｄのあった位置に、３０ｄが３０ａのあった位置に重なるように形成されている。また、４本の螺旋状スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄは、２．５回転で最内周から最外周に到達するように形成されている。

図１０において、鎖線による長方形は変位センサ１０Ｂにおけるスリット領域４１を表している。このように、スリット領域４１に対応する位置には、スリット領域４１の開口の長手方向に添って等間隔に１０か所あることになる。

ここで、図９の矢印Ａの方向から見た場合は、スリット領域４１の開口と螺旋状スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの開口の重なる部分がほぼ正方形の微少開口となる。モータ駆動部２２によってモータ３１が一定速度で回転すると、スリット領域４１の開口の長手方向に添って等間隔に１０か所ある微少開口が右から左に間隔を保ったまま連続的に移動するように見える。
この１０か所ある微少開口がスリット領域４１の開口の１／１０の長さを掃引するのにかかる時間は、スリットホイール３０が１／４回転する時間に等しい。このため、ラインセンサ６の露光時間は、その時間の整数倍にするのが望ましい。これにより、微少開口がどこにあっても、露光時間が同一になり場所による輝度変化の発生を防止できる。この結果、本実施形態によれば、合焦点以外からのクロストロークを抑えることができるため、第１実施形態の変位センサ１０と比べて大きなコントラストで測定することができる。

これにより、第１実施形態の変位センサ１０と同様に、本実施形態によれば、測定対象物９を結像レンズ７の光軸に垂直な平面に置くことで、従来のように高価な色収差レンズや分光器を用いること無く、簡単な光学系で色収差式の変位センサと同等の分解能、精度を得ることができる共焦点変位計を実現することができる。

なお、図９では、図１の構成にスリットホイール３０、モータ３１、およびモータ駆動部２２を備える構成例を示したが、これに限られない。第１実施形態の変形例１や、第１実施形態の変形例２（図８）の構成においても、スリットホイール３０、モータ３１、およびモータ駆動部２２を備えるようにしてもよい。

なお、本本実施例では固定されているスリット４とスリットホイール３０の回転により複数の微少開口を掃引する方法を示したが、これに限られない。例えば、ＬＥＤやＯ-ＬＥＤ（有機ＬＥＤ）などのチップを多数個、スリット４のスリット領域４１の開口部に搭載し、ＬＥＤの点灯タイミングを掃引するようにしてもよい。この場合は、例えば検出回路２０がＬＥＤの点灯タイミングを制御するようにしてもよい。

なお、第２実施形態においても、変位センサ１０Ｂの光源１は、第１実施形態と同様に、レーザー光源、高圧水銀ランプ、白熱電球、発光ダイオード等であってもよい。高圧水銀ランプ、白熱電球、発光ダイオード等を光源１に用いる場合は、第１のシリンドリカルレンズ２、第２のシリンドリカルレンズ３に限られず、光源１の種類に合わせた光学系を用いればよい。この場合は、スリット領域４１の輝度を、できるだけ均一な輝度になるような光源と光学系であればよい。また、光源１は、放射領域が線状である、例えば面発光ダイオードや半導体レーザーであってもよい。この場合、２つのシリンドリカルレンズやスリット４は、光源に合わせた光学系であればよい。

また、第２実施形態においても、ハーフミラーに替えて偏光ビームスプリッターをビームスプリッター５に用いるようにしてもよい。この場合は、光源１側からＰ偏光で入射させ、偏光ビームスプリッターから測定対象物９の間に、４分の１波長板を偏光ビームスプリッターから透過光の偏光方向に対して４５度の角度で配置することが望ましい。

また、第２実施形態においても、結像レンズ７としては、非テレセントリックのレンズ、非等倍のレンズ等を用いることも可能である。
また、第２実施形態においても、変位を検出する検出器としてラインセンサ６に替えて、例えばＣＣＤ画像センサ、Ｃ−ＭＯＳ画像センサであってもよい。

なお、本発明における検出回路２０の機能の全てまたは一部を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより検出回路２０が行う処理の全てまたは一部を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータシステム」は、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）を備えたＷＷＷシステムも含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…変位センサ、１…光源、１a…レーザー光、２…第１のシリンドリカルレンズ、３…第２のシリンドリカルレンズ、４…スリット、４１…スリット領域、５…ビームスプリッター、６…ラインセンサ、７…結像レンズ、２０…検出回路、２１…傾斜センサ、２２…モータ駆動部、３０…スリットホイール、３１…モータ、６１…ラインセンサ素子、６２…第３のシリンドリカルレンズ

Claims (6)

1. 測定対象物の変位を検出する変位センサであって、
   線状の光線を出射する線状光源と、ビームスプリッターと、ラインセンサと、結像レンズとを備え、
   前記線状光源は、前記結像レンズの光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して配置され、
   前記結像レンズは、前記線状光源と共役となる位置に前記線状光源の像を前記結像レンズの光軸の垂線に対して所定角度の傾きを有して形成し、
   前記ビームスプリッターは、前記線状光源と前記結像レンズの間に配置され、
   前記ラインセンサは、前記結像レンズと前記ビームスプリッターを介して、前記結像レンズによって形成させる像と共役となる位置に、前記結像レンズの光軸が前記ビームスプリッターで反射された光軸の垂線に対して前記所定角度の傾き有して配置されている、
   変位センサ。
2. 前記線状光源は、
   レーザーと、前記レーザーと前記ビームスプリッターとの間に、前記結像レンズの光軸に垂直に配置される第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と前記ビームスプリッターとの間に、前記結像レンズの光軸の垂線に対して前記所定角度の傾きを有して配置される第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と前記ビームスプリッターとの間に、前記前記ビームスプリッターと平行且つ前記結像レンズの光軸の垂線に対して前記所定角度の傾きを有して配置されるスリットと、をさらに備え、
   前記レーザーから出射された光線を、前記第１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って平行光を形成し、前記スリットを透過させることで前記線状の光を形成する、請求項１に記載の変位センサ。
3. 前記測定対象物と当該変位センサの光軸である前記結像レンズの光軸との傾きを検出する傾斜センサと、
   前記傾斜センサで検出した傾きに基づいて、当該変位センサで測定した変位を補正する検出回路と、とさらに備える、請求項１または請求項２に記載の変位センサ。
4. 前記ビームスプリッターと前記ラインセンサとの間に、第３のシリンドリカルレンズ、をさらに備え、
   前記第３のシリンドリカルレンズは、前記ラインセンサと平行かつ前面に配置される、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変位センサ。
5. 前記線状光源の直後に、複数のスリットが設けられ、前記結像レンズの光軸の垂線に対して前記所定角度の傾きを有して配置されたスリットホイールと、
   前記スリットホイールを回転させるモータと、をさらに備え、
   前記ラインセンサは、前記スリットホイールの回転による反射光に基づいて前記測定対象物の変位を測定する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変位センサ。
6. 前記結像レンズは、倍率が１倍の両側テレセントリックレンズである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の変位センサ。

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