JP2529049B2 - 光学式変位計 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学式変位計に係り、
特に、遠隔物体の厚さや変位等を三角測量法を使って非
接触で測定する際に用いるのに好適な、測定面に光ビー
ムを照射する照明系と、測定面からの前記光ビームの反
射光の少くとも一部を結像する受光レンズと、一次元受
光面上の結像点の位置に対応した検出信号を生成する一
次元光電センサと、該検出信号から前記結像点の位置に
対応した変位信号を生成する信号処理回路とを含み、該
変位信号により測定面の位置又は変位を求める、三角測
量法を使った光学式変位計の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】産業界における生産の自動化、ロボット
導入等に伴い、計測のインプロセス化、高速度化、高精
度化が急速に要請されており、赤熱した鉄板の圧延工程
における厚さのインプロセス測定のように、遠隔物体の
厚さや変位等を非接触で測定できる変位計の必要性も大
となっている。

【０００３】このような非接触変位計の有力な例とし
て、図４に示す如く、測定面１０にレーザビーム１４等
の光ビームを照射し、三角測量法を使って位置や変位を
検出する光学式変位計が知られている（特開平３−１７
９２１０号）。

【０００４】図４の光学式変位計は、測定面１０にレー
ザビーム１４を照射する光源１２と、測定面１０からの
レーザビームの散乱反射光の一部を半導体位置検出器
（ＰＳＤ）１８の一次元受光面上に結像する受光レンズ
１６と、該一次元受光面上の結像点の位置に対応した電
流信号b 、c を両端から流出する一次元光電センサとし
てのＰＳＤ１８と、前記電流信号b 、c から前記結像点
の位置Ｏ′又はＡ′に対応した変位信号d を生成する信
号処理回路２０とを含んで構成されている。

【０００５】ここで測定面１０をＸ方向に相対変位させ
ると、レーザビーム１４の照射点は点Ｏから点Ａに変化
し、それに伴って受光レンズ１６による結像点の位置も
点Ｏ′から点Ａ′に移動して、変位信号d が対応して変
化する。

【０００６】従って、測定面１０をＸ方向に相対変位さ
せながら変位信号d を記録することにより、測定面１０
の形状測定が可能である。又、Ｘ方向への相対変位がな
い場合でも、測定面１０がＺ方向に変位する場合には、
その変位量又はＺ方向の位置を、同様にして変位信号d
から求めることができる。

【０００７】このような光学式変位計においては、図５
に示す如く、測定物８をＸ方向に送りながら、測定面１
０のＺ方向の位置変化を測定する場合には、測定面１０
における照射レーザビーム１４の断面径が小さい程、測
定精度が増す。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、投光レ
ンズ１３を通過したレーザビーム１４の断面形状は、一
般に図６に示す如くであり、従来の光学式変位計におい
ては、Ｚ方向の測定範囲（０．１mm程度）内がレーザビ
ーム１４の使用最大断面径（ウェストレングスと称す
る）に入るようにしているので、ウェストレングスによ
り横方向の分解能が制限され、分解能を高くしようとし
てウェストレングスを小さくすると、Ｚ方向の測定範囲
も狭くなってしまうという問題点を有していた。

【０００９】実用化されている光学式変位計において
は、測定範囲の中心（測定中心）における最小錯乱円の
径は、３０μm から１０μm 程度であり、最小でも１０
μm 程度であった。

【００１０】一方、光学式変位計には、上記の三角測量
法を使ったものの他、非点収差法、臨界角法、フーコー
法、ピンホール法等の、ＣＤのピックアップを応用した
合焦点方式の変位計もある。

【００１１】この合焦点方式の光学式変位計において
は、ビームを１μm 程度まで絞って測定しているが、測
定面上でのビームウェスト位置の許容偏差が非常に小さ
いため、サーボ系の設計が難しく、又三角測量方式の光
学式変位計に比べて応答性が悪いという問題があった。

【００１２】本発明は、前記従来の問題点を解消するべ
くなされたもので、横分解能が高く、且つ測定範囲を広
く取ることが可能な、三角測量法を使った光電式変位計
を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を達成するための手段】本発明は、測定面に光ビ
ームを照射する照明系と、測定面からの前記光ビームの
反射光の少なくとも一部を結像する受光レンズと、一次
元受光面上の結像点の位置に対応した検出信号を生成す
る一次元光電センサと、該検出信号から前記結像点の位
置に対応した変位信号を生成する信号処理回路とを含
み、該変位信号により測定面の位置又は変位を求める、
三角測量法を使った光学式変位計において、前記照明系
に設けた投光レンズの位置を光軸方向に変化させるため
のボイスコイルと、前記信号処理回路によって求められ
る測定面の位置に応じて、該測定面が前記光ビームのウ
ェストレングス内に入るように、前記ボイスコイルによ
り投光レンズの位置を光軸方向にフィードバック制御す
るレンズ位置制御回路とを備えることにより、前記課題
を達成したものである。

【００１４】

【作用】本発明は、前記のような三角測量法を使った光
学式変位計において、照明系に設けた投光レンズの位置
を光軸方向に変化させるためのボイスコイルを設け、信
号処理回路によって求められる測定面の位置に応じて、
該測定面が光ビームのウェストレングス内に入るよう
に、前記ボイスコイルにより投光レンズの位置を光軸方
向にフィードバック制御するようにしているので、測定
面の位置に拘らず、光ビームの径を常にウェストレング
ス内に維持して、高分解能の測定を行うことができる。
従って、高い横分解能を維持しつつ、測定範囲を広く取
ることができる。

【００１５】なお、本願発明においては、光ビームのウ
ェストレングス内にサーボをかければよいので、合焦点
方式の光学式変位計のように、完全にピントが合うまで
サーボをかける必要はなく、応答速度も早い。

【００１６】

【実施例】以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細
に説明する。

【００１７】本実施例は、図１に示す如く、測定面１０
に光ビーム１４を照射するための、半導体レーザ３０及
び投光レンズ３２を含む照明系と、測定面１０からの前
記光ビームの散乱反射光の一部を結像する受光レンズ１
６と、一次元受光面上の結像点の位置に対応した検出信
号を生成するＰＳＤ１８と、該検出信号から前記結像点
の位置に対応した変位信号を生成する信号処理回路２０
と、前記投光レンズ３２の位置を光軸方向に変化させる
ための、マグネット３６及びコイル３８を含むボイスコ
イル３４と、前記信号処理回路２０によって求められる
測定面１０の位置に応じて、該測定面１０が前記光ビー
ム１４のウェストレングス内に入るように、前記ボイス
コイル３４のコイル３８に制御電流を流して、投光レン
ズ３２の位置を光軸方向にフィードバック制御するレン
ズ位置制御回路４０とを含んで構成されている。

【００１８】前記信号処理回路２０は、図２に示す如
く、前記ＰＳＤ１８の両端から流出する電流Ｉ１、Ｉ２
をそれぞれ電圧信号に変換する電流−電圧変換回路２１
Ａ、２１Ｂと、該電流−電圧変換回路２１Ａ、２１Ｂの
出力電圧Ｖ１、Ｖ２をそれぞれ引算し、あるいは加算す
る引算回路２２及び加算回路２３と、前記引算回路の出
力（Ｖ２−Ｖ１）を前記加算回路２３の出力（Ｖ２＋Ｖ
１）で割ることによって、ＰＳＤ１８の一次元受光面上
の結像点の位置に対応する重心信号を求める除算回路２
４と、該除算回路２４の出力をデジタル信号に変換する
アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路２５と、測定面
の変位とＰＳＤ１８上の結像点の位置の変化の間の非直
線性を補正して、測定面の変位に比例した変位信号を得
るためのリニア補正回路２６とを含んで構成されてい
る。なお、この信号処理回路２０の構成及び動作は、従
来技術と同じであるので、詳細な説明は省略する。

【００１９】前記レンズ位置制御回路４０は、図３に示
す如く、前記信号処理回路２０から出力される変位信号
に応じて、投光レンズ３２の位置を制御するべく、ボイ
スコイル３４のコイル３８に流す制御信号を生成する制
御（関数）回路４２と、該制御回路４２の出力により、
前記ボイスコイル３４のコイル３８に制御電流を流すた
めのコイル電源４４を含んで構成されている。

【００２０】以下、実施例の作用を説明する。

【００２１】測定に際しては、まず前記レンズ位置制御
回路４０により投光レンズ３２を初期位置として測定面
１０にレーザビーム１４を照射し、そのときの反射光か
ら測定面１０の変位を求める。この変位信号は外部に出
力されるだけでなく、レンズ位置制御回路４０に入力さ
れ、そのときの測定面１０の変位に応じて、これが図６
に示したレーザビーム１４のウエストレングスＷＬ内、
即ち、測定範囲内に入るように、投光レンズ３２の光軸
方向の位置をボイスコイル３４により変化させる。

【００２２】従って、測定面１０上に結像されるレーザ
ビーム１４の径を測定面１０の位置変化に追従させなが
ら、常に一定の細い径に制御することができる。

【００２３】前記実施例においては、レンズ駆動手段と
してボイスコイル３４が用いられていたが、レンズ駆動
手段の構成はこれに限定されない。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、測
定面上に結像されるビーム径を、測定面の位置変化に追
従させながら、常に一定の細い径に制御することができ
る。従って、測定範囲を狭くすることなく、細いビーム
径で高い横分解能の測定を行うことができる。

【００２５】又、ビームのウェストレングス内にサーボ
をかければよいので、合焦点方式の光学式変位計に比べ
て応答速度が早い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明に係る光学式変位計の実施例の
全体構成を示す断面図である。

【図２】図２は、前記実施例で用いられている信号処理
回路の構成を示すブロック線図である。

【図３】図３は、前記実施例で用いられているレンズ位
置制御回路の構成を示すブロック線図である。

【図４】図４は、従来の光学式変位計の測定原理を説明
するための断面図である。

【図５】図５は、測定面にレーザビームが当っている状
態を示す断面図である。

【図６】図６は、レーザビームのウェストレングスと測
定範囲の関係を説明するための断面図である。

【符号の説明】

８…測定物、 １０…測定面、 １４…レーザビーム、 １６…受光レンズ、 １８…ＰＳＤ（一次元光電センサ）、 ２０…信号処理回路、 ３０…半導体レーザ、 ３２…投光レンズ、 ３４…ボイスコイル、 ４０…レンズ位置制御回路、 ４２…制御（関数）回路、 ４４…コイル電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−171302（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−179704（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−191946（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−169737（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−66029（ＪＰ，Ｕ) 実公 平７−29454（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】測定面に光ビームを照射する照明系と、測
   定面からの前記光ビームの反射光の少なくとも一部を結
   像する受光レンズと、一次元受光面上の結像点の位置に
   対応した検出信号を生成する一次元光電センサと、該検
   出信号から前記結像点の位置に対応した変位信号を生成
   する信号処理回路とを含み、該変位信号により測定面の
   位置又は変位を求める、三角測量法を使った光学式変位
   計において、 前記照明系に設けた投光レンズの位置を光軸方向に変化
   させるためのボイスコイルと、 前記信号処理回路によって求められる測定面の位置に応
   じて、該測定面が前記光ビームのウェストレングス内に
   入るように、前記ボイスコイルにより投光レンズの位置
   を光軸方向にフィードバック制御するレンズ位置制御回
   路と、 を備えたことを特徴とする光学式変位計。