JP2958164B2 - 光偏向器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば金属線、光ファ
イバ等の外径をインラインのプロセス上で測定する外径
測定機に適用され、被測定物にレーザ光を走査する光偏
向器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば金属線や光ファイバ等のように連
続的に生産される線材は、迅速な品質管理を行うため
に、製造や検査等のインラインのプロセス上で外径の測
定を実行しており、この際の測定器としては、非接触で
高速かつ高精度な測定が可能なレーザ光走査式の外径測
定機が一般に用いられている。

【０００３】図１０はレーザ光走査式による外径測定機
の原理構造を示している。以下、外径測定機の構成およ
び測定原理について説明する。外径測定機はレーザ光で
被測定物Ｗを走査する光学系６１と、光学系６１からの
信号を復調して被測定物Ｗの外径に比例した信号に変換
する信号処理系６２とを備えて概略構成されている。光
学系６１は所定波長のレーザ光を出力するレーザ光源６
３、レーザ光を反射ミラーにより偏向する光偏向器６
４、偏向されたレーザ光が平行に振動するように変換す
るレンズ６５、偏向されたレーザ光の一部を取り出すモ
ニタ回路６６、被測定物Ｗを走査して通過したレーザ光
を受光する受光回路６７を備えて構成されている。

【０００４】そして、この光学系６１では、レーザ光が
光偏向器６４の反射ミラーに入射して偏向され、レンズ
６５を通過すると、被測定物Ｗの置かれた空間をＹ軸方
向に正弦的に走査する。被測定物Ｗを走査したレーザ光
は、受光回路６７の受光器上に集光され、光電変換によ
って電気信号Ｑ１となる。また、光偏向器６４により偏
向されたレーザ光の一部はモニタ回路６６によって取り
出され、走査ビームの位相と振幅を検出するためのモニ
タ信号Ｑ２，Ｑ３に変換される。

【０００５】ここで、図１１は横軸を時間軸としてＸ軸
方向に走行する被測定物上を走査するレーザ光の位置と
受光信号Ｑ１との関係を示す。図において、走査ビーム
の位置をＳ＝Ｓ₀ ｓｉｎω₀ ｔとし、Ｒａ，Ｒｂを走査
空間における被測定物Ｗの両縁の位置とすると、受光信
号Ｑ１は走査ビームが縁Ｒａを通過する時刻ｔａ１にて
立下がり、縁Ｒｂを通過する時刻ｔｂ１では立上がる。
この結果、下記の関係が成立する。 Ｒａ＝Ｓ₀ ｓｉｎω₀ ｔａ１ Ｒｂ＝Ｓ₀ ｓｉｎω₀ ｔｂ１ …（１）

【０００６】一方、信号処理系６２は受光信号Ｑ１に基
づいて一定のパルス信号を出力するパルス発生器６８、
モニタ信号Ｑ２，Ｑ３に基づいて走査ビームの位置をシ
ミュレートする参照信号Ｖ＝Ｖ₀ ｓｉｎω₀ ｔを発生す
る参照信号発生器６９、パルス信号に基づいて参照信号
の電圧を各々サンプルホールドするサンプルホールド回
路７０，７１、サンプルホールドされた各々の信号を差
動増幅する差動増幅器７２、増幅された信号をディジタ
ル信号に変換するＡ／Ｄ変換器７３を備えて構成されて
いる。

【０００７】そして、この信号処理系６２では、２つの
サンプルホールド回路７０，７１が図１１（ｃ）に示す
ように時刻ｔａ１およびｔｂ１において、参照信号の電
圧Ｖをサンプルホールドし、被測定物Ｗの縁の位置Ｒ
ａ，Ｒｂに相当する電圧Ｖａ１，Ｖｂ１を発生する。こ
の電圧Ｖａ１，Ｖｂ１は（１）式から下記の式に変換さ
れ、 Ｖａ１＝Ｖ₀ ｓｉｎω₀ ｔａ１＝（Ｖ₀ ／Ｓ₀ ）Ｒａ …（２） Ｖｂ１＝Ｖ₀ ｓｉｎω₀ ｔｂ１＝（Ｖ₀ ／Ｓ₀ ）Ｒｂ …（３） これらの差電圧Ｖ D１は、Ｖ D１＝Ｖａ１−Ｖｂ１＝
（Ｖ₀ ／Ｓ₀ ）ｄとなり、被測定物Ｗの外径に比例す
る。この外径電圧Ｖ Dｎは図１１（ｄ）に示すように１
回の走査によって検出される値が次の反対方向の走査が
終わるまでの間（π／ω₀ ）だけホールドされ、Ａ／Ｄ
変換された後にＣＰＵに取り込まれる。ＣＰＵに取り込
まれたデータは、外部から設定された平均回数、目標
値、上下限値等の各種パラメータに従って処理され、こ
の処理によって得られた測定データはディスプレイコン
トローラを介して、例えばＬＥＤ表示される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、レーザ光走
査式の外径測定機における光偏向器６４としては、ミラ
ーを一方向に回転させ、光源からの光を偏向すること
で、被測定物Ｗに対して光を走査する回転ミラーを利用
したものが一般的に用いられている。

【０００９】しかしながら、この回転ミラーを用いた光
偏向器では、図１２（ａ）に示すように走行中に被測定
物Ｗが矢印Ｃ方向に横揺れして移動した場合、走査ビー
ムが片方の端面を横切った後、もう一方の端面を横切る
までの間に生ずる移動量ε分が被測定物Ｗの実際の径に
加算され測定値として出力されることになるので、測定
値に大きな誤差が生じて常に精密な測定を行うことがで
きないという問題があった。

【００１０】そこで、本件出願人は上述した回転ミラー
に代えて音叉振動子を利用した光偏向器を提案してお
り、被測定物に対してレーザ光を往復走査する（図１２
（ｂ）参照）ことで、上述した測定値に与える被測定物
の横揺れの誤差を小さく抑えていた。

【００１１】ところが、近年では被測定物としての金属
細線やエナメル被覆線などの径が細くなる傾向にあると
ともに、生産性の向上を図るべくラインが高速化してき
ている。この結果、被測定物の振動周波数が高くなり、
被測定物の横揺れの速度とレーザの走査速度との比によ
って決まる前記εが増加し、往復走査による光偏向器に
よっても被測定物の横揺れによる誤差を完全に無くして
精密な測定を行うに十分でなくなってきた。

【００１２】さらに、往復走査による光偏向器の問題を
図１３に基づいて詳述する。図１３は横軸を時間、縦軸
をＹ方向位置としてＹ方向に移動する被測定物と走査ビ
ームとの関係を示している。図に示すように、走査ビー
ムが被測定物の両縁Ｒａ，Ｒｂとそれぞれ点Ａ，Ｂで交
わるとすると、外径測定機によって測定される値は点
Ａ，Ｂ間をＹ軸方向に測った距離であり、被測定物が静
止しているときに測定される外径ｄ＝線分ＡＡ’に誤差
εが加わった値となる。この誤差εは走査ビームの位置
をＳ（ｔ）、被測定物の中心位置をｙ（ｔ）とすると、

【数１】

【外１】 で表すことができる。ここで、は

【数２】 を示す。

【００１３】

【外２】 また、往復走査の平均による誤差は、ε１，ε２を往
復走査による各々の走査時に発生する誤差とすると、

【数３】 となる。ここで、

【数４】 で表わされる。

【外３】 いま、被測定物の速度が一定で、往復走査ビームの速
度の大きさのみ一定で方向のみ変わるとすると、

【数５】 であり、

【数６】 となり、

【外４】 走査ビームの速度が被測定物の速度に比べて十分大
きいとすると、

【数７】 となり、誤差はほとんど無視することができる。なお、
上記式は被測定物が光の走査方向を横切るときにも当て
はまる。

【００１４】ところが、被測定物が連続走行している場
合には、被測定物は走行しながら振動する。つまり、動
きが一定していないため、

【数８】 となり、従って、音叉振動子を用いて被測定物を往復走
査しても

【数９】 による誤差が残り、精密な測定を行うことができない。

【００１５】ところで、測定値に与える被測定物の横揺
れの誤差を低減する解決法として、音叉振動子の振動周
波数を上げて周期を短くすることも考えられるが、この
場合、被測定物を通過して受光検出されるレーザ光の処
理速度についても高速に対応できるように処理系の高速
化を図る必要があり、装置の構成および処理が複雑化し
高価になるという問題があった。

【００１６】そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、処理系を変更すること
なく、測定値に与える被測定物の横揺れの誤差を低減
し、被測定物を静止状態に近い状態に保って高精度なイ
ンラインのプロセス上での測定を実現することができる
光偏向器を提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に係る光偏向器は、所定方向に偏
波面を持つ光を発光する光源と、角度変化に伴ってたわ
み振動する２つの振動片の先端にそれぞれ反射ミラーが
設けられた音叉振動子と、前記光源からの光を直接光と
反射光とに２分割し、前記直接光を前記音叉振動子の一
方の反射ミラーに反射させ、該反射ミラーで反射された
光を平行に振動する光に変換するとともに、前記反射光
を前記音叉振動子の他方の反射ミラーに反射させ、該反
射ミラーで反射された光を平行に振動する光に変換し、
これら変換された走査位相が１８０度異なる光を重畳し
て前記被測定物に対して同時に往復走査するためのハー
フミラーと反射ミラーとレンズの組み合わせからなる光
学系とを備えたことを特徴としている。また、請求項２
に係る光偏向器は、所定方向に偏波面を持つ光を走査出
力する走査ビーム出力装置と、前記走査ビーム出力装置
からの光を平行に振動する光に変換するレンズ、該レン
ズからの光を直接光と反射光とに２分割するハーフミラ
ー、該ハーフミラーにより２分割された一方の光を反転
させる台形プリズムを有し、該台形プリズムで反転され
た光と前記直接光とによる走査位相が１８０度異なる光
を重畳して前記被測定物に対して同時に往復走査するた
めの光学系とを備えたことを特徴としている。更に、請
求項３に係る光偏向器は、所定方向に偏波面を持つ光を
走査出力する走査ビーム出力装置と、前記走査ビーム出
力装置からの光を平行に振動する光に変換するレンズ、
該レンズからの光を直接光と反射光とに２分割するハー
フミラー、該ハーフミラーにより２分割された一方の光
を反転させる２個の凸レンズを有し、該２個の凸レンズ
で反転された光と前記直接光とによる走査位相が１８０
度異なる光を重畳して前記被測定物に対して同時に往復
走査するための光学系とを備えたことを特徴としてい
る。

【００１８】

【作用】請求項１に係る光偏向器では、光源からの光を
ハーフミラーにより直接光と反射光とに２分割し、直接
光を音叉振動子の一方の反射ミラーに反射させ、この反
射ミラーで反射された光を平行に振動する光に変換する
とともに、前記反射光を音叉振動子の他方の反射ミラー
に反射させ、この反射ミラーで反射された光を平行に振
動する光に変換し、これら変換された走査位相が１８０
度異なる光を重畳して被測定物に対して同時に往復走査
する。また、請求項２に係る光偏向器では、光を一方向
に走査出力する走査ビーム出力装置を設け、この走査ビ
ーム出力装置からの走査光をハーフミラーによって２分
割し、２分割された一方の走査光を台形プリズムにより
反転させる。そして、台形プリズムで反転された光と直
接光とによる位相が１８０度異なる２つの走査光を重畳
して被測定物に対して同時に往復走査する。更に、請求
項３に係る光偏向器では、光を一方向に走査出力する走
査ビーム出力装置を設け、この走査ビーム出力装置から
の走査光をハーフミラーによって２分割し、２分割され
た一方の走査光を２個の凸レンズにより反転させる。そ
して、２個の凸レンズで反転された光と直接光とによる
位相が１８０度異なる２つの走査光を重畳して被測定物
に対して同時に往復走査する。これにより、被測定物を
極めて静止状態に擬似的に保ち、測定値に与える被測定
物の横揺れの誤差を低減して測定が行われる。

【００１９】

【実施例】図１は本発明による光偏向器の第１実施例を
示す図である。この実施例による光偏向器は、例えばイ
ンラインのプロセス上での測定に用いられる外径測定機
に適用されるもので、レーザ光源１、光学系２、音叉振
動子３を備えて概略構成されている。

【００２０】レーザ光源１は所定の方向に偏波面を持つ
光を連続発光している。光学系２は第１のハーフミラー
４、１／２波長板５、第１の反射ミラー６、第１のレン
ズ７、第２のレンズ８、第２の反射ミラー９、第２のハ
ーフミラー１０を備えて構成されている。第１のハーフ
ミラー４はレーザ光源１からの出射光の光軸Ｌ１−Ｌ１
の中心上に所定角度傾斜して配設され、レーザ光源１か
らの光を直進光と反射光とに２分割して直進光を１／２
波長板５側に透過し、反射光を音叉振動子３の一端に反
射させている。１／２波長板５は第１のハーフミラー４
と同一の光軸Ｌ１−Ｌ１上に配設され、第１のハーフミ
ラー４からの直進光の光の偏波方向を９０度ずらして第
１の反射ミラー６に出射している。第１の反射ミラー６
は第１のハーフミラー５と同一の光軸Ｌ１−Ｌ１上に配
設され、１／２波長板５からの光を第１のハーフミラー
４による反射光と平行な方向に全反射して音叉振動子３
の他端に出射している。

【００２１】音叉振動子３は光軸に対して所定角度傾斜
して配設され、両振動片３ａ，３ｂの先端には第１，第
２の振動子反射ミラー１１，１２が貼付されている。こ
の音叉振動子３には電磁石など外部より音叉の共振周波
数に相当する加振力が加えられており、両振動片３ａ，
３ｂのたわみ振動に伴って第１，第２の振動子反射ミラ
ー１１，１２が角度変化を起こし、第１のハーフミラー
４および第１の反射ミラー６より入射されるレーザ光を
第１，第２の振動子反射ミラー１１，１２で全反射させ
て各々対応する第１，第２のレンズ７，８に出射してい
る。

【００２２】第１のレンズ７は第１の振動子反射ミラー
１１を前側焦点、被測定物Ｗの中心を後側焦点として光
軸Ｌ２−Ｌ２上に配設され、音叉振動子３の振動により
第１の振動子反射ミラー１１で全反射して図の下方に正
弦波的に走査された光を平行に振動するように変換して
被測定物Ｗ側に出射している。第２のレンズ８は第２の
振動子反射ミラー１２を前側焦点とし、この前側焦点ま
での距離と同一距離に被測定物Ｗの中心が位置するよう
に光軸Ｌ３−Ｌ３上に配設され、音叉振動子３の振動に
より第２の振動子反射ミラー１２で全反射して図の上方
に走査された光を平行に振動するように変換して第２の
反射ミラー９に出射している。第２の反射ミラー９は第
２のレンズ８からの正弦波的に走査された光を第１のレ
ンズ７の光軸Ｌ２−Ｌ２上に全反射している。第２のハ
ーフミラー１０は第１のレンズ７の光軸Ｌ２−Ｌ２上に
設けられ、第２の反射ミラー９からの正弦波的に走査さ
れた光を被測定物Ｗ側に全反射させている。この反射光
は第１のレンズ７を透過した光の振動とは位相が１８０
度異なり、両者の光は同一平面上で重畳されて被測定物
Ｗを往復走査している。

【００２３】すなわち、この実施例では、レーザ光源１
より光が出射されると、この光はハーフミラー４により
２分割され、一方の光は音叉振動子３の第１の振動子反
射ミラー１１に、他方の光は１／２波長板５により偏波
方向が９０度変えられて音叉振動子３の第２の振動子反
射ミラー１２に出射される。そして、音叉振動子３の角
度変化に伴う振動片３ａ，３ｂのたわみ振動によって第
１，第２の振動子反射ミラー１１，１２で全反射された
光は、互いに位相が１８０度異なり、正弦波的に走査さ
れた光に変換された後に同一平面上で重畳されて被測定
物Ｗを往復走査する。同一平面上で重畳された互いに偏
光方向の９０度異なる２つの光は、被測定物Ｗを走査
後、偏光ビームスプリッターなどを用いて分離される。
また、反射ミラー９とハーフミラー１０を用いてレンズ
８を通過した光とレンズ７を通過した光を同一平面上と
せず、被測定物の置かれる位置で２つの光が交差するよ
うにすることもでき、このときには１／２波長板５は不
要となる。

【００２４】次に、図２は第２実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例において、レーザ光源１からの出射
光の光軸Ｌ１−Ｌ１の中心上には４５度傾斜してハーフ
ミラー１３が配設されており、このハーフミラー１３は
レーザ光源１からの出射光を直進光と反射光とに２分割
して直進光を第３の反射ミラー１４側に透過し、反射光
を第４の反射ミラー１５側に反射させている。

【００２５】第３の反射ミラー１４は音叉振動子３にお
ける一方の振動片３ａの先端に向けて所定角度傾斜して
配設され、ハーフミラー１３からの直進光を音叉振動子
３の一端に全反射している。第４の反射ミラー１５はハ
ーフミラー１３からの反射光を直進光と平行な方向に全
反射して第５の反射ミラー１６に反射している。第５の
反射ミラー１６は音叉振動子３における他方の振動片３
ｂの先端に向けて音叉振動子３を中心として第３の反射
ミラー１４と対称な位置に所定角度傾斜して配設され、
第４の反射ミラー１５からの反射光を音叉振動子３の他
端に全反射している。

【００２６】音叉振動子３は両振動片３ａ，３ｂのたわ
み振動に伴って第１，第２の振動子反射ミラー１１，１
２が角度変化を起こし、第３の反射ミラー１４および第
５の反射ミラー１６より入射されるレーザ光を第１，第
２の振動子反射ミラー１１，１２で全反射させて各々対
応する第３，第４のレンズ１７，１８に出射している。

【００２７】第３のレンズ１７は第１の振動子反射ミラ
ー１１を前側焦点、被測定物Ｗの中心を後側焦点として
光軸Ｌ４−Ｌ４上に配設され、音叉振動子３の振動によ
り第１の振動子反射ミラー１１で全反射されて図の下方
に正弦波的に走査された光を平行に振動するように変換
して被測定物Ｗ側に出射している。第４のレンズ１８は
第２の振動子反射ミラー１２を前側焦点、被測定物Ｗの
中心を後側焦点として光軸Ｌ５−Ｌ５上に配設され、音
叉振動子３の振動により第２の振動子反射ミラー１２で
全反射されて図の上方に正弦波的に走査された光を平行
に振動するように変換して被測定物Ｗ側に出射してい
る。この反射光は第３のレンズ１７を透過した光とは位
相が１８０度異なり、両者の光は被測定物Ｗが移動する
平面上で重畳されて被測定物Ｗを往復走査する。

【００２８】すなわち、この実施例では、レーザ光源１
からの光をハーフミラー１３により２分割し、反射光を
第４の反射ミラー１５により直進光と平行な方向に反射
させ、以降、音叉振動子３の振動に伴って対称位置に配
設された反射ミラー１６、レンズ１７，１８を介して互
いに位相が１８０度異なる正弦波的に走査された光を光
の走査平面上で重畳して被測定物Ｗを往復走査してい
る。

【００２９】次に、図３は第３実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例による光偏向器は、第１実施例の光
偏向器において、１／２波長板５、第２の反射ミラー
９、第２のハーフミラー１０の構成を省き、第１のレン
ズ７および第２のレンズ８を光軸Ｌ１−Ｌ１に対して平
行に配設したもので、各レンズ７，８より透過される光
は、位相が互いに１８０度異なる正弦波的に走査された
光であり、被測定物Ｗに対して平行に出射され、被測定
物Ｗの両エッジを往復走査している。

【００３０】次に、図４は第４実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例による光偏向器は、所定の方向に偏
波面を持つ光を走査出力する単一走査ビーム出力装置２
０と、光学系２１を備えて構成されている。なお、音叉
のたわみ振動を用いた音叉偏向器において、片方のミラ
ーだけを用いたときや回転ミラーなどはその一例であ
る。

【００３１】光学系２１は第５のレンズ２２、第３のハ
ーフミラー２３、１／２波長板５、第６の反射ミラー２
４、第７の反射ミラー２５、台形プリズム２６、第４の
ハーフミラー２７を備えて構成されている。第５のレン
ズ２２は走査ビーム出力装置２０からの出射光の光軸Ｌ
６−Ｌ６の中心上に配設され、走査ビーム出力装置２０
からの出射光を平行に振動するように変換して同一光軸
Ｌ６−Ｌ６上の第３のハーフミラー２３に出射してい
る。第３のハーフミラー２３は第５のレンズ２２からの
平行に振動している光を直進光と反射光とに２分割して
直進光を１／２波長板５側に透過し、反射光を第７の反
射ミラー２５側に反射させている。１／２波長板５は第
３のハーフミラー２３と同一の光軸Ｌ６−Ｌ６上に配設
され、第３のハーフミラー２３からの直進光の光の偏波
方向を９０度ずらして第６の反射ミラー２４に出射して
いる。第６の反射ミラー２４は１／２波長板５からの光
を第４のハーフミラー２７に全反射している。第７の反
射ミラー２５は第３のハーフミラー２３からの反射光を
台形プリズム２６に反射している。台形プリズム２６は
第６の反射ミラー２４からの光を反転して方向を変えて
第４のハーフミラー２７に出射している。第４のハーフ
ミラー２７は第６の反射ミラー２４からの光と台形プリ
ズム２６からの光を重畳して被測定物Ｗに出射してい
る。

【００３２】すなわち、この実施例では、光を一方向に
走査出力する装置２０を設け、この装置２０からの走査
光を第３のハーフミラー２３によって２分割し、２分割
された一方の走査光を台形プリズム２６によって反転さ
せ、第４のハーフミラー２７により位相が１８０度異な
る２つの走査光を重畳して被測定物Ｗに出射し往復走査
している。

【００３３】次に、図５は第５実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例による光偏向器は、図４に示す第４
実施例の光偏向器において光の方向を変えるための台形
プリズム２６に代えて２個の凸レンズ２８，２９を用
い、第４のハーフミラー２７より互いに位相が１８０度
異なる光を重畳して被測定物Ｗを往復走査している。

【００３４】次に、図６は第６実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例において、レーザ光源１が出力する
光の光軸Ｌ１−Ｌ１上にはビームスプリッタ３０が配設
されている。このビームスプリッタ３０はレーザ光源１
からの光を直進光と反射光とに２分割して直進光を１／
２波長板５側に透過し、反射光を第８の反射ミラー３１
に出射している。１／２波長板５はビームスプリッタ３
０と同一の光軸Ｌ１−Ｌ１上に配設され、ビームスプリ
ッタ３０からの直進光の光の偏波方向を９０度ずらして
第９の反射ミラー３２に出射している。第８の反射ミラ
ー３１はビームスプリッタ３０の光軸Ｌ１−Ｌ１と直交
する光軸Ｌ７−Ｌ７上に４５度傾斜して配設され、ビー
ムスプリッタ３０から反射光をビームスプリッタ３０の
直進光と平行に全反射している。また、第９の反射ミラ
ー３２はビームスプリッタ３０の光軸Ｌ１−Ｌ１上に４
５度傾斜して配設され、１／２波長板５からの光をビー
ムスプリッタ３０の反射光と平行に全反射している。第
８の反射ミラー３１と第９の反射ミラー３２との間に
は、外周の８面が反射ミラー３３ａとされた８面体回転
ミラー３３が配設されている。この８面体回転ミラー３
３は第８，第９の反射ミラー３１，３２からの反射光の
光軸Ｌ８−Ｌ８，Ｌ９−Ｌ９上に各反射ミラー３３ａの
中心が位置するように一方向（図中では時計方向）に回
転自在な構成とされている。そして、この８面体回転ミ
ラー３３は第８の反射ミラー３１とほぼ平行に配設され
た第１０の反射ミラー３４に対して第８の反射ミラー３
１からの光を図の左方に走査しながら全反射している。
また、第９の反射ミラー３２とほぼ平行に配設された第
１１の反射ミラー３５に対して第９の反射ミラー３２か
らの光を図の下方に走査しながら全反射している。

【００３５】第１０の反射レンズ３４の反射出力側の光
軸Ｌ１０−Ｌ１０上には第６のレンズ３６が配設されて
おり、この第６のレンズ３６は第１０の反射ミラー３４
からの反射光を図の上方に平行に走査するように変換し
て透過している。また、第１１の反射ミラー３５の反射
出力側の光軸Ｌ１１−Ｌ１１上には第７のレンズ３７が
配設されており、この第７のレンズ３７は第１１の反射
ミラー３５からの反射光を図の右方に平行に走査するよ
うに変換して透過している。第６のレンズ３６および第
７のレンズ３７の出力側には各レンズ３６，３７の光軸
Ｌ１０−Ｌ１０，Ｌ１１−Ｌ１１の交点Ｐ１を中心とし
て偏光ビームスプリッタ３８が配設されている。この偏
光ビームスプリッタ３８は第６のレンズ３６からの光を
図の上方に走査しながら透過するとともに、第７のレン
ズ３７からの光を図の下方に走査しながら反射してい
る。この結果、被測定物Ｗは偏光ビームスプリッタ３８
からの位相が１８０度異なる光により往復走査される。

【００３６】次に、図７は第７実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例による光偏向器は、図６に示す第６
実施例の光偏向器における一点鎖線で囲む部分の構成
（第６のレンズ３６、第７のレンズ３７、偏光ビームス
プリッタ３８）に代えて偏光ビームスプリッタ３８の後
段に第８のレンズ３９を配設し、２つの光を重畳した後
に平行に振動するように変換して位相が１８０度異なる
光により被測定物Ｗを往復走査している。

【００３７】次に、図８は第８実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例による光偏向器は、図７に示す第７
実施例の光偏向器における８面体回転ミラー３３に代え
て５面体回転ミラー４０を用いたものである。

【００３８】次に、図９は第９実施例の光偏向器を示し
ている。この実施例において、レーザ光源１が出力する
光の光軸Ｌ１−Ｌ１上にはビームスプリッタ４１が配設
されている。このビームスプリッタ４１はレーザ光源１
からの光を直進光と反射光とに２分割して直進光を第１
２の反射ミラー４２側に、反射光を１／２波長板５側に
出射している。１／２波長板５はビームスプリッタ４１
の光軸Ｌ１−Ｌ１と直交する光軸Ｌ１２−Ｌ１２上に配
設され、ビームスプリッタ４１からの反射光の偏波方向
を９０度ずらして第１３の反射ミラー４３に出射してい
る。

【００３９】第１２の反射ミラー４２はビームスプリッ
タ４１と同一の光軸Ｌ１−Ｌ１上に配設され、ビームス
プリッタ４１から直進光を光軸Ｌ１２−Ｌ１２と平行に
全反射している。また、第１３の反射ミラー４３は光軸
Ｌ１２−Ｌ１２上に４５度傾斜して配設され、１／２波
長板５からの光をビームスプリッタ４１の直進光と平行
に図の右方に全反射している。さらに、第１２の反射ミ
ラー４２の後段でビームスプリッタ４１の光軸Ｌ１−Ｌ
１と直交する光軸Ｌ１３−Ｌ１３上には第１４の反射ミ
ラー４４が配設されている。この第１４の反射ミラー４
４は第１２の反射ミラー４２からの光をビームスプリッ
タ４１の直進光と平行で逆方向に全反射している。

【００４０】第１３の反射ミラー４３の後段でビームス
プリッタ４１の光軸Ｌ１−Ｌ１と平行な光軸Ｌ１４−Ｌ
１４上には第１の偏光ビームスプリッタ４５が配設され
ている。この第１の偏光ビームスプリッタ４５は第１３
の反射ミラー４３からの光をビームスプリッタ４１の反
射光と平行で逆方向に反射している。また、第１４の反
射ミラー４４の反射側出力の光軸Ｌ１５−Ｌ１５上には
第２の偏光ビームスプリッタ４６が配設されている。こ
の第２の偏光ビームスプリッタ４６は第１４の反射ミラ
ー４４からの光を光軸Ｌ１５−Ｌ１５に沿って透過して
いる。

【００４１】光軸Ｌ１５−Ｌ１５と第１の偏光ビームス
プリッタ４５の光軸Ｌ１６−Ｌ１６との交点Ｐ２上に
は、この交点Ｐ２を中心として一方向（図中では反時計
方向）に回転自在な回転ミラーあるいは振動ミラー４７
が配設されている。なお、以下、反時計方向の回転ミラ
ーの場合で説明する。この回転ミラー４７は第１の偏光
ビームスプリッタ４５からの光を図の上方向に走査して
第２の偏光ビームスプリッタ４６側に反射している。ま
た、この回転ミラー４７は第２の偏光ビームスプリッタ
４６からの光を図の右方向に走査して第１の偏光ビーム
スプリッタ４５側に反射している。さらに、第１の偏光
ビームスプリッタ４５の後段における光軸Ｌ１６−Ｌ１
６上には第１５の反射ミラー４８が配設されている。こ
の第１５の反射ミラー４８は第２の偏光ビームスプリッ
タ４６より回転ミラー４７を介して第１の偏光ビームス
プリッタ４５を透過した光を光軸Ｌ１４−Ｌ１４と平行
に全反射している。さらに、第１５の反射ミラー４８の
光軸Ｌ１７−Ｌ１７と第２の偏光ビームスプリッタ４６
の反射側光軸Ｌ１８−Ｌ１８との交点Ｐ３上には、この
交点Ｐ３を中心として第３の偏光ビームスプリッタ４９
が配設されている。この第３の偏光ビームスプリッタ４
９は第２の偏光ビームスプリッタ４６からの光を９０度
反射するとともに、第１５の反射ミラー４８からの光を
透過し、これらの光は後段の第９のレンズ５０で平行に
振動するように変換され、被測定物Ｗを往復走査してい
る。さらに説明すると、第１の偏光ビームスプリッタ４
５より回転ミラー４７を介して反射された第２の偏光ビ
ームスプリッタ４６からの光を反射して出力し、また、
第２の偏光ビームスプリッタ４６より回転ミラー４７を
介して反射された第１５の反射ミラー４８からの反射光
を透過して出力しており、互いに位相が１８０度異なる
光を重畳して被測定物Ｗを往復走査している。

【００４２】従って、上述した各実施例では、図１２
（ｃ）に示すように周期Ｔをもって走査位相が１８０度
異なる光（走査ビーム）を重畳して被測定物に対して同
時に往復走査しているので、被測定物を静止状態に近い
状態に保ち、測定値に与える被測定物の横揺れの誤差を
低減して常に精密なインラインのプロセス上での測定を
行うことができる。

【００４３】また、図１２（ｂ）に示す従来の往復走査
による光偏向器では、周期Ｔ毎に測定サンプリングされ
た測定値を往復走査後の周期２Ｔ毎に平均して出力して
いるが、本発明による光偏向器では、周期Ｔ毎に測定値
を平均して出力処理（図１２（ｃ）参照）することがで
きるので、図１２（ｂ）の往復走査による光偏向器に比
べて処理速度が２倍となり、信号の処理速度の向上が図
れる。

【００４４】さらに、上述した各実施例は、特に信号の
処理系を変更することなく受光信号の処理を行うことが
できる。また、特に第１実施例乃至第３実施例によれ
ば、従来使用されていた音叉振動子の振動片の片側に加
えて振動片の両側を用い、ミラー、レンズ等の光学系を
増設するだけの極めて簡単な構成により実現できる。

【００４５】ところで、上述した各実施例では、走査位
相が１８０度異なる走査ビームを被測定物に供給する構
成として音叉振動子および回転ミラーを用いた場合を例
にとって説明したが、これに代えてガルバノメータの原
理やねじりの振動を利用した光偏向器を用いてもよい。

【００４６】また、各実施例の光偏向器は、被測定物の
外径を測定する外径測定機に適用されるものとして説明
したが、物の歪み、段差等の各種変位を測定する場合の
光偏向器として用いることもできる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光偏向器
は、走査位相が１８０度異なる走査ビームを重畳して被
測定物に対して同時に往復走査する構成なので、測定値
に与える被測定物の横揺れの誤差を低減し、被測定物を
静止状態に近い状態に保って高精度なインラインのプロ
セス上での測定を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光偏向器の第１実施例を示す図

【図２】本発明による光偏向器の第２実施例を示す図

【図３】本発明による光偏向器の第３実施例を示す図

【図４】本発明による光偏向器の第４実施例を示す図

【図５】本発明による光偏向器の第５実施例を示す図

【図６】本発明による光偏向器の第６実施例を示す図

【図７】本発明による光偏向器の第７実施例を示す図

【図８】本発明による光偏向器の第８実施例を示す図

【図９】本発明による光偏向器の第９実施例を示す図

【図１０】光偏向器を備えた外径測定機の測定原理を説
明するための構成図

【図１１】横軸を時間軸として被測定物上を走査するレ
ーザ光の位置と受光信号Ｑ１との関係を示す図

【図１２】被測定物に対する走査ビームの走査状態を示
す図で、 （ａ）従来の光偏向器による一方向走査を示す図 （ｂ）従来の光偏向器による往復走査を示す図 （ｃ）本発明の光偏向器による重畳した走査ビームの往
復走査を示す図

【図１３】横軸を時間、縦軸をＹ方向位置としてＹ方向
に移動する被測定物と走査ビームとの関係を示す図

【符号の説明】

２ 光学系 ３ 音叉振動子 １１ 第１の振動子ミラー １２ 第２の振動子ミラー ２０ 走査ビーム出力装置 ２１ 光学系 ２６ 台形プリズム ２８，２９ 凸レンズ ３３ ８面体回転ミラー ４０ ５面体回転ミラー ４７ 回転ミラー Ｗ 被測定物

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G02B 26/10 - 26/12

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定方向に偏波面を持つ光を発光する光
   源と、 角度変化に伴ってたわみ振動する２つの振動片の先端に
   それぞれ反射ミラーが設けられた音叉振動子と、 前記光源からの光を直接光と反射光とに２分割し、前記
   直接光を前記音叉振動子の一方の反射ミラーに反射さ
   せ、該反射ミラーで反射された光を平行に振動する光に
   変換するとともに、前記反射光を前記音叉振動子の他方
   の反射ミラーに反射させ、該反射ミラーで反射された光
   を平行に振動する光に変換し、これら変換された走査位
   相が１８０度異なる光を重畳して前記被測定物に対して
   同時に往復走査するためのハーフミラーと反射ミラーと
   レンズの組み合わせからなる光学系と を備えたことを特
   徴とする光偏向器。
2. 【請求項２】 所定方向に偏波面を持つ光を走査出力す
   る走査ビーム出力装置と、 前記走査ビーム出力装置からの光を平行に振動する光に
   変換するレンズ、該レンズからの光を直接光と反射光と
   に２分割するハーフミラー、該ハーフミラーにより２分
   割された一方の光を反転させる台形プリズムを有し、該
   台形プリズムで反転された光と前記直接光とによる走査
   位相が１８０度異なる光を重畳して前記被測定物に対し
   て同時に往復走査するための光学系とを備えたことを特
   徴とする光偏向器。
3. 【請求項３】 所定方向に偏波面を持つ光を走査出力す
   る走査ビーム出力装置と、 前記走査ビーム出力装置からの光を平行に振動する光に
   変換するレンズ、該レンズからの光を直接光と反射光と
   に２分割するハーフミラー、該ハーフミラーにより２分
   割された一方の光を反転させる２個の凸レンズを有し、
   該２個の凸レンズで反転された光と前記直接光とによる
   走査位相が１８０度異なる光を重畳して前記被測定物に
   対して同時に往復走査するための光学系とを備えたこと
   を特徴とする光偏向器。