JP3513817B2

JP3513817B2 - 変位計

Info

Publication number: JP3513817B2
Application number: JP09241194A
Authority: JP
Inventors: 雄二秋柴; 雅彦秋山
Original assignee: Keyence Corp
Current assignee: Keyence Corp
Priority date: 1994-04-28
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 2004-03-31
Anticipated expiration: 2019-03-31
Also published as: JPH07294250A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物の表面の変位
を測定できるとともに表面の傾きを表示できる変位計に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属，樹脂等の被測定物の表面の変位を
測定する装置として、例えば合焦点検出型非接触変位計
が実用されている。図10は本願出願人が特願平5-257255
号により特許出願している変位測定方法を実施するため
の変位計の模式図である。光源Ｃからの出射光はビーム
スプリッタＤ、コリメートレンズＬ、対物レンズＡを通
して被測定物Ｂの表面の変位を測定する位置へ投射され
るようになっている。コリメートレンズＬは図示しない
レンズ駆動手段により光軸方向に振動すべく駆動させら
れるようになっている。対物レンズＡの振幅は、レンズ
位置検出手段Ｇにより検出されるようになっている。被
測定物Ｂの反射光がビームスプリッタＤで反射した光は
ピンホールからなる光絞り部Ｈを通って受光素子Ｅに入
射するようになっている。

【０００３】次にこの非接触変位計の動作を説明する。
光源Ｃからの出射光をビームスプリッタＤ、コリメート
レンズＬ、対物レンズＡを通して被測定物Ｂに投射し、
コリメートレンズＬ及び対物レンズＡを所定振幅で矢符
で示す光軸方向に振動させると、レンズ位置検出手段Ｇ
の検出出力は、対物レンズＡの位置に応じた変化をし
て、対物レンズＡの位置は横軸を時間とし、縦軸を対物
レンズの位置としている図11の曲線Ｑのように変化す
る。また、被測定物Ｂからの反射光はビームスプリッタ
Ｄで反射して光絞り部Ｈを通って受光素子Ｅに入射す
る。そして対物レンズＡの振動の１周期内に被測定物Ｂ
に投射した光の合焦点が被測定物Ｂに２回生じ、合焦点
が生じる都度、受光素子Ｅの受光量、つまり受光出力が
最大になる。即ち、対物レンズＡと被測定物Ｂとが所定
距離になったときに被測定物Ｂに合焦点が生じる。

【０００４】ここで、被測定物Ｂの表面の変位 (高さ)
が高, 中, 低の３段階であるとして、その低の高さ位置
に光を投射している場合は、対物レンズＡが被測定物Ｂ
に最接近する前, 後の各時点で被測定物Ｂに合焦点が生
じて受光素子Ｅの受光出力が最大となり、図12(a) に示
すように合焦点検出信号Ｚ, Ｚが発生する。また中の高
さ位置に光を投射している場合は、対物レンズＡが被測
定物Ｂに最接近する時点と最離反する時点との中間時点
で被測定物Ｂに合焦点が生じて受光素子Ｅの受光出力が
最大となり、図12(b) に示すように合焦点検出信号Ｚ,
Ｚが発生する。更に、高の高さ位置に光を投射している
場合は、対物レンズＡから被測定物Ｂに最離反する前,
後の時点で、被測定物Ｂに合焦点が生じて受光素子Ｅの
受光出力が最大となり、図12(c) に示すように合焦点検
出信号Ｚ, Ｚが発生する。

【０００５】このようにして、合焦点検出信号Ｚ, Ｚが
発生した時点の対物レンズＡの位置、光学系の基準位置
から被測定物Ｂまでの距離に対応することになり、被測
定物Ｂを光軸と直交する方向へ移動させると、被測定物
Ｂの表面の変位を測定できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにして、前述
した変位計では被測定物の表面の変位を測定することが
できるが、変位を測定している被測定物の表面の傾きを
識別することができないという問題がある。本発明は斯
かる問題に鑑み被測定物の表面の変位を測定できるとと
もに、測定点の傾きを識別できる変位計を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】第１発明に係る変位計
は、第１光源が出射した光を、該光の光軸方向に所定振
幅で振動する対物レンズを通して被測定物に投射し、該
対物レンズを通った被測定物からの反射光を受光部で受
光して、該受光部の受光出力最大時点における対物レン
ズの位置に基づいて被測定物の表面の変位を測定する変
位計であって、前記対物レンズと前記受光部の光路上に
配置され、光を透過及び反射するハーフミラーと、第１
光源が出射する光の波長と異なる波長の光を被測定物へ
照射する第２光源と、被測定物で反射した第１光源及び
第２光源からの光が前記対物レンズを通って前記ハーフ
ミラーを介して投射され、第１光源からの光の反射光に
よる光像と第２光源からの光の反射光による被測定物表
面の像とを第２光源からの光の反射光による被測定物表
面の像を撮像する撮像部と、該撮像部で得た像に第１光
源からの光の集光位置と比較するための印を重ねて表示
させ得る信号を作成する信号作成手段とを備え、前記撮
像部が、前記受光部における第１光源からの光の反射光
に基づく受光出力が最大となる時に、前記被測定物で反
射した第２光源からの光の反射光が合焦点を生じる位置
に配置されることを特徴とする。

【０００８】第２発明に係る変位計は、前記第２光源
が、前記受光部における第１光源からの光の反射光に基
づく受光出力が最大となる時点と同期して瞬時的に発光
することを特徴とする。また、第３発明に係る変位計
は、前記集光位置と比較するための印が、前記撮像部が
撮像する前記被測定物表面の像のうち、前記被測定物表
面の前記第１光源からの光が反射する位置で前記第２光
源からの光が反射する反射光による像に対応する位置に
設けられることを特徴とする。さらに、第４発明に係る
変位計は、前記信号作成手段により作成された信号を表
示するための表示装置と、前記表示装置に表示された前
記印の位置を移動するための印移動手段とを有すること
を特徴とする。さらにまた、第５発明に係る変位計は、
前記第１の光源と前記対物レンズとの間の光路上に設け
られるコリメートレンズと、一側長寸部に前記コリメー
トレンズを、他側長寸部に前記対物レンズを備えるＵ字
状の音叉とを有し、前記コリメートレンズと前記対物レ
ンズとが、前記音叉と共に振動することを特徴とする。

【０００９】

【作用】第１発明では第１光源からの出射光を対物レン
ズを通して被測定物に投射し、その出射光の合焦点が被
測定物に生じる。対物レンズを通った被測定物からの反
射光を受光部が受光して、被測定物の表面の変位を測定
する。

【００１０】第２光源からの出射光が被測定物で反射し
た光が対物レンズを通って撮像部へ投射されると、被測
定物の表面像が撮像部に結像する。第１光源からの出射
光が被測定物で反射した光が、対物レンズを通って撮像
部へ投射されると、対物レンズで色収差が生じて撮像部
に輪郭がぼやけた光像が生じる。また第１光源からの投
射光が、その光軸と直交する被測定物の表面に投射され
た場合は、その反射光の光軸は対物レンズの中心を通
り、光軸と非直交の被測定物の表面に投射された場合
は、その反射光は対物レンズの中心を外れた位置を通っ
て撮像部に投射され、撮像部に生じる光像の位置が異な
る。光軸と直交する面に光を投射して撮像部に得た像
に、光像と比較する印を重ねて表示させた後、光軸と非
直交の面に光を投射したときには、印に対して光像が離
れる。これにより、被測定物の表面の変位を測定でき、
また撮像部に生じた光像と印との位置により、被測定物
の表面が、第１光源の光軸に対して直交, 非直交である
かを識別できる。

【００１１】第２発明では、第１光源からの出射光を対
物レンズを通して被測定物に投射し、その反射光を受光
部が受光する。対物レンズを光軸方向へ振動させると、
対物レンズと被測定物との距離が変化し、所定距離に達
したとき、被測定物に、投射した光の合焦点が生じ、受
光部の受光出力が最大になる。そのときの対物レンズの
位置が、光学系の基準位置から被測定物までの距離に対
応し、被測定物の表面の変位を測定できる。

【００１２】第２光源からの出射光が被測定物で反射し
た光が、対物レンズを通って撮像部へ投射されると、被
測定物の表面像が撮像部に結像する。第１光源からの出
射光が被測定物で反射した光が、対物レンズを通って撮
像部へ投射されると、対物レンズで色収差が生じて撮像
部に輪郭がぼやけた光像が生じる。また、第１光源から
の投射光が、その光軸と直交する被測定物の表面に投射
された場合は、その反射光は対物レンズの中心を通り、
光軸と非直交の被測定物の表面に投射された場合は、そ
の反射光は対物レンズの中心を外れた位置を通って撮像
部に投射され、撮像部に生じる光像の位置が異なる。光
軸と直交する面に光を投射して撮像部に得た像に、光像
と比較する印を重ねて表示させた後、光軸と非直交の面
に光を投射したときには、印に対して光像が離れる。こ
れにより、被測定物の表面の変位を測定でき、また撮像
部に生じた光像と印との位置により、被測定物の表面
が、第１光源の光軸に対して直交, 非直交であるかを識
別できる。

【００１３】

【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面により詳
述する。図１は本発明に係る変位計の模式的構成図であ
る。例えば半導体レーザからなる第１光源たる光源１の
出射光はビームスプリッタ２、ハーフミラー３、コリメ
ートレンズ４及び対物レンズ５を順次通って、被測定物
６の表面の変位を測定する位置へ投射されるようになっ
ている。コリメートレンズ４は、Ｕ字状の音叉７の一側
長寸部の先端側に取付けられており、他側長寸部の先端
側には対物レンズ５が取付けられている。音叉７の側方
には、音叉７に接近して音叉駆動用の励磁コイル８が配
設されている。

【００１４】音叉７の一側長寸部の先端から僅かに離反
した位置に音叉７の振動、即ちコリメートレンズ４及び
対物レンズ５の位置を検出するレンズ位置検出コイル９
が配設されている。対物レンズ５の近傍には、被測定物
６を照射する例えは発光ダイオードからなる第２光源た
る撮像用光源13が配設されている。撮像用光源13が出射
する光の波長は、光源１が出射する光の波長より長い波
長に選定されている。

【００１５】光源１及び撮像用光源13からの光が被測定
物６で反射した反射光は、対物レンズ５及びコリメート
レンズ４を通ってハーフミラー３で反射し、ハーフミラ
ー３で反射した光は、例えばCCD(Charge Coupled Devic
e)からなる、撮像部たる画像受光素子10へ投射されるよ
うになっている。ハーフミラー３は、撮像用光源13から
の光の反射光に対して大きい反射率に選定され、光源１
からの光の反射光に対しては小さい反射率に選定されて
いる。

【００１６】画像受光素子10は被測定物６で反射した撮
像用光源13の光の反射光の焦点位置に画像受光面を位置
させて位置決めされている。また、ハーフミラー３を通
った被測定物６からの光源１の光の反射光はビームスプ
リッタ２で反射して、例えばピンホールからなる光絞り
部11を通って受光素子12へ投射されるようになってい
る。なおLCは光源１からの出射光の光軸を示している。
レンズ位置検出コイル９の検出信号Ｓ₉は、位置検出回
路20及び増幅器15へ入力される。位置検出回路20の出力
信号Ｓ₂₀は駆動回路21及びゼロクロスタイミング検出回
路22へ入力される。ゼロクロスタイミング検出回路22の
出力信号Ｓ₂₂はタイマTMR を内蔵している制御回路23へ
入力される。

【００１７】駆動回路21の出力信号Ｓ₂₁は励磁コイル８
へ入力される。受光素子12の受光出力たる出力信号Ｓ₁₂
はピークタイミング検出回路24及び増幅器16へ入力され
る。ピークタイミング検出回路24の出力信号Ｓ₂₄は制御
回路23へ入力される。制御回路23から出力される制御信
号Ｓ₂₃は光源駆動回路25へ入力され、その出力信号Ｓ ₂₅
は撮像用光源13へ入力される。画像受光素子10が出力す
る画像信号Ｓ₁₀は、例えばCRT を用いたディスプレイ装
置26へ入力される。このディスプレイ装置26には、画面
の所定位置を指示する印であるカーソルを表示するカー
ソル表示制御部26a を内蔵している。増幅器15の出力信
号Ｙ及び増幅器16の出力信号Ｘは演算部17へ入力され
る。演算部17が出力する変位信号Ｓ₃₈は距離変換部18へ
入力される。

【００１８】図２は演算部17の構成を示すブロック図で
ある。演算部17へ入力される増幅器16 (図１参照) の出
力信号Ｘは微分器30と、第１の比較器31の正入力端子＋
とに入力される。比較器31の負入力端子−には基準電圧
Ｖ_refが入力される。微分器30の出力信号Ｓ₃₀は第２の
比較器32の負入力端子−へ入力される。比較器32の正入
力端子＋は接地されている。比較器31,32 の出力信号Ｓ
₃₁, Ｓ₃₂はAND 回路33の一側入力端子、他側入力端子へ
各別に入力され、その出力信号Ｓ₃₃はワンショットパル
ス発生回路34へ入力される。ワンショットパルス発生回
路34が出力するワンショットパルスＳ₃₄は、オン，オフ
制御信号としてスイッチSWへ与えられる。

【００１９】増幅器15 (図１参照) からの出力信号Ｙ
は、増幅器35と、スイッチSWとを介して増幅器36へ入力
される。増幅器36の入力側はコンデンサ37を介して接地
されている。増幅器36とコンデンサ37とによりサンプル
ホールド回路38を構成しており、増幅器36から変位信号
Ｓ₃₈が出力されるようになっている。

【００２０】次にこのように構成した変位計の動作を説
明する。駆動回路21から励磁コイル８に高周波電流を供
給すると、励磁コイル８により磁界が発生し、この磁界
により音叉７が所定振幅で振動し、コリメートレンズ４
及び対物レンズ５は、それらを通る光源１からの光の光
軸方向へ振動する。レンズ位置検出コイル９はコリメー
トレンズ４及び対物レンズ５の位置 (振幅) を検出し、
その検出信号Ｓ₉を増幅器15で増幅し、増幅器15から出
力される出力信号Ｙを演算部17へ入力する。

【００２１】また、光源１から光を出射すると、その光
はビームスプリッタ２、ハーフミラー３、コリメートレ
ンズ４及び対物レンズ５を通って被測定物６の表面に投
射される。そして被測定物６で反射した反射光は対物レ
ンズ５、コリメートレンズ４及びハーフミラー３を通っ
てビームスプリッタ２で反射して光絞り部11を通って受
光素子12へ入射する。これにより受光素子12には被測定
物６に生じた合焦点の光のみが入射する。

【００２２】ところで、コリメートレンズ４及び対物レ
ンズ５が光軸方向へ振動していることにより、対物レン
ズ５と被測定物６との距離が変化し、所定距離に達した
時点で、光源１から出射した光の合焦点が被測定物６に
生じると受光素子12の受光出力が瞬時に最大となり、こ
の受光出力に応じた出力信号Ｓ₁₂が増幅器16へ入力さ
れ、増幅器16から図３(a) に示す出力信号Ｘを出力して
演算部17へ入力する。

【００２３】このようにして出力信号Ｘ, Ｙが演算部17
へ入力されると、出力信号Ｘは微分器30により微分され
て微分器30から図３(b) に示すような逆Ｓ字状をした微
分波形の出力信号Ｓ₃₀が出力される。そして出力信号Ｘ
の最大値が出力信号Ｓ₃₀のゼロクロス時点Ｔ₀により検
出されて、被測定物６に投射した光の合焦点が生じた時
点を正確に検出することになる。この出力信号Ｓ₃₀が比
較器32へ入力され、比較器32は出力信号Ｓ₃₀と接地電位
とを大小比較して、比較器32から出力信号Ｓ₃₀のゼロク
ロス時点Ｔ₀で立上り、出力信号Ｓ₃₀の負の半周期の期
間に対応するパルス幅の図３(d) に示すパルスの出力信
号Ｓ₃₂を出力する。

【００２４】一方、比較器31は出力信号Ｘと基準電圧Ｖ
_refとを大小比較し、比較器31から出力信号Ｘが基準電
圧Ｖ_ref以上にある期間に対応するパルス幅の図３(c)
に示す出力信号Ｓ₃₁を出力する。これらの出力信号
Ｓ₃₁, Ｓ₃₂の論理が成立するとAND 回路33から図３(e)
に示すパルスの出力信号Ｓ₃₃を出力して、ワンショット
パルス発生回路34へ入力する。それによりワンショット
パルス発生回路34は、出力信号Ｓ₃₃の立上りに同期して
立上る図３(f) に示すワンショットパルスＳ₃₄を出力す
る。そしてこのワンショットパルスＳ₃₄によりスイッチ
SWをオンさせる。

【００２５】そうすると、出力信号Ｙを増幅した増幅器
35の出力信号ＹがスイッチSWを介してサンプルホールド
回路38へ入力され、サンプルホールド回路38は出力信号
Ｙの信号レベルをサンプリングして保持し、増幅器36で
増幅して変位信号Ｓ₃₈を出力する。これにより出力信号
Ｓ₃₀のゼロクロス時点における出力信号Ｙのレベル、即
ち対物レンズ５の位置 (振幅) をサンプリングすること
になる。このようにサンプリングした対物レンズ５の位
置は、光学系の基準位置から被測定物６までの距離に対
応する。そしてサンプリングした変位信号Ｓ₃₈を距離変
換部18へ入力して、変位信号Ｓ₃₈を、変位信号Ｓ₃₈に応
じた距離に変換して、被測定物６の表面の変位を測定す
る。

【００２６】図４は出力信号Ｙ、ワンショットパルスＳ
₃₄及び変位信号Ｓ₃₈のタイミングチャートである。前述
したように対物レンズ５の位置 (振幅) に対応して図４
(a)に示すように出力信号Ｙが変化しているときに、被
測定物６に合焦点が生じた時点で図４(b) に示すワンシ
ョットパルスＳ₃₄が発生すると、その時点の出力信号Ｙ
のレベルがサンプリングされる。そして被測定物６を光
軸LCと直交する方向へ移動させると、被測定物６の表面
の変位に応じて、変位信号Ｓ₃₈は図４(a) に示すように
階段状に変化して、変位信号Ｓ₃₈のレベルと、被測定物
６の表面の変位とが対応する。そのため出力信号Ｙのレ
ベルをサンプリングすれば、出力信号Ｙのレベルに応じ
て被測定物６の変位を高精度に測定できる。

【００２７】一方、レンズ位置検出コイル９の出力信号
Ｓ₉のが位置検出回路20へ入力され、その出力信号Ｓ₂₀
は図５(a) に示すように、対物レンズ５の位置に応じて
レベルが変化する。また受光素子12の出力信号Ｓ₁₂のレ
ベルは、被測定物６に投射した光の合焦点が生じた時点
で図５(b) に示すように瞬時に最大となる。そしてピー
クタイミング検出回路24の出力信号Ｓ₂₄は、図５(c) に
示すように出力信号Ｓ ₁₂の最大時点で立上り所定パルス
幅で立下るパルスＰ₀, Ｐ₁となり、制御回路23へ入力
される。

【００２８】更に、位置検出回路20の出力信号Ｓ₂₀がゼ
ロクロスタイミング検出回路22へ入力されて、出力信号
Ｓ₂₀のゼロクロス時点が検出され、その出力信号Ｓ₂₂は
図５(d) に示すように、出力信号Ｓ₂₀のゼロクロス時点
で立上り、次のゼロクロス時点で立下るパルスとなる。
これにより制御回路23は、出力信号Ｓ₂₂の立上り時点か
ら、制御回路23に内蔵しているタイマTMR を駆動して出
力信号Ｓ₂₂の立上り時点から、出力信号Ｓ₂₄のパルスＰ
₀の立上り時点までの時間ｔ_a及び出力信号Ｓ ₂₄のパル
スＰ₁の立上り時点までの時間ｔ_bを夫々計時する。続
いて、出力信号Ｓ₂₀の２周期、即ち３回目のゼロクロス
時点から時間ｔ_a、ｔ_bを計時した時点で、制御回路23
から図５(e) に示す制御信号Ｓ₂₃のパルスＰ₂, Ｐ₃を
出力し、光源駆動回路25へ入力する。そうすると、パル
スＰ₂, Ｐ₃に応じて駆動電流が撮像用光源13へ供給さ
れて、撮像用光源13は出力信号Ｓ₂₃のパルスＰ₂, Ｐ₃
に同期して瞬時的に発光する。

【００２９】そして、この光が被測定物６の表面に瞬時
的に照射されて、その反射光が対物レンズ５及びコリメ
ートレンズ４を通ってハーフミラー３へ入射し、ここで
反射した光が画像受光素子10へ投射され、画像受光素子
10に被測定物６の表面像が結像する。そして画像受光素
子10が出力する画像信号がディスプレイ装置26へ入力さ
れて、ディスプレイ装置26の画面には画像受光素子10に
結像した被測定物６の表面像が表示される。そして、制
御信号Ｓ₂₃のパルスＰ₂, Ｐ₃は、被測定物６に合焦点
が生じた時点で最大となる受光素子12の出力信号Ｓ₁₂に
同期しているため、被測定物６に合焦点が生じた時点で
撮像用光源13が発光するから、被測定物６に光源１によ
光の合焦点が生じている被測定物６の表面像がディスプ
レイ装置26の画面に表示される。

【００３０】ところで、光源１が出射する光の波長と、
撮像用光源13が出射する光の波長とが異なるために、対
物レンズ５で色収差が生じ、光源１及び撮像用光源13か
らの投射光が被測定物６で反射し、対物レンズ５を通っ
た光の焦点位置は異なることになる。いま、光源１から
の出射光が投射されている被測定物６の表面が図６(a)
に示すように、光源１からの出射光の光軸LC (図１参
照) と直交している平坦面FLの場合は、光源１及び撮像
用光源13からの出射光が被測定物６で反射した反射光は
対物レンズ５の中心を通って、画像受光素子10に投射さ
れる。そして光源１からの出射光が被測定物６で反射し
た反射光 (実線で表示) は画像受光素子10の直前に、そ
の反射光の合焦点が生じる。

【００３１】一方、撮像用光源13からの出射光が被測定
物６で反射した反射光 (破線で表示) は画像受光素子10
に合焦点が生じる。そのため画像受光素子10の画像受光
面には、光源１からの出射光の反射光による径寸法が比
較的大きい焦点がぼやけた円形光像Ｒが生じる。一方、
被測定物６の表面像が画像受光素子10に結像するから、
撮像用光源13からの出射光の反射光による径寸法が極め
て小さい架空のピンポイント光像ｒが生じると考えられ
る。そして、それらの光像が同心状に位置することにな
る。

【００３２】一方、被測定物６の表面が図６(b) に示す
ように光源１からの出射光の光軸LC(図１参照) に対し
右側に傾斜した傾斜面RLである場合は、光源１及び撮像
用光源13からの出射光が被測定物６の傾斜面RLで反射し
た反射光は対物レンズ５の中心を外れた傾斜面RLが傾い
ている側の位置を通って、画像受光素子10に投射され
る。そして、光源１からの出射光が被測定物６で反射し
た反射光 (実線で表示)は画像受光素子10の直前にその
反射光の合焦点が生じる。一方、撮像用光源13からの出
射光が被測定物６で反射した反射光 (破線で表示) は画
像受光素子10に合焦点が生じる。

【００３３】そのため、画像受光素子10の画像受光面に
は、光源１からの出射光の反射光による径寸法が比較的
大きい焦点がぼやけた円形光像Ｒが生じる。一方、被測
定物６の表面像が画像受光素子10に結像するから、撮像
用光源13からの出射光の反射光による径寸法が極めて小
さい架空のピンポイント光像ｒが生じると考えられる。
そして被測定物６からの反射光が対物レンズ５の中心か
ら右側へ外れたことにより、円形光像Ｒはピンポイント
光像ｒの左側に生じて、それらの光像の位置が異なるこ
とになる。

【００３４】更に、被測定物６の表面が図６(c) に示す
ように光源１からの出射光の光軸LC(図１参照) に対し
左側に傾斜した傾斜面LLである場合は、光源１及び撮像
用光源13の出射光が被測定物６の傾斜面LLで反射した反
射光は対物レンズ５の中心を外れた傾斜面LLが傾いてい
る側の位置を通って画像受光素子10に投射される。そし
て、光源１からの出射光が被測定物６で反射した反射光
(実線で表示) は画像受光素子10の直前に、その反射光
の合焦点が生じる。

【００３５】一方、撮像用光源13からの出射光が被測定
物６で反射した反射光 (破線で表示) は、画像受光素子
10に合焦点が生じる。そのため画像受光素子10の画像受
光面には、光源１からの出射光の反射光による径寸法が
比較的大きい焦点がぼやけた円形光像Ｒが生じる。一方
被測定物６の表面像が画像受光素子10に結像するから撮
像用光源13からの出射光による径寸法がか極めて小さい
架空のピンポイント光像ｒが生じると考えられる。そし
て被測定物６からの反射光が対物レンズ５の中心から左
側へ外れたことにより円形光像Ｒはピンポイント光像ｒ
の右側に生じて、それらの光像の位置が異なることにな
る。

【００３６】このようにして、円形光像Ｒの位置に基づ
いて、被測定物６に光源１からの出射光を投射している
面が光源１からの出射光の光軸LCに対して直交している
平坦面であるか、光軸LCに対して非直交の傾斜面である
のかを識別できる。

【００３７】そして、この画像受光素子10が出力する画
像信号をディスプレイ装置26へ入力するとその画面には
画像受光素子10に生じた結像及び円形光像Ｒを表示でき
る。次にこのようにして画面に表示された画像により被
測定物の表面の傾きを識別する方法を図７及び図８によ
り説明する。

【００３８】まず、光源１からの出射光を、光源１から
の出射光の光軸LCに対して直交した平坦な基準面に投射
する。そうすると図６(a) に示すように画像受光素子10
に光源１からの出射光の反射光による焦点がぼやけた円
形光像Ｒが生じ、その円形光像Ｒがディスプレイ装置26
の画面に表示される。そこで、ディスプレイ装置26にお
けるカーソル表示制御部26a により画面にカーソルCSR
を表示させて、図８(b) に示すようにそのカーソルCSR
を、表示されている円形光像Ｒと重なるように同位置に
移動し固定する。

【００３９】さて、図７に示すように被測定物６の表面
の例えば傾斜面RLに光源１からの出射光が投射され、ま
た撮像用光源13が発光すると、図６(b) に示すようにし
て画像受光素子10に、光源１からの出射光の反射光によ
る焦点がぼやけた円形光像Ｒが生じ、また撮像用光源13
からの出射光の反射光による被測定物６の表面像が結像
する。そして円形光像Ｒは図６(a) の場合に比べて左寄
りに生じ、画像受光素子10に生じた光像位置が反転して
ディスプレイ装置26の画面には、図８(c) に示すように
被測定物６の表面像とともに、カーソルCSR の右側に円
形光像Ｒが表示される。これにより、カーソルCSR と円
形光像Ｒとの位置の異なりを見て、表面の変位を測定し
ている面が右下りの傾斜面RLであることを識別できる。

【００４０】次に図７に示す被測定物６の表面の平坦面
FLに光源１の出射光が投射され、撮像用光源13が発光す
ると、図６(a) に示すようにして画像受光素子10に、光
源１からの出射光による焦点がぼやけた円形光像Ｒが生
じ、また撮像用光源13からの出射光の反射光による被測
定物６の表面像が結像する。そして円形光像Ｒは図６
(b) の場合に比べて右寄りに移動して、画像受光素子10
に生じた光像位置が反転してディスプレイ装置26の画面
には図８(b) に示すように被測定物６の表面像が表示さ
れるとともに、円形光像ＲがカーソルCSR と同位置に表
示される。これにより表面の変位を測定している面が基
準面と同様に光源１からの出射光の光軸LCと直交した平
坦面FLであることを識別できる。

【００４１】次に図７に示す被測定物６の表面の傾斜面
LLに光源１からの出射光が投射されるとともに、撮像用
光源13が発光すると、図６(c) に示すようにして画像受
光素子10に、光源１からの出射光の反射光による焦点が
ぼやけた円形光像Ｒが生じ、また撮像用光源13からの出
射光の反射光による被測定物６の表面像が結像する。そ
して円形光像Ｒは図６(a) の場合に比べて右寄りに生
じ、画像受光素子10に生じた光像位置が反転してディス
プレイ装置26の画面には図８(a) に示すように被測定物
６の表面像が表示されるとともに、カーソルCSR の左側
に円形光像Ｒが表示される。これにより、カーソルCSR
と円形光像Ｒとの位置の異なりを見て表面の変位を測定
している面が左下りの傾斜面LLであることを識別でき
る。

【００４２】また、被測定物６の表面の傾きの程度は、
画面に表示した円形光像ＲとカーソルCSR との間の距離
に対応し、円形光像ＲとカーソルCSR との距離から変位
を測定している表面の傾きの程度を識別できる。

【００４３】図９はハーフミラー３の反射率特性を示し
た特性図であり、横軸を波長とし、縦軸を反射率として
いる。光源１からの出射光が被測定物６で反射した反射
光のハーフミラー３における反射率が大きい場合には、
光源１からの出射光が被測定物６で反射した反射光が多
量に画像受光素子10へ投射されることになり、画像受光
素子10の受光量が過大になって、ディスプレイ装置26の
画面が明る過ぎることになって、円形光像Ｒの表示がで
きず、被測定物６の表面の傾きを識別できなくなる。

【００４４】そこで図９に示すように撮像用光源13から
の出射光の反射光がハーフミラー３で反射する反射率を
撮像用光源13の光Ｌ₁₃の波長で最大になるようにし、そ
れより波長が長く、また短くなるにしたがって反射率が
急激に低下する反射率曲線CCのように選定している。そ
して光源１からの光Ｌ₁はハーフミラー３の極めて小さ
い反射率で反射させている。このようにして、光源１か
らの出射光の反射光が画像受光素子10へ投射される量を
少なくなるよう２つの光源から出射される光の波長を選
定して、画面に円形光像Ｒを適正に表示させるようにし
ている。本実施例では画像受光素子にCCD を用いたが、
CCD 以外の画像受光素子であっても同様の効果が得られ
る。

【００４５】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、被
測定物の表面の変位を測定できるとともに、変位を測定
している面が、被測定物の表面の変位を測定する光源の
光軸に対して直交, 非直交であるかを識別できる。ま
た、その識別により被測定物の表面の頂点を簡単に探す
ことができる変位計を提供できる優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る変位計の模式的構成図である。

【図２】演算部の構成を示すブロック図である。

【図３】演算部における各部信号のタイミングチャート
である。

【図４】演算部における各部信号のタイミングチャート
である。

【図５】各部信号のタイミングチャートである。

【図６】対物レンズでの色収差により円形光像が生じる
状態の説明図である。

【図７】被測定物の断面図である。

【図８】ディスプレイ装置の画面の表示状態図である。

【図９】ハーフミラーの反射率特性図である。

【図１０】従来の変位計の模式的構成図である。

【図１１】対物レンズの振幅を示す信号の波形図であ
る。

【図１２】合焦点が生じたときの受光部の受光量変化と
対物レンズの振幅との関係を示す波形図である。

【符号の説明】

１光源３ハーフミラー５対物レンズ６被測定物 10 画像受光素子(CCD) 12 受光素子 13 撮像用光源

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01C 3/00 - 3/32 G01B 11/00 - 11/30 102 G02B 7/28 - 7/40 G03B 13/32 - 13/36

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１光源が出射した光を、該光の光軸方
向に所定振幅で振動する対物レンズを通して被測定物に
投射し、該対物レンズを通った被測定物からの反射光を
受光部で受光して、該受光部の受光出力最大時点におけ
る対物レンズの位置に基づいて被測定物の表面の変位を
測定する変位計であって、前記対物レンズと前記受光部の光路上に配置され、光を
透過及び反射するハーフミラーと、第１光源が出射する光の波長と異なる波長の光を被測定
物へ照射する第２光源と、被測定物で反射した第１光源及び第２光源からの光が前
記対物レンズを通って前記ハーフミラーを介して投射さ
れ、第１光源からの光の反射光による光像と第２光源か
らの光の反射光による被測定物表面の像とを撮像する撮
像部と、該撮像部で得た像に第１光源からの光の集光位置と比較
するための印を重ねて表示させ得る信号を作成する信号
作成手段とを備え、前記撮像部が、前記受光部における第１光源からの光の
反射光に基づく受光出力が最大となる時に、前記被測定
物で反射した第２光源からの光の反射光が合焦点を生じ
る位置に配置されることを特徴とする変位計。
【請求項２】前記第２光源が、前記受光部における第１
光源からの光の反射光に基づく受光出力が最大となる時
点と同期して瞬時的に発光することを特徴とする請求項
１に記載の変位計。
【請求項３】前記集光位置と比較するための印が、前記
撮像部が撮像する前記被測定物表面の像のうち、前記被
測定物表面の前記第１光源からの光が反射する位置で前
記第２光源からの光が反射する反射光による像に対応す
る位置に設けられることを特徴とする請求項１または２
に記載の変位計。
【請求項４】前記変位計はさらに、前記信号作成手段に
より作成された信号を表示するための表示装置と、前記
表示装置に表示された前記印の位置を移動するための印
移動手段とを有することを特徴とする請求項１から３の
いずれかに記載の変位計。
【請求項５】前記変位計はさらに、前記第１の光源と前
記対物レンズとの間の光路上に設けられるコリメートレ
ンズと、一側長寸部に前記コリメートレンズを、他側長
寸部に前記対物レンズを備えるＵ字状の音叉とを有し、
前記コリメートレンズと前記対物レンズとが、前記音叉
と共に振動することを特徴とする請求項１から４のいず
れかに記載の変位計。