JP3618585B2

JP3618585B2 - Displacement measuring device

Info

Publication number: JP3618585B2
Application number: JP17559599A
Authority: JP
Inventors: 映治辻村; 健神山; 浩二大森
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2005-02-09
Anticipated expiration: 2019-06-22
Also published as: JP2001004317A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象面上に照射された光を一定の間隔で走査させることにより、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置に係り、特に測定対象面の走査幅を広げて変位量を短時間かつ高速に測定するための信号処理系統を有する変位測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、変位測定装置の走査光学系５０は、投光系５１と受光系５５で略構成され、三角測量の原理に基づき測定台に載置されている測定対象物６０の測定対象面６０ａの変位を測定する。
【０００３】
変位測定装置の走査光学系５０の投光系５１は、レーザダイオード等の光源５２と、振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置５３と、レンズ５４で概略構成されている。光源５２は、偏向装置５３に対しレーザ光を出射する。偏向装置５３は、入射されたレーザ光を偏向させ、一定のストロークでレーザ光を走査する。この偏向装置５３は、レーザ光を往復あるいは片道走査する。レンズ５４は、偏向装置５３により扇形に走査されるレーザ光を、平行になるように収束させる。
【０００４】
受光系５５は、集光レンズアレイ５６と結像レンズ５７と受光素子５８とで構成されている。集光レンズアレイ５６は、互いに等しい焦点距離ｆ１（例えば２０ｍｍ）を有する複数（図７では６個）の集光レンズ部５６ａ〜５６ｆが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。各集光レンズ部５６ａ〜５６ｆは、その光軸に直交する面が球面状に形成され、測定光を光軸廻りに均等に絞り込むことができるレンズである。
【０００５】
結像レンズ５７は、照射点Ｓの走査幅より大きい径を有し、光軸廻りに均等な結像特性を有するレンズである。結像レンズ５７は、集光レンズアレイ５６からのビームを収束して、受光素子５８の受光面５８ａ上に結像させる。結像点Ｋは走査方向に沿って受光面５８ａ上移動する。
【０００６】
受光素子５８の縦方向（走査方向に直交する方向）側の両端には電極が設けられており、結像点Ｋの結像位置から電極までの距離に反比例した一対の電気信号Ａ，Ｂを出力するようになっている。測定対象面６０ａが集光レンズアレイ５６に近づく（基準位置に対し変位が上昇する）と、図８（ａ）に示すように、基準となる結像位置に対し縦方向の一方に偏差が生じて結像点がＫａに位置し、相対的に電気信号Ａが大きくなり、電気信号Ｂが小さくなる。一方、測定対象面６０ａが集光レンズアレイ５６から遠ざかる（基準位置に対し変位が下降する）と、図８（ｂ）に示すように、基準となる結像位置に対し偏差が生じて結像点がＫｂに位置し、相対的に電気信号Ｂが大きくなり、電気信号Ａが小さくなる。
【０００７】
電気信号Ａ，Ｂは、図９に示すような変位演算手段７０に出力される。変位演算手段７０には、電気信号Ａ，Ｂを電流／電圧変換する一対の電流電圧変換部Ｉ／Ｖが設けられている。各電流電圧変換部Ｉ／Ｖで変換された電気信号Ａ，Ｂはそれぞれ加算部７１と減算部７２に出力される。加算部７１では電気信号Ａ，Ｂが加算され、加算信号（Ａ＋Ｂ）を出力する。減算部１３では電気信号Ａ，Ｂが減算され、減算信号（Ａ−Ｂ）を出力する。加算信号（Ａ＋Ｂ）及び減算信号（Ａ−Ｂ）は除算部７３に入力されて除算され、変位信号Ｄを出力するようになっている。
【０００８】
このような変位測定装置においては、測定対象物６０のＺ軸方向の変位量をＸ軸方向に走査されたビームで高速に得ることができる。また、測定台６１をＹ軸方向に移動させることにより、Ｘ−Ｙの２次元における各照射点ＳのＺ方向の変位量を得ることができるようになる。
【０００９】
しかしながら、走査幅を拡大するためには結像レンズ５７の有効径を大きくして、Ｆナンバーを小さくする必要があるが、装置の性能を落とさないためには結像レンズ５７の収差を抑える必要があるため、結像レンズ５７のＦナンバーを小さくするには限度がある。そこで、結像レンズ５７を複数に分割しＦナンバーを下げずに走査幅を拡大する方法もあるが、複数の受光素子を用いることとなるため、図９に示す変位演算手段７０を受光素子ごとに独立して設けると，装置が大がかりとなってしまい、コストも増大することとなる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであって、その目的とするところは、光の走査幅を拡大して測定対象に対して高精度で高速かつ短時間の変位測定を図ることにある。
【００１１】
また他の目的は、検出された光の走査位置に基づき、現在光が受光されている受光素子を検出して一対の出力信号を切り替えることにより、ノイズが少なく、より高精度の変位演算を図ることにある。
【００１２】
更に他の目的は、結像レンズアレイを用いて隣り合う２つの受光素子の境界近傍に入射した光を受光することにより、該境界近傍においてより高精度の変位演算を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
要するに、本発明の請求項１記載の変位測定装置は、測定対象面上に光を走査して、非接触で前記測定対象面の変位を測定する変位測定装置において、
光の走査方向に配列され、前記測定対象面からの光を受光し、受光位置に基づく一対の出力信号を生成する複数の受光素子と、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズ部が前記光の走査方向に沿って構成され、前記測定対象面からの光を前記受光素子に結像させる結像レンズアレイと、
現在の光の走査位置を検出するものであって、光が走査される都度走査開始信号を出力する走査開始検出手段と、該走査開始検出手段の走査開始信号に基づき、現在の光の走査位置を計数する計数手段と、該計数手段の計数値に基づき、現在光が受光されている受光素子を検出して前記切替手段を制御する制御手段とを有する走査位置検出手段と、
前記一対の出力信号の入力を受けると共に、検出された光の走査位置に基づき、前記一対の出力信号を切り替える切替手段と、
前記切替手段により選択された一対の出力信号に基づき変位演算する変位演算手段と、
連続する２つの結像レンズ部の境界部近傍に光が入射されたときに、前記連続する結像レンズ部に対応する隣り合う２つの受光素子から得られる一対の出力信号の一方同士を加算して、前記切替手段に出力する第１の境界加算手段と、
連続する２つの結像レンズ部の境界部近傍に光が入射されたときに、前記連続する結像レンズ部に対応する隣り合う受光素子から得られる一対の出力信号の他方同士を加算して、前記切替手段に出力する第２の境界加算手段と、を備え、
前記制御手段は、前記計数手段の計数値に基づき、現在光が受光されている受光素子又は隣り合う２つの受光素子の境界近傍を検出して前記切替手段を制御することを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、各結像レンズ部により測定光が受光素子に結像されると、一対の電極からの出力が切替手段に入力される。また、２つの結像レンズ部の境界近傍に測定光が入射されると、その２つの結像レンズ部に対向する２つの受光素子に結像される。そして、両受光素子の一対の電極からの各出力が境界近傍加算手段に入力されて加算される。加算された信号は、上記同様、切替手段に入力される。また、走査位置検出手段により現在の光の走査位置を検出して切替手段に出力し、切替手段の入力を切替える。この切替により選択された入力が変位演算手段に出力され、変位演算される。
【００１５】
また、請求項２記載の変位測定装置は、請求項１記載の変位測定装置において、
前記複数の結像レンズ部は互いに平行な光軸を有し、該各光軸と直交する一直線上に並列配置されて、前記結像レンズアレイを構成することを特徴としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明による変位測定装置の走査光学系について、図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は複数（ｍ個）の結像レンズ部Ｆ１〜Ｆｍをアレイ状にした走査光学系１の図である。なお、図面の制約上、図１において結像レンズ部の数は２個（Ｆ１，Ｆ２）となっている。図１及び図２に示すように、走査光学系１は、投光手段２と受光手段６で構成されており、三角測量の原理に基づき測定対象物１０の測定対象面１０ａの変位を測定する。測定対象面１０ａが鏡面のように反射率が高い場合は、照射点Ｓで反射される光の殆どが、照射点Ｓを対称にして入射角度と同じ角度で受光手段６に反射される。
【００２４】
走査光学系１の投光手段２は、レーザダイオード等の光源３と、振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置４と、収束レンズ５で概略構成されている。光源３は、偏向装置４に対しレーザ光を出射する。偏向装置４は、入射されたレーザ光を偏向させ、一定のストロークでレーザ光を走査する。収束レンズ５は、偏向装置４により扇形に走査されるレーザ光が平行になるように収束させるものである。
【００２５】
受光手段６は、集光レンズアレイＣと結像レンズアレイＦと受光素子群Ｐで構成されている。集光レンズアレイＣは、互いに等しい焦点距離ｆ１（例えば２０ｍｍ）を有する複数の集光レンズ部Ｃ１〜Ｃｎが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。
【００２６】
各集光レンズ部Ｃ１〜Ｃｎは、投光手段２から放射される投光ビームの走査幅寸法（例えば３０ｍｍ）内に複数個並ぶように、少なくともその並列方向（走査方向）に沿ったレンズの幅ｄが投光ビームの走査幅寸法（例えば３０ｍｍ）より短い（例えば５ｍｍ）略矩形状の外形を有する。また、各集光レンズ部Ｃ１〜Ｃｎは、その光軸に直交する面が球面状に形成されたレンズとなっている。すなわち、各集光レンズ部Ｃ１〜Ｃｎは、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各光軸はそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。
【００２７】
集光レンズアレイＣは、各集光レンズ部Ｃ１〜Ｃｎの光軸が測定対象物１０の表面１０ａ上に走査される照射点Ｓ（移動軌跡ＳＬ）と交わるように配置されている。集光レンズアレイＣは照射点Ｓ（移動軌跡ＳＬ）から焦点距離ｆ１離れた位置に配置されている。
【００２８】
結像レンズアレイＦは、複数（ｍ個）の結像レンズ部Ｆ１〜Ｆｍを集光レンズアレイと同様、走査方向にアレイ状に連続させたレンズアレイである。各結像レンズ部Ｆ１〜Ｆｍは入射光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各結像レンズ部Ｆ１〜Ｆｍは、その各光軸がそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。各結像レンズ部Ｆ１〜Ｆｍは、所定数の集光レンズ部（図１及び図２では６個）Ｃ１〜Ｃ６に対応して対向配置される。結像レンズアレイＦは、集光レンズアレイＣからのビームを収束して、受光素子群Ｐへ出射する。
【００２９】
受光素子群Ｐは、結像レンズ部と同数（ｍ個）の受光素子Ｐ１〜Ｐｍで構成されている。各受光素子Ｐ１〜Ｐｍはそれぞれ各結像レンズ部Ｆ１〜Ｆｍに対応しており、それぞれ焦点距離ｆ２離れた位置に配置されている。
【００３０】
図１に示すように、各受光素子Ｐ１，Ｐ２は、照射点Ｓから反射される光が結像される受光面Ｐ１ａ，Ｐ２ａを有する。なお、結像点Ｋの走査方向（すなわち照射点Ｓの走査方向）の幅を走査幅ｗと称する。また結像点Ｋの走査方向と直交する方向を縦方向と称する。各受光素子Ｐ１〜Ｐｍの縦方向の両端縁には、それぞれ電極が設けられている。これらの電極からは、それぞれ結像点Ｋの位置に応じた電流が出力される。
【００３１】
次に本発明による変位測定装置の第１実施の形態（信号処理系２０）について、図３を用いて説明する。なお、本実施の形態においては、受光素子を４つ用いた場合について説明する。図３に示すように、４つの受光素子Ｐ１〜Ｐ４が走査方向に配列されている。各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の縦方向の両端縁に設けられている電極は、それぞれ電流電圧変換部２１〜２４に接続されている。
【００３２】
各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の偏差が増加する方向（縦方向の一方）の電極に接続されている電流電圧変換部２１ａ〜２４ａは、第１加算手段２５に接続されている。また、各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の偏差が減少する方向（縦方向の他方）の電極に接続されている電流電圧変換部２１ｂ〜２４ｂは、第２加算手段２６に接続されている。第１加算手段２５及び第２加算手段２６はともに変位演算手段２７に接続されている。
【００３３】
次に、本実施の形態の作用について、図１〜図４を用いて説明する。図１に示すように光源３から照射された照射光は、偏向装置４により屈曲され、所定のストロークで走査される。走査された照射光は収束レンズ５に入射され、平行に移動するビームとなり、測定対象面１０ａ上に照射点を形成する。照射光は照射点Ｓごとに反射又は散乱し、その反射，散乱光（測定光）は受光手段６側へ出射される。
【００３４】
図２に示すように、測定光は、まず走査されながら集光レンズ部Ｃ１から順次Ｃ６まで入射されて平行なビームとなり、結像レンズ部Ｆ１に入射される。各結像レンズ部Ｆ１に入射された測定光は、その光軸周りに均等に絞り込まれて、受光素子Ｐ１に結像される。このとき、受光素子Ｐ１の受光面Ｐ１ａ上において、測定光の縦方向の結像位置に応じた一対の電流信号Ｉａ１，Ｉｂ１が両電極から出力される。
【００３５】
ここで、図３に示すように、偏差が増加する方向（縦方向の一方）の電極から出力される電流信号Ｉａ１は、電流電圧変換部２１ａにおいて電圧信号Ｖａ１に変換されて、第１加算手段２５に入力される。同様に、偏差が減少する方向（縦方向の他方）の電極から出力される電流信号Ｉｂ１は、電流電圧変換部２１ｂにおいて電圧信号Ｖｂ１に変換されて、第２加算手段２６に入力される。第１加算手段２５の出力信号Ａと第２加算手段２６の出力信号Ｂは変位演算手段２７に入力されて変位演算され，変位信号Ｄ（Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））を出力する。この出力された変位信号Ｄにより測定対象面１０ａの変位量が求まる。
【００３６】
また図４に示すように、測定光が集光レンズ部Ｃ６とＣ７の境界近傍に入射されると、平行光となって結像レンズ部Ｆ１，Ｆ２の境界近傍に入射され、受光素子Ｐ１と受光素子Ｐ２の両方に結像される。このとき、受光素子Ｐ１の受光面Ｐ１ａ上において、測定光の縦方向の結像位置に応じた一対の電流信号Ｉａ１，Ｉｂ１が両電極から出力されるとともに、受光素子Ｐ２の受光面Ｐ２ｂ上において、測定光の縦方向の結像位置に応じた一対の電流信号Ｉａ２，Ｉｂ２が両電極から出力される。
【００３７】
ここで、偏差が増加する方向（縦方向の一方）の電極から出力される電流信号Ｉａ１及びＩａ２は、電流電圧変換部２１ａ，２２ａにおいて電圧信号Ｖａ１，Ｖａ２に変換されて、第１加算手段２５に入力される。同様に、偏差が減少する方向（縦方向の他方）の電極から出力される電流信号Ｉｂ１及びＩｂ２は、電流電圧変換部２１ｂ，２２ｂにおいて電圧信号Ｖｂ１，Ｖｂ２に変換されて、第２加算手段２６に入力される。第１加算手段２５では電圧信号Ｖａ１，Ｖａ２が加算され、第２加算手段２６では電圧信号Ｖｂ１，Ｖｂ２が加算される。加算された第１加算手段２５の出力信号Ａと第２加算手段２６の出力信号Ｂは変位演算手段２７に入力されて変位演算され，変位信号Ｄ（Ｄ＝（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ））を出力する。以下、受光素子Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４についても同様に変位演算されることとなる。
【００３８】
次に本発明による変位測定装置の第２実施の形態について図５を用いて説明する。なお、第１実施の形態と同一の構成については同一番号を付し、その説明を省略する。この変位測定装置（信号処理系）３０は、走査方向に配列された４つの受光素子Ｐ１〜Ｐ４と、各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の縦方向の両端縁に設けられている一対の電極と接続されている一対の電流電圧変換部２１〜２４と、を有する。電流電圧変換部２１〜２４は切替手段であるアナログマルチプレクサ３１に接続されている。
【００３９】
具体的には、各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の偏差が増加する方向（縦方向の一方）の電極に接続されている電流電圧変換部２１ａ〜２４ａは、第１切替手段（第１アナログマルチプレクサ）３１ａに接続されている。また、各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の偏差が減少する方向（縦方向の他方）の電極に接続されている電流電圧変換部２１ｂ〜２４ｂは、第２切替手段（第２アナログマルチプレクサ）３１ｂに接続されている。第１アナログマルチプレクサ３１ａ及び第２アナログマルチプレクサ３１ｂはともに変位演算手段２７に接続されている。
【００４０】
隣り合う２つの受光素子（Ｐ１，Ｐ２），（Ｐ２，Ｐ３），（Ｐ３，Ｐ４）に接続されている同一偏差方向の２つの電流電圧変換部（２１ａ，２２ａ），（２２ａ，２３ａ），（２３ａ，２４ａ），（２１ｂ，２２ｂ），（２２ｂ，２３ｂ），（２３ｂ，２４ｂ）は、同一の境界加算部３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ），３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）に接続されている。
【００４１】
偏差が増大する方向の電流電圧変換部（２１ａ，２２ａ），（２２ａ，２３ａ），（２３ａ，２４ａ）に接続されている第１の境界加算部３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）は、第１アナログマルチプレクサ３１ａに接続されている。同様に、偏差が減少する方向の電流電圧変換部（２１ｂ，２２ｂ），（２２ｂ，２３ｂ），（２３ｂ，２４ｂ）に接続されている第２の境界加算部３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）は、第２アナログマルチプレクサ３１ｂに接続されている。
【００４２】
第１アナログマルチプレクサ３１ａ及び第２アナログマルチプレクサ３１ｂはともに、後述する走査位置検出手段３５からの出力信号によりそれぞれセレクタ３１ｃ，３１ｃが切替えられ、変位演算手段２７に選択された信号がそれぞれ出力されるようになっている。
【００４３】
走査位置検出手段３５は、走査した光（照射点）が現在、測定対象面１０ａ上のどこに位置しているかを検出する。走査位置検出手段３５は、偏向装置４内に設けられている。走査位置検出手段３５は、走査開始検出手段３６と、計数手段３７と、切替手段３１を制御する制御手段３８とで構成されている。
【００４４】
走査開始検出手段３６は、光の走査が開始される都度、走査開始信号となるパルスを出力する。制御手段（デコーダ）３８は、計数手段（カウンタ）３７のカウンタ値ｎに基づき、現在測定光が受光されている受光素子を検出して切替手段３１に出力する。図６に示すように、最初に光が入射される結像レンズ部Ｆ１の端部の座標Ｘａ、走査方向について隣り合う２つの受光素子の境界近傍の範囲を示す座標Ｘｂ，……，Ｘｇ及び最後に光が入射される結像レンズ部Ｆ４の端部の座標Ｘｈが設定され、この座標Ｘａ，Ｘｂ，……，Ｘｈに対応する時間に基づき、切替手段３１による切替えを制御する。すなわち、切替え位置の座標Ｘａ，Ｘｂ，……，Ｘｈに対応する計数手段（カウンタ）３７のカウント値ｎａ，ｎｂ，……，ｎｈが設定され、テーブル化して記憶してある。
【００４５】
次に本実施の形態の作用を、受光素子が４つの場合について説明する。なお、各受光素子Ｐ１〜Ｐ４の受光及び電流電圧変換部２１〜２４の作用は第１実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００４６】
まず、光の走査が開始されると、走査開始検出手段３６から走査位置の基準となる走査開始パルスが出力される。走査開始パルスが出力されたとき、カウンタ３７により所定の周波数のＣＬＫでカウントされ、Ｘ座標を刻んでいく。
【００４７】
一方、Ｘ座標中、走査されている光の位置Ｘが、区間Ｘａ＜Ｘ≦Ｘｂ，Ｘｃ＜Ｘ≦Ｘｄ，Ｘｅ＜Ｘ≦Ｘｆ，Ｘｇ＜Ｘ≦Ｘｈにあるとき、偏差が増加する方向（縦方向の一方）の電極から出力された電流信号Ｉａ１〜Ｉａ４は、電流電圧変換部２１ａ〜２４ａで電圧信号Ｖａ１〜Ｖａ４に変換されて、第１アナログマルチプレクサ３１ａに入力される。また、偏差が減少する方向（縦方向の他方）の電極から出力された電流信号Ｉｂ１〜Ｉｂ４は、電流電圧変換部２１ｂ〜２４ｂで電圧信号Ｖｂ１〜Ｖｂ４に変換されて、第２アナログマルチプレクサ３１ｂに入力される。
【００４８】
また、Ｘ座標中、走査されている光の位置Ｘが、区間Ｘｂ＜Ｘ≦Ｘｃ，Ｘｄ＜Ｘ≦Ｘｅ，Ｘｆ＜Ｘ≦Ｘｇにあるとき、すなわち、隣り合う２つの結像レンズ部（Ｆ１，Ｆ２），（Ｆ２，Ｆ３），（Ｆ３，Ｆ４）の境界近傍に測定光が入射されたときは、以下のようになる。
【００４９】
隣り合う２つの受光素子（Ｐ１，Ｐ２），（Ｐ２，Ｐ３），（Ｐ３，Ｐ４）の偏差が増加する方向（縦方向の一方）の電極から出力された電流信号（Ｉａ１，Ｉａ２），（Ｉａ２，Ｉａ３），（Ｉａ３，Ｉａ４）は、それぞれ電流電圧変換部（２１ａ，２２ａ），（２２ａ，２３ａ），（２３ａ，２４ａ）で電圧信号（Ｖａ１，Ｖａ２），（Ｖａ２，Ｖａ３），（Ｖａ３，Ｖａ４）に変換されて、第１境界近傍加算部３２ａ〜３４ａに入力される。そして、各第１境界近傍加算部３２ａ〜３４ａで加算されて第１アナログマルチプレクサ３１ａに入力される。
【００５０】
同様に、隣り合う２つの受光素子（Ｐ１，Ｐ２），（Ｐ２，Ｐ３），（Ｐ３，Ｐ４）の偏差が減少する方向（縦方向の他方）の電極から出力された電流信号（Ｉｂ１，Ｉｂ２），（Ｉｂ２，Ｉｂ３），（Ｉｂ３，Ｉｂ４）は、それぞれ電流電圧変換部（２１ｂ，２２ｂ），（２２ｂ，２３ｂ），（２３ｂ，２４ｂ）で電圧信号（Ｖｂ１，Ｖｂ２），（Ｖｂ２，Ｖｂ３），（Ｖｂ３，Ｖｂ４）に変換されて、第２境界近傍加算部３２ｂ〜３４ｂに入力される。そして、各第２境界近傍加算部３２ｂ〜３４ｂで加算されて第２アナログマルチプレクサ３１ｂに入力される。
【００５１】
一方、制御手段（デコーダ）３８では、Ｘ座標に対応した現在の光の位置を示すカウンタ値ｎと設定値ｎａ，ｎｂ，……，ｎｈとの比較を行う。そして、カウンタ値ｎがｎａ＜ｎ≦ｎｂのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ１と入力Ｂ１に切り替わる。
【００５２】
カウンタ値ｎがｎｂ＜ｎ≦ｎｃのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ１＋Ａ２と入力Ｂ１＋Ｂ２に切り替わる。
【００５３】
カウンタ値ｎがｎｃ＜ｎ≦ｎｄのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ２と入力Ｂ２に切り替わる。
【００５４】
カウンタ値ｎがｎｄ＜ｎ≦ｎｅのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ２＋Ａ３と入力Ｂ２＋Ｂ３に切り替わる。
【００５５】
カウンタ値ｎがｎｅ＜ｎ≦ｎｆのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ３と入力Ｂ３に切り替わる。
【００５６】
カウンタ値ｎがｎｆ＜ｎ≦ｎｇのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ３＋Ａ４と入力Ｂ３＋Ｂ４に切り替わる。
【００５７】
カウンタ値ｎがｎｇ＜ｎ≦ｎｈのとき、デコーダ３８の出力により、アナログマルチプレクサ３１のセレクタ３１ｃ，３１ｃが入力Ａ４と入力Ｂ４に切り替わる。
【００５８】
上述の切替動作により、第１アナログマルチプレクサ３１ａ及び第２アナログマルチプレクサ３１ｂから選択された出力信号は、変位演算手段２７に入力され、第１実施の形態と同様、変位演算される。
【００５９】
走査開始パルスが出力されてから１周期経過すると、光はまた初期の位置から走査され、再度走査開始パルスが出力される。このパルスはカウンタ３７のリセットを兼ねることとしてもよい。
【００６０】
なお、上記２つの実施の形態において、受光素子が４つの場合について説明したが、走査方向に複数配列されていればよく、４つに限定されることはない。
【００６１】
【発明の効果】
本発明によれば、光の走査幅を拡大して測定対象に対して高精度で高速かつ短時間の変位測定を図ることができる。
【００６２】
また、検出された光の走査位置に基づき、現在光が受光されている受光素子を検出して一対の出力信号を切り替えることにより、ノイズが少なく、より高精度の変位演算を図ることができる。
【００６３】
更に、結像レンズアレイを用いて隣り合う２つの受光素子の境界近傍に入射した光を受光することにより、該境界近傍においてより高精度の変位測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】変位測定装置の走査光学系を示す概略斜視図である。
【図２】変位測定装置の走査光学系の受光手段の概略図である。
【図３】本発明による第１実施の形態を示す信号処理系の図である。
【図４】連続する結像レンズ部の境界近傍における作用を示す図である。
【図５】本発明による第２実施の形態を示す信号処理系の図である。
【図６】本発明による第２実施の形態における走査位置検出手段の受光手段に対応させたタイミングチャートである。
【図７】変位測定装置の走査光学系の概略図である。
【図８】受光面上の結像点の動作を示す図である。
【図９】従来の変位測定装置の信号処理系の概略図である。
【符号の説明】
１０ａ…測定対象面、第１の加算手段…２５、第２の加算手段…２６、変位演算手段…２７、３０…変位測定装置、第１の境界加算手段…３２（３２ａ，３２ｂ，３２ｃ）、第２の境界加算手段…３３（３３ａ，３３ｂ，３３ｃ）、走査位置検出手段…３５、切替手段…３１（３１ａ，３１ｂ）、走査開始検出手段…３６、Ｐ…受光素子群、Ｐ１〜Ｐｍ…受光素子、Ｆ１〜Ｆｎ…結像レンズ部、Ｆ…結像レンズアレイ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a displacement measuring apparatus that measures the amount of displacement of the measurement target surface in a non-contact manner by scanning the light irradiated onto the measurement target surface at regular intervals, and in particular, the scan width of the measurement target surface is reduced. The present invention relates to a displacement measuring apparatus having a signal processing system for expanding and measuring a displacement amount in a short time and at high speed.
[0002]
[Prior art]
As shown in FIG. 7, the scanning optical system 50 of the displacement measuring apparatus is substantially composed of a light projecting system 51 and a light receiving system 55, and measures a measurement object 60 placed on a measurement table based on the principle of triangulation. The displacement of the target surface 60a is measured.
[0003]
The light projecting system 51 of the scanning optical system 50 of the displacement measuring device is roughly composed of a light source 52 such as a laser diode, a deflection device 53 such as a vibration mirror type or a polygon mirror type, and a lens 54. The light source 52 emits laser light to the deflecting device 53. The deflecting device 53 deflects the incident laser beam and scans the laser beam with a certain stroke. The deflecting device 53 reciprocates or one-way scans the laser beam. The lens 54 converges the laser beam scanned in a fan shape by the deflecting device 53 so as to be parallel.
[0004]
The light receiving system 55 includes a condenser lens array 56, an imaging lens 57, and a light receiving element 58. The condenser lens array 56 is made of synthetic resin or glass so that a plurality (six in FIG. 7) of condenser lens portions 56a to 56f having the same focal length f1 (for example, 20 mm) are arranged in a line. Each of the condensing lens portions 56a to 56f is a lens whose surface orthogonal to the optical axis is formed in a spherical shape and can narrow down the measurement light evenly around the optical axis.
[0005]
The imaging lens 57 is a lens having a diameter larger than the scanning width of the irradiation point S and having uniform imaging characteristics around the optical axis. The imaging lens 57 converges the beam from the condenser lens array 56 and forms an image on the light receiving surface 58 a of the light receiving element 58. The imaging point K moves on the light receiving surface 58a along the scanning direction.
[0006]
Electrodes are provided at both ends of the light receiving element 58 in the vertical direction (direction perpendicular to the scanning direction), and a pair of electric signals A and B that are inversely proportional to the distance from the imaging position of the imaging point K to the electrode are received. It is designed to output. When the measurement target surface 60a approaches the condenser lens array 56 (the displacement increases with respect to the reference position), as shown in FIG. 8A, a deviation occurs in one of the vertical directions with respect to the reference image formation position. Thus, the imaging point is located at Ka, and the electrical signal A is relatively increased and the electrical signal B is decreased. On the other hand, when the measurement target surface 60a moves away from the condenser lens array 56 (displacement is lowered with respect to the reference position), as shown in FIG. The point is located at Kb, the electric signal B becomes relatively large, and the electric signal A becomes small.
[0007]
The electric signals A and B are output to the displacement calculating means 70 as shown in FIG. The displacement calculation means 70 is provided with a pair of current-voltage conversion units I / V that convert the electric signals A and B into current / voltage. The electrical signals A and B converted by the current / voltage conversion units I / V are output to the addition unit 71 and the subtraction unit 72, respectively. The adder 71 adds the electric signals A and B and outputs an addition signal (A + B). The subtractor 13 subtracts the electrical signals A and B and outputs a subtraction signal (A−B). The addition signal (A + B) and the subtraction signal (AB) are input to the division unit 73 and divided to output a displacement signal D.
[0008]
In such a displacement measuring apparatus, the amount of displacement of the measuring object 60 in the Z-axis direction can be obtained at high speed with a beam scanned in the X-axis direction. Further, by moving the measuring table 61 in the Y-axis direction, the displacement amount in the Z direction of each irradiation point S in the two-dimensional X-Y can be obtained.
[0009]
However, in order to increase the scanning width, it is necessary to increase the effective diameter of the imaging lens 57 and reduce the F number. However, in order not to degrade the performance of the apparatus, it is necessary to suppress the aberration of the imaging lens 57. Therefore, there is a limit in reducing the F number of the imaging lens 57. Therefore, there is a method of dividing the imaging lens 57 into a plurality of parts and enlarging the scanning width without lowering the F number. However, since a plurality of light receiving elements are used, the displacement calculating means 70 shown in FIG. If they are provided independently, the apparatus becomes large and the cost increases.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in order to eliminate the above-mentioned drawbacks, and the object of the present invention is to increase the scanning width of light and to measure the displacement of a measurement object with high accuracy, high speed and in a short time. There is.
[0011]
Another object is to detect a light receiving element that is currently receiving light based on the detected scanning position of the light and switch a pair of output signals, thereby reducing the noise and performing a more accurate displacement calculation. There is.
[0012]
Still another object is to receive a light incident in the vicinity of the boundary between two adjacent light receiving elements using an imaging lens array so as to perform a displacement calculation with higher accuracy near the boundary.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
In short, the displacement measuring apparatus according to claim 1 of the present invention is a displacement measuring apparatus that scans light on a surface to be measured and measures the displacement of the surface to be measured in a non-contact manner.
A plurality of light receiving elements that are arranged in a light scanning direction, receive light from the measurement target surface, and generate a pair of output signals based on a light receiving position;
A plurality of imaging lens portions having imaging characteristics that are uniform around the optical axis are configured along the scanning direction of the light, and an imaging lens array that forms an image of light from the measurement target surface on the light receiving element;
A current light scanning position, which detects a current light scanning position, and outputs a scanning start signal each time the light is scanned, and a current light scanning position based on the scanning start signal of the scanning start detection means A scanning position detecting means comprising: a counting means for counting the number of times; and a control means for detecting the light receiving element that is currently receiving light based on the count value of the counting means and controlling the switching means;
Switching means for receiving the input of the pair of output signals and switching the pair of output signals based on a detected scanning position of the light;
Displacement calculating means for calculating displacement based on a pair of output signals selected by the switching means ;
When light is incident in the vicinity of the boundary between two continuous imaging lens units, one of a pair of output signals obtained from two adjacent light receiving elements corresponding to the continuous imaging lens unit is added. First boundary adding means for outputting to the switching means;
When light is incident in the vicinity of the boundary between two continuous imaging lens portions, the other of a pair of output signals obtained from adjacent light receiving elements corresponding to the continuous imaging lens portions is added, Second boundary addition means for outputting to the switching means,
The control means is characterized in that, based on the count value of the counting means, the switching means is controlled by detecting the vicinity of a light receiving element that is currently receiving light or two adjacent light receiving elements .
[0014]
According to the above configuration, when the measurement light is imaged on the light receiving element by each imaging lens unit, the output from the pair of electrodes is input to the switching unit. Further, when the measurement light is incident near the boundary between the two imaging lens portions, an image is formed on the two light receiving elements facing the two imaging lens portions. Then, outputs from the pair of electrodes of both light receiving elements are input to the boundary vicinity adding means and added. The added signal is input to the switching means as described above. Further, the scanning position detecting means detects the current light scanning position and outputs it to the switching means to switch the input of the switching means. The input selected by this switching is output to the displacement calculating means, and the displacement is calculated.
[0015]
The displacement measuring device according to claim 2 is the displacement measuring device according to claim 1,
The plurality of imaging lens portions have optical axes parallel to each other, and are arranged in parallel on a straight line orthogonal to the optical axes to constitute the imaging lens array .
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the scanning optical system of the displacement measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 are diagrams of a scanning optical system 1 in which a plurality (m) of imaging lens portions F1 to Fm are arranged in an array. In FIG. 1, the number of imaging lens portions is two (F1, F2) due to the limitations of the drawing. As shown in FIGS. 1 and 2, the scanning optical system 1 includes a light projecting unit 2 and a light receiving unit 6, and measures the displacement of the measurement target surface 10a of the measurement target 10 based on the principle of triangulation. . When the measurement target surface 10a has a high reflectance like a mirror surface, most of the light reflected at the irradiation point S is reflected by the light receiving means 6 at the same angle as the incident angle with the irradiation point S symmetrical.
[0024]
The light projecting means 2 of the scanning optical system 1 is roughly composed of a light source 3 such as a laser diode, a deflecting device 4 such as a vibrating mirror type or a polygon mirror type, and a converging lens 5. The light source 3 emits laser light to the deflecting device 4. The deflecting device 4 deflects the incident laser beam and scans the laser beam with a certain stroke. The converging lens 5 converges the laser beams scanned in a fan shape by the deflecting device 4 so as to be parallel.
[0025]
The light receiving means 6 includes a condensing lens array C, an imaging lens array F, and a light receiving element group P. The condenser lens array C is made of synthetic resin or glass so that a plurality of condenser lens portions C1 to Cn having the same focal length f1 (for example, 20 mm) are arranged in a line.
[0026]
Each of the condensing lens portions C1 to Cn includes at least a lens along the parallel direction (scanning direction) so that a plurality of the condensing lens portions C1 to Cn are arranged within the scanning width dimension (for example, 30 mm) of the light projecting beam emitted from the light projecting unit 2. The width d has a substantially rectangular outer shape shorter (for example, 5 mm) than the scanning width dimension (for example, 30 mm) of the projection beam. Each of the condensing lens portions C1 to Cn is a lens having a spherical surface that is orthogonal to the optical axis. That is, each condensing lens part C1-Cn is a lens which can narrow down light equally around the optical axis. The optical axes are integrated in a state where the side surfaces are in close contact with each other so that they are parallel to each other and arranged in a row continuously on a line orthogonal to the optical axis.
[0027]
The condenser lens array C is disposed so that the optical axes of the condenser lens portions C1 to Cn intersect the irradiation point S (movement locus SL) scanned on the surface 10a of the measurement object 10. The condenser lens array C is arranged at a position away from the irradiation point S (movement locus SL) by the focal length f1.
[0028]
The imaging lens array F is a lens array in which a plurality (m) of imaging lens portions F1 to Fm are arranged in an array in the scanning direction, like the condensing lens array. Each of the imaging lens portions F1 to Fm is a lens that can uniformly narrow incident light around its optical axis. The imaging lens portions F1 to Fm are integrated in a state in which the side surfaces are in close contact so that the optical axes thereof are parallel to each other and arranged in a line continuously on a line orthogonal to the optical axis. The imaging lens portions F1 to Fm are arranged to face each other corresponding to a predetermined number of condensing lens portions (six in FIG. 1 and FIG. 2) C1 to C6. The imaging lens array F converges the beam from the condenser lens array C and emits it to the light receiving element group P.
[0029]
The light receiving element group P is composed of the same number (m) of light receiving elements P1 to Pm as the imaging lens portion. The light receiving elements P1 to Pm correspond to the imaging lens portions F1 to Fm, respectively, and are arranged at positions separated from the focal length f2.
[0030]
As shown in FIG. 1, each of the light receiving elements P1 and P2 has light receiving surfaces P1a and P2a on which light reflected from the irradiation point S is imaged. Note that the width of the imaging point K in the scanning direction (that is, the scanning direction of the irradiation point S) is referred to as a scanning width w. A direction perpendicular to the scanning direction of the image point K is referred to as a vertical direction. Electrodes are provided at both longitudinal edges of each of the light receiving elements P1 to Pm. From these electrodes, currents corresponding to the positions of the imaging points K are output.
[0031]
Next, a first embodiment (signal processing system 20) of the displacement measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, a case where four light receiving elements are used will be described. As shown in FIG. 3, four light receiving elements P1 to P4 are arranged in the scanning direction. Electrodes provided at both longitudinal edges of the light receiving elements P1 to P4 are connected to the current-voltage conversion units 21 to 24, respectively.
[0032]
The current-voltage conversion units 21 a to 24 a connected to the electrodes in the direction in which the deviation of each of the light receiving elements P <b> 1 to P <b> 4 increases (one in the vertical direction) are connected to the first addition means 25. Further, the current-voltage converters 21 b to 24 b connected to the electrodes in the direction in which the deviation of each of the light receiving elements P <b> 1 to P <b> 4 decreases (the other in the vertical direction) are connected to the second adding unit 26. Both the first addition means 25 and the second addition means 26 are connected to the displacement calculation means 27.
[0033]
Next, the effect | action of this Embodiment is demonstrated using FIGS. 1-4. As shown in FIG. 1, the irradiation light emitted from the light source 3 is bent by the deflecting device 4 and scanned with a predetermined stroke. The scanned irradiation light is incident on the converging lens 5, becomes a beam that moves in parallel, and forms an irradiation point on the measurement target surface 10a. Irradiation light is reflected or scattered at each irradiation point S, and the reflected and scattered light (measurement light) is emitted to the light receiving means 6 side.
[0034]
As shown in FIG. 2, the measurement light first enters the collimating lens unit C1 to C6 while being scanned, becomes a parallel beam, and enters the imaging lens unit F1. The measurement light incident on each imaging lens portion F1 is uniformly narrowed around its optical axis and imaged on the light receiving element P1. At this time, on the light receiving surface P1a of the light receiving element P1, a pair of current signals Ia1 and Ib1 corresponding to the image forming position in the vertical direction of the measuring light is output from both electrodes.
[0035]
Here, as shown in FIG. 3, the current signal Ia1 output from the electrode in the direction in which the deviation increases (one in the vertical direction) is converted into the voltage signal Va1 in the current-voltage converter 21a, and the first adding means 25. Similarly, the current signal Ib1 output from the electrode in the direction in which the deviation decreases (the other in the vertical direction) is converted into the voltage signal Vb1 by the current-voltage conversion unit 21b and input to the second addition unit 26. The output signal A of the first addition means 25 and the output signal B of the second addition means 26 are input to the displacement calculation means 27 and subjected to displacement calculation, and a displacement signal D (D = (A−B) / (A + B)) is output. To do. The displacement amount of the measurement target surface 10a is obtained from the output displacement signal D.
[0036]
As shown in FIG. 4, when the measurement light is incident near the boundary between the condenser lens portions C6 and C7, it becomes parallel light and is incident near the boundary between the imaging lens portions F1 and F2. An image is formed on both of the light receiving elements P2. At this time, on the light receiving surface P1a of the light receiving element P1, a pair of current signals Ia1 and Ib1 corresponding to the imaging position in the vertical direction of the measurement light is output from both electrodes, and on the light receiving surface P2b of the light receiving element P2. A pair of current signals Ia2 and Ib2 corresponding to the imaging position in the vertical direction of the measurement light is output from both electrodes.
[0037]
Here, the current signals Ia1 and Ia2 output from the electrodes in the direction in which the deviation increases (one in the vertical direction) are converted into the voltage signals Va1 and Va2 in the current-voltage converters 21a and 22a, and the first addition means 25. Is input. Similarly, the current signals Ib1 and Ib2 output from the electrodes in the direction in which the deviation decreases (the other in the vertical direction) are converted into voltage signals Vb1 and Vb2 in the current-voltage conversion units 21b and 22b, and the second addition means 26 Is input. The first adder 25 adds the voltage signals Va1 and Va2, and the second adder 26 adds the voltage signals Vb1 and Vb2. The added output signal A of the first addition means 25 and output signal B of the second addition means 26 are input to the displacement calculation means 27 and subjected to displacement calculation, and the displacement signal D (D = (A−B) / (A + B) ) Is output. Hereinafter, the displacement calculation is similarly performed for the light receiving elements P2, P3, and P4.
[0038]
Next, a second embodiment of the displacement measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. In addition, the same number is attached | subjected about the structure same as 1st Embodiment, and the description is abbreviate | omitted. This displacement measuring device (signal processing system) 30 is connected to four light receiving elements P1 to P4 arranged in the scanning direction and a pair of electrodes provided at both longitudinal edges of each of the light receiving elements P1 to P4. A pair of current-voltage conversion units 21 to 24. The current-voltage converters 21 to 24 are connected to an analog multiplexer 31 that is a switching unit.
[0039]
Specifically, the current-voltage converters 21a to 24a connected to the electrodes in the direction in which the deviation of each of the light receiving elements P1 to P4 increases (one in the vertical direction) are first switching means (first analog multiplexer) 31a. It is connected to the. The current-voltage converters 21b to 24b connected to the electrodes in the direction in which the deviations of the light receiving elements P1 to P4 decrease (the other in the vertical direction) are connected to the second switching means (second analog multiplexer) 31b. ing. Both the first analog multiplexer 31 a and the second analog multiplexer 31 b are connected to the displacement calculation means 27.
[0040]
Two current-voltage converters (21a, 22a), (22a, 23a) in the same deviation direction connected to two adjacent light receiving elements (P1, P2), (P2, P3), (P3, P4), (23a, 24a), (21b, 22b), (22b, 23b), (23b, 24b) are connected to the same boundary adder 32 (32a, 32b, 32c), 33 (33a, 33b, 33c) ing.
[0041]
The first boundary adder 32 (32a, 32b, 32c) connected to the current-voltage converters (21a, 22a), (22a, 23a), (23a, 24a) in the direction in which the deviation increases is the first It is connected to the analog multiplexer 31a. Similarly, the second boundary adder 33 (33a, 33b, 33c) connected to the current-voltage converters (21b, 22b), (22b, 23b), (23b, 24b) in the direction in which the deviation decreases is Are connected to the second analog multiplexer 31b.
[0042]
In both the first analog multiplexer 31a and the second analog multiplexer 31b, the selectors 31c and 31c are switched by the output signal from the scanning position detecting means 35 described later, and the selected signal is output to the displacement calculating means 27, respectively. It has become.
[0043]
The scanning position detector 35 detects where the scanned light (irradiation point) is currently located on the measurement target surface 10a. The scanning position detection means 35 is provided in the deflection device 4. The scanning position detection unit 35 includes a scanning start detection unit 36, a counting unit 37, and a control unit 38 that controls the switching unit 31.
[0044]
The scanning start detection means 36 outputs a pulse serving as a scanning start signal each time light scanning is started. The control means (decoder) 38 detects the light receiving element that is currently receiving the measurement light based on the counter value n of the counting means (counter) 37 and outputs it to the switching means 31. As shown in FIG. 6, the coordinates Xa of the end of the imaging lens unit F1 where light is first incident, the coordinates Xb 1,..., Xg indicating the range near the boundary between two light receiving elements adjacent in the scanning direction Finally, the coordinates Xh of the end of the imaging lens portion F4 where light is incident are set, and switching by the switching means 31 is controlled based on the time corresponding to the coordinates Xa, Xb,..., Xh. That is, the count values na, nb, ..., nh of the counting means (counter) 37 corresponding to the coordinates Xa, Xb, ..., Xh of the switching position are set and stored as a table.
[0045]
Next, the operation of this embodiment will be described in the case where there are four light receiving elements. In addition, since the effect | action of the light reception of each light receiving element P1-P4 and the current-voltage conversion parts 21-24 is the same as that of 1st Embodiment, the description is abbreviate | omitted.
[0046]
First, when light scanning is started, a scanning start pulse serving as a reference for the scanning position is output from the scanning start detection means 36. When the scanning start pulse is output, the counter 37 counts at a predetermined frequency CLK and engraves the X coordinate.
[0047]
On the other hand, in the X coordinate, when the position X of the scanned light is in the section Xa <X ≦ Xb, Xc <X ≦ Xd, Xe <X ≦ Xf, Xg <X ≦ Xh, the deviation increases ( The current signals Ia1 to Ia4 output from the one electrode in the vertical direction are converted into voltage signals Va1 to Va4 by the current-voltage converters 21a to 24a and input to the first analog multiplexer 31a. In addition, the current signals Ib1 to Ib4 output from the electrodes in the direction in which the deviation decreases (the other in the vertical direction) are converted into voltage signals Vb1 to Vb4 by the current-voltage converters 21b to 24b, and the second analog multiplexer 31b. Entered.
[0048]
Further, in the X coordinate, when the position X of the scanned light is in the section Xb <X ≦ Xc, Xd <X ≦ Xe, Xf <X ≦ Xg, that is, two adjacent imaging lens units (F1) , F2), (F2, F3), (F3, F4), when the measurement light is incident near the boundary, the following occurs.
[0049]
Current signals (Ia1, Ia2) and (Ia2) output from electrodes in one direction (longitudinal direction) in which the deviation between two adjacent light receiving elements (P1, P2), (P2, P3), (P3, P4) increases. (Ia2, Ia3) and (Ia3, Ia4) are voltage signals (Va1, Va2), (Va2, Va3), (Va3), (Va1, Va2), (22a, 23a), (23a, 24a), respectively. (Va3, Va4) and input to the first boundary vicinity adding units 32a to 34a. And it adds by each 1st boundary vicinity addition part 32a-34a, and inputs into the 1st analog multiplexer 31a.
[0050]
Similarly, current signals (Ib1, Ib2) output from electrodes in the direction in which the deviation between the two adjacent light receiving elements (P1, P2), (P2, P3), (P3, P4) decreases (the other in the vertical direction). ), (Ib2, Ib3), (Ib3, Ib4) are voltage signals (Vb1, Vb2), (Vb2, Vb3) in the current-voltage converters (21b, 22b), (22b, 23b), (23b, 24b), respectively. ), (Vb3, Vb4) and input to the second boundary vicinity adding units 32b to 34b. And it adds by each 2nd boundary vicinity addition part 32b-34b, and inputs into the 2nd analog multiplexer 31b.
[0051]
On the other hand, the control means (decoder) 38 compares the counter value n indicating the current light position corresponding to the X coordinate and the set values na 1, nb,..., Nh. When the counter value n is na <n ≦ nb, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A1 and the input B1 by the output of the decoder 38.
[0052]
When the counter value n is nb <n ≦ nc, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A1 + A2 and the input B1 + B2 by the output of the decoder 38.
[0053]
When the counter value n is nc <n ≦ nd, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A2 and the input B2 by the output of the decoder 38.
[0054]
When the counter value n is nd <n ≦ ne, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A2 + A3 and the input B2 + B3 by the output of the decoder 38.
[0055]
When the counter value n is ne <n ≦ nf, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A3 and the input B3 by the output of the decoder 38.
[0056]
When the counter value n is nf <n ≦ ng, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A3 + A4 and the input B3 + B4 by the output of the decoder 38.
[0057]
When the counter value n is ng <n ≦ nh, the selectors 31c and 31c of the analog multiplexer 31 are switched between the input A4 and the input B4 by the output of the decoder 38.
[0058]
The output signals selected from the first analog multiplexer 31a and the second analog multiplexer 31b by the switching operation described above are input to the displacement calculating means 27, and the displacement is calculated as in the first embodiment.
[0059]
When one cycle elapses after the scan start pulse is output, the light is again scanned from the initial position, and the scan start pulse is output again. This pulse may also serve as a reset of the counter 37.
[0060]
In the above-described two embodiments, the case where the number of light receiving elements is four has been described. However, a plurality of light receiving elements may be arranged in the scanning direction, and the number is not limited to four.
[0061]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to increase the scanning width of light, and to perform displacement measurement with high accuracy, high speed, and short time for a measurement object.
[0062]
Further, based on the detected light scanning position, the light receiving element that is currently receiving the light is detected and the pair of output signals are switched, so that the displacement calculation can be performed with less noise and with higher accuracy.
[0063]
Furthermore, by receiving light incident near the boundary between two adjacent light receiving elements using the imaging lens array, it is possible to perform displacement measurement with higher accuracy near the boundary.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a scanning optical system of a displacement measuring apparatus.
FIG. 2 is a schematic view of light receiving means of a scanning optical system of a displacement measuring device.
FIG. 3 is a diagram of a signal processing system showing a first embodiment according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an operation in the vicinity of a boundary between successive imaging lens portions.
FIG. 5 is a diagram of a signal processing system showing a second embodiment according to the present invention.
FIG. 6 is a timing chart corresponding to the light receiving means of the scanning position detecting means according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic diagram of a scanning optical system of a displacement measuring device.
FIG. 8 is a diagram illustrating an operation of an image forming point on a light receiving surface.
FIG. 9 is a schematic diagram of a signal processing system of a conventional displacement measuring apparatus.
[Explanation of symbols]
10a ... measurement object surface, first addition means ... 25, second addition means ... 26, displacement calculation means ... 27, 30 ... displacement measuring device, first boundary addition means ... 32 (32a, 32b, 32c), Second boundary adding means ... 33 (33a, 33b, 33c), scanning position detecting means ... 35, switching means ... 31 (31a, 31b), scanning start detecting means ... 36, P ... light receiving element group, P1-Pm ... Light receiving element, F1 to Fn ... imaging lens part, F ... imaging lens array

Claims

In a displacement measuring device that scans light on a measurement target surface and measures the displacement of the measurement target surface in a non-contact manner,
A plurality of light receiving elements that are arranged in a light scanning direction, receive light from the measurement target surface, and generate a pair of output signals based on a light receiving position;
A plurality of imaging lens portions having imaging characteristics that are uniform around the optical axis are configured along the scanning direction of the light, and an imaging lens array that forms an image of light from the measurement target surface on the light receiving element;
A current light scanning position, which detects a current light scanning position, and outputs a scanning start signal each time the light is scanned, and a current light scanning position based on the scanning start signal of the scanning start detection means A scanning position detecting means comprising: a counting means for counting the number of times; and a control means for detecting the light receiving element that is currently receiving light based on the count value of the counting means and controlling the switching means;
Switching means for receiving the input of the pair of output signals and switching the pair of output signals based on a detected scanning position of the light;
Displacement calculating means for calculating displacement based on a pair of output signals selected by the switching means ;
When light is incident in the vicinity of the boundary between two continuous imaging lens units, one of a pair of output signals obtained from two adjacent light receiving elements corresponding to the continuous imaging lens unit is added. First boundary adding means for outputting to the switching means;
When light is incident in the vicinity of the boundary between two continuous imaging lens portions, the other of a pair of output signals obtained from adjacent light receiving elements corresponding to the continuous imaging lens portions is added, Second boundary addition means for outputting to the switching means,
The control means controls the switching means by detecting the vicinity of a light receiving element that is currently receiving light or two adjacent light receiving elements based on the count value of the counting means. apparatus.

2. The imaging lens array according to claim 1, wherein the plurality of imaging lens portions have optical axes parallel to each other, and are arranged in parallel on a straight line orthogonal to the optical axes . Displacement measuring device.