JP3984382B2 - 変位測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光による三角測量を利用して測定対象物の変位を非接触で測定する変位測定装置に係り、特に測定対象の凹凸により反射光が遮光される測定対象面があっても変位量を測定できる変位測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光を用いて測定対象面の高さ変位(凹凸)を測定する場合、図9に示すように、投光器51からレーザビームを測定対象物52の表面に照射し、その照射点Pの像Kを結像レンズ53によって受光素子54の受光面上に結像させる三角測量方法による変位測定装置が用いられている。
【0003】
この受光素子54は、受光面上の結像点Kの縦方向(投光器51のビームと結像レンズ53の光軸とで形成される面と同じ方向)の位置に対応した信号を出力するように構成されており、照射点Pの高さ方向の変位に対する結像点Kの移動軌跡に受光面が一致する角度に配置されている。
【0004】
この変位測定装置に対して測定対象物52を投光器51のビームの光軸と結像レンズ53の光軸とで形成される面と直交する方向に相対移動し、照射点Pが高さ方向に動くと(照射点P’又は照射点P”)、受光素子54の受光面の結像点Kの位置がこれに対応するように移動して(結像点K’又は結像点K”)、受光素子54からの信号も結像点Kの変位に応じて変化する。この信号の変化量から測定対象面の高さ方向の変位を検出することができる。
【0005】
ところが、上記変位測定装置は、測定対象物52を高さ方向に垂直なX軸方向とY軸方向とに相対移動させる機構を有している。この機構は、通常モータ等を駆動源とする低速なものであるので、測定対象物52の表面全体に渡って細かいピッチで測定しようとすると、測定時間が非常に長くなってしまう。
【0006】
このため、近年では、図10に示すような走査型の変位測定装置100を用いて、測定対象物110の移動のうち、X軸又はY軸方向のいずれか一方のみを移動するだけで測定できるようにしている。図10は、その走査型の変位測定装置100の概略斜視図である。
【0007】
この走査型の変位測定装置100の投光系では、光源101から放射されるビームを振動ミラー型等の偏向装置102によって一定角度内の範囲で偏向させ、この偏向されたビームをレンズ103によってその光軸が一平面上で平行に移動するビームにする。そして、そのビームを測定台111上に載置されている測定対象物110の表面110aに所定の入射角度により照射し、その照射点Pを直線的に往復走査又は片道走査する。
【0008】
照射点Pを直線的に往復走査又は片道走査されたビームは、入射角度と同じ角度で受光系に正反射され、その照射点Pの像を第1円筒面レンズ(シリンドリカルレンズ)104及び第2円筒面レンズ105によって受光素子106の受光面106aに結像される。この変位測定装置100では、測定対象面110aが鏡面のように反射率が高い場合は、照射点Pで反射される光の殆どが、照射点Pを対称にして入射角度と同じ角度で受光系に反射される。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したように、受光系に円筒面レンズ104,105を用いた従来の走査型の変位測定装置100では、測定対象面110aが粗面であるため反射率が低く、照射点Pからの光が散乱して拡がった場合には、受光素子106の受光面106aの像がぼけてしまい、測定精度が著しく低下するという問題点がある。
【0010】
即ち、円筒面レンズ104,105は、基本的にレンズの円筒面の周方向に対してのみ集束性を示し、他の方向には集束性はない。このため、図11(a)に示すように、照射点Pで反射,散乱した光のうち第1円筒面レンズ104の円筒面の周方向に拡がった光は、第1円筒面レンズ104で集束されて第2円筒面レンズ105に入射され、第2円筒面レンズ105で受光素子106の受光面106aの幅方向の中心へ向かうように偏向されて、受光面106a上に像Kを結ぶ。
【0011】
これに対し、図11(b)に示すように、照射点Pで反射,散乱した光のうち第1円筒面レンズ104の円筒面の軸方向に拡がった光は、第1円筒面レンズ104では全く集束されずに拡がったままで第2円筒面レンズ105へ入射される。このため、受光素子106の受光面106a上の像Kは受光面106a幅方向に伸びた直線になる。
【0012】
しかも、照射点Pの像を焦点距離の短い第1円筒面レンズ104だけで絞り込むようにしているため、第1円筒面レンズ104の収差により、受光素子106の受光面106a上の結像パターンは、図12に示すように横長の長円状にぼやけてしまう。これにより、受光素子106から出力される信号のS/Nが低下し、測定表面の変位を高い精度で測定することができない問題点を生じる。
【0013】
さらに、図13に示すように、測定対象物110の測定対象面110aに凹凸があり、所定の段差110cを有していることがある。このような形状では、投光系から放射されたビームが所定の入射角度により照射し入射角度と同じ角度で受光系に正反射される際に、この段差110cで遮られることがある。この場合、段差110c付近の変位を測定できなかった。
【0014】
本発明は、上記欠点を除くためになされたものであって、その目的は、測定対象面の表面状態にかかわらず、高精度の変位測定を行うことにある。また、他の目的は、受光面の幅方向の収差をなくして結像させることにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項1記載の変位測定装置は、
測定対象面に垂直入射される照射光からの散乱光を受光素子の受光面で捉えて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、
前記垂直入射される照射光により前記測定対象面に形成される照射点Pを一定の範囲で走査する走査手段2と、前記照射点Pを挟んで対向する位置に前記照射点Pから等距離に設けられている一対の受光手段6−1,6−2と、を有し、
前記各受光手段6−1,6−2は、
受光素子9と、複数の球面集束型の集光レンズを有し、前記散乱光を集束させるレンズアレイ7と、前記集束された照射光を前記受光素子9の受光面上に結像させる球面集束型の結像レンズ8と、をそれぞれ備えていることを特徴としている。
【0016】
また上記レンズアレイにおいては、前記集光レンズの各光軸は平行であり、複数の前記集光レンズは前記各光軸と直交する一直線上に配置されており、該集光レンズの各々の焦点距離は略等しく、且つ、前記照射点Pからの散乱光を集束させることとしてもよい。
【0017】
更に、上記変位測定装置に、前記一対の受光手段6−1,6−2に含まれる各受光素子9の受光面に結像された前記照射光の位置に基づき前記測定対象面の変位信号を出力する変位測定手段10を備えることとしてもよい。
【0018】
また、前記変位測定手段10は、
前記一対の受光手段6−1,6−2に含まれる各受光素子9−1,9−2の各受光面上での結像位置に応じて得られた該各受光素子9−1,9−2の照射光に対し対称な位置の出力電気信号同士を予め合計する2つの電流電圧変換部11a,11bと、
該電流電圧変換部11a,11bで得られた各々の電気信号を加算する加算部12と、
前記電流電圧変換部11a,11bで得られた各々の電気信号を減算する減算部13と、
該減算部13で得られた電気信号を前記加算部12で得られた電気信号で除算する除算部14と、を具備する構成としてもよい。
また、前記変位測定手段10は、
前記一対の受光手段6−1,6−2に含まれる各受光素子9−1,9−2の各受光面上での結像位置に応じて得られたそれぞれ一対の電気信号を加減演算する加減演算部12,13と、該加減演算部12,13で前記各変位が加算された加算信号と前記加減演算部12,13で前記各変位が減算された減算信号に基づいて除算を行う除算部14,14と、を前記各受光手段6−1,6−2ごとに有するとともに、
前記各除算部14で除算された値に対応する各変位信号及び前記除算された値の平均値に対応する変位信号の入力を受け、いずれかの変位信号を出力するように切替自在な切替手段17と、
前記各加算信号が所定の基準値を満たしているか否かを判定するレベル判定手段15,15と、
該レベル判定手段15,15における判定結果に基づき前記切替手段17に入力される前記各変位信号のうち適切なものを選択的に切り替えて出力する選択手段16と、を具備する構成としてもよい。
【0019】
上記構成によれば、測定対象物20の測定対象面20aに垂直入射される照射光は走査手段4により一定の間隔で走査される。この照射光の散乱光は照射点Pを挟んで対向する位置に前記照射点Pから等距離に設けられた一対の受光手段6−1,6−2でそれぞれ検出される。この一対の受光手段6−1,6−2は、受光素子9−1,9−2と、走査される照射点Pからの散乱光を、前記各照射点Pに対応する位置で走査方向と直交する方向に集束させるレンズアレイ7−1,7−2と、集束された照射光を前記受光素子9−1,9−2の受光面a上に結像させる球面集束型の結像レンズ8−1,8−2で構成されている。
これにより、測定対象面20a上の段差20c等で一方の受光手段6−1側で散乱光が検出できない場合であっても、他方の受光手段6−2側で散乱光を受光し変位量を測定出力することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
図1は本発明による変位測定装置の実施の形態を示す概略斜視図、図2は同側面図である。変位測定装置1は、測定光を走査して出射する走査光学系2と受光手段である一対の受光光学系6(6−1,6−2)とで大略構成されている。
走査光学系2は、レーザダイオード3と、レーザダイオード3から放射されるレーザ光を屈曲させ測定対象物20に導く回転ミラー型又は振動ミラー型の偏向装置4と、偏向装置4から放射された光(投光ビーム)を固定された測定台21上に載置されている測定対象物20に集束させるレンズ5を有する。
【0021】
一方、受光光学系6(6−1,6−2)は、測定対象面20a上で走査される照射点Pにより形成される移動軌跡(走査方向)PLを中央として互いに対称な位置にそれぞれ設けられている。
各受光光学系6(6−1,6−2)は、レンズアレイ7(7−1,7−2)と球面集束型の結像レンズ8(8−1,8−2)と受光素子9(9−1,9−2)で構成されている。
【0022】
レンズアレイ7は、互いに等しい焦点距離f1(例えば20mm)を有する複数(図1に図示の例では5個)の集光レンズ部7a〜7eが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで一体形成されている。
【0023】
各集光レンズ部7a〜7eは、それぞれ、走査光学系2から放射される投光ビームの走査幅寸法(30mm)内に複数個並ぶように、少なくともその並列方向に沿った幅が走査幅より短い(1個が例えば6mm)略矩形状の外形を有する。
また、各集光レンズ部7a〜7eは、その光軸に直交する一方の面が球面状に形成された球面集束型のレンズ部となっている。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。
【0024】
レンズアレイ7は、各集光レンズ部7a〜7eの光軸が測定対象物20の表面20a上に走査される照射点P(移動軌跡PL)と交わるように配置されている。また、図2に示すように、レンズアレイ7は、その長手方向が照射点Pの移動軌跡PLと平行になるように配置されている。
各レンズアレイ7は、偏向装置4から測定対象面20aへの垂直な光軸を対象にして、所定角度の広がりをもって配置されている。照射点Pからレンズアレイ7までの距離は焦点距離f1とほぼ等しくなる位置に配置されている。なお、ここで球面集束型のレンズとは、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。
【0025】
結像レンズ8は、走査光学系2から放射されるビームの走査幅寸法(30mm)より大きい径を有し、その光軸方向に平行に入射した光が一転に結像されるように設計されている。なお、この面はレンズアレイ7からの光が入射する範囲に対応した部分のみを切り出した形状にしてもよい。
【0026】
結像レンズ8は、その光軸がレンズアレイ7の中央の集光レンズ部7cの光軸と一致するように、結像レンズ8の設計上平行光を入射させる面とレンズアレイ7の球面は対面して配置されている。
【0027】
各受光素子9(9−1,9−2)は、矩形状の受光面9aの中心が結像レンズからその焦点距離f2離れた位置で結像レンズ8の光軸と交わっている。受光面9aに結像される結像点Kは、測定対象面20aの変位(凹凸)に対応して受光面9a上を移動するようになっている。この結像点Kの移動方向を縦方向と称す。受光素子9は結像レンズ8の焦点までの距離f2を維持するため、縦方向が水平方向に対し所定の傾きをもってそれぞれ配置されている。
【0028】
縦方向に直交する受光面9aの横幅は、レンズアレイ7の各集光レンズ部7a〜7eの走査方向の幅に、各集光レンズ部7a〜7eと結像レンズ8の焦点距離の比f2/f1(倍率)を乗じた大きさ(例えば集光レンズ部の幅が上述した通り6mmで倍率が4のとき24mm)に予め設定されている。
【0029】
各受光素子9−1,9−2の縦方向の両端には電極が設けられており、この縦方向の移動量に対応した電流信号を出力するようになっている。具体的には、一方の受光素子9−1の両端からは、電流信号A1及び変位が電流信号B1を出力するようになっている。同様に、他方の受光素子9−2の両端からは、電流信号A2及び電流信号B2を出力するようになっている。電流信号A1と電流信号B1の比率及び電流信号A2と電流信号B2の比率は、受光面9aに結像する結像点Kの縦方向の位置によって決まる。
【0030】
図6は一対の受光素子9−1,9−2の出力に基づき測定対象物20の変位を演算する電気的構成(変位測定手段10)を示すブロック図である。
この変位測定手段10は、加減演算部を構成する電流−電圧変換部11,加算部12及び減算部13と、除算部14を有している。電流−電圧変換部11は、各受光素子9−1,9−2ごとに、入力された電流信号を電圧信号に変換する第1電流−電圧変換部11a及び第2電流−電圧変換部11bが並列接続されて構成されている。加算部12は、各電流−電圧変換部11a,11bからの電圧信号を加算し、減算部13は、各電流−電圧変換部11a,11bからの電圧信号を減算する。除算部14は、加算部12及び減算部13から出力された信号を除算して変位信号Dを出力するようになっている。
【0031】
次に、本実施の形態の作用について図2〜図6を用いて説明する。まず、不図示の駆動回路によりレーザダイオード3から偏向装置4へレーザ光が放射される。入射されたレーザ光(投光ビーム)は、図2に示すように、偏向装置4により測定台21と平行な面内で測定台21の搬送方向(Y軸方向)と直交する方向(X軸方向)に片道又は往復走査される。
走査された投光ビームはレンズ5を介して集束され、測定台21上に測定対象物20の測定対象面20aに対して垂直に入射して測定対象面20a上に照射点Pを形成する。投光ビームは、測定対象面が鏡面でない場合は、照射点Pから散乱する。
【0032】
ここで、照射点Pが、例えば図3(a)に示すように、レンズアレイ7の集光レンズ部7aに対向する範囲でその光軸より外側にある場合、照射点Pから反射,散乱した光は、主に集光レンズ部7aによってほぼ平行なビームに集束され、結像レンズ8に対してその光軸に角度のある状態で入射される。
【0033】
結像レンズ8は、集光レンズ部7aからのビームを、その光軸の向きを変えて受光素子9の受光面9aの一端側の位置に集束させる。レンズアレイ7の各集光レンズ部7a〜7e及び結像レンズ8は、光を光軸の周りに均等に絞り込む球面集束型のレンズであるから、図4(a)に示すように、側方からみて照射点Pから散乱する光も集光レンズ部7a〜7eによってほぼ平行に集束され、結像レンズ8によって受光素子9の受光面9a上に集束される。
【0034】
このため、各受光素子9−1,9−2の受光面9aには、照射点Pの高さに正確に対応した位置に点状の像Kaが作られ、その位置に対応した電流信号が出力される。なお、照射点Pから他の集光レンズ部に入射する光も集束されて結像レンズに入射するが、これらの光は受光素子9の受光面9a上には結像されない。
【0035】
また、ビームの走査によって照射点Pが、図3(b)に示すように、レンズアレイ7の集光レンズ部7aの光軸と交わる位置に来た場合には、照射点Pから反射,散乱した光は、主に集光レンズ部7aによってほぼ平行なビームに集束され、結像レンズ8に対してその光軸に角度のある状態で入射される。このため、照射点Pの像Kaは、受光素子9の受光面9aの幅方向のほぼ中心位置につくられる。
【0036】
更にビームが走査されて照射点Pが、図3(c)に示すように、レンズアレイ7の集光レンズ部7aに対向する範囲内でその光軸により隣の集光レンズ部7b寄りにある場合、照射点Pから反射,散乱した光は、主に集光レンズ部7aによって集束され、結像レンズ8に対してその光軸に図3(a)の場合と逆な角度をもって入射する。このため、結像レンズ8は、受光素子9の受光面9aの幅方向の他端側の位置で点状の像Kaをつくる。
【0037】
このように、照射点Pの位置が集光レンズ部7a〜7eに対向する範囲内で一端から他端に移動すると、受光素子9の受光面9a上の像Kaの位置は、受光面9aの幅方向の一端側から他端側に移動することになる。
【0038】
また、ビームの走査にともなって、例えば図4(b)に示すように照射点PがP’のように高さ方向にδだけ移動すると、受光素子9の受光面9a上の像がK’のようにずれてその位置に対応する電流信号が出力される。そして、この電流信号から照射点P’の基準面からの高さが検出され、照射点Pの高さとの差δも判る。
【0039】
そして、図3(d)に示すように、照射点Pが集光レンズ部7aと集光レンズ部7bの境界部に対向する位置に来ると、その照射点Pからの光は、隣接する2つの集光レンズ部7a,7bによってそれぞれほぼ平行なビームに集束されて結像レンズ8に入射される。このため、受光素子9の受光面9aの幅方向の両端に像Ka,Kbがつくられるが、この2つの結像点Ka,Kbの受光面9aの縦方向に沿った位置はともに等しいので、受光素子9からは像が1つの場合と同様にその縦方向の位置に対応した電流信号が出力される。
【0040】
ビームがさらに走査されて、図3(e)に示すように、照射点Pが集光レンズ部7bに対向する範囲内まで移動すると、照射点Pから反射,散乱した光は、主に集光レンズ部7bによって集束され、結像レンズ8に対してその光軸に角度のある状態で入射する。そして、結像レンズ8は、受光素子9の受光面9aの幅方向の一端側の位置で点状の像Kbをつくる。
【0041】
以下同様に、照射点Pが所定範囲(ここでは30mm)を走査される間に、受光素子9の受光面9a上の像Kは、レンズアレイ7の集光レンズ部7a〜7eの数に等しい回数だけ幅方向に一端から他端まで移動しながら、測定対象物20の表面20aの高さの変位に応じて縦方向に移動する。
そして受光素子9からは、測定対象物20の表面20aの高さ変位に正確に対応した電流信号が出力され、この電流信号に基づいて各測定対象面20aの変位を測定することができる。
【0042】
ここで、図7の側面図に示すように、照射点Pが測定対称面20aに形成される段差部20cの近傍に位置した場合、一方の受光光学系6に散乱されるはずの光が凸部の側面により遮断される(図中点線で記載)。この場合、遮断により結像されなかった一方の受光素子9−1からは測定対象物20の表面20aの高さ変位に対応した電流信号が出力されない。
しかしながら、他方の受光素子9−2には、上述した通り照射点Pの像Kが結像され、測定対象物20の表面20aの高さ変位に正確に対応した電流信号が出力され、この電流信号に基づいて各測定対象面20aの変位を測定することができる。
【0043】
上述のように出力された電流信号は、以下のように処理される。図6に示すように、電流信号A1,A2は、第1電流−電圧変換部11aに入力されて電圧信号に変換される。電流信号B1,B2は、第2電流−電圧変換部11bの入力されて電圧信号に変換される。
第1電流−電圧変換部11aでは電流信号A1とA2が、第2電流−電圧変換部11bでは電流信号B1とB2がそれぞれ加算され、電圧信号A,Bに変換される。変換された電圧信号A,Bは、加算部12と減算部13にそれぞれ出力される。
【0044】
加算部12により加算された値A+Bと減算部13により減算された値A−Bは、ともに除算部14に出力され、(A−B)/(A+B)として算出され、変位信号Dとして出力される。
【0045】
なお、図7の如く、照射点Pが測定対象面20aの段差部20c近傍に位置して一方の受光素子9−1には結像されなかった場合、例えば、その一方の受光素子9−1からは、電流信号A1,B1は出力されないこととなる。この場合でも電流信号A2,B2のみを電圧信号A,Bに変換して加算部12及減算部13に入力してA2+B2とA2−B2を算出し、アナログ形式の除算部14で(A2−B2)/(A2+B2)を算出して変位信号Dを算出することができる。このように、加算(A2+B2)及び減算(A2−B2)された出力を除算部14で除算する構成により、受光量の変動に影響されずに精度良い変位出力を得ることができるようになる。
【0046】
ところで、上記構成の変位測定手段10によれば、各受光素子9−1,9−2に対応する出力信号(電流信号)を予め加えてから加算及び減算を行った後に変位演算を行うため、除算部14を1つにまとめることができ、低コスト化できる。
なお、第1電流−電圧変換部11a、第2電流−電圧変換部11b、加算部12、減算部13は、オペアンプを用いて構成できる。また、除算部14はCPUを用いてデジタル処理する構成にすることもできる。
【0047】
このように、実施形態の変位測定装置1では、受光光学系には球面集束型の結像レンズ8が走査光学系のビーム走査方向と平行に一列に連続した状態で並んでいるレンズアレイ7によって照射点からの光をほぼ平行なビームに集束し、このビームを球面集束型の結像レンズ8で受光素子9の受光面9a上に点状に集束させるようにしている。このため、測定対象物の表面が粗な場合でも、受光素子9の受光面9a上の像が広がってぼやけることがなく、精度の高い変位測定ができる。
【0048】
また、ビームの走査範囲より径が大きい1つの球面集束型の集光レンズのみで照射点からの光をほぼ平行に集束して結像レンズ8へ出射する従来の方式に比べて、受光面9aの幅が小さい受光素子9を用いることができるようになる。つまり、この種の受光素子9は、その幅が大きい程、応答速度が遅くなることが知られている。上記実施形態のように、小さな複数の集光レンズ部で照射点からの光を集束するように構成することで、受光面9aの幅が小さく応答速度の速い受光素子9を用いることができる。これにより、走査速度を上げて受光素子9の信号出力に対する処理速度を上げることができ、測定時間を短縮することが可能となる。
【0049】
図8は、上記変位測定手段10の変形例を示すブロック図である。
上述した変位測定手段10では、各受光素子9−1,9−2の対応する出力信号(電流信号)を加算した後に変位演算を行ったが、図8に示すように、各受光素子9−1,9−2からの出力信号ごとに変位演算を行う形式としてもよい。
具体的には、上述した変位測定装置10において示した加減演算部と除算部とが各受光光学系6ごとに構成する。
【0050】
この場合、各加算部12における加算信号L1(A1+B1),L2(A2+B2)は、それぞれレベル判定手段15に入力され、データL1,L2が所定の基準値に達しているか否かが判別される。基準値に達していると判定された場合は、判定結果が選択手段であるデコーダ16に入力される。
【0051】
判定結果により加算信号L1のみが基準値に達している場合、一方の受光素子9−1側の変位信号D1((A1−B1)/(A1+B1))を出力させる信号が切替手段17に出力され、スイッチS1側に切り替わる。これにより変位信号D1が出力される。
一方、判定結果により加算信号L1及びL2がともに基準値に達している場合、他方の受光素子9−2側の変位信号D2((A2−B2)/(A2+B2))を出力させる信号が切替手段17に出力され、スイッチS2側に切り替わる。これにより変位信号D2が出力される。
【0052】
また、判定結果により加算信号L2のみが基準値に達している場合、各受光素子9−1,9−2の変位信号D1,D2の平均値D3を出力させる信号が切替手段17に出力され、スイッチS3側に切り替わる。これにより平均化手段18で平均化処理された平均値D3が出力される。
なお、加算信号L1,L2がともに基準値より低い場合、デコーダ16は測定不能であるとしてアラーム信号を外部に出力し、変位出力は予め決められたある一定の値をとるようにする。
【0053】
図8の変位測定手段10によれば、各受光素子9−1,9−2にそれぞれ加算部12及び減算部13を設けた構成であり、ノイズレベルが増大することがなくS/N比が良好であり、変位測定精度を向上させることができる。特に、一方の受光素子にしか光が入らない又は受光量が低いときでも所定の精度を得ることができる。
【0054】
上記実施形態では、ビームの走査範囲が30mmに対して、5つの集光レンズ部7a〜7eを有するレンズアレイ7を用いた構成であったが、これは本発明を限定するものではない。例えば、集光レンズ部をより小さくすれば(例えば幅2mm)、受光素子9の受光面9aの幅をさらに小さくすることができ、受光素子9から出力される信号に対する処理速度をさらに上げることができる。
【0055】
また、各集光レンズ部の焦点距離f1と結像レンズ8の焦点距離f2の比f2/f1を小さくすれば受光素子9の縦方向の長さも小さくできるが、このために結像レンズ8の焦点距離f2を小さくすると収差が悪化し、集光レンズ部の焦点距離f1を大きくすると受光量が低下するため、測定対象物の表面状態や測定に要求される精度等に応じて、各レンズの外径、焦点距離等を決定すればよい。
【0056】
また、上記実施形態のレンズアレイ7は、複数の集光レンズ部が合成樹脂あるいはガラスで一体成形されたものを用いたが、個別につくられた複数の集光レンズを接着して一体化してもよく、また、各集光レンズを接着せずに隙間のない状態で一列に並べたものであってもよい。
【0057】
また、上記実施形態では、レンズアレイ7の各集光レンズ部および結像レンズ8を、一方の面が実際に球面状に形成されている球面集束型のレンズを用いていたが、光をその光軸の周りに均等にしぼり込むことができる球面集束型のレンズであればよく、両面が球面または非球面のレンズを用いてもよい。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したように本発明による変位測定装置では、測定対象面から散乱された光を、投光器から垂直入射される光の照射点に対称に受光系を一対で設けることにより、特に、測定対象面上の段差などで、一方の受光系側の散乱光が遮蔽されるなどして十分な受光量が得られないときでも、他方の受光系で得られた受光量により変位測定でき測定精度を維持できるようになる。
【0059】
また、両受光手段にレンズアレイを設けることにより、上記効果に加えて受光面の幅方向の収差をなくして結像させることができる。特に、測定対象面が粗な場合でも、受光素子の受光面上の照射点の像が広がってぼやけることがなく、しかも、受光面が小さく応答速度が速い受光素子を用いることができ、精度の高い変位測定を高速に行えるようになる。
【0060】
更に、変位測定手段に、受光素子に対する出力信号を予め加えてから加算及び減算を行い、その後除算を行うため、受光量の変動があっても変位量を精度良く測定でき、除算部の構成が簡単で変位測定手段の低コスト化を図ることができる。
【0061】
また、各受光手段ごとに加算,減算,除算を行い、各加算信号が所定の基準値を満たしているか否かを判定し、その判定結果に基づき除算により得られた変位信号を出力するように変位測定手段を構成することにより、ノイズレベルが増大することがなくS/N比が良好であり、変位測定精度を向上させることができる。特に、受光量が低いときでも所定の精度を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による変位測定装置の概略斜視図である。
【図2】本発明による変位測定装置の側面図である。
【図3】本発明による実施の形態の受光光学系における照射点の走査に対応した結像点を示した上面図である。
【図4】本発明による実施の形態の受光光学系における照射点に対応した結像点を示した側面図である。
【図5】本発明の実施の形態における変位測定装置の高さ方向の変位を示した側面図である。
【図6】本発明の実施の形態における変位測定手段を示したブロック図である。
【図7】測定対象物の照射点近傍に段差がある場合の散乱光の遮断状態を示す側面図である。
【図8】本発明の他の実施の形態における変位測定手段を示したブロック図である。
【図9】従来の変位測定装置を示した概略斜視図である。
【図10】従来の受光光学系における照射点に対応した結像点を示した図である。
【図11】従来の変位測定装置の受光面に結像された結像点を示した図である。
【図12】測定対象物の照射点近傍に段差がある場合の散乱光の遮断状態を示す側面図である。
【図13】従来の変位測定装置における測定対象物の照射点近傍に段差がある場合の散乱光の遮断状態を示す側面図である。
【符号の説明】
1…変位測定装置、2…走査光学系、3…レーザダイオード、4…偏向装置、5…レンズ、6(6−1,6−2)…受光光学系、9(9−1,9−2)…受光素子、9a…受光面、10…変位測定手段、11…電流−電圧変換部、12…加算部、13…減算部、14…除算部、15…レベル判定手段、16…デコーダ、17…切替手段、18…平均化手段、20…測定対象物、7(7−1,7−2)…レンズアレイ、8(8−1,8−2)…結像レンズ、P…照射点、PL…走査方向(移動軌跡)。
Claims (5)
- 測定対象面に垂直入射される照射光からの散乱光を受光素子の受光面で捉えて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、
前記垂直入射される照射光により前記測定対象面に形成される照射点(P)を一定の範囲で走査する走査手段(2)と、前記照射点を挟んで対向する位置に前記照射点から等距離に設けられている一対の受光手段(6)と、を有し、
前記各受光手段は、
受光素子(9)と、複数の球面集束型の集光レンズを有し、前記散乱光を集束させるレンズアレイ(7)と、前記集束された照射光を前記受光素子の受光面上に結像させる球面集束型の結像レンズ(8)と、をそれぞれ備えていることを特徴とする変位測定装置。 - 前記レンズアレイにおいては、前記集光レンズの各光軸は平行であり、複数の前記集光レンズは前記各光軸と直交する一直線上に配置されており、該集光レンズの各々の焦点距離は略等しく、且つ、前記照射点からの散乱光を集束させることを特徴とする請求項1記載の変位測定装置。
- 前記一対の受光手段(6)に含まれる各受光素子(9)の受光面に結像された前記照射光の位置に基づき前記測定対象面の変位信号を出力する変位測定手段(10)を備えることを特徴とする請求項1又は2のいずれかに記載の変位測定装置。
- 前記変位測定手段(10)は、
前記一対の受光手段(6)に含まれる各受光素子(9)の各受光面上での結像位置に応じて得られた該各受光素子の照射光に対し対称な位置の出力電気信号同士を予め合計する2つの電流電圧変換部(11)と、
該電流電圧変換部で得られた各々の電気信号を加算する加算部(12)と、
前記電流電圧変換部で得られた各々の電気信号を減算する減算部(13)と、
該減算部で得られた電気信号を前記加算部で得られた電気信号で除算する除算部(14)と、
を具備することを特徴とする請求項3記載の変位測定装置。 - 前記変位測定手段(10)は、
前記一対の受光手段(6)に含まれる各受光素子(9)の各受光面上での結像位置に応じて得られたそれぞれ一対の電気信号を加減演算する加減演算部(12,13)と、該加減演算部で前記各変位が加算された加算信号と前記加減演算部で前記各変位が減算された減算信号に基づいて除算を行う除算部(14)と、を前記各受光手段ごとに有するとともに、
前記各除算部で除算された値に対応する各変位信号及び前記除算された値の平均値に対応する変位信号の入力を受け、いずれかの変位信号を出力するように切替自在な切替手段(17)と、
前記各加算信号が所定の基準値を満たしているか否かを判定するレベル判定手段(15)と、
該レベル判定手段における判定結果に基づき前記切替手段に入力される前記各変位信号のうち適切なものを選択的に切り替えて出力する選択手段(16)と、
を具備することを特徴とする請求項3記載の変位測定装置。
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