JP4879636B2

JP4879636B2 - 光学装置、および、光学式変位測定器

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Publication number: JP4879636B2
Application number: JP2006112963A
Authority: JP
Inventors: 豊三木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2006-04-17
Filing date: 2006-04-17
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-04-17
Also published as: JP2007285839A

Description

本発明は、平行光とされた光を被測定物の測定面に向けて集光して照射するとともに、この測定面からの反射光を受ける光学装置、および、光学変位測定器に関する。

従来、測定面に光を照射して、測定面の形状を測定する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載のものは、信号検出光学系とビームスプリッタとの間の光路上に、空間フィルタが配設されている。この空間フィルタの中央部付近には、遮蔽部が形成されている。
そして、物体面からの反射光を遮蔽部に導くことによって、その反射光の光軸近傍の光量を遮断または減衰させ、信号検出光学系において検出される受光量の最大値と最小値との比を小さくして、ＳＮ比の低下を防ぐ構成が採られている。

特開平８−１２８８０６号公報

しかしながら、上述したような特許文献１のような構成では、ワークの形状が例えば曲面であって、このワークにおける測定面の傾斜角が、レンズで集光されてワークに入射される集光光の放射角よりも大きい場合、良好な測定ができないおそれがあるという問題が一例として挙げられる。

具体的には、特許文献１のような構成では、図９に示すように、平行光Ｌ９０１が対物レンズ８００で集光されて被測定物９００に入射される集光光Ｌ９０２は、測定面９０１で反射されて反射光Ｌ９０３となる。測定面９０１の傾斜角θ１１と、集光光Ｌ９０２の放射角θ２１と、が等しい場合、集光光Ｌ９０２の外縁（以下、集光光外縁と称す）Ｌ９０２Ａ、および、反射光Ｌ９０３の外縁（以下、反射光外縁と称す）Ｌ９０３Ａのみが重畳し、他の部分が重畳しない状態となる。つまり、集光光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９０３Ａのなす角度は、０°となる。このとき、集光光Ｌ９０２と重畳する反射光外縁Ｌ９０３Ａは、平行光Ｌ９０１の外縁（以下、平行光外縁と称す）Ｌ９０１Ａを進行して、受光ビームとして合焦位置の検出に利用できない。
また、図１０に示すように、被測定物９１０の測定面９１１の傾斜角θ１２が、集光光Ｌ９０２の放射角θ２１よりも大きい場合、集光光Ｌ９０２および反射光Ｌ９１１は、重畳しない状態となる。つまり、集光光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９１１Ａのなす角度は、０°より小さくなる。このとき、反射光外縁Ｌ９１１Ａは、対物レンズ８００を通過した後、平行光外縁Ｌ９０１Ａより外側の位置を進行して、受光ビームとして利用できない。
このように、図９に示すような場合、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°となり、図１０に示すような場合、受光ビームが存在しないため、合焦位置検出感度が失われてしまう。

そして、このように合焦位置検出感度が失われると、ワークが曲面を有する形状、例えば球体状や円柱状である場合、その形状を曲面に沿ってなぞろうとしても、ワークの傾斜角が集光光の放射角よりも大きい箇所においては、ワークの曲率中心を測定ビームの延長線が常に貫くよう、フォーカシングレンズの位置決め制御が誤ってなされることがある。
このため、形状測定記録において、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい箇所では、測定面から斜めに浮き上がったり、沈み込んだりしたりした無意味な記録しか得られないという問題が挙げられる。

本発明の目的は、このような実情などに鑑みて、傾斜した測定面を有する被測定物を良好に測定可能な光学装置、および、光学変位測定器を提供することである。

本発明の光学装置は、平行光とされた光を集光させ、その集光光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、前記測定面からの反射光のうち前記集光光の外縁よりも外側に向けて反射された外側反射部分を、前記測定面における前記集光光の照射位置へ入射させる状態に反射する反射手段と、を備え、前記反射手段は、前記対物レンズに対して前記被測定物と反対側に設けられ、前記平行光の光軸と略直交する平面状の反射面を有し、前記反射面は、前記対物レンズを通過した前記外側反射部分を前記対物レンズへ向けて反射して、前記対物レンズにより前記照射位置で集光させることを特徴とする。

この発明によれば、光学装置に、平行光とされた光を集光させた集光光を、被測定物の測定面に向けて照射するとともに、測定面からの反射光を受ける対物レンズを設けている。そして、この反射光における集光光の外縁よりも外側に向けて反射された外側反射部分を反射して、測定面における集光光の照射位置へ入射させる反射手段を設けている。
このため、反射手段で反射された外側反射部分を、測定面における集光光の照射位置で反射させることにより、この外側反射部分を集光光外縁から内側にかけての所定範囲の部分、および、平行光外縁から内側にかけての所定範囲の部分を進行させて、受光ビームとして合焦位置の検出に利用することが可能となる。例えば、図９および図１０に示すように、測定面の傾斜角が集光光の放射角以上の場合であっても、反射手段および測定面で反射された外側反射部分を、集光光外縁から内側にかけての所定範囲の部分に入射させて、受光ビームとして利用することが可能となる。
したがって、図９や図１０に示すような従来の構成と比べて、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°以下になるのを防ぐことが可能となり、合焦位置検出感度が失われるのを抑制可能となる。よって、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい箇所であっても、フォーカシング制御を適切にでき、測定面から斜めに浮き上がったり、沈み込んだりした記録を得るという不具合を抑制可能となり、光学式変位測定器に良好に測定させることが可能となる。
また、反射手段を、対物レンズに対して被測定物と反対側に設け、対物レンズを通過した外側反射部分を対物レンズへ向けて反射して照射位置へ入射させる。
このため、反射手段を対物レンズおよび被測定物の間に設ける構成と比べて、対物レンズを被測定物に近づけた状態での測定が可能となり、この光学装置が設けられる光学式変位測定器の小型化を容易に図ることが可能となる。

本発明の光学装置において、前記反射面は、平面状のリング状反射面であることが好ましい。
この発明によれば、反射手段に、平行光の光軸と略直交する平面状のリング状反射面を設けている。
このため、平面状のリング状反射面にて、対物レンズを通過して平行光として入射される外側反射部分を、略垂直方向に反射させることが可能となる。
したがって、この略垂直方向に反射させた外側反射部分の略全てを、集光光外縁から内側にかけての所定範囲の部分に入射させて、受光ビームとして利用することが可能となり、より良好に測定可能となる。

本発明の光学装置において、前記平行光を絞る絞り手段を備え、前記反射手段は、前記絞り手段と一体的に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、反射手段を、平行光を絞る絞り手段と一体的に設けている。
このため、部品点数の削減を図れ、製造性を向上させることが可能となる。

本発明の光学装置において、前記対物レンズを保持する対物レンズ保持手段を備え、前記反射手段は、前記対物レンズ保持手段と一体的に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、反射手段を、対物レンズを保持する対物レンズ保持手段と一体的に設けている。
このため、部品点数のさらなる削減を図れ、製造性をより向上させることが可能となる。

本発明の光学式変位測定器は、光源と、上述の光学装置と、前記光源からの光を拡散または集光させるフォーカシングレンズと、このフォーカシングレンズからの光を平行光にして前記光学装置の前記対物レンズへ出射するコリメータレンズと、前記フォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、前記フォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した光の焦点位置に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段により前記フォーカシングレンズの位置を制御して前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段と、を備えることを特徴とする。

本発明の光学式変位測定器は、光源と、上述した光学装置と、前記光源からの光を平行光にして前記光学装置の前記対物レンズへ出射するコリメータレンズと、前記光学装置の対物レンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、前記対物レンズの位置を検出する位置検出手段と、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した光の焦点位置に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段により前記対物レンズの位置を制御して前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段と、を備えることを特徴とする。

これらの発明によれば、上述したような光学装置と同様の作用効果を奏することが可能な光学式変位測定器を提供可能となる。

［実施形態］
以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

〔光学式変位測定器の構成〕
まず、本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の構成について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。

光学式変位測定器１００は、図１に示すように、光源１１０と、この光源１１０からの光を平行光にして出射する第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０からの平行光を拡散させた拡散光を出射するフォーカシングレンズ１３０と、このフォーカシングレンズ１３０からの拡散光を平行光にして出射する第２コリメータレンズ１５０と、この第２コリメータレンズ１５０から出射される平行光を集光した集光光を被測定物９００の測定面９０１に向けて照射するとともに測定面９０１からの反射光を受ける対物レンズ１７０を含む光学装置１６０と、フォーカシングレンズ１３０を光軸に沿って移動させる移動手段としてのアクチュエータ２００と、フォーカシングレンズ１３０の位置を検出する位置検出手段としてのリニアエンコーダ２１０と、測定面９０１から反射されフォーカシングレンズ１３０、第２コリメータレンズ１５０、および、対物レンズ１７０を通過した光の焦点位置に基づいて、対物レンズ１７０の焦点位置と測定面９０１との位置ずれを認識するとともに、アクチュエータ２００によりフォーカシングレンズ１３０の位置を制御して対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させる焦点合わせ手段２２０と、を備えて構成されている。

光源１１０としては、例えばレーザ素子等を使用することができる。
光源１１０と第１コリメータレンズ１２０は、第１コリメータレンズ１２０の焦点距離を隔てて配置されている。

フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０および第２コリメータレンズ１５０に対向する状態で配置されている。このフォーカシングレンズ１３０は、レンズホルダ１４０により周縁が保持されている。このレンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結され、フォーカシングレンズ１３０の光軸に沿って変位可能に設けられている。さらに、レンズホルダ１４０は、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。
すなわち、フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０および第２コリメータレンズ１５０との距離が変更可能に配置されている。

第２コリメータレンズ１５０は、対物レンズ１７０に対向し、かつ、対物レンズ１７０から所定距離を隔てて配置されている。

光学装置１６０は、対物レンズ１７０と、絞り手段１８０と、反射手段１９０と、を備えて構成されている。

対物レンズ１７０は、第２コリメータレンズ１５０から出射された平行光を集光光として測定面９０１に向けて照射するとともに測定面９０１からの反射光を第２コリメータレンズ１５０へ出射する。

絞り手段１８０は、第２コリメータレンズ１５０および対物レンズ１７０の間に配置されている。
この絞り手段１８０は、外径が対物レンズ１７０よりも大きい略リング板状に形成された絞りリング板部１８１を備えている。そして、絞り手段１８０は、絞りリング板部１８１の内縁にて平行光を絞って通過させる。

反射手段１９０は、絞りリング板部１８１における対物レンズ１７０に対向する面に設けられた略リング板状の反射リング板部１９１を備えている。また、この反射リング板部１９１は、表面が高い反射率を有する平面状となる状態に加工されたリング状反射面１９２とされている。すなわち、反射手段１９０は、対物レンズ１７０に対して被測定物９００と反対側に設けられている。リング状反射面１９２は、絞り手段１８０で絞られる平行光の光軸と略直交する平面状に設けられている。
この反射手段１９０は、リング状反射面１９２にて、測定面９０１からの反射光のうち集光光の外縁よりも外側に向けて反射された外側反射部分を測定面９０１における集光光の照射位置Ｐへ入射させる状態に反射する。

移動手段としては、既知のアクチュエータ２００が使用される。このアクチュエータ２００は、アーム１４１を介して接続されたレンズホルダ１４０を適宜変位させる。
位置検出手段としては、既知のリニアエンコーダ２１０が使用される。このリニアエンコーダ２１０は、接続部１４２を介して接続されたレンズホルダ１４０の位置を適宜検出する。

焦点合わせ手段２２０は、焦点位置を検出する焦点位置検出手段２３０と、焦点位置検出手段２３０からの信号をもとにアクチュエータ２００を制御するサーボ回路２４０とを備えて構成されている。これら焦点位置検出手段２３０およびサーボ回路２４０は既知のものであり、例えば、特開平７−６３９８４号に開示されている。

焦点位置検出手段２３０は、ピンホール法により焦点位置を検出する焦点位置検出光学系２３１と、焦点位置検出光学系２３１からの信号に基づいてフォーカシングレンズ１３０および測定面９０１の位置関係を演算する焦点位置検出回路２３２と、を備えて構成されている。
焦点位置検出光学系２３１は、光源１１０と第１コリメータレンズ１２０の間に配置され第１コリメータレンズ１２０からの光を分割する第１ビームスプリッタ２３３と、この第１ビームスプリッタ２３３からの光を二方向に分割する第２ビームスプリッタ２３４と、第２ビームスプリッタ２３４により分割された各光の合焦位置よりも前および後にそれぞれ配置された二つのピンホール２３５Ａ，２３５Ｂと、このピンホール２３５Ａ，２３５Ｂを通過した光の光量をそれぞれ検出する受光素子２３６Ａ，２３６Ｂ（例えば、フォトダイオード）と、を備えて構成されている。
焦点位置検出回路２３２は、受光素子２３６Ａ，２３６Ｂから得られる受光信号に基づいて、フォーカシングレンズ１３０と測定面９０１との位置関係を演算する演算処理回路を備え、演算結果はサーボ回路２４０に送信される。
サーボ回路２４０は、演算結果に基づいてアクチュエータ２００を制御し、対物レンズ１７０からの集光光が測定面９０１で結像するようにフォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。

〔光学式変位測定器の動作〕
次に、光学式変位測定器１００の動作について説明する。

（測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態）
まず、光学式変位測定器１００の動作として、測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態について説明する。
図２は、測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図である。

まず、光学式変位測定器１００は、光源１１０から光を出射する。この光源１１０から出射された光は、第１コリメータレンズ１２０によって、図２に示すように、平行光Ｌ１１となる。第１コリメータレンズ１２０から出射される平行光Ｌ１１は、フォーカシングレンズ１３０に入射され、拡散光Ｌ１２として第２コリメータレンズ１５０に入射される。
拡散光Ｌ１２は、第２コリメータレンズ１５０によって平行光Ｌ１３となる。平行光Ｌ１３は、絞り手段１８０で絞られ、対物レンズ１７０によって、放射角θ２１が被測定物９００の測定面９０１の傾斜角θ１１と等しい集光光Ｌ１４となり、測定面９０１で結像される。

このとき、測定面９０１で反射された第１測定面反射光Ｌ１５は、図９に示す従来の構成と同様に、反射光外縁Ｌ１５Ａのみが集光光Ｌ１４の集光光外縁Ｌ１４Ａと重畳し、他の部分が重畳しない状態となる。
また、第１測定面反射光Ｌ１５における反射光外縁Ｌ１５Ａから内側にかけての所定範囲である外側反射部分Ｌ１６、すなわち第１測定面反射光Ｌ１５における集光光外縁Ｌ１４Ａよりも外側に向けて反射された外側反射部分Ｌ１６は、対物レンズ１７０によって平行光（以下、外側反射平行光と称す）Ｌ１７となる。外側反射平行光Ｌ１７は、反射手段１９０のリング状反射面１９２で垂直反射され、外側反射平行光Ｌ１７と等しい状態で反射された反射光（以下、外側反射平行反射光と称す）Ｌ１８となり、再び対物レンズ１７０に入射される。

外側反射平行反射光Ｌ１８は、対物レンズ１７０によって外側反射部分Ｌ１６と等しい状態に集光されて集光光（以下、外側反射集光光と称す）Ｌ１９となり、照射位置Ｐに入射される。外側反射集光光Ｌ１９は、測定面９０１で反射されて第２測定面反射光Ｌ２０となる。この第２測定面反射光Ｌ２０は、集光光外縁Ｌ１４Ａから内側にかけての所定範囲の部分を進行する。
そして、この第２測定面反射光Ｌ２０は、平行光Ｌ１３の平行光外縁Ｌ１３Ａよりも内側を進行する平行光Ｌ２１、拡散光Ｌ１２の外縁（以下、拡散光外縁と称す）Ｌ１２Ａよりも内側を進行する集光光Ｌ２２、平行光Ｌ１１の平行光外縁Ｌ１１Ａよりも内側を進行する平行光Ｌ２３となり、第１コリメータレンズ１２０に入射される。すなわち、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°以下になるのを防ぐことができる。

平行光Ｌ２３は、第１コリメータレンズ１２０を通過して、第１ビームスプリッタ２３３によって光路分割され、この分割された光のうち一方は、さらに第２ビームスプリッタ２３４によって分割される。第２ビームスプリッタ２３４によって分割された光はそれぞれピンホール２３５Ａ，２３５Ｂを通過した後、受光素子２３６Ａ，２３６Ｂに入射される。受光素子２３６Ａ，２３６Ｂからの受光信号に基づき、サーボ回路２４０およびアクチュエータ２００により、対物レンズ１７０を通過した集光光Ｌ１４が測定面９０１で結像するようにフォーカシングレンズ１３０の位置が制御される。
すなわち、平行光Ｌ２３は、受光ビームとして合焦位置の検出に利用される。
第２コリメータレンズ１５０から対物レンズ１７０に入射される光が平行光であることから、対物レンズ１７０を通過した集光光Ｌ１４が測定面９０１で結像するとき、対物レンズ１７０と測定面９０１との距離は対物レンズ１７０の焦点距離となる。よって、測定面９０１の形状に応じて変位するフォーカシングレンズ１３０の位置変化をリニアエンコーダ２１０によって測定すれば、測定面９０１の形状を知ることができる。

（測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態）
次に、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態について説明する。
なお、上述した、測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態と略等しいので、説明を適宜簡略化する。
図３は、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図である。

まず、光学式変位測定器１００の光源１１０から出射された光は、図３に示すように、平行光Ｌ１１、拡散光Ｌ１２、平行光Ｌ１３、放射角θ２１が被測定物９１０の測定面９１１の傾斜角θ１２よりも小さい集光光Ｌ１４となり、測定面９１１で結像される。
このとき、測定面９１１で反射された第１測定面反射光Ｌ３１は、図１０示す従来の構成と同様に、集光光Ｌ１４と重畳しない状態となる。
また、第１測定面反射光Ｌ３１における反射光外縁Ｌ３１Ａから内側にかけての所定範囲である外側反射部分Ｌ３２は、対物レンズ１７０によって外側反射平行光Ｌ３３となる。この外側反射平行光Ｌ３３は、外側反射部分Ｌ３２の反射光外縁Ｌ３１Ａが集光光外縁Ｌ１４Ａから離れているため、上述した外側反射平行光Ｌ１７よりも幅が狭い状態となる。

そして、外側反射平行光Ｌ３３は、反射手段１９０により外側反射平行光Ｌ３３と等しい状態で反射された外側反射平行反射光Ｌ３４、対物レンズ１７０より外側反射部分Ｌ３２と等しい状態に集光された外側反射集光光Ｌ３５となり、測定面９１１の照射位置Ｐに入射される。外側反射集光光Ｌ３５は、測定面９１１で反射されて、集光光外縁Ｌ１４Ａから内側にかけての所定範囲の部分を進行する第２測定面反射光Ｌ３６となる。
この第２測定面反射光Ｌ３６は、平行光外縁Ｌ１３Ａよりも内側を進行する平行光Ｌ３７、拡散光外縁Ｌ１２Ａよりも内側を進行する集光光Ｌ３８、平行光外縁Ｌ１１Ａよりも内側を進行する平行光Ｌ３９となり、第１コリメータレンズ１２０に入射される。
この平行光Ｌ３９は、受光ビームとして、上述した合焦位置の検出に利用される。

〔実施形態の作用効果〕
上述した実施形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。

（１）光学装置１６０に、平行光Ｌ１３を集光させた集光光Ｌ１４を、被測定物９００，９１０の測定面９０１，９１１に向けて照射するとともに、測定面９０１，９１１からの反射光Ｌ１５，Ｌ３１を受ける対物レンズ１７０を設けている。そして、この反射光Ｌ１５，Ｌ３１における集光光外縁Ｌ１４Ａよりも外側に向けて反射された外側反射部分Ｌ１６，Ｒ３２を反射して、測定面９０１，９１１における集光光Ｌ１４の照射位置Ｐへ入射させる反射手段１９０を設けている。
このため、反射手段１９０で反射された外側反射部分Ｌ１６，Ｒ３２に対応する外側反射集光光Ｌ１９，Ｌ３５を、測定面９０１，９１１における照射位置Ｐで反射させることにより、第２測定面反射光Ｌ２０，Ｌ３６を集光光外縁Ｌ１４Ａから内側にかけての所定範囲の部分、および、平行光外縁Ｌ１３Ａから内側にかけての所定範囲の部分を進行させて、受光ビームとして合焦位置の検出に利用することができる。
したがって、図９や図１０に示すような従来の構成と比べて、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°以下になるのを防ぐことが可能となり、合焦位置検出感度が失われるのを抑制できる。
よって、測定面９０１，９１１の傾斜角θ１１，θ１２が集光光Ｌ１４の放射角θ２１よりも大きい箇所であっても、フォーカシング制御を適切にでき、測定面９０１，９１１から斜めに浮き上がったり、沈み込んだりした記録を得るという不具合を抑制でき、光学式変位測定器１００に良好に測定させることができる。

（２）反射手段１９０を、対物レンズ１７０に対して被測定物９００，９１０と反対側に設けている。そして、対物レンズ１７０を通過した外側反射部分Ｌ１６，Ｒ２２に対応する外側反射平行光Ｌ１７，Ｌ３３を対物レンズ１７０へ向けて反射して、照射位置Ｐへ入射させる構成としている。
このため、反射手段１９０を対物レンズ１７０および被測定物９００，９１０の間に設ける構成と比べて、対物レンズ１７０を被測定物９００，９１０に近づけた状態での測定が可能となり、この光学装置１６０が設けられる光学式変位測定器１００の小型化を容易に図ることができる。

（３）反射手段１９０に、平行光Ｌ１３の光軸と略直交する平面状のリング状反射面１９２を設けている。
このため、平面状のリング状反射面１９２にて、対物レンズ１７０を通過して外側反射平行光Ｌ１７，Ｌ３３として入射される外側反射部分Ｌ１６，Ｒ２２を、略垂直方向に反射させることができる。
したがって、この略垂直方向に反射された外側反射部分Ｌ１６，Ｒ２２に対応する外側反射平行光Ｌ１７，Ｌ３３の略全てを、集光光外縁Ｌ１４Ａから内側にかけての所定範囲の部分に入射させて、受光ビームとして利用することができ、より良好に測定できる。

（４）反射手段１９０を、平行光Ｌ１３を絞る絞り手段１８０と一体的に設けている。
このため、部品点数の削減を図れ、製造性を向上させることができる。

（５）上述した光学装置１６０を、光学式変位測定器１００に設けている。
このため、上述したような作用効果を奏することができる光学式変位測定器１００を提供できる。

［参考例］
次に、本発明の参考例を図面に基づいて説明する。

〔光学式変位測定器の構成〕
まず、本発明の参考例に係る光学式変位測定器の構成について説明する。
なお、上述した実施形態と同一の構成については、同一名称および同一符号を付し、説明を適宜省略する。また、実施形態と略等しい構成については、同一名称を付し、説明を適宜簡略にする。
図４は、本発明の参考例に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。

光学式変位測定器５００は、図４に示すように、光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０から出射される平行光を集光した集光光を被測定物９００の測定面９０１に向けて照射するとともに測定面９０１からの反射光を受ける光学装置５５０と、アクチュエータ２００と、リニアエンコーダ２１０と、焦点合わせ手段２２０と、を備えて構成されている。

光学装置５５０は、レンズホルダ５６０と、対物レンズ１７０と、絞り手段５８０と、反射手段５９０と、を備えて構成されている。

レンズホルダ５６０は、対物レンズ１７０の周縁を保持する。また、レンズホルダ５６０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結されている。さらに、レンズホルダ５６０は、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。

絞り手段５８０は、外径がレンズホルダ５６０と略等しい略リング板状に形成された絞りリング板部５８１と、この絞りリング板部５８１の外縁およびレンズホルダ５６０の外縁を連結する連結部５８２と、を備えて構成されている。

反射手段５９０は、ドーム状の頂部がカットされた形状に形成され、内面に鏡面加工された反射面５９２を有する球面鏡５９１を備えている。この球面鏡５９１は、カットされた頂部に対物レンズ１７０が嵌合する状態で設けられている。すなわち、反射手段５９０は、対物レンズ１７０および被測定物９００の間に設けられている。
また、球面鏡５９１は、反射面５９２が対物レンズ１７０の焦点位置を中心とした曲面に形成されている。これにより、測定面９０１、反射面５９２の順序で反射された光は、対物レンズ１７０の焦点位置に集光される。

〔光学式変位測定器の動作〕
次に、光学式変位測定器５００の動作について説明する。
なお、上述した実施形態と同様の内容については、説明を適宜省略または簡略にする。

（測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態）
まず、測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態について説明する。
図５は、測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図である。

まず、光学式変位測定器５００は、光源１１０から光を出射する。この光源１１０から出射された光は、第１コリメータレンズ１２０によって、図５に示すように、平行光Ｌ５１となる。この平行光Ｌ５１は、絞り手段５８０で絞られ、対物レンズ１７０によって、放射角θ２１が測定面９０１の傾斜角θ１１と等しい集光光Ｌ５２となり、測定面９０１で結像される。

このとき、測定面９０１で反射された第１測定面反射光Ｌ５３は、図９示す従来の構成と同様に、反射光外縁Ｌ５３Ａのみが集光光外縁Ｌ５２Ａと重畳し、他の部分が重畳しない状態となる。
また、第１測定面反射光Ｌ５３における反射光外縁Ｌ５３Ａから内側にかけての所定範囲である外側反射部分Ｌ５４は、反射手段５９０の反射面５９２で反射され、外側反射部分Ｌ５４と等しい状態の反射光（以下、外側反射光と称す）Ｌ５５となり、対物レンズ１７０の焦点位置、すなわち照射位置Ｐに入射される。
外側反射光Ｌ５５は、測定面９０１で反射されて第２測定面反射光Ｌ５６となる。この第２測定面反射光Ｌ５６は、集光光外縁Ｌ５２Ａから内側にかけての所定範囲の部分を進行する。
そして、この第２測定面反射光Ｌ５６は、平行光Ｌ５１の平行光外縁Ｌ５１Ａよりも内側を進行する平行光Ｌ５７となり、第１コリメータレンズ１２０に入射され、受光ビームとして、上述した合焦位置の検出に利用される。

（測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態）
次に、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態について説明する。
図６は、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図である。

まず、光学式変位測定器１００の光源１１０から出射された光は、図６に示すように、平行光Ｌ５１、放射角θ２１が測定面９１１の傾斜角θ１２よりも小さい集光光Ｌ５２となり、測定面９１１で結像される。
このとき、測定面９１１で反射された第１測定面反射光Ｌ７１は、図１０示す従来の構成と同様に、集光光Ｌ５２と重畳しない状態となる。
また、第１測定面反射光Ｌ７１における反射光外縁Ｌ７１Ａから内側にかけての所定範囲である外側反射部分Ｌ７２は、反射手段５９０で反射されて、外側反射光Ｌ７３となる。この外側反射光Ｌ７３は、外側反射部分Ｌ７２の反射光外縁Ｌ７１Ａが集光光外縁Ｌ５２Ａから離れているため、上述した外側反射光Ｌ５５よりも幅が狭い状態となる。
そして、外側反射光Ｌ７３は、測定面９１１の照射位置Ｐに入射され、測定面９１１で反射されて、集光光外縁Ｌ５２Ａから内側にかけての所定範囲の部分を進行する第２測定面反射光Ｌ７４となる。
また、この第２測定面反射光Ｌ７４は、平行光外縁Ｌ５１Ａよりも内側を進行する平行光Ｌ７５となり、第１コリメータレンズ１２０に入射され、受光ビームとして、上述した合焦位置の検出に利用される。

〔参考例の作用効果〕
上述した参考例によれば、上述した実施形態の（１）、（４）、および、（５）と同様の作用効果に加え、以下のような作用効果を奏することができる。

（６）光学装置５５０の反射手段５９０を、対物レンズ１７０および被測定物９００，９１０の間に設けている。そして、外側反射部分Ｌ５４，Ｌ７２を照射位置Ｐへ入射させる構成としている。
このため、反射手段５９０を対物レンズ１７０に対して被測定物９００，９１０と反対側に設ける構成と比べて、外側反射部分Ｌ５４，Ｌ７２が対物レンズ１７０を通過する回数を減らすことができ、対物レンズ１７０における光の吸収の影響を最小限に抑えることができる。
したがって、さらに良好に測定できる。

（７）反射手段５９０に、外側反射部分Ｌ５４，Ｌ７２を照射位置Ｐで集光する状態に反射させる曲面状の反射面５９２を設けている。
このため、曲面状の反射面５９２にて、測定面９０１，９１１で反射されて拡散光として反射面５９２に入射される外側反射部分Ｌ５４，Ｌ７２を、略垂直方向に反射させることができる。
したがって、この略垂直方向に反射させた外側反射部分Ｌ５４，Ｌ７２に対応する外側反射光Ｌ５５，Ｌ７３の略全てを、集光光外縁Ｌ５２Ａから内側にかけての所定範囲の部分に入射させて、受光ビームとして利用することができ、さらに良好に測定できる。

［実施形態の変形］
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲で以下に示される変形をも含むものである。

すなわち、上述した実施形態において、反射手段１９０に外側反射平行光Ｌ１７，Ｌ３３を垂直反射させる平面状のリング状反射面１９２を設けたが、外側反射平行光Ｌ１７，Ｌ３３を集光させる、または、散乱させる曲面状の反射面を設ける構成としてもよい。

さらに、参考例において、反射手段５９０の反射面５９２を対物レンズ１７０の焦点位置を中心とした曲面に形成したが、平面状、または、外側反射部分Ｌ５４，Ｌ７２を散乱させる曲面状の反射面を設ける構成としてもよい。

そして、上述した実施形態において、絞り手段１８０および反射手段１９０を離間させて設ける構成としてもよい。
さらに、参考例において、対物レンズ１７０および反射手段５９０を離間させて設ける構成としてもよい。

また、参考例において、光学装置５５０の代わりに、図７および図８に示すような光学装置６５０を設ける構成としてもよい。
この図７および図８に示す光学装置６５０は、レンズホルダ５６０と、対物レンズ１７０と、絞り手段５８０と、反射手段６６０と、を備えている。ここで、レンズホルダ５６０は、本発明のレンズ保持手段として機能する。
反射手段６６０は、上述した実施形態の反射手段１９０と同様の構成を有している。具体的には、反射手段６６０は、絞り手段５８０の絞りリング板部５８１に設けられ、高い反射率の反射面６６２を有する反射リング板部６６１を備えている。

そして、測定面９０１の傾斜角θ１１および集光光Ｌ５２の放射角θ２１が等しい場合、図７に示すように、平行光Ｌ５１は、集光光Ｌ５２、第１測定面反射光Ｌ５３となる。さらに、外側反射部分Ｌ９１は、対物レンズ１７０で外側反射平行光Ｌ９２となり、反射手段６６０で反射されて外側反射平行反射光Ｌ９３となる。この外側反射平行反射光Ｌ９３は、外側反射集光光Ｌ９４、集光光外縁Ｌ５２Ａから内側を進行する第２測定面反射光Ｌ９５、平行光外縁Ｌ５１Ａより内側を進行する平行光Ｌ９６となり、受光ビームとして、合焦位置の検出に利用される。
また、測定面９１１の傾斜角θ１２が集光光Ｌ５２の放射角θ２１よりも大きい場合、図８に示すように、平行光Ｌ５１は、集光光Ｌ５２、第１測定面反射光Ｌ７１となる。この第１測定面反射光Ｌ７１の外側反射部分Ｌ１０１は、外側反射平行光Ｌ１０２、外側反射平行反射光Ｌ１０３、外側反射集光光Ｌ１０４、第２測定面反射光Ｌ１０５、平行光Ｌ１０６となり、受光ビームとして、合焦位置の検出に利用される。

このような構成にすれば、反射手段６６０を、レンズホルダ５６０と一体的に設けているので、部品点数のさらなる削減を図れ、製造性をより向上させることができる。

本発明は、平行光とされた光源からの光を被測定物の測定面に向けて集光して照射するとともに、この測定面からの反射光を受ける光学装置、および、光学変位測定器に利用できる。特に、曲面状の測定面を有する被測定物に対して利用される光学装置、および、光学変位測定器に好適である。

本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。前記実施形態における測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図である。前記実施形態における測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図である。本発明の参考例に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。前記参考例における測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図である。前記参考例における測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図である。本発明の他の実施形態に係る測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図である。前記他の実施形態における測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図である。従来の構成における測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図である。前記従来の構成における測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図である。

符号の説明

１００，５００…光学式変位測定器
１１０…光源
１２０…第１コリメータレンズ
１３０…フォーカシングレンズ
１６０，５５０…光学装置
１７０…対物レンズ
１８０，５８０…絞り手段
１９０，５９０…反射手段
１９２…リング状反射面
２００…移動手段としてのアクチュエータ
２１０…位置検出手段としてのリニアエンコーダ
２２０…焦点合わせ手段
５６０…レンズ保持手段としても機能するレンズホルダ
５９２…反射面
Ｌ１３，Ｌ５１…平行光
Ｌ１４，Ｌ５２…集光光
Ｌ１６，Ｌ３２，Ｌ５４，Ｌ７２，Ｌ９１，Ｌ１０１…外側反射部分
Ｐ…照射位置

Claims

平行光とされた光を集光させ、その集光光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、
前記測定面からの反射光のうち前記集光光の外縁よりも外側に向けて反射された外側反射部分を、前記測定面における前記集光光の照射位置へ入射させる状態に反射する反射手段と、
を備え、
前記反射手段は、前記対物レンズに対して前記被測定物と反対側に設けられ、前記平行光の光軸と略直交する平面状の反射面を有し、
前記反射面は、前記対物レンズを通過した前記外側反射部分を前記対物レンズへ向けて反射して、前記対物レンズにより前記照射位置で集光させる
ことを特徴とする光学装置。
請求項１に記載の光学装置において、
前記反射面は、平面状のリング状反射面である
ことを特徴とする光学装置。
請求項１または請求項２に記載の光学装置において、
前記平行光を絞る絞り手段を備え、
前記反射手段は、前記絞り手段と一体的に設けられている
ことを特徴とする光学装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学装置において、
前記対物レンズを保持する対物レンズ保持手段を備え、
前記反射手段は、前記対物レンズ保持手段と一体的に設けられている
ことを特徴とする光学装置。
光源と、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学装置と、
前記光源からの光を拡散または集光させるフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズからの光を平行光にして前記光学装置の前記対物レンズへ出射するコリメータレンズと、
前記フォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記フォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、
前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した光の焦点位置に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段により前記フォーカシングレンズの位置を制御して前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段と、
を備えることを特徴とする光学式変位測定器。
光源と、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光学装置と、
前記光源からの光を平行光にして前記光学装置の前記対物レンズへ出射するコリメータレンズと、
前記光学装置の対物レンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記対物レンズの位置を検出する位置検出手段と、
前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した光の焦点位置に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段により前記対物レンズの位置を制御して前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段と、
を備えることを特徴とする光学式変位測定器。