JP5295900B2 - チルトセンサ - Google Patents

Description

本発明はチルトセンサに関し、特に正反射面及び回折光等の乱反射面のそれぞれの傾き角度を一つのセンサで同時に測定することができるチルトセンサに関する。

従来より、検査物の傾き量を測定するチルトセンサ（傾きセンサ）が知られている。しかしながら、これらの従来のチルトセンサは、正反射面の傾き角度、あるいは乱反射面の傾き角度のいずれか一方のみしか測定することができない。このため、乱反射面の傾き角度の測定の基準出しが容易にできないという問題があった。

そこで、例えば特許文献１に示されるように、０次光である正反射面の反射光と、ｎ次光である回折光等の乱反射面の反射光を１つのセンサで測定するために、回折素子からの回折光を受光し、光電変換信号を出力する光検出器を備え、０次光を更に受光し、０次光の光電変換信号との差信号を生成する差信号生成手段をさらに備えることにより、正反射面の反射光と、乱反射面の反射光を１つのセンサで測定することを可能とした傾きセンサが提案されている。しかしながら、このような傾きセンサであっても、正反射面及び乱反射面の傾き角度の瞬時の基準出しを行うことが難しく、さらに、光検出器とは別に、差信号生成手段をさらに備えるため、装置が大型化するという問題があった。

特開２００４−２７９１９１号公報

本発明は、上述したような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、一つのセンサで同時に正反射面及び乱反射面の傾き角度の測定を行うことができるチルトセンサを提供することにある。

本発明の上記目的は、検出領域に向けて測定用光を出射する投光部、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部からなる光学系を備え、前記投光部は、発光素子と、コリメータレンズとを具備して構成され、前記受光部は、正反射光測定部と乱反射光測定部とを備え、前記正反射光測定部は、受光レンズと受光素子とを具備し、前記乱反射光測定部は、受光レンズと、受光素子と、乱反射光受光ミラーと、ハーフミラーとを具備して構成され、前記正反射光測定部の受光レンズ及び前記乱反射光測定部の受光レンズを１枚の受光レンズで兼用し、また前記正反射光測定部の受光素子及び前記乱反射光測定部の受光素子を１つの受光素子で兼用することを特徴とするチルトセンサを提供することによって達成される。

また、本発明の上記目的は、前記受光部に遮光板を備えることを特徴とするチルトセンサを提供することによって、効果的に達成される。

本発明に係るチルトセンサによれば、受光部の正反射光測定部の受光レンズ及び乱反射光測定部の受光レンズを１枚の受光レンズで兼用し、また正反射光測定部の受光素子及び乱反射光測定部の受光素子を１つの受光素子で兼用させたので、一つのセンサで同時に正反射面及び乱反射面の傾き角度の測定を行うことができる。

本発明の一実施例に係るチルトセンサの光学系の構成を示す図である。 図１に示すチルトセンサの正反射光の傾き量を測定する原理を説明するための構成図である。 図１に示すチルトセンサの乱反射光の傾き量を測定する原理を説明するための構成図である。

以下、本発明に係るチルトセンサについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明に係るチルトセンサは、以下の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲を逸脱しない範囲内において、その構成を適宜変更できることはいうまでもない。

図１は、本発明の一実施例に係るチルトセンサ１（以下、「本チルトセンサ１」と言う。）の光学系の構成を示す図であって、検出物体の正反射面の傾き量、及び回折光等の乱反射面の傾き量を一つのセンサで同時に測定するものである。すなわち、本チルトセンサ１は、検出領域に向けて測定用光を出射する投光部２、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部３からなる光学系を備えている。

投光部２は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の投光素子２１と、コリメータレンズ等の投光レンズ２２とを具備し、投光素子２１及び投光レンズ２２の互いの光軸２３を一致させて構成されている。そして、投光素子２１から出射された光は、投光レンズ２２でコリメートされ、平行光である測定用光２４として検出物体に照射されるようになっている。

なお、投光素子２１として、ＬＥＤの他、レーザ光を用いることもできる。このようなレーザ光の投光素子２１としては、ヘリウム−ネオン（Ｈｅ−Ｎｅ）レーザ、半導体レーザ素子（ＬＤ）等のレーザ発振器や、レーザ発振器から出力されたレーザ光を導く光ファイバ等の光道管等を用いることができる。

受光部３は、測定用光２４を受光し、検出物体の正反射面の傾き角度である傾き量を検出する正反射光測定部３１と、検出物体の回折光等の乱反射面の傾き角度である傾き量を検出する乱反射光測定部３２とを具備して構成されている。

正反射光測定部３１は、上述したように、検出物体の正反射面の傾き量を検出する光学系で、受光レンズ３３と受光素子３４とを具備して構成されている。受光素子３４は、位置検出素子（ＰＳＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）等の位置を測定することができる種々のものを用いることができる。

乱反射光測定部３２は、上述したように検出物体の回折光等の乱反射面の傾き量を検出する光学系で、乱反射光受光ミラー３５と、受光レンズ３６と、受光素子３７と、ハーフミラー３８とを具備することにより構成されている。

なお、正反射光測定部３１の受光レンズ３３及び乱反射光測定部３２の受光レンズ３６は１枚の受光レンズで兼用し、また、正反射光測定部３１の受光素子３４及び乱反射光測定部３１の受光素子３７を１つの受光素子で兼用している。このように正反射光測定部３１と乱反射光測定部３２の受光レンズ３３（３６）及び受光素子３４（３７）をそれぞれ同一のもので兼用することにより、すなわち、正反射光と乱反射光とを一つの受光素子３４（３７）で受光することにより、正反射面の傾き角度と、乱反射面の傾き角度とを一つのセンサで測定することができるようになる。

投光部２と受光部３とは、標準線ＳＬを挟んでその両側に対称に配置されており、投光部２の光軸２３と受光部３の光軸３９とはいずれも標準線ＳＬに対して等しい角度θをなしている。また、投光部２の光軸２３と受光部３の光軸３９とは標準線ＳＬの１点で交差しており、この光軸２３，３９が交差している標準線ＳＬ上の点を標準点ＳＰと呼び、標準点ＳＰを通り標準線ＳＬと垂直な平面を被検面（正反射面）ＳＦ１とする。

また、正反射面ＳＦ１において、投光素子２１及び投光レンズ２２の光軸２３が標準点ＳＰに集光するように、投光素子２１及び投光レンズ２２の間の距離を調整して投光部２を構成する。また、標準点ＳＰで反射したコリメート光である測定用光２４が、正反射光測定部３１（受光部３）の受光レンズ３３で集光されて受光素子３４上に集光するように、正反射光測定部３１の受光レンズ３３と受光素子３４との間の距離を調整して正反射光測定部３１の光学系を構成する。

これにより、図１に実線で示すように、検出物体が正反射面ＳＦ１に位置している場合（すなわち傾き量β＝０である場合）には、投光素子２１から出射された測定用光２４が検出物体の表面に照射されると、測定用光２４の光軸２３は標準点ＳＰで反射し、すなわち測定用光２４は検出物体の表面で鏡面反射し、この反射した測定用光２４は、受光レンズ３３を通って受光素子３４上で結像し、光軸３９上の点で受光スポットＰ１を形成する。以下、この傾き量β＝０の場合に生じる受光スポットＰ１の位置を、受光部３の原点位置とも言う。

また、標準線ＳＬと垂直な平面である（すなわち傾きβ´＝０である）乱反射の被検面（乱反射面）ＳＦ２の乱反射角をαとした場合、標準線ＳＬからθ−αの位置に乱反射光受光ミラー３５を設置し、また乱反射光受光ミラー３５で反射された測定用光４０が、ハーフミラー３８を介して受光レンズ３６を通って受光素子３７上の受光スポットＰ１の位置に結像するように、乱反射光受光ミラー３５及びハーフミラー３８を調整し、乱反射光測定部３２の光学系を構成する。

さらに、本チルトセンサ１の受光部３は遮光板４１を設けることが好ましい。このように遮光板４１を設けることにより、正反射光及び乱反射光の測定を切り換え、正反射光あるいは乱反射光の片方だけを通過させることができるので、正反射光及び乱反射光をそれぞれ単独で測定することができるようになる。すなわち、図１に示すように、遮光板４１を正反射光測定部３１の光学系に設ける（標準点ＳＰとハーフミラー３８との間に設ける）と、正反射光測定部３１の測定光を遮断することができるので、乱反射光を単独で測定することができる。一方、図示しないが、遮光板４１を乱反射光測定部３２の光学系に設ける（標準点ＳＰと乱反射光受光ミラー３５との間に設ける）と、乱反射光測定部３２の測定光を遮断することができるので、正反射光を単独で測定することができる。

次に、図１に検出物体ＳＦ１´で示すように、検出物体（正反射面）ＳＦ１が標準線ＳＬに対してβだけ傾いている場合に、本チルトセンサ１により正反射面ＳＦ１の傾き量βを測定する原理を説明する。なお、分かり易さのため、本チルトセンサ１のうち、傾き量βを測定して検出する正反射光測定部３１の光学系のみを取り出して図２に示す（なお、遮光板４１は省略する。）。

図２に示すように、投光素子２１から出射された測定用光２４は、投光レンズ２２を通過してコリメート光となり、検出物体ＳＦ１´の表面に照射される。このとき、検出面である正反射面ＳＦ１が標準線ＳＬに対してβだけ傾いて検出面ＳＦ１´となっている場合（β≠０の場合）には、図１及び図２に破線で示すように、検出面ＳＦ１´の表面で反射した測定用光４２は、光軸３９に対してθ＋２βだけ傾くので、検出面ＳＦ１´で反射した測定用光４２が受光レンズ３３を通して受光素子３４上に集光されて生じる受光スポットＰ２（以下、「正反射光測定用受光スポットＰ２」と言う。）の形成位置が、受光スポットの原点位置Ｐ１から移動する。この正反射光測定用受光スポットＰ２の原点位置からの移動量（原点位置から受光強度の重心位置である点Ｐ２までの距離）を移動量Ｄとする。この移動量Ｄを検出することにより、検出面ＳＦ１´の傾き量βを計算することができる。すなわち、焦点距離（標準点ＳＰと受光レンズ３３との間の距離）をｆ_１、正反射光測定用受光スポットＰ２の受光スポットの原点Ｐ１からの移動量をＤとすると、標準線ＳＬを基準とする検出面ＳＦ１´の傾き量βは、下記の（数１）で表される。
（数１）
ｆ_１・２β＝Ｄ
β＝Ｄ／２ｆ_１

次に、図１に検出物体ＳＦ２´で示すように、乱反射角がαである場合の乱反射光を検出する検出物体（乱反射面）ＳＦ２が標準線ＳＬに対してβ´だけ傾いている場合に、本チルトセンサにより、検出物体の乱反射面ＳＦ２´の傾き量β´を測定する原理を説明する。なお、分かり易さのため、本チルトセンサのうち、傾き量β´を測定して検出する乱反射光測定部の光学系のみを取り出して図３に示す（遮光板４１は省略する）。

図３に示すように、投光素子２１から出射された測定用光２４は、投光レンズ２２を通過してコリメート光となり、検出物体ＳＦ２´の表面に照射される。このとき、検出面ＳＦ２が標準線ＳＬに対してβ´だけ傾いて検出面ＳＦ２´となっている場合（β´≠０の場合）には、検出面ＳＦ２´の表面で反射した測定用光４３も光軸３９に対して傾くので、図１及び図３に二点鎖線で示すように、検出面ＳＦ２´で反射した測定用光４３は、乱反射光受光ミラー３５で反射された後、ハーフミラー３８で反射されて受光レンズ３６を通過して受光素子３７上に集光されて受光スポットＰ３（以下、「乱反射光測定用受光スポット」３）と言う。）を形成する。このとき、乱反射光測定用受光スポットＰ３の形成位置が受光スポットの原点位置Ｐ１から移動する。この乱反射光測定用受光スポットＰ３の原点位置Ｐ１からの移動量（原点位置からの受光強度の重心位置である点Ｐ３までの距離）をＤ´とする。この移動量Ｄ´を検出することにより、検出面ＳＦ２´の傾き量β´を計算することができる。すなわち、焦点距離（標準点ＳＰと受光レンズとの間の距離）をｆ_１、乱反射光測定用受光スポットＰ３の原点位置Ｐ１からの移動量をＤ´とすると、標準線ＳＬを基準とする検出面ＳＦ２´の傾き量β´は、下記の（数２）で表される。
（数２）
ｆ_１・２β´＝Ｄ´
β´＝Ｄ´／２ｆ_１

従って、乱反射面ＳＦ２の傾き量β´も、正反射面ＳＦ１´の場合と同様に傾き角度を求めることができる。

このように本チルトセンサ１によれば、正反射光測定部３１及び乱反射光測定部３２の受光レンズ３３（３６）及び受光素子３４（３７）を兼用し、一つの受光素子３４（３７）で測定することしたので、一つのセンサで同時に正反射面ＳＦ１及び乱反射面ＳＦ２の傾き量β，β´を測定することができる。

１ チルトセンサ
２ 投光部
２１ 投光素子
２２ 投光レンズ
３ 受光部
３１ 正反射光測定部
３２ 乱反射光測定部
３３，３６ 受光レンズ
３４，３７ 受光素子
３５ 乱反射光受光ミラー
３８ ハーフミラー
４１ 遮光板
ＳＬ 標準線
ＳＰ 標準点

Claims (2)

1. 検出領域に向けて測定用光を出射する投光部、および、検出領域で反射された測定用光を受光する受光部からなる光学系を備え、
   前記投光部は、発光素子とコリメータレンズとを具備して構成され、
   前記受光部は、正反射光測定部と乱反射光測定部とを備え、
   前記正反射光測定部は、受光レンズと受光素子とを具備し、
   前記乱反射光測定部は、受光レンズと、受光素子と、乱反射光受光ミラーと、ハーフミラーとを具備して構成され、
   前記正反射光測定部の受光レンズ及び前記乱反射光測定部の受光レンズを１枚の受光レンズで兼用し、また前記正反射光測定部の受光素子及び前記乱反射光測定部の受光素子を１つの受光素子で兼用することを特徴とするチルトセンサ。
2. 前記受光部に遮光板を備えることを特徴とする請求項１に記載のチルトセンサ。

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