JP5405195B2

JP5405195B2 - 変位計

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Publication number: JP5405195B2
Application number: JP2009123716A
Authority: JP
Inventors: 光司久保
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010271208A

Description

本発明は、変位計に関し、特に非接触で被測定物の変位を計測する光学式の変位計に関する。

従来、光源と、光源から射出された光を被測定物に向かって集光させる対物レンズと、被測定物の表面にて反射される光を結像させる結像レンズと、結像レンズにて結像される光を通過させるピンホールと、ピンホールを透過した光を受光する受光手段とを備え、受光手段にて受光される光の強度に基づいて、被測定物の変位を測定する変位計が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の変位センサ（変位計）は、半導体レーザ（光源）と、対物レンズと、結像レンズと、２つのピンホールと、２つの受光素子（受光手段）とを備えている。

このような２つのピンホールを備えるダブルピンホール式の変位計では、非点収差法や、ナイフエッジ法の変位計（例えば、特許文献２，３参照）における問題点を解消している。
具体的に、被測定物の表面が対物レンズの光軸に対して傾斜していると、被測定物の表面にて反射される光の方向が変わるので、非点収差法や、ナイフエッジ法の変位計では、構造上、被測定物の表面の傾斜方向に依存して測定誤差が変化するという問題がある。すなわち、非点収差法や、ナイフエッジ法の変位計では、測定誤差に方向依存性があるという問題がある。
これに対して、ダブルピンホール式の変位計では、構造上、被測定物の表面の傾斜方向に依存して測定誤差が変化することはなく、測定誤差に方向依存性がない。

特開２００２−１４０１１５号公報特開昭６０−１８６７０５号公報特開２００４−３７２５１号公報

しかしながら、ダブルピンホール式の変位計では、２つのピンホールを所定の位置に配置する必要があるので、調整に時間がかかるという問題がある。

本発明の目的は、測定誤差に方向依存性がなく、ピンホールの位置を容易に調整することができる変位計を提供することにある。

本発明の変位計は、光源と、前記光源から射出された光を被測定物に向かって集光させる対物レンズと、前記被測定物の表面にて反射される光を結像させる結像レンズと、前記結像レンズにて結像される光を通過させるピンホールと、前記ピンホールを透過した光を受光する受光手段とを備え、前記受光手段にて受光される光の強度に基づいて、前記被測定物の変位を測定する変位計であって、前記ピンホールは、前記光源、及び前記結像レンズの間に配設され、前記光源、及び前記ピンホールの間に配設され、前記光源から射出される光を前記ピンホールに集光させる集光レンズと、前記ピンホールと、前記結像レンズとの間に配設され、所定の偏光方向を有する第１偏光、及び前記第１偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２偏光のいずれか一方の光路を延長する光路延長手段とを備え、前記受光手段は、前記第１偏光、及び前記第２偏光を分離する受光用分離素子と、前記受光用分離素子にて分離される前記第１偏光、及び前記第２偏光をそれぞれ受光する２つの受光素子とを備え、前記光路延長手段は、前記第１偏光、及び前記第２偏光を分離する延長用分離素子と、前記延長用分離素子にて分離される前記第１偏光、及び前記第２偏光のいずれか一方の光路を延長する光路延長素子と、前記延長用分離素子にて分離される前記第１偏光、及び前記第２偏光のいずれか他方と、前記光路延長素子にて光路を延長される前記第１偏光、及び前記第２偏光のいずれか一方とを合成する合成素子とを備え、前記延長用分離素子、前記光路延長素子、及び前記合成素子は、一体化されていることを特徴とする。

このような構成によれば、光源から射出される光は、集光レンズにてピンホールに集光され、ピンホールを通過して光路延長手段に入射する。光路延長手段から射出される光は、結像レンズ、及び対物レンズを介して被測定物の表面に集光される。
ここで、光路延長手段は、第１偏光、及び第２偏光のいずれか一方の光路を延長するので、対物レンズを介して第１偏光が集光される位置（以下、第１合焦位置とする）と、第２偏光が集光される位置（以下、第２合焦位置とする）とは異なることになる。

このため、被測定物の表面が第１合焦位置にある場合には、被測定物の表面にて反射される光のうち、第１偏光は、対物レンズ、結像レンズ、光路延長手段を介してピンホールに集光され、第２偏光は、ピンホールとは異なる位置に集光される。
また、被測定物の表面が第２合焦位置にある場合には、被測定物の表面にて反射される光のうち、第１偏光は、対物レンズ、結像レンズ、光路延長手段を介してピンホールとは異なる位置に集光され、第２偏光は、ピンホールに集光される。

そして、受光手段は、第１偏光、及び第２偏光をそれぞれ受光する２つの受光素子を備えるので、被測定物の表面が第１合焦位置にある場合には、一方の受光素子の受光量が多くなり、被測定物の表面が第２合焦位置にある場合には、他方の受光素子の受光量が多くなる。
したがって、本発明によれば、各受光素子にて受光される光の強度に基づいて、被測定物の変位を測定することができる。
また、本発明では、変位計は、１つのピンホールを備えるので、構造上、測定誤差に方向依存性がなく、２つのピンホールを備えるダブルピンホール式の変位計と比較してピンホールの位置を容易に調整することができる。
さらに、本発明では、光路延長手段は、延長用分離素子と、光路延長素子と、合成素子とを備え、これらの素子は、一体化されているので、光路延長手段の位置を容易に調整することができる。したがって、変位計の調整を更に容易にすることができる。

本発明では、前記延長用分離素子は、２つの直角プリズムを貼り合わせた略直方体状に形成されるとともに、各直角プリズムの界面に第１偏光分離膜が形成された第１偏光ビームスプリッタであり、前記光路延長素子は、略三角柱状に形成されたプリズムであり、前記合成素子は、２つの直角プリズムを貼り合わせた略直方体状に形成されるとともに、各直角プリズムの界面に第２偏光分離膜が形成された第２偏光ビームスプリッタであり、前記第１偏光ビームスプリッタは、前記第１偏光分離膜が前記集光レンズの光軸に対して約４５度の角度となるように配設され、前記第２偏光ビームスプリッタは、前記第２偏光分離膜が前記集光レンズの光軸に対して約４５度の角度となり、かつ、前記第１偏光分離膜に対して約９０度の角度となるように前記第１偏光ビームスプリッタに貼り合わされ、前記プリズムは、第１側面が前記第１偏光ビームスプリッタの前記第１偏光分離膜と略平行となり、かつ、前記第１側面に対して略直交する第２側面が前記第２偏光分離膜と略平行となるように、前記第１偏光ビームスプリッタおよび前記第２偏光ビームスプリッタに貼り合わされていることが好ましい。

本発明では、前記対物レンズを光軸方向に沿って移動させる移動手段と、前記移動手段にて移動される前記対物レンズの移動量を検出する検出手段とを備えることが好ましい。

このような構成によれば、移動手段にて対物レンズを光軸方向に沿って移動させることで、第１合焦位置、及び第２合焦位置を光軸方向に沿って移動させることができる。したがって、受光手段にて受光される光の強度に基づいて、被測定物の変位を測定することができるだけでなく、受光手段にて受光される光の強度と、検出手段にて検出される対物レンズの移動量とに基づいて、被測定物の表面の位置を測定することができる。

本発明の第１実施形態に係る変位計を示す概略模式図。前記実施形態における被測定物の表面が第１合焦位置にある場合に被測定物の表面にて反射される光の光路を示す図。前記実施形態における被測定物の表面が第２合焦位置にある場合に被測定物の表面にて反射される光の光路を示す図。前記実施形態における受光素子の受光した光の強度を示すグラフ。前記実施形態における光源から射出され、被測定物の表面に至る光の光路を示す図。前記実施形態におけるＰ偏光の光路、及びＳ偏光の光路を重ね合わせた図。本発明の第２実施形態に係る変位計を示す概略模式図。前記実施形態における移動手段にて対物レンズが被測定物側に移動されている状態を示す図。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る変位計１を示す概略模式図である。
変位計１は、被測定物Ｗの変位を測定するものであり、図１に示すように、所定方向（図１中右方向）に光を射出する光源２と、無偏光ビームスプリッタ３と、集光レンズ４と、ピンホール５と、光路延長手段６と、結像レンズ７と、対物レンズ８と、受光手段９と、演算処理手段１０とを備える。

無偏光ビームスプリッタ３は、２つの直角プリズムを貼り合せた略直方体状に形成され、各直角プリズムの界面３Ａが光源２から射出される光の射出方向に対して略４５度の角度となるように配設されている。そして、無偏光ビームスプリッタ３は、入射する光の一部を透過し、他の一部を界面３Ａにて反射させることで入射する光を偏光状態に依存することなく所定の割合で分割する。
集光レンズ４は、光源２、及びピンホール５の間に配設されている。この集光レンズ４は、光源２から射出され、無偏光ビームスプリッタ３の界面３Ａにて反射される光をピンホール５に集光させる。なお、集光レンズ４、結像レンズ７、及び対物レンズ８の光軸は、互いに略一致している。
ピンホール５は、光源２、及び結像レンズ７の間に配設され、集光レンズ４にて集光される光を通過させる。

光路延長手段６は、ピンホール５と、結像レンズ７との間に配設され、偏光ビームスプリッタ６１，６３と、プリズム６２とを備える。また、偏光ビームスプリッタ６１，６３、及びプリズム６２は、互いに貼り合わされ、一体化した構成を有している。
偏光ビームスプリッタ６１は、２つの直角プリズムを貼り合せた略直方体状に形成され、各直角プリズムの界面には、偏光分離膜６１Ａが形成されている。そして、偏光ビームスプリッタ６１は、偏光分離膜６１Ａが集光レンズ４の光軸に対して略４５度の角度となるように配設されている。偏光分離膜６１Ａは、偏光分離膜６１Ａに対してＰ偏光となる光を透過させるとともに、Ｓ偏光となる光を反射させて分離する。

プリズム６２は、偏光分離膜６１Ａと略平行な側面６２Ａと、側面６２Ａに対して略直交する側面６２Ｂとを有する略三角柱状に形成されている。
偏光ビームスプリッタ６３は、偏光ビームスプリッタ６１と同様の構成を有し、各直角プリズムの界面には、偏光分離膜６３Ａが形成されている。そして、偏光ビームスプリッタ６３は、偏光分離膜６３Ａがプリズム６２の側面６２Ｂと略平行となるように配設されている。

受光手段９は、偏光ビームスプリッタ９１と、２つの受光素子９２，９３とを備える。
偏光ビームスプリッタ９１は、偏光ビームスプリッタ６１，６３と同様の構成を有し、各直角プリズムの界面には、偏光分離膜９１Ａが形成されている。
受光素子９２は、偏光分離膜９１Ａを透過したＰ偏光の光を受光する位置に配設され、受光素子９３は、偏光分離膜９１Ａを反射したＳ偏光の光を受光する位置に配設されている。そして、受光素子９２，９３は、受光した光の強度を演算処理手段１０に出力する。
演算処理手段１０は、受光素子９２，９３にて受光される光の強度に基づいて、被測定物Ｗの変位を測定する。

次に、光源２から射出され、被測定物Ｗの表面に至る光の光路について説明する。
光源２から射出された光は、無偏光ビームスプリッタ３の界面３Ａにて反射され、集光レンズ４にてピンホール５に集光される。集光レンズ４にて集光された光は、ピンホール５を通過して偏光ビームスプリッタ６１に入射する。
偏光ビームスプリッタ６１は、偏光分離膜６１ＡにてＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させることで入射した光をＰ偏光、及びＳ偏光に分離する。なお、図１では、Ｐ偏光を実線で示し、Ｓ偏光を点線で示している。以下の図面においても同様である。
また、本実施形態では、所定の偏光方向を有する第１偏光を偏光分離膜６１Ａに対してＰ偏光となる光とし、第１偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２偏光を偏光分離膜６１Ａに対してＳ偏光となる光として説明する。すなわち、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ６１は、延長用分離素子として機能する。

偏光ビームスプリッタ６１を透過したＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ６３に入射する。また、偏光ビームスプリッタ６１を反射したＳ偏光は、プリズム６２に入射し、側面６２Ａ，６２Ｂにて反射され、偏光ビームスプリッタ６３に入射する。すなわち、本実施形態では、プリズム６２は、Ｓ偏光の光路を延長する光路延長素子として機能する。
偏光ビームスプリッタ６３は、偏光分離膜６３ＡにてＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させることで偏光ビームスプリッタ６１を透過したＰ偏光と、偏光ビームスプリッタ６１を反射し、プリズム６２を介したＳ偏光とを合成する。すなわち、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ６３は、合成素子として機能する。

偏光ビームスプリッタ６３にて合成された光は、結像レンズ７、及び対物レンズ８を介して被測定物Ｗの表面に集光される。すなわち、対物レンズ８は、光源２から射出された光を被測定物Ｗに向かって集光させる。
ここで、光路延長手段６は、Ｓ偏光の光路を延長するので、対物レンズ８を介してＰ偏光が集光される位置（以下、第１合焦位置Ｐとする）と、Ｓ偏光が集光される位置（以下、第２合焦位置Ｓとする）とは異なることになる。

図２は、被測定物Ｗの表面が第１合焦位置Ｐにある場合に被測定物Ｗの表面にて反射される光の光路を示す図である。
被測定物Ｗの表面が第１合焦位置Ｐにある場合には、図２に示すように、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｐ偏光は、対物レンズ８、結像レンズ７、及び光路延長手段６を介してピンホール５に集光される。すなわち、結像レンズ７は、被測定物Ｗの表面にて反射される光を結像させる。また、ピンホール５は、結像レンズ７にて結像される光を通過させる。
また、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｓ偏光は、ピンホール５とは異なる位置に集光される。
このため、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｐ偏光は、ピンホール５を通過するが、Ｓ偏光は、ピンホール５を殆ど通過することができない。

そして、Ｐ偏光、及びＳ偏光は、ピンホール５を通過し、無偏光ビームスプリッタ３の界面３Ａを透過して偏光ビームスプリッタ９１に入射する。
偏光ビームスプリッタ９１は、偏光分離膜９１ＡにてＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させることで入射した光をＰ偏光、及びＳ偏光に分離する。すなわち、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ９１は、受光用分離素子として機能する。
偏光ビームスプリッタ９１を透過したＰ偏光は、受光素子９２にて受光される。また、偏光ビームスプリッタ９１を反射したＳ偏光は、受光素子９３にて受光される。すなわち、受光素子９２，９３は、ピンホール５を通過した光を受光する。
したがって、受光素子９２の受光量は多くなり、受光素子９３の受光量は少なくなる。

図３は、被測定物Ｗの表面が第２合焦位置Ｓにある場合に被測定物Ｗの表面にて反射される光の光路を示す図である。
被測定物Ｗの表面が第２合焦位置Ｓにある場合には、図３に示すように、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｓ偏光は、対物レンズ８、結像レンズ７、及び光路延長手段６を介してピンホール５に集光される。
また、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｐ偏光は、ピンホール５とは異なる位置に集光される。
したがって、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｓ偏光は、ピンホール５を通過するが、Ｐ偏光は、ピンホール５を殆ど通過することができないので、受光素子９３の受光量は多くなり、受光素子９２の受光量は少なくなる。

図４は、受光素子９２，９３の受光した光の強度を示すグラフである。なお、図４は、縦軸を光の強度とし、横軸を被測定物Ｗの表面の変位としている。また、横軸における破線のうち、左側の破線は、被測定物Ｗの表面の変位が第１合焦位置Ｐであるときを示し、右側の破線は、被測定物Ｗの表面の変位が第２合焦位置Ｓであるときを示している。
受光素子９２の受光した光の強度Ｉｎｔ_１は、図４（Ａ）に示すように、被測定物Ｗの表面の変位が第１合焦位置Ｐであるときに最大となり、受光素子９３の受光した光の強度Ｉｎｔ_２は、被測定物Ｗの表面の変位が第２合焦位置Ｓであるときに最大となる。

演算処理手段１０は、受光素子９２，９３にて受光される光の強度Ｉｎｔ_１，Ｉｎｔ_２に基づいて、以下の式（１）によって、信号Ｓｉｇを算出する（図４（Ｂ）参照）。そして、演算処理手段１０は、信号Ｓｉｇに基づいて、第１合焦位置Ｐ、及び第２合焦位置Ｓの間の領域Δｈにおける被測定物Ｗの変位を測定する。なお、信号Ｓｉｇに基づいて、被測定物Ｗの変位を測定する方法については、特許文献１に記載の変位センサと同様である。

Ｓｉｇ＝（Ｉｎｔ_１−Ｉｎｔ_２）／（Ｉｎｔ_１＋Ｉｎｔ_２）・・・（１）

以下、領域Δｈと、ピンホール５、光路延長手段６、及び結像レンズ７の位置、及び寸法との関係について説明する。
図５は、光源２から射出され、被測定物Ｗの表面に至る光の光路を示す図である。なお、図５では、Ｐ偏光の光路を左側に示し、Ｓ偏光の光路を右側に示し、プリズム６２を直線的に表現している。

結像レンズ７から見た場合における見かけ上のＰ偏光の出発点Ｐ_Ｐから結像レンズ７までの距離をｘ_Ｐとし、Ｓ偏光の出発点Ｐ_Ｓから結像レンズ７までの距離をｘ_Ｓとすると、距離ｘ_Ｐ，ｘ_Ｓは、以下の式（２），（３）によって算出される。
なお、図５に示すように、ｕ_１は、ピンホール５、及び偏光ビームスプリッタ６１の間の距離であり、ｄは、偏光ビームスプリッタ６１，６３の一辺の距離であり、ｕ_２は、偏光ビームスプリッタ６３、及び結像レンズ７の間の距離であり、ｔは、プリズム６２内における光路の距離である。また、ｎ_ＰＢＳは、偏光ビームスプリッタ６１，６３の屈折率であり、ｎ_ＴＲＩは、プリズム６２の屈折率である。

ｘ_Ｐ＝ｕ_１＋ｕ_２＋２ｄ／ｎ_ＰＢＳ・・・（２）
ｘ_Ｓ＝ｕ_１＋ｕ_２＋２ｄ／ｎ_ＰＢＳ＋ｔ／ｎ_ＴＲＩ・・・（３）

したがって、Ｐ_Ｐ、及びＰ_Ｓの間の距離Δｘは、以下の式（４）によって表される。

Δｘ＝ｘ_Ｓ−ｘ_Ｐ＝ｔ／ｎ_ＴＲＩ・・・（４）

図６は、Ｐ偏光の光路、及びＳ偏光の光路を重ね合わせた図である。
ここで、図６に示すように、結像レンズ７におけるピンホール５側の焦点ｆ_１がＰ_Ｐ、及びＰ_Ｓの中間位置となるように結像レンズ７を配置すると、第１合焦位置Ｐ、及び第２合焦位置Ｓは、対物レンズ８における被測定物Ｗ側（図６中下方側）の焦点ｆ_２の近傍となる。
そして、結像レンズ７の焦点距離と比較してΔｘが十分に小さいとみなせる場合には、縦倍率が（ｆ_２／ｆ_１）^２となることから、以下の式（５）が成立する。

Δｈ＝（ｆ_２／ｆ_１）^２・Δｘ＝（ｆ_２／ｆ_１）^２・ｔ／ｎ_ＴＲＩ・・・（５）

以上のように、領域Δｈは、ピンホール５、光路延長手段６、及び結像レンズ７の位置、及び寸法によって関連付けられる。

本実施形態に係る変位計１によれば、次のような効果がある。
（１）変位計１は、１つのピンホール５を備えるので、構造上、測定誤差に方向依存性がなく、２つのピンホールを備えるダブルピンホール式の変位計と比較してピンホール５の位置を容易に調整することができる。
（２）光路延長手段６は、偏光ビームスプリッタ６１，６３と、プリズム６２とを備え、これらの素子は、一体化されているので、光路延長手段６の位置を容易に調整することができる。したがって、変位計１の調整を更に容易にすることができる。

〔第２実施形態〕
以下、本発明の第２実施形態を図面に基づいて説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る変位計１Ａを示す概略模式図である。
なお、以下の説明では、既に説明した部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
前記第１実施形態では、対物レンズ８は、所定の位置に固定されていた。これに対して、本実施形態では、変位計１Ａは、図７に示すように、対物レンズ８を光軸方向に沿って移動させる移動手段１１と、移動手段１１にて移動される対物レンズ８の移動量を検出する検出手段１２とを備えている点で異なる。なお、図７では、対物レンズ８は、移動手段１１にて結像レンズ７側に移動されている。

移動手段１１にて対物レンズ８が結像レンズ７側に移動されている場合には、第１合焦位置Ｐ、及び第２合焦位置Ｓは、結像レンズ７側に移動する。この状態において、例えば、被測定物Ｗの表面が第１合焦位置Ｐにある場合には、図７に示すように、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｐ偏光は、対物レンズ８、結像レンズ７、及び光路延長手段６を介してピンホール５に集光される。
また、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｓ偏光は、ピンホール５とは異なる位置に集光される。
したがって、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｐ偏光は、ピンホール５を通過するが、Ｓ偏光は、ピンホール５を殆ど通過することができないので、受光素子９２の受光量は多くなり、受光素子９３の受光量は少なくなる。

図８は、移動手段１１にて対物レンズ８が被測定物Ｗ側に移動されている状態を示す図である。なお、図８における被測定物Ｗの位置は、図７における被測定物Ｗの位置と同じである。
移動手段１１にて対物レンズ８が被測定物Ｗ側に移動されている場合には、第１合焦位置Ｐ、及び第２合焦位置Ｓは、被測定物Ｗ側に移動する。この状態において、例えば、被測定物Ｗの表面が第２合焦位置Ｓにある場合には、図８に示すように、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｓ偏光は、対物レンズ８、結像レンズ７、及び光路延長手段６を介してピンホール５に集光される。
また、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｐ偏光は、ピンホール５とは異なる位置に集光される。
したがって、被測定物Ｗの表面にて反射される光のうち、Ｓ偏光は、ピンホール５を通過するが、Ｐ偏光は、ピンホール５を殆ど通過することができないので、受光素子９３の受光量は多くなり、受光素子９２の受光量は少なくなる。

このような本実施形態においても、前記第１実施形態と同様の作用、効果を奏することができる他、以下の作用、効果を奏することができる。
（３）移動手段１１にて対物レンズ８を光軸方向に沿って移動させることで、第１合焦位置Ｐ、及び第２合焦位置Ｓを光軸方向に沿って移動させることができる。したがって、受光手段９にて受光される光の強度に基づいて、被測定物Ｗの変位を測定することができるだけでなく、受光手段９にて受光される光の強度と、検出手段１２にて検出される対物レンズ８の移動量とに基づいて、被測定物Ｗの表面の位置を測定することができる。

〔実施形態の変形〕
なお、本発明は前記各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の変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記各実施形態では、所定の偏光方向を有する第１偏光を偏光分離膜６１Ａに対してＰ偏光となる光とし、第１偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２偏光を偏光分離膜６１Ａに対してＳ偏光となる光としていたが、第１偏光をＳ偏光とし、第２偏光をＰ偏光としてもよい。

前記各実施形態では、光路延長手段６は、偏光ビームスプリッタ６１，６３、及びプリズム６２を備え、偏光ビームスプリッタ６１，６３、及びプリズム６２は、互いに貼り合わされ、一体化した構成を有していたが、一体化されていなくてもよい。また、２つの直角プリズムを貼り合せた略直方体状に形成された偏光ビームスプリッタ６１，６３に代えて板状に形成された偏光ビームスプリッタを採用してもよく、略三角柱状に形成されたプリズム６２に代えて複数の反射ミラーを採用する構成としてもよい。要するに、光路延長手段は、第１偏光、及び第２偏光のいずれか一方の光路を延長するものであればよい。

本発明は、変位計に利用でき、特に非接触で被測定物の変位を計測する光学式の変位計に好適に利用することができる。

１，１Ａ…変位計
２…光源
４…集光レンズ
５…ピンホール
６…光路延長手段
７…結像レンズ
８…対物レンズ
９…受光手段
１０…演算処理手段
１１…移動手段
１２…検出手段
６１…偏光ビームスプリッタ（延長用分離素子）
６２…プリズム（光路延長素子）
６３…偏光ビームスプリッタ（合成素子）
９１…偏光ビームスプリッタ（受光用分離素子）
９２，９３…受光素子

Claims

光源と、前記光源から射出された光を被測定物に向かって集光させる対物レンズと、前記被測定物の表面にて反射される光を結像させる結像レンズと、前記結像レンズにて結像される光を通過させるピンホールと、前記ピンホールを透過した光を受光する受光手段とを備え、前記受光手段にて受光される光の強度に基づいて、前記被測定物の変位を測定する変位計であって、
前記ピンホールは、前記光源、及び前記結像レンズの間に配設され、
前記光源、及び前記ピンホールの間に配設され、前記光源から射出される光を前記ピンホールに集光させる集光レンズと、
前記ピンホールと、前記結像レンズとの間に配設され、所定の偏光方向を有する第１偏光、及び前記第１偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２偏光のいずれか一方の光路を延長する光路延長手段とを備え、
前記受光手段は、
前記第１偏光、及び前記第２偏光を分離する受光用分離素子と、
前記受光用分離素子にて分離される前記第１偏光、及び前記第２偏光をそれぞれ受光する２つの受光素子とを備え、
前記光路延長手段は、
前記第１偏光、及び前記第２偏光を分離する延長用分離素子と、
前記延長用分離素子にて分離される前記第１偏光、及び前記第２偏光のいずれか一方の光路を延長する光路延長素子と、
前記延長用分離素子にて分離される前記第１偏光、及び前記第２偏光のいずれか他方と、前記光路延長素子にて光路を延長される前記第１偏光、及び前記第２偏光のいずれか一方とを合成する合成素子とを備え、
前記延長用分離素子、前記光路延長素子、及び前記合成素子は、一体化されていることを特徴とする変位計。
請求項１に記載の変位計において、
前記延長用分離素子は、２つの直角プリズムを貼り合わせた略直方体状に形成されるとともに、各直角プリズムの界面に第１偏光分離膜が形成された第１偏光ビームスプリッタであり、
前記光路延長素子は、略三角柱状に形成されたプリズムであり、
前記合成素子は、２つの直角プリズムを貼り合わせた略直方体状に形成されるとともに、各直角プリズムの界面に第２偏光分離膜が形成された第２偏光ビームスプリッタであり、
前記第１偏光ビームスプリッタは、前記第１偏光分離膜が前記集光レンズの光軸に対して約４５度の角度となるように配設され、
前記第２偏光ビームスプリッタは、前記第２偏光分離膜が前記集光レンズの光軸に対して約４５度の角度となり、かつ、前記第１偏光分離膜に対して約９０度の角度となるように前記第１偏光ビームスプリッタに貼り合わされ、
前記プリズムは、第１側面が前記第１偏光ビームスプリッタの前記第１偏光分離膜と略平行となり、かつ、前記第１側面に対して略直交する第２側面が前記第２偏光分離膜と略平行となるように、前記第１偏光ビームスプリッタおよび前記第２偏光ビームスプリッタに貼り合わされていることを特徴とする変位計。
請求項１または請求項２に記載の変位計において、
前記対物レンズを光軸方向に沿って移動させる移動手段と、
前記移動手段にて移動される前記対物レンズの移動量を検出する検出手段とを備えることを特徴とする変位計。