JPH0254106A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、非接触にて物体の変位を測定することがで
きる光学式変位測定装置に関する。

［従来の技術］ レーザ光を被測定物に照射し、その散乱光をビームスポ
ットにして受光素子で受けて、当該被測定物の垂直方向
における変位をこのビームスポットの反射角に変換し、
この反射角に対応して前記受光素子に結像するビームス
ポットの変位を検出することにより当該被測定物の変位
測定を行う、ようにした変位測定装置は、例えば、国内
雑誌であるｒＯＰｌｕｓ　Ｅｌ、　１９８６年、９月号
、第６６頁乃至第７２頁に示されている。

従来のこの種の装置を第５図により説明すると、（１〉
は半導体装置検出器であって、レーザ光源〈図示されな
い）からの光を被測定物に照射し、その散乱光をビーム
スポットに収束形成して、抵抗層を有する受光面に入射
させ、この入射位置に発生した電荷に基づく光電流を、
対向する出力電極までの距離に逆比例する電流として検
出するものである。　（２）、（２）はプリアンプであ
って、半導体装置検出器（１）の出力電極から検出した
電流（１，）。

（Ｉｔ）（Ｉｏ＝　１＋　＋ｘ＊）を対応の電圧（Ｌ）
、（ｖｉ）　ニ変換するものである。（３）はアナログ
スイッチであって、プリアンプ（２）、（２＞からの出
力電圧（Ｖ、）、（Ｖ、）を時系列的に一系統の信号と
して取出すものである。（４）はバッファアンプ、（５
）はサンプルホールド回路、（６）は前記出力電圧（Ｖ
＋）、（Ｌ）を対応のデジタル量（Ｄ、）、（Ｄ、）に
変換するＡＤ変換器であり、また、（７）は前記変換さ
れたデジタル量について（ＤＩ　−０２）／　（Ｄ、　
＋　０２＞なる演算を行ない、この演算値を補正して変
位信号に変換するＣＰＵである。

第６図は、上記従来の装置の動作を説明するための各種
特性図である。この第６図において、第６図（ａ）は、
検出用ヘッド部（６１）に対する被測定物（６２）の傾
斜の例示図、第６図（ｂ）および第６図（ｃ）は、いず
れも、被測定物の傾斜方向とその傾斜角に対応する該被
測定物の変位とその誤差量との関係を例示するグラフ図
である。

次に、この従来の装置の動作について説明すると、被測
定物に照射したレーザ光は反射され、ビームスポットと
して半導体装置検出器（１）に入射されて、その所定位
置に結像される。次いで、このビームスポットの位置を
示す電流（Ｌ）、（Ｌ）を出力！極から取出し、プリア
ンプ（２）、＜２＞で対応の電圧（Ｖ、）、（Ｖ２）に
変換してから、アナログスイッチ（３）により一系統の
時系列信号を形成し、バッファアンプ（４）およびサン
プルホールド回路（５）を経由してから、ＡＤ変換器（
６）で対応のデジタル量（ＤＩ）、（Ｄ２）に変換して
ＣＰ　Ｕ　（７）に入力する。そして、このＣＰ　Ｕ　
（７）で得られた演算値に適当な補正を施してから、所
要の変位信号として出力することになる。

ところで、上記された構成を有する従来の装置は、被測
定物から反射されるビームスポットの反射角が当該被測
定物の垂直方向の変位に応じて変動し、この変動する反
射角を半導体装置検出器に入射するビームスポットの変
位に変換するようにされている。また、前記半導体装置
検出器からの２個の出力電流をパラメータとしてビーム
スポットの位置データを求めることにより、被測定物の
変位を求める補正のみを行なうようにしであるため、第
６図（ａ）に示すように、検出用ヘッド部（６１）に対
して被測定物（６２）が＋θ、−θ方向に傾斜する場合
には、第６図（ｂ）や第６図（Ｃ）に示すように、その
傾斜角の大きさに応じて、実際の変位量よりも正または
負の方向にずれた量の誤差が発生してしまって、正確な
変位の測定が不可能になることがある。

［発明が解決しようとする課題］ 上記された構成を有する従来の装置によれば、被測定物
から反射されるビームスポットの反射角が当該被測定物
の垂直方向の変位に応じて変動し、この変動する反射角
を半導体装置検出器に入射するビームスポットの変位に
変換するようにされている。また、前記半導体装置検出
器からの２個の出力電流をパラメータとしてビームスポ
ットの位置データを求めて、ｍ測定物の変位を求める補
正のみを行なうようにしであるため、検出用ヘッド部に
対して被測定物が正負いずれかの方向に傾斜する場合に
は、その傾斜角の大きさに応じて、実際の変位量よりも
正もしくは負の方向にずれた量の誤差が発生し、正確な
変位の測定を行なうことができなくなるという問題点が
あった。

この発明は上記の問題を解決するためになされたもので
、光学式変位測定装置に対する被測定物の傾斜の程度の
いかんに拘わらず、その正確な変位の測定が可能にされ
た前記光学式変位測定装置を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係る光学式変位測定装置は、並設した光源を
交互に点灯させる光源駆動回路と、各光源からの出射光
を集光して被測定物に照射する投光レンズと、被測定物
からの各散乱光を集光してビームスポットを形成する集
光レンズと、水平出力電極および垂直出力電極を備えて
おり、ビームスポットが結像される二次元位置検出器と
、各光源の点灯時毎に水平出力電極および垂直出力電極
の出力電流に基づいて対応のビームスポット位置（Ｌ　
、Ｌ）、（Ｘ２　、Ｙ２）　ヲ’Ｉ−出ｔ　ル演ＮＨト
、各ｔ−−ムスポット位ｉｔ　（Ｌ　、Ｙ、）、　（Ｘ
２　、Ｙ２）　カラＷｌ測定物（’）　変位に対応する
データ（Ｐ、）、（Ｐｌ）を出力する変位変換テーブル
と、被測定物の変位に対応するデータ（Ｐ、）、（Ｐｌ
）に基づいて被測定物の傾斜を算出する傾斜演算器と、
算出した傾斜から被測定物の変位に対応するデータ（Ｐ
、）、（Ｐｌ）に対する傾斜補正量を出力する傾斜補正
テーブルとから構成されたものである。

［作用］ この発明においては、点灯駆動回路の付勢により交互に
点灯するレーザ光源からの照射光を被測定物に照射し、
その散乱光をビームスポットに形成して二次元位置検出
器に結像し、各レーザ光源の点灯時毎のビームスポット
の水平、垂直方向のビームスポット位置データ（Ｘ、　
、Ｙ、）、（Ｘ、、Ｙ、）を算出し、このデータから被
測定物の変位（Ｐ、）、（Ｐｌ）を求めるための補正を
施してから、変位（ＰＩ）、（Ｐｌ）に基づいて被測定
物の傾斜量を演算し、この演算値に対応する補正量に基
づいて変位（ＰＩ）、（Ｐｌ）の傾斜補正を施すことに
より正確な変位を得るようにされる。

［実施例］ 第１図は、この発明の一実施例である光学式変位測定装
置の概略構成図である。この第１図において、（８）、
（８）は光源駆動回路であって、被測定物（１１）上に
間隔（１）を隔てて並設したレーザ光源（９）、（９）
を交互に点灯するためのものである。

（１０）、（１０）は投光レンズであって、レーザ光源
（９）、（９）からの照射光を集光して被測定物（１１
）に入射するためのものである。（１２）は集光レンズ
であって、被測定物（１１）からの散乱光の一部を収束
してビームスポットを形成するためのものである。

（１３）は半導体装置検出器としての二次元位置検出器
であって、第２図に関連して詳述されるように、その表
面に−様な抵抗層を有しており、それぞれ１対の水平出
力電極および垂直出力電極が具備されている。（１４）
は変位演算器であって、二次元位置検出器（１３）から
のビーム位置電流を入力させ、各レーザ光源（９）、（
９）の点灯時毎のビームスポット位置データ（Ｘ、、Ｌ
）、（Ｘ２．Ｌ）全１３Ｅｔルｆ、：Ｗ＞ノものである
。この変位演算器（１４）についても、第２図に関連し
て詳述される。　（１５）は傾斜演算器であって、変位
演算器（１４）からの変位データ（Ｐｌ）（Ｐｌ）が入
力されて、両者の差とレーザ光源（９）、＜９）の間隔
（１）との比から被測定物（１１）の傾斜ｔａｎθ−（
ｐ、−ｐｚ）／／ を算出し、その符号および大きさに基づいて被測定物（
１１）の傾斜方向とその傾斜角とを求めるとともに、後
述される傾斜補正テーブル（１７）がら読出した傾斜補
正量を表わすデータに基づいて変位データ（Ｐ、）、（
Ｐｌ）に所要の傾斜補正を施した、正確な変位データを
出力端子（１８）に送出するためのものである。（１６
〉は変位変換テーブルであって、変位演算器（１４）か
らの各レーザ光源（９Ｌ（９）の点灯時毎のビームスポ
ット位置（Ｘｌ、Ｙ、）、（Ｘ２．Ｙ２）−・−に対応
する被測定￥＠＜１１）の変位データ（Ｐ、）、（Ｐｌ
）・・・を記憶させておくためのものであり、ビームス
ポット位置（Ｘｌ、Ｙ、）、（Ｘ２．Ｙ２）−−−カ入
力すレる毎に変位（ＰＩ）、（Ｐｌ）・・・が読出され
るように構成されている（後述の第３図を参照）、　（
１７）は傾斜補正テーブルであって、傾斜演算器（１５
）からの傾斜角と傾斜方向とに対応する被測定物（１１
）の傾斜補正量を表わすデータ（Ｈｌ＞、（Ｈ２）・・
・を記憶させるように構成されている（後述の第４図を
参照）。

第２図は、二次元位置検出器（１３）および変位演算器
（１４）を中心とする、上記実施例要部の詳細構成図で
ある。この第２図において、二次元位置検出器（１３）
の表面には−様な抵抗層が設けられており、また、それ
ぞれに１対の水平出力電極（１３１）。

（１３２）および垂直出力電極（１３３）　、　（１３
４）が具備されている。そして、ある一方のレーザ光源
（９）の点灯時には、各水平出力電極（１３１）　、　
（１３２）からビームスポット位置に逆比例するＹ方向
のビームスポット位置電流（１□）、（１，２）が出力
されるとともに、各垂直出力電極（１３３）　、　（１
３４）からは同様にしてＸ方向のビームスポット位置電
流（１＋ｚ）、（Ｉｔ４）が出力される。また、他方の
レーザ光源（９）の点灯時には、同様にして、水平出力
電極（１３１）、　（１３２）からはＸ方向のビームス
ポット位１電流（Ｉｔ、）、（Ｌ□）が出力され、垂直
出力電極（１３３）　、　（１３４）がらはＹ方間のビ
ームスポット位置電流（１２，）、（１２，）が出力さ
れる。変位演算器（１４）は、前述されたように、二次
元位置検出器（１３〉からのビームスポット位置電流を
受は入れて各レーザ光源（９Ｌ（９）の点灯時毎のビー
ムスポット位置デー９　（Ｘ、、Ｙｌ）、（Ｘ２．Ｙ２
）を演算するものであり、二次元位置検出器（１３）の
水平出力電極（１３１）、＜１３２＞が、ビームスポッ
ト位置電流を対応の電圧に変換する電流電圧変換部（１
４１）、（１４２）に接続されている。そして、これら
の電流電圧変換部（１４１）、（１４２）の出力は減算
部（１４３）および加算部（１４４＞に結合されている
。更に、これらは除算部（１４５）に結合されていて、
減算部（１４３）からの減算電圧と加算部（１４４）か
らの加算電圧との閏での除算を行なって、即ち （Ｖｌ−Ｖ２−）／　（Ｖ＋ｓＬ、） なる演算を行なってから、所定のビームスポット位置デ
ータ（Ｙｌ）、（Ｙ２）を出力させる。同様にして、垂
直出力電ｔｆＩ（１３３）　、　（１３４）も、ビーム
スポット位置電流を対応の電圧に変換する電流電圧変換
部（１４６）　、（１４７）に接続されている。そして
、これらの電流電圧変換部（１４６）　、（１４７）の
出力は減算部（１４８）および加算部（１４９）に結合
されている。更に、これらは除算部（１５０）に結合さ
れていて、減算部（１４８）からの減算電圧と加算部（
１４９）からの加算電圧との閏で除算を行なって、即ち （Ｖ、、−Ｖ２．）／（Ｖ、、＋Ｖ２．）なる演算を行
なってから、所定のビームスポット位置データ（Ｘｌ）
、（Ｘ２）を出力させる。

第３図は、上記実施例における変位換算テーブルの例示
図である。この第３図においては、対をなすビームスポ
ット位置データ（ＸＩ）、（Ｙ、）・・毎に対応の変位
データ（Ｐｌ）・・・が得られるようなテーブル構成に
されている。

第４図は、上記実施例における傾斜補正テーブルの例示
図である。この第４１３ｉｆｆにおいては、ある所定の
反射角θに対応する変位データ（Ｐ、＞、（Ｐ２）・・
に対する傾斜角補正量を表わすデータ（１１，）、（Ｈ
２）・・・が得られるようなテーブル構成にされている
。

次に、上記実施例の動作について説明する。いま、被測
定物（１１）が第１図に示すように傾斜しており、光源
駆動回路（８）、＜８＞により図中左側のレーザ光源（
９）、右側のレーザ光源（９）の順序で交互に点灯され
ているものとする。このときには、レーザ光源（９）、
（９）からの出射光は被測定物（１１）の峠、いで反射
され、その散乱光の一部が集光レンズ（１２）によりビ
ームスポットに形成されて、二次元位置検出器（１３）
の１点およびＵに順次に照射される。そして、このため
に、二次元位置検出器（１３）の水平出力電極（１３１
）、（１３２）からのビームスポット位置に逆比例する
ビームスポット位置電流（ｒ、ｌ）、（１，２）、およ
び、垂直出力電極（１３３）　。

＜１３４）からのビームスポット位置電流（Ｉｔり）、
（１１，）が演算器（１４）に入力される。

これとともに、ビームスポット位置？４流（Ｌ、＞。

（１，、）が対応の電圧（Ｌｙ）、（Ｌｙ）　に変ｍさ
ｈ、（Ｖ＋ｙ　　Ｖ２ｙ）／　（Ｌｙ　＋　Ｖｚｙ）な
る演算が行われてビームスポット位置くＹｌ）が得られ
る。同様にして、ビームスポット位置電流（１，、）、
（＋、、）が対応の電圧（ｖｌｘ）　、（Ｖ２Ｘ）に変
換され、上記と同様な演算が行われてビームスポット位
置（Ｘ、）が得られる。

これに続いて、トー点に入射するビームスポット位置を
示すビームスポット位置電流が演算器（１４）に入力さ
れ、前記と同様の演算が行われて対応のビームスポット
位置（Ｘｉ）、（Ｙ２）が得られる。

そして、これらのビームスポット位置（Ｘ、、Ｙ、）。

（Ｘ２．Ｙ２）に対応する被測定物（１１）の変位を示
すデータ（Ｐ、）、（Ｐ２）が変位変換テーブル（１６
）から読出されて、傾斜演算器（１５）に入力される。

ここで、変位データ（ｒ’、）、（Ｐ２）間の差と予め
設定されているレーザ光源り９）、＜９）間の距Ｍ（１
）との比に基づいて、 ｔａｎθ＝　（ＰＩ　−Ｐ２）／１ が算出され、被測定物（１１）の傾斜方向とその傾斜角
の大きさに対応する補正量を表わすデータ（Ｈｌ）（Ｈ
２）が傾斜補正テーブル（１７）から読出される。かく
して、変位データ（Ｐ、）、（Ｐ、）に対して所要の傾
斜補正処理が施されてから、所望の正確な変位を表わす
データが出力端子（１８）から得られることになる。

［発明の効果］ 以上説明されたように、この発明に係る光学式変位測定
装置は、交互に点灯する並設光源からの照射光を被測定
物に照射し、その散乱光をビームスポットとして二次元
位置検出器に結像し、各光源の点灯時毎に検出したビー
ムスポット位置から被測定物の変位データに基づいて被
測定物の傾斜を傾斜演算器により算出し、傾斜補正テー
ブルからの算出値に対応する傾斜補正量を読出し、変位
データに対する傾斜補正を行なうように構成したので、
装置に対して被測定物がどのように傾斜しても、その傾
斜による測定誤差の影響を何ら受けることなく、正確な
変位を検出することができ、振動、衝撃等の影響を受け
て傾斜を生じ易い雰囲気における変位測定において高晴
度の変位測定を保証することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例を示すブロック図、第２
図は、二次元位置検出器と変位データ演算器とを中心と
する上記実施例要部の詳１構成図、第３図は、上記実施
例における変位変換テーブルの例示図、第４図は、上記
実施例における傾斜補正テーブルの例示図、第５図は、
従来の変位測定装置を示すブロック図、第６図は、上記
従来例の動作を説明するための各種特性図である。 （８）は光源駆動回路、 （９〉はレーザ光源、 （ｌＯ）は投光レンズ、 （１２）は集光レンズ、 （１３）は二次元位置検出器Ｊ （１４）は変位演算器、 （１５）は傾斜演算器、 （１６）は変位変換テーブル、 （１７）は傾斜補正テーブル。 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示す。 鳥１図 ＼ 尤：原ＡＨ１ｉ口路 し−ア′九、原 投光しニス゛ １光しニス゛ 二ン匁７ｃ位１にＰ出来４ ２位、事マ界 ＠斜ｆｆｉ’ｌ酪 寒イＬｌ：、ｔ＊　　チー７゛ノＬ すＩ斗桶゛正テーアル 篤３図 昂４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）並設したレーザ光源を交互に点灯させる光源駆動
   回路と、 各々のレーザ光源からの出射光を集光して被測定物に照
   射する投光レンズと、 被測定物からの各々の散乱光の一部を集光してビームス
   ポットを形成する集光レンズと、水平出力電極及び垂直
   出力電極を具備し、 ビームスポットを結像させる二次元位置検出器と、各々
   のレーザ光源の点灯時毎に水平出力電極及び垂直出力電
   極の出力電流に基づいて対応のビームスポット位置を算
   出する変位演算器と、各々のビームスポット位置から被
   測定物の変位に対応するデータを出力する変位変換テー
   ブルと、 被測定物の変位に対応するデータに基づいて被測定物の
   傾斜量を算出する傾斜演算器と、算出した傾斜量から被
   測定物の変位に対応するデータに対する傾斜補正量を表
   わすデータを出力する傾斜補正テーブルと、 を備えたことを特徴とする光学式変位測定装置。