JPH03148971A - 投影パターンを用いた非接触変位計測方法 - 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】 （産業上の利川分野） 本発明は被測定体の変位量を光学的手法を利用して計測
する投影パターンを用いた非接触変位計測方法に関する
。

（従来の技術） 近年、加工技術の高精度化に伴い、製品の表面形状を高
精度で測定する技術が要求されており、また。加工材料
の多様化によって加工材料を損傷することなく非接触で
変位測定等が行えるシステムが要求されている。

この非接触による測定には光学的手法を利用したものが
いくつか利用されており、たとえばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔ
ｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｖｉｃｅ）等の光学
素子を利用した三角測量法による変位測定器などが用い
ら九でいる。三角測量法は被測定体に向けて一定角度で
光ビームを投射し、被測定体からの反射光強度をＰＳＤ
で検出するもので、被測定体の変位量にしたがって反射
光強度分布が変わることを利用したものである。また、
投光ファイバーと受光ファイバーからなる光ファイバー
を非接触用の測距センサとして用いる方法などもある。

また。顕微鏡等では自動フォーカス樋溝が付設されたも
のもあるが、この場合の自動フォーカスも変位計測機能
によるものであって、顕微鏡像のコントラストを検出し
てもっともコントラスト差が大きくなる位置をフォーカ
ス位置としている。

（発明が解決しようとする課顕） しかしながら、上記の三角測量法による変位測定方法で
は、被測定体に色むらがあったり、被測定体の面の傾き
が異なったりするとＰＳＤで受光される強度に誤差が生
じ、出力変位に誤差が生じるという問題点がある。これ
は、投光部と受光部が同一光軸上にないためと考えられ
る。

また−光フアイバーを測距用センサとして用いる場合は
、反射光を光ファイバーで受光するため測定可能範囲が
大きくとれないという問題点がある。

また、従来の自動フォーカス方法では像のコントラスト
差を検出しなければならないから、被測定体が無模様の
ようなものの場合はコントラスト差が検出できずフォー
カスできないといった問題点、あるいは、被測定体が透
明体であるような場合は透明体の背景像を検出して誤作
動するといった問題点がある。

そこで、本発明は上記問題点を解消すべくなされたもの
であり、その目的とするところは、測定可能範囲を広く
とることが可能で、被測定体の色や色むら、また。被測
定体面の傾きによる影響を受けずに正確な変位計測を行
うことのできる投影パターンを用いた非接触変位計測方
法を提供しようとするものである。

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するため次の構成をそなえる。

すなおち、所定の明暗パターンが形成された分割パター
ンをレンズを介して被測定体に投影し、該被測定体上の
投影像の明パターン部と暗パターン部の強度を測定し、
該明パターン部と暗パターン部の強度差が変化する変化
量をもとに、投影像の正規の結像位置からの被測定体の
変位を計測することを特徴とする特 ＊発明の概要） 本発明に係る投影パターンを用いた非接触変位計測方法
は、被測定体に対して明暗パターンを投影し、被測定体
上の投影像の明暗パターン信号を検出して被測定体の変
位量を計測することを特徴としている。

第１図は本発明方法を適用した光学系を示す。

この光学系は被測定体１０の前方に対物レンズ１２、ハ
ーフミラ−１４、分割パターン１６．結像用レンズ１８
．光源２０を同一光軸上に配置し、ハーフミラ−１４の
側方に反射光の検出器２２を配置したものである。検出
器２２の出力は信号処理系２４に入力される。

分割パターン１６は対物レンズ１２によって被測定体１
０上に結像され、被測定体１０上の投影像２６は対物レ
ンズ１２によりハーフミラ−１４を介して検出器２２上
に再結像される。

分割パターン１６としてはたとえば図のように円を４つ
の扇形に分割し、交互に明パターン部と暗パターン部に
わけたものを用いることができる。

被測定体１０上には４分割された明暗パターンが投影さ
れ−検出器２２には４分割された明暗パターンが結像す
る。実施例では、検出器２２上にもとの４分割パターン
と同一寸法で明暗パターンが結像するように光学系をセ
ットしている。

検出器２２においては、第２図に示すように検出器２２
上に結像される明暗パターンの明パターン部および晴パ
ターン部のそれぞれの位置に受光素子２８ａ、２８ｂ、
２８ｃ、２８ｄを配置する。

分割パターン１６はここでは４分割パターンを用いてい
るので、受光素子は４つ設置する。

検出器２２上に結像される投影像の明パターン部信号の
出力と暗パターン部の出力差は、被測定体１０が正規の
結像位置から変位すると投影像がぼけてその差が小さく
なる。したがって、この明暗パターン部の出力信号を検
出することによって、被測定体１０が光軸方向にどの程
度変位したかを計測することが可能となる。

被測定体表面の反射率の相違あるいは光源の光量の変動
による影響を防ぐため、検出信号としては明パターン部
の信号出力と暗パターン部の信号出力から次式で定義す
るビジビリティＳをとる。

Ｓ　”　（Ｉ　＋＋Ｉ　、−Ｉ　２　Ｉ　４）／（Ｉ　
ｌ＋Ｉ２÷Ｉ、÷１、）ここで＝１、およびＩ、は検出
器２２上の明パターン部の信号（受光素子２８ａ、２８
ｃの信号出力）であり、Ｉ２およびＩ４は晴パターン部
（受光素子２８ｂ、２８ｄの信号出力）である。

第２図はこの受光素子２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ
の信号出力からビジビリティＳの出力を得る回路構成で
、３０は和−３２は差、３４は割り算の演算回路である
。

次に、上記検出信号Ｓと被測定体の変位量との関係を求
める。

簡単のため、１次元でぼけを扱うと、第３図のように白
黒のエツジをもったパターンＡの場合、物体がフォーカ
ス位置Ｂにあるときは投影像のエツジ部は明確なエツジ
となるが、フォーカス位置からずれた位置Ｃにある場合
は、投影像のエツジ部の強度分布は図のように直線的に
変化する。

この考え方をもとにして、上記例において明パターン内
部の光量の強度分布が一様とし、光束内部の強度分布も
場所によらずに一様であると仮定すると、検出信号Ｓの
出力は次式によって与えられる。

０　ｔ≧ｈのとき ３　＝　１−ｈ／ｌ　−ｈ　”　／３ｔ０　ｔ　＜ｈの
とき ５＝　ｔ／　３ｈ ここで、ｔは検出器２２の大きさで。

ｈ　＝　Ｉ　ＤＺ（ａ−ｆ）　　／　ｆＺ（ａ−ｆ）＋
ａｆ２Ｉである。なお、ｈの式で、ａは分割パターン１
６と対物レンズ１２との距離、ｆは対物レンズの焦点距
離、Ｄは対物レンズの有効径、Ｚは結像位置を基準とし
た光軸方向の被測定体の変位量である。

被測定体１０に傾きがある場合も、同様の仮定に基づい
てＳを求めることができる。

第４図は、ビジビリティＳを計算で求めた理論値の一例
である。図で横軸は正規の結像位置からの変位量を示し
、縦軸は各変位位置でのＳ値である。なお、図示した曲
線はａ＝７０ｍｍ−ｆ＝１５．８ｍｍ−Ｄ＝８．５ｍｍ
　、　ｔ＝＋１．２５ｍｍの場合の計算結果で、被測定
体面が光軸に垂直の場合と、光頓に対して３０°傾いた
場合を示す。

計算結果によれば、被測定体の傾き角が大きくなると、
結像位置付近で検出信号Ｓ値はやや低下するが、結像位
置かられずかに離れると検出信号Ｓ値の曲線は被測定体
面が垂直の場合と一致することがわかる。

第５図は、被測定体面が光頓に垂直で結像位置にある場
合（ａ）、被測定体面が光軸に垂直で結像位置からずれ
た状ｊｆｆｉ（ｂ）、被測定体面が光軸に対して傾斜し
て結像位置からずれた状態（Ｃ）の明暗パターンを説明
的に示している。図で白部分は明パターン部、黒部分は
暗パターン部、斜線部分は像がぼけた部分を示す。

被測定体が正規の結像位置からずれると４分割された明
暗パターンはエツジ部分からぼけはじめ、検出器上では
第５図φ）のようになっていると考えられる。また。被
測定体面が傾いている場合は、第５図（ｃ）のように一
方の受光部では光量が増加し他方の受光部では減少する
という変化をする。そこで、対角位置に配置された２つ
の明暗パターン部の光量を足し合わせれば、被測定体面
が傾いていることによる光景の変化を打ち消すことが可
能となる。この結果、被測定体面に傾きがあっても検出
信号Ｓには影響を受けないことになる。

第４図に示すように、検出信号Ｓは変位量に従って一意
的に定まり、検出信号Ｓ値と変位量との関係が直線的と
なる部分を利用して被測定体の変位量を計測することが
できる。

この計測方法による場合は、上述したように被測定体面
が光頓に対して若干傾いているような場合であっても正
確な計測が可能であり、また、被測定体に明暗パターン
を投影してその投影像の明暗パターンの強度から変位量
を解析しているから。

被測定体に色がついていたり、色むらがあっても影響を
受けにくく、被測定体が無模様であったり透明体であっ
ても正確に変位量を計測することができる。また、対物
レンズの焦点距ｍ−被測定体との距離、検出器等の光学
系を適宜設定することによってきわめて多用途の変位計
測に応用することが可能である。

なお、上記説明においては、分割パターン１６として４
分割パターンを例に説明したが、分割パターン１６の明
暗パターンは４分割パターンに限定されるものではなく
、第３図のような２分割パターンでも可能で、さらに分
割数を多くしたパターンも可能である。測定精度の点か
らは、明暗パターンの分割数を多くするほうがよいが、
明暗パターンの分割数を多くした場合は、各分割部ごと
に受光素子を装置しなければならなく、また分割数が多
くてＣＣＤを使わねばならないような場合は認識処理時
ＩＩＩがかかるから測定精度と処理時間のかねあいで設
定するのがよい。

（実施例） 以下、第１図に示す光学系に基づいて変位計測装置を製
作し、実際に変位計測を行った結果について説明する。

装置は、光源２０から対物レンズ１２までの距離を１７
０ｍｍに設定し、被測定体１０を光軸方向に変位させリ
ニアスケールで被測定体１０の変位量を読み取って上記
の検出信号Ｓの出力値をｗｔ測した。

ここで、対物レンズ１２の倍率を上げると被測定体１０
上の投影パターン径は小さくなり、分解能は上がるが測
定範囲は狭くなる。すなわち、微小変位を検出するには
投影パターン径を小さくする必要があり開口数の大きい
対物レンズを使用する必要があるが、開口数を大きくす
ると測定可能範囲が狭くなる。したがって、測定対象に
よって適当な対物レンズを選ぶ必要がある。実施例にお
いては顕微鏡用の対物レンズ２０倍（Ｎ＾＝Ｑ、　４０
）を用いた。

第６図は被測定体として白両川紙を用い、被測定体面が
光頓に垂直な場合、光頓に対して１５°傾いた場合、３
０°傾いた場合についての測定結果である。図から、直
線域においては、被測定体の傾きの影響がほとんどない
ことがわかる。

第７図は被測定体の色による影響を調べた結果を示す、
被測定体としては印刷用色見本を用い。

赤、橙、黄、緑、青−藍、紫について調べた。第７図は
このうち、赤、緑、青について測定した結果である。図
では各色について数回測定し、その平均値を示した。測
定結果は被測定体の色による影響がほとんどないことを
示している。他の橙。

黄、藍、紫についても同様な結果が得られた。

以上の測定結果から、検出信号Ｓの出力値が直線的とな
っている範囲については、被測定体が光頓に対して３０
°まで傾いても誤差は３％以内におさまっていることが
わかる。なお、４５＠程度まで傾い入場合でも測定が可
能であった。また。被測定体の色の相違による誤差も３
％以内におさまっていることが確かめられた。

このように、上記変位計測装置は物体の変位計測に有効
に利用できるものであり、被測定体が静的なものの他に
動的物体の変位測定にも有効に利用できる。第８図はボ
イスコイルに矩形波、三角波、正弦波の信号を入力して
、上記の変位計測装置でボイスコイルの変位の様子を観
測した結果である。

第８図（ａ）はボイスコイルに入力した信号波形。

第８図（鴫はこれらの入力波形に対する変位出力波形で
ある。図のように、ボイスコイルは入力信号波形に対し
てほぼ追随して変位していることが観察できた。

第９図は上記変位計測装置の再現性を確認した実験結果
を示す、すなおち、黄銅の切削面を被測定面とし、光頓
に垂直な方向に被測定体を移動させて変位出力値の変化
を調べた。第９図に示す２つのグラフは被測定体の同一
個所を２回トレースした際の変位出力値を示す、被測定
体表面の凹凸により変位出力値が変動しているが、デー
タは全体的によく一致し、再現性は高いことが確認でき
た。

なお、このように被測定体の面内で２軸の送り装置と組
み合わせることにより三次元形状測定が可能である。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて種々説明し
たが、本発明方法は物体の変位量を正確に計測する変位
計測はもちろん、これを応用した自動フォーカス機構、
物体の形状測定等、種々の応用展開が可能である。

（発明の効果） 本発明によれば、上述したように、被測定体に明暗パタ
ーンを投影してその投影像の明暗パターン部の信号を検
出して被測定体の変位量を求めるようにしているから、
被測定体の色の相違、色むら、表面状態によらずに正確
な計測ができ、被測定体が透明体であったり無模様であ
っても正確な測定が可能である。また。被測定体面があ
る程度傾いても正確な測定ができるという特徴がある。

さらに、光学系を適宜配置することによって広い測定範
囲を設定することができ、種々の光学測定系等に応用す
ることが可能である等の著効を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る計測方法に用いる光学系の一実施
例を示す説明図、第２図は明暗パターンの出力信号を処
理する演算回路を示す説明図、第３図は被測定体の変位
による明暗パターンのぼけを示す説明図、第４図は変位
量に対する検出信号Ｓの理論値を示すグラフ、第５図は
被測定体が傾斜した場合の明暗パターンのぼけを示す説
明図、第６図は被測定体の変位量に対する出力値の実測
データを示すグラフ、第７図は被測定体の色の相違によ
る出力値の実測データを示すグラフ、第８図はボイスコ
イルの変位を実測した出力値のグラフ、第９図は変位計
測装置の再現性を測定した測定結果のグラフである。 １０−・−被測定体、　１２・・・対物レンズ。 １４・・￥ハーフミラ−、１口−・・分割パターン、　
　１８・・−緒像レンズ、　　２０・・・光源、　２２
−・・検出器、　２４・・・信号処理系、　２６・−一
段影像、　２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ−・−受光
素子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、所定の明暗パターンが形成された分割パターンをレ
   ンズを介して被測定体に投影し、該被測定体上の投影像
   の明パターン部と暗パターン部の強度を測定し、該明パ
   ターン部と暗パターン部の強度差が変化する変化量をも
   とに、投影像の正規の結像位置からの被測定体の変位を
   計測することを特徴とする投影パターンを用いた非接触
   変位計測方法。