JPH03184009A - 移動体の位置検出装置 - 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） 本発明は、往復移動体の位置を検出する装置に関するも
のである。

（従来の技術） 従来より、光ビームを被走査面上において走査させる光
走査装置にあっては、光ビームをＡＯＤ（音響光学光偏
向器）等の光偏向器によって偏向させる他に、光源その
ものを往復移動させることによって光ビームの走査を行
なうことも考えられている。また光走査読取装置等にあ
っては、光ビームの走査点に追随するように光検出器を
往復移動させることも考えられている。このような光走
査装置に限らず、各種のセンサ類や工具類等を往復移動
させる機構は、数多くの装置において従来より広く採用
されている。

ところで、上述のように移動体を往復移動させる場合、
その移動位置を検出する必要が有ることが多い。例えば
光走査読取装置にあっては、光で走査された記録媒体の
箇所からの反射光や透過光を検出して得られたアナログ
画像信号を、光走査と同期を取ってサンプリングする等
のために、走査始端や終端つまりは光源の移動端位置を
検出することが必要とされる。

また往復移動体の移動位置を厳密に制御する場合等は、
移動体の駆動制御装置に位置情報をフィードバックさせ
るために移動位置を刻々検出することが必要である。

（発明が解決しようとする課題） 上記のように往復移動体の位置を検出するための装置と
して従来は、リニアエンコーダやロータリエンコーダ等
が広く用いられてきた。

しかしこのようなエンコーダ類は、かなり大型で重＜、
またコストも高いものとなっている。

そこで本発明は、小型軽量かつ安価に形成可能な移動体
の位置検出装置を提供することを目的とするものである
。

（課題を解決するための手段及び作用）本発明による第
１の移動体の位置検出装置は、往復移動体に、その移動
の方向と角度をなす向きに（つまり平行ではなく）固定
された反射面と、光ビームを発する光源と、 この光ビームを、移動体が所定位置にあるとき上記反射
面上で収束するように該反射面に入射させる入射光学系
と、 移動体が上記所定位置にあるとき上記反射面で反射した
光ビームを所定収束位置で収束させる集光光学系と、 この所定収束位置における前記光ビームの強度を検出す
る光検出器とから構成されたものである。

なお好ましくは、上記反射面は移動体の移動方向に対し
て直角に配置され、光ビームがこの反射面に対して垂直
に、つまり移動体の移動方向と平行に入射するように入
射光学系が形成されるのが好ましいが、必ずしもそうで
なくても構わない。

上記の構成において移動体が所定位置にある際には、所
定収束位置で収束する光ビームは高強度となり、それが
光検出器によって検出される。しかし移動体が上記所定
位置から外れると、反射した光ビームの収束位置が上記
所定収束位置から前方あるいは後方にずれ、それにより
、光検出器が検出する光ビームの強度が低下する。この
光強度低下の程度は、移動体が上記所定位置から遠く離
れるほど大となるので、光検出器の受光強度が移動体の
位置に応じて変化することになる。そこでこの光検出器
の出力に基づいて、移動体の位置を知ることが可能とな
る。

一方本発明による第２の移動体の位置検出装置は、 往復移動体に取り付けられた遮光部材と、移動体の移動
方向と角度をなす向きに（つまり平行ではなく）進行し
、そして一部が上記遮光部材によって遮られる光ビーム
を発する光ビーム照射系と、 遮光部材に適えぎられない上記光ビームを検出する光検
出器とから構成されたものである。

この構成においては、遮光部材によって遮られる光ビー
ムの光量が移動体の位置に応じて変化する。したがって
、この場合も光検出器の出力に応じて移動体の位置を検
出可能となる。

（実　施　例） 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

第１図は、本発明の第１実施例による移動体の位置検出
装置を示すものであり、また第２および３図は、この装
置が搭載された透過型の共焦点走査型顕微鏡を示してい
る。まず、走査型顕微鏡の基本構成について、第２図お
よび走査機構を詳しく示す第３図を参照して説明する。

第２図に示されるように、照明光１１を発するレーザダ
イオード５が、移動台１５に一体的に保持されている。

また移動台１５には、コリメーターレンズＩ６および対
物レンズ１７からなる送光光学系１８と、対物レンズ１
９および集光レンズ２ｏからなる受光光学系２１とが、
互いに光軸を一致させて固定されている。

これらの光学系１８．２１の間には、移動台１５と別体
とされた試料台２２が配されている。そして受光光学系
２１の下方において移動台１５には、光検出器９が固定
されている。この光検出器つとしては、例えばフォトダ
イオード等が用いられる。また光検出器９の前側（図中
上方）には、ピンホール８ａを有するピンホール板８が
配されている。

レーザダイオード５から発せられたレーザ光（照明光）
　１１は、コリメーターレンズ１Ｂによって平行光とさ
れ、次に対物レンズ１７によって集光されて、試料台２
２に′ａ置された試料２３上で（表面部分あるいはその
内部で）微小な光点Ｐに収束する。

試料２３を透過した各透過光１１’　の光束は、受光光
学系２１の対物レンズ１９によって平行光とされ、次に
集光レンズ２０によって集光されて点像Ｑに結像する。

この点像Ｑは、光検出器９によって検出される。この光
検出器９からは、光点Ｐで照射された試料２３の各部分
の明るさを示す信号Ｓが出力される。

なお、上記点像Ｑをピンホール８ａを介して検出するこ
とにより、そのハローや試料２３で散乱した光をカット
することができる。

次に、照明光１１の光点Ｐの２次元走査について、第３
図も参照して説明する。移動台【５は架台３２に対して
、矢印Ｘ方向に移動自在に支持されている。

すなわち架台３２には２本のガイドロッド４０．４０の
一端部が固定され、移動台１５に設けられた２つのガイ
ド孔４１．４１中にこれらのガイドロッド４０．４０が
遊嵌されている。上記移動台１５と架台３２との間には
、積層ピエゾ素子３３が介装されている。この積層ピエ
ゾ素子３３はピエゾ素子駆動回路３４から駆動電力を受
けて、移動台１５を矢印Ｘ方向に高速で往復移動させる
。この往復移動の振動数は、例えば１ＯｋＨｚとされる
。その場合、主走査幅を１００μｍとすると、主走査速
度は、 １０ＸＩＯ３Ｘ１００　ＸＩＯ’　Ｘ２−２ｍ／ｓとな
る。

一方試料台２２は架台３２に対して、上記矢印Ｘ方向と
直角な矢印Ｙ方向に移動自在に支持されている。すなわ
ち架台３２には、２本のガイドロッド４５．４５の一端
部が固定され、試料台２２に設けられた２つのガイド孔
４Ｂ、４６中にこれらのガイドロッド４５．４５が遊嵌
されている。上記試料台２２と架台３２との間には、積
層ピエゾ素子４７が介装されている。この積層ピエゾ素
子４７はピエゾ素子駆動回路４Ｂから駆動電力を受けて
、試料台２２を矢印Ｙ方向に高速で往復移動させる。そ
れにより試料台２２は移動台１５に対して相対移動され
、前記光点Ｐが試料２３上を、主走査方向Ｘと直交する
Ｙ方向に副走査する。

なおこの副走査の所要時間は例えば１／２０秒とされ、
その場合、副走査幅を１００μｍとすると、副走査速度
は、 ２０Ｘ　１００　Ｘ　１０’　−０，００２ｍ／　ｓ■
２ｍｍ／ｓ と、前記主走査速度よりも十分に低くなる。この程度の
副走査速度であれば、試料台２２を移動させても、試料
２３が飛んでしまうことを防止できる。

以上のようにして光点Ｐが試料２３上を２次元的に走査
することにより、該試料２３の２次元像を担持するアナ
ログの信号Ｓが得られる。以下第４図を参照して、この
画像信号Ｓから画素分割されたデジタル画像データを作
成する点について説明する。

第４図は走査型顕微鏡の電気回路を示している。

図示されるようにピエゾ素子駆動回路３４および４Ｂに
は、制御回路３５から主走査ドライブ信号Ｓ１および副
走査ドライブ信号Ｓ２が入力され、それにより主、副走
査の同期を取って積層ピエゾ素子３３．４７が駆動され
る。

一方光検出器９が出力したアナログ画像信号Ｓは画像信
号用アンプ５０で増幅された後、Ａ／Ｄ変換器５１に入
力される。またこのＡ／Ｄ変換器５１には、サンプリン
グクロックＳ３が人力され、該Ａ／Ｄ変換器５１はこの
サンプリングクロックＳ３の周波数でアナログ画像信号
Ｓをサンプリング（標本化）し、そしてデジタルの画像
データＳｄに変換する。このデジタル画像データＳｄは
−たん画像メモリ５３に記憶された後、そこから逐次読
み出される。読み出された画像データＳｄは例えばＣＲ
Ｔ等からなる画像再生装置５４に送られ、試料２３の顕
微鏡像再生のために供せられる。

上記メモリ５３への画像データＳｄの書込み、およびそ
こからの読出しは、リード／ライトコントローラ７０に
よって制御される。すなわちこのコントローラ７０には
、光点Ｐの主走査１周期毎にパルス状の主走査同期信号
Ｓ５が人力されるとともに、副走査１周期毎にパルス状
の副走査同期信号Ｓ６が人力され、これらの信号Ｓ５、
Ｓ６に基づいて上記画像データＳｄの書込みおよび読出
しが制御される。以下、第１図および第３図を参照して
、主走査同期信号Ｓ５の作成について説明する。

第３図に示されるように移動台１５には、反射面７２ａ
を有する反射板７２が固定されている。この反射板７２
は、反射面７２ａが主走査方向Ｘに対して垂直となる向
きに固定されている。一方架台３２には、上記反射面７
２ａに対して直角な向きにレーザ光７３を射出するレー
ザダイオード７４と、このレーザ光７３を集光する集光
レンズ７５と、この集光レンズ７５と上記レーザダイオ
ード７４との間に配された７％　−フミラー７Ｇと、こ
のハーフミラ−７６の下方に配されたフォトダイオード
等の光検出器７７とが固定されている。また上記レーザ
ダイオード７４と光検出器７７の各前面には、開口板７
８．７９が配置されている。

集光レンズ７５は、第１図に示されるように移動台１５
が原点、すなわち図中左側の移動端位置にあるとき、レ
ーザ光７３を反射面７２ａ上で収束させる。

このレーザ光７３は反射面７２ａで反射した後、一部が
ハーフミラ−７Ｂで反射し、開口板７９を介して光検出
器７７に入射する。開口板７９は、このときのレーザ光
７３の収束位置に開口（ピンホール）７９ａが位置する
ように配されており、したがってこのレーザ光７３はほ
ぼ全量が開ロア９ａを通過して、光検出器７７によって
検出される。

なお以上の説明から明らかな通り本実施例においては、
集光レンズ７５が入射光学系を構成し、またこの集光レ
ンズ７５とハーフミラ−７６とにより集光光学系が構成
されている。

移動台１５が上記の原点から第１図中右方に移動すると
、レーザ光７３は図中破線で示す状態で反射面７２ａに
入射し、そのため該反射面７２ａおよびハーフミラ−７
Ｂで反射した後のレーザ光７３の収束位置は、図中上方
に移動する。したがってこのレーザ光７３は、多くが開
口板７９によって遮断されるようになる。この光遮断の
程度は、移動台１５が前記原点から遠く離れるほど大と
なるので、光検出器７７が出力する光量検出信号Ｓ７は
第５図図示のように、移動台１５の移動周期と同じ周期
で規則的に変化する。

このように移動台１５の位置に応じたレベルを示す光量
検出信号Ｓ７は、第４図に示すようにアンプ８０で増幅
された後、同期信号作成回路８１に入力される。同期信
号作成回路８１はこの信号Ｓ７のピーク値を検出する毎
に、前述したパルス状の主走査同期信号Ｓ５を発生する
。したがってこの主走査同期信号Ｓ５は、光点Ｐが主走
査始端あるいは終端に到達する毎に出力されるものとな
る。

なお副走査同期信号Ｓ６は、従来より知られている手段
によって作成することもできるし、あるいは以上説明し
たのと同様にして試料台２２の位置を検出し、その検出
信号に基づいて作成することもできる。

なお本実施例では、最終的に移動台１５の原点位置のみ
を知ればよいため、光量検出信号Ｓ７のピ−ク値を求め
るようにしているが、前述した通りこの信号Ｓ７のレベ
ルは、刻々変化する移動台１５の移動位置と対応が有る
ので、この信号ｓ７に基づいて移動台ｉ５の位置を連続
的に検出することも可能である。

また連続的に変化する上記光量検出信号ｓ７を微分すれ
ば、移動台１５の速度や、移動の方向を検出することも
できる。また移動台１５に反射板７２を取り付ける代わ
りに、移動台１５の一部を反射面としてもよい。

なお図では特に示されていないが、主、副走査方向ＸＳ
Ｙと直交する矢印Ｚ方向（第２図参照）、すなわち光学
系１８．２１の光軸方向に試料台２２を移動させること
もできる。こうして試料台２２をＺ方向に所定距離移動
させる毎に前記光点Ｐの２次元走査を行なえば、合焦点
面の情報のみが光検出器９によって検出される。そこで
、この光検出器９の出力Ｓから得られた画像データＳｄ
をメモリに取り込むことにより、試料２３を２方向に移
動させた範囲内で、全ての面に焦点が合った画像を担う
画像データを得ることが可能となる。

次に第６図を参照して、本発明の第２実施例について説
明する。以下、この実施例の装置も第２および３図に示
した走査型顕微鏡において、第１実施例の装置と同様の
目的に利用されるものとして説明する。

矢印Ｘ方向に往復移動する移動台１５には、この移動の
方向に延びる遮光板９０が固定されている。

光ビーム照射系を構成するレーザダイオード９１と集光
レンズ９２は、レーザダイオード９１から発せられて集
光レンズ９２により平行光化されたレーザ光９３が、一
部上記遮光板９０によって遮られる状態に配置されてい
る。また架台３２には、上記遮光板９０を経た後のレー
ザ光９３を反射させる反射面９４ａを有する反射板９４
が固定されている。反射面９４ａで反射したレーザ光９
３の一部はハーフミラ−９５で反射し、光検出器９６に
よって検出される。

上記の構成においては、移動台１５が原点に位置すると
き、遮光板９０によって遮られるレーザ光９３の光量が
最大となる。そして移動台１５が図中右方に移動するに
つれて、上記の遮られる光量が次第に減少する。したが
って光検出器９６が出力する光量検出信号Ｓ８は、移動
台１５が上記原点に位置するとき最小レベルをとり、移
動台１５が原点から離れるにつれて次第に増大するよう
に変化する。こうして移動台１５の移動位置と対応した
レベルを示すこの信号Ｓ８も、第１実施例の光量検出信
号Ｓ７と同様に利用することができる。

なお第６図の構成において、反射板９４を設ける代りに
その位置に光検出器を配し、遮光板９ｏを経たレーザ光
９３を直接的に検出しても構わない。

またレーザ光９３を遮光板９ｏに対して斜めに入射させ
たり、あるいは反射板９４を斜めに配置することにより
、レーザ光９３の反射板９４に対する入射光路と出射光
路とが互いに角度をなして分離するようにしてもよい。

その場合は、集光レンズ９２とは別の集光レンズを設け
、それに対応させて光検出器９６の位置も変えればよい
。これは、第１図に示した第１実施例の装置においても
同様である。

さらに本発明の位置検出装置は、以上説明した走査型顕
微鏡の移動台１５に限らず、曲線軌跡を描いて運動する
往復移動体も含めて、その他のあらゆる往復移動体の位
置検出に適用されうるちのである。

（発明の効果） 以上詳細に説明した通り本発明による移動体の位置検出
装置は、極めて簡単な構成となっているので、前述した
リニアエンコーダ等に比べれば安価に形成可能であり、
そして小型軽量に形成可能であるから、往復移動体を備
える装置のコンパクト化を実現でき、また移動体を駆動
するカが小さい装置に対しても適用可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例による位置検出装置を示
す正面図、 第２図は、上記第１実施例装置が搭載された走査型顕微
鏡の概略正面図、 第３図は、上記走査型顕微鏡の要部を示す斜視図、 第４図は、上記走査型顕微鏡の電気回路を示すブロック
図、 第５図は、上記ｍｌ実施例装置によって得られた移動体
位置を示す信号の波形図、 第６図は、本発明の第２実施例による位置検出装置を示
す正面図である。 ５．７４．９１・・・レーザダイオード９．７７．９６
・・・光検出器 １１・・・照明光　　　　　　１１’・・・透過光１５
・・・移動台　　　　　　１６・・・コリメーターレン
ズ１７．１９・・・対物レンズ　　１８・・・送光光学
系２０．７５．９２・・・集光レンズ　　２１・・・受
光光学系２２・・・試料台　　　　　　２３・・・試料
３２・・・架台　　　　　　　３３．４７・・・積層ピ
エゾ素子３４．４８・・・ピエゾ素子駆動回路 ５０．８０・・・アンプ　　　　５１・・・Ａ／Ｄ変換
器７０・・・リード／ライトコントローラ７２．９４・
・・反射板　　　　７２ａｓ９４ａ・・・反射面７３．
９３・・・レーザ光　　　７Ｂ、９５・・・ハーフミラ
−７８，７９・・・開口板　　　　７９ａ・・・開口８
１・・・同期信号作成回路　９０・・・遮光板第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）往復移動体に、その移動の方向と角度をなす向き
   に固定された反射面と、 光ビームを発する光源と、 この光ビームを、前記移動体が所定位置にあるとき前記
   反射面上で収束するように該反射面に入射させる入射光
   学系と、 前記移動体が前記所定位置にあるとき前記反射面で反射
   した光ビームを所定収束位置で収束させる集光光学系と
   、 この所定収束位置における前記光ビームの強度を検出す
   る光検出器とからなる移動体の位置検出装置。
2. （２）往復移動体に取り付けられた遮光部材と、前記移
   動体の移動方向と角度をなして進行し、一部が前記遮光
   部材によって遮られる光ビームを発する光ビーム照射系
   と、 前記遮光部材に遮えぎられない前記光ビームを検出する
   光検出器とからなる移動体の位置検出装置。