JPH04240811A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は位置検出装置に関し、特
に干渉計などの光学測定装置において被検レンズの位置
検出を４分割センサを用いて行った位置検出装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より例えば光ディスクプレ−ヤの信
号読み取り用の対物レンズを用いたオ−トフォ−カスや
、干渉計における被検レンズの位置合わせでは対象とな
る被検レンズの光軸上及び光軸と直交する両面の位置検
出を行うことが必要となる。このような技術として、従
来より受光面を４つのエリアに分割した所謂４分割セン
サと呼ばれるフォトダイオ−ドに該被検レンズからの光
束を導き、その４分割センサの各エリアに入射する光束
の光量分布から被検レンズの光軸上及び光軸と直交する
面内の位置検出を行うことが知られている。光軸方向の
検出を行うために該被検レンズと４分割センサとの間に
シリドリカルレンズを配置し、故意に大きな非点隔差を
発生させるようにしている。

【０００３】図３は従来例の４分割センサ面上で検知さ
れる光スポットの形状を示している。シリンドリカルレ
ンズの母線とセンサの分割方向は互いに４５度の角度を
なしている。同図に示すように各エリアをＡ〜Ｄとし、
各エリアＡ〜Ｄから発生する信号をＳＡ　〜ＳＤ　とす
ると、位置ズレ検出量は 　　フォ−カス方向誤差信号　　：ＳＺ　＝（ＳＡ　＋
ＳＤ　）−（ＳＢ　＋ＳＣ　）　　Ｘ方向誤差信号　　
　　　　　　　　：ＳＸ　＝（ＳＡ　＋ＳＣ　）−（Ｓ
Ｂ　＋ＳＤ　）　　Ｙ方向誤差信号　　　　　　　　　
　：ＳＹ　＝（ＳＡ　＋ＳＢ　）−（ＳＣ　＋ＳＤ　）
として求めることができる。

【０００４】図４はこのような信号を得るための光学系
の一例である。光源６を出た光が被検レンズ７によって
平行光束に変換される可く配置されており、被検レンズ
７の位置は変換誤差としてセンサ光学系８によって検出
される。センサ光学系８において１は正の結像レンズ、
２はシリンドリカルレンズである。シリンドリカルレン
ズの母線と４分割センサの分割方向は前述のように互い
に４５度の角度をなすようになっている。４分割センサ
の光軸方向の位置は図に示した位置５に配置している。 即ち位置３で示されているシリンドリカルレンズの母線
を含む、シリンドリカルレンズ２が曲率を持たない方向
の光束に対する像面と、位置４で示されるシリンドリカ
ルレンズ２の子線を含む、シリンドリカルレンズが曲率
を持つ方向の光束に対する像面の中間の位置５に４分割
センサーをセットしていて。位置５ではベストフォ−カ
スの場合発生させた非点隔差がバランスし、図３（Ｂ）
に示したような円形の光スポットの分布が得られる。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】上記従来例での検
出される位置ずれ信号ＳＺ、ＳＸ、ＳＹ　は４分割セン
サ面上の光スポットの大きさや、センサ受光部面積、セ
ンサ光感度などによって決定される。また合焦時の光ス
ポットの大きさはビ−ム径やセンサ用光学系によって生
じる非点隔差の大きさによって決定されている。従って
位置検出装置を設計する際は、４分割センサの特性とセ
ンサ光学系とのマッチングをはかり、要求に適した検出
感度が得られるようにしなければならない。４分割セン
サを固定とすれば光学系側での重要要素は非点隔差の発
生量である。

【０００６】しかしながら被検レンズが固定で、いつも
同一の形状のものを測定している場合にはこれで十分で
あるが、干渉計などでこの方式を用いる場合には問題が
生じる。即ち干渉計では対象となる被検レンズの形状が
多様であり、被検該レンズの焦点距離ｆの値に伴って４
分割センサ面上での結像倍率が変化する。この場合、光
軸に垂直なＸ，Ｙ方向の倍率は１／ｆに比例し、光軸方
向の倍率は１／ｆ２　に比例することが知られている。 このため対象となる被検レンズの焦点距離によってＸ，
Ｙ方向とフォ−カス方向の検出感度が異なり、時として
バランスを欠いて所望の精度が得られないという問題が
あった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明では非点隔差の発
生量自体が光学系の検出感度に多大な影響を持っている
ことに着目し、この非点隔差の発生量をコントロ−ルす
ることによって光軸方向の位置検出感度と光軸に垂直方
向の位置検出感度を調節できるようにしたものである。 このため本発明では非点隔差量を可変とする手段をセン
サ光学系内に設けたことを特徴としている。

【０００８】即ち本発明では被検レンズからの光束を正
のパワ−を持つ結像レンズと、シリンドリカルレンズと
を介して受光面を４つに分割したフォトダイオ−ドに入
射させ、該フォトダイオード面上に形成した光束状態を
検出して該被検レンズの位置検出を行う位置検出装置に
おいて、該結像レンズとシリンドリカルレンズとの間隔
を可変とし、光軸方向の検出感度と光軸と直交する方向
の検出感度を調整したことを特徴とする位置検出装置と
している。

【０００９】この他本発明では被検レンズからの光束を
正のパワ−を持つ結像レンズと、シリンドリカルレンズ
とを介して受光面を４つに分割したフォトダイオ−ドに
入射させ、該フォトダイオード面上に形成した光束状態
を検出して該被検レンズの位置検出を行う位置検出装置
において、該シリンドリカルレンズの屈折力を可変とし
、光軸方向の検出感度と光軸と直交する方向の検出感度
を調整したことを特徴とする位置検出装置としている。

【００１０】

【実施例】図１は本発明の実施例１を示すセンサ光学系
の要部概略図である。従来例と同じく１は正の結像レン
ズ、２はシリンドリカルレンズを示しており、図はシリ
ンドリカルレンズ２の母線に垂直な断面を示している。 また４分割センサＳの光軸方向の位置５に配置している
。即ち位置３で示すシリンドリカルレンズの母線を含む
、シリンドリカルレンズが曲率を持たない方向の光束に
対する像面と、位置４で示すシリンドリカルレンズの子
線を含む、シリンドリカルレンズが曲率を持つ方向の光
束に対する像面の中間の位置５にセットしている。

【００１１】図１の光学系の特徴は結像レンズ１とシリ
ンドリカルレンズ２の間隔が可変であることである。図
１（Ａ）はこの系で非点隔差を最も大きくした状態、第
１図（Ｂ）は非点隔差を最も小さくした場合に対応して
いる。図中実線で示した光線はシリンドリカルレンズ２
の曲率を持った断面に対する結像、破線はシリンドリカ
ルレンズ２が曲率を持たない断面に対する結像を示して
いる。曲率を持たない断面の結像ではシリンドリカルレ
ンズ２はただの平行平板の作用しか行わないので、図１
（Ａ）と図１（Ｂ）の位置３は合致している。表１に実
施例１を構成した各要素の数値例を示す。

【００１２】ここで（Ａ）（Ｂ）は図１のサブの番号に
対応している。表中ｆ１　は１の結像レンズの焦点距離
、ｆ２　はシリンドリカルレンズ２の曲率方向の焦点距
離、Ｄはセンサ受光面の直径、φはセンサ光学系に入る
入射光束の直径、ｄは２つのレンズ１及び２の間隔を示
している。

【００１３】図２は図１の状態に対応して得られる４分
割センサ上での光スポットの分布である。図２（Ａ）、
（Ｂ）の場合、非点収差の発生量が大きいため４分割セ
ンサＳを置く位置５での光スポット径が大きい。このた
め被検レンズの光軸方向であるｚ軸方向の位置変化によ
り、合焦のとき円形であった光は焦点ずれの影響で形状
を楕円形に大きく変化させる。これに対し光軸方向に垂
直な方向のずれはスポット径が大きいため、ずれ量をス
ポット径で正規化して考えれば分かるように得られる検
出量が小さくなってしまう。図２（Ａ）、（Ｂ）の場合
は従ってｚ方向の位置検出感度は高いが、ｘ，ｙ方向の
位置検出感度が低い場合に相当する。

【００１４】図２（Ｃ）、（Ｄ）の場合は非点収差の発
生量が小さいため位置５での光スポット径が小さく、図
２（Ａ）、（Ｂ）の場合の逆となる。非点収差が小さい
ことに対応して被検レンズがｚ軸方向にずれた場合のス
ポットの楕円形への歪は図２（Ａ）、（Ｂ）の場合より
小さく、これは光軸方向の感度が小さくなる事を意味し
ている。一方光スポット径が小さいことはずれに対し基
準値が小さいことを意味しているので、ｘ，ｙ方向の検
出感度は高くなっている。

【００１５】実施例１では結像レンズ１とシリンドリカ
ルレンズ２との間隔ｄが可変となっている。図１（Ａ）
、（Ｂ）の検出感度に関する特性を考慮したうえで前記
２つのレンズの間隔を適当に調節すれば、光軸方向であ
るｚ軸方向と、光軸に垂直なｘ，ｙ方向の位置検出感度
のバランスをはかることができる。

【００１６】表２に本発明の実施例２の各要素の数値例
を示す。実施例１ではセンサ光学系の非点収差発生量を
変えるため２つのレンズの間隔を変化させたが、本実施
例ではシリンドリカルレンズを正のパワ−の屈折力可変
レンズとし、非点収差の発生量をコントロ−ルしている
。表中に示した各記号の意味は表１の場合と同一である
。表２ではシリンドリカルレンズ２の屈折力が（Ａ）と
（Ｂ）の場合で異なっており、代わりに２つのレンズ間
の距離ｄが一定であることが相違点となっている。

【００１７】表２に示した結果から分かるように、実施
例２のセンサ光学系で得られる（Ａ）及び（Ｂ）に対す
る非点隔差の発生量と、達成されるスポット径は実施例
１の（Ａ）（Ｂ）と殆ど同じである。従ってセンサ面上
で得られる光の強度分布は実施例１と同じく図２のよう
になることが分かる。

【００１８】表２よりシリンドリカルレンズ２の焦点距
離を変化させれば、実施例１でレンズ間隔ｄを変化させ
たのと同じように非点隔差の量をコントロ−ルできるこ
とは明らかである。この結果、光軸方向であるｚ軸と光
軸に直交するｘ，ｙ方向の位置検出感度のバランスを調
節でき、被検レンズに対応したセンサ系を構成すること
が可能となった。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明ではセンサ用
光学系を構成する２つの要素である結像レンズとシリン
ドリカルレンズの光学的な関係をレンズ間隔、あるいは
屈折力変化という形で変化させることにより、センサ用
光学系の非点収差を変化させ光学特性及びそれに伴う検
出感度をコントロ−ル出来るという効果がある。この結
果、測定の対象となる被検レンズの焦点距離や測定条件
が変わり、測定に必要となるパラメ−タが変化した場合
でも状況に応じて系の特性を変化させることができる。 このため対象物が変化しても、センサ系全体としては検
出信号の演算処理部や、センサ光学系の設計を変更する
ことなく位置検出感度を調整することが可能となるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　本発明の第１実施例の光学系の平面図

【図
２】　　実施例１におけるセンサ面上での光スポット形
状を示す図

【図３】　　４分割センサによるずれの検出方法を示す
説明図

【図４】　　被検レンズの位置を検出するセンサ用光学
系の配置図

【符号の簡単な説明】

１　　センサ光学系の結像レンズ ２　　シリンドリカルレンズ ３　　シリンドリカルレンズの母線方向像面４　　シリ
ンドリカルレンズの子線方向像面５　　センサ面 ６　　光源 ７　　被検レンズ ８　　センサ用光学系

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　被検レンズからの光束を正のパワ−を
   持つ結像レンズと、シリンドリカルレンズとを介して受
   光面を４つに分割したフォトダイオ−ドに入射させ、該
   フォトダイオード面上に形成した光束状態を検出して該
   被検レンズの位置検出を行う位置検出装置において、該
   結像レンズとシリンドリカルレンズとの間隔を可変とし
   、光軸方向の検出感度と光軸と直交する方向の検出感度
   を調整したことを特徴とする位置検出装置。
2. 【請求項２】　　被検レンズからの光束を正のパワ−を
   持つ結像レンズと、シリンドリカルレンズとを介して受
   光面を４つに分割したフォトダイオ−ドに入射させ、該
   フォトダイオード面上に形成した光束状態を検出して該
   被検レンズの位置検出を行う位置検出装置において、該
   シリンドリカルレンズの屈折力を可変とし、光軸方向の
   検出感度と光軸と直交する方向の検出感度を調整したこ
   とを特徴とする位置検出装置。