JPH04337405A - 非接触測定プローブ - 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、測定対象面に有限の断
面サイズを持つ光ビームを投射し、反射光を受光して測
定対象面迄の距離を測定する非接触測定プローブに係り
、特に、奥行寸法が大きくて複雑な形状を有する対象を
、高速且つ高精度に測定することが可能な、金型測定機
、人体形状測定機、自動車形状測定機、三次元座標測定
機等の形状測定機に用いるのに好適な、非接触測定プロ
ーブに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、三次元形状の測定には、接触式の
三次元座標測定機が最も広く実用化されており、１μｍ
　あるいはそれ以上の高分解能が得られている。

【０００３】これらは、タッチセンサが対象物表面に接
触した瞬間を電子回路の開閉により検出する方式や、差
動トランスを併用して三軸方向の変位を検出するもので
、エアの背圧変化による間接接触のものもあるが、広義
の機械的接触を行うプローブを必要とする。このため、
複雑な形状の対象物で多点の測定を必要とする場合には
、極めて長時間を要し、更にプローブ球の半径以下の曲
率半径を有する部分は測定が不可能であるという問題を
含んでいる。

【０００４】一方、非接触の形状測定としては、光を用
いる方法が一般的であり、幾何光学的方式と波動光学的
方式に分かれる。

【０００５】幾何光学的方式には、光ビームが対象物表
面に投影した投光スポットの視角を、イメージセンサ上
の結像点の変位によって測定する三角測量方式、光幕や
光ビームの投光高さの斜影成分を測定する光切断方式、
光ビームを円錐状とし、その頂点を常に対象物表面に位
置するようにサーボ制御するオートフォーカス法等があ
る。

【０００６】又、波動光学的方式には、光波干渉法、モ
アレ・トポグラフィ法、ホログラフィ法等がある。

【０００７】このうち三角測量方式は、最も簡便な方式
であるが、測定面とレンズ面との距離を長くできないの
で、奥行寸法の大きい形状の測定には適さない。

【０００８】光切断方式は、短時間に複雑な形状の測定
を行えるという利点を有するが、測定精度は高々０．１
ｍｍ程度と低い。

【０００９】オートフォーカス法は、測定精度は高いが
、対物レンズと対象物表面との距離をあまり大きくでき
ないので三角測量方式と同じ問題点を含み、更にビーム
の頂点を対象物表面に位置するようにサーボ制御するた
め、多点の測定を必要とする場合には極めて長時間を要
するという触針式の三次元座標測定機と同様な問題点も
含んでいる。

【００１０】光波干渉法、モアレ・トポグラフィ法、ホ
ログラフィ法は、高分解能が得られるが、装置が複雑・
高価であり、測定対象の表面粗度が悪いと測定ができな
いという欠点がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このように現状では、
奥行寸法が大きくて複雑な形状を有する対象を、高速且
つ高精度に測定するのに適した方法が存在しない。

【００１２】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、表面粗度が切削仕上げから研磨仕上
げの範囲にあり、奥行寸法が大きくて複雑な形状を有し
、しかも精度を必要とする物体、即ち金型に代表される
ような物体を、簡便・高速且つ高精度に測定することが
可能な非接触測定プローブを提供することを目的とする
。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、非接触測定プ
ローブにおいて、異なる周波数で振幅変調された複数の
光ビームを発生する手段と、該複数の光ビーム、及び、
測定対象面で反射散乱された光を重ね合わせて受光して
電気信号に変換する光検出手段と、該光検出手段によっ
て得られる光電変換信号中の、前記光ビームのいずれか
１つと反射散乱光のモノダイン検波やヘテロダイン検波
によって生じた成分と、同じ周波数を持つ振幅変調用信
号成分間の位相差を測定する位相差測定手段と、該位相
差に基づいて、測定対象面迄の距離を計算する演算手段
と、測定対象面に照射される光ビームの断面サイズが最
小となるビームウェストの位置を変化させる手段と、前
記演算手段で計算された測定対象面迄の距離に応じて、
前記ビームウェストの位置が測定対象面近傍となるよう
にフィードバック制御する手段とを備えることにより、
前記目的を達成したものである。

【００１４】本発明は、又、同じく非接触測定プローブ
において、第１及び第３の周波数Ｆ１及びＦ３で二重振
幅変調された第１の電気信号を発生する手段と、前記第
１の周波数Ｆ１と僅かに異なる第２の周波数Ｆ２で振幅
変調された第２の電気信号を発生する手段と、前記第１
及び第２の電気信号を混合するミキシング手段と、該ミ
キシング手段の出力から、周波数が（Ｆ１−Ｆ２）の成
分を抽出する第１の抽出手段と、前記第１の電気信号に
より二重振幅変調された第１の光ビームを発生する手段
と、前記第２の電気信号により振幅変調された第２の光
ビームを発生する手段と、前記第１の光ビーム、第２の
光ビーム、及び、測定対象面で反射散乱された光を重ね
合わせて受光して電気信号に変換する光検出手段と、該
光検出手段によって得られる光電変換信号から、周波数
がＦ３の成分を抽出する第２の抽出手段と、同じく光電
変換信号から、周波数が（Ｆ１−Ｆ２）の成分を抽出す
る第３の抽出手段と、前記第１の電気信号中の周波数Ｆ
３の電気信号と第２の抽出手段の出力信号の位相差を測
定する第１の位相差測定手段と、前記第１の抽出手段の
出力信号と第３の抽出手段の出力信号の位相差を測定す
る第２の位相差測定手段と、前記第１及び第２の位相差
測定手段の出力信号に基づいて、測定対象面迄の距離を
計算する演算手段と、測定対象面に照射される光ビーム
の断面サイズが最小となるビームウェストの位置を変化
させる手段と、前記演算手段の出力信号に応じて、前記
ビームウェストの位置が測定対象面近傍となるようにフ
ィードバック制御する手段とを備えることにより、同じ
く前記目的を達成したものである。

【００１５】

【作用】本発明は、電子式測距儀に用いられている測距
方式を基礎としている。そこでまず電子式測距儀の動作
原理を図１によって説明する。

【００１６】電子式測距儀には基準発振器１０があり、
これが波形合成器１２に基準信号を与えている。

【００１７】波形合成器１２からは、第１及び第３の周
波数Ｆ１及びＦ３で二重振幅変調された第１の電気信号
Ｓ１と、Ｆ１と僅かに異なる第２の周波数Ｆ２で振幅変
調された第２の電気信号Ｓ２とが出力される。

【００１８】信号Ｓ１と信号Ｓ２は、それぞれドライバ
ー２２とドライバー３２の入力信号となると共に、枝分
かれしてミキサー（ミキシング手段）１４の入力信号と
なる。

【００１９】ミキサー１４からは、周波数２Ｆ１、２Ｆ
２、２Ｆ３、Ｆ１＋Ｆ２、Ｆ１−Ｆ２、Ｆ１＋Ｆ３、Ｆ
１−Ｆ３、Ｆ２＋Ｆ３、Ｆ２−Ｆ３の出力が得られるの
で、フィルター（第１の抽出手段）１６によって周波数
がＦ１−Ｆ２の信号Ｓ３だけを取り出す。

【００２０】又、信号Ｓ１のもう一つの枝からは、フィ
ルター１８によって周波数がＦ３の信号Ｓ４だけを取り
出す。なお、例えば基準発振器１０から、周波数Ｆ３の
信号を直接取り出せる時は、フィルター１８は不要であ
る。

【００２１】信号Ｓ１を入力とするドライバー２２の出
力は、半導体レーザー２４を駆動して、周波数Ｆ１とＦ
３で二重振幅変調されたレーザービームを発射し、この
ビームは、コリメータレンズ２６によって平行ビーム（
第１の光ビーム）Ｂ１となる。

【００２２】又、信号Ｓ２を入力とするドライバー３２
の出力は、半導体レーザー３４を駆動して、周波数Ｆ２
で振幅変調されたレーザービームを発射し、このビーム
は、コリメーターレンズ３６によって平行ビーム（第２
の光ビーム）Ｂ２となる。

【００２３】平行ビームＢ１は、ハーフミラー４２で二
分されてビームＢ１１とビームＢ１２となり、ビームＢ
１１はミラー４４で反射された後、ハーフミラー４６と
ハーフミラー４８を通り抜けてレンズ５０で集光され、
光ディテクター５２の受光面を照射する。

【００２４】又、平行ビームＢ２は、前記ハーフミラー
４６で反射されて前記平行ビームＢ１１と合流し、ハー
フミラー４８を通り抜けてレンズ５０で集光され、前記
光ディテクター５２の受光面を照射する。

【００２５】なお説明を簡単にするため、図１では、レ
ーザー２４の発光面から発したビームが光ディテクター
５２の受光面に達するまでの距離と、レーザー３４の発
光面から発したビームが光ディテクター５２の受光面に
達する迄の距離とが等しくなるように配置されているも
のとしている。

【００２６】一方、平行ビームＢ１２はミラー４９で反
射された後、前記ハーフミラー４８と孔開きレンズ５４
の孔（孔でなくて非レンズ面でもよい）を通って測定対
象５６を照射する。

【００２７】測定対象５６で反射散乱された光の一部Ｒ
は、レンズ５４の周辺部で集光された後、前記ハーフミ
ラー４８で反射され、更に前記レンズ５０で集光されて
前記光ディテクター５２の受光面の近傍に集光する。

【００２８】この結果、光ディテクター５２の受光面で
は、ビームＢ１１、Ｂ２、Ｒが重ね合わせられる。

【００２９】光ディテクターは入射光の強度の二乗に比
例するいわゆる二乗検波特性を示すので、光ディテクタ
ー５２の出力線ＯＬ上には、周波数２Ｆ１、２Ｆ３、Ｆ
１＋Ｆ３、Ｆ１−Ｆ３、Ｆ１＋Ｆ２、Ｆ１−Ｆ２、Ｆ２
＋Ｆ３、Ｆ２−Ｆ３を持つ出力が得られる。

【００３０】この中から周波数Ｆ３を持つものと周波数
Ｆ１−Ｆ２を持つものとをフィルター（第２の抽出手段
）６２とフィルター（第３の抽出手段）７２とで取り出
し、それぞれ信号Ｓ５と信号Ｓ６とする。

【００３１】信号Ｓ５は、ビームＢ１１と反射散乱光Ｒ
のモノダイン検波によって生じたものなので、モノダイ
ン検波の性質により、同じ周波数Ｆ３を持つ信号Ｓ４の
位相に対して、ビームＢ１１の飛行距離とビームＢ１２
とＲの合計飛行距離の差、つまり今の場合、ハーフミラ
ー４８の中心と測定対象５６上のビームの反射点の中心
との距離Ｌの２倍を、光の周波数Ｆ３に対応する波長λ
３＝　ｃ／Ｆ３で割って２π倍した位相だけ遅れる。な
お、ここでｃ　は空気中における光の速度である。

【００３２】同様に、信号Ｓ６は、ビームＢ２と反射散
乱光Ｒのヘテロダイン検波によって生じたものなので、
同じ周波数Ｆ１−Ｆ２を持つ信号Ｓ３の位相に対して、
ハーフミラー３８の中心と測定対象５６上のビームの反
射点の中心との距離Ｌの２倍を、光の周波数Ｆ１に対応
する波長λ１＝　ｃ／Ｆ１で割って２π倍した位相だけ
遅れる。

【００３３】従って、信号Ｓ４と信号Ｓ５との位相差を
位相差測定器６４によって測定すれば、その出力Ｓ７は
、Ｌの２倍を波長λ３で割った時の端数分になり、λ３
をＬの２倍より大きくとれば、これを用いてＬのおよそ
の値を求めることができる。

【００３４】又、信号Ｓ３と信号Ｓ６との位相差を位相
差測定器７４によって測定すれば、その出力Ｓ８は、Ｌ
の２倍を波長λ１で割った時の端数分になり、出力Ｓ７
によって得られているおよそのＬの値から、Ｌの２倍の
中に入るλ１の数ｎ　を算出すれば、次式Ｌ＝（ｎ　＋
出力Ｓ８の値）×λ１／２によって正確なＬの値を求め
ることができる。演算器８０は、この計算を行うもので
、出力Ｓ０が最終的距離を与える情報である。

【００３５】以上のことから、測距儀の分解能と最大測
定可能距離が、周波数Ｆ１とＦ３で決まることがわかる
。なお、これまでの説明は２波長式で行ったが、より多
くの波長を用いる方式も可能であり、測定可能距離と分
解能との比が向上する。

【００３６】上記の電子式測距儀は、これを形状測定機
のプローブとしてみた場合、機構が簡単な上に極めて優
れた奥行方向測定能力を有し、しかも光は変調波のキャ
リヤーとして使っているだけで、光の波長そのものを測
定の物差しに使っているわけではないので、レーザー２
４、３４の発信周波数を特別に安定化する必要もなく、
且つ測定に使う波長が長いので、測定対象５６の表面粗
度が悪くても測定が可能であるという望ましい特性を持
つ。

【００３７】ところが、遠くまでビームの平行性を保つ
ために、ビームＢ１２の直径が一般に数ｍｍ以上もある
。 このため、この直径内で十分平坦と見做される対象に対
しては平均化動作によって正確にスポットの中心までの
値を与えるが、直径内で十分平坦と見做し得ない場合や
、平均化動作が成立し得ない端の部分で大きな誤差を生
ずる。

【００３８】この問題を解決するには、ビームＢ１２の
直径を十分小さくする必要があるが、レーザービーム（
正確にはガウスビーム）は、ビームウェストと呼ばれる
最も細い部分の直径が細くなればなる程、ビームウェス
トを外れたところで急激に太くなる性質があり、例えば
波長６７０μｍ　のガウスビームのビームウェストの直
径を２０μｍ　にすると、直径がその１．４１４（２の
平方根）倍になるまでの長さは僅かに０．４７ｍｍしか
なく、ビームウェストから１ｍ　のところのビーム径は
４３ｍｍにも達する。

【００３９】このような訳で、電子式測距儀は形状測定
機として多くの好ましい特性を備えているにもかかわら
ず、そのままでは形状測定機としては使えない。

【００４０】そこで本発明では、電子式測距儀の測定方
式を用い、且つこの方式で測定される距離情報に基づい
てビームウェストの位置を測定点に持ってくることによ
って、測定点の照射スポット径を絶えず要求される分解
能に保つ方式を考案した。本発明によれば、電子式測距
儀の持つ望ましい特性を全て保持したまま理想的な形状
測定機を実現できる。

【００４１】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００４２】図２は、図１に本発明による変形を施して
実現した形状測定機用プローブの実施例のブロック図で
ある。

【００４３】測距原理は図１と全く同一なので、図１と
異なる部分についてのみ説明する。

【００４４】図２では、ミラー４９とハーフミラー４８
との間に、焦点距離＋ｆ１の凸レンズ１００と、焦点距
離−　ｆ２の凹レンズ１０２が挿入され、図１の孔開き
レンズ５４は、孔のない焦点距離＋　ｆ３の凸レンズ１
０４で置換えられている。

【００４５】図２において、凸レンズ１００と凹レンズ
１０２との距離をＬ１、凹レンズ１０２と凸レンズ１０
４との距離をＬ２、凸レンズ１０４から該凸レンズ１０
４が作るレーザービームのビームウェストの位置までの
距離をＬ３とすると、Ｌ２＝ｆ３−　ｆ２になるように
レンズ１０２と１０４の位置関係を設定すると、Ｌ３＝
　ｆ３＋（　ｆ１−　ｆ２）＊（　ｆ３／　ｆ２）２　
−（　ｆ３／　ｆ２）２　Ｌ１ ………（１） となる。

【００４６】即ち、本実施例の照射レンズ系のパラメー
タを、図３のように定義すると、次式の関係が成立する
。

【００４７】｛−１／（　ｆ１−Ｌ１）｝−（１／ａ　
）＝−１／　ｆ２　　　　………（２） ｛１／（Ｌ２＋ａ　）｝＋（１／Ｌ３）＝１／　ｆ３　
　　　　　　　………（３） φ０＊（　ｆ１−Ｌ１）／　ｆ１＝φｘ　＊ａ　／（Ｌ
２＋ａ　）　　………（４）

【００４８】但し、φ０は、凸レンズ１００に入射する
レーザービームＢ１２の直径、φｘ　は、凸レンズ１０
４の位置でのレーザービームの直径。

【００４９】ガウスビームの性質より、次式の関係が成
立する。

【００５０】φｘ　／φ１＝Ｌ３／　ｚ０　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　………（５
） ｚ０＝πφ１２　＊　ｎ／４λ　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　………（６）

【００５１】但し、φ１は、ビームウェストにおけるレ
ーザービームの直径、λは、レーザービームを形成して
いる光の波長、ｎ　は、空気の屈折率。

【００５２】（２）、（３）式より、次式が得られる。

【００５３】Ｌ３＝　ｆ３｛　ｆ１＊　ｆ２＋（　ｆ１
−　ｆ２）Ｌ２−（　ｆ２＋Ｌ２）Ｌ１｝ ／｛　ｆ１＊　ｆ２＋（Ｌ２−　ｆ３）＊（　ｆ１−　
ｆ２）−（　ｆ２＋Ｌ２−　ｆ３）Ｌ２｝　　　　　　
　　　　　　　　　　　　………（７）

【００５４】下記条件（８）を満すようにＬ２をとると
、前出（１）式が得られる。

【００５５】ｆ２＋Ｌ２−　ｆ３＝０　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　………
（８）

【００５６】（１）式からＬ１＝　ｆ１−　ｆ２
（１−　ｆ２／ｆ３）−Ｌ３（　ｆ２／　ｆ３）２　　
　…（９）が得られるので、演算器８０で得られる距離
情報Ｓ０（＝Ｌ＝ＬＬ＋Ｌ３：ＬＬはハーフミラー４８
とレンズ１０４との距離）によって（９）式の関係とな
るようにＬ１を制御すれば、凸レンズ１０４が作るレー
ザービームのビームウェスト位置は、常に測定対象５６
上に保たれる。

【００５７】そこで凸レンズ１００を例えば移動量測定
スケール１１２付の移動機構１１０で保持し、距離演算
器８０の出力Ｓ０即ちＬによって（９）式を満足するよ
うに移動機構１１０を制御すれば、ビームウェストの位
置を絶えず測定点に持ってくることができる。

【００５８】又、凸レンズ１００に入射する平行ビーム
Ｂ１２の波長をλ、直径をφ０とすると、前記の構成状
態において、照射ビームのビームウェストの直径φ１は
φ１＝（４λ／πｎ　）＊（　ｆ３／　ｆ２）＊（　ｆ
１／φ０）………（１０） で与えられる。

【００５９】即ち、前記条件（８）の下で（２）、（３
）、（４）式を解くと、次式が得られる。

【００６０】φｘ　／φ０＝Ｌ３＊　ｆ２／　ｆ１　ｆ
３　　　　………（１１）

【００６１】従って、（５）、（６）、（１１）式より
、（１０）式が得られる。

【００６２】以上により、φ０と　ｆ１、　ｆ２、　ｆ
３を適当に選ぶことによって、希望するビーム径で希望
する測定レンジを実現することができる。

【００６３】最後の変更点は、レンズ９０と光ディテク
ター５２との間にレンズ１２０を挿入したことである。 これは、Ｌ３が変化したとき、反射光が同一点に集光せ
ず距離の測定に誤差を生ずるのを防ぐ（測距儀ではＬが
十分長いのでこのような考慮は不要である）ためである
。

【００６４】なお、ビームの直径がビームウェストの直
径の１．４１４（２の平方根）倍に収まる範囲の長さ（
これをレーリー長という）は、例えば波長６７０μｍ　
のガウスビームのビームウェストの直径を２０μｍ　に
した場合、その４７倍の９４０μｍ　もある。

【００６５】距離を測定するためには、ビームウェスト
が厳密に測定点にあることは必須条件ではなく、測定点
でビーム径が十分に細いことが重要な点である。従って
、レーリー長がビームウェストの直径に比べて大きいと
いうことは、ビームウェストの位置精度を距離分解能に
比べて大幅に低くできることを意味し、従ってビームウ
ェストの位置を変化させる機構の精度を大幅に緩められ
ることになる。

【００６６】本発明に従って、金型形状測定用に以下の
仕様のプローブを設計した。ダイナミックレンジ…４５
０ｍｍ（レンズ１０４の中心より５０〜５００ｍｍ）横
方向分解能…１０μｍ 軸方向分解能…１０μｍ 測定面…金属面 入射角度…０〜７０°

【００６７】設計条件としてλ＝６７０μｍ　、φ１＝
２０μｍ　、０ｍｍ≦Ｌ３≦５００ｍｍ、ΔＬ３／ΔＬ
１＝５０、２．５ｍｍ≦Ｌ１≦１２．５ｍｍ、ｎ　＝１
とすると、照射レンズ系は、例えば　ｆ１＝２３．００
０ｍｍ、　ｆ２＝１２．２２９ｍｍ、　ｆ３＝８６．４
０７ｍｍとすればよいことがわかった。このとき、φ０
＝６．９３９ｍｍから、φｘｍａｘ　＝２１．３４ｍｍ
となる。従って、これらの関係に、設計余裕と、レンズ
１００と１０２の近接条件を加味して、照射レンズ系の
設計値を決定することができる。

【００６８】一方、受光レンズ系の設計に際しては、受
光焦点位置がＬ３の値にできるだけ無関係であるように
して、光路差による誤差を小さくすることが重要である
。しかしながら、Ｌ３が５０ｍｍ〜５００ｍｍと１０倍
も変化する中で、測定誤差を無視できるほど光路差を小
さく抑え込むことは困難であるため、レンズ系で光路差
をある程度小さくした後は、最終的にはテーブル補正を
用いることができる。

【００６９】図４は、この目的を満足できる１つのレン
ズ系である。

【００７０】図において、　ｆ４はレンズ５０の焦点距
離、　ｆ５はレンズ１２０の焦点距離、Ｌ４はレンズ１
０４と５０の間隔、Ｌ５はレンズ５０と１２０の間隔、
Ｌ６はレンズ１２０と光ディテクター５２の受光面の間
隔である。

【００７１】前記レーザービームの必要出力は、光ディ
テクター５２に達する反射光Ｒの強度と光ディテクター
の感度で決まる。従って、半導体レーザー２４で発生さ
れたレーザービームが、測定対象５６で反射されて光デ
ィテクター５２に到達するまでの各光学要素の減衰率を
考慮して、半導体レーザー２４の必要出力を決定するこ
とができる。

【００７２】前記位相差測定器７４の分解能を、π／３
００００（この値は、十分余裕を持って達成できる値で
ある）とすると、周波数Ｆ１のビーム波長をλとすると
き、測定距離の分解能はλ／３００００となる。従って
、この設計例においては、λ＝３００ｍｍ、Ｆ１＝ｃ　
／λ＝１ＧＨｚ　となる。

【００７３】周波数Ｆ３は、これで決まる波長がＬの２
倍より大きくて、できるだけ短い方がよい。Ｌを６００
ｍｍとすると、Ｆ３≦２５０ＭＨｚ　、周波数Ｆ１との
二重変調のやり易さを考えて、Ｆ３＝１０ＭＨｚ　とし
てみると、波長は３００００ｍｍ、このときの位相差測
定器６４の必要分解能はπ×３００／３００００＝π／
１００となる。これは、十分安定に達成できるので、Ｆ
３＝１０ＭＨｚ　とすることができる。

【００７４】又、周波数Ｆ１とＦ２の差は、位相差測定
器７４の必要分解能π／３００００の達成のし易さを考
えて、１０ＫＨｚ　とすることができる。

【００７５】なお、軸方向分解能は、位相差測定器の分
解能を上げることによって、１μｍ程度迄実現可能であ
る。更に、周波数Ｆ１を上げることによって、０．１μ
ｍ　程度迄実現可能であろう。

【００７６】又、横方向分解能は、原理的には、使用す
るビームの波長程度迄可能である。しかしながら、レン
ズ１０４の口径が実用的な範囲に収まるためには、使用
できるビームの波長にもよるが、現状では２μｍ　程度
が限界であろう。但し、将来、より短波長のレーザーが
実用化されればこの数値は更に改善される。

【００７７】又、測定レンジは、横方向分解能及び光デ
ィテクターの感度に関係する。横方向分解能を大きくと
ってレンジを大きくしようとすると、レンズ１０４の口
径が巨大になる。そもそも、本発明の最大特徴の１つが
、光学式でありながら横方向分解能が高いことであるこ
とを考慮すると、レンジを大きくしても、横方向分解能
を犠牲にしたのでは意味がない。従って、横方向分解能
を犠牲にしない範囲で測定レンジを設定する必要がある
。

【００７８】以上の設計値を用いたプローブの具体的な
構造のレイアウト（電子回路の部分を除く）の例を図５
及び図６に示す。

【００７９】具体化にあたっては、図２のミキサー１４
を光ディテクター１３０で置換え、又、移動機構１１０
を、スライダーとパルスモータで構成することによって
、スケール１１２の機能を含ませている。

【００８０】又、図１では、半導体レーザー２４の発光
面から発したビームが、光ディテクター５２の受光面に
達する迄の距離と、半導体レーザー３４の発光面から発
したビームが、光ディテクター５２の受光面に達する迄
の距離とが等しくなるように配置したが、これは計算を
簡単にするためのもので、必要条件ではないので、この
具体例では、この条件は保っていない。

【００８１】この他、光の系路の変更、光ファイバー１
４０、１４２の仕様等、設計の都合による変更を加えて
いる。

【００８２】図において、１５０はベース、１５２は、
フィルター、位相差測定器、距離演算器を含む電子回路
である。

【００８３】なお、これはあくまでも一例であって、こ
の他にも本発明の利点を活かす様々な設計が可能である
。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明によれば、
測定された測定対象面迄の距離に応じて、光ビームの断
面サイズが最小となるビームウェストの位置が、測定対
象面近傍となるようにフィードバック制御されるので、
測定対象面上におけるビームサイズを極小にすることが
でき、高精度な非接触測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の前提である電子式測距儀の測
定原理を説明するための、一部光路図を含むブロック線
図である。

【図２】図２は、本発明に係る形状測定プローブの実施
例の構成を示す、一部光路図を含むブロック線図である
。

【図３】図３は、前記実施例における照射レンズ系の構
成を示す光路図である。

【図４】図４は、前記実施例における受光レンズ系の構
成を示す光路図である。

【図５】図５は、本発明を具体化したプローブのレイア
ウトを示す平面図である。

【図６】図６は、本発明を具体化したプローブのレイア
ウトを示す立面図である。

【符号の説明】

１０…基準発振器、 １２…波形合成器、 １４…ミキサー、 １６、１８、６２、７２…フィルター、２４、３４…半
導体レーザー、 ２６、３６…コリメータレンズ、 ４２、４６、４８…ハーフミラー、 ４４、４９…ミラー、 ５０、１００、１０４、１２０…凸レンズ、５２、１３
０…光ディテクター、 ５６…測定対象、 ６４、７４…位相差測定器、 ８０…距離演算器、 １０２…凹レンズ、 １１０…移動機構、 １１２…スケール。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】異なる周波数で振幅変調された複数の光ビ
   ームを発生する手段と、該複数の光ビーム、及び、測定
   対象面で反射散乱された光を重ね合わせて受光して電気
   信号に変換する光検出手段と、該光検出手段によって得
   られる光電変換信号中の、前記光ビームのいずれか１つ
   と反射散乱光のモノダイン検波やヘテロダイン検波によ
   って生じた成分と、同じ周波数を持つ振幅変調用信号成
   分間の位相差を測定する位相差測定手段と、該位相差に
   基づいて、測定対象面迄の距離を計算する演算手段と、
   測定対象面に照射される光ビームの断面サイズが最小と
   なるビームウェストの位置を変化させる手段と、前記演
   算手段で計算された測定対象面迄の距離に応じて、前記
   ビームウェストの位置が測定対象面近傍となるようにフ
   ィードバック制御する手段と、を備えたことを特徴とす
   る非接触測定プローブ。
2. 【請求項２】第１及び第３の周波数Ｆ１及びＦ３で二重
   振幅変調された第１の電気信号を発生する手段と、前記
   第１の周波数Ｆ１と僅かに異なる第２の周波数Ｆ２で振
   幅変調された第２の電気信号を発生する手段と、前記第
   １及び第２の電気信号を混合するミキシング手段と、該
   ミキシング手段の出力から、周波数が（Ｆ１−Ｆ２）の
   成分を抽出する第１の抽出手段と、前記第１の電気信号
   により二重振幅変調された第１の光ビームを発生する手
   段と、前記第２の電気信号により振幅変調された第２の
   光ビームを発生する手段と、前記第１の光ビーム、第２
   の光ビーム、及び、測定対象面で反射散乱された光を重
   ね合わせて受光して電気信号に変換する光検出手段と、
   該光検出手段によって得られる光電変換信号から、周波
   数がＦ３の成分を抽出する第２の抽出手段と、同じく光
   電変換信号から、周波数が（Ｆ１−Ｆ２）の成分を抽出
   する第３の抽出手段と、前記第１の電気信号中の周波数
   Ｆ３の電気信号と第２の抽出手段の出力信号の位相差を
   測定する第１の位相差測定手段と、前記第１の抽出手段
   の出力信号と第３の抽出手段の出力信号の位相差を測定
   する第２の位相差測定手段と、前記第１及び第２の位相
   差測定手段の出力信号に基づいて、測定対象面迄の距離
   を計算する演算手段と、測定対象面に照射される光ビー
   ムの断面サイズが最小となるビームウェストの位置を変
   化させる手段と、前記演算手段の出力信号に応じて、前
   記ビームウェストの位置が測定対象面近傍となるように
   フィードバック制御する手段と、を備えたことを特徴と
   する非接触測定プローブ。