JPH0454405A - 光学式変位計 - 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】 〔概　　　要〕 本発明は、参照面又は被検面上に、少なくとも入射光の
一部を反射する複数段の段差を設け、それら各段差で反
射される位相差を持った光を、複数の光検出器で検出し
、被検面の変位とその変位の方向を判別するものである
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、測定対象面の変位を光学的に計測する変位計
に関する。

［従来の技術〕 従来、測定対象面の変位、あるいは表面の凹凸などを測
定する光学式変位計としてフィゾー干渉型変位計が知ら
れている。

第８図は、そのフィゾー干渉型変位計の基本構成を示す
図であり、レーザから放射される可干渉光は、ビームス
プリッタ１１により９０°屈折されて、参照面１２及び
被検面１３に照射される。そして、これら参照面１２又
は被検面１３にて反射された光は、ビームスプリッタ１
１を透過して光路上に配置されている光検出器１４で検
出される。

このとき、参照面１２からの反射光と被検面１３からの
反射光との位相が一致すれば、それらの光は互いに強め
あって、光検出器１４で検出される干渉光の光強度が大
きくなり、位相が逆になれば、弱めあって光強度が小さ
くなる。

第９図は、光検出器Ｉ４における出力信号と被検面１３
の変位ΔＸとの関係を示す図であり、光検出器１４の出
力信号は、被検面１３の変位ΔＸがλ／２変化する毎に
信号強度が１周期変化する信号となる。

ところで、上述したフィゾー干渉型変位計では、被検面
１３の変位方向を判別するために入射又は反射光に位相
差を持たせ、それらの光信号の位相の進み、遅れの関係
から変位方向を判定する必要があった。

第１０図（ａ）、０））は、フィゾー干渉型変位計の具
体的構成の一例を示す図であり、同図は位相差板１７等
により位相差を持たせた光を、直交する位置に配置した
２個の光検出器１５．１６により、それぞれ検出するよ
うにしたものである。

同図（ａ）では、光検出器１５．１６と、参照面１２及
び被検面１３との光路途中に、直交する偏光成分の光（
Ｐ偏光又はＳ偏光）に往復でλ／４の位相差（９０°の
位相差）を生じさせる位相差板１７と、入射光をＰ偏光
とＳ偏光とに分離する偏光ビームスプリッタ１６とを設
けている。

また、第１０図（ロ）は、参照面】８が位相差板を兼用
したものである。

いずれの構成でも、位相差板１７又は参照面１８により
λ／８位相が遅れ、あるいは進んだ信号と、位相遅れの
ない信号とが、２個の光検出器１５．１６でそれぞれ検
出され、これらの信号位相の進み、遅れの関係から被検
面１３の変位の方向を判別している。

第１１図は、第１０図に示した２個の光検出器１５．１
６の検出信号と被検面１３の変位ΔＸとの関係を示す図
である。

同図に示すように、例えば光検出器１５で検出されるＡ
相信号と、光検出器１６で検出されるＢ相信号とは９０
°の位相差が生じるので、両者の検出信号の位相の進み
、遅れから、被検面１３の変位の方向を判別することが
できる。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した変位計では、直交する偏光成分の光に位相差を
持たせるために、光路途中に位相差板を設け、さらにそ
れら位相差を持たせたＰ偏光又はＳ偏光を、分離するた
めの偏光ビームスプリンタ１８を使用する必要があるが
、それらの偏光素子が高価であるという問題点があった
。また、上述した変位計では、Ｓｉｎ波を逆算して変位
を算出することになるが、測定の分解能をそれ以上向上
させる手段がなかった。

本発明の課題は、構造が簡素で、かつ安価に製造でき、
また測定分解能を向上させることのできる変位計を実現
することである。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は、本発明の原理説明図である。

参照面及び被検面にて反射される光をを検出して被検面
の変位を測定する光学式変位計において、本発明では、
参照面１又は被検面２上に、少なくとも入射光の一部を
反射する複数段の段差を設けている。

同図は、参照面１上にスパッタリング等により直接２段
の段差１ａ、１ｂを形成した例を示している。また、参
照面１ではなく、被検面２上に段差を設ける場合には、
例えば段差を形成したミラーなどの反射部材を被検面２
上に貼付することで実現できる。

光源からの光は、ビームスプリンタ１１により９０°屈
折されて参照面１及び被検面２に照射される。複数の光
検出器、例えば２個の光検出器３．４は、複数の段差１
ａ、ｌｂ及び被検面２で反射され波面合成された干渉光
を電気信号乙コ変換するものである。

〔作　　　用〕

上記構成において、参照面１に入射した光の一部は、段
差１ａ及び１ｂでそれぞれ反射されるが、このとき反射
光には段差１ａ、１ｂの光路差に相当する位相差が生じ
る。そして、参照面１の各段差１ａ、１ｂでの反射光と
被検面２での反射光とが、同一光路をたどり干渉が生じ
る。これらの干渉光を光検出器３．４でそれぞれ検出す
ることにより、段差１ａ、１ｂに相当する位相差を持っ
た２種類の信号を取り出すことができる。

従って、それらの信号位相の進み、遅れの関係から被検
面２の変位の方向を判別することができる。また、この
とき段差の数を増やせば、変位測定の分解能を高めるこ
とができる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第２図は、本発明の第１実施例の光学式変位計の構成図
である。図示しない半導体レーザ等から放射される可干
渉光は、ビームスプリッタ１１により９０°屈折され、
参照面２０及び被検面１３に照射され、それらの面で反
射される。

参照面２０には、例えばλ／８（λ：　レーザ光の波長
）の段差を持つ２段の段差２０ａ、２０ｂが、スパッタ
リング、あるいはエツチング等により形成されており、
参照面２０に入射した光の一部は、上側段差２０ａと下
側段差２０ｂとでそれぞれ反射され、９０°（λ／４）
の位相差を持った光としてそれぞれビームスプリッタ１
１に入射する。

ビームスプリッタ１１を挟んで参照面２００段差２０ａ
、２０ｂに対応した位置には、２個の光検出器２１Ａ、
２１Ｂがそれぞれ配置されている。

光検出器２１Ａは、被検面１３と参照面２０の上側段差
２０ａにて反射され、ビームスプリッタ１１を透過して
入射する光を検出し、他方の光検出器２１ｂは、参照面
２０の下側段差２０ｂと被検面１３にて反射され、ビー
ムスプリンタ１１を透過して入射する光を検出する。

次に、上記光学式変位計の変位測定時の動作を説明する
。

レーザから放射された可干渉光は、ビームスプリンタ１
１で９０°屈折されて参照面２０及び被検面１３に照射
され、それぞれの面で反射される。

本実施例では、参照面２０の上側段差２０ａと下側段差
２０ｂとにλ／８の段差を設けであるので、上側段差２
０ａで反射された光と、下側段差２０ｂで反射された光
とには、９０°（λ／４）の位相差が生じる。

従って、参照面２０の各段差で反射された光と被検面１
３で反射された光とにより生じる干渉光は、９０°の位
相差を持った２種類の光となる。そして、これらの干渉
光を検出する光検出器２１Ａ、２１Ｂでは、第３図に示
すような９０°の位相差を持ったＡ相信号、Ｂ相信号が
出力される。

よって、これらの信号のパルス数を計数することで被検
面１３の変位ΔＸを算出でき、さらに両信号の位相の進
み、遅れの関係から、変位の方向を判別することができ
る。

上述した実施例では、参照面２０にスパッタリング等に
より段差を形成したので、新たな部品を追加する必要が
なく、製造コストの上昇を抑えることができる。

また、上述した例では、参照面２０の段差をλ／８にし
て、干渉光に９０°の位相差を生じるようにしているが
、変位の方向を判別するだけであれば、必ずしも９０°
の位相差である必要はなく、参照面２０に設ける段差は
（＋／２＋ｎ）λ（ｎ：整数）近傍の任意の大きさにす
ることができる。

さらに、段差２０ａ、２０ｂは、参照面１２の何れの側
（被検面１３側、又は光源側）に形成しても良い。

第４図は、被検面１３側に段差を設けた本発明の第２実
施例の構成を示している。

この例では、被検面１３上にλ／８の段差を持ったミラ
ー２２を貼付することにより、上述した第１実施例と同
様に、２個の光検出器２１Ａ、２１Ｂで、９０°の位相
差を持ったＡ相信号、Ｂ相信号（第５図参照）検出して
いる。

従って、それらの信号位相の進み、遅れの関係から被検
面１３の変位の方向を判別することができる。

さらに、第６図は、参照面２４の段差を１２段としたと
きの段差の構成を示している。

例えば、参照面２４にそれぞれλ／４８の段差で１２個
の段差を形成し、それら１２段の段差に対応させて１２
個の光検出器からなる検出器アレイを配置すれば、それ
ぞれの段差で反射される光と被検面１３で反射される光
との干渉光を検出器アレイで検出することができる。

このときの検出器アレイの出力信号としては、第７図に
示すようにλ／２４づつ位相のずれた１２個の信号が得
られるので、被検面１３の変位をλ／２４の分解能で検
出することが可能となる。

従って、参照面、あるいは被検面側に設ける段差の数を
増やすことで、変位測定の分解能を容易に高めることが
できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、コストの高い偏光素子を使用すること
なく、簡単な構成で反射光に位相差を持たせることがで
きるので、より安価な変位計を実現できる。また、参照
面、あるいは被検面側に設ける段差の数を増やすことで
、被検面の変位の検出分解能を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理説明図、 第２図は、第１実施例の光学式変位計の構成図、第３図
は、被検面の変位と光検出器の出力信号との関係の説明
図、 第４図は、第２実施例の構成図、 第５図は、第２実施例の被検面の変位と光検出器の出力
信号との関係の説明図、 第６図は、第３実施例の段差の構成を示す図、第７図は
、第３実施例の被検面の変位と光検出器の出力信号との
関係の説明図、 第８図及び第１０図は、従来の光学式変位計の構成図、 第９図及び第１１図は、従来例の変位計における被検面
の変位と光検出器の出力信号との関係の説明図である。 ｌ・・・参照面、 １ａ、１ｂ・・・段差、 ２・・・被検面、 ３．４・・・光検出器。 特許出願人　株式会社豊田自動織機製作所１シ 第 図 第 図 第 図 第 図 第 図 ΔＸ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）参照面及び被検面にて反射される光を検出して被検
   面の変位を測定する光学式変位計において、参照面又は
   被検面上に、少なくとも入射光の一部を反射する複数段
   の段差を設け、 前記各段差及び参照面又は被検面にて反射され、波面合
   成された干渉光を電気信号に変換する複数の光検出器を
   備えたことを特徴とする光学式変位計。 ２）前記複数段の段差は、スパッタリング又はエッチン
   グにより参照面上に形成されたことを特徴とする請求項
   １記載の光学式変位計。 ３）参照面及び被検面にて反射される光を検出して被検
   面の変位を測定する光学式変位計において、少なくとも
   入射光の一部を反射する複数段の段差を持った反射部材
   を参照面又は被検面上に配置し、 前記反射部材の各段差及び参照面又は被検面にて反射さ
   れ、波面合成された干渉光を電気信号に変換する複数の
   光検出器を備えたことを特徴とする光学式変位計。