JPH05231848A - 光学式変位センサ - Google Patents
光学式変位センサInfo
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- JPH05231848A JPH05231848A JP3547192A JP3547192A JPH05231848A JP H05231848 A JPH05231848 A JP H05231848A JP 3547192 A JP3547192 A JP 3547192A JP 3547192 A JP3547192 A JP 3547192A JP H05231848 A JPH05231848 A JP H05231848A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、光学式変位センサに関し、測定面
が入射光の光軸に対して傾斜しても、測定面の変位量を
高精度に検出可能であって、表面形状や表面粗さを正確
に測定することができると共に、変位センサヘッドの小
型化を可能なようにすることを目的とする。 【構成】 光源21から発した光束をビームスプリッタ22
および対物レンズ23を経て、測定面24に微小スポットと
して収束させる。測定面24で反射された光束は、対物レ
ンズ23で集光後ビームスプリッタ22で反射されて、円柱
レンズ25により非点収差が与えられた後、光軸移動手段
26でビームスポットの光軸が４分割受光素子27の中心に
投影されるように制御される。これにより、測定面24の
正確な変位量が常に高精度に検出され、測定面24の表面
形状や表面粗さが正確に測定できるるように構成され
る。
が入射光の光軸に対して傾斜しても、測定面の変位量を
高精度に検出可能であって、表面形状や表面粗さを正確
に測定することができると共に、変位センサヘッドの小
型化を可能なようにすることを目的とする。 【構成】 光源21から発した光束をビームスプリッタ22
および対物レンズ23を経て、測定面24に微小スポットと
して収束させる。測定面24で反射された光束は、対物レ
ンズ23で集光後ビームスプリッタ22で反射されて、円柱
レンズ25により非点収差が与えられた後、光軸移動手段
26でビームスポットの光軸が４分割受光素子27の中心に
投影されるように制御される。これにより、測定面24の
正確な変位量が常に高精度に検出され、測定面24の表面
形状や表面粗さが正確に測定できるるように構成され
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、非接触で物体の変位を
検出する光学式変位センサ、特に測定面の表面形状また
は表面粗さを光により測定する光学式変位センサに関す
る。
検出する光学式変位センサ、特に測定面の表面形状また
は表面粗さを光により測定する光学式変位センサに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来の光学式変位センサは、例えば、光
源から発した光束を対物レンズを用いて測定面上に微小
スポットとして投射させ、該測定面上で反射した反射光
束を非点収差素子を通して受光素子に入射させ、受光素
子の出力結果に基づいて測定面の変位を検出していた。
このような光学式変位センサは、測定対象となる測定面
が傾くと、しばしば受光素子側の出力信号に悪影響を及
ぼしていた。
源から発した光束を対物レンズを用いて測定面上に微小
スポットとして投射させ、該測定面上で反射した反射光
束を非点収差素子を通して受光素子に入射させ、受光素
子の出力結果に基づいて測定面の変位を検出していた。
このような光学式変位センサは、測定対象となる測定面
が傾くと、しばしば受光素子側の出力信号に悪影響を及
ぼしていた。
【０００３】具体的には、測定面が傾くと受光素子で
の受光量が変化したり、受光素子への入射点が変化す
ることから、測定面の変位量に対応した受光素子の出力
信号が得られなくなり、測定面の表面状態を正確に測定
できなくなることがあった。このため、特開昭６０−１
６９７０７号公報に記載されているように、受光素子を
２系統設けて、それらの差動出力によって測定面の変位
を検出する手段が採用されている。
の受光量が変化したり、受光素子への入射点が変化す
ることから、測定面の変位量に対応した受光素子の出力
信号が得られなくなり、測定面の表面状態を正確に測定
できなくなることがあった。このため、特開昭６０−１
６９７０７号公報に記載されているように、受光素子を
２系統設けて、それらの差動出力によって測定面の変位
を検出する手段が採用されている。
【０００４】すなわち、図７は従来の測定面の変位検出
手段の構成説明図であり、光源１から発した光束を第１
のハーフミラー２および対物レンズ３を経て微小スポッ
トとして収束させ、測定面４に投射される。そして、こ
の測定面４上で反射され、対物レンズ３で集光された光
束は、第１のハーフミラー２で反射されて、50％の反射
透過性を有する第２のハーフミラー５に入射して、光束
が２分割される。２分割された光束は、それぞれ第１の
非点収差素子６、第２の非点収差素子７を経て、焦点近
傍に受光面が４分割された第１の光検出器８と第２の光
検出器９にビームスポットが投影される。
手段の構成説明図であり、光源１から発した光束を第１
のハーフミラー２および対物レンズ３を経て微小スポッ
トとして収束させ、測定面４に投射される。そして、こ
の測定面４上で反射され、対物レンズ３で集光された光
束は、第１のハーフミラー２で反射されて、50％の反射
透過性を有する第２のハーフミラー５に入射して、光束
が２分割される。２分割された光束は、それぞれ第１の
非点収差素子６、第２の非点収差素子７を経て、焦点近
傍に受光面が４分割された第１の光検出器８と第２の光
検出器９にビームスポットが投影される。
【０００５】そこで、上記測定面４が光軸に対して垂直
な場合は、第１の光検出器８、第２の光検出器９の中心
に投影されるが、測定面４が光軸に対して傾斜すると第
１の光検出器８、第２の光検出器９の中心からビームス
ポットがずれて投影される。このため、各素子の光電出
力は、以下のような演算処理を行ってビームスポットの
ずれを補正している。
な場合は、第１の光検出器８、第２の光検出器９の中心
に投影されるが、測定面４が光軸に対して傾斜すると第
１の光検出器８、第２の光検出器９の中心からビームス
ポットがずれて投影される。このため、各素子の光電出
力は、以下のような演算処理を行ってビームスポットの
ずれを補正している。
【０００６】図８は図７の光検出器の光電出力信号を演
算する回路構成を示すブロック図である。図８に示すよ
うに、第１の光検出器８の素子８ａ，８ｂと第２の光検
出器９の素子９ｃ，９ｄとを加算回路10に入力し、これ
らの素子からの光電出力８ａ，８ｂ，９ｃ，９ｄを加算
する。また、第１の光検出器８の素子８ｃ，８ｄと第２
の光検出器９の素子９ａ，９ｂとを加算回路11に入力
し、これらの素子からの光電出力８ｃ，８ｄ，９ａ，９
ｂ加算する。そして、加算回路10と11の出力を減算回路
12に入力して両者の減算を行い、変位信号Ｄを出力す
る。この変位信号Ｄは次式で与えられる。
算する回路構成を示すブロック図である。図８に示すよ
うに、第１の光検出器８の素子８ａ，８ｂと第２の光検
出器９の素子９ｃ，９ｄとを加算回路10に入力し、これ
らの素子からの光電出力８ａ，８ｂ，９ｃ，９ｄを加算
する。また、第１の光検出器８の素子８ｃ，８ｄと第２
の光検出器９の素子９ａ，９ｂとを加算回路11に入力
し、これらの素子からの光電出力８ｃ，８ｄ，９ａ，９
ｂ加算する。そして、加算回路10と11の出力を減算回路
12に入力して両者の減算を行い、変位信号Ｄを出力す
る。この変位信号Ｄは次式で与えられる。
【０００７】 Ｄ＝（８ａ＋８ｂ）−（８ｃ＋８ｄ）−｛（９ａ＋９ｂ）−（９ｃ＋９ｄ）｝ ＝（８ａ＋８ｂ＋９ｃ＋９ｄ）−（９ａ＋９ｂ＋８ｃ＋８ｄ）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
の光学式変位センサは、測定面の傾きの影響を各素子か
らの光電出力を演算処理することによって排除できると
いう反面、変位検出用の光学系が必然的に２系統必要と
なるため、変位センサヘッドを小型化するのが難しいと
いう問題があった。
の光学式変位センサは、測定面の傾きの影響を各素子か
らの光電出力を演算処理することによって排除できると
いう反面、変位検出用の光学系が必然的に２系統必要と
なるため、変位センサヘッドを小型化するのが難しいと
いう問題があった。
【０００９】本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされ
たものであり、測定面が入射光の光軸に対して傾斜して
も、測定面の変位量を高精度に検出することが可能であ
って、表面形状や表面粗さを正確に測定できると共に、
変位センサヘッドが小型化できる光学式変位センサを提
供することを目的とする。
たものであり、測定面が入射光の光軸に対して傾斜して
も、測定面の変位量を高精度に検出することが可能であ
って、表面形状や表面粗さを正確に測定できると共に、
変位センサヘッドが小型化できる光学式変位センサを提
供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
光源と、該光源から発した光束を測定面上に微小スポッ
トとして投射させる対物レンズと、該測定面で反射され
た反射光束に非点収差を与える非点収差素子と、該非点
収差が与えられた反射光束を入射させて、受光パターン
に応じた出力変化が得られるように受光面を複数に分割
した受光面分割素子とを有し、該受光面分割素子の各素
子の出力データに基づいて測定面の変位を検出する光学
式変位センサにおいて、前記受光面分割素子が対角方向
にそれぞれ受光面が配置された少なくとも４分割された
受光素子であって、該受光面分割素子に入射する光軸ま
たは受光面分割素子を光軸に対して垂直方向に相対的に
移動させる光軸移動手段を備えたことを特徴とする。
光源と、該光源から発した光束を測定面上に微小スポッ
トとして投射させる対物レンズと、該測定面で反射され
た反射光束に非点収差を与える非点収差素子と、該非点
収差が与えられた反射光束を入射させて、受光パターン
に応じた出力変化が得られるように受光面を複数に分割
した受光面分割素子とを有し、該受光面分割素子の各素
子の出力データに基づいて測定面の変位を検出する光学
式変位センサにおいて、前記受光面分割素子が対角方向
にそれぞれ受光面が配置された少なくとも４分割された
受光素子であって、該受光面分割素子に入射する光軸ま
たは受光面分割素子を光軸に対して垂直方向に相対的に
移動させる光軸移動手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】請求項２記載の発明は、前記光軸移動手段
が、前記非点収差素子と前記受光面分割素子との間に設
けられ、反射光束を透過させて受光面分割素子に入射さ
せる光ファイバ束と、該光ファイバ束のいずれか一方の
端を光軸に対して垂直方向に移動させる光ファイバ移動
手段と、で構成されたことを特徴とする。請求項３記載
の発明は、前記光軸移動手段の移動方向が、前記受光面
分割素子の対角方向の素子の差動出力に基づいて決定さ
れるようにしたことを特徴とする。
が、前記非点収差素子と前記受光面分割素子との間に設
けられ、反射光束を透過させて受光面分割素子に入射さ
せる光ファイバ束と、該光ファイバ束のいずれか一方の
端を光軸に対して垂直方向に移動させる光ファイバ移動
手段と、で構成されたことを特徴とする。請求項３記載
の発明は、前記光軸移動手段の移動方向が、前記受光面
分割素子の対角方向の素子の差動出力に基づいて決定さ
れるようにしたことを特徴とする。
【００１２】請求項４記載の発明は、前記受光面分割素
子が、ｘ、ｙ軸方向に複数の受光面を配置した２次元ア
レイセンサであることを特徴とする。請求項５記載の発
明は、前記２次元アレイセンサで受光したビームスポッ
トの光強度分布の中で中心となる基準画素を定め、該基
準画素を含むようにｘ軸およびｙ軸方向の各１ライン分
の画素列の出力分布を求めて、測定面の変位量を示す変
位信号を得るようにしたことを特徴とする。
子が、ｘ、ｙ軸方向に複数の受光面を配置した２次元ア
レイセンサであることを特徴とする。請求項５記載の発
明は、前記２次元アレイセンサで受光したビームスポッ
トの光強度分布の中で中心となる基準画素を定め、該基
準画素を含むようにｘ軸およびｙ軸方向の各１ライン分
の画素列の出力分布を求めて、測定面の変位量を示す変
位信号を得るようにしたことを特徴とする。
【００１３】請求項６記載の発明は、前記中心となる基
準画素が、前記２次元アレイセンサの画素中で最も受光
量の多い画素、あるいは２次元アレイセンサの光強度分
布を各画素のｘ，ｙ座標に受光量を加えた３次元図形デ
ータとし、該３次元図形データの重心となる画素とした
ことを特徴とする。請求項７記載の発明は、前記２次元
アレイセンサで受光する一定の受光量以上の光強度分布
の中で、ｘ軸およびｙ軸方向にそれぞれ分布する最大幅
に基づいて測定面の変位を検出するようにしたことを特
徴とする。
準画素が、前記２次元アレイセンサの画素中で最も受光
量の多い画素、あるいは２次元アレイセンサの光強度分
布を各画素のｘ，ｙ座標に受光量を加えた３次元図形デ
ータとし、該３次元図形データの重心となる画素とした
ことを特徴とする。請求項７記載の発明は、前記２次元
アレイセンサで受光する一定の受光量以上の光強度分布
の中で、ｘ軸およびｙ軸方向にそれぞれ分布する最大幅
に基づいて測定面の変位を検出するようにしたことを特
徴とする。
【００１４】
【作用】請求項１，２および３記載の発明では、複数に
分割された受光面が対角方向に配置された受光面分割素
子とその受光面分割素子に入射する光軸とを相対的に移
動させる光軸移動手段を設けたため、従来のように測定
面の変位検出用の光学系を２系統用いることなく、測定
面の傾斜状態を補正して、測定面の変位を光精度に検出
し、表面形状や表面粗さを正確に測定すると共に、セン
サヘッドを小型化することができる。
分割された受光面が対角方向に配置された受光面分割素
子とその受光面分割素子に入射する光軸とを相対的に移
動させる光軸移動手段を設けたため、従来のように測定
面の変位検出用の光学系を２系統用いることなく、測定
面の傾斜状態を補正して、測定面の変位を光精度に検出
し、表面形状や表面粗さを正確に測定すると共に、セン
サヘッドを小型化することができる。
【００１５】請求項４，５，６および７記載の発明で
は、受光面分割素子に２次元アレイセンサを用いたた
め、測定面が傾斜してもこれに応じて受光面に投影され
るビームスポットの基準画素位置の設定を変えたり、ビ
ームスポットのｘ，ｙ軸方向の最大幅を検出し、これに
基づいて正確に受光パターンが検出できるので、測定面
の表面形状や表面粗さの測定が正確に行えると共に、セ
ンサヘッドを小型化することができる。
は、受光面分割素子に２次元アレイセンサを用いたた
め、測定面が傾斜してもこれに応じて受光面に投影され
るビームスポットの基準画素位置の設定を変えたり、ビ
ームスポットのｘ，ｙ軸方向の最大幅を検出し、これに
基づいて正確に受光パターンが検出できるので、測定面
の表面形状や表面粗さの測定が正確に行えると共に、セ
ンサヘッドを小型化することができる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１は本発明に係る光学式変位センサの一実施例の構成説
明図である。図１に示されるように、本実施例では光源
21としてレーザ光源が用いられている。そして、その光
源21から発した光束をハーフミラーからなるビームスプ
リッタ22及び対物レンズ23を経て微小スポットとして収
束させ、測定面24上に投射する。測定面24上に投射され
た光束は、その測定面24で反射され、再び対物レンズ23
で集光された後、ビームスプリッタ22で反射されて、非
点収差素子である円柱レンズ25に向かう。そして、光束
はその円柱レンズ25を通過することによって非点収差が
与えられ、光軸移動手段26を通過して最後に受光面が対
角方向に４つに分割された４分割受光素子27に入射する
ように構成されている。
１は本発明に係る光学式変位センサの一実施例の構成説
明図である。図１に示されるように、本実施例では光源
21としてレーザ光源が用いられている。そして、その光
源21から発した光束をハーフミラーからなるビームスプ
リッタ22及び対物レンズ23を経て微小スポットとして収
束させ、測定面24上に投射する。測定面24上に投射され
た光束は、その測定面24で反射され、再び対物レンズ23
で集光された後、ビームスプリッタ22で反射されて、非
点収差素子である円柱レンズ25に向かう。そして、光束
はその円柱レンズ25を通過することによって非点収差が
与えられ、光軸移動手段26を通過して最後に受光面が対
角方向に４つに分割された４分割受光素子27に入射する
ように構成されている。
【００１７】本実施例の特徴的な構成は、図１の円柱レ
ンズ25と４分割受光素子27との間に光軸移動手段26が設
けられていることにある。図２は図１の光軸移動手段の
一構成例を示す図であり、（ａ）は構成説明図、（ｂ）
は４分割受光素子を用いたアクチュエータ駆動回路図で
ある。図２（ａ）に示すように、光束を透過させるレン
ズ26ａと、そのレンズ26ａをアクチュエータ26ｂにより
光軸に対して垂直方向に駆動させて、４分割受光素子27
に投影させるビームスポットの光軸の傾きを補正するよ
うにしたものである。
ンズ25と４分割受光素子27との間に光軸移動手段26が設
けられていることにある。図２は図１の光軸移動手段の
一構成例を示す図であり、（ａ）は構成説明図、（ｂ）
は４分割受光素子を用いたアクチュエータ駆動回路図で
ある。図２（ａ）に示すように、光束を透過させるレン
ズ26ａと、そのレンズ26ａをアクチュエータ26ｂにより
光軸に対して垂直方向に駆動させて、４分割受光素子27
に投影させるビームスポットの光軸の傾きを補正するよ
うにしたものである。
【００１８】また、この光軸移動手段は、上記の構成以
外に、４分割受光素子27と、これに投影されるビームス
ポットの光軸とを相対的に移動するものとして、４分割
受光素子27側を光軸に対して垂直方向にアクチュエータ
で駆動するように構成することもできる。図２（ａ）で
は光軸移動手段26にレンズ26ａを用いているが、レンズ
系の代わりに光ファイバ束を使い、これをアクチュエー
タ26ｂで駆動するように構成することもできる。
外に、４分割受光素子27と、これに投影されるビームス
ポットの光軸とを相対的に移動するものとして、４分割
受光素子27側を光軸に対して垂直方向にアクチュエータ
で駆動するように構成することもできる。図２（ａ）で
は光軸移動手段26にレンズ26ａを用いているが、レンズ
系の代わりに光ファイバ束を使い、これをアクチュエー
タ26ｂで駆動するように構成することもできる。
【００１９】次に、作用を説明する。図３は図１の４分
割受光素子に投影されるビームスポットの受光パターン
を示す図であり、（ａ）は測定面と光軸とが垂直な場合
の図、（ｂ）は測定面と光軸とが傾斜している場合の図
である。まず、図１の測定面24が光軸に対して垂直な場
合は、図３（ａ）に示すように、４分割受光素子27上に
投影されるビームスポットの光強度分布が４分割受光素
子27の中心に投影される。しかし、測定面24が光軸に対
して垂直でない場合は、上記した図２の光軸移動手段26
を作動させなければ、例えば図３（ｂ）に示すように、
４分割受光素子27の中心からずれた状態でビームスポッ
トが投影されてしまう。その結果、変位信号Ｄは、図３
（ｂ）に示す４分割受光素子27の各素子の信号出力をエ
リア別にＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 ，Ａ4 とすると、次式により
求めることができる。
割受光素子に投影されるビームスポットの受光パターン
を示す図であり、（ａ）は測定面と光軸とが垂直な場合
の図、（ｂ）は測定面と光軸とが傾斜している場合の図
である。まず、図１の測定面24が光軸に対して垂直な場
合は、図３（ａ）に示すように、４分割受光素子27上に
投影されるビームスポットの光強度分布が４分割受光素
子27の中心に投影される。しかし、測定面24が光軸に対
して垂直でない場合は、上記した図２の光軸移動手段26
を作動させなければ、例えば図３（ｂ）に示すように、
４分割受光素子27の中心からずれた状態でビームスポッ
トが投影されてしまう。その結果、変位信号Ｄは、図３
（ｂ）に示す４分割受光素子27の各素子の信号出力をエ
リア別にＡ1 ，Ａ2 ，Ａ3 ，Ａ4 とすると、次式により
求めることができる。
【００２０】Ｄ＝（Ａ1 ＋Ａ3 ）−（Ａ2 ＋Ａ4 ） 図４は測定面に光軸が垂直な場合と垂直でない場合の変
位信号Ｄと測定面の変位量δとの関係を示す線図であ
る。図４に示されるように、測定面が光軸に対して垂直
な場合は、実線で示す如く、変位信号Ｄは変位量δに対
してほぼリニアに変化するが、測定面が光軸に対して垂
直でない場合は、破線で示す如くリニアな変化とならな
いため、変位信号Ｄに基づいて正確に変位量δを求める
ことができなくなるという不都合が生じる。このような
不都合が生じる理由は、図３（ｂ）に示されるように、
４分割受光素子27上に投影させるビームスポットの光強
度分布が、対向する素子間で非対称になってしまうこと
によるものである。従って、対向する素子間で常に光強
度が対称となるように光軸を移動させることができれば
この問題が解消できる。
位信号Ｄと測定面の変位量δとの関係を示す線図であ
る。図４に示されるように、測定面が光軸に対して垂直
な場合は、実線で示す如く、変位信号Ｄは変位量δに対
してほぼリニアに変化するが、測定面が光軸に対して垂
直でない場合は、破線で示す如くリニアな変化とならな
いため、変位信号Ｄに基づいて正確に変位量δを求める
ことができなくなるという不都合が生じる。このような
不都合が生じる理由は、図３（ｂ）に示されるように、
４分割受光素子27上に投影させるビームスポットの光強
度分布が、対向する素子間で非対称になってしまうこと
によるものである。従って、対向する素子間で常に光強
度が対称となるように光軸を移動させることができれば
この問題が解消できる。
【００２１】そこで、本実施例では図２（ｂ）に示すよ
うに、４分割受光素子27の対向する素子間の差動出力、
すなわち（Ａ1 −Ａ3 ）と（Ａ2 −Ａ4 ）とを制御信号
としてアクチュエータ26ｂを駆動することにより、ビー
ムスポットが４分割受光素子27の中心に投影されるよう
にレンズ26ａの位置を正しく制御することができる。ま
た、上記４分割受光素子27の素子間の差動出力を用い
て、４分割受光素子27そのものを光軸に対して垂直方向
に駆動させて、ビームスポットのずれを補正するように
構成することもできる。
うに、４分割受光素子27の対向する素子間の差動出力、
すなわち（Ａ1 −Ａ3 ）と（Ａ2 −Ａ4 ）とを制御信号
としてアクチュエータ26ｂを駆動することにより、ビー
ムスポットが４分割受光素子27の中心に投影されるよう
にレンズ26ａの位置を正しく制御することができる。ま
た、上記４分割受光素子27の素子間の差動出力を用い
て、４分割受光素子27そのものを光軸に対して垂直方向
に駆動させて、ビームスポットのずれを補正するように
構成することもできる。
【００２２】図５は、２次元アレイセンサを用いた光学
式変位センサの実施例を説明する図であり、（ａ）はビ
ームスポットが投影された２次元アレイセンサの図、
（ｂ）はアレイセンサのｙ軸方向の光強度分布による信
号処理説明図、（ｃ）はアレイセンサのｘ軸方向の光強
度分布による信号処理説明図である。図５（ａ）に示さ
れるように、ここでは分割した受光面をｘ軸とｙ軸方向
に複数個配置した２次元アレイセンサが用いられてい
る。このため、測定面に対して光軸が垂直でない場合
は、２次元アレイセンサに投影するビームスポットの位
置が図５（ａ）に示すように上方にずれたとしても、上
記のような光軸移動手段を用いることなく、その位置で
のビームスポットの光強度分布から変位信号Ｄを求める
ことができる。
式変位センサの実施例を説明する図であり、（ａ）はビ
ームスポットが投影された２次元アレイセンサの図、
（ｂ）はアレイセンサのｙ軸方向の光強度分布による信
号処理説明図、（ｃ）はアレイセンサのｘ軸方向の光強
度分布による信号処理説明図である。図５（ａ）に示さ
れるように、ここでは分割した受光面をｘ軸とｙ軸方向
に複数個配置した２次元アレイセンサが用いられてい
る。このため、測定面に対して光軸が垂直でない場合
は、２次元アレイセンサに投影するビームスポットの位
置が図５（ａ）に示すように上方にずれたとしても、上
記のような光軸移動手段を用いることなく、その位置で
のビームスポットの光強度分布から変位信号Ｄを求める
ことができる。
【００２３】すなわち、図５（ａ）に示すように、光強
度分布の中から最も受光量の多い画素を仮に基準画素ｏ
と定め、その基準画素ｏ含むエッチングで示したｘ軸お
よびｙ軸方向の、それぞれの一ライン分の画素出力を図
５（ｂ），（ｃ）に示すように、電気的に抽出する。そ
して、あるしきい値以上の電圧を出力した画素数をｘ軸
およびｙ軸方向でそれぞれＮｘ個，Ｎｙ個とカウントす
れば、次式により変位出力Ｄを決定することができる。
度分布の中から最も受光量の多い画素を仮に基準画素ｏ
と定め、その基準画素ｏ含むエッチングで示したｘ軸お
よびｙ軸方向の、それぞれの一ライン分の画素出力を図
５（ｂ），（ｃ）に示すように、電気的に抽出する。そ
して、あるしきい値以上の電圧を出力した画素数をｘ軸
およびｙ軸方向でそれぞれＮｘ個，Ｎｙ個とカウントす
れば、次式により変位出力Ｄを決定することができる。
【００２４】Ｄ＝Ｎｘ−Ｎｙ 図５（ｂ），（ｃ）におけるしきい値は、例えばここで
は２次元アレイセンサに投影されたビームスポットの総
光強度の平均値をしきい値とするように、総光強度の関
数とすることもできる。また、基準画素ｏは、上記した
ように２次元アレイセンサの各画素において、受光量が
最大となる画素と定めることもできるが、これ以外にも
光強度分布をｘ，ｙ座標の２次元、またはこれに受光量
を更に加えて三次元図形とみなしたとき、その図形の重
心となるｘ，ｙ座標のアドレスを基準画素ｏと定めるこ
ともできる。
は２次元アレイセンサに投影されたビームスポットの総
光強度の平均値をしきい値とするように、総光強度の関
数とすることもできる。また、基準画素ｏは、上記した
ように２次元アレイセンサの各画素において、受光量が
最大となる画素と定めることもできるが、これ以外にも
光強度分布をｘ，ｙ座標の２次元、またはこれに受光量
を更に加えて三次元図形とみなしたとき、その図形の重
心となるｘ，ｙ座標のアドレスを基準画素ｏと定めるこ
ともできる。
【００２５】図６は２次元アレイセンサを用いた光学式
変位センサの他の実施例を説明する図である。まず、図
５（ｂ）、（ｃ）に示したのと同様に（しきい値は異な
る）一定のしきい値以上の電圧を出力した画素の内、ｘ
およびｙ座標がそれぞれ最小の画素と最大の画素の計４
つの画素のアドレスを求める。そして、このアドレスに
基づいて変位出力Ｄを求めるものである。すなわち、図
６に示すように、この４つの画素のアドレスを(Xmax,Y1
)(Xmin,Y2 )(X2,Ymin )(X1,Ymax )とすると、次式によ
り変位出力Ｄが決定される。
変位センサの他の実施例を説明する図である。まず、図
５（ｂ）、（ｃ）に示したのと同様に（しきい値は異な
る）一定のしきい値以上の電圧を出力した画素の内、ｘ
およびｙ座標がそれぞれ最小の画素と最大の画素の計４
つの画素のアドレスを求める。そして、このアドレスに
基づいて変位出力Ｄを求めるものである。すなわち、図
６に示すように、この４つの画素のアドレスを(Xmax,Y1
)(Xmin,Y2 )(X2,Ymin )(X1,Ymax )とすると、次式によ
り変位出力Ｄが決定される。
【００２６】Ｄ＝(Xmax −Xmin）−（Ymax− Ymin) 上記したように、本実施例の光学式変位センサは、測定
面が傾いて受光素子のの中心からビームスポットがずれ
た状態で投影される場合であっても、光軸移動手段26に
より受光素子の中心にビームスポットが来るように光軸
または受光素子を相対的に移動させることによって、受
光素子の光電出力に基づいて算出される変位信号Ｄから
測定面の変位量δを正確に検出することが可能となっ
た。また、本実施例の光学式変位センサは従来のように
光学系を２系統必要としないため、光学式変位センサの
ヘッドを小型化することができる。
面が傾いて受光素子のの中心からビームスポットがずれ
た状態で投影される場合であっても、光軸移動手段26に
より受光素子の中心にビームスポットが来るように光軸
または受光素子を相対的に移動させることによって、受
光素子の光電出力に基づいて算出される変位信号Ｄから
測定面の変位量δを正確に検出することが可能となっ
た。また、本実施例の光学式変位センサは従来のように
光学系を２系統必要としないため、光学式変位センサの
ヘッドを小型化することができる。
【００２７】さらに、受光素子として２次元アレイセン
サを用いた場合は、測定面が傾いてビームスポットの投
影位置がずれても、光強度分布に基づいて基準となる画
素やアレイセンサのｘ，ｙ座標の最小画素および最大画
素を求めることにより、ビームスポット形状から変位信
号Ｄを求め、正確な測定面の変位量を検出することがで
きる。そして、この実施例の場合も光学式変位センサの
ヘッドを小型化することができる。
サを用いた場合は、測定面が傾いてビームスポットの投
影位置がずれても、光強度分布に基づいて基準となる画
素やアレイセンサのｘ，ｙ座標の最小画素および最大画
素を求めることにより、ビームスポット形状から変位信
号Ｄを求め、正確な測定面の変位量を検出することがで
きる。そして、この実施例の場合も光学式変位センサの
ヘッドを小型化することができる。
【００２８】
【発明の効果】請求項１、２および３記載の発明によれ
ば、複数の受光面が対角方向に配置された受光面分割素
子と該受光面分割素子に入射する光軸とを相対的に移動
させる光軸移動手段を設けたので、変位検出量の光学系
を２系統用いることなく測定面の傾斜を補正して、測定
面の表面形状や表面粗さを正確に測定することができる
と共に、センサヘッドを小型化することができる。
ば、複数の受光面が対角方向に配置された受光面分割素
子と該受光面分割素子に入射する光軸とを相対的に移動
させる光軸移動手段を設けたので、変位検出量の光学系
を２系統用いることなく測定面の傾斜を補正して、測定
面の表面形状や表面粗さを正確に測定することができる
と共に、センサヘッドを小型化することができる。
【００２９】請求項４，５，６および７記載の発明によ
れば、受光面分割素子に２次元アレイセンサを用いたた
め、測定面が傾斜してもこれに応じて受光面に投影され
るビームスポットの基準画素位置の設定を変えたり、ビ
ームスポットのｘ，ｙ軸方向のそれぞれの最大、最小ア
ドレスの画素を求めることによって、受光パターンが正
確に検出できるようになり、測定面の表面形状や表面粗
さが正確に測定できると共に、センサヘッドが小型化で
きる。
れば、受光面分割素子に２次元アレイセンサを用いたた
め、測定面が傾斜してもこれに応じて受光面に投影され
るビームスポットの基準画素位置の設定を変えたり、ビ
ームスポットのｘ，ｙ軸方向のそれぞれの最大、最小ア
ドレスの画素を求めることによって、受光パターンが正
確に検出できるようになり、測定面の表面形状や表面粗
さが正確に測定できると共に、センサヘッドが小型化で
きる。
【図１】本発明に係る光学式変位センサの一実施例の構
成説明図である。
成説明図である。
【図２】図１の光軸移動手段の一構成例を示す図であ
り、（ａ）は構成説明図、（ｂ）は４分割受光素子を用
いたアクチュエータ駆動回路図である。
り、（ａ）は構成説明図、（ｂ）は４分割受光素子を用
いたアクチュエータ駆動回路図である。
【図３】図１の４分割受光素子に投影されるビームスポ
ットの受光パターンを示す図であり、（ａ）は測定面と
光軸とが垂直な場合の図、（ｂ）は測定面と光軸とが傾
斜している場合の図である。
ットの受光パターンを示す図であり、（ａ）は測定面と
光軸とが垂直な場合の図、（ｂ）は測定面と光軸とが傾
斜している場合の図である。
【図４】測定面に光軸が垂直な場合と垂直でない場合の
変位信号Ｄと測定面の変位量δとの関係を示す線図であ
る。
変位信号Ｄと測定面の変位量δとの関係を示す線図であ
る。
【図５】２次元アレイセンサを用いた光学式変位センサ
の実施例を説明する図であり、（ａ）はビームスポット
が投影された２次元アレイセンサの図、（ｂ）はアレイ
センサのｙ軸方向の光強度分布による信号処理説明図、
（ｃ）はアレイセンサのｘ軸方向の光強度分布による信
号処理説明図である。
の実施例を説明する図であり、（ａ）はビームスポット
が投影された２次元アレイセンサの図、（ｂ）はアレイ
センサのｙ軸方向の光強度分布による信号処理説明図、
（ｃ）はアレイセンサのｘ軸方向の光強度分布による信
号処理説明図である。
【図６】２次元アレイセンサを用いた光学式変位センサ
の他の実施例を説明する図である。
の他の実施例を説明する図である。
【図７】従来の測定面の変位検出手段の構成説明図であ
る。
る。
【図８】図７の光検出器の光電出力信号を演算する回路
構成を示すブロック図である。
構成を示すブロック図である。
２１ 光源 ２２ ビームスプリッタ ２３ 対物レンズ ２４ 測定面 ２５ 円柱レンズ（非点収差素子） ２６ 光軸移動手段 ２７ ４分割受光素子（受光面分割素子）
Claims (7)
- 【請求項１】光源と、該光源から発した光束を測定面上
に微小スポットとして投射させる対物レンズと、該測定
面で反射された反射光束に非点収差を与える非点収差素
子と、該非点収差が与えられた反射光束を入射させて、
受光パターンに応じた出力変化が得られるように受光面
を複数に分割した受光面分割素子とを有し、該受光面分
割素子の各素子の出力データに基づいて測定面の変位を
検出する光学式変位センサにおいて、 前記受光面分割素子が対角方向にそれぞれ受光面が配置
された少なくとも４分割された受光素子であって、 該受光面分割素子に入射する光軸または受光面分割素子
を光軸に対して垂直方向に相対的に移動させる光軸移動
手段を備えたことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項２】請求項１記載の光学式変位センサにおい
て、 前記光軸移動手段が、 前記非点収差素子と前記受光面分割素子との間に設けら
れ、反射光束を透過させて受光面分割素子に入射させる
光ファイバ束と、 該光ファイバ束のいずれか一方の端を光軸に対して垂直
方向に移動させる光ファイバ移動手段と、 で構成されたことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項３】請求項１または２記載の光学式変位センサ
において、 前記光軸移動手段の移動方向が、 前記受光面分割素子の対角方向の素子の差動出力に基づ
いて決定されるようにしたことを特徴とする光学式変位
センサ。 - 【請求項４】請求項１記載の光学式変位センサにおい
て、 前記受光面分割素子が、ｘ、ｙ軸方向に複数の受光面を
配置した２次元アレイセンサであることを特徴とする光
学式変位センサ。 - 【請求項５】請求項４記載の光学式変位センサにおい
て、 前記２次元アレイセンサで受光したビームスポットの光
強度分布の中で中心となる基準画素を定め、該基準画素
を含むようにｘ軸およびｙ軸方向の各１ライン分の画素
列の出力分布を求めて、測定面の変位量を示す変位信号
を得るようにしたことを特徴とする光学式変位センサ。 - 【請求項６】請求項５記載の光学式変位センサにおい
て、 前記中心となる基準画素が、 前記２次元アレイセンサの画素中で最も受光量の多い画
素、あるいは２次元アレイセンサの光強度分布を各画素
のｘ，ｙ座標に受光量を加えた３次元図形データとし、
該３次元図形データの重心となる画素としたことを特徴
とする光学式変位センサ。 - 【請求項７】請求項４記載の光学式変位センサにおい
て、 前記２次元アレイセンサで受光する一定の受光量以上の
光強度分布の中で、ｘ軸およびｙ軸方向にそれぞれ分布
する最大幅に基づいて測定面の変位を検出するようにし
たことを特徴とする光学式変位センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3547192A JPH05231848A (ja) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | 光学式変位センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3547192A JPH05231848A (ja) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | 光学式変位センサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05231848A true JPH05231848A (ja) | 1993-09-07 |
Family
ID=12442696
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3547192A Pending JPH05231848A (ja) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | 光学式変位センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05231848A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012002703A (ja) * | 2010-06-17 | 2012-01-05 | Mori Seiki Co Ltd | 変位検出装置 |
| CN109813236A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-05-28 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种激光位移传感器及其测量方法 |
| CN109855542A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-06-07 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种位移测量装置 |
| CN109870816A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-06-11 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法 |
-
1992
- 1992-02-24 JP JP3547192A patent/JPH05231848A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012002703A (ja) * | 2010-06-17 | 2012-01-05 | Mori Seiki Co Ltd | 変位検出装置 |
| US8810807B2 (en) | 2010-06-17 | 2014-08-19 | Mori Seiki Co., Ltd. | Displacement detecting device |
| CN109813236A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-05-28 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种激光位移传感器及其测量方法 |
| CN109855542A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-06-07 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种位移测量装置 |
| CN109870816A (zh) * | 2019-03-16 | 2019-06-11 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种激光位移传感器的光学系统及其位移测量方法 |
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