JPH0528762B2 - - Google Patents

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JPH0528762B2
JPH0528762B2 JP21725985A JP21725985A JPH0528762B2 JP H0528762 B2 JPH0528762 B2 JP H0528762B2 JP 21725985 A JP21725985 A JP 21725985A JP 21725985 A JP21725985 A JP 21725985A JP H0528762 B2 JPH0528762 B2 JP H0528762B2
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JP
Japan
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lens
light
measured
position sensor
displacement
Prior art date
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Application number
JP21725985A
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Japanese (ja)
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JPS6275309A (en
Inventor
Kenta Mikurya
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Yokogawa Electric Corp
Original Assignee
Yokogawa Electric Corp
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Publication date
Application filed by Yokogawa Electric Corp filed Critical Yokogawa Electric Corp
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Publication of JPS6275309A publication Critical patent/JPS6275309A/en
Publication of JPH0528762B2 publication Critical patent/JPH0528762B2/ja
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Automatic Focus Adjustment (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学式の変位変換器に関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical displacement transducer.

更に詳しくは、レンズを介して測定対象面に光
を照射するとともに、測定対象面上に常に焦点が
合うようにレンズの位置を移動させ、この時のレ
ンズの移動量から前記測定対象面の変位量を測定
するようにした変位変換器に関するものである。
More specifically, light is irradiated onto the surface to be measured through a lens, and the position of the lens is moved so that the surface is always focused on the surface to be measured, and the displacement of the surface to be measured is calculated from the amount of movement of the lens at this time. The present invention relates to a displacement transducer adapted to measure a quantity.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

従来、光学式の変位変換器の一例としては、第
3図に示す如き装置が実用化されている。図に示
す変位変換器は、光源1から出射された平行光線
を、レンズ2を介して測定対象面3に照射すると
ともに、この光束が測定対象面3上に常に焦点を
結ぶようにレンズ2の位置を動かし、この時のレ
ンズ2の移動量から測定対象面3の変位量を測定
するようにしたものである。ここで、測定対象面
3上に焦点が合つているか否かの検出には、シリ
ンドリカルレンズ4および4分割センサ5が使用
され、測定対象面3からの反射光をレンズ2の後
方に配置したハーフミラー6によりシリンドリカ
ルレンズ4に導くとともに、シリンドリカルレン
ズ4により得られる光スポツトの形状変化を4分
割センサ5によつて検出している。
Conventionally, as an example of an optical displacement converter, a device as shown in FIG. 3 has been put into practical use. The displacement converter shown in the figure irradiates parallel light beams emitted from a light source 1 onto a surface to be measured 3 via a lens 2, and also irradiates a parallel light beam emitted from a light source 1 to a surface to be measured 3 through a lens 2. The position is moved, and the amount of displacement of the surface to be measured 3 is measured from the amount of movement of the lens 2 at this time. Here, a cylindrical lens 4 and a four-split sensor 5 are used to detect whether or not the focus is on the surface to be measured 3, and a half-split sensor placed behind the lens 2 uses a cylindrical lens 4 and a four-split sensor 5 to direct the reflected light from the surface to be measured 3. A mirror 6 guides the light to the cylindrical lens 4, and a four-part sensor 5 detects changes in the shape of the light spot obtained by the cylindrical lens 4.

すなわち、4分割センサ5上に投影される光ス
ポツトと形状は第4図に示すようなもので、測定
対象面3上に焦点が合つている時、〔以下、これ
を合焦点状態という〕には、シリンドリカルレン
ズ4に入射する光束は平行光線となつているの
で、4分割センサ5上の光スポツトの形状は、図
中に実線aで示す如く、円形となつている。ま
た、焦点が合つていない時には、シリンドリカル
レンズ4に入射する光束が平行光線ではなくなる
ので、光スポツトは破線bおよびcで示す如く、
焦点のずれに応じて傾きの方向が異なる惰円形と
なる。したがつて、4分割センサ5におくる出力
S1〜S4を、例えば、〔S1+S3〕−〔S2+S4〕の如
く演算処理することにより、光スポツトの形状を
検出して、焦点の位置を知ることができる。な
お、おの4分割センサ5の出力は、レンズ2を移
動させて、常に測定対象面3上に焦点を合わせる
自動焦点機構の帰還信号として利用されている。
That is, the light spot and shape projected onto the 4-split sensor 5 are as shown in FIG. Since the light beam incident on the cylindrical lens 4 is parallel, the shape of the light spot on the four-part sensor 5 is circular, as shown by the solid line a in the figure. Furthermore, when the focus is out of focus, the light beam incident on the cylindrical lens 4 is no longer parallel, so the light spot is formed as shown by broken lines b and c.
The image becomes a circular shape with a different direction of inclination depending on the shift of focus. Therefore, the output sent to the 4-split sensor 5
By processing S1 to S4 as, for example, [S1+S3]-[S2+S4], the shape of the light spot can be detected and the position of the focal point can be determined. Note that the output of each of the four-split sensors 5 is used as a feedback signal for an automatic focusing mechanism that moves the lens 2 to always focus on the surface 3 to be measured.

〔発明が解決しようとする問題点〕[Problem that the invention seeks to solve]

しかしながら、上記のようなシリンドリカルレ
ンズ4および4分割センサ5を使用した変位変換
器においては、測定対象面3に傾きがあると、第
5図に示す如く、4分割センサ5上に投影される
光スポツトの位置が中心からずれたものとなるの
で、合焦状態においても、4分割センサ5の出力
S1〜S4がバランスせず、正確な自動焦点動作を
行なうことができなくなつてしまう。このため、
測定対象面3の傾きは±1°以内に抑えなければな
らない。
However, in the displacement transducer using the cylindrical lens 4 and the 4-split sensor 5 as described above, if the measurement target surface 3 is tilted, the light projected onto the 4-split sensor 5 as shown in FIG. Since the position of the spot is shifted from the center, even in the focused state, the output of the 4-split sensor 5
S1 to S4 become unbalanced, making it impossible to perform accurate autofocus operation. For this reason,
The inclination of the surface 3 to be measured must be kept within ±1°.

本発明は、上記のような従来位置の欠点をなく
し、測定対象面に比較的大きな傾きがあつた場合
にも、その変位量が正確に測定することのできる
変位変換器は簡単な構成により実現することを目
的としたものである。
The present invention eliminates the drawbacks of the conventional position as described above, and realizes a displacement transducer with a simple configuration that can accurately measure the amount of displacement even when the surface to be measured has a relatively large inclination. It is intended to.

〔問題点を解決するための手段〕[Means for solving problems]

本発明の変位変換器は、レンズを介して測定対
象面に光を照射するとともに、測定対象面上に常
に焦点が合うようにレンズの位置を移動させ、こ
の時のレンズの移動量から前記測定対象面の変位
量を測定するようにした変位変換器において、そ
れぞれレンズの軸と平行な光軸を有する平行光線
よりなる2つの光束をレンズにおける軸上および
それ以外の位置に入射させるとともに、レンズを
介して戻つて来る反射光の光路中に第2のレンズ
を配置し、さらに、光の入射位置を検出すること
のできるポジシヨンセンサをこの第2のレンズに
おける焦点位置に配置して、このポジシヨンセン
サの出力をレンズの位置を移動させる自動焦点機
構の帰還信号として利用するようにしたものであ
る。
The displacement converter of the present invention irradiates light onto a surface to be measured through a lens, moves the position of the lens so that the surface is always focused on the surface to be measured, and uses the amount of movement of the lens at this time to determine the measurement target surface. In a displacement transducer designed to measure the amount of displacement of a target surface, two light beams consisting of parallel light beams each having an optical axis parallel to the lens axis are incident on the lens at an on-axis position and at other positions, and the lens A second lens is placed in the optical path of the reflected light that returns via the The output of the position sensor is used as a feedback signal for an automatic focusing mechanism that moves the position of the lens.

〔作用〕[Effect]

このように、反射光の光路中に第2のレンズを
配置するとともに、この第2のレンズにおける焦
点位置にポジシヨンセンサを配置するようにする
と、合焦状態においては、測定対象面からの反射
光がポジシヨンセンサの位置で実像を結ぶことに
なり、しかもこの時の反射光におけるポジシヨン
センサへの入射位置は常に一定となるので、ポジ
シヨンセンサの出力状態から測定対象面上に焦点
が合つているか否かを検出することができ、ポジ
シヨンセンサの出力を自動焦点機構の帰還信号と
して利用することにより、測定対象面の変位量を
自動的に測定することができる。また、測定対象
面からの反射光が実像を結ぶ位置は、光束の経路
にかかわらず一定であるので、測定対象面が傾い
ていた場合にも、その反射光がレンズに入射しさ
えすれば、変位量の測定を正確に行なうことがで
きる。さらに、レンズへの入射位置の異なる2つ
の光束を使用し、いずれの光束を使用しても測定
動作を行なうことができるように構成しているの
で、これらの光束を選択的に使用することによ
り、測定対象面における傾きの許容範囲を広くす
ることができる。
In this way, by arranging the second lens in the optical path of the reflected light and arranging the position sensor at the focal position of this second lens, in the focused state, the reflection from the surface to be measured is The light forms a real image at the position of the position sensor, and since the incident position of the reflected light on the position sensor is always constant, it is possible to determine whether the focus is on the surface to be measured based on the output state of the position sensor. By using the output of the position sensor as a feedback signal for the automatic focusing mechanism, it is possible to automatically measure the amount of displacement of the surface to be measured. In addition, the position where the reflected light from the surface to be measured forms a real image is constant regardless of the path of the light beam, so even if the surface to be measured is tilted, as long as the reflected light enters the lens, The amount of displacement can be measured accurately. Furthermore, the structure is configured so that measurement can be performed using two light beams with different incident positions on the lens, so by selectively using these light beams, , it is possible to widen the permissible range of inclination on the surface to be measured.

〔実施例〕〔Example〕

第6図は本発明の変位変換器における特定原理
を示す構成図である。なお、図に示す変位変換器
は、本願発明者がすでに発明したものである。図
において、前記第3図と同様のものは同一符号を
付して示す。7はレンズ2を介して戻つて来る反
射光の光路中に配置された第2のレンズ、8はこ
の第2のレンズ7における焦点位置に配置された
ポジシヨンセンサである。光源1から出射された
光束は、レンズ2の軸と平行な光軸を有してお
り、しかもレンズ2における軸以外の位置に入射
し、レンズ2を介して測定対象面3に照射されて
いる。また、測定対象面3により反射された光
は、ハーフミラー6および第2のレンズ7を介し
てポジシヨンセンサ8に入射している。さらに、
レンズ2は自動焦点機構〔図示せず〕によつて移
動させられ、測定対象面3との距離を任意に調節
されている。
FIG. 6 is a block diagram showing the specific principle of the displacement transducer of the present invention. Note that the displacement transducer shown in the figure has already been invented by the inventor of the present application. In the figure, the same parts as in FIG. 3 are designated by the same reference numerals. 7 is a second lens placed in the optical path of the reflected light returning via lens 2; 8 is a position sensor placed at the focal point of second lens 7; The light beam emitted from the light source 1 has an optical axis parallel to the axis of the lens 2, and is incident on a position other than the axis of the lens 2, and is irradiated onto the surface to be measured 3 via the lens 2. . Further, the light reflected by the measurement target surface 3 enters the position sensor 8 via the half mirror 6 and the second lens 7. moreover,
The lens 2 is moved by an automatic focusing mechanism (not shown), and the distance to the measurement target surface 3 is arbitrarily adjusted.

第7図は第2のレンズ7を介して入射する反射
光の入射位置を検出するポジシヨンセンサ8の一
例を示す構成図である。図に示すように、ポジシ
ヨンセンサ8は高抵抗シリコン81(i層)の片
面あるいは両面に均一なp形抵抗層82を設ける
とともに、表面層に光電効果を持つたPN接合を
形成し、さらに、層の両端に信号を取り出すため
の一対の電極A、Bを設けたものである。このよ
うな構成を有するポジシヨンセンサ8において
は、電極A、B間の距離をL、抵抗をRLとし、
電極Aより光と入射位置までの距離をx、その部
分の抵抗をRxとすれば、光の入射位置で発生し
た光生成電荷は、光の入射エネルギーに比例する
光電流I0となり、抵抗値Rxおよび(RL−Rx)に
応じて分割されて、電流IA、IBとして両端の電
極A、Bから取り出される。したがつて、この電
流IA、IBは IA=I0(RL−Rx)/RL=I0(L−x)/L IB=I0・Rx/RL=I0・x/L となり、各電流IA、IBの比IA/IBは IA/IB=(L−x)/x となるので、電流IA、IBの値を求めることによ
り、入射エネルギーの大きさとは無関係に、光の
入射位置を知ることができる。
FIG. 7 is a configuration diagram showing an example of a position sensor 8 that detects the incident position of reflected light incident through the second lens 7. As shown in the figure, the position sensor 8 has a uniform p-type resistance layer 82 on one or both sides of a high-resistance silicon 81 (i-layer), and also has a PN junction with a photoelectric effect formed on the surface layer. , a pair of electrodes A and B for extracting signals are provided at both ends of the layer. In the position sensor 8 having such a configuration, the distance between the electrodes A and B is L, the resistance is RL,
If the distance from electrode A to the light incident position is x, and the resistance of that part is Rx, then the photogenerated charge generated at the light incident position becomes a photocurrent I 0 that is proportional to the incident light energy, and the resistance value is It is divided according to Rx and (RL-Rx) and taken out from electrodes A and B at both ends as currents IA and IB. Therefore, the currents IA and IB are IA=I 0 (RL-Rx)/RL=I 0 (L-x)/L IB=I 0・Rx/RL=I 0・x/L, and each current The ratio IA/IB of IA and IB is IA/IB = (L-x)/x, so by finding the values of currents IA and IB, the incident position of the light can be determined regardless of the magnitude of the incident energy. be able to.

第8図は上記のような動作原理を有するポジシ
ヨンセンサ8を二次元的に構成したものである。
図に示すように、各電極Ax、Ay、Bx、Byから
取り出される電流の比は、光の入射位置における
X軸方向およびY軸方向の位置情報を含んでお
り、これらを演算処理することにより、二次元的
な入射位置を知ることができる。
FIG. 8 shows a two-dimensional structure of a position sensor 8 having the operating principle as described above.
As shown in the figure, the ratio of the current taken out from each electrode Ax, Ay, Bx, By includes positional information in the X-axis direction and Y-axis direction at the light incident position, and is calculated by processing this information. , it is possible to know the two-dimensional incident position.

さて、第6図に戻つて、測定対象面3上に焦点
が合つている場合(合焦状態)には、レンズ2を
介して戻つて来る反射光はレンズ2の軸と平行な
光軸を有する平行光線となるので、この反射光は
第2のレンズ7を通つた後、その焦点位置で実像
を結ぶようになる。この時、第2のレンズ7にお
ける焦点位値にはポジシヨンセンサ8が配置され
ているので、反射光はポジシヨンセンサ8上に入
射し、その入射位置がポジシヨンセンサ8によつ
て検出される。
Now, returning to Fig. 6, when the focus is on the measurement target surface 3 (in-focus state), the reflected light returning via the lens 2 has an optical axis parallel to the axis of the lens 2. Since the reflected light becomes a parallel light ray, after passing through the second lens 7, it forms a real image at its focal position. At this time, since the position sensor 8 is placed at the focal point of the second lens 7, the reflected light is incident on the position sensor 8, and the position of incidence is detected by the position sensor 8. Ru.

次に、測定対象面3が図中の3′の位置まで変
位したとすると、測定体象面3が照射される光束
の焦点位置から外れるので、反射光の経路は破線
で示す如く移動し、これに伴つて、反射光は平行
光線ではなくなるので、反射光におけるポジシヨ
ンセンサ8への入射位置も移動することになる。
また、この時には、反射光の結像位置もポジシヨ
ンセンサ8上からずれているので、ポジシヨンセ
ンサ8にはある程度広がりを持つたスポツトが入
射するようになる。
Next, if the measurement object surface 3 is displaced to the position 3' in the figure, the measurement object surface 3 is removed from the focal point of the irradiated light beam, so the path of the reflected light moves as shown by the broken line, Along with this, since the reflected light is no longer a parallel light beam, the incident position of the reflected light on the position sensor 8 also moves.
Furthermore, at this time, since the imaging position of the reflected light is also shifted from the position sensor 8, a spot with a certain extent of spread comes to be incident on the position sensor 8.

第9図はポジシヨンセンサ8上における反射光
の入射位置とスポツトの大きさとの関係を示した
ものである。図において、合焦状態における反射
光の入射位置P0とすれば、この時のスポツト径
が最も小さく、測定対象面3が焦点位置からずれ
につれて、入射位置もP1、P2方向あるいはP3、
P4方向へと移動し、スポツト径もしだいに大き
くなつてゆく。例えば、測定対象面3が焦点位置
より近くなつた時に、入射位置がP1方向へ移動
したとすると、測定対象面3が焦点位置より遠く
なつた時には、入射位置は逆にP3方向へと移動
する。
FIG. 9 shows the relationship between the incident position of reflected light on the position sensor 8 and the size of the spot. In the figure, if the incident position of the reflected light in the focused state is P0, the spot diameter at this time is the smallest, and as the measurement target surface 3 deviates from the focal position, the incident position also changes in the P1, P2 direction or P3,
The spot diameter gradually increases as it moves toward P4. For example, if the incident position moves in the P1 direction when the measurement target surface 3 becomes closer than the focal position, then when the measurement target surface 3 becomes further away from the focal position, the incidence position moves in the P3 direction. .

このように、ポジシヨンセンサ8を第2のレン
ズ7における焦点位置に置いておくと、測定対象
面3の位置に応じてポジシヨンセンサ8上の反射
光の入射位置が変化するので、ポジシヨンセンサ
8の出力から合焦状態を知ることができ、この出
力を帰還信号として自動焦点機構を構成すれば、
光源1から出射された光束が常に測定対象面3上
に焦点を結ぶように、レンズ2を移動させること
ができ、この時の移動量から測定対象面3の変位
量を自動的に測定することができる。
In this way, when the position sensor 8 is placed at the focal position of the second lens 7, the incident position of the reflected light on the position sensor 8 changes depending on the position of the measurement target surface 3, so the position The focus state can be known from the output of the sensor 8, and if an automatic focusing mechanism is constructed using this output as a feedback signal,
The lens 2 can be moved so that the light beam emitted from the light source 1 is always focused on the surface to be measured 3, and the amount of displacement of the surface to be measured 3 can be automatically measured from the amount of movement at this time. I can do it.

また、測定対象面3に傾きがあつた場合を考え
てみると、この場合には、測定対象面3から反射
される光の経路が第6図の場合と異なることにな
るが、レンズ2および7の性質上、焦点位置が測
定対象面3上にあれば、その反射光はレンズ2の
軸と平行な光軸を有する平行光線となり、反射光
が第2のレンズ7を介して結像する位置は変化し
ないので、反射光におけるポジシヨンセンサ8上
の入射位置も変化せず、上記の場合と同様に、ポ
ジシヨンセンサ8の出力から合焦状態を正確に検
出することができる。なお、測定対象面3が傾い
ている時には、ポジシヨンセンサ8における反射
光の入射位置は、例えば第10図の如く変化し、
測定対象面3の変位とともに移動する。図から明
らかなように、測定対象面3が焦点位置にある時
の入射位置P0は前記した第9図の位置と等しい
ので、この時のポジシヨンセンサ8の出力も等し
い値であり、測定対象面3の傾きの影響を受ける
ことなく、変位量の測定を行なうことができる。
Also, if we consider the case where the surface to be measured 3 is tilted, in this case the path of the light reflected from the surface to be measured 3 will be different from that shown in FIG. 6, but the lens 2 and 7, if the focal position is on the measurement target surface 3, the reflected light becomes a parallel light beam having an optical axis parallel to the axis of the lens 2, and the reflected light forms an image through the second lens 7. Since the position does not change, the incident position of the reflected light on the position sensor 8 also does not change, and the in-focus state can be accurately detected from the output of the position sensor 8, as in the above case. Note that when the measurement target surface 3 is tilted, the incident position of the reflected light on the position sensor 8 changes as shown in FIG. 10, for example.
It moves along with the displacement of the surface 3 to be measured. As is clear from the figure, since the incident position P0 when the measurement target surface 3 is at the focal position is equal to the position shown in FIG. 9, the output of the position sensor 8 at this time is also the same value, The amount of displacement can be measured without being affected by the inclination of the surface 3.

ここで、第6図に示す変位変換器においては、
測定対象面3の傾きがある程度大きい場合にも測
定を行なうことができるが、測定対象面3の傾き
の加減によつて、その反射光の光軸がレンズ2の
軸と一致してしまうと、測定対象面3の変位に対
してポジシヨンセンサ8が感度を持たなくなり、
自動焦点動作が行なえなくなつてしまう。
Here, in the displacement converter shown in FIG.
Measurement can be performed even when the slope of the surface 3 to be measured is large to some extent, but if the optical axis of the reflected light coincides with the axis of the lens 2 due to the degree of slope of the surface 3 to be measured, The position sensor 8 becomes insensitive to the displacement of the measurement target surface 3,
Automatic focus operation becomes impossible.

本発明は、この問題点を解決したものであり、
第1図および第2図は本発明の変位変換器の一実
施例の示す構成図である。図において、9,10
はそれぞれレンズ2の軸と平行な光軸を有する平
行光線よりなる第1および第2の光束B1、B2
を出射する光源で、これらの光束B1,B2をレ
ンズ2における軸上およびそれ以外の位置に入射
させている。光源9,10は後述する自動焦点機
構の指令により駆動され、光軸の異なる2つの光
束B1,B2を選択的に出射するものである。
The present invention solves this problem,
FIGS. 1 and 2 are block diagrams showing one embodiment of the displacement transducer of the present invention. In the figure, 9, 10
are first and second light beams B1 and B2 each consisting of parallel rays having optical axes parallel to the axis of lens 2;
These light beams B1 and B2 are incident on the lens 2 on the axis and at other positions. The light sources 9 and 10 are driven by a command from an automatic focusing mechanism to be described later, and selectively emit two light beams B1 and B2 having different optical axes.

上記のように構成された変位変換器において、
第1図に示すように、測定対象面3に傾きがない
場合には、第1の光束B1による反射光B1′は
入射光(B1)と同じ光路(レンズ2の軸)を通
つてポジシヨンセンサ8に入射し、第2の光束B
2による反射光B2′は入射光(B2)と異なる
光路を通つてポジシヨンセンサ8に入射すること
になる。図から明らかなように、ポジシヨンセン
サ8は反射光B2′に対しては、前記した第6図
の場合と同様に、感度を持つことになるが、反射
光B1′に対しては、測定対象面3が変位しても
スポツトの径が変るだけで、その入射位置は変化
しないので、感度は持たないことになる。したが
つて、このような場合には、第2の光束B2(図
中にハツチングで示す)を使用して測定動作を行
なえば、正常な測定を行なうことができる。
In the displacement transducer configured as above,
As shown in FIG. 1, if the surface to be measured 3 is not tilted, the reflected light B1' by the first light beam B1 passes through the same optical path (axis of the lens 2) as the incident light (B1) and reaches the position. enters the sensor 8, and the second luminous flux B
The light B2' reflected by the light B2' is incident on the position sensor 8 through a different optical path from that of the incident light (B2). As is clear from the figure, the position sensor 8 has sensitivity to the reflected light B2' as in the case of FIG. 6 described above, but it is sensitive to the reflected light B1'. Even if the target surface 3 is displaced, only the diameter of the spot changes and the position of incidence remains unchanged, so there is no sensitivity. Therefore, in such a case, if the measurement operation is performed using the second light beam B2 (indicated by hatching in the figure), normal measurement can be performed.

また、第2図に示すように、測定対象面3が一
定の傾きを有し、第2の光束B2による反射光B
2′の光軸がレンズ2の軸と一致した場合には、
第1の光束B1による反射光B1′はレンズ2の
軸から外れた光路をとり、ポジシヨンセンサ8に
入射するようになる。このため、ポジシヨンセン
サ8は前記した反射光B2′に代つて、反射光B
1′に対して感度を持つようになり、このような
場合には、第1の光束B1(図中にハツチングで
示す)を使用して測定動作を行なえば良いことに
なる。
Furthermore, as shown in FIG.
When the optical axis of lens 2' coincides with the axis of lens 2,
The reflected light B1' from the first light beam B1 takes an optical path deviating from the axis of the lens 2 and enters the position sensor 8. Therefore, the position sensor 8 uses the reflected light B2' instead of the reflected light B2'.
1', and in such a case, it is sufficient to perform the measurement operation using the first beam B1 (indicated by hatching in the figure).

したがつて、本発明の変位変換器においては、
異なる光軸を持つ2つの光束B1,B2のうち、
ポジシヨンセンサ8がより大きな感度を有する光
束を選択して測定動作を行なうことにより、ポジ
シヨンセンサ8が感度を持たない状態をなくし、
測定対象面3における傾きの許容範囲を広くする
ことができる。なお、ポジシヨンセンサ8におけ
る感度の検出は、自動焦点機構の一機能を利用し
て行なわれるものである。
Therefore, in the displacement transducer of the present invention,
Of the two light beams B1 and B2 with different optical axes,
By selecting the light flux to which the position sensor 8 has greater sensitivity and performing the measurement operation, the position sensor 8 eliminates the state where it has no sensitivity,
The permissible range of inclination on the measurement target surface 3 can be widened. Note that detection of sensitivity in the position sensor 8 is performed using one function of an automatic focusing mechanism.

第11図は本発明の変位変換器に使用される自
動焦点機構の一例を示す構成図である。図におい
て、8はポジシヨンセンサであり、前記した如
く、反射光の入射位置に応じた出力信号S(X、
Y)を発生する。11はサーボアンプで、目標値
SETと帰還信号S(X、Y)との差ΔSに応じて、
前記レンズ2を移動させるための駆動信号Sdを
発生する。12はパワーアンプ、13はレンズ2
を移動させるモータ、14はポジシヨンセンサ8
における感度を検出し、使用すべき光束を選択す
る感度測定回路である。SWはサーボアンプ11
の出力と感度測定回路14の出力とを選択的にパ
ワーアンプ12に供給するスイツチである。
FIG. 11 is a configuration diagram showing an example of an automatic focusing mechanism used in the displacement converter of the present invention. In the figure, 8 is a position sensor, and as mentioned above, the output signal S(X,
Y) is generated. 11 is the servo amplifier and the target value
Depending on the difference ΔS between SET and feedback signal S (X, Y),
A drive signal Sd for moving the lens 2 is generated. 12 is the power amplifier, 13 is the lens 2
14 is a position sensor 8
This is a sensitivity measurement circuit that detects the sensitivity of the sensor and selects the luminous flux to be used. SW is servo amplifier 11
This is a switch that selectively supplies the output of the power amplifier 12 and the output of the sensitivity measurement circuit 14 to the power amplifier 12.

上記のように構成された自動焦点機構において
は、目標値SETは合焦状態におけるポジシヨン
センサ8の出力S(X、Y)と等しく設定されて
おり、サーボアンプ11は偏差ΔSが零となるよ
うモータ13を駆動するので、レンズ2は照射す
る光線の焦点が常に測定対象面3上に来るように
移動させられる。したがつて、このモータ13と
駆動量は測定対象面3の変位量に比例したものと
なるので、この駆動量またはレンズ2の移動量を
検出することにより、測定対象面3の変位量を測
定することができる。なお、スイツチSWは通常
はサーボアンプ11側に接続されている。
In the automatic focusing mechanism configured as described above, the target value SET is set equal to the output S (X, Y) of the position sensor 8 in the focused state, and the servo amplifier 11 has a deviation ΔS of zero. Since the motor 13 is driven, the lens 2 is moved so that the focal point of the irradiated light beam is always on the surface 3 to be measured. Therefore, this motor 13 and the amount of drive are proportional to the amount of displacement of the surface to be measured 3, so by detecting this amount of drive or the amount of movement of the lens 2, the amount of displacement of the surface to be measured 3 can be measured. can do. Note that the switch SW is normally connected to the servo amplifier 11 side.

上記のようにして自動焦点動作が行なわれる
が、この自動焦点動作の前に、第1および第2の
光束B1,B2に対するポジシヨンセンサ8の感
度が検出され、使用する光束の選択が行なわれ
る。この場合、スイツチSWは感度測定回路14
側に接続され、感度測定回路14の出力がパワー
アンプ12に供給される。その後、感度測定回路
14は、光源9,10の一方(例えば9)を点灯
させるとともに、モータ13を介してレンズ2を
一定量だけ移動させ、この時のポジシヨンセンサ
8における出力の変化量(感度)を検出する。次
に、感度測定回路14は、光源9,10の他方
(10)を点灯させ、上記と同様に、ポジシヨン
センサ8の感度を検出する。この時、測定対象面
3の傾きが変化すると、反射光B1′,B2′の光
軸が変化して、それぞれの光束B1,B2に応じ
たポジシヨンセンサ8の感度も変化するので、感
度測定回路14は上記のようにして検出した第1
および第2の光束B1,B2に対する感度を比較
して、より大きな感度を得ることのできる光束側
に光源9,10の駆動を切り換える。したがつ
て、このような光源9,10の選択動作が終了し
た後に自動焦点機構を動作させれば、常に最良の
状態で測定動作を行なわせることができる。
The autofocus operation is performed as described above, but before this autofocus operation, the sensitivity of the position sensor 8 to the first and second light beams B1 and B2 is detected, and the light beam to be used is selected. . In this case, the switch SW is the sensitivity measurement circuit 14.
The output of the sensitivity measurement circuit 14 is supplied to the power amplifier 12. Thereafter, the sensitivity measurement circuit 14 turns on one of the light sources 9 and 10 (for example, 9), moves the lens 2 by a certain amount via the motor 13, and changes the amount of change in the output of the position sensor 8 at this time ( Sensitivity). Next, the sensitivity measurement circuit 14 turns on the other light source (10) of the light sources 9 and 10, and detects the sensitivity of the position sensor 8 in the same manner as described above. At this time, when the inclination of the measurement target surface 3 changes, the optical axes of the reflected lights B1' and B2' change, and the sensitivity of the position sensor 8 according to the respective luminous fluxes B1 and B2 also changes, so the sensitivity can be measured. The circuit 14 receives the first signal detected as described above.
Then, the sensitivities to the second light beams B1 and B2 are compared, and the drive of the light sources 9 and 10 is switched to the light beam side that can obtain greater sensitivity. Therefore, if the automatic focusing mechanism is operated after the selection operation of the light sources 9 and 10 is completed, the measurement operation can always be carried out in the best condition.

ここで、前記したように、測定対象面3が傾き
を持つている場合には、ポジシヨンセンサ8にお
ける感度も変化するので、上記のようにして、感
度測定回路14により検出した感度をもとにし
て、サーボアンプ11のゲインを調整するように
構成すれば自動焦点機構における制御性を向上さ
せることができる。
Here, as described above, when the surface to be measured 3 has an inclination, the sensitivity of the position sensor 8 also changes, so the sensitivity detected by the sensitivity measurement circuit 14 is based on the sensitivity as described above. If the gain of the servo amplifier 11 is adjusted in this way, the controllability of the automatic focusing mechanism can be improved.

また、上記のようなポジシヨンセンサ8におけ
る感度変化、すなわち反射光の入射位置変化の性
質を利用すれば、ポジシヨンセンサ8の感度変化
から逆に測定対象面3の傾きを測定することも可
能である。すなわち、合焦状態からレンズ2を一
定量だけ変位させ、この時のポジシヨンセンサ8
における出力変化を測定すれば、この時の反射光
の入射位置の変化量および変化する方向は測定対
象面3の傾きに対応しているので、予め測定して
おいたデータと比較することにより、測定対象面
3の傾きを知ることができる。
Furthermore, by utilizing the sensitivity change in the position sensor 8 as described above, that is, the property of the change in the incident position of reflected light, it is also possible to conversely measure the inclination of the measurement target surface 3 from the sensitivity change of the position sensor 8. It is. That is, by displacing the lens 2 by a certain amount from the focused state, the position sensor 8 at this time
If we measure the output change at , the amount of change and the direction of change in the incident position of the reflected light at this time correspond to the inclination of the measurement target surface 3, so by comparing it with the data measured in advance, The inclination of the surface 3 to be measured can be known.

なお、上記の説明において、測定対象面3から
の反射光B1′,B2′の経路を変更する手段は、
ハーフミラー6に限られるものではなく、例え
ば、プリズムや偏光ビームスプリツタのようなも
のであつてもよい。また、光源9,10は、2つ
の光源により実現されるものに限らず、ハーフミ
ラーおよび遮蔽板やチヨツパなどの組合せによ
り、1つの光源から実現されるものであつてもよ
い。
In the above description, the means for changing the path of the reflected lights B1' and B2' from the measurement target surface 3 is as follows:
The mirror 6 is not limited to the half mirror 6, and may be, for example, a prism or a polarizing beam splitter. Further, the light sources 9 and 10 are not limited to two light sources, and may be realized as one light source by a combination of a half mirror, a shielding plate, a chopper, or the like.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上説明したように、本発明の変位変換器で
は、レンズを介して測定対象面に光を照射すると
ともに、測定対象面上に常に焦点が合うようにレ
ンズの位置を移動させ、この時のレンズの移動量
から前記測定対象面の変位量を測定するようにし
た変位変換器において、それぞれレンズの軸と平
行な光軸を有する平行光線よりなる2つの光束を
レンズにおける軸上およびそれ以外の位置に入射
させるとともに、レンズを介して戻つて来る反射
光の光路中に第2のレンズを配置し、さらに、光
の入射位置を検出することのできるポジシヨンセ
ンサをこの第2のレンズにおける焦点位置に配置
して、このポジシヨンセンサの出力をレンズの位
置を移動させる自動焦点機構の帰還信号として利
用するようにしているので、合焦状態において
は、測定対象面からの反射光がポジシヨンセンサ
の位置で実像を結ぶことになり、しかもこの時の
反射光におけるポジシヨンセンサへの入射位置は
常に一定となるので、ポジシヨンセンサの出力状
態から測定対象面上に焦点が合つているか否かを
検出することができ、測定対象面に比較的大きな
傾きがあつた場合にも、その変位量を正確に測定
することのできる変位変換器を簡単な構成により
実現することができる。
As explained above, in the displacement converter of the present invention, light is irradiated onto the surface to be measured through the lens, and the position of the lens is moved so that the surface to be measured is always in focus. In a displacement converter that measures the amount of displacement of the surface to be measured from the amount of movement of the lens, two light beams each consisting of a parallel light beam each having an optical axis parallel to the axis of the lens are transmitted to positions on and off the axis of the lens. A second lens is disposed in the optical path of the reflected light that is incident on the lens and returns via the lens, and a position sensor that can detect the incident position of the light is installed at the focal position of the second lens. Since the output of this position sensor is used as a feedback signal for the automatic focusing mechanism that moves the lens position, in the focused state, the reflected light from the surface to be measured is transmitted to the position sensor. A real image will be formed at the position of , and since the incident position of the reflected light on the position sensor at this time will always be constant, it can be determined from the output state of the position sensor whether or not it is focused on the surface to be measured. With a simple configuration, it is possible to realize a displacement transducer that can accurately measure the amount of displacement even when the surface to be measured has a relatively large inclination.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図および第2図は本発明の変位変換器の一
実施例を示す構成図、第3図は従来の変位変換器
の一例を示す構成図、第4図および第5図は第3
図に示す変位変換器に使用される4分割センサに
おける入射光のスポツト形状を示す説明図、第6
図は本発明の変位変換器における測定原理を示す
構成図、第7図および第8図は本発明の変位変換
器に使用されるポジシヨンセンサの一例を示す構
成図、第9図および第10図はポジシヨンセンサ
上における反射光の入射位置およびスポツトの状
態を示す説明図、第11図は本発明の変位変換器
に使用される自動焦点機構の一例を示す構成図で
ある。 1,9,10……光源、2……レンズ、3……
測定対象面、4……シリンドリカルレンズ、5…
…4分割センサ、6……ハーフミラー、7……第
2のレンズ、8……ポジシヨンセンサ、11……
サーボアンプ、12……パワーアンプ、13……
モータ、14……感度測定回路、SW……スイツ
チ。
1 and 2 are block diagrams showing one embodiment of the displacement transducer of the present invention, FIG. 3 is a block diagram showing an example of a conventional displacement converter, and FIGS.
Explanatory diagram showing the spot shape of incident light in the 4-split sensor used in the displacement transducer shown in the figure, No. 6
7 and 8 are block diagrams showing an example of a position sensor used in the displacement transducer of the present invention, and FIGS. 9 and 10 are block diagrams showing the measurement principle of the displacement transducer of the present invention. The figure is an explanatory diagram showing the incident position of reflected light and the state of the spot on the position sensor, and FIG. 11 is a configuration diagram showing an example of an automatic focusing mechanism used in the displacement converter of the present invention. 1, 9, 10... light source, 2... lens, 3...
Surface to be measured, 4... Cylindrical lens, 5...
...4-split sensor, 6...Half mirror, 7...Second lens, 8...Position sensor, 11...
Servo amplifier, 12... Power amplifier, 13...
Motor, 14...Sensitivity measurement circuit, SW...Switch.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 レンズを介して測定対象面に光を照射すると
ともにこの測定対象面上に常に焦点が合うように
前記レンズの位置を移動させこの時のレンズの移
動量から前記測定対象面の変位量を測定するよう
にした変位変換器において、それぞれ前記レンズ
の軸と平行な光軸を有する平行光線よりなる第1
および第2の光束を選択的に出射しこれらの光束
を前記レンズにおける軸上およびそれ以外の位置
に入射させる光源と、前記レンズを介して戻つて
来る反射光の光路中に配置された第2のレンズ
と、この第2のレンズにおける焦点位置に配置さ
れたポジシヨンセンサと、このポジシヨンセンサ
の出力を受けこの出力が一定の値となるように前
記レンズの位置を移動させる自動焦点機構とを具
備するとともに、前記点光源から出射された第1
および第2の光束に対してそれぞれ前記レンズを
一定量だけ移動させてこの時の前記ポジシヨンセ
ンサにおける感度を検出し、より大きい感度を得
ることができる方の光束を使用して変位量の測定
動作を行なうことを特徴とする変位変換器。
1. Irradiate the surface to be measured with light through a lens, move the position of the lens so that it is always focused on the surface to be measured, and measure the amount of displacement of the surface to be measured from the amount of movement of the lens at this time. In the displacement transducer, first parallel light beams each having an optical axis parallel to the axis of the lens;
and a light source that selectively emits a second light beam and makes these light beams incident on the lens at axial and other positions, and a second light source disposed in the optical path of the reflected light returning via the lens. a position sensor disposed at the focal position of the second lens; and an automatic focusing mechanism that receives the output of the position sensor and moves the position of the lens so that the output becomes a constant value. and a first light source emitted from the point light source.
Then, the lens is moved by a certain amount with respect to the second light beam, and the sensitivity of the position sensor at this time is detected, and the amount of displacement is measured using the light beam that can obtain greater sensitivity. A displacement transducer characterized by performing a motion.
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