JPH05332769A - 光学式変位計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光三角法に基づく光学式変位計において、被
測定面の状態に拘らず、被測定面上でのスポットと、位
置検出素子上でのスポットとを常に１：１として高精度
の測定を行うようにする。 【構成】 光源11から放射される光を被測定面13上にス
ポットとして投射し、その反射光を第１受光レンズ14に
より集光し、その出射光を、このレンズの後側焦点に配
置したピンホール15に通して一部の光束のみを取り出
し、これをピンホールの直後に配置した第２の受光レン
ズ16によって位置検出素子17上に投射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定面からの反射光
の位置の変化を検出して被測定面の変位を計測する光学
式変位計に関するものである。このような光学式変位計
は、被測定物の変位（距離変化）を非接触で高精度に測
定することができ、加工物の高さ、段差、幅、厚みなど
の寸法の測定や、反り、うねりなどの形状の測定、さら
に回転軸のぶれ、振幅、振動周波数などの測定など広範
囲に使用されている。

【０００２】

【従来の技術】近年の部品の高精度化に伴って、その測
定の高精度化および高速度化の要求が高まり、光を使っ
た測定が注目されている。最も良く知られているのが、
光三角法に基づく光学式変位計であり、半導体レーザが
普及するにつれ、次第に広く使われるようになってき
た。

【０００３】図３は光三角法に基いて変位を測定する従
来の光学式変位計の構成を示すものである。半導体レー
ザのような光源１から放射される光を投光レンズ２によ
って被測定面３に投射し、位置P₀₀ にスポットとして結
像する。このスポットの像を、受光レンズ４によって位
置検出素子５上の位置P₀₁ にスポットとして形成する。
被測定面３が距離ｄだけ変位すると、被測定面上でのス
ポットは位置P₀₀ からP₁₀ へと変化し、その像は位置検
出素子５の上では位置P₀₁ から距離ｓだけ離れた位置P
₁₁ に形成される。被測定面３の移動距離ｄは位置検出
素子５上でのスポットの移動距離ｓの関数となるので、
位置検出素子５上での移動距離ｓを検出することによっ
て被測定面３の移動量ｄを求めることができる。

【０００４】ここで、位置検出素子５としては、これに
投射されるスポットの移動距離ｓを精度良く検出するこ
とができるPSD(Position Sensing Device)、リニアイメ
ージセンサ、分割型PD(Photodiode)などの素子を用いる
ことができる。また、光学系の配置としては、被測定面
３に立てた法線と入射光軸との成す角度αおよび出射光
軸との成す角度α′を、用途、被測定面の状況などによ
り使い分けることができる。すなわち、被測定面３の表
面の反射率が高いときはα＝α′として正反射光を利用
するようにし、また被測定面が散乱性のときはα＝０と
することができる。また、位置検出素子５が受光レンズ
４の光軸に対して垂直に配置される光学系や被測定面と
平行に配置される光学系など、位置検出素子の配置が異
なる光学系が用いられているが、これは測定値のリニア
リティの補正に関するものであり、本質的な差異はな
い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の光学式
変位計は、光を使用しているので非接触、高精度の測定
を高速で行うことができるが、そのためには図３に示す
被測定面３上でのスポットと位置検出素子５上でのスポ
ットとが常に１：１に対応していることが必要である。
また、位置検出素子５上での位置の検出はスポット像に
よって決まるが、このスポット像は必ず有限の大きさを
持っており、したがってスポット像の光の分布と位置検
出感度との関係が問題となってくる。例えば、PSD の場
合には、図４Ａに示すようにスポット像の光量の重心の
位置で決まり、リニアイメージセンサの場合には、図４
Ｂに示すようにスポット像の形状の重心の位置で決まる
と言われている。

【０００６】ところが、実際の被測定面は色々の形状が
あるとともに、その表面の光学的な状態も種々に亘って
いる。例えば、仕上げ状態においては、被測定面が鏡面
か散乱面かによって反射状態は大きく相違し、また被測
定物体の材質によっても反射率が大きく異なってくる。
このように被測定面の状況によって位置検出素子上に形
成されるスポットの像が異なってくる。したがって、位
置検出素子上でのスポットの移動距離ｓが変動し、被測
定面上でのスポットの同じ変位ｄに対して異なった値と
なる。このように、従来の光学式変位計においては、被
測定面の仕上げ状態、材質、形状などによって測定精度
に大きな影響を与える欠点がある。

【０００７】すなわち、従来の光学式変位計において
は、被測定面の状態によって測定値が変ってくるが、実
際の測定においては図５Ａに示すような完全な反射面ま
たは図５Ｂに示すような完全な散乱面というのは少な
く、図５Ｃに示すように正反射成分と散乱成分とが混在
しているものと考えられる。したがって、被測定面から
の反射光を集光レンズ４によって集光して位置検出素子
５上にスポットを形成する場合、正反射成分と散乱成分
との混合割合によってスポット像の光強度分布の重心或
いはスポットの形状の重心が異なり、被測定面３におけ
るスポットと位置検出素子５上でのスポットが１：１に
対応しなくなり、その結果として測定値が被測定面の状
態によって異なってくるという問題がある。

【０００８】本発明の目的は、上述した従来の欠点を除
去し、被測定面の状態に拘らず、被測定面上のスポット
と、位置検出素子上でのスポットとを常に１：１に対応
させることによって高精度の測定を行うことができる光
学式変位計を提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定面から
の反射光の位置の変化を検出して物体の変位などを計測
する光学式変位計において、被測定面からの反射光を集
光する受光レンズの後側焦点にピンホールを配置し、こ
のピンホールを通過した光束のみを位置検出素子に入射
させるように構成したことを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】このような本発明による光学式変位計において
は、被測定面からの反射光を集光する受光レンズと位置
検出素子との間にピンホールを配置することによって、
被測定面からの反射光の内、常に同じ状態の光束のみを
取り出して位置検出素子上にスポットを形成することが
でき、したがって被測定面上のスポットと位置検出素子
上のスポットとは常に１：１に対応することになり、被
測定面の状態の拘らず常に高精度の測定を行うことがで
きる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明による光学式変位計の一実施例
の構成を示すものである。半導体レーザより成る光源11
から放射される光を投光レンズ12によって被測定面13の
位置P₀₀ にスポットとして照射する。この被測定面13か
らの反射光を、このスポットP₀₀ 位置を前側焦点とする
第１の受光レンズ14に入射させる。したがって、この第
１受光レンズ14からは光軸に平行な平行光束が出射され
ることになる。第１受光レンズ14の後側焦点位置にピン
ホール15を配置し、このピンホールのすぐ後に、第２の
受光レンズ16を配置する。したがって、第１受光レンズ
14から出射される平行光束の一部のみがピンホール15を
通過し、第２の受光レンズ16によってPSD より成る位置
検出素子17上に投射される。このようにして、被測定面
13上の位置P₀₀ に形成されるスポットの像が第１および
第２の受光レンズ14および16によって位置検出素子17上
の位置P₀₁ にスポットとして形成されることになる。

【００１２】次に、被測定面13が距離ｄだけ変位した場
合を考える。この場合には、被測定面13でのスポットは
位置P₀₀ から位置P₀₁ に移動する。この位置P₀₁ で反射
された光束は、この位置が第１受光レンズ14の前側焦点
の近傍にあるので、平行光束となって第１受光レンズ14
から射出される。この平行光束の一部がピンホール15を
通過し、第２の受光レンズ16によって位置検出素子17上
に投射され、位置P₁₁にスポットの像が形成される。す
なわち、図１において斜線を付して示した光束だけがス
ポット像の形成に寄与し、その他の光束はピンホール15
によって遮断されることになる。

【００１３】従来の光学式変位計のようにピンホールが
設けられていない場合には、被測定面からの反射光の殆
どが受光レンズによって集光されて、位置検出素子上に
投射されることになるのに対し本発明においては、ピン
ホール15を設けたため、反射光の一部分の光束が位置検
出素子上に投射されるものとなる。したがって、例えば
被測定面13が鏡面に近い場合、すなわち正反射成分に対
して散乱成分が非常に小さい場合には、被測定面が傾い
ていないときは、正反射成分は第１受光レンズ14の光軸
に対して平行に反射され、その後側焦点に配置されたピ
ンホール15の中心を通り、位置検出素子17の位置P₁₁ に
結像されることになる。ところが、被測定面13がもしβ
だけ傾いているとすると、正反射光は受光レンズの光軸
に対して２βだけ傾いて反射されるので、第１受光レン
ズ14の後側焦点から外れた位置に達し、ピンホール15に
よって遮られて第２の受光レンズ16には達しない。しか
し散乱成分でピンホール15を通過する光束がある場合に
は、図１から明らかなようにP₁₁ の位置に結像される。
すなわち、ピンホール15がある場合には、被測定面13上
のスポットの結像位置と、位置検出素子17上のスポット
の結像位置とは常に１：１に対応していることになる。
このことは、上述したように被測定面13が傾斜したと
きだけでなく、被測定面の材質や表面の状態によって正
反射成分と散乱成分との混合割合が変化する場合にもあ
てはまる。

【００１４】さらに図２を参照して本発明による光学式
変位計の動作を説明する。本発明においては、受光レン
ズは第１受光レンズ14と第２受光レンズ16の２つのレン
ズによって構成されており、これらのレンズはタンデム
型式となっている。すなわち、被測定面13は第１受光レ
ンズ14の前側焦点に、位置検出素子17は第２受光レンズ
16の後側焦点に配置されている。したがって、これら第
１および第２の受光レンズ14と16との間では光束はすべ
て平行になっている。今、このような光学系による光学
式変位計の精度と測定範囲とを考えてみる。簡単とする
ために、投光側の光学系の光軸と受光側の光学系の光軸
とはα＝α′＝45°の関係にあるとするが、この関係を
満足しない場合でも計算が複雑になるだけで、結論は同
じである。

【００１５】被測定面13の変位量ｄと位置検出素子17上
でのスポットの移動距離ｓとの関係は、第１および第２
の受光レンズ14および16の焦点距離をそれぞれf₁および
f₂とするとき、 d=(f₁/f₂)(1/1.4)s Δd=m(1/1.4)Δs ただし、m=f₁
/f₂ で表される。すなわち、変位量ｄの分解能Δｄは第１受
光レンズ14と第２受光レンズ16との焦点距離の比ｍと、
位置検出素子17の分解能Δｓとによって決まる。また、
測定範囲は、位置検出素子17の有効長をＳ、測定範囲を
Ｄとすると、 D=±(1/1.4)(f₁/f₂)= ±(m/2.8)S で表される。すなわち、測定範囲は位置検出素子17の有
効長Ｓと、第１受光レンズ14と第２受光レンズ16との焦
点距離の比ｍで決まることになる。

【００１６】以上のことから次のことが言える。すなわ
ち、使用する位置検出素子１７が決まっているときは、
測定精度および測定範囲は第１および第２の受光レンズ
14および16の倍率を変えることによって必要とする値に
設定することができる。この場合、第１および第２の受
光レンズ14および16はタンデム型式となっているので、
第１受光レンズ14を固定したときには( このレンズは投
光光学系およびピンホールとの位置関係、傾きなどをき
ちっとしておく必要があるので、可変するのは好ましく
ない) 、第２受光レンズ16の焦点距離を変えることによ
って測定精度および測定範囲を所定のものとすることが
できる。例えば、位置検出素子17の分解能を１μm と
し、レンズ14の焦点距離f₁を25mmとするときは、レンズ
16の焦点距離f₂を50mmおよび100mm としたときに、測定
精度および測定範囲は次のようになる。 f₂= 50mm のとき、 測定精度: 0.36μm 、 測定範囲:
±170 μm f₂=100mm のとき、 測定精度: 0.18μm 、 測定範囲:
± 86 μm すなわち、本発明による光学式変位計においては、レン
ズ16をズームレンズとしたりレンズ交換を行うことによ
ってその焦点距離を変えることによって容易に希望する
測定精度および測定範囲を得ることができる。

【００１７】本発明は上述した実施例にのみ限定される
ものではなく、幾多の変更や変形が可能である。例えば
上述した実施例においては、受光側光学系を、被測定面
13からの反射光を集光する第１の受光レンズ14と、ピン
ホール15の直後に配置された第２の受光レンズ16とを以
て構成したが、ピンホールの直後の第２の受光レンズは
省くこともできる。さらに、光源として半導体レーザを
用いたが、勿論他の光源を使用することもでき、また位
置検出素子としてPSD を用いたが、リニアイメージセン
サや分割型PDなどを用いることもできる。

【００１８】

【発明の効果】上述したように、本発明による光学式変
位計においては、被測定面で反射され、レンズによって
集光された光束の全部を位置検出素子に入射させるので
はなく、このレンズの後方にピンホールを配置し、こ
の、ピンホールを通過した光束のみを位置検出素子に入
射させるように構成したので、被測定面の状態に拘ら
ず、被測定面上でのスポットの位置と、位置検出素子上
でのスポットの位置とは常に１：１に対応することとな
り、被測定面の変位を高精度でかつ高速度で測定するこ
とができる。また、実施例で示すように、ピンホールの
直後に第２の受光レンズを配置した受光側光学系を採用
する場合には、この第２受光レンズの焦点距離を変える
ことによって精度および測定範囲を所望の値に簡単に設
定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による光学式変位計の一実施例
の構成を示す線図である。

【図２】図２は、同じくその動作を説明する線図であ
る。

【図３】図３は、従来の光学式変位計の構成を示す線図
である。

【図４】図４Ａおよび４Ｂは、位置検出素子上に形成さ
れるスポットの形状を示す線図である。

【図５】図５Ａ、５Ｂおよび５Ｃは、種々の反射特性を
示す線図である。

【符号の説明】

11 光源 12 投光レンズ 13 被測定面 14 第１受光レンズ 15 ピンホール 16 第２受光レンズ 17 位置検出素子

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定面からの反射光の位置の変化を検
   出して被測定面の変位を測定する光学式変位計におい
   て、被測定面からの反射光を集光するレンズの後側焦点
   にピンホールを配置し、このピンホールを通過した光束
   のみを位置検出素子に入射させるように構成したことを
   特徴とする光学式変位計。
2. 【請求項２】 被測定面からの反射光を集光する第１の
   受光レンズの前側焦点に被測定面を配置するとともにこ
   の第１受光レンズの後側焦点に配置したピンホールの後
   方に第２の受光レンズを配置し、この第２受光レンズの
   後側焦点に位置検出素子を配置したことを特徴とする請
   求項１記載の光学式変位計。
3. 【請求項３】 前記第２の受光レンズの焦点距離を可変
   として測定精度および測定範囲を調整し得るように構成
   したことを特徴とする請求項２記載の光学式変位計。