JPH0619244B2

JPH0619244B2 - 変位変換器

Info

Publication number: JPH0619244B2
Application number: JP60217260A
Authority: JP
Inventors: 健太御厨
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: JPS6275303A

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。

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変位変換器に関す
るものである。

〔従来の技術〕

従来、光学式の変位変換器の一例としては、第９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上に焦点が合っているか否かの検出には、シリンド
リルカルレンズ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ット
の形状変化を４分割センサ５によって検出している。

すなわち、４分割センサ５上に投影される光スポットの
形状は第10図に示すようなもので、測定対象面３上に焦
点が合っている時（以下、これを合焦状態という）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
となっているので、４分割センサ５上の光スポットの形
状は、図中に実線ａで示す如く、円形となっている。ま
た、焦点が合っていない時には、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
ットは破線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楕円形となる。したがって、４分割
センサ５における出力S1〜S4を、例えば、（S1＋S3）−
（S2＋S4）の如く演算処理することにより、光スポット
の形状を検出して、焦点の位置を知ることができ。な
お、この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。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記のようなシリンドリドカルレンズ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11図に示す如く、
４分割センサ５上に投影される光スポットの位置が中心
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ってしまう。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。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、測定
対象面に比較的大きな傾きがあった場合にも、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を目的としたものである。

また、本発明の他の目的は、測定対象面の変位量と共に
その傾きをも同時に測定することのできる変位変換器を
実現することである。

〔問題点を解決するための手段〕

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、平行光線をレンズにおける軸以外の位
置に入射させるとともに、レンズを介して戻って来る反
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ョンセンサをこの
第２のレンズにおける焦点位置およびこれと一定の間隔
をおいた位置に配置して、前者のポジションセンサの出
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
として利用するとともに、２つのポジションセンサにお
ける出力の差を利用して測定対象面の傾きを測定するよ
うにしたものである。

〔作用〕

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第１の
ポジショ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第１のポジション
センサの位置で実像を結ぶことになり、しかもこの時の
反射光における第１のポジションセンサへの入射位置は
常に一定となるので、第１のポジションセンサの出力状
態から測定対象面上に焦点が合っているか否かを検出す
ることができ、第１のポジショ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、上記
のように変位量の測定に使用される第１のポジションセ
ンサに対して、一定の間隔をおいて第２のポジションセ
ンサを配置しているので、第２のポジションセンサの出
力は測定対象面の傾きに対応したものとなり、これらの
ポジションセンサにおける出力の差を検出することによ
り、測定対象面の傾きをも同時に測定することができ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明の変位変換器の一実施例を示す構成図で
ある。図において、前記第９図と同様のものは同一符号
を付して示す。７はレンズ２を介して戻って来る反射光
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第１のポジション
センサ、９はハーフミラー10を介して第１のポジション
センサ８と一定の間隔をおいた位置に配置された第２の
ポジションセンサである。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上に照射れている。また、測定対象面
３により反射された光は、レンズ２，７およびハーフミ
ラー６，10を介して第１および第２のポジションセンサ
８，９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）によって移動させられ、測定対象面３と
の距離を任意に調節されている。

第２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ョンセンサ８，９の一例を示す構
成図である。図においては、第１のポジションセンサ８
を例示する。図に示すように、ポジションセンサ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っ
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
うな構成成を有するポジションセンサ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より光の
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。したがって、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。

第３図は上記のような動作原理を有するポジションセン
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，AyBx，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、一
次元的な入射位置を知ることとができる。

さて、第１図に戻って、測定対象面３上に焦点が合って
いる場合（合焦状態）には、レンズ２を介して戻って来
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を通った後、
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における焦点位置には第１のポジションセンサ
８が配置されているので、反射光はこのポジションセン
サ８上に入射し、その入射位置がポジションセンサ８に
よって検出される。

以下、第１のポジションセンサ８における反射光の入射
状態に着目して説明を進める。

いま、測定対象面３が図中の３′の位置まで変位したと
すると、測定対象面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
れに伴って、反射光は平行光線ではなくなるので、反射
光におけるポジションセンサ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
ジションセンサ８上からずれているので、ポジションセ
ンサ８にはある程度広がりを持ったスポットが入射する
ようになる。

第４図はポジションセンサ８上における反射光の入射位
置とスポッ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をP0とす
れば、この時のスポット径が最も小さく、測定対象面３
が焦点位置からずれるにつれて、入射位置もP1，P2方向
あるいはP3，P4方向へと移動し、スポット径もしだいに
大きくなってゆく。例えば、測定対象面３が焦点位置よ
り近くなった時に、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った時には、入
射位置は逆にP3方向へと移動する。

このように、ポジションセンサ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
じてポジションセンサ８上の反射光の入射位置が変化す
るので、ポジションセンサ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。

ここで、測定対象面３に傾きがあった場合を考えてみ
る。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１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ョンセンサ８
上の入射位置も変化せず、上記の場合と同様に、ポジシ
ョンセンサ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
ジションセンサ８における反射光の入射位置は、例えば
第５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４図の位置と等しい
ので、この時のポジションセンサ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。

次に、第２のポジションセンサ９の出力を利用した、測
定対象面３における傾きの測定動作について説明する。

前記第１図に示されるように、第２のポジションセンサ
９は第１のポジションセンサ８に対して、等価的に一定
の間隔を持つように配置されている。このため、自動焦
点機構が働き、測定対象面３上に焦点が合っている状態
では、レンズ２を介して戻って来る反射光は、第１のポ
ジションセンサ８に対しては結像状態となって、定位置
（P0）に入射し、第２のポジションセンサ９に対して
は、結像状態からずれた光束が入射するようになる。

第６図はこのような第１および第２のポジションセンサ
８，９における反射光の入射状態を、光軸を合わせて例
示したものである。図に示すように、合焦状態において
は、第１のポジションセンサ８における定位置（P0）を
通った光が第２のポジションセンサ９に入射するように
なり、この定位置（P0）は変化しないので、測定対象面
３の傾きに応じて反射光の経路が変化すると、第２のポ
ジションセンサ９における入射位置のみが変化すること
になる。

第７図は第２のポジションセンサ９上における反射光の
入射位置を示したもので、例えば、測定対象面３がＸ軸
を中心に傾いた時に、その入射位置が矢印ｘの方向に移
動したとすると、測定対象面３がＹ軸を中心に傾いた時
には、矢印ｙの方向に移動することになる。

このように、第２のポジションセンサ９における反射光
の照射位置は、測定対象面３の傾きに応じて変化するの
で、第２のポジションセンサ９の出力から測定対象面３
の傾きを測定することが可能である。本発明の変位変換
器では、第１および第２のポジションセンサ８，９にお
ける出力の差を求めるとともに、これを予め測定してお
いたデータと比較することにより、測定対象面３の傾き
を測定している。なお、前記したように、第１のポジシ
ョンセンサ８における出力（入射位置）は常に一定であ
るので、第２のポジションセンサ９の出力のみから測定
対象面３の傾きを求めることも可能である。

また、上記のようにして、第１および第２のポジション
センサ８，９における出力の差から反射光の経路を検出
することができるので、この情報を利用すれば、測定時
に反射光がレンズ２，７におけるどの部分を通過してい
るのかを知ることができ、レンズ２，７の収差による測
定誤差を補正することができる。一般に、レンズ２，７
においては、反射光が通過する位置によって、受ける収
差の影響が異なるので、予め反射光の経路がわかってい
れば、それに応じて測定結果を補正することができ、よ
り正確な測定を行なうとができる。

第８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は第１のポ
ジションセンサであり、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等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
させるモータである。

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ョンセンサ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が零となるようにモータ13を駆動するので、レン
ズ２は照射する光束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。したがって、このモータ13の駆
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。

また、前記したように、測定対象面３が傾きを持ってい
た場合には、ポジションセンサ８上における反射光の入
射角が変化するので、測定対象面３の変位に対してポジ
ションセンサ８の出力が変化する割合（ゲイン）はこの
測定対象面３の傾きに応じて変化することになる。した
がって、前記のようにして測定した測定対象面３の傾き
を基にして、これに応じたポジションセンサ８のゲイン
を推定し、予め与えられたデータに従ってサーボアンプ
11のサーボゲインを変更するようにすれば、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。

なお、上記の説明においては、光源１から出射された平
行光線をレンズ２の軸と平行に入射させる場合を例示し
たが、平行光線の光軸は必ずしもレンズ２の軸と平行で
ある必要はない。また、測定対象面３からの反射光の経
路を変更する手段はハーフミラー６，10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ッタの
ようなものであってもよい。さらに、測定対象面３に光
束を照射するとともに、測定対象面３からの反射光をポ
ジションセンサ８，９方向に集光するレンズ２は、一枚
のレンズに限られるものではなく、独立した部分レンズ
を組み合わせたものであってもよい。特に、光１から出
射された光がレンズ２に入射する位置は常に変化しない
ので、その周囲のレンズ部分は必要とされない場合が多
い。

また、上記の説明においては、２つのポジションセンサ
８，９を使用して測定対象面３の傾きを測定する場合を
例示したが、レンズ２を一定量だけ移動させ、第１のポ
ジションセンサ８上に第２のポジションセンサ９と等価
な入射状態を作り出すようにすれば、１つのポジション
センサ８のみによっても、測定対象面３の傾きを測定す
ることができる。すなわち、合焦状態からレンズ２等を
一定量だけ変位させるとともに、この時のポジションセ
ンサ８における出力変化を測定すれば、この時の反射光
の入射位置の変位量および変化する方向はレンズの経路
に対応したものとなっているので、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。

〔発明の効果〕

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、平行光線をレ
ンズにおける軸以外の位置に入射させるとともに、レン
ズを介して戻っ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
ポジションセンサをこの第２のレンズにおける焦点位置
およびこれと一定の間隔をおいた位置に配置して、前者
のポジショ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とともに、２つ
のポジションセンサにおける出力の差を利用して測定対
象面の傾きを測定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ョンセンサ
の位置で実像を結ぶことになり、しかもこの時の反射光
におけるポジションセンサへの入射位置は常に一定とな
るので、ポジションセンサの出力状態から測定対象面上
に焦点が合っ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った場合にも、その変位
量を正確に測定することができるとともに、測定対象面
における傾きをも同時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。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の変位変換器の一実施例を示す構成図、
第２図および第３図は本発明の変位変換器に使用される
ポジションセンサの一例を示す構成図、第４図および第
５図はポジションセンサ上における反射光の入射位置お
よびスポットの状態を示す説明図、第６図および第７図
は第１および第２のポジションセンサ８，９における反
射光の入射状態を示す説明図、第８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、第
９図は従来の変位変換器の一例を示す構成図、第10およ
び第11図は第９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ット形状を示す説明図であ
る。１……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、６，１０
……ハーフミラー、７……第２のレンズ、８，９……ポ
ジションセンサ、11……サーボアンプ、12……パワーア
ンプ、13……モータ、SW……スイッチ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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、平行光線を前記レンズ上の軸以外の位置に入
射させる光源と、前記レンズを介して戻って来る反射光
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第１のポジションセン
サと、この第１のポジションセンサに対して等価的に一
定の間隔をおいた位置に配置された第２のポジションセ
ンサと、前記第１のポジショ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し、前記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とともに、前記第１
および第２のポジションセンサにおける出力の差から前
記測定対象面の傾きを測定するようにしてなる変位変換
器。