JPH07111345B2 - 光電式位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、対物レンズを用いて光を絞り込み、焦点位置
からのずれを検出することによって被検物体面の位置や
変位を測定する光電式位置検出装置に関する。

〔従来の技術〕

焦点位置を検出することによって、対物レンズと被検物
体面の間の微小間隔の変化を見出す方法には、一般に非
点収差法、臨界角法、ナイフエッヂ法が知られている。

以下、一例としてナイフエッヂ法による光電式位置検出
装置を取り上げて説明する。ナイフエッヂ法の原理は、
ナイフエッヂで一部を遮った光を対物レンズから被検物
体面に投射すると、合焦誤差が生じた場合、対物レンズ
を介して生じた投射光の像の形成が非対称になることを
利用する方法である。第２図はナイフエッヂ法の原理を
具体的に示すもので、光束の一部を遮るナイフエッヂを
ミラー14として、対物レンズ６の像点に配置された半導
体レーザー１よりの光束を対物レンズ６に導く働きもし
ている。半導体レーザー１の光束は対物レンズ６の物点
に結像し、この位置の被検物体面９より反射した光束
は、対物レンズ６の像点に配置された２分割受光素子10
（各々をＡ、Ｂで示す）の中央の不感帯部に結像する。
この場合は、第３図（ｂ）の状態で、２つの受光素子
Ａ、Ｂの出力信号は等しくなる。被検物体面９が測定光
軸方向へ移動し、合焦誤差（＋ΔＦ、−ΔＦ）が生じる
と、像点は前後に移動して、２分割受光素子上の像の形
状は、夫々第３図（ａ）、（ｃ）の状態となる。従って
２つの受光素子の出力信号の差（Ａ−Ｂ）を計算するこ
とによって合焦状態を判別できる。

ナイフエッヂ法、あるいは前記した他の方式も比較的高
感度であるという特徴があるが、合焦誤差と出力の線形
範囲がたかだか数μと非常に狭い。従って、精密加工部
品のアラサ測定等に使用するには非接触でギズを付ける
等の心配もなく適している。しかし、一般の測定では、
これでは不十分で、出力信号を基に対物レンズないしは
装置全体の位置を変化させて合焦位置を検出していた。
対物レンズが非常に小さい場合は、対物レンズの移動に
よって合焦位置を検出するのが適しているが、装置によ
っては作動距離（W.D.）を大きくする必要もあり、この
時は必然的にレンズも大きくなって、迅速にかつ精度良
く動かすことが困難となる。この場合はむしろ、装置全
体を動かす方が適している。単に合焦だけでなく、その
移動量も測定したい場合は機構上後者がより適してい
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って、従来の装置の構成そのままでは、微小な合焦誤
差と出力信号の線形範囲を利用したアラサ測定のような
装置か、対物レンズの非常に小さい装置に利用範囲が限
定されていた。

本発明はこの様な従来の問題点に鑑みてなされたもの
で、作動距離、合焦検出範囲を大きくし、かつコンパク
トで装置全体を移動することなしに被検物体面の位置を
測定可能な光電式位置検出装置を得ることを目的とす
る。

〔問題点を解決する為の手段〕

上記問題点の解決の為に本発明では、投受光光学系を２
つの固定レンズ群３、６により構成して、その間に光源
像（Ｓ′）を形成するようになすと共に、２つの固定レ
ンズ群間に、２つの固定レンズ群間の光学的距離を変化
させる光路長可変手段５、８と光学的距離の変化量を測
定する測定手段11、12、13とを設けたことを特徴とす
る。

〔作 用〕

本発明では、投受光光学系を構成する２つの固定レンズ
群間の光学的距離を変更すると、光源側のレンズ群３と
光源１の距離は不変のため、光源像（Ｓ′）と被検物体
面側のレンズ群６との距離が変化する。レンズ群６によ
って光源像（Ｓ′）の像を、被検物体面９に形成するよ
うにしているが、この時前記距離が変化すると、レンズ
群６と被検物体面上の光源像（Ｓ″）との距離も変化す
る。従って、光源１と共役に設けられた受光素子10に導
く光束分割手段を投受光光学系を構成する２つのレンズ
群間の距離を変更する手段よりも光源側に設ければ、レ
ンズ群６と被検物体との距離が変化しても、光源１、被
検物体面上の光源像（Ｓ″）及び受光素子10の共役関係
を満たすことが出来る。

前記共役関係が成立したかどうかは受光素子として２分
割受光素子を用いた場合はその信号の差（Ａ−Ｂ）を計
算することにより判別出来、レンズ群６と光源像
（Ｓ″）との距離の変化は前記２つのレンズ群間の距離
変化と一定の関係が有るから、この距離変化を測定手段
によって測定すれば、その変化量より求まる。また被検
物体面の変位測定範囲は、レンズ群間の光学的距離変化
量によって決まる。従って、従来の信号の線形範囲を利
用する装置よりははるかに測定範囲を大きくとることが
出来る。

〔実施例〕

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施例を示す図
である。第１図において、半導体レーザー１より射出し
た光束は、光束分割手段２により図中斜線で示す半分の
光束が投受光光学系３、４、５、６に入射する。投受光
光学系３、４、５、６の光源１側の固定レンズ群３より
の光束は、直角プリズムの直角をなす両面を全反射ミラ
ーとした光束反射手段４の一つの面によって90゜転向し
て直角プリズム５に入射する。直角プリズム５に入射し
た光束は、直角プリズム５によって180゜転向され、再
び光束反射手段４の他の面に入射する。直角プリズム５
は不図示の直線ガイドによって矢印Ｐ方向へ案内されて
おり、プリズム駆動手段７によって直線移動される。こ
の時、第１図（ａ）の基準状態ではレンズ群３による光
源像（Ｓ′）が直角プリズム５の中点Ｍ上に形成する様
に構成している。直角プリズム５を射出した光束は前記
光束反射手段４の他の全反射面によって90゜転向し、投
受光光学系の被検物体面９側の固定レンズ群６によっ
て、合焦位置にある被検物体面９上に光源像（Ｓ″）を
形成する。被検物体面９で反射した光束は投射光束とは
反対の光路を通り、直角プリズム５の中点Ｍ上、つまり
光源像（Ｓ′）と一致する位置にその像を形成する。そ
の像は、レンズ群３と斜線部以外で示された光軸に関し
て非対称な光束を反射する光束分割手段２とによって２
分割受光素子10上に結像する。すなわち、２分割受光素
子10は半導体レーザー１と共役に配置される。前記した
レンズ群６による被検物体９上の像が光源像（Ｓ′）と
一致する場合は被検物体面９からの反射光による像は２
分割受光素子の中央不感帯の部分に出来るように、２分
割受光素子の位置と大きさが定められている。

次に、被検物体面９が変位量（Ｘ）だけレンズ群６に近
ずいた場合を考えると、直角プリズム５が第１図（ａ）
と同じ位置では、光源像と被検物体面９の反射光による
像が一致せず、被検物体面９の反射光による像がレンズ
群３に近づく。従って、反射光の投受光光学系による像
は２分割受光素子10の位置よりも遠くに形成され、２分
割受光素子10上の像は第３図（ｃ）のごとくなる。

反対に、被検物体面９がレンズ群６より離れる方向であ
れば第３図（ａ）の状態となる。従って、反射光のレン
ズ群６による像と光源像（Ｓ′）とを一致させるために
は、投受光光学系のレンズ群３、６間の光学的距離を大
きくする必要がある。このための距離変更手段として本
実施例では、直角プリズム５を光束反射手段４より平行
に離す方向にプリズム駆動手段７によって移動させる。
反射像の位置の変動量とレンズ群間の距離の変更量が一
致した時第１図（ｂ）の状態で２つの受光素子Ａ、Ｂの
出力信号の差Ａ−Ｂがゼロとなり、この時のプリズム５
の変位量をＹとするとこの量より光学的距離の変位量Ｘ
を知ることが出来る。そのため、プリズム５の変位量Ｙ
を読み取るための位置検出手段８を有している。従って
プリズムの移動方向は２つの受光素子Ａ、Ｂの出力信号
の差Ａ−Ｂの値により判別可能で、被検物体面９の変位
量Ｘは差Ａ−Ｂがゼロの時の直角プリズム５の変位量よ
り求まる。直角プリズム５は差Ａ−Ｂに基づき、その信
号をゼロにすべくサーボをかけてプリズム駆動手段７を
構成するモータ等を動かしても良いが、直角プリズム５
をある一定周期で振動させ、差Ａ−Ｂがゼロとなった時
に同期させて、測長手段の変位量を読みとるようにする
ことも可能である。

後者の例を第５図に示して説明する。

第５図は直角プリズム５をボイスコイル等である一定周
期で振動させ、その振動量を渦電流を用いた公知の非接
触計測手段で計測する場合の信号処理ブロック図であ
り、第６図はそのタイムチャートである。直角プリズム
５の変位はうず電流センサなどの変位測定手段８（前述
のプリズム位置検出手段８と実質的に同じもの）によっ
て測定される。２分割受光素子10の各受光素子Ａ、Ｂの
出力信号は差動増幅器101で差動出力Ａ−Ｂがとられ
る。コンパレータ102は、差動出力Ａ−Ｂがゼロ点をク
ロスする瞬間に出力が変化し、この変化によってワンシ
ョット回路103がサンプルパルスを出力する。サンプル
ホールド回路105aは、このサンプルパルスによって直角
プリズムの変位信号をサンプルホールドする。この電圧
が被検物距離に対応する値である。しかしこの値は被検
物変位とは線形関係にはないため、非線形補正回路106
の出力をもって測定値とする。なお、ワンショット回路
103のサンプルパルスを入力するサンプルホールド回路1
05bによって、２分割受光素子10の各受光素子Ａ、Ｂの
加算信号（加算増幅器104による）をサンプルホールド
し、このホールド値をA/D変換し、デジタル演算するこ
とによって、測定値を得てもよい。

また、差動増幅器101の出力信号のゼロクロス部の傾き
は被検物表面の反射率によって異ってくる。反射率が低
い場合には傾きがゆるやかになるため測定値のバラツキ
が大きくなり、測定に悪影響をおよぼす。これを避ける
ために２分割受光素子Ａ、Ｂの和信号（加算増幅器104
の出力）をワンショット回路103のサンプルパルスによ
ってサンプルホールド（サンプルホールド回路105bによ
る）して、この値が一定になるように光源強度制御回路
107によって光源１の出力光強度を調整するようにして
も良い。

第６図（ａ）は変位測定手段８の出力であり、プリズム
５が第１図（ａ）の基準位置にあるときにはゼロ、レン
ズ群３、６の光学的距離を増大させる場合はプラス、光
学的距離を減少させる場合はマイナスである。

第６図（ｂ）は差動増幅器101の出力であり、受光素子
Ａの出力が受光素子Ｂの出力よりも大きい場合にプラ
ス、逆の場合にマイナスとなり、両者が一致する合焦位
置ではゼロとなる。第６図（ｄ）はワンショット回路10
3の出力パルスであって、差動増幅器101の出力がゼロと
なった時点で、パルスが生じている。従って、第６図
（ｄ）のパルスが生じたときの第６図（ａ）の信号をサ
ンプルホールド回路105aで読み取れば、プリズム５の位
置が知れるわけでる。

なお、第６図（ｃ）は、加算増幅器104の出力信号の一
例である。

第５図の例は変位量を大きくとれるので好ましいが、直
角プリズム５の駆動手段及び位置検出手段としてピエゾ
素子を用いれば、駆動及び測定（駆動電圧が変位に対応
している）を一つの素子で行なえる。

なお、上述の渦電流を用いた非接触計測法は、測定領域
をある程度大きくすることができ、感度、応答速度が良
く、渦電流の測定部分として直角プリズム５を保持して
いる金物の一部を用いれば小型のものを得ることができ
る。

また、直角プリズム５の移動による誤差を最小とする為
には、直角プリズム５を第１図の矢印Ｐ方向に移動する
ようにした場合は、２分割受光素子10の中央部の不感帯
が紙面に垂直になるように配置すれば良い。つまり、直
角プリズム５は２枚鏡であり、傾れても第１図の紙面内
の傾きの成分は生せず、軸ズレに関しても、直線案内の
加工精度を注意すれば非常に小さくすることが可能であ
る。紙面に垂直方向のタオレは測定方向ではない為、発
生する誤差を殆んど打消すことが出来る。

次に、第４図によって本発明の第２実施例を説明する。
第１図と同符号のものは同一機能部材である。第４図に
おいて、光束反射手段４とレンズ群６との間にハーフミ
ラー15を設け、図中斜線で示す投光光束の１部を分割
し、レンズ群11によって２次元の光位置検出素子13上に
結像させる。光位置検出素子13は直角プリズム５が基準
位置にあるときに、レンズ群３、11によって半導体レー
ザー１と共役となるように、配置する。直角プリズム５
が基準位置の前後に移動した場合、レンズ群11による半
導体レーザーの像も光位置検出素子の前後に変動する。
この時、レンズ群11の近傍の光軸外にスリット状の絞り
を設ければ、前記像位置の変動を光位置検出素子13上の
スリット像の動きに変えることができる。つまり、この
スリット像の動きを光位置検出素子13上で検出すれば、
直角プリズム５の変位を測定可能である。この方法は直
角プリズム５のタオレがプリズム５の変位の測定誤差と
ならないので有効である。

以上の本発明の実施例によれば、直角プリズムの移動量
によって測定範囲が決まる為、信号の線形部分を利用す
る従来の方式に比較し、格段に測定範囲をとることがで
きる。また、対物レンズは固定であるため、W.D.を大き
く、つまり、対物レンズを大きくすることも可能とな
り、さらに、光源像（Ｓ′）を直角プリズム５の中央付
近に形成すれば、プリズム５付近で光束が最も細くな
り、従ってプリズム５の形状を極めて小さくし、駆動手
段に対する負荷を非常に減少させることとなる。

以上の様に装置全体を動かす必要もなく。W.D.を大き
く、コンパクトである程度の測定範囲をとることが可能
である。

実際に測定する被検物体の面形状には種々のものが考え
られるが、光学式の場合投射する光束の角度が小さく、
かつ、スポット形状が変化しない方が面形状の影響を受
けにくい。本発明の実施例の場合、投射する角度が、三
角測量の原理ないしはシャイン・プルーブの条件（Sche
impflug's Condition）等を用いた従来の非接触変位計
より、格段に小さく、かつ、測定状態では常に被検物体
面と光源及び検出素子が共役となるため、被検物体面の
面形状の影響を受けにくい。従って、被検物体の面形状
が限定できず、かつ、精度を要する３次元測定機の非接
触プローブのようなものに適用すれば効果がある。

また、２つの固定レンズ群３、６間の光学的距離を変化
させるためには、プリズム５を移動させる上述の例以外
にも、電気信号によって屈折率の変化する電気光学素子
等他の手段を用いることができる。

なお、本発明の基本的考えである投受光光学系を構成す
るレンズ群間の距離を変えてその変更量より被検物体の
変位を測定する方法は以上述べた如きナイフエッヂ方式
の他、非点収差法、臨界角法の如く、焦点位置を検出す
る原理のものには同様に適用可能である。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、作動距離、合焦検出
範囲を大きくし、かつコンパクトで装置全体を移動する
ことなしに被検物体面の位置を測定可能な光電式位置検
出装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の第１実施例の光学系を
示す図であり、第１図（ａ）は基準位置における光学系
の様子を示す図、第１図（ｂ）は被検物体面が変位した
場合の光学系の様子を示す図、第２図は従来の１実施例
の光学系を示す図、第３図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は被
検物体面の変位に対応した２分割素子上の反射像の様子
を示す図であり、第３図（ａ）は被検物体面が基準位置
より遠方にある場合、第３図（ｂ）は被検物体面が基準
位置にある場合、第３図（ｃ）は被検物体面が基準位置
より手前にある場合をそれぞれ示す図、第４図は本発明
の第２実施例の光学系を示す図、第５図は第１図と共に
用いられる電気ブロック図、第６図は第５図の動作を説
明するためのタイミングチャート、である。 （主要部分の符号の説明） １……半導体レーザ、２……光束分割部材、 ３……固定レンズ群、５……直角プリズム、 ６……固定レンズ群、７……プリズム駆動装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光を投受光光学系により被検物
   体面に光スポットとして投射し、その被検物体面での反
   射光の一部を前記投受光光学系により光位置検出用受光
   素子上に入射させ、前記受光素子の出力から前記被検物
   体面の位置を検出する光電式位置検出装置において、 前記投受光光学系を２つの固定レンズ群により構成して
   前記固定レンズ群の間に前記光源の像を形成するように
   なすと共に、前記２つの固定レンズ群の間に前記２つの
   固定レンズ群間の光学的距離を変化させる光路長可変手
   段と、前記光学的距離の変化量を測定する測定手段と、
   を設けたことを特徴とする光電式位置検出装置。