JPH08136248A - 共焦点位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】照射光源の光を焦点に集光させることなくスポ
ットを形成することができるようにし、光軸方向の比較
的広い範囲について細い線状の点状光源光を投光するこ
とができるようにする。 【構成】ＬＥＤ１の光をレンズ２を介して底面に入射す
る円錐形レンズ３を設けた。ＬＥＤ１の光はレンズ２に
おいて平行光線にされ、円錐形レンズ３の傾斜面から
は、光束Ｌ１およびＬ２が出射する。この光束Ｌ１とＬ
２との重なり合う部分にゼロ縞Ｌ３が生じる。ゼロ縞Ｌ
３は光束Ｌ１と光束Ｌ２との重なり合う範囲内ではどの
位置でも、光軸に直交する断面に一定の大きさのスポッ
トを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、物体に対し光源の光
を投光し、物体からの反射光を受光して物体までの距離
を測定する共焦点位置測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】投光用光学装置から光源の光を物体の表
面または内部の特定層に集光し、物体における反射光を
結像光学系によって結像し、この結像位置を測定するこ
とによって物体までの距離を測定する共焦点位置測定装
置がある。例えば、図５に示す構成では、照射光源５１
からの平行光線をレンズ５２の中央部において集光して
物体６１に照射し、この物体６１からの反射光をレンズ
５２および５３を介して結像させる。レンズ５３の一方
（紙面右側）の焦点Ｆよりレンズ５３側にハーフミラー
５４を配置し、焦点Ｆを通過する前の光と焦点Ｆを通過
後の光のそれぞれをピンホール５５，５６を介して検知
器５７，５８のそれぞれにより検知するようにしてい
る。この検知器５７，５８の出力の差信号および和信号
を除算回路５９において除算し、反射率の補正を行った
光量信号を距離信号として出力するようにしている。こ
のような共焦点位置測定装置において、測定感度は物体
６１に照射された光のスポットの大きさに依存する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レンズ
を介して光源の光を焦点に集光させることによってスポ
ットを形成するようにした投光用光学装置では、レンズ
の焦点位置においてスポットが最小になり、レンズの焦
点から光軸方向に移動するに従ってスポットが拡大す
る。このため、レンズを介して光源の光を焦点に集光さ
せる投光用光学装置を用いた位置測定装置では、充分な
測定感度を得ることができる物体の光軸方向の範囲が、
レンズの焦点深度によって制限を受け、広い範囲におい
て物体の距離を正確に測定することができない問題があ
った。また、このような焦点深度を超える範囲における
測定感度の低下を防ぐためには、測定範囲に合わせてレ
ンズの設計を変更したり、レンズの構成が複雑化する問
題がある。

【０００４】この発明の目的は、光源の光を焦点に集光
させることなくスポットを形成することができるように
し、光軸方向の比較的広い範囲について細い線状の光を
投光できるようにし、簡単な構成で光軸方向の広い範囲
について物体の位置を正確に測定することができる共焦
点位置測定装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
は、光源の光の物体における反射光を受光手段により受
光し、受光手段の受光信号を用いて物体までの距離を測
定する共焦点位置測定装置であって、有限のスペクトル
幅を有する光を照射する照射光源を備え、該照射光源の
光を波面分割して光路差がゼロである干渉縞を点状光源
光として物体に投光することを特徴とする。

【０００６】請求項２に記載した発明は、点状光源光を
作成する波面分割を行う円錐形レンズを含むことを特徴
とする。

【０００７】

【作用】請求項１に記載した発明においては、有限のス
ペクトル幅を有する照射光源の光が光学系により波面分
割され、光路差がゼロである干渉縞が作られる。光路差
がゼロである干渉縞は、図１に示すように波面分割され
た光が重なり合う範囲において、照射光源のスペクトル
がブロードの場合には光軸に直交する断面に点状（同図
（Ａ））、または、照射光源のスペクトルが１本の場合
には中心点を含む同心円状（同図（Ｂ））に現れ、この
干渉縞を光軸の側面方向から観察すると直線状（同図
（Ｃ），（Ｄ））に現れる。同心円状に現れた干渉縞
は、中心点を含む各円においてエネルギの総和は一定で
あるため、中心点が最も明るく、中心から遠ざかるにし
たがって暗くなる。したがって、波面分割された光が重
なり合う範囲の中心には、その重なり合う光軸方向の全
範囲にわたって充分に高いエネルギを有する干渉縞（ゼ
ロ縞）が形成され、このゼロ縞によって光軸に直交する
断面に形成されるスポットの大きさは光軸方向について
一定となる。

【０００８】このゼロ縞を点状光源光として物体に照射
し、物体における反射光を受光手段により受光し、その
受光信号に基づいて物体までの距離が測定される。した
がって、投光用光学装置の光学系により波面分割された
光が重合する範囲内であれば、どの場所に置かれた物体
に対しても同一の大きさのスポットを形成することがで
き、測定感度は一定に維持される。

【０００９】請求項２に記載した発明においては、照射
光源の光が円錐形レンズによって波面分割される。した
がって、波面分割された光の重なり合う範囲は、円錐形
レンズの頂角の大きさによって定まり、円錐形レンズの
頂角の大きさを適当に選ぶことにより、点状光源光とし
て用いるゼロ縞が形成される範囲の光軸方向の長さを適
宜設定することができる。

【００１０】

【実施例】図２は、この発明の共焦点位置測定装置に含
まれる投光用光学装置の構成を示す図である。照射光源
であるＬＥＤ１の光は、レンズ２を介して円錐形レンズ
３の底面に入射する。ＬＥＤ１の光はレンズ２において
平行光線にされ、円錐形レンズ３の傾斜面からは、波面
分割された光束Ｌ１およびＬ２が出射する。この光束Ｌ
１とＬ２との重なり合う部分にゼロ縞Ｌ３が生じる。光
束Ｌ１と光束Ｌ２との重なり合う部分の光軸方向の長さ
は、円錐形レンズ３の頂角αを大きくすることによって
長くなる。この光束Ｌ１と光束Ｌ２との重なり合う範囲
においてゼロ縞Ｌ３を生じるから、円錐形レンズ３の頂
角αの大きさを適当に選ぶことによってゼロ縞Ｌ３の生
じる範囲を所望の長さにすることができる。

【００１１】図３は、上記共焦点位置測定装置の構成を
示す図である。照射光源１１から照射された光はレンズ
１２およびミラー１３を介して円錐形レンズ１４の底面
に入射する。この円錐形レンズ１４の底面に入射した光
は干渉によりゼロ縞Ｌ１３を作り、ゼロ縞Ｌ１３が点状
光源光として物体３１に投光される。物体３１の表面に
おいて反射したゼロ縞Ｌ１３の反射光がレンズ１５によ
り集光される。このレンズ１５と焦点Ｆとの間にハーフ
ミラー１６が配置されており、レンズ１５を通過した光
はハーフミラー１６により振幅分割され、焦点Ｆの手前
においてピンホール１７を経由して検知器１９に受光さ
れ、焦点Ｆの後方においてピンホール１８を経由して検
知器２０により受光される。検知器１９および検知器２
０の検出信号は反射率補正回路２１に入力され、物体３
１の表面の反射率に関する補正を行った後、物体３１ま
での距離を表す光量信号として出力される。この反射率
補正回路２１は、従来の構成と同様に、検知器１９およ
び検知器２０の検出信号の差信号と和信号とを除算す
る。

【００１２】以上の構成により、物体３１に円錐形レン
ズ１４によって形成されるゼロ縞Ｌ１３を照射し、物体
３１におけるゼロ縞の反射光を受光することにより物体
３１までの距離を測定することができる。ゼロ縞Ｌ１３
は１本の細い線状に形成される。したがって、ゼロ縞Ｌ
１３が形成される範囲内で物体３１が光軸方向に変位し
ても物体３１の表面に形成されるスポットの大きさは変
化しない。このため、結像点Ｆにおける像のシャープさ
も物体３１の位置変化によって殆ど変わることがない。
このゼロ縞の形成される範囲は、円錐形レンズ１４の頂
角αの大きさを変えることによって適宜設定することが
できる。したがって、測定対象である物体３１が変位す
る範囲に合わせて任意の範囲にゼロ縞を形成することが
でき、状況に応じた所望の範囲について物体３１の距離
を正確に測定することができる。なお、図４に示すよう
に、レンズ１５の中心部に貫通孔１５ａを形成し、光源
１１、レンズ１２、ミラー１３および円錐形レンズ１４
をレンズ１５の検知器１８，１９側に配置するようにし
てもよい。

【００１３】また、照射光源としては、ＬＥＤに限るも
のではなく、有限のスペクトル幅を有する光である、レ
ーザ光等の他の光源を用いることもできる。

【００１４】

【発明の効果】請求項１に記載した発明によれば、波面
分割した光の重なり合う部分に生じる細い直線状のゼロ
縞を点状光源光として投光することができ、光軸方向の
比較的広い範囲にわたって光のスポットを小さな径に維
持することができる。したがって、スポットの形成位置
を光軸方向に変化させる場合にも、レンズの焦点深度に
よる制限を受けることがなく、レンズの設計変更やズー
ム機構等の複雑なレンズ構成を必要とすることがない。
また、このゼロ縞を物体に照射し、このゼロ縞の物体に
おける反射光により物体までの距離を測定するため、ゼ
ロ縞が形成される範囲内であれば物体を光軸方向に変位
させても物体表面のスポットの大きさが変化せず、任意
の範囲について測定感度を一定に維持することができる
利点がある。

【００１５】請求項２に記載した発明によれば、円錐形
レンズにより光源の光を波面分割するため、円錐形レン
ズの頂角を適当に選ぶことによってゼロ縞の形成される
範囲を所望の長さに設定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の作用を示す図である。

【図２】この発明の実施例である共焦点位置測定装置が
有する投光用光学装置の構成を示す図である。

【図３】この発明の実施例に係る共焦点位置測定装置の
構成を示す図である。

【図４】この発明の別の実施例に係る共焦点位置測定装
置の構成を示す図である。

【図５】従来の共焦点位置測定装置の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１，１１−照射光源 ３，１４−円錐形レンズ Ｌ３，Ｌ１３−ゼロ縞 １７，１８−ピンホール １９，２０−検知器 ２１−反射率補正回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源の光の物体における反射光を受光手段
   により受光し、受光手段の受光信号を用いて物体までの
   距離を測定する共焦点位置測定装置であって、 有限のスペクトル幅を有する光を照射する照射光源を備
   え、該照射光源の光を波面分割して光路差がゼロである
   干渉縞を点状光源光として物体に投光することを特徴と
   する共焦点位置測定装置。
2. 【請求項２】前記点状光源光を作成する波面分割を行う
   円錐形レンズを含む請求項１に記載の共焦点位置測定装
   置。