JPH10122813A - 光学式変位センサ - Google Patents

光学式変位センサ

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JPH10122813A
JPH10122813A JP29954096A JP29954096A JPH10122813A JP H10122813 A JPH10122813 A JP H10122813A JP 29954096 A JP29954096 A JP 29954096A JP 29954096 A JP29954096 A JP 29954096A JP H10122813 A JPH10122813 A JP H10122813A
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JP
Japan
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measured
light
light beam
detecting means
displacement sensor
Prior art date
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JP29954096A
Other languages
English (en)
Inventor
Kohei Shinpo
晃平 新保
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Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 センサの感度変化に影響を受けない、光学式
変位センサを提供する。 【解決手段】 被測定面6よりの反射光を第1の光束分
岐手段8によって分岐された一方の光束の集光点の手前
側に配置された第1のビーム径検出手段11,12と、
分岐されたもう一方の光束をさらに分岐する第2の光束
分岐手段9によって分岐されたそれぞれの光束の集光点
の後ろ側で、微少量だけずらして配置された第2,第3
のビーム径検出手段13,14,15,16を有する各
ビーム径検出手段の出力信号Va,Vb,Vcより、被測
定面6と対物レンズ集光点の距離を演算して近接した2
本のフォーカスエラー信号を求める。非測定面の傾斜角
が大きく変化するレンズ面形状測定においても、フォー
カスエラー誤差の影響をキャンセルすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学式変位セン
サ、より詳細には、レンズ面等の形状測定に用いて好適
な高感度,高精度の非接触変位センサに関する。
【0002】
【従来の技術】光蝕針式変位センサのうち、ピンホール
によるダブルビームサイズ法は、被測定面からの反射光
を2分割し、それぞれ集光点の手前側,後ろ側におかれ
たピンホールフィルタを透過した光をフォトディテクタ
で光電変換して信号を得る。この信号をそれぞれVa
bとすると、フォーカスエラー信号は、 V=(Va−Vb)/(Va+Vb) で得られる。
【0003】対物レンズの集光点を原点とした被測定面
の位置dに対するフォーカスエラー信号Vの特性は、集
光点の近傍では、 V=Kd で示されるような比例関係を示す(Kはセンサの感
度)。ここで、差信号(Va−Vb)を総受光量(Va
b)で割ることによって、被測定面の反射率の変化の
影響によるセンサの感度Kの変化をキャンセルしてい
る。実際には、センサ出力信号Vと感度Kを用いて距離
dを求める。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記センサを
レンズ形状などの形状測定に用いる場合、感度Kは被測
定面の傾斜角変化の影響も受ける。被測定面の傾斜角が
0[deg]から30[deg]に変化した場合、感度
Kは約1/4にまで減衰し、フォーカスエラー信号から
変位dを求めるときに誤差を生む原因になる。
【0005】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、センサの感度変化に影響を受けない、光学
式変位センサを提供することを目的としてなされたもの
である。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、光源
よりの光ビームを対物レンズを介して被測定面に集光
し、その反射光を受光してフォーカスエラー信号を得、
該フォーカスエラー信号より被測定面と対物レンズ集光
点の距離を算出する光学式変位センサにおいて、前記被
測定面よりの反射光を前記対物レンズを通して受光する
第1の光束分岐手段と、該第1の光束分岐手段によって
分岐された一方の光束の集光点の手前側に配置された第
1のビーム径検出手段と、分岐されたもう一方の光束を
さらに分岐する第2の光束分岐手段と、該第2の光束分
岐手段によって分岐されたそれぞれの光束の集光点の後
ろ側で、微少量だけずらして配置された第2,第3のビ
ーム径検出手段と、各ビーム径検出手段の出力信号よ
り、被測定面と対物レンズ集光点の距離を演算する信号
処理装置とを備え、近接した2本のフォーカスエラー信
号を用いて変位を求めることを特徴とし、もって、被測
定面の傾斜角が大きく変化するレンズ面形状測定におい
ても、フォーカスエラー誤差の影響をキャンセルするこ
とができるようにしたものである。
【0007】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記ビーム径検出手段が、ピンホールフィルタとフ
ォトダイオードとから構成されることを特徴とし、もっ
て、部品点数を減らすことができるようにしたものであ
る。
【0008】請求項3の発明は、請求項1の発明におい
て、前記ビーム径検出手段が、同心円状に領域分割され
た2分割フォトダイオードであることを特徴とし、もっ
て、中央部分の受光量を、全受光量で割ることによっ
て、出力を無次元化することにより、フォトディテクタ
へ入射する光束の絶対量のばらつきをキャンセルし、こ
れによって、ビームスプリッタやフォトディテクタの固
体差による出力の絶対値のばらつきの影響をキャンセル
するようにしたものである。
【0009】請求項4の発明は、請求項1の発明におい
て、前記信号処理装置が、前記第1,第2,第3の3つ
のビーム径検出手段それぞれの信号の強度を調整する第
1,第2,第3のボリュームを有し、前記3つの信号の
最大値をほぼ同じ大きさにすることを特徴とし、もっ
て、ボリュームの調整によってばらつきの影響をキャン
セルするようにしたものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
(請求項1の発明)図1は、本発明の一実施例を説明す
るための構成図で、光源1から出射された点光源はコリ
メータレンズ2によって平行光束となり、偏光ビームス
プリッタ3,1/4波長板4を透過し、対物レンズ5に
よって集光されて被測定面6に照射される。被測定面6
からの反射光は対物レンズ5,1/4波長板4を透過
し、偏光ビームスプリッタ3で反射され、結像レンズ7
によって収束光となり、第1のビームスプリッタ8によ
って2分割される。第1のビームスプリッタ8で反射し
た光束は、結像レンズ7の焦点距離より距離dだけ手前
側の位置に配置された第1のピンホールフィルタ11に
照射し、この透過光は第1のフォトディテクタ12によ
って光電変換され、電気信号Vaを出力する。第1のビ
ームスプリッタ8を透過した光束は、さらに第2のビー
ムスプリッタ9によって2分割される。第2のビームス
プリッタ9で反射した光束は、結像レンズ7の焦点距離
の位置より距離dだけ後ろに配置された第2のピンホー
ルフィルタ13に照射し、この透過光は第2のフォトデ
ィテクタ14によって光電変換され、電気信号Vbを出
力する。第2のビームスプリッタ9を透過した光束は、
結像レンズ7の焦点距離の位置より距離dに微少量δを
足した値だけ後ろに配置された第3のピンホールフィル
タ15に照射し、この透過光は第3のフォトディテクタ
16によって光電変換され、電気信号Vcを出力する。
【0011】図2は、上記センサにおける被測定面との
距離とフォトディテクタの出力との関係を示し、信号V
aは信号Vb,Vcの2倍の光量が到達しているので、出
力を0.5倍してある。信号VbとVcのずれが、Vaとの
ずれに比べて十分小さいように前記d,δを調整する。
ここで、それぞれ第1と第2,第1と第3のフォトディ
テクタより、以下に示す式でフォーカスエラー信号を求
める。 Vb-a=(Vb−Va)/(Vb+Va) Vc-a=(Vc−Va)/(Vc+Va
【0012】図3は、この時の距離とフォーカスエラー
信号の出力の関係を示す。図3から明らかなように、図
3の中央付近で、どちらの信号も直線に近似でき、ま
た、この2本の直線の感度がほぼ等しい範囲が存在す
る。これが測定可能範囲となる。
【0013】ここで、被測定面の傾斜角が変化した場
合、このフォーカス誤差信号の感度Kが変化する。しか
し、2つの信号の傾きは常に同一とみなせる。また、2
つの信号それぞれ出力信号が0を示す点の間隔は常に一
定の距離δ’である。よって、傾きKは2つの差信号V
b-a,Vc-aとδ’から、以下の式で求めることができ
る。 K=(Vb-a−Vc-a)/δ’ よって、フォーカス誤差信号の感度が変動しても、その
時の感度を求めることができるので、常に正確な変位を
求めることができる。従って、この光学式変位センサを
用いれば、非測定面の傾斜角が大きく変化するレンズ面
形状測定においても、フォーカスエラー誤差の影響をキ
ャンセルすることができる。
【0014】なお、図1では、受光部として、ピンホー
ルとフォトディテクタを用いて例を示したが、これに代
ってピンホールと同じ径の円形の受光領域を持つフォト
ディテクタを用いると、部品点数を減らすことができ
る。また、受光部として、1つ目の領域がピンホールと
同じ径の円形であり、2つ目の受光部がそれを取り囲む
ような2分割フォトダイオードを用い、中央部分の受光
量を、全受光量で割ることによって、出力を無次元化す
ることにより、フォトディテクタへ入射する光束の絶対
量のばらつきをキャンセルすることによって、ビームス
プリッタやフォトディテクタの固体差による出力の絶対
値のばらつきの影響をキャンセルすることができる。更
には、フォトディテクタの出力信号を、ボリュームで調
整しておくと、3つの出力をその最大値(図2のそれぞ
れの信号の山の頂点の高さ)が同じになるように調整す
ることができ、該ボリュームの調整によって、前述のば
らつきの影響をキャンセルすることができる。
【0015】
【発明の効果】請求項1の発明は、光源よりの光ビーム
を対物レンズを介して被測定面に集光し、その反射光を
受光してフォーカスエラー信号を得、該フォーカスエラ
ー信号より被測定面と対物レンズ集光点の距離を算出す
る光学式変位センサにおいて、前記被測定面よりの反射
光を前記対物レンズを通して受光する第1の光束分岐手
段と、該第1の光束分岐手段によって分岐された一方の
光束の集光点の手前側に配置された第1のビーム径検出
手段と、分岐されたもう一方の光束をさらに分岐する第
2の光束分岐手段と、該第2の光束分岐手段によって分
岐されたそれぞれの光束の集光点の後ろ側で、微少量だ
けずらして配置された第2,第3のビーム径検出手段
と、各ビーム径検出手段の出力信号より、被測定面と対
物レンズ集光点の距離を演算する信号処理装置とを備
え、近接した2本のフォーカスエラー信号を用いて変位
を求めるようにしたので、非測定面の傾斜角が大きく変
化するレンズ面形状測定においても、フォーカスエラー
誤差の影響をキャンセルすることができる。
【0016】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記ビーム径検出手段を、ピンホールフィルタとフ
ォトダイオードとで構成したので、部品点数を減らすこ
とができる。
【0017】請求項3の発明は、請求項1の発明におい
て、前記ビーム径検出手段を、同心円状に領域分割され
た2分割フォトダイオードで構成したので、中央部分の
受光量を、全受光量で割ることによって、出力を無次元
化することにより、フォトディテクタへ入射する光束の
絶対量のばらつきをキャンセルし、これによって、ビー
ムスプリッタやフォトディテクタの固体差による出力の
絶対値のばらつきの影響をキャンセルすることができ
る。
【0018】請求項4の発明は、請求項1の発明におい
て、前記信号処理装置が、前記第1,第2,第3の3つ
のビーム径検出手段それぞれの信号の強度を調整する第
1,第2,第3のボリュームを有し、これら3つの信号
の最大値をほぼ同じ大きさにすることができるようにし
たので、ボリュームの調整によってばらつきの影響をキ
ャンセルすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による光学式変位センサの一実施例を
説明するための要部構成図である。
【図2】 上記センサにおける被測定面との距離とフォ
トディテクタの出力との関係を示した図である。
【図3】 被測定面と距離とフォーカスエラー信号の出
力の関係を示す図である。
【符号の説明】
1…光源、2…コリメータレンズ、3…偏光ビームスプ
リッタ、4…1/4波長板、5…対物レンズ、6…被測
定面、7…結像レンズ、8…第1のビームスプリッタ、
9…第2のビームスプリッタ、11…第1のピンホール
フィルタ、12…第1のフォトディテクタ、13…第2
のピンホールフィルタ、14…第2のフォトディテク
タ、15…第3のピンホールフィルタ、16…第3のフ
ォトディテクタ。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源よりの光ビームを対物レンズを介し
    て被測定面に集光し、その反射光を受光してフォーカス
    エラー信号を得、該フォーカスエラー信号より被測定面
    と対物レンズ集光点の距離を算出する光学式変位センサ
    において、前記被測定面よりの反射光を前記対物レンズ
    を通して受光する第1の光束分岐手段と、該第1の光束
    分岐手段によって分岐された一方の光束の集光点の手前
    側に配置された第1のビーム径検出手段と、分岐された
    もう一方の光束をさらに分岐する第2の光束分岐手段
    と、該第2の光束分岐手段によって分岐されたそれぞれ
    の光束の集光点の後ろ側で、微少量だけずらして配置さ
    れた第2,第3のビーム径検出手段と、各ビーム径検出
    手段の出力信号より、被測定面と対物レンズ集光点の距
    離を演算する信号処理装置とを備え、近接した2本のフ
    ォーカスエラー信号を用いて変位を求めることを特徴と
    した光学式変位センサ。
  2. 【請求項2】 前記ビーム径検出手段が、ピンホールフ
    ィルタとフォトダイオードとからなることを特徴とした
    請求項1記載の光学式変位センサ。
  3. 【請求項3】 前記ビーム径検出手段が、同心円状に領
    域分割された2分割フォトダイオードであることを特徴
    とした請求項1記載の光学式変位センサ。
  4. 【請求項4】 前記信号処理装置が、前記第1,第2,
    第3の3つのビーム径検出手段それぞれの信号の強度を
    調整する第1,第2,第3のボリュームを有し、前記3
    つの信号の最大値をほぼ同じ大きさにすることを特徴と
    した請求項1記載の光学式変位センサ。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2005098500A1 (ja) * 2004-03-30 2005-10-20 Olympus Corporation 合焦情報取得用検出装置及びそれを用いた撮像装置
US7345706B2 (en) 2002-08-23 2008-03-18 Fuji Photo Optical Co., Ltd. Auto focus system
CN113137924A (zh) * 2020-01-17 2021-07-20 宁波舜宇车载光学技术有限公司 光学测试系统及其方法

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