JPS6057202A - 光学式表面変位検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光学式表面変位検出装置に係り、特に、遠隔
物体の厚さや変位等を非接触で測定づることができる光
学式表面変位検出装置の改良に閂Ｊる。

産業界に１Ｊ３Ｌプる生産の自動化、１」ボッ１〜導入
等に伴ない、計測のインプロセス化、高速度化、高精度
化が急速に要請されており、赤熱した鉄板の圧延工程に
おける厚さのインプロ廿ス測定のように、遠隔物体の厚
さや変位等を非接触で測定でさる表面変位検出装置の必
要性も大となっている。

このような非接触式の表面変位検出装置とじＣは、被測
定物体に投射した光の反射光や散乱光を変位に関する信
号とする光学的方式を利用したもの、磁束変化、渦電流
、容量変化等、電磁気釣場の効果を利用したもの、放射
線の吸収度を利用したもの、超音波を利用したもの等が
提案されているが、被測定物体との設定距離を大きくと
れるという点では、光学的方式を利用したもの（以下、
光学式表面変位検出装置と称する）が有利である。

この光学式表面変位検出装置としては、例えば、第１図
に示Ｊ如く、測定対象面１０に光束を投射するだめの投
射用光ファイバ１２と、該投射用光ファイバ１２と隣接
配置された受光用光ファイバ１４とを備え、該受光用光
ファイバ１４を介して検出される受光量フの変化から、
測定対象面１゜の上下方向変位ＭＸをめるようにした、
いわゆる反射光量のアナログ測定方式によるものが提案
されている。この方式においては、第２図に示づ如く、
前記受光錘℃が、投光用光ファイバ１２と受光用光ファ
イバ１４の有効受光共有面積Ｓの変化により、測定対象
面１ｏの変位置ｘに応じて変化づることを利用し、前記
受光ｉ４がら変位ｌｘをめるものである。この方式は、
変位の分解能に優れ、装置が小型化できるという特徴を
有するが、装置と測定対象面１ｏとの設定距離２を太き
（とれないという問題点を有していた。

一方、装置と測定対象面間の設定距離を大きくとれるも
のとしては、例えば第３図に示づ如く、光源２０と、該
光源２０から測定対象面１ｏに照射された光の、該測定
対象面１ｏによる反則光を集光するためのレンズ２２と
、該レンズ２２を通過した光の結像位置を検出づるため
の光学的位置検出素子２４とを備え、投射光の測定対象
面１゜での散乱光点を検出し、三角測量法に従って測定
対象面１０の変位ｉ１ｘを演算するようにした、いわゆ
る散乱光点のポイント計測方式によるものが提案されて
いる。この方式においては、第４図に示づ如く、変位点
Ａｏ、Ｏｏ、Ｂｏの移動に伴ない、レンズ２２による結
像点が、位置検出素子２４上で、Ａ１．０１、Ｂ１のよ
うに移動することを利用し、ΔＬＡ１０を又はΔＬ８１
ｏ１の未知量０１Ａ１又はＯＩＢ＋を位置検出素子２４
でめ、これから変位ｆｋ×をめるものである。この方式
は、前記反射光量のアナログ測定方式に比べて、測定対
象面１ｏとの設定距離を大き（とれるという特徴を有す
るが、位置検出素子２４上における反射光の明部のエツ
ジ位置を正確に測定する８藪があり、反射光故にエツジ
位置がぼやけているため、高精度の測定が困難であると
いう問題点を有し′ていた。

又、例えば第５図に示す如く、レーザビーム発生器３０
と、該レーザビーム発生器３ｏがら発生されたスポット
状のレーザビームを、等角速度で回転走査するための回
転ミラー３２と、該回転ミラー３２によって形成された
回転走査ビーム３３が、基準位置を走査されたことを検
出するための基準光検出素子３４と、回転走査ビーム３
３の測定対象面１０による反射光のうち、測定対象面１
０と垂直な方向の反射光のみを通過させるスリット３６
と、該スリット３６を通過した反射光の有無を検出する
だめの反射光検出素子３８とを備え、前記基準光検出素
子３４と反射光検出素子３８の出力信号の発生時間間隔
、即ち、回転走査ビーム３３の走査角度θから、測定対
象面１αの上下方向変位をめるようにした、いわゆる、
投射ビーム走査方式によるものも提案されている。この
方式は、前記散乱光点のポイント計測方式に比べて、投
射ビームの反則位置は比較的正確に検出できるが、投射
ビームの走査角度θを、基準位置からの経過時間でめる
ようにしている７ｅ−め、回転ミラー３２が完全に等速
走査されていない通常の場合には、高精度の測定が困難
であるという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消づるべくなされたも
ので、走査ビームの位置を容易に且つ確実に検出するこ
とができ、従って、回転走査手段の等速性に問題がある
場合でも、高精度の測定を行うことができる光学式表面
変位検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、光学式表面変位検出装置において、光ビーム
発生手段と、該光ビーム発生手段から発生されたスポッ
ト状の光ビームを回転走査するための回転走査手段と、
該回転走査手段により扇状に回転走査される光ビームの
走査位置を検出づるための走査位置検出手段と、前記回
転走査ビームの一部を測定対独面に照射するだめのハー
フミ２−と、該ハーフミラ−を介して測定対象面に照射
された回転走査ビームの、該測定対象面による反射光の
うち、回転走査ビーム照Ｑ１方向とは興なる設定方向ｄ
反射光のみを通過させるスリットと、該スリットを通過
した反射光の有無を検出するための反射光検出素子と、
該反則光検出素子の出力信号が発生した時に前記走査位
置検出手段で検出されたビーム走査位置から、測定対象
面の設定方向変位をめる変位検出回路とを備えることに
より、前記目的を達成したものである。

又、本発明の実Ｍ　￥１．　柊は、前記走査位置検出手
段を、回転走査ビームを互に平行な走査ビームとづるた
めの」リメータレンズと、該コリメータレンズによって
形成された平行走査ビームの位置を検出するだめの位置
検出素子とから構成して、走査ビームの位置を高諸度に
測定できるようにしたものである。

を検出づるための走査位置検出手段を設け、反射光検出
素子が出力１５号を発圧しｋ　Ｒに該走査位置検出手段
で検出されたビーム走査位置から、測定対象面の測定方
向変位をめるようにしたので、走査ビームの位置を容易
に且つ正確に検出することができる。従って、回転走査
手段の等速性に問題がある場合でも、ビーム走査位置と
直接対応する測定対象面の変位を正確にめることかでき
る。

以下図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明覆る
。

本実施例は、第６図に示す如く、レーザビーム発生器４
０と、該レーザビーム発生器４０から発生されたスポッ
ト状のレーザビーム４１を回転走査するための回転ミラ
ー４２と、該回転ミラー４２により扇状に回転走査され
るレーザビーム４４の走査位置を検出するだめの、回転
走査ビーム４４を互に平行な走査ビーム４８とづるため
の」リメータレンズ４６及び該」リメータレンズ４６に
よって形成され１ζ平行走査ビーム４８の位置を検出づ
るための位置検出素子５０から構成される装置 一部を測定対象面１０に照射づるためのハーフミラ−５
２と、該ハーフミラ−５２を介して測定対象面１０に照
射された回転走査ビーム４４の、該測定対象面１０によ
る反射光のうち、回転走査ビーム照射方向とは鏝なる設
定方向、例えば図の上下方向の反ＧＶ光のみを通過させ
る２重スリット５４と、該２虫スリツト５４を通過した
反射光の有無を検出づるための、例えばフォトダイオー
ドがらなる反射光検出素子５６と、該反射光検出素子５
６の出力信号が発生した時に前記走査位置検出器４５で
検出されたビーム走査位置から、測定対象面１０の上下
方向変位量Ｘをめる変位検出回路５８と、から構成され
ている。

前記位置検出素子５０としては、結像光点がセンサ上の
どの位置にあるかに従い、流れる光電流が抵抗比例分割
ざれ、位置に対応した信号電圧を出力づるｂのや、又は
、１０〜２８μω間隔に５１２〜１０２４個の光電素子
が規則的に配列され、感光した素子番号をめることによ
り、位置を検出するイメージセンサを用いることができ
る。

前記変位検出回路５８内には、前記回転走査ビーム４４
の走査角度θと測定対象面１０の変位量Ｘとの非線形性
を補償ずるための曲線が予め記憶ざれている。

以下作用を説明する。

前記レーザビーム発生器４０で発生されたレーザビーム
４１は、回転ミラー４２で回転走査ビーム４４とされる
。この回転走査ビーム４４の一部は、ハーフミラ−５２
によって反射され、測定対象面１０に照射ざれる。回転
走査ビーム４４の測定対象面１０上の照射位置が、２重
スリットの入射方向、即ち測定方向と一致すると、反射
光検出素子５６から出力信号が発生づる。従って、前記
変位検出回路５８は、その時の前記位置検出素子５０で
検出される走査位置をめ、これから測定対象面１０の上
下方向変位量×を算出して、出力−４る。

前記反射光検出素子５６で反射光が入射したことを検出
するに際しては、例えば、素子の受光要素を反射光が移
動する方向で２分割しで形成し、各受光要素からの出力
信号を各々微分し、次いで一方の微分波形を反転し、両
省を差演算した信号と基準電圧とを比較することによっ
て、検出精度を高めることができる。

本実施例においては、回転走査手段として回転ミラー４
２を用いているので、回転走査ビーム４４を容易に得る
ことができる。尚、回転走査手段は、これに限定されな
い。

又、本実施例においては、走査位置検出器４５を、コリ
メータレンズ４６と位置検出索子５０から４ｔｌ　ＪＡ
し、」リメータレンズ４６によって平行化された走査ビ
ーム４８を位置検出素子５０に入射づるようにし°Ｃい
るので、走査位置の検出精度が高い。尚、」リメータレ
ンズ４６を省略して、構成を単純化することも可能であ
る。

前記実施例においては、ハーフミラ−５２を透過した光
を走査位置検出器４５に入射し、ハーフミラ−５２によ
って反射された光を測定対象面１０に照１．−Ｊるよう
にしていたが、逆に、ハーフミラ−５２を通過し７ｊ光
を測定対象面１０に照射し、ハーフミラ−５２によって
反射された光を走査位置検出器４５に入力するように構
成することも可能である。

以上説明した通り、本発明によれば、測定対象面上で反
射光が発生した際のビーム走査位置を容易に且つ確実に
検出することができる。従って、回転走査手段の等速性
が満足されない場合であっても、高精度の測定を行うこ
とかできる。又、照射光のビーム走査位置を検出するよ
うにしているので、反則光のビーム走査位置を検出づる
場合に比べて、ビーム走査位置を高精度に検出すること
ができる等の優れた効果を有づる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、従来の光学式表面変位検出装置の
一例の構成及び原理を説明するだめの線図、第３図及び
第４図は、同じ〈従来の光学式表面変位検出装置の他の
例の構成及び原理を説明する１＝めの縮図、第５図は、
同じ〈従来の光学式表面変位検出装置の更に他の例の構
成及び原理を説明するだめの線図、第６図は、本発明に
係る光学式表面変位検出装置の実施例の構成を示１線図
である。 １０・・・測定対象面、　４０・・・レーザビーム発生
器、４１・・・レーザビーム、４２・・・回転ミラー、
４４・・・回転走査ビーム、　４５・・・走査位置検出
器、４６・・・コリメータレンズ、４８・・・平行走査
ビーム、５０・・・位置検出素子、５２・・・ハーフミ
ラ−１５４・・・スリット、　５６・・・反射光検出素
子、５８・・・変位検出回路。 代理人　高　矢　論 （ほか１名）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ビーム発生手段と、該光ビーム発生手段から発
   生されたスポット状の光ビームを回転走査づるための回
   転走査手段と、該回転走査手段により扇状に回転走査さ
   れる光ビームの走査位置を検出覆るだめの走査位置検出
   手段と、前記回転走査ビームの一部を測定対象面に照射
   するためのハーフミラ−と、該ハーフミラ−を介して測
   定対象面に照射された回転走査ビームの、該測定対象面
   による反則光のうち、回転走査ビーム照射方向とは異な
   る設定方向の反射光のみを通過させるスリットと、該ス
   リットを通過した反則光の有無を検出するだめの反射光
   検出素子と、該反射光検出素子の出力信号が発生した時
   に前記走査位置検出手段で検出己れたビーム走査位置か
   ら、測定対象面の設定方向変位をめる変位検出回路と、
   を備えたことを特徴どＪる光学式表面変位検出装置。
2. （２）前記走査位置検出手段が、回転走査ビームを互に
   平行な走査ビームとするためのコリメータレンズと、該
   コリメータレンズによって形成された平行走査ビームの
   位置を検出するためのＩＶ装検出素子とから構成されて
   いる特許請求の範囲第１項記載の光学式表面変位検出装
   置。