JPS61126514A - 点像位置検出装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、光学測定器または光学８整器の補助装置とし
ての合焦点検出および位置検出装置に関する。

（従来技術） 近年レーザ光を使用した変位測定器が急増しているが、
この中の一つの手段としてレーザ光を光学系で集光し、
この点像の位置を検出して椋々の変位量を検出する方法
がある。この場合、高９再現性や位置精度を求めるため
には、レーザ光の集光状態を常に一定に保つ必要があり
、こりような装置に合焦検出機能を付加した従来技術と
して、第４図に示す装置で位置座標を検出する方法があ
る。以下、この方法を簡単に説明する。

第４図において、集光光学系１で集光された光束はビー
ムスプリッタ２で二分され、このビームスプリツタ２０
半透過面を透過した光は光電変換素子である光位置検出
素子３上に結像する。この光位置検出素子３上の点像の
二方向の位置に対応した電気偲号は、位置検出器４で作
り出され、Ｘ・Ｙ座標表示部５でこの二方向の位置ｘ、
ｙ’ｚ表示する。

一方、ビームスプリッタ２の半透過面で反射した光束は
、上記光位置検出素子３と共役な位置にあるスリット板
６上に結像される。このスリット板６は第５図に示すよ
うにスリット６ａをもち、中心軸６ｂを中心として回転
する。このスリット板６のスリッ）　６ａを通った光は
、合焦検出のための光量検出素子７に入射する。こり光
電変換素子で構成された光景検出素子７からの光電変換
された出力は増幅器８により増幅され、合焦位置の表示
部９に入力され、これｋより合焦の表示が行なわれる。

これは、スリット板６に集光された点像のスポット径が
スリット６ａの幅よりも大きい場合は光量検出素子７の
出力が小さくなり、スリット＠６ａよりもスポット径が
小さい場合にはその出力が最大となる原理に基づいてい
る。したがって、上記合焦位置表示部９を監視し、常に
その値が最大となる状態でＸ−Ｙ座標表示部５の二方向
の出力Ｘ。

Ｙを読み取れば、これが点像位置の測定値となる。

しかしながら、このような装置においては、次のような
欠点があった。

＝（１）　　ビームスプリッタで光を二分しているため
、受光光量が小さく、ＳＮ比が悪くなる。

（２）　　構成が複雑であるため、価格が高くなる。

そして、これらの問題を解決した従来技術として、第６
図に示す装置がある。これはビームスプリッタを使用し
ないで、電気回路によって同時に合焦点位置を求めて点
像位置の検出を行なうものである。集光光学系１０から
の光束はスリット板１１に点像を形成する。このスリッ
ト板１１は第７図に示すように、扇形のスリット１１ａ
と細長のスリン）　１１ｂとが設けられ、中心軸１１Ｃ
を中心に回転するようになっている。このスリット板１
１の二つのスリット１１８．１１ｂを通った光は交互に
光位置検出素子１２に入射し、この素子１２で光電変換
された出力は点像の位置検出信号のＸ信号、Ｘ信号およ
び光量信号（以下、Ｘ信号という。）を作り出す信号検
出回路１３に入力する。そして、点像の位置検出信号と
合焦のためのＸ信号を分離する信号分離回路１４を介し
、位置検出信号を表示する表示部１５と合焦信号を表示
するＸ信号を表示する表示部１６にそれぞれ入力され、
合焦表示と位置座標の表示がなされる。

次に、この装置の動作について説明する。第８図は、第
６図におけるスリット板１１の扇形のスリット１１ａか
らなる位置検出開口が光位置検出素子１２のすぐ前の位
置にあるときの状態を示している。

符号１７は光位置検出素子１２上に集光されたスポット
光である。この状態のときは光位置検出素子１２からの
Ｘ−Ｙ座標の位置信号が読み取られる。

また、第９図の状態は、光位置検出素子１２上に合焦検
出用のスリット１１ｂがきたときの状態であり、光位置
検出素子１２は全受光光ｉｋｋ比例した信号を取り出す
ため、これを信号検出回路１３で合焦信号であるΣ電圧
として出力する。ここで、スリット板１１に集光された
スポット径りがスリット幅１１ｂよりも狭い場合にはΣ
電圧は最大出力になり、スリット幅よりも大きいスポッ
ト径の場合は透過光量が減り低いΣ電圧が出力される。

このよ５に、スリット板１１が合焦点にある状態のとき
にΣ電圧は最大となる。以上のよ５Ｈ，ｘ−ｙ座標の位
置信号とＸ信号とが交互に信号分離回路１４Ｖｃ入力さ
れる。このときの入力信号の波形を第１０図に示す。

ここで、（ａｌで示す期間はスリット板１１が第９図の
状態のときの出力信号で、（ｂｌで示す期間はスリット
板１１が第８図の状態にあるときの出力信号である。Σ
電圧の出力は第１０図での（ａ）期間での出力、位置信
号であるＸ、Ｙ電圧は第１０図での（ｂ）期間での出力
となっている。また、信号分離回路１４の出力信号の波
形を第１１図に示す。ここで、Σ電圧が最大となるよう
に集光光学系１０を調整し、位置検出信号を読み取れば
、点像のＸ、Ｙ位置の座標の検出が行なわれる。

しかしながら、この方法では第４図に示した装置の欠点
は補なえるものの、まだ次のような欠点が存在する。

（１）　　スリット板１１を回転させるための可動部が
あるため、振動が生じ精度が落ちる。

（２）スリット板１１およびその駆動部で大きな体積を
占め小型にできない。

（３）電気系および機械系が複雑であるためコストが高
い。

（目的） 本発明は以上の点に鑑み、光学測定器または光学調整器
の補助装置としての点像位置検出装置を、簡便に光の点
像の合焦信号を検出し、併せて点像の位置を検出するこ
とができる装置を提供することを目的とする。

（概要） 第１２図は、本発明の原理を示す構成図である。集光レ
ンズ系１８を通った光は半導体装置検出器（ＰＳＤ）か
らなる光位置検出素子１９上にスポット像を結像する。

符号２０は増幅器を含んだ光量信号とＸ、Ｙ座標の位置
信号を検出する電気回路である。

第１６図は、光位置検出素子１９における座標Ｘ。

Ｙ、Ｚを示した図で、集光レンズ系１８によりスポット
径りのスポット像が光位置検出素子１９上にできている
様子を示している。また、第１４図は、光位置検出素子
１９の光量飽和特性を示すグラフである。いま、光位置
検出素子１９に入射する光量が小さいときＫは、第１４
図（ａ）で示されるように光位置検出素子１９上におけ
るスポット径りの大小にかかわらず２口号は一定である
。反対に入射光量が大きいときには、（ｂ）で示される
ように光スポツト径りが小さくなるに従い単位面積当り
の入射光景をま非常に高くなり、位置検出回路１９は光
量飽和現象を起し、Σ信号はスポット径りが小さくなる
に従い減少していき、スポット径りが最小になったとき
にとのΣ電圧も最小となる。

したがって、集光光学系１８と光位置検出素子１９との
距離を変化させてΣ信号が最小になる状態にすれば、光
位置検出素子１９上に合焦点を一致させることができる
ので合焦検出ができることＫなる。

Ｘ、Ｙの座標位置は、光位置検出素子１９のスポット位
置と電極の距離に逆比例した電流から簡単に求まり、上
記の合焦検出とともに簡単な構成で精度よく点像位置の
検出を行なうことができる。

（実施例） 以下、図面に基づき本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の点像位置検出装置の第一実施例の構
成を示すブロック図である。この例では光位置検出素子
１９に半導体装置検出器（ＰＳＤ）　を使用したもので
ある。

光位置検出素子１９に集光レンズ１８ＶＣより光スポツ
ト像が形成されると、出力電流はスポットと電極の距離
に逆比例してリード線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、にそれぞれ信号
電圧Ｘ、、　Ｘ２．　Ｙｌ、Ｙ２が流れる。ここで、光
位置検出素子１９の感度むらや光源の発光効率むらの影
響を除くために、前記信号Ｘ１．　Ｘ２．Ｙ、。

Ｙ２の各々の出力を入力エネルギーで正規化する必要が
ある。具体的には、各々の出力を増＠器２３ａ。

２＋ｂ、２３ｃ、２３ｄでそれぞれ増幅し、対向電極ど
うし加算器２４ｘ、２４ｙで足し合せ、一方、減算器２
５ｘ。

２５ｙにより引き算を行な５゜これらの信号を除算器２
６ｘ、２６ｙを通せば、前記の欠点が除去されたＸ。

Ｙ座標の位置信号が出力される。また、加算器２４Ｘ　
、　２４ＹのＸ、Ｙ出力を加Ｘ器２７を通すことＫより
光位置検出素子１９に当った光の全光量の出力を得る。

この信号を合焦のためのΣ信号として電圧計２９で読み
取り、合焦点位置を合せる。次いで、Ｘ、Ｙ出力を電圧
計２８．３０により読み取り％　Ｘ　ＩＹ座標の位置が
求められる。したがって、本実施例では、スリット板や
その駆動系を必要としないで簡単な構成にもかかわらず
精度よく位置検出を行なうことができ、増幅器、加算器
、減算器、除３！器などを１チツプの電気回路に構成ｔ
７た位置検出回路２０とすることができる。

次に、第２図に基づき本発明の第二実施例を説明する。

この例は光量信号であるΣ信号を％変換器３１を通して
コンビエータの演算回路３２に入力し、モータ駆動装置
３３を介して集光光学系１８をモータ３４で移動させる
ことＫより、自動的に合焦点の位置出しを行なったもの
で、その他は第１図の第１実施例のものと同じである。

したがって、この例では、合焦位置がオート７オーカス
により自動的に設定されるため、Ｘ、Ｙ座標の位置信号
は合焦装置を何ら調整することなく直ちに求めることが
できる。

次に、第３図に基づいて、本発明の第三実施例を説明す
る。この例は、光位置検出素子１９にＣＣＤなどの固体
撮像素子を使用したものである。ドライバー回路３５は
固体撮像素子１９上のＸ、Ｙ座標の位置信号をビデオ信
号として出力し、Ａ７．変換器３６によりデジタル化し
て７レームメモリー３７に一画面分の情報を蓄える。こ
れをコンピュータ演算回路３８で演算処理してＣＲＴな
どの表示器３９上にスポット光のＸ、Ｙ座標の位置およ
び光量を表示するものである。したがって、本実施例の
ものでは、スポット光の合焦位置およびＸ、Ｙ座標位置
のみならず、スポット光の形状までＣ’ＲＴ上に写し出
すことができるので、検査する光学装置の光学的性能ま
でも容易に測定することができる。

（効果） 以上の実施例で詳細に説明したように、本発明の点像位
置検出装置によれば、測定精度を何ら損うこともなく、
唯一つの検出素子により合焦検出と座標位置検出とを同
時に簡単に行なうことができる。また、可動部分も含ん
でいないので、構成も非常に簡単になり、安価で精度の
よい点像位置検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例の点像位置検出成を示す
ブロック図、 第３図は、本発明の第３実施例の点像位置検出装置の構
成を示すブロック図、 第４図は、従来の点像位置検出装置の概略構成図、 第５図は、上記第４図に示す装置のスリット板の正面図
、 第６図は、従来の点像位置検出装置の概略構成図。 第７図は、上記第６図に示す装置のスリット板の正面図
、 第８図、第９図は、上記第６図に示す装置のスリット板
がそれぞれ違った回転位置状態のときの集光レンズ側か
ら見たときの正面図、 第１０図、第１１図は、上記第６図の装置における信号
分離回路の入出力の信号波形を示す線図、第１２図は、
本発明の点像位置検出装置の原理を説明するための概略
構成図、 第１３図は、上記第１２図に示す装置の光位置検出素子
の座標とスポット径の関係を説明するための線図、 第１４図は、上記第１２図に示す装置の光位置検出素子
の出力特性を示す線図である。 １９・・・・・光位置検出素子 ゴー」す。 、、　：’Ｂｔ’ｉ 馬３区 ％６区 易′７区 手　続　補　正　書　（自発） 昭和６０年３月１５８ ２発明の名称　　点像位置検出装− ３、匍正をする者 事杆との関係　　特許出願人 所在地　　東京都渋谷区輔ケ谷２丁目４３１２号名　称
　　　（０３７）　　オリンパス元学工菓株式会社４代
　埋　人 （１）明細書第５頁第１６行に記載された「スリット板
１１が合焦点にある状態」を「スリット板１１上に集光
されたスポットが合焦点にある状態」と訂正する。 （ｚ１７６Ｊ５ｇ９貞第１行に記載された「信号４圧」
を「信号１流」九訂正する。 （６）　　同　第９頁稟１４行に記載された「合焦点位
置を合せる。」を「出力が最小になるように来光レンズ
１８を移動し合焦点に合せる。」に訂正する。 （４）　　同　第１０頁第６行〜第７行に記載された「
自動的に合焦点」を「Σ信号最小の位置を自動的に見つ
け出し合焦点」に訂正する。 （５）　　同　第１１頁第２行に記載された「したがっ
て、」と「本実雄例」の間に「この元ｉ信号の値にまり
合焦位置が判断できる。」を挿入する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光位置検出素子と、 この光位置検出素子からの点像の全光量に対する信号を
   合焦信号として検出する検出回路と、この光位置検出素
   子からの点像のＸ、Ｙ座標位置の検出を行なう位置検出
   回路とを備え、 合焦点を最適状態にして点像位置を測定することを特徴
   とする点像位置検出装置。