JPS6271810A - 変位変換器 - 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】 （産業上の利用分野〕 本発明は、光学式の変位変換器に関するものである。

更に詳しくは、レンズを介して測定対象面に光を照射す
るとともに、測定対象面上に常に焦点が合うようにレン
ズの位置を移動させ、この時のレンズの移動量から前記
測定対象面の変位量を測定するようにした変位変換器に
関するものである。

〔従来の技術〕

従来、光学式の変位変換器の一例としては、第７図に示
す如き装置が実用化されている。図に示す変位変換器は
、光源１から出射された平行光線を、レンズ２を介して
測定対象面３に照射するとともに、この光束が測定対象
面３上に常に焦点を結ぶようにレンズ２の位置を動かし
、この時のレンズ２の移動量から測定対象面３の変位量
を測定するよう°にしたものである。ここで、測定対象
面３上に焦点が合っているか否かの検出には、シリンド
リカルレンズ４および４分割センサ５が使用され、測定
対象面３からの反射光をレンズ２の後方に配置したハー
フミラ−６によりシリンドリカルレンズ４に導くととも
に、シリンドリカルレンズ４により得られる光スポット
の形状変化を４分割センサ５によって検出している。

すなわち、４分割センサ５上に投影される光スポットの
形状は第８図に示すようなもので、測定対象面３上に焦
点が合っている時〔以下、これを合焦状態という〕には
、シリンドリカルレンズ４に入射する光束は平行光線と
なっているので、４分割センサ５上の光スポットの形状
は、図中に実線ａで示す如く、円形となっている。また
、焦点が合っていない時には、シリンドリカルレンズ４
に入射する光束が平行光線ではなくなるので、光スポッ
トは破線すおよびＣで示す如く、焦点のずれに応じて傾
きの方向が異なる楕円形となる。したがって、４分割セ
ンサ５における出力５１〜Ｓ４を、例えば、（！３１＋
３３）　−（ｊ２＋９４）の如く演算処理することによ
り、光スポットの形状を検出して、焦点の位置を知るこ
とができる。なお、この４分割センサ５の出力は、レン
ズ２を移動させて、常に測定対象面３上に焦点を合わせ
る自動焦点機構の帰還信号として利用されている。

（発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記のようなシリンドリカルレンズ４お
よび４分割センサ５を使用した変位変換器においては、
測定対象面３に傾きがあると、第９図に示す如く、４分
割センサ５上に投影される光スポヅトの位置が中心から
ずれたものとなるので、合焦状態においても、４分割セ
ンサ５の出力Ｓ１〜Ｓ４がバランスせず、正確な自動焦
点動作を行なうことができなくなってしまう。このため
、測定対象面３の傾きは±１°以内に抑えなければなら
ない。

本発明は、上記のような従来装置の欠点をなくし、測定
対象面に比較的大きな傾きがあった場合にも、その変位
量を正確に測定することのできる変位変換器を簡単な構
成により実現することを目的としたものである。

〔問題点を解決するための手段］ 本発明の変位変換器は、レンズを介して測定対象面に光
を照射するとともに、測定対象面上に常に焦点が合うよ
うにレンズの位置を移動させ、この時のレンズの移動量
から前記測定対象面の変位量を測定するようにした変位
変換器において、点光源から出射される光束をレンズを
介して測定対象面上に照射するとともに、光の入射位置
を検出することのできるポジションセンサを等価的に点
光源と同じ位置に配置して、二のポジションセンサの出
力をレンズおよび点光源等の位置を移動させる自動焦点
機構の帰還信号として利用するようにしたものである。

〔作　用〕

このように、光源として点光源を使用するとともに、等
価的に点光源と同じ位置にポジションセンサを配置する
ようにすると、合焦枦態においては、測定対象面からの
反射光がポジションセンサ（点光源）の位置で実像を結
ぶことになり、しかもこの時の反射光におけるポジショ
ンセンサへの入射位置は常に一定となるので、ポジショ
ンセンサの出力状態から測定対象面上に焦点が合ってい
るか否かを検出することができ、ポジションセンサの出
力を自動焦点機構の帰還信号として利用することにより
、測定対象面の変位量を自動的に測定することができる
。また、測定対象面からの反射光が実像を結ぶ位置は、
光束の経路にかかわらず一定（点光源の位置）であるの
で、測定対象面が傾いていた場合にも、その反射光がレ
ンズに入射しさえすれば、変位量の測定を正確に行なう
ことができる。

〔実施例］ 第１図は本発明の変位変換器の一実施例を示す構成図で
ある。図において、前記第７図と同様のものは同一符号
を付して示す。７は例えばレンズ２の軸上に配置された
点光源、８はハーフミラ−６を介して等価的に点光源７
と同じ位置に配置されたポジションセンサである。点光
源７から出射された光束は、レンズ２の軸にガして一定
の角度を有しており、レンゲ２を介して測定対象面３に
照射されている。また、測定対象面３により反射された
光は、レンズ２およびハーフミラ−６を介してポジショ
ンで〉す８に入射している。さらに、レンズ２．ハーフ
ミラ−６、焦光ｆｉ７およびポジションセンサ８は一体
に支持されるとともに、自動焦点機ＷＪ（図示せず）に
よって３動させられ、測定対象面３との距離を任意に調
節されている。

第２図はレンズ２を介して入射する反射光の入射位置を
検出するポジションセンサ８の一＠ソ示す構成図である
。図に示すように、ポジションセンサ８は高抵抗シリコ
ン８１（１層）の片面あるいは両面に均一なｐ形抵抗Ｉ
Ｉ！ｉ８２を設けるとともに、表面層に光電効果を持っ
たＰＮ接合を形成し、さらに、層の両端に信号を取り出
すための一対の電［Ａ、Ｂを設けたものである。二のよ
うな構成を有するポジションセンサ８においては、電極
Ａ。

８間の距離をＬ１砥抗をＲＬとし、電極Ａより光の入射
位置までの距離をＸ、その部分の抵抗をＲｘとすれば、
光の入射位置で発生した光生成電荷は、光の入射エネル
ギーに比例する光電流！０となり、抵抗値Ｒｘおよび（
ＲＬ　−Ｒｘ）に応じて分割されて、電流ＩＡ、ＩＢと
して両端の電１１ｉＡ　、　Ｂから取り出される。した
がって、この電流ＩＡ、１ＢはＩＡ−１ｏ　（ＲＬ−Ｒ
ｘ）　／ＲＬ−１ｏ　（Ｌ　−ｘ）　／ＬＩＢｍ　Ｔｏ
　−Ｒｘ／　ＲＬ−Ｉｏ−ｘ　／　Ｌとなり、各電流Ｉ
Ａ、１Ｂの比ＩＡ／　ＩＢはＩＡ／ＩＢ＝　　（Ｌ、　
−ｘ）　　／　ｘとなるので、電流Ｉ＾、ＩＢの値を求
めることにより、入射エネルギーの大きさとは無関係に
、光の入射位置を知ることができる。

第３図は上記のような動作原理を有するポジションセン
サ８を二次元的に構成したものである。

図に示すように、各電極Ａｘ　、　Ａｙ　、　Ｂｘ　、
　Ｂｙから取り出される′Ｋｔ′！ｌＬの比は、光の入
射位置におけるＸ軸方向およびＹ軸方向の位置情報を含
んでおり、これらを演算処理することにより、二次元的
な入射位置を知ることができる。

さて、第１図に戻って、測定対象面３上に焦点が合って
いる場合（合焦状態）には、焦光ｆ１７とレンズ２との
距離を追１、レンズ２と測定対象面３との距離をＱ２、
レンズ２の焦点距離をｆとすれば、 １／Ｑｌ　＋１／Ｑ２−１／ｆ の関係式が成り立ち、測定対象面３からの反射光はレン
ズ２を通った後、点光源７の位置で実像を結ぶように返
ってくることになる。この時、焦光１２７の位置には等
価的にポジションセンサ８が配置されているので、反射
光はポジションセンサ８上に入射し、その入射位置がポ
ジションセンサ８によって検出される。

次に、測定対象面３が図中の３゛の位置まで変位したと
すると、測定対象面３が照射される光束の焦点位置から
外れるので、反射光の経路は破線で示す如く移動し、こ
れに伴って、反射光におけるポジションセンサ８への入
射位置も移動することになる。また、この時には、反射
光の結像位置もポジションセンサ８上からずれているの
で、ポジションセンサ８にはある程度法が（１を持った
スポットが入射するようになる。

第４図はポジションセンサ８上における反射光の入射位
置とスポットの大きさとの関係を示したものである。図
において、合焦状態における反射光の入射位置をＰＯと
すれば、この時のスポット停が最も小さく、測定対象面
３が焦点位置からずれるにつれて、入射位置もＰＬ、Ｐ
２方向あるいはＰ３゜なってゆく。例えば、測定対含面
３が焦点位置より近くなった１１１に、入射位置がＰ１
方向へ移動したとすると、測定対象面３が焦点位置より
遠（なった時には、入射位置は逆にＰ３方向へと移動す
る。

このように、ポジションセンサ８を等価的に点光源７と
同じ位ｎに置いておくと、測定対象面３の位置に応じて
ポジションセンサ８上の反射光の入射位置が変化するの
で、ポジションセンサ８の出力から合焦状態を知ること
ができ、この出力を帰還信号として自動焦点ｔ１！横を
構成すれば、点光源７から出射された光束が常に測定対
象面３上に焦点を結ぶように、レンズ２等を移動させる
二とができ、この時の移動量から測定対象面３の変位量
を自動的に測定することができる。

ここで、測定対象面３にｔｔ！４．！！−があった場合
を考えてみる。この場合には、測定対象面３から反射さ
れる光の経路が第１図の場合と異なることになるが、レ
ンズ２の性質上、焦点位置が測定対象面３上にあれば、
その反射光が結像する位置は変化しないので、反射光に
おけるポジションセンサ８上の入射位置も変化せず、上
記の場合と同様に、７．ポジションセンサ８の出力から
合焦状態を正確に検出することができる。なお、測定対
象面３が傾いている時には、ポジションセンサ８におけ
る反射光の入射位置は、例えば第５図の如く変化し、測
定対象面３の変位とともに移動する。図から明らがμよ
うに、測定対象面３が焦点位置にある時の入射位置ＰＯ
は前記した第４図の位置と等しいので、この時のポジシ
ョンセンサ８の出力も等しい、伯であり、測定対象：ｆ
ｊ３の傾きの影グを受けることなく、変位量の測定を行
なうことができる。

第６図は本発明の変位変換器に使用される自動焦点８１
構の一例を示す構成図である。図において、８はポジシ
ョンセンサであり、前記した如く、反射光の入射位δに
応じた出力信号Ｓ（Ｘ、Ｙ）を発生する。９はサーボア
ンプで、目標値ＳＥＴと帰還信号Ｓ（Ｘ、Ｙ）との差Δ
Ｓに応じて、前記レンズ２等を移動させるための駆動信
号Ｓｄを発生する。ｌＯはパワーアンプ、１１はレンズ
２等を移動させるモータ、１２はポジションでンサ８に
おける感度を測定し、サーボアンプ９におけるサーボゲ
インを適当な値に変更するゲイン調整回路である。ｓｗ
はサーボアンプ９の出力とゲイン調整回路１２の出力と
を選択的にパワーアップ１【〕に供給するスイッチであ
る。

上記のように４Ｉξ成された自動焦点機構においては、
目標（ＩＲ５ＬＴは合焦状態におけるポジションセンサ
８の出力Ｓ（Ｘ、Ｙ）と等しく設定されており、サーボ
アンプ９は偏差ΔＳが零となるようにモータ１１を駆動
するので、レンズ２等は照射する光束の焦点が常に測定
対象面３上に来るように移動させられる。したがって、
このモータ１１の駆動量は測定対象面３の変位量に比例
したものとなるので、この駆動量またはレンズ２等の移
動量を検出することにより、測定対象面３の変位量を測
定することができる。なお、スイッチｓｗは通常はサー
ボアンプ９＠に接続されている。− 二一二で、前記したように、測定対象面３が傾きを持っ
ていた場合には、ポジションセンサ８上にお番うる反射
光の入射位置が変化し、その変化の割合（ゲイン）も測
定対象面３の傾きに応じて変化する。したがって、上記
の自動焦点機構においては、自動焦点動作とは別に、モ
ータ１１を一定量だけ動かし、この時のポジションセン
サ８における出力変化を検出することにより、測定対象
面３の（）Ｊｌ？に応じたポジションセンサ８のゲイン
を測定′７、予め与えられたデータに従ってサーボアン
プ９のサーボゲインを変更している。このような調整動
作はゲイン調整回路１２によって行なわれるもので、ス
イッチＳＷはこの期間だけゲイン調整回路１２側に接続
される。

また、上記のようなポジションセンサ８におけるゲイン
変化、すなわち反射光の入射位置変化の性質を利用すれ
ば、ポジションセンサ８のゲイン変化から逆に測定対象
面３の傾きを測定することも可能である。すなわち、合
焦状態からレンズ２等を一定量だけ変位させ、この時の
ポジションセンサ８における出力変化を測定すれば、こ
の時の反射光の入射位置の変化量および変化する方向は
測定対象面３の傾きに対応しているので、予め測定して
おいたデータと比較することにより、測定対象面３の傾
きを知ることができる。

なお、上記の説明においては、焦光′／ｎ７をレンズ２
の軸上に配置するとともに、ポジションセンサ８をハー
フミラ−６を使用して等両市に点光源７と同じ位Ｕに配
置した場合を例示したが、焦光、源？とポジションセン
サ８との部首関係はこれに限られるｔ、のてはかい。ま
た、焦光１１ｆｆ１７がら出射された光および測定対象
面３がらの反射光の経路を変更する手段はハーフミラ−
６に限られるものではなく、例えば、プリズムや偏光ビ
ームスプリッタのようなものであってもよい。さらに、
測定対象面３に光を照射するとともに、測定対象面３か
らの反射光を４τジシヨンセンサ８上に結像させるレン
ズｉは、一枚のレンズに限られるものではな（、独立し
た部分レンズを組み合わせたものであって十・よい、特
に、点光源７がら出射された光がレンズ２に入射する位
６は常に変化しないので、その周囲のレンズ部分は必要
とされない場合が多い。

（発明の効果〕 以上製明したように、本発明の変位変換器では、レンズ
を介して測定対象面に光を照射するとともに、測定対象
面上に常に焦点が合うようにレンズの位置を移動させ、
この時のレンズの移動量から前記測定対象面の変位量を
測定するようにした変位変換器において、点光源から出
射される光束をレンズを介して測定対象面上に照射する
とともに、光の入射位置を検出することのできるポジシ
ョンでンサを等両市に点光源と同じ位置に配置して、・
このポジションセンサの出力をレンズおよび点光源等の
位置を移動させる自動焦点［構の帰還信号とし５て利用
するようにしているので、合焦状態においては、測定対
牙面からの反射光がポジションセンサ（照光源）の位置
で実像を結ぶことになり、しかもこの時の反射光におけ
るポジションセンサへの入射位置は常に一定となるので
、ポジションセンサの出力状態から測定対象面上に焦点
が合っているか否かを検出することができ、測定対象面
に比酸的大きな傾きがあった場合にも、その変位量を正
確に測定することのできる変位変換器を筒中な構成によ
り実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の変位変換器の一実施例を示す構成図、
第２図および第３図は本発明の変位変換器に使用される
ポジションセンサの一例を示す構成図、第４図および第
５図はポジションセンサ上における反射光の入射位置お
よびスポットの状態をポす説明図、第６図は本発明の変
位変換器に使用される自動焦点ｍ横の一例を示す構成図
、第７図は従来の変位変換器の一例を示す構成図、第８
図および第９図は第７図に示す変位変換器に使用される
４分割センサにおける入射光のスポット膨軟を示す説明
図である。 １　・・・光源、２・・・レンズ、３・・・測定対象面
、４・・・シリンドリカルレンズ、５　・・・４分割セ
ンサ、６・・・ハーフミラ−１７・・・点光源、８・・
・ポジションセンサ、９・・・サーボアンプ、　１０・
・・パワーアンプ、　１１・・・モータ、１２・・・ゲ
イン調整回路、ＳＷ・・・スイッチ。 第１図 第２図　　　　第３図 第４図　　　第５°図 第ム図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レンズを介して測定対象面に光を照射するとともにこの
   測定対象面上に常に焦点が合うように前記レンズの位置
   を移動させこの時のレンズの移動量から前記測定対象面
   の変位量を測定するようにした変位変換器において、前
   記レンズとともに移動する点光源と、等価的に前記点光
   源と同一位置に配置され前記レンズとともに移動するポ
   ジションセンサと、このポジションセンサの出力を受け
   この出力が一定の値となるように前記レンズの位置を移
   動させる自動焦点機構とを具備してなる変位変換器。