JPS6275308A - 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・Ｊｉ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ｊ、＋３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二車ではなくなるので、
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、（
ｓ１＋ｓ３）　−（Ｓ２＋Ｓ４）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１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ッ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五の欠点をなくし、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、平行光線をレンズにおける軸以外の位
置に入射させるとともに、レンズを介して戻って来る反
射光の光路中に第２のレンズを配置し、さらに、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この
第２のレンズにおける焦点位置に配置して、このポジシ
ョンセンサの出力をレンズ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、反射光の光路中に第２のレンズを配置する
とともに、この第２のレンズにおける焦点位置にポジシ
ョンセンサを配置するようにすると、合焦状態において
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、光束の経路に力）かねらず一定であるので、
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はレンズ２の後方に配置されたミラー
、８はレンズ２を介して戻って来る反射光の光路中に配
置された第２のレンズ、９は二の第２のレンズ８におけ
る焦点位置に配置されたポジションセンサである。光１
１から出射された光束は、レンズ２の軸と平行な光軸を
有しており、しかも、レンズ２における軸以外の位置に
入射しており、レンズ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により集光された後、ミラー７および第２のレ
ンズ８を介してポジションセンサ９に入射している。さ
らに、レンズ２は自動焦点機構〔図示せず〕によって移
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図は第２のレンズ８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９の一例を示す構成図
である。図に示すように、ポジションセンサ９は高抵抗
シリコン９１（ｉ層）の片面あるいは両面に均一なｐ形
砥抗層９２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
すための一対の電極Ａ、Ｂを設けたものである。このよ
うな構成を有するポジションセンサ９においては、電極
Ａ、Ｂ間の距離をＬ、抵抗を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Ｉａとなり、抵抗ｉＲｘおよ
び（ＲＬ　−Ｒｘ）に応じて分割されて、電流熱、ＩＢ
として両端の電極Ａ、Ｂから取り出される。したがって
、この電流１八、ＩＢはＩＡ＝　Ｉｏ　（ＲＬ−Ｒｘ）
／ＲＬ＝　Ｉｏ　（Ｌ　−ｘ）／　ＬＩＢ＝　ＩＯ−Ｒ
ｘ／ＲＬ＝　Ｉｏ　−ｘ　／　Ｌとなり、各電流ＩＡ、
ＩＢの比昆／ＩＢはＩＡ／ＩＢ−（Ｌ　−ｘ）　／　ｘ となるので、電流■八、ＩＢの佃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９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から取り出される電流の比は、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、レンズ２を介して戻って来
る反射光はレンズ２の軸と平行な光軸を有する平行光線
となるので、この反射光は第２のレンズ８を通った後、
その焦点位置で実像を結ぶようになる。この時、第２の
レンズ８における焦点位置にはポジションセンサ９が配
置されているので、反射光はポジションセンサ９上に入
射し、その入射位置がポジションセンサ９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、反射光は平行光線ではなくなるので、反射
光におけるポジションセンサ９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９上からずれているので、ポジションセンサ９にはあ
る程度広がり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９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、この時のスポット径が最も小さく、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ＰＩ　、
　Ｐ２方向あるいはＰ３゜Ｐ４方向へと移動し、スポッ
ト径もしだいに大きくなってゆく。例えば、測定対象面
３が焦点位置より近くなった時に、入射位置がＰ１方向
へ移動したとすると、測定対象面３が焦点位置より遠く
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９を第２のレンズ８にお
ける焦点位置に置いておくと、測定対象面３の位置に応
じてポジションセンサ９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９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を型溝
を構成すれば、光源１から出射された光束が常に測定り
を色面３上に焦点を結ぶように、レンズ２を移動させる
ことができ、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に傾きがあった場合を考えてみる
。この場合には、？１１１１定対象而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および８の性質上、焦点位置が測定対象面３上にあれ
ば、その反射光はレンズ２の軸と平行な光軸を有する平
行光線となり、反射光が第２のレンズ８を介して結像す
る改行は変化しないので、反射光におけるポジションセ
ンサ９上の入射位置も変化せず、上記の場合と同様に、
ポジションセンサ９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９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。図から明らかなように、測定対象面３が焦
点改行にある時の入射位置ＰＯはＩｌｉ前記した第４図
の改行と等しいので、この時のポジションセンサ９の出
力も等しい値であり、測定対象面３の傾きの影習を受け
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機構
の一例を示す構成図である。図において、９はポジショ
ンセンサであり、前記した如く、反射光の入射位置に応
じた出力信号Ｓ（Ｘ、Ｙ）を発生する。１０はサーボア
ンプで、目標＃ＳＥＴと帰還信号Ｓ（Ｘ、Ｙ）との差Δ
Ｓに応じて、前記レンズ２を移動させるための駆動信号
Ｓｄを発生する。１１はパワーアンプ、１２はレンズ２
を移動させるモータ、１３はポジションセンサ９におけ
る感度を測定し、サーボアンプ１０におけるサーボゲイ
ンを適当な値に変更するゲイン１ｉＩＩ整回路である。

ＳＷはサーボアンプ１０の出力とゲインｉ整回路１３の
出力とを選択的にパワーアンプ１１に供給するスイッチ
である。

上記のように構成された自動焦点機構においては、目標
値ＳＥＴは合焦状態におけるポジションセンサ９の出力
Ｓ（Ｘ、Ｙ）と等しく設定されており、サーボアンプ１
０は偏差ΔＳが零となるようにモータ１２を駆動するの
で、レンズ２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１２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１
０側に接続されている。

ここで、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９上における反射光の
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
１２を一定量だけ動かし、この時のポジションセンサ９
における出力変化を検出することにより、測定対象面３
の傾きに応じたポジションセンサ９のゲインを測定し、
予め与えられたデータに従ってサーボアンプ１０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
調整四路１３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１３側に接続される。

また、上記のようなポジションセンサ９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９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を一定量だけ変位させ、この時のポ
ジションセンサ９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、光源１から出射された平
行光線をレンズ２の軸と平行に入射させる場合を例示し
たが、平行光線の光軸は必ずしもレンズ２の軸と平行で
ある必要はない。また、測定対象面３に光を照射すると
ともに、測定対象面３からの反射光をポジションセンサ
９方向に集光するレンズ２は、一枚のレンズに限られる
ものではなく、独立した部分レンズを組み合わせたもの
であってもよい。特に、光源１から出射された光がレン
ズ２に入射する改行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〕

以上説明したように、本発明の変位置ｔＡｍ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、平行光線を
レンズにおける軸以外の位置に入射させるとともに、レ
ンズを介して戻って来る反射光の光路中に第２のレンズ
を配置し、さらに、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この第２のレンズにおける焦点位
置に配置して、このポジションセンサの出力をレンズの
位置を移動させる自動焦点ｊＭ横の帰還信号として利用
するにうにしているので、合焦状態においては、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示す説明図、第６図は本発明の変
位変換器に使用される自動焦点機構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形状を示す説明
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・・・ミラー、８・・・第
２のレンズ、９・・・ポジションセンサ、１０・・・サ
ーボアンプ、１１・・・パワーアンプ、１２・・・モー
タ、１３・・・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

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、平
   行光線を前記レンズ上の軸以外の位置に入射させる光源
   と、前記レンズを介して戻つて来る反射光の光路中に配
   置された第２のレンズと、この第２のレンズにおける焦
   点位置に配置された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。