JPS63196807A - 光学式変位計測方法 - 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、光学式変位計測方法に関するものであり、例
えば情報記録媒体としてのディスクやテープ等の微小な
変位を計測できるものである。

（従来の技術） 被測定物の微小な変位の光学的な検出器として第３図、
第４図に示されているようなものが知られている。第３
図のものは日本機械学会論文５２巻４７７号Ｎ０．８５
−０７８０Ｂに記載されており、第４図のものは日本機
械学会誌８７巻７９１号１１８７ページに三次元変位計
測システムとして記載されている。

第３図記載のものは、プローブスタンド６２にプローブ
７２を保持したＸ−Ｙステージ６８を設け、パルスゼネ
レータ６６からのパスルによりパルスモータ６４を回転
させてプローブ７２をＸ−Ｙステージ６８ごと上下動さ
せるようにし、プローブ７２がら被測定物７０の被測定
面７０１に光を照射し、被測定面７０１からの反射光を
プローブ７２で検出し、センサコントローラ７４を介し
て記録計７６及びＸ−Ｙレコーダ７８に入力するように
なっている。これは、プローブ７２から被測定面７０１
に向けて照射した散乱光が被測定面７０１で反射されて
プローブ７２に入射するとき、入射光量が被測定面７０
１の変位量に対し指数関数的に変化することから、この
変化量をＸ−Ｙ座標上で記録しようとするものである。

第４図記載のものは、被測定物８０の像を３軸移動台８
６上に保持した変位計８８で撮像し、この撮像信号を、
偏向ヨークやこれを駆動するパルスゼネレータや位相復
調回路等を含むネ★出部９０で処理することにより、変
位計８８の出力と上記ゼネレータの信号との位相関係か
ら被測定物８０の上下方向の変位信号を検出し、これを
アナログ・デジタル変換器９２でデジタル信号に変換し
、これをパソコンを含む演算部９４で演算処理すること
によって被測定物８０の上下方向の変位量を知ることが
できるようにしたものであり、また、被測定物８０に対
しては光源８２から光学系８４を介して光を斜め方向か
ら照射すると共に、光学系８４に含まれるナイフェツジ
によって照射光の上部を力ｙ）し、被測定物８０が光軸
方向に変位すると、被測定物８０に照射される光スポツ
ト位置が被測定物８０上において上下方向に移動するこ
とを利用し、これを変位計８８でとらえ、この光スポツ
ト位置信号を検出部９０を介して検出し、これをアナロ
グ・デジタル変換器９０でデジタル信号に変換したあと
演算部９４で演算処理することにより、検出光学系の光
軸方向への被測定物８０の変位を知ることができるよう
にしたものである。

（発明が解決しようとする問題点） 第３図に示されているような変位検出器によれば、被測
定物に対して焦点を結ばせるのではなく、散乱光を照射
するため、光軸に対して被測定面の角度が僅かでも変化
すると反射光量が大幅に変化し、変位測定値の誤差が大
きくなるという問題がある。

また、第３図及び第４図に示した何れの変位検出器の場
合も、装置の構成が大掛りなものであり、各種の多くの
部品が入り組んだ被測定物に対してはプローブや変位計
をセットすることが困難であり、小回りもきかず、コス
トも高くなるという問題がある。

本発明は、かかる従来の光学式変位検出器の問題点を解
消すべくなされたもので、被測定物の反射面の角度変化
による測定精度の低下を防止すると共に、被測定物の形
態に応じた形状に変更することが容易で小回りがきき、
各種の多くの部品が入り組んだ被測定物であっても容易
にセントすることができる光学式変位計測方法を提供す
ることを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、半導体レーザーと、この半導体レーザーから
の射出光を被測定物の被測定面上に集光させる集光レン
ズと、上記被測定面からの反射光を上記射出光と分離す
るビームスプリッタと、上記反射光を電気信号に変換す
る４分割光検知器と、上記ビームスプリッタと４分割光
検知器との間に配備され上記４分割光検知器への入射光
に非点収差を生じさせる非点収差発生手段とを備え、上
記４分割光検知器からの出力信号に基づいて上記被測定
面の照射光光軸方向への変位を計測する方法であって、
その特徴とするところは、上記４分割光検知器の４つの
受光部のうち分割線交点に関して点対称的に対向するも
の同士の出力を加算した２組の出力和の間の差から得ら
れる出力を、被測定面の変位信号とすることである。

（作用） 被測定物が光軸方向に変位すると、非点収差発生手段に
より４分割光検知器上に入射する光の断面形状が変化す
るため、４分割光検知器の分割線の交点に関し点対称的
に対向する一対の受光部と他の一対の受光部に入射する
光量が変化し、上記一対の受光部と他の一対の受光部の
出力差が変化する。この出力差信号から被測定物の変位
量を知ることができる。

（実施例） 第１図において、符号１０で示されている半導体レーザ
ーからの射出光はビームスプリッタ１２を透過したあと
コリメートレンズ１４で平行光束に修正され、この平行
光束は集光レンズ１６によって被測定物５０の被測定面
５０１上に集光される。被測定面５０１からの反射光は
集光レンズ１６、コリメートレンズ１４を介してビーム
スブリフタ１２に入射し、ビームスプリッタ１２で半導
体レーザー１０からの射出光と分離されて直角方向に反
射され、非点収差発生手段１８を通って４分割光検知器
２０に入射する。

この光検知器２０への入射光は非点収差発生手段１８に
より非点収差が発生している。

４分割光検知器２０は、互いに直交する方向の分割線に
より受光面が４つの受光部２ＯＡ　、２０Ｂ、２０Ｃ１
２０Ｄに４分割され、それぞれの受光部からそれぞれ出
力Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄが出力されるようになっている。上記
４つの受光部２０Ａ　、　２０Ｂ　、　２０Ｃ。

２００のうち受光部２ＯＡと２０Ｇが前記分割線の交点
ｑに関し点対称的に対向し、また、受光部２０Ｂと２０
０が上記交点ｑに関し点対称的に対向している。

対をなす受光部２０Ａと２００の出力ＡとＣは加え合わ
せられて出力和（Ａ＋Ｃ）となり、他の対をなす受光部
２０Ｂと２０Ｄの出力ＢとＤは加え合わせられて出力和
ＣＢ＋Ｄ）となる、これら出力和（Ａ＋Ｃ）と（Ｂ＋Ｄ
）は減算回路２２に入力され、減算回路２２からは、上
記４分割光検知器２０の４つの受光部のうち分割交点ｑ
に関して点対称的に対向するもの同士の出力を２組の出
力和の間の差、即ち（Ａ＋Ｃ）　−（Ｂ＋Ｄ）を演算し
、その演算信号を被測定面５０１の変位信号として出力
する。

いま、被測定物５０の被測定面５０１が基準位置にあれ
ば、照射光は被測定面５０１上に集光し４つの受光部２
０＾、２０Ｂ　、　２０Ｃ、２０Ｄは等量の光を受光す
る。被測定面５０１の位置が基準位置からずれると、非
点収差発生手段１８による非点収差のため、４分割光検
知器２０上の光束断面の形状が縦長又は横長の楕円形状
となって（Ａ　＋　Ｃ）≠（Ｂ＋Ｄ＞となり、減算回路
２２で得られる（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）なる変位信号が
正又は負になる。第２図は被測定面５０１の変位に対す
る上記変位信号の変化を示す、この変位信号の正負によ
り被測定面５０１の変位方向を知ることができ、上記変
位信号の大きさで変位量を知ることができる。

なお、実際の変位計測には、第２図に示されているよう
な変位信号の中央部のほぼリニアに変化する部分を用い
る。

以上述べた実施例によれば、被測定面に焦点を結ばせる
ようにしたため、反射角度による反射光量の変動が少な
くなり、反射面の角度変化による測定誤差が著しく減少
するという効果がある。また、変位計測に用いる光学系
は簡単な光学部品による簡単な構成のもので足りるため
、小型化が可能であり、計測の自由度が向上すると共に
多種多様の被測定物を計測の対象とすることができる。

さらに、変位信号を得るための演算処理は減算のみでよ
いので、演算が簡単であると共に変位計測に用いる装置
全体が小型で安価になるという効果を奏する。

なお、図示の実施例に見られるコリメートレンズ１４は
本発明に必須のものではないが、コリメートレンズ１４
を用いれば、レーザー光をコリメートレンズ１４により
平行光束にしたあと集光レンズ１６によって被測定面５
０１上に集光させることができるため、半導体レーザー
１０からの出射光を直角に曲げて被測定面５０１上に集
光させることもでるし、被測定物の姿勢に応じ光路を任
意に伸縮させ、また集光レンズ１６からの射出方向を回
動させることもできるため、あらゆる形態の被測定物の
変位計測に用いることができる。

非点収差発生手段としては、シリンドリカルレンズや、
光軸に対して傾けたガラス板等を用いることができるが
、第１図にはシリンドリカルレンズを用いた例が示され
ている。

第１図に示されている４分割光検知器２０の各受光部２
０Ａ　、　２０Ｂ　、　２０Ｃ，２００からの出力Ａ、
Ｂ。

Ｃ，Ｄをデジタル信号に変換し、このデジタル信号を用
いて必要な演算をコンピュータで行い、変位信号を得る
ようにしてもよい。

（発明の効果） 本発明によれば、被測定面に焦点を結ばせるようになっ
ているため、反射角度による反射光量の変動が少なくな
り、反射面の角度変化による測定誤差が著しく減少する
という効果がある。また、変位計測に用いる光学系は簡
単な光学部品による簡単な構成のもので足りるため、小
型化が可能であり、計測の自由度が向上すると共に多種
多様の被測定物を計測の対象とすることができる。さら
に、変位信号を得るための演算処理は減算のみでよいの
で、演算が簡単であると共に変位計測に用いる装置全体
が小型で安価になるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式変位計測方法の実施例を示
す光学配置図及び信号処理系統のブロック図、第２図は
同上実施例の動作を説明するための線図、第３図は従来
の光学式変位検出器の一例を示すブロック図、第４図は
従来の光学式変位検出器の別の例を示すブロック図であ
る。 １０・・半導体レーザー、１２・・ビームスプリッタ、
　１６・・集光レンズ、　１８・・非点収差発生手段、
　２０・・４分割光検知器、　５０・・被測定物、　　
５０１・・被測定面。 う　／　口 づＺ口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザーと、この半導体レーザーからの射出光を
   被測定物の被測定面上に集光させる集光レンズと、上記
   被測定面からの反射光を上記射出光と分離するビームス
   プリッタと、上記反射光を電気信号に変換する４分割光
   検知器と、上記ビームスプリッタと４分割光検知器との
   間に配備され上記４分割光検知器への入射光に非点収差
   を生じさせる非点収差発生手段とを備え、上記４分割光
   検知器からの出力信号に基づいて上記被測定面の照射光
   光軸方向への変位を計測する方法であって、上記４分割
   光検知器の４つの受光部のうち分割線交点に関して点対
   称的に対向するもの同士の出力を加算した２組の出力和
   の間の差から得られる出力を、被測定面の変位信号とす
   ることを特徴とする光学式変位計測方法。