JPH0267911A

JPH0267911A - 距離測定装置

Info

Publication number: JPH0267911A
Application number: JP63219868A
Authority: JP
Inventors: Tomohide Hamada; 智秀浜田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1990-03-07
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JP2674129B2

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）本発明は距離測定装置、特に、光ビームを用いて被測定
面との距離を測定するものに関する。

（従来の技術）従来のこの種の装置に係わる技術としては、三角測量に
基づいた特開昭５２−１６２９１１号がある。

このものは、レーザ光源からのレーザ光を投光レンズ、
揺動ミラーを介して斜め方向から被測定対象面に投光す
る投光光学系と、被測定対象面に光軸をほぼ垂直に設け
られた受光レンズ、及び受光レンズで集光されたレーザ
光を光電変換する光電変換素子を宵する受光光学系と、
を有し、揺動ミラーを回転してレーザ光の被測定対象面
への入射角を変え、受光素子から得られる信号が最大に
なったときのｔ３動ミラーの回転角θをもとめれば、受
光レンズの中心と揺動ミラーの回転中心との距離をｄと
して、受光レンズの中心と被測定対象面までの距離りは
ｄ／ｌａｎθで求めることができる。

（発明が解決しようとする問題点）このような三角測量に基づいた装置は、被測定対象面へ
のレーザ光の投光方向と受光光学系の光軸とはある角度
をもっているので、被測定対象面が鏡面であったり、表
面荒さの小さい場合（研削面やラップ面）には、受光光
学系に反射光が返って来す、測定不能となりたり、返っ
て来たとしてもＳ／Ｎの非常に悪い測定となり誤差が大
きくなっていた。

そこで本発明は、被測定対象面の表面性状を選ばず、す
なわち、被測定対象面が拡散面であるのみならず、正反
射成分の強い金属であったり、またガラスのような鏡面
でありでも、非接触にて高精度測定を実現できる装置を
提供することを目的とする。

（問題点を解決する為の手段）本発明は、ビームスプリッタ（１）と、前記ビームスプ
リッタ（１）と被測定対象面（６）との間に配設される
対物レンズ（２）と、前記ビームスプリッタ（１）、前
記対物レンズ（２）を介して前記被測定対象面（６）上
に光ビームを投光する光１ｌｌｉＩ装置（３）と、前記
光源装置（３）により投光された光ビームの前記被測定
対象面（６）での反射光を前記対物レンズ（２）、前記
ビームスブリック（１）を介して入光し、反射ビームの
方向を連続的に変化させる回転反射鏡（４）と、前記回
転反射鏡（４）による反射ビームを入光し、入射ビーム
の大きさを表す信号を出力する受光袋Ｗ（５）と、前記
入射ビームの大きさが最も小さくなったときの前記入射
ビームの位置を求め、この位置から前記測定対象面（６
）の位置に係わる信号を出力する検出装置（２０）〜（
２７）とを有することを特徴とする距離測定装置である
。

（作　用）本発明においては、被測定対象面上に光ビームを投光す
る投光光学系（光源装置、ビームスプリッタ、対物レン
ズ）と、被測定対象面からの反射光を受光する受光光学
系（対物レンズ、ビームスプリンタ、回転反射鏡、受光
装置）とを共通の対物レンズを用いることによって同軸
になすことができるので、被測定対象面が鏡面や鏡面に
近い面、すなわち、金属加工片等の金属を精度よく測定
することかでき、かつ拡散面に関しては、面の傾きに対
する許容幅が大きい、という作用効果がある。

（実施例）第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例の光学系を示
す図であって、ビームスプリッタ１と、ビームスプリッ
タ１と被測定対象面６との間に配設される対物レンズ２
と、ビームスプリッタ１及び対物レンズ２を介して被測
定対象面６上に光ビームを投光する光源装置３と、光源
装置３から射出された光ビームの被測定対象面６での反
射光を対物レンズ２、ビームスプリッタｌを介して入光
し、反射ビームの方向を連続的に変化させる回転反射饋
４と、回転琴射鏡４による反射ビ°−ムを入光し、入射
ビームの大きさを表す信号を出力する受光袋′Ｉｔ５と
、が示されている。

ビームスプリッタ１としては、ハーフプリズムの如き光
分割部材が用いられ、光源装置、３としては、レーザ光
源、及びレーザ光源からのレーザ光を対物レンズ２と共
に第１図に示した如き細い平行ビームとして被測定対象
面に投光できるようレンズ系が設けられ、回転反射１４
としては、回転中心ρによって回転もしくは揺動される
べく、モータ、ガルバノメータ等の公知の駆動装置によ
り回転駆動されるものが用いられ、受光装置としては、
ＣＣＤ、ＰＳＤの如き位置検出部材が用いられている。

而して、第１図（ａ）のように、光ビームが受光装置５
の受光面上の一端にあるときに、受光装置５の受光面上
の一端と高さＨ，にある被測定対象面の入射光の当たっ
ている位置とが共役になっており、また、第１図（ｂ）
のように、光ビームが受光装置５の受光面上の他端にあ
るときに、受光装置５の受光面上の他端と高さＨ，にあ
る被測定対象面の入射光の当たっている位置とが共役に
なっているとすれば、第１図（ａ）の状態から回転反射
鏡４が矢印Ａの方向へ回転して、光ビームが受光装置５
の受光面上の一端から他端（Ｂ方向）へ移動すると、高
さＨｌからＨ！にある被測定対象面の光ビームの入射位
置に共役になる受光装置５の受光面上の光ビーム入射位
置が一つあることになる、このとき、受光装置５の受光
面上の光ビームの径は最小になり、この最小光ビームの
径よりも、受光幅の狭い受光装Ｗ５であれば、受光装置
５からの出力信号は最大になる。

従って、受光装置からの信号の最大値を与える受光面上
の位置、もしくは回転反射鏡４の回転位！（角度）から
被測定対象面の高さが高さＨｌからＨ！の範囲で求まる
ことになる。

第２図は、第１図の光学系と共に用いられる電気回路の
ブロック図である。

第２図において１、パルス発生器２０からのパルスは、
ＣＣＤ５０の駆動装置２１に入力され、駆動装置２１は
周知の如くスタートパルスＳ、と、このスタートパルス
Ｓ１に引き続く走査パルスＳ２とをＣＣＤ５０に入力す
る。その結果、ＣＣＤ５０はその光電変換部が一端から
他端にわたって順次走査され、これら光電変換部の光電
変換信号が時系列的にＣＣＤ５０から出力されることに
なる。

一方、駆動装ｆｆ２１からのスタートパルスＳ。

と走査パルスＳ２とはカウンタ２２にも入力され、前者
はリセットパルス、後者の数はＣＣＤ５０の光電変換部
の位置を示す値として用いられる。すなわち、スタート
パルスにてリセットされた後のカウンタ２２の計数値は
、ＣＣＤ５０から出力されている充電変換信号の得られ
た充電変換部の番地にほかならない。

また、ＣＣＤ５０の出力信号は、サンプルホールド回路
、ローパスフィルタ２３に入力されて、入射ビームの大
きさが最も小さくなうたときの光電変換部の位置に対応
した時間において、ピークを有するアナログ的な信号と
なる。ローパスフィルタ２３の出力信号は微分回路２４
に入力され、ピーク位置においてゼロクロスとなる微分
信号に変換される。

この微分信号は、波形整形回路２５に入力され、波形整
形回路２５は人力信号のゼロクロス点においてパルスを
一つ発生する。波形整形回路２５から出力されるパルス
はゲート回路２６のゲート端子に入力され、ゲート回路
２６の開閉を制御する。

ゲート回路２６の入力端子には、カウンタ２２の計数値
が入力されているから、ゲート回路２６からは波形整形
回路２５からパルスが生じたとき、すなわち、入射ビー
ムの大きさが最も小さくなったときの入射ビームの入射
位置にある光電変換部の番地に対応した計数値が出力さ
れることになる。

ゲート回路２６から出力された計数値は、マイクロコン
ビニーり等の演算装置２７によって被測定対象面の高さ
に変換される。光電変換部の番地、すなわちカウンタ２
２の計数値と被測定対象面の高さとは、一対一に対応し
ているから、演算装置２７は予め計数値と被測定対象面
の高さとの対応表を備えており、入力された計数値に対
応した被測定対象面の高さを対応表から読み出すように
している。このようにして演算された被測定対象面の高
さは、表示装置２８に表示される。

なお、以上の実施例では、受光装置５としてＣＣＤ５０
を用いた例を上げたが、受光装置５としてはＣＣＤ５０
のように光量と共に光の入射位置まで検出できるものに
かぎらない。すなわち、回転反射鏡４の回転により光ビ
ームが走査する受光面の範囲をカバーするように、太陽
電池のような光電変換素子を用いることもでき、この場
合には、回転反射鏡４の回転位置を知るように、回転反
射鏡４にロータリーエンコーダの如き回転検出器を設け
ればよい、そして、受光装Ｎ５の出力信号のピーク位置
における回転反射鏡４の回転位置を求めれば、この回転
位置が被測定対象面の高さに対応しているので、受光装
′１１５の出力信号のピーク位置における被測定対象面
の高さを求めることができる。このような構成では、受
光装置５は入射光量に応じた出力が得られるものでよく
、冑価なＣＯＤやＰＳＤを使用せずに、安価な太陽電池
等が使用でき、信号処理系も簡素化されるので、装置全
体が安価になるという利点がある。

また、以上の実施例において、受光装置５の受光面の傾
きを変えることで、容易に測定感度（分解能）を変える
ことができ、さらに、測定範囲を大きく取りたい場合に
も、受光素子を長くし、回転反射鏡４の揺動範囲を大き
くするだけで済み、他の光学系等の構成要素を変更する
必要がない。

（発明の効果）以上のように、本発明によれば、被測定対象面に対し、
光ビームを垂直に入射し、垂直な方向から被測定対象面
での反射光を受光する構成であるので、鏡面や鏡面に近
い被測定対象面からの金属加工面等の粗面のものに対し
てまで、様々な面性状の測定面の測定が行なえる。

さらに、本発明では、被測定対象面の位置が変わり測定
距離が変化した場合でも、絶えず受光面上に反射ビーム
の結像している位置があり、かつ、いつもその結像して
いる状態にて距離測定を行っているので、被測定対象の
表面性状（スペックルパターン等）の影響を最小にでき
、精度の高い測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例の距離測定
装置の光学系を示す図であって、異なる貰さの被測定対
象面と共役な状態にそれぞれの光学系が設定されている
様子を示しており、第２図は、第１図（ａ）、（ｂ）の
光学系と共に用いられる電気回路のブロック図である。（主要部分の符号の説明）１・・・・・・ビームスプリッタ、２・・・・・・対物レンズ、３・・・・・・光源装置、４・・・・・・回転反射鏡、５・・・・・・受光装置。

Claims

【特許請求の範囲】

ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタと被測定対
象面との間に配設される対物レンズと、前記ビームスプ
リッタ、前記対物レンズを介して前記被測定対象面上に
光ビームを投光する光源装置と、前記光源装置により投
光された光ビームの前記被測定対象面での反射光を前記
対物レンズ、前記ビームスプリッタを介して入光し、反
射ビームの方向を連続的に変化させる回転反射鏡と、前
記回転反射鏡による反射ビームを入光し、入射ビームの
大きさを表す信号を出力する受光装置と、前記入射ビー
ムの大きさが最も小さくなったときの前記入射ビームの
位置を求め、該位置から前記測定対象面の位置に係わる
信号を出力する検出装置と、を有することを特徴とする
距離測定装置。