JPH04276514A - 非接触変位測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、測定対象の変位量を非
接触で測定することができる非接触変位測定装置に関し
、特に測定対象の表面状態に関わらず、これに対応して
常に正確な変位量を測定することができる非接触変位測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】測定対象の寸法、形状、振動、等の変位
測定は光学系を用いた非接触変位測定装置により高精度
に測定することができる。図４は従来の非接触変位測定
装置３９の構成を示すブロック図であり、この図を用い
て変位の測定動作を説明すると、半導体レーザ４０から
放射された光は照明レンズ４１を通り細く絞られ、Ｌ１
の位置にある測定対象Ｂに照射され測定対象のｂ１の位
置に光スポットが形成される。測定対象Ｂの表面で反射
、散乱した光の一部を結像レンズ４３でとらえ、光スポ
ットの像を光検出素子４４の受光面上に投影すると、光
スポットの像がｃ１に形成される。

【０００３】結像レンズ４３で作られた反射点の像は、
測定対象Ｂが前後に移動すると、それに応じて光検出素
子４４上を移動する。測定対象ＢがＬ２の位置に移動す
ると光スポットがｂ２の位置に移り、それに応じて結像
レンズ４３で作られる光スポットの像も光検出素子４４
上でｃ２に移動する。光検出素子４４の両側の端子４４
ａ，４４ｂからは光スポットの像の光量と位置に依存し
た電流が発生する。この電流ｉ１，ｉ２は電圧変換され
、それぞれＶ１，Ｖ２とされ、図示しない処理部でＶ１
，Ｖ２の和と差の信号をつくり除算されると、像の光量
変化によらず光スポットの位置のみによって決まる変位
出力が得られる。光スポット位置（測定対象Ｂの位置）
と光スポットの像の位置は一定の関係をもつのでこの変
位出力により測定対象Ｂの位置を知ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、測定範囲内
で、測定対象Ｂの位置を変化させたときに生ずる測定誤
差の許容値を直線性として定義しているが、この直線性
は、測定対象Ｂの表面状態により異なるものである。 尚、測定対象Ｂの標準試料としては鏡面を有する物体、
あるいは白色散乱体のいずれかが用いられている。した
がって、上記従来の非接触変位測定装置では、測定対象
Ｂの表面状態が場所により異なり反射率が変わる場合に
は、直線性が得られず、測定誤差を生じ正確な変位の測
定を行うことができなかった。上記欠点は、測定対象Ｂ
の表面状態を検知するセンサが提供されていないことも
要因となっている。

【０００５】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、測定対象の表面状態を常時監視し、測
定対象の表面状態にかかわらず常に直線性を得ることが
でき高精度な変位測定を行うことができる非接触変位測
定装置を提供することを目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
、本発明の非接触変位測定装置は、測定対象Ｂに対し光
学系を用いて非接触に変位を測定する非接触変位測定装
置において、測定対象に対し出射光Ｎ１を出射する投光
部３、及び測定対象からの反射光Ｎ２を受光する受光部
４が設けられた主光学系２と、該主光学系の近傍に設け
られ、測定対象の散乱光Ｗを偏光状態で透過する偏光フ
ィルタ１７、及び受光素子１８が設けられた散乱光検出
用光学系１５と、前記主光学系の検出出力に基づき測定
対象の変位に対応する変位出力信号Ｓ１を出力する処理
部１０と、前記散乱光検出用光学系の検出出力に基づき
測定対象の表面状態に対応する補正用データＳ４により
前記変位出力信号Ｓ１を補正出力する直線補正部２０と
、を具備することを特徴としている。

【０００７】

【作用】測定対象Ｂは、表面状態が異なることにより直
線性が異なってくる。主光学系２、および処理部１０で
測定対象Ｂの変位出力信号Ｓ１が得られる。さらに散乱
光検出用光学系１５ではこの測定対象Ｂの散乱光に基づ
き表面状態を検出する。また、直線補正部２０によりこ
の表面状態に対応した直線性の補正用データＳ４が得ら
れる。これにより、測定対象Ｂの表面状態が自動的に検
出でき、この表面状態に対応して補正した変位出力信号
Ｓ１を得ることができる。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明の非接触変位測定装置の実施
例を示すブロック図である。センサヘッド１には、主光
学系２としての投光部３、及び受光部４が設けられる。 投光部３には、所定波長（例えば７８０ｎｍ）の光を出
射する半導体レーザ５が設けられる。この半導体レーザ
５の出射光Ｎ１は照明レンズ６を通り細く絞られ測定対
象Ｂに光スポットｂが照射される。受光部４は、結像レ
ンズ７、光検出素子８により構成され、結像レンズ７は
、測定対象Ｂの表面で反射した反射光Ｎ２の一部を捉え
、光スポットｂの像を光検出素子８の受光面上のｃ部分
に投影する。ここで、出射光Ｎ１，反射光Ｎ２は測定対
象Ｂに対し所定角度Ｒを有して正反射の関係とされ、こ
のため投光部３、受光部４はこの所定角度Ｒに沿って配
置されている。

【０００９】そして、結像レンズ７で作られた反射点の
像は、測定対象ＢのＬ１−Ｌ２方向の変位に対応する光
スポットｂ１−ｂ２の移動に応じて光検出素子８上をｃ
１−ｃ２方向に移動する。光検出素子８は、ポジション
センサによって構成されており、２つの端子８ａ，８ｂ
からは光スポットｂの像の光量と位置に依存した電流ｉ
１，ｉ２が出力される。この出力は、各々電流−電圧変
換部９ａ，９ｂで電圧信号Ｖ１，Ｖ２に変換後、処理部
１０に出力される。

【００１０】処理部１０は、電圧信号Ｖ１，Ｖ２に基づ
きこれら電圧信号Ｖ１，Ｖ２の差を演算する減算部１１
、和を演算する加算部１２が前段に設けられる。さらに
減算部１１、加算部１２の出力は、除算部１３に入力さ
れて除算演算され、直線化するリニア補正部１４を介し
て出力される。これにより、測定対象Ｂの像の光量変化
に関わらず光スポットｂの位置のみによって決まる変位
出力信号Ｓ１が得られる。

【００１１】上記センサヘッド１の主光学系２の中間部
分、つまり投光部３及び受光部４間には、散乱光検出用
光学系１５が設けられる。散乱光検出用光学系１５は、
測定対象Ｂに照射される出射光Ｎ１の散乱光Ｗを検出す
る。測定対象Ｂに向いて設けられる干渉フィルタ１６は
、前記出射光Ｎ１の波長の光のみを透過させる。この干
渉フィルタ１６に隣接して偏光フィルタ１７が設けられ
、偏光された光が受光素子１８に入射する。これにより
受光素子１８は、測定対象Ｂの散乱光Ｗの受光レベル、
すなわち測定対象Ｂの表面状態に応じた散乱光出力信号
Ｓ２が得られる。

【００１２】この散乱光出力Ｓ２は、直線補正部２０に
入力される。直線補正部２０は、散乱光出力Ｓ２を増幅
する増幅部２４を介し、判別回路２５に出力される。増
幅部２４前段には検波部を設けてもよい。判別回路２５
は、散乱光出力信号Ｓ２に基づき測定対象Ｂを判別する
。判別する測定対象Ｂは、光沢のある物体Ｂ１、散乱体
Ｂ２、光が内部に入り込む物体Ｂ３の３種類である。

【００１３】図３に示すのは、表面状態が異なる各測定
対象Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の直線性を示すグラフである。そ
して、測定範囲（Ｌ１−Ｌ２；但し、Ｌ１は最長測定位
置、Ｌ２は最短測定位置、Ｌ０は測定範囲の中心）内に
おける前記変位出力信号Ｓ１は、各測定対象Ｂ１，Ｂ２
，Ｂ３の変位量に応じて各々直線性が異なる。光沢のあ
る物体Ｂ１は表面状態が全反射に近く、直線性は定範囲
全域にわたり傾きが緩やかで変化分が少ない。これに対
し光が内部に入り込む物体Ｂ３は吸収作用により近距離
測定になる程、誤差が拡大する右下がりの傾きが急な直
線性である。散乱体Ｂ２は、反射作用によりこれらの中
間特性を示している。

【００１４】ところで、散乱体Ｂ２と、光が内部に入り
込む物体Ｂ３は、通常、受光レベルのみで見た場合には
、ほぼ同一レベルであり判別が困難である。しかしなが
ら本発明者は、これら散乱体Ｂ２と、光が内部に入り込
む物体Ｂ３の散乱光Ｗは、それぞれ偏光状態が異なるこ
とを発見し、前記偏光フィルタ１７を用いることにより
これらの受光レベルに差をもたせ受光素子１８で検出を
行い散乱光出力信号Ｓ２を出力して判別回路２５は各測
定対象Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３のいずれであるかの判別を行う
ことができる。

【００１５】判別回路２５は、この判別結果に基づき各
測定対象Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３に対応した補正信号Ｓ３を補
正データ部２６に出力する。補正データ部２６には、予
め各測定対象Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３毎に予想される直線性（
前記図３参照）に対応する補正データが記憶されている
。そして、補正信号Ｓ３の入力により各測定対象Ｂの直
線性に対応する補正用データＳ４をリニア補正部１４に
出力する。これにより、リニア補正部１４は、変位出力
信号Ｓ１を各測定対象Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３の直線性に対応
させるべく補正して出力する。

【００１６】以上の構成により例えば、光が内部に入り
込む物体Ｂ３上に、光沢のある物体Ｂ１及び散乱体Ｂ２
がそれぞれ設けられた物体の厚さを測定する場合、主光
学系２は、測定箇所のいずれかの測定対象Ｂ１，Ｂ２，
Ｂ３に対して出射光Ｎ１を出射し、処理部１０はこの反
射光Ｎ２により変位出力信号Ｓ１を出力する。同時に散
乱光検出用光学系１５、直線補正部２０により出射光Ｎ
１の散乱光Ｗを用いてこの測定箇所の測定対象が判別さ
れ、かつ生成される補正用データＳ４により前記変位出
力信号Ｓ１は測定箇所の測定対象Ｂの直線性に対応して
補正出力される。これにより、直線性が異なる測定対象
Ｂを連続して測定するときにこの測定を同一な特性で正
確に行うことができる。

【００１７】次に、図２に示すのは、上記実施例の変形
例を示すブロック図である。この実施例では前記直線補
正部２０の構成を変形している。判別回路２５が出力す
る補正信号Ｓ３は、第１、第２の定数選択回路２７ａ，
２７ｂに夫々入力される。これら第１、第２の定数選択
回路２７ａ，２７ｂは、図３に示す各測定対象Ｂ（Ｂ１
，Ｂ２，Ｂ３）の１次直線の算式ｙ＝Ｂａｘ＋ｄ（ｙ；
変位出力信号Ｓ１，Ｂ；各測定対象，ｘ；測定対象の変
位，ａ；定数（測定対象毎の直線の傾き），ｄ；測定対
象Ｂの変位０のときの誤差０に対するオフセット値）に
おけるパラメータＢ，ｄを記憶している。

【００１８】そして前記リニア補正部１４の出力は、感
度補正回路２８に入力されるとともに、この感度補正回
路２８には第１の定数選択回路２７ａの信号が入力され
、直線性の傾き分を補正してオフセット回路２９に出力
される。オフセット回路２９には第２の定数選択回路２
７ｂの信号が入力され、直線性のオフセット値分を補正
して最終的な変位出力信号Ｓ１を出力する。これにより
、補正信号Ｓ３により各測定対象Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３毎に
対応した直線性を有する変位出力信号Ｓ１を得ることが
できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、測定対象の変位は、測
定対象の表面状態を検出する散乱光検出用光学系、さら
にこの散乱光検出用光学系の出力に基づきこの表面状態
に対応する直線性で補正して出力する直線補正部を備え
た構成であり、測定対象の表面状態を自動的に検出し常
に最適な直線性を得ることができ、これにより変位測定
を高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の非接触変位測定装置の実施例を示すブ
ロック図。

【図２】同装置の他の実施例を示すブロック図。

【図３】表面状態が異なる測定対象の直線性を示すグラ
フ。

【図４】従来の非接触変位測定装置の構成を示すブロッ
ク図。

【符号の説明】

１…センサヘッド、２…主光学系、３…投光部、４…受
光部、５…半導体レーザ、６…照明レンズ、７…結像レ
ンズ、８…光検出素子、９ａ，９ｂ…電流−電圧変換部
、１０…処理部、１１…減算部、１２…加算部、１３…
除算部、１４…リニア補正部、１５…散乱光検出用光学
系、１６…干渉フィルタ、１７…偏光フィルタ、１８…
受光素子、２０…直線補正部、２４…増幅部、２５…判
別回路、２６…補正データ部、２７ａ…第１の定数選択
回路、２７ｂ…第２の定数選択回路、２８…感度補正回
路、２９…オフセット回路、Ｂ（Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）…
測定対象、ｂ…光スポット、Ｎ１…出射光、Ｎ２…反射
光、Ｗ…散乱光、Ｓ１…変位出力信号、Ｓ２…散乱光出
力信号、Ｓ３…補正信号、Ｓ４…補正用データ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　測定対象（Ｂ）に対し光学系を用いて
   非接触に変位を測定する非接触変位測定装置において、
   測定対象に対し出射光（Ｎ１）を出射する投光部（３）
   、及び測定対象からの反射光（Ｎ２）を受光する受光部
   （４）が設けられた主光学系（２）と、該主光学系の近
   傍に設けられ、測定対象の散乱光（Ｗ）を偏光状態で透
   過する偏光フィルタ（１７）、及び受光素子（１８）が
   設けられた散乱光検出用光学系（１５）と、前記主光学
   系の検出出力に基づき測定対象の変位に対応する変位出
   力信号（Ｓ１）を出力する処理部（１０）と、前記散乱
   光検出用光学系の検出出力に基づき測定対象の表面状態
   に対応する補正用データ（Ｓ４）により前記変位出力信
   号（Ｓ１）を補正出力する直線補正部（２０）と、を具
   備することを特徴とする非接触変位測定装置。