JPH0528761B2 - - Google Patents

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
３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上に焦点が合つ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ー６によりシリンドリカ
ルレンズ４を導くとともに、シリンドリカルレン
ズ４により得られる光スポツトの形状変化を４分
割センサ５によつて検出している。

すなわち、４分割センサ５上に投影される光ス
ポツトの形状は第４図に示すようなもので、測定
対象面３上に焦点が合つている時（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つているので、４
分割センサ５上の光スポツトの形状は、図中に実
線ａで示す如く、円形となつている。また、焦点
が合つていない時には、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
スポツトは破線ｂ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
たがつて、４分割センサ５における出力Ｓ１〜Ｓ
４を、例えば、（S1＋S3）−（S2＋S4）の如く演算
処理することにより、光スポツトの形状を検出し
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
５図に示す如く、４分割センサ５上に投影される
光スポツ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つてしまう。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つた場合
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
光源を等価的にレンズの軸上に配置し、この点光
源から出射される光束をレンズにおける軸上およ
びそれ以外の位置に入射させるとともに、光の入
射位置を検出することのできるパジシヨンセンサ
を等価的に点光源と同じ位置に配置して、このポ
ジシヨ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ヨンセ
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ヨンセンサ
（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ヨンセンサへの
入射位置は常に一定となるので、ポジシヨンセン
サの出力状態から測定対象面上に焦点が合つてい
るか否かを検出することができ、ポジシヨンセン
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、光束を経路にかかわら
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。さらに、レンズへの入射角の異なる
２つの光束を使用し、いずれの光束を使用しても
測定動作を行なうことができるように構成してい
るので、これらの光束を選択的に使用することに
より、測定対象面における傾きの許容範囲を広く
することができる。

〔実施例〕

第６図は本発明の変位変換器における測定原理
を示す構成図である。なお、図に示す変位変換器
は、本願発明者がすでに発明したものである。図
において、前記第３図と同様のものは同一符号を
付して示す。７はレンズ２の軸上に配置された点
光源、８はハーフミラー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ヨンセンサで
ある。点光源７から出射された光束は、レンズ２
の軸に対して一定の角度を有しており、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お
よびハーフミラー６を介してポジシヨンセンサ８
に入射している。さらに、レンズ２、ハーフミラ
ー６、点光源７およびポジシヨンセンサ８は一体
に支持されるとともに、自動焦点機構（図示せ
ず）によつて移動させられ、測定対象面３との距
離を任意に調節されている。

第７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ヨンセンサ８の一例を示
す構成図である。図に示すように、ポジシヨンセ
ンサ８は高抵抗シリコン８１（ｉ層）の片面ある
いは両面に均一なｐ形抵抗層８２を設けるととも
に、表面層に光電効果を持つた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ヨンセンサ８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
I₀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として両端の電極Ａ，
Ｂから取り出される。したがつて、この電流IA、
IBは IA＝I₀（RL−Rx）／RL＝I₀（Ｌ−ｘ）／Ｌ IB＝I₀・Rx／RL＝I₀・ｘ／Ｌ となり、各電流IA、IBの比IA／IBは IA／IB＝（Ｌ−ｘ）／ｘ となるので、電流IA、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８図は上記のような動作原理を有するポジシ
ヨンセンサ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６図に戻つて、測定対象面３上に焦点
が合つている場合（合焦状態）には、点光源７と
レンズ２との距離をl1、レンズ２と測定対象面３
との距離をl2、レンズ２の焦点距離をｆとすれ
ば、 １／l1＋１／l2＝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を通つた後、点光源７の位置で実像を
結ぶように返つてくることになる。この時、点光
源７の位置には等価的にポジシヨンセンサ８が配
置されているので、反射光はポジシヨンセンサ８
上に入射し、その入射位置がポジシヨンセンサ８
によつて検出される。

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、これに伴つて、反射光におけ
るポジシヨンセンサ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
もポジシヨンセンサ８上からずれているので、ポ
ジシヨンセンサ８にはある程度広がりを持つたス
ポツトが入射するようになる。

第９図はポジシヨンセンサ８上における反射光
の入射位置とスポツ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Ｐ０とすれば、この時のスポツト
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Ｐ１，Ｐ２方向あるい
はＰ３，Ｐ４方向へと移動し、スポツト径もしだ
いに大きくなつてゆく。例えば、測定対象面３が
焦点位置より近くなつた時に、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
より遠くなつた時には、入射位置は逆にＰ３方向
へと移動する。

このように、ポジシヨンセンサ８を等価的に点
光源７と同じ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ヨンセンサ８上の反射光の
入射位置が変化するので、ポジシヨンセンサ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機構を構成すれば、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。

また、測定対象面３に傾きがあつた場合を考え
てみると、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６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ヨンセンサ８
上の入射位置も変化せず、上記の場合と同様に、
ポジシヨンセンサ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、ポジシヨンセンサ８における反
射光の入射位置は、例えば第１０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が焦点位置にあ
る時の入射位置Ｐ０は前記した第９図の位置と等
しいので、この時のポジシヨンセンサ８の出力も
等しい値であり、測定対象面３の傾きの影響を受
けることなく、変位量の測定を行なうことができ
る。

ここで、第６図に示す変位変換器においては、
測定対象面３の傾きがある程度大きい場合にも測
定を行なうことができるが、測定対象面３の傾き
の加減によつて、その反射光の光軸がレンズ２の
軸と一致してしまうと、測定対象面３の変位に対
してポジシヨンセンサ８が感度を持たなくなり、
自動焦点動作が行なえなくなつてしまう。

本発明は、この問題点を解決したものであり、
第１図および第２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、７１，７
２は等価的にレンズ２の軸上に配置されるととも
に、その光軸がレンズ２の軸と一致する第１の光
束Ｂ１と、その光軸がレンズ２の軸に対して一定
の角度を持つた第２の光束Ｂ２とを出射する点光
源、９はハーフミラーである。点光源７１，７２
は後述する自動焦点機構の指令により駆動され、
光軸の異なる２つの光束Ｂ１，Ｂ２を選択的に出
射するものである。

上記のように構成された変位変換器において、
第１図に示すように、測定対象面３に傾きがない
場合には、第１の光束Ｂ１による反射光Ｂ１′は
入射光Ｂ１と同じ光路（レンズ２の軸）を通つて
ポジシヨンセンサ８に入射し、第２の光束Ｂ２に
よる反射光Ｂ２′は入射光Ｂ２と異なる光路を通
つてポジシヨンセンサ８に入射することになる。
図から明らかなように、ポジシヨンセンサ８は反
射光Ｂ２′に対しては、前記した第６図の場合と
同様に、感度を持つことになるが、反射光Ｂ１′
に対しては、測定対象面３が変位してもスポツト
の径が変るだけで、その入射位置は変化しないの
で、感度を持たないことになる。したがつて、こ
のような場合には、第２の光束Ｂ２（図中にハツ
チングで示す）を使用して測定動作を行なえば、
正常な測定を行なうことができる。

また、第２図に示すように、測定対象面３が一
定の傾きを有し、第２の光束Ｂ２による反射光Ｂ
２′の光軸がレンズ２の軸と一致した場合には、
第１の光束Ｂ１による反射光Ｂ１′はレンズ２の
軸から外れた光路をとり、ポジシヨンセンサ８に
入射するようになる。このため、ポジシヨンセン
サ８は前記した反射光Ｂ２′に代つて、反射光Ｂ
１′に対して感度を持つようになり、このような
場合には、第１の光束Ｂ１（図中にハツチングで
示す）を使用して測定動作を行なえば良いことに
なる。

したがつて、本発明の変位変換器においては、
異なる光軸を持つ２つの光束Ｂ１，Ｂ２のうち、
ポジシヨンセンサ８がより大きな感度を有する光
束を選択して測定動作を行なうことにより、ポジ
シヨンセンサ８が感度を持たない状態をなくし、
測定対象面３における傾きの許容範囲を広くする
ことができる。なお、ポジシヨンセンサ８におけ
る感度の検出は、自動焦点機構の一機能を利用し
て行なわれるものである。

第１１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、８はポジシヨンセンサであり、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、目標値
SETと帰還信号Ｓ（Ｘ、Ｙ）との差ΔS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。１１はパワーアンプ、１２はレンズ
２等を移動させるモータ、１３はポジシヨンセン
サ８における感度を検出し、使用すべき光束を選
択する感度測定回路である。SWはサーボアンプ
１０の出力と感度測定回路１３の出力とを選択的
にパワーアンプ１１に供給するスイツチである。

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ヨン
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１０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等は照
射する光線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。したがつて、このモータ１
２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等を移
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、スイツチSW
は通常はサーボアンプ１０側に接続されている。

上記のようにして自動焦点動作が行なわれる
が、この自動焦点動作の前に、第１および第２光
束Ｂ１，Ｂ２に対するポジシヨンセンサ８の感度
が検出され、使用する光束の選択が行なわれる。
この場合、スイツチSWは感度測定回路１３側に
接続され、感度測定回路１３の出力がパワーアン
プ１１に供給される。その後、感度測定回路１３
は、点光源７１，７２の一方（例えば７１）を点
灯させるとともに、モータ１２を介してレンズ２
等を一定量だけ移動させ、この時のポジシヨンセ
ンサ８における出力の変化量（感度）を検出す
る。次に、感度測定回路１３は、点光源７１，７
２の他方（７２）を点灯させ、上記と同様に、ポ
ジシヨンセンサ８の感度を検出する。この時の、
測定対象面３の傾きが変化すると、反射光Ｂ１′，
Ｂ２′の光軸が変化して、それぞれの光束Ｂ１，
Ｂ２に応じたポジシヨンセンサ８の感度も変化す
るので、感度測定回路１３は上記のようにして検
出した第１および第２の光束Ｂ１，Ｂ２に対する
感度を比較して、より大きな感度を得ることので
きる光束側に点光源７１，７２の駆動を切り換え
る。したがつて、このような点光源７１，７２の
選択動作が終了した後に自動焦点機構を動作させ
れば、常に最良の状態で測定動作を行なわせるこ
とができる。

ここで、前記したように、測定対象面３が傾き
を持つていた場合には、ポジシヨンセンサ８にお
ける感度も変化するので、上記のようにして、感
度測定回路１３により検出した感度をもとにし
て、サーボアンプ１０のゲインを調整するように
構成すれば、自動焦点機構における制御性を向上
させることができる。

また、上記のようなポジシヨンセンサ８におけ
る感度変化、すなわち反射光の入射位置変化の性
質を利用すれば、ポジシヨンセンサ８の感度変化
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、この時のポジシヨンセンサ
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、点光源７１，７
２をレンズ２の軸上に配置するとともに、ポジシ
ヨンセンサ８をハーフミラー６を使用して等価的
に点光源７１，７２と同じ位置に配置した場合を
例示したが、点光源７１，７２とポジシヨンセン
サ８との配置関係はこれに限られるものではな
い。また、点光源７１，７２から出射された光束
Ｂ１，Ｂ２および測定対象面３からの反射光Ｂ
１′，Ｂ２′の経路を変更する手段はハーフミラー
６および９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ツタのようなものであ
つてもよい。さらに、点光源７１，７２は、２つ
の光源により実現されるものに限らず、遮蔽板や
チヨツパなどの組合せにより、１つの光源から実
現されるものであつてもよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、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、点光源を等価的にレンズ
の軸上に配置し、この点光源から出射される光束
をレンズにおける軸上およびそれ以外の位置に入
射させるとともに、光の入射位置を検出すること
のできるポジシヨンセンサを等価的に点光源と同
じ位置に配置して、このポジシヨンセンサの出力
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
反射光がポジシヨンセンサ（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
けるポジシヨンセンサへの入射位置は常に一定と
なるので、ポジシヨンセンサの出力状態から測定
対象面上に焦点が合つ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つ
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図および第２図は本発明の変位変換器の一
実施例を示す構成図、第３図は従来の変位変換器
の一例を示す構成図、第４図および第５図は第３
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ツト形状を示す説明図、第６
図は本発明の変位変換器における測定原理を示す
構成図、第７図および第８図は本発明の変位変換
器に使用されるポジシヨンセンサの一例を示す構
成図、第９図および第１０図はポジシヨンセンサ
上における反射光の入射位置およびスポツトの状
態を示す説明図、第１１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。 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、６，９……ハーフミラー、７，７１，７
２……点光源、８……ポジシヨンセンサ、１０…
…サーボアンプ、１１……パワーアンプ、１２…
…モータ、１３……感度測定回路、SW……スイ
ツチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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、等価的に前記レンズ
   の軸上に配置されこのレンズと共に移動するとと
   もに光軸がこのレンズの軸と一致した第１の光束
   および光軸がこのレンズの軸に対して一定の角度
   を持つた第２の光束とを選択的に出射する点光源
   と、等価的に前記点光源と同一位置に配置され前
   記レンズと共に移動するポジシヨンセンサと、こ
   のポジシヨ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するとともに、前記点光源
   から出射された第１および第２の光束に対してそ
   れぞれ前記レンズを一定量だけ移動させてこの時
   の前記ポジシヨンセンサにおける感度を検出し、
   より大きい感度を得ることができる方の光束を使
   用して変位量の測定動作を行なうことを特徴とす
   る変位変換器。