JPS6281525A - 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。

Ｃ従来の技術Ｊ 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が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上に焦点が合っているが否かの検出には、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１．でぃス− 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線ではなくなるので、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
きの方向が興なる楕円形となる。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＋Ｓ
３）　−Ｃ５２＋５４）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ｍ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置の欠点をなく゛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、点光源から出射される光束をレンズを
介して測定対象面上に照射するとともに、光のスポット
径およびその入射位置を検出することのできるスポット
センサを等価的に点光源と同じ位置に配置して、このス
ポット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スポット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
射光がスポットセンサ上の一定位置で実像を結ぶことに
なり、合焦状態からずれるにつれてスポットセンサに入
射する反射光のスポット径が変化するようになるので、
スポット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、スポットセンサ
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、合焦状態におけるスポット径は、光束の経
路にかかわらず一定であり、しかも最小であるので、測
定対象面が傾いていた場合にも、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は例えばレンズ２の軸上に配置された
点光源、８はハーフミラ−６を介して等価的に点光源７
と同じ位置に配置されたスポットセンサである。焦光ｌ
！！７から出射された光束は、レンズ２の径と同程度の
広がりを有しており、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−６を介してスポッ
トセンサ８に入射している。さらに、レンズ２．ハーフ
ミラ−６、点光源７およびスポットセンサ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。ここで、スポットセンサ８は、例えば、光電変
換素子を二次元的に配列したイメージセンサのようなも
のであり、各光電変換素子の検出出力を走査して、これ
を信号処理することにより、センサ表面に投射された光
スポットの径およびその中心位置を検出することができ
るものである。

さて、測定対象面３上に焦点が合っている場合〔合焦状
態〕には、点光源７とレンズ２との距離をＱｌ、レンズ
２と測定対象面３との距離をＱ２、レンズ２の焦点距離
をｆとすれば、 １／込１＋、１／Ｑ２−１／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を通った後、点光源７の位置で実像を結ぶように返
ってくることになる。この時、点光源７の位置には等価
的にスポットセンサ８が配置されているので、反射光の
スポット径はスポットセンサ８上で最小となり、そのス
ポット径がスポットセンサ８によって検出される。

いま、測定対象面３が変位して、照射される光束の焦点
位置から外れたとすると、反射光の結像位置がスポット
センサ８上からずれるので、スポットセンサ８にはある
程度法がりを持った光スポット（反射光）が入射するよ
うになる。

第２図は測定対象面３の変位に応じてスポットセンサ８
に入射する反射光におけるスポット径の変化の様子を示
したものである。図において、合焦状態における反射光
のスポット径を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
、スポット径もＰＯからＰＩ　、　Ｐ３およびＰ２．Ｐ
４へとしだいに大きくなってゆく。ここで、測定対象面
３に傾きがなく、照射される光束の軸が面と垂直な場合
には、測定対象面３が変位しても、反射光の光軸は変化
しないので、スポットセンサ８への入射位置は変化せず
、スポットセンサ８に入射する反射光は、スポット径の
みが変化することになる。したがって、測定対象面３が
焦点位置より近い位置から遠い位置へと変位したとする
と、スポットセンサ８上に投射される反射光のスポット
径は、測定対象面３が焦点位置に近づくにつれてＰ２か
らＰｌへと減少し、焦点位置でＰＯとなった後に、測定
対象面３が焦点位置より遠ざかるにつれでＰ３からＰ４
へと増大する。

このように、スポットセンサ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の位置に応じてス
ポットセンサ８に入射する反射光のスポット径が変化す
るので、スポットセンサ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、焦光ａ７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。なお、上記自動焦点機
構の一例として、レンズ２等の駆動回路にディザ信号を
ｍ５！することのできるサーボ系を使用すれば、スポッ
トセンサ８の分解能を上まわる測定精度を得る二とがで
きる。

次に、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、測定対象面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も＜　　１／％ノブ’
）／７’ｌ朴臂ト　憤古待胛ｈ（畑史暑債面１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
光におけるスポットセンサ８上の入射位置およびそのス
ポット径も変化せず、上記の場合と同様に、スポットセ
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、その変位
に応じて反射光の光軸が変化するので、スポットセンサ
８上に投射される反射光のスポット径および入射位置は
１１例えば第３図の如く、測定対象面３の変位とともに
変化する。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Ｐｌｏ、Ｐ２′の方向へ移動した
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’Ｐ４’の方向へと移動する。

ここで、図において、スポット形状が楕円となっている
のは、測定対象面３の傾きにより、反射光の一部がレン
ズ２から外れるためである。

また、第４図はレンズ２と測定対象面３との距ＩＩＩ（
Ｑ２）と、スポットセンサ８により検出されるスポット
径との関係を示したもので、図中、（イ）は前記第２図
における検出状態、（ロ）は前記第３図における検出状
態である。（ロ）、（ロ）両者の特性が異なるのは、第
３図に示すように、測定対象面３に傾きがあると、スポ
ット形状が楕円となり、平均径が小さくなるためである
。図から明らかなように、測定対象面３が焦点位置（Ｊ
ｌｏ　）にある時のスポット径ＰＯは、測定対象面３の
傾き（特性α〕。

（ロ））にかかわらず等しいので、この時のスポットセ
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。・ 第５図は本発明の変位変換器の他の実施例を示す構成図
で、光源およびスポットセンサの部分を抜き出したもの
である。図において、前記第１図と同様のものは同一符
号を付して示す。９は第２のスポットセンサ、１０はハ
ーフミラ−である。図に示す変位変換器は、２つのスポ
ットセンサ８゜９を反射光における結像位置の前後に配
置するとともに、これらのスポットセンサ８．９におけ
る出力の差から、合焦状態を検出するよう（こしたもの
である。すなわち、第１のスポットセンサ８を結像位置
の曲に匠き、第２のスポットセンサ９をハーフミラ−１
０を介して結像位置の後に置くと、両者の検出特性は第
６図に示す如く、レンズ２等の移動に対して一定のずれ
を持ったものとなるので、これらの出力の差を求め、こ
れが零となるように自動焦点機構を動作させるとこによ
り、前記第１図の変位変換器と同様の測定動作を行なわ
せることができる。また、スポットセンサ８．９におい
て、それぞれに投射されるスポットの中心を検出し、こ
の２点を結ぶ直線の向きを算出するようにすると、反射
光にお°ける光軸の向き（経路）を知ることができ、こ
の反射光の経路から測定対象面３の傾きを求めることが
できる。

なお、上記の説明においては、点光源７をレンズ２の軸
上に配置するとともに、スポットセンサ８をハーフミラ
−６を使用して等価的に点光源７と同じ位置に配置した
場合を例示したが、点光源７とスポットセンサ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７
から出射された光および測定対象面３からの反射光の経
路を変更する手段はハーフミラ−６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ッタ゛のよ
うなものであってもよい。さらに、光源は点光源７に限
られるものではなく、平行光線を使用することも可能で
ある。この場合には、ハーフミラ−６の後に第２のレン
ズが挿入され、この第２のレンズにおける焦点位置にス
ポットセンサ８が配置される。このように、平行光線を
使用すると、レンズ２のみを移動させるだけで自動焦点
動作を行なうことができ、レンズ２等の支持、駆動機構
を簡単に構成することができる。

また、反射光のスポット径を検出するスポットセンサ８
．９は、光電変換素子を二次元的に配置したイメージセ
ンサに限られるものではなく、例えば、光スポットの一
次元的な幅を検出するセンサ（ラインセンサ）を直交す
るように組み合わせたようなものであってもよい。

〔発明の効果〕

トＩ　Ｌ瓢１＋１１１４−）シー　女息闇＾亦ｌｈ亦愉
嬰デ神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、
点光源から出射される光束をレンズを介して測定対象面
上に照射するとともに、光のスポット径およびその入射
位置を検出することのできるスポットセンサを等価的に
点光源と同じ位置に配置して、このスポットセンサの出
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スポット
センサ上の一定位青で実像を結ぶことになり、合焦状態
からずれるにつれて、スポットセンサに入射する反射光
のスポット径が変化するので、スポットセンサの出力状
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図はスポットセンサ上における反射光
のスポット径およびその入射位置の様子を示す説明図、
第４図は第１図におけるスポットセンサの検出特性を示
す図、第５図は本発明の変位変換器の他の実施例を示す
構成図、第６図は第５図におけるスポットセンサの検出
特性を示す図、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
、６，１０・・・ハーフミラ−１７・・・点光源、８９
・・・スポットセンサ。 第１図 第２＠　　　第３図 第　４　図 第５　因 第６ｒ！Ａ 第７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、前
   記レンズとともに移動する点光源と、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ともに移動するス
   ポットセンサと、このスポットセンサの出力を受けこの
   出力が最小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。