JPS6283612A - 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熱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上に焦点が合っているか否かの検出には、しリントリ
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、円バ１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で示ず如く、焦点のずれに応じて
傾きの方向が異なる楕円形となる。したがって、４分割
センサ５における出力５１〜Ｓ４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（プニ、
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では、
測定対象面３に＠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■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Ｆ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、測定対象面上に富に焦点が合うよ
うに１メ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１／ン
ズを介して測定対象面上に照射するとともに、受光面の
一部に不感帯を有するとともに入射する光の光量に比例
した出力を発生する光センサを等価的に点光源と同じ位
置に配置して、この光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１７信号とし
て利用するようにしたものであり。

〔作　用〕

このように、光源として点光源を使用するとともに、不
感帯を有する光センサを等価的に点光源と同じ位置に配
置するようにすると、合焦状態においては、測定対象面
からの反射光が光センサ」二の一定位置（不感帯の位置
）で実像を結ぶことになり、光センサの出力が最小の値
となるので、光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、光センサ
の出力を自動焦点機構の帰還信号として利用する二とに
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、合焦状態における反・射光の入射位置は、
光束のｆｆ路にかかわらず一定であるので、測定対象面
が傾いでいた場合にも、合焦状態では、光センサの出力
が最小となり、変位量の測定を正確に行なうことができ
る。

〔実施例１ 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、ＩＩｉ前記第７図と同様のものは同
一符号を付して示す６７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を介して等価的に焦
光１原７と同じ位置に配置された光センサである。焦光
５７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、ｌノノズ２を介して測定対優面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を介して光センサ
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および光センサ８は−・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との距離を任意に訓諭されている。こ
こで、光センサ８は、例えば、フォトダイオードのよう
な受光素子の前面に十字線や部分的なマスクなどを設け
て、受光面の一部に不感帯を形成したもので、この不感
帯の位置は、合焦状態における反射光の入射位置に合わ
せられている。

さて、上記のように構成された本発明の変位変換器にお
いて、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／Ｑｉ　＋１／＋１２−１／ｆ の関係式が成り立ち、測定対貧面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Ｎには等価
的に光センサ８が配置されているので、反射光は光セン
サ８に入射し、しかも光センサ８上に投射されるスポッ
ト径は最小となる。

また、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光センサ
８上からずれることになるので、光センサ８にはｆｆ１
ｌｌ定り＃像面３の変位量に応じである程度法がりを持
ったスポットが投射されるようになる。

第２図は光センサ８に入射する反射光において、測定対
象面３の変位に応じて変化するスポット径の様子を示し
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、二の時のスポット径が殻も
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．Ｆ’
４へとしだいに大きくなってゆく。ここで、第２図は、
！ｌｔＩ！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を例示したもので、このような時に
は、測定対象面３が変位し２でも、反射光の光軸は変化
しないので、その入射位置も変化せず、光センサ８に入
射する反射光は、スポット径のみが変化する二とになる
。

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、光センサ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Ｐ
Ｏとなった筏に、測定り４象而３が焦点位置より遠ざか
るにつれてＰ３からＰ４へと増大することになる。

この時、光センサ８には不感帯が設けられているので、
合焦状態において、反射光のスポット径が小さくなると
、反射光の大半が不感帯にかかり、光センサ８の出力は
最小となる。また、測定対象面３の位置が合焦状態から
はずれると、反射光のスポット径が大きくなり、不感帯
以外の部分にも光が入射するようになるので、光センサ
８の出力はスポットの広がりに応じて増加する。ように
なる。

このため、光センサ８における検出特性は、第３図に示
す如く、合焦状態（Ｑ２−ＱＯ）の時に最小値をとるこ
とになる。

このように、受光面の一部に不感帯を有する光センサ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の位置に応じて光センサ８の出力が変化するので
、光センサ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
の時の移動旦から測定対象面３の変（つ量を自動的に測
定することができる。なお、上記自動焦点機構の−・例
として、１ノンズ２停の１動回路にディザ（１１ワ−を
重畳する二とのできるザーボ系を使用すれば、光センサ
８の分醒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１凸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、反射光における光セン
サ８上の入射位置およびスポット径も変化せず、上記の
場合と同様に、光センサ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、光センサ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、例えば第４図の如く、測定対象面３の変
位とともに変化する。図において、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Ｐ１’、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、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。

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、光源および光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の光センサ、１０はハーフミラ−
である。図に示す変位変換器は、２つの光センサ８．９
を反射光における結像位置の曲技に配置するとともに、
これらの光センサ８．９における出力の差から、合焦状
態を検出するようにしたものである。すなわち、第１の
光センサ８を結像位置の前に置き、第２の光センサ９を
ハーフミラ−１０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。

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、光センサ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、焦光Ｔｉ７と光センサ８との耐直関係はこ
れに限られる毛のではない。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光センサ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″ｇの支持、駆動機構を簡単に構成する
ことができる。

〔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
面上に常に黒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
射されろ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、受光面の一部に不感帯を有するとともに入射
する光の光量に比例した出力を発生する光センサを等価
的に点光源と同じ位置に配置して、この光センサの出力
をレンズおよび点光源等の位置を８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光センサ上
の一定位置（不感帯の位置）で実像を結ぶことになり、
光センサの出力が最小の値となるので、光センサの出力
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４図は光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打子を示す説明図、第３図
は第１図における光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図における光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、８
゜９・・・光センサ。 第１図 第２区　　第４図 第３１図 ２５１２！ 第７図 第８図 ＣＱ 第　９　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、受光面の一部に不
   感帯を有するとともに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光センサと、この
   光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。