JPS63111403A - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、非接触変位測定装置に係り、特に光の反射面
からのにじみ出しを利用して、対象物体との変位を高精
度に測定する変位測定装置に関する。

（従来の技術） 従来、光を用いた非接触測定方式としては、第６図のよ
うに、対象物体（Ａ）にＨｅ　−Ｎｅレーザー光（Ｂ）
を照射し、対象物体（Ａ）に当った光のスポットをレン
ズ系（Ｃ）などで例えばＰＡＤ　（Ｐｏ５ｉｔｉｏｎ８
ｅｎｓｉｎｐ　Ｄｉｏｄｅ　）などのような、光ｔ１素
子（Ｄ）　（Ｃの素子では、例えば１０龍ＸＩＱ＊ｍの
光を素子面に当った光の位；ｕ（ｘ、ｙ）に比例した電
圧が出力できる。）面に結像させ、この出力電圧からセ
ンナ（Ｅ）と物体（Ａ）との距ｍａ＋の変動を算出する
方式がある。

このような変位計は装置化され、市販されている。

一方、別の方式としては、第７図のように、対象物体（
Ｆ）とセンサ（Ｇ）面を図のような配置とし、センナ（
Ｇ）　？Ｉｌｉからの反射光几！と対象物体からの反射
光几、の干渉を利用して、距離ｄの変動（変位）’ｅＫ
出する方式などがある。この方式を装置化したものはあ
まり市販されている例がないが、測定方式としては、き
わめて一般的である。

しかるに、前者のＰＳＤによる方式では、変位ａの分解
能は一般的には数μｍ〜数１０μｍ程度であり、光の波
長の数１００倍のオーダーである。また、作動圧％　（
ｗ’ｏｒｋ　ｄｉｓｔａｎｃｅ）は数ｍｙｔ　〜数１０
順が必要である。また後者の干渉による方式では、変位
ｄの分解能は、光の数分の１波長オーダーである。たと
えば、図中の光路をＪと置くと、良く知られている干渉
の条件から ２Ｌ＝ｎλｌ　　”＝１＋　２１３１　　　λ：光のＷ
長を満すＪについては、明るい縞が検出できる。また、
を満すＪについては、暗い縞が検出できる。したかって
、これを利用した干渉による変位検出方式では、最初に
検出できるのは暗い縞で１＝λ／４（ｍ＝１のとき）で
あり、作動距離（ｗｏｒｋ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　）λ　
　　　　　　　　　　　　λ は、／４以上１分解能／（１〜３２）（ただし、内挿法
を用いた場合）程度が一般的である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上述した従来の変位測定方式が、作動距離が
長く且つ測定ｆＷ度にも限界があることを顧慮してなさ
れたもので、センサー面に非常に近接した作動距離（具
体的には波長λ以内）で、きわめて高分解能（波長λの
数十分の１〜数σ分の１）で対象物体との距離、もしく
は物体の変位を測定する変位測定装置を提供することを
目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段と作用）光を出射する光
源と、上記光を入射する入射面並びに入射面を介して内
部に入射してきた光を全反射し且つ被測定物に対問して
設けられる全反射面を有する光学的手段と、上記全反射
面からの光を受光して光電変洟する光電変換手段とを有
し、全反射面からの光の増減と被測定物の変位量との関
数関係により変位測定するようにしたものである。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳述する。

第１図にこの実施例の変位測定装置の構成を示している
。この装置は、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を出射するレーザ光
源（ＩＩと、レーザ光束を通過反射させる光学部品（２
）と、レーザ光束の光景を測定するフォトダイオード、
フォトトランジスタなどの光電センサ（３）と、光電セ
ンサ（３）の出力（′４圧または電流）を入力し後述す
る処理を行うマイクロコンピュータを主体とする処理装
置（４）と、この処理装置（４）における処理結果であ
る光学部品（２）と対象物体（５）の間隔Ｘまたは対象
物体（５）の変位１１ｄｘを表示する表示装置（６）と
がら構成されている。ここでは、対象物体（５）は、ガ
ラス板のように光が透過する物体とする。

つぎに、上記構成の変位測定装置の作動について述べる
。

まず、レーザ光源（１）から出射した光束Ｌ１は、例え
ば第１図のような光学部品（２）の左側面点Ａへ入射角
θ１１で入射する。そして、透過光は、屈折角θ１゜で
光学部品内に進入する。今、光学部品（２）の屈折率を
ｎａｐ　、光学部品（２）外の媒質の屈折率ｎｏｕｔと
すると、良く知られている屈折の法則又は５ｎｅｌｌの
法則から 一θ１．／順θｔｌ　””ｎｏｐ　／　ｎｏｕｔ　＝＝
　ｎＱｐ　　ｏｕｔとなる。一般的には外の媒質全空気
とするとｎａｐｏｕｔ　）　１である。そして、光学部
品（２）内部を進む光束病は、光学部品（２）の底面Ｓ
の点Ｂへ入射角θ、で入射する。この発明では、入射角
θ、は、θ、〉θ−を満すように設定されている。ただ
しθｒは臨界角で−０２”：：　ｎｏｕｔ　−ｏｐ　＝
　ｎｏｕｔ　／ｎｏｐ　（ｌを満す角度とする。

これは、いわゆる全反射の状、標で、光束り、はすべて
の元が角θ２で反射して光束Ｌ３となって、光学部品の
右側面へ向うことを示している。光学部品（２）の右側
面上の点Ｃでは、左側面点Ａで生じたのと同様に、屈折
の法則より、 期θ１２　／　５ｕＩＩ９ｔ、　＝：　ｎｏｐ−ｏｕｔ
の関係を有する角θｉ、で、光束り、は光学部品を出射
する。この光束Ｌ４は先に述べた光電センサ（３）へ向
い、光電変換される。センナ（３）から得られた出力は
、電圧又は電流の形で処理装置（４）へ入力される。

従来のマクロ的な光学では、光学部品（２）の底面Ｓで
全反射した光は、光学部品外では、存在していないと考
えるのが一般的である。しかし、微視的に見ると、光学
部品（２）と外界の媒質の境界では、わずかに外界に光
かにじみ出していることが認められる。そこで、光学部
品（２）の底面Ｓを第２図のように拡大し示した。この
光学部品（２）の外界の媒質に対する屈折率ｎｏｐ　−
ｏｕｔ　＝　ｎとすると、仮想の透過光り、と光束り、
を考え、先の屈折の法則より、−殺性を失なわずに −θｉｍ／−θ宜＝ｎ となる。そこで、これから −θ−１θＩｍ／　ｎ とすれば、光束Ｌ！の位相項は となる。すなわち、振部が境界からの距離Ｚの指で減衰
するが、波ｍ（光束）かにしろ出している事がわかる。

実質的な、光束の進入深さは、Ｍ＝２／２１ｔすなわち
、波長程度であるといわれている。

そこで、このにじみ出している光を第２の物体に吸込ま
せることを考える。すなわち、先の光学部品（２）の底
４ｓに対象物体（５）を近ずけると、対象物坏（５）と
の間隔Ｘが波長オーダー（０，３〜０．６μｍ）の距離
以上離れている場合は、光束り、は点Ｂで全反射して、
光束Ｌ３．Ｌ４となって光電セ／す（３）に向う。

しかし、対象物体（５）が、（ＢＬｆｋオーダまで、光
学部品（２）の底面Ｓに近ずくと、光束Ｌ２は、にじみ
出した光が対象物体（５）Ｋ吸い込まれて、その一部が
対象物体（５）の内部に流れ、その結果として、点Ｂで
反射して光束り８．Ｌ、となってセンナ（３）へ向う光
束が減少する。これを、光電センナ（３）の出力でとら
えたのが第３図で、光束Ｌ４の５ｇｉ度が物体（５）の
接近と共に急激に減少しているのが認められる。そこで
、光電センサ（３）の出力を測定し、この値（変化ｆｌ
）から間隔Ｘ（またはその変化１ｔｄｘ）ｔ、マイクロ
コンピュータ−を用いた処理装置（４）により算出し、
表示装ｆｆｌ　＋６）に表示を行なう。処理装置（４）
で行なう間隔Ｘの算出は、間隔χが、第３図のように０
．１５／ｊｍから０．４５／ｊｍの範囲（ａ、ｂの範囲
）で光電センサ（３）出力とＸの関係を直線りで近似し
て、出力から間隔ｘｆｔ求める。

以上のように、この実施例の変位測定装置は、対象物体
（５）との非常に近接した間隔（波長距離以内）を極め
て高ｆ＃度（λ／１０〜λ／１０００　）で沖１定でき
る。また、測定に必要な平面の面積は、直径２」でよく
、先端の極めて小さい非接触変位計を構成することがで
きる。さらに、単純な光債恢出だけで間隔測定を行うこ
とができる利点を有している。

なお、本発明は、上記実施例に限ることなく、下記のよ
うに檀々変形可能である。

■第１図では光源としてＨｅ−Ｎｅレーザ光を用いた例
を示したが、光源としては、その他アルゴンなどのレー
ザ光又は、半導体レーザ光、一般のハロゲンランプ、赤
外、紫外ラングなど、光学部品（２）ｔ−透過しその底
面Ｓで全反射する光束を発生するものであればいかなる
光源も用いることが可能である。

■受光系としてはフォトダイオードなどの光電変換素子
を用いる例を示したが、光量を電気１バ号に変換できる
素子であれば、フォトダイオード。

フォトトランジスタ、フォトアルチプライヤなどの素子
または光電子倍増管が考えられる。また、特殊な例とし
ては、ＣＣＤ素子や撮像管など、画像を対象としたもの
でも曳い。ただし、このような画像を対象とする変換器
（センサ）では、画像を処理してその撮像面に当ってい
る光量の認量を抽出する処理が心安となる。

■第１図では光学部品（２）として図のような２等辺形
状のプリズムを考え、光束は左右側面で光が屈折するタ
イプのものを示した。しかし、この光学部品（２）の役
目は、その底面Ｓで光束が全反射する機能を持てば良く
この条件さえ整えば、種々のタイプの光学部品の形状が
可能である。

第４図の光学部品（２）はその例である。第１図では光
学部品（２）に光束が左右から入射するために、構成装
置が比較的大きくなっている。しかし、第４図ではこれ
を改善している。すなわち、光源（１）。

光電センサ（３１はプリズム上方に設けられ、プリズム
（２）上面から垂直入射した光束は左右側と底面で全反
射して図のような光路となっている。光学部品（２）（
プリズム）底面で生ずる現象は、先に述べたのと同様で
ある。

■本発明では、第１図のように、光学部品（２）の底面
Ｓで全反射した光を光゛１センサ（３）で受け、対象物
体（５）が接近した時、光束Ｌｔが対象物体側に逃げ、
結果として、光束り、、Ｌ、としてセンサ（３）へ向う
光量が減少するのを検出する方式を採っている。

これに対し、第５図では、原理は同じであるが、接近し
た対象物体（５）へ進入した光束り、を光電センサ（３
）で検出し、このセンサ（３）で検出できる光量が、対
象物体（５）が光学部品（２）の底面Ｓに接近するにつ
れて、増加することがら、間隔Ｘを測定する方式を示し
ている。光電センナ（３）以後の゛心気処理の構成は図
には示していないが第１図と同６Ｎである。

同様Ｘ類似している。

〔発明の効果〕

本発明は、以下のような格別の効果を奏する。

（ハ）従来微小な間隔の測定方式としては、前述したよ
うに、光の干渉による方式が一般的である。

この方式は、作動距離が数波長で、測定の分解能もλ〜
’／１０００オーダであった。

それに比し、本発明は、対象物体との非常に近接した間
隔（波長距離以内）を非常の高精度（”／ｉ。

〜”／１０００）で測定することができる。

（ロ）従来の光の干渉による測定方式では、光学部品と
対象物体の相対する面が干渉を起こす必要があり、した
がって一般的には、干渉縞を観察できる程度の広い平面
が必要である。

しかし、本発明によれば、光束り、として普通のＨｅ−
Ｎｅレーザ光源（ビーム径φ１１璽）を用いることがで
き、点Ｂにおいて必要な平面はφ２龍程度でよく、先端
のきわめて小さい非接触変位計ｔ−構成することができ
る。

（ハ）従来の光の干渉による方式では、測定範囲は数波
長と広いものの、フリンジ（縞）の解析のために画像全
発生させこれを解析したり、そこまで複雑な処理を行な
わないまでも、縞の移動した数をカウントするなど、縞
解析のための複雑な処理回路が必要であった。しかし、
本発明によれば単純な光量検出だけで、きわめて簡単に
高い分解能と精度で間隔を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の変位測定装置の構成図、第
２図及び第３図は第１図の測定原理の説明図、第４図及
び第５図は本発明の他の実施例の変位測定装置を示す図
、第６図及び第７図は従来技術の説明図である。 （１）二元　源。 （２）二元学部品（光学的手段）。 （３）二元電センサ（光電変換手段）。 （４）：処理装４＆（演算手段）。 （５）二対象物体（被測定物）。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　竹　花　喜久男 ＼く ＼」 ｗＳＺ　　図 第３図 １５４図 Ｊ′ 第５図 菖２ 第６図 に−Ｆ 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光を出射する光源と、上記光を入射する入射面並
   びに上記入射面を介して内部に入射してきた光を全反射
   し且つ被測定物に対面して設けられる全反射面を有する
   光学的手段と、上記被測定物の変位に応じて上記全反射
   面にて全反射された全反射光の変化を示す電気信号を出
   力する光電変換手段と、上記電気信号を入力し上記全反
   射面と上記被測定物との間隔と上記電気信号とが関数関
   係を有することに基づいて上記間隔又は変位を演算する
   演算手段とを具備することを特徴とする変位測定装置。
2. （２）光電変換手段は、全反射面にて全反射した全反射
   光を受光して光電変換することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の変位測定装置。
3. （３）光電変換手段は、全反射面にて全反射せずして被
   測定物側に漏れ且つ上記被測定物を透過した光を受光し
   て光電変換することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の変位測定装置。