JPS63263401A - 変位測定方法 - 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方法に関する。

（従来の技術） 従来、光を用い九非接触測定方式としては、第５図のよ
うに、対象物体（入）にＨｅ−Ｎｅレーザー光（Ｂ）を
照射し、対象物体（入）に当った光のスポットをレンズ
系（Ｃ）などで例えばＰ２Ｏ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎ
ｓｉｎｇ　Ｄｌｏｄｅ）などのような、光電素子（Ｄ）
（この素子では、例えばｌＱｍ　Ｘ　ＩＱｍの光電素子
面に当った光の位置（ｘ、ｙ）に比例し九電圧が出力で
きる。）面に結偉させ、この出力電圧からセンサ（Ｅ）
と物体（入）との距離ａｉの弯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６図のように、対撒物体（
Ｆ）とセンサ（Ｇ）面を図のような配置とし、セ／す（
Ｇ）面からの反射光Ｒ１と対象物体からの反射光電の干
渉を利用して、距離ｄの変動（変位）を算出する方式な
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（＾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ＰＡＤによる方式では、変位ａの分甥
能は一般的には数ｐ〜数１０μｍ程度であり、光の波長
の数１００倍のオーダーである０１１作動距離（ｗｏｒ
ｋ　ｄｉｓｔａｎｃｅ）は数ｍ〜数１−が必要である。

マ九後者の干渉（こよる方式では、変位ｄの分解能は、
光の数分の１波長オーダーである。免とえば、図中の光
路を１と置くと、良く知られている干渉の条件から ２１＝ｎλｌ　　ｎ−１，２１３１λ：光の波長を満す
１については、明るい縞が検出できる。また、 ２１＝（ｍ十−）λ、　　　ｍ５＝ｌ、２．３を満す１
については、暗い縞が検出できる◇し九かって、これを
利用し免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ｊ＝’／４（ｍ＝１のとき）であり、作
動距離（ｗｏｒｋ　ｄｉｓｔａｎｃｅ）゛　λ　　　　
　　　　　　λ は、／以上９分解能／（１〜３２）（九だし、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、上述し九従来の変位測定方式が、作動距離が
長く且つ測定精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〜数百分の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方法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非透光性の被測定物
に対向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換する光電変換
手段とを有し、全反射面近傍位置にて極小値を有する反
射先着と被測定物の変位量との関係を求す特性曲線をあ
らかじめ記憶し、この特性曲線に基づいて、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方法に用いられる装置の
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（１）と、レーザ光束を通過反射
させる光学部品（２）と、レーザ光束の光量を測定する
フォトダイオード、フォトトランジスタなどの光電セン
ナ（３）と、光電センナ（３）の出力（電圧または電流
）を入力し後述する処理を行うマイクロコンビエータを
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）の変位量ｄｘを表示する表
示装置（６）とから構成されている〇ことでは、対象物
体（５）は、金属さラーのように光が反射する物体とす
る。

つぎに、上記構成の変位測定装置を用いた本実施例の変
位測定方法について述べる。

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）の左側面黒人へ入射角
θゑ、で入射する。そして、透過光は、屈折角θｔ。

で光学部品内に進入する。今、光学部品（２）の屈折率
をｆｌｏｐ　、光学部品（２）外の媒質の屈折率ｆｌｏ
ｕｔとすると、良く知られている屈折の法則又は５ｎｅ
ｌｌの法則から 血θｔ＋／自ａｔ、　＝　ｎｏｐ／　ｎｏｕｔ　＝　ｎ
ｏｐ　−ｏｕｔとなる。一般的には外の媒質を空気とす
るとｎｏｐ−Ｏｕｔ　＞　１である◇そして、光学部品
（２）内部を進む光束り、は、光学部品（２）の底面Ｓ
の点Ｂへ入射角θ鵞で入射する。この発明では、入射角
θ、は、θ！〉０、を満すように設定されている。喪だ
しθ、は臨界角で血θ２　＝　ｎｏｕｔ−ｏｐ　＝　ｎ
ｏｕｔ／ｎｏｐ　＝　ｌ　　を満す角度とする０ これは、いわゆる全反射の状態で、光束り、はすべての
光が角θ、で反射して光束り、とｉ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、左側面黒人で生じたのと同様に、屈折の
法則より、 ａｌｎＯｉ、／ｍθｔ、　＝＝　ｎｏｐ　−Ｏｕｔの関
係を有する角０−で、光束Ｌ４は光学部品を出射する。

この光束玩は先に述べた光電センサ（３）へ向い、光電
変換される。センサ（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！Ｈのよう１こ拡大し示した。

この光学部品（２）の外界の媒質に対する屈折率”０ｐ
−Ｏｕｔ＝ｎとすると、仮想の透過光−と光束り、を考
え、先の屈折の法則より、−１膜性を失わずに 血θｉｍ　／７θ、　＝　ｎ となる。そこで、これから 内θ！＝龜θｉｍ／ｎ とすれば、光束り、の位相項は となる◇すなわち、振幅が境界からの距離Ｚの指数関数 で減衰するが、波動（光束）かにじみ出している事がわ
かる。実質的な、光束の進入深さは、４−λ −４−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に２の物体に反射さ
せることを考える。すなわち、先の光学部品（２）の底
面Ｓに対象物体（５）を近ずけると、対象物体（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、
光束り、、Ｌ、となって光電センサ（３）に向う。

しかし、対象物体（５）が、波長オーダまで、光学部品
（２）の底面Ｓに近ずくと、光束り、は、にじみ出した
光゛が対象物体（５）に当たりその結果として、点Ｂで
反射して光束り、、Ｌ４となりてセンサ（３）へ向う光
束が減少する。これを、光電センサ（３）の出力でとら
えたのが第３図で、光束玩の強度が物体（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（変化量）から間
隔Ｘ（またはその変化量ｄｘ）を、マイクロコンビ１−
ターを用いた処理装置（４）によ秒算出し、表示装置（
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Ｘが、第３図のように例えばａからｂの範
囲（図では０．６〜０．９μｍの範囲）で光電センサ（
３）出力と真の関係を直線りで近似して、出力から間隔
Ｘを求める。

以上のように、この実施例の変位測定方法は、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
て高精度（λ／１０〜λ／１０００）で測定できる。ま
た、測定に必要な平面の面積はレーザビームの面Ｓでの
面積（例えば直径１■）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
量検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
うに種々変形可能である。

■第１図では光源としてＨｅ　−Ｎｅ　レーザ光を用い
た例を示し九が、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、紫外ランプなど、光学部品（２）を透過しその
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、光電を電気信号に変換できる素
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、ＣＯＤ素子や撮儂管など、画像を対象としたもの
でも良い。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
る光量の総量を抽出する処理が必要と々る。

■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（３）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（へる。光学部品（２
）’（プリズム）底面で生ずる現徽は、先に述べたのと
同様である。

■本発明の実施例では第３図の特性曲線の区間（ａ、ｂ
）で曲線を直線１に近似した例を曲べたカー、変位を得
るには、この区間ばかりで衾く、この区間（ａ、ｂ）よ
りさらに小さい変位である曲線下降部（第３図、直線１
′参照）を直線近似して用いることもでき、さらに直線
近似を用いることなくこの特性曲線そのものをコンビエ
ータ等の処理装置内にもち、この曲線から変位Ｘを算出
する方式なども可能である。

〔発明の効果〕

本発明は、以下のような格別の効果を奏する。

（イ）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λ もλ〜’１００のオーダであった。

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（匂。

λ 〜４゜。。）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糧度の広い平面
が必要である。

しかし、本発明によれば、光束瑞として普通のＨｅ　−
Ｎｅレーザ光源（ビーム径１！１１鱈）を用いることが
でき、点ＢＩＣかいて必要な平面は１１■穐変でよく、
先端のきわめて小さい非接触変位計を構成することがで
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）の解析のために画偉を
発生させこれを解析し九り、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り九〇しかし
、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０に
）ま七、本発明に先だつ特願昭６１−２５６８１７号明
細書では、全反射面と対象物体が接触し九所で出力が最
小となる特性であったため、実際適用の場合には全反射
面に傷壜どが発生しやすいなどの問題があったが、本特
許では、金属物体と全反射面は１μｍ以下ではあるが、
わずかに離れた所で極小値を発生するため、変位針とし
て実用化がきわめて高い利点がある。

【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方法に用いられる
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図は本発明の他の実施例の変位測定方法に
用いられる装置を示す図、第５図及び第６図は従来技術
の説明図である。 （１）・・・光源。 （２）・・・光学部品（光学的手段）。 （３）・・・光電センサ（光電変換手段）。 （４）・・・処理装置（演算手段）。 （５）・・・対象物体（被測定物）。 第２図 第４図 ［、−］ 第　３　図 第５図 第６ｒｌＡ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）入射面及び全反射面を有する光学的手段の上記全
   反射面に不透光性の被測定物を対向させる工程と、上記
   入射面に光を入射させ上記入射面を介して内部に入射し
   てきた光を上記全反射面にて反射させる工程と、上記全
   反射面にて反射した反射光を受光して光電変換する工程
   と、上記光電変換により得られた上記反射光量を示す電
   気信号に基づいて上記被測定物の上記全反射面に対する
   間隔又は変位と上記反射光量との関係を示し且つ上記全
   反射面近傍位置にて上記反射光量が極小値となる特性曲
   線を求めて記憶させる工程と、この記憶されている特性
   曲線に基づいて上記被測定物の上記全反射面に対する間
   隔又は変位を算出する工程とを具備することを特徴とす
   る変位測定方法。
2. （２）被測定物は金属からなることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の変位測定方法。