JPH0697163B2 - 変位変換器 - 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９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、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10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惰円形となる。したがって、４分割
センサ５における出力S1〜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11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。

また、本発明の他の目的は、測定対象面の変位量と共に
その傾きをも同時に測定することのできる変位変換器を
実現することである。

〔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、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、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
入射位置を検出することのできるポジションセンサを等
価的に点光源と同じ位置およびこれと一定の間隔をおい
た位置に配置して、前者のポジショ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とともに、２つのポジションセ
ンサにおける出力の差を利用して測定対象面の傾きを測
定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第１のポジションセンサを配
置するようにすると、合焦状態においては、測定対象面
からの反射光が第１のポジションセンサ（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
ける第１のポジションセンサへの入射位置は常に一定と
なるので、第１のポジション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、第１のポジショ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、光束の経路にかかわら
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、上記のように変位量の測定に使用される第１のポジ
ションセンサに対して、一定の間隔をおいて第２のポジ
ションセンサを配置しているので、第２のポジションセ
ンサの出力は測定対象面の傾きに対応したものとなり、
これらのポジションセンサにおける出力の差を検出する
ことにより、測定対象面の傾きをも同時に測定すること
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９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第１のポジションセンサ、９は
ハーフミラー10を介して第１のポジションセンサ８と一
定の間隔をおいた位置に配置された第２のポジションセ
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上に照射されている。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
6,10を介して第１および第２のポジションセンサ8,9に
入射している。さらに、レンズ2,ハーフミラー6,10,点
光源７およびポジションセンサ8,9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。

第２図はレンズ２を介して入射する反射光の入射位置を
検出するポジションセンサ8,9の一例を示す構成図であ
る。図においては、第１のポジションセンサ８を例示す
る。図に示すように、ポジションセンサ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った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
するポジションセンサ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Io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。したがって、この電流IA,IBは IA＝Io（RL−Rx）/RL＝Io（Ｌ−ｘ）/L IB＝Io.Rx/RL＝Io・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３図は上記のような動作原理を有するポジションセン
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１図に戻って、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
的に第１のポジションセンサ８が配置されているので、
反射光はこのポジションセンサ８上に入射し、その入射
位置がポジションセンサ８によって検出される。

以下、第１のポジションセンサ８における反射光の入射
状態に着目して説明を進める。

いま、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
れに伴って、反射光におけるポジションセンサ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ョンセンサ８上からずれているの
で、ポジションセンサ８にはある程度広がりを持ったス
ポットが入射するようになる。

第４図はポジションセンサ８上における反射光の入射位
置とスポットの大きさとの関係を示したものである。図
において、合焦点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、入射位置もP1,P2方
向あるいはP3,P4方向へと移動し、スポット径もしだい
に大きくなってゆく。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った時には、
入射位置は逆にP3方向へと移動する。

このように、ポジションセンサ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
ポジションセンサ８上の反射光の入射位置が変化するの
で、ポジションセンサ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。

ここで、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
ションセンサ８上の入射位置も変化せず、上記の場合と
同様に、ポジションセンサ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、ポジションセンサ８における反射光の入射
位置は、例えば第５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４図
の位置と等しいので、この時のポジションセンサ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。

次に、第２のポジションセンサ９の出力を利用した、測
定対象面３における傾きの測定動作について説明する。

前記第１図に示されるように、第２のポジションセンサ
９は第１のポジションセンサ８に対して、等価的に一定
の間隔を持つように配置されている。このため、自動焦
点機構が働き、測定対象面３上に焦点が合っている状態
では、レンズ２を介して戻って来る反射光は、第１のポ
ジションセンサ８に対しては結像状態となって、定位置
（P0）に入射し、第２のポジションセンサ９に対して
は、結像状態からずれた光束が入射するようになる。

第６図はこのような第１および第２のポジションセンサ
8,9における反射光の入射状態を、光軸を合わせて例示
したものである。図に示すように、合焦状態において
は、第１のポジションセンサ８における定位置（P0）を
通った光が第２のポジションセンサ９に入射するように
なり、この定位置（P0）は変化しないので、測定対象面
３の傾きに応じて反射光の経路が変化すると、第２のポ
ジションセンサ９における入射位置のみが変化すること
になる。

第７図は第２のポジションセンサ９上における反射光の
入射位置を示したもので、例えば、測定対象面３がＸ軸
を中心に傾いた時に、その入射位置が矢印ｘの方向に移
動したとすると、測定対象面３がＹ軸を中心に傾いた時
には、矢印ｙの方向に移動することになる。

このように、第２のポジションセンサ９における反射光
の入射位置は、測定対象面３の傾きに応じて変化するの
で、第２のポジションセンサ９の出力から測定対象面３
の傾きを測定することが可能である。本発明の変位変換
器では、第１および第２のポジションセンサ8,9におけ
る出力の差を求めるとともに、これを予め測定しておい
たデータと比較することにより、測定対象面３の傾きを
測定している。なお、前記したように、第１のポジショ
ンセンサ８における出力（入射位置）は常に一定である
ので、第２のポジションセンサ９の出力のみから測定対
象面３の傾きを求めることも可能である。

また、上記のようにして、第１および第２のポジション
センサ8,9における出力の差から反射光の経路を検出す
ることができるので、この情報を利用すれば、測定時に
反射光がレンズ２におけるどの部分を通過しているのか
を知ることができ、レンズ２の収差による測定誤差を補
正することができる。一般に、レンズ２においては、反
射光が通過する位置によって、受ける収差の影響が異な
るので、予め反射光の経路がわかっていれば、それに応
じて測定結果を補正することができ、より正確な測定を
行なうことができる。

第８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は第１のポ
ジションセンサであり、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。11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。12はパワーアンプ、13はレンズ２等を移動
させるモータである。

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ョンセンサ８の出力Ｓ
（X,Y）と等しく設定されており、サーボアンプ11は偏
差ΔＳが零となるようにモータ13を駆動するので、レン
ズ２等は照射する光束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。したがって、このモータ13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等の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。

また、前記したように、測定対象面３が傾きを持ってい
た場合には、ポジションセンサ８上における反射光の入
射角が変化するので、測定対象面３の変位に対してポジ
ションセンサ８の出力が変化する割合（ゲイン）はこの
測定対象面３の傾きに応じて変化することができる。し
たがって、前記のようにして測定した測定対象面３の傾
きを基にして、これに応じたポジションセンサ８のゲイ
ンを推定し、予め与えられたデータに従ってサーボアン
プ11のサーボゲインを変更するようにすれば、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。

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、ポジションセンサ８をハーフミ
ラー６を使用して等価的に点光源７と同じ位置に配置し
た場合を例示したが、点光源７とポジションセンサ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ー6,10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、測定対象面３に
光束を照射するとともに、測定対象面３からの反射光を
ポジションセンサ８上に結像させるレンズ２は、一枚の
レンズに限られるものではなく、独立した部分レンズを
組み合わせたものであってもよい。特に、点光源７から
出射された光がレンズ２に入射する位置は常に変化しな
いので、その周囲のレンズ部分は必要とされない場合が
多い。

また、上記の説明においては、２つのポジションセンサ
8,9を使用して測定対象面３の傾きを測定する場合を例
示したが、レンズ２を一定量だけ移動させ、第１のポジ
ションセンサ８上に第２のポジションセンサ９と等価な
入射状態を作り出すようにすれば、１つのポジションセ
ンサ８のみによっても、測定対象面３の傾きを測定する
ことができる。すなわち、合焦状態からレンズ２等を一
定量だけ変位させるとともに、この時のポジションセン
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反射光の経路に
対応したものとなっているので、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。

〔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、光の入射位置を検出することのできるポジシ
ョンセンサを等価的に点光源と同じ位置およびこれと一
定の間隔をおいた位置に配置して、前者のポジションセ
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とともに、２つ
のポジションセンサにおける出力の差を利用して測定対
象面の傾きを測定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ョンセンサ
（点光源）の位置で実線を結ぶことになり、しかもこの
時の反射光におけるポジションセンサへの入射位置は常
に一定となるので、ポジション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ができるととも
に、測定対象面における傾きをも同時に測定することの
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図は本発明の変位変換器に使用される
ポジションセンサの一例を示す構成図、第４図および第
５図はポジションセンサ上における反射光の入射位置お
よびスポットの状態を示す説明図、第６図および第７図
は第１および第２のポジションセンサ8,9における反射
光の入射状態を示す説明図、第８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、第９
図は従来の変位変換器の一例を示す構成図、第10図およ
び第11図は第９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……
ハーフミラー、７……点光源、8,9……ポジションセン
サ、11……サーボアンプ、12……パワーアンプ、13……
モータ、SW……スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、前記レンズの軸上に配置されこのレンズの軸
   に対して一定の角度を持った光束を出射するとともにこ
   の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第
   １のポジションセンサと、この第１のポジションセンサ
   に対して等価的に一定の間隔をおいた位置に配置された
   第２のポジションセンサと、前記第１のポジションセン
   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し、前記
   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
   とともに、前記第１および第２のポジションセンサにお
   ける出力の差から前記測定対象面の傾きを測定するよう
   にしてなる変位変換器。