(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有し、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズと、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと前記結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項３】
前記処理手段は、前記結像点の偏差を、基準対象物を用いて検出する偏差検出手段と、
前記偏差検出手段で検出された偏差を補正データとして格納保持する補正値記憶手段と、
測定対象面の変位量の測定時に前記補正値記憶手段に格納された補正データに基づき前記変位演算手段から出力された変位量を補正演算して出力する変位補正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記照射点が走査される都度走査開始信号を出力する走査開始検出手段と、
前記走査開始検出手段の走査開始信号に基づき、現在の照射点の走査位置を計数する計数手段とを備え、
前記偏差検出手段は、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に前記検出された偏差を対応づけ補正データとして補正値記憶手段に格納保持させ、
前記変位補正手段は、前記変位演算手段から出力された変位量の信号を、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に対応する補正データを前記補正値記憶手段から読み出し補正演算して出力する請求項３記載の変位測定装置。
【請求項５】
測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
前記測定対象面での照射光の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする変位測定装置。
【請求項６】
測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記測定対象面での照射点の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記各受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする変位測定装置。
【請求項７】
測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させて、受光素子の受光面上に結像点を形成させることにより、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする変位測定方法。
【請求項８】
測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させ、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射光の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成される結像レンズアレイにより前記結像レンズごと構成される受光素子群の各受光素子の受光面上に結像点を形成させて、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記各受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする変位測定方法。
【請求項９】
前記照射点の走査位置を、走査開始点を起点として時間を計数することにより刻時検出して前記偏差の検出用、及び前記補正演算用として用いる請求項７又は８のいずれかに記載の変位測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象面上に照射された光で形成される照射点を一定の間隔で走査させることにより、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置及び方法に係り、特にレンズアレイの設置位置，方向，焦点距離のばらつきによる誤差を補正して変位量を正確に得ることができる変位測定装置及び方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、変位測定装置を示す概要図である。この変位測定装置５０は、投光器５１からレーザ光を測定対象物５２の表面に照射し、その照射点Ｐの像Ｋを結像レンズ５３によって受光素子５４の受光面上に結像させる三角測量方法により変位を測定する。
【０００３】
この受光素子５４は、受光面上の結像点Ｋの縦方向（投光器５１のビームと結像レンズ５３の光軸とで形成される面と同じ方向）の位置に対応した信号を出力するように構成されており、照射点ＰのＺ方向の変位に対する結像点Ｋの移動軌跡に受光面が一致する角度に配置されている。
【０００４】
この変位測定装置５０に対して測定対象物５２を図中Ｚ方向に移動させると、照射点Ｐも測定対象物５２の移動に伴ってＺ方向に動き（照射点Ｐ’又は照射点Ｐ”）、受光素子５４の受光面の結像点Ｋの位置がこれに対応するように移動して（結像点Ｋ’又は結像点Ｋ”）、受光素子５４からの信号も結像点Ｋの位置に応じて変化する。この信号の変化量から、測定対象物５２のＺ方向の位置を検出することができる。
【０００５】
次に、図１４は、走査型の変位測定装置６０を示す斜視図である。
この走査型の変位測定装置６０の投光系では、光源６１から放射されるビームを振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置６２によって一定角度内の範囲で偏向させ、この偏向されたビームをレンズ６３によってその光軸が一平面上で平行に移動（Ｘ軸方向に移動）するビームにする。そして、そのビームを測定台７１上に載置されている測定対象物７０の表面７０ａに所定の入射角度により照射し、その照射点Ｐを直線的に往復走査又は片道走査する。
【０００６】
照射点Ｐを走査されたビームは、入射角度と同じ角度で受光系に正反射され、その照射点Ｐの像を第一円筒面レンズ（シリンドリカルレンズ）６４及び第２円筒面レンズ６５によって受光素子６６の受光面６６ａに結像される。この変位測定装置６０では、測定対象面７０ａが鏡面のように反射率が高い場合は、照射点Ｐで反射される光の殆どが、照射点Ｐを対称にして入射角度と同じ角度で受光系に反射される。
このような装置６０においては、測定対象物７０のＸ軸方向の変位量をビームの走査で高速に得ることができる。また、測定台７１はＹ軸方向に移動させることにより、Ｘ−Ｙの２次元における各照射点ＰにおけるＺ方向の変位量を得ることができるようになる。
【０００７】
しかし、従来の走査型の変位測定装置６０では、受光系に円筒面レンズ６４，６５を用いているため、受光素子６６の受光面６６ａの像が長円状にぼやけてしまう。これにより、受光素子６６から出力される信号のＳ／Ｎ比が低下し、測定表面の変位を高い精度で測定することができないという問題点が生じた。
【０００８】
図１５は上記問題点を解決する装置を示す斜視図であり、図１６は同側面図である。上記の受光系の構成が変更されている。即ち、円筒面レンズ６４，６５に変えて、複数の集光レンズ部からなるレンズアレイ７２及び球面集束型の結像レンズ７３を用いることにより上記弊害を除去しようとするものである。
【０００９】
レンズアレイ７２は、互いに等しい焦点距離ｆ（例えば２０ｍｍ）を有する複数（図示では６個）の球面集束型の集光レンズ７２ａ〜７２ｆがビームの走査方向に沿って一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。照射点Ｐからレンズアレイ７２までの距離は焦点距離ｆとほぼ等しい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１５に記載した変位測定装置では、レンズアレイ７２を形成する際に各集光レンズ７２ａ〜７２ｆの焦点距離ｆが各集光レンズ７２ａ〜７２ｆごとに異なる場合がある。また、組み立て時において集光レンズ７２の設置位置、光軸の方向が一致しない場合がある。
【００１１】
このため、レンズアレイ７２を透過した光が受光素子６６の受光面６６ａに結像されると、各集光レンズ７２ａ〜７２ｆごとに結像位置がばらついてしまう。したがって、このようなレンズアレイ７２を用いた場合、測定対象面７０ａが理想的な平坦面であっても、測定結果は平坦にならない。
【００１２】
本発明は、上記欠点を解消するためになされたものであって、その目的とするところは、複数の集光レンズからなるレンズアレイを用いた際に生じる受光素子の受光面上での結像位置のばらつきにより発生する測定誤差を補正することにより高精度の変位測定を行える変位測定装置及び方法の提供にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
要するに、本発明の請求項１記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、光軸廻りに均等な結像特性を有し、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズと、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の請求項２記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射光の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算出力する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと前記結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、該検出された偏差に基づき、測定対象面の変位量を補正して出力する処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項３記載のように、前記処理手段は、前記結像点の偏差を、基準対象物を用いて検出する偏差検出手段と、
前記偏差検出手段で検出された偏差を補正データとして格納保持する補正値記憶手段と、
測定対象面の変位量の測定時に前記補正値記憶手段に格納された補正データに基づき前記変位演算手段から出力された変位量を補正演算して出力する変位補正手段と、
を備えることとしてもよい。
【００１６】
また、請求項４記載のように、前記照射点が走査される都度走査開始信号を出力する走査開始検出手段と、
前記走査開始検出手段の走査開始信号に基づき、現在の照射点の走査位置を計数する計数手段とを備え、
前記偏差検出手段は、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に前記検出された偏差を対応づけ補正データとして補正値記憶手段に格納保持させ、
前記変位補正手段は、前記変位演算手段から出力された変位量の信号を、前記計数手段から出力される現在の照射点の走査位置に対応する補正データを前記補正値記憶手段から読み出し補正演算して出力する構成としてもよい。
【００１７】
本発明の請求項５記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
前記測定対象面での照射光の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする。
【００１８】
本発明の請求項６記載の変位測定装置は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、受光素子の受光面上に形成された結像点の検出位置に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定装置において、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成され、前記照射点からの測定光を収束させる集光レンズアレイと、
光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射光の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成され、前記収束された測定光を前記受光面に出射し、該受光面上に結像点を形成させる結像レンズアレイと、
前記受光素子を前記結像レンズごとに有する受光素子群と、
前記測定対象面での照射点の走査の開始点を検出する走査開始検出手段と、
前記各受光素子から出力された前記結像点の検出位置に対応する検出信号に基づき、前記測定対象面の変位量を演算する変位演算手段と、
前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき前記変位量を補正演算して出力する処理手段とを備え、
前記処理手段は、校正モードと測定モードを備え、
校正モード時には、基準対象物を用いて前記集光レンズアレイと結像レンズアレイを通過した測定光の結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差を前記走査方向の複数箇所でそれぞれ検出し、
測定モード時には、測定対象物の変位量を前記偏差に基づき前記走査方向の複数箇所でそれぞれ補正して出力することを特徴とする。
【００１９】
本発明の請求項７記載の変位測定方法は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させて、受光素子の受光面上に結像点を形成させることにより、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項８記載の変位測定方法は、測定対象面に照射した光により形成される照射点を走査し、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズが前記照射点の走査方向に沿って構成される集光レンズアレイにより前記照射点からの測定光を収束させ、光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の結像レンズが前記照射点の走査方向に沿って所定数の前記集光レンズごとに構成される結像レンズアレイにより前記結像レンズごと構成される受光素子群の各受光素子の受光面上に結像点を形成させて、前記受光面上における結像位置のばらつきにより発生する変位量の偏差に基づき、前記測定対象面の変位量を非接触で測定する変位測定方法において、
予め基準対象物を用いて測定対象面の走査方向各点における前記各受光素子の受光面上での結像点の偏差を検出し、
測定対象物の測定時に得られた走査方向各点における変位量をそれぞれ前記偏差に基づき補正することを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項９記載の変位測定方法は、請求項７又は８のいずれかに記載の変位測定方法において、前記照射点の走査位置を、走査開始点を起点として時間を計数することにより刻時検出して前記偏差の検出用、及び前記補正演算用として用いることを特徴とする。
【００２２】
上記構成によれば、図１，図２，図１０，図１１に示すように、測定対象物１０Ｂの測定対象面１０ａ上で走査された照射点Ｐは、集光レンズアレイ７（ＣＡ）の各集光レンズ７ａ〜７ｆ（ＣＡ１，ＣＡ２，…，ＣＡｎ）を通過し、結像レンズ８（ＦＡ１，ＦＡ２，…，ＦＡｍ）介して測定光が受光素子９の受光面９ａ上に結像され、この走査方向の変位量を得ることができる。
各集光レンズ７ａ〜７ｆが有する偏差は、基準対象物１０Ａを用いて検出することができる。偏差検出手段２５は、前記走査方向の各点の偏差を補正データとして補正値記憶手段２７に格納保持させる。
変位補正手段２６は、測定対象物１０Ｂの測定時に、走査位置に対応する補正データを補正値記憶手段２７から読み出し、測定された変位量をこの補正データで補正して出力する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の変位測定装置及び方法の第１実施の形態を説明する。図１は、集光レンズアレイ７を用いた走査型の変位測定装置１の概略斜視図、図２は同側面図である。
図示のように、この変位測定装置１は、三角測量の原理に基づき測定対象物１０の測定対象面１０ａの変位を測定する。測定対象面１０ａが鏡面のように反射率が高い場合は、照射点Ｐで反射される光の殆どが、照射点Ｐを対称にして入射角度と同じ角度で受光系に反射される。
【００２４】
測定台１１には、測定対象物１０が載置される。測定対象物１０としては、装置の校正モード時に載置され測定対象面１０ａが平坦な基準対象物（例えばブロックゲージ）１０Ａ、及び、測定モード時に測定対象として載置され、測定対象面１０ａに所定の変位を有する測定対象物１０Ｂがある。
【００２５】
この走査型の変位測定装置１の投光系２は、レーザダイオード等の光源３と、振動ミラー型又はポリゴンミラー型等の偏向装置４と、レンズ５で概略構成されている。光源３は、偏向装置４に対しレーザ光（照射光）を出射する。偏向装置４は、入射されたレーザ光を偏向させ、一定のストロークでレーザ光を往復あるいは片道走査する。
レンズ５は、偏向装置４により扇形に走査される照射光を、平行になるように収束させる。
【００２６】
集光レンズアレイ７は、互いに等しい焦点距離ｆ１（例えば２０ｍｍ）を有する複数（図１では６個）の集光レンズ部７ａ〜７ｆが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。
【００２７】
各集光レンズ７ａ〜７ｆは、投光系２から放射される照射光の走査幅寸法（３０ｍｍ）内に複数個並ぶように、少なくともその並列方向に沿った幅ｄが走査幅より短い（例えば６ｍｍ）略矩形状の外形を有する。また、各集光レンズ７ａ〜７ｆは、その光軸に直交する面が球面状に形成されており、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各光軸はそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。
【００２８】
集光レンズアレイ７は、各集光レンズ７ａ〜７ｆの光軸が測定対象物１０の表面１０ａ上に走査される照射点Ｐ（移動軌跡ＰＬ）と交わるように配置されている。また、図２に示すように、集光レンズアレイ７は、その長手方向が照射点Ｐの移動軌跡ＰＬと平行になるように配置されている。照射点Ｐから集光レンズアレイ７までの距離は焦点距離ｆ１とほぼ等しくなる位置に配置されている。
【００２９】
結像レンズ８は、照射点Ｐの走査幅より大きい径を有し、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。結像レンズ８は、集光レンズアレイ７からの測定光を収束して、受光素子９の受光面９ａ上に結像させる。
【００３０】
受光素子（ＰＳＤ）９は、図１に示すように、照射点Ｐから反射，散乱される測定光が結像される受光面９ａを有する。この受光素子９の縦方向（移動軌跡ＰＬと直交する方向）の両端には、それぞれ電極が設けられている。これらの電極からは、それぞれ結像点Ｋの位置に応じた電流が出力される。即ち、受光面９ａの中央に結像点Ｋが位置すると、受光素子９の両端から同じ値の電流が出力される。結像点Ｋが縦方向に移動すると、近づいた方の電極からより多くの電流が出力され、遠ざかった電極からはより少ない電流が出力されるようになっている。なお、両電極から出力される電流の合計値は、結像点Ｋの位置にかかわらず同じである。
【００３１】
図３は、変位測定装置の電気的構成を示すブロック図である。変位演算手段２１は、クロック発生手段２０から供給されるクロック信号Ｃに基づき動作して、受光素子９の出力に基づき測定対象物１０の変位量を示す変位信号Ｄを出力する。この変位演算手段２１における変位演算処理は、受光素子９の両電極から出力される電流信号Ａ，Ｂを電圧信号に変換した後、各電圧信号を加算及び減算する。減算された信号値を加算された信号値で除算し、変位信号Ｄ（Ｄ１，Ｄ２）として処理手段２４に出力する。
【００３２】
走査開始検出手段２２は、光源２から照射されるレーザ光を毎回走査開始する都度、単パルスの走査開始信号Ｓを計数手段２３に出力する。
計数手段２３は、カウンタで構成され、クロック信号Ｃと走査開始信号Ｓが入力される。計数手段２３は走査開始信号Ｓが入力される都度、クロック信号Ｃに基づき計数値をカウント信号Ｃ’として出力する。
【００３３】
処理手段２４には偏差検出手段２５，変位補正手段２６，補正値記憶手段２７が設けられる。
偏差検出手段２５は、装置の校正モード時に動作して校正処理を実行する。この変位演算手段２１には、あらかじめ形状が判っている滑らかな表面を持った基準対象物１０Ａ（例えばブロックゲージ）の測定対象面１０ａの変位信号（以下「校正用変位信号」と称す）Ｄ１及び計数手段２３のカウント信号Ｃ’が入力される。そしてこの偏差検出手段２５は、校正用変位信号Ｄ１をカウント信号Ｃ’に対応付けして補正値記憶手段２７に記憶する。これにより、測定対象物１０ａを走査した際の各測定位置における校正用変位信号Ｄ１の値が対応して記憶される。
【００３４】
補正値記憶手段２７は、ＥＥＰ，ＲＯＭ，不揮発性ＲＡＭ等を用いて構成されている。例えば、書き換え可能なＲＯＭに対し、校正用変位信号Ｄ１をカウント信号Ｃ’に対応するアドレスでテーブル化して格納保持させる。後述する測定モード時には、このＲＯＭに格納された内容をＲＡＭに転送させて読み出しの高速化を図る構成とすることができる。
【００３５】
変位補正手段２６は、測定モード時に動作して校正された変位信号を出力する。この変位補正手段２６は、変位演算手段２１から測定しようとする測定対象物１０Ｂの測定対象面１０ａの変位信号（以下「測定用変位信号」と称す）Ｄ２、及び計数手段２３のカウント信号Ｃ’が入力される。なお、変位演算手段２１が出力する上記校正用変位信号Ｄ１とこの測定用変位信号Ｄ２は、いずれも同一信号形態の変位信号であり、この実施形態では便宜上、モード別に異なる名称を附してある。
【００３６】
そして、この変位補正手段２６は、計数手段２３のカウント信号Ｃ’に基づき、補正値記憶手段２７（ＲＡＭ）の対応するアドレスに格納されている校正用変位信号Ｄ１（補正用データＥ）を読み出す。そして、変位演算手段２１から入力される測定用変位信号Ｄ２と校正用データＥに基づき補正演算処理して補正された変位信号を出力する。この補正演算処理は、測定用変位信号Ｄ２から校正用データＥを減算処理する。
【００３７】
次に、上記構成の装置の動作を各モード別に説明する。図４は、校正モード時の処理内容を示すフローチャートである。
構成モード時には、まず、補正治具１４により変位測定装置１及びブロックゲージ１０Ａの設定・調整を行う（ＳＴ１）。図５は校正モード時の装置の状態を示す正面図、図６は同側面図である。
【００３８】
補正治具１４は、図示のように水平な取付基準面Ｔとなる突き当てプレート１５を有する。測定台１１にブロックゲージ１０Ａを載置する。このとき、測定台１１の表面（校正用基準面）１１ａとブロックゲージ１０Ａの測定対象面１０ａと取付基準面Ｔとが互いに平行になるように、変位測定装置１を上下又は回転させて調整する。次に、突き当てプレート１５も変位測定装置１に突き当てて設置する。
【００３９】
次に、変位測定装置１を校正モードで動作させる。そして、光源２からのレーザ光を偏向装置３で偏向させ、ブロックゲージ１０Ａの測定対象面１０ａ上に照射させる（ＳＴ２）。照射点Ｐは直線的に走査され、移動軌跡ＰＬを得る。この際、走査開始検出手段２２はレーザ光の偏向（走査）が開始された都度、計数手段２３に走査開始信号Ｓを出力する。
【００４０】
照射点Ｐがブロックゲージ１０Ａの測定対象面１０ａ上を直線的に走査されると、照射点Ｐからの測定光は入射角度と同じ角度で受光系６に正反射され、集光レンズアレイ７に入射される。
集光レンズアレイ７は光軸廻りに均等な結像特性を有する複数の集光レンズ７ａ〜７ｆの集合体であるから、各照射点Ｐからの測定光は、平行に収束され、結像レンズ８で絞られて受光面９ａ上に結像される（ＳＴ３）。
【００４１】
ブロックゲージ１０Ａの測定対象面１０ａは平坦な精度を有しているため、測定対象面１０ａ上のどの位置の照射点Ｐも、受光面９ａの中央に結像されるはずである。しかし、実際にはこの結像点Ｋから得られる変位には、図７に示すような偏差が現れる。
この偏差は、集光レンズアレイ７の各集光レンズ７ａ〜７ｆ毎にに焦点距離ｆ１が異なっていたり、組み立て時における集光レンズアレイ７の設置位置，方向のばらつき等により生じる。ここで、ｔは各１つの集光レンズ７ａ〜７ｆの幅ｄに対応し走査時に通過する時間に相当する。
受光素子９の両端に設けられる電極からこの偏差に対応する電流信号が変位演算手段２１に入力されて変位演算処理され、校正用変位信号Ｄ１として偏差検出手段２５に出力される（ＳＴ４）。
【００４２】
一方、走査開始信号Ｓとクロック信号Ｃが計数手段２３に入力されると、クロックパルスを走査開始信号Ｓの入力時からカウントして行く（ＳＴ５）。このカウント信号Ｃ’は、偏差検出手段２５に出力される。
【００４３】
カウント信号Ｃ’は偏差検出手段２５に入力され、Ｃ’１からＣ’ｎまでの各クロックパルス毎に校正用変位信号Ｄ１に対応付けされる。即ち、各測定点Ｐにおける校正用変位信号Ｄ１は、補正値記憶手段２７にカウント値に対応したアドレス別にテーブル化されて記憶される（ＳＴ６）。補正値記憶手段２７は、各アドレスにそれぞれ各測定点Ｐの校正用変位信号Ｄ１が格納される。この校正用変位信号Ｄ１は、上記偏差に相当する値となる。
【００４４】
なお、照射点Ｐの走査時、走査開始信号Ｓを起点としてクロック信号Ｃに基づき、集光レンズアレイ７の各集光レンズ７ａ〜７ｆを通過する時期が予め設定されている。
【００４５】
次に、図８は、測定モード時の処理内容を示すフローチャートである。
まず、測定しようとする測定対象物１０Ｂを、測定台１１に載置する（ＳＴ７）。次に変位測定装置１による測定を開始させる。なお、上記校正モード時、及びこの測定モード時のいずれにおいても、変位測定装置１の光学系の動作は同様であり、変位演算手段２１は同様の変位演算処理を実行する。
【００４６】
即ち、光源２から照射光を照射し、偏向装置３によって偏向された照射光が、測定台１１上に載置されている測定対象物１０Ｂの測定対象面１０ａに照射され、この照射点Ｐは直線的に走査される（ＳＴ８）。
このとき、走査開始検出手段２２は、光源２からの照射点Ｐを走査開始する毎に計数手段２３に走査開始信号Ｓを出力する。
【００４７】
照射点Ｐは、偏向により照射点Ｐが測定対象物１０Ｂの測定対象面１０ａ上を走査される。この照射点Ｐは測定対象面１０ａ上で反射されて集光レンズアレイ７で収束され、結像レンズ８で更に絞り込まれて受光素子９の受光面９ａに結像される（ＳＴ９）。この測定時においても結像点Ｋから得られる変位には、集光レンズアレイ７の偏差（ブロックゲージ１０Ａの測定対象面１０ａで測定された偏差）を含む。
【００４８】
図９は、集光レンズアレイ７の設置位置のばらつき等により生じる偏差を示すための図である。図９（ａ）は測定対象物１０Ｂの測定対象面１０ａの形状が示されている。
図９（ｂ）は、集光レンズアレイ７の各集光レンズ７ａ〜７ｆで生じる偏差を示す図である。図示の例ように、受光素子９の受光面９ａ上における結像点Ｋは各集光レンズ７ａ〜７ｆ別にそれぞれ異なり、結像点Ｋから得られる変位には所定の偏差が生じる。
【００４９】
ここで、受光素子９の両端に設けられる電極からこの偏差を含む電流信号Ａ，Ｂが変位演算手段２１に入力されて演算処理され、測定用変位信号Ｄ２として偏差検出手段２５に出力される（ＳＴ１０）。
【００５０】
一方、走査開始信号Ｓとクロック信号Ｃが計数手段２３に入力されると、各クロックパルスは、走査開始信号Ｓの入力時からカウントされる（ＳＴ１１）。このカウント信号Ｃ’は、偏差検出手段２５へ出力される。
【００５１】
偏差検出手段２５は、カウント信号Ｃ’の各クロックパルスＣ’１〜Ｃ’ｎに基づき、現在走査している照射点Ｐの位置を得て測定用変位信号Ｄ２に対応付けする（ＳＴ１２）。また、補正値記憶手段２７には、各アドレスにそれぞれ各測定点Ｐの校正用変位信号Ｄ１（偏差を示す補正データＥ）がテーブル形式で格納されている。
【００５２】
そして、この偏差検出手段２５は、補正値記憶手段２７から測定用変位信号Ｄ２のカウント値Ｃ’と同一のカウント値（アドレス）に格納された補正データＥを読み出す。そして、測定用変位信号Ｄ２からこの補正データＥを減算処理する（ＳＴ１３）。
図９（ｃ）は、補正演算した後の測定対象物１０Ｂの変位信号である。図示のように、補正データＥにより補正演算することにより、集光レンズアレイ７の偏差を解消した変位信号を出力できるようになる。
【００５３】
次に、本発明の第２実施の形態について説明する。本実施の形態においては、図１０及び図１１に示すような受光系３１を有する変位測定装置３０を用いる。なお、電気的構成は図３に示す第１実施の形態と同一である。その他第１実施の形態と同一の構成には同一番号を附し、その説明を省略する。この変位測定装置３０の受光系３１は、第１実施の形態で用いた結像レンズ８をアレイ状に構成した結像レンズアレイＦＡを有する。
【００５４】
受光系３１は、集光レンズアレイＣＡと結像レンズアレイＦＡと受光素子群Ｐで構成されている。集光レンズアレイＣＡは、第１実施の形態で示した集光レンズアレイ７と同一の構成であり、互いに等しい焦点距離ｆ１（例えば２０ｍｍ）を有する複数（ｎ個）の集光レンズ部ＣＡ１〜ＣＡｎが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで形成されている。
【００５５】
各集光レンズＣＡ１〜ＣＡｎは、投光系２から照射される照射光の走査幅寸法（例えば３０ｍｍ）内にｎ数個並ぶように、少なくともその並列方向（走査方向）に沿ったレンズの幅ｄが照射光の走査幅寸法（例えば３０ｍｍ）より短い（例えば５ｍｍ）略矩形状の外形を有する。また、各集光レンズＣＡ１〜ＣＡｎは、その光軸に直交する面が球面状に形成されたレンズとなっている。すなわち、各集光レンズ部ＣＡ１〜ＣＡｎは、光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各光軸はそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。
【００５６】
集光レンズアレイＣＡは、各集光レンズＣＡ１〜ＣＡｎの光軸が測定対象物１０の表面１０ａ上に走査される照射点Ｐ（移動軌跡ＰＬ）と交わるように配置されている。集光レンズアレイＣＡは照射点Ｐ（移動軌跡ＰＬ）から焦点距離ｆ１離れた位置に配置されている。
【００５７】
結像レンズアレイＦＡは、複数（ｍ個）の結像レンズＦＡ１〜ＦＡｍを集光レンズアレイＣＡと同様、走査方向にアレイ状に連続させたレンズアレイである。なお、図面の制約上、図１０では２個となっている。各結像レンズ部ＦＡ１〜ＦＡｍは入射光をその光軸の周りに均等に絞り込むことができるレンズである。各結像レンズＦＡ１〜ＦＡｍは、その各光軸がそれぞれ平行で且つその光軸に直交する線上に連続して一列に並ぶように側面同士を密着させた状態で一体化されている。各結像レンズＦＡ１〜ＦＡｍは、所定数の集光レンズ（図１及び図２では６個）ＣＡ１〜ＣＡ６に対応して対向配置される。結像レンズアレイＦＡは、集光レンズアレイＣＡからの測定光を収束して、受光素子群ＰＡへ出射する。
【００５８】
受光素子群ＰＡは、結像レンズＦＡ１〜ＦＡｍと同数（ｍ個）の受光素子ＰＡ１〜ＰＡｍで構成されている。各受光素子ＰＡ１〜ＰＡｍはそれぞれ各結像レンズＦＡ１〜ＦＡｍに対応しており、それぞれ焦点距離ｆ２離れた位置に配置されている。
【００５９】
各受光素子ＰＡ１〜ＰＡｍは、図１０，図１１に示すように、照射点Ｐからの測定光が結像される受光面ＰＡａを有する。各受光素子ＰＡ１〜ＰＡｍの縦方向の両端縁には、それぞれ電極が設けられている。これらの電極からは、それぞれ結像点Ｋの位置に応じた電流が出力される。
【００６０】
次に、本実施の形態の受光系を用いて変位測定を行うと、校正モード時においては、図１２に示すような偏差が得られる。ここで、ｔは各１つの集光レンズＣＡ１〜ＣＡｎの幅ｄに対応し走査時に通過する時間に相当する。この偏差は、集光レンズアレイＣＡの各集光レンズＣＡ１〜ＣＡｎ毎に焦点距離ｆ１が異なっていたり、組み立て時における集光レンズアレイＣＡの設置位置，方向のばらつき等により生じる。更に、結像レンズアレイＰＡの各結像レンズＦＡ１〜ＦＡｍ毎に焦点距離ｆ２が異なっていたり、組み立て時における結像レンズアレイＰＡの設置位置，方向のばらつき等による偏差が含まれている。図１２では、集光レンズＣＡ６とＣＡ７との間に相当する偏差には、結像レンズＦＡ１とＦＡ２との間の偏差が含まれている。
【００６１】
したがって、図４のＳＴ４と同様、各受光素子ＰＡ１〜ＰＡｍの両端に設けられる電極からこの偏差に対応する電流信号が変位演算手段２１に入力されて変位演算処理され、校正用変位信号Ｄ１として偏差検出手段２５に出力される。その後の校正モードの処理及び測定モードの処理は第１実施の形態と同様である。
【００６２】
【発明の効果】
本発明の変位測定装置によれば、受光系に集光レンズアレイや結像レンズアレイを用いた場合に生じる受光素子の受光面での結像点の偏差を解消することができるようになり、集光レンズアレイや結像レンズアレイを用いて高精度な変位測定を可能にできる効果がある。
この集光レンズアレイ及び結像レンズアレイは、成形加工時のばらつき、及び装置内での設置固定状態のばらつきで前記偏差を生じるが、これらの要因を有し成形加工精度や組み立て状態が粗くても電気的処理で偏差を解消して高精度な変位測定が行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の変位測定装置の概略を示す斜視図である。
【図２】同側面図である。
【図３】変位測定装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】本発明による変位測定装置の校正モード時のフローチャートである。
【図５】校正モード時における装置の設置状態を示す正面図である。
【図６】同側面図である。
【図７】本発明による変位測定装置の校正モードで検出された偏差を表す図である。
【図８】測定対象物の測定モード時のフローチャートである。
【図９】レンズアレイで生じる偏差解消のための処理を説明する図である。
【図１０】本発明の第２実施の形態の変位測定装置の概略を示す斜視図である。
【図１１】同上面図である。
【図１２】第２実施形態の変位測定装置の校正モードで検出された偏差を表す図である。
【図１３】従来の変位測定装置の概略図である。
【図１４】従来の走査型の変位測定装置の概略斜視図である。
【図１５】従来のレンズアレイを用いた走査型の変位測定装置の概略斜視図である。
【図１６】同側面図である。
【符号の説明】
１…変位測定装置
５，ＣＡ…集光レンズアレイ
５ａ〜５ｆ，ＣＡ１〜ＣＡｎ…集光レンズ
６，ＰＡ１〜ＰＡｍ…受光素子
６ａ…受光面
ＰＡ…受光素子群
７，ＦＡ１〜ＦＡｍ…結像レンズ
ＦＡ…結像レンズアレイ
１０ａ…測定対象面
Ｋ…結像点
２１…変位演算手段
２２…走査開始検出手段
２３…計数手段
２４…処理手段
２５…偏差検出手段
２６…変位補正手段
２７…補正値記憶手段
【図１】
0003561439.tif 000002
【図２】
0003561439.tif 000003
【図３】
0003561439.tif 000004
【図４】
0003561439.tif 000005
【図５】
0003561439.tif 000006
【図６】
0003561439.tif 000007
【図７】
0003561439.tif 000008
【図８】
0003561439.tif 000009
【図９】
0003561439.tif 000010
【図１０】
0003561439.tif 000011
【図１１】
0003561439.tif 000012
【図１２】
0003561439.tif 000013
【図１３】
0003561439.tif 000014
【図１４】
0003561439.tif 000015
【図１５】
0003561439.tif 000016
【図１６】
0003561439.tif 000017