(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射光を被検出物の被検出面に向けて投光する投光部と、
前記照射光を前記被検出面に向かって収束させ、前記照射光が前記被検出面によって拡散反射された反射光を取込んで平行光又は収束光にする対物光学系と、
画像を撮像する撮像部と、
前記対物光学系によって取込まれた反射光のうち、少なくとも１つの遮光板に設けられた複数の開口部を通過した複数の透過光を、前記撮像部に夫々結像させる複数の結像光学系と、
前記撮像部によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出する信号処理部と、
を備え、
前記複数の透過光は、１つの透過光の光軸と前記対物光学系の中心軸とを含む平面と、他の１つの透過光の光軸と前記対物光学系の中心軸とを含む平面と、がなす角度が、前記複数の透過光が２つの場合は８０度から１００度までの間、前記複数の透過光が３つの場合は１２０度又は前記複数の透過光が４つの場合は９０度である、ことを特徴とする変位センサ。
【請求項２】
前記結像光学系の中心軸は、前記開口部の中心軸よりも前記対物光学系によって取込まれた透過光の光軸に近い位置に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の変位センサ。
【請求項３】
前記対物光学系と前記遮光板との間に、前記対物光学系によって取込まれた透過光を収束させる収束光学系を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記結像光学系の中心軸は、前記開口部の中心軸よりも前記対物光学系によって取込まれた透過光の光軸から遠い位置に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の変位センサ。
【請求項５】
前記対物光学系によって取り込まれた反射光の光量を検出する光量検出部を更に備え、
前記信号処理部は、前記光量検出部で検出された光量が極大値をとったときに、前記変位センサと前記被検出面との間の距離が前記対物光学系の焦点距離で定まる距離であると判定することを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記結像光学系の中心軸は、前記対物光学系によって取込まれた透過光の光軸側に向かって傾いていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記信号処理部は、前記複数のスポットの内の輝度分布のばらつきが小さい方の１つ又は複数のスポットを選択し、選択されたスポットの輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項８】
前記信号処理部は、前記複数のスポットの内の前記被検出面の加工痕が延在する方向に沿って位置する２つのスポットを選択し、選択したスポットの輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出することを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の変位センサ。
【請求項９】
照射光を被検出物の被検出面に垂直な方向から前記被検出面に向けて投光する投光部と、前記照射光を前記被検出面に向かって収束し、前記照射光が前記被検出面によって拡散反射された反射光を取込んで平行光又は収束光にする対物光学系と、画像を撮像する撮像部と、前記対物光学系によって取込まれた反射光のうち、少なくとも１つの遮光板に設けられた複数の開口部を通過した複数の透過光を、前記撮像部に夫々結像させる複数の結像光学系と、前記撮像部によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出する信号処理部と、を備える変位センサと、
前記被検出物が載置される走査部と、
前記変位センサ又は前記走査部を駆動して前記変位センサと前記走査部との相対的な位置を変更する駆動部と、
前記信号処理部及び前記駆動部を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記駆動部を制御して、前記変位センサ又は前記走査部を第１の方向に走査させながら、前記信号処理部を制御して、前記複数のスポットの輝度分布のばらつきを算出させ、前記駆動部を制御して、前記変位センサ又は前記走査部を前記第１の方向と交差する第２の方向に走査させながら、前記信号処理部を制御して、前記複数のスポットの輝度分布のばらつきを算出させ、前記信号処理部を制御して、前記複数のスポットの内の輝度分布のばらつきが小さい方の１つ又は複数のスポットを選択し、選択されたスポットの輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出させることを特徴とする、変位検出装置。
【請求項１０】
前記変位センサは、
前記対物光学系と前記遮光板との間に配置され、前記対物光学系によって取込まれた透過光を収束させる収束光学系と、
前記収束光学系で収束された光の光量を検出する光量検出部と、
を更に備え、
前記制御部は、
前記駆動部を制御して、前記変位センサと前記被検出面との間の距離を変えながら、前記信号処理部を制御して、前記収束光学系で収束された光の光量を前記光量検出部によって検出させ、前記光量検出部で検出された光の光量が極大になったときに、前記変位センサと前記被検出面との間の距離が前記対物光学系の焦点距離で定まる距離であると判定することを特徴とする、請求項９に記載の変位検出装置。
【請求項１１】
照射光を被検出物の被検出面に垂直な方向から前記被検出面に向けて投光する投光部と、前記照射光を前記被検出面に向かって収束し、前記照射光が前記被検出面によって拡散反射された反射光を取込んで平行光又は収束光にする対物光学系と、画像を撮像する撮像部と、前記対物光学系によって取込まれた反射光のうち、少なくとも１つの遮光板に設けられた複数の開口部を通過した複数の透過光を、前記撮像部に夫々結像させる複数の結像光学系と、前記撮像部によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出する信号処理部と、を備える変位センサを用いて変位を検出するにあたって、
前記変位センサと前記被検出面との相対位置を第１の方向に走査させながら、前記複数のスポットの輝度分布のばらつきを算出する工程と、
前記変位センサと前記被検出面との相対位置を前記第１の方向と交差する第２の方向に走査させながら、前記複数のスポットの輝度分布のばらつきを算出する工程と、
前記複数のスポットの内の輝度分布のばらつきが小さい方の１つ又は複数のスポットを選択し、選択されたスポットの輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出する工程と、
を備えることを特徴とする、変位検出方法。
【請求項１２】
前記変位センサは、
前記対物光学系と前記遮光板との間に配置され、前記対物光学系によって取込まれた透過光を収束させる収束光学系と、
前記収束光学系で収束された光の光量を検出する光量検出部と、
を更に備え、
前記変位センサと前記被検出面との間の距離を変えながら、前記収束光学系で収束された光の光量を前記光量検出部によって検出する工程と、
前記光量検出部で検出された光の光量が極大になったときに、前記変位センサと前記被検出面との間の距離が前記対物光学系の焦点距離で定まる距離であると判定する工程と、
を更に備えることを特徴とする、請求項１１に記載の変位検出方法。
【請求項１３】
照射光を被検出物の被検出面に向けて投光する投光部と、
前記照射光を前記被検出面に向かって収束させ、前記照射光が前記被検出面によって拡散反射された反射光を取込んで平行光又は収束光にする対物光学系と、
画像を撮像する撮像部と、
各々自身を通過した複数の透過光を、前記撮像部に夫々結像させる複数の結像光学系と、
前記撮像部によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出する信号処理部と、
を備え、
前記複数の透過光は、１つの透過光の光軸と前記対物光学系の中心軸とを含む平面と、他の１つの透過光の光軸と前記対物光学系の中心軸とを含む平面と、がなす角度が、前記複数の透過光が２つの場合は８０度から１００度までの間、前記複数の透過光が３つの場合は１２０度又は前記複数の透過光が４つの場合は９０度である、ことを特徴とする変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検出物の被検出面との間の距離を算出する変位センサ、変位検出装置及び変位検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、放電加工装置、レーザ加工装置で例示される加工装置で被加工物に高精度な加工を行う前には、加工装置の走査軸に対して被加工物の基準面を高精度に位置合わせする段取り工程が行われる。段取り工程では、被加工物を加工装置の走査部上に取付け治具で固定し、被加工物の基準面にダイヤルゲージを押し当て、被加工物の基準面に対応する走査軸を動かしてもダイヤルゲージの値が変化しないように、被加工物の位置を手動で調整する。しかし、手動での段取り工程では、時間がかかり、また、作業者の技量によって位置合わせ結果にばらつきが生じるという課題があった。【０００３】
そこで、作業時間の短縮及び作業者によるばらつきを低減するため、加工装置に計測センサを取り付け、自動で段取りを行う方法がある。計測センサは、接触式センサの他に、非接触で計測可能な光学式センサがある。光学式センサは、被加工物の上面へレーザ光を照射し、反射光を検出して非接触で被検出面の位置を計測する。そのため、光学式センサは、細い基準穴も計測でき、柔らかい被加工物も計測できる利点がある。【０００４】
関連する技術として、下記の特許文献１から特許文献３が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公平６−７２７７５号公報
【特許文献２】特開平２−１８４７１５号公報
【特許文献３】特開平６−１６７３０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１記載の技術では、複数の光電変換素子２から９を、ビームスポット１９を中心として放射状に配置するので（特許文献１の第１図参照）、装置のサイズが大きくなってしまう。【０００７】
また、特許文献２記載の技術では、平行な光線２４を位置感知検出器３２で感知するので（特許文献２の第１ａ図参照）、位置感知検出器３２が平行な光線２４よりも大きくなければならないので、装置のサイズが大きくなる。【０００８】
また、特許文献３記載の技術では、被測定体１００で反射された光を２つのＰＳＤ（Position  Sensitive  Device）で検出するので、装置のサイズが大きくなる。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、装置のサイズを小さくすることができる変位センサを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、照射光を被検出物の被検出面に向けて投光する投光部と、前記照射光を前記被検出面に向かって収束させ、前記照射光が前記被検出面によって拡散反射された反射光を取込む対物光学系と、前記対物光学系によって取込まれた透過光の複数の部分を夫々通過させる複数の開口部が形成された遮光板と、画像を撮像する撮像部と、前記対物光学系によって取込まれた透過光の複数の部分を前記撮像部に夫々結像させる複数の結像光学系と、前記撮像部によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、前記被検出面との間の距離を算出する信号処理部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる変位センサ、変位検出装置及び変位検出方法は、装置のサイズを小さくすることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１にかかる変位検出装置を示す図
【図２】実施の形態１にかかる変位センサの構成を示す図
【図３】実施の形態１にかかる変位センサの遮光板を示す図
【図４】実施の形態１にかかる変位センサの撮像部の撮像面を示す図
【図５】実施の形態１にかかる変位センサの三角測量の原理を説明する図
【図６】実施の形態１にかかる変位センサの三角測量の原理を説明する図
【図７】実施の形態１にかかる変位センサの被検出物の被検出面を示す図
【図８】実施の形態１にかかる変位センサの撮像部で撮像されるスポットの輝度分布を示す図
【図９】実施の形態１にかかる変位センサの撮像部で撮像されるスポットの輝度分布を示す図
【図１０】実施の形態１にかかる変位検出装置の処理を示すフローチャート
【図１１】実施の形態１にかかる変位センサの照射光が面取り面に照射されている様子を示す図
【図１２】実施の形態１にかかる変位センサの遮光板の他の例を示す図
【図１３】実施の形態１にかかる変位センサの遮光板の他の例を示す図
【図１４】実施の形態２にかかる変位センサの構成を示す図
【図１５】実施の形態２の変形例にかかる変位センサの構成を示す図
【図１６】実施の形態３にかかる変位センサの構成を示す図
【図１７】実施の形態３にかかる変位センサの撮像部の撮像面を示す図
【図１８】実施の形態４にかかる変位センサの構成を示す図
【図１９】実施の形態４にかかる変位センサと被検出面との間のおおよその距離を算出する原理を説明する図
【図２０】実施の形態４にかかる変位センサと被検出面との間のおおよその距離を算出する原理を説明する図
【図２１】実施の形態４にかかる変位センサと被検出面との間のおおよその距離を算出する原理を説明する図
【図２２】実施の形態４にかかる変位センサの対物光学系と被検出面との間の距離と、光量検出部で検出される光量と、の関係を示す図
【図２３】実施の形態４にかかる変位検出装置の処理を示すフローチャート
【図２４】実施の形態４にかかる変位センサの被検出物のエッジを検出する様子を示す図
【図２５】実施の形態４にかかる変位センサのＸ座標と検出光量との関係を示す図
【図２６】比較例にかかる変位センサの構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態にかかる変位センサ、変位検出装置及び変位検出方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１にかかる変位検出装置を示す図である。変位検出装置１は、被加工物でもある被検出物９を加工する加工装置である。加工装置は、放電加工装置又はレーザ加工装置が例示される。
【００１５】
変位検出装置１は、被検出物９を搭載する走査部２と、走査部２をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に駆動する駆動部３と、被検出物９を加工する加工ヘッド４と、加工ヘッド４をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に駆動する駆動部５と、加工ヘッド４の側面に取り付けられた変位センサ６と、駆動部３及び５並びに変位センサ６を制御する制御部７と、を備える。
【００１６】
実施の形態１において、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向は、互いに直交する。また、Ｘ−Ｙ平面は水平であり、Ｚ方向は鉛直方向であるものとする。以下において、Ｘ方向を＋Ｘ方向、Ｘ方向と逆方向を−Ｘ方向、Ｙ方向を＋Ｙ方向、Ｙ方向と逆方向を−Ｙ方向、Ｚ方向を＋Ｚ方向、Ｚ方向と逆方向を−Ｚ方向と称することがある。
【００１７】
被検出物９は、走査部２に取付け治具８で固定される。被検出物９のＺ方向の面、つまり上面が、被検出面９ａである。実施の形態１において、被検出面９ａは、Ｘ−Ｙ平面とおおむね平行であるものとする。変位センサ６は、被検出面９ａの複数点の高さを計測することにより、Ｘ−Ｙ平面に対する被検出面９ａの傾き、つまり取付け誤差を求めることを目的とする。複数点は、３点が例示される。また、被検出物９の４つの側面と被検出面９ａの四辺との境界部は、面取りが施されており、面取り面９ｂが形成されている。
【００１８】
変位センサ６は、被検出面９ａへ光を照射し、被検出面９ａからの反射光に基づいて、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離を算出する。制御部７は、走査部２と変位センサ６との間の距離から、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離を減じることにより、被検出部９の高さを算出することができる。
【００１９】
図２は、実施の形態１にかかる変位センサの構成を示す図である。図２は、変位センサ６をＹ方向に見た構成を示す図である。
【００２０】
変位センサ６は、照射光３５を被検出面９ａに垂直な方向から被検出面９ａに向けて投光する投光部２０と、照射光３５を被検出面９ａに向けて収束し、照射光３５が被検出面９ａによって拡散反射された反射光３６を平行光３７にする対物光学系２４と、を備える。
【００２１】
また、変位センサ６は、平行光３７の複数の部分を夫々通過させる、後述する開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄが形成された遮光板２５と、画像を撮像する撮像部２７と、平行光３７の複数の部分を撮像部２７に夫々結像させる、後述する結像光学系２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄと、を備える。
【００２２】
また、変位センサ６は、撮像部２７によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの間の距離を算出する信号処理部２８を備える。
【００２３】
スポットの輝度重心とは、スポット内の各画素に輝度で重み付けをした重心である。
【００２４】
図３は、実施の形態１にかかる変位センサの遮光板を示す図である。図３は、遮光板２５をＺ方向に見た図である。遮光板２５は、開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄが形成されている。開口部２５ａの中心と開口部２５ｃの中心とを結ぶ線４０は、Ｘ方向に沿っており、開口部２５ｂの中心と開口部２５ｄの中心とを結ぶ線４１は、Ｙ方向に沿っている。また、開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄは、後述する基準軸２２から等距離に形成されている。開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄのＺ方向側には、結像光学系２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄが、夫々配置されている。
【００２５】
再び図２を参照すると、投光部２０は、光３０を出射する光源２０ａを備える。光源２０ａは、レーザダイオードが例示される。光３０の光軸は、Ｘ方向に沿った軸２１である。ここで、光軸とは、照射される光束全体又は受光される光束全体の代表となる仮想的な光線の進行方向を表す軸であり、光束全体の進行方向を表す軸となる。
【００２６】
また、投光部２０は、光３０を平行光３２にする投光光学系２０ｂを備える。実施の形態１では、投光光学系２０ｂは、１枚のレンズとするが、複数枚のレンズを組み合わせたものでも良い。
【００２７】
変位センサ６は、投光光学系２０ｂを備えず、光３０を平行光にしない構成も考えられる。しかし、設計のし易さ、組み立てやすさ及び高さ計測精度で例示される観点から、変位センサ６は、投光光学系２０ｂを備えて、光３０を平行光３２にすることが望ましい。
【００２８】
投光部２０は、平行光３２の一部の光３３を通過させる開口部２０ｃ１が形成された投光絞り板２０ｃを備える。変位センサ６は、開口部２０ｃ１の径を調整することで、被検出面９ａでのスポット径を調整することができる。
【００２９】
投光部２０は、開口部２０ｃ１を通過した光３３を被検出面９ａに向けて反射するビームスプリッタ２０ｄを備える。ビームスプリッタ２０ｄによって反射され被検出面９ａへ向かう光３４の光軸は、Ｚ方向に沿った基準軸２２である。つまり、基準軸２２は、鉛直方向に延在する。ビームスプリッタ２０ｄとＸ軸とのなす角及びビームスプリッタ２０ｄとＺ軸とのなす角は、夫々９０度である。
【００３０】
光３４は、対物光学系２４に入射する。実施の形態１では、対物光学系２４は、１枚のレンズとするが、複数枚のレンズを組み合わせたものでも良い。光３４が対物光学系２４によって収束された照射光３５は、被検出面９ａに照射される。照射光３５の光軸は、基準軸２２である。照射光３５は、被検出面９ａによって拡散反射される。一般的に、加工前の被検出面９ａは粗面となっており、照射光３５は拡散反射される。
【００３１】
照射光３５が被検出面９ａによって拡散反射された反射光３６は、対物光学系２４に入射する。反射光３６の光軸は、基準軸２２である。対物光学系２４は、反射光３６を平行光３７にする。平行光３７の光軸は、基準軸２２である。
【００３２】
ここで、対物光学系２４は、反射光３６を厳密に平行光３７にする必要は無く、高さ計測に使用する光を取り込めれば良い。ただし、対物光学系２４は、設計のし易さ、組み立てやすさ及び高さ計測精度で例示される観点から、反射光３６を平行光３７にすることが望ましい。
【００３３】
平行光３７は、ビームスプリッタ２０ｄを通過して、遮光板２５に照射される。遮光板２５は、Ｘ−Ｙ平面に平行に配置されている。つまり、遮光板２５は、基準軸２２に垂直に配置されている。
【００３４】
再び図３を参照すると、平行光３７は、開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄを含む領域に照射される。開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄは、平行光３７の複数の部分の光３７ａ、３７ｂ、３７ｃ及び３７ｄを夫々通過させる。光３７ａ、３７ｂ、３７ｃ及び３７ｄが結像光学系２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄを夫々通過した後の複数の結像光は、撮像部２７の撮像面に夫々結像する。実施の形態１では、結像光学系２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄは、夫々１枚のレンズとするが、夫々複数枚のレンズを組み合わせたものでも良い。また、結像光学系２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄは、三角プリズムであっても良い。
【００３５】
ここで、図２に示すように、結像光学系２６ａは、中心軸２６ａ１が開口部２５ａの中心軸２５ａ１よりも基準軸２２に近い位置に配置されている。従って、図２に示すように、結像光３８ａが撮像部２７の撮像面２７ａに結像する位置は、開口部２５ａの中心軸２５ａ１よりも基準軸２２に近い位置になる。
【００３６】
同様に、結像光学系２６ｃは、中心軸２６ｃ１が開口部２５ｃの中心軸２５ｃ１よりも基準軸２２に近い位置に配置されている。従って、図２に示すように、結像光３８ｃが撮像部２７の撮像面に結像する位置は、開口部２５ｃの中心軸２５ｃ１よりも基準軸２２に近い位置になる。
【００３７】
また、図３に示すように、結像光学系２６ｂ及び２６ｄも、中心軸２６ｂ１及び２６ｄ１が開口部２５ｂ及び２５ｄの中心軸２５ｂ１及び２５ｄ１よりも基準軸２２に近い位置に配置されている。従って、結像光学系２６ｂ及び２６ｄを通過した結像光が撮像部２７の撮像面に結像する位置は、開口部２５ｂ及び２５ｄの中心軸２５ｂ１及び２５ｄ１よりも夫々基準軸２２に近い位置になる。
【００３８】
このように、変位センサ６は、対物光学系２４が反射光３６を平行光３７にするので、Ｘ方向及びＹ方向の寸法幅を小さくすることができ、サイズを小さくすることができる。
【００３９】
また、変位センサ６は、撮像部２７のサイズを小さくすることができるので、コストを低減することができる。
【００４０】
図４は、実施の形態１にかかる変位センサの撮像部の撮像面を示す図である。図４は、撮像部２７の撮像面をＺ方向に見た図である。光３７ａ、３７ｂ、３７ｃ及び３７ｄが、結像光学系２６ａ、２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄによって撮像部２７の撮像面２７ａに結像し、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄが夫々形成されている。撮像部２７は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの画像を撮像する。撮像部２７は、撮像素子が２次元に配列された２次元素子アレイ又は２次元イメージセンサである。撮像部２７は、ＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）イメージセンサ又はＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）イメージセンサが例示される。
【００４１】
撮像部２７は、信号処理部２８から制御されることにより、複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄを撮像する。
【００４２】
信号処理部２８は、三角測量の原理を利用して、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの間の距離を算出する。信号処理部２８は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）又はＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）が例示される。
【００４３】
図５は、実施の形態１にかかる変位センサの三角測量の原理を説明する図である。まず、被検出面１０３が位置１０７にある場合について説明する。光源１００から出射されて対物レンズ１０１を通過した照射光１０２は、被検出面１０３で拡散反射される。反射光１０４は、結像レンズ１０５によって１次元イメージセンサ１０６上に結像される。
【００４４】
次に、被検出面１０３が、位置１０７よりも光源１００及び１次元イメージセンサ１０６から遠い位置１０８に移動した場合について説明する。光源１００から出射されて対物レンズ１０１を通過した照射光１０２は、被検出面１０３で拡散反射される。反射光１０９は、結像レンズ１０５によって１次元イメージセンサ１０６上に結像される。反射光１０９は、反射光１０４が反射される位置１０７よりも遠い位置１０８で反射されるので、反射光１０９によって１次元イメージセンサ１０６上に形成されるスポットの位置は、反射光１０４によって１次元イメージセンサ１０６上に形成されるスポットの位置よりも、光源１００に近い位置になる。
【００４５】
図６は、実施の形態１にかかる変位センサの三角測量の原理を説明する図である。図６に示すように、１次元イメージセンサ１０６の撮像面において、被検出面１０３が位置１０７にあるときの反射光１０４によって形成されるスポット１１０は、被検出面１０３が位置１０８に移動したときの反射光１０９によって形成されるスポット１１１に移動する。スポット１１０及び１１１の各々の輝度重心を算出し、スポット１１０からスポット１１１への移動量を算出することで、被検出面１０３との間の距離を算出することができる。
【００４６】
ところで、被検出物９は、超硬材、ステンレス又は銅で例示される金属を材料とした部材である。加工前の被検出物９の被検出面９ａは、母材から被検出物９を切り出した際に付いた加工痕によって微小な凹凸形状をしている。すなわち、加工前の被検出物９の表面は粗面となっている。
【００４７】
図７は、実施の形態１にかかる変位センサの被検出物の被検出面を示す図である。図７は、被検出面９ａをＺ方向と反対方向に見た図である。被検出面９ａには、第１の方向に沿って夫々延在する複数の加工痕１０が第１の方向と交差する第２の方向に間隔を置いて並んでいる。間隔は、３μｍから５μｍが例示される。実施の形態１において、複数の加工痕１０は、第１の方向であるＹ方向に沿って夫々延在し、Ｘ方向に３μｍから５μｍの間隔で並んでいる。
【００４８】
そのため、被検出面９ａに照射光３５を照射したときに、反射角度に対する反射光３６の強度分布が被検出面９ａ上の位置によって変化する。従って、撮像部２７で撮像されるスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの強度分布は、被検出面９ａ上の位置によって大きく変化し、安定した輝度検出信号が得られず、ばらつきが生じる。そこで、投光絞り板２０ｃに形成される開口部２０ｃ１の径は、被検出面９ａに照射されるスポット径が凹凸を複数個含むように設定することが望ましい。
【００４９】
理想的には、被検出面９ａに照射されるスポット径が小さい方が、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄのスポット径も小さくできるので、高さ検出の分解能は向上する。しかし、被検出面９ａが微小な凹凸形状である場合には、被検出面９ａに照射されるスポット径を小さくし過ぎると、照射光３５が反射した角度である反射角度に対する反射光３６の強度分布が、凹凸の影響を受けるために照射位置によって変化しやすくなり、輝度検出信号のばらつきが大きくなる。そのため、被検出面９ａに照射される照射光３５のスポット径は、輝度検出信号のばらつきを抑えつつ、高さ検出の分解能が高い適切な大きさとする必要がある。被検出面９ａに照射される照射光３５のスポット径は、複数の加工痕１０の間隔が３μｍから５μｍの間隔の場合には、８μｍ±１μｍ、より好ましくは８μｍとすることが好適である。被検出面９ａに照射される照射光３５のスポット径は、前述した通り、投光絞り板２０ｃの開口部２０ｃ１の径を調整することで、調整することができる。
【００５０】
図８は、実施の形態１にかかる変位センサの撮像部で撮像されるスポットの輝度分布を示す図である。図８は、撮像部２７で撮像されるスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度分布を示す図である。
【００５１】
スポット３９ａ及びスポット３９ｃの位置は、複数の加工痕１０の延在方向であるＹ方向と交差するＸ方向に沿っている。従って、スポット３９ａ及びスポット３９ｃの輝度分布４５は、複数の加工痕１０の影響を受けやすい。そのため、スポット３９ａ及び３９ｃの輝度分布４５は、２つのピークを有しており、理想的な輝度分布４７と比較してばらついている。従って、スポット３９ａ及び３９ｃの輝度分布４５の輝度重心４６と理想的な輝度分布４７の輝度重心４８とは、複数の加工痕１０に起因する誤差４９を生じてしまっている。
【００５２】
図９は、実施の形態１にかかる変位センサの撮像部で撮像されるスポットの輝度分布を示す図である。図９は、撮像部２７で撮像されるスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度分布を示す図である。
【００５３】
スポット３９ｂ及びスポット３９ｄの位置は、複数の加工痕１０の延在方向であるＹ方向に沿っている。従って、スポット３９ｂ及びスポット３９ｄの輝度分布５０は、複数の加工痕１０の影響を受けにくい。そのため、スポット３９ｂ及び３９ｄの輝度分布５０は、理想的な輝度分布５２と概ね一致している。従って、スポット３９ｂ及び３９ｄの輝度分布５０の輝度重心５１と理想的な輝度分布５２の輝度重心５３とは、概ね一致している。
【００５４】
信号処理部２８は、複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の輝度重心位置のばらつきを算出する。信号処理部２８は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置のばらつきが小さい方の１つ又は複数のスポットを選択し、選択したスポットの輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの間の距離を算出する。つまり、信号処理部２８は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置のばらつきが最も小さいもの１つ、又は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄを輝度重心位置のばらつきの小さいものから大きいものへと並べたときに輝度重心位置のばらつきが最も小さいものから順に複数個を選択する。
【００５５】
信号処理部２８は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置の標準偏差が小さい方の１つ又は複数のスポットを選択することができる。つまり、信号処理部２８は、輝度重心位置の標準偏差を輝度分布のばらつきの尺度とすることができる。
【００５６】
実施の形態１では、複数の加工痕１０がＹ方向に延在しているので、位置がＹ方向に沿っている２つのスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度重心位置のばらつきは、他の２つのスポット３９ａ及び３９ｃの輝度重心位置のばらつきよりも小さくなる。従って、信号処理部２８は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置のばらつきが小さい方の２つ、すなわち輝度重心位置のばらつきが最も小さいスポット３９ｂ及び次に輝度重心位置のばらつきが小さいスポット３９ｄを選択し、選択したスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの間の距離を算出する。
【００５７】
選択した複数のスポットに基づいて高さを算出する方法を例示する。輝度重心位置のばらつきが小さいスポット３９ｂ及び３９ｄは、スポット３９ａ及び３９ｃよりは加工痕１０の影響を受けにくいが、被計測面９ａが金属粗面であるので、輝度重心位置がばらつく可能性がある。しかし、スポット３９ｂ及び３９ｄは、基準軸２２を中心とするＹ方向に対称の位置に現れ、スポット３９ｂ及び３９ｄの輝度分布も同様に現れることが考えられる。そのため、スポット３９ｂのＹ方向の輝度重心位置ＹｂがΔＹばらついた際には、スポット３９ｄのＹ方向の輝度重心位置ＹｄもΔＹばらつく。したがって、スポット３９ｂ及び３９ｄの輝度重心位置の差から高さを算出すると、輝度重心位置のばらつきΔＹを相殺することができ、高精度に高さを計測することができる。
【００５８】
これにより、信号処理部２８は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置のばらつきが小さい方の２つのスポット３９ｂ及び３９ｄを選択し、選択したスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの距離を高い精度で算出することができる。
【００５９】
変位検出装置１は、以下の処理を実行することにより、被検出面９ａとの距離を高い精度で算出することができる。
【００６０】
図１０は、実施の形態１にかかる変位検出装置の処理を示すフローチャートである。
【００６１】
まず、制御部７は、ステップＳ１００において、駆動部５を制御して、変位センサ６を＋Ｘ方向に予め定められた距離だけ走査させながら、信号処理部２８を制御して、信号処理部２８からの制御により撮像部２７に複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々を複数回撮像させ、信号処理部２８を制御して、複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心位置のばらつきを算出させる。
【００６２】
なお、制御部７は、信号処理部２８を制御して、変位センサ６が＋Ｘ方向に走査されている間に、信号処理部２８からの制御により撮像部２７に複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々を複数回撮像させ、信号処理部２８を制御して、複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の輝度重心位置のばらつきを複数回算出させても良い。
【００６３】
また、制御部７は、変位センサ６を−Ｘ方向に走査させても良い。また、制御部７は、駆動部５を制御して、変位センサ６を＋Ｘ方向又は−Ｘ方向に走査させることに代えて、駆動部３を制御して、走査部２を＋Ｘ方向又は−Ｘ方向に走査させても良い。
【００６４】
次に、制御部７は、ステップＳ１０２において、駆動部５を制御して、変位センサ６を＋Ｙ方向に予め定められた距離だけ走査させながら、信号処理部２８を制御して、信号処理部２８からの制御により撮像部２７に複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々を複数回撮像させ、信号処理部２８を制御して、複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心位置のばらつきを算出させる。
【００６５】
なお、制御部７は、信号処理部２８を制御して、変位センサ６が＋Ｙ方向に走査されている間に、信号処理部２８からの制御により撮像部２７に複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々を複数回撮像させ、信号処理部２８を制御して、複数のスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の輝度重心位置のばらつきを複数回算出させても良い。
【００６６】
また、制御部７は、変位センサ６を−Ｙ方向に走査させても良い。また、制御部７は、駆動部５を制御して、変位センサ６を＋Ｙ方向又は−Ｙ方向に走査させることに代えて、駆動部３を制御して、走査部２を＋Ｙ方向又は−Ｙ方向に走査させても良い。
【００６７】
そして、制御部７は、ステップＳ１０４において、信号処理部２８を制御して、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置のばらつきが最も小さいもの１つ、又は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄを輝度重心位置のばらつきの小さいものから大きいものへと並べたときに輝度重心位置のばらつきが最も小さいものから順に複数個を選択させ、選択された１つ又は複数のスポットの輝度分布の輝度重心に基づき、被検出面９ａとの間の距離を算出させる。
【００６８】
実施の形態１では、複数の加工痕１０がＹ方向に延在しているので、位置がＹ方向に揃っているスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度重心位置のばらつきが、位置がＸ方向に揃っているスポット３９ａ及び３９ｃの輝度重心位置のばらつきよりも、小さくなる。従って、信号処理部２８は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内の輝度重心位置のばらつきが小さい方の２つのスポット３９ｂ及び３９ｄを選択し、選択されたスポット３９ｂ及び３９ｄの輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの間の距離を算出する。
【００６９】
これにより、信号処理部２８は、被検出面９ａとの距離を高い精度で算出することができる。
【００７０】
次に、変位センサ６が面取り面９ｂとの間の距離を算出する場合について説明する。
【００７１】
変位センサ６は、被検出面９ａに焦点が調整されているので、変位センサ６と面取り面９ｂとの間の距離を算出する場合は、被検出面９ａを照射光３５のスポットの焦点深度内に調整する必要がある。実施の形態１において、焦点深度は、−５０μｍから＋５０μｍが例示されるが、この範囲に限定されない。焦点深度は、変位センサ６が備える対物光学系２４の仕様によって変化する。
【００７２】
図１１は、実施の形態１にかかる変位センサの照射光が面取り面に照射されている様子を示す図である。図１１に示すように、面取り面９ｂでは、照射光３５の正反射光５５の進行方向は、＋Ｘ方向となる。そのため、平行光３７の部分の光３７ａ、３７ｂ、３７ｃ及び３７ｄの光量は、光３７ａ＞光３７ｂ及び３７ｄ＞光３７ｃとなるので、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄに光量差が生じる。特に、スポット３９ｃにはほとんど光が集光されず、スポット３９ｃは、Ｓ／Ｎ比（signal/noise  ratio）が悪くなる。
【００７３】
また、信号処理部２８は、スポット３９ａ及び３９ｃを使用する場合は、＋Ｘ方向の輝度重心位置の移動量に基づいて、変位センサ６と面取り面９ｂとの間の高さを算出するので、スポット３９ａの光量とスポット３９ｃの光量とが大きく異なると、誤差が生じやすい。
【００７４】
上記の理由から、信号処理部２８は、スポット３９ｂ及び３９ｄを使用すれば、変位センサ６と面取り面９ｂとの間の高さを高精度に算出することができる。信号処理部２８は、面取り面９ｂの傾斜方向を変位センサ６又は被検出物９の移動方向から判定できるので、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの内から高さの算出に使用するスポットを選択することができる。
【００７５】
これにより、変位センサ６は、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離を算出することができるほか、変位センサ６と面取り面９ｂとの間の高さも算出することができる。
【００７６】
なお、実施の形態１では、遮光板２５に４つの開口部２５ａ、２５ｂ、２５ｃ及び２５ｄが形成されていることとしたが、開口部の数は４つに限定されない。
【００７７】
図１２は、実施の形態１にかかる変位センサの遮光板の他の例を示す図である。図１２に示す遮光板２５Ａは、２つの開口部２５ａ及び２５ｂが形成されている。基準軸２２と開口部２５ａの中心とを結ぶ線５６と、基準軸２２と開口部２５ｂの中心とを結ぶ線５７と、の間の角度Ｄ１は、９０度のときに、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離を高い精度で算出できるので、好適である。角度Ｄ１が９０度からずれる程、変位センサ６によって算出された、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離の精度が低下する。従って、角度Ｄ１は、８０度から１００度の範囲、より好ましくは８５度から９５度の範囲、さらには８８度から９２度の範囲に収めることが好ましい。
【００７８】
図１３は、実施の形態１にかかる変位センサの遮光板の他の例を示す図である。図１３に示す遮光板２５Ｂは、３つの開口部２５ａ、２５ｂ及び２５ｃが形成されている。基準軸２２と開口部２５ａの中心とを結ぶ線５８と、基準軸２２と開口部２５ｂの中心とを結ぶ線５９と、の間の角度Ｄ２、線５９と、基準軸２２と開口部２５ｃの中心とを結ぶ線６０と、の間の角度Ｄ３、及び、線５８と、線６０と、の間の角度Ｄ４は、１２０度のときに、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離を高い精度で算出できるので、好適である。
【００７９】
図２６は、比較例にかかる変位センサの構成を示す図である。変位センサ１２０は、光１４０を出射する光源１３０を備える。光１４０の光軸は、Ｘ方向に沿った軸１４１である。
【００８０】
光１４０は、投光光学系１３１によって平行光１４３となる。平行光１４３は、ビームスプリッタ１３３によって被検出面９ａへ向かって反射される。ビームスプリッタ１３３によって反射された光１４４の光軸は、Ｚ方向に沿った基準軸１４２である。光１４４が対物光学系１３４によって被検出面９ａに向けて収束された照射光１４５は、被検出面９ａに照射される。
【００８１】
変位センサ１２０は、照射光１４５が被検出面９ａによって拡散反射された反射光１４６の複数の部分の光１４６ａ及び１４６ｃを夫々通過させる、複数の開口部１３５ａ及び１３５ｃが形成された遮光板１３５と、画像を撮像する撮像部１３７と、開口部１３５ａ及び１３５ｃを通過した光１４８ａ及び１４８ｃを撮像部１３７に夫々結像させる、結像光学系１３６ａ及び１３６ｃと、を備える。
【００８２】
また、変位センサ１２０は、撮像部１３７によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、被検出面９ａとの間の距離を算出する信号処理部１３８を備える。
【００８３】
比較例にかかる変位センサ１２０は、反射光１４６が平行光にされずに遮光板１３５に照射されるので、Ｘ方向及びＹ方向の幅が大きくなっており、サイズが大きくなっている。また、変位センサ１２０は、撮像部１３７が大きくなっているので、コストが高くなっている。
【００８４】
一方、実施の形態１にかかる変位センサ６は、図２に示したように、対物光学系２４が反射光３６を平行光３７にするので、Ｘ方向及びＹ方向の幅を小さくすることができ、サイズを小さくすることができる。また、変位センサ６は、撮像部２７のサイズを小さくすることができるので、コストを低減することができる。
【００８５】
実施の形態２．
図１４は、実施の形態２にかかる変位センサの構成を示す図である。図１４は、変位センサ６ＡをＹ方向から見た構成を示す図である。
【００８６】
変位センサ６Ａは、実施の形態１にかかる変位センサ６の構成に加えて、対物光学系２４と遮光板２５との間に、平行光３７を収束光６６に収束させる収束光学系６５を更に備えている。実施の形態１では、収束光学系６５は、１枚のレンズとするが、複数枚のレンズを組み合わせたものでも良い。
【００８７】
このように、変位センサ６Ａは、収束光学系６５が平行光３７を収束光６６に収束するので、Ｘ方向及びＹ方向の幅を変位センサ６よりも更に小さくすることができ、サイズを変位センサ６よりも更に小さくすることができる。
【００８８】
また、変位センサ６Ａでは、結像光学系２６ａは、中心軸２６ａ１が開口部２５ａの中心軸２５ａ１よりも基準軸２２から遠い位置に配置されている。変位センサ６Ａでは、収束光６６の部分６６ａは、結像光学系２６ａの中心軸２６ａ１よりも基準軸２２側の部分に入射する。従って、結像光６７ａが撮像部２７の撮像面に結像する位置は、変位センサ６よりも更に基準軸２２に近い位置になる。
【００８９】
同様に、結像光学系２６ｃは、中心軸２６ｃ１が開口部２５ｃの中心軸２５ｃ１よりも基準軸２２から遠い位置に配置されている。変位センサ６Ａは、収束光６６の部分６６ｃが、結像光学系２６ｃの中心軸２６ｃ１よりも基準軸２２側の部分に入射する。従って、結像光６７ｃが撮像部２７の撮像面に結像する位置は、変位センサ６よりも更に基準軸２２に近い位置になる。
【００９０】
従って、変位センサ６Ａは、撮像部２７のサイズを変位センサ６よりも更に小さくすることができるので、コストを変位センサ６よりも更に低減することができる。
【００９１】
図１５は、実施の形態２の変形例にかかる変位センサの構成を示す図である。図１５は、変位センサ６Ａ１をＹ方向から見た構成を示す図である。
【００９２】
変位センサ６Ａ１は、変位センサ６Ａと比較して、投光光学系２０ｂ及び収束光学系６５を備えていない点で異なる。
【００９３】
変位センサ６Ａ１では、光源２０ａから出射された光３０は、発散した状態で開口部２０ｃ１を通過する。ビームスプリッタ２０ｄは、開口部２０ｃ１を通過した光３０を被検出面９ａに向けて反射する。ビームスプリッタ２０ｄによって反射され被検出面９ａへ向かう光３４Ａの光軸は、Ｚ方向に沿った基準軸２２である。
【００９４】
ビームスプリッタ２０ｄによって反射された光３４Ａは、発散した状態で対物光学系２４に入射する。光３４Ａが対物光学系２４によって収束された照射光３５Ａは、被検出面９ａに照射される。照射光３５Ａの光軸は、基準軸２２である。照射光３５Ａは、被検出面９ａによって拡散反射される。
【００９５】
照射光３５Ａが被検出面９ａによって拡散反射された反射光３６Ａは、対物光学系２４に入射する。反射光３６Ａの光軸は、基準軸２２である。対物光学系２４は、反射光３６Ａを収束光３７Ａにする。収束光３７Ａの光軸は、基準軸２２である。
【００９６】
このように、変位センサ６Ａ１は、投光光学系２０ｂ及び収束光学系６５を削減できる。つまり、変位センサ６Ａ１は、部品点数を削減できる。これにより、変位センサ６Ａ１は、コストを低減できる。
【００９７】
実施の形態３．
図１６は、実施の形態３にかかる変位センサの構成を示す図である。図１６は、変位センサ６ＢをＹ方向から見た構成を示す図である。
【００９８】
変位センサ６Ｂでは、実施の形態２にかかる変位センサ６Ａと比較して、結像光学系２６ａは、中心軸２６ａ１が基準軸２２側に向かって傾けて配置されている。
【００９９】
同様に、変位センサ６Ｂでは、実施の形態２にかかる変位センサ６Ａと比較して、結像光学系２６ｃは、中心軸２６ｃ１が基準軸２２側に向かって傾けて配置されている。
【０１００】
同様に、変位センサ６Ｂでは、結像光学系２６ｂ及び２６ｄが、中心軸２６ｂ１及び２６ｄ１が基準軸２２側に向かって傾けて配置されている。
【０１０１】
図１７は、実施の形態３にかかる変位センサの撮像部の撮像面を示す図である。図１７は、撮像部２７の撮像面をＺ方向から見た図である。
【０１０２】
変位センサ６Ｂは、結像光学系２６ａが、中心軸２６ａ１が基準軸２２側に向かって傾けて配置されているので、基準軸２２とスポット３９ａとを結ぶ線に沿った方向のスポット３９ａの径が、基準軸２２とスポット３９ａとを結ぶ線に交差する方向のスポット３９ａの径よりも小さくなる。スポット３９ａは、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離の変動に伴って、基準軸２２とスポット３９ａとを結ぶ線に沿って移動する。つまり、変位センサ６Ｂは、スポット３９ａの移動方向に沿った方向のスポット３９ａの径を小さくすることができる。
【０１０３】
これにより、変位センサ６Ｂは、スポット３９ａの輝度重心を変位センサ６Ａよりも更に高い精度で算出することができる。
【０１０４】
同様に、変位センサ６Ｂは、結像光学系２６ｂ、２６ｃ及び２６ｄが、中心軸が基準軸２２側に向かって傾けて配置されているので、基準軸２２とスポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄとを結ぶ線に沿った方向のスポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の径が、基準軸２２とスポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々とを結ぶ線に交差する方向のスポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の径よりも小さくなる。スポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々は、変位センサ６と被検出面９ａとの間の距離の変動に伴って、基準軸２２とスポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々とを結ぶ線に沿って移動する。つまり、変位センサ６Ｂは、スポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の移動方向に沿った方向のスポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの各々の径を小さくすることができる。
【０１０５】
これにより、変位センサ６Ｂは、スポット３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心を変位センサ６Ａよりも更に高い精度で算出することができる。
【０１０６】
従って、変位センサ６Ｂは、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心を変位センサ６Ａよりも更に高い精度で算出することができる。これにより、変位センサ６Ｂは、変位センサ６Ｂと被検出面９ａとの間の距離を、変位センサ６Ａよりも更に高い精度で算出することができる。
【０１０７】
実施の形態４．
図１８は、実施の形態４にかかる変位センサの構成を示す図である。図１８は、変位センサ６ＣをＹ方向から見た構成を示す図である。
【０１０８】
変位センサ６Ｃは、実施の形態３にかかる変位センサ６Ｂの構成に加えて、収束光学系６５と遮光板２５との間に、収束光６６のＸ−Ｚ平面に垂直に偏光する成分をＸ方向側に反射させるビームスプリッタ７０と、ビームスプリッタ７０によって反射された反射光７１を通過させるピンホール７２ａが形成された遮光板７２と、ピンホール７２ａを通過した光の光量を検出する光量検出部７３と、を更に備えている。光量検出部７３は、フォトダイオードが例示される。
【０１０９】
信号処理部２８は、光量検出部７３で検出された光量に基づいて、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間のおおよその距離を算出することができる。
【０１１０】
図１９から図２１は、実施の形態４にかかる変位センサと被検出面との間のおおよその距離を算出する原理を説明する図である。
【０１１１】
図１９は、被検出面９ａが、対物光学系２４の焦点位置にある場合を示す図である。この場合、反射光７１は、光量検出部７３の光量検出面で焦点を結ぶ。従って、反射光７１の全体が、ピンホール７２ａを通過して、光量検出部７３で検出される。
【０１１２】
図２０は、被検出面９ａが、対物光学系２４の焦点位置よりも遠くにある場合を示す図である。この場合、反射光７１は、収束点７１ａで一旦収束した後拡散して遮光板７２に照射される。従って、反射光７１の一部が、ピンホール７２ａを通過して、光量検出部７３で検出される。
【０１１３】
図２１は、被検出面９ａが、対物光学系２４の焦点位置よりも近くにある場合を示す図である。この場合、反射光７１は、収束し切る前に遮光板７２に照射される。従って、反射光７１の一部が、ピンホール７２ａを通過して、光量検出部７３で検出される。
【０１１４】
図２２は、実施の形態４にかかる変位センサの対物光学系と被検出面との間の距離と、光量検出部で検出される光量と、の関係を示す図である。
【０１１５】
上述したように、被検出面９ａが、対物光学系２４の焦点位置７４にあるときに、光量検出部７３で検出される光量は、極大となる。
【０１１６】
つまり、信号処理部２８は、光量検出部７３で検出される光量が極大となったときに、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離が、対物光学系２４の焦点距離で定まる距離であるとおおよそ判定することができる。従って、信号処理部２８は、光量検出部７３で検出される光量が極大となったときに、被検出面９ａが照射光３５のスポットの焦点深度内にあると判定することができる。
【０１１７】
この後、信号処理部２８は、続けて、撮像部２７でスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの画像を撮像し、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心に基づいて、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離を算出することができる。これにより、信号処理部２８は、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離の算出を、迅速に行うことが可能となる。
【０１１８】
光量を検出する光量検出部７３は、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの画像を撮像する撮像部２７より、速い速度で動作できる。従って、変位センサ６Ｃは、変位センサ６Ｂよりも、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離が対物光学系２４の焦点距離で定まる距離であるとのおおよそ判定を、速い速度で行うことができる。
【０１１９】
また、撮像部２７で撮像されたスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心に基づく変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離の算出では、被検出面９ａが照射光３５のスポットの焦点深度内であることが望ましい。一方、光量検出部７３で検出された光量に基づく変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離の算出では、上記焦点深度よりも広い範囲で距離を算出することができる。従って、変位センサ６Ｃは、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離を広い範囲で算出することができる。
【０１２０】
なお、遮光板７２は必須ではないが、遮光板７２を備えることとすれば、反射光７１の光量の極大の検出精度を高めることができ、好適である。
【０１２１】
図２３は、実施の形態４にかかる変位検出装置の処理を示すフローチャートである。
【０１２２】
まず、制御部７は、ステップＳ１１０において、駆動部５を制御して、変位センサ６をＺ方向に移動可能な最下端に移動させる。なお、制御部７は、駆動部５を制御して、変位センサ６をＺ方向に移動可能な最上端に移動させても良い。
【０１２３】
なお、制御部７は、駆動部５を制御して、変位センサ６をＺ方向に移動させることに代えて、駆動部３を制御して、走査部２をＺ方向に移動させても良い。
【０１２４】
次に、制御部７は、ステップＳ１１２において、信号処理部２８を制御して、反射光７１の光量を算出させる。
【０１２５】
次に、制御部７は、ステップＳ１１４において、反射光７１の光量が極大になったか否かを判定する。
【０１２６】
制御部７は、ステップＳ１１４で反射光７１の光量が極大になっていないと判定したら（Ｎｏ）、ステップＳ１１６において、駆動部５を制御して、変位センサ６Ｃを上方、つまりＺ方向に予め定められた距離だけ移動させ、処理をステップＳ１１２に進める。なお、制御部７は、駆動部５を制御して、変位センサ６Ｃを下方、つまり−Ｚ方向に予め定められた距離だけ移動させても良い。
【０１２７】
一方、制御部７は、ステップＳ１１４で反射光７１の光量が極大になったと判定したら（Ｙｅｓ）、ステップＳ１１８において、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離が対物光学系２４の焦点距離で定まる距離であると判定し、処理を終了する。
【０１２８】
これにより、変位検出装置１は、被検出面９ａを照射光３５のスポットの焦点深度内に調整することができる。変位検出装置１は、例えば、距離計測位置が面取り面９ｂである場合でも、図２３の処理を実行することで、被検出面９ａを照射光３５のスポットの焦点深度内に調整することができる。
【０１２９】
従って、変位検出装置１は、続けて、撮像部２７でスポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの画像を撮像し、スポット３９ａ、３９ｂ、３９ｃ及び３９ｄの輝度重心に基づいて、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離を算出することができる。これにより、変位検出装置１は、変位センサ６Ｃと被検出面９ａとの間の距離の算出を、迅速に行うことが可能となる。
【０１３０】
上記では、被検出物９に面取り面９ｂが形成されている場合について説明した。しかし、変位センサ６Ｃは、被検出物９に面取り面９ｂが形成されていない場合に、被検出物９のエッジ位置の検出をも行う事ができる。制御部７は、駆動部５を制御して、変位センサ６Ｃを被検出物のエッジを横切るように移動させ、光量検出部７３は、その時の被検出物からの反射光を受光する。
【０１３１】
図２４は、実施の形態４にかかる変位センサの被検出物のエッジを検出する様子を示す図である。図２４に示すように、被検出物９には、面取り面９ｂが形成されておらず、エッジ９ｃを有する。
【０１３２】
変位センサ６Ｃが被検出面９ａの上方に位置し、Ｘ座標がＸ１である場合、照射光３５のほぼ全部が反射され、光量検出部７３には反射光７１が入射する。
【０１３３】
変位センサ６Ｃが被検出物９のエッジ９ｃの上方に位置し、Ｘ座標がＸ２である場合、照射光３５のおおよそ半分が反射され、光量検出部７３には反射光７１が入射する。
【０１３４】
変位センサ６Ｃが被検出物９の上方ではない場所に位置し、Ｘ座標がＸ３である場合、照射光３５の全部が反射されず、光量検出部７３には反射光７１が入射しない。
【０１３５】
図２５は、実施の形態４にかかる変位センサのＸ座標と検出光量との関係を示す図である。図２５に示すように、変位センサ６ＣのＸ座標と検出光量との関係を示すグラフ１６０は、Ｘ座標がＸ１の付近で最大光量Ｖ１付近を維持し、Ｘ座標がＸ２の付近で最大光量Ｖ１の半分の光量Ｖ２となり、Ｘ座標がＸ３の付近でゼロとなる。
【０１３６】
従って、変位センサ６Ｃは、光量検出部７３で検出される光量の変化に基づいて、被検出物９のエッジ９ｃの位置をも検出することもできる。
【０１３７】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【０１３８】
１  変位検出装置、２  走査部、３，５  駆動部、６  変位センサ、７  制御部、２０  投光部、２４  対物光学系、２５，７２  遮光板、２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ  結像光学系、２７  撮像部、２８  信号処理部、６５  収束光学系、７０  ビームスプリッタ、７３  光量検出部。
【要約】
照射光を被検出物の被検出面に向けて投光する投光部と、照射光を被検出面に向かって収束させ、照射光が被検出面によって拡散反射された反射光を取込む対物光学系と、対物光学系によって取込まれた透過光の複数の部分を夫々通過させる複数の開口部が形成された遮光板と、画像を撮像する撮像部と、対物光学系によって取込まれた透過光の複数の部分を撮像部に夫々結像させる複数の結像光学系と、撮像部によって撮像された複数のスポットの各々の輝度重心に基づいて、被検出面との間の距離を算出する信号処理部と、を備える。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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