(57)【要約】【課題】小型・低コスト化を図りつつ、被測定対象物の変位及び傾きを精度良く測定することができる変位測定装置を提供する。【解決手段】制御手段３からの出力制御によりレーザ光源１１からレーザ光が出射され、この出射光がビームスプリッタ１２を透過してコリメータレンズ１３に至り、略平行光に変えられてからハーフミラー１４及び対物レンズ１５を透過して板状の不透明体であるワークＷに投射されるようになっている。レーザ光源１１からの出射光がワークＷに投射されると、その反射光は対物レンズ１５を透過し、ハーフミラー１４にてこれを透過する光と反射する光とに分離される。このうち、ハーフミラーを反射した光は円錐レンズ１８を透過し、その透過光が撮像手段たるＣＣＤ４に受光されるようになっている。この円錐レンズ１８は、光が平坦面から円錐曲面に向けて透過するように、かつ、その透過光がＣＣＤ４の撮像面で結像する位置に配されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を出射する投光手段と、この投光手段からの光を略平行光にするコリメータレンズと、このコリメータレンズからの略平行光を収束させて被測定対象物上に投射する対物レンズと、この対物レンズによる前記投光手段からの光の焦点位置を移動させる焦点位置駆動手段と、この焦点位置駆動手段に駆動信号を与えて前記対物レンズによる光の焦点が前記被測定対象物の光照射面の前後に移動するようにする焦点駆動制御手段と、前記被測定対象物の光照射面からの反射光が入射されてその受光量に応じた受光信号を出力する受光部と、前記対物レンズによる光の焦点位置の変化と前記受光信号の変化とに基づいて前記被測定対象物の光照射面までの距離を検出する距離検出手段とを備えた変位測定装置において、
前記コリメータレンズと前記対物レンズとの間の光軸上に光分離手段を設け、この光分離手段で分離された前記被測定対象物の光照射面からの反射光を円錐レンズを通して撮像手段に入射させ、前記撮像手段から前記光照射面の傾きに応じて変化する前記円錐レンズを透過した光の分布を示す信号を出力するようにしたことを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記コリメータレンズと前記対物レンズとの間に、コリメータレンズからの略平行光を発散させる発散レンズが設けられ、前記焦点位置駆動手段は前記発散レンズ及び／又は前記対物レンズを光軸方向に往復移動させることを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位測定装置に係り、特に、被測定対象物の変位及び傾きを計測するものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の変位測定装置として、特開平７−１１３６１７号公報に開示されているものが挙げられる。これは、いわゆる合焦点検出型非接触変位計であって、金属や樹脂等の被測定対象物の変位量を測定するものであり、光源から発せられた可視光をビームスプリッタ及びハーフミラーに透過させ、コリメータレンズ及び音叉に取付けられた対物レンズを介して被測定対象物に投射させるとともに、音叉を振動させることにより対物レンズを光軸方向に振動させてこの対物レンズを透過した光の焦点位置を変動させている。
【０００３】
そして、被測定対象物からの反射光は、対物レンズ、コリメータレンズを透過した後、ビームスプリッタで反射し、受光素子に入射する。対物レンズを光軸方向に振動させることにより、対物レンズによる光源からの光の焦点位置を移動させる。すると焦点位置が被測定対象物の光照射面に一致した瞬間に受光素子前面に配されたピンホールを通過する光量（即ち、反射光の光量）が最大となる。そして、この最大の受光量が得られた時点での対物レンズの位置を検出することで対物レンズから被測定対象物までの距離が演算される。以降、被測定対象物を光軸と直交する方向へ移動したときには、上記と同様の方法により距離を演算することで被測定対象物の変位が測定されるのである。
【０００４】
ところで、この種の変位計では、被測定対象物の変位を測定する際に、同時に被測定対象物の投射面の傾きを検出したい場合があるが、上記構成では、傾き検出の機能を備えていないため、傾きを検出することができる変位計が求められていた。
【０００５】
そこで、例えば、特開平７−２９４２５０号公報に開示されているものが開発されている。図６に示すように、変位測定用光源７１から発せられた可視光をビームスプリッタ７２及びハーフミラー７３を透過させ、音叉８１の長寸部に取付けられたコリメータレンズ７４及び対物レンズ７５を介して被測定対象物Ａに投射させるとともに、音叉８を振動させることで両レンズ７４，７５を光軸方向に振動させて対物レンズ７５を透過した光の焦点位置を変動させる。また、対物レンズ７５の近傍には、変位測定用光源７１とは異なる波長の可視光を発するモニタ用光源７６が配されており、後述する受光素子７８の受光量に基づく所定のタイミングに合わせて瞬間的にこのモニタ用光源７６からの光が直接被測定対象物Ａに投射されるようになっている。
変位測定用光源７１から発せられた光は、被測定対象物Ａで反射し、両レンズ７４，７５を透過した後、収束光とされてハーフミラー７３に向かい、このハーフミラー７３で透過する光と反射する光とに分離される。このうち透過した光はビームスプリッタ７２で反射してピンホール７７を介して受光素子７８に受光されるようになっており、上記の変位測定装置と同様の方法により被測定対象物Ａの変位が検出される。
【０００６】
また、ハーフミラー７３を反射した光はＣＣＤ９にて撮像されるようになっている。ここで、変位測定用光源７１とモニタ用光源７６との色（波長）の相違により、対物レンズ７５での色収差により焦点位置が異なることを利用して、モニタ用光源７６からの光が被測定対象物Ａを反射した後、ＣＣＤ９で結像するようにされている。このようにすると、被測定対象物Ａが傾いていないときのＣＣＤ９の撮影像はモニタ用光源７６の光による被測定対象物Ａからの反射光の像が表示されると共に、その像の外側に変位測定用光源７１からの反射光の像が円形に表示さる。逆に被測定対象物Ａが傾いているときには、合焦信号に合わせて発せられたモニタ用光源７６のうち合焦点で反射した光の像が表示され、変位測定用光源７１からの光による像がモニタ用光源７６からの光による像からずれるので、これをモニタ等の表示部に表示することで被測定対象物Ａの傾きを判断するようにしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成では、被測定対象物Ａの変位及び傾きの双方を測定するには、２つの光源７１，７６が必要となるほか、モニタ用光源７６の点灯・消灯には複雑な制御回路が必要となるから、装置が大型化・コスト高になるという欠点がある。また、対物レンズ７５での色収差はごく僅かであるから、ＣＣＤ９の撮影像から両光源７１，７６の光の中心が互いにずれていることを認識するのは困難を極め、識別性が悪い。尚、識別性が悪くなるとは、例えば具体的には、被測定対象物Ａの表面の形状によっては、モニタ用光源によって表示される像が点や線状でなく、二次元的に広がりをもった複雑な形状になることがあり、中心位置の判断が困難となるような場合である。しかも、ハーフミラー７３に向かう被測定対象物Ａからの反射光は非平行光であるから、このハーフミラー７３で非点収差が生じる。そうすると焦点位置と被測定対象物Ａの光照射面とが一致していたとしても、受光素子７８で焦点が結ばれなくなってピンホール７７により受光素子７８へ入射する反射光が阻止されることが考えられるから、変位の測定精度にも悪影響を及ぼすという問題がある。
【０００８】
本発明は上記にような事情に基づいて完成されたものであって、その目的は小型・低コスト化を図りつつ、被測定対象物の変位及び傾きを精度良く測定することができる変位測定装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、小型・低コストであって精度良く被測定対象物の傾き及び変位を測定することができる光学装置を開発すべく、鋭意研究してきたところ、以下の知見を見いだして本発明を完成するに至った。
発明者は被測定対象物からの反射光の光強度分布に着目した。すなわち、被測定対象物の投射面が対物レンズを透過した光の光軸に対して垂直となるように位置しているときの反射光の光強度分布と傾いて位置しているときの光強度分布とが相違しており、具体的には、光軸に対して垂直に位置しているときの反射光では略均一な光強度分布の光束とされており、傾いているときにはその分布に偏りが生じているところに着目したのである。
従って、反射光を撮像手段にて撮像し、これをモニタ等の表示手段により表示することで、被測定対象物の傾きを検出できるとした。ただし、反射光を直接撮像手段に受光させたとしても光強度分布の偏りを識別することが容易ではないことから、さらに進んで、反射光を円錐レンズを介して撮像手段に受光させるようにした。この結果、被測定対象物の傾きによって左右されることなくその傾きを識別する際の基準となる像の中心部分をベッセルビームにより明示できると共に、被測定対象物が傾いているときの反射光の光強度分布の偏りを色濃く反映させることが可能となり、さらに、従来のようにモニタ用光源を駆動させるための複雑な制御も不要となる。従って、光源を１つとして小型・低コスト化を図りつつ傾き検出の識別性を飛躍的に向上させることを可能とした。
【００１０】
本発明の変位測定装置は、かかる新規な知見に基づいてなされたものであり、請求項１の発明は、光を出射する投光手段と、この投光手段からの光を略平行光にするコリメータレンズと、このコリメータレンズからの略平行光を収束させて被測定対象物上に投射する対物レンズと、この対物レンズによる前記投光手段からの光の焦点位置を移動させる焦点位置駆動手段と、この焦点位置駆動手段に駆動信号を与えて前記対物レンズによる光の焦点が前記被測定対象物の光照射面の前後に移動するようにする焦点駆動制御手段と、前記被測定対象物の光照射面からの反射光が入射されてその受光量に応じた受光信号を出力する受光部と、前記対物レンズによる光の焦点位置の変化と前記受光信号の変化とに基づいて前記被測定対象物の光照射面までの距離を検出する距離検出手段とを備えた変位測定装置において、前記コリメータレンズと前記対物レンズとの間の光軸上に光分離手段を設け、この光分離手段で分離された前記被測定対象物の光照射面からの反射光を円錐レンズを通して撮像手段に入射させ、前記撮像手段から前記光照射面の傾きに応じて変化する前記円錐レンズを透過した光の分布を示す信号を出力するようにしたところに特徴を有する。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記コリメータレンズと前記対物レンズとの間に、コリメータレンズからの略平行光を発散させる発散レンズが設けられ、前記焦点位置駆動手段は前記発散レンズ及び／又は前記対物レンズを光軸方向に往復移動させるところに特徴を有する。
【００１２】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
被測定対象物からの反射光を円錐レンズを介して撮像手段に受光させるようにしたから、被測定対象物が傾いているときの反射光の光強度分布の偏りを色濃く反映させることが可能となり、光源を１つとして小型・低コスト化を図りながら、傾き検出の識別性を飛躍的に向上させることができる。
さらには、コリメータレンズにより、被測定対象物からの反射光を略平行光に変えて光分離手段に入射するようにしたから、非点収差が生じることがなくなり、受光部での受光量の変化が緩慢になることを防止することもできる。
【００１３】
＜請求項２の発明＞
対物レンズからの透過光の焦点を明確に結像するには、開口角を大きくすることが望ましく、そのためには対物レンズに入射する光の光芒を広くすれば良いのであるが、そうすると従来では、コリメータレンズ、その他の光学部品自体も大きくしなくてはならず、全体として光学系を大きくしなければならないという欠点があった。
また、対物レンズを光軸方向に移動させることによって焦点位置を変える方法では、対物レンズの移動量と焦点位置の移動量とは同一とされていることから、分解能を変えることができなかった。
【００１４】
これに対して、本発明では、コリメータレンズと対物レンズとの間に、コリメータレンズからの略平行光を発散させる発散レンズを設け、焦点位置駆動手段により発散レンズと対物レンズとを光軸方向に相対的に往復移動させる構成としているから、上記のように焦点位置の移動範囲やその最小移動量を変えることによって分解能を変えることができる。しかも、発散レンズを用いて焦点位置を変えるようにしているから、発散レンズよりも被測定対象物とは反対側にある光学系を通る光の光芒を絞ることができる。従って、これらの光学系を小型化することもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明に係る変位測定装置の一実施形態を図１〜図４を参照して説明する。本実施形態の変位測定装置はいわゆる合焦点検出型被接触変位測定装置であって、例えば、金属や樹脂等の被測定対象物の変位を測定するものである。その構成は図１に示すとおりであり、制御手段３からの出力制御によりレーザ光源１１（「投光手段」に相当）からレーザ光が出射され、この出射光がビームスプリッタ１２を透過してコリメータレンズ１３に至り、略平行光に変えられてからハーフミラー１４（「光分離手段」に相当）及び対物レンズ１５を透過して板状の不透明体であるワークＷ（「被測定対象物」に相当する。）に投射されるようになっている。
【００１６】
対物レンズ１５はＵ字状の音叉２１の一端部に取付けられており、他端部の近くには制御手段３（「焦点駆動制御手段」に相当）からの制御信号に応じて動作する音叉振動用の励磁コイル２２（音叉と共に「焦点位置駆動手段」を構成する）が配設されている。励磁コイル２２に制御手段３からの制御信号が供給されると、音叉２１が図面上下方向に振動することに伴なって対物レンズ１５が光軸ＬＣの方向に往復移動されるようになっている。また、音叉２１のうち、対物レンズ１５を取付けた部位の近傍には対物レンズ１５の位置を検出するレンズ位置検出コイル２３が配設されており、このレンズ位置検出コイル２３からの出力信号が制御部３に出力されるようになっている。
【００１７】
ワークＷの表面で反射したレーザ光は対物レンズ１５を透過し、ハーフミラー１４にてこれを透過する光と反射する光とに分離される。このうち、透過した光はコリメータレンズ１３を透過して収束光とされた後、ビームスプリッタ１２を反射して受光面の前方にピンホール１６を設けた受光素子１７（請求項に記載の「受光部」に相当）に受光され、その受光信号が制御部３に出力される。尚、対物レンズ５を透過したレーザ光がワークＷの表面上に焦点を結ぶと、その反射光がピンホール１６で結像し、受光素子１７での受光量が最大となる。一方、対物レンズ５を透過したレーザ光がワークＷの表面上に焦点を結んでいないときには、その反射光の受光量は著しく少なくなる。
【００１８】
一方、ワークＷからの反射光のうちハーフミラーを反射した光は円錐レンズ１８を透過し、その透過光が撮像手段たるＣＣＤ４に受光され、ＣＣＤ４１の撮像信号が制御部３に出力されるようになっている。この円錐レンズ１９は、光が平坦面から円錐曲面側に透過するように、かつ、その透過光がＣＣＤ４の撮像面で交差する位置に配されている。
尚、本実施形態の変位測定装置ではレーザ光源から焦点位置までの光学的距離と焦点位置から受光素子前面に設けられたピンホール１６までの光学的距離とを同一としているいわゆる共焦点光学系を用いている。
【００１９】
制御部３は、受光素子１７からの受光信号及びレンズ位置検出コイル２３からの検出信号を基にしてワークＷ表面の変位を測定する。具体的には、受光素子１７からの受光信号をモニタし、その受光信号が最大値となったときにレンズ位置検出コイル２３からの検出信号を取り込む。そして、取り込んだ検出信号から対物レンズ１５の位置を検出することでワークＷまでの距離を割り出す。尚、対物レンズ１５の位置が検出されると、この検出された位置と対物レンズ１５の焦点距離とから、ワークＷの距離が割り出されるようになっている。以降、ワークＷが光軸ＬＣと直交する方向へ移動したときには、上記と同様の手順によりワークＷ表面の距離を割り出すことでワークＷの変位を検出する。これにより、制御部３は請求項に記載の「距離検出手段」としての機能も有する。
また、ＣＣＤ４から出力された撮像信号を受けると、例えば多階調表示のモニタ５に出力して、撮影像をこれに表示させるようになっている。
【００２０】
続いて本実施形態の作用について説明する。
レーザ光源１１からの出射光はビームスプリッタ１２、コリメータレンズ１３、ハーフミラー１４及び対物レンズ１５を透過してワークＷの表面に投射され、このワークＷからの反射光は、レーザ光源１１から出射されたレーザ光の光路を逆に辿り、ビームスプリッタ１２を反射して受光素子１７にて受光される。ここで、ワークＷの反射光は略平行光としてハーフミラー１４を透過するから、非点収差が生じることなく、受光素子１７の受光面で確実に焦点が結ばれる。
制御部３では、受光素子１７からの受光信号が最大となったときのレンズ位置検出コイル２３の検出信号に基づいてワークＷの変位量を測定する。
【００２１】
さて、制御部３は受光素子１７からの受光信号が最大であると判断すると、ＣＣＤ４にて受光されたワークＷからの反射光をモニタ５に表示する（図２〜図４参照）。尚、図２〜図４は、図１におけるワークＷの各位置▲１▼〜▲３▼（図面下段）に対応してモニタ５に表示された円形像を示したものであり（図面上段）、濃色となるほど光強度が高くなり、逆に白に近づくほど強度が低くなることを示している。また、光路中には、ワークＷの各位置において円錐レンズに入射するワークＷからの反射光のうち光軸と平行であって、かつ、紙面と平行な断面における光強度の分布を示したものであり、強度が高くなるほど濃色となるように示されている。また、ＣＣＤ４の撮像面とモニタ５の表示面との関係は、ＣＣＤ４の図面下端とモニタ５の図面左端とが対応するようになっている。
【００２２】
ここで、ワークＷが光軸ＬＣに対して直交するように位置しているとき（図１において▲１▼の位置である。以下、正規位置という。）には、その反射光の光強度分布は一様であり、円錐レンズ１９を透過すると、いわゆるベッセルビームとされてＣＣＤ４にて撮像される。これをモニタ５に表示すると円形像の中心に光強度が最も高い輝点が認められ、輝点を中心に一様の光強度分布とされる（図２参照）。そして、作業者はこの円形像を確認することによりワークＷが正規位置にあることを確認することができる。
【００２３】
一方、ワークＷが光軸ＬＣに対して傾いて位置しているときには、ワークＷからの反射光の光強度分布に偏りが生じ、円錐レンズ１８を透過すると、ベッセルビームは、その輝点の明るさが弱くなるものの、その周囲に比べ十分な明るさをもって形成される。例えば、ワークＷが正規位置から左上がりとなるように傾けられているときには図３に示すようにワークＷからの反射光の光強度は、ハーフミラー１４を反射する前は図面右側に偏り、反射した後では図面下側に偏った状態となる。円錐レンズ１８を透過してＣＣＤ４に撮像された円形像ではベッセルビームによる輝点を中心に左側が右側よりも明るくなっている。ここで、例えばモニタ５に表示された円形像において左側が右側に比べて明るいことを確認してワークＷが左上がりとなるように傾いていると判断することができる。
【００２４】
反対に、ワークＷが正規位置から左上がりとなるように傾けられているときには図４に示すようにワークＷからの反射光の光強度は、ハーフミラー１４を反射する前は図面右側に偏り、反射した後では図面下側に偏った状態となる。円錐レンズ１８を透過てＣＣＤ４に撮像された円形像では中央から右側が左側よりも明るくなっている。ここで、例えばモニタ５に表示された円形像において右側が左側に比べて明るいことを確認してワークＷが右上がりに傾いていると判断することができる。
また、ワークＷが紙面と平行であって、かつ、光軸と直交する軸を中心に傾けられた場合にも同様に、光強度分布の偏りが生じるから、これをモニタ５で確認することにより、ワークＷの傾きを検出することができる。
【００２５】
本実施形態の変位測定装置によれば、光源を１つとしながら、変位量と被検出物体の傾きとを検出することが可能であるから、装置の小型・低コスト化を図ることができる。また、円錐レンズ１８を設けたことにより、モニタ５に表示される円形像の中心をベッセルビームによる輝点で明示できると共に、ワークＷからの反射光の光強度分布の偏りを明確に示すことができ、これによってワークＷの傾きを容易に認識することができる。
さらには、コリメータレンズ１３をハーフミラー１４よりもレーザ光源１１側に配したことにより、ハーフミラー１４には略平行光とされたワークＷからの反射光が入射するから、非点収差が生ぜず、受光素子１７の受光面で確実に焦点を結ぶことができ、変位量の検出に悪影響を及ぼすことを回避することができる。
【００２６】
＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略すると共に、同一の作用・効果の説明についても省略する。
本実施形態では、対物レンズ１５とハーフミラー１４との間に発散レンズ１９を配し、この発散レンズ１９が音叉２１の一端部に取付けられた構成とされている。このような構成では、発散レンズ１９の往復移動（矢線に示す方向）によりレーザ光源１１からの出射光の焦点位置が変動される。
ここで、例えばレーザ光源１１からの出射光の分解能（焦点の最小移動量）を変えたいときには対物レンズ１５あるいは発散レンズ１９の交換又は対物レンズ１５と発散レンズ１９との間隔を変えるようにすればよいから、その自由度が高くなるという効果が得られる。しかも、発散レンズ１９とレーザ光源１１との間にある光学系を通る光の光芒を絞ることができるから、光学系を小型化することも可能である。
【００２７】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、円錐レンズ１８の平面側から円錐曲面側へ光を透過させる構成としていたが、反対に円錐曲面側から光を入射させ、平面側から出射させるように構成してもよい。
【００２８】
（２）また、投光手段としてはコヒーレント光を出射するレーザ光源１１に限らず、例えば、発光ダイオードや白色電灯等のインコヒーレント光を放射する光源を用いることもできる。これらを用いた場合でもワークＷが傾けられているときには、やはり、ワークＷからの反射光の光強度分布に偏りが生じており、上記実施形態と同様にモニタ５に表示された円形像の明るさにアンバランスが表れるから、これを確認することでワークＷの傾きを確認することができる。
【００２９】
（３）また、上記実施形態では不透明体であるワークＷの変位を検出する実施例を示したが、例えば透明体の表裏両面と対物レンズ１５との距離を検出することにより、この透明体の厚さ寸法を検出することも可能である。
【００３０】
（４）また、制御手段３では、ＣＣＤ４からの撮像信号を基にモニタ５に撮影像を表示する構成としていたが、例えば、モニタ５に表示された円形像の各明るさに重みを設け、これにより、円形像の重心を求め、これが衷心に表れる輝点あるいは円形像の中心との不一致が所定以上となった時には、外部に信号を出力し、ワークＷが傾いていることを作業者等に報知する構成としても良い。
【００３１】
（５）また、制御部３は受光素子１７からの受光信号が最大であると判断したときに、ＣＣＤ４にて受光されたワークＷからの反射光をモニタ５に表示する構成としていたが、例えば、モニタ５には常時ＣＣＤ４にて受光されたワークＷからの反射光を表示するようにしてもよい。
【００３２】
（６）第２実施形態では、発散レンズ１９を音叉２１により往復移動させる構成としていたが、例えば対物レンズ１５のみを往復移動させる構成や、両レンズ１５，１９を互いに反対方向に往復移動させるような構成であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る変位測定装置の構成図
【図２】本発明の作用効果を示すための模式図
【図３】本発明の作用効果を示すための模式図
【図４】本発明の作用効果を示すための模式図
【図５】第２実施形態に係る変位測定装置の構成図
【図６】従来の変位測定装置の構成図
【符号の説明】
３…制御手段
４…ＣＣＤ（電荷結合素子）
１１…レーザ光源
１４…ハーフミラー
１７…受光素子
１９…発散レンズ
２１…音叉
２２…励磁コイル
【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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