(57)【要約】 【課題】  被測定物の変位量を迅速に測定することができるとともに、装置自体の簡易化を図ることができる変位測定装置を提供すること。【解決手段】  光源３と、該光源３からの光を集光し前記被測定物２に照射する対物レンズ６と、被測定物２から反射し前記対物レンズ６を透過した反射光を集光する集光レンズ７と、該集光レンズ７からの出射光の光路を変更する少なくとも１つの反射面２０ａを有する光路変更手段２０と、該光路変更手段２０からの出射光を受光する受光素子８と、前記反射面２０ａの位置または設置角度の少なくとも１つを変化させることにより、前記光路を周期的に変化させる反射面可変手段２１と、前記受光素子８の出力に基づいて、少なくとも前記集光レンズ７から前記反射面２０ａを介して受光素子８に至るまでの光路長を求めることにより、前記被測定物２の変位量を算出する変位量算出手段９と、を備えることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に対して光を照射する光源と、
該光源からの光を集光し前記被測定物に照射する対物レンズと、
前記被測定物から反射し前記対物レンズを透過した反射光を集光する集光レンズと、
該集光レンズからの出射光の光路を変更する少なくとも１つの反射面を有する光路変更手段と、
該光路変更手段からの出射光を受光する受光素子と、
前記反射面の位置または設置角度の少なくとも１つを変化させることにより、前記光路を周期的に変化させる反射面可変手段と、
前記受光素子の出力に基づいて、少なくとも前記集光レンズから前記反射面を介して受光素子に至るまでの光路長を求めることにより、前記被測定物の変位量を算出する変位量算出手段と、を備えることを特徴とする変位測定装置。
【請求項２】
前記光路変更手段がポリゴンミラーであって、
前記反射面可変手段が、前記ポリゴンミラーを回転させる回転機構を備えることを特徴とする請求項１に記載の変位測定装置。
【請求項３】
前記ポリゴンミラーの半径方向と前記少なくとも１つの反射面とのなす角が、前記半径方向と他の反射面とのなす角と異なるように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の変位測定装置。
【請求項４】
前記受光素子と前記反射面との間の光路上にｆθレンズが設置されていることを特徴とする請求項１から請求項３に記載のいずれか１つに記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物を非接触で測定するための変位測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定物を測定するための種々の装置があるが、これら装置の中には、被測定物を非接触で測定する以下のようなものが知られている。すなわち、図８に示すように、被測定物１０２に向けて光を照射する光源１０３と、光源１０３から照射される光を平行光にするコリメータレンズ１０４と、コリメータレンズ１０４からの出射光を集光し被測定物１０２に照射する対物レンズ１０５とを備えるものである。また、これら装置は、前記被測定物１０２からの反射光の光路を変更するビームスプリッタ１０６と、ビームスプリッタ１０６により変更された光を集光し、ピンホール１０７を有する遮光板１０８に照射する集光レンズ１１０と、ピンホール１０７を透過した光を受光する受光素子１０９とを備えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このような構成において、光源１０３から光を照射すると、その光はコリメータレンズ１０４により平行光にさせられ、この平行光がビームスプリッタ１０６に入射する。入射した光の一部はビームスプリッタ１０６を透過して対物レンズ１０５に入射する。そして、対物レンズ１０５により集光されその光が被測定物１０２に照射される。被測定物１０２に到達した光はそこで反射させられ、この反射光は再び対物レンズ１０５を透過しビームスプリッタ１０６により光路を変更させられる。そして、この光がピンホール１０７を透過したのち受光素子１０９に到達し、受光素子１０９によりその光強度が検出される。
【０００４】
ここで、対物レンズ１０５を光軸方向に移動させると、受光素子１０９によって検出される光強度は対物レンズ１０５の位置によって変化する。すなわち、対物レンズ１０５と被測定物１０２との相対距離によって、検出される光強度は変化し、両者の相対距離が対物レンズ１０５の焦点距離と等しくなると、その光が受光素子１０９に結像し、光強度は最大となる。この最大となるときの対物レンズ１０５の位置を求めることにより、被測定物１０２の表面位置を測定することができる。
【特許文献１】特開２０００−７４６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような構成によると、対物レンズ１０５を高精度に移動させる必要があるため、測定スピードを上げることができず、また装置自体の構成が複雑になるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、被測定物の変位量を迅速に測定することができるとともに、装置自体の構成の簡易化を図ることができる変位測定装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、被測定物に対して光を照射する光源と、該光源からの光を集光し前記被測定物に照射する対物レンズと、前記被測定物から反射し前記対物レンズを透過した反射光を集光する集光レンズと、該集光レンズからの出射光の光路を変更する少なくとも１つの反射面を有する光路変更手段と、該光路変更手段からの出射光を受光する受光素子と、前記反射面の位置または設置角度の少なくとも１つを変化させることにより、前記光路を周期的に変化させる反射面可変手段と、前記受光素子の出力に基づいて、少なくとも前記集光レンズから前記反射面を介して受光素子に至るまでの光路長を求めることにより、前記被測定物の変位量を算出する変位量算出手段と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
この発明に係る変位測定装置によれば、光源から被測定物に対して光を照射すると、対物レンズによりその光が集光され、被測定物に照射される。照射された光は、被測定物に到達し、そこで反射させられる。その反射光は、再び対物レンズを透過し、集光レンズにより集光される。そして、集光レンズから出射された光は、光路変更手段の反射面によってその光路を変更させられ、受光素子に到達する。受光素子は、その光を検知すると、それを電気信号に変換し、光強度情報として出力する。
【０００９】
ここで、前記反射面は、反射面可変手段により、その位置または設置角度の少なくとも１つが周期的に変化させられていることから、反射面から反射させられた光が受光素子に到達する到達ポイントが変化する。すなわち集光レンズから反射面を介して受光素子に至るまでの光路長が周期的に変化することになる。そのため、その光路長が対物レンズおよび集光レンズの焦点距離と等しくなる前記到達ポイント上の一点において、その光が結像させられる。このとき、検出される光強度は最大となる。そこで、本発明に係る変位測定装置においては、変位量算出手段により、前記受光素子の出力に基づいて、光強度が最大となったときの、少なくとも集光レンズから反射面を介して受光素子に至るまでの光路長が求められ、この光路長から被測定物の変位量が算出される。
これにより、対物レンズを移動させることなく、反射面可変手段により反射面を変化させるため、被測定物の変位量を迅速かつ容易に算出することができ、装置自体をより簡易に構成することが可能となる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の変位測定装置において、前記光路変更手段がポリゴンミラーであって、前記反射面可変手段が、前記ポリゴンミラーを回転させる回転機構を備えることを特徴とする。
この発明に係る変位測定装置によれば、光源から照射された光は、上記と同様にして集光レンズに入射する。そして集光レンズから出射した光は、ポリゴンミラーの反射面に到達し、この反射面により受光素子に向けてその光路が変更させられる。このとき、回転機構によりポリゴンミラーが回転させられていることから、集光レンズから受光素子に至るまでの光路長が周期的に変化する。そこで、上記と同様にして、変位量算出手段により、被測定物の変位量が算出される。
これにより、さらに迅速かつ容易に変位量を測定することができ、装置自体の構成もさらに簡易にすることが可能となる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項２に記載の変位測定装置において、前記ポリゴンミラーの半径方向と前記少なくとも１つの反射面とのなす角が、前記半径方向と他の反射面とのなす角と異なるように設定されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明に係る変位測定装置によれば、ポリゴンミラーの半径方向と反射面とのなす角について、その角度が他と異なるように設定された反射面により反射された光と、他の反射面により反射された光とは、受光素子上の到達ポイントがそれぞれ異なることになる。
これにより、各到達ポイントごとに出力情報を取り込むことができ、受光素子のバラツキによる誤差が緩和され、より高精度に測定することが可能となる。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３に記載のいずれか１つに記載の変位測定装置において、前記受光素子と前記反射面との間の光路上にｆθレンズが設置されていることを特徴とする。
この発明に係る変位測定装置によれば、反射面可変手段により反射面の位置または設置角度の少なくとも１つが変化させられることから、集光レンズから出射した光は反射面により反射させられ、その反射光は、受光素子に対して漸次入射角を変化させながら連続的に入射する。
【００１４】
ここで、受光素子への入射角はゼロ度から離れるほど、到達ポイントにおいて入射光のなす形が楕円状になり、それだけ受光素子の検出誤差が大きくなる。一方、受光素子への入射角がゼロ度に近づくほど、それだけ到達ポイントにおいて真円に近くなり、高精度に検出されることになる。本発明に係る変位測定装置においては、受光素子と反射面との間の光路上にｆθレンズが設置されていることから、ｆθレンズに入射する光は、その入射角を問わず受光素子に対して垂直になるように光路が保たれ、受光素子への入射角は常にゼロ度となる。
これにより、受光素子に入射する光がなす形は常に真円となり、高精度な光検出が可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、被測定物の変位量測定の迅速化および装置自体の構成の簡易化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施例１）
以下、本発明の第１実施例における変位測定装置について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施例としての変位測定装置に、被測定物であるワークを設置した様子を示したものである。
図１において、符号１は変位測定装置、符号２はワークを示している。
本変位測定値１は、レーザ光を照射するレーザダイオード（光源）３と、レーザダイオード３から照射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズ４と、コリメータレンズ４からの出射光の光路を略９０度変化させるハーフプリズム５とを備えており、ハーフプリズム５により変化させられた光路上にワーク２を設置するようになっている。
【００１７】
また、変位測定装置１は、ハーフプリズム５によりその進行方向が変化させられたレーザ光を集光し、ワーク２に向けて照射する対物レンズ６と、対物レンズ６およびハーフプリズム５を透過した、ワーク２からの反射光を集光する集光レンズ７と、集光レンズ７の近傍に設けられ、集光レンズ７からの出射光を受光するリニアイメージセンサ（受光素子）８と、リニアイメージセンサ８からの出力に基づいて所定の演算を行うデータ処理部（変位量算出手段）９とを備えている。リニアイメージセンサ８は、複数の画素を有する受光面を備えており、それぞれの画素に到達した光を電気信号に変換し、光強度情報として順次これを出力するようになっている。
【００１８】
本実施例における変位測定装置１においては、対物レンズ６および集光レンズ７は固定された状態となっている。さらに、本実施例における変位測定装置１は、集光レンズ７とリニアイメージセンサ８との間の光路上に、断面正８角形の角柱状のポリゴンミラー２０が設置されている。ポリゴンミラー２０は、その外周面にレーザ光を反射させる８つの反射面２０ａを備えており、集光レンズ７からの出射光を反射面２０ａによって反射させることにより、その光路を変更し、その反射光をリニアイメージセンサ８に到達させるようになっている。
【００１９】
また、ポリゴンミラー２０は回転軸（反射面可変手段、回転機構）２１によって回転可能に支持されており、ポリゴンミラー２０からの出射光がリニアイメージセンサ８に到達したときの到達ポイントが連続的に変化するように、上記ポリゴンミラー２０は回転軸２１を中心として一定の周期で回転させられるようになっている。このとき、各反射面２０ａはそれぞれが常に同一の軌跡を描いて移動させられるようになっている。これにより、集光レンズ７からリニアイメージセンサ８までに至る光路長が周期的に変化するようになっている。
【００２０】
これら集光レンズ７、ポリゴンミラー２０およびリニアイメージセンサ８が、後述するように所定の間隔になるように位置決めして設置されている。
また、データ処理部９は、リニアイメージセンサ８からの出力に基づいて、後述するように、集光レンズ７と対物レンズ６との焦点距離である図５に示す基準光路長Ｌを求めるようになっている。さらにこの基準光路長Ｌから、対物レンズ６とワーク２の表面との間の図５に示す変位距離Ｔを算出するようになっている。
【００２１】
次に、このように構成された本実施例における変位測定装置１の作用について説明する。
まず、被測定物たるワーク２を所定の位置に取り付け、この状態からレーザダイオード３を駆動し、レーザ光を照射するとともに、回転軸２１を駆動しポリゴンミラー２０を回転させる。するとレーザダイオード３から照射されたレーザ光はコリメータレンズ４を透過することにより平行光にさせられ、その光はハーフプリズム５に入射する。この入射光は、ハーフプリズム５によって、ワーク２に向かうようその進行方向が略９０度変化させられる。そして、この光は、対物レンズ６に入射することにより集光され、ワーク２に向けて照射される。照射された光は、ワーク２の測定ポイントに到達し、そこで反射させられる。反射させられた光は、再度対物レンズ６を透過し、さらにハーフプリズム５をも透過する。そして、集光レンズ７に入射し、集光レンズ７によって集光され、ポリゴンミラー２０に向けて照射される。
【００２２】
この照射された光は、ポリゴンミラー２０の反射面２０ａに到達し、そこで反射させられることにより、進行方向を変えられてリニアイメージセンサ８まで到達する。ここで、ポリゴンミラー２０は回転していることから、集光レンズ７からの出射光が反射面２０ａに最初に到達するポイントは決まっていないが、ポリゴンミラー２０の回転により新たな反射面２０ａが最初に送られてきたときには、図２に示すように、その反射面２０ａの端部に前記出射光が達し、そこで反射させられた光が、このときの反射面２０ａと光軸Ｎとの角度に応じたリニアイメージセンサ８の所定の位置に到達することになる。
【００２３】
さらに、ポリゴンミラー２０は回転を続けることから、図３および図４に示すように、ポリゴンミラー２０の回転角度に応じて、反射面２０ａが移動させられていくと同時に、光軸Ｎと反射面２０ａとの角度が漸次変化させられる。そのため、集光レンズ７からの出射光が反射面２０ａに達する位置は、反射面２０ａの端部からもう一方の端部に向けて連続的に変化させられる。それと同時に、光軸Ｎと反射面２０ａとの角度が漸次変化させられていくことから、反射面２０ａからの出射角も連続的に変化させられる。したがって、反射面２０ａからの出射光がリニアイメージセンサ８へに到達する到達ポイントが、反射面２０ａの動きに応じて一定の軌跡を描きながら連続的に変化することになる。
そして、集光レンズ７からの出射光が反射面２０ａに達する位置が、反射面２０ａの終端を過ぎると、それと同時に新たな反射面２０ａがあらわれ、上記の作用が周期的に繰り返される。
【００２４】
したがって、光軸Ｎと反射面２０ａとの角度に応じて、集光レンズ７から反射面２０ａを介してリニアイメージセンサ８に至るまでの光路長が変化する。そのため、同光路長が、集光レンズ７および対物レンズ６の焦点距離より短いときには、図２に示すように、反射面２０ａからの出射光は、リニアイメージセンサ８上に結像しない、つまりピントの合わない状態となる。それからポリゴンミラー２０の回転が進み、同焦点距離と同光路長が等しくなると、図３に示すように、反射面２０ａからの出射光は、リニアイメージセンサ８上に結像し、ピントの合った状態となる。このときリニアイメージセンサ８における光強度が最大となる。さらに回転が進むと、図４に示すように、再びピントが合わない状態のまま、上記到達ポイントが移動していく。
そして、これら反射面２０ａの端から端までの一連の出射光が、リニアイメージセンサ８により受光され、光強度情報としてデータ処理部９に逐一出力される。
【００２５】
ここで、上述のように、リニアイメージセンサ８への到達ポイントは光軸Ｎと反射面２０ａとの角度によって変化することになるから、集光レンズ７からリニアイメージセンサ８に至るまでの光路長は、光軸Ｎと反射面２０ａとの角度によって決まることになる。逆にいえば、各部材を所定の間隔になるよう位置決めして設置し、それら位置データを用いることにより、リニアイメージセンサ８への到達ポイント、すなわちリニアイメージセンサ８の受光面における受光画素の位置から、反射面２０ａの上記角度が求まることになる。したがって、これら受光画素の位置から、集光レンズ７からリニアイメージセンサ８までに至る光路長を算出することができる。
【００２６】
そこで、データ処理部９により、受光強度が最大となる時点、すなわち前記光路長と集光レンズ７および対物レンズ６の焦点距離とが一致した時点において受光した画素の受光面における位置から、基準光路長Ｌが算出される。さらに、ワーク２の変位距離Ｔと基準光路長Ｌとは、以下のような反比例の関係にある。
Ｔ＝Ａ／（Ｌ−Ｂ）＋Ｃ    
（ただし、Ａ，Ｂ，Ｃは対物レンズ６および集光レンズ７の特性による定数）
したがって、データ処理部９によって、基準光路長Ｌから変位距離Ｔが算出され、ワーク２の表面の変位量が測定される。
【００２７】
以上より、本実施例における変位測定装置１によれば、対物レンズ６を移動させる代わりに、ポリゴンミラー２０を回転させることによってワーク２の表面の変位量を求めることから、迅速かつ容易に変位量を測定することができる。
また、単にポリゴンミラー２０を回転させるだけであり、対物レンズ６を移動させるものと比べて、装置自体を簡易に構成することができる。
【００２８】
（実施例２）
図６は、本発明の第２の実施例の要部を示したものである。
図６において、図１に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施例と上記第１の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点において異なるものとなっている。
すなわち、本実施例においては、ポリゴンミラー２０の外周面に、ポリゴンミラー２０の半径方向に向けられた仮想線Ｍとレーザ光を反射させる反射領域とが直角に交わるように設定された反射面２０ａと、仮想線Ｍと反射領域とが直角でない角θ１をもって交わるように設定された反射面２０ｂとを備えている。
【００２９】
このような構成において、ワーク２を所定の位置に設置し、レーザダイオード３を駆動すると、上記第１の実施例と同様の作用により、集光レンズ７からポリゴンミラー２０に向けてレーザ光が照射される。そして、本実施例においては、反射面２０ａ，２０ｂの設定角度がそれぞれ異なるように設けられていることから、リニアイメージセンサ８への到達ポイントがそれぞれ異なるようになる。そのため、リニアイメージセンサ８においてその光を受光する画素が、それぞれ異なることになる。そして、反射面２０ａ，２０ｂからの出射光に基づいてリニアイメージセンサ８からそれぞれの情報が出力され、それぞれの情報から算出された演算結果を平均することにより、基準光路長Ｌが算出され、第１実施例と同様にして、変位量が測定される。
以上より、受光画素のバラツキが緩和され、より高精度に測定することができる。
【００３０】
（実施例３）
図７は、本発明の第２の実施例の要部を示したものである。
本実施例においては、ポリゴンミラー２０の反射面２０ａとリニアイメージセンサ８との間の光路上に、ｆθレンズ２２が設けられている。
そのため、ｆθレンズ２２に照射される光の入射角が漸次変化しても、ｆθレンズ２２を透過させられることにより、全てリニアイメージセンサ８に対して垂直に入射する入射光に変えられる。
これにより、リニアイメージセンサ８への入射光が、その到達ポイントにおいてなす形が常に真円となり、より精度よく測定することができる。
【００３１】
なお、上記実施例においては、ポリゴンミラー２０を設けるとしたが、これに代えて、板状の反射鏡を用いてもよい。このとき、集光レンズ７からの出射光が反射鏡に入射するときの入射方向に沿ってこの反射鏡を往復移動させるようにするか、または上記実施例と同様に反射鏡を回転させるようにすれば、上記と同様の効果を得ることができる。
さらに、ポリゴンミラー２０に代えて、ガルバノミラーであってもよい。
また、上記実施例では、リニアイメージセンサ８を設けるとしたが、これに限らず、エリアイメージセンサ等の他の受光素子であってもよい。ただし、読み込みスピードが上げられるので、リニアイメージセンサ８の方がよい。
【００３２】
また、上記実施例においては、リニアイメージセンサ８の受光する画素の位置から基準光路長Ｌを求めたが、これに限らず、例えば反射面２０ａの近傍に角度検出センサを設け、この角度検出センサからの角度情報とリニアイメージセンサ８からの光強度情報により基準光路長Ｌを算出するようにしてもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る変位測定装置の第１の実施例を示す概略構成図である。
【図２】同実施例において、集光レンズからの出射光がリニアイメージセンサに到達した状態を示す図であって、その出射光が結像する前の様子を示す説明図である。
【図３】同実施例において、集光レンズからの出射光がリニアイメージセンサに到達した状態を示す図であって、その出射光が結像した様子を示す説明図である。
【図４】同実施例において、集光レンズからの出射光がリニアイメージセンサに到達した状態を示す図であって、その出射光が結像した後の様子を示す説明図である。
【図５】同実施例において、各光路を示す説明図である。
【図６】本発明に係る変位測定装置の第２の実施例の要部を示す説明図である。
【図７】本発明に係る変位測定装置の第３の実施例の要部を示す説明図である。
【図８】従来の変位測定装置を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    変位測定装置
２    ワーク（被測定物）
３    レーザダイオード（光源）
６    対物レンズ
７    集光レンズ
８    リニアイメージセンサ（受光素子）
９    データ処理部（変位量算出手段）
２０  ポリゴンミラー（光路変更手段）
２０ａ，２０ｂ  反射面
２１  回転軸（反射面可変手段、回転機構）
２２  ｆθレンズ
Ｌ  基準光路長（光路長）
【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】
2005207915.tif 000009
【図８】
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