(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系において測定対象物からの光をほぼ平行な光束に変換する第１のレンズ系とそのほぼ平行な光束をＰＳＤ上に結像する第２のレンズ系を設け第１レンズ系と第２レンズ系との間にＰＳＤの位置検出方向と直交する方向に曲率をもったシリンドリカルレンズを設けることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は変位センサ等に使用される光半導体位置検出センサＰＳＤを用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光を用いた変位計等が開発されており、これらには光半導体位置検出センサ、一般にＰＳＤと呼ばれる素子が使用されることが多くなった。ＰＳＤは半導体受光素子の両端に電極を設置し、光スポットが受光素子内の一点にあたると、当たった点から各電極までの抵抗に応じて分極された電流が各電極から出力されるのでこの電流から光スポットの照射位置を算出できる。非分割型の素子であり、位置分解能、応答性に優れることなどから光を用いた位置センサ等に使用されている。
【０００３】
位置センサ等に使用する場合の一般的な使用法としては例えば図５のようなものである。半導体レーザ３１の光をレンズ３２で集光して対象物３３にあてる。対象物３３から反射した光を結像レンズ３４で集めてＰＳＤ３５にいれる。対象物３３が３３ａに移動するとレーザ光の反射点が変わり、それに応じてＰＳＤ上の集光点３６が３６ａに移動してＰＳＤ３５の出力が変化する。この変化から対象物の移動量を算出できる。
【０００４】
一方ＰＳＤには光スポットが小さすぎると出力が非線形になるという問題点が指摘されている。図６は５０μｍ径のスポットをＰＳＤに当てた場合に観測されたＰＳＤ出力の非線形の例であり、本来なら破線で示される矩形波になるべき出力が立ち上がりが遅く立ち下がりがはやい鋸状の波形になっている。一般のＰＳＤでは光スポット径を２００μｍ以上にするよう注意書きがかかれている。これは通常結像レンズ３４の焦点３６とＰＳＤ３５の位置を光軸方向にずらし、像をぼかすことで実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし対象物には正反射光、乱反射光、平坦なもの、曲面のもの、傾いたもの等いろいろな場合がある。よって対象物によって結像レンズ上の反射光分布は様々に変化する。ところがＰＳＤの非線形対策のためにＰＳＤ３５と焦点３６をずらすと、反射光分布の変化がＰＳＤ上の光分布の変化となり位置の変化に変換されてしまうので精度がおちる。一方精度をあげるためＰＳＤ３５と反射光の結像レンズによる焦点３６とを一致させると光量分布の変化による位置の変動はなくなるが、スポットが小さくなる事によるＰＳＤ自身の非線形がでて図６のように応答性が悪くなる。よってＰＳＤを用いた光センサでは高速と高精度を両立させることができなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題を解決するため次のような構造にしたものである。半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系において測定対象物からの光をほぼ平行な光束に変換する第１のレンズ系とそのほぼ平行な光束をＰＳＤ上に結像する第２のレンズ系を設け第１レンズ系と第２レンズ系との間にＰＳＤの位置検出方向と直交する方向に曲率をもったシリンドリカルレンズを設けることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系である。
【０００７】
【作用】
測定対象物からの光をほぼ平行な光束に変換する第１レンズ系及びそのほぼ平行な光束をＰＳＤ上に結像する第２レンズ系により測定対象物の像がＰＳＤ上に形成される。この場合はＰＳＤ上の像はこれらのレンズ系の収差量に応じた大きさの点像となりレンズ系の収差が少ない場合極めて小さくなりＰＳＤの応答遅れが発生する。
【０００８】
この第１、第２レンズ系の間にＰＳＤの位置検出方向と直交する方向に曲率をもっているシリンドリカルレンズをいれるとシリンドリカルレンズにより光束はＰＳＤの位置検出方向と直交する方向に屈折され、ＰＳＤ上で位置検出方向と直交する方向にのびた線像となる。このことにより結像光が微小スポットに集中することがなくなるのでＰＳＤの応答遅れを解消することができ、またＰＳＤの位置検出方向においては焦点で結像しているので高精度な測定をすることができる。
【０００９】
一方ＰＳＤの位置検出方向については平行光束が平行平面板を通過するのと等価となりシリンドリカルレンズによる収差は発生しないか非常に少ない。よって測定対象物からの光の強度分布による誤差がほとんど発生しないため高精度、高速な測定が可能になる。
【００１０】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の第１の実施例である。光源である半導体レーザ７から発した光は投光レンズ系６で集光され測定対象物５上に集光される。対象物上で反射した光は第１のレンズ系１でほぼ平行な光束に変換される。次にシリンドリカルレンズ４により光は紙面に垂直な方向のみ屈折され紙面に平行な方向では平行光のまま次の第２レンズ系２にはいる。第２レンズ系２は平行光束をＰＳＤ３上に結像するよう設置されているので紙面に平行な方向ではＰＳＤ３上に点となって結像するが紙面に垂直な方向ではシリンドリカルレンズ４により平行光束ではなくなっているのでＰＳＤ３上には線となって結像する。
【００１１】
この状態を図２に示す。図２（ａ）は図１の測定対象物５からＰＳＤ３までを紙面に垂直な方向に見た図、図２（ｂ）は同じく紙面に平行な方向に見た図である。図２（ｂ）においてはシリンドリカルレンズ４は曲率をもっておらず平行平面板と同じであるが図２（ａ）においては曲率をもっており、光が屈折され図２（ｂ）よりはるかに近距離に焦点ができる。その結果ＰＳＤ３上では大きく広がり、一方図２（ｂ）の方向では点に結像するので結果的にＰＳＤ３上には線状の像ができる。その結果像が１点に集中することによっておこる図６のようなＰＳＤの出力の非線形を防止することができまた、測定方向には光は点に結像するため測定対象物の傾きなどによる誤差はシリンドリカルレンズによってはほとんど発生しないので高精度な測定が可能となる。
【００１２】
図３は本原理を走査型測定器に応用した第２の実施例であり４１は光源、４２はポリゴンスキャナ、４３はｆθレンズ、４４は測定対象物、４５は第１レンズ系、４６がシリンドリカルレンズ、４７は第２のレンズ系、４８がＰＳＤである。
【００１３】
光源４１からでた光はポリゴンスキャナ４２で走査され、ｆθレンズ４３で測定対象物４４上に集光される。反射光は第１レンズ系４５で平行光にされシリンドリカルレンズ４６により走査方向のみ屈折され第２レンズ系４７によりＰＳＤ４８上に線状に結像される。ＰＳＤ４８は長手方向と垂直方向に位置検出を行うＰＳＤであり線状の像は位置検出をしない長手方向にできることになる。よって走査及びシリンドリカルレンズは位置検出機能には影響を与えない。
【００１４】
次に本発明においてシリンドリカルレンズを平行光束部に挿入している理由を述べる。測定対象物からの光を平行光に変換せず直接ＰＳＤ上に結像するようにして結像レンズ系とＰＳＤの中間にシリンドリカルレンズを挿入した場合を考え図４で説明する。図４はシリンドリカルレンズをみたものでシリンドリカルレンズは紙面に垂直な方向に曲率を持っていて紙面に投影した側には曲率を持たない。この場合平行平面板と同じなので入射した光はガラスの屈折率による平行移動をうけ入射したのと同方向に出射する。
【００１５】
このとき入射及び出射する光が収束光であるとシリンドリカルレンズの屈折率が空気より高いためにシリンドリカルレンズ内の収束光の角度が空気中より浅くなる。ところがシリンドリカルレンズは位置により厚みが違うのでその厚い箇所から出射した光と薄い位置から出射した光とは空気中とは異なる角度で進行した距離が違うために図のように収束位置が異なってくる。そのためＰＳＤ上の入射位置がシリンドリカルレンズの通過位置に依存して変動するため計測結果が対象物の反射光の光量分布により異なる結果となり計測精度を低下させる。シリンドリカルレンズへの入射及び出射光が平行光であればシリンドリカルレンズ内においてもシリンドリカルレンズが曲率を持たない方向には平行光でありシリンドリカルレンズの厚さが違っても厚さの違いによる焦点の移動はおこらずシリンドリカルレンズが曲率を持たない方向において正確に像を結ぶことができるのでこのような問題は発生しない。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば測定方向に関しては反射光の焦点を正確に結ぶことができる一方で直交する方向にはＰＳＤに入射する光スポットの大きさを大きくでき、ＰＳＤのもつ非線形を回避できるのでＰＳＤを用いた高速高精度な光測定を可能にする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の原理図
【図２】シリンドリカルレンズの機能を説明する図
【図３】本発明の第２の実施例の斜視図
【図４】本発明によらない場合のシリンドリカルレンズ収差を説明する図
【図５】従来例の原理図
【図６】従来例の信号出力説明図
【符号の説明】
１  第１のレンズ系
２  第２のレンズ系
３  ＰＳＤ
４  シリンドリカルレンズ
５  測定対象物
６  投光レンズ系
７  ＬＤ光源
４１  光源
４２  ポリゴンスキャナ
４３  ｆθレンズ
４４  測定対象物
４５  第１レンズ系
４６  シリンドリカルレンズ
４７  第２レンズ系
４８  ＰＳＤ
３１  ＬＤ光源
３２  投光レンズ系
３３  測定対象物
３４  結像レンズ系
３５  ＰＳＤ
【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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