(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
この光源からの光を平行光にして出射するコリメータレンズと、
このコリメータレンズからの平行光を集光し、その集光光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに、前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、
この対物レンズまたはこの対物レンズと前記光源との間に挿入されたフォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、
前記対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、
前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段とを備え、
前記焦点合わせ手段は、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光を２つに分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された第１反射光の結像点の前および第２反射光の結像点の後にそれぞれ配置され複数の画素を二次元的に配列した第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイと、この第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイのそれぞれにおいて予め定めたエリア内の複数の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素の受光信号を除外して残りの画素の受光信号の合計値を求める受光信号演算手段と、この受光信号演算手段によって求められた第１受光素子アレイの受光信号合計値および第２受光素子アレイの受光信号合計値が等しくなるように、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させるサーボ回路とを備え、
前記受光信号演算手段は、前記第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイにおいて、予め定めた略円形状エリア内の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素で受光される受光信号を除外して残りの画素の受光信号の合計値を求める、
ことを特徴とする光学式変位測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定面に焦点位置を合わせるように、対物レンズまたはフォーカシングレンズを移動させ、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの移動から測定面の形状を測定する光学式変位測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定面に光を照射して、測定面の形状を測定する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載のものは、信号検出光学系とビームスプリッタとの間の光路上に、空間フィルタが配設されている。この空間フィルタの中央部付近には、遮蔽部が形成されている。物体面からの反射光を遮蔽部に導くことによって、その反射光の光軸近傍の光量を遮断または減衰させ、信号検出光学系において検出される受光量の最大値と最小値との比を小さくして、ＳＮ比の低下を防ぐ構成が採られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平８−１２８８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したような特許文献１のような構成では、被測定物の形状が例えば曲面であって、測定面の傾斜角が、レンズで集光されて測定面に入射される集光光の放射角よりも大きい場合、良好な測定ができない場合がある。
【０００５】
具体的には、特許文献１のような構成では、図５に示すように、平行光Ｌ９０１が対物レンズ８００で集光されて被測定物９００に入射される集光光Ｌ９０２は、測定面９０１で反射されて反射光Ｌ９０３となる。測定面９０１の傾斜角θ１１と、集光光Ｌ９０２の放射角θ２１とが等しい場合、集光光Ｌ９０２の外縁（以下、集光光外縁と称す）Ｌ９０２Ａ、および、反射光Ｌ９０３の外縁（以下、反射光外縁と称す）Ｌ９０３Ａのみが重畳し、他の部分が重畳しない状態となる。つまり、集光光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９０３Ａのなす角度は、０°となる。このとき、集光光Ｌ９０２と重畳する反射光外縁Ｌ９０３Ａは、平行光Ｌ９０１の外縁（以下、平行光外縁と称す）Ｌ９０１Ａを進行して、受光ビームとして合焦位置の検出に利用できない。
【０００６】
また、図６に示すように、被測定物９１０の測定面９１１の傾斜角θ１２が、集光光Ｌ９０２の放射角θ２１よりも大きい場合、集光光Ｌ９０２および反射光Ｌ９１１は、重畳しない状態となる。つまり、集光光外縁Ｌ９０２Ａおよび反射光外縁Ｌ９１１Ａのなす角度は、０°より小さくなる。このとき、反射光外縁Ｌ９１１Ａは、対物レンズ８００を通過した後、平行光外縁Ｌ９０１Ａより外側の位置を進行して、受光ビームとして利用できない。
従って、図５に示すような場合、照射ビームと受光ビームとのなす角度が０°となり、図６に示すような場合、受光ビームが存在しないため、合焦位置検出感度が失われてしまう。
【０００７】
合焦位置検出感度が失われると、被測定物が曲面を有する形状、例えば球体状や円柱状である場合、その形状を曲面に沿ってなぞろうとしても、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい箇所においては、測定面の曲率中心を測定ビームの延長線が常に貫くよう、フォーカシングレンズの位置決め制御が誤ってなされることがある。このため、形状測定記録において、測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい箇所では、測定面から斜めに浮き上がったり、沈み込んだりしたりした無意味な記録しか得られないという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、このような実情に鑑みて、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物を良好に測定可能な光学式変位測定器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の光学式変位測定器は、光源と、この光源からの光を平行光にして出射するコリメータレンズと、このコリメータレンズからの平行光を集光し、その集光光を被測定物の測定面に向けて照射するとともに、前記測定面からの反射光を受ける対物レンズと、この対物レンズまたはこの対物レンズと前記光源との間に挿入されたフォーカシングレンズを光軸に沿って移動させる移動手段と、前記対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を検出する位置検出手段と、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光に基づいて、前記対物レンズの焦点位置と前記測定面との位置ずれを認識するとともに、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させる焦点合わせ手段とを備え、前記焦点合わせ手段は、前記測定面から反射され前記対物レンズを通過した反射光を２つに分割する光分割手段と、この光分割手段で分割された第１反射光の結像点の前および第２反射光の結像点の後にそれぞれ配置され複数の画素を二次元的に配列した第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイと、この第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイのそれぞれにおいて予め定めたエリア内の複数の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素の受光信号を除外して残りの画素の受光信号の合計値を求める受光信号演算手段と、この受光信号演算手段によって求められた第１受光素子アレイの受光信号合計値および第２受光素子アレイの受光信号合計値が等しくなるように、前記移動手段を動作させて前記対物レンズの焦点位置を前記測定面に一致させるサーボ回路とを備え、前記受光信号演算手段は、前記第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイにおいて、予め定めた略円形状エリア内の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素で受光される受光信号を除外して残りの画素の受光信号の合計値を求める、ことを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、光源からの光はコリメータレンズにより平行光となり、対物レンズに入射される。すると、対物レンズによって、平行光が集光され、その光が被測定物の測定面に向けて照射される。測定面によって反射された反射光は、対物レンズを通過し、焦点合わせ手段で受光される。焦点合わせ手段は、対物レンズを通過した反射光に基づいて、対物レンズの焦点位置と測定面とが一致するように、移動手段を動作させる。つまり、対物レンズの焦点位置が測定面と一致するように、測定面形状に応じて、対物レンズまたはフォーカシングレンズが移動されるので、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置を位置検出手段によって読み取れば、測定面の形状を測定することができる。
【００１１】
本発明では、焦点合わせ手段において、対物レンズを通過した反射光が２つの光路に分割されたのち、それぞれ第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイで受光される。すると、第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイのそれぞれにおいて、予め定めたエリア内の複数の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素の受光信号を除外して、残りの画素の受光信号の合計値が求められ、この第１受光素子アレイの受光信号合計値および第２受光素子アレイの受光信号合計値が等しくなるように、移動手段により対物レンズまたはフォーカシングレンズの位置が制御される。
【００１２】
対物レンズによって測定面へ照射された集光光は、測定面において正反射されるとともに、拡散反射される。これらの正反射光および拡散反射光は、対物レンズなどを通過したのち、第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイの画素で受光される。
いま、測定面が傾斜し、集光光の外縁と測定面からの反射光（正反射光）とのなす角がゼロ近傍の場合、測定面からの正反射光については、その一部のみが第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイの画素で受光される結果、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない浮き上がりや沈み込みが生じる虞がある。
【００１３】
本発明では、第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイのそれぞれにおいて、予め定めたエリア内の複数の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素の受光信号、つまり、測定面からの正反射光を除いて、暗い拡散反射光を基に焦点合わせを行うため、正しいフォーカシングを行うことができる。従って、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない、浮き上がりや沈み込みが生じる虞を回避できる。
なお、測定面が傾いていない状態では、反射光の中心が最も明るく、中心から離れるに従って暗くなる。この場合、中心の明るい部分についてはフォーカシングから除かれるが、他の部分を利用してフォーカシングを行えるため、フォーカシングに支障を与えることはない。
【００１４】
特に、前記受光信号演算手段は、前記第１受光素子アレイおよび第２受光素子アレイにおいて、予め定めた略円形状エリア内の画素で受光される受光信号のうち最も明るい画素からｎ（整数）番目までの画素で受光される受光信号を除外して残りの画素の受光信号の合計値を求める。
従って、第１受光素子アレイおよび第２の受光素子アレイにおいて、略円形状エリア内の画素で受光される受光信号を用いているから、従来のピンホール法におけるピンホール相当信号として代用できる。従って、測定面の傾斜の向き拘わらす、測定面の形状を高精度に測定できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
＜実施形態＞
（光学式変位測定器の構成）
図１は、本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図である。
光学式変位測定器１００は、図１に示すように、光源１１０と、この光源１１０からの光を平行光にして出射する第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０からの平行光を発散させた発散光を出射するフォーカシングレンズ１３０と、このフォーカシングレンズ１３０からの発散光を平行光にして出射する第２コリメータレンズ１５０と、対物レンズ１７０と、フォーカシングレンズ１３０を光軸に沿って移動させる移動手段としてのアクチュエータ２００と、フォーカシングレンズ１３０の位置を検出する位置検出手段としてのリニアエンコーダ２１０と、測定面９０１から反射され対物レンズ１７０、第２コリメータレンズ１５０、および、フォーカシングレンズ１３０を通過した反射光の焦点位置に基づいて、対物レンズ１７０の焦点位置と測定面９０１との位置ずれを認識するとともに、アクチュエータ２００によりフォーカシングレンズ１３０の位置を制御して対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させる焦点合わせ手段２２０と、を備えて構成されている。
【００２０】
光源１１０としては、例えばレーザ素子等を使用することができる。
光源１１０と第１コリメータレンズ１２０は、光源１１０からの光が第１コリメータレンズ１２０により平行光として出射されるように所定距離を隔てて配置されている。
【００２１】
フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０および第２コリメータレンズ１５０に対向する状態で配置されている。このフォーカシングレンズ１３０は、レンズホルダ１４０により周縁が保持されている。このレンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結され、フォーカシングレンズ１３０の光軸に沿って変位可能に設けられているとともに、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。すなわち、フォーカシングレンズ１３０は、第１コリメータレンズ１２０と第２コリメータレンズ１５０との距離が変更可能に配置されている。
【００２２】
第２コリメータレンズ１５０は、対物レンズ１７０に対向し、かつ、対物レンズ１７０から所定距離を隔てて配置されている。
【００２３】
対物レンズ１７０は、第２コリメータレンズ１５０から出射された平行光を集光光として測定面９０１に向けて照射するとともに、測定面９０１からの反射光を第２コリメータレンズ１５０へ出射する。
【００２４】
焦点合わせ手段２２０は、焦点位置を検出する焦点位置検出手段２３０と、焦点位置検出手段２３０からの信号をもとにアクチュエータ２００を制御するサーボ回路２４０とを備えて構成されている。
【００２５】
焦点位置検出手段２３０は、疑似ピンホール法により焦点位置を検出する焦点位置検出光学系２３１と、焦点位置検出光学系２３１からの信号に基づいてフォーカシングレンズ１３０および測定面９０１の位置関係を演算する焦点位置検出回路２３２とを備えて構成されている。
焦点位置検出光学系２３１は、光源１１０と第１コリメータレンズ１２０の間に配置され第１コリメータレンズ１２０からの光を分割する第１ビームスプリッタ２３３と、この第１ビームスプリッタ２３３からの光を二方向に分割する第２ビームスプリッタ２３４と、第２ビームスプリッタ２３４により分割された各光（第１反射光および第２反射光）の合焦位置（結像位置）よりも前および後にそれぞれ配置された第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂとを備えて構成されている。
【００２６】
第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂは、図２に示すように、複数の画素２３８、ここでは、固体撮像素子（ＣＣＤ）が格子状にかつ二次元的に配列されて構成されている。これらの第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂにおいて、ピンホール法におけるピンホールに相当する略円形状エリア２３９内の複数の画素２３８で受光された受光信号を合計すると、ピンホール相当信号とみなすことができる。
【００２７】
焦点位置検出回路２３２は、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂから得られる受光信号に基づいて、フォーカシングレンズ１３０と測定面９０１との位置関係を演算する受光信号演算手段を備える。受光信号演算手段は、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２の受光素子アレイ２３７Ｂのそれぞれにおいて、予め定めたエリア２３９内の複数の画素２３８で受光される受光信号のうち最も明るい画素２３８からｎ（整数）番目までの画素２３８の受光信号を除外して、残りの画素２３８の受光信号の合計値をそれぞれ求める。例えば、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂの予め定めたエリア２３９内の全画素数のうち、最も明るい画素２３８から、１／１０〜１／２程度までの画素２３８を除外して、残りの画素２３８の受光信号の合計値を求める。その後、これら受光信号合計値の差をフォーカシングエラー信号としてサーボ回路２４０に与える。
【００２８】
サーボ回路２４０は、受光信号処理回路からのフォーカシングエラー信号に基づいてアクチュエータ２００を制御し、フォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。つまり、対物レンズ１７０からの集光光が測定面９０１で結像するように、フォーカシングレンズ１３０の位置を調整する。
【００２９】
（光学式変位測定器の作用・効果）
光源１１０から出射された光は、第１コリメータレンズ１２０によって平行光とされたのち、フォーカシングレンズ１３０に入射され発散光とされる。フォーカシングレンズ１３０からの発散光は、第２コリメータレンズ１５０に入射され平行光とされる。第２コリメータレンズ１５０からの平行光は、対物レンズ１７０によって集光光とされ測定面９０１へ照射される。
【００３０】
測定面９０１によって反射された反射光は、対物レンズ１７０、第２コリメータレンズ１５０、フォーカシングレンズ１３０、第１コリメータレンズ１２０を通過し、第１ビームスプリッタ２３３によって焦点位置検出光学系２３１に導かれる。
焦点位置検出光学系２３１では、反射光が、第２ビームスプリッタ２３４によって２つの光路に分割されたのち、それぞれ第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂで受光される。すると、焦点位置検出回路２３２は、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂのそれぞれにおいて、複数の画素２３８で受光される受光信号のうち最も明るい画素２３８からｎ（整数）番目までの画素２３８の受光信号を除外して、残りの画素２３８の受光信号の合計値を求め、これら受光信号合計値の差をフォーカシングエラー信号としてサーボ回路２４０に与える。
【００３１】
サーボ回路２４０は、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂの受光信号合計値が等しくなるように、アクチュエータ２００を動作させ、フォーカシングレンズ１３０の位置を制御する。
これにより、対物レンズ１７０の焦点位置が測定面９０１と一致するように、測定面形状に応じて、フォーカシングレンズ１３０が移動されるので、このフォーカシングレンズ１３０の位置をリニアエンコーダ２１０によって読み取れば、測定面９０１の形状を測定することができる。
【００３２】
ところで、測定面９０１へ照射された集光光は、測定面９０１において正反射されるとともに、拡散反射される。これらの正反射光および拡散反射光は、対物レンズ１７０などを通過したのち、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂで受光される。
いま、測定面９０１が傾斜し、集光光の外縁と測定面９０１からの反射光（正反射光）とのなす角がゼロ近傍の場合、測定面９０１からの正反射光については、その一部のみが第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂで受光される（図３（Ａ）参照）。すると、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない浮き上がりや沈み込みが生じる虞がある。
【００３３】
本実施形態では、第１受光素子アレイ２３７Ａおよび第２受光素子アレイ２３７Ｂのそれぞれにおいて、予め定めたエリア２３９内の複数の画素２３８で受光される受光信号のうち最も明るい画素２３８からｎ（整数）番目までの画素２３８の受光信号、つまり、測定面９０１からの正反射光を除いた、暗い拡散反射光を基に焦点合わせを行うため、正しいフォーカシングを行うことができる。つまり、偽のフォーカシングにより、測定面形状にない、浮き上がりや沈み込みが生じる虞を回避できる。
なお、測定面９０１が傾いていない状態では、反射光の中心が最も明るく、中心から離れるに従って暗くなる。この場合、中心の明るい部分についてはフォーカシングから除かれるが、外周縁の部分を利用してフォーカシングを行えるから、フォーカシングに支障はない（図３（Ｂ）参照）。
【００３４】
＜第１実施形態の変形例＞
第１実施形態では、光学系を、光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、フォーカシングレンズ１３０と、第２コリメータレンズ１５０と、対物レンズ１７０とから構成したが、これに限られない。
例えば、図４に示す構成でもよい。これは、光源１１０と、第１コリメータレンズ１２０と、この第１コリメータレンズ１２０から出射される平行光を集光した集光光を被測定物９００の測定面９０１に向けて照射するとともに測定面９０１からの反射光を受ける対物レンズ１７０とを備えて構成されている。
【００３５】
対物レンズ１７０は、レンズホルダ１４０によって保持されている。レンズホルダ１４０は、アーム１４１を介してアクチュエータ２００に連結されているとともに、接続部１４２を介してリニアエンコーダ２１０に連結されている。
つまり、第１実施形態に対して、フォーカシングレンズ１３０および第２コリメータレンズ１５０が省略されている。そのため、対物レンズ１７０が光軸方向へ移動可能に構成されているとともに、対物レンズ１７０の位置がリニアエンコーダ２１０によって検出できるように構成されている。
【００３６】
この変形例の場合、焦点合わせ手段２２０は、測定面９０１から反射され対物レンズ１７０を通過した反射光に基づいて、対物レンズ１７０の焦点位置と測定面９０１との位置ずれを認識するとともに、アクチュエータ２００を動作させて対物レンズ１７０を光軸方向へ移動させ、対物レンズ１７０の焦点位置を測定面９０１に一致させるように動作させるから、対物レンズ１７０の位置をリニアエンコーダ２１０によって読み取れば、測定面９０１の形状を測定することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、測定面に焦点位置を合わせるように、対物レンズまたはフォーカシングレンズ位置を移動させ、この対物レンズまたはフォーカシングレンズの移動から測定面の形状を測定する光学式変位測定器に利用できる。特に、傾斜面や曲面などの測定面を有する被測定物の測定に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態に係る光学式変位測定器の概略構成を示す模式図。
【図２】前記実施形態における光学素子アレイを示す図。
【図３】前記実施形態における傾斜測定面からの反射光を示す概念図。
【図４】前記実施形態の変形例の概略構成を示す模式図。
【図５】従来構成における測定面の傾斜角および集光光の放射角が等しい場合における測定状態を示す概念図。
【図６】従来構成における測定面の傾斜角が集光光の放射角よりも大きい場合における測定状態を示す概念図。
【符号の説明】
【００４９】
１００…光学式変位測定器、
１１０…光源、
１２０…第１コリメータレンズ、
１３０…フォーカシングレンズ、
１７０…対物レンズ、
２００…アクチュエータ（移動手段）、
２１０…リニアエンコーダ（位置検出手段）、
２２０…焦点合わせ手段、
２３２…焦点位置検出回路（受光信号演算手段）
２３４…第２ビームスプリッタ（光分割手段）、
２３７Ａ…第１受光素子アレイ、
２３７Ｂ…第２受光素子アレイ、
２３８…画素、
２４０…サーボ回路。
【図１】
0005057962.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005057962.tif 000004
【図４】
0005057962.tif 000005
【図５】
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【図６】
0005057962.tif 000007