(57)【要約】【課題】光学的変位測定装置において、光源から測定対象物に光を導入する鏡筒部の長さの自由度を増して測定対象物の変位測定を行うことができるようにすることである。【解決手段】光学的変位測定装置１０は、光源７０からの光を往路光８２として対物光学系に誘導する鏡筒部２２と、往路光８２の光路を変更して測定対象物である筐体８の側面６に導き、側面からの正反射光を屈折させて往路光８２に平行な復路光８４として鏡筒部２２に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子２６とミラー光学素子２８と、往路光８２に平行な光軸８６を有し復路光を集光する結像レンズ７６と、結像レンズ７６の焦点位置に配置され、往路光８２に平行な復路光８４のみを通すピンホール光学素子７８と、ピンホール光学素子７８を通過した光の位置を検出する光位置検出デバイス８０とを含む。【選択図】図１
2009222672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を、対物光学系を含む光誘導部を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置であって、
光誘導部は、
光源からの光を往路光として対物光学系に誘導する鏡筒部と、
往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子と、
を含み、
検出部は、
往路光に平行な光軸を有し、復路光を集光する結像レンズと、
結像レンズの焦点位置に配置され、復路光のうち往路光に平行な成分のみを通すピンホール光学素子と、
ピンホール光学素子を通過した光の投影位置を検出する光位置検出デバイスと、
を含み、
プリズム光学素子は、その光軸に対し予め定めた傾斜角度でカットされた傾斜平面を少なくとも１つ有することを特徴とする光学的変位測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光学的変位測定装置において、
光誘導部は、対物光学系として、
鏡筒部の軸方向に垂直な方向に変位する測定対象物に対し、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子を含むことを特徴とする光学的変位測定装置。
【請求項３】
光源からの光を、対物光学系を含む光誘導部を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する多機能型光学的変位測定装置であって、
光源と検出部とを含む本体部と、
本体部に交換可能に取り付けられる取付部を有し、複数種類の測定対象物にそれぞれ対応する対物光学系を有する光誘導部を含む複数種類の先端部と、
を備え、
複数種類の先端部は、いずれか１つが本体部に取り付けられ、それぞれ、
光源からの光を往路光として対物光学系に誘導する鏡筒部と、
往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子と、
を含み、
本体部の検出部は、
往路光に平行な光軸を有し、復路光を集光する結像レンズと、
結像レンズの焦点位置に配置され、復路光のうち往路光に平行な成分のみを通すピンホール光学素子と、
ピンホール光学素子を通過した光の投影位置を検出する光位置検出デバイスと、
を含み、
プリズム光学素子は、その光軸に対し予め定めた傾斜角度でカットされた傾斜平面を少なくとも１つ有することを特徴とする多機能型光学的変位測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載の多機能型光学的変位測定装置において、
複数種類の先端部は、
鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応し、複数の傾斜平面を有するプリズム光学素子と、さらに、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子とを含む第１先端部と、
鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応し、光軸に対し垂直にカットされた平面と、光軸に対し傾斜する少なくとも１つの傾斜平面とを有するプリズム光学素子と、さらに、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子とを含む第２先端部と、
鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応し、複数の傾斜平面を有するプリズム光学素子を含む第３先端部と、
鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応し、光軸に対し垂直にカットされた平面と、光軸に対し傾斜する少なくとも１つの傾斜平面とを有するプリズム光学素子を含む第４先端部と、
を含むことを特徴とする多機能型光学的変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的変位測定装置及び多機能型光学的変位測定装置に係り、特に、光源からの光を、対物光学系を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置に関し、また、複数種類の測定対象物に対応できる多機能型光学的変位測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物の変位を非接触により測定するものとして、特許文献１，２には、「光を用いる三角測量方式」、「光触針法」、「オートフォーカス技術」等の従来技術が述べられている。
【０００３】
ここで、「光を用いる三角測量方式」は、半導体レーザ等からの光ビームを被測定表面に照射し、この照射された表面の反射光を集光レンズ等で像を結ばせ、照射方向とは異なる方向に置かれた光位置検出器上に結ばせるもので、表面が移動すれば位置検出器上のビームの位置が変化するので、三角測量の原理で、高速に被測定表面の変位を求めることができる。しかしながら、三角測量法の原理上、高精度のためには光源と光位置検出器との距離を大きくとる必要がある。したがって、測定面の近くに測定のための十分な空間を要し、例えば狭い入り口を有する筐体内部のワークの変位測定等に向いていない。
【０００４】
「光触針法」には、臨界角法、非点収差法、ナイフエッジ法、ヘテロダイン法等があるが、いずれも微小スポットを対象物上に結ばせ、その反射光を集光し、その状態を検出する。したがってきわめて感度が高く、小型軽量であり、例えば光学的表面粗さ計用の光触針子として利用される。しかしながら、高精度検出の範囲が合焦位置の近傍に限られるため、測定範囲が極めて狭い。例えば通常数μｍの範囲でのみ測定が可能である。また、物体の表面の状態によって測定値が左右される問題を有する。
【０００５】
「オートフォーカス技術」は、常に対象物の上で焦点を合わせるようにし、そのときのレンズの移動量から対象物の変位を測定できるので測定範囲が広くとれる。しかしながら、オートフォーカス動作においては、例えば段差等で対象物表面の変位が不連続な場合等にレンズ追従の方向を見失い、新たなサーチ動作を要する恐れがあり、高速測定に対応が困難なことがある。
【０００６】
そこで、特許文献１には、光学的変位測定器として、対象物の前方に円錐形状の対物レンズを配置し、対物レンズの後方からの光が対物レンズを通りその円錐形状の界面で屈折して対象物に入射され、対象物で反射された光が対物レンズに戻されてその円錐形状の界面で再び曲げられて元の光線に平行になる性質を利用することが開示されている。この戻された光は、対象物と対物レンズとの間の距離、すなわち対象物の変位に応じた大きさで、対物レンズの中心光軸からオフセットするので、このオフセット量に基づいて対象物の変位を測定できることが述べられている。
【０００７】
また、特許文献２には、光学変位測定器として、測定対象物の前方に円錐形状の対物プリズムを配置し、対物プリズムの中心光軸から平行に偏移した往路光を対物プリズムの後方から対象物に入射することが開示されている。この場合にも、対物プリズムを通って対象物で反射された光が戻されて対物プリズムを通ると、往路光に平行な復路光になり、中心光軸からの復路光のオフセット量は、測定対象物の変位に応じて変化する。また、復路光を集光レンズで焦点に集光し、焦点に配置されたピンホール光学素子で散乱光の影響を抑制することが述べられている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２６５６１６号公報
【特許文献２】特開２００６−５８１１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１，２に述べられる円錐形状の対物光学系を用いれば、先端部をコンパクトに構成でき、狭い入口を有する筐体内部のワークの変位も測定でき、また、機械的動作の必要もなく、高速に広い範囲の測定が可能になる。
【００１０】
狭い入口を有する筐体内部の変位測定に関する要望としては、深い穴の底面の変位測定、深い穴の側面の変位測定等がある。これらは、穴が深い場合、その穴に光を導入する鏡筒部の長さの影響を考慮する必要がある。また、同じ深い穴について、その底面の変位測定とはべつにその側面の変位測定も行いたいことも多い。
【００１１】
本発明の目的は、光源から測定対象物に光を導入する鏡筒部の長さの影響を抑制して測定対象物の変位測定を行うことができる光学的変位測定装置を提供することである。また、他の目的は、狭い入口を有する筐体内部の側面の変位測定を可能とする光学的変位測定装置を提供することである。また、さらに他の目的は、光源から測定対象物に光を導入する鏡筒部の長さの影響を抑制して測定対象物の変位測定を行うことができる複数種類の測定対象物に対応できる光学的変位測定装置を提供することである。以下の手段は、上記目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光学的変位測定装置は、光源からの光を、対物光学系を含む光誘導部を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する光学的変位測定装置であって、光誘導部は、光源からの光を往路光として対物光学系に誘導する鏡筒部と、往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子と、を含み、検出部は、往路光に平行な光軸を有し、復路光を集光する結像レンズと、結像レンズの焦点位置に配置され、復路光のうち往路光に平行な成分のみを通すピンホール光学素子と、ピンホール光学素子を通過した光の投影位置を検出する光位置検出デバイスと、を含み、プリズム光学素子は、その光軸に対し予め定めた傾斜角度でカットされた傾斜平面を少なくとも１つ有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光学的変位測定装置において、光誘導部は、対物光学系として、鏡筒部の軸方向に垂直な方向に変位する測定対象物に対し、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子を含むことが好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る多機能型光学的変位測定装置は、光源からの光を、対物光学系を含む光誘導部を介して測定対象物に入射し、測定対象物からの反射光を検出部で検出して、対物光学系と測定対象物との間の変位を測定する多機能型光学的変位測定装置であって、光源と検出部とを含む本体部と、本体部に交換可能に取り付けられる取付部を有し、複数種類の測定対象物にそれぞれ対応する対物光学系を有する光誘導部を含む複数種類の先端部と、を備え、複数種類の先端部は、いずれか１つが本体部に取り付けられ、それぞれ、光源からの光を往路光として対物光学系に誘導する鏡筒部と、往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子と、を含み、本体部の検出部は、往路光に平行な光軸を有し、復路光を集光する結像レンズと、結像レンズの焦点位置に配置され、復路光のうち往路光に平行な成分のみを通すピンホール光学素子と、ピンホール光学素子を通過した光の投影位置を検出する光位置検出デバイスと、を含み、プリズム光学素子は、その光軸に対し予め定めた傾斜角度でカットされた傾斜平面を少なくとも１つ有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る多機能型光学的変位測定装置において、複数種類の先端部は、鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応し、複数の傾斜平面を有するプリズム光学素子と、さらに、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子とを含む第１先端部と、鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応し、光軸に対し垂直にカットされた平面と、光軸に対し傾斜する少なくとも１つの傾斜平面とを有するプリズム光学素子と、さらに、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子とを含む第２先端部と、鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応し、複数の傾斜平面を有するプリズム光学素子を含む第３先端部と、鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応し、光軸に対し垂直にカットされた平面と、光軸に対し傾斜する少なくとも１つの傾斜平面とを有するプリズム光学素子を含む第４先端部と、を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
上記構成の少なくとも１つにより、光学的変位測定装置は、光源からの光を往路光として対物光学系に誘導する鏡筒部と、往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子と、往路光に平行な光軸を有し、復路光を集光する結像レンズと、結像レンズの焦点位置に配置され、復路光のうち往路光に平行な成分のみを通すピンホール光学素子と、ピンホール光学素子を通過した光の投影位置を検出する光位置検出デバイスとを含む。
【００１７】
これにより、ピンホール光学素子を通る光は、測定対象物からの反射光のうち、往路光と平行な復路光のみとできる。また、プリズム光学素子は、その光軸に対し予め定めた傾斜角度でカットされた傾斜平面を少なくとも１つ有するものであるので、簡単な光学素子を用いて、往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻すことができる。
【００１８】
ここで測定対象物が変位すると、ピンホール光学素子を通る光は、往路光と平行のままで結像レンズの光軸からの距離が異なってくる。これにより光位置検出デバイス上の光の投影位置が変化し、測定対象物の変位の大きさをこの投影位置の変化量から測定することができる。ここで、往路光を鏡筒部の中心軸に平行とすれば、変位測定に用いられる復路光も鏡筒部の中心軸に平行であるので、鏡筒部の長さを長くしても変位測定に影響しない。したがって、光源から測定対象物に光を導入する鏡筒部の長さの影響を抑制して測定対象物の変位測定を行うことができる。
【００１９】
また、光学的変位測定装置において、鏡筒部の軸方向に垂直な方向に変位する測定対象物に対し、測定対象物とプリズム光学素子との間に配置され、プリズム光学素子からの光の光路を変更して測定対象物に入射させ、測定対象物からの反射光の光路を変更してプリズム光学素子に戻すミラー光学素子を含む。例えば、プリズム光学素子とミラー光学素子を先端に配置して鏡筒部を必要な長さとすることで、狭い入口を有する筐体内部の側面の変位測定が可能となる。
【００２０】
また、多機能型光学的変位測定装置は、光源と検出部とを含む本体部と、本体部に交換可能に取り付けられる取付部を有し、複数種類の測定対象物にそれぞれ対応する対物光学系を有する光誘導部を含む複数種類の先端部とを備える。そして、複数種類の先端部は、いずれか１つが本体部に取り付けられ、それぞれ、光源からの光を往路光として対物光学系に誘導する鏡筒部と、往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻す対物光学系としてのプリズム光学素子と、往路光に平行な光軸を有し、復路光を集光する結像レンズと、結像レンズの焦点位置に配置され、復路光のうち往路光に平行な成分のみを通すピンホール光学素子と、ピンホール光学素子を通過した光の投影位置を検出する光位置検出デバイスとを含む。
【００２１】
これにより、ピンホール光学素子を通る光は、測定対象物からの反射光のうち、往路光と平行な復路光のみとできる。また、プリズム光学素子は、円柱を円柱軸に対し予め定めた傾斜角度でカットされた傾斜平面を少なくとも１つ有するものであるので、簡単な光学素子を用いて、往路光の光路を変更して測定対象物の側に導き、測定対象物の側からの光を屈折させて復路光として鏡筒部に戻すことができる。
【００２２】
ここで測定対象物が変位すると、ピンホール光学素子を通る光は、往路光と平行のままで結像レンズの光軸からの距離が異なってくる。これにより光位置検出デバイス上の光の投影位置が変化し、測定対象物の変位の大きさをこの投影位置の変化量から測定することができる。ここで、往路光を鏡筒部の中心軸に平行とすれば、変位測定に用いられる復路光も鏡筒部の中心軸に平行であるので、鏡筒部の長さを長くしても変位測定に影響しない。したがって、測定対象物に応じて鏡筒部の長さを変更した先端部とでき、また、測定対象物に応じて対物光学系の構成を変更した先端部とでき、本体部を共通としながら、多様な測定対象物に対応が可能となる。
【００２３】
また、多機能型光学的変位測定装置において、鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応する第１先端部と、鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応する第２先端部と、鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応する第３先端部と、鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応する第４先端部とを含む。
【００２４】
第１先端部または第２先端部を用いることで、例えば狭い入口を有する筐体の側面の壁の変位測定を行うことができ、第３先端部または第４先端部とを用いることで、例えば狭い入口を有する筐体の奥の壁の変位測定を行うことができる。また、第２先端部を用いると、測定対象物が鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位してもほぼ同じ測定点において変位測定ができる。第４先端部を用いると、測定対象物が鏡筒部の軸方向に変位してもほぼ同じ測定点において変位測定ができる。測定対象物が鏡面であると、往路光に平行な復路光の成分を発生することができないが、第１先端部と第３先端部にはそのような制約がない。
このように、先端部を適切に選択することで、複数種類の測定対象物に対応した変位測定が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態に付き詳細に説明する。以下で述べる材質等は説明の一例であって、光学的変位測定装置の仕様等に合わせ、適当に変更が可能である。
【００２６】
また、以下の各図においては、共通の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図の説明等においては、必要に応じ、それ以前に説明した符号を用いて説明するものとする。
【００２７】
図１は、光学的変位測定装置１０の構成を示す図である。ここでは、光学的変位測定装置１０の構成要素ではないが、狭い穴を有する筐体８が図示されている。測定対象物は、ここでは、この筐体８の内部の側面６である。光学的変位測定装置１０は、この筐体８の内部の側面６の変位を測定する機能を有する。
【００２８】
光学的変位測定装置１０は、光源７０を含む入射光学系と、対物光学系を含み入射光学系からの光を往路光として測定対象物である側面６に導く光誘導部と、測定対象物である側面６から戻される光のうち往路光に平行な成分のみを抽出する結像レンズ７６とピンホール光学素子７８と、検出光学系として光位置検出デバイス８０を含んで構成される。
【００２９】
光学的変位測定装置１０は、大別して２つのブロックにまとめられ、１つは、入射光学系と、結像レンズ７６とピンホール光学素子７８と、検出光学系とを１つのブロックとする本体部６０で、もう１つは対物光学系を含む光誘導部を主体とする先端部２０である。本体部６０と先端部２０とは、光が漏れないように、また外部の光が入らないように、しっかりと接続される。
【００３０】
入射光学系は、光源７０とコリメートレンズ７２とミラー７４とを含んで構成され、往路光を生成するものである。光源７０は、レーザ光を放出するレーザ光源である。コリメートレンズ７２は、光源７０からの光をコリメート、すなわち同軸化して平行にする機能を有する光学素子である。このコリメートされた平行光のビーム径は、測定に必要な光量を有する限度でできるだけ細く絞られたものが好ましい。ミラー７４は、コリメートレンズ７２によって同軸化された平行光の光軸の方向を変えて細束光の往路光８２として光誘導部である先端部２０に導く機能を有する反射鏡である。
【００３１】
光誘導部は、鏡筒部２２と、対物光学系であるプリズム光学素子２６とミラー光学素子２８とを含んで構成される。鏡筒部２２は、周囲光を遮断し、その筒部の中の空間に往路光８２を通す光学的鏡筒である。入射光学系からの往路光８２は、鏡筒部２２の中心軸と平行となるように、入射光学系の各要素の配置、特にミラー７４と鏡筒部２２との相対的位置配置が設定される。鏡筒部２２の先端側の側面には測定用の開口部が設けられ、その開口部が測定対象物である側面６に向けられる。
【００３２】
プリズム光学素子２６は、光学ガラスで構成される円柱を、一方側は円柱軸に垂直な面でカットし、他方側は円柱軸に対し予め定めた傾斜角度でカットしたものである。垂直面でカットされた垂直平面は、その垂直面を鏡筒部２２の中心軸に垂直に、すなわち、入射光学系からの往路光８２に垂直になるように、入射光学系のミラー７４の側を向くように配置される。なお、断面が円形でない柱状形状のものをカットしてもよい。この場合には、一方側はプリズム光学素子の光軸となる中心軸に垂直な面でカットし、他方側は、その光軸に対し予め定めた傾斜角度でカットしたものを用いることができる。
【００３３】
プリズム光学素子２６において傾斜角度でカットされた傾斜平面は２つ設けられ、その傾斜平面が後述するミラー光学素子２８の側を向くように配置される。２つの傾斜平面のうち１つは、入射光学系からの往路光８２を全反射させる機能を有し、もう１つは、全反射された光を屈折させて外部に出し、測定対象物である側面６に入射させる機能を有する。また、この入射光を出す傾斜平面は、測定対象物である側面６からの反射光がミラー光学素子２８によって光路を変更されてきたものを受け止め、屈折させて、結像レンズ７６側に導く機能を有する。
【００３４】
ミラー光学素子２８は、プリズム光学素子２６の傾斜平面側に向かい合う反射面を有する反射鏡である。ここでは、鏡筒部２２の中心軸に４５度の角度をなすように配置される。ミラー光学素子２８は、上記のように、測定対象物である側面６からの反射光の光路を変更して、プリズム光学素子２６の傾斜平面の１つに戻す機能を有する。
【００３５】
鏡筒部２２の中心軸の方向、つまり往路光８２の光路の方向と、プリズム光学素子２６の２つの傾斜平面の傾斜角度と、ミラー光学素子２８の角度とは、次のような関係で配置設定がなされる。すなわち、プリズム光学素子２６の垂直平面に垂直に入った往路光８２が、プリズム光学素子２６の一方の傾斜平面で全反射し、その全反射光が他方の傾斜平面で屈折して外に出て測定対象物である側面６に入射して、測定対象物である側面６から正反射した光がミラー光学素子２８によって反射され、プリズム光学素子２６の他方側の傾斜平面で屈折し、垂直平面から鏡筒部２２に戻って復路光となったとき、往路光８２と平行な方向に逆方向に進むように、各要素の配置関係が設定される。図１では、往路光８２と平行な光を復路光８４として示してある。ここで正反射とは、測定対象物である側面６が凹凸等のない平坦面であるとして入射角度と同じ大きさの反射角度で反射されることを指している。
【００３６】
このように対物光学系の各要素の配置設定を行うことで、測定対象物である側面６で正反射した光は、往路光８２と平行で、進路方向が反対方向の復路光８４となる。したがって、測定対象物である側面６が鏡筒部２２の軸方向に垂直方向に変位すると、復路光８４は、往路光８２と平行な状態のまま、鏡筒部２２の中心軸から上下方向、つまり鏡筒部２２の中心軸に垂直な方向に移動する。その移動量は、測定対象物である側面６の移動量に対応して変化する。
【００３７】
このようにして、鏡筒部２２の中心軸に平行な往路光８２について、プリズム光学素子２６とミラー光学素子２８によって、鏡筒部２２の軸方向に垂直に変位する側面６に対し、斜め方向から入射し、側面６からの正反射光を往路光と反対方向に進む復路光として、鏡筒部２２に戻すことができる。したがって、鏡筒部２２を、往路光８２と、測定対象物である側面６で正反射し往路光８２に平行な復路光８４を導く光学的鏡筒の機能を有するものと考えるときは、鏡筒の長さを自由に設定できることになる。つまり、鏡筒部２２の軸方向長さは、用途に応じ、適当に長くすることができる。
【００３８】
本体部６０に設けられる結像レンズ７６は、その光軸８６が、往路光８２と平行で、好ましくは鏡筒部２２の中心軸と一致するように設定される集光レンズである。結像レンズ７６は、光軸８６に平行な光線を、光軸８６上にある焦点に集光する機能を有する光学素子であり、例えば凸レンズのような集光レンズを用いることができる。したがって、結像レンズ７６の集光軸は、光軸８６すなわち、好ましくは鏡筒部２２の中心軸と一致するように設定される。
【００３９】
ピンホール光学素子７８は、小さなピンホールを有する光遮蔽板で、結像レンズ７６の焦点の位置に光軸８６に垂直に置かれる。そして、ちょうど光軸８６がピンホールの中を通過するように配置される。ピンホール光学素子７８は、結像レンズ７６と協働し、測定対象物である側面６から反射されて戻された反射光のうち、光軸８６に平行でない光８８を遮蔽し、光軸８６に平行な成分の復路光８４のみピンホールを通過するようにする平行光抽出機能を有する。
【００４０】
上記のように往路光８２に平行な復路光８４は、測定対象物である側面６において正反射された光の成分で、結像レンズ７６の光軸８６に平行な光である。図１において、光８８は、測定対象物である側面６において正反射でなく反射され、光軸８６に平行でない戻り光の例として示されている。この光軸８６に平行でない光８８は、結像レンズ７６によって結像されるとき、光軸８６に平行な復路光８４が結像されて結ぶ焦点とは異なるところに焦点を結ぶ。上記のように、ピンホール光学素子７８は、光軸８６がちょうどピンホールの中を通り、そのピンホールのところが結像レンズ７６によって光軸８６に平行な光が結像する焦点の位置とされる。したがって、光軸８６に平行でない光８８は、結像レンズ７６によって結像されるとき、ピンホール光学素子７８のピンホールを通過することができず、遮蔽され、光位置検出デバイス８０の側に向かうことができない。このようにして、ピンホール光学素子７８は、測定対象物である側面６において反射された光のうち、光軸８６に平行でない戻り光を、ノイズ光として除去する。
【００４１】
かかるピンホール光学素子７８は、光を遮蔽する材質の板材に、適当な貫通穴を設けたものを用いることができる。板材の厚さ及びピンホールの大きさは、光位置検出デバイス８０の感度等で定めることができる。
【００４２】
光位置検出デバイス８０は、結像レンズ７６、ピンホール光学素子７８と協働して、光軸８６に平行な復路光８４の光軸８６からのオフセット量の変化を検出する機能を有する。光軸８６からのオフセット量とは、光軸８６に垂直方向のずれ量である。光位置検出デバイス８０は、結像レンズ７６の焦点に対し結像レンズ７６の反対側に配置され、投影された光の位置あるいは光像の位置を検出できる光学素子である。光の位置あるいは光像の位置は、それらが検出面に投影される位置、例えば投影された光点あるいは光像の重心位置として検出することができる。かかる光位置検出デバイス８０は、市場で一般にＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＳＤ）と呼ばれているものを用いることができる。また、１次元配置ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）すなわちＣＣＤリニアイメージセンサ等の撮像素子を用いることもできる。光位置検出デバイス８０の検出面は、光軸８６に垂直とすることが好ましい。こうすることで、測定対象物である側面６の変位量を、検出面上における光の投影位置の移動量Ｓとして検出することができる。
【００４３】
このように、本体部６０に鏡筒部２２を取り付け、その先端における対物光学系を、所定の配置関係を有するプリズム光学素子２６とミラー光学素子２８とで構成することで、鏡筒部２２の軸方向に垂直方向に変位する側面６の変位測定を行うことができる。ここで、変位測定に必要な光は、鏡筒部２２の中心軸に平行な往路光８２と、往路光８２に平行な復路光８４であるので、鏡筒部２２の長さを用途に応じ自由に設定することができる。
【００４４】
上記では、測定対象物に斜めに光を入射するように対物光学系の各要素の配置関係を設定するものとして説明したが、これを測定対象物に垂直に光を入射する構成とすることもできる。図２はそのような対物光学系を有する光学的変位測定装置１２の例を示す図である。
【００４５】
この光学的変位測定装置１２は、図１で説明した光学的変位測定装置１０と同様に、狭い穴を有する筐体８の内部の側面６の変位を測定する機能を有する。ここで、先端部３０における対物光学系は、プリズム光学素子３６とミラー光学素子３８とで構成される。
【００４６】
プリズム光学素子３６は、図１で説明したプリズム光学素子２６と同様に、光学ガラスで構成される円柱を、一方側は円柱軸に垂直な面でカットしたものであるが、他方側のカットの状態が異なる。すなわち、プリズム光学素子３６の他方側は、円柱軸に垂直な面でカットした垂直平面と、円柱軸に対し予め定めた傾斜角度でカットした傾斜平面とを有する。他方側における垂直平面は、入射光学系からの往路光８２をそのまま直進させてミラー光学素子３８側に出す機能を有する。他方側における傾斜平面は、ミラー光学素子３８側からの光を屈折させて、結像レンズ７６側に導く機能を有する。
【００４７】
ミラー光学素子３８は、図１におけるミラー光学素子２８と同様に、鏡筒部３２の中心軸に４５度の角度をなすように配置される反射鏡である。ミラー光学素子３８は、プリズム光学素子３６の垂直平面から出た光の光路を変更して、測定対象物である側面６に垂直に入射させる機能と、測定対象物である側面６からの反射光を受け止め、その光を変更してプリズム光学素子３６の傾斜平面に戻す機能を有する。
【００４８】
ここでは、ミラー光学素子３８の傾斜角度を鏡筒部３２の中心軸に４５度の角度をなすように配置することで、往路光８２の光路を鏡筒部３２の中心軸に対し９０度変更でき、測定対象物である側面６に垂直に入射させることができる。
【００４９】
ここで、測定対象物である側面６が鏡面であると、正反射光は、往路光８２の光路を逆向きに進むことになるので、結像レンズ７６によって集光されることがなく、したがってピンホール光学素子７８、光位置検出デバイス８０によって側面６の変位を測定することができない。
【００５０】
しかし、測定対象物である側面６が正反射以外の反射光を戻すときは、再びミラー光学素子３８とプリズム光学素子３６を経て、鏡筒部３２に往路光８２と逆向きの光が戻される。測定対象物である側面６から戻される光は様々な方向に反射して戻されるが、プリズム光学素子３６の傾斜平面の傾斜角度で定まる所定の方向に反射された光のみが、ミラー光学素子３８における反射、プリズム光学素子３６における屈折を経て、往路光８２に平行、すなわち、結像レンズ７６の光軸８６に平行な復路光８４となる。それ以外の方向に反射された光は、ミラー光学素子３８における反射、プリズム光学素子３６における屈折を経ても、結像レンズ７６の光軸８６と平行でない光８８となる。
【００５１】
結像レンズ７６の光軸８６と平行な復路光８４については、測定対象物である側面６の変位量に応じて、光軸８６と平行な状態のまま、光軸８６に垂直方向にオフセットする。したがって、ピンホール光学素子７８と光位置検出デバイス８０の機能によって、測定対象物である側面６の変位量を、光位置検出デバイス８０の検出面上における光の投影位置の移動量Ｓとして検出することができる。
【００５２】
このように、本体部６０に鏡筒部３２を取り付け、その先端における対物光学系を、所定の配置関係を有するプリズム光学素子３６とミラー光学素子３８とで構成することで、鏡筒部３２の軸方向に垂直方向に変位する側面６に垂直に光を入射して、側面６の変位測定を行うことができる。この場合、測定対象物である側面６が変位方向に移動しても、測定点の位置がほとんど同じものとなる。ここでも、変位測定に必要な光は、鏡筒部３２の中心軸に平行な往路光８２と、往路光８２に平行な復路光８４であるので、鏡筒部３２の長さを用途に応じ自由に設定することができる。
【００５３】
上記では、対物光学系にミラー光学素子を配置して、鏡筒部の中心軸に垂直な方向に変位する測定対象物の変位を測定するものとして説明した。ここでミラー光学素子を省略することで、鏡筒部の中心軸方向に変位する対象物の変位を測定するものとすることができる。図３と図４は、そのような光学的変位測定装置の構成を示す図である。
【００５４】
図３の光学的変位測定装置１４は、狭い穴を有する筐体８の奥の壁である底面７の変位を測定する機能を有する。この光学的変位測定装置１４は、先端部４０の対物光学系において、図１の光学的変位測定装置１０のミラー光学素子２８を省略し、鏡筒部４２の奥の壁に開口を設けたものに相当する。
【００５５】
プリズム光学素子４６は、図１のプリズム光学素子２６と同様に、光学ガラスで構成される円柱を、一方側は円柱軸に垂直な面でカットし、他方側は円柱軸に対し予め定めた傾斜角度でカットしたものである。プリズム光学素子４６において傾斜角度でカットされた傾斜平面は２つ設けられ、その傾斜平面が鏡筒部４２の底の壁の開口部の側を向くように配置される。２つの傾斜平面のうち１つは、入射光学系からの往路光８２を屈折して測定対象物である底面７に斜めに入射させる機能を有し、もう１つは、測定対象物である底面７からの反射された光を屈折させて結像レンズ７６側に導く機能を有する。
【００５６】
ここで、プリズム光学素子４６の２つの傾斜平面のそれぞれの傾斜角度は、測定対象物である底面７において正反射された光が、結像レンズの光軸８６に平行な復路光となるように設定される。すなわち、鏡筒部４２の中心軸に対し互いに対称となるように、２つの傾斜平面のそれぞれの傾斜角度が設定される。
【００５７】
このように、本体部６０に鏡筒部４２を取り付け、その先端における対物光学系を、所定の配置関係を有するプリズム光学素子４６で構成することで、鏡筒部４２の軸方向に変位する底面７に斜めに光を入射して、底面７の変位測定を行うことができる。ここでも、変位測定に必要な光は、鏡筒部４２の中心軸に平行な往路光８２と、往路光８２に平行な復路光８４であるので、鏡筒部４２の長さを用途に応じ自由に設定することができる。
【００５８】
図４の光学的変位測定装置１６は、図３の光学的変位測定装置１４と同様に、狭い穴を有する筐体８の奥の壁である底面７の変位を測定する機能を有する。この光学的変位測定装置１６は、先端部５０の対物光学系において、図２の光学的変位測定装置１２のミラー光学素子３８を省略し、鏡筒部５２の奥の壁に開口を設けたものに相当する。
【００５９】
プリズム光学素子５６は、図２で説明したプリズム光学素子３６と同じ構成で、光学ガラスで構成される円柱について、一方側は円柱軸に垂直な面でカットした垂直平面を有し、他方側は、円柱軸に垂直な面でカットした垂直平面と、円柱軸に対し予め定めた傾斜角度でカットした傾斜平面とを有する。他方側における垂直平面は、入射光学系からの往路光８２をそのまま直進させて測定対象物である底面７に垂直に入射させる機能を有する。他方側における傾斜平面は、測定対象物である底面７側からの光を屈折させて、結像レンズ７６側に導く機能を有する。
【００６０】
そして、図２に関連して説明したように、測定対象物である底面７が鏡面であると底面７の変位を測定することができないが、測定対象物である側面６が正反射以外の反射光を戻すときは、その光のうち、プリズム光学素子５６の傾斜平面の傾斜角度で定まる所定の方向に反射された光のみが、往路光８２に平行、すなわち、結像レンズ７６の光軸８６に平行な復路光８４となり、ピンホール光学素子７８と光位置検出デバイス８０の機能によって、測定対象物である底面７の変位量を、光位置検出デバイス８０の検出面上における光の投影位置の移動量Ｓとして検出することができる。
【００６１】
このように、本体部６０に鏡筒部５２を取り付け、その先端における対物光学系を、所定の配置関係を有するプリズム光学素子５６で構成することで、鏡筒部５２の軸方向に変位する底面７に垂直に光を入射して、底面７の変位測定を行うことができる。この場合、測定対象物である底面７が変位方向に移動しても、測定点の位置がほとんど同じものとなる。ここでも、変位測定に必要な光は、鏡筒部５２の中心軸に平行な往路光８２と、往路光８２に平行な復路光８４であるので、鏡筒部５２の長さを用途に応じ自由に設定することができる。
【００６２】
図５は、複数種類の測定対象物の変位測定に対応できるように、光学的変位測定装置の本体部に対し先端部を交換可能とし、複数種類の先端部の中のいずれか１つを取り付けることができるようにした多機能型光学的変位測定装置１００の構成を示す図である。
【００６３】
多機能型光学的変位測定装置１００は、本体部６１と、複数種類の先端部２１，３１，４１，５１を含んで構成される。ここで、本体部６１は、図１で説明した本体部６０と同様の構成で、本体ケース６２の内部に、入射光学系と、結像レンズ７６とピンホール光学素子７８と、検出光学系とを含む。そして、本体ケース６２には、往路光８２を外部に出し、復路光を受け取るための開口部と、その開口部の周りに取付手段を有する本体側取付部６４とが設けられる。
【００６４】
複数種類の先端部として、ここでは４種類の先端部２１，３１，４１，５１が示されているが、勿論、これ以外の先端部を含むものとできる。ここで示される各先端部２１，３１，４１，５１は、図１から図４で説明した先端部２０，３０，４０，５０にそれぞれ対応するもので、それぞれの鏡筒部２２，３２，４２，５２の根元側に、取付手段を有する先端部側取付部２４，３４，４４，５４が設けられることが相違する。
【００６５】
本体側取付部６４における取付手段と、複数種類の先端部２１，３１，４１，５１にそれぞれ設けられる先端部側取付部２４，３４，４４，５４における取付手段とは、相互に協働し、本体部６１と、各先端部２１，３１，４１，５１の中のいずれか１つとをしっかり結合する機能を有する。取付手段としては、メネジとオネジの組合せを用いることができる。
【００６６】
例えば、鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応したい場合には、先端部２１を本体部６０に取り付ける。このようにすることで、図１で説明した光学的変位測定装置１０の構成とすることができる。
【００６７】
また、鏡筒部の軸方向に垂直方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応したい場合には、先端部３１を本体部６０に取り付ける。このようにすることで、図２で説明した光学的変位測定装置１２の構成とすることができる。
【００６８】
また、鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し斜めに光が入射される測定対象物に対応したい場合には、先端部４１を本体部６０に取り付ける。このようにすることで、図３で説明した光学的変位測定装置１４の構成とすることができる。
【００６９】
また、鏡筒部の軸方向に変位する測定対象物であって測定対象面に対し垂直に光が入射される測定対象物に対応したい場合には、先端部５１を本体部６０に取り付ける。このようにすることで、図４で説明した光学的変位測定装置１６の構成とすることができる。
【００７０】
本体部６１に取り付けられる各先端部においては、変位測定に必要な光として、鏡筒部の中心軸に平行な往路光と、往路光に平行な復路光とを用いることができるように対物光学系を設定する。このようにすることで、鏡筒部の長さを用途に応じ自由に設定できるので、複数種類の先端部を交換可能に揃えることができる。この複数種類の先端部の中の１つを、１種類の本体部６１に対し用途に応じて選択して取り付けることで、複数種類の変位測定の要望に対し対応できる多機能型光学的変位測定装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明に係る実施の形態において、狭い穴を有する筐体の内部の側面に斜めに光を入射して、側面の変位を測定する光学的変位測定装置の構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、狭い穴を有する筐体の内部の側面に垂直に光を入射して、側面の変位を測定する光学的変位測定装置の構成を示す図である。
【図３】本発明に係る実施の形態において、狭い穴を有する筐体の奥の壁の底面に斜めに光を入射して、側面の変位を測定する光学的変位測定装置の構成を示す図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、狭い穴を有する筐体の奥の壁の底面に垂直に光を入射して、側面の変位を測定する光学的変位測定装置の構成を示す図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、多機能型光学的変位測定装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７２】
６  側面、７  底面、８  筐体、１０，１２，１４，１６  光学的変位測定装置、２０，２１，３０，３１，４０，４１，５０，５１  先端部、２２，３２，４２，５２  鏡筒部、２４，３４，４４，５４  先端部側取付部、２６，３６，４６，５６  プリズム光学素子、２８，３８  ミラー光学素子、６０，６１  本体部、６２  本体ケース、６４  本体側取付部、７０  光源、７２  コリメートレンズ、７４  ミラー、７６  結像レンズ、７８  ピンホール光学素子、８２  往路光、８４  復路光、８６  光軸、８８  戻り光、１００  多機能型光学的変位測定装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2009222672.tif 000005
【図４】
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【図５】
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