(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光部と、
遮光マスクと受光素子とを有する受光部と、
前記投光部から出射された光束を計測対象物体に集光する、第３の集光素子及び第４の集光素子からなる第１の集光素子と、
前記計測対象物体からの反射光束を受光部へ集光する、前記第３の集光素子と第５の集光素子とからなる第２の集光素子と、
前記投光部から前記計測対象物体に至る投光光路中、かつ、前記計測対象物体から前記受光部に至る受光光路中に配置され、前記第１の集光素子と前記投光部により規定される投光光軸と、前記第２の集光素子と前記受光部により規定される受光光軸とを計測対象物体側で同軸にする第１の光路制御素子と、
前記投光光軸と前記受光光軸とが同軸となった光路中であり、かつ、前記投光光路および受光光路中の光束が非平行である箇所に配置された、投光部から計測対象物体に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路長を連続的に変化させ、且つ光軸に対して垂直に配置され、前記同軸とされた光軸方向に沿って変位する反射面を有し、投光部から出射された光束を前記反射面へと導くとともに、前記反射面で反射された光束を計測対象物体へと導き、かつ、計測対象物体からの反射光束を、前記計測対象物体へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導く第２の光路制御素子をさらに備え、前記第２の光路制御素子が前記第１の光路制御素子と前記反射面との間に配置されて構成する光路長掃引機構と、
を具備し、
前記遮光マスクは、前記第２の集光素子から前記受光素子へ至る光路中に配置され、前記計測対象物体からの反射光束が第２の集光素子により集光される位置が前記光路長掃引機構の作動によって変化するときに、その反射光束の一部が前記遮光マスクによって遮光される割合を変化させるものであり、
前記受光素子は、前記遮光マスクを通過した光束を受光するものであり、
前記第４の集光素子は、前記投光部から前記反射面に至る光路中に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは前記投光部から前記第２の光路制御素子に至る光路中に配置され、前記投光部から出射された光束を前記反射面付近に集光するものであり、
前記第３の集光素子は、前記反射面と前記計測対象物体との間に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは前記第２の光路制御素子と前記計測対象物体との間に配置され、前記反射面で反射された光束を前記計測対象物体へ集光するとともに、前記計測対象物体からの反射光束を前記反射面付近に集光するものであり、
前記第５の集光素子は、前記反射面から前記受光部に至る光路中に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは前記第２の光路制御素子から前記受光部に至る光路中に配置され、前記計測対象物体で反射された後に前記反射面で反射された光束を前記受光部へ集光するものであり、
前記投光部と前記受光部とが前記第１の光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置に配置され、
前記反射面が光軸方向に沿って変位する領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によって集光される位置を含まないようにされて、
それにより、前記光路長掃引機構の作動により変化する受光素子の出力信号をもとに、計測対象物体までの距離についての情報を取得する変位センサ。
【請求項２】
投光部と、
遮光マスクと受光素子とを有する受光部と、
前記投光部から出射された光束を計測対象物体に集光する、第３の集光素子及び第４の集光素子からなる第１の集光素子と、
前記計測対象物体からの反射光束を受光部へ集光する、前記第３の集光素子と第５の集光素子とからなる第２の集光素子と、
前記投光部から前記計測対象物体に至る投光光路中、かつ、前記計測対象物体から前記受光部に至る受光光路中に配置され、前記第１の集光素子と前記投光部により規定される投光光軸と、前記第２の集光素子と前記受光部により規定される受光光軸とを計測対象物体側で同軸にする第１の光路制御素子と、
前記投光光軸と前記受光光軸とが同軸となった光路中であり、かつ、前記投光光路および受光光路中の光束が非平行である箇所に配置された、投光部から計測対象物体に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路長を連続的に変化させ、且つ光軸に対して垂直に配置され、前記同軸とされた光軸方向に沿って変位する反射面を有し、投光部から出射された光束を前記反射面へと導くとともに、前記反射面で反射された光束を計測対象物体へと導き、かつ、計測対象物体からの反射光束を、前記計測対象物体へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導く第２の光路制御素子をさらに備え、前記第２の光路制御素子が前記第１の光路制御素子と前記反射面との間に配置されて構成する光路長掃引機構と、
を具備し、
前記遮光マスクは、前記第２の集光素子から前記受光素子へ至る光路中に配置され、前記計測対象物体からの反射光束が第２の集光素子により集光される位置が前記光路長掃引機構の作動によって変化するときに、その反射光束の一部が前記遮光マスクによって遮光される割合を変化させるものであり、
前記受光素子は、前記遮光マスクを通過した光束を受光するものであり、
前記第４の集光素子は、前記投光部から前記反射面に至る光路中に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは前記投光部から前記第２の光路制御素子に至る光路中に配置され、前記投光部から出射された光束を前記反射面付近に集光するものであり、
前記第３の集光素子は、前記反射面と前記計測対象物体との間に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは前記第２の光路制御素子と前記計測対象物体との間に配置され、前記反射面で反射された光束を前記計測対象物体へ集光するとともに、前記計測対象物体からの反射光束を前記反射面付近に集光するものであり、
前記第５の集光素子は、前記反射面から前記受光部に至る光路中に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは前記第２の光路制御素子から前記受光部に至る光路中に配置され、前記計測対象物体で反射された後に前記反射面で反射された光束を前記受光部へ集光するものであり、
前記投光部と前記受光部とが前記第１の光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置に配置され、
前記反射面が光軸方向に沿って変位する領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によって集光される位置を含むようにされ、前記計測対象物体が有効計測領域内にあるときに、前記計測対象物体からの反射光束が前記第３の集光素子によって集光しうる領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によって集光される位置をふくまないようにされて、
それにより、前記光路長掃引機構の作動により変化する受光素子の出力信号をもとに、計測対象物体までの距離についての情報を取得する変位センサ。
【請求項３】
前記第４の集光素子であり、かつ、前記第５の集光素子である第７の集光素子を備え、前記第７の集光素子は前記第１の光路制御素子と前記第２の光路制御素子の間に配置された請求項１または２に記載の変位センサ。
【請求項４】
前記第３の集光素子であり、かつ、前記第４の集光素子であり、かつ、前記第５の集光素子である第８集光素子を備え、前記第８集光素子は前記第２の光路制御素子と前記反射面との間に配置された請求項１または２に記載の変位センサ。
【請求項５】
光軸方向に沿って変位する前記反射面の変位は周期的な振動であり，
前記反射面の位置と前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によって集光される位置とが一致するときに生じる前記受光素子の出力信号から、前記反射面の変位が往路中であるときの出力信号もしくは復路中であるときの出力信号のうち任意に定めた一方を選択して取得する手段と、
前記選択して取得された出力信号を基準として、前記投光部から出射された光束が前記計測対象物体上に集光するときにその反射光束によって発生する前記受光素子の出力信号が得られるまでの時間を計測する手段と、
前記計測された時間をもとに計測対象物体までの距離についての情報を得る手段とを備えた請求項１または２に記載の変位センサ。
【請求項６】
前記第４の集光素子は、コリメートレンズと中間レンズとからなり、前記コリメートレンズは投光部と第２の光路制御素子との間に配置され、投光部から出射された光束をほぼ平行とし、前記中間レンズは前記第２の光路制御素子と前記反射面との間に配置され、ほぼ平行となった光束を前記反射面付近に集光し、
前記第５の集光素子は、前記中間レンズと受光レンズとからなり、前記受光レンズは前記受光部と前記第２の光路制御素子との間に配置され、計測対象物体からの反射光束を受光部に集光する請求項１または２に記載の変位センサ。
【請求項７】
前記コリメートレンズと前記受光レンズは、共通のレンズであり、前記第１の光路制御素子と前記第２の光路制御素子の間に配置された請求項６に記載の変位センサ。
【請求項８】
前記投光部は直線偏光を出射し、
前記第２の光路制御素子は、前記直線偏光が入射面に対し垂直または平行となるよう配置された偏光ビームスプリッタであり、
前記偏光ビームスプリッタから出射した光束が前記中間レンズへ至る光路中、かつ、前記反射面で反射された後に前記中間レンズから出射した光束が前記偏光ビームスプリッタへ至る光路中に配置された、前記投光部が出射する光の波長に対する１／４波長板を具備する請求項１または２に記載の変位センサ。
【請求項９】
前記反射面の反射面に対して光束を反射面に垂直な方向以外から出射する反射面用投光部と、
前記反射面で反射された、反射面用投光部から出射された光束を受光する位置検出素子とを具備し、
前記位置検出素子の出力信号と、前記受光部の出力信号をもとに計測対象物体までの距離についての情報を取得する請求項１または２に記載の変位センサ。
【請求項１０】
前記反射面が光軸方向に沿って変位する領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によって集光される位置を含むようにされ、
前記計測対象物体が有効計測領域内にあるときに、前記計測対象物体からの反射光束が前記第３の集光素子によって集光しうる領域が、前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子よって集光される位置を含まないようにされた請求項１に記載の変位センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、非接触で計測対象物体の変位を計測する変位センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＡ（ファクトリーオートメーション）等の技術分野においては、製品の製造に用いる製造装置の位置制御や製造装置に対する製品の位置制御、あるいは製品の検査等に変位センサが多く用いられている。この変位センサには三角測量方式が一般に用いられている。これは、計測対象物体へ光を照射し、計測対象物体により反射された光を位置検出素子等で検出するものであり、計測対象物体の変位に伴なって変化する位置検出素子上の受光スポットの重心位置変化に基づいて変位量を計測するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この三角測量方式の変位センサによれば、計測対象物体上に照射された光のスポットサイズを回折限界のような微小なスポットサイズに保つことはできない。図４８に示すように、たとえ光源にレーザ１００１などのコヒーレント光を使用しレンズ１００２によって集光しても、実線で示すように回折限界のスポットサイズが得られるのは１００６で示した一点だけであり、他のほとんどの位置でスポットサイズは広がる。計測対象物体１００５上で広がった照射光による反射光を位置検出素子１００４上にレンズ１００３により集光したとしても破線で示すように広がりを持った受光スポットとなる。
【０００４】
一方、完全な鏡面でない限りほとんどの計測対象物体には、表面上の微小な凹凸や色むらにより反射強度むらが存在する。その結果、計測対象物体上で反射された光のスポット内にも輝度むらが生じ、それは位置検出素子上での受光スポットの重心位置変化となる。すなわち、計測対象物体の変位量が０でも計測対象物体表面上での位置が異なれば反射強度むらのために位置検出素子上での受光スポットの重心位置が異なり、その結果、測定結果である変位計測値は異なったものとなる。これが計測誤差となり、高精度な計測の妨げとなる。
【０００５】
この計測誤差を抑える変位センサとして、特開平７−１１３６１７号公報に記載のものが従来から知られている。この公報記載の技術にあっては、三角測量方式とは異なり、レンズを変位計測方向に掃引することで照射光束の集光位置を変化させ、照射光束の集光位置が計測対象物体上と一致するときに反射光の受光スポットの大きさが最小となることに基づいて変位量を計測している。この方法によれば反射光の受光スポットの重心位置を利用しないため、反射強度むらの影響をほとんど受けない変位計測が可能である。
【０００６】
しかしながら、このような変位センサでは、レンズを音叉に取付けて掃引する構造であることから、掃引周波数を高くするには限界がある。なぜならばレンズは受光量の確保のため、および回折限界によって定まるスポット径を微小化するために一定の大きさが必要であり小型化ができない。そのために固有振動数が低くなってしまい、掃引周波数を高くすることは困難である。掃引周波数が低ければ１点の変位量を計測するために必要な時間が長くなる。複数点を計測する場合や、同一点において測定値を平均化処理してさらに高精度な計測を行う場合、総合計の計測時間は計測点数あるいは平均化処理回数に比例して長くなる。
【０００７】
一方、この変位センサは物体形状の高精度な計測に用いられることが多く、その場合計測点は膨大な数となり、さらに高精度計測のために平均化処理が求められることが多い。アプリケーションにもよるが通常、計測対象物体の形状を精度良く計測しようとすると総合計の計測時間は秒から分オーダーとなることが多く、生産数量を制約する工程となってしまう。総合計の計測時間を短くするために、検査を間引きすれば不良品を見過ごすおそれが生じ、測定値の平均化処理回数を減らせば計測精度を落とすことになる。
【０００８】
また、レンズと音叉一体で固有振動周波数が定まり、この固有振動周波数により実質的に掃引周波数が決まってしまうことから、レンズを交換することによって簡単に検出距離や変位計測範囲を変更することはできない。なぜならレンズの交換は掃引周波数の変更を必要とし、処理回路や音叉駆動用のコイル等の変更が必要となるからである。掃引周波数を変えずに検出距離や変位計測範囲の変更を行うためには、音叉と一体になったレンズはそのままにして、これとは別に多数のレンズを光路中に付加することにより等価的にレンズの光学特性を変化させるか、あるいは、掃引されるレンズを変更した上で掃引周波数が同じになるように光学系全体を設計し直す必要がある。多数のレンズを追加すると、外形が大きくなり、コストが高くなってしまう。計測対象物体や装置形状に応じた検出距離、変位計測範囲に対応するために都度、センサを再設計、製作する場合は、開発等の費用が生じるため、やはりコストが高くなってしまう。
【０００９】
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、反射強度むらの影響をほとんど受けない高精度な変位計測が可能で、かつ、計測に要する時間が短い変位センサを提供することである。
【００１０】
また、この発明の他の目的とする所は、レンズの交換が可能な構造とする事により、検出距離や変位計測範囲を容易に変更できる変位センサを実現し、様々な個別のアプリケーションにも対応できる上記変位センサを提供することである。
【００１１】
また、この発明の他の目的とする所は、製造時における異種レンズの選択的採用が容易な構造とする事により、検出距離や変位計測範囲の幅広い組合せの中から選択された組合せに適合させて、低コストで製造することが容易な、上記変位センサを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
理解を容易にするために実施態様の２つの例である図１および図２の符号を参照しながら本発明を説明する。図１と図２とで符号が異なる場合は「／」の前に図１の符号を、後に図２の符号を示す。本発明の変位センサは、投光部（１）と、遮光マスク（９０１ａ）と受光素子（９０２ａ）とを有する受光部（９）と、投光部（１）から出射された光束を計測対象物体（８）に集光する第１の集光素子（３，５，７／１４）と、計測対象物体（８）からの反射光束を受光部（９）へ集光する第２の集光素子（７，５，３／１５）と、投光部（１）から計測対象物体（８）に至る投光光路中、かつ、計測対象物体（８）から受光部（９）に至る受光光路中に配置され、第１の集光素子（３，５，７／１４）と投光部（１）により規定される投光光軸および第２の集光素子（７，５，３／１５）と受光部（９）により規定される受光光軸を計測対象物体（８）側で同軸にする第１の光路制御素子（２）と、投光光軸と受光光軸とが同軸となった光路中であり、かつ、投光光路および受光光路中の光束が非平行である箇所に配置された、投光部から計測対象物体に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路長を連続的に変化させる光路長掃引機構（６）とを具備する。遮光マスク（９０１ａ）は、第２の集光素子（７，５，３／１５）から受光素子（９０２ａ）へ至る光路中に配置され、計測対象物体（８）からの反射光束が第２の集光素子（７，５，３／１５）により集光される位置が光路長掃引機構（６）の作動によって変化するときに、その反射光束の一部が遮光マスク（９０１ａ）によって遮光される割合を変化させるものである。受光素子（９０２ａ）は、遮光マスク（９０１ａ）を通過した光束を受光するものである。本発明の変位センサは以上の構成により、光路長掃引機構（６）の作動により変化する受光素子（９０２ａ）の出力信号をもとに、計測対象物体（８）までの距離についての情報を取得するものである。
【００１３】
本発明の変位センサの動作原理は以下に示す通りである。投光部から出射された光束は、第１の集光素子を経て、計測対象物体上に集光され、その反射光束が第２の集光素子により、受光部の遮光マスク上に集光される。遮光マスクの形状は様々なものが可能であるが、例えばピンホールを設けたマスクとした場合には、遮光マスク上における反射光束のスポットサイズが変化する過程で、スポットサイズが最も小さくなって反射光束の最も多くの部分がピンホールを通過するときに受光部の受光量が最大となる。
【００１４】
光路長掃引機構の作動によって計測対象物体へ照射される光束の集光位置は変化する。ここでいう光路長とは、投光部から計測対象物体に至るまで、および計測対象物体から受光部に至るまでの光路長を意味している。例えば、光路張掃引機構が中立的な状態のとき投光部から出射された光束が集光するような位置に計測対象物体があるとすれば、光路長掃引機構が光路長を短くする状態（図３）になったとき、照射光束はまだ集光していない（計測対象物体がないとすればそれがあった位置より遠方で集光する）状態となる。
【００１５】
ここで、計測対象物体が鏡面物体である場合、計測対象物体からの反射光束は図４に示すように遮光マスク上では集光しきれず、遮光マスク上における光束のスポットサイズが相対的に大きいことから受光部の受光量は小さくなる。
【００１６】
一方，計測対象物体が拡散反射物体である場合、計測対象物体上での光束が広がっている（図５）上、その反射光束は遮光マスク上に結像しない（遮光マスクよりも受光素子側で結像する）ことからやはり受光部の受光量は小さくなる。
【００１７】
逆に、光路長掃引機構が光路長を長くする状態のときは、照射光束および計測対象物体からの反射光束の集光位置は、光路長掃引機構が中立的な状態のときの反射光束の集光位置に対してそれぞれ上述の位置とは逆の側に移動することになり、光路長が短い場合と同様に遮光マスク上で光束は相対的に大きく、受光量が小さくなる。
【００１８】
以上のことから遮光マスクにピンホールが設けられている場合は、計測対象物体が鏡面物体であっても拡散反射物体であっても、光路長掃引機構の作動により照射光束の集光位置が計測対象物体上となるときに、受光量が最大となり、受光部からの出力信号が最大となる。
【００１９】
上記出力信号から以下に示すような方法で変位を求めることができる。図６は光路光掃引機構の作動に伴う光路長の変化と受光部の出力信号の変化とを示したものである。出力信号の極大値は、光路長掃引機構が光路長の掃引を行い、計測対象物体上で照射光束を集光させるような状態となったときに得られる。図６ではこのときの光路長の変化量がＸ１である。計測対象物体への照射光束の集光位置は、光路長の変化量と１対１対応になることから、あらかじめ掃引による光路長の変化量から集光位置の変位量に換算する式さえ求めておけば、光路長の変化量を何らかのセンサ等で直接あるいは間接的に常時測定することで、受光部の出力信号が最大となったときの光路長の変化量から計測対象物体の変位量を求めることができる。
【００２０】
遮光マスクは、ピンホールを設けたものに限らず、ナイフエッジにより構成し、受光素子に２分割フォトダイオード（２つのフォトダイオードが隣接して配置された素子）を用いても変位の計測は可能である。以下にその場合の原理も示しておく。
【００２１】
図７は計測対象物体上で照射光束が集光された前述の図１の状態に対応するものである。ナイフエッジの先端が反射光束の集光位置と一致するように配置され、このとき、受光素子である２分割フォトダイオードは、２つのフォトダイオードの受光量が等しくなるように設置されている。光路長の掃引により光路長が短くなった状態、すなわち前述の図４に対応するものが図８であり、左側のフォトダイオードに向かう光束がナイフエッジにより遮蔽されている。逆に光路長が長くなった状態を示したものが図９であり、右側のフォトダイオードに向かう光束がナイフエッジにより遮蔽されている。これらの図からわかるように、計測対象物体上で照射光束が集光したときに２分割フォトダイオードの２つのフォトダイオードの出力が等しくなり、集光していないときは片方のフォトダイオードの出力が大きくなる。従って、出力信号を用いて変位を求めるためには、前述の方法において受光素子の出力がピークとなる時点を、２分割フォトダイオードの２つのフォトダイオードの出力が等しくなる時点で置き換えて考えることにより同様に変位計測が可能である。
【００２２】
この発明によると、計測対象物体上で照射光束が微小なスポットとなったときの光路長に基づいて計測を行うことから、計測対象物体の反射強度むらに影響されない変位計測が可能である。また、形状、質量が大きなレンズを掃引するような、投光部から計測対象物体までの光路長を一定に保ったまま照射光束の集光位置を変化させる方法とは異なり、集光機能は動くことのない集光素子によって行い、それとは別にそれ自体は集光機能を持たずに光路長を変化させる機能を有する光路長掃引機構を設けたので、この光路長掃引機構を小型かつ軽量で実現することが可能となる。従って、掃引周波数を高くすることができ、１点の計測に必要な時間は短くなる。応答時間は計測を開始してから計測結果を出力するまでの時間であるが、本センサにおいては平均化処理も含めて計測点数の多少にかかわらず計測時間に対して出力に要する時間はごく僅かであり、応答時間の大部分が計測時間によって占められるので、本態様によって計測に要する時間を短くすることにより、応答時間の短い計測が実現できる。また、一定の応答時間内であれば、平均化回数を増やすことでより測定誤差が小さい高精度な計測が実現できる。
【００２３】
投光部は、光源の発光面積が大きい場合は、光源から出た光を１度ピンホールを通過させるなどして実質的な発光面積を小さくすることが望ましい。なぜなら、発光面積が大きいと光路長掃引機構によって光路長の掃引を行ったとき計測対象物体上における光束の最小スポットサイズも大きくなってしまい、計測対象物体の反射強度むらの影響を受けやすくなるからである。『第1の集光素子と投光部により規定される投光光軸』における投光部とは、光源の発光位置を意味し、発光位置として代表的には発光面の中心や重心の位置を採用することができる。前述のようにピンホールを使用する場合はピンホールの中心の位置を採用することができる。
【００２４】
遮光マスクが、ピンホールを設けたマスクの場合、受光素子はピンホールを通過した光束を受光すればよいのでフォトダイオードなどの光の強度を電流や電圧に変換する素子を用いれば良い。この場合、『第２の集光素子と受光部とにより規定される受光光軸』とは、具体的には第２の集光素子とピンホールの中心とで規定される受光光軸を意味する。
【００２５】
一方、遮光マスクがナイフエッジにより構成されたマスクである場合、受光素子には入射した光の位置の変化に伴って出力が変化する2分割フォトダイオードやさらに分割数を多くしたフォトダイオードアレイ、位置検出素子（ＰＳＤ）、ＣＣＤなどを用い、ナイフエッジを通過した光束の位置の変化を出力の変化として得ることができる。ナイフエッジの場合、『第２の集光素子と受光部とにより規定される受光光軸』において受光光軸を規定する「受光部」は、前述のピンホールのようにあらかじめ特定された１点ではなく、ナイフエッジの縁線上のいずれか1点（厳密にはナイフエッジからわずかに離れた点）となる。光学系の調整が完了した状態においては、計測対象物体からの反射光束の中心位置がナイフエッジの縁線上のいずれか1点と一致してるはずであり、このとき投光光軸と受光光軸とは第１の光路制御素子により計測対象物体側で同軸になっている。光学系が十分に調整されていないなどにより、計測対象物体からの反射光束の中心位置がナイフエッジの縁線上のいずれか１点と一致していないときは、ナイフエッジの縁線上において反射光束の中心位置に最も近い点が受光光軸を規定していると考えることができる。
【００２６】
集光素子はレンズ、凹面鏡、ホログラム等の集光機能を有する光学素子である。
【００２７】
『投光部から出射された光束を計測対象物体に集光する第1の集光素子』における「集光する」とは常に計測対象物体上で集光している状態を意味するものではない。これは、投光部と計測対象物体との間には光路長掃引機構があり、集光位置は掃引によって時間的に変化するためで、掃引中は、ある瞬間に計測対象物体上で集光するという状態を指す。
【００２８】
光路制御素子は、ハーフミラーや偏光ビームスプリッタや、回折を利用して一部の光束を異なる方向に分岐させるグレーティングやホログラム、あるいは、複屈折を利用することで偏光方向に応じて出射光束の方向を異ならせたウォラストンプリズム等の、入射した光束を一定の割合である方向に出射すると同時に一定の割合で他の方向に出射させる機能を有する光学素子である。
【００２９】
光路長掃引機構は、光源から計測対象物体に至る光路長および計測対象物体から受光部に至る光路長を連続的に時間的に変化させる。この光路長掃引機構としては、音叉や片持ち梁に反射面を設けて振動させるもの、ボイスコイルモータや圧電素子を用いて反射面をその面と垂直方向に往復運動させるもの、電気光学結晶に外部電圧を印加して媒質の屈折率を変化させるもの、などを利用することができる。
【００３０】
この発明の一実施態様においては、その一例である図１０の符号を参照して、第１の集光素子であり、かつ、第２の集光素子である第６の集光素子（１３）を備えており、第１の光路制御素子（２）は、第６の集光素子（１３）と投光部（１）および受光部（９）との間に配置されている。
【００３１】
図１に示す光学系もこの実施態様の一例であり、集光素子３、５、７は第６の集光素子の一例である。
【００３２】
第1の集光素子と第2の集光素子とを兼用（共通化）することで、部品点数を減らすことができ、低コスト化が可能となる。同時に、小型化も達成することができる。
【００３３】
また、例えば遮光マスクにピンホールを用いる場合、スポットサイズおよびそれに伴ってピンホールのサイズを極めて小さなものにしたときは温度変化などによりピンホールと発光点の光学的な位置関係がずれて正しく動作しなくなるおそれがあるが、第１の集光素子と第２の集光素子を兼用（共通化）することで、ピンホールと光源の光学的な位置を定めている光学部品の点数を少なくするとともに、第１の光路制御素子と投光部との間の距離および第１の光路制御素子とピンホールとの間の距離を短くすることができ、温度等による投光部、ピンホール、第１の光路制御素子の相対的な位置ずれの量を小さく抑えることができる。すなわち温度変化に対して安定な検出が可能となる。
【００３４】
光路長掃引機構は、図１０の場合のように第６の集光素子（１３）と計測対象物体（８）との間にあってもよいし、図１１に示すように第６の集光素子（１３）と第１の光路制御素子（２）との間にあってもよい。
【００３５】
この発明の好ましい一実施態様においては、その一例である図１２の符号を参照して、光路長掃引機構（６）は、光軸に対して垂直に配置され、投光光軸と受光光軸とが同軸とされた光軸方向に沿って変位する反射面（６）を有し、投光部（１）から出射された光束をその反射面に導くとともに、その反射面（６）で反射された光束を計測対象物体（８）へと導き、かつ、計測対象物体（８）からの反射光束を前述の計測対象物体（８）へ光束を導いた光路と同一の光路上を逆方向に導く第２の光路制御素子（４ａ）をさらに備えている。
【００３６】
図１に示す光学系もこの実施態様の一例である。
【００３７】
この態様によれば、光路長掃引機構の作動によっても計測対象物体上の変位計測点が計測対象物体表面上を移動することなく計測を行うことが可能となり（スポットサイズは変化するがスポットの中心は動かない）、常に安定して特定点の変位計測をすることが可能となる。このため微小な物体や、微小な部分の変位計測が可能となる。
【００３８】
ここで『光軸に対して垂直』とは計測上問題とならない程度の垂直からのずれがある場合も含む意味で使用している。たとえば、光路長掃引機構を片持ち梁などにより構成した場合、掃引することで多少反射面の角度も変動することになるが、この程度の垂直からの角度ずれがあってもここでいう垂直に含まれる。
【００３９】
前述の光軸に対して垂直に配置された反射面（６）は、第２の光路制御素子を透過した位置に配置しても良い（図１２）し、反射した位置に配置しても良い（図１３）。
【００４０】
また、この構成においては、第1の集光素子と第2の集光素子とを兼用（共通化）した第６の集光素子（１３）を用いても良い（図１４、図１５）。このようにすれば、集光素子の個数を減らすことができ、さらに、投光部と第１の光路制御素子との間の距離および遮光マスクと第１の光路制御素子との間の距離を短くすることなどにより温度変化等に対して安定な検出が可能となるのは前述と同様である。
【００４１】
この発明の好ましい態様においては、その例である図１６、図１７の符号を参照して、第２の光路制御素子（４ａ）は第１の光路制御素子（２）と上述の反射面（６）との間に配置されており、第１の集光素子は第３の集光素子（１６）と第４の集光素子（１７）とからなり、第２の集光素子は第３の集光素子（１６）と第５の集光素子（１８）とからなっている。さらに、第４の集光素子（１７）は投光部（１）から反射面（６）に至る光路中に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは投光部（１）から第２の光路制御素子（４ａ）に至る光路中に配置され、かつ投光部（１）から出射された光束を反射面（６）付近に集光しており、第３の集光素子（１６）は反射面（６）と計測対象物体（８）との間に集中又は分散されて配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは第２の光路制御素子（４ａ）と計測対象物体（８）との間に配置され、かつ反射面（６）で反射された光束を計測対象物体（８）へ集光するとともに計測対象物体（８）からの反射光束を反射面（６）付近に集光し、また、第５の集光素子（１８）は反射面（６）から受光部（９）に至る光路中に集中または分散して配置された単一または複数のレンズであって、そのうちの少なくとも１つのレンズは第２の光路制御素子（４ａ）から受光部（９）に至る光路中に配置され、かつ計測対象物体（８）で反射された後に反射面（６）で反射された光束を受光部（９）へと集光する。
【００４２】
図１に示す光学系もこの実施態様の一例であり、ここで集光素子５、７は第３の集光素子の一例であり、集光素子３、５は第４の集光素子と第５の集光素子とを兼用（共通化）したものである。集光素子５は第３、第４および第５の集光素子に共通して含まれる部分となっている。
【００４３】
この態様によれば、投光部から出射された光を光路長掃引機構の反射面付近で集光させていることから、反射面の面積を極めて小さなものにすることが可能となる。その結果、光路長掃引機構に片持ち梁や音叉などを使用する場合にも、小型、軽量化が可能となり、固有振動数を高くすることができる。これにより、掃引周波数を高くすることが可能となり、より応答時間の短い計測が実現できる。また、一定の応答時間内であれば、平均化回数を増やすことでより測定誤差が小さい高精度な計測が実現できる。
【００４４】
ここでいう『反射面付近に集光』は、反射面が光軸方向に往復運動する範囲の中に集光点が存在する場合を含むが、それだけに限らずその範囲の周辺で集光する場合であっても、反射面上でのスポットサイズが十分小さく、反射面を小型化できることにより前述の効果を有する場合については、含まれる。さらに、投光素子（１）から出射された光束が第３の集光素子に入射するまでに一旦集光されるような構成であれば上記の効果が生じることから『反射面付近に集光』すると言える。
【００４５】
『単一または複数のレンズ』における『単一』とは、レンズ機能単位での個数を指し、組レンズのように複数のレンズを一体に組み合わせて凸レンズや凹レンズのような単一のレンズとしての機能を有するものを含む。また、『複数』とは、上記の『単一』のレンズが複数存在することを意味する。
【００４６】
さらに、この実施態様の変形として、その例である図１８、図１９の符号を参照して、第４の集光素子と第５の集光素子とを兼用（共通化）して第７の集光素子（１９）とし、第１の光路制御素子（２）と第２の光路制御素子（４ａ）との間に配置した構成とすることも可能である。
【００４７】
この態様によれば、さらに集光素子の共通化がはかられ、部品点数を減らすことができることから低コスト化、小型化が可能となる。
【００４８】
また、他の実施態様として、その例である図２０、図２１の符号を参照して、第３の集光素子と第４の集光素子と第５の集光素子とを兼用（共通化）して第８集光素子（２０）とし、第２の光路制御素子（４ａ）と反射面（６）との間に配置することも可能である。
【００４９】
この態様によれば、集光素子が１つとなるので、さらに低コスト化、小型化が可能となる。
【００５０】
この発明の好ましい一実施態様においては、投光部と受光部とが前記第１の光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係に配置されている。
【００５１】
『鏡像となる位置関係』は、光学的な作用に関する位置関係を意味しており、単に投光部と受光部の外形的な形状を意味するものではない。従ってここでは、投光部は光源の発光点を意味し、受光部では遮光マスクにピンホールが設けられた場合はピンホールを意味し、遮光マスクがナイフエッジにより構成された場合はナイフエッジの縁線上のいずれか1点であって受光光軸を規定する点を意味する。
【００５２】
遮光マスクにピンホールが設けられた場合、ピンホールと投光部の光源の発光点が第１の光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係であると、光路長が中立状態以外にあるときに照射光が計測対象物体上に集光されるような位置に計測対象物体があるときを含めて、計測対象物体が鏡面物体であるか拡散反射物体であるかを問わず同一の変位計測値を得ることができる。遮光マスクがナイフエッジにより構成された場合は、ナイフエッジの縁線上の受光光軸を規定する点と投光部の光源の発光点とが第１の光路制御素子の作用に関して互いに鏡像となる位置関係であれば同様に計測対象物体が鏡面物体でも拡散反射物体でも同一の変位計測値を得ることができる。
【００５３】
この発明の好ましい一実施態様においては、その２つの例である図２２と図２３の符号を参照し、反射面が光軸方向に沿って変位する領域（２１）が、投光部（１）から出射された光束が第４の集光素子（３，５）によって集光される位置（２２）を含まないようにしている。
【００５４】
『第４の集光素子によって集光される位置』とは、反射面が存在しないと考えた場合に第４の集光素子によって集光される位置を意味している。
【００５５】
第2の光路制御素子には前述のようにハーフミラーや偏光ビームスプリッタ等が用いられるが、反射面で反射された光束を計測対象物体へ導く際に、光束の全光量を計測対象物体へ導くのは現実には不可能である。程度の大小はあっても、必ず計測対象物体以外の方向、すなわち投光部および受光部の方向に戻り光が生じることになる。反射面上で投光部から出射された光束を集光するような構成とした場合、この戻り光は受光部において集光し、大部分が受光素子で受光されてしまう。従って、計測対象物体からの反射光束による出力信号と比べて無視できない強度となり、検出の妨げとなってしまう。
【００５６】
この態様によれば、反射面が光軸方向に沿って変位する領域の近傍ではあるが、反射面上では投光部から出射された光束が集光しない構成としたので、受光素子上でも戻り光は集光することがない。従って戻り光の強度は受光素子の出力信号上では問題とならない程度にまで下げることが可能であり、計測対象物体からの反射光束による受光素子の出力信号を確実に検出することができる。
【００５７】
また、別の実施態様によれば、その一例である図２４の符号を参照して、反射面が光軸方向に沿って変位する領域（２１）が、投光部（１）から出射された光束が第４の集光素子（３，５）によって集光される位置（２２）を含むようにされ、さらに、計測対象物体が有効計測領域（２３）内にあるときに、計測対象物体からの反射光束が第３の集光素子（７，５）によって集光しうる領域（２５）が、投光部（１）から出射された光束が第４の集光素子（３，５）によって集光される位置（２２）を含まないようにされる。
【００５８】
本態様における作用の理解を容易にするために本態様の一例である図２４の構成およびそれに対応した受光素子の出力信号を示した図２５を参照して説明する。図中、２１で示した領域は反射面が光軸方向に沿って変位する領域、６ｄは光路長掃引機構が光路長を最短にする状態のときの反射面、６ｅは光路長掃引機構が光路長を最長にする状態のときの反射面、２３は有効計測領域、８ｂは有効計測領域内で最も対物レンズ７から遠い位置にある場合の計測対象物体、８ｃは有効計測領域内で最も対物レンズ７から近い位置にある場合の計測対象物体を示し、２４ｂは有効計測領域内で最も対物レンズ７から遠い位置にある計測対象物体８ｂからの反射光束が第３の集光素子によって集光される点、２４ｃは有効計測領域内で最も対物レンズ７から近い位置にある計測対象物体８ｃからの反射光束が第３の集光素子によって集光される点を示している。２５は有効計測領域２３内にある計測対象物体８からの反射光束が第３の集光素子によって集光し得る領域を示している。これに対応して図２５では、前述の図６と同様に光路長の変化量がＸ１のときに図２４には図示していない計測対象物体から反射光束が受光素子に入射し、出力信号２７が得られる。光路長の変化量がＸ２のときに投光部から出射された光束が第４の集光素子によって反射面上で集光し、そのときに戻り光が生じて受光素子に受光され、受光信号２６が発生する。光路長の変化量Ｘ３、Ｘ４はそれぞれ図２４で反射面が２４ｂ、２４ｃにある場合に対応しており、斜線で示した領域２８が有効計測領域内で計測対象物体からの反射光束を受光し得る時間領域を表す。
【００５９】
この態様によれば、戻り光による受光素子出力信号２６は必ず有効計測領域内にある計測対象物体からの反射光束を受光し得る領域２８の外で得られため、戻り光によって有効検出領域内にある計測対象物体からの反射光による受光素子出力信号２７の正確な検出が妨げられることはない。一方、戻り光による受光素子の出力信号２６は計測対象物体の位置によらず常に反射面の変位量がＸ２となるときに発生する。計測対象物体の変位を計測するためには光路長の変化量を何らかのセンサ等で測定し、光路長の変化量から計測対象物体の変位量へ換算すればよいが、換算を行う際にこの信号２６が発生するときの変位量によって光路長の変化量の測定値を校正すれば、前述のセンサ等がもつ温度ドリフトの影響による光路長の変化量測定誤差を抑えることができ、より安定した変位計測が可能となる。
【００６０】
この発明のさらに好ましい実施態様においては、光軸方向に沿って変位する前記反射面の変位を周期的な振動とし，前記反射面の位置と前記投光部から出射された光束が前記第４の集光素子によって集光される位置とが一致するときに生じる前記受光素子の出力信号から前記反射面の変位が往路中であるときの出力信号もしくは復路中であるときの出力信号のうち任意に定めた一方を選択して取得する手段と、前記投光部から出射された光束が前記計測対象物体上に集光するときにその反射光束によって発生する前記受光素子の出力信号が得られるまでの時間を計測する手段と、前記計測された時間をもとに計測対象物体までの距離についての情報を得る手段とを備えることができる。
【００６１】
反射面の変位が周期的な振動であるとは、反射面の変位が周期的であり、投光部から出射された光束を有効計測領域内にある計測対象物体上に集光しうるような反射面の位置（前述の２５の領域と同じ）に反射面が存在するときには、反射面が単調増加または単調減少的に変位するものである。これにより、振動の往路中または復路中では、少なくとも有効計測領域内にある計測対象物体上に照射光を集光するときの反射面の変位量は時間に対して一意的に定めることができる。
【００６２】
この構成では、光路長の変化量を何らかのセンサ等で計測することは行わず、光路長の変化が時間的に周期的な変化をするもの、例えば正弦波状の振動等とみなして、光路長の変化量が既知である特定の点からの経過時間を計測することによって計測対象物体の変位を計測している。この光路長の変化量が既知である特定の点として前述の戻り光による受光素子出力信号２６を用いている。
【００６３】
この構成によれば、光路長の変化量を計測するセンサ等が不要となる。
【００６４】
この発明のさらに好ましい実施態様においては、その例である図２６、図２７の符号を参照して、第４の集光素子がコリメートレンズ（１１）と中間レンズ（５）とからなり、コリメートレンズ（１１）は投光部（１）と第２の光路制御素子（４ａ）との間に配置されて投光部（１）から出射された光束をほぼ平行とし、中間レンズ（５）は第２の光路制御素子（４ａ）と反射面（６）との間に配置されて前述のほぼ平行となった光束を反射面（６）付近に集光する。さらに、第５の集光素子が中間レンズ（５）と受光レンズ（１２）とからなり、受光レンズは受光部（９）と第２の光路制御素子（４ａ）との間に配置されて計測対象物体（８）からの反射光束を受光部（９）に集光するものである。『反射面付近に集光』は先に用いた意味と同様である。
【００６５】
この変位センサが使用される状況を考えると、計測対象物体の形状、大きさ、そしてそれらのばらつきの程度によって望ましい検出距離と変位計測範囲が異なる。様々な用途に対応するためには、異なる検出距離、異なる変位計測範囲をもつ別の機種が実際上必要となる。投光部から計測対象物体までの間および計測対象物体から受光部までの間をそれぞれ単一のレンズによって構成した場合、所望の検出距離と変位計測範囲を得るためには、レンズと光路長掃引機構の変更が必要となり、結局はセンサ全体を最初から設計して製造する必要がある。本態様によれば、中間レンズと対物レンズの焦点距離と位置を変更するだけで所望の検出距離、変位計測範囲を得ることができる。具体的には、対物レンズの作動距離によって検出距離が定まり、中間レンズと対物レンズの焦点距離および位置によって決まる合成されたレンズ系（以下合成レンズという）の倍率と、反射面の変位量とから変位計測領域の大きさが定まる。この構成によればレンズの交換が可能な構造となり、様々なアプリケーションに対応する機種を提供することができる。また、製造時における異種レンズの選択的採用が容易な構造とすることにより、検出距離や変位計測範囲の幅広い組合せの中から選択された組合せに適合させて、レンズ以外の部品を共通化した低コストな変位センサを製造することができる。
【００６６】
また、本検出原理においては計測対象物体上の最小スポットサイズを小さくするとより反射強度むらに強くなるため、レンズの収差を十分に抑えた光学系とすることが望ましい。中間レンズと対物レンズの間の光束が集束光束または発散光束である場合、レンズの変更によって光束は集束あるいは発散の状態が変化することとなるが、中間レンズと対物レンズの間には光路制御素子が存在するためそれによって生じる収差の量も変化する。
【００６７】
従って、計測対象物体上で小さなスポットサイズを得るためには、全体の光学系の中で用いたときに収差が最小となるよう特別に作った非球面レンズや組レンズを用いる必要があり、非常に高価なものとなる。本態様によれば、中間レンズと対物レンズの間の光束は（光学系の構成上コリメートレンズと中間レンズおよび中間レンズと受光レンズの間の光束も）ほぼ平行なので、無限光学系用の一般的な仕様のレンズを使用することができ、計測対象物体上で小さなスポットサイズを得る変位センサを低コストで実現できる。『ほぼ平行』としたのは、上記の効果が得られる程度の平行光束に近い状態を意味しており、厳密な平行光束に限るものではないからである。
【００６８】
さらに好ましい実施態様においては、その例である図２８（光学配置は図１と同じである）および図２９の符号を参照して、コリメートレンズと受光レンズは共通のレンズ（３）であり、第１の光路制御素子（２）と第２の光路制御素子（４ａ）の間に配置されている。コリメートレンズと受光レンズを兼用（共通化）することにより、部品点数を減らすことができ、低コスト化、小型化が可能である。さらに前述のものと同様、投光部と第１の光路制御素子との間の距離、遮光マスクと第１の光路制御素子との間の距離を短くすることなどにより温度変化に対して安定な検出を可能としている。
【００６９】
さらに好ましい実施態様においては、その一例である図３０の符号を参照して、投光部（１）は直線偏光を出射し、第２の光路制御素子はその直線偏光が入射面に対し垂直または平行となるように配置された偏光ビームスプリッタ（４ｂ）であり、偏光ビームスプリッタ（４ｂ）から出射した光束が前記中間レンズ（５）へ至る光路中、かつ、前記反射面で反射された後に中間レンズ（５）から出射した光束が偏光ビームスプリッタ（４ｂ）へ至る両方の光路中に配置された、投光部（１）が出射する光の波長に対する１／４波長板（２９）を具備する。
【００７０】
この構成によれば、投光部から出射された直線偏光は第２の光路制御素子によってそのほとんどが反射もしくは透過され、中間レンズ、１／４波長板を経て反射面で反射されされた後、再度、１／４波長板、中間レンズを経て偏光ビームスプリッタへ入射する。この際、１／４波長板を往復して透過することから直線偏光は90度回転しており、偏光ビームスプリッタでそのほとんどを最初に反射させる光学系として構成した場合は、今度はほとんどが透過し、逆に最初に透過させる光学系として構成した場合は反射することとなる。第2の光路制御素子にハーフミラーを利用した場合に比べ、計測対象物体へ照射する光束の光量を４倍程度に増やすことができる。従って、受光素子の出力信号も同様に増え、Ｓ／Ｎの向上により、さらに高精度な変位計測や応答時間の短い計測などが可能となる。
【００７１】
さらに好ましい実施態様においては、その一例である図３１の符号を参照して、反射面（６）に対して光束を反射面（６）に対して垂直な方向以外から出射する反射面用投光部（３０）と、反射面用投光部（３０）から出射されて反射面（６）で反射された光束を受光する位置検出素子（３３）が設けられ、位置検出素子（３３）の出力信号と、受光部（９）の出力信号をもとに計測対象物体（８）までの距離についての情報を取得するものとすることができる。
【００７２】
このような構成とすれば、位置検出素子の出力信号をもとに光路長の変化量に対応する反射面の位置を知ることができる。図３６に位置検出素子の出力信号から求まる位置検出素子出力演算結果の例を示している。これは図６における光路長の変化量に対応するものである。演算としては位置検出素子上に入射する光束の位置に対応して一意的に演算結果が決まるものであれば良く、位置検出素子の２つの出力をＡ、Ｂとした場合、Ａ／（Ａ＋Ｂ）や（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）などが一般的によく用いられる。簡単にＡやＢあるいはＡ−Ｂでも可能である。先に図６を用いて説明したとおり、反射面の位置は計測対象物体への照射光束の集光位置と１対１に対応し、あらかじめ計測対象物体の変位量へ換算する式を求めておくことで、受光部の出力信号が最大となったときに対応する位置検出素子の出力から計測対象物体の変位量を求めることができる。また、反射面の裏面を反射面の位置を知るための上記光学系の反射面として利用することもできるが、図６のように計測対象物体へ照射する光束などを反射する側の面そのものを利用する構成では、反射面用投光部と位置検出素子は反射面に対して計測対象物体の側に配置されることとなり、反射面の裏面側には、光路長掃引機構を形状等の制限無く自由に配置することができ、簡単な構造の掃引機構を採用することができる。
【００７３】
反射面用投光部から出射される光束は、位置検出素子の受光面上で微小なスポットサイズに集光するようにすれば位置検出素子の分解能が向上するので望ましい。またこの光束は、反射面が変位しても常に反射面内に収まるよう照射すれば位置検出素子上でスポットの重心位置が不規則に変化することを避けることができるので例外処理や補正が不要となり望ましい。
【００７４】
参照便宜のため、集光素子の名称相互の関係を再度示すと次の通りである。
【００７５】
第６の集光素子（１３）は、第１の集光素子（３，５，７／１４）と第２の集光素子（７，５，３／１５）の機能を兼ね備えたものである。ここでは「／」の前に図１の符号、後に図２の符号を示している。
【００７６】
第７の集光素子（１９）は、第４の集光素子（１７）と第５の集光素子（１８）の機能を兼ね備えたものである。
【００７７】
第８の集光素子（２０）は、第３の集光素子（１６）と第４の集光素子（１７）と第５の集光素子（１８）の機能を兼ね備えたものである。
【００７８】
第１の集光素子は、第３の集光素子と第４の集光素子とで構成することができる。
【００７９】
第２の集光素子は、第３の集光素子と第５の集光素子とで構成することができる。
【００８０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の変位センサの実施の形態について図面を参照しながらさらに詳細に説明する。
【００８１】
図３１は本変位センサの光学系の配置を表す図である。本センサの光学系は、投光部として赤色半導体レーザ３４、「第１の光路制御素子」としてキューブハーフミラー２、コリメートレンズと受光レンズを共通としたレンズ３、中間レンズ５、「第３の集光素子」として対物レンズ７、「第２の光路制御素子」として偏光ビームスプリッタ４ｂ、赤色半導体レーザ３４が出射する光の波長に対する１／４波長板２９、光路長掃引機構として片持ち梁３６と電磁石３８、受光部の遮光マスクとしてピンホール９０１ａ、受光部の受光素子としてフォトダイオード９０２ａ、バンドパスフィルタ９０３を備える。
【００８２】
ここで、レンズ３と中間レンズ５と対物レンズ７とは「第１の集光素子」であると同時に「第２の集光素子」である。投光部から出射された光束を計測対象物体８に集光する「第１の集光素子」にはコリメートレンズ（本実施例ではレンズ３）と中間レンズ５と対物レンズ７が該当し計測対象物体８からの反射光束受光部へ集光する「第２の集光素子」には対物レンズ７と中間レンズ５と受光レンズ（本実施例ではレンズ３）が該当するが本実施形態では、レンズ３によってコリメートレンズと受光レンズが共通化されているので上記の対応関係となる。
【００８３】
本変位センサは、さらに反射面の変位量測定用の投光部３０を構成する赤外半導体レーザ３５と集光素子３２、位置検出素子３３を備える。計測対象物体８も併せて示している。片持ち梁３６は図３２に示すように振動子３６０１と反射面としてのミラー３６０２からなっている。
【００８４】
赤色半導体レーザ３４とレンズ３によって規定される投光光軸と、ピンホール９０１ａの中心とレンズ３とで規定される受光光軸とは計測対象物体８側でキューブハーフミラー２によって計測対象物体８側で同軸となっている。ピンホール９０１ａと赤色半導体レーザ３４の発光点とはキューブハーフミラー２の作用に関して互いに鏡像となる位置関係に配置されている。
【００８５】
赤色半導体レーザ３４からは直線偏光の光束が出射され、キューブハーフミラー２を透過し、レンズ３によって平行な光束にされる。この直線偏光の平行光束の大部分が反射されるような向きで第２の光路制御素子である偏光ビームスプリッタ４ｂが配置されている。偏光ビームスプリッタ４ｂで反射された平行光束は１／４波長板２９、中間レンズ５を経てミラー３６０２付近に集光されるとともにミラー３６０２によって反射面に対してほぼ垂直に反射される。ただし、反射面であるミラー３６０２が３７を支点とする片持ち梁の振動として変位するので、垂直から多少の角度変化が生じる。ミラー３６０２で反射された光束は再度中間レンズ５、１／４波長板２９と経て偏光ビームスプリッタ４ｂに入射する。この光束は赤色１／４波長板を透過する前のミラー３６０２に向かう光束の偏光方向に対して９０度の直線偏光をもち、平行もしくはほぼ平行な光束となっている。この光束が対物レンズ７によって計測対象物体８に照射される。計測対象物体８からの反射光束は対物レンズ７で受光され以後、計測対象物体８への照射経路とは逆の経路をたどる。計測対象物体８が鏡面物体の場合は反射光束の偏光方向は維持されるため、照射したときと同様に１／４波長板の往復透過によって９０度偏光が回転し、赤色半導体レーザ３４が出射した光の偏光方向と同じ偏光方向でキューブハーフミラー２に入射する。一方、計測対象物体８が拡散反射物体の場合は反射光束の偏光方向は様々な方向を含むことになるが、計測対象物体へ照射したときと同じ偏光方向の成分のみがキューブハーフミラー２まで到達することになる。計測対象物体８からの反射光束のうち、キューブハーフミラー２で反射した光がピンホール９０１ａ付近で集光し、ピンホール９０１ａを透過した光束がフォトダイオード９０２ａによって受光される。ピンホール９０１ａの前には赤色半導体レーザ３４の波長のみを透過するバンドパスフィルタが挿入され、計測対象物体８からの反射光束以外の迷光を除去している。
【００８６】
半導体レーザが赤色であると計測対象物体８上でスポットが目で見ることができるのでセンサを使用する上で非常に便利である。色は赤色に限らず可視光であれば便利である。赤外光等の非可視光を使用することもできる。
【００８７】
キューブハーフミラー２、偏光ビームスプリッタ４ｂともにプレート形状ではなくキューブ形状のものを使用したのはプレート形状では透過光に非点隔差が発生し、計測対象物体上およびピンホールを設けたマスク上で最小スポットサイズが広がってしまうからである。プレート形状のハーフミラー、偏光ビームスプリッタを使用し、これらとは異なった方向に傾けた板状の透過性の媒質（例えば透明板ガラス）を光路中に挿入してこの非点隔差を補正することも可能である。また、キューブハーフミラー２および偏光ビームスプリッタ４ｂの向きは、それぞれの入射光束と反射光束が図３１では同一平面内となるようにしているが、これに限るものではない。
【００８８】
また、偏光を利用することから、光束を透過させる光学部品にはガラスのように複屈折をほとんどもたない媒質を使用することが好ましい。
【００８９】
赤外半導体レーザ３５から出射された光束は集光素子３２によって位置検出素子３３の受光面上に集光される。途中、この出射された光束がミラー３６０２の変位によっても常に全ての光束が反射し、かつ、位置検出素子３３に入射するよう光束の幅とミラー３６０２への入射角度およびミラー３６０２の大きさとの関係を定めている。ミラー３６０２は小さいほうが振動させる際の周波数を高くすることができるので望ましい。位置検出素子の受光面上のスポットサイズは位置検出素子の出力の分解能に影響するため小さいほど望ましい。本構成では分解能を優先するため位置検出素子上で光束を集光させているが、掃引周波数の高さを優先するのであればミラー３６０２上で光束を集光させてもよい。赤外半導体レーザ３５を用いたのは、光学部品で散乱された光などの迷光がフォトダイオード９０２ａに入射し、赤色半導体レーザ３４の光による計測対象物体８からの微弱な反射光のＳ／Ｎ比を低下させることを防止するためである。従って赤外半導体レーザ３５の波長は赤外には限らずバンドパスフィルタ９０３が透過しない波長であれば同様の効果が得られる。
【００９０】
次に、図３３は本センサのセンサヘッドの内部構成を示す図を、図３４はセンサヘッドに接続されるコントローラ部の内部構成を示す図を表している。図３５はセンサヘッドとコントローラからなる本変位センサの全体を表した図である。
【００９１】
センサヘッド３９は、上述の図３１で説明した光学系に加え、赤色半導体レーザ３４用のＡＰＣ回路４１、赤外半導体レーザ３５用のＡＰＣ回路４２、フォトダイオード９０２ａ用のＩ／Ｖ回路４３、位置検出素子ようのＩ／Ｖ回路４４ならびに振動子駆動回路４５を備えている。
【００９２】
ＡＰＣ回路４１、４２は駆動する半導体レーザの出力を一定に保って駆動するための回路であり、特にＡＰＣ回路４１はコントローラからの投光パワ制御信号に応じて半導体レーザ３５の出力の大きさを制御する機能も有する。Ｉ／Ｖ回路４３はフォトダイオード９０２ａの出力電流を電圧に変換して受光素子出力信号をコントローラへ出力するための回路、Ｉ／Ｖ回路４４は位置検出素子３３の２つの出力電流をそれぞれ電圧に変換して位置検出素子出力信号Ａ、Ｂをコントローラへ出力するための回路である。振動子駆動回路４５は電磁石３８を駆動する電流をコントローラからの振動子駆動パルスに応じて供給するするための回路である。光路長掃引機構は、振動子３６０１にミラー３６０２を付けた片持ち梁３６を電磁石３８により駆動する構造としているので振動子３６０１には磁性体を用いている。図３２では振動子３６０１にミラー３６０２を接着しているが振動子の表面を研磨して鏡面としても良いし、研磨面に蒸着を行って鏡面を形成しても良い。
【００９３】
コントローラ４０はアンプ４６、４７、Ａ／Ｄ変換回路４８、４９、５０、ピーク検出回路５１、ＡＧＣ（自動利得制御）回路５２、投光パワ制御回路５３、ＣＰＵ５４、発振回路５５、振動子駆動パルス生成回路５６、メモリ５７、外部Ｉ／Ｏインターフェース５８、変位量表示部駆動回路５９、表示部６０を有する。
【００９４】
センサヘッドからの位置検出素子出力信号Ａ、Ｂはそれぞれアンプ４６、４７によって増幅され、Ａ／Ｄ変換回路４８、４９によってデジタル信号に変化されＣＰＵに入力される。センサヘッドからの受光素子出力信号はまずピーク検出回路５１によって受光量が計測される。その大きさに応じて投光パワ制御回路５３が赤色半導体レーザ３４の発光パワを最適とする投光パワ制御信号をセンサヘッド３９のＡＰＣ回路４１に送り、フィードバック制御が行なわれる。次に受光素子出力信号はＡＧＣ回路を経て増幅あるいは減衰され、Ａ／Ｄ変換回路によってデジタル信号に変換されＣＰＵ５４に入力される。
【００９５】
発振回路５５はＣＰＵ５４と振動子駆動パルス生成回路５６の基準クロックとして用いられている。振動子駆動パルス生成回路５６は振動子駆動回路４５に振動子駆動パルスを与える。振動子駆動パルスによって、振動子３６０１を駆動するために電磁石３８に流す電流のパルス幅、周期が決定される。メモリ５７は得られた計測値や変位量への換算式を記憶したりＣＰＵ５４の変位量計算過程で必要なデータの記憶を行う。得られた変位量は外部Ｉ／Ｏインターフェースを通じて出力される。このコントローラ４０は表示部６０を有しており、変位量表示部駆動回路５９を通じて表示部６０に変位量が表示される。ＣＰＵ５４は受光素子出力信号をＡ／Ｄ変換回路５０を通じて検出し、受光素子出力信号が生じたタイミングで位置検出素子出力信号ＡとＢ（Ａ／Ｄ変換回路４８、４９によってデジタル信号に変換されたもの）を取得し、光路長の変化量と相関を持つ位置検出素子出力演算結果Ｙ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）が得られるよう演算を行う。この位置検出素子出力演算結果Ｙに対応する計測対象物体の変位量をメモリ５７の内容を参照して求める。また、求めた計測対象物体の変位量を外部Ｉ／Ｏインターフェース５８と変位量表示部駆動回路５９へと出力する。
【００９６】
図３６は本実施形態によって得られる受光素子の出力信号等を示した図である。ミラー３６０２の変位に伴って位置検出素子出力信号Ａ、Ｂが正弦波状に変化し、計測対象物体８上で照射光束が集光する時に対応して受光素子出力信号がパルス状に得られる。本実施形態では光軸方向に沿ってミラー３６０２の変位する領域が、赤色半導体レーザ３４から出射された光束が中間レンズ５によって集光される位置を含まないようにした場合を示しており、ミラー３６０２からの戻り光は受光素子の出力信号に入らない。受光素子出力信号のパルスのピークとなる時点の位置検出素子出力信号Ａ、Ｂから得られる位置検出素子出力演算結果Ｙ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）をＹ１、Ｙ２、Ｙ３、Ｙ４として示している。一方、位置検出素子出力演算結果Ｙから計測対象物体８の変位量への換算式があらかじめメモリ５７に記憶されており、対応する変位量が計算されることになる。
【００９７】
例えば計測対象物体８の変位量ΔＸはレンズの結像の関係をもとに次のような換算式により計算される。
【００９８】
ΔＸ＝Ｌ２−Ｌ０
Ｌ２＝１／｛１／Ｆ−１／Ｌ１｝
Ｌ１＝Ｄ＋Ｈ・Ａ／（Ａ＋Ｂ）
ここで、Ｆは中間レンズ５と対物レンズ７の合成レンズ（以下、合成レンズ）の焦点距離、Ｌ０は計測対象物体の基準位置と合成レンズの計測対象物体側主点との距離、Ｌ１は半導体レーザ３４から出射された光束がミラー３６０２付近で集光する点と合成レンズのミラー３６０２側主点との光学的な距離、Ｌ２は計測対象物体８（合成レンズによるミラー３６０２の像と一致）と合成レンズの計測対象物体側主点との距離、ＤおよびＨは定数である。定数Ｄ、Ｈは実際に計測対象物体を既知量変位させることで求めることが可能である。
【００９９】
また、この方法によらず、実際に計測対象物体を既知量変位させ、それに対応した位置検出素子出力演算結果Ｙの一覧をデータとして保持し、補間処理を加えるなどして変位量を算出しても良いし、位置検出素子出力演算結果Ｙの一覧データから適当な近似式によって換算式を導出し、その式によって変位量を算出しても良い。
【０１００】
図３７は上述の処理をフローチャートにしたものである。ＳＴ１からＳＴ５の処理がＣＰＵにより実行される。計測開始後、ＳＴ１ではＡ／Ｄ変換回路５０より得られる受光素子出力信号のピークを検出する。ＳＴ２ではＳＴ１で検出した受光素子出力信号のピークのタイミングにあたる位置検出素子出力信号Ａ、ＢをＡ／Ｄ変換回路４８、４９を通じて取得する。ＳＴ３ではＳＴ２で得られた位置検出素子出力信号Ａ、Ｂを演算し、位置検出素子出力演算結果Ｙ＝Ａ／（Ａ＋Ｂ）を得る。ＳＴ４では得られた演算結果Ｙとメモリ５７にあらかじめ格納されている換算式をもとに計測対象物体の変位量に換算を行う。換算が終わると再度ＳＴ１に戻るとともに並列してＳＴ５の処理を行う。ＳＴ５の平均化処理とは変位量の測定精度を向上させるための処理であり、設定により回数を定めることができる。設定した回数平均化処理を行ったのち計測対象物体の変位量の出力を行う。
【０１０１】
他の実施態様として、ミラー３６０２が光軸方向に沿って変位する領域が、赤色半導体レーザ３４から出射された光束が中間レンズ５によって集光される位置を含み、計測対象物体８が有効計測領域にあるときに、計測対象物体８からの反射光束が中間レンズ５によって集光しうる領域が、赤色半導体レーザ３４から出射された光束が中間レンズ５によって集光される位置を含まないようにした場合を以下に示す。この実施態様では、ミラー３６０２の変位量を投光部３０や位置検出素子３２を用いて測定することは行わず、光路長の変化が時間的に周期的な変化をする正弦波状の振動とみなして、戻り光が生じる時点からの経過時間を計測することによってそのときの光路長の変化を求める。すなわち、光学系の配置は図３８に示すとおりであり、これは図３１の構成から反射面の変位量測定用の投光部３０（赤外半導体レーザ３５と反射面の変位量測定用の集光素子３２）および位置検出素子３３を省いたものである。センサヘッドの内部構成としては図３９、コントローラの内部構成は図４０のとおりであり、位置検出素子の出力信号を処理するアンプとＡ／Ｄ変換回路は省かれている。
【０１０２】
この実施態様による受光素子の出力信号を関連する波形とともに図４１に示す。計測対象物体８上で照射光束が集光する時に対応してパルス状の受光素子出力信号２７が得られ、赤色半導体レーザ３４から出射された光束が中間レンズ５によってミラー３６０２上で集光される時に対応して戻り光がパルス状の受光素子出力信号２６として得られる。正弦波状の光路長の変化量（ミラー３６０２が正弦波状に振動すると光路長の変化も正弦波状となる）も参考のために示している。Ｘ１は計測対象物体８上で照射光束が集光するときの光路長の変化量、Ｘ２は赤色半導体レーザ３４から出射された光束が中間レンズ５によってミラー３６０２上に集光されるとき（戻り光が生じるとき）の光路長の変化量、Ｘ３は有効計測領域内で最も対物レンズ７から遠い位置に照射光束が集光するときの光路長の変化量、Ｘ４は有効計測領域内で最も対物レンズ７から近い位置に照射光束が集光するときの光路長の変化量を示している。
【０１０３】
図４１の受光素子出力信号からわかるようにミラー３６０２が正弦波状に振動すると往路中と復路中でそれぞれ戻り光と計測対象物体による出力信号が得られる。戻り光による出力信号を基準とする場合、往路中か復路中の一方の戻り光による出力信号のみを選択して基準とする必要があるのでその方法の一例を以下に示す。図４１にはミラー３６０２を正弦波状に振動させるための振動子駆動パルスの例も示しているが、この振動子駆動パルスを参照するだけでは必ずしも戻り光２６の一方を選択することはできない。そこで、図のように戻り光が生じるＸ２に近い方において振動子の反転するタイミングが振動子駆動パルスの立下りエッジのタイミングにやや遅れているとすると、この振動子駆動パルスの立下りエッジをトリガとしてワンショットパルスを発生させ、このワンショットパルスを反転させて計測対象物体上での集光による出力信号２７を間に挟まない往路と復路の２つの戻り光２６の間で立ち上がる信号を作り出しリセット信号としている。このリセット信号により受光素子出力信号の取得を開始すれば必ず最初のパルスが戻り光２６で基準パルスとなり、その次の２つのパルスが計測対象物体からの出力信号２７となる。そこで、それぞれの基準パルスからの経過時間ｔ１とｔ２を計測し，光路長の変化が時間的に周期的な変化をする正弦波状であることを用いてｔ１、ｔ２に対応した光路長の変化量を求めることができる。これにより、計測対象物体８の変位量ΔＸ（ｔ）は例えば次のような換算式により計算される。
【０１０４】
ΔＸ（ｔ１）＝Ｌ２（ｔ１）−Ｌ０
ΔＸ（ｔ２）＝Ｌ２（ｔ２）−Ｌ０
Ｌ２（ｔ２）＝１／｛１／Ｆ−１／Ｌ１（ｔ２）｝
Ｌ２（ｔ１）＝１／｛１／Ｆ−１／Ｌ１（ｔ１）｝
Ｌ１（ｔ１）＝Ｄ＋Ｋｃｏｓ（ωｔ１＋φ０）
Ｌ１（ｔ２）＝Ｄ＋Ｋｃｏｓ（ωｔ２＋φ０）
ここでＦは合成レンズの焦点距離、Ｌ０は計測対象物体の基準位置と合成レンズの計測対象物体側主点との距離、Ｌ１半導体レーザ３４から出射された光束がミラー３６０２付近で集光する点と合成レンズのミラー３６０２側主点との光学的な距離、Ｌ２は計測対象物体８（合成レンズによるミラー３６０２の像と一致）と合成レンズの計測対象物体側主点との距離、Ｄ、Ｋ、ωおよびφ0は定数である。ωは振動子駆動パルスの周期から求め、φ０はｃｏｓ（ωｔ１＋φ０）＝ｃｏｓ（ωｔ２＋φ０）となることから求め、定数Ｄ、Ｋは実際に計測対象物体を既知量変位させることで求めることが可能である。
【０１０５】
Ｌ１から計測対象物体８の変位量ΔＸへの換算は、前述の方法と同様に、この方法に限らず、実際に計測対象物体を既知量変位させ、それに対応した位置検出素子出力演算結果Ｙの一覧をデータとして保持し、補間処理を加えるなどして変位量を算出しても良いし、位置検出素子出力演算結果Ｙの一覧データから適当な近似式によって換算式を導出し、その式によって変位量を算出しても良い。
【０１０６】
本実施形態での変位量計測のフローチャートを図４２に示す。ＳＴ１からＳＴ１０の処理がＣＰＵにより実行される。計測開始後、ＳＴ１ではまずリセット信号が入力されるのを待つ。ＳＴ２ではリセット信号が入力されてからＡ／Ｄ変換回路５０より得られる受光素子出力信号の１つめのピークを検出する。ＳＴ３ではこのピークの検出とともに時間の計測を開始する。ＳＴ４では２つめの受光素子出力信号の２つめのピークを検出し、ＳＴ５では、ＳＴ３で検出した受光素子出力信号の最初のピークから２つめのピークが得られるまでの経過時間ｔ１をメモリ５７に記憶させる。ＳＴ６ではさらに受光素子出力信号の３つめのピークを検出し、ＳＴ７では、ＳＴ３で検出した受光素子出力信号の最初のピークから３つめのピークが得られるまでの経過時間ｔ２をメモリ５７に記憶させる。ＳＴ８では、受光素子出力信号の３つめのピークが得られた後、メモリ５７からｔ１、ｔ２および計測対象物体の変位量へ換算するための換算式を読み出し、ｔ１とｔ２それぞれに対応する計測対象物体の変位量に換算を行う。ＳＴ９では換算された２つの計測対象物体の変位量を平均している。ＳＴ１０での平均化処理は図３７の場合と同様、変位量の測定精度を向上させるための処理であり、設定等により任意に回数を定めればよい。
【０１０７】
より具体的なセンサヘッドの構造の斜視図を図４３に示す。ここではセンサヘッド側に搭載される回路４１から４５の基板を図中の６２で示している。この図に対応した正面図を図４４に、側面図を図４５に示す。ただし、光学系の構成が良く分かるように図４４では一部の部材や基板等を省略し、図４５では光学系のみを図示している。光学系の構成は図３１に示した実施形態と同等のものであり、符号も図３１と同じである。ただし、キューブハーフミラー２とレンズ３との間にミラー６１を光学系小型化のために挿入している。
【０１０８】
光学系の構成が異なる他の実施形態として、これまでに示したものの他にも図４６に示すように、反射面（６）上で投光部（１）から出射された光束を集光し、第２の光路制御素子（２）を投光部（１）と第１の集光素子（１４）との間に配置したものも可能である。この構成では第１の集光素子（１４）が投光部（１）から出射された光束を反射面（６）上に集光するとともに、反射面（６）によって反射された光束を計測対象物体（８）へ集光している。また、同様な構成として図４７に示すような、反射面（６）上で投光部（１）から出射された光束を集光し、第２の光路制御素子（２）を受光部（９）と第２の集光素子（１５）との間に配置したものも可能である。この構成では第２の集光素子（１５）が反射面（６）で反射された光束を計測対象物体（８）上に集光するとともに、反射面（６）によって反射された計測対象物体（８）からの反射光束を受光部（９）へ集光している。
【０１０９】
【発明の効果】
この発明によれば、計測対象物体上で照射光束が微小なスポットとなったときの光路長に基づいて計測を行うことから、計測対象物体の反射強度むらに影響されない変位計測が可能である。また、集光機能は動くことのない集光素子によって行い、それとは別にそれ自体は集光機能を持たずに光路長を変化させる機能を有する光路長掃引機構を設けたので、この光路長掃引機構を小型かつ軽量で実現が可能となる。従って、掃引周波数を高くすることができ、計測時間の短い、高精度な計測が可能な変位センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図２】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図３】図１の実施形態の光学系構成において、光路長掃引機構が光路長を短くする状態での照射光束を示した図である。
【図４】図１の実施形態の光学系構成において、計測対象物体が鏡面物体である場合の光路長掃引機構が光路長を短くする状態での反射光束を示した図である。
【図５】図１の実施形態の光学系構成において、計測対象物体が拡散反射物体である場合の光路長掃引機構が光路長を短くする状態での反射光束を示した図である。
【図６】光路光掃引機構の作動に伴う光路長の変化と受光部の出力信号の時間的な変化を示した図である。
【図７】遮光マスクにナイフエッジ、受光素子に２分割フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成を示した図である。
【図８】遮光マスクにナイフエッジ、受光素子に２分割フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成において、光路長掃引機構が光路長を短くする状態での反射光束を示した図である。
【図９】遮光マスクにナイフエッジ、受光素子に２分割フォトダイオードを用いた実施形態の光学系構成において、光路長掃引機構が光路長を長くする状態での反射光束を示した図
【図１０】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図１１】図１０の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図１２】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図１３】図１２の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図１４】図１２の実施形態において第６の集光素子を用いた光学系構成を示した図である。
【図１５】図１２の実施形態において第６の集光素子を用いた他の光学系構成を示した図である。
【図１６】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図１７】図１６の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図１８】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図１９】図１８の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図２０】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図２１】図２０の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図２２】本発明の他の実施形態における光学系構成と投光部から出射された光束との関係を示した図である。
【図２３】図２２の実施形態における他の光学系構成と投光部から出射された光束との関係を示した図である。
【図２４】本発明の他の実施形態における光学系構成と光束との関係を示した図である。
【図２５】図２４の実施形態における受光素子の出力信号を示した図である。
【図２６】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図２７】図２６の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図２８】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図２９】図２８の実施形態の他の光学系構成を示した図である。
【図３０】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図３１】本発明の他の実施形態の光学系構成を示した図である。
【図３２】光路長掃引機構の片持ち梁の構成例を示した図である。
【図３３】本発明の実施形態によるセンサヘッドの内部構成を示す図である。
【図３４】本発明の実施形態によるセンサヘッドに接続されるコントローラ部の内部構成を示す図である。
【図３５】本発明による変位センサの全体を示す図である。
【図３６】本発明の第１３実施形態の受光素子、位置検出素子の出力信号と位置検出素子出力の演算結果を示した図である。
【図３７】本発明の実施形態による変位量計測の流れを示すフローチャートである。
【図３８】本発明の他の実施形態の光学系の構成を示す図である。
【図３９】本発明の他の実施形態によるセンサヘッドの内部構成を示す図である。
【図４０】本発明の他の実施形態によるセンサヘッドに接続されるコントローラ部の内部構成を示す図である。
【図４１】本発明の他の実施形態の受光素子の出力信号と関連する波形を示した図である。
【図４２】本発明の他の実施形態による変位量計測の流れを示すフローチャートである。
【図４３】本発明の実施形態によるセンサヘッドの斜視図図である。
【図４４】本発明の実施形態によるセンサヘッドの正面図である。
【図４５】本発明の実施形態によるセンサヘッドにおける光学系の側面図である。
【図４６】本発明の他の光学系構成による実施形態を示した図である。
【図４７】本発明の他の光学系構成による実施形態を示した図である。
【図４８】従来の三角測量法による変位計測の光学系を示す図である。
【符号の説明】
１                  投光部
２                  キューブハーフミラー
３                  コリメートレンズと受光レンズを兼用（共通化）したレンズ
４ａ                キューブハーフミラー
４ｂ                偏光ビームスプリッタ
５                  中間レンズ
６                  反射面
６ａ                光路長掃引機構が中立的な状態のときの反射面
６ｂ                光路長掃引機構が光路長を短くする状態のときの反射面
６ｃ                光路長掃引機構が光路長を長くする状態のときの反射面
６ｄ                光路長掃引機構が光路長を最短にする状態のときの反射面
６ｅ                光路長掃引機構が光路長を最長にする状態のときの反射面
７                  対物レンズ
８                  計測対象物体
８ｂ                有効計測領域内で最も遠い位置にある場合の計測対象物体
８ｃ                有効計測領域内で最も近い位置にある場合の計測対象物体
９                  受光部
９０１ａ            ピンホール
９０１ｂ            ナイフエッジ
９０２ａ            フォトダイオード
９０２ｂ            ２分割フォトダイオード
９０３              バンドパスフィルタ
１１                コリメートレンズ
１２                受光レンズ
１３                第６の集光レンズ
１４                第１の集光レンズ
１５                第２の集光レンズ
１６                第３の集光レンズ
１７                第４の集光レンズ
１８                第５の集光レンズ
１９                第７の集光レンズ
２０                第８集光レンズ
２１                反射面が光軸方向に沿って変位する領域
２２                投光部から出射された光束がコリメートレンズと中間レンズにより集光される点
２３                有効計測領域
２４ｂ              有効計測領域内で最も遠い位置にある計測対象物体からの反射光束がコリメートレンズと中間レンズによって集光される点
２４ｃ              有効計測領域内で最も近い位置にある計測対象物体からの反射光束がコリメートレンズと中間レンズによって集光される点
２５                計測対象物体が有効計測領域内にあるときにその反射光束が対物レンズと中間レンズによって集光されうる領域
２６                戻り光による受光素子出力信号
２７                有効検出領域内にある計測対象物体からの受光素子出力信号
２８                有効計測領域内にある計測対象物体からの反射光束を受光し得る領域
２９                １／４波長板
３０                反射面の変位量測定用の投光部
３１                反射面の変位量測定用のレーザ
３２                反射面の変位量測定用の集光素子
３３                位置検出素子
３４                赤色半導体レーザ
３５                赤外半導体レーザ
３６                片持ち梁
３６０１            振動子
３６０２            ミラー
３７                片持ち梁の支点
３８                電磁石
３９                センサヘッド
４０                コントローラ
４１，４２          ＡＰＣ回路
４３，４４          Ｉ／Ｖ回路
４５                振動子駆動回路
４６，４７          アンプ
４８，４９，５０    Ａ／Ｄ変換回路
５１                ピーク検出回路
５２                ＡＧＣ回路
５３                投光パワ制御回路
５４                ＣＰＵ
５５                発振回路
５６                振動子駆動パルス生成回路
５７                メモリ
５８                外部Ｉ／Ｏインターフェース
５９                変位量表示部駆動回路
６０                表示部
６１                ミラー
６２                センサヘッド側に搭載される回路４１から４５の基板
１００１            レーザ
１００２，１００３  レンズ
１００４            位置検出素子
１００５            計測対象物体
１００６            回折限界スポットサイズが得られる点
【図１】
0003809803.tif 000002
【図２】
0003809803.tif 000003
【図３】
0003809803.tif 000004
【図４】
0003809803.tif 000005
【図５】
0003809803.tif 000006
【図６】
0003809803.tif 000007
【図７】
0003809803.tif 000008
【図８】
0003809803.tif 000009
【図９】
0003809803.tif 000010
【図１０】
0003809803.tif 000011
【図１１】
0003809803.tif 000012
【図１２】
0003809803.tif 000013
【図１３】
0003809803.tif 000014
【図１４】
0003809803.tif 000015
【図１５】
0003809803.tif 000016
【図１６】
0003809803.tif 000017
【図１７】
0003809803.tif 000018
【図１８】
0003809803.tif 000019
【図１９】
0003809803.tif 000020
【図２０】
0003809803.tif 000021
【図２１】
0003809803.tif 000022
【図２２】
0003809803.tif 000023
【図２３】
0003809803.tif 000024
【図２４】
0003809803.tif 000025
【図２５】
0003809803.tif 000026
【図２６】
0003809803.tif 000027
【図２７】
0003809803.tif 000028
【図２８】
0003809803.tif 000029
【図２９】
0003809803.tif 000030
【図３０】
0003809803.tif 000031
【図３１】
0003809803.tif 000032
【図３２】
0003809803.tif 000033
【図３３】
0003809803.tif 000034
【図３４】
0003809803.tif 000035
【図３５】
0003809803.tif 000036
【図３６】
0003809803.tif 000037
【図３７】
0003809803.tif 000038
【図３８】
0003809803.tif 000039
【図３９】
0003809803.tif 000040
【図４０】
0003809803.tif 000041
【図４１】
0003809803.tif 000042
【図４２】
0003809803.tif 000043
【図４３】
0003809803.tif 000044
【図４４】
0003809803.tif 000045
【図４５】
0003809803.tif 000046
【図４６】
0003809803.tif 000047
【図４７】
0003809803.tif 000048
【図４８】
0003809803.tif 000049