JP2010216922A

JP2010216922A - 光学式変位計及び光学式変位測定方法

Info

Publication number: JP2010216922A
Application number: JP2009062624A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Haraguchi; 康史原口
Original assignee: SIGMAKOKI Co Ltd
Current assignee: SIGMAKOKI Co Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】高い精度で被測定物の変位を測定することが可能な光学式変位計及び光学式変位測定方法を提供すること。
【解決手段】被測定物４０からの反射光の位置変化を検出して被測定物４０の変位ｄを測定する光学式変位計において、光源１２から出射した光を第１のレンズ１４を介して平行光に近い収束光として円アパーチャ１６に照射させ、円アパーチャ１６から出射した発散光を第２のレンズ１８を介して平行光に近い発散光として被測定物４０に投射させるように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定物からの反射光の位置変化を検出して被測定物の変位を測定する光学式変位計及び光学式変位測定方法に関する。

従来から、光三角法を用いる光学式変位計が知られており（例えば、特許文献１）、レーザダイオードが普及するにつれて広く使用されている。

図５に、従来の光学式変位計の構成を示す。光源２から放射された光を投光レンズ３によって被測定物４に投射し、位置Ｓ００にスポットとして結像する。このスポット像を受光レンズ５によって位置検出素子６上の位置Ｓ０１にスポットとして形成する。被測定物４が距離ｄだけ変位すると、そのスポット像は、被測定物４上でＳ００からＳ１０に移動し、位置検出素子６上ではＳ０１から距離δだけ離れた位置Ｓ１１に移動する。被測定物４の変位ｄは、位置検出素子６上でのスポットの移動距離δの関数となるので、位置検出素子６上での移動距離δを検出することにより被測定物４の変位ｄを求めることができる。ここで、位置検出素子６としては、ＰＳＤ（Position Sensing Device）、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ、分割型ＰＤ（Photo Diode）などの素子を使用することができる。位置検出素子６上でのスポット像の位置は、例えばＰＳＤの場合は、図６（Ａ）に示すように、スポット像の光量の重心で決まり、イメージセンサの場合は、図６（Ｂ）に示すように、スポット像の形状の重心で決まる。

特開２００１−２８０９５２号公報

従来の光学式変位計では、図５に示す被測定物３の変位ｄと位置検出素子５上での移動距離δが常に一定の関数関係になっていることが必要である。しかしながら、実際の被測定物は、その表面状態、形状、光学特性が種々様々であり、例えば、被測定物４の表面が鏡面状態の物と散乱面状態の物では反射条件が異なり、位置検出素子６上に形成されるスポット像が異なってくる。そのため、位置検出素子６上でのスポット像の移動距離δが変動し、被測定物３の変位ｄとの関数関係が変動することにより測定に誤差が生じてしまう。このように、従来の光学式変位計では、被測定物の表面状態や形状などによって測定精度に大きな影響を与えるといった問題点があった。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、
高い精度で被測定物の変位を測定することが可能な光学式変位計及び光学式変位測定方法を提供することにある。

（１）本発明は、被測定物からの反射光の位置変化を検出して被測定物の変位を測定する光学式変位計において、
被測定物に投射する光のビームパターンを、円アパーチャによる回折パターンとしたことを特徴とする。

本発明によれば、被測定物からの反射光の位置変化を精度良く検出することができ、高い精度で被測定物の変位を測定することができる。

（２）また本発明において、
前記回折パターンが球面収差により崩れているがリング構造は保っているビームパターンを被測定物に投射するようにしてもよい。

（３）また本発明において、
光源から出射した光を第１のレンズを介して平行光に近い収束光として円アパーチャに照射し、円アパーチャから出射した光を第２のレンズを介して平行光に近い発散光として被測定物に投射するようにしてもよい。

本発明によれば、被測定物に投射する回折パターンの中心光束の径を小さくすることができ、高い精度で被測定物の変位を測定することができる。

（４）また本発明において、
被測定物からの反射光を二次元イメージセンサに入射させて得られた輝度分布から、前記回折パターンの中心パターンの輝度分布を求め、求めた輝度分布に対して二次元ガウス関数をフィッティングすることにより前記回折パターンの中心位置を求めるようにしてもよい。

（５）また本発明において、
被測定物からの反射光を二次元イメージセンサに入射させて得られた前記回折パターンの輝度分布と予め記憶された基準パターンの輝度分布との相関値を、前記基準パターンの前記回折パターンに対する位置を変化させながら求め、求めた複数の相関値に対して二次元ガウス関数をフィッティングすることにより前記回折パターンの中心位置を求めるようにしてもよい。

本発明によれば、被測定物の表面状態による影響を受けずに被測定物からの反射光の位置変化を精度良く検出することができ、高い精度で被測定物の変位を測定することができる。

（６）また本発明は、被測定物からの反射光の位置変化を検出して被測定物の変位を測定する光学式変位測定方法において、
被測定物に投射する光のビームパターンを、円アパーチャによる回折パターンとしたことを特徴とする。

本実施形態の光学式変位計の構成の一例を示す図。回折パターンについて説明するための図。二次元ガウス分布について説明するための図。相関値分布の算出について説明するための図。従来の光学式変位計の構成の一例を示す図。従来の光学式変位計における測定手法について説明するための図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１．構成
図１は、本実施形態の光学式変位計の構成の一例を示す図である。

本実施形態の光学式変位計１は、投光部１０、受光部２０、処理部３０を含む。投光部１０は、レーザダイオード（半導体レーザ）からなる光源１２、第１のレンズ１４、円形開口を有する円アパーチャ１６、第２のレンズ１８を含む。受光部２０は、受光レンズ２２、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなどの二次元イメージセンサ２４を含む。投光部１０を構成する各光学素子は、入射光軸ＡＸ１上に配置され、受光部２０を構成する各光学素子は、出射光軸ＡＸ２上に配置される。

光源１２から放射された光は、第１のレンズ１４を介して平行光に近い収束光（弱い収束光）となる。これは、第１のレンズ１４をコリメートレンズとし、その焦点位置が点Ｐ１に示す位置（光源１２と第１のレンズ１４間の、光源１２寄りの位置）となるように配置することで実現することができる。

第１のレンズ１４によって弱い収束光状態に整えられた光束は、円アパーチャ１６により光束を細く整えられ出射される。円アパーチャ１６から出射した光束は回折パターンを有し発散光状態となっており、この光束は、第２のレンズ１８を介して平行光に近い発散光となる。これは、第２のレンズ１８をコリメートレンズとし、その焦点位置が点Ｐ２に示す位置（第１のレンズ１４と円アパーチャ１６間の、円アパーチャ１６寄りの位置）となるように配置することで実現することができる。

第２のレンズ１８によって弱い発散光状態に整えられた光束は、被測定物４０上の位置Ｐ００にスポットとして投射される。この被測定物４０からの正反射光は、受光レンズ２２によって二次元イメージセンサ２４上の位置Ｐ０１にスポットとして投射結像される。

被測定物４０が、距離ｄだけ変位した場合には、被測定物４０上のスポットは、位置Ｐ００から位置Ｐ１０に移動し、位置Ｐ１０から正反射した光束は、受光レンズ２２によって二次元イメージセンサ２４上の位置Ｐ１１にスポットして投射結像される。

二次元イメージセンサ２４上の位置Ｐ０１と位置Ｐ１１間のスポット像の移動距離δは、被測定物４０の変位ｄの関数になっているから、移動距離δを正確に求めることにより被測定物４０の変位ｄを正確に求めることができる。また、移動距離δの測定精度は、二次元イメージセンサ２４上でのスポット像の中心位置の検出精度に依存するので、スポット像の中心位置の検出精度が高いほど、変位ｄの測定精度は向上する。

図２（Ａ）に、本実施形態の光学式変位計１において、被測定物４０及び二次元イメージセンサ２４上に投射されるスポット像の回折パターンを示す。図２（Ａ）に示すように、回折パターンＤＰは、中央部に光強度の強い円形の領域ＣＰ（中心パターン）をもち、その周りに２重の同心円状のリング構造ＲＰをもつ。なお、実際には２重のリング構造ＲＰの外側にもリング構造が存在しているが、その光強度は非常に弱いので図示を省略した。

ここで、図２（Ａ）に示す回折パターンＤＰの構造は、球面収差が存在する場合の幾何学的最小錯乱円面における回折像（Principles of Optics 6thEdition, Max Born and Emil Wolf, p478 fig9.5(b)を参照）の構造をもち、その中心パターンＣＰの光束径は、図２（Ｂ）に示すような、一般的なガウス焦点面における回折像ＤＰ０の中心パターンＣＰ０の光束径に比べて非常に小さくなっている。

すなわち、光源１２から出射した光を第１のレンズ１４を介して平行光に近い収束光として円アパーチャ１６に照射し、円アパーチャ１６から出射した発散光を第２のレンズ１８を介して平行光に近い発散光として被測定物４０に投射するように構成することで、第１及び第２のレンズ１４、１８の球面収差により、被測定物４０及び二次元イメージセンサ２４上における回折パターンＤＰの中心パターンＣＰの径は、図２（Ｂ）に示すような、収差が存在しない場合の円開口による回折パターンＤＰ０の中心パターンＣＰ０の径に比べて非常に小さくなる。

処理部２０は、二次元イメージセンサ２４によって検出された輝度情報と二次元位置情報を含む三次元情報（輝度分布）から回折パターンＤＰの中心パターンＣＰの輝度分布Ｉ_ｃ（ｘ，ｙ）を求める。中心パターンＣＰの輝度分布Ｉ_ｃ（ｘ，ｙ）は、図３（Ａ）に示すような二次元ガウス分布となっている。

そこで、求めた中心パターンＣＰの輝度分布Ｉ_ｃ（ｘ，ｙ）に対して、下式（１）で表される二次元ガウス関数Ｆ（ｘ，ｙ）を最小二乗法によりフィッティングすることにより、中心パターンＣＰの中心位置（ピーク位置）を求め、求めた中心パターンＣＰの中心位置を二次元イメージセンサ２４上でのスポット像の中心位置（回折パターンＤＰの中心位置）として検出する。

上述したように、二次元イメージセンサ２４上に投射される回折パターンＤＰの中心パターンＣＰの光束径は、一般的なガウス焦点面で捉えた光束径より非常に小さいため、この中心パターンＣＰから求めたスポット像の中心位置の測定誤差は、一般的なガウス焦点面で捉えた光束から求めたスポット像の中心位置の測定誤差よりも小さくなる。またこの中心パターンＣＰに対して二次元ガウス関数をフィッティングすることにより、回折パターンＤＰ全体に対してフィッティングする場合に比べて、より高い精度でスポット像の中心位置を検出することができる。

例えば、二次元イメージセンサ２４として、セルサイズ５μｍのＣＭＯＳイメージセンサを採用し、円アパーチャ１６の開口径を１ｍｍとした場合には、二次元イメージセンサ２４上での中心パターンＣＰの径は約７０μｍとなり、二次元ガウス関数フィティングをかけた後の中心位置の検出精度は約１０ｎｍとなる。

ここで、被測定物４０表面が鏡面と散乱面の混合状態になっているために被測定物４０からの正反射光に散乱光成分が多く含まれる場合には、二次元イメージセンサ２４上に形成される回折パターンＤＰの中心パターンＣＰの形状が乱れ、中心パターンＣＰの輝度分布Ｉ_ｃ（ｘ，ｙ）が二次元ガウス分布から外れてしまう。そのため、中心パターンＣＰの輝度分布Ｉ_ｃ（ｘ，ｙ）に対して二次元ガウス関数をフィッティングした場合の誤差が大きくなる。

そこで、このような場合には、図２（Ａ）に示すような理想的な形状の回折パターンＤＰを基準パターンＳＰとして、二次元イメージセンサ２４によって検出された回折パターンＤＰの輝度分布Ｉ_ｄ（ｘ，ｙ）と予め記憶された基準パターンＳＰの輝度分布Ｉ_ｓ（ｘ，ｙ）との相関値を、図４に示すように、基準パターンＳＰの回折パターンＤＰに対する位置（二次元イメージセンサ２４における基準パターンＳＰの中心位置）を変化させながら求め、変化させた各位置（ｘ，ｙ）における相関値分布Ｃ（ｘ，ｙ）を求める。相関値分布Ｃ（ｘ，ｙ）は、図３（Ｂ）に示すような二次元ガウス分布となっている。

そこで、求めた相関値分布Ｃ（ｘ，ｙ）に対して、式（１）で表される二次元ガウス関数Ｆ（ｘ，ｙ）を最小二乗法によりフィッティングすることにより相関値のピーク位置を求め、求めた相関値のピーク位置を二次元イメージセンサ２４上でのスポット像の中心位置として検出する。

このようにすると、被測定物４０の表面状態による影響を受けずに、高い精度でスポット像の中心位置を検出することができる。これは、基準パターンＳＰの形状が円型よりも複雑であるため、フィッティングにより求める二次元関数の微分値が大きくなるためである。

また処理部２０は、上述した手法により検出した二次元イメージセンサ２４上でのスポット像の中心位置に基づいて、二次元イメージセンサ２４上でのスポット像の移動距離δを求め、求めた移動距離δに基づき三角法により被測定物４０の変位ｄを算出する。

２．変形例
なお、本発明の適用は上述した実施例に限定されず、種々の変形が可能である。

例えば本実施形態では、図１に示すように、被測定物４０上の法線ｎと入射光軸ＡＸ１とのなす角度α（入射角）と、法線ｎと出射光軸ＡＸ２とのなす角度α’（出射角）とを等しくして正反射条件を満たす光学配置とした場合について説明したが、入射角αを０°とし出射角α’を０°＜α’≦９０°とした光学配置にしてもよい。この場合には、二次元イメージセンサ２４上に投射されるスポット像の回折パターンＤＰが楕円形になるだけで、上述した手法により測定を行うことができる。

また光源１２は、可干渉性が高い光源であればどの様なものでもよく、２次元イメージセンサ２４も、二次元位置が取得できるものであればどの様なものでもよい。

１光学式変位形、１０投光部、１２光源、１４第１のレンズ、１６円アパーチャ、１８第２のレンズ、２０受光部、２２受光レンズ、２４二次元イメージセンサ、３０処理部、４０被測定物

Claims

被測定物からの反射光の位置変化を検出して被測定物の変位を測定する光学式変位計において、
被測定物に投射する光のビームパターンを、円アパーチャによる回折パターンとしたことを特徴とする光学式変位計。
請求項１において、
前記回折パターンが球面収差により崩れているがリング構造は保っているビームパターンを被測定物に投射することを特徴とする光学式変位計。
請求項１又は２において、
光源から出射した光を第１のレンズを介して平行光に近い収束光として円アパーチャに照射し、円アパーチャから出射した光を第２のレンズを介して平行光に近い発散光として被測定物に投射することを特徴とする光学式変位計。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
被測定物からの反射光を二次元イメージセンサに入射させて得られた輝度分布から、前記回折パターンの中心パターンの輝度分布を求め、求めた輝度分布に対して二次元ガウス関数をフィッティングすることにより前記回折パターンの中心位置を求めることを特徴とする光学式変位計。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
被測定物からの反射光を二次元イメージセンサに入射させて得られた前記回折パターンの輝度分布と予め記憶された基準パターンの輝度分布との相関値を、前記基準パターンの前記回折パターンに対する位置を変化させながら求め、求めた複数の相関値に対して二次元ガウス関数をフィッティングすることにより前記回折パターンの中心位置を求めることを特徴とする光学式変位計。
被測定物からの反射光の位置変化を検出して被測定物の変位を測定する光学式変位測定方法において、
被測定物に投射する光のビームパターンを、円アパーチャによる回折パターンとしたことを特徴とする光学式変位測定方法。