JP2674129B2

JP2674129B2 - 距離測定装置

Info

Publication number: JP2674129B2
Application number: JP21986888A
Authority: JP
Inventors: 智秀浜田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-09-02
Filing date: 1988-09-02
Publication date: 1997-11-12
Anticipated expiration: 2012-11-12
Also published as: JPH0267911A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は距離測定装置、特に、光ビームを用いて被測
定面との距離を測定するものに関する。

（従来の技術）従来のこの種の装置に係わる技術としては、三角測量
に基づいた特開昭52−162911号がある。

このものは、レーザ光源からのレーザ光を投光レン
ズ、揺動ミラーを介して斜め方向から被測定対象面に投
光する投光光学系と、被測定対象面に光軸をほぼ垂直に
設けられた受光レンズ、及び受光レンズで集光されたレ
ーザ光を光電変換する光電変換素子を有する受光光学系
と、を有し、揺動ミラーを回転してレーザ光の被測定対
象面への入射角を変え、受光素子から得られる信号が最
大になったときの揺動ミラーの回転角θをもとめれば、
受光レンズの中心と揺動ミラーの回転中心との距離をｄ
として、受光レンズの中心と被測定対象面までの距離ｈ
はd/tanθで求めることができる。

（発明が解決しようとする問題点）このような三角測量に基づいた装置は、被測定対象物
へのレーザ光の投光方向と受光光学系の光軸とはある角
度をもっているので、被測定対象面が鏡面であったり、
表面荒さの小さい場合（研削面やラップ面）には、受光
光学系に反射光が返って来ず、測定不能となったり、返
って来たとしてもS/Nの非常に悪い測定となり誤差が大
きくなっていた。

そこで本発明は、被測定対象面の表面性状を選ばず、
すなわち、被測定対象面が拡散面であるのみならず、正
反射成分の強い金属であったり、またガラスのような鏡
面であっても、被接触にて高精度測定を実現できる装置
を提供することを目的とする。

（問題点を解決する為の手段）本発明は、ビームスプリッタ（１）と、前記ビームス
プリッタ（１）と被測定対象面（６）との間に配設され
る対物レンズ（２）と、前記ビームスプリッタ（１）、
前記対物レンズ（２）を介して前記被測定対象面（６）
上に光ビームを投光する光源装置（３）と、前記光源装
置（３）により投光された光ビームの前記被測定対象面
（６）での反射光を前記対物レンズ（２）、前記ビーム
スプリッタ（１）を介して入光し、反射ビームの方向を
連続的に変化させる回転反射鏡（４）と、前記回転反射
鏡（４）による反射ビームを入光し、入射ビームの大き
さを表す信号を出力する受光装置（５）と、前記入射ビ
ームの大きさが最も小さくなったときの前記入射ビーム
の位置を求め、この位置から前記測定対象面（６）の位
置に係わる信号を出力する検出装置（20）〜（27）とを
有することを特徴とする距離測定装置である。

（作用）本発明においては、被測定対象面上に光ビームを投光
する投光光学系（光源装置、ビームスプリッタ、対物レ
ンズ）と、被測定対象面からの反射光を受光する受光光
学系（対物レンズ、ビームスプリッタ、回転反射鏡、受
光装置）とを共通の対物レンズを用いることによって同
軸になすことができるので、被測定対象面が鏡面や鏡面
に近い面、すなわち、金属加工片等の金属を精度よく測
定することができ、かつ拡散面に関しては、面の傾きに
対する許容幅が大きい、という作用効果がある。

（実施例）第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施例の光学系を
示す図であって、ビームスプリッタ１と、ビームスプリ
ッタ１と被測定対象面６との間に配設される対物レンズ
２と、ビームスプリッタ１及び対物レンズ２を介して被
測定対象面６上に光ビームを投光する光源装置３と、光
源装置３から射出された光ビームの被測定対象面６での
反射光を対物レンズ２、ビームスプリッタ１を介して入
光し、反射ビームの方向を連続的に変化させる回転反射
鏡４と、回転反射鏡４による反射ビームを入光し、入射
ビームの大きさを表す信号を出力する受光装置５と、が
示されている。

ビームスプリッタ１としては、ハーフプリズムの如き
光分割部材が用いられ、光源装置３としては、レーザ光
源、及びレーザ光源からのレーザ光を対物レンズ２と共
に第１図に示した如き細い平行ビームとして被測定対象
面に投光できるようレンズ系が設けられ、回転反射鏡４
としては、回転中心ｐによって回転もしくは揺動される
べく、モータ、ガルバノメータ等の公知の駆動装置によ
り回転駆動されるものが用いられ、受光装置としては、
CCD、PSDの如き位置検出部材が用いられている。

而して、第１図（ａ）のように、光ビームが受光装置
５の受光面上の一端にあるときに、受光装置５の受光面
上の一端と高さH₁にある被測定対象面の入射光に当たっ
ている位置とが共役になっており、また、第１図（ｂ）
のように、光ビームが受光装置５の受光面上の他端にあ
るときに、受光装置５の受光面上の他端と高さH₂にある
被測定対象面の入射光に当たっている位置とが共役にな
っているとすれば、第１図（ａ）の状態から回転反射鏡
４が矢印Ａの方向へ回転して、光ビームが受光装置５の
受光面上の一端から他端（Ｂ方向）へ移動すると、高さ
H₁からH₂にある被測定対象面の光ビームの入射位置に共
役になる受光装置５の受光面上の光ビーム入射位置が一
つあることになる。このとき、受光装置５の受光面上の
光ビームの径は最小になり、この最小光ビームの径より
も、受光幅の狭い受光装置５であれば、受光装置５から
の出力信号は最大になる。

従って、受光装置からの信号の最大値を与える受光面
上の位置、もしくは回転反射鏡４の回転位置（角度）か
ら被測定対象面の高さが高さH₁からH₂の範囲で求まるこ
とになる。

第２図は、第１図の光学系と共に用いられる電気回路
のブロック図である。

第２図において、パルス発生器20からのパルスは、CC
D50の駆動装置21に入力され、駆動装置21は周知の如く
スタートパルスS₁と、このスタートパルスS₁に引き続く
走査パルスS₂とをCCD50に入力する。その結果、CCD50は
その光電変換部が一端から他端にわたって順次走査さ
れ、これら光電変換部の光電変換信号が時系列的にCCD5
0から出力されることになる。

一方、駆動装置21からのスタートパルスS₁と走査パル
スS₂とはカウンタ22にも入力され、前者はリセットパル
ス、後者の数はCCD50の光電変換部の位置を示す値とし
て用いられる。すなわち、スタートパルスにてリセット
された後のカウンタ22の計数値は、CCD50から出力され
ている光電変換信号の得られた光電変換部の番地にほか
ならない。

また、CCD50の出力信号は、サンプルホールド回路、
ローパスフィルタ23に入力されて、入射ビームの大きさ
が最も小さくなったときの光電変換部の位置に対応した
時間において、ピークを有するアナログ的な信号とな
る。ローパスフィルタ23の出力信号は微分回路24に入力
され、ピーク値においてゼロクロスとなる微分信号に変
換される。

この微分信号は、波形整形回路25に入力され、波形整
形回路25は入力信号のゼロクロス点においてパルスを一
つ発生する。波形整形回路25から出力されるパルスはゲ
ート回路26のゲート端子に入力され、ゲート回路26の開
閉を制御する。ゲート回路26の入力端子には、カウンタ
22の計数値が入力されているから、ゲート回路26からは
波形整形回路25からパルスが生じたとき、すなわち、入
射ビームの大きさが最も小さくなったときの入射ビーム
の入射位置にある光電変換部の番地に対応した計数値が
出力されることになる。

ゲート回路26から出力された計数値は、マイクロコン
ピュータ等の演算装置27によって被測定対象面の高さに
変換される。光電変換部の番地、すなわちカウンタ22の
計数値と被測定対象面の高さとは、一対一に対応してい
るから、演算装置27は予め計数値と被測定対象面の高さ
との対応表を備えており、入力された計数値に対応した
被測定対象面の高さを対応表から読み出すようにしてい
る。このようにして演算された被測定対象面の高さは、
表示装置28に表示される。

なお、以上の実施例では、受光装置５としてCCD50を
用いた例を上げたが、受光装置５としてはCCD50のよう
に光量と共に入射位置まで検出できるものにかぎらな
い。すなわち、回転反射鏡４の回転により光ビームが走
査する受光面の範囲をカバーするように、太陽電池のよ
うな光電変換素子を用いることもでき、この場合には、
回転反射鏡４の回転位置を知るように、回転反射鏡４に
ロータリーエンコーダの如き回転検出器を設ければよ
い。そして、受光装置５の出力信号のピーク位置におけ
る回転反射鏡４の回転位置を求めれば、この回転位置が
被測定対象面の高さに対応しているので、受光装置５の
出力信号のピーク位置における被測定対象面の高さを求
めることができる。このような構成では、受光装置５は
入射光量に応じた出力が得られるものでよく、高価なCC
DやPSDを使用せずに、安価な太陽電池等が使用でき、信
号処理系も簡素化されるので、装置全体が安価になると
いう利点がある。

また、以上の実施例において、受光装置５の受光面の
傾きを変えることで、容易に測定感度（分解能）を変え
ることができ、さらに、測定範囲を大きく取りたい場合
にも、受光素子を長くし、回転反射鏡４の揺動範囲を大
きくするだけで済み、他の光学系等の構成要素を変更す
る必要がない。

（発明の効果）以上のように、本発明によれば、被測定対象面に対
し、光ビームを垂直に入射し、垂直な方向から被測定対
象面での反射光を受光する構成であるので、鏡面や鏡面
に近い被測定対象面からの金属加工面等の粗面のものに
対してまで、様々な面性状の測定面の測定が行なえる。

さらに、本発明では、被測定対象面の位置が変わり測
定距離が変化した場合でも、絶えず受光面上に反射ビー
ムの結像している位置があり、かつ、いつもその結像し
ている状態にて距離測定を行っているので、被測定対象
の表面性状（スペックルパターン等）の影響を最小にで
き、精度の高い測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施例の距離測定
装置の光学系を示す図であって、異なる高さの被測定対
象面と共役な状態にそれぞれの光学系が設定されている
様子を示しており、第２図は、第１図（ａ）、（ｂ）の
光学系と共に用いられる電気回路のブロック図である。（主要部分の符号の説明）１……ビームスプリッタ、２……対物レンズ、３……光源装置、４……回転反射鏡、５……受光装置。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ビームスプリッタと、前記ビームスプリッ
タと被測定対象面との間に配設される対物レンズと、前
記ビームスプリッタ、前記対物レンズを介して前記被測
定対象面上に光ビームを投光する光源装置と、前記光源
装置により投光された光ビームの前記被測定対象面での
反射光を前記対物レンズ、前記ビームスプリッタを介し
て入光し、反射ビームの方向を連続的に変化させる回転
反射鏡と、前記回転反射鏡による反射ビームを入光し、
入射ビームの大きさを表す信号を出力する受光装置と、
前記入射ビームの大きさが最も小さくなったときの前記
入射ビームの位置を求め、該位置から前記測定対象面の
位置に係わる信号を出力する検出装置と、を有すること
を特徴とする距離測定装置。