JPH0672764B2 - 位置検出回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （ａ）発明の技術分野 この発明は、平行走査光を被測定物に照射し、生じた影
を受光素子で検出する寸法測定装置において、光軸方向
に対する被測定物の位置関係を検出する検出回路につい
てのものである。

（ｂ）従来技術と問題点 次に、第９図を参照して、従来の光による寸法測定装置
の構成を説明する。

第９図の１は光源、２は回転ミラー、３はｆθレンズ、
４は集光レンズ、５は受光素子、６は被測定物、７は集
光レンズ、8Aはポジションセンサである。

第９図では、位置検出の手段としてポジションセンサ8A
を使い、被測定物６からの散乱光の結像位置を検出して
いる。

しかし、第９図では、被測定物６の光軸方向の位置が変
化しなくても、光線の走査方向の位置が変化すると、第
９図の破線で示すように、ポジションセンサ8A上の結像
位置が変化する。

第10図は、第９図を改良したものである。

第10図では、集光レンズ7Aとポジションセンサ8A、集光
レンズ7Bとポジションセンサ8Bの光学系を２組配置し、
三角測量の原理で光軸方向の位置を算出する。

しかし、第10図のような構成では、次のような問題があ
る。

（ア）光学系が複雑になる。

（イ）位置を検出してから算出が終わるまでに時間がか
かる。

（ｃ）発明の目的 この発明は、被測定物の影の信号を受光素子で検出し、
検出された信号の立上り又は立下り時間からビームウェ
スト位置と被測定物の間の距離を求め、被測定物の散乱
光からビームウェスト位置に対する被測定物の前後の位
置関係を知るようにした位置検出回路の提供を目的とす
る。

（ｄ）発明の実施例 次に、この発明による実施例の構成図を第１図に示す。

第１図の8Cは２分割フォトダイオード（以下、単にダイ
オードという。）、９・9A・9Bは像点、10A・10Bは増幅
器、11はコンパレータ、12は出力であり、その他の部分
は第９図と同じである。

第１図では、光源１から出た光ビームを回転ミラー２で
走査し、レンズ３で等速平行光束にして、走査光を被測
定物６に照射する。被測定物６の影は集光レンズ４を経
て受光素子５で検出される。

受光素子５は寸法測定用のものであり、受光素子５の出
力は、図示を省略した演算器に導かれる。

通常、被測定物６は走査光のビームウェスト位置に置か
れる。

次に、ビームウェスト位置に対する被測定物６の前後の
位置関係検出について説明する。

平行光束面内で走査光の光軸方向を光軸Ａとし、光軸Ａ
に直角でビームウェスト位置を通る線を光軸Ｂとする。
ここで、被測定物６の前後の位置とは、光軸Ｂに対する
光軸Ａ方向への極性を意味する。

この極性を検出するため、集光レンズ７、ダイオード8C
を使用する。

そして、集光レンズ７、ダイオード8Cは、走査方向中央
に配置した被測定物６からの散乱光をダイオード8C上に
像点９として集光させるために、次の関係が成立するよ
うに配置される。

（1/L₁）＋（1/L₂）＝（1/f） …（１） ここに、集光レンズ７の焦点距離をｆ、走査方向中央に
配置した被測定物６から集光レンズ７までの距離をL₁、
集光レンズ７からダイオード8Cまでの距離をL₂とする。

被測定物６が光軸Ａの方向に対して位置を変化し、位置
6Aまたは6Bになったとき、位置6Aに対しては像点9Aとし
て集光され、位置6Bに対して像点9Bとして集光される。

ダイオード8Cの分割された領域で発生した信号は増幅器
10A・10Bでそれぞれ増幅され、各出力はコンパレータ11
の入力になる。

次に、第１図の波形図を第２図に示す。

第２図アは受光素子５の出力波形図である。

平行走査光を被測定物６に照射すると、受光素子５で被
測定物６の影を検出することができる。

第２図イは、被測定物６が位置6Aにある場合の増幅器10
Aの出力波形図である。

被測定物６が位置6Aにある場合は、像9Aが得られ、増幅
器10Aの出力は散乱光が発生するタイミングで明状態の
信号となる。

第２図ウは、被測定物６が位置6Aにある場合の増幅器10
Bの出力波形図であり、増幅器10Bの出力は常に暗状態の
信号になる。

第２図エは、被測定物６が位置6Aにある場合のコンパレ
ータ11の出力12の波形図である。

コンパレータ11の出力12は、散乱光が発生するタイミン
グでＬレベルに確定する。その他のタイミングでは増幅
器10A・10Bとも同じ暗状態の信号を出すため、出力12の
状態は電気的な種々の条件によりH,Lどちらの状態にも
なることができる。

第２図オ〜キは、被測定物６が位置6Bにある場合の波形
図である。

第２図オは、被測定物６が位置6Bにある場合の増幅器10
Aの出力波形図であり、増幅器10Aの出力は常に暗状態の
信号になる。

第２図カは、被測定物６が位置6Bにある場合の増幅器10
Bの出力波形図である。

被測定物６が位置6Bにある場合は、像9Bが得られ、増幅
器10Bの出力は散乱光が発生するタイミングで明状態の
信号となる。

第２図キは、被測定物６が位置6Bにある場合のコンパレ
ータ11の出力12の波形図である。

位置6Bの場合も同じようにして散乱光の発生するタイミ
ングで出力12はＨレベルに確定する。

そこで、散乱光の発生するタイミングでトリガ信号を作
り、出力12をサンプルすれば、そのレベルのＨ・Ｌで、
位置が6A・6Bのどちらにあるかがわかる。

また、被測定物６が走査方向へ移動しても、光軸Ｂに対
して被測定物６が位置6A側にあるのか、位置6B側にある
のかは、同じようにダイオード8C上の像点が9A側か9B側
のどちらに多く集光されているかでわかる。すなわち、
極性がわかる。

次に、ビームウェスト位置からの距離検出について説明
する。

光ビームは、ビームウェスト位置でのビーム径をW₀と
し、ビームウェスト位置から距離ｘだけ離れた位置での
ビーム径とｗとすれば、次式が成立する。

w²＝w₀ ²｛１＋（４λx/πw₀ ²）^２｝ …（２） ここに、λは使用光の波長である。

式（２）の関係を図示すると、第３図のグラフになる。

次に、受光素子５から出てくる信号の波形図を第４図に
示す。

被測定物６がビームウェスト位置から離れていくと、被
測定物６を横ぎるビーム径は第３図にしたがって大きく
なるので、受光素子５から出てくる信号の立上りは第４
図の実線から破線のように変わる。

そこで、例えば信号全体の振幅を100％として、10％と9
0％にあたるレベルを比較基準レベルとすると、立上り
部分でビーム全体のパワーの10％から90％までに達する
時間ｔが得られ、これも第４図のように大きくなる。

ビームが式（２）にしたがって分布状態を変えずに距離
だけで変化していけば、例えば10％から90％にいたる間
隔のように、パワーのある決まった比率に相当する間隔
は、ビーム径ｗに比例することが計算によってわかる。
したがって、第４図の時間ｔは走査速度が一定の場合、
ビーム径ｗに比例する。

式（２）に明らかなように、ビーム径ｗは距離ｘが一定
であれば、走査方向の位置によらず、一定である。した
がって、被測定物６の走査方向の位置に関係なく、時間
ｔから光軸方向の距離ｘがわかる。

次に、第４図の時間ｔを求めるための実施例の構成図を
第５図に示す。

第４図の波形（Ａ）は受光素子５から出てくる信号であ
るが、波形（Ａ）を比較回路13に入れることによって、
第４図の波形（Ｂ）や波形（Ｃ）が得られる。

波形（Ｂ）や波形（Ｃ）が出ている間、クロック発生器
15のクロックパルスをカウンタ14で数える。

カウンタ14の出力をD/A変換器16に入れると、波形
（Ｂ）や波形（Ｃ）を発生している時間に比例する電圧
が求められる。

D/A変換器16の出力を、第３図の曲線を直線化するリニ
アライザ17に入ると、ビームウェスト位置から被測定物
６までの距離に比例する電圧が出力18に出てくる。

第６図は、リニアライザ17の出力18と、被測定物６のビ
ームウェスト位置からの距離の関係を示す図である。

次に、極性検出と距離検出を組み合わせた実施例の構成
図を第７図に示す。

第７図は、第５図に対し、カウンタ14をアップダウンカ
ウンタ14Bとし、第１図の出力12をアップダウンコント
ロール端子に入れるようにしたものである。

第８図は、第７図のリニアライザ17の出力18Bと、被測
定物６のビームウェスト位置からの距離の関係を示す図
である。

（ｅ）発明の効果 この発明によれば、検出された信号の立上り又は立下り
時間からビームウェスト位置と被測定物の間の距離を知
り、被測定物の散乱光からビームウェスト位置に対する
被測定物の前後の位置関係を知るようにしているので、
従来技術に比べて、次のような利点がある。

（ア）演算回路が不要のため、回路が簡単になる。

（イ）演算回路が不要のため、高速に動作する。

（ウ）被測定物の走査方向の位置が変化しても、光軸方
向位置の検出には影響しない。

（エ）光学系の構成が簡単になる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による実施例の構成図、第２図は第１
図の波形図、第３図はビーム径ｗとウェスト位置からの
距離ｘとの関係を示す図、第４図は受光素子５から出て
くる信号の波形図、第５図は時間ｔを求めるための実施
例の構成図、第６図はリニアライザ17の出力と、被測定
物６のビームウェスト位置からの距離の関係を示す図、
第７図は極性検出と距離検出を組み合わせた実施例の構
成図、第８図は第７図のリニアライザ17の出力と、被測
定物６のビームウェスト位置からの距離の関係を示す
図、第９図は従来の光による寸法測定装置の構成図、第
10図は第９図を改良した従来装置の構成図である。 １……光源、２……回転ミラー、３……レンズ、４……
集光レンズ、５……受光素子、６……被測定物、6A・6B
……位置、７……集光レンズ、8A・8B……ポジションセ
ンサ、8C……２分割フォトダイオード（ダイオード）、
９・9A・9B……像点、10A・10B……増幅器、11……コン
パレータ、12……出力、13……比較回路、14……カウン
タ、14B……アップダウンカウンタ、15……クロック発
生器、16……D/A変換器、17……リニアライザ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 服部 保次 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者 鈴木 修三 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友電 気工業株式会社横浜製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行走査光で被測定物を照射し、生じた影
   を受光素子で検出する光による寸法測定装置において、 被測定物による散乱光を結像して、被測定物の光軸方向
   の基準位置に対する前後位置関係を検出する検出回路
   と、 被測定物の影の立上りまたは立下りの時間から被測定物
   と光軸方向の基準位置との距離に比例する信号を発生す
   る信号発生回路とを備えることを特徴とする位置検出回
   路。