JPH07117410B2 - 距離検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光学的手段を用い、目的物が規定位置に対し
て遠い位置に在るか近い位置に在るかを検出する距離検
出装置に関するものであり、例えば、光学的情報処理装
置や光学的測定装置における自動焦点調整装置に利用さ
れる。

〔従来の技術〕

光学的情報処理装置や光学的測定装置における自動焦点
調整装置には、合焦状態か否かを検出するために、非点
収差法に基づいた距離検出装置が組み込まれている。か
かる従来の距離検出装置において、第６図に示すよう
に、レーザ光源21から出射されたレーザビームは、光軸
に対して傾けられて配された平板ビームスプリッタ22の
表面で反射した後、集光レンズ23にて収束されて目的物
体面24に照射されるようになっている。また、目的物体
面24で反射した反射光束は、前記集光レンズ23に入射し
て収束光とされた後、平板ビームスプリッタ22を透過し
て光検出器25に導かれるようになっている。

収束光が光軸に対して傾けられて配された平板ビームス
プリッタ22に入射されると、非点収差を生じるため、そ
の光束の断面形状は、第７図に示すように、平板ビーム
スプリッタ22の透過直後では円形状をなしているが、こ
れから離れるにつれて、楕円状→直線状（スポットb₁）
→楕円状（スポットb₂）→円形状（スポットb₃）→楕円
状（スポットb₄）→直線状（スポットb₅）→楕円状→円
形状というように変化する。

前記の光検出器25は、光束の断面形状が円形状（スポッ
トb₃）をなす位置に配置されて非点収差を生じた光束の
断面形状を検出するようになっている。光検出器25の受
光面は、第８図に示すように、分割ライン（不感帯）25
e・25fにて田の字状に４つの受光領域25a・25b・25c・2
5dに分割されると共に分割ライン25e・25fの交点が光軸
に合致されており、以下のごとく受光領域25a〜25dにス
ポットが形成されることにより、これらスポット形状か
ら距離が検出されることになる。

集光レンズ23に対して目的物体面24が、規定の位置であ
る焦点距離に合致した位置にあるときには、光検出器25
における受光面上には円形状スポットb₃が形成されるの
で、領域25a〜25dの出力は互いに均等になる。次に、集
光レンズ23に対して目的物体面24が規定の位置よりも近
づいているときには、非点収差が生じた光束の断面形状
が円形状となる位置が平板ビームスプリッタ22から遠ざ
かるので、光検出器25の受光面上には、図中Ｘ軸方向に
長軸を有する楕円状スポットb₂が形成され、領域25a・2
5cでは出力が小さくなる一方、領域25b・25dでは出力が
大きくなる。また、集光レンズ23に対して目的物体面24
が規定の位置よりも遠くにあるときには、非点収差を生
じた光束の断面形状が円形状となる位置が平板ビームス
プリッタ22から近づくので、光検出器25の受光面上に
は、図中Ｙ軸方向に長軸を有する楕円状スポットb₄が形
成され、領域25b・25dでは出力が小さくなる一方、領域
25a・25cでは出力が大きくなる。

従って、光検出器25における各領域25a〜25dからの出力
により、目的物が規定位置に対して遠い位置に在るか近
い位置に在るかを検出することができる。

自動焦点調整装置においては、これに組み込まれている
距離検出装置にて検出した距離が規定の距離より近いと
きは集光レンズ23を目的物体面24から離す方向に移動さ
せ、遠い場合は近づける方向に移動して、常に規定の距
離となるように調整を行う。

また、シリンドリカルレンズを用いて非点収差を得る距
離検出装置も知られているが、かかる距離検出装置も、
前記の平板ビームスプリッタ22を用いた場合と同様の検
出原理を利用しているものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、上記従来の非点収差法に基づく距離検出装置
では、幾何光学的変化を検出するものであるため、焦点
近傍（焦点深度内）の目的物体面24の距離変化に対して
は、その検出について高感度が望めないという欠点があ
る。また、平板ビームスプリッタ22による非点収差は、
平板ビームスプリッタ22の厚みに比例するため、シリン
ドリカルレンズと同程度の非点収差を得るためには、か
なりの厚みが要求される。その結果、平板ビームスプリ
ッタ22が大型化し、配置箇所の制約を受けるという欠点
がある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る距離検出装置は、上記の課題を解決するた
めに、目的物体表面にて反射された光束を受光して目的
物体までの距離を検出するようにした距離検出装置にお
いて、目的物体面にて反射された光束を収束光とするた
めの光学系と、この光学系を通る光束に対して光軸を含
む平面で２分割された所定開口の一方の光の位相をπ変
化させる位相素子と、この位相素子を透過した収束光と
位相素子を透過していない収束光とによる干渉光を受光
する、前記光軸を含む平面で受光領域が２分割された光
検出器とを備えていることを特徴としている。

〔作 用〕

上記の構成によれば、位相素子を透過した収束光と位相
素子を透過していない収束光とによる干渉光の受光によ
り、光検出器の受光領域上には、主となる２山の光強度
分布が形成される。そして、目的物が規定位置に対して
遠い位置に在るか近い位置に在るかによって、前記２山
の光強度分布において光強度が変化することになるの
で、この光強度変化から距離を検出することができる。

このように、光の干渉による回折光強度分布の変化を検
出するため、幾何光学的変化を検出する従来装置に比べ
ると高感度でかつ高精度の距離検出を行うことが可能に
なる。

また、光検出器は前記２山の光強度分布において光強度
変化を捉えればよいので、受光領域は２分割されるだけ
でよい。このため、従来の４分割された光検出器に比し
てその光軸調整等が格段に容易なものとなる。

さらに、かかる距離検出装置において平板ビームスプリ
ッタを使用するにしても、この平板ビームスプリッタに
ついては非点収差を生じさせる必要はないので、その厚
みを薄くでき、光学部品配置の省スペース化および容易
化等をも図ることができる。

〔実施例１〕 本発明の一実施例を第１図ないし第４図に基づいて説明
すれば、以下の通りである。

本発明に係る距離検出装置は、第１図に示すように、レ
ーザ光源１と、透明な誘電体薄膜６を有した平板ビーム
スプリッタ２と、集光レンズ３と、光検出器４とを備え
て構成されている。

レーザ光源１はレーザ光を照射するためのものであり、
上記レーザ光を平板ビームスプリッタ２に向けて照射す
るようになっている。

平板ビームスプリッタ２はレーザ光の光軸に対して所定
角度傾けて配されており、レーザ光を表面で反射してこ
れを集光レンズ３へと導く一方、目的物体表面５にて反
射され更に集光レンズ３を経た収束光についてはこれを
透過させるようになっている。

集光レンズ３は、平板ビームスプリッタ２にて反射され
た光束を目的物体表面５上に収束させると共に、目的物
体表面５からの反射光束を収束させる光学系をなすもの
である。また、その瞳は所定経の円形開口に対応するも
のである。別言すれば、瞳以外は光を通さず、瞳と瞳以
外の鏡において円形開口のエッジ部をなすものである。

誘電体薄膜６は位相素子をなすものであり、前記の平板
ビームスプリッタ２の基板背面側において光束中心を境
に半分の領域に蒸着形成されている。誘電体薄膜６の膜
厚ｄは、レーザ光の波長をλ、誘電体の屈折率をｎとす
ると、以下の第１式を充たすようになっている。ただ
し、Θは光軸と平板ビームスプリッタ２とのなす角度で
ある。

ｄ＝λ/2n・COSΘ ……第１式 かかる要件を充たす薄膜に光が通過すると、通過しない
場合と比較して光の位相がπだけ遅れることになる。

なお、本実施例では集光レンズ３から光検出器４に向か
う収束光中に位相素子としての機能を兼備する誘電体薄
膜６付きの平板ビームスプリッタ２を介設しているが、
これは、集光レンズ３の瞳上の半分の光の位相をπだけ
変えたこと、即ち、円形開口そのものの半分に位相素子
を設けたことと等価である。

ここで、第２図に示すように、集光レンズ３の瞳上の半
分はそのままであるが他の半分を通過する光の位相をπ
だけ変えた場合の焦点面a₁での回折光強度分布は、フラ
ウンホーフェルの回折により、第３図（ｂ）に示すよう
に、前記光軸とＹ軸を含む面に対称な２つの山を形成す
る。一方、焦点面a₁の前後面a₂・a₃での回折光強度分布
は、同図（ａ）（ｃ）に示すように、光軸とｙ軸を含む
面に非対称な２つの山、即ち、左右で大きさの異なる山
を形成する。

光検出器４は、第４図に示すように、分割ライン4cにて
２つの受光領域4a・4bに分割されており、集光レンズ３
と目的物体表面５との距離が規定の距離（例えば焦点距
離）にあるときに２つの山の回折光強度分布が等しくな
る位置において、上記の受光領域4a・4bにて各山に対応
した光強度を検出が行えるようになっている。

上記の構成によれば、目的物が規定位置に対して遠い位
置に在るか近い位置に在るかによって、以下のごとく受
光領域4a・4bでの光強度が変化することになり、この光
強度変化から距離を検出することができる。

前述のように、目的物体表面５が規定の距離に位置して
いるときには、受光領域4a・4bの受光に基づく出力が互
いに等しくなるので、このことから目的物体表面５が規
定の距離に位置していることが分かる。一方、目的物体
表面５が規定の距離よりも近くに位置しているときに
は、Ｘ軸正側の山の光強度が他方よりも大きくなり、受
光領域4a・4bの受光に基づく出力に大小関係が生じるの
で、このことから、目的物体表面５が規定の距離よりも
近くに位置しているということが分かる。逆に遠けれ
ば、Ｘ軸負側の山の光強度が他方より大きくなり、受光
領域4a・4bの受光に基づく出力に前述の場合とは逆の大
小関係が生じるので、このことから、目的物体表面５が
規定の距離よりも遠くに位置していということが分か
る。

このように、本発明に係る距離検出装置では、光の干渉
による回折光強度分布の変化を検出するため、幾何光学
的変化を検出する従来装置に比べると高感度でかつ高精
度の距離検出を行うことが可能になる。

さらに、光検出器４は前記２山の光強度分布において光
強度変化を捉えればよいので、受光領域4a・4bとに２分
割されるだけでよい。２つの受光領域4a・4bを２分割す
る分割線4cは、第１図に示すように、位相素子によって
光の位相をπ変化させる部分と位相を変化させない部分
に開口を２分割した、光束の光軸７を含む平面（光軸と
ｙ軸を含む面）上に設定される。第３図（ａ）ないし第
３図（ｂ）から明らかなように、この分割線4cの近傍の
光強度は、略零（回折光強度分布の２つの山の間に対
応）となり、このため、光検出器４の位置がＸ軸方向に
多少ずれても受光領域4a・4bに入射す光強度は殆ど変化
しない。これに対して、従来方式の光検出器では、受光
領域が４分割されている上、分割線上の光強度が最も大
きくなるため、光検出器の位置ずれに敏感である。この
ため、従来の４分割された光検出器に比してその光軸調
整等が格段に容易なものとなる。

また、本実施例で使用している平板ビームスプリッタ２
については、非点収差を生じさせる必要がないので、そ
の厚みを薄くすることができ、光学部品配置の省スペー
ス化および容易化等を図ることができる。さらに、この
平板ビームスプリッタ２に誘電体薄膜６を蒸着して位相
素子の機能を兼備させているので、光学部品点数の増加
はなく、構造の複雑化等の弊害は生じない。

なお、本実施例では集光レンズの瞳を円形開口としてい
るが、比較的大きな瞳を有する集光レンズを用いると共
に所定開口を有する光学部材を光路中に介設するように
しても良いものである。

〔実施例２〕 本発明の他の実施例を第５図に基づいて説明すれば、以
下の通りである。なお、上記実施例で用いた部材と同一
の機能を有する部材には同一の符号を付記してその説明
を省略している。

本実施例に係る距離検出装置においては、目的物体面に
て反射された光束を収束光とするための光学系として、
レーザ光源１より照射されたレーザ光を平行光化する集
光レンズ11と、この集光レンズ11を経て更に平板ビーム
スプリッタ２にて反射された平行光束を目的物体表面５
上に収束させる集光レンズ12と、平板ビームスプリッタ
２を透過した平行光束を光検出器４上に集光させる集光
レンズ13とを備えると共に、前記の平板ビームスプリッ
タ２を集光レンズ12・13間の平行光束中に配置したもの
である。

上記の構成によれば、前述の優れた作用効果を発揮する
上に、レーザ光源１から目的物体表面５に達する光のパ
ワー効率が高くなり、その結果として光検出器４に到達
する光の強度も強くなるので、距離検出の精度を一層高
めることが可能になる。

〔発明の効果〕

本発明に係る距離検出装置は、以上のように、目的物体
面にて反射された光束を受光して目的物体までの距離を
検出するようにした距離検出装置において、目的物体面
にて反射された光束を収束光とするための光学系と、こ
の光学系を通る光束に対して光軸を含む平面で２分割さ
れた所定開口の一方の光の位相をπ変化される位相素子
と、この位相素子を通過した収束光と位相素子を透過し
ていない収束光とによる干渉光を受光する前記光軸を含
む平面で受光領域が２分割された光検出器とを備えてい
る構成である。

これにより、高感度でかつ高精度な距離検出を行うこと
が可能になると共に、光検出器においてその光軸調整が
格段に容易になる等の優れた諸効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図は本発明の一実施例を示すものであ
る。 第１図は距離検出装置の概略構成図である。 第２図は集光レンズの瞳上で半分の位相をπだけ変えた
場合においてこれを透過した収束光の焦点面およびその
前後面を示す説明図である。 第３図（ａ）は焦点面の前面a₂での光強度分布を示す説
明図、同図（ｂ）は焦点面a₁での光強度分布を示す説明
図、同図（ｃ）は焦点面の後面a₃での光強度分布を示す
説明図である。 第４図は光検出器の受光面を示す説明図である。 第５図は他の実施例を示すものであって、距離検出装置
の概略構成図である。 第６図ないし第８図は従来例を示すものである。 第６図は距離検出装置の概略構成図である。 第７図は平板ビームスプリッタによる非点収差の説明図
である。 第８図は距離検出装置における光検出器の受光面形態お
よびビームスポット形状を示す説明図である。 １はレーザ光源、２は平板ビームスプリッタ、３は集光
レンズ（光学系）、４は光検出器、4a・4bは受光領域、
５は目的物体表面、６は誘電体薄膜（位相素子）、11・
12・13は集光レンズ（光学系）である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】目的物体面にて反射された光束を受光して
   目的物体までの距離を検出するようにした距離検出装置
   において、 目的物体面にて反射された光束を収束光とするための光
   学系と、この光学系を通る光束に対して光軸を含む平面
   で２分割された所定開口の一方の光の位相をπ変化させ
   る位相素子と、この位相素子を透過した収束光と位相素
   子を透過していない収束光とによる干渉光を受光する、
   前記光軸を含む平面で受光領域が２分割された光検出器
   とを備えていることを特徴とする距離検出装置。