変位計
【課題】被測定物が高速回転する場合であっても、その表面に傷等を付けることなく、２次元平面内変位を測定する。
【解決手段】変位計は、被測定物１０の表面の第１スポットＳ１で反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、第１偏光反射ビーム４０として受光するとともに、第２スポットＳ２で反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、第２偏光反射ビーム４２として受光し、ビームスプリッタ６００を介して、光軸に平行なビームが撮像手段の撮像面に結像するように形成されたテレセントリック光学系に導く。二つの光路には、前記第１、第２偏光ビームを前記２次元平面内と交差する方向に光学的に位置シフトさせるプリズム４００，４１０が設けられ、更に第２の反射光路には、撮像面までの光学倍率を第２の反射光路の光学倍率と等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系５００が設けられている。
【解決手段】変位計は、被測定物１０の表面の第１スポットＳ１で反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、第１偏光反射ビーム４０として受光するとともに、第２スポットＳ２で反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、第２偏光反射ビーム４２として受光し、ビームスプリッタ６００を介して、光軸に平行なビームが撮像手段の撮像面に結像するように形成されたテレセントリック光学系に導く。二つの光路には、前記第１、第２偏光ビームを前記２次元平面内と交差する方向に光学的に位置シフトさせるプリズム４００，４１０が設けられ、更に第２の反射光路には、撮像面までの光学倍率を第２の反射光路の光学倍率と等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系５００が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位を光学的に測定する変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、接触式プローブを用いて、被測定物の表面形状の変位を測定する装置が知られている。
【特許文献１】特開２００５−１７２８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この従来装置では、接触式プローブを変位測定に用いる。このため、微小な表面形状の変位を観測しにくいという問題があり、さらに所定の回転軸を中心に高速回転する回転体を被測定物とし、その表面形状を測定しようとする場合に、被測定物を破損するリスクがあるという問題があった。
【０００４】
本発明の一態様の目的は、被測定物の表面形状が微細に変位する場合であっても、その変位を精度よく測定することが可能な変位計を提供することにある。
【０００５】
また、本発明の他の一態様の目的は、被測定物が所定の回転軸を中心に回転する回転体である場合、特に高速回転する回転体である場合であっても、その表面に接触傷等を付けることなく正確に変位測定可能な変位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、
所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位を光学的に測定する変位計において、
第１偏向測定ビーム及び第２偏光測定ビームを出射する測定光発生部と、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面に入射させる第１の入射光路と、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面の位置であって前記第１偏向測定ビームとは異なる入射位置に、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から入射させる第２の入射光路と、
前記被測定物の表面における前記第１偏向測定ビームの入射された第１スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第１偏向反射ビームとして受光する第１の反射光路と、
前記被測定物の表面における前記第２偏向測定ビームの入射された第２スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第２偏向反射ビームとして受光する第２の反射光路と、
光軸に平行なビームが撮像手段の撮像面に結像するように形成されたテレセントリック光学系と、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に導く導光部と、
を含み、
第１の反射光路及び第２の反射光路の少なくとも一方は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの少なくとも一方を前記２次元平面内と交差する方向に光学的に位置シフトさせる位置シフト光学系と、
前記第１及び第２のスポットから、前記撮像手段の撮像面までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系と、
を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、被測定物の第１スポット及び第２スポットで反射された所定の２次元平面内を通過するビームを、それぞれ所与の方向から第１偏向反射ビーム、第２偏向反射ビームとして受光し、導光路を介して、前記第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームがテレセントリック光学系の光軸と平行となるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームをテレセントリック光学系に導く構成を採用する。
【０００８】
これに加えて、第１の反射光路及び第２の反射光路の少なくとも一方に、前記第１及び第２のスポットから、前記撮像手段の撮像面までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系を設ける構成を採用する。
【０００９】
これにより、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームは、前記テレセントリック光学系を介して前記撮像手段の撮像面上に、所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位の各次元の変位量に関連付けた位置に結像することとなる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームの少なくとも一方を、前記２次元平面内と交差する方向、好ましくは直交する方向に光学的に位置シフトさせる位置シフト光学系を設ける構成を採用する。
【００１１】
これにより、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームは、前記撮像手段の撮像面上に、互いに離れた位置に結像することとなり、各ビーム相互の干渉を大幅に低減することができる。
【００１２】
以上のように、本発明によれば、撮像手段の撮像面上に、互いに分離した状態で、しかも被測定物の２次元変位の各次元の変位量に関連付けた位置に第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームが結像することになり、その結像位置に基づき、前記２次元平面内における被測定物の２次元変位を、各ビーム相互の干渉を受けることなく、正確に測定することが可能となる。
【００１３】
加えて、本発明によれば、被測定物の２次元変位を、光学的に非接触で測定するため、仮に被測定物が高速で回転する回転体である場合であっても、その表面変位を精度よくかつ被測定物を損傷させることなく測定することが可能となる。
【００１４】
また、本発明によれば前述したように、反射ビームを撮像手段の撮像面に結像するためにテレセントリック光学系を用いる。これにより、被測定物の第１及び第２スポットの位置が変化した場合でも、撮像面上にぼけの少ないより鮮明なスポットとして第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームを結像することが可能となり、係る面からも精度の高い測定を実現することが可能となる。
【００１５】
更に、本発明によれば、一組のテレセントリック光学系及び撮像手段で、被測定物の第１スポット及び第２スポットから反射される２方向の偏向反射ビームを同時測定することができるため、この面から、変位計の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００１６】
なお、前記位置シフト光学系としては、前記２次元平面内と交差する方向、例えば前記２次元平面がＸＹ平面である場合には、これと交差する方向、好ましくは直交するＺ軸方向に反射ビームの少なくとも一方を光学的に位置シフトさせるよう配置されたプリズムなどを用いることが好ましい。
【００１７】
また、第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームの双方を位置シフトさせる場合には、前記反射ビームのいずれか一方をＺ軸方向の＋軸方向に位置シフトさせ、他方をＺ軸方向の−方向に位置シフトさせることにより、前記２つの反射ビームを、撮像手段の撮像面上にさらに分離した状態で結像させ、両反射ビームの相互の干渉をより低減し、さらに精度のよい測定を実行することが可能となる。
【００１８】
また、本発明において、撮像手段として、光スポットの光量の重心位置を求めることができるセンサである光位置センサ（ＰＳＤ）を用いてもよい。
【００１９】
（２）また本発明において、
前記第１の入射光路は、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記被測定物の表面に入射させ、
前記第２の入射光路は、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から前記被測定物の異なる表面位置に入射するように構成してもよい。
【００２０】
これにより、入射光路を形成する各入射光学系と、反射光路を形成する各反射光学系を、ほぼ同一面上に配置する構成を採用することができ、変位計の光学系をより小型でかつ操作性をよいものとすることができる。
【００２１】
（３）また本発明において、
前記測定光発生部は、
測定ビームとしてマルチモードレーザビームを出力する光源と、
前記マルチモードレーザビームを平行光とするコリメートレンズと、
前記平行光を円偏光する１／４波長板と、
円偏光された測定ビームに含まれるＳ偏光成分を透過し前記第１偏向測定ビームとして出力し、Ｐ偏光成分を反射し前記第２偏向測定ビームとして出力するビームスプリッタ部と、
を含むようにしてもよい。
【００２２】
このように、測定ビームとしてマルチモードレーザビームを用いることにより、被測定物の第１スポット及び第２スポットで反射された第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームの相互の干渉をさらに低減し、被測定物の変位の測定誤差をより低減することができる。
【００２３】
（４）また本発明において、
前記第１の入射光路及び第２の入射光路は、
前記前記被測定物に対し、前記２次元平面内において互いに直交する方向から、前記第１偏向測定ビーム及び前記第２偏向測定ビームを入射するように光路が形成するように構成してもよい。
【００２４】
係る構成を採用することにより、２次元平面内における各座標軸方向に対する被測定物の変位量を、簡単な演算で測定することが可能となる。
【００２５】
（５）また本発明において、
前記導光部は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に透過または反射するビームスプリッタ部とする構成を採用してもよい。
【００２６】
（６）また本発明の変位計は、
前記撮像手段の撮像面上における、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの結像位置に基づき、前記被測定物の２次元変位の各次元の変位量を演算する変位量演算手段を含む構成を採用してもよい。
【００２７】
（７）また本発明において、
被測定物の２次元変位を光学的に測定する前記２次元平面を、回転軸を中心に回転する被測定物の前記回転軸に直交する方向に設定し、
前記変位量演算手段は、
回転軸を中心に回転する前記被測定物の軸ぶれ量を前記２次元平面内の表面変位量として演算する構成を採用してもよい。
【００２８】
本発明によれば、被測定物が所定の回転軸を中心に高速回転する回転体であっても、当該被測定物の軸ぶれ量を、非接触で精度よく高速で測定することが可能となる。
【００２９】
特に、回転体である被測定物の表面が円筒形状をしているような場合にあっては、当該回転体の軸ぶれを回転体表面の２次元平面内の二軸方向への変位量として精度よく測定することが可能となり、従って本発明を、例えば高精度の加工を行うための高速回転ドリル等の軸ぶれ検出用に用いることにより、当該ドリルの回転中心からの変位量を瞬時に正確に検出し、この軸ぶれ補正を行い、精度の高い加工を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明する。
【００３１】
（１）原理説明
図４には、本発明に係る変位計の基本原理及びその構成が示されている。
【００３２】
本実施例の変位計は、所定の２次元平面内における被測定物１０の２次元変位を光学的に測定する。ここでは、図４に示すｘ，ｙ平面が、被測定物１０の２次元変位を光学的に測定するための所定の２次元平面を表す。
【００３３】
実施例の変位計は、測定光発生部１００と、第１の入射光学系１２０と、第２の入射光学系１３０と、被測定物の各反射スポットからの反射光をそれぞれテレセントリック光学系３００−1、３００−２に導くための第１の反射光路２００−１及び第２の反射光路２００−２と、前述したテレセントリック光学系３００−１、３００−２と、撮像部３３０ａ、３３０ｂとを含む。
【００３４】
前記第１、第２の入射光学系１２０、１３０、第１、第２の反射光路２００−１、２００−２、テレセントリック光学系３００−１、３００−２、撮像部３３０ａ、３３０ｂは、図４に示すｘｙの２次元平面内に光学的に配置されている。
【００３５】
そして、本実施例の変位計は、被測定物１０のこのｘｙ２次元平面内におけるｘ方向及びｙ方向の２次元変位量を、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２が、被測定物１０の表面の互いに異なる測定ポイントで反射することによって得られる第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の、撮像部３３０ａ、３３０ｂの撮像面上における結像位置に基づき測定する。
【００３６】
実施例の測定光発生部１００は、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２を出射するように構成されている。この測定光発生部１００は、マルチモード発振することによりマルチモードレーザビーム２０を出力する光源としてのレーザダイオード１１０と、コリメートレンズ１１２と、絞り１１６と、１／４波長板１１８と、偏向ビームスプリッタ１１９とを含む。
【００３７】
そして、レーザダイオード１１０から出力されるマルチモードレーザビーム２０は、コリメートレンズ１１２で平行光となり、さらに絞り１１６を通過することによりビーム径が制限され、さらに１／４波長板を通過することにより円偏向され偏向ビームスプリッタ１１９へ入射される。
【００３８】
偏向ビームスプリッタ１１９は、この入射光に含まれるＳ偏向成分を、第１の偏向測定ビーム３０として直線的に透過出力し、入射光に含まれるＰ偏向成分を第２の測定偏向測定ビーム３２として反射し、９０度進行方向を変化させて出力する。
【００３９】
第１の入射光学系１２０は、第１の偏向測定ビームが通過する第１の入射光路を形成する。具体的には、偏向ビームスプリッタ１１９を透過出力された第１の偏向測定ビーム３０を、ミラー１２２を用いて９０度進行方向を変化させ、被測定物１０の側面に入射させる。
【００４０】
第２の入射光学系１３０は、第２の偏向測定ビーム３２が通過する第２の入射光路を形成するものである。具体的には、偏向ビームスプリッタ１１９から出力される第２の偏向測定ビーム３２を、ミラー１３２を用いて９０度進行方向を変化させ、被測定物１０の側面に、第１の偏向測定ビーム３０とは異なる方向から入射させる。
【００４１】
より具体的には、被測定物１０に対して、第１の偏向測定ビーム３０は、ｘｙ２次元平面のｙ軸方向に沿って入射され、第２の偏向測定ビーム３２は、被測定物１０に対しｘ軸方向に沿って（第１の偏向測定ビーム３０に対し９０度と異なる方向から）入射されるように光路が形成されている。
【００４２】
加えて、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２は、被測定物１０の異なる位置を測定ポイントとして入射するように、第１の入射光学系１２０及び第２の入射光学系１３０のそれぞれの光路が形成されている。
【００４３】
なお、被測定物１０に対する第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２の入射角は９０度に設定することが好ましいが、１８０度の整数倍以外の入射角度であるならば、９０度と異なる角度に設定してもよい。
【００４４】
被測定物１０の側面において、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２がそれぞれ入射される測定スポットＳ１、Ｓ２では、ビームがそれぞれ乱反射される。
【００４５】
前記各テレセントリック光学系３００−１、３００−２は、被測定物１０の各測定スポットＳ１、Ｓ２で乱反射された反射光に含まれる前記ｘｙの２次元平面内を通過する反射ビームを、所与の方向から受光するように光学配置され、加えて被測定物１０が基準位置にある場合に、反射スポットＳ１、Ｓ２から撮像部３３０ａ、３３０ｂの受光面までの光路長の距離が等価的に等しくなるように配置されている。
【００４６】
図４に示す原理図では、テレセントリック光学系３００−１、３００−２の光軸は、基準位置にある被測定物１０の測定スポットＳ１、Ｓ２を指し示すように、図４に示すｘｙ２次元平面内に配置されている。
【００４７】
そして、被測定物１０の測定スポットＳ１、Ｓ２で乱反射された光成分のうち、ｘ，ｙ２次元平面内を通過しかつ各テレセントリック光学系３００−１、３００−２の光軸方向に反射される反射ビームは、第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２としてテレセントリック光学系３００−１、３００−２を介して撮像部３３０ａ、３３０ｂの受光面上に結像することになる。
【００４８】
この撮像部３３０ａ、３３０ｂ上における第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の結像位置は、被測定物１０が図中実線で示す基準位置である場合には、Ｐ、Ｑの基準位置に結像するが、例えば図中破線で示す位置１０′まで被測定物１０が移動すると、第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の結像位置は、テレセントリック光学系３００−１、３００−２により、そのｙ方向、ｘ方向への変位量に応じた位置Ｐ′、Ｑ′に結像することになる。
【００４９】
従って、撮像部３３０ａ、３３０ｂの基準位置Ｐ、Ｑに対する、第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の結像位置Ｐ′、Ｑ′の位置を測定することにより、ｘｙ２次元平面内における被測定物１０のｙ方向、ｘ方向への変位量を測定することができる。
【００５０】
ここにおいて、前記各テレセントリック光学系３００−１、３００−２は、それぞれテレセントリックレンズとしての凸レンズ３１０ａ、３１０ｂと、該レンズの焦点位置に設けられた絞り３１２ａ、３１２ｂとを有し、光学系の光軸と平行に入射されてくる第１及び第２の偏向反射ビーム４０、４２を絞り３１２ａを介して、撮像部３３０ａ、３３０ｂ上の撮像面にぼけの少ないビームとして結像させることができる。
【００５１】
従って、被測定物１０は、図４のｘｙ平面内を、図中実線で示す位置から破線で示す位置Ｑ′まで変位した場合を想定すると、撮像部３３０ａの撮像面上における基準位置Ｐに対する反射ビームの結像位置Ｐ′は、被測定物１０のｙ軸方向への変位に対応し、撮像部３３０ｂの受光面上における基準位置Ｑに対する反射ビーム４２の結像位置Ｑ′は、被測定物１０のｘ軸方向への変位量に対応する。
【００５２】
よって、例えば回転軸を中心に高速回転する通常の回転体、具体的には工作機械のドリル等を被測定物１０と想定した場合に、このドリルの回転軸に対し、図４に示すｘｙ２次元平面が直交となるように図４に示す変位計の光学系を設置し、かつ第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２がドリルの回転軸と交差する方向に入射するように変位計の光学系を設置する。これにより、高速回転するドリルの回転軸に対する軸ぶれ量を、ドリル側面の表面変位量として非接触で高精度に演算し、高速回転するドリルに軸ぶれがあるか否かを正確に判断し、軸ぶれがある場合にはその軸ぶれ量を補正が正確に行われたかを判断し、当該ドリルを用いた加工の高精度化を実現することが可能となる。
【００５３】
ところで、この図４に示す原理図の構成を採用した変位計では、同図に示すように２組のテレセントリック光学系３００−１、３００−２と、２組の撮像部３３０ａ、３３０ｂが必要となり、変位計自体が高価でかつ大型のものとなってしまうという問題がある。
【００５４】
次に、このような図４に示す原理図の構成を採用した場合の課題を解決し、１組のテレセントリック光学系及び撮像部を用い、図４に示す変位計と同様な精度で被測定物１０の変位量測定を行うことができる本実施の形態の変位計の実施例を説明する。
【００５５】
（２）実施例
図１には、本発明の好適な実施例が示されている。なお、図４に示す原理図と対応する部材には、同一を付しその説明は省略する。
【００５６】
特に、実施例の変位計の測定光発生部１００と、第１の入射光学系１２０と、第２の入射光学系１３０の構成は、図４に示す構成と同一であるので、その説明は省略する。
【００５７】
本実施の形態では、図４に示す原理図の構成と同様に、第１の反射光路２００−１上に、前記テレセントリック光学系３００−１、撮像部３３０ａと同様な構成をもつ、テレセントリック光学系３００及び撮像部３３０を設けている。
【００５８】
そして、被測定物１０の測定スポットＳ１とテレセントリック光学系３００までの間に位置する第１の反射光路２００−１上に、第１の偏向反射ビーム４０をテレセントリック光学系３００に向けて直線的に透過する導光部としての偏向ビームスプリッタ６００を設置する。
【００５９】
さらに、本実施例では、第２の反射光路２００−２は、第２スポットＳ２で反射されたビームに含まれるｘｙ２次元平面内を通過する第２の偏向反射ビーム４２を、プリズム４１０、ミラー２１０−２を用いてその進行方向を変化させ、前記偏向ビームスプリッタ６００に４５度の角度で入射するように構成されている。
【００６０】
これにより、導光部としての偏向ビームスプリッタ６００は、第１の偏向反射ビーム４０及び第２の偏向反射ビーム４２が、前記テレセントリック光学系３００の光軸と平行となるように、第１の反射光路２００−１を介して入力される第１の偏向反射ビーム４０をそのまま透過し、第２の反射光路２００−２を介して入力される第２の偏向反射ビーム４２を、進行方向と９０度異なる方向に反射する。
【００６１】
このとき、第１の反射光路２００−１における偏向ビームスプリッタ６００までの光路長と、第２の反射光路２００−２における偏向ビームスプリッタ６００までの光路長が異なるため、双方の光学倍率が等価的に等しくなるよう補正するための手段が設けられている。すなわち基準位置にある被測定物１０の測定スポットＳ１、Ｓ２から撮像部３３０の受光面３３２までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系５００が、第２の反射光路２００−２上に設けられている。
【００６２】
ここでは、光学倍率補正光学系５００は、凹レンズ５１０及び凸レンズ５１２の組み合わせとして構成され、撮像部３３０の受光面３３２上に、図１（Ｂ）に示すように結像するビームＳ２０のビーム径が、同受光面３３２上に結像する第１の偏向反射ビーム４０のビームＳ１０と同一径となるように、その倍率調整を行う倍率調整機能を有する。
【００６３】
これにより、撮像部３３０の受光面３３２上には、図４に示す原理図と同様に、Ｐ、Ｑを基準にした、被測定物１０のｘ軸方向、ｙ軸方向の変位量に対応した位置Ｐ′、Ｑ′に、第１の偏向反射ビーム４０及び第２の偏向反射ビーム４２のビームＳ１０、Ｓ２０が結像することになる。
【００６４】
ところで、撮像部３３０の受光面３３２上において、第１及び第２の偏向反射ビーム４０、４２が互いに重なって結像すると、両ビーム光が互いに干渉して、正確な位置検出を行うことができない。
【００６５】
このため、本実施例では、第１の反射光路２００−１の偏向ビームスプリッタ６００の手前側に、図２に示すプリズム４００が、位置シフト光学系として設けられている。
【００６６】
図２に示すように、このプリズム４００は、第１の偏向反射ビーム４０を、図１に示すｘｙ２次元平面と直交するｚ軸の−方向に−ｚ１だけ変位させた平行光線として出力する。
【００６７】
加えて、第２の反射光路２００−２に設けたプリズム４１０も、位置シフト光学系として形成している。具体的には、図３に示すように、入射する第２の偏向反射ビーム４２を、ｚ軸の＋方向に＋ｚ１の距離だけシフトしたビームとして反射するプリズムとして形成されている。
【００６８】
この結果、偏向ビームスプリッタ６００に入射される第１の偏向反射ビーム４０と、第２の偏向反射ビーム４２は、ｚ軸方向に２ｚ１の距離だけ離れたビームとなる。
【００６９】
これにより、偏向ビームスプリッタ６００を介してテレセントリック光学系３００に対し、その光軸と平行となるように透過または反射された第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２は、撮像部３３０の受光面３３２上に図１（Ｂ）に示すように結像する。具体的には、前記ｚ軸方向の方向への離間距離２ｚ１に対応した距離だけ離れた移動経路３３４−１、３３４−２を各ビームＳ１０、Ｓ２０が移動するように結像することになり、両ビームＳ１０、Ｓ２０が受光面３３２上で互いに交わることが防止される。
【００７０】
すなわち、受光面３３２上に結像する前記第１及び第２の偏向反射ビーム４０、４２は、図１（Ｂ）に示す図中一点鎖線で示す移動経路３３４−１、３３４−２上をそれぞれ移動し、これら各移動経路３３４−１、３３４−２は前記２ｚ１の距離に対応した距離分だけ離れた移動経路となる。
【００７１】
従って、１つの受光面３３２上において２つの反射ビームを結像した場合でも、結像した反射ビームが違いに干渉することがなく、それぞれ独立したビームの位置として検出することができる。
【００７２】
これにより、１組のテレセントリック光学系３００及び撮像部３３０を用いた場合でも、被測定物１０のｘｙ２次元平面内におけるｘ方向及びｙ方向への表面の変位量を正確に測定することが可能となる。
【００７３】
そして、撮像部３３０の受光面３３２上に、図１（Ｂ）に示すように結像したビームＳ１０、Ｓ２０の位置に基づき、処理部４００が、被測定物の基準位置に対するｘ方向、ｙ方向への変位量を被測定物１０の表面変位量として演算する。
【００７４】
従って、被測定物１０として、前述したように高速で回転するドリルの回転軸に対する変位を、リアルタイムで精度よくドリル側面の表面変位量として検出することができる。
【００７５】
以上のように、本実施例によれば、１組のテレセントリック光学系３００及び撮像部３３０を用いて変位計の光学系を構成することができるため、光学系全体の構成を簡単かつ安価なものとして、かつ小型のものとすることができる。
【００７６】
なお、図１に示す実施例では、回転軸を中心回転する被測定物の表面変位量をリアルタイムで測定する場合を例に取り説明したが、図１に示すｘｙ２次元平面を、回転軸方向のうちｚ軸方向に少しずつシフトし、その際のデータを取得し各位置における被測定物表面変位量を順次測定することにより、回転軸を中心に回転する回転体の３次元形状を把握することも可能となる。
【００７７】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能である。
【００７８】
前記実施例においては、撮像部としてＰＳＤ、すなわち光のスポットの光量の重心位置を求めることができる光位置センサを用いてもよく、これ以外にも、例えばＣＣＤカメラ及びその他の撮像手段を用いてもよい。
【００７９】
また、前記実施例では、位置シフト光学系としてのプリズムを、第１の反射光路２００−１及び第２の反射光路２００−２の双方に設ける場合を例に取り説明したが、必要に応じていずれか一方の反射光路にのみ設ける構成を採用してもよい。
【００８０】
また、本発明は、回転体以外の被測定物の変位測定を行うことも可能である。
【００８１】
また、前記実施例では、光源からマルチモードレーザビームを出力する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限らず、他の種類のビームを出力する光源を用いてもよい。例えば、シングルモードレーザビームを出力する光源を用いる場合には、前記測定光発生部は、測定ビームとしてシングルモードレーザビーム（例えば、ＴＥＭ００モードレーザビーム）を出力するレーザ光源と、前記シングルモードレーザビームを平行光とするコリメートレンズと、前記平行光を円偏光する１／４波長板と、円偏光された測定ビームに含まれるＳ偏光成分を透過し前記第１偏向測定ビームとして出力し、Ｐ偏光成分を反射し前記第２偏向測定ビームとして出力するビームスプリッタ部と、を含むように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は本発明が適用される変位計の一実施例の説明図である。
【図２】本実施例に用いられる位置シフト光学系の一例としてのプリズムの説明図である。
【図３】本実施例に用いられる位置シフト光学系の一例を示すプリズムの説明図である。
【図４】本発明の変位系の原理説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 被測定物
３０ 第１の偏向測定ビーム
３２ 第２の偏向測定ビーム
４０ 第１の偏向反射ビーム
４２ 第２の偏向反射ビーム
１００ 測定光発生部
１１０ レーザダイオード
１１２ コリメートレンズ
１１６ 絞り
１１８ １／４波長板
１１９ 偏向ビームスプリッタ
１２０ 第１の入射光学系
１３０ 第２の入射光学系
２００−１ 第１の反射光路
２００−２ 第２の反射光路
３００ テレセントリック光学系
３０２ 光軸
３１０ 凸レンズ
３１２ 絞り
３３０ 撮像手段としての光位置センサ
３３２ 受光面
３３４−１、３３４−２ 各ビームスポットＳ１０、Ｓ２０の移動経路
４００、４１０ 位置シフト光学系としてのプリズム
５００ 光学倍率補正光学系
５１０ 凹レンズ
５１２ 凸レンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位を光学的に測定する変位計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、接触式プローブを用いて、被測定物の表面形状の変位を測定する装置が知られている。
【特許文献１】特開２００５−１７２８１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、この従来装置では、接触式プローブを変位測定に用いる。このため、微小な表面形状の変位を観測しにくいという問題があり、さらに所定の回転軸を中心に高速回転する回転体を被測定物とし、その表面形状を測定しようとする場合に、被測定物を破損するリスクがあるという問題があった。
【０００４】
本発明の一態様の目的は、被測定物の表面形状が微細に変位する場合であっても、その変位を精度よく測定することが可能な変位計を提供することにある。
【０００５】
また、本発明の他の一態様の目的は、被測定物が所定の回転軸を中心に回転する回転体である場合、特に高速回転する回転体である場合であっても、その表面に接触傷等を付けることなく正確に変位測定可能な変位計を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）前記目的を達成するため、本発明は、
所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位を光学的に測定する変位計において、
第１偏向測定ビーム及び第２偏光測定ビームを出射する測定光発生部と、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面に入射させる第１の入射光路と、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面の位置であって前記第１偏向測定ビームとは異なる入射位置に、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から入射させる第２の入射光路と、
前記被測定物の表面における前記第１偏向測定ビームの入射された第１スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第１偏向反射ビームとして受光する第１の反射光路と、
前記被測定物の表面における前記第２偏向測定ビームの入射された第２スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第２偏向反射ビームとして受光する第２の反射光路と、
光軸に平行なビームが撮像手段の撮像面に結像するように形成されたテレセントリック光学系と、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に導く導光部と、
を含み、
第１の反射光路及び第２の反射光路の少なくとも一方は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの少なくとも一方を前記２次元平面内と交差する方向に光学的に位置シフトさせる位置シフト光学系と、
前記第１及び第２のスポットから、前記撮像手段の撮像面までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系と、
を含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、被測定物の第１スポット及び第２スポットで反射された所定の２次元平面内を通過するビームを、それぞれ所与の方向から第１偏向反射ビーム、第２偏向反射ビームとして受光し、導光路を介して、前記第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームがテレセントリック光学系の光軸と平行となるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームをテレセントリック光学系に導く構成を採用する。
【０００８】
これに加えて、第１の反射光路及び第２の反射光路の少なくとも一方に、前記第１及び第２のスポットから、前記撮像手段の撮像面までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系を設ける構成を採用する。
【０００９】
これにより、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームは、前記テレセントリック光学系を介して前記撮像手段の撮像面上に、所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位の各次元の変位量に関連付けた位置に結像することとなる。
【００１０】
また、本発明によれば、前記第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームの少なくとも一方を、前記２次元平面内と交差する方向、好ましくは直交する方向に光学的に位置シフトさせる位置シフト光学系を設ける構成を採用する。
【００１１】
これにより、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームは、前記撮像手段の撮像面上に、互いに離れた位置に結像することとなり、各ビーム相互の干渉を大幅に低減することができる。
【００１２】
以上のように、本発明によれば、撮像手段の撮像面上に、互いに分離した状態で、しかも被測定物の２次元変位の各次元の変位量に関連付けた位置に第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームが結像することになり、その結像位置に基づき、前記２次元平面内における被測定物の２次元変位を、各ビーム相互の干渉を受けることなく、正確に測定することが可能となる。
【００１３】
加えて、本発明によれば、被測定物の２次元変位を、光学的に非接触で測定するため、仮に被測定物が高速で回転する回転体である場合であっても、その表面変位を精度よくかつ被測定物を損傷させることなく測定することが可能となる。
【００１４】
また、本発明によれば前述したように、反射ビームを撮像手段の撮像面に結像するためにテレセントリック光学系を用いる。これにより、被測定物の第１及び第２スポットの位置が変化した場合でも、撮像面上にぼけの少ないより鮮明なスポットとして第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームを結像することが可能となり、係る面からも精度の高い測定を実現することが可能となる。
【００１５】
更に、本発明によれば、一組のテレセントリック光学系及び撮像手段で、被測定物の第１スポット及び第２スポットから反射される２方向の偏向反射ビームを同時測定することができるため、この面から、変位計の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。
【００１６】
なお、前記位置シフト光学系としては、前記２次元平面内と交差する方向、例えば前記２次元平面がＸＹ平面である場合には、これと交差する方向、好ましくは直交するＺ軸方向に反射ビームの少なくとも一方を光学的に位置シフトさせるよう配置されたプリズムなどを用いることが好ましい。
【００１７】
また、第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームの双方を位置シフトさせる場合には、前記反射ビームのいずれか一方をＺ軸方向の＋軸方向に位置シフトさせ、他方をＺ軸方向の−方向に位置シフトさせることにより、前記２つの反射ビームを、撮像手段の撮像面上にさらに分離した状態で結像させ、両反射ビームの相互の干渉をより低減し、さらに精度のよい測定を実行することが可能となる。
【００１８】
また、本発明において、撮像手段として、光スポットの光量の重心位置を求めることができるセンサである光位置センサ（ＰＳＤ）を用いてもよい。
【００１９】
（２）また本発明において、
前記第１の入射光路は、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記被測定物の表面に入射させ、
前記第２の入射光路は、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から前記被測定物の異なる表面位置に入射するように構成してもよい。
【００２０】
これにより、入射光路を形成する各入射光学系と、反射光路を形成する各反射光学系を、ほぼ同一面上に配置する構成を採用することができ、変位計の光学系をより小型でかつ操作性をよいものとすることができる。
【００２１】
（３）また本発明において、
前記測定光発生部は、
測定ビームとしてマルチモードレーザビームを出力する光源と、
前記マルチモードレーザビームを平行光とするコリメートレンズと、
前記平行光を円偏光する１／４波長板と、
円偏光された測定ビームに含まれるＳ偏光成分を透過し前記第１偏向測定ビームとして出力し、Ｐ偏光成分を反射し前記第２偏向測定ビームとして出力するビームスプリッタ部と、
を含むようにしてもよい。
【００２２】
このように、測定ビームとしてマルチモードレーザビームを用いることにより、被測定物の第１スポット及び第２スポットで反射された第１偏向反射ビーム及び第２偏向反射ビームの相互の干渉をさらに低減し、被測定物の変位の測定誤差をより低減することができる。
【００２３】
（４）また本発明において、
前記第１の入射光路及び第２の入射光路は、
前記前記被測定物に対し、前記２次元平面内において互いに直交する方向から、前記第１偏向測定ビーム及び前記第２偏向測定ビームを入射するように光路が形成するように構成してもよい。
【００２４】
係る構成を採用することにより、２次元平面内における各座標軸方向に対する被測定物の変位量を、簡単な演算で測定することが可能となる。
【００２５】
（５）また本発明において、
前記導光部は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に透過または反射するビームスプリッタ部とする構成を採用してもよい。
【００２６】
（６）また本発明の変位計は、
前記撮像手段の撮像面上における、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの結像位置に基づき、前記被測定物の２次元変位の各次元の変位量を演算する変位量演算手段を含む構成を採用してもよい。
【００２７】
（７）また本発明において、
被測定物の２次元変位を光学的に測定する前記２次元平面を、回転軸を中心に回転する被測定物の前記回転軸に直交する方向に設定し、
前記変位量演算手段は、
回転軸を中心に回転する前記被測定物の軸ぶれ量を前記２次元平面内の表面変位量として演算する構成を採用してもよい。
【００２８】
本発明によれば、被測定物が所定の回転軸を中心に高速回転する回転体であっても、当該被測定物の軸ぶれ量を、非接触で精度よく高速で測定することが可能となる。
【００２９】
特に、回転体である被測定物の表面が円筒形状をしているような場合にあっては、当該回転体の軸ぶれを回転体表面の２次元平面内の二軸方向への変位量として精度よく測定することが可能となり、従って本発明を、例えば高精度の加工を行うための高速回転ドリル等の軸ぶれ検出用に用いることにより、当該ドリルの回転中心からの変位量を瞬時に正確に検出し、この軸ぶれ補正を行い、精度の高い加工を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
次に、本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明する。
【００３１】
（１）原理説明
図４には、本発明に係る変位計の基本原理及びその構成が示されている。
【００３２】
本実施例の変位計は、所定の２次元平面内における被測定物１０の２次元変位を光学的に測定する。ここでは、図４に示すｘ，ｙ平面が、被測定物１０の２次元変位を光学的に測定するための所定の２次元平面を表す。
【００３３】
実施例の変位計は、測定光発生部１００と、第１の入射光学系１２０と、第２の入射光学系１３０と、被測定物の各反射スポットからの反射光をそれぞれテレセントリック光学系３００−1、３００−２に導くための第１の反射光路２００−１及び第２の反射光路２００−２と、前述したテレセントリック光学系３００−１、３００−２と、撮像部３３０ａ、３３０ｂとを含む。
【００３４】
前記第１、第２の入射光学系１２０、１３０、第１、第２の反射光路２００−１、２００−２、テレセントリック光学系３００−１、３００−２、撮像部３３０ａ、３３０ｂは、図４に示すｘｙの２次元平面内に光学的に配置されている。
【００３５】
そして、本実施例の変位計は、被測定物１０のこのｘｙ２次元平面内におけるｘ方向及びｙ方向の２次元変位量を、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２が、被測定物１０の表面の互いに異なる測定ポイントで反射することによって得られる第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の、撮像部３３０ａ、３３０ｂの撮像面上における結像位置に基づき測定する。
【００３６】
実施例の測定光発生部１００は、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２を出射するように構成されている。この測定光発生部１００は、マルチモード発振することによりマルチモードレーザビーム２０を出力する光源としてのレーザダイオード１１０と、コリメートレンズ１１２と、絞り１１６と、１／４波長板１１８と、偏向ビームスプリッタ１１９とを含む。
【００３７】
そして、レーザダイオード１１０から出力されるマルチモードレーザビーム２０は、コリメートレンズ１１２で平行光となり、さらに絞り１１６を通過することによりビーム径が制限され、さらに１／４波長板を通過することにより円偏向され偏向ビームスプリッタ１１９へ入射される。
【００３８】
偏向ビームスプリッタ１１９は、この入射光に含まれるＳ偏向成分を、第１の偏向測定ビーム３０として直線的に透過出力し、入射光に含まれるＰ偏向成分を第２の測定偏向測定ビーム３２として反射し、９０度進行方向を変化させて出力する。
【００３９】
第１の入射光学系１２０は、第１の偏向測定ビームが通過する第１の入射光路を形成する。具体的には、偏向ビームスプリッタ１１９を透過出力された第１の偏向測定ビーム３０を、ミラー１２２を用いて９０度進行方向を変化させ、被測定物１０の側面に入射させる。
【００４０】
第２の入射光学系１３０は、第２の偏向測定ビーム３２が通過する第２の入射光路を形成するものである。具体的には、偏向ビームスプリッタ１１９から出力される第２の偏向測定ビーム３２を、ミラー１３２を用いて９０度進行方向を変化させ、被測定物１０の側面に、第１の偏向測定ビーム３０とは異なる方向から入射させる。
【００４１】
より具体的には、被測定物１０に対して、第１の偏向測定ビーム３０は、ｘｙ２次元平面のｙ軸方向に沿って入射され、第２の偏向測定ビーム３２は、被測定物１０に対しｘ軸方向に沿って（第１の偏向測定ビーム３０に対し９０度と異なる方向から）入射されるように光路が形成されている。
【００４２】
加えて、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２は、被測定物１０の異なる位置を測定ポイントとして入射するように、第１の入射光学系１２０及び第２の入射光学系１３０のそれぞれの光路が形成されている。
【００４３】
なお、被測定物１０に対する第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２の入射角は９０度に設定することが好ましいが、１８０度の整数倍以外の入射角度であるならば、９０度と異なる角度に設定してもよい。
【００４４】
被測定物１０の側面において、第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２がそれぞれ入射される測定スポットＳ１、Ｓ２では、ビームがそれぞれ乱反射される。
【００４５】
前記各テレセントリック光学系３００−１、３００−２は、被測定物１０の各測定スポットＳ１、Ｓ２で乱反射された反射光に含まれる前記ｘｙの２次元平面内を通過する反射ビームを、所与の方向から受光するように光学配置され、加えて被測定物１０が基準位置にある場合に、反射スポットＳ１、Ｓ２から撮像部３３０ａ、３３０ｂの受光面までの光路長の距離が等価的に等しくなるように配置されている。
【００４６】
図４に示す原理図では、テレセントリック光学系３００−１、３００−２の光軸は、基準位置にある被測定物１０の測定スポットＳ１、Ｓ２を指し示すように、図４に示すｘｙ２次元平面内に配置されている。
【００４７】
そして、被測定物１０の測定スポットＳ１、Ｓ２で乱反射された光成分のうち、ｘ，ｙ２次元平面内を通過しかつ各テレセントリック光学系３００−１、３００−２の光軸方向に反射される反射ビームは、第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２としてテレセントリック光学系３００−１、３００−２を介して撮像部３３０ａ、３３０ｂの受光面上に結像することになる。
【００４８】
この撮像部３３０ａ、３３０ｂ上における第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の結像位置は、被測定物１０が図中実線で示す基準位置である場合には、Ｐ、Ｑの基準位置に結像するが、例えば図中破線で示す位置１０′まで被測定物１０が移動すると、第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の結像位置は、テレセントリック光学系３００−１、３００−２により、そのｙ方向、ｘ方向への変位量に応じた位置Ｐ′、Ｑ′に結像することになる。
【００４９】
従って、撮像部３３０ａ、３３０ｂの基準位置Ｐ、Ｑに対する、第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２の結像位置Ｐ′、Ｑ′の位置を測定することにより、ｘｙ２次元平面内における被測定物１０のｙ方向、ｘ方向への変位量を測定することができる。
【００５０】
ここにおいて、前記各テレセントリック光学系３００−１、３００−２は、それぞれテレセントリックレンズとしての凸レンズ３１０ａ、３１０ｂと、該レンズの焦点位置に設けられた絞り３１２ａ、３１２ｂとを有し、光学系の光軸と平行に入射されてくる第１及び第２の偏向反射ビーム４０、４２を絞り３１２ａを介して、撮像部３３０ａ、３３０ｂ上の撮像面にぼけの少ないビームとして結像させることができる。
【００５１】
従って、被測定物１０は、図４のｘｙ平面内を、図中実線で示す位置から破線で示す位置Ｑ′まで変位した場合を想定すると、撮像部３３０ａの撮像面上における基準位置Ｐに対する反射ビームの結像位置Ｐ′は、被測定物１０のｙ軸方向への変位に対応し、撮像部３３０ｂの受光面上における基準位置Ｑに対する反射ビーム４２の結像位置Ｑ′は、被測定物１０のｘ軸方向への変位量に対応する。
【００５２】
よって、例えば回転軸を中心に高速回転する通常の回転体、具体的には工作機械のドリル等を被測定物１０と想定した場合に、このドリルの回転軸に対し、図４に示すｘｙ２次元平面が直交となるように図４に示す変位計の光学系を設置し、かつ第１の偏向測定ビーム３０及び第２の偏向測定ビーム３２がドリルの回転軸と交差する方向に入射するように変位計の光学系を設置する。これにより、高速回転するドリルの回転軸に対する軸ぶれ量を、ドリル側面の表面変位量として非接触で高精度に演算し、高速回転するドリルに軸ぶれがあるか否かを正確に判断し、軸ぶれがある場合にはその軸ぶれ量を補正が正確に行われたかを判断し、当該ドリルを用いた加工の高精度化を実現することが可能となる。
【００５３】
ところで、この図４に示す原理図の構成を採用した変位計では、同図に示すように２組のテレセントリック光学系３００−１、３００−２と、２組の撮像部３３０ａ、３３０ｂが必要となり、変位計自体が高価でかつ大型のものとなってしまうという問題がある。
【００５４】
次に、このような図４に示す原理図の構成を採用した場合の課題を解決し、１組のテレセントリック光学系及び撮像部を用い、図４に示す変位計と同様な精度で被測定物１０の変位量測定を行うことができる本実施の形態の変位計の実施例を説明する。
【００５５】
（２）実施例
図１には、本発明の好適な実施例が示されている。なお、図４に示す原理図と対応する部材には、同一を付しその説明は省略する。
【００５６】
特に、実施例の変位計の測定光発生部１００と、第１の入射光学系１２０と、第２の入射光学系１３０の構成は、図４に示す構成と同一であるので、その説明は省略する。
【００５７】
本実施の形態では、図４に示す原理図の構成と同様に、第１の反射光路２００−１上に、前記テレセントリック光学系３００−１、撮像部３３０ａと同様な構成をもつ、テレセントリック光学系３００及び撮像部３３０を設けている。
【００５８】
そして、被測定物１０の測定スポットＳ１とテレセントリック光学系３００までの間に位置する第１の反射光路２００−１上に、第１の偏向反射ビーム４０をテレセントリック光学系３００に向けて直線的に透過する導光部としての偏向ビームスプリッタ６００を設置する。
【００５９】
さらに、本実施例では、第２の反射光路２００−２は、第２スポットＳ２で反射されたビームに含まれるｘｙ２次元平面内を通過する第２の偏向反射ビーム４２を、プリズム４１０、ミラー２１０−２を用いてその進行方向を変化させ、前記偏向ビームスプリッタ６００に４５度の角度で入射するように構成されている。
【００６０】
これにより、導光部としての偏向ビームスプリッタ６００は、第１の偏向反射ビーム４０及び第２の偏向反射ビーム４２が、前記テレセントリック光学系３００の光軸と平行となるように、第１の反射光路２００−１を介して入力される第１の偏向反射ビーム４０をそのまま透過し、第２の反射光路２００−２を介して入力される第２の偏向反射ビーム４２を、進行方向と９０度異なる方向に反射する。
【００６１】
このとき、第１の反射光路２００−１における偏向ビームスプリッタ６００までの光路長と、第２の反射光路２００−２における偏向ビームスプリッタ６００までの光路長が異なるため、双方の光学倍率が等価的に等しくなるよう補正するための手段が設けられている。すなわち基準位置にある被測定物１０の測定スポットＳ１、Ｓ２から撮像部３３０の受光面３３２までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系５００が、第２の反射光路２００−２上に設けられている。
【００６２】
ここでは、光学倍率補正光学系５００は、凹レンズ５１０及び凸レンズ５１２の組み合わせとして構成され、撮像部３３０の受光面３３２上に、図１（Ｂ）に示すように結像するビームＳ２０のビーム径が、同受光面３３２上に結像する第１の偏向反射ビーム４０のビームＳ１０と同一径となるように、その倍率調整を行う倍率調整機能を有する。
【００６３】
これにより、撮像部３３０の受光面３３２上には、図４に示す原理図と同様に、Ｐ、Ｑを基準にした、被測定物１０のｘ軸方向、ｙ軸方向の変位量に対応した位置Ｐ′、Ｑ′に、第１の偏向反射ビーム４０及び第２の偏向反射ビーム４２のビームＳ１０、Ｓ２０が結像することになる。
【００６４】
ところで、撮像部３３０の受光面３３２上において、第１及び第２の偏向反射ビーム４０、４２が互いに重なって結像すると、両ビーム光が互いに干渉して、正確な位置検出を行うことができない。
【００６５】
このため、本実施例では、第１の反射光路２００−１の偏向ビームスプリッタ６００の手前側に、図２に示すプリズム４００が、位置シフト光学系として設けられている。
【００６６】
図２に示すように、このプリズム４００は、第１の偏向反射ビーム４０を、図１に示すｘｙ２次元平面と直交するｚ軸の−方向に−ｚ１だけ変位させた平行光線として出力する。
【００６７】
加えて、第２の反射光路２００−２に設けたプリズム４１０も、位置シフト光学系として形成している。具体的には、図３に示すように、入射する第２の偏向反射ビーム４２を、ｚ軸の＋方向に＋ｚ１の距離だけシフトしたビームとして反射するプリズムとして形成されている。
【００６８】
この結果、偏向ビームスプリッタ６００に入射される第１の偏向反射ビーム４０と、第２の偏向反射ビーム４２は、ｚ軸方向に２ｚ１の距離だけ離れたビームとなる。
【００６９】
これにより、偏向ビームスプリッタ６００を介してテレセントリック光学系３００に対し、その光軸と平行となるように透過または反射された第１の偏向反射ビーム４０、第２の偏向反射ビーム４２は、撮像部３３０の受光面３３２上に図１（Ｂ）に示すように結像する。具体的には、前記ｚ軸方向の方向への離間距離２ｚ１に対応した距離だけ離れた移動経路３３４−１、３３４−２を各ビームＳ１０、Ｓ２０が移動するように結像することになり、両ビームＳ１０、Ｓ２０が受光面３３２上で互いに交わることが防止される。
【００７０】
すなわち、受光面３３２上に結像する前記第１及び第２の偏向反射ビーム４０、４２は、図１（Ｂ）に示す図中一点鎖線で示す移動経路３３４−１、３３４−２上をそれぞれ移動し、これら各移動経路３３４−１、３３４−２は前記２ｚ１の距離に対応した距離分だけ離れた移動経路となる。
【００７１】
従って、１つの受光面３３２上において２つの反射ビームを結像した場合でも、結像した反射ビームが違いに干渉することがなく、それぞれ独立したビームの位置として検出することができる。
【００７２】
これにより、１組のテレセントリック光学系３００及び撮像部３３０を用いた場合でも、被測定物１０のｘｙ２次元平面内におけるｘ方向及びｙ方向への表面の変位量を正確に測定することが可能となる。
【００７３】
そして、撮像部３３０の受光面３３２上に、図１（Ｂ）に示すように結像したビームＳ１０、Ｓ２０の位置に基づき、処理部４００が、被測定物の基準位置に対するｘ方向、ｙ方向への変位量を被測定物１０の表面変位量として演算する。
【００７４】
従って、被測定物１０として、前述したように高速で回転するドリルの回転軸に対する変位を、リアルタイムで精度よくドリル側面の表面変位量として検出することができる。
【００７５】
以上のように、本実施例によれば、１組のテレセントリック光学系３００及び撮像部３３０を用いて変位計の光学系を構成することができるため、光学系全体の構成を簡単かつ安価なものとして、かつ小型のものとすることができる。
【００７６】
なお、図１に示す実施例では、回転軸を中心回転する被測定物の表面変位量をリアルタイムで測定する場合を例に取り説明したが、図１に示すｘｙ２次元平面を、回転軸方向のうちｚ軸方向に少しずつシフトし、その際のデータを取得し各位置における被測定物表面変位量を順次測定することにより、回転軸を中心に回転する回転体の３次元形状を把握することも可能となる。
【００７７】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で各種の変形実施が可能である。
【００７８】
前記実施例においては、撮像部としてＰＳＤ、すなわち光のスポットの光量の重心位置を求めることができる光位置センサを用いてもよく、これ以外にも、例えばＣＣＤカメラ及びその他の撮像手段を用いてもよい。
【００７９】
また、前記実施例では、位置シフト光学系としてのプリズムを、第１の反射光路２００−１及び第２の反射光路２００−２の双方に設ける場合を例に取り説明したが、必要に応じていずれか一方の反射光路にのみ設ける構成を採用してもよい。
【００８０】
また、本発明は、回転体以外の被測定物の変位測定を行うことも可能である。
【００８１】
また、前記実施例では、光源からマルチモードレーザビームを出力する場合を例にとり説明したが、本発明はこれに限らず、他の種類のビームを出力する光源を用いてもよい。例えば、シングルモードレーザビームを出力する光源を用いる場合には、前記測定光発生部は、測定ビームとしてシングルモードレーザビーム（例えば、ＴＥＭ００モードレーザビーム）を出力するレーザ光源と、前記シングルモードレーザビームを平行光とするコリメートレンズと、前記平行光を円偏光する１／４波長板と、円偏光された測定ビームに含まれるＳ偏光成分を透過し前記第１偏向測定ビームとして出力し、Ｐ偏光成分を反射し前記第２偏向測定ビームとして出力するビームスプリッタ部と、を含むように構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】図１は本発明が適用される変位計の一実施例の説明図である。
【図２】本実施例に用いられる位置シフト光学系の一例としてのプリズムの説明図である。
【図３】本実施例に用いられる位置シフト光学系の一例を示すプリズムの説明図である。
【図４】本発明の変位系の原理説明図である。
【符号の説明】
【００８３】
１０ 被測定物
３０ 第１の偏向測定ビーム
３２ 第２の偏向測定ビーム
４０ 第１の偏向反射ビーム
４２ 第２の偏向反射ビーム
１００ 測定光発生部
１１０ レーザダイオード
１１２ コリメートレンズ
１１６ 絞り
１１８ １／４波長板
１１９ 偏向ビームスプリッタ
１２０ 第１の入射光学系
１３０ 第２の入射光学系
２００−１ 第１の反射光路
２００−２ 第２の反射光路
３００ テレセントリック光学系
３０２ 光軸
３１０ 凸レンズ
３１２ 絞り
３３０ 撮像手段としての光位置センサ
３３２ 受光面
３３４−１、３３４−２ 各ビームスポットＳ１０、Ｓ２０の移動経路
４００、４１０ 位置シフト光学系としてのプリズム
５００ 光学倍率補正光学系
５１０ 凹レンズ
５１２ 凸レンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位を光学的に測定する変位計において、
第１偏向測定ビーム及び第２偏光測定ビームを出射する測定光発生部と、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面に入射させる第１の入射光路と、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面の位置であって前記第１偏向測定ビームとは異なる入射位置に、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から入射させる第２の入射光路と、
前記被測定物の表面における前記第１偏向測定ビームの入射された第１スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第１偏向反射ビームとして受光する第１の反射光路と、
前記被測定物の表面における前記第２偏向測定ビームの入射された第２スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第２偏向反射ビームとして受光する第２の反射光路と、
光軸に平行なビームが撮像手段の撮像面に結像するように形成されたテレセントリック光学系と、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に導く導光部と、
を含み、
第１の反射光路及び第２の反射光路の少なくとも一方は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの少なくとも一方を前記２次元平面内と交差する方向に光学的に位置シフトさせる位置シフト光学系と、
前記第１及び第２のスポットから、前記撮像手段の撮像面までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系と、
を含む変位計。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の入射光路は、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記被測定物の表面に入射させ、
前記第２の入射光路は、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から前記被測定物の異なる表面位置に入射させることを特徴とする変位計。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかにおいて、
前記測定光発生部は、
測定ビームとしてマルチモードレーザビームを出力する光源と、
前記マルチモードレーザビームを平行光とするコリメートレンズと、
前記平行光を円偏光する１／４波長板と、
円偏光された測定ビームに含まれるＳ偏光成分を透過し前記第１偏向測定ビームとして出力し、Ｐ偏光成分を反射し前記第２偏向測定ビームとして出力するビームスプリッタ部と、
を含むことを特徴とする変位計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第１の入射光路及び第２の入射光路は、
前記前記被測定物に対し、前記２次元平面内において互いに直交する方向から、前記第１偏向測定ビーム及び前記第２偏向測定ビームを入射するように光路が形成されたことを特徴とする変位計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記導光部は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に透過または反射するビームスプリッタ部であることを特徴とする変位計。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記撮像手段の撮像面上における、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの結像位置に基づき、前記被測定物の２次元変位の各次元の変位量を演算する変位量演算手段を含むことを特徴とする変位計。
【請求項７】
請求項６において、
被測定物の２次元変位を光学的に測定する前記２次元平面を、回転軸を中心に回転する被測定物の前記回転軸に直交する方向に設定し、
前記変位量演算手段は、
回転軸を中心に回転する前記被測定物の軸ぶれ量を前記２次元平面内の表面変位量として演算することを特徴とする変位計。
【請求項１】
所定の２次元平面内における被測定物の２次元変位を光学的に測定する変位計において、
第１偏向測定ビーム及び第２偏光測定ビームを出射する測定光発生部と、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面に入射させる第１の入射光路と、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内に位置する前記被測定物の表面の位置であって前記第１偏向測定ビームとは異なる入射位置に、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から入射させる第２の入射光路と、
前記被測定物の表面における前記第１偏向測定ビームの入射された第１スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第１偏向反射ビームとして受光する第１の反射光路と、
前記被測定物の表面における前記第２偏向測定ビームの入射された第２スポットで反射されたビームに含まれる前記２次元平面内を通過するビームを、所与の方向から第２偏向反射ビームとして受光する第２の反射光路と、
光軸に平行なビームが撮像手段の撮像面に結像するように形成されたテレセントリック光学系と、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に導く導光部と、
を含み、
第１の反射光路及び第２の反射光路の少なくとも一方は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの少なくとも一方を前記２次元平面内と交差する方向に光学的に位置シフトさせる位置シフト光学系と、
前記第１及び第２のスポットから、前記撮像手段の撮像面までの光学倍率を等価的に同一に補正する光学倍率補正光学系と、
を含む変位計。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の入射光路は、
前記第１偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記被測定物の表面に入射させ、
前記第２の入射光路は、
前記第２偏向測定ビームを、所与の光路を介して前記２次元平面内を通過するビームとして、前記第１偏向測定ビームとは異なる方向から前記被測定物の異なる表面位置に入射させることを特徴とする変位計。
【請求項３】
請求項１、２のいずれかにおいて、
前記測定光発生部は、
測定ビームとしてマルチモードレーザビームを出力する光源と、
前記マルチモードレーザビームを平行光とするコリメートレンズと、
前記平行光を円偏光する１／４波長板と、
円偏光された測定ビームに含まれるＳ偏光成分を透過し前記第１偏向測定ビームとして出力し、Ｐ偏光成分を反射し前記第２偏向測定ビームとして出力するビームスプリッタ部と、
を含むことを特徴とする変位計。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第１の入射光路及び第２の入射光路は、
前記前記被測定物に対し、前記２次元平面内において互いに直交する方向から、前記第１偏向測定ビーム及び前記第２偏向測定ビームを入射するように光路が形成されたことを特徴とする変位計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記導光部は、
前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームが前記テレセントリック光学系の光軸と平行になるように、第１の反射光路及び第２の反射光路から出力される前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームを前記テレセントリック光学系に透過または反射するビームスプリッタ部であることを特徴とする変位計。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記撮像手段の撮像面上における、前記第１偏向反射ビーム及び前記第２偏向反射ビームの結像位置に基づき、前記被測定物の２次元変位の各次元の変位量を演算する変位量演算手段を含むことを特徴とする変位計。
【請求項７】
請求項６において、
被測定物の２次元変位を光学的に測定する前記２次元平面を、回転軸を中心に回転する被測定物の前記回転軸に直交する方向に設定し、
前記変位量演算手段は、
回転軸を中心に回転する前記被測定物の軸ぶれ量を前記２次元平面内の表面変位量として演算することを特徴とする変位計。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−２２４８（Ｐ２０１０−２２４８Ａ）
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１６００６３（Ｐ２００８−１６００６３）
【出願日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月７日（２０１０．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１９日（２００８．６．１９）
【出願人】（５９２２５３７３６）シグマ光機株式会社 (46)
【Ｆターム（参考）】
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