JP2004028914A - Optical displacement sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】対物レンズの開口径よりも小径な穴や幅狭な溝に対しても、その内側面形状を高精度に計測可能な光学式変位センサを提供すること。
【解決手段】同軸合焦点方式の光学式変位センサであって、対物レンズを含むセンサヘッド部(10)と、前記センサヘッド部の対物レンズ前方に所定距離を隔てて配置されかつ前記対物レンズの開口径よりも小型とされた反射鏡部材(30)と、前記反射鏡部材を前記センサヘッド部に対して支持する支持部材(22,23)とを含む。前記反射鏡部材は、鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態で配置されるものであり、かつ前記支持部材は、前記反射鏡部材側から前記センサヘッド部側に至る所定距離部分について、断面輪郭が前記対物レンズの開口相当の円内に収まるものであり、さらに前記対物レンズの開口数を実質的に低下させない構造体である。
【選択図】 図2An optical displacement sensor capable of measuring the shape of the inner surface of a hole or a groove having a diameter smaller than an opening diameter of an objective lens with high accuracy.
An optical displacement sensor of a coaxial focusing system, comprising: a sensor head section (10) including an objective lens; and a sensor head section (10) disposed in front of the objective lens of the sensor head section at a predetermined distance from the sensor head section. A reflecting mirror member (30) smaller than the opening diameter, and supporting members (22, 23) for supporting the reflecting mirror member with respect to the sensor head portion. The reflecting mirror member is disposed in a bare state without being surrounded by a lens barrel, and the support member has a cross-sectional profile of a predetermined distance portion from the reflecting mirror member side to the sensor head portion side. Are within a circle corresponding to the aperture of the objective lens, and further, the numerical aperture of the objective lens is not substantially reduced.
[Selection] Fig. 2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、同軸合焦点方式の光学式変位センサに係り、特に、径小な穴の内周面や幅狭な溝の内側面等の変位計測に好適な光学式変位センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
特開平5−99631号公報には、金属にドリル等で開けた穴の内面形状を測定する穴形状光測定装置が開示されている。この穴形状光測定装置は、ビーム状の光線を発する第1の手段と、該光線を90度からややずれた角度だけ曲げる第2の手段と、当該曲げた光線を元の光線を中心軸として回転させる第3の手段と、曲げられた光線が穴の内面に当たってできる光点の乱反射光を集光する第4の手段と、当該第4の手段によって集光した光が作る光点の像の位置を検出する第5の手段と、当該第5の手段により検出した像位置から、三角測量の原理により光点位置を算出する第6の手段と、を含んでいる。
【0003】
この穴形状光測定装置によれば、機械的な運動は回転だけで穴の一周に亘る内面形状を連続測定できること、測定装置と穴内面とは接触しないため摩擦・摩耗がないこと、光線を高速に移動させることができるので、従来方法に比べ測定時間を短縮できること、と言った様々な利点が得られる。
【0004】
また、特開平5−164556号公報には、非接触表面粗さ計や三次元座標測定器用の非接触倣いプローブ等として好適な合焦点方式の非接触型変位計が開示されている。
【0005】
この変位計によれば、深溝や穴の表面形状測定が可能であり、しかも対物レンズの交換もできる利点がある。加えて、同公報の図2及び図6には、対物レンズに至る鏡胴内に反射鏡を配置して光軸を90度曲げることにより、穴の内側面を測定する技術も開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平5−99631号公報に開示された穴形状光測定装置にあっては、三角測量の原理により変位測定を行うものであるから、測定装置から測定対象物へ向かう入射光の光軸と、測定対象物で反射されたのち測定装置へ戻される反射光の光軸との間には、要求される分解能に応じた一定値以上の視差角が必要となる。そのため、径の割には深さの大きい穴や幅の割には深さの大きい溝の内側面を計測しようとすると、前述した入射光路と反射光路との間の視差角によって測定可能な穴の深さが制限される。一方、入射光の光軸と反射光の光軸との視差角を小さくすればより深い溝や穴に対する対応が可能であるが、そうすると測定分解能が低下して、穴や溝の内側面の微小形状変化を正確に計測できない。さらに、測定対象物上での入射光のスポット径は必ずしも絞られた状態にはならないので、微小形状の変位を計測することはできない。
【0007】
一方、特開平5−164556号公報に開示された合焦点型非接触変位計によれば、所謂同軸落射型光学系を採用しているため、三角測量原理を採用した場合のような入射・反射光路間の視差角に起因する不都合は生じない。しかし、同公報の図2並びに図6に示される内側面測定技術にあっては、光源から対物レンズに至る鏡胴内に反射鏡を配置して光軸をほぼ直角に折り曲げる構成が採用されているため、測定可能な穴の内径は必然的に鏡胴の外径よりも大きくなければならず、換言すれば対物レンズの開口径よりも小径な穴や溝に対しては、原理上適用できない。
【0008】
この発明は、上述した従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、対物レンズの開口径よりも小径な穴や幅狭な溝に対しても、その内側面形状を高精度に計測可能な光学式変位センサを提供することにある。
【0009】
この発明の他の目的とするところは、上述した光学式変位センサに好適な反射鏡部材の取付具を提供することにある。
【0010】
この発明のさらに他の目的並びに作用効果については、以下の明細書の記載を参照することにより、当事業者であれば容易に理解される筈である。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明の光学式変位センサは、変位検出原理としては、例えば、特開平5−164556号公報や特開平7−113617号公報等に記載された同軸合焦点方式を採用している。そのため、例えば、特開平5−99631号公報等に記載された三角測量方式を採用する光学式変位センサのような、視差角に起因する計測制限の問題は生じない。
【0012】
この光学式変位センサには、対物レンズを含むセンサヘッド部と、前記センサヘッド部の対物レンズ前方に所定距離を隔てて配置されかつ前記対物レンズの開口径よりも十分に小型とされた反射鏡部材と、前記反射鏡部材を前記センサヘッド部に対して支持する支持部材とが含まれている。
【0013】
なお、『反射鏡部材』とは、対物レンズから到来する計測光を反射することにより、その光軸を所定角度だけ変更するための鏡面を有する部材である。反射鏡部材による光軸変更角度をどの程度とするかは設計事項であるが、穴の内周側面ゃ溝の内側面の変位計測を行う場合には、光軸変更角度は90度若しくは略90度とされるであろう。また、反射鏡部材に関して『〜開口径よりも小型』としたのは、本発明の光学式変位センサにおいて、穴の内周面や溝の内側面の変位計測を行うためには、当該穴や溝内に反射鏡部材が挿入されねばならない一方、反射鏡部材のサイズにより、挿入可能な穴径又は溝幅が決定されることを考慮したためである。計測光は対物レンズの有効径(開口相当の円でも可)と測定対象物上の集光点とを結んだ円錐状の光束の形状を有し、反射鏡部材は対物レンズの前方に配置されることから、その断面の大きさは対物レンズの有効径よりも小さく、その反射面の大きさは、その位置における計測光の光束全てを網羅できるだけの大きさを有する。(ここで、断面とは、対物レンズの中心と測定対象物上の集光点とを結んだ線に垂直な平面を言う。)また、『対物レンズの前方に所定距離』とあるが、ここで『所定距離』とは、対物レンズの前方に生ずる集光点よりも手前であることは言うまでもない。
【0014】
加えて、前記反射鏡部材は、鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態で配置されるものでなければならない。例えば、特開平5−164556号公報の図2又は図6に示されるように、反射鏡部材が鏡胴に包囲される構成を採用すると、鏡胴の外径により適用可能な穴径や溝幅の下限が制限されてしまう。もっとも、鏡胴の外径を対物レンズの開口径よりも小さくすれば、適用可能な穴形や溝幅の下限はより小さくなるが、その場合には鏡胴の内径により穴径や溝幅に拘わらず、対物レンズの開口数が一義的に制限されてしまい、測定分解能が低下する。
【0015】
これに対して、反射鏡部材が鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態であれば、反射鏡部材が挿入可能であるかぎり、対物レンズの開口数を最大限に利用して内周面(穴の場合)や内側面(溝の場合)の変位測定が可能となる。すなわち、反射鏡部材が穴や溝の入口から内部に挿入開始されたのち、対物レンズから反射鏡部材へ至る円錐状光束の外周縁が穴や溝の入口で遮られるまでの間に関しては、対物レンズの開口数の低下は生じないので、最大限の分解能で変位計測が可能となる。一方、反射鏡部材が穴や溝の内部深くに挿入されたことにより、上記円錐状光束の外周縁が穴や溝の入口で遮られ始めると、対物レンズの開口数は初めて低下を開始し、それに伴い計測分解能は低下するが、それにしても、反射鏡部材が挿入可能であるかぎり、変位計測不能に陥ることはない。
【0016】
このような反射鏡部材の剥き出し構造を実現するためには、前記支持部材は、前記反射鏡部材側から前記センサヘッド部側に至る所定距離部分(好ましくは、その全長)について、断面輪郭が前記対物レンズの開口相当の円内に収まるものでなければないない。さもなければ、支持部材それ自体が邪魔をして、反射鏡部材を対物レンズの開口径よりも小径な穴や幅狭な溝に奥深くまで挿入できないからである。なお、反射鏡部材と同程度のサイズの穴径や溝幅に対しても、反射鏡部材の挿入を許容するためには、支持部材の断面の占める領域は上記円内の中央寄りであることが好ましいことは言うまでもない。
【0017】
加えて、支持部材は、対物レンズの開口数を実質的に低下させない非遮光性構造体でなければならない。支持部材が如何に反射鏡部材の穴や溝への挿入を邪魔しないものであっても、それが対物レンズからの光を大きく遮ってしまえば、実質的に開口数が減少して、計測分解能は低下するからである。好ましい実施の形態においては、前記支持部材を構成する非遮光性構造体が、光軸に沿って延在され、かつ互いに平行な1本若しくは2本以上の線材で構成される。
【0018】
以上述べた本発明の光学式変位センサによれば、対物レンズの開口径よりも小径な穴や幅狭な溝に対しても、その内側面形状を高精度に計測可能となる。
【0019】
次に、同軸合焦点方式の光学式変位センサにおいて、センサヘッド部の対物レンズ前方の所定距離隔てた位置に、該対物レンズの開口径よりも十分に小型な反射鏡部材を、鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態で配置するために、本発明者等は、好適な取付具を提案する。
【0020】
この取付具は、前記センサヘッド部の所定部位に適合した取付部と、前記反射鏡部材を保持するための保持部と、前記取付部に対して前記保持部を支持させるための支持部と、を含んでいる。前記支持部は、前記センサヘッド部側から前記反射鏡部材側に至るその全長に亘り、断面輪郭が前記対物レンズの開口相当の円内に収まるものであり、さらに前記対物レンズの開口数を実質的に低下させない非遮光性構造体である。先に説明した理由から、好ましい実施の形態では、前記支持部を構成する非遮光性構造体が、光軸に沿って延在され、かつ互いに平行な1本若しくは2本以上の線材により構成されるものであっても良い。
【0021】
なお、前記センサヘッド部の所定部位としては、前記センサヘッド部の対物レンズを収容する鏡胴の先端部であってもよいし、前記センサヘッド部のヘッドケースそれ自体であってもよい。
【0022】
このような取付具によれば、同軸合焦点方式の光学式変位センサにおいて、センサヘッド部の対物レンズ前方の所定距離隔てた位置に、該対物レンズの開口径よりも十分に小型な反射鏡部材を、鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態で配置することができ、これにより本発明の光学式変位センサを容易に実現することができる。しかも、取付具と共に反射鏡部材を交換することにより、様々な測定対象物への対応が容易となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明に係る同軸合焦点方式の光学式変位センサ並びに反射鏡部材の取付具の好適な実施の一形態を添附図面にしたがって詳述する。
【0024】
本発明に係る光学式変位センサの構成図(第1実施形態)が図1に示されている。同図に示されるように、この光学式変位センサ1は、センサヘッド部10と反射鏡取付具20と有している。なお、図において、40は測定対象物、40aは測定対象物にドリル等で開けられた上下に貫通する穴である。以下の説明では、本発明の変位センサ1により、この穴40aの内周面に関する変位計測を行うものとする。
【0025】
センサヘッド部10は、ヘッドケース11と鏡胴12とを含んでいる。図示例では、ヘッドケース11の形状は直方体として、また鏡胴12の形状は円筒体として描かれているが、これはあくまでも説明上の一例に過ぎないものとして理解されるべきである。
【0026】
ヘッドケース11内には、図示しないが、同軸合焦点方式の光学式変位センサを構成する光学系や電気回路等が内蔵されている。一方、鏡胴12内には、図示しないが、対物レンズが保持されている。なお、同軸合焦点方式の光学式変位センサの光学系については、当業者に周知のものであるが、念のため、後に、図5並びに図6を参照してその一例を説明する。
【0027】
次に、本発明の要部である反射鏡部材の取付具20について説明する。図1において、点線で描かれた円で囲まれたII部の詳細が図2に示されている。
【0028】
同図に示されるように、反射鏡部材の取付具20は、センサヘッド部12の鏡胴12の先端部(図では下端部)に取り付けられるキャップ21と、反射鏡部材30を保持する鏡保持部材24と、一端(図では上端)がキャップ21に固定されかつ他端(図では下端)が鏡保持部材24に固定される2本の支持部材22,23とを備えている。
【0029】
キャップ21は、鏡胴12の先端形状に適合する円形皿状に形成され、キャップ21と鏡胴12との固定手段としては、例えば接着剤による永久固定構造、或いはネジや圧入嵌合等の着脱可能構造が採用される。キャップ21の中央部には、鏡胴12内の図示しない対物レンズに対向して円形の開口21aが形成されている。この開口21aの内径が対物レンズの開口径を規定することとなる。
【0030】
反射鏡部材24は、この例では、上端面が対物レンズの光軸Aに対して略45度の角度に傾斜した円筒体とされており、この傾斜面が反射用の鏡面30aとされている。そのため、図において、反射鏡部材24の真上より垂直下向きに鏡面30aに入射する光は、鏡面30aにて反射されて水平方向に向きを変え、穴40aの内周側面に向けて進行する。また、穴40aの内周側面で反射された光は、往路と同じ光路を逆行して、対物レンズに戻される。周知のように、この種の同軸合焦点方式の変位センサにあっては、ヘッドケース11内の光学系の1部品(例えば、対物レンズそれ自体又はそれ以外の光学部品)を操作することにより、穴40aの内周側面上に常に集光点が一致(合焦点)するように、焦点調整がなされる。そして、この合焦点状態における光学部品の操作量を介して逆に、被測定面の変位が求められる。図からも明らかなように、反射鏡部材30のサイズは、対物レンズの開口に相当するキャップ21の開口21aに比べて十分に小型とされている。また、反射鏡部材30は、その周囲を鏡胴等で取り囲まれることなく、所謂剥き出し状態とされている。さらに、反射鏡部材30は、鏡保持部材24によって対物レンズの光軸方向前方(図では下方)において所定距離隔てた位置に保持されている。
【0031】
鏡保持部材24は、この例では、反射鏡部材30よりもやや大径な円筒体として形成されており、その中心部には反射鏡部材30が位置決め保持されている。反射鏡部材30を鏡保持部材24の中心部に位置決め保持するための手段としては、圧入嵌合構造その他ネジ止め等々の様々な公知のものを任意に採用することができる。鏡保持部材24は、図示例では、2本の支持部材22,23を介して、キャップ21に対して支持されている。
【0032】
支持部材22,23としては、キャップ21の開口21aから反射鏡部材30の鏡面30aに至る円錐台状光束50をできる限り遮ることがないように、この例では、計測上問題とならない程度の剛性を有する細線材(例えば、金属角柱、金属円柱、金属ワイヤ等)が採用されている。これらの支持部材22,23は、対物レンズの光軸に沿って互いに平行に延在されている。支持部材22,23は、それぞれその上端部がL字状に折り曲げられており、この折り曲げ部22a,23aがキャップ21の開口21aの内周縁に対応する環状底部25に接着等の適宜の結合手段で固定されている。また、支持部材22,23の下端部は、鏡保持部材24の外周縁部に接着等の適宜の結合手段で固定されている。支持部材22,23の間隔は、想定される穴40a内に鏡保持部材24を挿入する際に邪魔にならないように、できるだけ幅狭とされている。支持部材22,23の長さは、反射鏡部材30の鏡面30aに、集光点手前のある一定サイズのスポットが形成されるようにして決定される。
【0033】
換言すれば、支持部材22,23は、センサヘッド部10側から反射鏡部材30側に至るその全長に亘り、断面輪郭が対物レンズの開口21a相当の円内のほぼ中心部分に収まるものであり、さらに対物レンズの開口数を実質的に低下させない非遮光性構造体とされている。
【0034】
次に、本発明の作用を説明する。上述の構成を有する反射鏡取付具20によれば、測定対象物40の穴40aの内径が対物レンズの開口21aよりも小さいものであっても、反射鏡部材30のみを穴40a内に挿入することにより、その内周側面の変位測定を行うことができる。しかも、反射鏡部材30が穴40aの入口から内部に挿入開始されたのち、対物レンズから反射鏡部材30へ至る円錐状光束50の外周縁が穴40aの入口で遮られるまでの間に関しては、対物レンズの開口数の低下は生じないので、最大限の分解能で変位計測が可能となる。一方、反射鏡部材30が穴の内部深くに挿入されたことにより、上記円錐状光束50の外周縁が穴の入口で遮られ始めると、対物レンズの開口数は初めて低下を開始し、それに伴い計測分解能は低下するが、それにしても、反射鏡部材30が挿入可能であるかぎり、変位計測不能に陥ることはない。
【0035】
すなわち、本発明によれば、反射鏡部材30が鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態であるので、反射鏡部材30が挿入可能であるかぎり、対物レンズの開口数を最大限に利用して内周面(穴の場合)や内側面(溝の場合)の変位測定が可能となる。
【0036】
なお、上記の実施形態において、支持部材22,23を適宜なブラケットを介して、鏡胴12ではなくて、ヘッドケース11に直接に固定してもよい。また、支持部材22,23を角形キャップを介して、鏡胴12ではなくて、ヘッドケース11に固定してもよい。このように、支持部材22,23とセンサヘッド部10との結合態様については、様々な構成が採用可能である。
【0037】
最後に、ヘッドケース11に内蔵される同軸合焦点方式変位センサの光学系について簡単に説明する。周知のように、同軸合焦点方式の光学式変位センサにあっては、所謂同軸落射型光学系を採用すると共に、同光学系を構成する1光学部品を操作することで、測定対象物の測定面と対物レンズの集光点とが一致した合焦点状態を作り出し、その状態における光学部品の操作量から逆に測定面の変位を求めるものである。合焦点状態を作り出すためには、特開平7−113617号公報に開示されるように、対物レンズそれ自体を操作する方式(以下、第1方式と言う)のものと、特開平5−164556号公報に開示されるように、対物レンズは固定したままで、対物レンズに至る光学系の別の光学部品を操作する方式(以下、第2方式と言う)のものとが存在する。本発明では、第1及び第2の何れの方式を採用しても良い。
【0038】
特開平7−113617号公報に記載された第1方式の同軸合焦点方式の光学式変位センサの光学系が図3に示されている。同図において、501はレーザダイオード、502はビームスプリッタ、503はコリメートレンズ、504は対物レンズ、505は被測定物体、506は光絞り部、507はホトダイオード、508は増幅器、509はレーザパワー制御回路、510は音叉、511は音叉振幅検出器、512は増幅器、513はソレノイド、514は音叉振幅制御回路、515は演算部、516は距離変換部、Xは受光量信号、Yは振幅信号である。この光学系並びに回路の動作については、同公報に詳細に記述されているため、説明は省略するが、要するに、音叉510を介して対物レンズを振動させつつ、受光量信号Xの状態に基づいて合焦点状態を検出し、そのときに得られる振幅信号Yの状態に基づいて、目的とする変位量を算出するものである。
【0039】
特開平5−164556号公報に記載された第2方式の同軸合焦点方式の光学式変位センサの光学系が図4に示されている。同図において、601は半導体レーザ、602は偏向ビームスプリッタ、603はコリメータレンズ、604はリレーレンズ、605はリレーレンズ、606は対物レンズ、607は測定面、608は結像レンズ、609はビームスプリッタ、610は受光素子、611は受光素子、L1はリレーレンズの操作量、L2は対物レンズ集光点の移動量である。この光学系の動作については、同公報に詳細に記述されているため、説明は省略するが、要するに、同図(a)と同図(b)との比較から明らかなように、対物レンズ606は固定したまま、リレーレンズ605だけを上方へ移動させることで、集光点の位置を下方へ移動させることができる。
【0040】
なお、以上の実施形態において、例えば特開平5−99631号公報記載の装置のように、測定対象物40と反射鏡部材30とを相対的に三次元移動並びに回転運動させれば、測定対象物40の穴40a内の任意の位置に関する変位計測が可能であることは言うまでもない。相対移動を実現するためには、測定対象物40が載置されたテーブルを三次元的に移動及び回転させたり、或いはセンサ側を三次元的に移動及び回転させればよい。
【0041】
また、支持部材22,23を構成する線材の本数は実施例に限定されるものではなく、要するに、円錐状光束50を実質的に遮らない(対物レンズの開口数を低下させない)範囲で適宜に変更することができる。
【0042】
また、支持部材22,23それ自体も、必ずしも線状部材で構成する必要はなく、上述の円錐状光束50を実質的に遮らない(対物レンズの開口数を低下させない)範囲内で任意の形状や材質(網状、螺旋状、透明体等)を採用することができるであろう。
【0043】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、対物レンズの開口径よりも小径な穴や幅狭な溝に対しても、その内側面形状を高精度に計測可能な光学式変位センサを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光学式変位センサの構成図である。
【図2】本発明の要部拡大図である。
【図3】同軸合焦点方式の光学式変位センサの光学系基本構成図(その1)である。
【図4】同軸合焦点方式の光学式変位センサの光学系基本構成図(その2)である。
【符号の説明】
1 光学式変位センサ
10 センサヘッド部
11 ヘッドケース
12 鏡胴
20 反射鏡取付具
21 キャップ
21a 開口
22,23 支持部材
22a,23a 折り曲げ部
22c,23c ブラケット
24 鏡保持部材
25 環状底部
26 角形キャップ
30 反射鏡部材
40 測定対象物体
40a 穴
50 円錐状光束[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical displacement sensor of a coaxial focusing system, and more particularly to an optical displacement sensor suitable for measuring displacement of an inner peripheral surface of a small hole or an inner surface of a narrow groove.
[0002]
[Prior art]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-99631 discloses a hole shape light measuring device for measuring the inner surface shape of a hole formed in a metal by a drill or the like. This hole shape light measuring device includes a first means for emitting a beam-like light beam, a second means for bending the light beam by an angle slightly deviated from 90 degrees, and a method in which the bent light beam is centered on the original light beam. Third means for rotating, fourth means for condensing irregularly reflected light of a light spot formed when the bent light beam hits the inner surface of the hole, and an image of a light spot formed by the light condensed by the fourth means. A fifth means for detecting the position and a sixth means for calculating the light spot position from the image position detected by the fifth means according to the principle of triangulation are included.
[0003]
According to this hole shape light measuring device, the mechanical movement can continuously measure the inner surface shape over the circumference of the hole only by rotation, there is no friction and wear because there is no contact between the measuring device and the inner surface of the hole, , So that various advantages such as a reduction in measurement time as compared with the conventional method can be obtained.
[0004]
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 5-164556 discloses a non-contact displacement meter of a focusing system suitable as a non-contact surface roughness meter, a non-contact scanning probe for a three-dimensional coordinate measuring instrument, and the like.
[0005]
According to this displacement meter, it is possible to measure the surface shape of a deep groove or a hole, and there is an advantage that the objective lens can be replaced. In addition, FIGS. 2 and 6 of the publication also disclose a technique for measuring the inner surface of a hole by disposing a reflecting mirror in a lens barrel reaching an objective lens and bending the optical axis by 90 degrees. .
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the hole shape light measuring device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-99631, since displacement measurement is performed based on the principle of triangulation, the optical axis of incident light from the measuring device toward the object to be measured is measured. A parallax angle equal to or more than a certain value corresponding to the required resolution is required between the light beam and the optical axis of the reflected light reflected by the measurement object and returned to the measurement device. Therefore, when trying to measure the inner surface of a hole with a large depth for the diameter or a groove with a large depth for the width, the hole that can be measured by the parallax angle between the incident optical path and the reflected optical path described above Is limited in depth. On the other hand, if the parallax angle between the optical axis of the incident light and the optical axis of the reflected light is reduced, it is possible to cope with a deeper groove or hole, but this will reduce the measurement resolution and reduce the minuteness of the inner surface of the hole or groove. The shape change cannot be measured accurately. Furthermore, since the spot diameter of the incident light on the measurement object is not always narrowed, it is not possible to measure the displacement of the minute shape.
[0007]
On the other hand, according to the in-focus type non-contact displacement meter disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-164556, a so-called coaxial epi-optical system is employed, so that the incidence / reflection as in the case of employing the principle of triangulation is adopted. No inconvenience occurs due to the parallax angle between the optical paths. However, in the inner surface measurement technique shown in FIGS. 2 and 6 of the publication, a configuration is adopted in which a reflecting mirror is arranged in a lens barrel from a light source to an objective lens and an optical axis is bent substantially at a right angle. Therefore, the inner diameter of the measurable hole must necessarily be larger than the outer diameter of the lens barrel, in other words, it cannot be applied in principle to holes and grooves smaller than the aperture of the objective lens. .
[0008]
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and the object thereof is to provide an inner surface of a hole or a narrow groove smaller than the opening diameter of an objective lens. An object of the present invention is to provide an optical displacement sensor capable of measuring a shape with high accuracy.
[0009]
Another object of the present invention is to provide a fixture for a reflecting mirror member suitable for the above-mentioned optical displacement sensor.
[0010]
Still other objects and operational effects of the present invention will be easily understood by those skilled in the art by referring to the description in the following specification.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The optical displacement sensor of the present invention employs, as a principle of displacement detection, a coaxial focusing method described in, for example, JP-A-5-164556 and JP-A-7-113617. Therefore, for example, there is no problem of a measurement limitation caused by a parallax angle as in an optical displacement sensor employing a triangulation method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-99631.
[0012]
The optical displacement sensor includes a sensor head portion including an objective lens, and a reflecting mirror disposed at a predetermined distance in front of the objective lens of the sensor head portion and sufficiently smaller than an opening diameter of the objective lens. And a support member for supporting the reflecting mirror member with respect to the sensor head section.
[0013]
The “reflecting mirror member” is a member having a mirror surface for changing the optical axis by a predetermined angle by reflecting measurement light coming from the objective lens. It is a matter of design to determine the angle of change of the optical axis by the reflecting mirror member. However, when measuring the displacement of the inner peripheral surface of the hole / the inner surface of the groove, the optical axis change angle is 90 degrees or approximately 90 degrees. Will be taken. The reason why the reflecting mirror member is set to “smaller than the opening diameter” is that in the optical displacement sensor of the present invention, in order to measure the displacement of the inner peripheral surface of the hole or the inner surface of the groove, it is necessary to use the hole or This is because, while the reflecting mirror member must be inserted into the groove, the size of the reflecting mirror member determines the insertable hole diameter or groove width. The measuring light has the shape of a conical light beam connecting the effective diameter of the objective lens (a circle equivalent to an aperture) and the focal point on the measurement object, and the reflecting mirror member is arranged in front of the objective lens. Therefore, the size of the cross section is smaller than the effective diameter of the objective lens, and the size of the reflection surface is large enough to cover all the luminous fluxes of the measurement light at that position. (Here, the cross section refers to a plane perpendicular to a line connecting the center of the objective lens and the focal point on the object to be measured.) Also, there is "a predetermined distance in front of the objective lens". It is needless to say that the "predetermined distance" is before the converging point generated in front of the objective lens.
[0014]
In addition, the reflecting mirror member must be disposed in a bare state without being surrounded by the lens barrel. For example, as shown in FIG. 2 or FIG. 6 of JP-A-5-164556, when a configuration in which a reflecting mirror member is surrounded by a lens barrel is adopted, a hole diameter and a groove width which can be applied depending on the outer diameter of the lens barrel. Is limited. However, if the outer diameter of the lens barrel is made smaller than the aperture diameter of the objective lens, the lower limit of the applicable hole shape and groove width becomes smaller, but in this case, the hole diameter and groove width are reduced by the inner diameter of the lens barrel. Regardless, the numerical aperture of the objective lens is uniquely limited, and the measurement resolution is reduced.
[0015]
On the other hand, if the reflecting mirror member is exposed without being surrounded by the lens barrel, as long as the reflecting mirror member can be inserted, the numerical aperture of the objective lens is used to the full extent, and the inner peripheral surface (hole) is used. ) And the displacement of the inner surface (in the case of a groove) can be measured. That is, after the reflection mirror member is inserted from the entrance of the hole or groove into the inside, until the outer peripheral edge of the conical light beam from the objective lens to the reflection mirror member is blocked by the entrance of the hole or groove, the objective Since the numerical aperture of the lens does not decrease, displacement measurement can be performed with the maximum resolution. On the other hand, when the reflecting mirror member is inserted deep inside the hole or groove, when the outer peripheral edge of the conical light beam starts to be blocked by the entrance of the hole or groove, the numerical aperture of the objective lens starts decreasing for the first time, As a result, the measurement resolution is reduced, but even so, as long as the reflecting mirror member can be inserted, the displacement cannot be measured.
[0016]
In order to realize such a bare structure of the reflecting mirror member, the supporting member has a cross-sectional contour of a predetermined distance portion (preferably, the entire length) from the reflecting mirror member side to the sensor head portion side. It must be within the circle corresponding to the aperture of the objective lens. Otherwise, the support member itself interferes and the reflecting mirror member cannot be inserted deeply into a hole or a narrow groove smaller than the opening diameter of the objective lens. In order to allow insertion of the reflecting mirror member even for a hole diameter and a groove width of the same size as the reflecting mirror member, the area occupied by the cross section of the supporting member should be closer to the center of the circle. Needless to say, this is preferable.
[0017]
In addition, the support member must be a non-light-shielding structure that does not substantially reduce the numerical aperture of the objective lens. Even if the support member does not hinder the insertion of the reflector member into the hole or groove, if it greatly blocks the light from the objective lens, the numerical aperture will decrease substantially, and the measurement resolution will decrease. Is reduced. In a preferred embodiment, the non-light-shielding structure constituting the support member is formed of one or two or more wires extending along the optical axis and parallel to each other.
[0018]
According to the above-described optical displacement sensor of the present invention, the shape of the inner surface of a hole or a groove having a diameter smaller than the opening diameter of the objective lens can be measured with high accuracy.
[0019]
Next, in the optical displacement sensor of the coaxial focusing system, a reflecting mirror member sufficiently smaller than the aperture diameter of the objective lens is surrounded by a lens barrel at a position at a predetermined distance in front of the objective lens in the sensor head. The present inventors propose a suitable fitting in order to dispose it in a bare state without being performed.
[0020]
The mounting tool includes a mounting portion adapted to a predetermined portion of the sensor head portion, a holding portion for holding the reflecting mirror member, and a supporting portion for supporting the holding portion with respect to the mounting portion, Contains. The support section has a cross-sectional contour falling within a circle corresponding to the aperture of the objective lens over the entire length from the sensor head section side to the reflecting mirror member side, and further substantially reduces the numerical aperture of the objective lens. This is a non-light-shielding structure that is not reduced in nature. For the reasons described above, in a preferred embodiment, the non-light-shielding structure constituting the support portion is constituted by one or two or more wires extending along the optical axis and parallel to each other. It may be something.
[0021]
The predetermined portion of the sensor head may be the tip of a lens barrel that houses the objective lens of the sensor head, or the head case itself of the sensor head.
[0022]
According to such a mounting tool, in the optical displacement sensor of the coaxial focusing system, a reflecting mirror member sufficiently smaller than the aperture diameter of the objective lens is provided at a predetermined distance in front of the objective lens in the sensor head. Can be arranged in a bare state without being surrounded by the lens barrel, whereby the optical displacement sensor of the present invention can be easily realized. In addition, by exchanging the reflecting mirror member together with the fixture, it is easy to deal with various measuring objects.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A preferred embodiment of a coaxial focusing type optical displacement sensor and a mounting member for a reflecting mirror member according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0024]
FIG. 1 shows a configuration diagram (first embodiment) of an optical displacement sensor according to the present invention. As shown in FIG. 1, the optical displacement sensor 1 has a
[0025]
The
[0026]
Although not shown, an optical system, an electric circuit, and the like constituting a coaxial focusing type optical displacement sensor are built in the
[0027]
Next, a description will be given of the
[0028]
As shown in FIG. 1, a mounting
[0029]
The
[0030]
In this example, the reflecting
[0031]
In this example, the
[0032]
In this example, the supporting
[0033]
In other words, the
[0034]
Next, the operation of the present invention will be described. According to the
[0035]
That is, according to the present invention, since the reflecting
[0036]
In the above embodiment, the
[0037]
Finally, the optical system of the coaxial focusing type displacement sensor built in the
[0038]
FIG. 3 shows an optical system of a first type of coaxial focusing type optical displacement sensor described in JP-A-7-113617. In the figure, 501 is a laser diode, 502 is a beam splitter, 503 is a collimating lens, 504 is an objective lens, 505 is an object to be measured, 506 is an optical diaphragm, 507 is a photodiode, 508 is an amplifier, and 509 is a laser power control circuit. , 510 is a tuning fork, 511 is a tuning fork detector, 512 is an amplifier, 513 is a solenoid, 514 is a tuning fork amplitude control circuit, 515 is a calculation unit, 516 is a distance conversion unit, X is a received light amount signal, and Y is an amplitude signal. . Since the operation of the optical system and the circuit is described in detail in the publication, the description is omitted. In short, while the objective lens is vibrated through the tuning fork 510, the operation is performed based on the state of the received light amount signal X. The focus state is detected, and a target displacement amount is calculated based on the state of the amplitude signal Y obtained at that time.
[0039]
FIG. 4 shows an optical system of an optical displacement sensor of a second type of coaxial focusing system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-164556. In the figure, 601 is a semiconductor laser, 602 is a deflection beam splitter, 603 is a collimator lens, 604 is a relay lens, 605 is a relay lens, 605 is an objective lens, 606 is a measurement surface, 607 is a measurement surface, 608 is an imaging lens, and 609 is a beam splitter. , 610 is a light receiving element, 611 is a light receiving element, L1 is the amount of operation of the relay lens, and L2 is the amount of movement of the focal point of the objective lens. The operation of this optical system is described in detail in the publication, so that the description is omitted. In short, as is clear from the comparison between FIG. By moving only the relay lens 605 upward while keeping the fixed, the position of the condensing point can be moved downward.
[0040]
In the above embodiment, if the
[0041]
In addition, the number of wires constituting the
[0042]
Further, the
[0043]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, according to the present invention, an optical displacement sensor capable of measuring the inner surface shape with high accuracy even for a hole or a groove having a diameter smaller than the opening diameter of the objective lens. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical displacement sensor according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a main part of the present invention.
FIG. 3 is a basic configuration diagram (part 1) of an optical system of an optical displacement sensor of a coaxial focusing system.
FIG. 4 is a basic configuration diagram (part 2) of an optical system of an optical displacement sensor of a coaxial focusing system.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1
Claims (5)
対物レンズを含むセンサヘッド部と、前記センサヘッド部の対物レンズ前方に所定距離を隔てて配置されかつ前記対物レンズの開口径よりも小型とされた反射鏡部材と、前記反射鏡部材を前記センサヘッド部に対して支持する支持部材とを含み、
前記反射鏡部材は、鏡胴に包囲されることなく剥き出し状態で配置されるものであり、かつ
前記支持部材は、前記反射鏡部材側から前記センサヘッド部側に至る所定距離部分において、断面輪郭が前記対物レンズの開口相当の円内に収まるものである、ことを特徴とする光学式変位センサ。An optical displacement sensor of a coaxial focusing system,
A sensor head section including an objective lens, a reflecting mirror member disposed at a predetermined distance in front of the objective lens of the sensor head section and smaller than an opening diameter of the objective lens; and A support member for supporting the head portion,
The reflecting mirror member is disposed in a bare state without being surrounded by a lens barrel, and the supporting member has a sectional contour at a predetermined distance portion from the reflecting mirror member side to the sensor head portion side. Is within a circle corresponding to the aperture of the objective lens.
前記センサヘッド部の所定部位に適合した取付部と、
前記反射鏡部材を保持するための保持部と、
前記取付部に対して前記保持部を支持させるための支持部と、を含み、
前記支持部は、前記反射鏡部材側から前記センサヘッド部側に至る所定距離部分において、断面輪郭が前記対物レンズの開口相当の円内に収まるものである、ことを特徴とする反射鏡部材の取付具。In a coaxial focusing type optical displacement sensor, a reflecting mirror member smaller than the aperture diameter of the objective lens is exposed at a predetermined distance in front of the objective lens of the sensor head without being surrounded by the lens barrel. It is a fixture of the reflecting mirror member to be arranged in a state,
A mounting portion adapted to a predetermined portion of the sensor head portion,
A holding unit for holding the reflecting mirror member,
And a supporting portion for supporting the holding portion with respect to the mounting portion,
The support portion is characterized in that, at a predetermined distance portion from the reflective mirror member side to the sensor head portion side, a cross-sectional contour falls within a circle corresponding to an opening of the objective lens, Fixture.
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