| 【発明の名称】 |
位置検出センサ用ビーム拡大光学系 |
| 【発明者】 |
【氏名】田代 克
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| 【要約】 |
【課題】
【解決手段】 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系においてＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、互いに異なる光路長を経てから再度ビームを合成しＰＳＤに入射する構成とすることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系。
【請求項２】半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系においてＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、互いに異なる光路長を経てからそれぞれ別のＰＳＤに入射する構成とし、各ＰＳＤ信号の加算信号を用いることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系。
【請求項３】半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系においてＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、互いに異なる光路長を経てからそれぞれ別のＰＳＤに入射する構成とし、各ＰＳＤ信号について非線形補正を行いその補正後の信号を用いて加算信号を得ることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は変位センサ等に使用される半導体位置検出センサを用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、レーザ光を用いた変位計等が開発されており、これらには半導体位置検出センサ、一般にＰＳＤと呼ばれる素子が使用されることが多くなった。ＰＳＤは半導体受光素子の両端に電極を設置し、光スポットが受光素子内の一点にあたると、当たった点から各電極までの抵抗に応じて分極された電流が各電極から出力されるのでこの電流から光スポットの照射位置を算出できる。非分割型の素子であり、位置分解能、応答性に優れることなどから光を用いた位置センサ等に使用されている。
【０００３】位置センサ等に使用する場合の一般的な使用法としては例えば図６のようなものである。半導体レーザ３１の光をレンズ３２で集光して対象物３３にあてる。対象物３３から反射した光を結像レンズ３４で集めてＰＳＤ３５にいれる。対象物３３が３３ａに移動するとレーザ光の反射点が変わり、それに応じてＰＳＤ上の集光点３６が３６ａに移動してＰＳＤ３５の出力が変化する。この変化から対象物の移動量を算出できる。
【０００４】一方ＰＳＤには光スポットが小さすぎると出力が非線形になるという問題点が指摘されている。図７は５０μｍ径のスポットをＰＳＤに当てた場合に観測されたＰＳＤ出力の非線形の例であり、本来なら破線で示される矩形波になるべき出力が立ち上がりが遅く立ち下がりがはやい鋸状の波形になっている。一般のＰＳＤでは光スポット径を２００μｍ以上にするよう注意書きがかかれている。これは通常結像レンズ３４の焦点３６とＰＳＤ３５の位置をずらし、像をぼかすことで実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし対象物には正反射光、乱反射光、平坦なもの、曲面のもの、傾いたもの等いろいろな場合がある。よって対象物によって結像レンズ上の反射光分布は様々に変化する。ところがＰＳＤの非線形対策のためにＰＳＤ３５と焦点３６をずらすと、反射光分布の変化がＰＳＤ上の光分布の変化となり位置の変化に変換されてしまうので精度がおちる。一方精度をあげるためＰＳＤ３５と反射光の結像レンズによる焦点３６とを一致させると光量分布の変化による位置の変動はなくなるが、スポットが小さくなる事によるＰＳＤ自身の非線形がでて図７のように応答性が悪くなる。よってＰＳＤを用いた光センサでは高速と高精度を両立させることができなかった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明はこれらの課題を解決するため次のような構造にしたものである。半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系においてＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、互いに異なる光路長を経てから再度ビームを合成しＰＳＤに入射する構成とすることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系である。
【０００７】あるいは半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系においてＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、互いに異なる光路長を経てからそれぞれ別のＰＳＤに入射する構成とし、各ＰＳＤ信号の加算信号を用いることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系である。
【０００８】あるいは半導体の抵抗層を利用した位置検出素子であるＰＳＤを用いた光学系においてＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、互いに異なる光路長を経てからそれぞれ別のＰＳＤに入射する構成とし、各ＰＳＤ信号について非線形補正を行いその補正後の信号を用いて加算信号を得ることを特徴とする位置検出センサ用ビーム拡大光学系である。
【０００９】
【作用】ビームスプリッタにより２つに分けられて互いに異なる光路長を通過した後合成された光は結像点が光軸方向にずれる。ずれた二つの結像点の中間にＰＳＤを配置すると結像点前の光と結像点後の光で光量分布の偏りが逆転するので光量分布の偏りが補正され光量分布に関わりなく正しい光軸位置を検出することができる。
【００１０】また、ＰＳＤに入射する光束をビームスプリッタにより２つに分け、それぞれの光束の結像点の前と後にＰＳＤを配置し、その出力信号を加算すると、結像点前の光と結像点後の光で光量分布の偏りが逆転するので各ＰＳＤの出力信号を加算することにより光量分布の偏りが補正され光量分布に関わりなく正しい光軸位置を検出することができる。
【００１１】さらに、上記各ＰＳＤ信号について非線形補正を行いその補正後の信号を用いて加算信号を得ることとすると各ＰＳＤ自身の持つ非線形の影響を受けない正しい光軸位置を検出することができる。
【００１２】
【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は本発明の位置検出素子を用いた光センサの第一の実施例であり、１はレーザダイオード光源（以下ＬＤと称す）、２はレンズ、３は測定対象物、４は結像レンズ、５は位置検出素子（ＰＳＤ）、６はビーム拡大光学系であり、２枚の無偏光プレートビームスプリッタ６ａ、６ｂ及び２枚の平面ミラー６ｃ、６ｄからなっている。
【００１３】図２にビーム拡大光学系とＰＳＤ付近の拡大図を示す。ＬＤ１からでた光はレンズ２で集光され、対象物３に照射される。対象物３を反射した光は結像レンズ４で集光され、途中で４５゜傾けた無偏光プレートビームスプリッタ６ａに入射する。無偏光プレートビームスプリッタは偏光方向に関わらず全光量の５０％の光を反射し、残りを透過する。誘電体多層膜を用いた無偏光ビームスプリッタの場合損失は０．５％以下である。反射光は入射光と直角方向に出射し、それぞれ４５°傾いた２枚の全反射ミラー６ｃ、６ｄで反射され第２の無偏光ビームスプリッタ６ｂに入射する。第２の無偏光ビームスプリッタ６ｂでさらにその５０％が反射されてＰＳＤ５に入射する。この場合結像レンズ４による結像点７ａはＰＳＤよりも手前になっている。
【００１４】一方第一の無偏光ビームスプリッタ６ａを透過した残り５０％の光は直接第二の無偏光ビームスプリッタ６ｂに入射する。ここでも入射した光量の５０％が透過しＰＳＤ５に入射する。この場合光路長が短いので結像レンズによる結像点７ｂに至る前にＰＳＤ５に入射する。このように無偏光ビームスプリッタを反射した光も透過した光も結像点とＰＳＤ表面がずれて入射するためＰＳＤ入射時のビーム径はぼけており微小点に絞ることによる応答の非線形は発生しない。
【００１５】一方ＰＳＤ入射時のビームをぼかすことにより対象物の反射光量分布の偏りによるＰＳＤ入射位置の誤差が発生する。この誤差を本光学系では以下に説明するような機能で解消している。
【００１６】第一の無偏光ビームスプリッタ６ａに入射前、対象物反射光の光量が図２の右上側に偏っていたとする。この場合無偏光ビームスプリッタ６ａを反射した時点では反射光分布は図の左上側に偏る。次の第一の全反射ミラー６ｃを反射後、光量は右上側に偏る。第二の全反射ミラー６ｄを反射後、光量は右下側に偏る。さらに第二の無偏光ビームスプリッタ６ｂ反射後は光量は最初と同様右上側に偏っている。ところがＰＳＤ５入射前に結像点７ａを持つため、結像点通過後は光量の偏りは左下側に入れ替わる。そしてＰＳＤ５入射時には光量分布の偏りのため光軸よりも図の左下側に偏った分布で入射することになりＰＳＤ５の出力も下方に偏る。
【００１７】一方第一及び第二の無偏光ビームスプリッタ６ａ、６ｂを透過する光では光量は右上側に偏ったままであり、結像点７ｂに至る前にＰＳＤ５に入射するのでＰＳＤ入射時には光量は上に偏った状態となる。無偏光ビームスプリッタ６ａの反射光が下方に偏り、透過光が上方に偏るため合計では光量分布の偏りが補正され正しい測定値を得ることができる。
【００１８】本実施例ではビームの分割、合成に無偏光プレートビームスプリッタを用いている。これに替えて無偏光キューブビームスプリッタを用いる方法もある。この場合ガラス中の光路長が長くなるためプレート型に比べ収差が若干多く発生するがレンズを専用に設計すれば問題ない。
【００１９】第一の実施例ではビームの合成に無偏光ビームスプリッタを用いているため全光量の５０％の光はＰＳＤ方向と直角方向に出射してしまい、ＰＳＤに入射せず、効率が悪い。その解決方法としてビームスプリッタに偏光ビームスプリッタを用いる方法がある。この場合ＰＳＤ上のビームの拡大方法、位置誤差のキャンセル方法は第一の実施例と同じである。
【００２０】図３は偏光ビームスプリッタを使用した第二の実施例の場合の光路の説明図である。対象物反射光は第一の偏光ビームスプリッタ６２ａによりＰ波とＳ波に分けられ、Ｐ波は透過しＳ波は反射する。Ｐ波は直接第二の偏光ビームスプリッタ６２ｂに入射し、第一の偏光ビームスプリッタ６２ａと同様にそれを透過する。Ｓ波は２枚の全反射ミラー６ｃ、６ｄを経て第二の偏光ビームスプリッタ６２ｂに上方から入射し、第一の偏光ビームスプリッタ６２ａと同様に反射してＰＳＤ５方向に出射する。この場合第二の偏光ビームスプリッタ６２ｂでは右方、上方からきた光はどちらもほぼ１００％ＰＳＤ方向に出射するので光量損失をおさえることができる。
【００２１】第一の偏光ビームスプリッタ６２ａで分けられるＰ波、Ｓ波の比率は入射光の偏光方向に依存する。比率が１：１となるよう光源で偏光方向を調整すると、レンズの透過位置等による偏光特性の差がでてしまうので光源はＰ波、またはＳ波としておき、偏光ビームスプリッタ６２ａの直前に２分の１波長板または旋光板もしくは４分の１波長板６２ｃを挿入し、偏光方向を４５°に傾けるかまたは円偏光に変換する。このようにすることで光学系途中の偏光特性の影響を受けることなく光量損失のないＰＳＤ用ビーム拡大光学系を構成することができる。
【００２２】第三の実施例を図４に示す。図４は本光学系を用いたＰＳＤによる高さ測定光学ヘッドの説明図であり、４１はレーザ光源、４２はポリゴンスキャナ、４３はｆθレンズ、４４は測定対象物、４５は結像レンズ、４７はＰＳＤである。
【００２３】レーザ光源４１からでた光はポリゴンスキャナ４２で走査されｆθレンズ４３で集光される。光は測定対象物４４に照射され、反射光は結像レンズ４５によりビーム拡大光学系４６を介してＰＳＤ４７上に入射する。原理的には第１、第２の実施例と同じであるがポリゴンスキャナ４２で高速に走査するためより高速なＰＳＤの応答速度が必要である。そこで本発明のビーム拡大光学系４６を走査方向に長くして結像レンズ後にいれ、ビーム径を拡大して高速応答を可能にしている。
【００２４】第四の実施例を図５に示す。この例ではＰＳＤを二つならべており、上のＰＳＤ５１には反射光が直接はいり、下のＰＳＤ５２には途中のビームスプリッタ５３でわけられた光がミラー５４で折り返されて入射する。上のＰＳＤ５１に直接入射する光は結像点５８ａ前にＰＳＤ５１に入射し、下のＰＳＤ５２に入射する光は一旦５８ｂで結像してからＰＳＤ５２に入射する。そのため光量が入射光の上方に偏ったとすると上側のＰＳＤ５１においてはＰＳＤの出力は上方に移動するが、下側のＰＳＤ５２では下方に移動する。よって各ＰＳＤの出力を加算器５７で加算すると、光量分布の影響を受けない出力信号を得ることができる。
【００２５】さらにＰＳＤはそれぞれ個々の非線形性を持っているので図５のように各ＰＳＤの出力を一旦非線形補正回路５５，５６にいれ、その出力を加算すればより正確な測定値を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれば測定面と測定対象からの反射光の焦点を反射光量分布の影響を受けずにずらすことができるので、ＰＳＤに入射する光スポットの大きさを調整できＰＳＤのもつ非線形を回避できるのでＰＳＤを用いた高速高精度な光測定を可能にする。
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| 【出願人】 |
【識別番号】５９５１７３７３２
【氏名又は名称】田代 克
【識別番号】０００１０８６２７
【氏名又は名称】タカノ株式会社
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月１３日 |
| 【代理人】 |
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１１８４２０ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）４月３０日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−３１７５９７ |
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