JP2000155013A - 形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 測定対象物を高精度で測定することができる
とともに操作性の良好な形状測定器を提供することであ
る。 【解決手段】 筐体１０内に投光部２０および受光部３
０が設けられる。投光部２０は発光ダイオード２１、拡
散板２２、円形の開口部を有する絞り２３、投光レンズ
２４および投光ミラー２５を含む。受光部３０は第１の
レンズ３２、受光ミラー３３、円形の開口部を有する絞
り３６、第２のレンズ３７およびＣＣＤ３８を含む。投
光部２０と受光部３０との間にステージ４０により測定
台４１が配置されている。測定台４１の支持面４２は受
光部３０の第１のレンズ３２の光軸に対して垂直に設定
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の形状を測定
する形状測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、物体の各部の長さ、角度、距
離、形状等を測定するために形状測定器が用いられてい
る。図１２はパーソナルコンピュータを用いた従来の形
状測定器を示すブロック図である。

【０００３】図１２の形状測定器は、撮像素子としてＣ
ＣＤ（電荷結合素子）を用いたカメラ１００、光源１１
０、パーソナルコンピュータ１２０およびモニタ１３０
により構成される。カメラ１００には、レンズ１０１が
装着される。カメラ１００は、支持台（図示せず）に固
定される。

【０００４】測定対象物３００は、カメラ１００と光源
１１０との間でステージ（図示せず）上に載置される。
光源１１０からの光が測定対象物３００に照射され、測
定対象物３００の影がカメラ１００により撮像される。
カメラ１００には絞り調整つまみが設けられ、この絞り
調整つまみで絞り径を調整することにより受光量が調整
される。

【０００５】カメラ１００により得られた画像信号は、
パーソナルコンピュータ１２０に与えられる。パーソナ
ルコンピュータ１２０には、インタフェースとして働く
画像取り込みボード１２１が装着される。画像取り込み
ボード１２１は、カメラ１００から与えられた画像信号
を画像データとしてＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモ
リ、外部記憶装置等からなる信号処理部１２２に与え
る。

【０００６】信号処理部１２２は、画像データに基づい
て測定対象物３００の各部の長さ、角度、距離等を算出
し、測定対象物３００の画像および算出結果をモニタ１
３０に表示させる。

【０００７】図１３は図１２のカメラ１００により撮像
される測定対象物の光量分布の一例を示す図である。図
１３の横軸はＣＣＤの画素位置であり、縦軸は光量であ
る。

【０００８】図１３に示すように、測定対象物３００が
存在する領域では光量が低く、測定対象物３００の周囲
の領域では光量が高くなる。光量分布におけるエッジｅ
１，ｅ２は、測定対象物３００の輪隔を表す。したがっ
て、光量分布におけるエッジｅ１，ｅ２間の距離を算出
することにより、測定対象物３００の寸法を測定するこ
とができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の形状測定
器において、測定精度を高めるためには、カメラ１００
のＣＣＤの画素（ピクセル）よりも小さい単位（以下、
サブピクセルと呼ぶ。）まで分解能を向上させる必要が
ある。ＣＣＤの出力値を所定の曲線で近似することによ
り、サブピクセルレベルの測定値を得ることができる。
しかしながら、従来の形状測定器においては、以下に示
す問題〜によりサブピクセルレベルの測定値を得る
ことが困難である。

【００１０】従来の形状測定器では、測定対象物３０
０に平行光を照射するため、およびカメラ１００を光源
１１０に対して位置決めしやすくするために、光源１１
０として発光ダイオード（ＬＥＤ）または蛍光灯を用い
た均一面照明が使用される。

【００１１】図１４は複数の発光ダイオードを用いた均
一面照明の平面図である。図１４の均一面照明では、複
数の発光ダイオード１１２がアレイ状に配列され、それ
らの複数の発光ダイオード１１２上に拡散板１１３が配
置されている。これにより、複数の発光ダイオード１１
２により発生された光が拡散板１１３により拡散され、
面光源が形成される。

【００１２】図１５は蛍光灯を用いた均一面照明の平面
図である。図１５の均一面照明では、環状の蛍光灯１１
４上に拡散板１１５が配置されている。これにより、蛍
光灯１１４により発生された光が拡散板１１５により拡
散され、面光源が形成される。

【００１３】一方、白熱ランプを用いた光源も提案され
ている。図１６は白熱ランプを用いた光源を示す図であ
る。図１６の光源では、単一の白熱ランプ１１６により
発生された光が照明レンズ１１７により平行光にされ
る。それにより、測定対象物に平行光が照射される。

【００１４】しかしながら、図１４および図１５の均一
面照明では、複数の発光ダイオード１１２または環状の
蛍光灯１１４を用いているので、発光面で光量を均一に
することが困難であり、光量むらが発生する。それによ
り、高い測定精度が得られない。

【００１５】また、図１４の均一面照明では、所定の発
光面積を得るために、多数の発光ダイオード１１２を使
用する必要がある。それにより、消費電流が大きくな
り、発熱が大きくなる。その結果、光学系の機械的な歪
みによる測定誤差が生じる。図１５の均一面照明および
図１６の光源においても、蛍光灯１１４および白熱ラン
プ１１６の消費電流が大きいため、同様に発熱による測
定誤差が生じる。

【００１６】さらに、図１５の均一面照明および図１６
の光源では、蛍光灯１１４および白熱ランプ１１６の光
量が劣化するため、蛍光灯１１４または白熱ランプ１１
６を頻繁に交換する必要が生じる。また、図１５の均一
面照明および図１６の光源では、光量むらが蛍光灯１１
４ごとまたは白熱ランプ１１６ごとにばらつくため、蛍
光灯１１４または白熱ランプ１１６を交換するごとに、
基準の測定対象物を用いて測定値を補正する必要があ
る。このように、測定値を補正するためには、大がかり
な補正用のハードウエアおよびソフトウエアをパーソナ
ルコンピュータ１２０に設ける必要がある。

【００１７】また、図１５の均一面照明および図１６の
光源では、蛍光灯１１４および白熱ランプ１１６が広い
波長帯域の光を含む白色光を発生するため、カメラ１０
０のレンズ１０１として色収差を補正した高価なレンズ
を使用する必要がある。

【００１８】さらに、図１６の光源では、白熱ランプ１
１６のフィラメント１１８が面状ではなく複雑な線状と
なっているので、フィラメント１１８の各部分の明るさ
が異なり、放射角度によって光量が異なる。

【００１９】すなわち、図１６において、フィラメント
１１８の一端部から出射された光Ｌ１、中央部から出射
された光Ｌ２および他端部から出射された光Ｌ３の光量
がそれぞれ異なる。この場合、これらの光Ｌ１，Ｌ２，
Ｌ３の焦点位置Ｐ０では、各点ａ，ｂ，ｃの光量は互い
に等しくなる。しかし、焦点から外れた位置Ｐ１では、
各点ａ１，ａ２，ａ３の光量がそれぞれ異なり、各点ｂ
１，ｂ２，ｂ３の光量がそれぞれ異なり、各点ｃ１，ｃ
２，ｃ３の光量もそれぞれ異なる。

【００２０】図１７に示すように、光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３
の光量がそれぞれ異なると、焦点位置Ｐ０に測定対象物
が位置したときには、エッジ部分での光量分布が本来の
エッジ位置に関して対称となるが、焦点から外れた位置
Ｐ１，Ｐ２に測定対象物が位置したときには、エッジ部
分での光量分布が本来のエッジ位置に関して非対称とな
る。したがって、焦点位置Ｐ０に測定対象物が位置した
ときには、エッジ位置を正確に検出することができる
が、焦点から外れた位置Ｐ１，Ｐ２に測定対象物が位置
したときには、測定誤差が生じる。

【００２１】上記のように、光源１１０の光量にばら
つきがあるため、カメラ１００のＣＣＤの画素位置によ
り受光量が異なる。したがって、サブピクセルレベルま
で測定精度を向上させるためには、ＣＣＤの各画素位置
で近似する曲線を補正する必要がある。このような補正
を行うための補正部を実現するためには大容量のメモリ
が必要となるので、補正部をカメラ１００に内蔵させる
ことは困難である。補正部をパーソナルコンピュータ１
２０に設ける場合、カメラ１００および光源１１０から
なる測定部に互換性がなくなり、製造面での管理や故障
時の対策に問題がある。

【００２２】また、上記の従来の形状測定器におい
て、カメラ１００のＣＣＤの感度、レンズ１１０等の光
学系の透過率、または光源１１０の明るさがばらつく
と、カメラ１００により得られる受光量がばらつく。そ
のため、カメラ１００に設けられた絞り調整つまみを用
いて絞り径を調整することにより、受光量のばらつきを
調整している。

【００２３】しかしながら、絞り径を変えると、エッジ
部分での光量分布の傾きが変化する。図１８に示すよう
に、エッジ部分での光量分布の傾きは、絞り径が大きく
なるほど急峻となり、絞り径が小さくなるほど緩やかに
なる。それにより、サブピクセルレベルでエッジ位置の
測定誤差が生じる。

【００２４】また、上記の従来の形状測定器におい
て、厚みのある測定対象物を高精度で測定する場合に
は、測定対象物を支持するステージの支持面に対してカ
メラ１００の光軸を垂直に設定する必要がある。この場
合、カメラ１００およびレンズ１０１が一体になってい
るので、重量の重いカメラ１００およびレンズ１０１の
角度を調整することとなる。そのため、高い精度で安定
性よく調整を行うことは容易ではない。また、大がかり
な調整機構が必要となる。

【００２５】さらに、上記の従来の形状測定器におい
ては、カメラ１００のＣＣＤを有効に使用するために、
ＣＣＤの受光領域の全画素を用いている。すなわち、図
１９に示すように、レンズ１０１による結像領域Ｆ０内
にＣＣＤの受光領域Ｒ０が包含されるように光学系が設
定されている。しかし、この場合、レンズ１０１の一部
分のみを測定に使用することとなり、結果的に寸法の大
きな高価なレンズが必要となる。

【００２６】また、上記の従来の形状測定器におい
て、カメラ１００のレンズ１０１としては、製造上の誤
差の影響が小さくなるように、焦点距離の長いものが用
いられる。

【００２７】また、図２０（ａ）に示すように、片側テ
レセントリックレンズ１０３を使用すると、ＣＣＤ１０
６に入射する光の入射角度がＣＣＤ１０６の端部と中央
部とで異なる。特に、最近では、図２１に示すオンチッ
プマイクロレンズを備えたＣＣＤが用いられる。この場
合、光はオンチップマイクロレンズ１０７によりフォト
ダイオードからなる画素１０８に集光される。図２０
（ａ）の片側テレセントリックレンズ１０３を用いた場
合には、図２１（ａ）に示すように、ＣＣＤ１０６の画
素１０８の位置により入射角度が異なり、受光量が顕著
に異なる。そのため、サブピクセルレベルの測定誤差が
生じる。

【００２８】このような測定誤差をなくすためには、図
２０（ｂ）に示す両側テレセントリックレンズ１０５を
用いる必要がある。この両側テレセントリックレンズ１
０５によれば、ＣＣＤ１０６に垂直に光が入射する。そ
のため、図２１（ｂ）に示すように、オンチップマイク
ロレンズ１０７を備えたＣＣＤ１０６においても、各画
素１０８に光が垂直に入射する。そのため、サブピクセ
ルレベルの測定誤差が生じない。

【００２９】このように、測定誤差を向上させるために
は、レンズ１０１として焦点距離が長い両側テレセント
リックレンズ１０５を用いる必要があるので、カメラ１
００に装着するレンズ１０１が大型になる。その結果、
操作スペースが狭くなり、操作性が悪くなる。

【００３０】本発明の目的は、測定対象物を高精度で測
定することができるとともに操作性の良好な形状測定器
を提供することである。

【００３１】

【課題を解決するための手段および発明の効果】（１）
第１の発明 第１の発明に係る形状測定器は、測定対象物の形状を測
定する形状測定器であって、光源として発光ダイオード
を有し、発光ダイオードから出射された光を測定対象物
に投射する投光部と、投光部により投射されて測定対象
物を透過した光を受光する受光部と、投光部および受光
部を一体的に支持する筐体とを備え、投光部は、測定対
象物を透過した光を集光する第１のレンズと、第１のレ
ンズにより集光された光が通過する開口部を有する第１
の開口部材と、第１の開口部材の開口部を通過した光を
結像させる第２のレンズと、第２のレンズによる光学的
像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたものであ
る。

【００３２】本発明に係る形状測定器においては、投光
部の発光ダイオードから出射された光が測定対象物に投
射される。そして、測定対象物を透過した光が受光部の
第１のレンズにより集光され、第１のレンズにより集光
された光が第１の開口部材の開口部を通過し、第２のレ
ンズにより撮像素子の受光領域に結像される。

【００３３】発光ダイオードにおいては光量の劣化がほ
とんど生じない。したがって、発光ダイオードを頻繁に
交換する必要がない。

【００３４】また、発光ダイオードから出射される光は
単一波長を有するので、色収差を補正した高価なレンズ
を使用する必要がなく、レンズの構成が簡単になるとと
もに安価なレンズを使用することができる。

【００３５】また、投光部および受光部が筐体に一体的
に支持されているので、ユーザは投光部と受光部との位
置関係を調整する必要がない。したがって、操作性が良
好となる。

【００３６】（２）第２の発明 第２の発明に係る形状測定器は、第１の発明に係る形状
測定器の構成において、投光部は、発光ダイオードから
出射された光を拡散するとともに円形に整形する拡散整
形手段と、拡散整形手段により整形された光を平行光に
する投光レンズとを備えたものである。

【００３７】この場合、投光部の発光ダイオードから出
射された光が拡散整形手段により拡散されるとともに円
形に整形され、さらに投光レンズにより平行光にされ、
平行光が測定対象物に投射される。そして、測定対象物
を透過した光が受光部により受光される。

【００３８】このように、発光ダイオードから出射され
た光が拡散されるとともに円形に整形された後、平行光
にされるので、均一な光量分布が得られ、光量むらが発
生しない。したがって、高い測定精度が得られる。

【００３９】また、多数の発光ダイオードを用いる必要
がないので、消費電流が少ない。したがって、発熱によ
る測定誤差が生じない。

【００４０】また、光量むらが発生しないので、発光ダ
イオードを交換した際にも、基準の測定対象物を用いて
測定値を補正する必要がない。したがって、大がかりな
補正用のハードウェアおよびソフトウェアが不要とな
る。

【００４１】（３）第３の発明 第３の発明に係る形状測定器は、第２の発明に係る形状
測定器の構成において、拡散整形手段は、発光ダイオー
ドから出射された光を拡散させる拡散要素と、拡散要素
により拡散された光が通過する円形の開口部を有する第
２の開口部材とを含むものである。

【００４２】この場合、発光ダイオードから出射された
光が拡散要素により拡散され、拡散要素による拡散光が
第２の開口部材の円形の開口部を通過することにより円
形に整形される。

【００４３】（４）第４の発明 第４の発明に係る形状測定器は、第２の発明に係る形状
測定器の構成において、拡散整形手段は、発光ダイオー
ドから出射された光を拡散させる円形の拡散要素を含む
ものである。

【００４４】この場合、発光ダイオードから出射された
光が円形の拡散要素により拡散されることにより、拡散
光が円形に整形される。

【００４５】（５）第５の発明 第５の発明に係る形状測定器は、第１〜第４のいずれか
の発明に係る形状測定器の構成において、第１の開口部
材の開口部が円形であるものである。この場合、撮像素
子の受光領域上に円形の結像領域が形成される。

【００４６】（６）第６の発明 第６の発明に係る形状測定器は、第１〜第５のいずれか
の発明に係る形状測定器の構成おいて、第１のレンズを
製造時に光軸に垂直な面内で調整可能に支持する第１の
支持手段と、第１の開口部材および第２のレンズを製造
時に一体的に光軸方向に調整可能に支持する第２の支持
手段とをさらに備えたものである。

【００４７】この場合、製造時には、第１の支持手段に
より第１のレンズが光軸に垂直な面内で調整可能に支持
されているので、測定対象物から第１のレンズに入射す
る光が測定対象物に対して垂直になるように第１のレン
ズの位置を容易に調整することができる。また、調整後
に第１のレンズを固定することにより、ユーザが第１の
レンズの位置を調整する必要がなくなる。

【００４８】また、製造時に、第２の支持手段により第
１の開口部材および第２のレンズが一体的に光軸方向に
調整可能に支持されているので、測定対象物から第１の
レンズに入射する光が平行光となるように第１のレンズ
と第１の開口部材および第２のレンズとの間の距離を容
易に調整することができる。また、調整後に第１の開口
部材および第２のレンズを固定することにより、ユーザ
が第１の開口部材および第２のレンズの位置を調整する
必要がなくなる。

【００４９】したがって、測定対象物を高精度で測定す
ることができるとともに、操作性が良好となる。

【００５０】（７）第７の発明 第７の発明に係る形状測定器は、第１〜第６のいずれか
の発明に係る形状測定器の構成において、投光部と受光
部との間の光学経路中に測定対象物を支持する支持面を
有する支持部材をさらに備え、第１のレンズの光軸が支
持部材の支持面に垂直に設定されたものである。

【００５１】この場合、支持部材の支持面が第１のレン
ズの光軸に垂直に設定されているので、厚みを有する測
定対象物を測定する場合に、ユーザが投光部および受光
部の光軸を測定対象物に垂直に調整する必要がなくな
る。また、大がかりな調整機構も不要となる。

【００５２】（８）第８の発明 第８の発明に係る形状測定器は、第１〜第７のいずれか
の発明に係る形状測定器の構成おいて、撮像素子は長方
形の受光領域を有し、第２のレンズによる結像領域が撮
像素子の受光領域内に包含され、受光領域の短手方向に
おける撮像素子の位置が機械的に調整され、受光領域の
長手方向における信号処理領域の位置が電気的に調整さ
れたものである。

【００５３】この場合、第２のレンズによる結像領域が
撮像素子の受光領域内に包含されるので、第２のレンズ
として小型でかつ安価なレンズを用いることができる。

【００５４】製造時に、第２のレンズによる結像領域が
撮像素子の受光領域に対して短手方向にずれている場合
には、撮像素子を短手方向に機械的に移動させることに
より結像領域が受光領域内に位置決めされる。

【００５５】また、第２のレンズによる結像領域の直径
が撮像素子の長手方向の長さよりも小さいので、結像領
域が受光領域の中央部から長手方向に多少ずれている場
合でも、結像領域が受光領域から外れない。この場合に
は、撮像素子の受光領域における信号処理領域を電気的
に長手方向に移動させればよく、第２のレンズと撮像素
子との位置関係を調整する必要がない。

【００５６】（９）第９の発明 第９の発明に係る形状測定器は、第１〜第８のいずれか
の発明に係る形状測定器の構成において、第１のレンズ
からの光を反射して第１の開口部材の開口部および第２
のレンズに導くミラーをさらに備えたものである。

【００５７】この場合、筐体を大型化することなく第１
のレンズと第２のレンズとの間の距離を長くすることが
できる。それにより、第１および第２のレンズとして焦
点距離の長い両側テレセントリックレンズを使用するこ
とができる。したがって、撮像素子の受光領域に垂直に
光を入射させることができ、高精度な測定が可能とな
る。また、筐体が大型化しないので、十分な操作スペー
スを確保することができ、良好な操作性を得ることがで
きる。

【００５８】（１０）第１０の発明 第１０の発明に係る形状測定器は、第１〜第９のいずれ
かの発明に係る形状測定器の構成において、撮像素子の
画素の単位よりも小さな単位で撮像素子の出力信号の変
化位置を算出するための情報を記憶する第１の記憶手段
と、第１の記憶手段に記憶された情報に基づいて撮像素
子の出力信号の変化位置を算出する算出手段とをさらに
備えたものである。

【００５９】この場合、第１の記憶手段に記憶された情
報に基づいて撮像素子の出力信号の変化位置を撮像素子
の画素の単位よりも小さな単位で算出することできる。
したがって、測定精度がさらに向上する。

【００６０】（１１）第１１の発明 第１１の発明に係る形状測定器は、第１〜第１０のいず
れかの発明に係る形状測定器の構成において、第１およ
び第２のレンズの収差による撮像素子の出力信号の直線
性のずれを補正するための情報を記憶する第２の記憶手
段と、第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて第１
および第２のレンズの収差による撮像素子の出力信号の
直線性のずれを補正する補正手段とをさらに備えたもの
である。

【００６１】この場合、第２の記憶手段に記憶された情
報に基づいて撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正
することができる。したがって、測定精度がさらに向上
する。

【００６２】（１２）第１２の発明 第１２の発明に係る形状測定器は、第１〜第１１のいず
れかの発明に係る形状測定器の構成において、撮像素子
の画像取り込みタイミングに同期して発光ダイオードを
点灯させる駆動手段をさらに備えたものである。

【００６３】この場合、撮像素子の画像取り込みタイミ
ングに同期して発光ダイオードが点灯するので、外乱光
の影響を受けにくくなる。したがって、測定精度がさら
に向上する。

【００６４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例における
形状測定器の構成を示す模式的断面図である。

【００６５】図１において、筐体１０内に投光部２０お
よび受光部３０が設けられている。投光部２０は、発光
ダイオード２１、すりガラス等からなる拡散板２２、絞
り２３、投光レンズ２４、投光ミラー２５および防塵用
フィルタ２６を含む。絞り２３は、円形の開口部を有す
る薄板状部材からなり、絞り径は固定されている。受光
部３０は、防塵用フィルタ３１、第１のレンズ３２、受
光ミラー３３、バンドパスフィルタ３５、絞り３６、第
２のレンズ３７およびＣＣＤ（電荷結合素子）３８を含
む。絞り３６は、円形の開口部を有する薄板状部材から
なる。バンドパスフィルタ３５、絞り３６および第２の
レンズ３７はレンズ筒３４内に一体的に収納されてい
る。また、レンズ筒３４およびＣＣＤ３８はケース３９
内に一体的に収納されている。

【００６６】投光部２０の防塵用フィルタ２６と受光部
３０の防塵用フィルタ３１との間には、ステージ４０に
より透明ガラスからなる測定台４１が配置されている。
測定台４１の支持面４２上に測定対象物が支持される。
測定台４１の支持面４２は受光部３０の第１のレンズ３
２の光軸に垂直に設定されている。

【００６７】発光ダイオード２１から出射された光は、
拡散板２２により拡散され、拡散板２２による拡散光
は、絞り２３の円形の開口部を通過することにより円形
に整形される。絞り２３の円形の開口部を通過した光
は、投光レンズ２４により水平方向に進行する平行光に
変換される。その平行光は、投光ミラー２５により上方
に反射され、防塵用フィルタ２６を透過し、測定台４１
上の測定対象物に照射される。

【００６８】測定対象物を透過した光は、防塵用フィル
タ３１を透過し、第１のレンズ３２により集光され、受
光ミラー３３により水平方向に反射される。受光ミラー
３３により反射された光は、バンドパスフィルタ３５を
透過し、絞り３６の円形の開口部を通過し、第２のレン
ズ３７によりＣＣＤ３８の受光領域に結像される。

【００６９】なお、ＣＣＤ３８の受光量の調整は、発光
ダイオード２１の駆動電流を制御することにより行われ
る。

【００７０】本実施例の形状測定器においては、単一の
発光ダイオード２１から出射された光が拡散板２２で拡
散されるとともに、絞り２３により円形に整形された
後、平行光にされるので、均一な光量分布が得られ、光
量むらが発生しない。したがって、高い測定精度が得ら
れる。

【００７１】また、単一の発光ダイオード２１が用いら
れるので、消費電流が少ない。したがって、発熱による
測定誤差が生じない。

【００７２】さらに、発光ダイオード２１においては光
量の劣化がほとんど生じない。したがって、発光ダイオ
ード２１を頻繁に交換する必要がない。また、発光ダイ
オード２１、拡散板２２、絞り２３および投光レンズ２
４により均一な光量分布が得られるので、発光ダイオー
ド２１を交換した際に、基準の測定対象物を用いて測定
値を補正する必要がない。その結果、大がかりな補正用
のハードウエアおよびソフトウエアが不要となる。

【００７３】また、発光ダイオード２１から出射される
光は単一波長を有するので、色収差を補正した高価なレ
ンズを使用する必要がなく、レンズの構成が簡単になる
とともに安価なレンズを使用することができる。

【００７４】さらに、投光部２０および受光部３０が筐
体１０内に一体的に支持されているので、ユーザが投光
部２０と受光部３０との位置関係を調整する必要がな
い。また、投光部２０および受光部３０の一体化により
外乱光の影響も少なくなる。

【００７５】また、測定台４１の支持面４２が予め第１
のレンズ３２の光軸に垂直に設定されているので、厚み
を有する測定対象物を測定する場合に、ユーザが投光部
２０および受光部３０の光軸を測定対象物に対して垂直
に調整する必要がない。したがって、大がかりな調整機
構も不要となる。

【００７６】また、第１のレンズ３２により集光された
光の方向が受光ミラー３３により垂直に折り曲げられる
ので、筐体１０を大型化することなく第１のレンズ３２
と第２のレンズ３７との間の距離を長くすることができ
る。それにより、第１および第２のレンズ３２，３７と
して焦点距離の長い両側テレセントリックレンズを使用
することができる。したがって、より高精度な測定が可
能となる。また、筐体１０が大型化しないので、十分な
操作スペースを確保することができ、良好な操作性が得
られる。

【００７７】本実施例では、拡散板２２および絞り２３
が拡散整形手段を構成し、拡散板２２が拡散要素に相当
し、絞り２３が薄板状部材に相当する。また、絞り３６
が薄板状部材に相当する。

【００７８】なお、発光ダイオード２１および拡散板２
２を用いる代わりに、拡散要素が一体化された発光ダイ
オードを用いてもよい。

【００７９】また、拡散板２２および円形の開口部を有
する絞り２３を用いる代わりに、円形の拡散板を用いて
もよい。この場合にも、発光ダイオード２１から出射さ
れた光が円形の拡散板により拡散されるとともに、円形
に整形される。

【００８０】図２は図１の形状測定器におけるＣＣＤ３
８の受光領域と第２のレンズ３７による結像領域との位
置関係を示す図である。

【００８１】図２（ａ）に示すように、ＣＣＤ３８の受
光領域Ｒ１は、例えば１２８０画素×１０２４画素から
なる。図１の絞り２３，３６が円形の開口部を有するの
で、第２のレンズ３７による結像領域Ｆ１は円形とな
る。結像領域Ｆ１がＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１内に位置
するようにレンズ筒３４とＣＣＤ３８との位置関係が調
整される。ここで、ＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１の長手方
向をＡとし、短手方向をＢとする。

【００８２】図２（ｂ）に示すように、組み立て時（製
造時）に、第２のレンズ３７による結像領域Ｆ１がＣＣ
Ｄ３８の受光領域Ｒ１に対して方向Ｂにずれている場合
には、ＣＣＤ３８を矢印Ｂ０で示す方向に機械的に移動
させることにより結像領域Ｆ１を受光領域Ｒ１内に位置
決めする。位置決め後、ＣＣＤ３８をケース３９に固定
する。

【００８３】また、図２（ｃ）に示すように、第２のレ
ンズ３７による結像領域Ｆ１の直径がＣＣＤ３８の受光
領域Ｒ１の長手方向の長さよりも小さいので、結像領域
Ｆ１が受光領域Ｒ１の中央部から方向Ａに多少ずれてい
る場合でも、結像領域Ｆ１が受光領域Ｒ１から外れな
い。この場合には、ＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１における
信号処理領域を電気的に方向Ａに移動させればよく、レ
ンズ筒３４とＣＣＤ３８との位置関係を調整する必要が
ない。

【００８４】上記のように、第２のレンズ３７による結
像領域Ｆ１がＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１内に包含される
ので、第２のレンズ３７として小型でかつ安価なレンズ
を用いることができる。

【００８５】図３は図１の形状測定器における第１のレ
ンズ３２の位置調整を説明するための図である。

【００８６】図３に示すように、組み立て時には、第１
のレンズ３２は、矢印Ｐで示すように光軸に対して垂直
な面内で移動可能に支持部材４５に支持されている。破
線の矢印で示すように、測定台４１の支持面４２から第
１のレンズ３２およびレンズ筒３４に入射する光が支持
面４２に対して傾斜している場合には、第１のレンズ３
２を矢印Ｐの方向に移動させることにより、第１のレン
ズ３２およびレンズ筒３４に入射する光を支持面４２に
対して垂直に容易に調整することができる。

【００８７】第１のレンズ３２の位置調整後、第１のレ
ンズ３２は支持部材４５に固定される。したがって、ユ
ーザは、第１のレンズ３２およびレンズ筒３４に入射す
る光が支持面４２に対して垂直になるように調整を行う
必要はない。なお、支持部材４５が第１の支持手段に相
当する。

【００８８】図４は図１の形状測定器における第２のレ
ンズ３７を内蔵するケース３９の位置調整を説明するた
めの図である。

【００８９】図４に示すように、組み立て時には、ケー
ス３９は、矢印Ｑで示すように、レンズ筒３４の光軸方
向に移動可能に設けられている。破線の矢印で示すよう
に、測定台４１の支持面４２から第１のレンズ３２に入
射する光が平行光にならない場合には、ケース３９を矢
印Ｑで示す方向に移動させることにより、支持面４２か
ら第１のレンズ３２に入射する光を平行光に容易に調整
することができる。

【００９０】ケース３９の位置調整後、ケース３９は筐
体１０に対して固定される。したがって、ユーザは、支
持面４２から第１のレンズ３２に入射する光が平行光に
なるように調整を行う必要はない。なお、ケース３９が
第２の支持手段に相当する。

【００９１】図５は図１の形状測定器の信号処理回路の
構成を示すブロック図である。タイミング発生回路５１
は、垂直同期パルスＶ、水平同期パルスＨおよびＣＣＤ
シャッタパルスＳＨを発生するとともに、ＬＥＤ（発光
ダイオード）点灯パルスＬＤを発生する。ＬＥＤ（発光
ダイオード）点灯回路５２は、タイミング発生回路５１
により発生されたＬＥＤ点灯パルスＬＤに応答して発光
ダイオード２１を点灯させる。

【００９２】発光ダイオード２１から出射された光は、
絞り２３の円形の開口部を通過し、投光レンズ２４によ
り平行光にされ、測定対象物に照射される。測定対象物
からの透過光は、第１のレンズ３２により集光され、絞
り３６の円形の開口部を通過し、第２のレンズ３７によ
りＣＣＤ３８の受光領域に結像される。ＣＣＤ３８は、
受光量に対応するアナログの出力信号を導出する。

【００９３】Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換
器）５３は、ＣＣＤ３８の出力信号をデジタル信号に変
換し、そのデジタル信号を画像データとして画像メモリ
５４に書き込むとともに、画像モニタ６３に与える。

【００９４】微分器５５は、画像メモリ５４から読み出
された画像データを微分する。エッジ検出器５６は、微
分器５５の出力信号の画素レベルのピーク位置を検出
し、そのピーク位置を画素レベルのエッジ位置としてエ
ッジメモリ６１に書き込む。

【００９５】サブピクセル算出部５７は、サブピクセル
テーブル５８を用いて微分器５５の出力信号に基づいて
サブピクセルレベルのピーク位置を算出し、そのピーク
位置の座標をサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，
ｙ）として出力する。リニア補正部５９は、リニア補正
テーブル６０を用いてサブピクセルレベルのエッジ座標
（ｘ，ｙ）に対してリニア補正を行い、補正されたエッ
ジ座標（Ｘ，Ｙ）をエッジメモリ６１に書き込む。

【００９６】距離計算部６２は、エッジメモリ６１に記
憶されたサブピクセルレベルのエッジ座標に基づいて測
定対象物の任意の２点間の距離を計算し、計算結果をエ
ッジメモリ６１に格納する。

【００９７】画像モニタ６３は、Ａ／Ｄ変換器５３から
与えられる画像データを測定対象物の画像として表示す
るとともに、エッジメモリ６１に記憶される計算結果を
表示する。

【００９８】本実施例の形状測定器では、距離計算部６
２および画像モニタ６３以外の部分は、図１の筐体１０
内に収納される。距離計算部６２は、パーソナルコンピ
ュータにより構成される。

【００９９】本実施例では、ＬＥＤ点灯回路５２が駆動
手段に相当し、サブピクセルテーブル５８が第１の記憶
手段に相当し、サブピクセル算出部５７が算出手段に相
当する。リニア補正テーブル６０が第２の記憶手段に相
当し、リニア補正部５９が補正手段に相当する。

【０１００】図６は図５のタイミング発生回路５１によ
り発生される垂直同期パルスＶ、水平同期パルスＨ、Ｃ
ＣＤシャッタパルスＳＨおよびＬＥＤ点灯パルスＬＤを
示すタイミングチャートである。

【０１０１】ＣＣＤ３８は、ＣＣＤシャッタパルスＳＨ
に応答して画像取り込み動作（電荷蓋積動作）を開始
し、垂直同期パルスＶの立ち下がりに同期して電荷転送
動作および出力動作を開始する。このＣＣＤシャッタパ
ルスＳＨに応答してＬＥＤ点灯パルスＬＤが立ち上が
り、垂直同期パルスＶの立ち下がりに応答してＬＥＤ点
灯パルスＬＤが立ち下がる。ＬＥＤ点灯パルスＬＤがハ
イレベルのときに発光ダイオード２１が点灯する。

【０１０２】このように、ＣＣＤ３８の画像取り込み動
作に合わせて発光ダイオード２１がパルス点灯されるの
で、外乱光の影響が低減される。

【０１０３】図７は図５のＡ／Ｄ変換器５３の出力値の
一例を示す図である。図７において、横軸はＣＣＤ３８
の画素位置であり、縦軸はＡ／Ｄ変換器５３の出力値で
ある。図７に示すように、Ａ／Ｄ変換器５３の出力値
は、ＣＣＤ３８の画素位置「−３」から「２」にかけて
立ち上がっている。

【０１０４】図８は図５の微分器５５の出力値の一例を
示す図である。図８において、横軸はＣＣＤ３８の画素
位置であり、縦軸は微分器５５の出力値である。図８に
示すように、微分器５５の出力値のピーク位置ＰＫ０は
ＣＣＤ３８の画素位置「０」となっている。微分器５５
の出力値のピーク位置ＰＫ０がＣＣＤ３８の画素レベル
でのエッジ位置となる。

【０１０５】したがって、エッジ検出器５６は、画素レ
ベルでのピーク位置ＰＫ０を画素レベルでのエッジ位置
としてエッジメモリ６１に格納する。

【０１０６】また、サブピクセル算出部５７は、画素レ
ベルでのピーク位置ＰＫ０における微分器５５の出力値
と前後の画素位置における微分器５５の出力値に基づい
てサブピクセルレベルでのピーク位置ＰＫ１を算出す
る。この場合、サブピクセル算出部５７は、画素レベル
でのピーク位置ＰＫ０における微分器５５の出力値およ
び前後の画素位置における微分器５５の出力値に対して
サブピクセルテーブル５８を用いて波形近似を行うこと
によりサブピクセルレベルでのピーク位置ＰＫ１を算出
する。

【０１０７】サブピクセルテーブル５８には、画素レベ
ルでのピーク位置ＰＫ０とサブピクセルレベルでのピー
ク位置ＰＫ１との差分値ΔＰＫがルックアップテーブル
として格納されている。したがって、サブピクセルテー
ブル５８に画素レベルでのピーク位置ＰＫ０における微
分器５５の出力値および前後の画素位置における微分器
５５の出力値を与えると、差分値ΔＰＫが出力される。
サブピクセル算出部５７は、画素レベルでのピーク位置
ＰＫ０およびサブピクセルテーブル５８から出力された
差分値ΔＰＫを用いてサブピクセルレベルでのピーク位
置ＰＫ１を算出する。

【０１０８】実際には、画素レベルでのピーク位置およ
びサブピクセルレベルでのピーク位置は２次元の座標で
表されるため、図５のサブピクセル算出部５７は、サブ
ピクセルレベルでのピーク位置をエッジ座標（ｘ，ｙ）
として出力する。

【０１０９】図９は図５のリニア補正部５９によるリニ
ア補正を説明するための図である。図９（ａ）に示すよ
うに、測定対象物３００の透過光から第１のレンズ３
２、絞り３６および第２のレンズ３７によりＣＣＤ３８
の受光領域上に画像３０１が得られる。ここで、測定対
象物３００の形状を長方形とする。

【０１１０】第１のレンズ３２および第２のレンズ３７
に歪曲収差がない場合には、図９（ｂ），（ｃ），
（ｄ）に破線で示すように画像３０１は長方形となる。
しかし、第１のレンズ３２および第２のレンズ３７に歪
曲収差がある場合には、図９（ｂ），（ｃ），（ｄ）に
実線で示すように画像３０１の形状が歪む。

【０１１１】そこで、リニア補正部５９は、サブピクセ
ル算出部５７により算出されたサブピクセルレベルでの
エッジ座標（ｘ，ｙ）に対してをリニア補正テーブル６
０を用いてリニア補正を行う。すなわち、このリニア補
正部５９は、測定対象物の各位置とＣＣＤ３８の受光領
域上の画像の各位置との関係が直線性を有するように、
画像の各位置を補正する。

【０１１２】リニア補正テーブル６０には、補正前の画
像の各位置と補正後の画像の各位置との差分値がルック
アップテーブルとして格納されている。したがって、図
５に示すように、リニア補正テーブル６０に補正前のサ
ブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，ｙ）を与える
と、リニア補正テーブル６０から補正前のエッジ座標
（ｘ，ｙ）と補正後のエッジ座標との差分値（Δｘ，Δ
ｙ）が出力される。リニア補正部５９は、補正前のサブ
ピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，ｙ）およびリニア
補正テーブル６０から出力された差分値（Δｘ，Δｙ）
に基づいてサブピクセルレベルでの補正後のエッジ座標
（Ｘ，Ｙ）を算出し、エッジメモリ６１に格納する。

【０１１３】図１０は図５の形状測定器における距離計
算処理の一例を示すフローチャートである。ここでは、
図１１に示す測定対象物の画像３０１のエッジＥ０とエ
ッジＥ１との間の距離を計算するものとする。

【０１１４】領域Ｗ０の座標の算出処理では、変数ｉを
０に設定し（ステップＳ１）、サブピクセル算出部５７
が微分器５５の出力値に基づいてサブピクセルテーブル
５８を用いてサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ
_0i, ｙ_0i）を算出する（ステップＳ２）。次に、リニア
補正部５９が、サブピクセル算出部５７により算出され
たサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ_0i，ｘ_0i）に
対してリニア補正テーブル６０を用いてリニア補正を行
う（ステップＳ３）。そして、補正後のエッジ座標（Ｘ
_0i，Ｙ_0i）をエッジメモリ６１に格納する（ステップＳ
４）。その後、変数ｉに１を加算する（ステップＳ
５）。変数ｉが所定値ｎになるまで（ステップＳ６）、
ステップＳ２〜Ｓ５の処理を繰り返す。それにより、領
域Ｗ０におけるエッジＥ０の座標が求められる。

【０１１５】一方、領域Ｗ１の座標の算出処理では、変
数ｉを０に設定し（ステップＳ１１）、サブピクセル算
出部５７が微分器５５の出力値に基づいてサブピクセル
テーブル５８を用いてサブピクセルレベルでのエッジ座
標（ｘ_1i，ｙ_1i）を算出する（ステップＳ１２）。次
に、リニア補正部５９が、サブピクセル算出部５７によ
り算出されたサブピクセルレベルでのエッジ座標
（ｘ_1i，ｙ_1i）に対してリニア補正テーブル６０を用い
てリニア補正を行う（ステップＳ１３）。そして、補正
後のエッジ座標（Ｘ_1i，Ｙ_1i）をエッジメモリ６１に格
納する（ステップＳ１４）。その後、変数ｉに１を加算
する（ステップＳ１５）。変数ｉが所定値ｎになるまで
（ステップＳ１６）、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を
繰り返す。それにより、領域Ｗ０におけるエッジＥ１の
座標が求められる。

【０１１６】その後、距離計算部６２がエッジメモリ６
１に格納されたエッジ座標からエッジＥ０，Ｅ１間の距
離を求める（ステップＳ２０）。そして、求められた距
離を画像モニタ６３に出力する（ステップＳ２１）。こ
のようにして、サブピクセルレベルでの距離が得られ
る。

【０１１７】本実施例の形状測定器においては、単一の
発光ダイオード２１、拡散板２２、絞り２３および投光
レンズ２４により均一な光量分布が得られ、光量むらが
発生しないので、サブピクセルテーブル５８の構成が単
純になる。また、発光ダイオード２１の交換ごとにリニ
ア補正テーブル６０を再調整する必要がなくなるので、
リニア補正テーブル６０の構成も単純になる。したがっ
て、サブピクセルテーブル５８およびリニア補正テーブ
ル６０を筐体１０内に設けることができる。また、投光
部２０および受光部３０に互換性が得られ、修理および
保守が容易になる。

【０１１８】このように、小型で測定精度が高く、操作
性が良好でかつ安価な形状測定器が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における形状測定器の構成を
示す模式的断面図である。

【図２】図１の形状測定器におけるＣＣＤの受光領域と
第２のレンズによる結像領域との位置関係を示す図であ
る。

【図３】図１の形状測定器における第１のレンズの位置
調整を説明するための図である。

【図４】図１の形状測定器における第２のレンズを内蔵
するケースの位置調整を説明するための図である。

【図５】図１の形状測定器における信号処理回路の構成
を示すブロック図である。

【図６】図５の形状測定器のタイミング発生回路により
発生される垂直同期パルス、水平同期パルス、ＣＣＤシ
ャッタパルスおよびＬＥＤ点灯パルスを示すタイミング
チャートである。

【図７】図５の形状測定器におけるＡ／Ｄ変換器の出力
値の一例を示す図である。

【図８】図５の形状測定器における微分器の出力値の一
例を示す図である。

【図９】図５の形状測定器におけるリニア補正部による
リニア補正を説明するための図である。

【図１０】図５の形状測定器における距離計算処理の一
例を示すフローチャートである。

【図１１】測定対象物の画像の一例を示す図である。

【図１２】従来の形状測定器を示すブロック図である。

【図１３】図１２の形状測定器におけるカメラにより撮
像される測定対象物の光量分布の一例を示す図である。

【図１４】複数の発光ダイオードを用いた均一照明の平
面図である。

【図１５】蛍光灯を用いた均一面照明の平面図である。

【図１６】白熱ランプを用いた光源を示す図である。

【図１７】図１６の光原における放射角度の違いによる
光量分布の違いを説明するための図である。

【図１８】絞り径の違いによる光量分布の違いを説明す
るための図である。

【図１９】従来の形状測定器におけるレンズによる結像
領域とＣＣＤの受光領域との関係を示す図である。

【図２０】片側テレセントリックレンズおよび両側テレ
セントリックレンズを示す図である。

【図２１】オンチップマイクロレンズを有するＣＣＤへ
の光の入射を示す図である。

【符号の説明】

１０ 筐体 ２０ 投光部 ２１ 発光ダイオード ２２ 拡散板 ２３ 絞り ２４ 投光レンズ ２５ 投光ミラー ２６，３１ 防塵用フィルタ ３０ 受光部 ３２ 第１のレンズ ３３ 受光ミラー ３４ レンズ筒 ３５ バンドパスフィルタ ３６ 絞り ３７ 第２のレンズ ３８ ＣＣＤ ３９ ケース ４０ ステージ ４１ 測定台 ４２ 支持面 ５１ タイミング発生回路 ５２ ＬＥＤ点灯回路 ５３ Ａ／Ｄ変換器 ５４ 画像メモリ ５５ 微分器 ５６ エッジ検出器 ５７ サブピクセル算出部 ５８ サブピクセルテーブル ５９ リニア補正部 ６０ リニア補正テーブル ６１ エッジメモリ ６２ 距離計算部 ６３ 画像モニタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩根 和典 大阪府大阪市東淀川区東中島１丁目３番14 号 株式会社キーエンス内 Ｆターム(参考） 2F065 AA03 AA07 AA12 AA56 DD03 EE00 EE08 FF01 FF02 FF04 FF46 GG07 HH03 HH15 JJ03 JJ26 LL22 LL30 LL49 NN02 QQ13 QQ24 QQ29 QQ32 SS13

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定対象物の形状を測定する形状測定器
   であって、 光源として発光ダイオードを有し、前記発光ダイオード
   から出射された光を測定対象物に投射する投光部と、 前記投光部により投射されて測定対象物を透過した光を
   受光する受光部と、 前記投光部および前記受光部を一体的に支持する筐体と
   を備え、 前記測定対象物を透過した光を集光する第１のレンズ
   と、 前記第１のレンズにより集光された光が通過する開口部
   を有する第１の開口部材と、 前記第１の開口部材の前記開口部を通過した光を結像さ
   せる第２のレンズと、 前記第２のレンズによる光学的像を電気信号に変換する
   撮像素子とを備えたことを特徴とする形状測定器。
2. 【請求項２】 前記投光部は、 前記発光ダイオードから出射された光を拡散させるとと
   もに円形に整形する拡散整形手段と、 前記拡散整形手段により整形された光を平行光にする投
   光レンズとを備えたことを特徴とする請求項１記載の形
   状測定器。
3. 【請求項３】 前記拡散整形手段は、 前記発光ダイオードから出射された光を拡散させる拡散
   要素と、 前記拡散要素により拡散された光が通過する円形の開口
   部を有する第２の開口部材とを含むことを特徴とする請
   求項２記載の形状測定器。
4. 【請求項４】 前記拡散整形手段は、 前記発光ダイオードから出射された光を拡散させる円形
   の拡散要素を含むことを特徴とする請求項２記載の形状
   測定器。
5. 【請求項５】 前記第１の開口部材の前記開口部が円形
   であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載
   の形状測定器。
6. 【請求項６】 前記第１のレンズを製造時に光軸に垂直
   な面内で調整可能に支持する第１の支持手段と、 前記第１の開口部材および前記第２のレンズを製造時に
   一体的に光軸方向に調整可能に支持する第２の支持手段
   とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいず
   れかに記載の形状測定器。
7. 【請求項７】 前記投光部と前記受光部との間の光学経
   路中に測定対象物を支持する支持面を有する支持部材を
   さらに備え、 前記第１のレンズの光軸が前記支持部材の前記支持面に
   垂直に設定されたことを特徴とする請求項１〜６のいず
   れかに記載の形状測定器。
8. 【請求項８】 前記撮像素子は長方形の受光領域を有
   し、 前記第２のレンズによる結像領域が前記撮像素子の前記
   受光領域内に包含され、 前記受光領域の短手方向における前記撮像素子の位置が
   機械的に調整され、 前記受光領域の長手方向における信号処理領域の位置が
   電気的に調整されたことを特徴とする請求項１〜７のい
   ずれかに記載の形状測定器。
9. 【請求項９】 前記第１のレンズからの光を反射して前
   記第１の開口部材の前記開口部および前記第２のレンズ
   に導くミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１
   〜８のいずれかに記載の形状測定器。
10. 【請求項１０】 前記撮像素子の画素の単位よりも小さ
    な単位で前記撮像素子の出力信号の変化位置を算出する
    ための情報を記憶する第１の記憶手段と、 前記第１の記憶手段に記憶された情報に基づいて前記撮
    像素子の出力信号の変化位置を算出する算出手段とをさ
    らに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに
    記載の形状測定器。
11. 【請求項１１】 前記第１および第２のレンズの収差に
    よる前記撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正する
    ための情報を記憶する第２の記憶手段と、 前記第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて前記第
    １および第２のレンズの収差による前記撮像素子の出力
    信号の直線性のずれを補正する補正手段とをさらに備え
    たことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の
    形状測定器。
12. 【請求項１２】 前記撮像素子の画像取り込みタイミン
    グに同期して前記発光ダイオードを点灯させる駆動手段
    をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいず
    れかに記載の形状測定器。