JP2004028792A

JP2004028792A - 非接触断面形状測定方法および測定装置

Info

Publication number: JP2004028792A
Application number: JP2002185531A
Authority: JP
Inventors: Satoru Kamiyoshi; 神吉　哲
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-06-26
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】曲がりが大きい鏡面体被測定物を悪環境下において、安価に測定できる測定方法および装置を提供する。
【解決手段】レーザ三角測量方式の変位計１と、被測定物５からの反射光が入射するスクリーン４と、スクリーン４上の入射位置を測定する撮像装置（集光レンズ３と光検出器２とから構成される）とを備え、被測定物の乱反射部分については変位計１で距離を測定して被測定物の表面の形状を求め、この形状を延長して被測定物の鏡面部分の最初の測定点の距離を求める。鏡面部分の測定点については、測定距離と、スクリーン４上の入射位置とから測定点における入射角を求め、測定点における接線の角度（傾き）を算出する。このような接線の傾きの算出を連続して行うことにより、被測定物の表面の断面形状を算出する。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鏡面体被測定物の表面の断面形状を非接触で測定する方法および装置に関し、特に、温度変化等の悪環境下において鏡面体被測定物の表面の断面形状を測定する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触で被測定物の表面の断面形状（ｐｒｏｆｉｌｅ）を測定する方法として、従来、非接触変位計によって被測定物までの距離を連続的に測定するという方法が一般的に用いられている。非接触変位計の種類としては、超音波方式，渦電流方式，静電容量方式，レーザを用いた三角測量方式，レーザフォーカス方式等がある。
【０００３】
一例としてレーザ三角測量方式の変位計の構成を説明する。図１に示されるように、レーザ三角測量方式の変位計１は、レーザ光源１１と、被測定物に照射された光を撮像するＣＣＤまたはＰＳＤ等の位置検出素子１３と、レーザ光源１１を駆動するレーザ駆動回路１２と、位置検出素子１３からの出力信号を増幅する増幅回路１４とを備える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように非接触変位計には多くの種類が存在するが、例えば自動車のウィンドシールドガラスのように曲がりが大きい鏡面体を、悪環境下（温度変化等）で測定する場合には、適したものがない。
【０００５】
以下に、このような測定を行う場合の不具合について、一般的な変位計の方式ごとに説明する。
【０００６】
・超音波方式の場合、変位計と被測定物との間に温度差が存在すると正確な測定ができない。
・渦電流方式の場合、対象となる被測定物が金属に限られてしまう。
・静電容量方式の場合、測定レンジが非常に狭いため、変位計と被測定物間の距離を制御する必要があり、装置が高価になってしまう。
・レーザ三角測量方式（乱反射測定タイプ）の場合、鏡面体の被測定物においては乱反射成分がほとんど存在しないため、測定が不可能である。
・レーザ三角測量方式（正反射測定タイプ）の場合、角度特性、距離特性が非常に悪いため、変位計と被測定物との間の距離および角度を制御する必要があり、装置が高価になってしまう。
・レーザフォーカス方式の場合、角度特性、距離特性が非常に悪いため、変位計と被測定物との間の距離および角度を制御する必要があり、装置が高価になってしまう。
【０００７】
本発明の目的は、曲がりが大きい鏡面体被測定物を悪環境下（温度変化等）において、安価に測定できる測定方法および測定装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様においては、まず、被測定物（被測定断面）の測定開始位置は鏡面体ではなく、それ以外は鏡面体とする。レーザ三角測量方式の変位計を用いて測定開始点までの距離を測定する。測定開始点は鏡面体ではないので、この方式の変位計が使用可能である。
【０００９】
鏡面体部分は、レーザの反射光をスクリーンに投影（入射）し、その入射位置を測定することで被測定断面（被測定物）の測定点の接線角度を計算する。スクリーン上での入射位置は被測定断面（被測定物）の表面の角度と、被測定断面（測定点）までの距離によって変化するが、測定ピッチを細かくし、かつ距離を都度再計算することで正確な接線角度を求める。
【００１０】
測定ピッチを細かくして接線角度を連続的に測定すると、表面の断面形状にほぼ等しい形状を得ることができる。
【００１１】
本発明においては、被測定物の表面を一定方向に連続して測定する。そして、被測定物を走査方向に沿って切断したと仮定した場合の表面の断面形状を測定することができる。
【００１２】
具体的には、本発明の測定方法は、乱反射部分を一部に含む反射表面を備える物体の表面を、乱反射成分を測定するレーザ三角測量方式の変位計を用いて所定ピッチで走査して、前記物体の表面の断面形状を測定する方法であって、（ａ）前記変位計を用いて、前記乱反射部分の距離を測定して前記乱反射部分の表面断面形状を求め、（ｂ）前記乱反射部分の表面断面形状を延長して、前記反射表面の最初の測定点の距離を求め、（ｃ）前記反射表面の最初の測定点の距離から、前記反射表面の最初の測定点へ入射した光の入射角を算出して、前記反射表面の最初の測定点における接線角度を求め、（ｄ）前記反射表面の最初の測定点における接線角度と、前記反射表面の最初の測定点の距離と、測定点間のピッチとから、前記反射表面の第２の測定点の距離を求め、（ｅ）前記反射表面の第２の測定点の距離から、前記反射表面の第２の測定点へ入射した光の入射角を算出して、前記反射表面の第２の測定点における接線角度を求め、（ｆ）前記反射表面の最初の測定点の接線角度と前記反射表面の第２の測定点の接線角度とに基づいて、それぞれの測定点における接線を算出し、前記それぞれの測定点における接線を順次結んで前記反射表面の断面形状を求める。
【００１３】
また、本発明の測定装置は、乱反射部分を一部に含む反射表面を備える物体の表面を、所定ピッチで走査して、前記物体の表面の断面形状を測定する測定装置であって、乱反射成分を測定するレーザ三角測量方式の変位計と、前記反射表面の測定点へ入射した光の反射光が入射するスクリーンと、前記スクリーンにおける前記反射光の入射位置を測定する撮像装置と、前記測定装置を制御し、前記変位計および前記撮像装置からの出力を処理する演算制御手段とを備え、前記演算制御手段は、（ａ’）前記変位計を用いて、前記乱反射部分の距離を測定して前記乱反射部分の表面断面形状を求め、（ｂ’）前記乱反射部分の表面断面形状を所定のピッチ延長して、前記反射表面の最初の測定点に近似する第１近似点の座標を算出し、前記第１近似点の距離を求め、（ｃ’）前記第１近似点の距離と、前記反射表面の最初の測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置とに基づいて、前記反射表面の最初の測定点へ入射した光の入射角を算出し、前記反射表面の最初の測定点における接線角度を求め、（ｄ’）前記反射表面の最初の測定点における接線角度と、前記第１近似点の距離と、測定点間のピッチとから、前記反射表面の第２の測定点の距離を求め、（ｅ’）前記反射表面の第２の測定点の距離と、前記反射表面の第２の測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置とに基づいて、前記反射表面の第２の測定点へ入射した光の入射角を算出し、前記反射表面の第２の測定点における接線角度を求め、（ｆ’）前記反射表面の最初の測定点の接線角度と前記反射表面の第２の測定点の接線角度とに基づいて、それぞれの測定点における接線を算出し、前記それぞれの測定点における接線を順次結んで前記反射表面の断面形状を求める。
【００１４】
このような構成とすることにより、乱反射測定タイプのレーザ三角測量方式の変位計を用いて、反射表面を備える被測定物の表面断面形状を測定することが可能となる。
【００１５】
また、本明細書における手段は、ハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより実現可能である。ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによる実行は、例えば、所定のプログラムを有するコンピュータ・システムを含む測定装置が該当する。
【００１６】
そして、１つの手段が有する機能が２つ以上のハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより実現されても、２つ以上の手段の機能が１つのハードウェア、ソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせにより実現されてもよい。
【００１７】
本発明における被測定物は、乱反射部分を一部に含む反射表面を備える物体である。乱反射部分の位置は特に限定されず、例えば物体表面の端部であってもよく、中央部分であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（測定装置の構成）
本発明の実施の形態に係る測定装置の構成を説明する。図２は、本発明の実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す正面図であり、図３は、図２の測定装置を図２中のＳの方向からみた側面図であり、図４は、本発明の実施の形態に係る演算制御手段の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図２に示すように、本発明の実施の形態に係る測定装置１０は、レーザ三角測量方式の変位計（以下「変位計」と呼ぶ）１と、被測定物５からの反射光が入射するためのスクリーン４と、反射光の入射位置を測定するための撮像装置とを備える。
【００２１】
レーザ三角測量方式の変位計１は、図１に示した従来の変位計と同様のものを用いることができる。また、本実施の形態においては、乱反射測定タイプの変位計を用いることが好ましい。さらに、本実施の形態において、変位計１は、測定点を通る垂直線上に位置させるようにすると好ましい。より好ましくは、変位計１のレーザ光の出射口２０の中心が測定点を通る垂直線上に位置するようにする。
【００２２】
スクリーン４の平面形状は特に限定されないが、矩形形状が好適である。
【００２３】
撮像装置は、集光レンズ３と光検出器２とを備える。光検出器２は、２次元ＣＣＤカメラまたは２次元ＰＳＤ等によって実現される。撮像装置は、スクリーン４上の反射光の入射位置を測定して出力する。
【００２４】
また、測定装置１０は、演算制御手段としてのコンピュータ６を備える。コンピュータ６は、測定装置１０を制御し、測定結果を処理する。図４に示されるように、コンピュータ６には、変位計１からの出力と、光検出器２からの出力と、測定開始信号７と、移動パルス信号８とが入力される。
【００２５】
さらに、測定装置１０は、図示しない移動手段を備える。移動手段は、被測定物５または測定装置１０のどちらか一方、もしくは双方を走査方向に沿って一定方向に移動させる。移動手段は、好ましくは、被測定物５および／または測定装置１０を、水平方向または垂直方向に移動させる。なお、本実施の形態においては、移動手段は、被測定物５を図３中に示した進行方向に水平に移動させる。
【００２６】
また、被測定物５もしくは測定装置１０の移動は、図示しない光学器械等によって検出され、移動パルス信号８としてコンピュータ６に送られる。また、この移動パルス信号８は、移動手段から直接コンピュータ６へ送られるようにしてもよい。そして、コンピュータ６は、受信した移動パルス信号から被測定物５と測定装置１０との間の相対的な移動ピッチを演算する。
【００２７】
なお、移動手段は、コンピュータ６に制御されて被測定物５を所定のピッチで移動させてもよく、コンピュータ６とは異なる制御手段によって制御されてもよい。
【００２８】
（変位計とスクリーンの位置）
次に、図５を参照して、変位計とスクリーンとの位置関係について説明する。図５は、図３のＡ−Ａ方向矢視図である。まず、平面視における位置関係について説明する。図５に示されるように、スクリーン４の水平面内に、仮想の基準線Ｒを設定する。この基準線Ｒは、スクリーン４の中心線としてもよい。
【００２９】
そして、この基準線Ｒと、変位計１のレーザ光の出射口２０の中心（光軸）とを、被測定物５の走査方向に直交する直線上に並んで配置する。このようにして、図５に示されるように、変位計１とスクリーン４との位置関係が設定される。なお、測定装置１０が走査方向に移動する場合にも、この位置関係が維持され、常に出射口２０の中心と基準線Ｒとが走査方向に直行する直線上に位置するようにすると好適である。
【００３０】
ここで、変位計１から被測定物５へ入射された光が被測定物５の鏡面部分で正反射し、当該反射光がスクリーン４上に入射する位置を入射位置３０とする。本明細書においては、この入射位置３０（好ましくは入射位置３０の中心点）と基準線Ｒとの距離をＸｎとして表す。なお、走査方向に直行する直線方向（図中のｙ軸方向）における位置関係については、被測定物５を経る変位計１からの光が入射する範囲にスクリーン４が配置される。
【００３１】
次に、高さ方向の位置関係について説明する。スクリーン４は、変位計１と同一平面内に位置するように設けられる。これは、変位計１によって得られる測定点の距離を、スクリーン４と測定点との距離として用いるためである。
【００３２】
具体的には、被測定物の距離を測定する際の変位計１側の基準点と、スクリーン４とを同一平面内に配置する。このようにして、変位計１とスクリーン４との位置関係が設定される。
【００３３】
例えば、スクリーン４と変位計１とを、被測定物５の相対的な移動方向と平行な同一平面内に配置するのが好ましい。具体的には、被測定物５を水平方向に移動させて垂直方向から測定する場合には、スクリーン４と変位計１とを被測定物５の移動方向と平行な同一水平面内に配置するのが好ましい。一方、被測定物５を垂直方向に移動させて水平方向から測定する場合には、スクリーン４と変位計１とを被測定物５の移動方向と平行な同一垂直面内に配置するのが好ましい。
【００３４】
次に、図６を参照して、本発明の測定対象について説明する。図６は、被測定物の断面を示す断面図である。図６に示されるように、本発明においては、被測定物５の表面１００の断面形状（ｐｒｏｆｉｌｅ）を測定する。
【００３５】
すなわち、被測定物５を走査方向に沿って切断したと仮定した場合に得られる垂直切断面と表面との交差でつくられる輪郭が測定対象となる。
【００３６】
（測定方法）
次に、本発明の実施の形態に係る測定方法を説明する。図７は、本発明の第１の実施の形態に係る測定方法を説明する概念図である。
【００３７】
まず、本発明においては、被測定物５の表面は、乱反射部分（図７中のＡ領域）と鏡面部分（図７中のＢ領域）とを有する。鏡面部分は、光を正反射させる部分である。また、測定を行う際には、上述した乱反射部分上に測定開始点を設定し、測定点を、この測定開始点から鏡面部分へ所定のピッチで移動させ、複数の測定点を順次測定していく。具体的には、測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４…Ｐｎを順次走査することとなる。
【００３８】
ここで、例えば自動車用ウィンドシールドガラスの場合、乱反射部分は、周辺のマスキングプリント部分から構成され、鏡面部分は、ガラス部分から構成される。
【００３９】
（測定開始点の測定）
まず、乱反射部分上の測定開始点Ｐ０を測定する。測定点Ｐ０は、表面が乱反射するので、変位計１で被測定物までの距離を測定する。具体的には、測定装置１０（特に変位計１）を測定点Ｐ０上に位置させ、変位計１によって測定を行い、測定結果をコンピュータ６に入力して測定点Ｐ０における被測定表面までの距離（座標）を算出する。
【００４０】
次に、被測定物５を図中の進行方向に所定のピッチ分移動させる。そして、測定点Ｐ０と同様に、測定点Ｐ１を変位計１で測定する。測定点Ｐ１も乱反射部分上の点であるので、同様に変位計１によって測定を行い、測定結果をコンピュータ６に入力して測定点Ｐ１における被測定表面までの距離（座標）を算出する。
【００４１】
次に、Ｐ０−Ｐ１のベクトルを求める。これは、上記で求められたＰ０座標およびＰ１座標を結ぶことで、コンピュータ６によって計算することができる。
【００４２】
（鏡面部分の測定）
次に、被測定物５を所定ピッチ移動させて、鏡面部分上の測定点Ｐ２を測定する。ここで、Ｐ２は、被測定物５の鏡面部分上の最初の測定点である。まず、Ｐ０−Ｐ１のベクトルを延長した線上の点をＰ２’とし、Ｐ２’までの距離を算出する。例えば、Ｐ２’は、Ｐ０−Ｐ１のベクトルを延長した直線と測定点Ｐ２を通る垂直線との交点として算出される。なお、Ｐ２は、被測定物の乱反射部分上の２以上の連続する測定点の直後の隣り合う測定点であって、鏡面部分上の測定点と表現してもよい。
【００４３】
被測定物５は曲がっているが、Ｐ２’はＰ０−Ｐ１ベクトルを直線的に延長して求められているだけなので、厳密にはＰ２とＰ２’とは異なる。しかしながら、測定ピッチを細かくすれば許容できる誤差内に抑えることが可能である。
【００４４】
なお、乱反射部分上の測定点（Ｐ０，Ｐ１等）を求め、これらが３点以上あれば、これらの座標に基づいて２次曲線を算出し、この２次曲線上の点としてＰ２’を求めるようにしてもよい。
【００４５】
次に、変位計１のレーザ光源１１から測定点Ｐ２へ光を入射させる。測定点Ｐ２は鏡面部分にあり、光を正反射するので、反射光がスクリーン４に入射する。このスクリーン４上の入射位置を２次元ＣＣＤカメラまたは２次元ＰＳＤで測定すれば図７中のＸ２を求めることができる。コンピュータ６は、撮像装置からの出力に基づいてＸ２を計算する。
【００４６】
ここで、スクリーン４（測定装置１０）から測定点Ｐｎまでの距離をＬｎとし、スクリーン４の基準線Ｒから入射位置までの距離をＸｎとすると、被測定物上での反射角度θｎは次式で計算できる。ここで、反射角度θｎは、測定点での入射角と反射角との和である。
【００４７】
θｎ＝ｔａｎ^−１（Ｘｎ／Ｌｎ）
【００４８】
スクリーン４からＰ２’までの距離Ｌ２は既に求まっているので、コンピュータ６は、上記のＸ２とＬ２とを用いてθ２を算出する。
【００４９】
ここで、被測定物に照射されたレーザ光であって、被測定物に対する入射光が測定点における法線となす角度を法線角度と称する。これは、測定点における入射角ととらえてもよい。θｎは法線角度の２倍である。法線角度と接線角度は等しいため、Ｐ２での被測定物の接線角度はθ２／２である。
【００５０】
なお、接線角度とは、測定点における被測定物の接線が水平面となす角度を意味する。これは、接線の傾きととらえてもよい。
【００５１】
（測定点Ｐ３の測定）
次に、被測定物５を所定ピッチ移動させて、測定点Ｐ３を測定する。ここで、Ｐ３は、被測定物５の鏡面部分上の２番目の測定点である。まず、スクリーン４からＰ３までの距離を求める。図８に示されるように、Ｐ３を測定点Ｐ２での接線の延長線上の点と仮定し、測定点Ｐ２とＰ３との図中のｙ軸方向の距離をＥとし、移動ピッチをＤとすると、Ｅは、次式で計算できる。図８は、測定点の距離を求める原理を説明する図である。
【００５２】
Ｅ＝Ｄ×ｔａｎ（θ２／２）
【００５３】
スクリーン４からＰ３までの距離Ｌ３は、Ｌ２とＥとの和によって求められるので、次式で計算できる。
【００５４】
Ｌ３＝Ｌ２＋Ｅ＝Ｌ２＋Ｄ×ｔａｎ（θ２／２）
【００５５】
コンピュータ６は、例えば上記の式に基づいて距離Ｌ３を計算する。
【００５６】
次に、測定点Ｐ３における接線角度を求める。Ｐ３も鏡面部分上の点であるので、Ｐ２と同様にしてＸ３を求め、Ｌ３およびＸ３に基づいて接線角度θ３／２を計算する。以下同様にして鏡面部分上の複数の測定点（Ｐ４，Ｐ５，…Ｐｎ）について測定と計算とを続ける。
【００５７】
このようにして、細かいピッチで測定を繰り返し、それぞれの測定点における接線角度を計算する。そして、求められたそれぞれの接線を順次結ぶことによって被測定物の表面の断面形状を算出することができる。
【００５８】
本実施の形態を用いて実際の測定を行った結果を示す。図９は、鏡面体被測定物の測定結果を示す図であり、図１０は、鏡面体被測定物の実形状を示す図であり、図１１は、測定結果と実形状との対比を示す図である。
【００５９】
図９〜１１に示されるように、本実施の形態を用いて測定を行った結果、高精度で鏡面体被測定物の表面の断面形状を求めることができた。
【００６０】
次に、図１２〜１４を参照して、上記の測定方法をコンピュータ６の動作の観点から具体的に説明する。図１２〜１４は、第１の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。まず、測定開始信号がコンピュータ６へ入力される。コンピュータ６は、最初の測定点Ｐ０が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ１０１）。
【００６１】
具体的には、測定点が乱反射部分である場合には、測定点からの反射光がレーザ三角測量方式の変位計１の位置検出素子１３へ入射する。したがって、位置検出素子１３が反射光を検出した場合には測定点Ｐ０は乱反射部分であると判断し、そうでない場合には、測定点Ｐ０は鏡面部分であると判断する。
【００６２】
本実施の形態においては、測定点Ｐ０は乱反射部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、測定点Ｐ０の距離を測定し、これをＲＡＭ等のメモリに記憶する（ステップ１０２）。具体的には、変位計１によって測定された距離のデータがコンピュータ６へ入力されこれを記憶する。また、コンピュータ６は、Ｐ０の座標を求めるようにしてもよい。
【００６３】
次に、測定点Ｐ１を測定する。まず、コンピュータ６は、測定点を走査方向に移動し、入力された移動パルス信号からＰ０−Ｐ１間の移動ピッチを求めメモリに記憶する（ステップ１０３）。次に、ステップ１０１と同様にして測定点Ｐ１が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ１０４）。
【００６４】
本実施の形態においては、測定点Ｐ１は乱反射部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、ステップ１０２と同様にして測定点Ｐ１の距離を測定し、これをメモリに記憶する（ステップ１０５）。
【００６５】
次に、コンピュータ６は、乱反射部分を所定数連続して測定したか否か判断する（ステップ１０６）。具体的には、乱反射部分を連続して測定する測定回数の基準がＲＯＭ等に設定されている。コンピュータ６は、位置検出素子１３が反射光を連続して検出した場合に、その検出回数をこの基準と比較することによって所定数連続して測定したか否か判断する。
【００６６】
所定数連続して測定した場合には、次に、コンピュータ６は、乱反射部分上の複数の測定点の座標に基づいて乱反射部分の表面断面形状を演算する（ステップ１０７）。具体的には、乱反射部分上の測定点が２点の場合には、得られた２つの座標からベクトルを算出し直線形状を得る。一方、乱反射部分上の測定点が３点以上であれば、２次曲線を算出し曲線形状を得る。
【００６７】
次に、測定点Ｐ２を測定する。まず、コンピュータ６は、測定点を移動し、入力された移動パルス信号からＰ１−Ｐ２間の移動ピッチを求めメモリに記憶する（ステップ１０８）。次に、ステップ１０１と同様にして測定点Ｐ２が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ１０９）。
【００６８】
本実施の形態においては、測定点Ｐ２は鏡面部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、ステップ１０７で得られた乱反射部分の表面断面形状を延長して、仮想の測定点Ｐ２’の座標を算出し、このＰ２’の距離をＰ２の距離Ｌ２としてメモリに記憶する（ステップ１１０）。
【００６９】
次に、コンピュータ６は、Ｘ２を求めてメモリに記憶する（ステップ１１１）。具体的には、コンピュータ６は、光検出器２からの出力に基づいてＸ２を計算する。そして、コンピュータ６は、θ２を算出し、Ｐ２における接線角度（θ２／２）を算出してメモリに記憶する（ステップ１１２）。
【００７０】
次に、測定点Ｐ３を測定する。まず、コンピュータ６は、測定点を移動し、入力された移動パルス信号からＰ２−Ｐ３間の移動ピッチを求めメモリに記憶する（ステップ１１３）。次に、ステップ１０１と同様にして測定点Ｐ３が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ１１４）。
【００７１】
本実施の形態においては、測定点Ｐ３は鏡面部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、Ｌ２と、ステップ１１２で得られたＰ２における接線角度と、メモリに記憶したＰ２−Ｐ３間の移動ピッチとからＰ３の距離Ｌ３を算出してメモリに記憶する（ステップ１１５）。
【００７２】
次に、コンピュータ６は、ステップ１１１と同様にＸ３を求めてメモリに記憶する（ステップ１１６）。そして、コンピュータ６は、θ３を算出し、Ｐ３における接線角度（θ３／２）を算出してメモリに記憶する（ステップ１１７）。
【００７３】
コンピュータ６は、以後の測定点について、測定点Ｐ３と同様の測定を繰り返し、それぞれの接線角度（θｎ／２）を算出してメモリに記憶する。そして、最後の測定点の測定が終了すると、コンピュータ６は、記憶した接線角度からそれぞれの測定点の接線を求め、それぞれの接線を順次結んで被測定物の走査方向の表面断面形状を演算する（ステップ１１８）。
【００７４】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について図１５を参照して説明する。ここで、図１５は、本発明の第２の実施の形態に係る測定方法を説明する概念図である。上記第１の実施の形態においては、乱反射部分上に測定開始点を設定する例について説明したが、第２の実施の形態においては、測定開始部は乱反射部分ではなく、測定途中に乱反射部分があるワークを測定する場合について説明する。
【００７５】
本実施の形態においても、測定点Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３…Ｐｎを順次走査していく。しかしながら、本実施の形態においては、測定開始点Ｐ０が乱反射部分ではなく鏡面部分である。したがって、第１の実施の形態の方法によりＸ０は測定可能であるが、Ｌ０は未知であるためθ０は計算不可能である。この場合には、Ｘ０をＲＡＭ等で構成されるメモリに記憶しておく。次に、被測定物５を所定ピッチ移動させ、鏡面部分の測定点Ｐ１を測定する。Ｐ１についても、Ｐ０と同様に、Ｘ１をメモリに記憶しておく。そして、Ｐ０−Ｐ１間の移動ピッチをメモリに記憶しておく。
【００７６】
次に、被測定物５を所定ピッチ移動させ、測定点Ｐ２を測定し、同様にして測定点Ｐ３を測定する。連続した２つの測定点であるＰ２およびＰ３が乱反射部分上の点であるとすると、変位計１によってＰ２座標とＰ３座標とを求めることができるので、上記第１の実施の形態におけるＰ０−Ｐ１ベクトルと同様にしてＰ３−Ｐ２のベクトルを求めることができる。
【００７７】
そして、Ｐ１−Ｐ２間の移動ピッチに対応して、Ｐ３−Ｐ２のベクトルを走査方向とは逆方向に延長することにより、Ｐ３−Ｐ２ベクトルの延長線上に、仮想Ｐ１座標である座標Ｐ１’を求めることができる。ここで、Ｐ１は、被測定物の乱反射部分上の２以上の連続する測定点の直前の隣り合う測定点であって、鏡面部分上の測定点と表現してもよい。また、被測定物の乱反射部分上の２以上の連続する測定点をＰｎ，Ｐｎ＋１（，Ｐｎ＋２…）とすると、Ｐｎ−１として表すことができる。
【００７８】
座標Ｐ１’が求まると、近似値として測定点Ｐ１の距離Ｌ１が得られる。Ｘ１が既に記憶されているので、上記第１の実施の形態と同様に、Ｌ１とＸ１とを用いて次式によりθ１を計算することができる。
【００７９】
θ１＝ｔａｎ^−１（Ｘ１／Ｌ１）
【００８０】
また、θ１から測定点Ｐ１での被測定物５の接線角度（θ１／２）を求めることができるので、測定点Ｐ１での接線の延長線上の点として仮想Ｐ０座標である座標Ｐ０’を計算することができる。ここで、Ｐ０は、Ｐｎ−２として表すことができる。
【００８１】
Ｐ０についても、Ｐ１と同様にして、Ｌ０，θ０，および測定点Ｐ０での被測定物５の接線角度（θ０／２）を求めることができる。しかしながら、この例においては、Ｐ０は測定開始点であるので、計算を終了する。一方、Ｐ０が測定開始点でない場合には、さらに遡って隣り合う測定点Ｐｎ−３について同様の計算を行う。
【００８２】
このようにして、測定途中または測定終了部に乱反射部分がある場合には、乱反射部分上の２つの連続する測定点から、走査方向と逆方向に向かって鏡面部分の各測定点の接線角度を順次計算する。そして、求められたそれぞれの接線を順次結ぶことによって被測定物の表面の断面形状を算出することができる。
【００８３】
なお、測定途中に乱反射部分がある場合には、乱反射部分以後の鏡面部分については、上記第１の実施の形態の測定方法を用いて測定を行うようにする。
【００８４】
このようにして、測定開始点は乱反射部分でなくとも、測定途中あるいは測定終了部に少なくとも連続する２つの乱反射部分があれば、さかのぼって計算することが可能である。
【００８５】
次に、図１６〜１８を参照して、上記の測定方法をコンピュータ６の動作の観点から具体的に説明する。図１６〜１８は、第２の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。まず、測定開始信号がコンピュータ６へ入力される。コンピュータ６は、第１の実施の形態のステップ１０１と同様に最初の測定点Ｐ０が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ２０１）。
【００８６】
本実施の形態においては、測定点Ｐ０は鏡面部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、Ｘ０を求めてメモリに記憶する（ステップ２０２）。
【００８７】
次に、測定点Ｐ１を測定する。まず、コンピュータ６は、測定点を移動し、入力された移動パルス信号からＰ０−Ｐ１間の移動ピッチを求めメモリに記憶する（ステップ２０３）。次に、ステップ２０１と同様にして測定点Ｐ１が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ２０４）。
【００８８】
本実施の形態においては、測定点Ｐ１は鏡面部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、Ｘ１を求めてメモリに記憶する（ステップ２０５）。
【００８９】
次に、測定点Ｐ２を測定する。コンピュータ６は、測定点を移動し、入力された移動パルス信号からＰ１−Ｐ２間の移動ピッチを求めメモリに記憶する（ステップ２０６）。次に、ステップ２０１と同様にして測定点Ｐ２が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ２０７）。
【００９０】
本実施の形態においては、測定点Ｐ２は乱反射部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、測定点Ｐ２の距離を変位計１で測定し、これをメモリに記憶する（ステップ２０８）。
【００９１】
次に、測定点Ｐ３を測定する。コンピュータ６は、測定点を移動し、入力された移動パルス信号からＰ２−Ｐ３間の移動ピッチを求めメモリに記憶する（ステップ２０９）。次に、ステップ２０１と同様にして測定点Ｐ３が乱反射部分であるか否か判断する（ステップ２１０）。
【００９２】
本実施の形態においては、測定点Ｐ３は乱反射部分上の点であるので、次に、コンピュータ６は、測定点Ｐ３の距離を変位計１で測定し、これをメモリに記憶する（ステップ２１１）。
【００９３】
次に、コンピュータ６は、乱反射部分を所定数連続して測定したか否か判断する（ステップ２１２）。そして、所定数連続して測定した場合には、次に、コンピュータ６は、乱反射部分上の複数の測定点の座標に基づいて乱反射部分の表面断面形状を演算する（ステップ２１３）。
【００９４】
次に、コンピュータ６は、ステップ２１３で得られた乱反射部分の表面断面形状を走査方向に遡って延長し、乱反射部分の直前の測定点Ｐ１に対する仮想の測定点Ｐ１’の座標を算出し、このＰ１’の距離をＰ１の距離Ｌ１としてメモリに記憶する（ステップ２１４）。
【００９５】
そして、コンピュータ６は、記憶されたＸ１とＬ１とに基づいてθ１を算出し、Ｐ１における接線角度（θ１／２）を算出してメモリに記憶する（ステップ２１５）。
【００９６】
次に、コンピュータ６は、ステップ２１５で得られた接線を遡って延長し、測定点Ｐ０に対する仮想の測定点Ｐ０’座標を算出し、このＰ０’の座標をＰ０の座標としてメモリに記憶する（ステップ２１６）。
【００９７】
測定点Ｐ１と同様にしてＰ０の接線角度を求めることができるが、本実施の形態では、測定点Ｐ０は、測定開始点であるので、コンピュータ６は、接線角度の算出を終了し、記憶した接線角度からそれぞれの測定点の接線を求め、それぞれの接線を順次結んで被測定物の走査方向の表面断面形状を演算する。なお、乱反射部分については、変位計１により測定された断面形状を用いる。
【００９８】
（第３の実施の形態）
第２の実施の形態においては、被測定物の端部から一方向へ走査し、測定途中に乱反射部分がある例を示した。第３の実施の形態は、乱反射部分が鏡面部分に挟まれている場合に、乱反射部分を中心として一直線上を離反する二方向（それぞれの鏡面部分方向）へ順次走査する。図１９は、本発明の第３の実施の形態に係る測定方法を説明する概念図である。
【００９９】
図１９に示されるように、第３の実施の形態においては、測定開始点を乱反射部分（図中のＡ領域）に設定する。そして、最初に乱反射部分を測定し、乱反射部分の表面断面形状を演算する。
【０１００】
次に、得られた乱反射部分の表面断面形状を延長し、図中のＴ方向、あるいはＵ方向のいずれか一方向へ進んで測定を行う。その後、残りの方向へ進んで測定を行う。なお、具体的な測定方法については、上記第１の実施の形態において説明した方法を用いる。
【０１０１】
（第４の実施の形態）
次に、図２０〜２２を参照して第４の実施の形態を説明する。図２０および２１は、被測定物の形状と正反射光の反射方向との関係を示す正面図であり、図２２は、本発明の第４の実施の形態に係る測定装置の構成を説明する正面図である。
【０１０２】
上述した実施の形態は、正面から見たときに被測定物が曲がっていることが前提である（図２０を参照）。すなわち、被測定物の表面形状が走査方向に直行する方向に曲がっているか、または傾いている。そして、変位計１から被測定物５へ出射された光が走査方向に直行する方向へ反射角α（α＞０）で反射する。この場合、走査方向に直行する直線上にあるスクリーン４は、被測定物５からのこの反射光が入射する範囲に配置される。したがって、正面から見て被測定物の表面形状が水平に近い場合には正反射光が返ってこないため測定できない（図２１を参照）。その場合には、図２２のように別途レーザ光源９を用意する。
【０１０３】
具体的には、このレーザ光源９からの光が、水平な被測定表面の測定点において、一定以上の入射角を有し、反射光がスクリーン４に入射する位置にレーザ光源９を設ける。なお、レーザ光源９の位置は、上述した変位計１とスクリーン４との位置関係と同様に、レーザ光源９の光軸と、出射口２０の中心と基準線Ｒとが走査方向に直行する直線上に位置するように配置されることが好ましい。
【０１０４】
上記の実施の形態においては、自動車用ガラスを例として用いて本発明を説明した。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、例えば建築用ガラス等の他の鏡面体に広く適用が可能である。また、このような他の鏡面体への適用も本発明の範囲に含まれる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、曲がりの大きな鏡面体の表面の断面形状を、被測定物および周囲環境の温度に左右されることなく測定することができる。例えば、自動車用ガラスの表面の断面形状を、（加熱プロセスを経るような）成形直後に測定することが可能となる。
【０１０６】
また、本発明においては、測定装置と被測定物との距離、角度許容差が大きいので、従来の正反射型三角測量方式やレーザフォーカス方式で必要とされたセンサ位置制御機構やティーチングを不要とすることができ、安価かつ簡単な操作で測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザ三角測量方式の変位計の構成を説明する図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る測定装置の概略構成を示す正面図である。
【図３】図２の測定装置を図２中のＳの方向からみた側面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る演算制御手段の構成を示すブロック図である。
【図５】図３のＡ−Ａ方向矢視図である。
【図６】被測定物の断面を示す断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る測定方法を説明する概念図である。
【図８】測定点の距離を求める原理を説明する図である。
【図９】鏡面体被測定物の測定結果を示す図である。
【図１０】鏡面体被測定物の実形状を示す図である。
【図１１】測定結果と実形状との対比を示す図である。
【図１２】第１の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。
【図１３】第１の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。
【図１４】第１の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。
【図１５】本発明の第２の実施の形態に係る測定方法を説明する概念図である。
【図１６】第２の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。
【図１７】第２の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。
【図１８】第２の実施の形態の測定方法を説明するフローチャートである。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係る測定方法を説明する概念図である。
【図２０】被測定物の形状と正反射光の反射方向との関係を示す正面図である。
【図２１】被測定物の形状と正反射光の反射方向との関係を示す正面図である。
【図２２】本発明の第４の実施の形態に係る測定装置の構成を説明する正面図である。
【符号の説明】
１　レーザ三角測量方式の変位計
２　光検出器
３　集光レンズ
４　スクリーン
５　被測定物
６　コンピュータ
７　測定開始信号
８　移動パルス信号
９　レーザ光源
１０　測定装置
１１　レーザ光源
１２　レーザ駆動回路
１３　位置検出素子
１４　増幅回路
２０　出射口
３０　入射位置
１００　被測定物の表面

Claims

乱反射部分を一部に含む反射表面を備える物体の表面を、乱反射成分を測定するレーザ三角測量方式の変位計を用いて所定ピッチで走査して、前記物体の表面の断面形状を測定する方法であって、
（ａ）前記変位計を用いて、前記乱反射部分の距離を測定して前記乱反射部分の表面断面形状を求め、
（ｂ）前記乱反射部分の表面断面形状を延長して、前記反射表面の最初の測定点の距離を求め、
（ｃ）前記反射表面の最初の測定点の距離から、前記反射表面の最初の測定点へ入射した光の入射角を算出して、前記反射表面の最初の測定点における接線角度を求め、
（ｄ）前記反射表面の最初の測定点における接線角度と、前記反射表面の最初の測定点の距離と、測定点間のピッチとから、前記反射表面の第２の測定点の距離を求め、
（ｅ）前記反射表面の第２の測定点の距離から、前記反射表面の第２の測定点へ入射した光の入射角を算出して、前記反射表面の第２の測定点における接線角度を求め、
（ｆ）前記反射表面の最初の測定点の接線角度と前記反射表面の第２の測定点の接線角度とに基づいて、それぞれの測定点における接線を算出し、前記それぞれの測定点における接線を順次結んで前記反射表面の断面形状を求める測定方法。
乱反射部分を一部に含む反射表面を備える物体の表面を、所定ピッチで走査して、前記物体の表面の断面形状を測定する測定装置であって、
乱反射成分を測定するレーザ三角測量方式の変位計と、
前記反射表面の測定点へ入射した光の反射光が入射するスクリーンと、
前記スクリーンにおける前記反射光の入射位置を測定する撮像装置と、
前記測定装置を制御し、前記変位計および前記撮像装置からの出力を処理する演算制御手段とを備え、
前記演算制御手段は、
（ａ’）前記変位計を用いて、前記乱反射部分の距離を測定して前記乱反射部分の表面断面形状を求め、
（ｂ’）前記乱反射部分の表面断面形状を所定のピッチ延長して、前記反射表面の最初の測定点に近似する第１近似点の座標を算出し、前記第１近似点の距離を求め、
（ｃ’）前記第１近似点の距離と、前記反射表面の最初の測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置とに基づいて、前記反射表面の最初の測定点へ入射した光の入射角を算出し、前記反射表面の最初の測定点における接線角度を求め、
（ｄ’）前記反射表面の最初の測定点における接線角度と、前記第１近似点の距離と、測定点間のピッチとから、前記反射表面の第２の測定点の距離を求め、（ｅ’）前記反射表面の第２の測定点の距離と、前記反射表面の第２の測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置とに基づいて、前記反射表面の第２の測定点へ入射した光の入射角を算出し、前記反射表面の第２の測定点における接線角度を求め、
（ｆ’）前記反射表面の最初の測定点の接線角度と前記反射表面の第２の測定点の接線角度とに基づいて、それぞれの測定点における接線を算出し、前記それぞれの測定点における接線を順次結んで前記反射表面の断面形状を求める測定装置。
乱反射部分を一部に含む反射表面を備える物体の表面を、所定ピッチで走査して、前記物体の表面の断面形状を測定する測定装置であって、
乱反射成分を測定するレーザ三角測量方式の変位計と、
前記反射表面の測定点へ入射した光の反射光が入射するスクリーンと、
前記スクリーンにおける前記反射光の入射位置を測定する撮像装置と、
前記測定装置を制御し、前記変位計および前記撮像装置からの出力を処理する演算制御手段とを備え、
前記演算制御手段は、
（ｇ’）測定開始点から前記乱反射部分までの間に存在する前記反射表面の各測定点について、前記各測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置をそれぞれメモリに記憶し、
（ｈ’）前記変位計を用いて、前記乱反射部分の距離を測定して前記乱反射部分の表面断面形状を求め、
（ｉ’）前記乱反射部分の表面断面形状を、走査方向を遡って所定のピッチ延長して、既に走査済みの測定点であって、前記乱反射部分の直前の前記反射表面の最初の測定点に近似する第１近似点の座標を算出し、前記第１近似点の距離を求め、
（ｊ’）前記第１近似点の距離と、記憶されている前記反射表面の最初の測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置とに基づいて、前記反射表面の最初の測定点へ入射した光の入射角を算出し、前記反射表面の最初の測定点における接線角度を求め、
（ｋ’）前記反射表面の最初の測定点における接線を、走査方向に遡って所定のピッチ延長して、既に走査済みの測定点であって、前記反射表面の第２の測定点に近似する第２近似点の座標を算出し、前記第２近似点の距離を求め、
（ｌ’）前記第２近似点の距離と、記憶されている前記反射表面の第２の測定点からの反射光が前記スクリーンに入射する入射位置とに基づいて、前記反射表面の第２の測定点へ入射した光の入射角を算出し、前記反射表面の第２の測定点における接線角度を求め、
（ｍ’）前記反射表面の最初の測定点の接線角度と前記反射表面の第２の測定点の接線角度とに基づいて、それぞれの測定点における接線を算出し、前記それぞれの測定点における接線を順次結んで前記反射表面の断面形状を求める測定装置。
第２のレーザ光源をさらに備え、
前記第２のレーザ光源は、前記第２のレーザ光源から水平な測定面に入射する光の入射角が一定以上となり、その反射光が前記スクリーンに入射する位置に設けられる、請求項２または３に記載の測定装置。