JP2005181282A - 角度測定装置及びその傾き角度測定方法 - Google Patents

角度測定装置及びその傾き角度測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 比較的に安価な収束レンズを使用しても正確な角度測定を行うことが可能な角度測定装置及びその傾き角度測定方法を提供する。
【解決手段】 レーザ光源10からのレーザ光がワークWに照射されると、CPU80は、CCD70からの撮像信号を取得し、XY座標系の座標点(X,Y)を求め、メモリ81からレンズ中心点Qの座標点(Xq,Yq)を読み出して、上記座標点(X,Y)を、座標点(Xq,Yq)を原点とするX’Y’座標系の座標点(X1’,Y1’)に変換する。変換後の座標点(X1’,Y1’)に対応する上記補正係数Kを読み出して、この補正係数Kによって基準移動軌跡90上の座標点(X2’,Y2’)に補正する。
【選択図】 図9

Description

本発明は、被測定物の傾き角度を測定する角度測定装置等に関する。
従来から被測定物の傾き角度を測定する角度測定装置として、例えば図12に示すようにオートコリメータを用いたものがある。これは、投光手段としてのレーザ光源110からの光をコリメータレンズ120により平行光に変え、この平行光をビームスプリッタ130を介してワークW(被測定物)に照射し、反射光をビームスプリッタ130を介して収束レンズ140により集光し、CCD150の撮像面上に形成された集光スポットに基づいてワークWの傾き角度を測定する構成とされている。
具体的には、ワークWに傾きが無いとした場合(例えば上記平行光の光軸に対してワークW表面が直角をなす姿勢にワークWがある場合。なお、以下、このときの姿勢を「基準姿勢」という)の撮像面上における集光スポット位置を基準位置として、この基準位置から実測時に形成された集光スポットまでの距離を求めることでワークWの傾き角を検出している。なお、通常、上記基準姿勢時において、上記反射光は収束レンズの中心を通ってCCDの撮像面の中心位置に照射されるよう設計されており、この中心位置が上記基準位置(XY座標系の原点)とされている。
この種の角度測定装置は例えば光ピックアップ装置に適用されており、光ピックアップレンズL(以下、レンズLという)の組付けが正しく行なわれているか否か、即ち、レンズLが支持部材(図示せず)に水平状態で取り付けられているか否かを判断するために使用されている。
特開平10−90581号公報
ところで、上記角度測定装置では、それに使用される収束レンズの品質によって角度測定の検出精度が異なる。つまり、歪曲収差がほとんどない高品質の収束レンズであれば、ワークの基準姿勢からの傾き角度に正比例して、撮像面上における集光スポットの基準位置から距離を変化させることができるから、上記集光スポットの基準位置からの位置偏差に基づいてワークの傾き角度を正確に検出することが可能になる。しかし、高品質の収束レンズは高価であるため、装置全体としてコスト高になるという問題が生じる。
一方、歪曲収差のある安価な収束レンズを使用すると、装置全体のコストを下げることはできる。しかし、歪曲収差によって、特に傾き角度が大きく撮像面上における集光スポットの位置が基準位置から遠くなるほど、傾き角度と、集光スポットの基準位置からの位置偏差との正比例関係が崩れるため、正確な角度測定ができないという問題が生じる。
なお、図15には、歪曲収差による影響がない場合の撮像手段の撮像面上の像(同図(A))と,樽型歪曲収差による影響がある場合の撮像手段の撮像面上の像(同図(B))を示した模式図である。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、比較的に安価な収束レンズを使用しても正確な角度測定を行うことが可能な角度測定装置及びその傾き角度測定方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための手段として、請求項1の発明は、投光手段からの光を光分岐手段及びコリメータレンズを介して平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて収束レンズを介して撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する角度測定装置の傾き角度測定方法において、前記収束レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記収束レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報を予め取得しておいて、前記傾き角度の測定動作時には、前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
請求項2の発明は、請求項1記載のものにおいて、前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得し、その取得された前記距離間隔に基づき前記収束レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定しておいて、
前記傾き角度の測定動作時には、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換し、この変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
なお、更に、前記関係情報に基づき補正された補正後の位置情報と、前記基準点及び前記レンズ中心点の位置偏差に対応する偏差情報とに基づいて前記被測定物の傾き角度を求める構成であってもよい。
請求項3の発明は、投光手段からの光を光分岐手段を介し、投受光レンズで平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記投受光レンズで収束させ、前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する角度測定装置の傾き角度測定方法において、前記投受光レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記投受光レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾く角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報を予め取得しておいて、前記傾き角度の測定動作時には、前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項3記載のものにおいて、前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得し、その取得された前記距離間隔に基づき前記投受光レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定しておいて、前記傾き角度の測定動作時には、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換し、この変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
なお、更に、前記関係情報に基づき補正された補正後の位置情報と、前記基準点及び前記レンズ中心点の位置偏差に対応する偏差情報とに基づいて前記被測定物の傾き角度を求める構成であってもよい。
請求項5の発明は、投光手段からの光を光分岐手段及びコリメータレンズを介して平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて収束レンズを介して撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する測定手段を備えた角度測定装置において、前記収束レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記収束レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報が、前記傾き角度の測定動作前に予め記憶される記憶手段と、前記傾き角度の測定動作時に、前記記憶手段に記憶された前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正する補正手段とを備えて、前記測定手段は、前記補正手段による補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
請求項6の発明は、請求項5記載のものにおいて、前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得する取得手段と、前記傾き角度の測定動作前に、前記取得手段により取得された前記距離間隔に基づき前記収束レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定するレンズ中心位置特定手段と、前記傾き角度の測定動作時に、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換する変換手段とを備えて、前記補正手段は、前記変換手段による変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
なお、更に、前記関係情報に基づき補正された補正後の位置情報と、前記基準点及び前記レンズ中心点の位置偏差に対応する偏差情報とに基づいて前記被測定物の傾き角度を求める構成であってもよい。
請求項7の発明は、投光手段からの光を光分岐手段を介し、投受光レンズで平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記投受光レンズで収束させ、前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する測定手段を備えた角度測定装置において、前記投受光レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記投受光レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報が、前記傾き角度の測定動作前に予め記憶される記憶手段と、前記傾き角度の測定動作時に、前記記憶手段に記憶された前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正する補正手段とを備えて、前記測定手段は、前記補正手段による補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
請求項8の発明は、請求項7記載のものにおいて、前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得する取得手段と、前記傾き角度の測定動作前に、前記取得手段により取得された前記距離間隔に基づき前記投受光レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定するレンズ中心位置特定手段と、前記傾き角度の測定動作時に、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換する変換手段とを備えて、前記補正手段は、前記変換手段による変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする。
なお、更に、前記関係情報に基づき補正された補正後の位置情報と、前記基準点及び前記レンズ中心点の位置偏差に対応する偏差情報とに基づいて前記被測定物の傾き角度を求める構成であってもよい。
請求項9の発明は、請求項5ないし請求項8のいずれかに記載のものにおいて、前記撮像手段の撮像面上における各画素において所定の閾値よりも高い受光量とされる画素を検出する画素検出手段を備え、
前記測定手段は前記画素検出手段にて選択された画素から集光スポットの位置情報を取得することを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項9に記載のものにおいて、前記画素検出手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられているところに特徴を有する。
請求項11の発明は、請求項5ないし請求項8のいずれかに記載のものにおいて、前記撮像手段の撮像面における各画素の受光量を所定の閾値と比較し、当該所定の閾値を上回る受光量とされる画素又は当該画素を含むように領域を指定する画素選択手段を備え、
前記測定手段は前記画素選択手段にて選択された画素から集光スポットの位置情報を取得するところに特徴を有する。
請求項12の発明は、請求項10に記載のものにおいて、前記画素選択手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられているところに特徴を有する。
<請求項1,3,5,7の発明>
本構成によれば、収束レンズ或いは投受光レンズが歪曲収差を有していても、予め取得・記憶された基準位置情報と、実際の位置情報とに基づいて補正された集光スポットの位置情報に基づいて傾き角度が求められる。従って、基準姿勢からのワークWの傾き角度を収束レンズの歪曲収差による影響を排除して正確に測定することができる。
<請求項2,4,6,8の発明>
本構成によれば、レンズ中心点と基準姿勢に対応する基準点との位置がずれていても、レンズ中心位置特定手段によって特定されたレンズ中心点と上記基準点との偏差情報(位置偏差情報や、それに対応した角度偏差情報)に基づき、レンズ中心点と基準点との位置ずれによる影響を排除し、基準姿勢からのワークの傾き角度を正確に測定することができる。
<請求項9及び請求項11の発明>
上記発明では、所定の閾値以上の受光量とされている画素を検出し、その検出された画素から集光スポットの位置情報取得するようにしている。このようにすれば全画素の受光量情報を参照することなく受光中心位置を検出することが出来るから、処理時間の短縮化を図ることができる。
例えば、複数回にわたって測定動作を行ない、それぞれの結果に基づいての傾角または距離を算出する場合には、初回の測定動作において、撮像面における全画素を指定し、2回目以降の測定動作では、初回の測定動作における各画素の受光量を基に光照射面において受光中心位置の検出に必要な領域を指定するようにすればよい。このようにすることで、2回目以降の測定動作の処理時間を短縮化することができるという利点がある。
<請求項10及び請求項12の発明>
例えば、被検出物の傾き角が装置の測定許容範囲から外れた場合には、撮像手段に被測定物からの反射光が照射されなくなる。このようなイレギュラーな使用においては、正確な傾角測定を行なうことができないから、管理者や使用者に対して何らかの方法により測定できないことを知らしめなければならない。
これに対して、上記発明では、測定不能とされた場合には、報知手段にて報知することができるから、確実な測定に寄与することができる。
<実施形態1>
本発明に係る角度測定装置の一実施形態について図1から図9を参照して説明する。
1.角度測定装置の前提構成
この角度測定装置は、図1に示すようにレーザ光源10(投光素子)、発散レンズ20、光通過孔30Aを有するスリット板30、コリメータレンズ40、ビームスプリッタ50、収束レンズ60、2次元CCD(撮像手段に相当。以下、「CCD70」という)、CPU80及び報知用の発光部84を備えている。
レーザ光源10から出射された光は発散レンズ20により発散光とされ、この発散光の一部がスリット板30の光通過孔30Aを通過してコリメータレンズ40により平行光とされる。そして、この平行光はビームスプリッタ50で反射して装置外部に出射し、ワークW(本実施形態では、対物レンズ。被測定物)に照射される。ワークWからの正反射光は再び装置内部に入射し、ビームスプリッタ50を介して収束レンズ60により集光されてCCD70の撮像面70Aに集光スポットSを形成する。CCD70は撮像面を構成する各画素の受光量に基づいたディジタル信号列からなる撮像信号をCPU80に出力している。なお、コリメータレンズ40からの平行光のビーム径がワークWのうち光が照射される面よりも大きくされるように、例えばスリット板30とコリメータレンズ40との距離が調整されている。
CPU80は、CCD70から受けた撮像信号Scに基づいてワークWの傾き角を検出する。具体的には、CPU80は、例えばワークWに傾きが無い(本発明の「基準姿勢」に相当)とするときの撮像面における集光スポットSの位置を原点Oとする直交座標系(XY座標系)によって、測定時の集光スポットSの位置を座標データ(X,Y)で表し、この座標データに基づき、ワークWの基準姿勢からの傾き角度を算出する。この傾き角度の測定については、後の詳述する。
なお、集光スポットSはある程度幅を有し、CCD70の複数画素に亘って構成されるのが一般的であるから、実際には集光スポットSが照射されている複数の画素から集光スポットSの中心位置S0(請求項に記載の「受光中心位置」に相当)を決定し、傾き角度を測定している。
この集光スポットSの中心位置S0の決定方法についての詳細な説明は後述する。尚、撮像面70A上における面積重心位置又は体積重心位置を求め、この重心位置を集光スポットSの中心とする方法や、最大受光量とされる位置(最大受光量位置)を集光スポットSの中心位置S0として決定する方法等があり、これらの方法を用いてもよい。
また、上記レーザ光源10、発散レンズ20、スリット板30及びコリメータレンズ40は次のように配置されている。即ち、レーザ光源10から出射される光の光軸と、発散レンズ20の中心軸と、光通過孔30Aの中心軸と、コリメータレンズ40の中心軸とが一致するように配置されているとともに、レーザ光源10は出射される光の光軸が、前記中心軸に一致するように配されている。
2.前提構成による作用及び効果
本実施形態の前提構成は以上であり、その作用について説明する。
レーザ光源10から出射された光は上述したように平行光とされてワークWに照射され、その反射光がビームスプリッタ50及び収束レンズ60を介してCCD70の撮像面に照射されて、集光スポットSを形成する。そして、CPU80はCCD70からの撮像信号Scに基づいてワークWの傾き角度の測定を行なう。
さて、ワークWに照射される平行光のうちA軸(光軸LCと直交する軸)上における光強度Iの分布(以下、光強度分布という)は図1の下部に示すように略均一とされている。これは、レーザ光源10からの光を発散レンズ20により発散させ、発散光のうち光軸部分の光(光束中心部分の光)を光通過孔30Aに通したことで実現されており、以下に平行光の光強度分布が均一とされるまでの過程を示す。
レーザ光源10から出射される光の強度分布は図10に示すように一般にガウシアンである。レーザ光源10からの光が発散レンズ20により発散されたことで、光強度分布は光軸LCに対して直交方向に引き伸ばされて光強度Iのピーク領域が広がる(図1中(1)の部分、図2(A)参照)。この発散光のうち、光強度Iがピークとされている光(図中Aに示す領域)のみを光通過孔30Aに通しているから、これを通過した光の強度分布は略均一とされる(図1中(2)の部分、図2(B)参照)。従って、この発散光をコリメータレンズ40に通しても光強度Iの均一性は保たれたままで平行光とされる(図1中(3)の部分、図2(C)参照)。この構成によって、対物レンズのレンズ中心と平行光の中心がずれていてもワークWの傾きによる光量変化を確実に捉えることができ、正確な傾き角度測定が可能になる。
なお、本実施形態では、スリット板30によりレーザ光源10(投光素子)からの光のうち光軸部分の光(光束中心部分の光)を光通過孔30Aに通過させるとともにコリメータレンズ40へ入射させ、それ以外の光はスリット板30で遮断してコリメータレンズ40への入射を禁止している。これは、光軸部分の光(光束中心部分の光)以外の光がコリメータレンズ40に入射すると出射される平行光の光強度分布に偏りが生じるからであり、これを防止するためにスリット板30により光軸部分の光以外の光を遮断することが必要とされる。
ここで、ワークWを図10に示した光ピックアップレンズLとした場合、装置から出射された平行光はレンズL及び組付治具Jの環状平面部F全体に照射され、環状平面部Fからの反射光によりCCD70の撮像面上に集光スポットSが形成される。このとき、平行光の光軸LCとレンズLの中心軸とが一致しているか否かに関係無く環状平面部Fの各部には均等に光が照射される。従って、レンズLが水平状態であれば、撮像面の基準位置にある画素が集光スポットSに決定されるから、傾き角が0°と判断される。また、レンズLが傾いている場合には、撮像面上の集光スポットSが基準位置Oからずれるから、そのずれ量に基づいて傾き角が測定される。
本実施形態では、装置から出射される平行光の光強度分布を略均一にしているから、従来の問題点であったレンズLの中心軸と平行光の光軸LCとの不一致に起因して正確な傾き測定が行なわれないといった不具合が解消され、もって、正確な傾き測定を行なうことができる。
3.収束レンズの中心軸ずれ及び歪曲収差による測定誤差を補正するための構成
(1)ワークの傾動機構について
図3に示すように、ワークWは、その傾き角度を調整可能に支持する支持部材16(例えば、ゴニオステージ)によって支持されている。この支持部材16は、これに設けられた2本の螺子(図示せず)のうち、一方を回すことでθX方向(Y軸を中心にワークWを回動させる方向)に回動し、他方をまわすことでθY方向(X軸を中心にワークWを回動させる方向)に回動するようになっており、この支持部材16の回動に伴なってワークWも回動される。また、これらの螺子はCPU80からの制御信号Seを受けるドライバ駆動手段28に備えられたドライバ28aにより回されるようになっている。なお、本実施形態では、支持部材16におけるX軸及びY軸方向と、CCD70におけるX軸及びY軸方向が一致するように設定されている。
(2)収束レンズの中心軸ずれ及び歪曲収差による影響
図4は、ワークWを支持部材16によってθX方向及びθY方向それぞれに単位角度間隔毎に傾けたときの撮像面上の各集光スポットS位置を、収束レンズ60の中心を通った光が撮像面上に形成する集光スポットSの位置(以下、「レンズ中心点Q」)を中心とする同心状の複数の円で結んだ図である。なお、同図(A)(B)は、レンズ中心点Qと、CCD70のXY座標系の原点Oとが一致している状態のものであり、同図(C)は一致していない状態のものである。
収束レンズ60に歪曲収差がほとんどない高品質のレンズを使用した場合には、同図(A)に示すように、単位角度間隔毎の集光スポットSの移動量は常時一定である。つまり、ワークWの傾き角度と、CCD70の撮像面上の集光スポットSの移動距離とは正比例関係(線形性)になっている。従って、何ら補正することなくCCD70の撮像面上の実際の集光スポットS位置に対応する座標データ(X、Y)からワークWの傾き角度を正確に測定することが可能である。
しかし、本実施形態では、収束レンズ60は、比較的に安価で歪曲収差(樽型)のあるレンズであり、この場合、同図(B)に示すように、XY座標系の原点Oから離れれば離れるほど、単位角度間隔毎の収束レンズ60の移動量は小さくなる。つまり、ワークWの傾き角度と、CCD70の撮像面上の集光スポットSの移動距離とは正比例関係(線形性)にならないのである。
更に、レンズ中心点Qが、CCD70におけるXY座標系の原点Oと一致しないような状態で収束レンズ60が配置されている場合もある。そうすると、同図(C)に示すように、XY座標系の原点Oからずれた点(レンズ中心点Q)から離れるほど、単位角度間隔毎の収束レンズ60の移動量が小さくなる。
(3)レンズ中心点の特定
まず、CPU80から制御信号を与えて支持部材16駆動し、ワークWをプラス・マイナスθX方向に単位角度間隔で順次傾動させる。そうすると、CCD70のXY座標系のX軸上に並ぶ集光スポットSのそれぞれの位置間隔は、図5に示すようになる。次いで、ワークWをプラス・マイナスθY方向に単位角度間隔で順次傾動させる。そうすると、CCD70のXY座標系のY軸上に並ぶ集光スポットSのそれぞれの位置間隔は、図5に示すようになる。
ここで、収束レンズ60が樽型の歪曲収差を有している場合には、上述したようにレンズ中心点Qから離れるほど単位角度間隔毎の集光スポットSの移動間隔は狭くなる。従って、X軸及びY軸それぞれについて、集光スポットSの位置間隔が一番最大となる両集光スポットSの間の点、例えば中心点(Xq,Yq)を、レンズ中心点Qと推定し特定する(図6のステップS1〜S4参照)。このとき、CPU80は、ワークを単位角度間隔毎に順次傾動させるための傾動制御手段、CCDからの撮像信号に基づき各角度毎の集光スポットSの距離間隔を求める距離間隔算出手段、それらの距離間隔のうちの最大距離間隔に基づきレンズ中心点Qと特定するレンズ中心点特定手段として機能する。
(4)基準移動軌跡上の点と、実移動軌跡上の点との関係情報の取得
ここでは、説明を簡単にするために、XY座標系のうちX座標に関する関係情報の取得について説明する。なお、Y座標についても同様の処理を行う。
ここでいう基準移動軌跡90とは、収束レンズ60の歪曲収差による影響がないとしたときの、ワークWの傾動に伴う集光スポットSの移動軌跡をいう(本発明の「基準位置情報」に相当)。これは、図7に示すように、収束レンズ60のレンズ中心からCCD70の撮像面に延びる直線を、ワークWの傾き角度に対応して単位角度θ間隔毎に傾動させる。そして、上記直線と撮像面との交点が各集光スポットSの位置に相当し、この集光スポットSの位置と、ワークWの上記各角度との関係によって求めることができる。
次に、実移動軌跡91とは、ワークWを傾動させたときに、そのワークWでの反射光が収束レンズ60で集光されてCCD70の撮像面上に形成される集光スポットSの移動軌跡をいう(本発明の「実際の位置情報」に相当)。本実施形態では、レンズ中心点QとCCD70のXY座標系の原点Oとが一致していないため、レンズ中心点Qを、XY座標系の原点Oとしみなしたときの移動軌跡としている。
具体的には、まず、集光スポットSがレンズ中心点Qに一致する角度にワークを傾動し、そこからθX方向において単位角度θ間隔で順次傾動させて、CCD70からの撮像信号に基づき各角度に対応する集光スポットSの位置を、レンズ中心点Qを原点とするX’Y’座標系による座標データ(X’,Y’)として取得する。
そうすると、図8に示すようなグラフを得ることができる。同図上の実線は、上記基準移動軌跡90であり、θX角度とレンズ中心点QからのX’座標位置とは正比例関係(線形性)になっている。一方。同図上の点線は、実移動軌跡91であり、やや放物線状の線になっている。
そこで、同一θ角度毎に、実移動軌跡91に対応するX’座標点を、基準移動軌跡90に対応するX’座標点に補正する補正係数Kを求めて、それらの補正係数Kを各X’座標点に対応つけてメモリ81に記憶する。この場合、補正係数Kは、実移動軌跡91に対応するX’座標値と、基準移動軌跡90に対応するX’座標値との偏差値、または、実移動軌跡91に対応するX’座標値と、基準移動軌跡90に対応するX’座標値との比である相対値であってもよい。或いは、上記実移動軌跡91上と基準移動軌跡90上の所定の複数の点とから最小二乗法によって基準移動軌跡90の曲線式を算出し、この曲線式と、基準移動軌跡90の直線式とをメモリ81に記憶しておく構成であってもよい。後者の場合、CPU80は、傾き角度の測定動作時において、メモリ81に記憶された曲線式と直線式とから実移動軌跡91上の点を、基準移動軌跡90上の点へとの補正する補正処理を行う。
なお、上記レンズ中心点の特定及び関係情報の取得時において、支持部材16に例えば平板の基準ワークを載置して行う構成であってもよい。この方がより正確にレンズ中心点特定及び関係情報取得を行うことができる。
(5)傾き角度の測定動作
傾き角度を測定したいワークWを配置し、角度測定装置を起動させる。すると、CPU80は、レーザ光源10を駆動させ、そのレーザ光をワークWに照射させる。そして、CPU80は、それに同期してCCD70からの撮像信号を取得し、XY座標系の座標点(X,Y)を求める。そして、メモリ81からレンズ中心点Qの座標点(Xq,Yq)を読み出して、上記座標点(X,Y)を、座標点(Xq,Yq)を原点とするX’Y’座標系の座標点(X1’,Y1’)に変換する。そして、CPU80は、変換後の座標点(X1’,Y1’)に対応する上記補正係数Kを読み出して、この補正係数Kによって基準移動軌跡90上の座標点(X2’,Y2’)に補正する。なお、補正係数Kが上記偏差値であれば加算演算或いは減算演算で、上記相対値であれば、乗算演算或いは除算演算で補正処理を行う。
次いで、CPU80は、上記直線式の比例係数である角度換算値αを、座標点(X2’,Y2’)に乗算して角度(θX,θY)を算出する。ここでこの角度(θX,θY)は、ワークWでの反射光が撮像面上のレンズ中心位置に入光したときのワーク姿勢に対する傾き角度である。従って、上記基準姿勢からの傾き角度を算出するには、レンズ中心点QとXY座標系の原点Oとの偏差に対応する角度(ΔθX,ΔθY)を加味する必要がある。そこで、CPU80は、例えばメモリ81に予め記憶した角度(ΔθX,ΔθY)を読み出して、(θX−ΔθX,θY−ΔθY)を算出し、これを基準姿勢からの傾き角度として求める(図9のステップS11〜S16参照)。
そして、メモリ81からレンズ中心点Qの座標点(Xq,Yq)を読み出して、上記座標点(X,Y)を、座標点(Xq,Yq)を原点とするX’Y’座標系の座標点(X1’,Y1’)に変換する。そして、CPU80は、変換後の座標点(X1’,Y1’)に対応する上記補正係数Kを読み出して、この補正係数Kによって基準移動軌跡90上の座標点(X2’,Y2’)に補正する。なお、補正係数Kが上記偏差値であれば加算演算或いは減算演算で、上記相対値であれば、乗算演算或いは除算演算で補正処理を行う。
次いで、CPU80は、上記直線式の比例係数である角度換算値αを、座標点(X2’,Y2’)に乗算して角度(θX,θY)を算出する。ここでこの角度(θX,θY)は、ワークWでの反射光が撮像面上のレンズ中心位置に入光したときのワーク姿勢に対する傾き角度である。従って、上記基準姿勢からの傾き角度を算出するには、レンズ中心点QとXY座標系の原点Oとの偏差に対応する角度(ΔθX,ΔθY)を加味する必要がある。そこで、CPU80は、例えばメモリ81に予め記憶した角度(ΔθX,ΔθY)を読み出して、(θX−ΔθX,θY−ΔθY)を算出し、これを基準姿勢からの傾き角度として求める(図9のステップS11〜S16参照)。
4.本実施形態の効果
本実施形態によれば、収束レンズ60が歪曲収差を有していても、予めメモリ81に記憶された補正係数K或いは直線式及び曲線式に基づいて補正された座標データに基づいて傾き角度が算出される。従って、基準姿勢からのワークWの傾き角度を収束レンズ60の歪曲収差による影響を排除して正確に測定することができる。
また、レンズ中心点QとCCD70のXY座標系の原点Oとの位置がずれていても、予めメモリ81に記憶されたレンズ中心点QとXY座標系の原点Oの位置偏差に応じた角度情報に基づき、それを相殺し、基準姿勢からのワークの傾き角度を正確に測定することができる。
<実施形態2>
本発明の角度測定装置の実施形態について図10ないし図12を参照して説明する。尚、上記実施形態1と同一の部分には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
本実施形態の角度測定装置は、図10に示すようにCCD70とメモリ81との間にコンパレータ82(請求項に記載の「画素選択手段」に相当)が介在されているところが実施形態1の構成と相違している。
コンパレータ82はCCD70から出力される撮像信号Scを受信し、この撮像信号Scのレベルと所定の閾値とを比較し、所定の閾値を上回る撮像信号Scをデジタル信号に変換してメモリ81に送信するように構成されている。
以下、本実施形態の角度測定動作は、まずCCD70から出力された撮像信号Scはコンパレータ82にて所定の閾値と比較され、この閾値を上回る撮像信号Scはデジタル信号に変換されてメモリ81に記憶される。
ここで、所定の閾値を上回る受光量を有する画素Pの数が所定の数n(n=1,2,3・・・・)に達していない場合には、CPU80から発光部84に対して駆動信号を送信して発光部を動作させることで、使用者や管理者等に測定不能の旨が報知される(CPU80、コンパレータ82及び発光部84で請求項に記載の「報知手段」が構成されている)。
尚、上記のような場合には、ワークWの傾き角が装置の測定許容範囲を越えているというようなことが考えられ、このようなイレギュラーな使用においては、正確な傾角測定を行なうことができない。しかし、発光部84の動作によってそれを報知することができるから確実な測定が約束される。
この後、領域指定処理、受光中心位置検出処理及び傾角算出処理を行なうこととなる。これらの処理は上記実施形態1ないし実施形態3のいずれかに記載した処理を適用することにより可能であるから、詳細な説明については省略する。
本実施形態では、コンパレータ82によって、所定の閾値以上のレベルとされる撮像信号Scをメモリ81に記憶し、このメモリ81に記憶されている受光量に関する情報からワークWの傾角を測定するようにしている。これにより、中心位置S0の検出において不要な受光量情報が排除されて、処理時間の短縮化を図ることができる。また、本実施形態においては、CPU80にコンパレータ82の機能を持たせるような構成であってもよい(図11参照)。
また、図12に示すような構成であってもよい。これは、CCDとしてCMOSイメージセンサ90を配し、その光照射面90AにワークWからの正反射光を照射させるようになっている。また、CPU80からはCMOSイメージセンサ90へ駆動信号Sb及び制御信号Sdが送信されるようになっている。
上記CMOSイメージセンサ90はCPU70からの駆動信号Sbを受信することで、各画素の受光量に応じた撮像信号Scを出力する。一方、制御信号Sdを受信したときには、この制御信号Sdにより指定された画素あるいは指定された領域内の画素に関する撮像信号Scを出力するようになっている。
CPU70は、CMOSイメージセンサ90に駆動信号Sb及び制御信号Sdを出力するようになっている。駆動信号SbはCMOSイメージセンサ90から撮像信号Scを取り出す際に出力する信号である。また、制御信号Sdは光照射面90Aを構成する画素群において、所定の画素あるいは所定の領域内の画素を指定するための信号である。従って、制御信号Sdにて光照射面90Aにおける画素または領域を指定して、駆動信号SbをCMOSイメージセンサ90に送信すると、指定された画素あるいは指定された領域内の画素からの撮像信号ScのみがCMOSイメージセンサ90から出力されるのである。
傾角測定動作においては、CMOSイメージセンサ90の光照射面90Aにおいて、集光スポットSが形成されている領域を指定する制御信号SdをCPU80からCOMSイメージセンサ90へ送信する。
そうすると、CMOSイメージセンサ90からは指定された領域内の画素の受光量に関する撮像信号ScがCPU80へ出力される。この後、上記実施形態1ないし実施形態3の処理を適用することによりワークWの傾角を測定することができる。
上記構成は、例えば、複数回にわたって傾角算出動作を行ない、それぞれの結果に基づいてワークWの傾角を算出する場合には、初回の傾角算出動作において、制御信号Sdにより光照射面90Aにおける全画素を指定し、2回目以降の傾角算出動作では、初回の傾角算出動作における撮像信号Scを基に光照射面90Aにおいて集光スポットSが含まれる領域を制御信号Sdにより指定するようにすればよい。このようにすることで、2回目以降の傾角算出動作の処理時間を短縮化することができるという利点がある。
<他の実施形態>
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
(1)上記実施形態では、収束レンズ60がいわゆる樽型歪曲収差を有している場合について説明したが、糸巻き歪曲収差を有する場合でも同様の方法によってワークの基準姿勢からの傾き角度を正確に測定することができる。
(2)例えば、傾き角度の測定において、ワークが特定の傾き角度になっているかどうかだけを検出したい場合には、メモリ81には、当該特定の傾き角度に対応する補正係数Kのみ、或いは、当該特定の傾き角度に対応する基準移動軌跡90及び実移動軌跡91の各点情報のみを記憶しておく構成であればよい。
(3)上記実施形態において、レンズ中心点QがXY座標系の原点Oと一致している場合には、レンズ中心点Qの特定処理と、レンズ中心点Q及びXY座標系の原点Oの位置偏差に対応する角度誤差を加味した処理は不要である。
(4)上記実施形態では、レーザ光源10から出射され光分岐手段であるビームスプリッタ50で反射した光をワークWに照射し、そのワークWで反射しビームスプリッタ50を透過した光を撮像手段でCCD70に集光させる構成であった。しかし、これに限らず、レーザ光源10から出射され光分岐手段であるビームスプリッタ50を透過した光をワークWに照射し、そのワークWで反射しビームスプリッタ50で反射した光をその進行方向に配した撮像手段に集光させる構成であってもよい。
(5)また、上記実施形態における図1に対して、発散レンズ20、または発散レンズ20及びスリット板30を取り除いた構成であってもよい。
(6)上記実施形態の前提構成として図14に示すような構成であってもよい。つまり、レーザ光源10から出射されビームスプリッタ50で反射した放射光を、投受光レンズ82で平行光としてワークWに照射し、その反射光を投受光レンズ82で収束光としてビームスプリッタ50を介してCCD70の撮像面上に集光させる構成である。投受光レンズ82が上記実施形態における収束レンズ60に相当する。勿論、レーザ光源10とCCD70との位置を入れ替えた構成であってもよい。これらの構成は、本発明の請求項3,4,7,8に相当する。
本発明の一実施形態に係る角度測定装置の全体構成図 (A)スリット板に照射された光の光強度分布を示した図 (B)光通過孔を通過した光の光強度分布を示した図 (C)コリメータレンズを透過した光の光強度分布を示した図 支持部材と角度測定装置との全体構成図 ワークを単位角度間隔毎に傾動させたときの集光スポットの移動変位を説明するための模式図 レンズ中心点特定処理時における集光スポットの位置を示す模式図 レンズ中心特定処理を示すフローチャート 歪曲収差の影響がない場合におけるワークの傾きと、CCDの撮像面上の集光スポットとの関係を説明するための模式図 基準移動軌跡と実移動軌跡とを示したグラフ 傾き角度測定処理の内容を示したフローチャート 実施形態4に係る角度測定装置の全体構成を示した図 角度測定装置の構成を示した概念図 角度測定装置の構成を示した概念図 変形例の角度測定装置の全体構成図 従来の角度測定装置の構成を示した図 歪曲収差による影響がある場合とない場合での撮像手段の撮像面上の像を示した模式図
符号の説明
10…レーザ光源(投光手段)
40…コリメータレンズ
50…ビームスプリッタ(光分岐手段)
60…収束レンズ
70…CCD(撮像手段)
70A…撮像面
80…CPU(測定手段、補正手段、取得手段、レンズ中心位置特定手段、変換手段、受光量情報記憶手段、画素検出手段、領域指定手段、受光中心位置検出手段))
81…メモリ(記憶手段)
90…基準移動軌跡(基準位置情報)
91…実移動軌跡(実際の位置情報)
O…原点(基準点)
P…集光スポット
Q…レンズ中心点
W…ワーク(被測定物)

Claims (12)

  1. 投光手段からの光を光分岐手段及びコリメータレンズを介して平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて収束レンズを介して撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、
    前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する角度測定装置の傾き角度測定方法において、
    前記収束レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記収束レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報を予め取得しておいて、
    前記傾き角度の測定動作時には、前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする角度測定装置の傾き角度測定方法。
  2. 前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得し、その取得された前記距離間隔に基づき前記収束レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定しておいて、
    前記傾き角度の測定動作時には、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換し、この変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする請求項1記載の角度測定装置の傾き角度測定方法。
  3. 投光手段からの光を光分岐手段を介し、投受光レンズで平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記投受光レンズで収束させ、前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、
    前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する角度測定装置の傾き角度測定方法において、
    前記投受光レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記投受光レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報を予め取得しておいて、
    前記傾き角度の測定動作時には、前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする角度測定装置の傾き角度測定方法。
  4. 前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得し、その取得された前記距離間隔に基づき前記投受光レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定しておいて、
    前記傾き角度の測定動作時には、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換し、この変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする請求項3記載の角度測定装置の傾き角度測定方法。
  5. 投光手段からの光を光分岐手段及びコリメータレンズを介して平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて収束レンズを介して撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、
    前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する測定手段を備えた角度測定装置において、
    前記収束レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記収束レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報が、前記傾き角度の測定動作前に予め記憶される記憶手段と、
    前記傾き角度の測定動作時に、前記記憶手段に記憶された前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正する補正手段とを備えて、
    前記測定手段は、前記補正手段による補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする角度測定装置。
  6. 前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得する取得手段と、
    前記傾き角度の測定動作前に、前記取得手段により取得された前記距離間隔に基づき前記収束レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定するレンズ中心位置特定手段と、
    前記傾き角度の測定動作時に、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換する変換手段とを備えて、
    前記補正手段は、前記変換手段による変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする請求項5記載の角度測定装置。
  7. 投光手段からの光を光分岐手段を介し、投受光レンズで平行光に変換してその平行光を被測定物に照射し、前記被測定物からの反射光を前記投受光レンズで収束させ、前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面に集光させる構成とし、
    前記撮像面上における集光スポットについて、当該撮像面上の基準点を原点とする位置情報を前記撮像手段から受けて、当該位置情報に基づき前記被測定物の、前記基準点に対応する基準姿勢からの傾き角度を測定する測定手段を備えた角度測定装置において、
    前記投受光レンズの歪曲収差による影響がないとしたときの、前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの基準位置情報と、前記投受光レンズによる影響がある状態での実際の前記被測定物の傾き角度に対応する前記集光スポットの実際の位置情報との関係を示す関係情報が、前記傾き角度の測定動作前に予め記憶される記憶手段と、
    前記傾き角度の測定動作時に、前記記憶手段に記憶された前記関係情報に基づいて、前記撮像手段の撮像面上における実際の集光スポットの位置情報を、それに対応する前記基準位置情報に補正する補正手段とを備えて、
    前記測定手段は、前記補正手段による補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする角度測定装置。
  8. 前記傾き角度の測定動作前に、基準ワークを、直交2方向それぞれに対して対称的に単位角度間隔で傾動させたときに、各角度に対応する実際の集光スポット間の距離間隔を取得する取得手段と、
    前記傾き角度の測定動作前に、前記取得手段により取得された前記距離間隔に基づき前記投受光レンズの中心に対応する前記撮像面上のレンズ中心点を特定するレンズ中心位置特定手段と、
    前記傾き角度の測定動作時に、前記撮像手段からの前記位置情報を、前記レンズ中心点を原点とする位置情報に変換する変換手段とを備えて、
    前記補正手段は、前記変換手段による変換後の位置情報を、前記関係情報に基づき補正し、その補正後の位置情報に基づいて前記被測定物の傾き角度を求めることを特徴とする請求項7記載の角度測定装置。
  9. 前記撮像手段の撮像面上における各画素において所定の閾値よりも高い受光量とされる画素を検出する画素検出手段を備え、
    前記測定手段は前記画素検出手段にて選択された画素から集光スポットの位置情報を取得することを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれかに記載の角度測定装置。
  10. 前記画素検出手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられていることを特徴とする請求項9に記載の角度測定装置。
  11. 前記撮像手段の撮像面における各画素の受光量を所定の閾値と比較し、当該所定の閾値を上回る受光量とされる画素又は当該画素を含むように領域を指定する画素選択手段を備え、
    前記測定手段は前記画素選択手段にて選択された画素から集光スポットの位置情報を取得することを特徴とする請求項5ないし請求項8のいずれかに記載の角度測定装置。
  12. 前記画素選択手段において検出された画素を計数し、その数が所定数以下であることを条件に検出不能を報知する報知手段が備えられていることを特徴とする請求項10に記載の角度測定装置。
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