JP2007198841A - 光学式測定方法及び光学式測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 簡単な構成で、多様な測定に対応できるようにすること。
【解決手段】 光源１１から測定対象物１２の測定対象位置１７に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であると共に光源１１とは位置関係が無関係な任意の位置に配設された受光レンズ１３及び光検出素子１５、受光レンズ１４及び光検出素子１６によって、測定対象位置１７で反射した測定用光を検出し、所定位置を基準とする測定対象位置１７の座標、所定位置から測定対象位置１７までの距離または、測定対象物１２の形状を算出する。
【選択図】 図１
【解決手段】 光源１１から測定対象物１２の測定対象位置１７に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であると共に光源１１とは位置関係が無関係な任意の位置に配設された受光レンズ１３及び光検出素子１５、受光レンズ１４及び光検出素子１６によって、測定対象位置１７で反射した測定用光を検出し、所定位置を基準とする測定対象位置１７の座標、所定位置から測定対象位置１７までの距離または、測定対象物１２の形状を算出する。
【選択図】 図１
Description
本発明は、測定用光を測定対象物に照射すると共に前記測定対象物で反射した前記測定用光を検出し、前記検出した測定用光に基づいて前記測定対象物の位置等を測定する光学式測定方法及び光学式測定装置に関する。
従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用光を測定対象物に照射し、測定対象物で反射した前記測定用光を検出することによって、所定位置から測定対象物の測定対象位置までの距離や前記測定対象物の３次元形状等を測定するようにした光学式測定装置が開発されている（例えば、非特許文献１参照）。
図１２は、非特許文献１に記載された光学式測定装置の測定原理を示す図であり、三角測距方式の測定原理を示している。
図１２において、１１０１は所定位置から測定対象物ｍまでの距離や測定対象物ｍの形状等を測定するための測定用光を出力する光源（例えば、半導体レーザや赤外線発光ダイオード）、１１０２は投光レンズ、１１０３は受光レンズ、１１０４は光検出素子としてのＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、１１０５は投光レンズ１１０２の光学軸（レンズの中心を通りレンズ面に直角な軸）、１１０６は受光レンズ１１０３の光学軸、ｍは測定対象物である。尚、光検出素子としては、ＰＳＤ１１０４の代わりにＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の光センサアレー（ＣＭＯＳ光センサアレー）等も使用可能であるが、以下の説明ではＰＳＤ１１０４を用いた例で説明する。
図１２において、１１０１は所定位置から測定対象物ｍまでの距離や測定対象物ｍの形状等を測定するための測定用光を出力する光源（例えば、半導体レーザや赤外線発光ダイオード）、１１０２は投光レンズ、１１０３は受光レンズ、１１０４は光検出素子としてのＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、１１０５は投光レンズ１１０２の光学軸（レンズの中心を通りレンズ面に直角な軸）、１１０６は受光レンズ１１０３の光学軸、ｍは測定対象物である。尚、光検出素子としては、ＰＳＤ１１０４の代わりにＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の光センサアレー（ＣＭＯＳ光センサアレー）等も使用可能であるが、以下の説明ではＰＳＤ１１０４を用いた例で説明する。
光源１１０１から出力された測定用光は、投光レンズ１１０２によって所定の指向性が付与され、測定対象物ｍに照射される。測定対象物ｍに到達した測定用光は、測定対象物ｍによって乱反射され、該反射光の一部が受光レンズ１１０３によってＰＳＤ１１０４上にスポット（点）として集光される。
これにより、測定対象物ｍで反射された測定用光はＰＳＤ１１０４によって検出される。このとき、ＰＳＤ１１０４上の受光スポットは、受光レンズ１１０３と測定対象物ｍとの距離に応じて、その位置が変化する。したがって、ＰＳＤ１１０４上の受光スポット位置を電気的に検出することにより、所定位置から測定対象物ｍまでの距離を測定することが可能になる。
これにより、測定対象物ｍで反射された測定用光はＰＳＤ１１０４によって検出される。このとき、ＰＳＤ１１０４上の受光スポットは、受光レンズ１１０３と測定対象物ｍとの距離に応じて、その位置が変化する。したがって、ＰＳＤ１１０４上の受光スポット位置を電気的に検出することにより、所定位置から測定対象物ｍまでの距離を測定することが可能になる。
さらに図１２を用いて説明すると、投光レンズ１１０２と受光レンズ１１０３の中心間距離（基線長）をＡ、受光レンズ１１０３の焦点距離をｆとし、投光レンズ１１０２から出力される測定用光の広がりやレンズ１１０２、１１０３の厚み・収差は無視し、受光レンズ１１０３から距離ｆの位置にＰＳＤ１１０４の受光面があるものとする。この場合、所定位置である投光レンズ１１０２から測定対象物ｍまでの距離ｄは、中心間距離Ａ、焦点距離ｆ及び受光スポットの位置Ｘを用いて、幾何学的に次式で求められる。
ｄ＝Ａ・ｆ／Ｘ
ｄ＝Ａ・ｆ／Ｘ
中心間距離Ａ及び受光レンズ１１０３の焦点距離ｆは既知の値であるため、ＰＳＤ１１０４における受光スポットの位置Ｘを検出することにより、所定位置から測定対象物ｍまでの距離、測定対象物ｍの形状、測定対象物ｍの移動量等を光学的に測定することができる。以上のようにして、簡単な構成で高精度に、測定対象物ｍの形状等を測定することが可能である。
ところで、三次元形状の測定には、測定対象が工業製品の場合、光沢度や色などを総合的にみて、レーザ光等を使用した三角測距方式の光学式測定装置がよく使われる。
三角測距方式では前述したような測定原理を有するため、投光部と受光部は相互の位置関係を一定にする必要があり又、対称性がとれない等の理由によって、測定装置の据付などで大きなスペースを確保する必要がある。
また、投光部と受光部の相互位置は変えられず、光学的、機械的手段によってのみ測定用光を偏向することができるため、測定データと機構部位置情報の同期性の難しさから、高速測定が困難で又、測定によって得られた画像のひずみ解消が困難等の問題がある。
三角測距方式では前述したような測定原理を有するため、投光部と受光部は相互の位置関係を一定にする必要があり又、対称性がとれない等の理由によって、測定装置の据付などで大きなスペースを確保する必要がある。
また、投光部と受光部の相互位置は変えられず、光学的、機械的手段によってのみ測定用光を偏向することができるため、測定データと機構部位置情報の同期性の難しさから、高速測定が困難で又、測定によって得られた画像のひずみ解消が困難等の問題がある。
また、投光部は常に受光部側にのみ配置されるため、測定対象物の欠陥検出等の多様な測定に対応できない。
また、投光部から出力された測定用光と受光部で受光する戻りの測定用光は同一面の三角形を形成しており、アスペクト比の高い凹凸の形状測定では、戻り光による干渉によって測定が困難という問題がある。
また、レーザ光源を用いた三次元の形状測定を実現するためには、直行座標系または球極座標系あるいは円柱極座標系の駆動機構が必要になり、装置が大がかりになるという問題がある。
また、投光部から出力された測定用光と受光部で受光する戻りの測定用光は同一面の三角形を形成しており、アスペクト比の高い凹凸の形状測定では、戻り光による干渉によって測定が困難という問題がある。
また、レーザ光源を用いた三次元の形状測定を実現するためには、直行座標系または球極座標系あるいは円柱極座標系の駆動機構が必要になり、装置が大がかりになるという問題がある。
１個のレーザ投光部と１個のレーザ受光部の相互位置に意味を持つように構成された従来の三角測距方式のレーザ変位計を用いて測定対象物表面を走査する場合、照射光と戻り光を同一の屈折器（例えば反射ミラー）で偏向する場合は、屈折器が大きくなり、したがって、屈折器を回転駆動するためのモータの容量も大きくなるという問題がある。
また、レーザ変位計全体を作動させて偏向する場合も、同じく駆動系および機構系が大きくなるという欠点がある。
情報調査会より出版された「センサ技術」（１９９２年１０月号（Vol.12.No.11））
また、レーザ変位計全体を作動させて偏向する場合も、同じく駆動系および機構系が大きくなるという欠点がある。
情報調査会より出版された「センサ技術」（１９９２年１０月号（Vol.12.No.11））
本発明は、簡単な構成で、多様な測定に対応できるようにすることを課題としている。
また、本発明は、簡単な構成で測定用光を偏向できるようにすることを課題としている。
また、本発明は、簡単な構成で測定用光を偏向できるようにすることを課題としている。
本発明によれば、光出力手段から測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設された複数の光検出手段によって前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した前記測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出することを特徴とする光学式測定方法が提供される。
光出力手段から測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射し、前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設された複数の光検出手段によって前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した前記測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出する。
ここで、前記光出力手段は、断面が線状の測定用光を発生し、前記測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を断面が線状の測定用光に変換し、前記断面が線状の測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を環状の測定用光に変換し、前記環状の測定用光の径を増大又は減少させて前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を断面が線状の測定用光に変換し、前記断面が線状の測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を環状の測定用光に変換し、前記環状の測定用光の径を増大又は減少させて前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように及び／又は前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように、前記測定用光の光軸に沿って対向配設した１対のウエッジプリズムを動かすことにより、前記測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、本発明によれば、測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設され、前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
また、本発明によれば、測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設され、前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
光出力手段は、測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射する。前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設された複数の光検出手段は、前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出する。算出手段は、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出する。
ここで、前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を出力する点状光源と、前記点状光源から出力される測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射する偏向手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、断面が線状の測定用光を出力する線状光源と、前記線状光源から出力される線状の測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射する偏向手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、断面が線状の測定用光を出力する線状光源と、前記線状光源から出力される線状の測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射する偏向手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記偏向手段は、前記線状光源から出力される線状の測定用光を、前記線状の測定用光の長さ方向と直行する方向に偏向して前記測定対象位置に照射するように構成してもよい。
また、前記線状光源は、断面が点状の測定用光を出力する点状光源と、前記点状光源から出力される測定用光を、断面が線状の測定用光に変換する変換手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記線状光源は、断面が点状の測定用光を出力する点状光源と、前記点状光源から出力される測定用光を、断面が線状の測定用光に変換する変換手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記変換手段は、前記断面が点状の測定用光を断面が線状の測定用光に変換する平凹円柱レンズを備えて成るように構成してもよい。
また、前記偏向手段は、前記測定用光を所定方向に偏向するガルバノミラー装置、一方向に回転して前記測定用光を所定方向に偏向するポリゴンミラー装置、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように及び／又は前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように動くと共に、前記測定用光の光軸に沿って対向配設された１対のウエッジプリズム、又は、印加される音響周波数に測定用光の偏向角度が比例する音響光学偏向器であるように構成してもよい。
また、前記偏向手段は、前記測定用光を所定方向に偏向するガルバノミラー装置、一方向に回転して前記測定用光を所定方向に偏向するポリゴンミラー装置、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように及び／又は前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように動くと共に、前記測定用光の光軸に沿って対向配設された１対のウエッジプリズム、又は、印加される音響周波数に測定用光の偏向角度が比例する音響光学偏向器であるように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、点状光源から出力される断面が点状の測定用光を環状の測定用光に変換する変換手段と、前記変換手段からの環状の測定用光の径を増大又は減少させる偏向手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記偏向手段は、前記点状光源からの測定用光を断面が面状の測定用光に変換する変換レンズと、前記変換レンズからの測定用光を環状の測定用光にして出力する凸筒コーンミラーと、前記凸筒コーンミラーと同軸に配設されると共に前記軸に沿って凸筒コーンミラーと相対的に移動可能に配設され、前記凸筒コーンミラーからの測定用光を前記測定対象物側に出力する凹コーンミラーとを有して成り、前記凸筒コーンミラーと凹コーンミラーとの間の前記軸に沿う距離を変えることによって、前記測定対象物側に出力する環状の測定用光の径を変化させるように構成してもよい。
また、前記偏向手段は、前記点状光源からの測定用光を断面が面状の測定用光に変換する変換レンズと、前記変換レンズからの測定用光を環状の測定用光にして出力する凸筒コーンミラーと、前記凸筒コーンミラーと同軸に配設されると共に前記軸に沿って凸筒コーンミラーと相対的に移動可能に配設され、前記凸筒コーンミラーからの測定用光を前記測定対象物側に出力する凹コーンミラーとを有して成り、前記凸筒コーンミラーと凹コーンミラーとの間の前記軸に沿う距離を変えることによって、前記測定対象物側に出力する環状の測定用光の径を変化させるように構成してもよい。
また、前記各光検出手段は、前記測定対象物からの測定用光を受光する受光レンズと、前記受光レンズに対向して設けられ、前記受光レンズを通過した測定用光を検出する光検出素子とを備えて成り、前記光検出素子は、ＣＭＯＳ光センサアレー、ＣＣＤ又はＰＳＤによって構成されて成るように構成してもよい。
また、前記光検出手段は複数設けられると共に、前記複数の光検出手段の中から所定数の光検出手段を選択する選択手段を備えて成り、前記算出手段は、前記選択手段が選択した複数の光検出手段で検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出するように構成してもよい。
また、前記測定対象位置からの測定用光を前記光検出手段側に導光する導光部材を備えて成るように構成してもよい。
また、前記光検出手段は複数設けられると共に、前記複数の光検出手段の中から所定数の光検出手段を選択する選択手段を備えて成り、前記算出手段は、前記選択手段が選択した複数の光検出手段で検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出するように構成してもよい。
また、前記測定対象位置からの測定用光を前記光検出手段側に導光する導光部材を備えて成るように構成してもよい。
本発明によれば、光出力手段と光検出手段間の位置関係を無関係に設定して測定を行うことが可能になるため、測定の自由度が大きくなり、簡単な構成で多様な測定に対応することが可能になる。
また、本発明によれば、簡単な構成で測定用光を偏向することが可能になる。
また、本発明によれば、簡単な構成で測定用光を偏向することが可能になる。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法及び光学式測定装置について説明する。尚、以下の説明で使用する各図において、同一部分には同一符号を付している。
図１は、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法及び光学式測定装置の測定原理の説明図である。
図１は、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法及び光学式測定装置の測定原理の説明図である。
図１において、１１は半導体レーザ等によって構成され断面が点状の測定用光を出力する光源、１２は測定対象物、１３、１４は受光レンズ、１５、１６は受光レンズ１３、１４に対向して各々配設された光検出素子である。光検出素子１５、１６としては、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の光センサアレー（ＣＭＯＳ光センサアレー）等、各種の光検出素子が使用可能である。
光検出素子１５、１６は、各々、測定対象物１２で反射した前記測定用光を、対応する受光レンズ１３、１４を介して検出する。
光源１１は、受光レンズ１３及び光検出素子１５や、受光レンズ１４及び光検出素子１６とは、相互の位置関係が無関係に配設される。受光レンズ１３、光検出素子１５、受光レンズ１４及び光検出素子１６は、相互の位置関係が既知の位置に配設されている。
ここで、光源１１は光出力手段を構成し、受光レンズ１３及び対応する光検出素子１５は第１光検出手段を構成し、受光レンズ１４及び対応する光検出素子１６は第２光検出手段を構成している。前述したように、前記複数の光検出手段相互の位置関係は既知の位置に配設されると共に、前記各光検出手段は前記光出力手段の位置とは無関係な任意の位置に配設される。
光源１１は、受光レンズ１３及び光検出素子１５や、受光レンズ１４及び光検出素子１６とは、相互の位置関係が無関係に配設される。受光レンズ１３、光検出素子１５、受光レンズ１４及び光検出素子１６は、相互の位置関係が既知の位置に配設されている。
ここで、光源１１は光出力手段を構成し、受光レンズ１３及び対応する光検出素子１５は第１光検出手段を構成し、受光レンズ１４及び対応する光検出素子１６は第２光検出手段を構成している。前述したように、前記複数の光検出手段相互の位置関係は既知の位置に配設されると共に、前記各光検出手段は前記光出力手段の位置とは無関係な任意の位置に配設される。
このように、本実施の形態においては、測定対象物１２の測定対象位置に測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知の位置に配設されると共に前記光出力手段の位置とは無関係な任意の位置に配設され、前記測定対象物の測定対象位置で反射した前記測定用光を検出する複数の光検出手段とを使用して、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、測定対象物１２の形状を算出するようにしている。
尚、便宜上、受光レンズ１３、１４間の中心位置を座標原点Ｏとしており、各受光レンズ１３、１４の中心と原点Ｏとの距離Ｄと、各受光レンズ１３、１４の中心と対応する光検出素子１５、１６間の距離ｄ１、ｄ２とは所定の既知の値としている。
尚、便宜上、受光レンズ１３、１４間の中心位置を座標原点Ｏとしており、各受光レンズ１３、１４の中心と原点Ｏとの距離Ｄと、各受光レンズ１３、１４の中心と対応する光検出素子１５、１６間の距離ｄ１、ｄ２とは所定の既知の値としている。
図１において、光源１１から測定用光を測定対象物１２に照射すると、測定対象物１２表面の照射位置（測定対象位置）１７では散乱光が発生して、その一部が受光レンズ１３、１４側に反射する。測定対象物１２で反射した前記測定用光は、各々、受光レンズ１３、１４を介して、受光レンズ１３、１４に対応して配設された光検出素子１５、１６によって検出される。各光検出素子１５、１６には、各々、結像１８、１９が得られる。
このとき、点Ｏを原点とするＸＹＺ直交座標系によって表した測定対象位置１７の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、下記３つの式（１）の通りとなる。但し、下記式（１）において、Ｄ、ｄ１、ｄ２は前述したように既知の値である。また、光検出素子１５における結像１８のＺ軸方向座標ｈ１及びＹ軸方向座標ｙ１、光検出素子１６における結像１９のＺ軸方向座標ｈ２及びＹ軸方向座標ｙ２は、光検出素子１５、１６による測定値である。
ｘ＝Ｄ・（ｈ１・ｄ２−ｄ１・ｈ２）／（ｈ１・ｄ２＋ｄ１・ｈ２）
ｚ＝２ｈ１・ｈ２・Ｄ／（ｈ１・ｄ２＋ｄ１・ｈ２） ・・・（１）
ｙ＝ｙ１・ｚ／ｈ１＝ｙ２・ｚ／ｈ２
ｘ＝Ｄ・（ｈ１・ｄ２−ｄ１・ｈ２）／（ｈ１・ｄ２＋ｄ１・ｈ２）
ｚ＝２ｈ１・ｈ２・Ｄ／（ｈ１・ｄ２＋ｄ１・ｈ２） ・・・（１）
ｙ＝ｙ１・ｚ／ｈ１＝ｙ２・ｚ／ｈ２
したがって、光検出素子１５によってｈ１、ｙ１を測定し、光検出素子１６によって測定位置ｈ２、ｙ２を測定することにより、これらの測定値ｈ１、ｙ１、ｈ２、ｙ２及び既知の値ｄ１、ｄ２、Ｄを用いると共に前記３つの式（１）を用いて、図示しない算出手段によって算出処理を行うことにより、原点Ｏを基準として、測定対象物１２上の測定対象位置１７の座標（ｘ，ｙ，ｚ）を算出することができる。また、幾何学的な算出処理を行うことにより、所定位置（例えば、原点Ｏ）から測定対象位置１７までの距離も算出できる。また、光源１１から出力する測定用光を偏向手段により偏向して測定対象物１２を走査しながら測定を行うことによって、測定対象物１２の複数の点を測定して、測定対象物１２の３次元形状を算出することが可能になる。
このように、相互の位置関係は所定の既知の位置に配設されると共に光源１１の位置とは無関係な位置に複数の光検出手段を配設し、前記複数の光検出手段によって測定対象物１２の測定対象位置１７で反射した前記測定用光を各々検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする測定対象位置１７の座標等を測定することが可能になる。光源１１の位置は、光検出手段の位置とは無関係に決定できるため、構成要素の配置の自由度が大きくなるため、装置の小型化が可能になったり、複雑な形状の測定対象物の形状等の測定が可能になる等の効果を奏する。
図２は、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法及び光学式測定装置の他の測定原理の説明図である。図１の例では、光源として、断面が点状の測定用光を出力する点状光源を用いたが、本例では光源として、断面が線状の測定用光を出力する線状光源を使用している。尚、図１と同一部分には同一符号を付している。
図２において、２１は断面が直線状の測定用光を出力する光源、１２は測定対象物、１３、１４は受光レンズ、１５、１６は所定面積の平面状の光検出面を有するＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成され、測定対象物１２で反射した前記測定用光を受光レンズ１３、１４を介して検出する面状の光検出素子である。尚、光源２１は、直接、断面が線状の測定用光を発生する光源を用いてもよく、あるいは、断面が点状の測定用光を発生し、該測定用光を断面が線状の測定用光に変換するような構成の光源としてもよい。
図２において、２１は断面が直線状の測定用光を出力する光源、１２は測定対象物、１３、１４は受光レンズ、１５、１６は所定面積の平面状の光検出面を有するＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成され、測定対象物１２で反射した前記測定用光を受光レンズ１３、１４を介して検出する面状の光検出素子である。尚、光源２１は、直接、断面が線状の測定用光を発生する光源を用いてもよく、あるいは、断面が点状の測定用光を発生し、該測定用光を断面が線状の測定用光に変換するような構成の光源としてもよい。
ここで、光源２１は光出力手段を構成し、受光レンズ１３及び対応する光検出素子１５は第１光検出手段を構成し、受光レンズ１４及び対応する光検出素子１６は第２光検出手段を構成している。このように、本実施の形態においては、測定対象物１２の測定対象位置に断面が線状の測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知の値に配設されると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設され、前記測定対象物の測定対象位置で反射した前記断面線状の測定用光を検出する複数の光検出手段とを使用して、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、算出手段により、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、測定対象物１２の形状を算出するようにしている。
尚、図１の場合と同様に、受光レンズ１３、１４間の中心位置を座標原点Ｏとしており、各受光レンズ１３、１４の中心と原点Ｏとの距離Ｄ、各受光レンズ１３、１４の中心と対応する光検出素子１５、１６間の距離ｄ１、ｄ２は既知の値としている。
光源２１から断面が線状の測定用光を測定対象物１２の測定対象位置に照射すると、測定対象物１２の測定対象位置には線状の測定用光２２が照射されることになる。測定対象物１２で反射した線状の前記測定用光は、各々、受光レンズ１３、１４を介して、受光レンズ１３、１４に対応して配設された光検出素子１５、１６に入射し、線状の結像２３、２４が検出される。
光源２１から断面が線状の測定用光を測定対象物１２の測定対象位置に照射すると、測定対象物１２の測定対象位置には線状の測定用光２２が照射されることになる。測定対象物１２で反射した線状の前記測定用光は、各々、受光レンズ１３、１４を介して、受光レンズ１３、１４に対応して配設された光検出素子１５、１６に入射し、線状の結像２３、２４が検出される。
線状の結像２３、２４は、複数の点を連結したものと同じとみることができるため、図１で説明したのと同様の式を用いて、測定対象位置の座標等を算出することができる。
光検出素子１５における結像２３のＺ軸方向座標ｈ１及びＹ軸方向座標ｙ１、光検出素子１６における結像２４のＺ軸方向座標ｈ２及びＹ軸方向座標ｙ２を測定することにより、線状の結像２３、２４上の複数の点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、図１において使用した前記３つの式（１）を用いて算出することが可能である。また、同様にして、所定位置（例えば、原点Ｏ）から測定対象位置までの距離を測定することが可能である。また、線状の測定用光２２を測定用光２２の長さ方向と直交する方向（図２ではＸ軸方向）に偏向手段（図示せず））で偏向して走査しながら測定を行うことによって、測定対象物１２の複数の点を測定して、測定対象物１２の３次元形状を測定することが可能になる。
光検出素子１５における結像２３のＺ軸方向座標ｈ１及びＹ軸方向座標ｙ１、光検出素子１６における結像２４のＺ軸方向座標ｈ２及びＹ軸方向座標ｙ２を測定することにより、線状の結像２３、２４上の複数の点の座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、図１において使用した前記３つの式（１）を用いて算出することが可能である。また、同様にして、所定位置（例えば、原点Ｏ）から測定対象位置までの距離を測定することが可能である。また、線状の測定用光２２を測定用光２２の長さ方向と直交する方向（図２ではＸ軸方向）に偏向手段（図示せず））で偏向して走査しながら測定を行うことによって、測定対象物１２の複数の点を測定して、測定対象物１２の３次元形状を測定することが可能になる。
このように、光源２１の位置とは無関係な位置に複数の光検出手段を配設し、前記光検出手段によって測定対象物１２の測定対象位置２２で反射した前記測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする測定対象位置２２の座標等を測定することが可能になるため、図１の例と同様に、光学式測定装置の小型化や、複雑な形状の測定対象物の測定が可能になり、多様な測定に対応することが可能になる。また、断面が線状の測定用光を使用するため、短時間で広い面積の測定が可能になるという効果を奏する。
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置の構成を概略的に示す図である。
図３において、光学式測定装置は、投光部３１、受光部３１０及び制御部３１５を備えている。
投光部３１は、断面が線状の測定用光を発生する機能と、発生した前記測定用光を偏向して出力する機能とを備えている。投光部３１は、半導体レーザ３４を発光駆動するためのレーザ駆動部３２、測定用光としてのレーザ光を偏向走査するレーザ偏向走査部３３を備えている。
図３において、光学式測定装置は、投光部３１、受光部３１０及び制御部３１５を備えている。
投光部３１は、断面が線状の測定用光を発生する機能と、発生した前記測定用光を偏向して出力する機能とを備えている。投光部３１は、半導体レーザ３４を発光駆動するためのレーザ駆動部３２、測定用光としてのレーザ光を偏向走査するレーザ偏向走査部３３を備えている。
レーザ偏向走査部３３は、増幅部３５、断面が点状の測定用光を発生する半導体レーザ３４、半導体レーザ３４が発生する断面点状の測定用光を断面が線状の測定用光に変換する光変換部３６、光変換部３６からの断面線状の測定用光を偏向するポリゴンミラー３８を備えている。
尚、光変換部３６を用いることなく、断面が線状の測定用光を直接発生するような光源を用いてもよい。
尚、光変換部３６を用いることなく、断面が線状の測定用光を直接発生するような光源を用いてもよい。
半導体レーザ３４は、制御部３１５の制御の下、増幅部３５を介してレーザ駆動部３２によって駆動され、光変換部３６に対して、所定波長のレーザ光を測定用光として出力する。ポリゴンミラー３８は、周囲に複数（図３では６面）の平面反射面３９を有しており、制御部３１５の制御によって、モータ３７により所定の一方向に回転駆動され、断面が線状の測定用光を偏向して出力する。
光変換部３６は、平凹円柱レンズによって構成されており、レーザ３４からの断面点状の測定用光を、ポリゴンミラー３８の回転軸と平行な線状の測定用光に変換してポリゴンミラー３８に出力する。光変換部３６は、断面点状の測定用光を断面線状の測定用光に変換するレンズであれば、他の構成のレンズを用いて構成することも可能である。
光変換部３６は、平凹円柱レンズによって構成されており、レーザ３４からの断面点状の測定用光を、ポリゴンミラー３８の回転軸と平行な線状の測定用光に変換してポリゴンミラー３８に出力する。光変換部３６は、断面点状の測定用光を断面線状の測定用光に変換するレンズであれば、他の構成のレンズを用いて構成することも可能である。
受光部３１０は、測定対象物３１４で反射した前記測定用光を検出する機能を有している。受光部３１０は、複数（図３では２つ）の受光器３１１ａ、３１１ｂを備えている。各受光器３１１ａ、３１１ｂは、各々、測定対象物３１４からの測定用光を受光する受光レンズ３１２ａ、３１２ｂ、各受光レンズ３１２ａ、３１２ｂに対向して配設され所定面積を有するＣＭＯＳ光センサアレーによって構成された光検出素子３１３ａ、３１３ｂを備えている。
制御部３１５は、受光部３１０によって検出した測定用光に基づいて測定対象物３１４の測定対象位置の座標等を算出する機能と、投光部３１を制御する機能を有している。制御部３１５は、光検出素子３１３ａ、３１３ｂで検出した測定用光に対応する検出信号を受信して増幅する増幅部３１９、入出力インタフェース（Ｉ／Ｏ）３１２、３１７、３２０、中央処理装置（ＣＰＵ）３１６、表示部３２２を備えている。ＣＰＵ３１６及びＩ／Ｏ３１２、３１７、３２０はバス３１８に接続されている。
ＣＰＵ３１６は、記憶手段（図示せず）に記憶された所定のプログラムを実行することにより、前記式（１）を用いて、光検出素子３１３ａ、３１３ｂによって検出した測定用光に基づいて測定対象物３１４の測定対象位置の座標等の算出処理を行ったり、投光部３１の制御等の処理を行う。表示部３２２は、ＣＰＵ３１６が算出した測定対象物３１４の測定対象位置の座標や形状等を表示する。
ここで、投光部３１は光出力手段を構成し、ＣＰＵ３１６は算出手段及び制御手段を構成し、受光器３１１ａ、３１１ｂは光検出手段を構成し、光変換部３６は変換手段を構成している。また、ポリゴンミラー３８は偏向手段を構成している。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設される。
ここで、投光部３１は光出力手段を構成し、ＣＰＵ３１６は算出手段及び制御手段を構成し、受光器３１１ａ、３１１ｂは光検出手段を構成し、光変換部３６は変換手段を構成している。また、ポリゴンミラー３８は偏向手段を構成している。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設される。
図３において、制御部３１５のＣＰＵ３１６は、レーザ駆動部３２及び増幅部３５を介して、レーザ３４を駆動制御することによって断面が点状の測定用光を出力させると共に、モータ３７を回転制御する。
レーザ３４から出力された点状の測定用光は、光変換部３６によって、断面が線状でポリゴンミラー３８の回転軸と平行な線状の測定用光に変換された後、ポリゴンミラー３８に出力される。
レーザ３４から出力された点状の測定用光は、光変換部３６によって、断面が線状でポリゴンミラー３８の回転軸と平行な線状の測定用光に変換された後、ポリゴンミラー３８に出力される。
モータ３７は、制御部３１５の制御によって矢印方向の一方向に所定速度で回転し、ポリゴンミラー３８を矢印方向に所定速度で回転させる。光変換部３６からポリゴンミラー３８に入力された断面線状の測定用光は、偏向されながら測定対象物３１４に照射される。これにより、測定対象物３１４は、断面線状の測定用光３３０によって矢印方向に走査される。
受光部３１０の複数の光検出素子３１３ａ、３１３ｂは、各々、対応して配設された受光レンズ３１２ａ、３１２ｂを介して、測定対象物３１４で反射した線状の前記測定用光３３０を検出して、前記検出した測定用光に対応する検出信号を制御部３１５に出力する。前記検出信号は増幅部３１９によって増幅された後、ＣＰＵ３１６へ送られる。
受光部３１０の複数の光検出素子３１３ａ、３１３ｂは、各々、対応して配設された受光レンズ３１２ａ、３１２ｂを介して、測定対象物３１４で反射した線状の前記測定用光３３０を検出して、前記検出した測定用光に対応する検出信号を制御部３１５に出力する。前記検出信号は増幅部３１９によって増幅された後、ＣＰＵ３１６へ送られる。
ＣＰＵ３１６は、受光部３１０からの前記検出信号に基づいて、前記式（１）を用いて、所定位置（例えば、受光レンズ３１２ａ、３１２ｂの中心位置である原点Ｏ）を基準として測定対象物３１４の測定対象位置の座標を算出する。
ＣＰＵ３１６は、所定位置を基準として、測定対象物３１４の測定位置までの距離を算出するようにすることができる。また、ＣＰＵ３１６は、モータ３７を駆動してポリゴンミラー３８を回転制御することにより、測定用光３３０を偏向させて測定対象物を走査し、測定対象物３１４の複数の位置の測定を行うようにすることができる。これにより、測定対象物３１４の３次元形状を算出することができる。
このようにして得られた前記測定対象位置の座標等は、表示部３２２によって表示される。
ＣＰＵ３１６は、所定位置を基準として、測定対象物３１４の測定位置までの距離を算出するようにすることができる。また、ＣＰＵ３１６は、モータ３７を駆動してポリゴンミラー３８を回転制御することにより、測定用光３３０を偏向させて測定対象物を走査し、測定対象物３１４の複数の位置の測定を行うようにすることができる。これにより、測定対象物３１４の３次元形状を算出することができる。
このようにして得られた前記測定対象位置の座標等は、表示部３２２によって表示される。
本第１の実施の形態によれば、投光部３１の位置とは無関係な位置であって相互の位置関係は所定関係にある既知の位置に複数の光検出手段（受光レンズ３１２ａと光検出素子３１３ａ、及び、受光レンズ３１２ｂと光検出素子３１３ｂ）を配設し、前記光検出手段によって測定対象物３１４の測定対象位置で反射した前記測定用光３３０を検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする測定対象位置の座標等を測定することが可能になるため、図２の場合と同様に、光学式測定装置の小型化や、複雑な形状の測定対象物の測定が可能になる。
また、断面が線状の測定用光を使用するため、短時間で広い面積の測定が可能になるという効果を奏する。また、平凹円柱レンズを使用して、断面点状の測定用光を断面線状の測定用光に変換しているため、簡単な構成で断面線状の測定用光を発生させることが可能になる。また、測定用光による走査を行うための構成として、ポリゴンミラー３８を使用しているため、小型化が可能で、精度の良い走査が可能になる等の効果を奏する。
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の構成を概略的に示す図である。
図４において、光学式測定装置は、光源からの測定用光を偏向して測定対象物４１１に照射する偏向部４５、測定対象物４１１の測定対象位置４１２で反射した測定用光を受光する複数（図４では２つ）の受光レンズ４６、４７を備えている。
図４において、光学式測定装置は、光源からの測定用光を偏向して測定対象物４１１に照射する偏向部４５、測定対象物４１１の測定対象位置４１２で反射した測定用光を受光する複数（図４では２つ）の受光レンズ４６、４７を備えている。
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の内部構成を概略的に示す図であり、図４と同一部分には同一符号を付している。
図５において、光学式測定装置本体４２は、半導体レーザ等によって構成された光源４１、偏向部４５、受光部及び制御部４１０を備えている。尚、光源４１と偏向部４５との間に光ファイバを配設することにより、光源４１で発生した測定用光を前記光ファイバを介して偏向部４５へ導光するようにしてもよい。
光源４１は断面が点状の測定用光を発生して偏向部４５に出力する。偏向部４５は、光源４１からの測定用光を偏向して出力する。
図５において、光学式測定装置本体４２は、半導体レーザ等によって構成された光源４１、偏向部４５、受光部及び制御部４１０を備えている。尚、光源４１と偏向部４５との間に光ファイバを配設することにより、光源４１で発生した測定用光を前記光ファイバを介して偏向部４５へ導光するようにしてもよい。
光源４１は断面が点状の測定用光を発生して偏向部４５に出力する。偏向部４５は、光源４１からの測定用光を偏向して出力する。
受光部は、複数（図５では２つ）の受光レンズ４６、４７、及び各受光レンズ４６、４７に対向して配設されたＣＭＯＳ光センサアレー等の光検出素子４８、４９を備えている。光源４１と前記受光部との間の位置関係は、無関係に配設されている。
偏向部４５は、１対のウエッジプリズム４３、４４を備えており、各ウエッジプリズム４３、４４は制御部４１０の制御によって、相対的に、あるいは、一体となって動けるように配設されている。
偏向部４５は、１対のウエッジプリズム４３、４４を備えており、各ウエッジプリズム４３、４４は制御部４１０の制御によって、相対的に、あるいは、一体となって動けるように配設されている。
尚、受光レンズ４６、４７、光検出素子４８、光検出素子４８相互の位置関係は所定の既知の位置にある。即ち、受光レンズ４６、４７の中心間距離Ｄ、受光レンズ４６と光検出素子４８間の距離ｄ0は、既知の値である。受光レンズ４７と光検出素子４９間の距離も、受光レンズ４６と光検出素子４８間の距離に等しく、距離ｄ0であり、既知の値である。
ここで、光源４１及び偏向部４５は光出力手段を構成し、偏向部４５は偏向手段を構成している。また、受光レンズ４６及び光検出素子４８は第１の光検出手段を構成し、受光レンズ４７及び光検出素子４９は第２の光検出手段を構成している。また、制御部４１０は算出手段及び制御手段を構成している。前述したように、前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設される。
ここで、光源４１及び偏向部４５は光出力手段を構成し、偏向部４５は偏向手段を構成している。また、受光レンズ４６及び光検出素子４８は第１の光検出手段を構成し、受光レンズ４７及び光検出素子４９は第２の光検出手段を構成している。また、制御部４１０は算出手段及び制御手段を構成している。前述したように、前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設される。
図６は、偏向部４５の動作を説明するための説明図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）、（ｃ）は斜視図である。尚、図４及び図５と同一部分には同一符号を付している。
図６（ａ）に示すように、ウエッジプリズム４３、４４は、相互に傾斜面が対向した状態で、測定用光の光軸に沿って配設されている。また、各ウエッジプリズム４３、４４は、制御部４１０の制御により、測定用光の光軸に沿って接近したり離れたりするように、相対的に摺動可能に配設されており、又、前記光軸を回転軸として、一体となって回転可能に配設され又、相対的に回転可能なように配設されている。
図６（ａ）に示すように、ウエッジプリズム４３、４４は、相互に傾斜面が対向した状態で、測定用光の光軸に沿って配設されている。また、各ウエッジプリズム４３、４４は、制御部４１０の制御により、測定用光の光軸に沿って接近したり離れたりするように、相対的に摺動可能に配設されており、又、前記光軸を回転軸として、一体となって回転可能に配設され又、相対的に回転可能なように配設されている。
図６（ｂ）に示すように、制御部４１０の制御により、両ウエッジプリズム４３、４４を、光軸を中心として一体的に回転させることによって、光源４１から出力される測定用光を環状に偏向させて出力することができる。また、制御部４１０の制御により、ウエッジプリズム４３、４４の一方又は双方を、光軸を中心として相対的に回転させることにより、光源４１から出力される測定用光を環状に偏向させて出力することができる。これにより、測定対象物４１１を測定用光４１３によって環状に走査することができる。
また、図６（ｃ）に示すように、制御部４１０の制御により、両ウエッジプリズム４３、４４を光軸に沿って、相互に近接するように移動させ、あるいは、相互に離れるように移動させることによって、両ウエッジプリズム４３、４４間の距離を変えることにより、光源４１から出力される測定用光を直線状に偏向させて出力することができる。これにより、測定対象物４１１を測定用光４１４によって直線状に走査することができる。
測定を行う場合、図５において、測定用光の光軸に沿ったウエッジプリズム４３、４４間の相対的な移動距離Ｓ、前記光軸を中心とするウエッジプリズム４３、４４の各回転角θ1、θ2を、測定内容に応じた値に制御部４１０に設定する。前記設定値通りに制御部４１０によってウエッジプリズム４３、４４を制御して動かし、測定用光を偏向して測定対象物４１１を走査する。同時に、受光レンズ４６、４７を介して、各々、光検出素子４８、４９により測定用光を検出する。
制御部４１０により、光検出素子４８、４９で検出した測定用光に基づいて、前記式（１）等を用いて、所定位置から測定対象物４１１の測定対象位置４１２の座標（ｘ，ｙ，ｚ）や測定対象物４１１の３次元形状等を算出する。
制御部４１０により、光検出素子４８、４９で検出した測定用光に基づいて、前記式（１）等を用いて、所定位置から測定対象物４１１の測定対象位置４１２の座標（ｘ，ｙ，ｚ）や測定対象物４１１の３次元形状等を算出する。
このように、偏向手段として、１対のウエッジプリズム４３、４４を用いて、両プリズム４３、４４を一体的又は相対的に動かすことにより、測定用光を環状あるいは直線状に偏向させることができるため、構成を簡素化することが可能であり、小型化が可能になるという効果を奏する。
尚、測定用光の偏向は必要に応じて、環状又は直線状の少なくとも一方を行うようにすればよい。即ち、測定用光の光軸に沿って１対のウエッジプリズムを配設し、前記ウエッジプリズムを、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように動かす動作と、前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように動かす動作との少なくとも一方を行うことにより、前記測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するればよい。
尚、測定用光の偏向は必要に応じて、環状又は直線状の少なくとも一方を行うようにすればよい。即ち、測定用光の光軸に沿って１対のウエッジプリズムを配設し、前記ウエッジプリズムを、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように動かす動作と、前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように動かす動作との少なくとも一方を行うことにより、前記測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するればよい。
また、前記第１の実施の形態と同様に、光源４１の位置とは無関係な位置に複数の光検出手段（受光レンズ４６と光検出素子４８、及び、受光レンズ４７と光検出素子４９）を配設し、前記光検出手段によって測定対象物４１１の測定対象位置で反射した前記測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする測定対象位置の座標等を測定することが可能になるため、装置の小型化や、複雑な形状の測定対象物の測定が可能になる等の効果を奏する。
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定装置の構成を概略的に示す図であり、内部構成が分かり易いように部分的な断面図を示している。
図７において、光学式測定装置は、半導体レーザ等によって構成された光源６１、光源６１からの測定用光を偏向して環状の測定用光を測定対象物６９３に照射する偏向部６２、測定対象物６９３の測定対象位置で反射した測定用光を検出する複数の光検出手段（図示せず）を備えている。前記複数の光検出手段間の距離は、前記各実施の形態と同様に、所定の既知の値に設定されているが、光源６１及び偏向部６２の位置とは無関係な位置に配置されている。
図７において、光学式測定装置は、半導体レーザ等によって構成された光源６１、光源６１からの測定用光を偏向して環状の測定用光を測定対象物６９３に照射する偏向部６２、測定対象物６９３の測定対象位置で反射した測定用光を検出する複数の光検出手段（図示せず）を備えている。前記複数の光検出手段間の距離は、前記各実施の形態と同様に、所定の既知の値に設定されているが、光源６１及び偏向部６２の位置とは無関係な位置に配置されている。
光源６１は断面が点状の測定用光を発生して偏向部６２に出力する。偏向部６２は、光源６１からの測定用光を環状の測定用光に変換し、前記環状の測定用光を偏向することによって前記環状測定用光の径を変える。これにより、径の異なる環状の測定用光によって測定対象物６９３を走査する。
偏向部６２は、頂角が６０度±１５度の範囲の円錐台形状の光反射面６９５を有する凹コーンミラー６８と、測定用光の光軸に沿って、凹コーンミラー６８の中心部に同軸に配設された凸筒コーンミラー６６とを備えた構成となっている。
凸筒コーンミラー６６は、図８に示すように、円筒部材の長さ方向に形成された貫通孔６９１、前記円筒部材の長さ方向に対して４５度の角度で前記円筒部材の端部周囲に形成された環状の光反射部６７を備えている。凸筒コーンミラー６６と凹コーンミラー６８は、凸コーンミラー６６の円筒部材の長さ方向である測定用光の光軸に沿って、相対的に移動可能なように配設されている。
偏向部６２は、頂角が６０度±１５度の範囲の円錐台形状の光反射面６９５を有する凹コーンミラー６８と、測定用光の光軸に沿って、凹コーンミラー６８の中心部に同軸に配設された凸筒コーンミラー６６とを備えた構成となっている。
凸筒コーンミラー６６は、図８に示すように、円筒部材の長さ方向に形成された貫通孔６９１、前記円筒部材の長さ方向に対して４５度の角度で前記円筒部材の端部周囲に形成された環状の光反射部６７を備えている。凸筒コーンミラー６６と凹コーンミラー６８は、凸コーンミラー６６の円筒部材の長さ方向である測定用光の光軸に沿って、相対的に移動可能なように配設されている。
凹コーンミラー６８の中心部に設けられた貫通孔６３内には、光源６１からの測定用光の断面積を拡大するためのレンズ６４及び拡大された測定用光を光軸に平行にするためのレンズ６５が配設されている。また、凸筒コーンミラー６６の円筒状空洞６９１内には円盤状の遮光部材６９２が取り付けられている。遮光部材６９２は、レンズ６５及び円筒状空洞６９１を通って測定対象物６９３側に透過しようとする測定用光を遮蔽するためのものである。
ここで、光源６１及び偏向部６２は光出力手段を構成し、偏向部６２は変換手段及び偏向手段を構成している。また、レンズ６４、６５、凸筒コーンミラー６６、凹コーンミラー６８は変換手段を構成し、又、凸筒コーンミラー６６、凹コーンミラー６８は偏向手段を構成している。
ここで、光源６１及び偏向部６２は光出力手段を構成し、偏向部６２は変換手段及び偏向手段を構成している。また、レンズ６４、６５、凸筒コーンミラー６６、凹コーンミラー６８は変換手段を構成し、又、凸筒コーンミラー６６、凹コーンミラー６８は偏向手段を構成している。
光源６１から出力された断面点状の測定用光は、レンズ６４によって断面が所定面積を有する円形状の測定用光に拡大された後、レンズ６５によって光軸に平行な断面円形状の測定用光に変換される。
レンズ６５を通った測定用光は、その外周部分が凸筒コーンミラー６６の反射部６７によって、凹コーンミラー６８側に反射される。また、レンズ６５を通った測定用光のうち、前記外周部分以外の部分は、遮光部材６９２によって遮光される。
これにより、凸筒コーンミラー６６から凹コーンミラー６８へは、環状の測定用光が出力される。
レンズ６５を通った測定用光は、その外周部分が凸筒コーンミラー６６の反射部６７によって、凹コーンミラー６８側に反射される。また、レンズ６５を通った測定用光のうち、前記外周部分以外の部分は、遮光部材６９２によって遮光される。
これにより、凸筒コーンミラー６６から凹コーンミラー６８へは、環状の測定用光が出力される。
凹コーンミラー６８は、凸筒コーンミラー６６からの環状の測定用光を測定対象物６９３に向けて出力する。測定対象物６９３には環状の測定用光６９４が照射される。このとき、図示しない制御手段によって、凸筒コーンミラー６６と凹コーンミラー６８のいずれか一方を相対的に光軸に沿って移動制御することにより、測定対象物６９３に照射する前記環状測定用光の径を変えることができ、測定対象物６９３を径の異なる環状測定用光で走査することができる。
測定対象物６９３で反射した測定用光は、前述した実施の形態と同様に、受光レンズ及びこれに対面して設けられた光検出素子を有する複数（例えば、２つの）光検出手段光によって検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、図示しない算出手段が、前記式（１）を用いて測定対象物６９３の測定対象位置の座標等を算出する。
本実施の形態においては、前記各実施の形態と同様の効果を奏するばかりでなく、環状の測定用光を用いて測定対象物６９３を走査して測定を行うことが可能になるという効果を奏する。
本実施の形態においては、前記各実施の形態と同様の効果を奏するばかりでなく、環状の測定用光を用いて測定対象物６９３を走査して測定を行うことが可能になるという効果を奏する。
図９は、本発明の実施の形態に使用する複数の光検出手段の構成や配置を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は平面図である。
図９において、８１は半導体レーザ等によって構成され測定用光を出力する光源、８２、８３は測定対象物８６で反射した測定用光を集光する受光レンズ、８４、８５はＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成された光検出素子である。
図９において、８１は半導体レーザ等によって構成され測定用光を出力する光源、８２、８３は測定対象物８６で反射した測定用光を集光する受光レンズ、８４、８５はＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成された光検出素子である。
受光レンズ８２に対向する位置に光検出素子８４が配設され、受光レンズ８３に対向する位置に光検出素子８５が配設されている。受光レンズ８２と光検出素子８４間の距離は所定の既知の距離に配設され、又、受光レンズ８３と光検出素子８５間の距離は所定の既知の距離に配設されている。また、受光レンズ８２、８３間の距離も所定の既知の値に設定されている。測定対象物８６で反射した測定用光は、受光レンズ８２、８３を介して、各々、対応する光検出素子８４、８５によって検出される。
ここで、受光レンズ８２と光検出素子８４は光検出手段を構成し又、受光レンズ８３と光検出素子８５は光検出手段を構成している。このように、本例では、２つの光検出手段を並べて配置した構成となっている。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段である光源８１の位置とは無関係な位置に配設される。
ここで、受光レンズ８２と光検出素子８４は光検出手段を構成し又、受光レンズ８３と光検出素子８５は光検出手段を構成している。このように、本例では、２つの光検出手段を並べて配置した構成となっている。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段である光源８１の位置とは無関係な位置に配設される。
図１０は、本発明の実施の形態に使用する複数の光検出手段の構成等の他の例を示す図であり、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は平面図である。
図１０において、９１は半導体レーザ等によって構成され測定用光を出力する光源、９２、９３は測定対象物９８で反射した測定用光を集光する受光レンズ、９４、９５はＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成された光検出素子、９６、９７は測定対象物９８で反射した測定用光を各々受光レンズ９２、９３側に導光するための反射ミラーである。
図１０において、９１は半導体レーザ等によって構成され測定用光を出力する光源、９２、９３は測定対象物９８で反射した測定用光を集光する受光レンズ、９４、９５はＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成された光検出素子、９６、９７は測定対象物９８で反射した測定用光を各々受光レンズ９２、９３側に導光するための反射ミラーである。
受光レンズ９２に対向する位置に光検出素子９４が配設され、受光レンズ９３に対向する位置に光検出素子９５が配設されている。受光レンズ９２と光検出素子９４間の距離は所定の既知の距離に配設され、又、受光レンズ９３と光検出素子９５間の距離は所定の既知の距離に配設されている。また、受光レンズ９２、９３間の距離も所定の既知の距離に設定されている。ここで、受光レンズ９２と光検出素子９４は光検出手段を構成し又、受光レンズ９３と光検出素子９５は光検出手段を構成している。また、反射ミラー９６、９７は導光部材を構成している。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、前記光出力手段である光源９１の位置とは無関係な位置に配設される。
測定対象物９８で反射した測定用光は、反射ミラー９６によって反射して受光レンズ９２に導光され、受光レンズ９２を通った後、光検出素子９４によって検出される。また、測定対象物９８で反射した測定用光は、反射ミラー９７によって反射して受光レンズ９３に導光され、受光レンズ９３を通った後、光検出素子９５によって検出される。
反射ミラー９６、９７を使用しない場合、測定対象物９８で反射した測定用光を良好に検出するためには、受光レンズ９２、９３は各々破線で示した位置９２Ａ、９３Ａに距離を大きく離して配置しなければならず、又、各光検出素子９４、９５も各受光レンズに対応して配置する必要性があるため、相互に大きな距離を開けて配置する必要がある。したがって、光検出手段を配置するための空間が大きくなってしまい、光学式測定装置が大型化してしまう。しかしながら、本例のように、受光レンズ９２、９３と測定対象物９８間に、測定用光を導光するための反射ミラー９６、９７を配設することにより、小型化することが可能になる。
反射ミラー９６、９７を使用しない場合、測定対象物９８で反射した測定用光を良好に検出するためには、受光レンズ９２、９３は各々破線で示した位置９２Ａ、９３Ａに距離を大きく離して配置しなければならず、又、各光検出素子９４、９５も各受光レンズに対応して配置する必要性があるため、相互に大きな距離を開けて配置する必要がある。したがって、光検出手段を配置するための空間が大きくなってしまい、光学式測定装置が大型化してしまう。しかしながら、本例のように、受光レンズ９２、９３と測定対象物９８間に、測定用光を導光するための反射ミラー９６、９７を配設することにより、小型化することが可能になる。
図１１は、本発明の実施の形態に使用する受光部の他の例を示す正面図で、複数の光検出手段を配置する他の例を示している。
図１１（ａ）〜（ｊ）において、黒点（同図（ａ）では符号１００１、１００２によって示した構成要素）は受光レンズ、実線で描いた円（同図（ａ）では符号１００３、１００４によって示した構成要素）は、ＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成された光検出素子である。尚、受光レンズ及び該受光レンズに対向するように配設された光検出素子は光検出手段を構成している。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、光出力手段の位置とは無関係な位置に配設されて使用される。
図１１（ａ）〜（ｊ）において、黒点（同図（ａ）では符号１００１、１００２によって示した構成要素）は受光レンズ、実線で描いた円（同図（ａ）では符号１００３、１００４によって示した構成要素）は、ＣＭＯＳ光センサアレー等によって構成された光検出素子である。尚、受光レンズ及び該受光レンズに対向するように配設された光検出素子は光検出手段を構成している。前記各光検出手段は、相互の位置関係は既知の値に設定されるが、光出力手段の位置とは無関係な位置に配設されて使用される。
図１１（ａ）は、２つの光検出手段を並設した構成であり、図９に示した構成のものである。
同図（ｂ）は、図１０に示した構成のものを、反射ミラーを省略して、光検出手段のみを示したものである。
同図（ｃ）、（ｄ）は、３つの光検出手段を同一円周上に、所定間隔を置いて配設した構成である。
同図（ｅ）は、４つの光検出手段を同一円周上に等間隔で配設した構成である。
同図（ｂ）は、図１０に示した構成のものを、反射ミラーを省略して、光検出手段のみを示したものである。
同図（ｃ）、（ｄ）は、３つの光検出手段を同一円周上に、所定間隔を置いて配設した構成である。
同図（ｅ）は、４つの光検出手段を同一円周上に等間隔で配設した構成である。
同図（ｆ）は、４つの光検出手段を使用して、２つの同心円上に、各々２つ配設した構成である。
同図（ｇ）は、６つの光検出手段を同一円周上に等間隔で配設した構成である。
同図（ｈ）は、６つの光検出手段を使用して、外側の同心円上に等間隔に４つ配設し、内側の同心円上に２つ配設した構成である。
同図（ｉ）は、８つの光検出手段を同一円周上に等間隔で配設した構成である。
同図（ｊ）は、８つの光検出手段を使用して、外側の同心円上に等間隔に４つ配設し、内側の同心円上に等間隔に４つ配設した構成である。
同図（ｇ）は、６つの光検出手段を同一円周上に等間隔で配設した構成である。
同図（ｈ）は、６つの光検出手段を使用して、外側の同心円上に等間隔に４つ配設し、内側の同心円上に２つ配設した構成である。
同図（ｉ）は、８つの光検出手段を同一円周上に等間隔で配設した構成である。
同図（ｊ）は、８つの光検出手段を使用して、外側の同心円上に等間隔に４つ配設し、内側の同心円上に等間隔に４つ配設した構成である。
測定を行う場合には、少なくとも２つの光検出手段を使用すればよいため、同図（ａ）、（ｂ）以外の例のように、３つ以上の光検出手段を備えた受光部を使用する場合、測定対象物の形状や光学式測定装置が配置される位置等を考慮して、ＣＰＵ等によって構成した選択手段（図示せず）により、いずれか２つの光検出手段を選択して、該選択した光検出手段で検出した測定用光に基づいて、測定対象位置の座標等を測定するように構成すればよい。即ち、光検出手段を複数設けると共に、前記複数の光検出手段の中から所定数の光検出手段を選択する選択手段を設け、前記選択手段が選択した複数の光検出手段で検出した測定用光に基づいて、算出手段が、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出するように構成する。
以上述べたように、本実施の形態に係る光学式測定法によれば、光源から測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であるが前記光源とは無関係な任意の位置に配設された複数の光検出手段によって前記測定対象物の測定対象位置で反射した前記測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出するようにしている。
また、本実施の形態に係る光学式測定装置によれば、相互の位置関係は既知であるが光出力手段とは無関係な位置に配設された複数の光検出手段を用いて測定対象物からの測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴としている。
したがって、前記光源と複数の光検出手段との位置関係を任意に設定できるため、これらの位置関係による測定制約が生じず、多様な測定に対応することが可能になる。
また、ポリゴンミラー、ウエッジプリズム、コーンミラー等を用いて測定用光を偏向しているため、簡単な構成で測定用光を偏向することが可能になり又、小型化が可能になる。
尚、偏向手段として、印加される音響周波数に偏向角度が比例する音響光学偏向器を用いることも可能である。この場合、機械的な可動部分がないため、短時間で変更が可能であり又、小型化可能である。また、他の偏向手段として、ガルバノミラー装置も使用することが可能である。
また、ポリゴンミラー、ウエッジプリズム、コーンミラー等を用いて測定用光を偏向しているため、簡単な構成で測定用光を偏向することが可能になり又、小型化が可能になる。
尚、偏向手段として、印加される音響周波数に偏向角度が比例する音響光学偏向器を用いることも可能である。この場合、機械的な可動部分がないため、短時間で変更が可能であり又、小型化可能である。また、他の偏向手段として、ガルバノミラー装置も使用することが可能である。
自動車用トランスミッション等をはじめとして、種々の凹凸面や穴端部を有する測定対象物の３次元形状、所定位置から測定対象物までの距離、所定位置を基準とする測定対象物の座標等の各種測定を行う光学式測定方法や光学式測定装置に適用可能である。
１１、２１、４１、６１、８１、９１・・・光出力手段を構成する光源
１２、３１４、４１１、６９３、８６、９８・・・測定対象物
１３、１４、４６、４７、８２、８３、９２、９３、３１２ａ、３１２ｂ、１００１、１００２・・・光検出手段を構成する受光レンズ
１５、１６、４８、４９、８４、８５、９４、９５、３１３ａ、３１３ｂ、６９２、１００３、１００４・・・光検出手段を構成する光検出素子
２３、２４・・・結像
３１・・・光出力手段を構成する投光部
３２・・・レーザ駆動部
３３・・・レーザ偏向走査部
３４・・・半導体レーザ
３５・・・増幅部
３６・・・変換手段を構成する光変換部
３７・・・モータ
３８・・・偏向手段を構成するポリゴンミラー
３１０・・・受光部
３１１ａ、３１１ｂ・・・光検出手段を構成する受光器
３１６・・・算出手段及び制御手段を構成するＣＰＵ
３１９・・・増幅部
３１２、３２０、３１７・・・入出力インタフェース
３１５、４１０・・・算出手段及び制御手段を構成する制御部
３１６・・・中央処理装置
３２２・・・表示部
４２・・・光学式測定装置本体
４５・・・偏向手段を構成する偏向部
４３、４４・・・偏向手段を構成するウエッジプリズム
４１２・・・測定対象位置
４１３、４１４・・・測定用光
６２・・・偏向手段、変換手段、光出力手段を構成する偏向部
６３、６９１・・・貫通孔
６４、６５・・・レンズ
６６・・・変換手段、偏向手段を構成する凸筒コーンミラー
６７・・・反射部
６８・・・変換手段、偏向手段を構成する凹コーンミラー
６９１・・・空洞
６９５・・・円錐台形状の反射面
９６、９７・・・導光部材を構成する反射ミラー
１２、３１４、４１１、６９３、８６、９８・・・測定対象物
１３、１４、４６、４７、８２、８３、９２、９３、３１２ａ、３１２ｂ、１００１、１００２・・・光検出手段を構成する受光レンズ
１５、１６、４８、４９、８４、８５、９４、９５、３１３ａ、３１３ｂ、６９２、１００３、１００４・・・光検出手段を構成する光検出素子
２３、２４・・・結像
３１・・・光出力手段を構成する投光部
３２・・・レーザ駆動部
３３・・・レーザ偏向走査部
３４・・・半導体レーザ
３５・・・増幅部
３６・・・変換手段を構成する光変換部
３７・・・モータ
３８・・・偏向手段を構成するポリゴンミラー
３１０・・・受光部
３１１ａ、３１１ｂ・・・光検出手段を構成する受光器
３１６・・・算出手段及び制御手段を構成するＣＰＵ
３１９・・・増幅部
３１２、３２０、３１７・・・入出力インタフェース
３１５、４１０・・・算出手段及び制御手段を構成する制御部
３１６・・・中央処理装置
３２２・・・表示部
４２・・・光学式測定装置本体
４５・・・偏向手段を構成する偏向部
４３、４４・・・偏向手段を構成するウエッジプリズム
４１２・・・測定対象位置
４１３、４１４・・・測定用光
６２・・・偏向手段、変換手段、光出力手段を構成する偏向部
６３、６９１・・・貫通孔
６４、６５・・・レンズ
６６・・・変換手段、偏向手段を構成する凸筒コーンミラー
６７・・・反射部
６８・・・変換手段、偏向手段を構成する凹コーンミラー
６９１・・・空洞
６９５・・・円錐台形状の反射面
９６、９７・・・導光部材を構成する反射ミラー
Claims (17)
- 光出力手段から測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設された複数の光検出手段によって前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出し、前記複数の光検出手段が検出した前記測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出することを特徴とする光学式測定方法。
- 前記光出力手段は、断面が線状の測定用光を発生し、前記測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するようにして成ることを特徴とする請求項１記載の光学式測定方法。
- 前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を断面が線状の測定用光に変換し、前記断面が線状の測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射するようにして成ることを特徴とする請求項２記載の光学式測定方法。
- 前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を環状の測定用光に変換し、前記環状の測定用光の径を増大又は減少させて前記測定対象位置に照射することを特徴とする請求項１記載の光学式測定方法。
- 前記光出力手段は、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように及び／又は前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように、前記測定用光の光軸に沿って対向配設した１対のウエッジプリズムを動かすことにより、前記測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射することを特徴とする請求項１記載の光学式測定方法。
- 測定対象物の測定対象位置に測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設され、前記測定対象位置で反射した前記測定用光を検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
- 前記光出力手段は、断面が点状の測定用光を出力する点状光源と、前記点状光源から出力される測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射する偏向手段とを備えて成ることを特徴とする請求項６記載の光学式測定装置。
- 前記光出力手段は、断面が線状の測定用光を出力する線状光源と、前記線状光源から出力される線状の測定用光を偏向して前記測定対象位置に照射する偏向手段とを備えて成ることを特徴とする請求項６記載の光学式測定装置。
- 前記偏向手段は、前記線状光源から出力される線状の測定用光を、前記線状の測定用光の長さ方向と直行する方向に偏向して前記測定対象位置に照射することを特徴とする請求項８記載の光学式測定装置。
- 前記線状光源は、断面が点状の測定用光を出力する点状光源と、前記点状光源から出力される測定用光を、断面が線状の測定用光に変換する変換手段とを備えて成ることを特徴とする請求項８又は９記載の光学式測定装置。
- 前記変換手段は、前記断面が点状の測定用光を断面が線状の測定用光に変換する平凹円柱レンズを備えて成ることを特徴とする請求項１０記載の光学式測定装置。
- 前記偏向手段は、前記測定用光を所定方向に偏向するガルバノミラー装置、一方向に回転して前記測定用光を所定方向に偏向するポリゴンミラー装置、前記測定用光の光軸を中心として一体的に若しくは相対的に回転するように及び／又は前記測定用光の光軸に沿って相互間の距離を変えるように動くと共に、前記測定用光の光軸に沿って対向配設された１対のウエッジプリズム、又は、印加される音響周波数に測定用光の偏向角度が比例する音響光学偏向器であることを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか一に記載の光学式測定装置。
- 前記光出力手段は、点状光源から出力される断面が点状の測定用光を環状の測定用光に変換する変換手段と、前記変換手段からの環状の測定用光の径を増大又は減少させる偏向手段とを備えて成ることを特徴とする請求項６記載の光学式測定装置。
- 前記偏向手段は、前記点状光源からの測定用光を断面が面状の測定用光に変換する変換レンズと、前記変換レンズからの測定用光を環状の測定用光にして出力する凸筒コーンミラーと、前記凸筒コーンミラーと同軸に配設されると共に前記軸に沿って凸筒コーンミラーと相対的に移動可能に配設され、前記凸筒コーンミラーからの測定用光を前記測定対象物側に出力する凹コーンミラーとを有して成り、
前記凸筒コーンミラーと凹コーンミラーとの間の前記軸に沿う距離を変えることによって、前記測定対象物側に出力する環状の測定用光の径を変化させることを特徴とする請求項１３記載の光学式測定装置。 - 前記各光検出手段は、前記測定対象物からの測定用光を受光する受光レンズと、前記受光レンズに対向して設けられ、前記受光レンズを通過した測定用光を検出する光検出素子とを備えて成り、
前記光検出素子は、ＣＭＯＳ光センサアレー、ＣＣＤ又はＰＳＤによって構成されて成ることを特徴とする請求項６乃至１４のいずれか一に記載の光学式測定装置。 - 前記光検出手段は複数設けられると共に、前記複数の光検出手段の中から所定数の光検出手段を選択する選択手段を備えて成り、
前記算出手段は、前記選択手段が選択した複数の光検出手段で検出した測定用光に基づいて、所定位置を基準とする前記測定対象位置の座標、所定位置から前記測定対象位置までの距離、または、前記測定対象物の形状を算出することを特徴とする請求項６乃至１５のいずれか一に記載の光学式測定装置。 - 前記測定対象位置からの測定用光を前記光検出手段側に導光する導光部材を備えて成ることを特徴とする請求項６乃至１６のいずれか一に記載の光学式測定装置。
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