JP2008046022A - 光学式測定方法及び光学式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間で測定対象の光学的測定を行えるようにすること。
【解決手段】 光源１０３からの微細な断面面状の測定用光は、レンズ１０４、１０５によって径が拡大された後、その外周部分が凸筒コーンミラー１０７の光反射面１０８によって凹コーンミラー１１０側に反射されると共に、その中心部分の基準測定用光１２２は貫通孔１０９を通って測定対象１２４に照射される。コーンミラー１１０から出力された環状測定用光１２３は、凹レンズ１１２、凸レンズ１１３、平凸リングレンズ１１４、平凹リングレンズ１１５、凸コーンミラー１１８、凹コーンミラー１１６を介して測定対象１２４に照射される。演算制御部２００は、凹コーンミラー１１６を光軸１０６に沿って移動制御して、測定対象１２４を径の異なる環状測定用光１２３により走査し、光検出部１０２によって検出した測定用光及び基準測定用光に基づいて、測定対象１２４の形状等を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定用光を測定対象に照射すると共に前記測定対象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、前記測定対象の形状等を算出することによって前記測定対象の光学的測定を行う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に照射し、測定対象で反射した前記測定用光を検出することによって、前記測定対象の３次元形状や所定位置から前記測定対象の測定対象位置までの距離等を算出することによって、前記測定対象の光学的測定を行う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３は、前記非特許文献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３において、３１は所定位置から測定対象ｍまでの距離や測定対象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）、３２は投光レンズ、３３は受光レンズ、３４は光検出素子としてのＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、３５は投光レンズ３２の光学軸（レンズの中心を通りレンズ面に直角な軸）、３６は受光レンズ３３の光学軸、ｍは測定対象である。尚、光検出素子としては、ＰＳＤ３４の代わりにＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）センサ、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ＰＳＤ３４を用いた例で説明する。

光源３１から出力された測定用光は、投光レンズ３２によって所定の指向性が付与され、測定対象ｍに照射される。測定対象ｍに到達した測定用光は、測定対象ｍで乱反射され、該反射した測定用光の一部が受光レンズ３３によってＰＳＤ３４上にスポット（点）として集光される。
これにより、測定対象ｍで反射された測定用光はＰＳＤ３４によって検出される。このとき、ＰＳＤ３４上の受光スポットは、受光レンズ３３と測定対象ｍとの距離に応じて、その位置が変化する。したがって、ＰＳＤ３４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ｍまでの距離を測定することが可能になる。

さらに図３を用いて説明すると、投光レンズ３２と受光レンズ３３の中心間距離（基線長）をＡ、受光レンズ３３の焦点距離をｆとし、投光レンズ３２から出力される測定用光の広がりやレンズ３２、３３の厚み・収差は無視し、受光レンズ３３から距離ｆの位置にＰＳＤ３４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３２から測定対象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

中心間距離Ａ及び受光レンズ３３の焦点距離ｆは既知の値であるため、ＰＳＤ３４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ｍまでの距離、測定対象ｍの形状、測定対象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ｍの形状等を測定することが可能である。
ところで、測定対象ｍの３次元形状等を測定する場合、光源３１から出力される測定用光を偏向することによって測定対象ｍを走査し、測定対象ｍの各走査点（測定対象位置）で反射した測定用光をＰＳＤ３４によって検出することにより、測定を行うように構成されている。

光源３１から出力される測定用光は径が微細な断面円形状の測定用光であり、したがって、測定対象ｍの測定面積が大きい場合、前記測定用光による測定対象ｍの走査に時間がかかるため、測定時間が長くなるという問題がある。
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、短時間で測定対象の光学的測定を行えるようにすることを課題としている。

本発明によれば、環状の測定用光によって測定対象を走査し、前記測定対象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、前記測定対象についての特性を測定することを特徴とする光学式測定方法が提供される。
環状の測定用光によって測定対象を走査し、前記測定対象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、形状等の前記測定対象についての長さに関する特性を測定する。

ここで、断面が面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変化させることによって前記測定対象を走査するように構成してもよい。
また、前記断面が面状の測定用光は前記断面が円形状であり、前記測定用光の外周部分から前記環状の測定用光を生成し、該環状の測定用光の径を変化させることによって前記測定対象を走査するように構成してもよい。
また、更に、測定の基準となる基準測定用光を前記測定対象に照射して、前記測定対象で反射した前記基準測定用光を検出し、前記検出した測定用光及び基準測定用光に基づいて前記測定対象についての長さに関する特性を測定するように構成してもよい。

また、本発明によれば、環状の測定用光を測定対象側に出力する光出力手段と、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出する光検出手段と、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象についての特性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、環状の測定用光を測定対象側に出力する。光検出手段は、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出する。算出手段は、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象についての長さに関する特性を算出する。

ここで、前記光出力手段は、断面が面状の測定用光を出力する面状光発生手段と、前記面状光発生手段が出力した面状の測定用光を環状の測定用光に変換して前記測定対象側に出力する環状光変換手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記断面が面状の測定用光は前記断面が円形状であり、前記環状光変換手段は、前記測定用光の外周部分から前記環状の測定用光を生成して前記測定対象側に出力する環状光出力手段とを備えて成るように構成してもよい。

また、前記環状光出力手段は、前記面状の測定用光の外周部分から前記環状の測定用光を生成して出力する凸筒コーンミラーを有して成るように構成してもよい。
また、前記光出力手段は、前記環状の測定用光の径を変化させることによって前記測定対象を走査する走査手段を備えて成るように構成してもよい。
また、前記走査手段は、前記凸筒コーンミラーの光軸と同軸に配設され、少なくとも一方が前記光軸に沿って前記凸筒コーンミラーに対して相対的に移動可能な凸コーンミラー及び凹コーンミラーと、前記凸コーンミラー及び凹コーンミラーの少なくとも一方を前記光軸に沿って移動制御することによって前記測定対象側に出力する環状の測定用光の径を変化させる制御手段とを備えて成るように構成してもよい。

また、更に、前記光出力手段は測定の基準となる基準測定用光を前記測定対象に照射すると共に、前記光検出手段は前記測定対象で反射した前記基準測定用光を検出し、前記算出手段は前記光検出手段によって検出した前記測定用光及び基準測定用光に基づいて、前記測定対象についての長さに関する特性を算出するように構成してもよい。
また、前記凸筒コーンミラーは、その光軸に沿って設けられた貫通孔を有して成り、前記基準測定用光は前記貫通孔を介して前記測定対象側に出力されるように構成してもよい。

本発明に係る光学式測定方法によれば、短時間で測定対象の光学的測定を行うことが可能である。
また、本発明に係る光学式測定装置によれば、短時間で測定対象の光学的測定を行うことが可能である。

図１は、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法に使用する光学式測定装置の基本構成を示す斜視図であり、内部構成が分かり易いように部分的に断面を示している。
図１において、光学式測定装置は、環状の測定用光を発生する光出力部１００、測定対象１２４で反射した前記測定用光を検出する光検出部１０２、光検出部１０２によって検出した測定用光に基づいて測定対象１２４についての長さに関する特性を算出すると共に、光出力部１００の可動部を制御することによって前記測定用光の径を変える演算制御部２００とを備えている。

ここで、測定対象１２４についての長さに関する特性とは、例えば、測定対象１２４の形状、所定位置を基準とする測定対象１２４の測定対象位置までの距離、所定位置を基準とする測定対象１２４のＸＹＺ座標値又は、測定対象１２４の加工誤差である。
また、光出力部１００は光出力手段を構成し、光検出部１０２は光検出手段を構成している。演算制御部２００は、測定対象１２４についての長さに関する特性を算出する算出手段、測定対象１２４側に出力する環状の測定用光の径を変化させる制御手段、及び、環状の測定用光の径を変化させることによって測定対象１２４を走査する走査手段を構成している。また、光出力部１００は環状光発生装置を構成している。

光出力部１００は、測定用光を発生する光源１０３、凹レンズ１０４、凸レンズ１０５、光軸１０６を中心とする円錐台形状の光反射面１０８を有すると共に光軸１０６に沿って貫通孔１０９を有する凸筒コーンミラー１０７、光軸１０６を中心とする円錐台形状の光反射面１１１を有する凹コーンミラー１１０、凹レンズ１１２、凸レンズ１１３、平凸リングレンズ１１４、平凹リングレンズ１１５、光軸１０６を中心とする円錐台形状の光反射面１１７を有する凹コーンミラー１１６、光軸１０６を中心とする円錐台形状の光反射面１１９を有する凸コーンミラー１１８を備えている。

光源１０３は、半導体レーザ等によって構成され、断面は微細ではあるが、断面が円形状で面状の光である断面面状光を光軸１０６に沿って出力する。光源１０３から出力される前記光は、所定波長を有し、測定対象の測定に使用する光（測定用光）である。
凹レンズ１０４は、光源１０３からの断面面状光の径を拡大して、断面の径が所定大きさの円形面状の測定用光である断面面状光を出力する。

凸レンズ１０５は、凹レンズ１０４が生成した前記断面が円形面状の断面面状光を、光軸１０６に平行で断面が円形面状の断面面状光に変換して出力する。
ここで、凹レンズ１０４及び凸レンズ１０５は断面面状光の径を変換する面状光変換手段を構成し、又、光源１０３、凹レンズ１０４及び凸レンズ１０５は断面が円形面状の断面面状光を生成する面状光発生手段を構成している。

凸筒コーンミラー１０７は、凸レンズ１０５からの測定用光のうち、中心部分の測定用光を貫通孔１０９を介して基準測定用光１２２として、光軸１０６に沿って測定対象１２４側に出力する。また、凸筒コーンミラー１０７は、凸レンズ１０５からの測定用光のうち、外周部分（円周部分）の測定用光を凹コーンミラー１１０側に反射する。これにより、凸筒コーンミラー１０７から凹コーンミラー１１０には、所定幅の環状部分によって環状に構成された測定用光（環状測定用光）が出力される。

凹コーンミラー１１０は、その光反射面１１１によって、凸筒コーンミラー１０７からの環状測定用光を光軸１０６に沿う方向に反射する。
凹レンズ１１２は、凹コーンミラー１１０からの環状測定用光の径を拡大して出力する。
凸レンズ１１３は、凹レンズ１１２からの環状測定用光の進行方向を、光軸１０６に平行な方向にして出力する。

平凸リングレンズ１１４は、凸レンズ１１３からの環状測定用光の環状部分の幅が狭くなるように集光して出力する。
平凹リングレンズ１１５は、平凸リングレンズ１１４からの環状測定用光の進行方向を光軸１０６に平行な方向にして出力する。

凹コーンミラー１１０、凹レンズ１１２、凸レンズ１１３、平凸リングレンズ１１４及び平凹リングレンズ１１５は、凸筒コーンミラー１０７が貫通する貫通孔を中心部に有するリング状のレンズであるが、視覚的に構成を把握しやすいように便宜的に、凹コーンミラー１１０、凹レンズ１１２、平凸リングレンズ１１４及び平凹リングレンズ１１５は、部分的に切り欠いた状態を示している。

光源１０３、凹レンズ１０４、凸レンズ１０５、凸筒コーンミラー１０７、凹コーンミラー１１０、凹レンズ１１２、凸レンズ１１３、平凸リングレンズ１１４及び平凹リングレンズ１１５は、一端側が密閉され他端側が開放された円筒状の収容部１０１内に光軸１０６に沿って同軸に配設され、固定されている。
凸コーンミラー１１８は、平凹リングレンズ１１５からの環状測定用光を、光反射面１１９によって凹コーンミラー１１６側に反射する。これにより、凸コーンミラー１１８から凹コーンミラー１１６へ出力される環状測定用光は、平凹リングレンズ１１５から凸コーンミラー１１８に入力された環状測定用光よりも径の大きなものに変換される。

凹コーンミラー１１６は、凸コーンミラー１１８からの環状測定用光を、光反射面１１７によって反射して、測定対象１２４側に出力する。
凸コーンミラー１１８及び凹コーンミラー１１６の少なくとも一方は、凸筒コーンミラー１０７に対して、光軸１０６に沿う方向（矢印Ａ、Ｂ方向）に移動可能なように構成されている。これにより、凸コーンミラー１１８及び凹コーンミラー１１６の一方を矢印Ａ、Ｂ方向に移動させることによって、凹コーンミラー１１６から出力される環状測定用光の径を変えることができる。

また、凸コーンミラー１１８及び凹コーンミラー１１６の双方を、矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に、相互に逆方向に移動させることによって、凹コーンミラー１１６から出力される環状測定用光の径を変えることができる。
ここで、凸筒コーンミラー１０７、凹コーンミラー１１０、凹レンズ１１２、凸レンズ１１３、平凸リングレンズ１１４、平凹リングレンズ１１５、凹コーンミラー１１６及び凸コーンミラー１１８は、面状の測定用光を環状の測定用光に変換して出力する環状光変換手段を構成している。また、凸筒コーンミラー１０７及び凹コーンミラー１１０は面状の測定用光の外周部分から環状の測定用光を生成して測定対象１２４側に出力する環状光出力手段を構成している。

光検出部１０２は、受光レンズ１２０及び光検出素子１２１を備えている。光検出素子１２１としては、例えば、ＰＳＤ、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳ型の光センサアレー（ＣＭＯＳ光センサアレー）が使用可能である。
演算制御部２００は、光検出部１０２によって検出した測定用光に基づいて測定対象１２４の形状等を算出すると共に、光出力部１００の可動部である凸コーンミラー１１８及び凹コーンミラー１１６の少なくとも一方を矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に移動させることによって、測定対象１２４に出力する環状測定用光の径を変え、これによって環状測定用光により測定対象１２４を走査するように制御する。

ここで、凹コーンミラー１１６、凸コーンミラー１１８及び演算制御部２００は走査手段を構成している。
また、前述したように演算制御部２００は、光検出部１０２によって検出した測定用光に基づいて測定対象１２４についての長さに関する特性を算出するが、前記長さに関する特性としては、例えば、測定対象１２４の形状、所定位置を基準とする測定対象１２４の測定対象位置までの距離、所定位置を基準とする測定対象位置１２４の直交座標（ＸＹＺ座標）値、測定対象１２４の加工誤差がある。
収容部１０１、光検出部１０２及び演算制御部２００は所定位置に配設されている。

図２は、本発明の実施の形態に係る光学式測定方法に使用する光学式測定装置の動作を説明するための説明図であり、光学式測定装置の各構成要素は、図１と同一部分には同一符号を付すと共に模式的に描いている。
尚、図２において、説明の便宜上、光検出部１０２の光検出素子１２１については符号１２１を付した図１と同様の側面図及び符号１２１Ａを付した正面図を示している。また、ＸＹＺ方向についても、光検出素子１２１の描写方向にあわせた方向に描いている。

図２において、Ｏは測定の基準点となる座標原点であり、光検出部１０２と光軸１０６との交点（具体的には受光レンズ１２０の中心と光軸１０６とのＹ方向交点）である。測定点Ｐ０（そのＸＹＺ座標は（Ｔ，０，０））は光軸１０６（換言すれば、基準測定用光１２２）が測定対象１２４に照射される点、測定点Ｐ（そのＸＹＺ座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ））は環状測定用光１２３が照射される測定対象１２４上の任意の測定対象点である。

Ｔは座標原点Ｏと測定対象１２４上の測定点Ｐ０との間のＸ方向距離、Ｄは光検出部１０２と光軸１０６間のＹ方向（垂直方向）の距離（具体的には受光レンズ１２０の中心と光軸１０６間のＹ方向距離）、ｔは受光レンズ１２０の中心と光検出素子１２１間のＸ方向（水平方向）の距離である。
ｄは基準測定用光１２２が測定点Ｐ０で反射して受光レンズ１２０を介して光検出素子１２１によって検出される検出点２０１と、受光レンズ１２０の中心に対応する光検出素子１２１上の点２０３との間のＹ方向距離である。

ｒは基準測定用光１２２が測定点Ｐ０で反射して受光レンズ１２０を介して光検出素子１２１によって検出される検出点２０１と環状測定用光１２３が測定点Ｐで反射して受光レンズ１２０を介して光検出素子１２１によって検出される検出点２０２との間のＹ方向距離である。
αは凹コーンミラー１１６から測定対象１２４に向けて出力された環状測定用光１２３と基準測定用光１２２との間の角度、βは測定点Ｐから光検出部１０２へ向かう測定用光（具体的には測定点Ｐから受光レンズ１２０の中心へ向かう測定用光）と水平方向（Ｘ方向）線との間の角度である。

ｈは凹コーンミラー１１６が測定対象１２４に向けて環状測定用光１２３を反射する点と座標原点Ｏとの間の距離である。即ち、距離ｈは座標原点Ｏを中心とする凹コーンミラー１１６上の環状測定用光の半径である。凹コーンミラー１１６を矢印ＡＢ方向に沿って移動制御することによって距離ｈを制御し、これにより、環状光１２３の径を変えることができる。
ｅは点２０３を通る垂直方向線と検出点２０２との間のＺ方向の距離である。
θは点２０３を通る水平方向線と、測定点Ｐ及び検出点２０２を通る線分との間の角度である。φは光軸１０６と、原点Ｏ及び測定点Ｐを通る線分との間の角度である。

尚、距離ｈは、演算制御部２００が環状光１２３の径を変えるために凹コーンミラー１１６所定位置から移動制御する距離であり、環状光１２３の径の制御に伴って変化させる操作量である。また、φは測定点を決める際に指定される角度であり、θもφが変わるにしたがって変化する角度である。即ち、距離Ｄ、距離ｔ及び角度αは予め所定の値に設定された既知の値であり、又、距離ｈ、角度φ、角度θは各測定点の測定時において既知となる値（操作量）である。

図２において、
Ｔ＝Ｄ・ｔ／ｄ
ｔａｎθ＝（ｒ−ｄ）／ｅ＝（１−Ｄ／Ｙ）・ｔａｎφ
ｔａｎβ＝（ｒ−ｄ）／ｔ
とすると、測定点ＰのＸＹＺ座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）は、３つの下記式によって表される。
Ｘ＝（Ｄ−ｈ・ｓｉｎφ）／（ｔａｎ（α・ｓｉｎφ）−（ｒ−ｄ）／ｔ）
Ｙ＝（Ｄ・ｔａｎ（α・ｓｉｎφ））−ｈ・ｓｉｎφ・（ｒ−ｄ）／ｔ）／（ｔａｎ（α・ｓｉｎφ）−（ｒ−ｄ）／ｔ）
Ｚ＝ｅ・（Ｙ−Ｄ）／（ｒ−ｄ）

演算制御部２００は、凹コーンミラー１１６をＡＢ方向に移動することによって距離ｈを設定して、環状測定用光１２３の直径を設定する。また、角度φを指定することによって測定点Ｐを指定する。
演算制御部２００は、予め設定された既知の値であるＤ、ｔ、α、測定時の操作量であり既知の値であるｈ、φ、θ、及び、測定値であるｅ、ｄ、ｒを用いて、前記３つの式に基づいて、前記指定した測定点Ｐの直交座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。

前記の如くして演算制御部２００は、測定対象１２４上の複数の点を測定することにより、測定対象１２４の形状、所定位置（例えば、座標原点Ｏ）を基準とする測定対象１２４の測定対象位置までの距離、所定位置を基準とする測定対象１２４のＸＹＺ座標値又は測定対象１２４の加工誤差等の測定対象１２４についての長さに関する特性を測定する。
以下、図１及び図２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詳説する。

光源１０３は径が微細な円形面状の測定用光を光軸１０６に沿って出力する。光源１０３からの測定用光は、凹レンズ１０４及び凸レンズ１０５によって径が拡大されて、より大きな径で断面が円形面状の測定用光に変換され、光軸１０６に沿う方向に出力される。
凸レンズ１０５から出力された断面円形面状の測定用光は、その中心部の測定用光が凸筒コーンミラー１０７の貫通孔１０９を通って、基準測定用光として、測定対象１２４側に出力される。

また、凸レンズ１０５から出力された断面面状の測定用光は、その外周部が凸筒コーンミラー１０７の光反射部１０８によって反射されることによって、所定幅の帯状光により構成された環状の測定用光に変換され、凹コーンミラー１１０側に出力される。凹コーンミラー１１０は、その光反射部１１１によって、凸筒コーンミラー１０７からの環状測定用光を光軸１０６と平行な方向に反射して出力する。

凹コーンミラー１１０から出力された環状の測定用光は、凹レンズ１１２によって径が拡大された後、凸レンズ１１３によって光軸１０６に平行な方向に出力される。このようにして、凹コーンミラー１１０から出力された環状の測定用光は、凹レンズ１１２及び凸レンズ１１３によって径が拡大される。また、前記測定用光は、環状部分の幅が凹レンズ１１２及び凸レンズ１１３によって広げられて幅広になる。ここで、凹レンズ１１２及び凸レンズ１１３は、環状測定用光の径を拡大する第１径拡大手段を構成している。

凸レンズ１１３から出力された環状測定用光は、平凸リングレンズ１１４によって、環状部分の幅が幅狭の環状測定用光に変換された後、平凹リングレンズ１１５によって光軸１０６と平行な方向に出力される。ここで、平凸リングレンズ１１４及び平凹リングレンズ１１５は、測定用光の環状部分の幅を狭くする幅狭手段を構成している。
平凹リングレンズ１１５から出力された幅狭の環状測定用光は、凸コーンミラー１１８の光反射部１１９によって凹コーンミラー１１６側に反射される。凸コーンミラー１１８から凹コーンミラー１１６へ出力される環状測定用光は、平凹リングレンズ１１５から凸コーンミラー１１８に出力された環状測定用光よりも径が大きくなる。

また、凸コーンミラー１１８で反射した前記環状測定用光は、凹コーンミラー１１６の光反射面１１７によって測定対象１２４側に反射される。測定対象１２４に出力される環状測定用光１２３は、凸コーンミラー１１８から出力された環状測定用光よりも径が大きくなる。ここで、凸コーンミラー１１８及び凹コーンミラー１１６は、環状測定用光の径を拡大する第２径拡大手段を構成している。
演算制御部２００は、距離ｈを認識しながら、凹コーンミラー１１６を矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に移動させることによって、測定対象１２４に出力する環状測定用光の径を変えるように制御する。これにより、測定対象１２４を環状測定用光２０１によって走査する。

以上のようにして、測定対象１２４に基準測定光１２２を照射すると共に、環状測定用光１２３の径を変えることによって測定対象１２４を捜査しながら、測定対象１２４で反射した基準測定用光１２２及び環状測定用光１２３を、受光レンズ１２０を介して光検出素子１２１によって検出する。光検出素子１２１は、測定対象１２４で反射した環状測定用光１２３に対応する環状測定用光を検出する。

演算制御部２００は、光検出素子１２１によって検出した測定用光（基準測定用光１２２及び環状測定用光）に基づいて、測定対象１２４についての長さに関する特性（例えば、測定対象１２４の形状、所定位置を基準とする測定対象１２４上の所定点の座標、所定位置から測定対象１２４上の所定点までの距離）を算出する。
このとき、演算制御部２００は、前記式に基づいて、所定の基準位置（本実施の形態では座標原点Ｏ）を基準とする測定点ＰのＸＹＺ座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。

環状測定用光１２３が照射された測定対象１２４上の環状の複数点の座標が、前記同様にして算出される。これにより、環状測定用光１２３が照射された測定対象１２４上の環状の複数の点の座標が短時間で測定される。
演算制御部２００は、光出力部１００の可動部である凸コーンミラー１１８を矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に移動させることによって、測定対象１２４に出力する環状測定用光１２３の径を変えて測定対象１２４を走査するように制御する。

演算制御部２００は、このようにして測定対象１２４を環状の測定用光１２３によって面状に走査しながら、光検出部１０２によって検出した測定用光に基づいて、前記式を用いて、複数の測定点のＸＹＺ座標を算出する。また、演算制御部２００は、光検出部１０２によって検出した測定用光に基づいて、測定対象１２４の形状等の長さに関する特性を算出して、測定対象１２４についての長さに関する特性の測定を行う。これにより、測定対象１２４についの長さに関する特性の測定が短時間で行われる。

以上述べたように、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置によれば、測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象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についての特性（例えば、前記測定対象についての長さに関する特性として、前記測定対象の形状、所定位置を基準とする前記測定対象上の点の座標、所定位置から前記測定対象上の点までの距離、前記測定対象の加工誤差がある。）を算出するようにした光学式測定装置において、環状の測定用光１２３を測定対象１２４側に出力する光出力部１００と、測定対象１２４で反射した前記環状の測定用光１２３を検出する光検出部１０２と、光検出部１０２によって検出した測定用光に基づいて測定対象１２４についての特性（例えば、前記長さに関する特性）を算出する演算制御部２００とを備えて成ることを特徴としており、環状の測定用光１２３を用いて測定対象１２４を走査して測定を行うため、短時間で測定対象１２４の形状等の長さに関する特性を光学的に測定することが可能になる。

また、本実施の形態に係る光学式測定方法によれば、環状の測定用光によって測定対象を走査し、前記測定対象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の光学的測定を行うようにしているので、短時間で測定対象１２４の形状等の長さに関する特性の測定を光学的に行うことが可能になるという効果を奏する。
また、本実施の形態によれば、前記光学式測定に好適な環状光発生装置が提供される。

尚、本実施の形態では、環状測定用光１２３は円形になるように構成したが、楕円形等の他の形状の環状測定用光に構成してもよい。
また、本実施の形態では、断面が面状の測定用光の周囲部分を取り出すことによって環状の測定用光１２３を生成したが、断面が面状の測定用光の任意の部分を環状に取り出すことによって環状の測定用光１２３を生成するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、凹コーンミラー１１６を矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に移動させることによって、測定対象１２４に出力する環状測定用光の径を変えるように制御したが、光出力部１００の可動部である凸コーンミラー１１８及び凹コーンミラー１１６の少なくとも一方を矢印Ａ又は矢印Ｂ方向に移動させることによって、測定対象１２４に出力する環状測定用光の径を変えるように制御するように構成することも可能である。

また、本実施の形態では、光源１０３と所定の位置関係を有する１つの光検出素子１２１を用いて測定を行ったが、光源１０３とは位置関係が無関係であると共に相互の位置関係が所定関係にある複数の光検出素子を用いて、幾何学的に測定対象１２４の形状等を算出することにより、光学的測定を行うようにしてもよい。この場合、基準測定用光を用いなくても測定対象の形状等の測定が可能になる。
また、光出力部１００を、測定対象に光を照射して前記測定対象の物理的あるいは化学的な特性を光学的に測定する光学式測定装置の光源として使用することも可能である。

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の３次元形状、所定位置から測定対象までの距離、所定位置を基準とする測定対象の座標等の各種光学的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。

本発明の実施の形態に係る光学式測定方法に使用する光学式測定装置の概略斜視図である。 本発明の実施の形態に係る光学式測定方法に使用する光学式測定装置の動作説明図である。 従来から用いられている三角測距方式の測定原理を示す図である。

符号の説明

１００・・・光出力手段を構成する光出力部
１０２・・・光検出手段を構成する光検出部
１０３・・・面状光発生手段を構成する光源
１０４・・・面状光変換手段及び面状光発生手段を構成する凹レンズ
１０５・・・面状光変換手段及び面状光発生手段を構成する凸レンズ
１０６・・・光軸
１０７・・・環状光変換手段及び環状光出力手段を構成する凸筒コーンミラー
１０８、１１１、１１７、１１９・・・光反射面
１０９・・・貫通孔
１１０・・・環状光変換手段及び環状光出力手段を構成する凹コーンミラー
１１２・・・環状光変換手段を構成する凹レンズ
１１３・・・環状光変換手段を構成する凸レンズ
１１４・・・環状光変換手段を構成する平凸リングレンズ
１１５・・・環状光変換手段を構成する平凹リングレンズ
１１６・・・環状光変換手段及び走査手段を構成する凹コーンミラー
１１８・・・環状光変換手段及び走査手段を構成する凸コーンミラー
１２０・・・受光レンズ
１２１・・・光検出素子
１２２・・・基準測定用光
１２３・・・環状測定用光
１２４・・・測定対象
２００・・・算出手段、制御手段及び走査手段を構成する演算制御部

Claims (12)

1. 環状の測定用光によって測定対象を走査し、前記測定対象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、前記測定対象についての特性を測定することを特徴とする光学式測定方法。
2. 断面が面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変化させることによって前記測定対象を走査することを特徴とする請求項１記載の光学式測定方法。
3. 前記断面が面状の測定用光は前記断面が円形状であり、前記測定用光の外周部分から前記環状の測定用光を生成し、該環状の測定用光の径を変化させることによって前記測定対象を走査することを特徴とする請求項２記載の光学式測定方法。
4. 更に、測定の基準となる基準測定用光を前記測定対象に照射して、前記測定対象で反射した前記基準測定用光を検出し、前記検出した測定用光及び基準測定用光に基づいて前記測定対象についての長さに関する特性を測定することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定方法。
5. 環状の測定用光を測定対象側に出力する光出力手段と、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出する光検出手段と、前記光検出手段によって検出した測定用光に基づいて、前記測定対象についての特性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。
6. 前記光出力手段は、断面が面状の測定用光を出力する面状光発生手段と、前記面状光発生手段が出力した面状の測定用光を環状の測定用光に変換して前記測定対象側に出力する環状光変換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。
7. 前記断面が面状の測定用光は前記断面が円形状であり、前記環状光変換手段は、前記測定用光の外周部分から前記環状の測定用光を生成して前記測定対象側に出力する環状光出力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。
8. 前記環状光出力手段は、前記面状の測定用光の外周部分から前記環状の測定用光を生成して出力する凸筒コーンミラーを有して成ることを特徴とする請求項７記載の光学式測定装置。
9. 前記光出力手段は、前記環状の測定用光の径を変化させることによって前記測定対象を走査する走査手段を備えて成ることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一に記載の光学式測定装置。
10. 前記走査手段は、前記凸筒コーンミラーの光軸と同軸に配設され、少なくとも一方が前記光軸に沿って前記凸筒コーンミラーに対して相対的に移動可能な凸コーンミラー及び凹コーンミラーと、前記凸コーンミラー及び凹コーンミラーの少なくとも一方を前記光軸に沿って移動制御することによって前記測定対象側に出力する環状の測定用光の径を変化させる制御手段とを備えて成ることを特徴とする請求項９記載の光学式測定装置。
11. 更に、前記光出力手段は測定の基準となる基準測定用光を前記測定対象に照射すると共に、前記光検出手段は前記測定対象で反射した前記基準測定用光を検出し、前記算出手段は前記光検出手段によって検出した前記測定用光及び基準測定用光に基づいて、前記測定対象についての長さに関する特性を算出することを特徴とする請求項５乃至１０のいずれか一に記載の光学式測定装置。
12. 前記凸筒コーンミラーは、その光軸に沿って設けられた貫通孔を有して成り、前記基準測定用光は前記貫通孔を介して前記測定対象側に出力されることを特徴とする請求項１１記載の光学式測定装置。

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