JP2008196930A - Optical measuring device - Google Patents
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Abstract
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測定する光学式測定装置に関する。 The present invention is an optical measuring device that irradiates a measurement object with the measurement light, detects the measurement light reflected by the measurement object, and measures the shape or the like of the measurement object based on the detected measurement light About.
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、測定対象物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までの距離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、特許文献1参照)。 Conventionally, the measurement light generated from a light source such as a semiconductor laser is irradiated onto the measurement object, and the measurement light reflected by the measurement object is detected, so that the three-dimensional shape of the measurement object or the predetermined position can be used. An optical measuring device that measures the distance to a measurement object has been developed (see, for example, Patent Document 1).
従来の光学式測定装置においては、光源からの測定用光を空間を介して測定対象に照射し、前記測定対象で反射した測定用光を空間を介して光検出素子によって検出するように構成しているため、前記光源及び光検出素子を含む測定部の形状が大きくなる。
したがって、深穴の内面形状等を測定しようとした場合、前記深穴内に前記測定部を挿入できず、測定できないという問題がある。
In the conventional optical measurement apparatus, the measurement light from the light source is irradiated to the measurement object through the space, and the measurement light reflected by the measurement object is detected by the light detection element through the space. Therefore, the shape of the measurement unit including the light source and the light detection element is increased.
Therefore, when measuring the inner surface shape of the deep hole, etc., there is a problem that the measurement part cannot be inserted into the deep hole and cannot be measured.
この問題を解決する方法として、測定用光を測定対象側に反射する反射ミラー等を設け、前記反射ミラーを前記深穴内に挿入して測定を行うように構成することが考えられるが、前記反射ミラーを駆動するモータや制御回路等が必要となるため構造が複雑になり、小型化が困難であるという問題がある。 As a method for solving this problem, it is conceivable to provide a reflection mirror or the like that reflects measurement light to the measurement target side, and to perform measurement by inserting the reflection mirror into the deep hole. Since a motor for driving the mirror, a control circuit, and the like are required, the structure is complicated and it is difficult to reduce the size.
本発明は、簡単な構成で、測定部を小型化可能な光学式測定装置を提供することを課題としている。 An object of the present invention is to provide an optical measuring device that can be downsized with a simple configuration.
本発明によれば、第1光ファイバ束を介して測定対象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、前記測定対象によって反射した前記測定用光を第2光ファイバ束を介して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、前記測定対象の長さに関する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。 According to the present invention, the light output means for irradiating the measurement light to the measurement object via the first optical fiber bundle and the mutual positional relationship are known and the light output means is arranged at a position unrelated to the position of the light output means. A plurality of light detection means that detect the measurement light reflected by the measurement object via a second optical fiber bundle, and the measurement object based on the measurement light detected by the plurality of light detection means There is provided an optical measuring device comprising a calculating means for calculating a characteristic relating to the length of the optical measuring device.
光出力手段は第1光ファイバ束を介して測定対象に測定用光を照射する。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は、前記測定対象によって反射した前記測定用光を第2光ファイバ束を介して検出する。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、前記測定対象の長さに関する特性を算出する。 The light output means irradiates the measuring object with measurement light via the first optical fiber bundle. A plurality of light detection means arranged at positions that are known to each other and are irrelevant to the position of the light output means, pass the measurement light reflected by the measurement object through the second optical fiber bundle. To detect. The calculation means calculates a characteristic related to the length of the measurement object based on the measurement light detected by the plurality of light detection means.
また、前記第1光ファイバ束、第2光ファイバ束は、各々、前記光出力手段側、前記光検出手段側が、前記測定対象側と同じ太さ、又は前記測定対象側よりも太く構成されて成るように構成してもよい。
また、前記第1光ファイバ束、第2光ファイバ束は、複数のテーパ状光ファイバを束ねて成るように構成してもよい。
The first optical fiber bundle and the second optical fiber bundle are configured such that the light output means side and the light detection means side are the same thickness as the measurement object side or thicker than the measurement object side, respectively. You may comprise so that it may become.
The first optical fiber bundle and the second optical fiber bundle may be configured by bundling a plurality of tapered optical fibers.
また、前記光出力手段は、前記測定用光を前記第1光ファイバ束側に出力する光源と、前記第1光ファイバ束を構成する各光ファイバに対して、前記光源からの測定用光を選択的に透過又は遮蔽するためにオン又はオフされる光スイッチ手段と、前記光スイッチ手段をオン又はオフに制御する制御手段と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、前記第2光ファイバ束を構成する各光ファイバに対応する光検出素子を備えて成るように構成してもよい。
The light output means outputs the measurement light from the light source to the light source that outputs the measurement light to the first optical fiber bundle side and each optical fiber that constitutes the first optical fiber bundle. You may comprise so that the optical switch means turned on or off in order to selectively permeate | transmit or shield, and the control means which controls the said optical switch means on or off may be comprised.
Further, the light detection means may be configured to include a light detection element corresponding to each optical fiber constituting the second optical fiber bundle.
また、前記複数の光検出手段を1つの検出手段によって兼用して成るように構成してもよい。
また、前記各光検出手段は、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。
Further, the plurality of light detection means may be combined with one detection means.
Each of the light detection means may be constituted by a CMOS photosensor array, a CCD, or a PSD.
本発明に係る光学式測定装置によれば、簡単な構成で、測定部を小型化することが可能になる。また、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。 According to the optical measurement device of the present invention, it is possible to reduce the size of the measurement unit with a simple configuration. In addition, measurement can be performed by setting the positional relationship between the light output means and the light detection means independently, so the degree of freedom of measurement is increased and it is possible to handle various measurements with a simple configuration. become.
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、本発明の第1の実施の形態に係る光学式測定装置の基本構成を示す斜視図である。
図1において、透光性の第1支持部材103の中央部には略正方形状に形成された光スイッチ部104が一体的に設けられており、又、光スイッチ部104を挟んで第1支持部材103の両側には第1光検出部105、第2光検出部106が一体的に設けられている。
Hereinafter, an optical measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure used by the following description, the same code | symbol is attached | subjected to the same part.
FIG. 1 is a perspective view showing a basic configuration of an optical measuring device according to a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, an
光スイッチ部104は、複数の光スイッチ素子をマトリクス状に(本実施の形態では、行及び列方向に各々256個(計256×256個))配設した構成となっている。前記各光スイッチ素子は、演算制御部120の制御により、入射光を透過する状態と遮蔽する状態のいずれかの状態になるように構成されている。
The
第1、第2光検出部105、106は、各々、光スイッチ部104の光スイッチ素子と同数の光検出素子をマトリクス状に(本実施の形態では行及び列方向に各々256個(256×256個))配設した構成となっている。第1、第2光検出部105、106として、例えば、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)型の光センサアレー(CMOS光センサアレー)、CCD(Charge Coupled Device:電荷結合素子)又はPSD(Position Sensitive Detector)等の各種の光検出素子が使用可能である。
Each of the first and second
第1支持部材103中央部の光スイッチ部104に対応する位置に第1光ファイバ束108の第1端部が一体的に接続され、第1支持部材103両端側の第1、第2光検出部105、106に対応する位置には各々第2光ファイバ束107、109の第1端部が一体的に接続されている。
The first end of the first
光スイッチ部104を構成する各光スイッチ素子は、第1光ファイバ束108を構成する各光ファイバの端部と対面するように配設されている。また、第1、第2光検出部105、106を構成する各光検出素子は、各々、第2光ファイバ束107、109を構成する各光ファイバの端部と対面するように配設されている。
第1光ファイバ束108は、光スイッチ104側が測定対象102側よりも太く構成されている。第2光ファイバ束107、109は、各々、第1、第2光検出部105、106側が測定対象102側よりも太く構成されている。
Each optical switch element constituting the
The first
図2は、光ファイバ束107〜109の構成を示す図である。図2(a)は光ファイバ束を構成する1本の光ファイバを示す図である。光ファイバ201は、その中心に光を導光する導光部202を有すると共に、前記導光部202の側面から光が漏れないよう遮光するために側面全体を均一の厚みで被覆する被覆部203を備えている。
導光部202はテーパ状に形成されており、その第1端部204の面積は第2端部205の面積よりも大きく(太く)形成されている。その結果、光ファイバ201自体がテーパ状に形成されている。第1端部204側から入射した測定用光は第2端部205側から出射し、第2端部205側から入射した測定用光は第1端部204側から出射する。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the
The light guide unit 202 is formed in a tapered shape, and the area of the
図2(b)は、複数の光ファイバ201を束ねて構成した光ファイバ束212の説明図であり、複数の光ファイバ201を、断面が略正方形状になるように(例えば、行及び列方向に各々256本(256×256本))束ねた光ファイバ束212の例を示している。
各光ファイバ201はテーパ状のため、これを束ねた光ファイバ束212もテーパ状に構成される。即ち、光ファイバ201の第1端部204側を束ねた第1束端部213の面積は、光ファイバ201の第2端部205側を束ねた第2束端部214の面積よりも大きく(太く)なるように構成されている。
FIG. 2B is an explanatory diagram of an optical fiber bundle 212 configured by bundling a plurality of
Since each
前記のように構成された光ファイバ束を使用して第1光ファイバ束108、第2光ファイバ束107、109を形成することにより、第1光ファイバ束108は光スイッチ104側が測定対象102側よりも太く構成され、又、第2光ファイバ束107、109は、各々、第1、第2光検出部105、106側が測定対象102側よりも太く構成されている。
By forming the first
尚、測定用光を導光すれば足りるような場合には、第1光ファイバ束108は光スイッチ104側が測定対象102側と同じ太さ、又、第2光ファイバ束107、109は、各々、第1、第2光検出部105、106側が測定対象102側と同じ太さに構成してもよい。
In the case where it is sufficient to guide the measurement light, the first
レーザ光を出力する光源130を、光軸200と直交する面210に図形211を描くように走査すると、光源130からのレーザ光は、光ファイバ束212の第2束端部214側から入射し、光ファイバ束212を構成する各光ファイバ201を通って、第1束端部213側から出射する。
When the
光ファイバ束212を構成する各光ファイバに対応する光検出素子(例えば、行及び列方向に各々256個(256×256個))を有する光検出部215を、光軸200と直交する面内であって光ファイバ束212の第1束端部側に配設しておくことにより、図形211に対応するレーザ光は、光検出部215によって図形211を拡大した図形216として検出されることになる。
In-plane orthogonal to the
したがって、小さな測定対象の形状測定や狭い溝内の形状等の場合でも、測定対象側に配設する光ファイバ束212の第2束端部214側を小さな形状に構成することにより、第1束端部204側では拡大された形状等の検出データを得ることが可能になり、サイズの大きい(換言すれば、光検出素子の密度が低い)光検出部215を用いて、狭くて深い穴や溝の内面形状等を容易に測定することが可能になる。
Therefore, even in the case of measuring the shape of a small measurement object or the shape in a narrow groove, the first bundle is formed by configuring the second bundle end 214 side of the optical fiber bundle 212 arranged on the measurement object side in a small shape. Detection data such as an enlarged shape can be obtained on the
再び図1において、光ファイバ束108の第2端部は透光性の支持部材113に一体的に形成されている。光ファイバ束107、109の各第2端部は透光性の支持部材111、112に一体的に形成されている。
支持部材113に対向する位置に凹レンズ115が配設されている。また、支持部材111、112に対向する位置に受光レンズである凸レンズ114、116が配設されている。
In FIG. 1 again, the second end of the
A
支持部材111〜113、凹レンズ115、凸レンズ114、116は、透光性の支持部材110に一体的に形成されている。これにより、支持部材103と支持部材110は光ファイバ束107〜109を介して一体的に形成されている。
光源130から出力された測定用光は光スイッチ部104に入射する。光スイッチ部104は演算制御部120によって、所定のスイッチ素子が測定用光を透過するように制御される。光スイッチ部104を通った測定用光は、光ファイバ束108、支持部材113及び凹レンズ115を介して測定対象102に出力される。
The support members 111 to 113, the
The measurement light output from the
例えば、演算制御部120によって、光スイッチ部104が水平方向直線状の光を透過するように、上方から下方に向かって順次制御された場合、測定対象102は水平方向直線状の測定用光117、118、119の順で走査されることになる。
第1、第2光検出部105、106は、各々、測定対象102で反射した測定用光を、対応する受光レンズ114、115及び光ファイバ束107、109を介して検出する。
For example, when the
The first and second
測定用光を出力する光源130は、受光レンズ114及び支持部材111(換言すれば光ファイバ束107の第2端部)や、受光レンズ116及び支持部材112(換言すれば光ファイバ束109の第2端部)とは、相互の位置関係が無関係に配設される。受光レンズ114、支持部材111(換言すれば光ファイバ束107の第2端部)、受光レンズ116及び支持部材112(換言すれば光ファイバ束109の第2端部)は、相互の位置関係が予め既知の所定の位置に配設されている。
The
ここで、光源130、光スイッチ部104及び演算制御部120は光出力手段を構成し、第1、第2光検出部は光検出手段を構成している。光スイッチ部104は光スイッチ手段を構成している。また、演算制御部120は制御手段及び算出手段を構成している。また、受光レンズ114、116、支持部材111、112は測定部を構成している。
尚、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所定位置に配設されると共に、前記光出力手段は前記各光検出手段の位置とは無関係な任意の位置に配設される。
Here, the
As described above, the positional relationship between the plurality of light detection means is arranged at a known predetermined position, and the light output means is arranged at an arbitrary position unrelated to the position of each light detection means. Established.
図3は、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の測定動作を説明するための図である。
図3において、光源130から測定用光を測定対象102に照射すると、測定対象102表面の照射位置(測定対象位置)では散乱光が発生して、その一部が受光レンズ114、116側に反射する。測定対象102で反射した前記測定用光は、各々、受光レンズ114、116を介して、受光レンズ114、116に対応して配設された透光性の支持部材111、112(換言すれば光ファイバ束107、109の第2端部)、光ファイバ束107、109を介して光検出部105、106によって検出される。
FIG. 3 is a diagram for explaining the measurement operation of the optical measurement apparatus according to the embodiment of the present invention.
In FIG. 3, when the measurement light is irradiated from the
以下、説明を簡略化するために、2次元平面(Y軸座標=一定)の測定例で説明するが、3次元についても同様にして測定値が得られる。尚、図3において、光ファイバ束107、109はテーパ状であるため、第1端部側の像は第2端部側の像よりも大きくなる。nは、第2端部側の像と第1端部側の像を比較した場合の倍率である。
先ず、光検出部105、106の検出値から、受光レンズ116、114に対応するX座標位置を基準とする検出点までの距離XLpi、XRpi(図3ではi=1)を得る。
Hereinafter, in order to simplify the description, a measurement example of a two-dimensional plane (Y-axis coordinates = constant) will be described, but measurement values can be obtained in the same manner for three dimensions. In FIG. 3, since the
First, distances XLpi and XRpi (i = 1 in FIG. 3) from the detection values of the
一方、予め設定する既知の値として、支持部材111(換言すれば光ファイバ束107の第2端部)と受光レンズ114間の距離をDz、支持部材112(換言すれば光ファイバ束109の第2端部)と受光レンズ116間の距離をDz、受光レンズ114と受光レンズ116間の距離をDxとする。
On the other hand, as a known value set in advance, the distance between the support member 111 (in other words, the second end of the optical fiber bundle 107) and the
測定対象102上の点P1のX及びZ座標P1(XL1,ZL1)は、次の2式によって求められる。
XL1=Dx・Xλ1
ZL1=Dx・Dz・Xμ1
但し、Xλ1、Xμ1は次式による。
Xλ1=XLp1/(XLp1−XRp1)
Xμ1=1/(XLp1−XRp1)
The X and Z coordinates P1 (XL1, ZL1) of the point P1 on the
XL1 = Dx · Xλ1
ZL1 = Dx · Dz · Xμ1
However, Xλ1 and Xμ1 are based on the following equations.
Xλ1 = XLp1 / (XLp1-XRp1)
Xμ1 = 1 / (XLp1-XRp1)
したがって、光検出部105、106によってnXLp1、nXRp1を測定し、これらの測定値nXLp1、nXRp1及び既知の値Dz、Dxを用いると共に前記各式を用いて、演算制御部120によって算出処理を行うことにより、受光レンズ114、116間の中心を原点Oとして、測定対象102上の測定対象位置の座標(XL1,ZL1)を算出することができる。
Therefore, nXLp1 and nXLRp1 are measured by the
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102までの距離も算出できる。また、光源130から出力する測定用光を用いて測定対象物102を走査しながら測定を行うことによって、測定対象102の複数の点を測定して、測定対象102の3次元形状を算出することが可能になる。
Further, by performing a geometric calculation process, the distance from a predetermined position (for example, the origin O) to the
このように、本実施の形態に係る光学式測定装置は、反射ミラー等を用いずにテーパ状の光ファイバ束を使用しているため、簡単な構成で、測定対象102側の測定部を小型化することが可能になり、深溝の内面形状等を容易に測定することが可能になる。
また、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、測定部の小型化が可能、複雑な形状の測定対象物の形状等の測定が可能等、測定対象102の長さに関する特性(例えば、測定対象102の3次元形状、所定位置から測定対象102までの距離、所定位置を基準とする測定対象102上の所定点の座標、所定形状と測定対象102間の形状誤差)を測定することが可能になる。
As described above, since the optical measurement apparatus according to the present embodiment uses a tapered optical fiber bundle without using a reflection mirror or the like, the measurement unit on the
In addition, since it is possible to perform measurement by setting the positional relationship between the light output means and the light detection means independently, the degree of freedom of measurement is increased, the size of the measurement unit can be reduced, and complex shapes can be measured. Characteristics relating to the length of the
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基本構成を示す斜視図である。
前記第1の実施の形態においては、複数の光検出部105、106を使用したが、本第2の実施の形態では、支持部材401に取り付けられた1つの光検出部402を用いて測定用光を検出するように構成している。光検出部402は、光検出部105、106と同様に複数(例えば、256×256個)の光検出素子をマトリクス状に配設した構成のものである。
FIG. 4 is a perspective view showing a basic configuration of an optical measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
In the first embodiment, a plurality of
以下、主として、本第2の実施の形態が前記第1の実施の形態と相違する部分について説明する。
図4において、光源130からの測定用光は、演算制御部120の制御の下に光スイッチ部104によって選択されパターンの測定用光が光ファイバ束108、支持部材113、凹レンズ115を介して測定対象102に照射される。
In the following, a description will be mainly given of portions where the second embodiment is different from the first embodiment.
In FIG. 4, the measurement light from the
測定対象102で反射した測定用光は、一方の経路では、受光レンズ114、支持部材111及び光ファイバ束107を介して光検出部402に入力され、他方の経路では、受光レンズ116、支持部材112及び光ファイバ束109を介して光検出部402に入力される。
光検出部402が前記2つの経路を介して検出した測定用光に基づいて、演算制御部120は、前記第1の実施の形態で説明したようにして、測定対象102の形状等、測定対象102の長さに関する特性を算出する。
The measurement light reflected by the
Based on the measurement light detected by the
尚、本第2の実施の形態では、前記2つの経路を介して光検出部402に入射する測定用光が、光検出部402の同一光検出素子に入射する場合には測定することができなくなるため、同一光検出素子に入射しないような測定用光のパターンによって測定対象102を走査する、あるいは、前記複数の経路を介して測定用光が光検出部402に入射するタイミングをずらす等すればよい。
In the second embodiment, measurement light that enters the
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、演算制御部120は測定対象102を走査するパターンで光スイッチ部104のオン、オフを制御し、光源130からの測定用光は光スイッチ部104、第1光ファイバ束108及び凹レンズ115を介して測定対象102に照射され、測定対象102で反射した測定用光は受光レンズ114及び第2光ファイバ束107を介して光検出部105によって検出されると共に、受光レンズ116及び第2光ファイバ束109を介して光検出部106によって検出され、演算制御部120は光検出部105、106によって検出した測定用光に基づいて測定対象102の3次元形状等の長さに関する特性をを算出するようにしている。
As described above, according to the optical measurement apparatus according to the embodiment of the present invention, the
したがって、簡単な構成で、測定対象102側に配置される測定部を小型化することが可能になる。また、前記第2の実施の形態によれば、光検出部は1個ですむため、構成が更に簡単になり廉価に構成することが可能になる。
Therefore, it is possible to reduce the size of the measurement unit arranged on the
自動車用トランスミッション等をはじめとして、深溝内面や深穴内面の3次元形状等、光測定部の小型化が必要な光学式測定装置に適用可能である。 The present invention can be applied to an optical measurement apparatus that requires downsizing of an optical measurement unit, such as an automobile transmission, and the like, such as a deep groove inner surface and a three-dimensional shape of an inner surface of a deep hole.
101・・・光学式測定装置
102・・・測定対象
103・・・第1支持部材
104・・・光スイッチ部
105・・・第1光検出部
106・・・第2光検出部
108・・・第1光ファイバ束
107、109・・・第2光ファイバ束
111〜113・・・支持部材
115・・・凹レンズ
114、116・・・受光レンズ
117〜119・・・測定用光
120・・・演算制御部
130・・・光源
200・・・光軸
201・・・光ファイバ
202・・・導光部
203・・・被覆部
204・・・第1端部
205・・・第2端部
210・・・面210
211、216・・・図形
212・・・光ファイバ束
213・・・第1束端部
214・・・第2束端部
215・・・光検出部
401・・・支持部材
402・・・光検出部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ...
211, 216, figure 212, optical fiber bundle 213, first bundle end 214, second bundle end 215,
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