JP2009097986A - 光源装置及び光学式測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光エネルギを有効利用すること。
【解決手段】光源１０１からコーンミラー１０２に向けて光ビームが照射されると、前記光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３を含む円錐面１０４の反射部によって９０度方向に放射状に反射される。前記放射状光中の第１領域の光１０７は、対象物１１０に向けて直接出力される。対象物１１０には前記第１領域光によって光切断ラインが形成される。前記放射状光中の第２領域の光１０８は、第１反射ミラー１０５によって９０度方向に反射された後、第２反射ミラー１０６によって９０度方向に反射され、対象物１１０の他の部分に向けて出力される。対象物１１０の前記他の部分には第２領域光１０８によって光切断ラインが形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を出力する光源装置及び測定対象を光学的に測定する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測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象で反射した測定用光を検出し、該検出した測定用光に基づいて前記測定対象の形状や姿勢、所定位置を基準とする前記測定対象上の測定点までの距離や座標等を測定する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）。

特許文献１に記載された発明のように、光源がレーザ半導体等の場合には細い線状の平行光線等を利用して測定を行う用にしているが、測定に使用しない領域の光エネルギは無駄になるという問題がある。
一方、光学式測定装置には、測定を高速化することが要望される。

特開２００６−３４９３６２号公報

本発明は、光エネルギを有効利用できる光源装置を提供することを課題としている。
本発明は、光エネルギの有効利用が可能であると共に測定の高速化が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。

本発明によれば、光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射し、前記反射された光中の第１領域の光を外部へ出力するコーンミラーと、前記コーンミラーによって反射された光中の第２領域の光を偏向する第１反射ミラーと、前記第１反射ミラーからの光を偏向して外部へ出力する第２反射ミラーとを備えて成ることを特徴とする光源装置が提供される。
コーンミラーは、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって光源からの光を放射状に反射し、前記反射された光中の第１領域の光を外部へ出力する。第１反射ミラーは、前記コーンミラーによって反射された光中の第２領域の光を偏向する。第２反射ミラーは、前記第１反射ミラーからの光を偏向して外部へ出力する。

また、本発明によれば、光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、前記コーンミラーによって反射された光中の第１領域、第２領域の光を偏向する第１反射ミラー、第２反射ミラーと、前記第１反射ミラー、第２反射ミラーからの光を偏向して外部へ出力する第３反射ミラー、第４反射ミラーと備えて成ることを特徴とする光源装置が提供される。
コーンミラーは、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって光源からの光を放射状に反射する。第１反射ミラー、第２反射ミラーは、前記コーンミラーによって反射された光中の第１領域、第２領域の光を偏向する。第３反射ミラー、第４反射ミラーは、前記第１反射ミラー、第２反射ミラーからの光を偏向して外部へ出力する。

また、本発明によれば、光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、多角形の辺に沿って配設され前記コーンミラーによって反射された光を偏向して外部へ出力する複数の反射ミラーとを備えて成ることを特徴とする光源装置が提供される。
コーンミラーは、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって光源からの光を放射状に反射する。複数の反射ミラーは、多角形の辺に沿って配設され前記コーンミラーによって反射された光を偏向して外部へ出力する。

また、本発明によれば、光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、前記コーンミラーによって反射された光中の相互に異なる領域の光を偏向して外部へ出力する複数のハーフミラーとを備えて成ることを特徴とする光源装置が提供される。
コーンミラーは、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって光源からの光を放射状に反射する。複数のハーフミラーは、前記コーンミラーによって反射された光中の相互に異なる領域の光を偏向して外部へ出力する。

また、本発明によれば、光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、前記コーンミラーからの光を偏向して外部へ出力するハーフミラーと、前記光源及びコーンミラーと、前記ハーフミラーとを相対的に移動する移動部とを備えて成ることを特徴とする光源装置が提供される。
コーンミラーは、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって光源からの光を放射状に反射する。ハーフミラーは、前記コーンミラーからの光を偏向して外部へ出力する。移動部は、前記光源及びコーンミラーと、前記ハーフミラーとを相対的に移動する。

また、本発明によれば、前記いずれかに記載の光源装置と、測定対象によって反射した前記光源装置からの光を検出する検出部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。
検出部は、測定対象によって反射した前記光源装置からの光を検出する。

本発明に係る光源装置によれば、光エネルギを有効活用することができる。
また、本発明に係る光学式測定装置によれば、光エネルギの有効活用が可能であると共に測定の高速化が可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光源装置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では同一部に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源装置を示す図である。
図１において、光源装置は、光源１０１、コーンミラー１０２、第１反射ミラー１０５、第２反射ミラーを備えている。

光源１０１は、半導体レーザあるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子によって構成されている。
コーンミラー１０２は、その頂部１０３を含む円錐面１０４の所定領域（本実施の形態では円錐面全面）に光反射部が形成されている。コーンミラー１０２の頂部１０３の頂角は所定角度（本実施の形態では９０度）に形成されている。

光源１０１の光軸１００とコーンミラー１０２の中心軸１０９が一致するように配設されている。光源１０１からの光はコーンミラー１０２の頂部１０３に向けて照射されるが、光源１０１から出力される光の断面は小さな面状のビーム光であり、光源１０１からの光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３に照射される。
第１反射ミラー１０５と第２反射ミラー１０６の反射面が９０度になるように配設されている。第１反射ミラー１０５と第２反射ミラー１０６はミラー部を構成している。

以上のように構成された光源装置において、光源１０１からコーンミラー１０２に向けて光ビームが照射されると、前記光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３を含む円錐面１０４の反射部によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に放射状（薄い円板状）に反射される。
コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の第１領域の光１０７は、外部の対象物１１０に向けて直接出力される。対象物１１０には前記第１領域光によって、線状の照射光である光切断ラインが形成される。

一方、コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の第２領域の光１０８は、第１反射ミラー１０５によって所定方向（第２反射ミラー１０６方向）に反射される。第１反射ミラー１０５によって反射された第２領域光１０８は、第２反射ミラー１０６によって所定方向（本実施の形態では９０度）に偏向され、外部の対象物１１０の他の部分に向けて出力される。

対象物１１０の前記他の部分には前記第２領域光によって光切断ラインが形成される。
このように、通常使用される第１領域の光１０７とは異なる、通常は使用されない第２領域の光１０８を使用することができるため、光エネルギを有効利用することができる。また、反射ミラー１０５と反射ミラー１０６の相対的な角度を変えることによって種々の方向に光を出力することができる。

また、本光源装置を光学式測定装置の光源装置として用いる場合、第１、第２領域光１０７、１０８の両方を対象物（この場合は測定対象となる。）１１０に照射し、測定対象１１０によって反射した光１０７、１０８を検出部（図示せず）により検出し、前記検出部によって検出した光１０７、１０８に基づいて前記測定対象の形状や欠陥（例えば円筒の内径や内面の欠陥）等の測定を行う。

このようにして、光エネルギの有効利用を行うと共に、複数の出力光１０７、１０８を同時に使用して形状や欠陥等を測定することができるため、測定の高速化が可能になる。また、反射ミラー１０５と反射ミラー１０６の相対的な角度を変えることによって測定対象の種々の領域を照射して測定することが可能になる。

図２は、本発明の第２の実施の形態に係る光源装置を示す図である。
図２において、光源装置は、光源１０１、コーンミラー１０２、第１反射ミラー２０１、第２反射ミラー２０３、第３反射ミラー２０２、第４反射ミラー２０４を備えている。
光源１０１の光軸１００とコーンミラー１０２の中心軸１０９が一致するように配設されている。光源１０１からの光はコーンミラー１０２の頂部１０３に向けて照射されるが、光源１０１から出力される光の断面は小さな面状のビーム光であり、光源１０１からの光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３に照射される。

第１反射ミラー２０１と第３反射ミラー２０２の反射面は所定角度（本実施の形態では９０度）になるように配設されている。
第２反射ミラー２０３及び第４反射ミラー２０４は、光軸１００を中心として、第１反射ミラー２０１及び第３反射ミラー２０２と対称になるように配設されている。第２反射ミラー２０３と第４反射ミラー２０４の反射面は所定角度（本実施の形態では９０度）になるように配設されている。

以上のように構成された光源装置において、光源１０１からコーンミラー１０２に向けて光ビームが照射されると、前記光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３を含む円錐面１０４の反射部によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に放射状に反射される。

コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の第１領域光２０５は、第１反射ミラー２０１によって所定方向（第３反射ミラー２０２方向であり又、光軸１００と平行な方向）に反射される。第３反射ミラー２０２によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に反射された第１領域光２０５は、外部（例えば測定対象）へ向けて出力される。

一方、コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の第２領域光２０６は、第２反射ミラー２０３によって所定方向（第４反射ミラー２０４方向であり又、光軸１００と平行な方向）に反射される。第４反射ミラー２０４によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に反射された第２領域光２０６は、外部（例えば測定対象）へ向けて出力される。

このようにして、多くの領域の光２０５、２０６を利用することができるため、光エネルギを有効利用することができる。また、反射ミラー２０１と反射ミラー２０２、反射ミラー２０３と反射ミラー２０４の相対的な角度を変えることによって種々の方向に光を出力することができる。

また、本光源装置を光学式測定装置の光源装置として用いる場合、第１、第２領域光２０５、２０６の両方を図示しない対象物（この場合は測定対象となる。）に照射し、前記測定対象の両側から照射すると共に、前記測定対象によって反射した光２０５、２０６を検出部（図示せず）により検出し、前記検出部によって検出した光２０５、２０６に基づいて前記測定対象の外形寸法や特徴点の間隔（ピッチ）等を短時間で測定することが可能になる。また、反射ミラー２０１と反射ミラー２０２、反射ミラー２０３と反射ミラー２０４の相対的な角度を変えることによって、測定対象の種々の領域を照射して測定することができる。

図３は、本発明の第３の実施の形態に係る光源装置を示す斜視図で、同図（ａ）は光源装置の構成図、同図（ｂ）は光源装置から出力される光のパターンを示す平面図である。
図３（ａ）において、光源装置は、光源１０１、コーンミラー１０２、正方形の枠体３０１、枠体３０１の各辺に沿って配設された４つの反射ミラー３０２を備えている。

光源１０１の光軸１００とコーンミラー１０２の中心軸が一致するように配設されている。光源１０１からの光はコーンミラー１０２の頂部１０３に向けて照射されるが、光源１０１から出力される光の断面は小さな面状のビーム光であるため、光源１０１からの光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３に照射される。

枠体３０１の中心を光軸１００が通るように配設されている。したがって、正方形に配置された４つの反射ミラー３０２の中心が光軸に一致すると共に、４つの反射ミラー３０２を通る平面は光軸１００と直交している。４つの反射ミラー３０２は光軸１００と所定角度（本実施の形態では４５度）になるように光軸１００方向に傾斜した状態で枠体３０１に配設されている。

以上のように構成された光源装置において、光源１０１からコーンミラー１０２に向けて光ビームが照射されると、前記光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３を含む円錐面１０４の反射部によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に放射状に反射される。即ち、コーンミラー１０２によって反射した放射状光は、４つの反射ミラー３０２の中心を通る平面と平行に面状の光として進み、各反射ミラー３０２によって所定方向に反射され、外部へ出力される。

全反射ミラー３０２から出力される光を合成した光は、全反射ミラー３０２の配置形状を含む光パターンとなる。本実施の形態では、図３（ｂ）に示すように、合成した光の平面図は、全反射ミラー３０２の配置形状（本実施の形態では正方形）を含む井桁形状の光パターン３０３となる。
このようにして、多くの領域の光を利用することができるため、光エネルギを有効利用することができる。

また、各反射ミラー３０２の中心を通る平面に対して各反射ミラーの反射角度を変えることによって、出力される光のパターン（拡散又は収束）を変えることができる。
また、本光源装置を光学式測定装置の光源装置として利用することにより、前記正方形状の光、あるいは、井桁形状の光を用いて、測定対象の形状や欠陥等を高速に測定が可能になる。例えばロボットハンドリング誘導型のパターン認識用光源等に利用可能である。

また、本実施の形態では、複数の反射ミラーを正方形の辺に沿って正方形状に配置した例で説明したが、長方形状や３角形状等、３角形以上の多角形状に配置構成することが可能である。
尚、前記第１〜第３の実施の形態では光を反射して偏向するために反射ミラーを用いたが、ハーフミラーやプリズムミラーを用いてもよい。これによって、より多様な光の利用が可能になり、より高速な測定も可能になるという効果を奏する。

図４は、本発明の第４の実施の形態に係る光源装置及びこれを利用した光学式測定装置を示す図である。
図４において、光源装置は、光源１０１、コーンミラー１０２、複数のハーフミラー（本実施の形態では第１ハーフミラー４０１、第２ハーフミラー４０２）を備えている。また、光学式測定装置４００は、前記光源装置に加えて、検出部である複数のＣＣＤカメラ（第１ＣＣＤカメラ４０３、第２ＣＣＤカメラ４０４）を備えている。

光源１０１の光軸１００とコーンミラー１０２の中心軸１０９が一致するように配設されている。光源１０１からの光はコーンミラー１０２の頂部１０３に向けて照射されるが、光源１０１から出力される光の断面は小さな面状のビーム光であるため、光源１０１からの光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３に照射される。
ハーフミラー４０１、４０２は、コーンミラー１０２からの放射状光中の相互に異なる領域に対応するように配置されている。ＣＣＤカメラ４０３、４０４は、各々、ハーフミラー４０１、４０２に対応する位置に配設されている。

以上のように構成された光源装置及び光学式測定装置において、光源１０１からコーンミラー１０２に向けて光ビームが照射されると、前記光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３を含む円錐面１０４の反射部によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に放射状に反射される。

コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の第１領域光４０５は、第１ハーフミラー４０１によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に反射され、図示しない外部の測定対象方向に出力される。前記測定対象によって反射した光４０５はハーフミラー４０１を通り、光４０６として第１ＣＣＤカメラ４０３によって検出される。

一方、コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の第２領域光４０７は、第２ハーフミラー４０２によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に反射され、図示しない測定対象方向に出力される。前記測定対象の前記とは異なる領域によって反射した光４０７はハーフミラー４０２を通り、光４０８として第２ＣＣＤカメラ４０４によって検出される。

このようにして、多くの領域の光を利用することができるため、光エネルギを有効利用することができる。また、各ハーフミラー４０１、４０２の角度を変えることによって、種々の方向に光４０５、４０７を出力することができる。
また、ＣＣＤカメラ４０３、４０４によって検出した光に基づいて、前記測定対象の形状や欠陥等が求めることにより、同時に複数箇所の測定が可能になるため、測定対象の形状や欠陥等の高速測定が可能になる。また、各ハーフミラー４０１、４０２の角度を変えることによって、測定対象の種々の領域を測定することが可能になる。

図５及び図６は本発明の第５の実施の形態に係る光源装置及びこれを利用した光学式測定装置を示す図で、図５は正面図、図６は図５の一部を省略した側面図である。
図５及び図６において、光源装置は、光源１０１、コーンミラー１０２、ハーフミラー５０２、移動部５０１を備えている。また、光学式測定装置５００は、前記光源装置に加えて、検出部であるＣＣＤカメラ５０３を備えている。

光源１０１の光軸１００とコーンミラー１０２の中心軸１０９が一致するように配設されている。光源１０１からの光はコーンミラー１０２の頂部１０３に向けて照射されるが、光源１０１から出力される光の断面は小さな面状のビーム光であり、光源１０１からの光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３に照射される。

ハーフミラー５０２は、コーンミラー１０２からの放射状光中の一部領域の光５０４を所定方向（本実施の形態では９０度曲がる方向であり又、測定対象５０５方向）に反射するように配設されている。ＣＣＤカメラ５０３は、ハーフミラー５０２に対応する位置に配設されている。
光源１０１及びコーンミラー１０２は相互の位置関係が固定された状態で移動部５０１に搭載されており、移動部５０１によってハーフミラー５０２に対して相対的に所定方向（図５では紙面に垂直な方向Ｘ、図６では矢印方向Ｘ）に移動可能に配設されている。

移動部５０１は、例えば、スライダ機構によって平行移動するように構成でき、放射光の放射中心であるコーンミラー１０２の頂部１０３と、ＣＣＤカメラ５０３光軸との偏心量を可変することができる。これにより、測定対象５０５に対する光の入射角（斜め入射角度）を適宜選択することができる、即ち、欠陥検出に有効な斜め入射角度を適宜選択することが可能である。

以上のように構成された光源装置及び光学式測定装置において、光源１０１からコーンミラー１０２に向けて光ビームが照射されると、前記光はコーンミラー１０２の少なくとも頂部１０３を含む円錐面１０４の反射部によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に放射状に反射される。

コーンミラー１０２によって反射された光源１０１からの放射状光中の一部領域の光５０４は、ハーフミラー５０２によって所定方向（本実施の形態では９０度曲がった方向）に反射され、外部の測定対象５０５方向に出力される。測定対象５０５によって反射した光５０４はハーフミラー５０２を通ってＣＣＤカメラ５０３によって検出される。

ところで、測定対象５０５が凹部５０６を有する場合、凹部５０６の位置や形状によっては、ハーフミラー５０２からの光５０４が凹部５０６によってハーフミラー５０２方向に反射されて適切に検出できる場合や、その逆に、ＣＣＤカメラ５０３が検出した各凹部５０６に対応する画像を凹部６０１として図６に示すように、ハーフミラー５０２方向には全く反射されずに検出できない場合や、ハーフミラー５０２方向へは部分的にしか反射せずに形状等を部分的にしか検出できない場合等がある。

このように、光源１０１及びコーンミラー１０２を固定した状態では部分的にしか検出できない場合や全く検出できない場合でも、移動部５０１を移動させることによって、光源１０１及びコーンミラー１０２と、ハーフミラー５０２とを相対的に移動させることにより、測定対象５０５の凹部５０６等を全て良好に照射することができ、ＣＣＤカメラ５０３によって凹部５０６を良好に検出することが可能になる。

このようにして、コーンミラーから出力される放射状光５０４の多くを利用することができるため、光エネルギを有効利用することができる。
また、ＣＣＤカメラ５０３によって検出した光に基づいて、測定対象５０５の形状や欠陥等を広い範囲にわたって精度良く測定することができるため、測定対象の形状や欠陥等の高速測定が可能になる。

尚、本実施の形態では移動部５０１を測定対象５０５に対して平行移動するように構成したが、傾斜するように移動させる、あるいは、ハーフミラー５０２を回転させる等の変更が可能である。

コーンミラーを使用した各種光源装置や前記光源装置を使用した光学式測定装置に利用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光源装置を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る光源装置を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光源装置を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る光源装置及びこれを使用した光学式測定装置を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光源装置及びこれを使用した光学式測定装置の正面図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光源装置及びこれを使用した光学式測定装置の側面図である。

符号の説明

１０１・・・光源
１０２・・・コーンミラー
１０３・・・頂部
１０４・・・円錐面
１０５、１０６、２０１〜２０４、３０２・・・反射ミラー
１０９・・・中心軸
３０１・・・枠体
３０３・・・光パターン
４００、５００・・・光学式測定装置
４０１、４０２、５０２・・・ハーフミラー
４０３、４０４、５０３・・・ＣＣＤカメラ
５０１・・・移動部
５０５・・・測定対象
５０６、６０１・・・凹部

Claims (6)

1. 光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射し、前記反射された光中の第１領域の光を外部へ出力するコーンミラーと、前記コーンミラーによって反射された光中の第２領域の光を偏向する第１反射ミラーと、前記第１反射ミラーからの光を偏向して外部へ出力する第２反射ミラーとを備えて成ることを特徴とする光源装置。
2. 光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、前記コーンミラーによって反射された光中の第１領域、第２領域の光を偏向する第１反射ミラー、第２反射ミラーと、前記第１反射ミラー、第２反射ミラーからの光を偏向して外部へ出力する第３反射ミラー、第４反射ミラーと備えて成ることを特徴とする光源装置。
3. 光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、多角形の辺に沿って配設され前記コーンミラーによって反射された光を偏向して出力する複数の反射ミラーとを備えて成ることを特徴とする光源装置。
4. 光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、前記コーンミラーによって反射された光中の相互に異なる領域の光を偏向して出力する複数のハーフミラーとを備えて成ることを特徴とする光源装置。
5. 光源と、頂部を含む円錐面の所定領域に形成された反射部によって前記光源からの光を放射状に反射するコーンミラーと、前記コーンミラーからの光を偏向して出力するハーフミラーと、前記光源及びコーンミラーと、前記ハーフミラーとを相対的に移動する移動部とを備えて成ることを特徴とする光源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一に記載の光源装置と、測定対象によって反射した前記光源装置からの光を検出する検出部とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。

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