JP2017172980A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象の対象物の計測精度を向上させる。【解決手段】発光部における発光幅をＷ、第一レンズと発光部との光源距離をｄ、第一レンズの焦点距離をｆ１、第二レンズの焦点距離をｆ２、第一レンズの半径をＲ、開口部の内径をｒ、発光部から前記第一レンズに出射される光束における外縁の角度をθ１、とした場合に、ｄ＜（ｆ１＋ｆ２）×（ｆ１／ｆ２）と（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１≦ｄ≦（Ｒ−（Ｗ／２））×（ｆ１／ｒ）とを満足するように設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、計測装置に関する。

特許文献１には、発光素子からの照射光のうち記録紙で正反射した正反射光を受光する正反射光検出器と、同記録紙で拡散反射した拡散反射光を受光する拡散反射光検出器とを有する光学センサに関する技術が開示されている。この先行技術では、記録紙面に対する照射光の入射角が７５°以上で８５°以下の範囲内となるように構成されており、拡散反射光検出器は、記録紙面で拡散反射した反射光のうち、記録紙面法線に対する反射角度が０°よりも大きく、かつ、記録紙面法線に対する正反射光の反射角度よりも小さい拡散反射光を受光するように構成されている。

特許文献２には、発光素子と、受光部と、対象面での第１反射角の第１反射光を受光部に受光させる第１受光系と、対象面での第１反射角とは異なる第２反射角の第２反射光を受光部に受光させる第２受光系とを有する光学系に関する技術が開示されている。この先行技術では、対象面での反射光のうち第１受光系を介した光に関する受光部の第１受光領域は、当該反射光のうち第２受光系を介した光に関する受光部の第２受光領域とは離れていることを特徴としている。

特開２０１５-０８１８９２号公報 特開２０１５-１６１６３４号公報

本発明は、下記（１）式及び下記（２）の少なくとも一方を満足しない場合と比較し、計測精度を向上させることが目的である。

請求項１の発明は、計測対象の対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、前記発光部から発光されて透過する前記照射光の発散度合を変える第一レンズと、前記第一レンズを透過し出射された前記照射光を絞る開口部を有する絞部と、前記開口部を通過した前記照射光を前記対象物に向けて集光する第二レンズと、前記絞部と前記第二レンズとの間に配置され、前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記第二レンズを透過した反射光の少なくとも一部を受光する受光部と、前記受光部の受光結果を用いて前記対象物を計測する計測部と、を備え、前記発光部における発光幅をＷ、前記第一レンズと前記発光部との光源距離をｄ、前記第一レンズの焦点距離をｆ１、前記第二レンズの焦点距離をｆ２、前記第一レンズの半径をＲ、前記開口部の内径をｒ、前記発光部から前記第一レンズに出射される前記照射光における外縁の角度をθ１、とした場合に、
ｄ＜（ｆ１＋ｆ２）×（ｆ１／ｆ２）・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１≦ｄ≦（Ｒ−（Ｗ／２）×（ｆ１／ｒ）・・（２）
上記（１）式と上記（２）式とを満足するように設定された計測装置である。

請求項１に記載の発明によれば、上記（１）式及び上記（２）の少なくとも一方を満足しない場合と比較し、計測精度が向上する。

本発明の一実施形態に係る計測装置を示す概略構成図である。 図１の計測装置の反射光を示す概略構成図である。 図１の計測装置の受光部の受光素子の配置を示す平面図である。 図１の計測装置の制御部のブロック図である。 図１の計測装置の制御部及び受光部のブロック図である。 図１の計測装置を用いて計測対象の対象物を計測する計測工程を順番に示す工程図である。 （Ａ）は計測対象の対象物を示す側面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の対象物よりも凹凸度合が大きい対象物を示す側面図である。 （Ａ）は図７（Ａ）の対象物の計測結果を示すグラフであり（Ｂ）は図７（Ｂ）の対象物の計測結果を示すグラフである。 光源距離と集光点との関係を説明する説明図である。 光源距離と照射光の第一レンズへの入射との関係を説明する説明図である。 対象物と第二レンズと間隔と反射光の角度との関係を説明する説明図である。

＜実施形態＞
本発明の一実施形態に係る計測装置の一例を図１〜図１１に従って説明する。なお、図中に示す矢印Ｚは装置上下方向（本実施形態では鉛直方向）を示し、矢印Ｙは装置幅方向（本実施形態では水平方向）を示し、矢印ＸはＹ方向及びＺ方向と直交する装置奥行方向（本実施形態では水平方向）を示す。

（構成）
一実施形態に係る計測装置１０の構成について説明する。

図１に示す計測装置１０は、装置奥行方向（Ｘ方向）に移動する対象物ＯＢに光束（光線束）を照射して計測対象の対象物ＯＢの反射特性（例えば、光量分布の反射角度依存性）を計測する装置である。

より具体的には、計測装置１０は、−Ｘ方向に移動する対象物ＯＢの微細な計測場所毎にＺ軸方向から順次照射光（光束）を照射し、各照射光に対する反射光の反射角度分布（光量分布の反射角度依存性）を取得する。取得した反射角度分布を用い、対象物ＯＢの形状の変化や表面状態（シボ、エンボス、表面粗さ、表面欠陥、異物付着等）を計測する装置である。

計測装置１０は、発光素子１２を複数備えた発光部１４と、受光素子１６を複数備えた受光部１８（図３も参照）と、制御部２０と、を備えている。また、計測装置１０は、発光部１４と計測の対象物ＯＢとの間に配置され、発光素子１２から発光された照射光ＩＦを対象物ＯＢに導く光学系３０を備えている。

〔発光部〕
図１に示すように、発光部１４は、装置奥行方向に移動する対象物ＯＢが通過する計測領域Ｔに対して、装置上下方向の上方に配置されている。また、発光部１４は基板１４Ａに実装され、装置幅方向（Ｙ方向）に並ぶと共に装置上下方向の下方（−Ｚ方向）に光束を発光する複数の発光素子１２を備えている。このように、発光素子１２は、対象物ＯＢの移動方向（装置奥行方向（Ｘ方向）に交差（直交）する方向に並べられている。

なお、基板１４ＡのＹ軸方向の一端部（図中右端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ａと表記し、基板１４ＡのＹ軸方向他端部（図中左端）に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｂと表記し、基板１４Ａの中央に配置された発光素子１２を発光素子１２Ｃと表記している。

また、装置幅方向の一端部（図中右端）に配置される発光素子１２Ａから装置幅方向の他端部（図中左端）に配置される発光素子１２Ｂまで、時間差で各発光素子１２から対象物ＯＢに向けて光束が発光されるようになっている。

そして、対象物ＯＢが計測領域Ｔにおいて−Ｘ方向に移動する間に、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が複数回繰り返されるように構成されている。

なお、図１には、発光素子１２Ｃが発光した場合の照射光ＩＦの光束を、図２には、発光素子１２Ｃから出射された照射光ＩＦが対象物ＯＢの表面２００で反射された場合の反射光ＲＦの光束を示している。

〔光学系〕
図１に示される光学系３０は、発光部１４から対象物ＯＢに向かって、第一レンズ３２、第二レンズ３４、及び第一レンズ３２と第二レンズ３４との間に配置され照射光ＩＦの光束を絞る絞部４０が順番に配置された所謂両側テレセントリックレンズを構成している。

また、光学系３０は、発光部１４と対象物ＯＢとの間に配置され、発光素子１２から発光された照射光ＩＦを対象物ＯＢに導くと共に、対象物ＯＢで反射された反射光ＲＦ（図２参照）を受光部１８に導くように構成されている。

つまり、受光部１８は、図１、図２及び図６に示すように第二レンズ３４から出射された発光素子１２からの照射光ＩＦ（図１及び図６参照）が対象物ＯＢで反射し、再度、第二レンズ３４を透過した反射光ＲＦ（図２及び図６参照）の少なくとも一部を受光するように構成されている。

図１に示すように、第一レンズ３２の光軸Ｍと第二レンズ３４の光軸Ｍとは同軸とされ、第一レンズ３２及び第二レンズ３４の光軸Ｍが装置上下方向を向くように、第一レンズ３２及び第二レンズ３４が配置されている。また、前述した発光素子１２において、装置幅方向の中央に配置される発光素子１２Ｃは、この光軸Ｍ上に配置されている。

別の観点から説明すると、第一レンズ３２及び第二レンズ３４は、同じ光軸Ｍとされ、この光軸Ｍが、発光部１４の発光素子１２Ｃの中心、および後述する開口部４２の中心を通っている。

第一レンズ３２は、平面視で円形状の凸レンズとされ、第一レンズ３２の装置幅方向の寸法（図中Ｊ寸法）は、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの装置幅方向の寸法（図中Ｗ寸法）よりも長くなるように構成されている。これにより、各発光素子１２から発光される光束が第一レンズ３２を透過することで、第一レンズ３２は透過する光束の発散度合を変えて平行光として光束を第二レンズ３４に向けるようになっている。

第二レンズ３４は、平面視で円形状の凸レンズとされ、第二レンズ３４の装置幅方向の寸法（図中Ｇ寸法）は、第一レンズ３２の装置幅方向の寸法よりも長くされている。そして、第二レンズ３４は、第一レンズ３２から出射されて第二レンズ３４を透過する光束を対象物ＯＢに向けて集光するようになっている。

絞部４０は、第一レンズ３２と第二レンズ３４との間に配置されている。そして、この絞部４０には、第一レンズ３２を透過して第二レンズ３４に入射する光束を絞るための円形状の開口部４２が形成されている（図３も参照）。

より具体的には、絞部４０は、板面が装置上下方向を向いた板状とされ、絞部４０の開口部４２の外縁部は、第二レンズ３４側に屈曲して先細りとされ、外縁部の先端部が開口縁４２Ａとされている。また、開口部４２によって形成される円形状は、光軸Ｍを中心軸としている。そして、この開口部４２によって、発光素子１２から発光され第一レンズ３２を透過して第二レンズ３４に入射する光束が絞られる。

Ｚ軸方向（光軸Ｍ方向）において、この開口縁４２Ａと第一レンズ３２との距離Ｆ１は、第一レンズ３２の焦点距離ｆ１と等しく又は略等しくなるように構成されている。また、Ｚ軸方向（光軸Ｍ方向）において、開口縁４２Ａと第二レンズ３４との距離Ｆ２は、第二レンズ３４の焦点距離ｆ２と等しく又は略等しくなるように構成されている。

以上のように構成された本実施の形態に係る光学系３０は、順次発光された各発光素子１２からの光束を、発光素子１２の位置によらずに、細く絞られかつ光軸Ｍに平行な照射光ＩＦとして対象物ＯＢに照射する。換言すれば、各発光素子１２を順次発光させて走査することにより、細く絞られ互いに平行な略円形の光束が対象物ＯＢに順次照射される（図６参照）。

〔受光部〕
図１に示すように、受光部１８は、第一レンズ３２と第二レンズ３４との間における絞部４０の背面４０Ａ側（第二レンズ３４側、装置上下方向の下側）に配置され、基板１８Ａに実装された複数の受光素子１６を備えている。

図３に示すように、複数の受光素子１６は、絞部４０の開口部４２を除いて装置幅方向及び装置奥行方向に間隔をあけて配置されている。

図２に示されるように、受光素子１６は、第一レンズ３２と第二レンズ３４との間に配置され、対象物ＯＢで反射され、光学系３０の第二レンズ３４を透過した反射光ＲＦの少なくとも一部を受光する。

ここで、図１に示すように、受光素子１６が第一レンズ３２と第二レンズ３４との間に配置されるとは、図１に示されるように、外径が一方のレンズ（本実施形態では第一レンズ３２）よりも大きい他方のレンズ（本実施形態では第二レンズ３４）の外径端（表面Ｒｄ（ｒａｄｉｕｓ）と裏面Ｒｄの仮想接点）を通って装置上下方向に延びる線Ｐ（円筒面）に対して装置幅方向の光軸Ｍ側（内側）に受光素子１６が配置されていることをいう。なお、外径端を決める上で、表面Ｒｄ又は裏面Ｒｄにおいて、Ｒｄが複数存在する場合には、最も値が大きいＲｄを用いて、外径端を決める。

Ｚ軸方向（光軸Ｍ方向）において、各受光素子１６の受光面Ａと、開口縁４２Ａとは同じ又は略同じ高さ位置になるように構成されている。また、Ｚ軸方向（光軸Ｍ方向）において、各受光素子１６の受光面１６Ａと第二レンズ３４との距離（光路長さ：図中Ｆ２）は、第二レンズ３４の焦点距離ｆ２と等しく又は略等しくなるように構成されている。

また、開口部４２の位置には、受光素子１６が配置できない構成となっているので、受光部１８における図中左端に配置される受光素子１６と、図中右端に配置される受光素子１６と、のピッチが、他の受光素子１６同士のピッチに比して広くされている。換言すれば、受光部１８の中央部に配置すべき受光素子１６が欠落した状態となっている（図３も参照）。

〔制御部〕
図４に示すように、制御部２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１００、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）１０２、およびＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）１０４等を含んで構成されている。

ＣＰＵ１００は、計測装置１０の全体を統括、制御し、ＲＯＭ１０２は、計測装置１０の制御プログラム等を予め記憶する記憶手段であり、ＲＡＭ１０４は、制御プログラム等のプログラムの実行時のワークエリア等として用いられる記憶手段である。これらＣＰＵ１００、ＲＯＭ１０２、及びＲＡＭ１０４は、バスＢＵＳによって相互に接続されている。

また、バスＢＵＳには、発光部１４、受光部１８等を駆動するためのモータ５２が接続されており、発光部１４、受光部１８、及びモータ５２の各々は、バスＢＵＳを介してＣＰＵ１００の制御を受ける。

また、図５に示すように、制御部２０は、複数の受光素子１６の受光結果を受け取り、複数の受光素子１６の受光結果を用いて、対象物ＯＢの反射特性を計測する。

（計測方法）
次に、制御部２０による発光部１４及び受光部１８を制御して、計測対象である対象物ＯＢの表面２００の反射特性を計測する方法の一例について説明する。

図６（Ａ）〜図６（Ｃ）には、発光部１４の発光素子１２Ａ、１２Ｃ、１２Ｂが順次発光した場合の、照射光ＩＦの光束、及び、照射光ＩＦが対象物ＯＢの表面２００で反射し、受光部１８に導かれる反射光ＲＦの光束を各々示している。

まず、対象物ＯＢが−Ｘ方向に移動して、対象物ＯＢの先端が計測領域Ｔに進入すると、時間差を設けて各発光素子１２が順次発光し、対象物ＯＢに向けて照射光ＩＦが順次照射される。そして、対象物ＯＢの後端が計測領域Ｔを通り抜けるまで、発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの１周期の発光が繰り返される。先述したように、この発光素子１２の発光制御は、制御部２０によって実行される。

各発光素子１２で発光された照射光ＩＦの光束は、第一レンズ３２によって、第二レンズ３４の方向に向くようにその発散度合が変えられる。第一レンズ３２によって発散度合が変えられた光束は、絞部４０によって絞られる（制限される）。絞部４０によって絞られた光束は第二レンズ３４によって集光され、Ｚ軸方向（光軸Ｍに平行な方向）から対象物ＯＢに照射される。なお、対象物ＯＢの表面２００は、照射光ＩＦの第二レンズ３４による集光点Ｑの近傍を通過するように構成されている。

対象物ＯＢに照射された照射光ＩＦは、対象物ＯＢの表面２００で反射し、反射光ＲＦ（図６では、矢印付の一点破線で示されている）を生成する。反射光ＲＦの光束は、第二レンズ３４によって、各受光素子１６の方向に向かうように方向が変えられる。第二レンズ３４を透過した反射光ＲＦは、各受光素子１６によって受光される。

対象物ＯＢの表面２００の状態に応じ、照射光ＩＦは様々な方向に反射される。各受光素子１６で受光された受光信号は、制御部２０の制御によって、予め定められたタイミングで読み取られる。読み取られた受光信号はＲＡＭ１０４等の記憶手段に一時的に記憶されてもよい。制御部２０は、各発光素子１２に対応する受光信号（輝度信号）を用いて受光領域における出力分布（受光プロファイル）を生成する。

なお、図２に示されるように、対象物ＯＢの表面２００における装置幅方向の中央部で正反射される正反射光ＬＡ１は、第二レンズ３４を透過して絞部４０の開口部４２を通過するため、受光素子１６によって受光されない。換言すれば、中央部での正反射光ＬＡ１による受光結果が得られない。

ここで、一例として、対象物ＯＢの表面２００において、反射特性の一例としての凹凸度合の異なる２種の表面２００Ａ及び表面２００Ｂについての制御部２０の計測について説明する。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）に示されるように、表面２００Ａ（図７（Ａ））は、表面２００Ｂ（図７（Ｂ））よりも凹凸度合が小さい。

図８（Ａ）には、図７（Ａ）の表面２００Ａにおける装置幅方向の中央部Ｃの計測結果がグラフで示されている。また、図８（Ｂ）には、図７（Ｂ）の表面２００Ｂにおける装置幅方向の中央部Ｃの計測結果がグラフで示されている。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すグラフの横軸は、受光素子１６の番号が示されている。受光素子１６の番号については、各図に示す紙面左側から順番に１．２．３．４．５．６とされている。つまり、受光部１８に備えられた受光素子１６の順番が、１．２．３、４．５．６である。一方、図５（Ａ）（Ｂ）に示すグラフの縦軸は、各受光素子１６により受光される反射光束の光量の大きさとされている。

図８（Ａ）に示されるように、図７（Ａ）のように凹凸度合の小さい表面２００Ａについては、正反射光の光量（以下「正反射成分」）が、拡散反射光の光量（以下「拡散反射成分」）に対して多いため、傾斜が急な曲線となる。一方、図８（Ｂ）に示されるように、図７（Ｂ）のように凹凸度合の大きい表面２００Ｂについては、正反射成分と拡散反射成分との割合が、表面２００Ａと比して少なくなるため、傾斜がなだらかな曲線となる。このようにし、対象物ＯＢの表面２００の凹凸度合を計測することができる。

（光学系の要部）
つぎに、光学系３０の要部について図９及び図１０を用いて説明する。

発光部１４における発光素子１２の発光幅（発光素子１２Ａから発光素子１２Ｂまでの幅）をＷ、
第一レンズ３２と発光部１４の発光素子１２との光源距離をｄ、
第一レンズ３２の焦点距離をｆ１、
第二レンズ３４の焦点距離をｆ２、
第一レンズ３２の半径をＲ（＝Ｊ／２）、
絞部４０の開口部４２の開口縁４２Ａの半径をｒ、
発光部１４から第一レンズ３２に出射される照射光ＩＦにおける外縁ＩＦ１の角度（発光角度の最も外側の角度）をθ１、
としたときに、

ｄ＜（ｆ１＋ｆ２）×（ｆ１／ｆ２）・・・・・・・・・・・（１）
（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１≦ｄ≦（Ｒ−（Ｗ／２））×（ｆ１／ｒ）・・・（２）

上記（１）式と上記（２）式とを満足するように、光源距離ｄが設定されている。

＜作用＞
つぎに、本実施形態の作用について説明する。
なお、前述の式（１）及び式（２）、後述する図１０及び図１１は、第一レンズ３２及び第二レンズ３４は厚みが無いもの（厚みが０（ゼロ））として扱っている。

［（１）式について］
先ず前述の（１）式の条件について説明する。

図１１に示すように、対象物ＯＢを第二レンズ３４に近づけることで、第二レンズ３４に入射して透過する反射光ＲＦの反射角度αが拡大され、反射光ＲＦの光量が大きくなり、計測に用いる光量が大きくなり、計測精度が向上する。よって、反射角度αを拡大する観点からは、対象物ＯＢを第二レンズ３４にできるだけ近づけたい。

そして、対象物ＯＢを第二レンズ３４にできるだけ近づけるためには、照射光ＩＦが集光する集光点Ｑ（図１を参照）をできるだけ第二レンズ３４に近づける必要がある。照射光ＩＦが集光する集光点Ｑ（図１参照）をできるだけ第二レンズ３４に近づける方法の一つとして、第一レンズ３２と発光部１４の発光素子１２との間隔である光源距離ｄを大きくすることが挙げられる。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、光源距離ｄを大きくしていくと、照射光ＩＦの集光点Ｑが第二レンズ３４に近づく。

しかし、図９（Ｃ）に示すように、光源距離ｄを大きくし過ぎると、照射光ＩＦの集光点Ｑが対象物ＯＢに届かずに、第二レンズ３４又は第二レンズ３４よりも上側で集光し、対象物ＯＢの表面２００で拡散する。

そして、集光点Ｑが対象物ＯＢに届かなくなる条件は、第一レンズ３２の集光距離が「ｆ１−ｆ２」よりも小さくなるときである。

よって、レンズの公式である
１／Ｆ＝１／Ａ＋１／Ｂ
物面から主点までの距離：Ａ
主点から像面までの距離：Ｂ
焦点距離（主点と焦点の距離）：Ｆ

に、Ｆ＝ｆ１、Ａ＝ｄ、Ｂ＝ｆ１＋ｆ２を代入し計算すると、

１／ｆ1＝（1／ｄ）＋（１／（ｆ1＋ｆ２））
１／ｄ＝（１／ｆ１）−（１／(ｆ１+ｆ２））
１／ｄ＝ｆ２／(ｆ１+ｆ２)×ｆ１)
ｄ＝(ｆ１+ｆ２)×ｆ１)／ｆ２
となるので、
d＜(ｆ１＋ｆ２)×(ｆ１/ｆ２)・・・・（１）

と前述の（１）式となる。
つまり、照射光ＩＦの集光点Ｑが対象物ＯＢに届くとする観点から導かれる第一レンズ３２と発光部１４との光源距離ｄは、（１）式を満足すること（光源距離ｄを(ｆ１＋ｆ２)×(ｆ１/ｆ２)よりも小さくすること）が必要である。

［（２）式について］
次に前述の（２）式の条件について、図１０を用いて説明する。

前述したように、発光部１４の発光素子１２から第一レンズ３２に出射される照射光（光束）ＩＦにおける外縁ＩＦ１の角度をθ１とする。また、照射光（光束）ＩＦにおける発光角度の半値幅ＩＦ２に相当する角度をθ２とする（以降、「半値幅ＩＦ２」及び「半値幅ＩＦ２の角度θ２」と記す）。

そして、図１０（Ａ）に示すように、照射光ＩＦにおける外縁ＩＦ１が、第一レンズ３２の端部３２Ａを通るときの第一レンズ３２と発光部１４との光源距離ｄをｄ１とし、図１０（Ｂ）に示すように、照射光ＩＦにおける半値幅ＩＦ２が、第一レンズ３２の端部３２Ａを通るときの第一レンズ３２と発光部１４との光源距離ｄをｄ２とする。

図１０（Ａ）の光源距離ｄ１よりも小さいと、照射光ＩＦにおける外縁ＩＦ１が、第一レンズ３２の端部３２Ａよりも内側になり、第一レンズ３２における照射光ＩＦの外縁ＩＦ１の外側が使用されないので、第一レンズ３２を有効に使用できない。

図１０（Ｂ）の光源距離ｄ２よりも大きくなると、図１０（Ｃ）に示すように、発光素子１２から出射される照射光ＩＦは第一レンズ３２の端部３２Ａから外へ出ることになり、有効に利用されない。なお、半値幅ＩＦ２よりも外側の外縁ＩＦ１は、光量が小さいため、発光素子１２の出力バラツキと同程度に収まるので、第一レンズ３２の端部３２Ａから外へ出ても影響は小さい。

よって、
発光素子１２で発光される照射光ＩＦの光量を有効利用する観点から導かれる光源距離ｄは、
ｄ１≦ｄ≦ｄ２
となる。

ここで、前述のように、第一レンズ３２の半径はＲである。
よって、
ｄ１×ｔａｎθ１＝Ｒ
ｄ１＝Ｒ／ｔａｎθ１

となり、発光部１４の発光素子１２の発光幅Ｗを考慮すると、

ｄ１＝（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１
となる。

同様に、
ｄ２×ｔａｎθ２＝Ｒ
ｄ２＝Ｒ／ｔａｎθ２

となり、発光部１４の発光素子１２の発光幅Ｗを考慮すると、
ｄ２＝（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ２
となる。

ここで、一般的に、レンズの焦点距離をｆ、画角をθ、イメージサークルの半径をｙ、とすると、
ｙ＝ｆ×ｔａｎθ
の関係となる。

よって、θ２のときに絞部４０の開口部４２の開口縁４２Ａを通るとすると、
ｒ＝ｆ１×ｔａｎθ２
となり、

ｔａｎθ２＝ｒ／ｆ１
と表せる。

よって、
ｄ２＝（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ２
＝（Ｒ−（Ｗ／２））／（ｒ／ｆ１）
＝（Ｒ−（Ｗ／２））×（ｆ１／ｒ）
となる。

ここで、前述のように光源距離ｄは、
ｄ１≦ｄ≦ｄ２
であるので、上記式を代入すると、

（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１≦ｄ≦（Ｒ−（Ｗ／２））×（ｆ１／ｒ）・・（２）
となる。

そして、
ｄ＜（ｆ１＋ｆ２）×（ｆ１／ｆ２）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
（Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１≦ｄ≦（Ｒ−（Ｗ／２））×（ｆ１／ｒ）・・（２）
光源距離ｄを、上記（１）式及び上記（２）式の両方を満足するように設定することで、発光部１４の発光素子１２から出射された照射光ＩＦの光量を有効に計測対象の対象物０Ｂに照射することができるので、上記（１）式及び上記（２）式のいずれか一方を満足しない場合と比較し、計測精度が向上する。

なお、θ１は発光素子１２の特性から容易に得られ、ｆ１、ｆ２、Ｒ、及びｒはそれぞれ光学系３０の設計時に決定することができる。

また、上記、式（１）及び式（２）を満足する範囲内で、光源距離ｄをできるだけ大きく設定することで、対象物ＯＢを第二レンズ３４に近づけることが可能となり、この結果、反射角度αが拡大され、反射光ＲＦの光量が大きくなり、計測精度が向上する。

＜その他＞
尚、本発明は、上記実施形態に限定されない。

例えば、上記実施形態では、特に説明しなかったが、発光部１４（発光素子１２）としては、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：面発光レーザ）、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等を用いて複数の光束を順次発光させてもよく、液晶などのディスプレイによって順次発光させてもよい。

また、例えば、上記実施形態では、特に説明しなかったが、受光部１８（受光素子１６）としては、フォトダイオード（Ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ：ＰＤ）、電荷結合素子（Ｃｈａｒｇｅ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：ＣＣＤ）等が用いられる。

また、上記実施形態では、Ｚ軸方向（光軸Ｍ方向）において、この開口縁４２Ａと第一レンズ３２との距離Ｆ１は、第一レンズ３２の焦点距離ｆ１と等しく又は略等しくなるように構成されている。また、Ｚ軸方向（光軸Ｍ方向）において、開口縁４２Ａと第二レンズ３４との距離Ｆ２は、第二レンズ３４の焦点距離ｆ２と等しく又は略等しくなるように構成されている。しかし、距離Ｆ１は焦点距離ｆ１と異なっていてもよいし、距離Ｆ２は焦点距離ｆ１と異なっていてもよい。なお、ここでいう「略等しく」とは、組立誤差の範囲及びレンズの収差を考慮した位置最適化の範囲をいう。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、発光部１４（発光素子１２）から発光される光束を複数の波長として選択発光させることで、波長ごとの反射特性が計測可能となる。

また、上記実施形態では、一例として計測装置によって計測対象の対象物ＯＢの凹凸度合を計測したが、対象物ＯＢのシボ、エンボス、表面粗さ、表面欠陥、異物付着等を計測してもよい。

また、上記実施形態では、特に説明しなかったが、対象物ＯＢの表面が部分的に傾斜している際には、計測部位ごとに出力最大となる反射光を受光した受光素子１６を比較することで、傾斜角度を推定できる。

また、上記実施形態では、各光源から対象物ＯＢへ照射される光束の集光する高さを変えるため、装置上下方向において、発光部１４（発光素子１２）の位置を変えてもよい。さらには、一つの対象物ＯＢへ照射される光束の集光する高さを計測部位によって変える場合には、装置上下方向の異なる位置に発光部１４（発光素子１２）を複数配置してもよい。これは、対象物ＯＢが立体形状を有する場合に、計測部位に照射される光束のスポット径を最少にするために有効である。

更に計測装置の構成としては、上記実施形態の構成に限られず種々の構成とすることが可能である。更に、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。

１０ 計測装置
１４ 発光部
１８ 受光部
２０ 制御部（計測部の一例）
３２ 第一レンズ
３４ 第二レンズ
４０ 絞部
４２ 開口部
ＯＢ 対象物

Claims (1)

1. 計測対象の対象物へ照射する照射光を発光する発光部と、
   前記発光部から発光されて透過する前記照射光の発散度合を変える第一レンズと、
   前記第一レンズを透過し出射された前記照射光を絞る開口部を有する絞部と、
   前記開口部を通過した前記照射光を前記対象物に向けて集光する第二レンズと、
   前記絞部と前記第二レンズとの間に配置され、前記照射光が前記対象物に照射されて反射し前記第二レンズを透過した反射光の少なくとも一部を受光する受光部と、
   前記受光部の受光結果を用いて前記対象物を計測する計測部と、
   を備え、
   前記発光部における発光幅をＷ、
   前記第一レンズと前記発光部との光源距離をｄ、
   前記第一レンズの焦点距離をｆ１、
   前記第二レンズの焦点距離をｆ２、
   前記第一レンズの半径をＲ、
   前記開口部の内径をｒ、
   前記発光部から前記第一レンズに出射される前記照射光における外縁の角度をθ１、
   とした場合に、
   ｄ＜（ｆ１＋ｆ２）×（ｆ１／ｆ２）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（１）
   （Ｒ−（Ｗ／２））／ｔａｎθ１≦ｄ≦（Ｒ−（Ｗ／２））×（ｆ１／ｒ）・・（２）
   上記（１）式と上記（２）式とを満足するように設定された計測装置。

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