JP2668193B2 - 光学式測長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】複数の壁面間の距離を測定する出
願人の開発した光学式測長装置（例えば特願平５−１６
９３５５号）の改良に関するもので、特にアスペクト比
の大きな被測定物の壁面間の距離測定に秀れる測定方式
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】先ず、
本発明の基本となる出願人の開発した光学式測長装置
（特願平５−１６９３５５号参照）について説明する。

【０００３】図１に示すように被測定物４（以後ワーク
と云う）の一方に光源１とレチクル２と投影レンズ３と
で投影手段８を設けている。

【０００４】レチクル２は透明なガラスに不透明な部材
で、図２に示すように十字型の不透過パターンを設けて
あり、このレチクル２を透過した光によりワーク４の壁
面の測定点Ｐ１またはＰ２に投影像５が投影される。

【０００５】観察レンズ６とＣＣＤカメラ７よりなる観
察手段９が投影手段８の光軸Ｚ１−Ｚ２と同一の位置
で、かつワーク４を介して投影側と反対に設けられてい
る。

【０００６】観察手段９は前記の投影像５の鏡像をＣＣ
Ｄカメラ７で映像出力として（図示省略）の映像表示器
に与えている。

【０００７】この映像表示器の画像表示部20には、図３
に示すように光軸Ｚ１−Ｚ２に対応した位置に測定基準
となる標線21が設けられている。

【０００８】従って、ワーク４が設置されていない時に
は投影像５の中央を示す縦十字線ＰＡは光軸に沿って直
接観察されるので、先の標線21の位置に図３の如く見ら
れる。

【０００９】従って、ワーク４の壁面の測定点Ｐ１の測
定を行う時は、図４に示すように画像表示部20の標線21
に湾曲した縦鏡像10を一致させる様にワーク４を移動さ
せることにより光軸Ｚ１−Ｚ２に測定点Ｐ１を一致させ
ることができる。

【００１０】他の測定点Ｐ２の測定もワーク４を移動し
て（図示省略）同様に一致させる。このようにしてなる
ので、縦鏡像10と標線21により測定点Ｐ１並びにＰ２の
ワーク４の移動設定を行い、そのＰ１からＰ２へのワー
ク４の移動量をリニヤースケールなどで検出することで
測定点間の距離（Ｐ１からＰ２の距離）すなわちワーク
４の内径を測定している。

【００１１】説明の混乱を避けるために表示部20の標線
21を用いた目視による測定装置で説明したが、他の方法
としてＣＣＤカメラ出力よりの鏡像位置情報とワーク移
動量情報と光軸位置情報を画像処理回路で演算して内径
を測定することもできる。

【００１２】いずれにしても正確に鏡像を検出すること
が本装置においては測定精度を確保するために重要であ
る。

【００１３】また、この鏡像の検出はワーク４の形状に
依存する所があり、本発明はこの点に関し検討された。

【００１４】今図５に示すようにワーク４の厚さＬが薄
くしかも測定点Ｐ１，Ｐ２の間隔（直径Ｄ）が広いドー
ナツ状のリング４の内径を測定した時、アスペクト比
（Ｌ／Ｄ）が小さいので、観察出力として図６の如く明
確な映像が得られる。

【００１５】即ちレチクル２の十字線の縦の投影像５は
壁面で湾曲した暗黒の縦鏡像10として得られる。十字線
の横の線はワーク４の位置により水平な暗黒の横鏡像11
として得られる。一方観察手段９の観察点Ｐ１（Ｐ２）
より外れたワーク４の水平壁面のエッジの部分はピント
のぼけた像として先の縦鏡像10より離れた位置（図面で
は左側）に円弧を描いた暗黒なエッジ像13として観察さ
れる。この像は円弧の部分から外側（図では左側）に行
くほど暗黒になり、円弧の内側部分（図面ではエッジ像
13の右端）では不鮮明になる傾向がある。

【００１６】次に図７に示すように内径Ｄが小さく厚さ
Ｌの厚いパイプ状の筒を測定したときはアスペクト比
（Ｌ／Ｄ）が大きくなり、その結果縦鏡像10の解像度が
著しく低下し、検出した像の明暗のコントラストが低く
なる。一例として図６(ａ)における走査線(イイ')の検
出信号を図６(ｂ),図８(ｂ)に示す。 図６(ｂ)はアスペクト比が小さい場合の縦鏡像10の検出
信号15を示したものである。縦軸16はＣＣＤカメラ７の
検出電圧である。この場合には信号15の電圧が十分低い
ため鮮明に黒線が検出され、ワーク４の壁面の位置を求
めることが容易にできる。

【００１７】図８(ｂ)はアスペクト比が大きな場合の縦
鏡像10の検出信号15を示したものである。この場合には
信号15の電圧が低くならないため黒線が不鮮明であり、
ワーク４の壁面の位置を求めることができなくなってい
た。

【００１８】また、更にアスペクト比が大きくなると図
８(ａ)の如くエッジ像13の内側が不鮮明になり、このエ
ッジ像13と縦鏡像10との判別が困難となっていた。この
様に縦鏡像10とエッジ像13とが判別できない場合は測長
器においてはこの縦鏡像10の位置による距離判断を行う
ことが不可能となり、ワーク４の測定ができなくなって
いた。

【００１９】例えば、通常アスペクト比１０位の物しか
測定できない状態であったので、アスペクト比３０以上
の例えば光ファイバーコネクターの０.１φ孔などは測
定できなかった。

【００２０】本発明は、このような問題点のあることを
見い出し、このようにアスペクト比（Ｌ／Ｄ）が大きい
ワークであっても精度良く測定できるように改良したも
のである。

【００２１】

【課題を解決するための手段】添付図面を参照して本発
明の要旨を説明する。

【００２２】被測定物の複数の測定壁面Ｐ１，Ｐ２の距
離を測定する光学式測長装置において、被測定物４の一
方より被測定物４の壁面に所定の投影像５を与える投影
手段８を設け、前記投影像の鏡像を観察する観察手段９
を前記投影手段８とほぼ同一な光軸Ｚ１−Ｚ２上に被測
定物を介した他方に設けると共に、前記所定の投影像５
がスリット状の透過光を投影するスリット状パターン発
生手段８Ａで構成されていることを特徴とする光学式測
長装置に係るものである。

【００２３】また、前記所定の投影像５が微少な点状の
透過光を投影する孤立微少パターン発生手段５Ｂで構成
されていることを特徴とする請求項１記載の光学式測長
装置に係るものである。

【００２４】

【作用】例えば、図９に示すように、光源として帯域幅
を有する光源１（例えばランプ光源）で照明されたレチ
クル２を従来の地とパターンの透過度を逆に構成する。
即ち図１０の如く透明なガラス状部材に、所定のパター
ンＰＢは透明で地Ｊは不透明な部材で構成してスリット
状パターン発生手段８Ａを構成し、このスリット状パタ
ーン発生手段８Ａにより投影像５を投影している。

【００２５】従って、図１１に示すように観察手段９の
映像出力としては暗黒な地40の中に測定用の縦鏡像は明
るいパターン41として見られ、一方エッジ像13は前記同
様に暗黒に見られるので明確に縦鏡像のパターン41との
分離が容易にでき、アスペクト比（Ｌ／Ｄ）が１０以上
の測定が可能となる。

【００２６】アスペクト比が更に大きく（例えば４０以
上）なると解像度不足のため請求項１に記載したレチク
ル２上のスリット状パターンでも解像しにくくなる場合
がある。

【００２７】そこで、請求項２記載の発明では孤立ピン
ホールまたは孤立多角形ホール（孤立微少パターン発生
手段８Ａ）を使用してワーク４壁面に点状の鏡像を形成
する。この場合の鏡像は明るい点として検出されるが、
その像の強度分布はガウス分布となるので、この明るい
点を検出して、その中心位置を精密に求める手段を与え
ることによりワーク４の壁面の位置を求めることができ
る。

【００２８】

【実施例】請求項１記載の発明に係る第一実施例につい
て説明する。

【００２９】本実施例での投影手段８は、帯域幅を有す
る光源１と第一集光レンズ20と絞り31と第二集光レンズ
33とよりなる集光手段51と、図１０の如く透明なガラス
状部材に所定のパターンＰＢは透明で、地Ｊは不透明な
部材でレチクル２を構成してなるスリット状パターン発
生手段８Ａと投影レンズ３とにより構成し、観察手段９
は観察レンズ６とＣＣＤカメラ７より構成し、測定光軸
Ｚ１，Ｚ２に投影手段８と観察手段９の互いの光軸を一
致せしめる如く対向して配置すると共に、投影手段８の
投影像５の結像点と観察手段９の焦点の位置を一致せし
める如く構成し、ワーク４の壁面の測定点Ｐ１或いはＰ
２を前記光軸Ｚ１，Ｚ２の近傍で前記投影手段８の結像
点に設ける如くして構成する。

【００３０】この様にしてなるので投影手段８は集光手
段51で光源１の拡散は第一集光レンズ20で集められ絞り
31を介して第二の集光レンズ33にてスリット状パターン
発生手段８Ａに与えられ、前記発生手段８Ａの映像は投
影レンズ３でワーク４の壁面の測定点Ｐ１にスリット投
影像５として投影される。

【００３１】ワーク４の壁面に投影されたスリット投影
像５は鏡像として観察手段９にて観察される。

【００３２】観察手段９のＣＣＤカメラ７の映像出力は
図１１の如く暗黒な地40中に測定用のパターンの縦鏡像
41は明るいパターンとして見られる。

【００３３】この様に構成されているので地Ｊ（縦鏡像
41以外の部分）は不透明な部材により遮光されているた
めにワーク壁面での反射や投影又は観察光学系の内面反
射などが無いので光源の輝度を上げても検出出力の変化
が少なく黒色に見られる。更に地の部分の明るさでＣＣ
Ｄカメラや人間の眼が飽和したり縦鏡像をマスキングし
たりする欠点がない。

【００３４】従って、アスペクト比（Ｌ／Ｄ）が大きく
鏡像の検出出力が低い場合は光源の輝度を上げることに
より透明な明るい縦鏡像41の出力をＳ／Ｎ比の劣化少な
く増加させることができ、壁面位置の測定が可能とな
る。

【００３５】一方エッジ像13は従来同様に暗黒に見られ
るので、縦鏡像41との分離も容易となり小径の深い穴
（アスペクト比の大きなワーク４の内径）の測定が可能
となる。

【００３６】次に請求項２記載の発明に係る第二実施例
について説明する。

【００３７】本実施例の構成を示す図1２は図９におけ
るスリット状パターン発生手段８Ａを孤立微少パターン
発生手段８Ｂに置き換えたものである。

【００３８】前記孤立微少パターン発生手段８Ｂは、図
１３の如くガラス状部材にピンホール61又は多角形ホー
ル62を透明に設け、他は不透明な部材で地Ｊを構成す
る。

【００３９】この孤立ピンホール61または孤立多角形ホ
ール62からなる孤立微少パターン発生手段８Ｂにより、
図１４に示すように孤立微少パターン63（ピンホール状
の投影像５）を発生させる。 この孤立微少パターン61をワーク４壁面に投影し、観察
手段９で観察したときのＣＣＤカメラ７の画面と走査線
(ＫＫ')の電気信号の出力を(１)〜(３)の場合に分けて
図１５(ａ),(ｂ)に示す。

【００４０】図１５(１)は投影像５と鏡像63が離れてい
る場合で、(１)の場合の図１５(ｂ)は投影像５と鏡像63
に対応する信号が２ケ検出されている。

【００４１】(２)の場合はワーク４が移動した時であ
り、投影像５と鏡像63が接している。 (３)の場合はワーク４が更に右に移動し投影手段８と観
察手段９の光軸Ｚ１−Ｚ２にワーク壁面が一致した位置
に移動したときの状態を示し、この時の投影像５と鏡像
63が一致して見られる。この時は投影像５の光は弱く鏡
像63の光が強くなるので鏡像63の電気信号44を検出し
て、これの中央位置45を求めれば、ワーク４壁面の位置
を求めたことになる。

【００４２】前記の第一実施例よりも孤立微少パターン
発生手段８Ｂによる投影像５の鏡像63は不透明（黒色）
部分が多くなるので不要な内面反射はより少なくなりＳ
／Ｎの良い検出出力が更に得られる様になる。またこの
孤立微少パターン63の検出信号はガウス分布になること
が一般的に知られているので、ここではこの検出信号で
ある電気信号44をガウス分布としてその中央位置45を画
像処理回路でも求めることができる。

【００４３】このようにアスペクト比が大きい小穴の場
合に鮮明な画像が得られ、その中央位置を求めることが
容易になるので、ワーク壁面間の距離を極めて正確に求
めることができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明を上述のように構成したから、次
のような効果が得られる。

【００４５】パターンの測定で必要な部分は透過光の明
るい像として得られ、他の不必要な地の部分は遮断光の
暗い黒色の像として構成されるので、アスペクト比の大
きな穴を測定する時に起きる検出像の明るさ不足による
Ｓ／Ｎの劣化は、本発明では光源の出力を上げることで
（地の部分よりの光での内面反射などや飽和やマスキン
グなしに）検出像の測定に必要な部分のＳ／Ｎを良くす
ることができる。

【００４６】アスペクト比が増大すると、ワークのエッ
ジ像が不鮮明となり測定に必要な部分（縦鏡像）との分
離が困難になるが、本発明では、エッジ像は黒色で測定
に必要な部分は明るい像として得られるので容易にその
分離が可能となる。

【００４７】また、孤立微少パターン発生手段による構
成では、前記効果を増加させ明確な検出像がアスペクト
比の大きなものでも得られる。更にガウス分布により測
定位置の検出が可能となる。

【００４８】このように本発明はアスペクト比（Ｌ／
Ｄ）が極めて大きく取れるので従来不可能としていた深
い小径穴でも任意の深さでの内径が高精度で測定できる
様になった。

【００４９】よって小径のパイプ状の穴は従来はその端
面（エッジ）の形状しか測定できなかったが、本発明に
よれば穴の内径を３次元に測定することが可能となっ
た。

【００５０】また、例えば従来不可能とされていた光フ
ァイバーのフェルールなどのファイバー穴（０.１φ）
の内径を３次元に精度良く測定することができるように
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の基本となる従来例の概略構成図であ
る。

【図２】本実施例の基本となる従来例のレチクルの説明
図である。

【図３】本実施例の基本となる従来例のワークが設置さ
れていない投影像の直接観察像を示す説明図である。

【図４】本実施例の基本となる従来例の測定時の観察像
を示す説明図である。

【図５】本実施例の基本となる従来例のアスペクト比の
小さいワークを示す説明図である。

【図６】図５に示すワークの測定時の観察像を示す説明
図である。

【図７】本実施例の基本となる従来例のアスペクトと比
の大きいワークを示す説明図である。

【図８】図７に示すワークの測定時の観察像を示す説明
図である。

【図９】第一実施例の概略構成図である。

【図１０】第一実施例のレチクルの説明図である。

【図１１】第一実施例の測定時の観察像を示す説明図で
ある。

【図１２】第二実施例の概略構成図である。

【図１３】第二実施例のレチクルの説明図である。

【図１４】第二実施例の測定時の観察像を示す説明図で
ある。

【図１５】第二実施例のワークを移動させてワーク壁面
位置を求める測定手順を示す観察像の説明図である。

【符号の説明】

Ｐ１，Ｐ２ 測定壁面 Ｚ１−Ｚ２ 光軸 ４ 被測定物 ５ 投影像 ５Ｂ 孤立微少パターン発生手段 ８ 投影手段 ８Ａ スリット状パターン発生手段 ９ 観察手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−12526（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−27507（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物の複数の測定壁面の距離を測定
   する光学式測長装置において、被測定物の一方より被測
   定物の壁面に所定の投影像を与える投影手段を設け、前
   記投影像の鏡像を観察する観察手段を前記投影手段とほ
   ぼ同一な光軸上に被測定物を介した他方に設けると共
   に、前記所定の投影像がスリット状の透過光を投影する
   スリット状パターン発生手段で構成されていることを特
   徴とする光学式測長装置。
2. 【請求項２】 前記所定の投影像が微少な点状の透過光
   を投影する孤立微少パターン発生手段で構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の光学式測長装置。