JP6186913B2

JP6186913B2 - 計測装置

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Publication number: JP6186913B2
Application number: JP2013123062A
Authority: JP
Inventors: 堀田　宏之; 宏之堀田; 中山　秀生; 秀生中山
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2017-08-30
Anticipated expiration: 2033-06-11
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Description

本発明は、計測装置に関する。

被測定対象物に光を照射しその反射光に基づいてこの被測定対象物の傾き及び距離を測定する光学測定装置であって、角度測定に用いる角度測定用投光手段と、距離測定に用いる距離測定用投光手段と、前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段からの光をスポット光として出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズよりも前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側、又は、前記被測定対象物側に配され、前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段からの光を前記被測定対象物の方向に導くとともに、前記被測定対象物からの正反射光を前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側とは異なる方向に分岐させる分岐手段と、前記正反射光を収束させる収束レンズと、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記角度測定用投光手段からの光による正反射光（角度測定用正反射光）を撮像面に集光させる角度測定用撮像手段と、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち、前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）が前記収束レンズにより収束された光が、前記被検出対象物の距離に応じた撮像面上の異なる位置に照射されるように配設される距離測定用撮像手段と、前記角度測定用撮像手段における集光位置に基づいて前記被測定対象物の傾きを測定するとともに、前記角度測定用撮像手段における集光位置及び前記距離測定用撮像手段の撮像面における照射位置に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する測定手段とを備え、前記距離測定用投光手段から前記被測定対象物までの光路が基線軸に対して所定の角度を有するように配されていることを特徴とする光学測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

投光手段からの光を光分岐手段を介して透過及び反射のうちの一方により導くと共に、コリメータレンズを介して平行光に変換して、その平行光を被測定対象物に照射し、前記被測定対象物からの反射光を前記光分岐手段を介して透過及び反射のうちの他方により前記投光手段からの光とは別の向きに分岐させて撮像手段の撮像面に集光し、この撮像面における集光スポット位置に応じて出力される前記撮像手段からの撮像信号に基づいて前記被測定対象物の傾きを測定する演算手段を備える角度測定装置であって、前記投光手段と、前記光分岐手段との間の投光経路において前記光分岐手段より手前側に配置され、かつ、前記コリメータレンズを介して出射される平行光のビーム径を可変するビーム径可変手段と、前記光分岐手段からの方向が前記撮像手段とは別の方向となるように配置されると共に、そのビーム径可変手段によりビーム径が変更された後の光を直接的に受光する受光手段と、表示手段とを備え、前記光分岐手段は、前記投光手段からの光を透過及び反射のうちの前記他方により前記受光手段に導くように構成され、前記表示手段は、前記受光手段からの受光信号に基づき、ビーム径可変手段によりビーム径が変更された後の光のビーム径に対応したビーム径情報を表示することを特徴とする角度測定装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

平行光を被測定画像に照射し、その反射光を集光光学系に入射させ、その反射光の前記集光光学系による無限遠焦点位置近傍を含む領域で複数箇所の反射光量の測定値から、被測定画像の形成状態を測定するようにしたことを特徴とする画像測定方法も知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−０１７２５７号公報特開２００５−２４１６０７号公報特開平０９−０５０１５４号公報

本発明は、対象物表面の複数箇所における角度及び角度分布の少なくとも一方を従来に比べて簡単な構成で迅速に計測することができる計測装置を得ることを目的とする。

請求項１の発明は、複数の発光部の各々が順次発光して、各々の光軸が互いに平行又は略平行な複数の光を順次出射する光源と、各々の光軸が互いに平行又は略平行な状態で対象物の異なる位置に順次入射され、当該対象物で反射された各々の光を集光する集光光学系と、受光面が前記集光光学系の後側焦点面に配置され、前記受光面で受光された光の光量分布又は光量の重心位置を出力する受光部と、前記光源から前記対象物に照射された光毎に前記受光部から出力された出力値に基づいて、前記対象物の表面の角度及び角度分布の少なくとも一方を計測する計測部と、を含む計測装置である。

請求項２の発明は、前記対象物からの正反射光の焦光位置が前記受光部の中心位置となるように前記受光部を配置した、請求項１に記載の計測装置である。

請求項３の発明は、前記光源から順次出射された複数の光の各々の光軸の間隔を調整して前記対象物に向けて出射する調整用光学系を更に含む、請求項１又は請求項２に記載の計測装置である。

請求項４の発明は、前記調整用光学系は、更に、前記対象物から出射された複数の光の各々の光軸の間隔を調整して前記受光部に向けて出射する、請求項３に記載の計測装置である。

請求項５の発明は、前記光源から前記対象物までの光路上に設けられ、前記光源から順次出射された複数の光の各々をコリメートするコリメート光学系を更に含む、請求項１から請求項４までの何れか１項記載の計測装置である。

請求項６の発明は、前記光源は垂直共振器型面発光レーザである、請求項１から請求項５までの何れか１項記載の計測装置である。

請求項７の発明は、前記受光部は、位置検出素子、及び撮像素子の何れかである、請求項１から請求項６までの何れか１項記載の計測装置である。

請求項８の発明は、前記受光部は、複数のフォトダイオードの集合体である、請求項１から請求項６までの何れか１項記載の計測装置である。

請求項１に記載の発明によれば、対象物表面の複数箇所における角度及び角度分布の少なくとも一方を従来に比べて簡単な構成で迅速に計測することができる。

請求項２に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、計測可能な角度範囲が広くなる。

請求項３に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、光源の設計を変更することなく、対象物のサイズや要求解像度に合わせて対象物に照射する複数の光の光軸の間隔を調整することができる。

請求項４に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、受光部の設計を変更することなく、複数の反射光又は透過光の間隔を焦点光学系や受光部に合わせて調整することができる。

請求項５に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、光源から対象物までの距離を長くとることができる。

請求項６に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、構成部品を簡素化でき、複数の光の間隔及び光軸の平行度を高く確保でき、順次発光する際に電子的に正確なタイミングで発光できる。

請求項７に記載の発明によれば、フォトダイオードを用いる場合に比べて高い解像度で計測できる。

請求項８に記載の発明によれば、ＰＳＤや撮像素子を用いる場合に比べて読取時間を短くできる。

実施形態に係る計測装置の構成例を示す図である。計測部及び検出部の具体的な構成例を示す図である。受光器が、各画素が一次元状に配列された撮像素子により反射光を受光する受光器であって、受光器の受光面の中心が、集光レンズの後側焦点面のレンズ光軸上に位置するよう配置され、計測対象物に対して垂直方向から光ビームが照射されたときの反射光の一例を模式的に示した図である。計測装置の他の構成例を示す図である。計測装置の他の構成例を示す図である。計測装置の他の構成例を示す図である。計測装置の他の構成例を示す図である。調整用光学系の構成の一例を示す図である。光路に不要な部分を取り除いた調整用光学系の一例を示す図である。計測装置の他の構成例を示す図である。計測装置の他の構成例を示す図である。計測装置の他の構成例を示す図である。計測装置が高さ方向の位置が大きく異なる複数の計測対象物を計測する様子を示した図である。計測装置の他の構成例を示す図である。受光器の構成例を示す図である。光源部にコリメート光学系を設けたときの光源部の構成例を示す図である。コリメートレンズとして両側テレセントリックレンズを用いたときの構成例を示す図である。光源から両側テレセントリックレンズを介して複数の光ビームを出射したときの様子を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について説明する。

図１は、計測対象物ＯＢの表面の角度計測を行なう計測装置１０の構成例を示す図である。計測装置１０は、計測部１２及び検出部１４を備えている。

図２に、計測部１２及び検出部１４の具体的な構成例を示す。

検出部１４は、光源部３０、集光光学系（以下、集光レンズという）３２、及び受光器３４を備えている。

光源部３０は、各々計測対象物ＯＢに入射され各々の光軸が互いに平行又は略平行な複数の光を順次出射する光源を含んで構成されている。これにより、複数の光の光軸部分の照射位置が計測対象物ＯＢの異なる位置となるように光を照射することができる。本実施形態において、光源部３０に含まれる光源は、複数の発光部が一体的に形成されており、各発光部が順次（時間差で）発光することにより、計測対象物ＯＢに対して順次（時間差で）光が照射される。複数の発光部は、本実施形態では、一次元状に配列されているものとするが、二次元状に配列されていてもよい。

なお、光源の構成は、これに限定されず、例えば、発光部を１つとし、該発光部から出射された光をミラー等により分岐して計測対象物ＯＢに照射するようにしてもよいし、移動機構を設け１つの光源を移動して照射するようにしてもよい。

なお、光源の発光部としてＬＥＤを使用してもよいが、半導体レーザを用いるとよい。半導体レーザは、例えば、共振器を半導体基板に沿った方向に作り込み、へき開した側面から光（以下、半導体レーザからの光を光ビームという）を半導体基板に沿った方向へ出射する端面発光レーザ（Edge Emitting Laser（EEL）)であってもよい。また、光ビームが半導体基板と垂直に出射する面発光レーザ（Surface Emitting Laser（SEL）)、より具体的には、共振器を半導体基板と垂直に作り込んだ垂直共振器型面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser（VCSEL））を用いてもよい。VCSELを用いることにより、１枚の素子で互いに光軸が平行或いは略平行な複数の光ビームを発光できるため構成部品は大幅に簡素化される。また、半導体プロセスの精度による複数の光ビームの光軸の間隔と平行度とを確保できる上、順次発光する際に電子的に正確なタイミングで発光することが可能となる。本実施形態では、光源部３０に含まれる光源に、VCSELを用いるものとする。

集光レンズ３２は、計測対象物ＯＢで反射した光を集光する。

受光器３４は、受光面が集光レンズ３２の後側焦点面に配置され、受光面で受光された光の光量分布を出力する。なお、図２において、受光器３４の受光面の中心位置が、集光レンズ３２のレンズの中心軸（レンズ光軸）上となるように受光器３４が配置されているが、これに限定されるものではない。受光器３４は、例えば、複数の画素が一次元状または二次元状に配列された撮像素子であってもよい。また、撮像素子は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の何れであってもよい。また、受光器３４は、例えば、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector：位置検出素子）であってもよい。ＰＳＤの場合には、受光面で受光された光の光量の重心位置が出力される。

計測部１２は、光源部３０から対象物に照射された光毎に受光器３４から出力された出力値に基づいて、計測対象物ＯＢの表面の角度及び角度分布の少なくとも一方を計測する。

計測部１２は、図２に示すように、コンピュータ２００で実現することができる。コンピュータ２００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２０、ＲＯＭ（Read Only Memory）２２、ＲＡＭ（Random Access Memory）２４、及び入出力インタフェース（入出力ＩＦ）２６を備え、これらは各々バス２８により接続されている。

ＲＯＭ２２には、主としてＣＰＵ２０により実行される各種プログラムや各種データ等が予め記憶されている。各種プログラムには、光源部３０から対象物に照射された光毎に受光器３４から出力された出力値に基づいて、計測対象物ＯＢの表面の角度又は角度分布を計測するためのプログラムも含まれる。ＲＡＭ２４には、ＣＰＵ２０の処理に伴う各種データ等が一時的に記憶される。

なお、ＣＰＵ２０が実行するプログラムが記憶される記録媒体は、ＲＯＭ２２に限定されず、例えば、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）であってもよいし、ＣＤ−ＲＯＭであってもよいし、ＤＶＤディスク、光磁気ディスク、ＩＣカードなどの可搬型記録媒体や計測部１２の外部に備えられたＨＤＤ等の記憶装置等であってもよく、更にまたネットワークを介して接続されたデータベース、又は他のコンピュータシステム並びにそのデータベースであってもよい。

また、入出力ＩＦ２６は、受光器３４に接続されている。入出力ＩＦ２６は、受光器３４からの出力値をＣＰＵ２０に出力する。

なお、光源部３０の発光制御をコンピュータ２００が行なうようにしてもよい。

次に、本実施形態の計測装置１０の作用について説明する。

光源部３０から、計測対象物ＯＢの表面に対して光ビームを１本ずつ順次照射する。計測対象物ＯＢからの反射光は集光レンズ３２に入射され、集光レンズ３２により受光器３４の受光面（集光レンズ３２の後側焦点面）に集光され、受光器３４で受光される。

計測部１２は、受光器３４から反射光の光量分布又は重心位置を取得し、計測対象物ＯＢに照射した光ビーム毎に、計測対象物ＯＢ表面の角度及び角度分布の少なくとも一方を求める。

図３を参照して計測部１２の計測方法について説明する。図３は、受光器３４が、複数の画素が一次元状に配列された撮像素子により反射光を受光する受光器であって、受光器３４の受光面の中心が、集光レンズ３２の後側焦点面のレンズ光軸上に位置するよう配置され、計測対象物ＯＢに対して垂直方向から光ビームが照射されたときの反射光の一例を模式的に示した図である。

図３では、受光器３４の撮像素子において、集光レンズ３２のレンズ光軸上に位置する画素がｒ０の符号で示されている。画素ｒ０から外側に向かって配列された画素には、順にｒ１、ｒ２、ｒ３の符号が付されている。

計測対象物ＯＢ表面で反射した反射光のうち、計測対象物ＯＢで正反射した光は、集光レンズ３２の後側焦点面のレンズ光軸に集光する。従って、図３では、画素ｒ０の受光量が最も大きくなる（ピーク位置がｒ０付近となる）。また、レンズ光軸から角度θだけ傾いた角度で反射した光は、集光レンズ３２の後側焦点面上のレンズ光軸から外側の以下の式（１）に示す距離ｒだけ離れた位置に集光する。図３においては、ｒ１〜ｒ３の何れかの画素で受光量が最も大きくなる。

距離ｒ=ｆ・tanθ ・・・（１）

ここで、ｆは集光レンズ３２の前側焦点距離である。焦点面上の集光の分布はガウシアン分布に近似されることが多い。従って、例えば、受光器３４が、複数の画素が配列された撮像素子の場合には、各画素からの出力値から得られた光量分布の重心位置や広がり方に基づいて、計測対象物ＯＢを光ビームが反射した反射点の中心角度θや、ある角度の方向にどのような割合で散乱されるか、即ち、反射の散乱の度合い（反射角度分布）を計算することができる。また、受光器３４がＰＳＤの場合には、重心位置が得られるため、反射の中心角度θを計測することができる。

なお、計測部１２は、上記得られた反射の中心角度θ及び反射角度分布の少なくとも一方を、計測対象物ＯＢ表面の角度（傾き）を示す値として用いてもよいし、該反射の中心角度θ及び反射角度分布の少なくとも一方と計測対象物ＯＢ表面の角度（傾き）を示す値とを対応付けて記憶しておき、θから計測対象物ＯＢ表面の角度を示す値を求めてもよい。

各光ビームの照射位置は各々異なるため、結果として、計測部１２は、計測対象物ＯＢ表面における上記複数の光ビームによる照射領域の角度分布を得ることができる。

上記（１）式から明らかなように、計測対象物ＯＢ表面の高さ方向の位置に関わりなく角度θが求められるため、計測対象物ＯＢの位置が上下に変動したとしても、計測部１２は、該位置変動の影響なく角度計測することができる。

なお、図２に示すように、検出部１４を構成した場合には、計測対象物ＯＢに対して斜め方向から光ビームが照射されるため、計測対象物ＯＢからの反射光は、光源部３０からの照射光とレンズ光軸とのなす角度だけ、光源部３０と反対側にずれた位置に反射することになる。従って、計測対象物ＯＢからの正反射光の集光位置（焦点位置）はレンズ光軸からずれ、該正反射光を受光器３４で受光した場合の出力（ピーク位置）は、受光器３４の受光面の中心位置から（光源部３０から離れる方向に）ずれることとなる。このため、このずれ量を考慮して角度計測されるように、光源部３０からの照射光とレンズ光軸とのなす角度を計測部１２に設定しておくとよい。

ところで、このように、計測対象物ＯＢからの正反射光の集光位置がレンズ光軸よりも外側にずれると、計測できる反射角度範囲が狭くなる。従って、計測範囲が広がるように、受光器３４の位置をずらして設置してもよい。

図４に、受光器３４の位置をずらして構成した計測装置１０Ａ（図１の計測装置１０と区別するために添え字Ａを付した）を示す。計測装置１０Ａにおいて、計測装置１０と同一もしくは同等の部分には同じ記号を付し、その説明を省略する。

図４に示すように、計測装置１０Ａは、計測部１２及び検出部１４Ａを備え、検出部１４Ａは、光源部３０、集光レンズ３２、及び受光器３４を備えている。検出部１４Ａの受光器３４は、その受光面の中心位置がレンズ光軸よりも外側（図４において光源部３０から離れる方向）にずれた位置となるように設置されている。より具体的には、正反射光の集光位置が受光器３４の中心位置となるように受光器３４の位置を外側にずらして設置する。すなわち、光源部３０からの光の照射方向と逆側にずらす。

これによって受光器３４の受光面の中心位置で正反射光を受光することが可能となり、受光器３４の受光面の面積を有効利用して広い反射角度範囲を読み取ることができる。例えば、集光レンズ３２を焦点距離20mmのレンズとし、受光器３４を一辺6.8mmの受光面を備えた撮像素子とすると、上記（１）式、すなわち、r=f・tanθにおいて、最大距離r_max=6.8/2mm、及びf=20mmとなる。従って、読取角度の全幅（θ×２）は20度まで可能となり、計測範囲を拡大することができる。

このように受光器３４を設置することにより、受光器３４の受光面積を有効利用することができる。

また、図５に示すように、計測対象物ＯＢへ光ビームを真上から（垂直方向から）照射することができるように検出部１４を構成してもよい。

図５に示す計測装置１０Ｂは、計測部１２及び検出部１４Ｂを備え、検出部１４Ｂは、光源部３０、集光レンズ３２、受光器３４、及びハーフミラー３６を備えている。

ハーフミラー３６は、光源部３０と計測対象物ＯＢとの間に設置される。ハーフミラー３６には、光源部３０から順次出射された光ビームが順次入射される。ハーフミラー３６は、光源部３０から順次入射した光ビームを計測対象物ＯＢ方向に順次反射する。

また、ハーフミラー３６には、計測対象物ＯＢからの反射光が順次入射される。ハーフミラー３６は、計測対象物ＯＢから入射した反射光を透過して集光レンズ３２側に出射する。集光レンズ３２は、ハーフミラー３６を順次透過した反射光の各々を集光する。受光器３４は、集光レンズ３２で集光された光の各々を受光する。ハーフミラー３６によって、計測対象物ＯＢに対して、真上（垂直方向）から光ビームを照射することができる。計測対象物ＯＢの表面が集光レンズ３２のレンズ光軸に垂直な場合の反射光は、集光レンズ３２の後側焦点面上のレンズ光軸上に集光することになる。

受光器３４の受光面の中心位置が集光レンズ３２のレンズ光軸上に位置するように受光器３４を配置すればよい。これによっても、計測対象物ＯＢからの正反射光の集光位置を受光器３４の受光面の中心位置とすることができる。

なお、光源部３０から出射されるビーム間隔が狭いほど、集光レンズ３２及びハーフミラー３６を小型化することができ、また、集光レンズ３２の焦点距離も小さくできる。

光源部３０から出射される複数の光ビームの間隔は、光源部３０の光源に含まれる複数の発光部の設置間隔を調整したりすることでも調整できるが、光ビームの間隔を調整する調整用光学系を光源部３０の光源から計測対象物ＯＢまでの光路上に設置してもよい。

図６に示す計測装置１０Ｃは、図５に示す計測装置１０Ｂの構成に、更に、調整用光学系３８を追加した構成となっている。図７に示す計測装置１０Ｄも、図５に示す計測装置１０Ｂの構成に、更に、調整用光学系３９を追加した構成となっている。計測装置１０Ｃの調整用光学系と計測装置１０Ｄの調整用光学系とは、設定（調整内容）が異なるため、符号を異ならせている。調整用光学系は、ビーム間隔を広げたり狭くしたりするために照射光路上に設置される。図６に示す調整用光学系３８は、光源部３０から入射した光ビームの間隔が光源部３０から出射されたときの間隔より広がるように調整されている。図７に示す調整用光学系３８は、光源部３０から入射した光ビームの間隔が光源部３０から出射されたときの間隔より狭まるように調整されている。

なお、計測装置１０Ｃにおいて、調整用光学系３８以外の構成は、計測装置１０Ｂと同じである。計測装置１０Ｄにおいても、同様に、調整用光学系３９以外の構成は、計測装置１０Ｂと同じである。

図６に示すように、計測装置１０Ｃにおいて、調整用光学系３８は、光源部３０と計測対象物ＯＢとの間に設置される。調整用光学系３８には、光源部３０から出射されハーフミラー３６で反射された複数の光ビームが時間差で入射される。調整用光学系３８は、入射した複数の光ビームの間隔を広げて計測対象物ＯＢ方向に出射する。

また、調整用光学系３８には、光源部３０から光ビームを照射する毎に、計測対象物ＯＢからの反射光が順次入射される。調整用光学系３８は、計測対象物ＯＢから入射した反射光の各々の間隔を元に戻して（光源部３０から出射された光ビームの間隔が広げられる前の間隔に戻して）ハーフミラー３６側に出射する。ハーフミラー３６は、調整用光学系３８から入射した反射光を透過して集光レンズ３２側に出射する。集光レンズ３２は、ハーフミラー３６を透過した反射光を集光する。受光器３４は、集光レンズ３２で集光された光を受光する。

図７において、計測装置１０Ｄの調整用光学系３９も、光源部３０と計測対象物ＯＢとの間に設置される。調整用光学系３９には、光源部３０から出射されハーフミラー３６で反射された複数の光ビームが時間差で入射される。調整用光学系３９は、入射した複数の光ビームの間隔を狭めて計測対象物ＯＢ方向に出射する。

また、調整用光学系３９には、光源部３０から光ビームを照射する毎に、計測対象物ＯＢからの反射光が順次入射される。調整用光学系３９は、計測対象物ＯＢから入射した反射光の各々の間隔を元に戻して（光源部３０から出射された光ビームの間隔が狭められる前の間隔に戻して）ハーフミラー３６側に出射する。ハーフミラー３６は、調整用光学系３９から入射した反射光を透過して集光レンズ３２側に出射する。集光レンズ３２は、ハーフミラー３６を透過した反射光を集光する。受光器３４は、集光レンズ３２で集光された光を受光する。

このように、調整用光学系３８、３９は、光源部３０から出射された光ビームが入射されるだけでなく、計測対象物ＯＢで反射された反射光も入射される。すなわち、調整用光学系３８、３９は、光源部３０から計測対象物ＯＢまでの光路上、且つ計測対象物ＯＢから集光レンズ３２までの光路上に設置されている。

図８に、調整用光学系３８、３９の構成の一例を示す。本実施形態では、調整用光学系３８、３９として、両側テレセントリックレンズ４８を用いる。

両側テレセントリックレンズ４８は、一対のレンズ５０、５２、を備えている。２個のレンズ５０、５２として、アクロマティックレンズを用いることができる。本実施形態では、両側テレセントリックレンズ４８の、レンズ５０、５２の間には、絞りは設けられていない。絞りを設けることにより、入射した光を平行光となるようコリメートすることができるが、計測装置１０Ｃ、１０Ｄに調整用光学系として両側テレセントリックレンズ４８を設ける理由は、複数の光ビームの間隔を調整することにあり、角度分布を持った反射光も通過させて受光器３４側で広い反射角度の光を計測する必要があるため、絞りは不要である。

両側テレセントリックレンズ４８を設置することにより、要求される分解能に光ビームの間隔を適合させられる。

ところで、光源の複数の発光部の配列に応じて、レンズ５０、５２の各々において各発光部から出射される光が通過する部分（光路に必要な部分）と光が通過しない部分（光路に不要な部分）とが定まる。例えば、VCSEL等の発光部を一列（一次元状）に配列して光源部３０の光源を形成する場合には、レンズ５０、５２の光路に必要な部分と光路に不要な部分とが図９に示すように定まる。そこで、両側テレセントリックレンズ４８を、少なくとも光路に必要な部分は残し、光路に不要な部分を取り除いた形状としてもよい。光路に不要な部分を取り除いた両側テレセントリックレンズ４８の形状の一例を図１０に示す。

なお、調整用光学系としての両側テレセントリックレンズ４８を、上述した計測装置１０、１０Ａ、１０Ｂの各計測装置における光源部３０から計測対象物ＯＢまでの光路上に設けることもできる。

なお、計測対象物ＯＢの角度が急な場合に、検出部全体を傾けて計測するようにしてもよい。図１１に示す計測装置１０Ｅでは、検出部１４Ｅを構成する光源部３０、集光レンズ３２、及び受光器３４の各々が計測対象物ＯＢの傾斜に合わせて傾いた状態で設置されている。検出部１４Ｅの傾きを調整可能な調整機構を設けてもよい。例えば、凹凸の多い計測対象物ＯＢにおいては、図２に示す計測装置１０による計測ではデータ欠損となる箇所が発生する場合もある。例えば、角度が急で集光レンズ３２に反射光が入射されなかった、或いは受光器３４の受光面に入射されなかった場合などである。そこで、まず、検出部１４Ｅを傾けずに計測し、データ欠損となる箇所が発生した場合には、データ欠損が発生しないように調整機構により検出部１４Ｅを傾けて改めて計測する。これにより、データ欠損の発生を抑制できる。

また、計測対象物ＯＢの角度が急な場合を想定して受光器や集光レンズを大型化してもよい。図１２に示す計測装置１０Ｆの検出部１４Ｆに設けられている受光器３４Ａは、計測装置１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅの各々に設けられている受光器３４に比べて受光面の長さが長く大型化されている。また、受光器３４を並列に複数個設置するようにしてもよい。受光器３４を移動させないため、誤差が生じにくい。

なお、上記例示した各計測装置１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆの何れであっても、高さ方向の位置が大きく異なる複数の計測対象物ＯＢの表面の角度及び角度分布を計測することができる。これは（１）式から明らかなように、上記各計測装置では、計測対象物ＯＢ表面の高さ方向の位置に関わりなく角度θが求めることができるためである。図１３に、一例として、計測装置１０Ｃが、高さ方向の位置が大きく異なる複数の計測対象物ＯＢ_１、ＯＢ_２を計測する様子を示した。

また、複数の面を有する部材について、各々の面の角度を計測することもできる。図１４に示す計測装置１０Ｇは、計測装置１０Ｃの構成に、更に、ミラー３７を追加した構成となっている。計測対象物ＯＢ_２は、隣接する２つの面Ｓ_１、Ｓ_２を備えている。

ミラー３７は、調整用光学系３８と計測対象物ＯＢ_２との間に設けられている。ミラー３７は、光源部３０から出射される複数の光ビームのうち、少なくとも１本を受光して計測対象物ＯＢ_２の面Ｓ_２に向けて反射する。ミラー３７により光路が折り曲げられなかった光ビームは、そのまま真下に進行するため、計測対象物ＯＢ_２の面Ｓ_１、及び計測対象物ＯＢ_１に照射される。

これにより、例えばある部材において１つの面と隣接する面との角度の設計値が予め定められている場合、実際に製造された部材の角度が設計値を満たしているか否か等の確認もできる。例えば、ある部材の１つの面と隣接する面との角度の設計値が直角（９０度）である場合、実際に製造された部材の角度が、８９度となっているか、９１度となっているか等、微少な角度誤差を検査することもできる。

また、図１５に示すように、上記各計測装置に設けられた受光器を、複数の画素６０が配列された撮像素子により構成してもよいが、複数のフォトダイオード６２を配列して構成してもよい。一般的に、受光器が複数の画素６０が配列された撮像素子である場合には、受光器がフォトダイオード６２の集合体である場合に比べて高い解像度で読取りできるが、読取り速度はフォトダイオード６２に比べて遅い。高速に処理できる高性能な撮像素子を用いるとコストがかかる。従って、例えば、計測対象物ＯＢが静止しているものではなく、移動しているものである場合には、速い読取り速度が要求されるため、受光器をフォトダイオード６２の集合体にするとよい。しかしながら、受光器にフォトダイオード６２の集合体を用いると、撮像素子を用いる場合に比べて読取解像度が若干粗くなる。従って、受光器をフォトダイオード６２の集合体を用いて形成するか、撮像素子を用いて形成するかは、計測用途に応じて決定してもよい。

また、光源から計測対象物までの光路上に、光源から順次出射された複数の光の各々をコリメートするコリメート光学系を設けても良い。

例えば、図１６に示すように、上記例示した各計測装置１０、１０Ａ，１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇの光源部３０を、光源４０及びコリメート光学系４４を含めて構成するようにしてもよい。コリメート光学系４４は、図１７に示すように、光源４０の光出射側に設置される。コリメート光学系４４は、コリメート光学系４４は、光源４０から出射された光の拡散を抑制する。コリメート光学系４４には、例えば、図１７に示すように、両側テレセントリックレンズ４４Ａを用いてもよい。

両側テレセントリックレンズ４４Ａは、図１７に示すように、一対のレンズ５０、５２と、その一対のレンズ５０、５２の間に配置された絞り５４と、を備えている。２個のレンズ５０、５２として、アクロマティックレンズを用いることができる。また、絞り５４は、レンズ５０、５２の各々の焦点面に合わせて設置する。なお、絞り５４の大きさを小さくすることで、平行光成分のみを取り込める一方で光量が低下する。したがって、絞り５４の大きさは、要求される精度と要求される光量とに応じて設定される。

なお、両側テレセントリックレンズ４４Ａを設置した場合、以下の利点がある。この利点について、図１８を参照して説明する。図１８は、光源４０から両側テレセントリック４４Ａを介して複数の光ビームを計測対象物ＯＢに照射するときの様子を模式的に示した図である。

前述したように、両側テレセントリックレンズ４４Ａは、一対のレンズ５０、５２と、その一対のレンズ５０、５２の間に配置された絞り５４と、を備えている。２個のレンズ５０、５２として、アクロマティックレンズを用いる。絞り５４は、レンズ５０、５２の各々の焦点面に合わせて設置する。

なお、光源４０からは複数の光ビームを順次出射するが、光源４０の隣接する発光部からの光ビームの照射領域同士が重ならない範囲に計測対象物ＯＢを設置することが好ましい。１つ１つの発光部から時間差で順次光ビームを照射するとはいえ、計測対象物ＯＢ上で、隣接する光ビームによる照射領域の重なりが大きくなると、その出力値が互いに独立した値にならないためである。図１８において、例えば、矢印で示した範囲は、隣接する光ビームによる照射領域が重ならない。従って、この範囲内に計測対象物ＯＢの計測部位が位置するように配置するとよい。

更に、光源４０を、両側テレセントリックレンズ４４Ａの光源４０に近いほうのレンズ５０の焦点面に設置するとよい。これにより、絞り５４を通過する光束は平行光となり、絞り５４の位置ずれに対する照射角度の誤差を少なくできる。

なお、光源４０の発光部から出射される複数の光の一部(例えば、予め定められた方向に沿って配列された複数の発光部の両端の発光部又は両端の発光部を含む予め定められた範囲の発光部から出射する光)を可視光とすることもできる。これにより、計測範囲を目視できる。

また、計測装置に含まれる受光器が受光する光は、計測対象物ＯＢからの反射光だけに限定されない。例えば、計測対象物ＯＢを透過した透過光を受光するようにしてもよい。この場合には、集光レンズ３２及び受光器３４は、計測対象物ＯＢに照射された光が透過する側、すなわち、光源４０が配置された側とは反対側に配置される。

以上、様々な計測装置を例に挙げて説明したが、計測装置は上記の実施形態に限るものではなく、種々の変形、変更、改良が可能である。例えば、上記に示した実施形態や変形例を組み合わせて構成しても良い。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ計測装置
１２計測部
１４、１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄ、１４Ｅ、１４Ｆ、１４Ｇ検出部
２０ＣＰＵ
２２ＲＯＭ
２４ＲＡＭ
２６入出力ＩＦ
３０光源部
３２集光レンズ
３４、３４Ａ受光器
３６ハーフミラー
３７ミラー
３８、３９調整用光学系
４０光源
４４コリメート光学系
４４Ａ両側テレセントリックレンズ
４８両側テレセントリックレンズ
５０、５２レンズ
６０画素
６２フォトダイオード
２００コンピュータ

Claims

複数の発光部の各々が順次発光して、各々の光軸が互いに平行又は略平行な複数の光を順次出射する光源と、
各々の光軸が互いに平行又は略平行な状態で対象物の異なる位置に順次入射され、当該対象物で反射された各々の光を集光する集光光学系と、
受光面が前記集光光学系の後側焦点面に配置され、前記受光面で受光された光の光量分布又は光量の重心位置を出力する受光部と、
前記光源から前記対象物に照射された光毎に前記受光部から出力された出力値に基づいて、前記対象物の表面の角度及び角度分布の少なくとも一方を計測する計測部と、
を含む計測装置。
前記対象物からの正反射光の焦光位置が前記受光部の中心位置となるように前記受光部を配置した、
請求項１に記載の計測装置。
前記光源から順次出射された複数の光の各々の光軸の間隔を調整して前記対象物に向けて出射する調整用光学系を更に含む、
請求項１又は請求項２に記載の計測装置。
前記調整用光学系は、更に、前記対象物から出射された複数の光の各々の光軸の間隔を調整して前記受光部に向けて出射する、
請求項３に記載の計測装置。
前記光源から前記対象物までの光路上に設けられ、前記光源から順次出射された複数の光の各々をコリメートするコリメート光学系を更に含む、
請求項１から請求項４までの何れか１項記載の計測装置。
前記光源は垂直共振器型面発光レーザである、
請求項１から請求項５までの何れか１項記載の計測装置。
前記受光部は、位置検出素子、及び撮像素子の何れかである、
請求項１から請求項６までの何れか１項記載の計測装置。
前記受光部は、複数のフォトダイオードの集合体である、
請求項１から請求項６までの何れか１項記載の計測装置。