JP6755553B2 - 光学式測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、機械部品等の深穴を有する被測定物の深穴に光学式センサーを挿入し、反射させた光を立体的に取り込んで観察、および深穴奥部の寸法や平面度など幾何学精度を測定するための光学式測定装置に関するものである。

例えば自動車用エンジンのシリンダーや燃料噴射ノズルの加工仕上がり寸法、幾何学精度の良否などは、自動車の動力性能と燃料消費効率に大きく影響するが、これらの検査は一般には真円度測定機、表面粗さ計等の接触式測定機を用いて検査されていた。しかし近年、被測定物に傷を付けない目的から光学式の非接触式測定機が登場している。

非接触で被測定物内面の形状データを取得する手段として、画像診断技術（光イメージング技術）は、例えばレーザ光を立体的に放射し、その反射光から干渉光を捉えて、一般にはヘテロダイン方式などの方法で立体形状の数値処理を行い、寸法精度の測定を行っている。

一方、医療の分野では人体内部の患部の観察に断層画像が観察可能なＸ線ＣＴ、核磁気共鳴、透過性にすぐれた近赤外光を放射し反射光を捉えて、光の干渉性を利用して立体形状の数値データを取込むＯＣＴ画像(光干渉断層撮影)などの方式が研究されると共に活用されている。

機械装置や機械部品の内周面に光線を照射して、内面の観察または測定を行う技術を適用した観察装置の代表的な構造は、例えば、特許文献１から３に示すとおりである。

特許文献１に示すＯＣＴ内視鏡では、該文献中図８に示すように、モータの回転力を、ベルトを介して回転シャフトに伝達し、さらにチューブ状の光学シース内を通る光ファイバー等からなるフレキシブルシャフトを介してレンズユニットへ伝達するようにしている。しかし、この構成では文献中図２６に示す２次元の断層画像は得られるが、３次元の画像は得る事ができなかった。

また、特許文献２に示すＯＣＴ内視鏡では、該文献中図１に示される環状のガイドカテーテルの内部に細長のチューブ状のカテーテルが挿入され、カテーテル内部には、回転および摺動可能で光学的に接続された光ファイバーまたはコアを有し、光ファイバーを回転させると共に、文献中図３に示すように長さ方向に移動させて身体組織に照射を行い、解析画像を観察するＯＣＴの３次元画像システムである。しかしながらこの構成では、カテーテルの内周面と駆動軸外周面との擦れにより摩耗粉が発生する問題があった。また、駆動軸の擦れ、撓み、ねじれ等に起因して、回転速度ムラや、回転伝達遅れ、トルク損失の変動等を生じるため、得られる解析画像が乱れ、要求される空間分解能や、解像度の精度が得られなかった。

また、特許文献３に記載される発明では、モータ（７，８）が外套管（５，６）とウェッジプリズム（３，４）をそれぞれ回転することで前方に放射光軸の方向を変えて、体内観察において観察する箇所を自在に変更可能な内視鏡を示している。
しかしながらこの構成では、２個のモータの回転数を同期させておらず、また、モータからの回転検出パルスを利用していないため、光線の方向を変えることしか行えない。したがって、光線を螺旋状に放射することができないため、前方から得られた反射光をコンピュータに捉え、計算して立体画像を得る事ができなかった。また、外套管は回転自在ではあるが軸方向（長手方向）に回転ガタや遊び（例えば１０ミクロン）が設けられているために軸方向に振動しながら回転する。そのため、ガタや遊びの距離分だけ、センサーユニットと被検体の距離が変わってしまうために、被検体までの正しい距離が測定できず、画像の解像度も悪かった。

特許第３８８５１１４号公報 特許第４５２０９９３号公報 特開２００２−５５０号公報

本発明は上記従来事情に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、光線を前方に例えばスパイラル状に、プログラミングどおりに放射し、その反射光を捉えて３次元形状をコンピュータに取り込むと共に、光線を放射する回転体の軸方向のガタや遊びの量（微小距離）を検出しこれを相殺することで高精度な立体画像を得る、光学式測定装置を提供するものである。

上記課題を解決するための一手段は、プローブの先端側から光線を３次元放射して立体画像を得る光学式測定装置において、プローブは、透光性基準板と、複数のモータと、このモータの回転軸と一体に回転する回転側光ファイバー及び／又は光路変換手段と、を備え、回転軸の軸方向の微小変位を検出する変位検出手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、光線を放射する回転走査機構の軸方向のガタや遊びの量（微小距離）を検出し、収集した立体画像データから、これを相殺することで正しく高精度な立体画像を得る、光学式測定装置が提供できる。

本発明光学式測定装置の実施形態に係る光プローブ主要部の断面図 本発明光学式測定装置の構成図 本発明光学式測定装置の光プローブによる深穴走査説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの第１モータの回転パルス発生部説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの第２モータの回転パルス発生部説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの動作説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの動作説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの動作説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの放射範囲説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの３次元走査範囲説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの動作タイミングチャ−ト 本発明光学式測定装置の光プローブの動作説明図 本発明光学式測定装置の光プローブの放射範囲説明図 本発明光学式測定装置の振動が無い場合の取得データの図 本発明光学式測定装置の振動が有る場合の取得データの図 本発明光学式測定装置の校正時の測定長さ説明図 本発明光学式測定装置の測定時の測定長さ説明図

本実施の形態の光学式測定装置の第１の特徴は、プローブの先端側から光線を３次元放射して立体画像を得る光学式測定装置において、プローブは、透光性基準板と、複数のモータと、これらのモータの回転軸と一体に回転する回転側光ファイバー及び／又は光路変換手段とを備え、回転軸の軸方向の微小変位を検出する変位検出手段を有することにある。
この構成によれば、モータの回転振動をリアルタイムで検出して、回転走査部に振れに伴う測定誤差を補正することができるので、高精度での測定が可能である。

第２の特徴は、光学式測定装置の変位検出手段が、予め定めた透光性基準板の３次元位置情報、すなわち透光性基準板の各点までの３次元距離情報を基準値とし、モータの回転中に得られる測定距離データの実際の測定値と、予め定めた基準値との差を変位量として検出することにある。
この構成により、被検査物底面の形状データの中から、軸方向のガタや振動量を簡単な構成で、リアルタイムで除去し、正しく精密な穴底面の精度測定が可能である。

第３の特徴としては、光学式測定装置のプローブの本体外装はチューブであって、第１モータと第２モータとが、その内部に配置されている。そして、光路変換手段は、第１モータの回転軸と一体に回転する第１光路変換手段と、第２モータの回転軸と一体に回転する第２光路変換手段とがある。そして、チューブ内に、固定側光ファイバーを内蔵し、この固定側光ファイバーと回転側光ファイバーとは、回転光コネクターにより光学的に接続されている。そして、第１光路変換手段は、固定側の光ファイバーの先端側に位置し、第１モータにより回転駆動させられ、光線を回転中心に対して角度を傾けて前方に回転放射する。そして、第２光路変換手段は、回転側光ファイバーの先端側に一体に配置され、固定側光ファイバーと第１光路変換手段の間に位置し、第２モータにより回転駆動させられて、光線を回転中心に対して光路を微小角度傾けて回転放射して第１光路手段に向けて照射する。そして、光線を固定側光ファイバーから、回転光コネクター、第２光路変換手段、第１光路変換手段の順に透過させ、前方に放射させる。
この構成によれば、第１モータまたは第２モータの軸方向のガタおよび回転振動がリアルタイムで検出でき、回転走査部の振れに伴う測定誤差を補正することができるので、高精度での測定が可能である。

第４の特徴としては、第１モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第１パルス発生手段と、第２モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第２パルス発生手段を有する。そして、第１及び第２のパルス発生手段からのパルスにより第１及び第２モータの回転速度を調整する制御手段を有し、第１モータの回転速度Ｎ１と第２モータの回転速度Ｎ２の関係を、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［回転／秒］で回転させることで、第１光路変換手段からＮ１［回転／秒］の回転速度で前方に放出させる共に、Ｘ［往復／秒］の速度で光線の回転中心に対する放出角を変化させている。
この構成によれば、第１光路変換手段、及び第２光路変換手段の回転角度の組合せにより光線を前方の広範囲に放射することができる。

第５の特徴は、上述した特徴を持つ光学式測定装置の校正方法にある。具体的には、光学式測定装置のプローブの前方に平板等からなる校正ブロックを配置する。そして、光線を３次元放射してプローブを回転させた時、各点における、既知である校正ブロックまでの真の距離をＤｓ、校正前のプローブによる各点の測定値をＤ２、および、基準板までの測定距離をＬ２とする。このとき、ターゲット間距離Ｔは、Ｔ＝（Ｄ２−Ｌ２）となり、Ｌｓ＝（Ｄｓ−Ｔ）の数値Ｌｓを透光性基準板の基準値とした。
この校正方法により、測定及び補正を行う上での絶対的な基準を得られるので、光学式測定装置を用いた高精度な測定が可能となる。

第６の特徴は、光線を３次元放射して立体画像を得る光学式測定方法にある。具体的には、光路変換手段を駆動させて光線の方向を変えながら、透光性基準板を介して被検体（被測定物）に光線を放射する。そして、その反射光から、透光性基準板までの測定距離信号と、被検体までの測定距離信号とを得る。そして、被検体までの測定距離信号の値と予め定めた３次元距離情報である基準値との差を変位量として、被検体までの測定距離を補正する。
この測定方法によれば、測定誤差を補正することができるので、高精度な３次元測定が可能である。

次に本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１〜図１５は本発明に係る光学式測定装置の実施形態を示している。
図１は本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の光プローブの断面図であり、プローブの後端側から先端側に光線を導く固定側光ファイバー１は十分に長いチューブ（カテーテル）６の内部の略中心に挿通されている。

固定側光ファイバー１の先端側には、回転側光ファイバー２が回転自在に設けられている。回転側光ファイバー２の先端側には、例えば略円柱状の透明体の両面を非平行な略平面でカットした形状のプレンズまたはリズム等からなる第１光路変換手段３が第１モータ１２により回転側光ファイバー２とは独立して回転自在に取り付けられ、第１光路変換手段３が回転する事で光線を例えば図中軸線に対しθ１＋θ２の角度を付けて前方に回転放射するよう構成している。

また、回転側光ファイバー２の先端には、固定側光ファイバー１を透過してきた光線を集光して回転しながら軸線に対し微小の角度（θ１）を付けて、第１光路変換手段３に向けて回転放射する第２光路変換手段２０が取り付けられている。図１において第２光路変換手段２０は、例えば円錐状の集光レンズ２０ｃとプリズム２０ｄを組み合わせて形成されている。

回転側光ファイバー２と固定側光ファイバー１は、それぞれその端面は直角に加工されており、５μｍ程度の微小距離を隔てて対向し、回転する遮光板５、光ファイバー固定具４を含めて回転光コネクター２２を構成している。回転側光ファイバー２と固定側光ファイバー１の間は高い透過率が維持でき、ほとんど損失なく光学的に接続されている。

第１モータ１２はチューブ６内に内蔵され、ロータ磁石１１が取り付けられ、第１軸受９ａ、９ｂに支えられた中空回転軸１０が回転する。第１モータ１２には電線２３を通してモータケース８の内側に取付けられたモータコイル７に電圧が印加され、中空回転軸１０のホルダー部１０ａには第１光路変換手段３が一体的に取り付けられ回転させている。

第２モータ１９は、第２軸受１８ａ、１８ｂに支えられた第２回転軸１３が可振子１４の略中心に開けられた穴に軽圧入され、可振子１４の弾性またはバネ性により第２回転軸１３との間で安定した摩擦力が発生している。第２モータ１９の第２回転軸１３は回転側光ファイバー２を中心穴に固定しており、配線された電線１７を通してパターン電極１６と電歪素子１５に電圧が印加され、第２光路変換手段２０を回転させる。可振子１４はモータケース８に対し回り止めがされており、最も簡単な構造の場合は電線１７が回り止めの機能を果たす。もちろん第２モータは第１モータと同じロータ磁石とコイルによるモータであっても同じであり、第１モータは第２モータと同じ可振子によるモータであっても良い。

第１モータ１２には、図４に示す、回転部材２５ａと固定部材２５ｂからなる第１パルス発生手段２５が設けられ、同様に第２モータ１９には、図５に示す回転部材２４ａと固定部材２４ｂからなる第２パルス発生手段２４が設けられ、それぞれ第１及び第２モータの回転に応じて１回転当たり１回、または複数回のパルス信号を発生している。これらパルスの発生原理は、誘起コイルやホール素子等の磁気センサー、または、光学的シャッターと光センサーによる光学センサー等が用いられる。

図１において、光線が放射される第１光路変換手段３の前方には、光線が透過可能なガラス、石英、サファイヤ等の材料からなる透光性基準板２１がチューブ６に一体的に取り付けられている。透光性基準板２１には必要に応じて平板部２１ａまたは略球面部が形成されており、この平板部２１ａは必要によりその肉厚は一定ではなくレンズの機能を持たせるため厚さを変化させている。また、透光性基準板４は必要に応じて表面反射を減らし、光線の全反射を最小に押さえ透過率を高めるためのコーティング等が施されている。

図１の第１モータ１２には図２に示す光学式測定装置において、図３のようにチューブ６の先端部は被測定物２６、１００の穴２７内に挿入され、先端方向２９に光線を放射する。
図２のモータドライバ回路８６から電力が供給されて回転駆動され、第２モータ１９は第２モータドライバ回路８７から電圧が印加されて回転駆動される。また、第１モータ１２は図４に示す第１パルス発生手段２５からのパルス信号により回転速度を調整し、第２モータ１９は図５に示す第２パルス発生手段２４からのパルス信号により回転速度を事前に設定された数値に合わせることができる。

次に上述した図１〜図５の光学式測定機について、その特徴的な作用効果を詳細に説明する。

図２において、ベース８０のスタンド８１にはスライダ用モータ８３により昇降するスライダ８２があり、本体８５内の光源から発光された近赤外またはレーザ等の光線は接続部８４を通り、スライダ８２内にガイドされて、チューブ６の中の固定側光ファイバー１の中を通過して進む。

光線は、図１において、固定側光ファイバー１から⇒回転光コネクター２２を通過して、回転側光ファイバー２⇒第２光路変換手段２０⇒第１光路変換手段３ａに放射される。近赤外線の光線はさらに透光性基準板２１を通過し，被測定物の表面からから反射した光線を上記と同じ光路を逆方向に透光性基準板２１⇒第１光路変換手段３ａ⇒第２光路変換手段２０ａ⇒回転側光ファイバー２⇒回転光コネクター２２⇒固定側光ファイバー１を通過して図２の光干渉解析部８８に導いている。

図１２および図１３においては、被測定物２６の深穴２７の奥部に向けて光線を放射することで、表面２７ａの３次元形状のディジタルデータを取込み、穴の奥部の精度の幾何精度測定と、内部欠陥の有無を立体画像で観察している。

図１において電線２３から電力が供給され、第１モータ１２が約９００〜２万ｒｐｍの範囲の一定速度で回転するが、固定側光ファイバー１から導かれた光線は回転光コネクター２２と回転側光ファイバー２を通過し，第２光路変換手段２０ａから放出され、第１光路変換手段３ａの略平面部で反射し一定の角度方向（図１においては矢印に示す下向きのθ１＋θ２の角度）に方向を変えて回転放射される。この時、図４の第１モータ１２の第１パルス発生手段２４の角度α１＝０度、図５の第２モータ２２の第２パルス発生手段２４の角度も０度であり、これら２つの角度の位相差を（α１−α２）で表すと０度になっている。
この状態では、光線の放射方向は軸線に対して大きく曲げられており、放射角度は、（θ１＋θ２）の下向きになる。

次に、図６に示すように、第１光路変換手段３と第２光路変換手段２０が同じ回転速度で回転し、図１とは１８０度反対側の図中３ｂと２０ｂの位置に変わると、第２光路変換手段２０ｂから放出され、第１光路変換手段３ｂの略平面部で反射し一定の角度方向（図６においては矢印に示す上向きのθ１＋θ２の角度）に方向を変えて回転放射される。この時、第１モータ１２の第１パルス発生手段２４の角度α１＝１８０度、第２モータ２２の第２パルス発生手段２４の角度も１８０度であり、これら２つの角度の位相差（α１−α２）は図６と同じで有り、０度になっている。この状態では、光線の放射方向は軸線に対して大きく曲げられており、放射角度は、（θ１＋θ２）の上方向になる。

図６において、第１光路変換手段３ｂの略平面部の角度Ｑと、第２光路変換手段２０のプリズム２０ｄ表面の角度Ｓは、決して平行にはせず例えば５度以上の角度を持たせている。これがもし平行になると光線が全反射し得られる３次元画像データが悪化する場合があるからである。第１および第２光路変換手段の回転角度の位相差（α１−α２）が０度の状態で第１および第２光路変換手段が平行でないように設計しておけば、いかなる状態においても、第１および第２光路変換手段の間は平行になる心配が無く、良好な画像が得られる。尚、図６〜図８においては透光性基準板は半球面になっているが平板でもかまわない。

次に図７は、第１光路変換手段３ａと第２光路変換手段２０ａの回転速度を異ならせることにより、位相角度が変わった場合の状態を図示している。

図７において、第２光路変換手段２０ｂから軸線に対して角度をもって放出された光線は、第１光路変換手段３ａの略平面部で反射し逆の角度方向に方向を戻し、その結果光線はほぼ軸線上を軸線とほぼ平行に回転放射される。この時、第１モータ１２の第１パルス発生手段２５の角度α１＝０度、第２モータ２２の第２パルス発生手段２４の角度は回転に遅れが生じて−１８０度であり、これら２つの角度の位相差（α１−α２）は＋１８０度になっている。この状態では、光線の放射角度は、（θ１＋θ２）≒０度になる。

次に図８は、図７の状態から第１光路変換手段３ａと第２光路変換手段２０ａが同じ回転数で１８０度反対に位置まで回転した状態を図示している。

図８において、第２光路変換手段２０ａから軸線に対して角度をもって放出された光線は、第１光路変換手段３ｂの略平面部で反射し逆の角度方向に方向を戻し、その結果光線はほぼ軸線上を軸線とほぼ並行に回転放射される。この時、第１モータ１２の第１パルス発生手段２５の角度α１＝１８０度、第２モータ２２の第２パルス発生手段２４の角度は回転に遅れが生じて０度であり、これら２つの角度の位相差（α１−α２）は＋１８０度になっている。この状態においても光線の放射角度は、図６と同様に（θ１＋θ２）≒０度になる。

図９は、図１から図８を用いて説明した回転位相角（α１−α２）と、光線の前方への放射方向を平面的に図示したものである。第１モータ１２の第１パルス発生手段２５の角度α１と、第２モータ２２の第２パルス発生手段２４の角度α２の角度の位相差（α１−α２）によって照射方向が変化し、光線は前方に向けて図中半径Ｒに示される範囲に前面にわたり放射される。

図１０は光線の放射範囲を立体的に表した図である。光線はチューブ６の前方Ｌの位置を中心に約５ミリメートルの範囲で焦点が合うようピントが調整されているため、図中半径Ｒの範囲で、角度（θ１＋θ２）に示す略円錐状に放射され、３次元的に被検体を走査している。

図１１は、光発明イメージング用プローブの第１モータ１２と第２モータ１９の発生パルスタイミングチャ−トであり、図中上側の線図は第１モータ１２の第１パルス発生手段２５からの発生パルス、図中下側の線図は第２モータ１９の第２パルス発生手段２４の発生パルスを示し、横軸は時間軸を示している。
図中Stand byに示す時間帯は、第１モータ１２と第２モータ１９が同一の回転数で回転しながら走査開始信号を待っている状態である。

次に、図１および図２に示す光学式測定機と光プローブの取扱い者の操作によりStart信号が出されると、それと同時に、第１モータ１２は、例えばＮパルス／秒に表される速度（例えば３０回転／秒）で回転し被測定物のディジタル観察画像データをコンピュータ８９に蓄積し始める。

これと同時に第２モータ１９は、例えば（Ｎ−１）パルス／秒（例えば２９回転/秒）の速度で回転するため、図中に示すように放射角度はθ１からθ２まで０．５秒で変化し、１秒後には再度θ１の角度に戻り、光線の３次元放射を完了する。

この場合、コンピュータは放射角度がθ１〜θ２に往復する時間内に計２回（２回で１セット）の３次元データを取り込み、欠落のない鮮明な３次元の画像データを得る。データの取り込みと蓄積が行えた時点で、第１モータ１２と第２モータ１９は再びStand by状態になり、次のStart信号を待ちながら回転を行う。

本発明の光学式測定装置の、より実用的な使い方は、例えば、３次元画像の取り込みは図４に示す第１パルス発生手段２５、２５ａ、２５ｂからのパルス信号と、図５に示す第２パルス発生手段２４、２４ａ、２４ｂからのパルス信号の両方が同時に出された瞬間をトリガーにしてコンピュータ８９に取り込まれモニタ９０上に表示される。

本実施形態では、チューブ６の後方から先端までの全長に渡る内部で固定側光ファイバー１は、長いチューブ６の中で回転させないので擦れる事がなく、回転伝達遅れやトルク損失等の発生を防止できる。また、回転側光ファイバー２も中空回転軸１の穴の中で回転自在に配置されており、摺動損失がないので、モータ１２の回転ムラは大変少ない。回転速度の性能は一般的な評価尺度では、回転角度をパーセントで表すのであるが、本発明においては０．０１％の高性能が達成できている。

一方、従来の光ファイバーが擦れる方式の内視鏡プローブの回転ムラは、その約１００倍以上の悪い性能しか得られていなかった。

図１、図２、図１２、図１３に示す光学式測定機において最も重要な要求性能は３次元画像を得ること、３次元画像ディジタルデータから得られた、被測定物の深穴奥部の平面度等の幾何精度の精度を高める事である。幾何精度の測定精度や測定バラツキが起こる要因には、第１モータ１２の回転軸の軸方向のガタと振動、中空回転軸１０のラジアル方向振れ精度、第１光路変換素子３と、第２光路変換手段２０の精度および表面粗さ等があるが、これらの中で影響が最も大きいのは第１モータ１２の軸方向のガタと振動などによる微小な変位である。

図１２において、光学式測定機が被測定物２６の深穴２７の奥部までの距離の信号Ｌｍを検出した場合、第１モータ１２および第２モータ１９の回転軸１０，１３に軸方向のガタや振動が無く、図１４の取得データにおいて、透光性基準板までの距離を計測した信号Ｌｓが、変化のない直線になる場合は、検出したＬｍの波形と測定距離に誤差やノイズは含まれておらず、Ｌｍは真の数値を示している。

しかしながら図１２の第１モータ１２および第２モータ１９の回転軸１０，１３に軸方向のガタや振動がある場合は、図１５に示すように、信号Ｌｓには軸方向のガタや振動により透光性基準板までの距離を計測した信号Ｌｓが、変化のない直線にならない場合がある。この場合は、被検体までの距離を検出したＬｍの波形には、信号Ｌｓの同等の距離が加算されて、滑らかな測定データにはなっていない。そこで、（信号Ｌｍ−信号Ｌｓ)を求めると、図中校正後データとして示すように、滑らかであり且つ正しいデ−タを求めることができる。

図１３は近赤外光線の照射範囲を説明したものであるが、近赤外光線は、透光性基準板２１を透過して被測定物２６の内表面の奥に向けて全体に照射され、被測定物までの測定距離（信号）Ｌｍから、透光性基準板２１までの測定距離（信号）Ｌｓの波形や変化量から第１モータ及び第２モータの軸方向ガタや振動量を検出し、測定距離（信号）Ｌｍに補正をかける。

ここで、測定距離（信号）Ｌｍを補正する上で、測定距離（信号）Ｌｓの基準値を定めるための校正時の方法と、測定時の状態について、図１６と図１７を用いて、具体的に説明する。
図１６は校正時の各測定寸法の説明図、図１７は各測定時の説明図である。

図１６において
Ｄｓ：既知である校正ブロック３０までの真の距離
Ｄ２：校正前のプローブによる各点の測定値
Ｌ２：透光性基準板２１までの測定距離
ターゲット間距離 ：Ｔ 、 Ｔ＝（Ｄ２−Ｌ２）
透光性基準板の基準値：Ｌｓ 、 Ｌｓ＝（Ｄｓ＋Ｔ） である。

図１７において
Ｌ２：透光性基準板２１までの測定距離
Ｄ２：被測定物２６までの測定距離
被測定物２６までの補正後の真値：Ｄ、 Ｄ＝Ｌｓ＋（Ｄ２−Ｌ２）＝Ｌｓ＋Ｔ
または、
軸方向変位量は、（Ｌｓ−Ｌ２）であり、
補正後の真値Ｄ； Ｄ＝Ｄ２−（Ｌ２−Ｌｓ） である。

予め校正により透光性基準板２１の各点のＬｓの値をメモリーしておき、測定時にはＤ２とＬ２を同時に測定することにより、上式により補正値Ｄを得ることができる。

すなわち、透光性基準板２１までの距離を光線により３次元的に計測する時に、校正作業で求めた基準値と、実際の測定時の透光性基準板までの距離の差が、モータ部全体の軸方向の微小な変位（ガタ、振動）である。具体的な補正方法は、予め、校正作業では、図１６に示す透明基準板２１の各点における基準位置を示す基準値Ｌｓを求めておき、次に実際の測定では、図１７の被測定物２６の各点までの距離の測定値Ｄ２から軸方向の変位量：（Ｌｓ−Ｌ２）を相殺して真値：Ｄ＝Ｄ２−（Ｌ２−Ｌｓ）を求めるものである。この「前方に設けた透光性基準板と変位量検出および補正アルゴリズム」が変位検出手段であり、このように得られた被測定物２６までの各点の真値を組合わせ、コンピュータ上で正しい３次元データを構築する。

本実施例の光学式測定装置において、変位は、第１モータ１２の軸方向のガタ、第２モータ１９の軸方向のガタ、その他回転部分の振動の軸方向成分の３つがある。変位検出手段は、これら３つの合計値を検出する。

本発明によれば、このように第１モータまたは第２モータの軸方向のガタおよび回転振動がリアルタイムで検出でき、回転走査部に振れに伴う測定誤差を補正することができるので、高精度での測定が可能である。また、透光性基準板２１までの測定距離（信号）Ｌｓの波形や変化量から軸方向ガタや振動量を検出することができる。

本発明の光学式測定機は、深穴を有する自動車エンジン用噴射ノズルや、小径穴を有する滑り軸受内面及び奥部に光線を照射し、３次元の形状観察画像を得ることができると共に、奥部の寸法及び平面度等の幾何精度の精密測定が可能である。特に、工業用および医療用の測定装置や検査装置への活用が期待される。

１，３１ 固定側光ファイバー
２ 回転側光ファイバー
３、３ａ、３ｂ 第１光路変換手段（プリズムまたはレンズ）
４ 光ファイバー固定具
５ 遮蔽板
６、チューブ（カテーテル）
７ モータコイル
８ モータケース
９ａ、９ｂ 第１軸受
１０ 中空回転軸
１０ａ ホルダー部
１１ ロータ磁石
１２ 第１モータ
１３ 第２回転軸
１４ 可振子
１５ 電歪素子
１６ パターン電極
１７、２３ 電線
１８ａ，１８ｂ 第２軸受
１９ 第２モータ
２０、２０ａ、２０ｂ、１２０、２２０ 第２光路変換手段
２０ｃ、２２０ｃ 集光レンズ
２０ｄ、１２０ａ、２２０ｄ、２２０ｅ プリズム
２１ 透光性基準板
２１ａ 平板部
２２ 回転光コネクター
２４、２４ａ、２４ｂ 第２パルス発生手段
２５、２５ａ、２５ｂ 第１パルス発生手段
２６ 被測定物
２７ 深穴
２９ 走査範囲
３０ 校正ブロック
８０ ベース
８１ スタンド
８２ スライダ
８３ スライダ用モータ
８４ 接続部
８５ 本体
８６ 第１モータドライバ回路
８７ 第２モータドライバ回路
８８ 光干渉解析部
８９ コンピュータ
９０ モニタ

Claims (3)

1. プローブの先端側から光線を３次元放射して立体画像を得る光学式測定装置において、
   プローブは、透光性基準板と、複数のモータと、前記モータの回転軸と一体に回転する回転側光ファイバー及び／又は光路変換手段と、を備え、
   前記回転軸の軸方向の微小変位を検出する変位検出手段を有し、
   前記プローブの本体外装はチューブであって、
   前記モータは、第１モータと第２モータとがあり、
   前記光路変換手段は、前記第１モータの回転軸と一体に回転する第１光路変換手段と、前記第２モータの回転軸と一体に回転する第２光路変換手段とがあり、
   前記チューブ内に、固定側光ファイバーを内蔵し、
   前記固定側光ファイバーと前記回転側光ファイバーとは、回転光コネクターにより光学的に接続され、
   前記第１光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端側に位置し、第１モータにより回転駆動させられ、光線を回転中心に対して角度を傾けて前方に回転放射し、
   前記第２光路変換手段は、前記回転側光ファイバーの先端側に一体に配置され、前記固定側光ファイバーと前記第１光路変換手段の間に位置し、第２モータにより回転駆動させられ、光線を回転中心に対して光路を微小角度傾けて回転放射して前記第１光路手段に向けて照射し、
   光線を固定側光ファイバーから、回転光コネクター、第２光路変換手段、第１光路変換手段の順に透過させ、前方に放射させることを特徴とする光学式測定装置。
2. 前記第１モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第１パルス発生手段と、
   前記第２モータの回転角に応じて少なくとも１回転に１回以上のパルスを発生する第２パルス発生手段を有し、
   前記第１パルス発生手段及び前記第２パルス発生手段からのパルスにより第１及び第２モータの回転速度を調整する制御手段を有し、
   第１モータの回転速度Ｎ１と第２モータの回転速度Ｎ２の関係を、Ｎ２＝Ｎ１−Ｘ［回転／秒］で回転させることで、第１光路変換手段からＮ１［回転／秒］の回転速度で前方に放出させる共に、Ｘ［往復／秒］の速度で光線の回転中心に対する放出角を変化させることを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
3. 前記変位検出手段は、予め定めた前記透光性基準板までの３次元距離情報を基準値とし、前記モータの回転中に得られる前記測定距離データの実際の測定値と、予め定めた前記基準値との差を変位量として検出することを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。

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