JP6862303B2 - 光学測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学測定装置に関する。

測定対象物に光を投射して、イメージセンサでその透過光又は反射光を受けて受光量分布を測定することで、測定対象物の寸法、位置、形状等を測定する光学測定装置が知られている。

このような光学測定装置として、測定空間内に置かれた測定対象物の位置を検出することができる光学測定装置が提案されている（特許文献１）。この光学測定装置では、投光部から、測定対象物が置かれる測定空間へ光が投射される。測定空間を通過した光は、第１の光学系を通して第１のイメージセンサに導かれ、かつ、第２の光学系を通して第２のイメージセンサに導かれる。光軸に直交する方向における測定対象物のエッジの位置は、第１のイメージセンサの出力信号に基づいて算出される。この光学測定装置では、測定空間内における、光軸方向における第１の光学系の第１の焦点の位置と第２の光学系の第２の焦点の位置とが互いに異なるように構成される。これにより、第１のイメージセンサ及び第２のイメージセンサの出力信号に基づいて、測定対象物が、第１の焦点を基準として光軸方向のどの位置にあるかを判定することができる。

特開２０１４−６１３４号公報

ところが、上述の光学測定装置には、以下に示す問題点が有る。上述の光学測定装置は、２つの光学系のそれぞれを介して、２つのイメージセンサによって光を受光して、それぞれの焦点位置を利用して測定対象物の位置を検出している。そのため、測定用の二次元イメージセンサとは別に、位置検出のための一次元イメージセンサが２つ必要となる。また、位置検出のためのイメージセンサに光を導くために、ビームスプリッタやハーフミーなど、光を分岐、配向させる光学部品も必要となる。その結果、光学部品の数が多くなり、光学測定装置が大型化してしまう。そのため、光学測定装置の高コスト化を招き、かつ、各光学部品の調整に多大な労力が必要となってしまう。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、光学測定装置において測定精度の向上を簡易に実現することである。

本発明の第１の態様である光学測定装置は、
測定対象物が配置される測定空間へ、第１の方向に平行に光を投射する投光部と、
受光面に投射される光の二次元分布を示す信号を出力する受光部と、
前記測定空間を通過する光を前記受光部の前記受光面へ導く光学系と、
前記受光部から出力される前記信号に基づいて前記第１の方向における前記測定対象物の位置を検出する制御部と、を有し、
前記受光部の前記受光面は、前記受光面に投射される光の投射方向に対して、前記第１の方向と直交する第２の方向を軸として所定角度だけ傾いており、
前記制御部は、前記受光部から出力される前記信号に基づいて、前記光の二次元分布において前記第２の方向で光量が所定量変化している箇所を検出し、検出した箇所の前記受光面において前記第２の方向と交差する第３の方向での位置を検出し、前記検出した位置に基づいて、前記測定対象物が配置された前記測定空間内の前記第１の方向における位置を検出する、ものである。

本発明の第２の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記制御部は、
前記受光部から出力される前記信号に基づいて、前記光の二次元分布において前記第２の方向における光量の微分値分布を、前記第３の方向の複数の箇所について検出し、
前記微分値分布の極値の絶対値が最大となる前記第３の方向での位置を検出し、
検出した前記第３の方向での位置に基づいて、前記測定対象物が配置された前記測定空間内の前記第１の方向における位置を検出する、ものである。

本発明の第３の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記第３の方向の複数の箇所で検出した前記第２の方向における光量の微分値分布の極値の絶対値が所定の範囲内に収まる場合には、前記測定対象物が前記第２の方向を軸として前記所定角度だけ回転していると判定する、ものである。

本発明の第４の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記光学系は、両側テレセントリック光学系として構成される、ものである。

本発明の第５の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記受光部は、前記第２の方向及び第３の方向に二次元的に配列された複数の受光素子を有する二次元イメージセンサである、ものである。

本発明の第６の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記制御部は、
前記受光面で前記第２の方向に離隔して並んだ像の２つのエッジを検出し、
前記２つのエッジに基づいて、前記２つのエッジの前記第３の方向に対する傾きを検出し、
前記２つのエッジ間の前記第２の方向の距離を、検出した前記傾きに基づいて補正することで、前記２つのエッジ間の距離を算出する、ものである。

本発明の第７の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記２つのエッジは１つの前記測定対象物の像のエッジに対応し、又は、
前記２つのエッジの一方は２つの前記測定対象物の一方の像のエッジに対応し、前記２つのエッジの他方は２つの前記測定対象物の他方の像のエッジに対応する、ものである。

本発明の第８の態様である光学測定装置は、上記の光学測定装置であって、
前記制御部は、前記２つのエッジ間の前記第２の方向の距離に、前記検出した傾きを示す角度の余弦を乗じることで、前記２つのエッジ間の距離を算出する、ものである。

本発明によれば、光学測定装置において測定精度の向上を簡易に実現することができる。

本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。

実施の形態１にかかる光学測定装置の基本構成の上面図である。 実施の形態１にかかる光学測定装置の基本構成の側面図である。 実施の形態１にかかる光学測定装置の構成を模式的に示す図である。 測定空間における焦点位置と各焦点位置における像の結像状態とを模式的に示す図である。 測定空間における焦点位置と各焦点位置における像の結像状態とを模式的に示す図である。 測定空間における焦点位置と各焦点位置における像の結像状態とを模式的に示す図である。 受光部の受光面において二次元的に配列された受光素子と受光面における結像位置とを示す図である。 焦点位置ＦＰ１に対応する像が受光面の結像位置Ｌ１で結像している場合の受光素子の受光量の微分値を示す図である。 焦点位置ＦＰ２に対応する像が受光面の結像位置Ｌ２で結像している場合の受光素子の受光量の微分値を示す図である。 焦点位置ＦＰ３に対応する像が受光面の結像位置Ｌ３で結像している場合の受光素子の受光量の微分値を示す図である。 実施の形態２にかかる光学測定装置での測定対象物の配置を示す図である。 実施の形態２にかかる光学測定装置において受光面に結像する測定対象物の像を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

実施の形態１
以下、実施の形態１にかかる光学測定装置１００について説明する。図１に実施の形態１にかかる光学測定装置１００の基本構成の上面図を示し、図２に実施の形態１にかかる光学測定装置１００の基本構成の側面図を示し、図３に実施の形態１にかかる光学測定装置１００の構成を模式的に示す。

実施の形態１にかかる光学測定装置１００は、投光部１０、光学系２０、受光部３０及び制御部４０を有する。

投光部１０は、筐体（不図示）内に配置された、光源１１、拡散部１２及び投光レンズ１３を有する。

投光部１０の光源１１から出射された光は、拡散部１２により等方的に（図３のＹ方向及びＺ方向に）拡散され、その後、投光レンズ１３により平行光となり、光学系２０に向かって投射される。

以下では、平行光が通過する投光部１０と光学系２０との間の、測定対象物５００が置かれる空間を測定空間１０１と称する。また、測定空間１０１において、平行光の進行方向と逆方向をＸ方向（第１の方向とも称する）、Ｘ方向に垂直な面内で互いに直交する方向をＹ方向（第３の方向とも称する）及びＺ方向（第２の方向とも称する）とする。換言すれば、Ｘ方向は測定空間１０１を通過する平行光の光軸と平行な方向であり、Ｙ方向は測定空間１０１を通過する平行光の厚み方向であり、Ｚ方向は測定空間１０１を通過する平行光の幅方向である。

光学系２０は、筐体（不図示）内に配置された第１のレンズ２１、絞り２２及び第２のレンズ２３を有する。

光学系２０に入射した平行光は、第１のレンズ２１により集光され、絞り２２の開口部を通過し、第２のレンズ２３によって再び平行光となる。第２のレンズ２３を透過した平行光は、受光部３０に入射する。なお、測定対象物５００がＸ方向で位置がばらついた場合に、受光部３０の受光面３１での像の寸法変動を避ける必要があるため、光学系２０は両側テレセントリック光学系として構成されることが望ましい。

受光部３０は、二次元イメージセンサとして構成される。二次元イメージセンサとしては、二次元ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサ、二次元ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサなど、複数の画素が二次元的に配列された各種の二次元イメージセンサを用いることが可能である。受光部３０の二次元イメージセンサでは、複数の画素が、その受光面３１において、第２のレンズ２３から入射する平行光の厚み方向（Ｙ方向）及び幅方向（Ｚ方向）に二次元的に配列されるように配置される。受光部３０は、受光面３１での受光量分布を示すアナログ信号である信号ＳＩＧを出力する。

また、この二次元イメージセンサは、受光面３１が入射する平行光の光軸に垂直な面に対して角度θだけ傾くように、換言すれば、受光面３１がＺ方向を軸として角度θだけ回転するように配置される。従って、受光面３１は、厳密にはＺ方向と、Ｙ方向に対してＺ方向を軸として角度θだけ回転した方向とに平行な面であることが理解できる。しかしながら、角度θは比較的小さな値となるため、説明の簡略化のため、以下では受光面３１においてＺ方向に直交する方向を、便宜的にＹ方向として説明する。

制御部４０は、筐体（不図示）内に収容された、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ:Analog to Digital）変換器４１、中央演算処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）４２、メモリ４３、入力装置４４、出力装置４５及び表示装置４６を有する。

Ａ／Ｄ変換器４１は、受光部３０から出力される信号ＳＩＧをデジタル信号に変換し、変換したデジタル信号をＣＰＵ４２へ出力する。なお、この際、Ａ／Ｄ変換器４１から出力されるデジタル信号が示す受光面３１の受光量分布を保持するため、図示しないメモリにデジタル信号を格納してもよい。

ＣＰＵ４２は、受け取ったデジタル信号に所定の信号処理を行い、測定対象物５００の測定動作を行い、測定対象物５００が測定空間１０１のいずれの位置にいるかを検出し、測定対象物のＺ軸に対する傾きを検出し、又は、受光部３０の受光量分布を表示可能な形式に変換したりすることが可能に構成される。ＣＰＵ４２での検出結果や演算結果は適宜メモリ４３に書き込み可能であり、かつ、ＣＰＵ４２は必要に応じて所望のデータをメモリ４３から読み出すことが可能である。

メモリ４３には、制御部４０の制御プログラムが記憶されていてもよい。ＣＰＵ４２は、メモリ４３から制御プログラムを読み出すことで、自己の演算プロセスや光学測定装置１００の測定動作を実行してもよい。また、図示しないが、ＣＰＵ４２は、制御プログラムに従って投光部１０の投光動作を制御するとともに、光学測定装置１００に組み込まれた各種回路での動作を制御してもよい。

なお、メモリ４３は、制御部４０によってデータの書き込み及び読み出しが行われるデータと上記の制御プログラムとが同じ記憶装置に記憶されてもよいし、同じ記憶装置内で領域を分けてデータと制御プログラムとを別個に記憶してもよいし、複数の記憶装置を設けてデータと制御プログラムとを物理的に分離して記憶してもよく、種々の記憶方法をとってもよい。メモリ４３としては、ハードディスク、ＳＳＤ(Solid State Drive)、フラッシュメモリなどの各種の記憶装置を用いることが可能である。

入力装置４４は、光学測定装置１００に各種のデータやコマンドを与えるための装置であり、スイッチ、ジョイスティック、キーボード、マウス、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）ポートなどの各種の入力装置を用いることができる。

出力装置４５は、各種のデータや測定結果などを光学測定装置１００の外部に出力するための装置であり、プリンタやＵＳＢポートなどの各種の出力装置を用いることができる。

表示装置４６は、光学測定装置１００における各種の設定内容、データ、測定の進捗状況、測定結果やユーザの操作に供する情報を視認可能に表示するための装置であり、液晶ディスプレイなどの各種の表示装置を用いることができる。また、表示装置４６は、ＣＰＵ４２から測定不可信号が与えられた場合には、測定対象物５００が測定空間１０１から外れたことを示す情報を表示することもできる。

次いで、光学測定装置１００の動作について、図を参照して説明する。図４〜図６は、測定空間１０１における焦点位置と各焦点位置における像の結像状態とを模式的に示す図である。図４〜図６では、焦点位置としてＹ−Ｚ平面に平行な焦点面を考慮した。ここでは、測定空間１０１内のＸ方向で位置が異なる焦点位置として、焦点位置ＦＰ１〜ＦＰ３を想定した。焦点位置ＦＰ１は受光部３０に最も近く、焦点位置ＦＰ３は受光部３０から最も遠く、焦点位置ＦＰ２は焦点位置ＦＰ１と焦点位置ＦＰ３との中間とした。図４〜図６に示すように、焦点位置ＦＰ１〜ＦＰ３に対応する像が、受光部３０の受光面３１においてＹ方向に離隔している結像位置Ｌ１〜Ｌ３でそれぞれ結像するように、角度θが調整されている。なお、図２では、受光面３１の結像位置Ｌ２に到達する光線を代表例として表示している。

ここでは、上記の結像位置Ｌ１〜Ｌ３を用いて光学測定装置１００の構成及び動作を説明するが、これは、受光部３０における受光面３１での受光量分布の位置依存性を説明するための便宜上のものに過ぎず、結像位置Ｌ１〜Ｌ３は固定的な位置ではなく、適宜選択することが可能である。また、結像位置Ｌ１〜Ｌ３の数もあくまで例示にすぎず、適宜任意の数の結像位置を設定してもよい。

図４に示すように、測定対象物５００のエッジが受光部３０の受光面３１に近い焦点位置ＦＰ１にある場合、測定対象物５００のエッジを通過して受光面３１に入射する光は、上面図において、受光面３１のうちで第２のレンズ２３から最も遠い結像位置Ｌ１で結像することとなる。結像位置Ｌ１以外のＹ方向の位置では、焦点位置ＦＰ１に対応する像が受光面３１では結像しない。なお、以下では、説明の簡略化のため、測定対象物５００として円柱形状の物体を想定し、円柱の軸方向をＹ方向と平行な方向として説明する。

図７に、受光部３０の受光面３１においてＹ方向及びＺ方向に二次元的に配列された受光素子３２と受光面３１における結像位置とを示す。図７に示すように、焦点位置ＦＰ１に対応する結像位置Ｌ１は、Ｚ方向に配列された受光素子３２の列のうち、受光面３１の中心からＹ軸のマイナス方向側に位置する列に沿った位置となることが理解できる。なお、図７に示す線ＯＢＪは、例えば円柱形状の測定対象物５００をこの円柱の中心軸がＹ軸に平行になるように測定空間１０１内に配置して、Ｘ方向から観察したときにＹ方向に平行な円柱の輪郭、すなわち円柱の側面のエッジの像の位置を示すものであり、ここでは円柱の側面の上側（受光面３１の中心からＺ軸のプラス方向側）のエッジを示すものとする。

焦点位置ＦＰ３に対応する結像位置Ｌ３は、Ｚ方向に配列された受光素子３２の列のうち、受光面３１の中心からＹ軸のプラス方向側に位置する列に沿った位置となることが理解できる。

焦点位置ＦＰ２に対応する結像位置Ｌ２は、Ｚ方向に配列された受光素子３２の列のうち、結像位置Ｌ１と結像位置Ｌ３との中間付近の列に沿った位置となることが理解できる。

結像位置Ｌ１では、焦点位置ＦＰ１に対応する像が結像しているため、結像位置Ｌ１の線ＯＢＪ付近では、円柱のエッジによって受光素子３２での受光量はＺ方向で暗から明へ急峻に変化する。結像位置Ｌ２では、像が結像せずに（ピンぼけ状態）光が照射されるため、結像位置Ｌ１と比べて強度が小さな光が照射される。結像位置Ｌ３では、像がよりぼけた状態（ピンぼけ状態）で光が照射されるため、結像位置Ｌ２と比べて更に強度が小さな光が照射される。

結像位置Ｌ１〜Ｌ３での受光素子３２の受光量をＺについて微分すると、それぞれの結像位置において微分値は極値をとる。ここでは、像が暗から明へ急峻に変化する場合について考慮するため、結像位置Ｌ１〜Ｌ３での受光素子３２の受光量をＺについて微分すると、それぞれの結像位置において微分値は極大値をとる。図８に、焦点位置ＦＰ１に対応する像が受光面３１の結像位置Ｌ１で結像している場合の受光素子の受光量の微分値を示す。図８に示すように、結像位置Ｌ１では、像が結像しているため、受光量の変化が大きくなる。そのため、結像位置Ｌ１における受光量Ｉ（Ｌ１）の微分値（ΔＩ／ΔＺ）は、極大値（ピーク値）が大きく、かつ狭い範囲で分布することとなる。これに対し、焦点位置ＦＰ１に対応する像は受光面３１の結像位置Ｌ２及びＬ３では結像しないため（ピンボケ状態）、結像位置Ｌ２及びＬ３の線ＯＢＪ付近では受光素子３２での受光量のＺ方向の変化は無いか、または緩やかである。そのため、図８に示すように、結像位置Ｌ２における受光量Ｉ（Ｌ２）の微分値と結像位置Ｌ３における受光量Ｉ（Ｌ３）の微分値とは、結像位置Ｌ１と比べて極大値（ピーク値が小さく、かつ結像位置Ｌ１から離れるに従って緩やかな分布を示す。

以上より、結像位置Ｌ１での受光量Ｉ（Ｌ１）の微分値（ΔＩ／ΔＺ）のピーク値（極大値）は、結像位置Ｌ２及びＬ３と比較して大きくなることが理解できる。よって、図８に示す例では、測定対象物５００の焦点位置、すなわちエッジが焦点位置ＦＰ１にあるものと判断することができる。このように、受光量Ｉの微分値（ΔＩ／ΔＺ）の極大値がいずれの結像位置で最大となるかを判定することで、測定対象物５００の像が結像している結像位置を決定することができる。

次いで、図５に示すように、測定対象物５００のエッジが受光部３０の受光面３１に２番目に近い焦点位置ＦＰ２にある場合、焦点位置ＦＰ２に置かれた測定対象物５００のエッジを通過して受光面３１に入射する光は、上面図において、受光面３１のうちで中央付近の位置Ｌ２で結像することとなる。結像位置Ｌ２以外のＹ方向の位置では、焦点位置ＦＰ２に対応する像が受光面３１では結像しない（ピンボケ状態）。

結像位置Ｌ２では、焦点位置ＦＰ２に対応する像が結像しているため、結像位置Ｌ２の線ＯＢＪ付近では、円柱のエッジによって受光素子３２での受光量はＺ方向で暗から明へ急峻に変化する。結像位置Ｌ１及びＬ３では、像が結像せずに（ピンぼけ状態）光が照射されるため、結像位置Ｌ２と比べて強度が小さな光が照射される。

結像位置Ｌ１〜Ｌ３での受光素子３２の受光量をＺについて微分すると、それぞれの結像位置において微分値は極大値をとる。図９に、焦点位置ＦＰ２に対応する像が受光面３１の結像位置Ｌ２で結像している場合の受光素子の受光量の微分値を示す。図９に示すように、結像位置Ｌ２では、像が結像しているため、受光量の変化が大きくなる。そのため、結像位置Ｌ２における受光量Ｉ（Ｌ２）の微分値（ΔＩ／ΔＺ）は、極大値（ピーク値）が大きく、かつ狭い範囲で分布することとなる。これに対し、焦点位置ＦＰ２に対応する像は受光面３１の結像位置Ｌ１及びＬ３では結像しないため（ピンボケ状態）、結像位置Ｌ１及びＬ３の線ＯＢＪ付近では、受光素子３２での受光量のＺ方向の変化は無いか、または緩やかである。そのため、図９に示すように、結像位置Ｌ１における受光量Ｉ（Ｌ１）の微分値と結像位置Ｌ３における受光量Ｉ（Ｌ３）の微分値とは、結像位置Ｌ２と比べて極大値（ピーク値）が小さく、かつ結像位置Ｌ１よりも緩やかな分布を示す。

以上より、結像位置Ｌ２での受光量Ｉ（Ｌ２）の微分値（ΔＩ／ΔＺ）の極大値は、結像位置Ｌ１及びＬ３と比較して大きくなることが理解できる。よって、図９に示す例では、測定対象物５００の焦点位置、すなわちエッジが焦点位置ＦＰ２にあるものと判断することができる。

次いで、図６に示すように、測定対象物５００のエッジが受光部３０の受光面３１から最も遠い焦点位置ＦＰ３にある場合、焦点位置ＦＰ３に置かれた測定対象物５００のエッジを通過して受光面３１に入射する光は、上面図において、受光面３１のうちで第２のレンズ２３から最も近い位置Ｌ３で結像することとなる。結像位置Ｌ３以外のＹ方向の位置では、焦点位置ＦＰ３に対応する像が受光面３１では結像しない（ピンボケ状態）。

結像位置Ｌ３では、焦点位置ＦＰ３に対応する像が結像しているため、結像位置Ｌ３の線ＯＢＪ付近では、円柱のエッジによって受光素子３２での受光量はＺ方向で暗から明へ急峻に変化する。結像位置Ｌ１及びＬ２では、像が結像せずに（ピンぼけ状態）光が照射されるため、結像位置Ｌ３と比べて強度が小さな光が照射される。

結像位置Ｌ１〜Ｌ３での受光素子３２の受光量をＺについて微分すると、それぞれの結像位置において微分値は極大値をとる。図１０に、焦点位置ＦＰ３に対応する像が受光面３１の結像位置Ｌ３で結像している場合の受光素子の受光量の微分値を示す。図１０に示すように、結像位置Ｌ３では、像が結像しているため、受光量の変化が大きくなる。そのため、結像位置Ｌ３における受光量Ｉ（Ｌ３）の微分値（ΔＩ／ΔＺ）は、極大値（ピーク値）が大きく、かつ狭い範囲で分布することとなる。これに対し、焦点位置ＦＰ３に対応する像は受光面３１の結像位置Ｌ１及びＬ２では結像しないため（ピンボケ状態）、結像位置Ｌ１及びＬ２の線ＯＢＪ付近では、受光素子３２での受光量のＺ方向の変化は無いか、または緩やかである。そのため、図１０に示すように、結像位置Ｌ１における受光量Ｉ（Ｌ１）の微分値と結像位置Ｌ２における受光量Ｉ（Ｌ２）の微分値とは、結像位置Ｌ２と比べて極大値（ピーク値）が小さく、かつ結像位置Ｌ３から離れるに従って緩やかな分布を示す。

以上より、結像位置Ｌ３での受光量Ｉ（Ｌ３）の微分値（ΔＩ／ΔＺ）の極大値は、結像位置Ｌ１及びＬ２と比較して大きくなることが理解できる。よって、図１０に示す例では、測定対象物５００の焦点位置、すなわちエッジが焦点位置ＦＰ３にあるものと判断することができる。

以上説明したように、受光面３１において、Ｙ方向のいずれの位置で受光量の微分値の極大値が最大となるかによって、焦点位置のＸ方向の位置、すなわち被測定物が測定空間１０１のどの位置に配置されているかを検出することができる。

また、測定対象物５００の概略形状がわかっている場合には、測定対象物５００によっては、結像位置Ｌ１〜Ｌ３の全てで像が結像する場合がある。この場合、結像した像に対応する測定対象物５００のエッジが概ね直線である場合には、測定対象物５００のＺ方向を回転軸とする回転量を検出することも可能である。この場合、結像位置Ｌ１〜Ｌ３では、受光量のＺ方向の微分値がそれぞれ極大値をとるが、これらの極大値が所定の範囲内に収まっている場合に結像位置Ｌ１〜Ｌ３の全てで像が結像していると判定することが可能である。

本構成では、二次元イメージセンサを１つ用いるだけでよいので、複数のイメージセンサを用いて同様の動作を行う光学測定装置と比べて装置構成を簡素化できるので、製造コストの削減、メンテナンス性及び信頼性の向上、光学部品の調整の簡易化を実現することができる。また、複数のイメージセンサに光を分配する必要がないので、ビームスプリッタやハーフミラーを配置せずともよいので、部品点数を削減でき、かつ、各イメージセンサに入射する光量の減少を防止できる。その結果、測定精度の向上、測定の高速化を図ることができる。また、ハーフミラーの使用を回避できるので、これによるゴースト発生の懸念を解消することもできる。

実施の形態２
以下、実施の形態２にかかる光学測定装置について説明する。上述の実施の形態１では、円柱形状の測定対象物５００は、軸方向がＹ方向に平行であるものとしたが、測定対象物５００を測定空間１０１に置くときの状態によっては、円柱の軸方向がＹ方向と平行ではなくなることが考え得る。図１１に、実施の形態２にかかる光学測定装置での測定対象物の配置を示す。本実施の形態では、図１１に示すように、測定対象物５００のエッジが焦点位置ＦＰ１〜ＦＰ３に位置するように、測定対象物５００はＺ方向を軸として角度θだけ回転している。また、測定対象物５００の軸は、Ｙ方向に対して角度φだけ回転している。

この場合、測定対象物５００の像が受光部３０の受光面３１上に結像する。図１２に、実施の形態２にかかる光学測定装置において受光面に結像する測定対象物の像を示す図である。図１２では、像の暗部を符号５０１で示している。図１２に示すように、測定空間１０１において測定対象物５００の軸方向がＹ方向に対して角度φだけ回転しているので、受光面３１上の像もＹ方向に対して角度φだけ傾いている。この状態で測定対象物５００のＺ方向の寸法を測定してしまうと、傾きによって、実際の測定対象物５００の寸法よりも長い寸法Ｗａが測定されてしまう。

そこで、本実施の形態では、像が結像したときの受光面３１上での受光量分布を用いて傾きを補正し、測定対象物５００の寸法を正確に求める方法について検討する。なお、図１２では、受光素子３２が配列されている領域を、受光領域３３として表示している。

まず、光学測定装置１００は、像が結像したときの受光面３１上での受光量分布を測定し、ＣＰＵ４２は測定した受光量分布をメモリ４３に書き込む。

ＣＰＵ４２は、結像位置Ｌ１近傍の受光素子３２のＺ方向の列（例えば、２列程度）が検出した受光量データをメモリ４３から読み込み、受光量が急峻に変化する端点Ｐ１１と端点Ｐ１２とを算出する。なお、言うまでもないが、端点Ｐ１１と端点Ｐ１２とは、Ｚ方向に平行な線上に位置する点である。その後、ＣＰＵ４２は、端点Ｐ１１と端点Ｐ１２との間の中点Ｐ１３を算出する。

ＣＰＵ４２は、結像位置Ｌ３近傍の受光素子３２のＺ方向の列（例えば、２列程度）が検出した受光量データをメモリ４３から読み込み、受光量が急峻に変化する端点Ｐ３１と端点Ｐ３２とを算出する。なお、言うまでもないが、端点Ｐ３１と端点Ｐ３２とは、Ｚ方向に平行な線上に位置する点である。その後、ＣＰＵ４２は、端点Ｐ３１と端点Ｐ３２との間の中点Ｐ３３を算出する。

ＣＰＵ４２は、中点Ｐ１３と中点Ｐ３３とを結ぶ線とＹ方向との傾き、すなわち角度φを算出する。

ＣＰＵ４２は、結像位置Ｌ２近傍の受光素子３２のＺ方向の列（例えば、４列程度）が検出した受光量データをメモリ４３から読み込み、受光量が急峻に変化する端点Ｐ２１と端点Ｐ２２とを算出する。なお、言うまでもないが、端点Ｐ２１と端点Ｐ２２とは、Ｚ方向に平行な線上に位置する点である。

その後、ＣＰＵ４２は、端点Ｐ２１と端点Ｐ２２との間のＺ方向の寸法Ｗａを算出する。そして、寸法Ｗａにｃｏｓφを乗じることで、測定対象物５００の正確な寸法Ｗｔを算出することができる。

以上、本構成によれば、イメージセンサの受光面における像に傾きが生じた場合でも、受光面での受光量分布を用いて像の傾きを検出し、傾き補正を行って測定対象物５００の寸法を正確に検出することができる。

また、本構成によれば、受光面での受光量分布データのうち一部だけを用いて傾き補正を行うため、正確な寸法測定を正確かつ高速に行うことが可能となる。

なお、本実施の形態では、単一の測定対象物５００の像が受光部３０の受光面３１上に結像し、像の暗部５０１の幅を測定する例について示したが、これは例示に過ぎない。例えば、２つの測定対象物の像の間に存在する明部の幅についても、同様の補正を行って測定できることはいうまでもない。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、結像位置Ｌ１〜Ｌ３での結像状態と様々な形状を有する測定対象物との関係を予め把握しておくことで、結像位置Ｌ１〜Ｌ３での結像を観察することで、結像位置Ｌ１〜Ｌ３の一部又は全部で像が結像しない場合でも、測定対象物の回転量を検出できる構成とすることも可能である。

また、結像位置Ｌ１〜Ｌ３の一部又は全部における受光量の微分値のＺ座標を特定することで、測定空間１０１における測定対象物５００の位置が検出できることは、言うまでもない。

上述の光学測定装置には、例えば他の制御装置や表示装置などを接続することで、光学測定装置の外部から測定動作を制御する構成とすることも可能である。

上述の光学測定装置の光学系は例示に過ぎず、光源から投射され、測定空間を通過した平行光の光軸に対して二次元イメージセンサを傾けて配置できる限り、他の構成の光学系を用いてもよい。

上記の制御部の構成は例示に過ぎず、上述の実施の形態と同様の動作を実現できる限り、他の構成としてもよい。

上述の実施の形態では、受光部３０を構成する二次元イメージセンサがアナログ信号である信号ＳＩＧを出力し、制御部４０のＡ／Ｄ変換器が信号ＳＩＧをデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号がＣＰＵ４２に入力される構成について説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、受光部３０を構成する二次元イメージセンサ内にＡ／Ｄ変換器変換器を設け、検出結果を示すアナログ信号を二次元イメージセンサ内でアナログ／デジタル変換し、変換後のアナログ信号を制御部４０のＣＰＵ４２に与える構成としてもよい。これにより、制御部の構成を簡素化し、コストダウンと実装面積の縮小化を図ることが可能となる。

上述の実施の形態では、像が暗から明へ急峻に変化する場合について考慮し、受光素子３２の受光量をＺについて微分し、微分値が極大値をとる位置を検出する例について説明した。これに対し、像が明から暗へ急峻に変化する場合について考慮したときには、受光素子３２の受光量をＺについて微分し、微分値が極小値をとる位置を検出し、そして極小値が最小となる受光面におけるＹ方向の位置を検出してもよい。すなわち、微分値が極大値及び極小値を含む極値を検出し、検出した極値の絶対値が受光面のＹ方向のいずれの位置で最大になるかを検出できればよい。

また、受光部３０を構成する二次元イメージセンサセンサの回転角度θを調節することで、例えば焦点位置ＦＰ１と焦点位置ＦＰ３との間の距離が可変となる。これにより、角度θを大きくすることで、測定空間１０１内のＸ軸方向の焦点位置観測範囲を広くすることができる。角度θが０の場合は、焦点位置ＦＰ１及びＦＰ３は、焦点位置ＦＰ２と一致する。この場合、結像位置Ｌ１〜Ｌ３でほぼ同等の微分値が検出されるので、検出した微分値を平均する事でより精度が高いエッジ検出が可能となる。このように、適宜角度θを調整することで、所望の焦点位置観測範囲やエッジ検出を使い分けることも可能である。角度θの調整は、例えば、受光部３０に連結されたアクチュエータ（不図示）などを制御部４０が駆動することで実現するこができる。

１０ 投光部
１１ 光源
１２ 拡散部
１３ 投光レンズ
２０ 光学系
２１ 第１のレンズ
２２ 絞り
２３ 第２のレンズ
３０ 受光部
３１ 受光面
３２ 受光素子
３３ 受光領域
４０ 制御部
４１ Ａ／Ｄ変換器
４２ ＣＰＵ
４３ メモリ
４４ 入力装置
４５ 出力装置
４６ 表示装置
１００ 光学測定装置
１０１ 測定空間
５００ 測定対象物
ＦＰ１〜ＦＰ３ 焦点位置
Ｌ１〜Ｌ３ 結像位置
ＳＩＧ 信号

Claims (8)

1. 測定対象物が配置される測定空間へ、第１の方向に平行に光を投射する投光部と、
   受光面に投射される光の二次元分布を示す信号を出力する受光部と、
   前記測定空間を通過する光を前記受光部の前記受光面へ導く光学系と、
   前記受光部から出力される前記信号に基づいて前記第１の方向における前記測定対象物の位置を検出する制御部と、を備え、
   前記受光部の前記受光面は、前記受光面に投射される光の投射方向に対して、前記第１の方向と直交する第２の方向を軸として所定角度だけ傾いており、
   前記制御部は、前記受光部から出力される前記信号に基づいて、前記光の二次元分布において前記第２の方向で光量が所定量変化している箇所を検出し、検出した箇所の前記受光面において前記第２の方向と交差する第３の方向での位置を検出し、前記検出した位置に基づいて、前記測定対象物が配置された前記測定空間内の前記第１の方向における位置を検出する、
   光学測定装置。
2. 前記制御部は、
   前記受光部から出力される前記信号に基づいて、前記光の二次元分布において前記第２の方向における光量の微分値分布を、前記第３の方向の複数の箇所について検出し、
   前記微分値分布の極値の絶対値が最大となる前記第３の方向での位置を検出し、
   検出した前記第３の方向での位置に基づいて、前記測定対象物が配置された前記測定空間内の前記第１の方向における位置を検出する、
   請求項１に記載の光学測定装置。
3. 前記第３の方向の複数の箇所で検出した前記第２の方向における光量の微分値分布の極値の絶対値が所定の範囲内に収まる場合には、前記測定対象物が前記第２の方向を軸として前記所定角度だけ回転していると判定する、
   請求項２に記載の光学測定装置。
4. 前記光学系は、両側テレセントリック光学系として構成される、
   請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学測定装置。
5. 前記受光部は、前記第２の方向及び第３の方向に二次元的に配列された複数の受光素子を有する二次元イメージセンサである、
   請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学測定装置。
6. 前記制御部は、
   前記受光面で前記第２の方向に離隔して並んだ像の２つのエッジを検出し、
   前記２つのエッジに基づいて、前記２つのエッジの前記第３の方向に対する傾きを検出し、
   前記２つのエッジ間の前記第２の方向の距離を、検出した前記傾きに基づいて補正することで、前記２つのエッジ間の距離を算出する、
   請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光学測定装置。
7. 前記２つのエッジは１つの前記測定対象物の像のエッジに対応し、又は、
   前記２つのエッジの一方は２つの前記測定対象物の一方の像のエッジに対応し、前記２つのエッジの他方は２つの前記測定対象物の他方の像のエッジに対応する、
   請求項６に記載の光学測定装置。
8. 前記制御部は、前記２つのエッジ間の前記第２の方向の距離に、前記検出した傾きを示す角度の余弦を乗じることで、前記２つのエッジ間の距離を算出する、
   請求項６又は７に記載の光学測定装置。

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