JPH0371044B2

JPH0371044B2 -

Info

Publication number: JPH0371044B2
Application number: JP60188891A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Kuwabara; Masaki Tomitani
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1985-08-28
Filing date: 1985-08-28
Publication date: 1991-11-11
Also published as: JPS6249202A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

この発明は光学式測定装置に係り、特に、平行
走査光線ビームを利用して被測定物の寸法等を測
定する光学式測定装置の改良に関する。

【従来の技術】

従来、回転走査ビーム（レーザビーム）をコリ
メータレンズによりこのコリメータレンズと集光
レンズ間を通る平行走査ビームに変換し、該コリ
メータレンズと集光レンズの間に被測定物を置
き、この被測定物によつて前記平行走査ビームが
遮られて生じる暗部又は明部の時間の長さから被
測定物の寸法を測定する光学式測定装置があつ
た。これは、例えば第６図に示す如く、レーザ管１
０からレーザビーム１２を固定ミラー１４に向け
て発振し、この固定ミラー１４により反射された
レーザビーム１２を多角形回転ミラー１６によつ
て回転走査ビーム１７に変換し、この走査ビーム
１７をコリメータレンズ１８によつて平行走査ビ
ーム２０に変換し、この平行走査ビーム２０によ
りコリメータレンズ１８と集光レンズ２２の間に
配置した被測定物２４を高速走査し、その時被測
定物２４によつて生じる暗部又は明部の時間の長
さから、被測定物２４の走査方向（Ｙ方向）寸法
を測定するものである。即ち、平行走査ビーム２
０の明暗は、集光レンズ２２の焦点位置にある受
光素子２６の出力電圧の変化となつて検出され、
該受光素子２６からの信号は、プリアンプ２８に
入力され、ここで増幅された後、セグメント選択
回路３０に送られる。このセグメント選択回路３
０は、受光素子２６の出力電圧から被測定物２４
が走査されている時間ｔの間だけゲート回路３２
を開くための電圧Ｖを発生して、ゲート回路３２
に出力するようにされている。このゲート回路３
２には、クロツクパルス発振器３４からクロツク
パルスCPが入力されているので、ゲート回路３
２からは被測定物２４の走査方向寸法（例えば外
径）に対応した時間ｔに対応するクロツクパルス
Ｐを計数回路３６に入力する。計数回路３６は、
このクロツクパルスＰを計数して、デジタル表示
器３８に計数信号を出力し、デジタル表示器３８
は被測定物２４の走査方向寸法即ち外径をデジタ
ル表示することになる。一方、前記多角形回転ミ
ラー１６は、前記クロツクパルス発振器３４出力
と同期して正弦波を発生する同期正弦波発振器４
０及びパワーアンプ４２の出力により同期駆動さ
れている同期モータ４４により、前記クロツクパ
ルス発振器３４出力のクロツクパルスCPと同期
して回転され、測定精度を維持するようにされて
いる。このような高速度走査型レーザ測長機は、移動
する物体、高温物体の長さ、厚み等を非接触で高
精度に測定できるので広く利用されつつある。ここで、例えばUSP3，765，774号に開示され
るように、前記に多角形回転ミラーを平面鏡とし
て、光源からのビームを該回数平面ミラーの、回
転中心軸上の一点で常に反射して、コリメータレ
ンズへの入射光を一定とし、この結果として平行
走査ビームを安定させるようにしたものがある。しかしながら、このように平面鏡を回転させる
場合は、平行走査ビームの走査方向の速度が制限
されて、単位時間当りの測定回数が少なくなるた
めに、測定精度を向上することができず、又、平
行走査ビームに速度変化が生じて、これによつて
も測定精度を一定以上向上させることができない
という問題点がある。これに対して、例えばUSP3，961，838に開示
されるように、コリメータレンズへの入射角θに
応じて、平行走査ビームの中心光軸からの高さｈ
＝kθとなるようにして、平行走査ビームの速度
一定となるようにしたものがある。しかしながら、この場合においても、光源から
のビームを反射するための手段として平面鏡を使
う場合は前述の如く測定精度向上に限界があり、
又、第６図に示されるように多角形回転ミラーを
利用した場合は、その反射面がコリメータレンズ
の光軸上で前後方向に周期的に変化するために、
測定誤差が生じるという問題点がある。これに対しては特開昭59−17971号によつて提
案されるように、一定の球面周差を備えたfθレン
ズを用いたものがある。

【発明が解決しようとする問題点】

しかしながら、更に測定の高精度化が要求され
る今日では、上記の三者においても、測定精度向
上に限界があるという問題点がある。即ち、いずれの場合であつても、回転ミラー、
コリメータレンズ等の要素を高精度で製造するこ
とが必要となり、その製造コストが大幅に増大す
ると共に、各要素間の位置決め、調整によつて、
測定精度を向上させるには限界がある。更に、上記のような多角形回転ミラーを駆動す
る同期モータは、一般的には短周期の変動（一回
転以内の変動）及び長周期の変動があり、前者は
フライホイールを設けることにより除去すること
が容易であるが、後者の長周期の変動を除去する
ことは困難であつた。これに対しては、ヒステリシスシンクロナスモ
ータやTLL制御によるDCモータを使用すること
も考えられるが、この場合はコストが大幅に増大
してしまうという問題点がある。これに対して、第６図に示されるように、平行
走査ビーム２０の中に一対のピン２１，２１を配
置し、この一対のピン２１，２１の間の実測値及
び測定値の比から、モータの回転をモニタしてこ
れを補正するようにしたものがある。又、第６図において２点鎖線で示されるよう
に、回転走査ビーム１７の走査方向両端近傍位置
に一対の光電変換器２３，２３を設け、これらの
光電変換器から出力信号の立ち上がり又は立ち下
がり間の時間に基づく測定値と、これらの光電変
換器間の実測値との比からモータの回転をモニタ
して測定値を補正するようにしたものがある。しかしながら、これらはいずれも、走査ビーム
の径が大きい個所で走査ビームが一対のピン２
１，２１あるいは一対の光電変換器２３，２３を
走査するようになつているために、これらのエツ
ジ検出精度が低く、このため測定回数を多くして
平均化による測定精度の向上を計らざるを得ない
という問題点がある。又、一対の光電変換器を利用した場合は、これ
ら一対の光電変換器の感度のドリフト及びアンプ
系のドリフトが測定精度を悪化させるという問題
点がある。

【発明の目的】

この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされた
ものであつて、回転ミラー、レンズ等の寸法精度
及び組立て精度を極端に高くしたり、測定回数を
増大したりすることなく、測定精度を向上させる
ことができるようにした光学式測定装置を提供す
ることを目的とする。

【問題点を解決するための手段】

この発明は、ビーム発生器からの入射ビームを
反射して回転走査ビームとする多角形回転ミラ
ー、該回転走査ビームを平行走査ビームとするコ
リメータレンズ、を含む平行走査ビーム発生装置
と、被測定物を通過した前記平行走査ビームの明
暗を検出する光電変換器と、一定周波数の基準信
号を発生する基準信号発生器と、を有し、前記平
行走査ビーム発生装置と前記光電変換器の間に配
置した被測定物によつて前記平行走査ビームの一
部が遮られて生じる暗部又は明部の時間の長さ
を、該光電変換器の出力時間に対応する基準信号
発生器からの基準信号を計数して被測定物の走査
方向寸法を求めるようにした光学式測定装置にお
いて、前記多角形回転ミラーと前記被測定物との
間の位置に、前記回転走査ビーム及び平行走査ビ
ームの一方を検出すべく配置され、受光に対応し
て信号を出力する第２の光電変換器と、この第２
の光電変換器及び前記光電変換器の出力信号に基
づき、該第２の光電変換器の走査ビームによる走
査開始時点を基準として、被測定物の走査開始時
点までの間第１のゲート信号を出力し、且つ走査
終了時点までの間第２のゲート信号を出力する回
路と、これら第１及び第２のゲート信号が出力さ
れている間の前記基準信号発生器からの出力信号
を計数する第１及び第２のカウンタと、前記第２
の光電変換器の信号の出力開始時における前記走
査ビームの位置を原点とした走査範囲を区分する
任意の複数位置までの走査時間に対応する前記基
準信号の数、及び、前記原点から前記複数の位置
での、前記平行走査ビーム発生装置の光学的誤差
に対応する前記基準信号の数の補正値を記憶して
いる記憶装置と、前記第１及び第２のカウンタで
の計数値を、前記記憶装置に記憶された補正値に
より補正する補正回路と、この補正回路により補
正された前記第１及び第２のカウンタの計数値の
差を演算する演算器と、を設けることにより上記
目的を達成するものである。

【作用】

この発明において、第２の光電変換器を原点と
する基準信号のカウント数に対応して、予め平行
走査ビームの光学系における誤差が記憶装置に記
憶されていて、第２の光電変換器から被測定物の
走査開始時点及び走査終了時点に対応するカウン
タのカウント値を、前記記憶された光学系の誤差
に基づき補正するので、回転ミラーやコリメータ
レンズの寸法精度及び取付け精度の如何に拘わら
ず、それが許容範囲内であるならば、測定値を補
正して、測定精度の向上を図ることができる。

【実施例】

以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。この実施例は、第１図及び第２図に示されるよ
うに、ビーム発生器５０からの入射ビーム５２を
反射して回転走査ビーム５４とする多角形回転ミ
ラー５６、該回転走査ビーム５４を平行走査ビー
ム５８とするコリメータレンズ６０、を含む平行
走査ビーム発生装置と、被測定物６２を通過した
前記平行走査ビームの明暗を検出する光電変換器
６４と、一定周波数のクロツクパルスCPを基準
信号を発生するクロツクパルス発振器６６と、を
有し、前記平行走査ビーム発生装置と前記光電変
換器６４の間に配置した被測定物６２によつて前
記平行走査ビーム５８の一部が遮られて生じる暗
部又は明部の時間の長さを、該光電変換器６４の
出力時間に対応するクロツクパルス発振器６６か
らのクロツクパルスCPを計数して被測定物６２
の走査方向寸法を求めるようにした光学式測定装
置において、前記コリメータレンズ６０と被測定
物６２との間の位置に、前記平行走査ビーム５８
を検出すべく配置され、受光に対応して信号を出
力する第２の光電変換器６８と、この第２の光電
変換器６８及び前記光電変換器６４の出力信号に
基づき、該第２の光電変換器６８の位置を基準と
して、被測定物６２の走査開始時点及び走査終了
時点までの間、それぞれに対応して第１及び第２
のゲート信号G₁及びG₂を出力する回路７０と、
これら第１及び第２のゲート信号G₁，G₂が出力
されている間の前記クロツクパルス発振器６６か
らのクロツクパルスCPを計数する第１及び第２
のカウンタ７２，７４と、前記第２の光電変換器
６８の信号の出力開始時における平行走査ビーム
５８の位置を原点とした走査範囲を区分する任意
の複数位置までのクロツクパルスCPの数、及び
前記原点から前記複数の位置での、前記平行走査
ビーム発生装置の光学的誤差に対応する前記クロ
ツクパルスCPの数の補正値を記憶している記憶
装置７６と、前記第１及び第２のカウンタ７２，
７４での計数値を、前記記憶装置７６に記憶され
た補正値により補正する補正回路７８と、この補
正回路７８により補正された前記第１及び第２の
カウンタ７２，７４の計数値の差を演算する演算
器８０と、設けたものである。第１図の符号５１はビーム発生器５０により発
生された入射ビーム５２を多角形回転ミラー５６
方向に反射する固定ミラー、６１は集光レンズを
示す。前記光電変換器６４及び第２の光電変換器６８
からの出力信号を処理する前記回路７０は次のよ
うに構成されている。回路７０は第１及び第２のフリツプフロツプ回
路（以下FF回路）８２，８４と、コンバーター
８６と、タイマー８８と、ANDゲート９０と、
を備えている。前記光電変換器６４の出力側はアンプ９２及び
前記コンバーター８６を介して第１のFF回路８
２におけるリセツト側に接続され、又、アンプ９
２を介して前記ANDゲート９０に接続されてい
る。前記第２の光電変換器６８の出力側はアンプ９
４を介して前記第１及び第２のFF回路８２，８
４のセツト側に接続されている。又、該第２の光電変換器６８はアンプ９４を介
して前記タイマー８８に接続されている。このタイマー８８の出力側は前記ANDゲート
９０における他方の端子に接続されている。ここで前記タイマー８８は、第２の光電変換器
６８からアンプ９４を経て出力される信号S₂を時
間Ｔだけ保持してこれをANDゲート９０に出力
するようにされている。このANDゲート９０はタイマー８８からの出
力信号ローレベルで、且つ光電変換器６４からの
出力信号がハイレベルのときに前記第２のFF回
路８４のリセツト側に信号を出力するようにされ
ている。前記第１及び第２のFF回路８２，８４はそれ
ぞれ対応する第１及び第２のANDゲート９６及
び９８にゲート信号G₁及びG₂をそれぞれ出力す
るようにされている。これら第１及び第２のANDゲート９６及び９
８は、前記クロツクパルス発振器６６からのクロ
ツクパルスCPが入力され、ゲート信号G₁及びG₂
が入力されているときに、その時間だけ開かれ、
クロツクパルスCPを第１及び第２のカウンター
７２及び７４にそれぞれ出力するようにされてい
る。又、前記クロツクパルス発振器６６は分周回路
１００及びモータドライバ１０２を経て、前記多
角形回転ミラー５６を回転駆動するための同期モ
ータ１０４に接続されている。第１図の符号１０６は演算器８０の演算結果即
ち測定値を表示するための表示器を示す。次に上記第１図に示される実施例の作用を第２
図を参照して説明する。平行走査ビーム５８が被測定物６２を走査する
とき、まず前記第２の光電変換器６８の位置を走
査してから、被測定物６２を走査する。このとき、第２の光電変換器６８が平行走査ビ
ーム５８を受光することによつて出力する信号S₂
は第２図Ｂに示されるようになる。又、被測定物６２を走査することによつて明部
及び暗部が生じた平行走査ビーム５８は、光電変
換器６４に到達することによつて、該光電変換器
６４の出力信号S₁は第２図Ａに示されるようにな
る。第２の光電変換器６８の出力信号S₂はアンプ９
４によつて増幅された後に、第１及び第２のFF
回路８２，８４のセツト側にそれぞれ入力され
る。従つてこれら第１及び第２のFF回路８２，８
４の出力信号G₁及びG₂は第２図に示されるよう
に信号S₂の立上りに同期して立上る。平行走査ビーム５８が第２の光電変換器６８の
位置を通過すると、該第２の光電変換器６８の出
力信号S₂が立下り、同時に光電変換器６４の出力
信号S₁が立上る。このとき、出力信号S₁はコンバーター８６を介
して第１のFF回路８２のリセツト側に接続され
ているので、信号S₁が立上つても第１のFF回路
８２がリセツトされることがない。従つて出力信号G₁がハイレベルに維持される
ことになる。又、出力信号S₁はANDゲート９０に入力され
るが、このとき、タイマー８８の時間Ｔを、第２
図に示されるように、第２の光電変換器６８の立
上りから立下りに至る時間よりも長く設定してお
けば、該時間Ｔの間はANDゲート９０が開かれ
ることがない。従つて第２のFF回路８４がリセツトされるこ
とがなく、出力ゲート信号G₂はハイレベルに維
持される。平行走査ビーム５８が被測定物の位置に至りそ
の走査を開始する時点で、光電変換器６４は暗の
状態となるために出力信号S₁が立下る。この出力信号S₁の立下りはコンバーター８６を
介して第１のFF回路８２のリセツト側に入力さ
れるために、該第１のFF回路８２がリセツトさ
れてその出力ゲート信号G₁はローレベルとなる。又、第２のFF回路８４側は出力信号S₁が立下
がつてもなんらリセツトされることはない。次に、平行走査ビーム５８が被測定物６２の走
査を終了した時点になると、光電変換器６４は明
となり、その出力信号S₁が立上る。出力信号S₁が立上りハイレベルとなるとき、タ
イマー８８は既に時間Ｔを十分に経過しているの
で、出力信号がローレベルとなり、且つANDゲ
ート９０に反転して入力され（ハイレベル）るた
め、ANDゲート９０が開かれて、信号が第２の
FF回路８４のリセツト側に入力される。このため、該第２のFF回路８４の出力信号G₂
がローレベルとなる。前記第１及び第２のANDゲート９６及び９８
はそれぞれに入力されるゲート信号G₁及びG₂が
ハイレベルのときに開かれて、クロツクパルス発
信器６６から出力されるクロツクパルスCPを第
１のカウンター７２及び第２のカウンター７４に
それぞれ出力することになる。第１及び第２のカウンター７２，７４は入力さ
れたクロツクパルスCPの数A₁及びA₂をそれぞれ
計数して補正回路７８に出力する。補正回路７８は、記憶装置７６において予め記
憶された、パルス数A₁，A₂に対応する、前記平
行走査ビーム発生装置における光学系の誤差を読
取つて、補正値a₁及びa₂により、前記計数値A₁，
A₂に加減して、補正後の数値B₁，B₂を演算器８
０に出力する。演算器８０はB₂−B₁を演算して、その演算結
果を表示器１０６を出力する。なお、ここで補正回路７８においては、第１及
び第２のカウンター７２，７４での計数値を所定
の回数だけ積算してその後積算値を回数により平
均化した数値を最終的に取込んで、記憶装置７６
による補正値によつて補正するようにすると、処
理時間を短縮できると共に、測定値の精度を向上
させることができる。上記実施例においては、多角形回転ミラー５６
の１つの反射面による１回の平行走査ビーム５８
による走査毎に、光電変換器６４で得られた信号
に基づく第１のカウンタ７２のカウント値A₁及
び第２の光電変換器６８で得られた信号に基づく
第２のカウンタ７４のカウント値A₂が予め設定
されている補正値によつて補正されるので、多角
形回転ミラー５６を駆動するための同期モータ１
０４の短期及び長期の変動によつても、測定値に
影響を受けることがない。なお上記実施例において、第２の光電変換器６
８はコリメータレンズ６０と被測定物６２の間の
位置に配置されているが、本発明はこれに限定さ
れるものでなく、例えば回転走査ビーム５４の走
査域に配置するようにしてもよい。

【発明の効果】

この発明は、上記のように構成したので、平行
走査ビーム発生装置における多角形回転ミラー、
コリメータレンズ等の寸法精度、組立て精度を大
幅に高めたりすることなく、又、被測定物の平行
走査ビームによる走査回数を増大したりすること
なく、寸法測定精度の向上を図ることができる。特に、回転走査ビームを平行走査ビームに変換
するレンズに特殊なレンズを用いたりすることな
く測定精度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光学式測定装置の実施例
を示すブロツク図、第２図は同実施例装置におけ
る信号処理の過程を示す線図、第３図は従来の光
学式測定装置を示すブロツク図である。５０……ビーム発生器、５２……入射ビーム、
５４……回転走査ビーム、５６……多角形回転ミ
ラー、５８……平行走査ビーム、６０……コリメ
ータレンズ、６２……被測定物、６４……光電変
換器、６６……クロツクパルス発振器（基準信号
発生器）、６８……第２の光電変換器、７０，７
１……回路、７２……第１のカウンタ、７４……
第２のカウンタ、７６……記憶装置、７８……補
正回路、８０……演算器、８２……第１のフリツ
プクロツプ回路、８４……第２のフリツプクロツ
プ回路。

Claims

【特許請求の範囲】

１ビーム発生器からの入射ビームを反射して回
転走査ビームとする多角形回転ミラー、該回転走
査ビームを平行走査ビームとするコリメータレン
ズ、を含む平行走査ビーム発生装置と、被測定物
を通過した前記平行走査ビームの明暗を検出する
光電変換器と、一定周波数の基準信号を発生する
基準信号発生器と、を有し、前記平行走査ビーム
発生装置と前記光電変換器の間に配置した被測定
物によつて前記平行走査ビームの一部が遮られて
生じる暗部又は明部の時間の長さを、該光電変換
器の出力時間に対応する基準信号発生器からの基
準信号を計数して被測定物の走査方向寸法を求め
るようにした光学式測定装置において、前記多角
形回転ミラーと前記被測定物との間の位置に、前
記回転走査ビーム及び平行走査ビームの一方を検
出すべく配置され、受光に対応して信号を出力す
る第２の光電変換器と、この第２の光電変換器及
び前記光電変換器の出力信号に基づき、該第２の
光電変換器の走査ビームによる走査開始時点を基
準として、被測定物の走査開始時点までの間第１
のゲート信号を出力し、且つ走査終了時点までの
間第２のゲート信号を出力する回路と、これら第
１及び第２のゲート信号が出力されている間の前
記基準信号発生器からの出力信号を計数する第１
及び第２のカウンタと、前記第２の光電変換器の
信号の出力開始時における前記走査ビームの位置
を原点とした走査範囲を区分する任意の複数位置
までの走査時間に対応する前記基準信号の数、及
び、前記原点から前記複数の位置での、前記平行
走査ビーム発生装置の光学的誤差に対応する前記
基準信号の数の補正値を記憶している記憶装置
と、前記第１及び第２のカウンタでの計数値を、
前記記憶装置に記憶された補正値により補正する
補正回路と、この補正回路により補正された前記
第１及び第２のカウンタの計数値の差を演算する
演算器と、を有してなる光学式測定装置。