JPH04301509A - 形状測定装置及び測定法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、プラスチック、軟質
金属及び薄物等、または複雑な三次元形状を有する被測
定物の形状を、レーザ光を使用することにより非接触に
て測定する形状測定装置及び測定方法に関し、さらに詳
細には、該レーザ光を出射する照射光学系の光軸を被測
定物の測定表面における法線方向に向ける必要なく高精
度にて測定することを可能ならしめるとともに、該理由
より適用可能となる三角測量法による測定の高速化を図
り、また該三角測量法の欠点であった被測定物の表面形
状に起因するシャドウ効果の影響を回避して広範囲に渡
る表面形状の測定を行うことのできる形状測定装置及び
測定方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の自動車、ＯＡ機器及び家電製品等
の被測定物の外観形状は、高機能化、デザイン性及び安
全性等の要望より、該形状の細部から広域部に至るまで
的確に挙握且つ知覚しておくことが重要になっており、
これにともない該被測定物の形状測定技術が著しく脚光
を浴びている。

【０００３】前記被測定物の形状を測定する方式には、
触針等の測定子を測定部位に接触することにより測定す
る接触式と、レーザ光等を該測定子の代わりに使用して
、該測定部位に照射することにより測定する非接触式と
に大別される。

【０００４】前記接触式の測定方式においては、該測定
子がある形状寸法を有しており、従って該形状寸法より
小径である複雑な形状変化を測定することは不可能であ
り測定精度に限界があった。

【０００５】また、前記被測定物が、プラスチック及び
軟質金属等の比較的柔軟な材質より形成されているもの
或いは薄物等の形状を有している場合には、前記測定子
の接触力により被測定物形状が歪む恐れがあり、正確な
測定を行うことが困難であることはもとより該被測定物
を損傷する等の危惧があった。

【０００６】上記理由より最近殊に、光学原理に基ずく
非接触式の測定方式が重要性を増しており、前記接触式
の測定方式に比較して、被測定物の測定部位を損傷しな
いこと（軟質材の測定が可能）、高速並びに高精度測定
（短時間測定、移動物体測定が可能）、広範囲の測定面
積及び測定装置部と被測定物部位との挟間に一定距離を
確保（測定空間での自由度確保が可能）等の特徴がある
。

【０００７】従来の光を使用した非接触形状測定法は、
格子を被測定物の当該部位に投影する格子投影法と、レ
ーザビーム等を触針とみなす光触針法とに大別すること
ができる。

【０００８】前者の格子投影法は、等間隔に形成された
基準格子を介して、該基準格子の陰影等を被測定物の測
定部位に投影して、該測定部位に現出する格子縞間隔の
位相変化から、前記被測定物の形状を求める変調格子縞
位相法と、基準格子と変調格子を重畳することにより発
生する等高線即ちモアレ縞から、前記被測定物の形状を
求めるモアレトポグラッフィ法がある。

【０００９】また、後者の光触針法は、三角測量法と、
カメラのオートフォーカス機構を利用した方法、焦点位
置に対応する結像点（最大強度）位置を検出する方法並
びに結像点の強度差が零になるような位置を検出する方
法等の焦点位置合せ法と、照射光軸と被測定部位からの
反射光軸とが同軸を成すとともに最大強度を示す光点の
位置を検出する同軸線形変位法とがある。

【００１０】ここで、光触針法に当該する三角測量法の
従来例を、図１０を参照することにより説明する。

【００１１】三角測量法の原理を利用した形状測定装置
３０は、装置本体３１の一方に設定された照射光軸１１
にレーザ光源１３及び照射レンズ１６が配置された照射
光学系１０と、該照射光学系１０の照射光軸１１から収
束光軸偏角θだけ傾斜された収束光軸２１に収束レンズ
２３及び検出部２６が配置された収束光学系２０と、か
ら構成されている。

【００１２】前記形状測定装置３０における装置本体３
１の一方には、半導体レーザ等の発光源を擁するレーザ
光源１３と、該レーザ光源１３から発光された出射光１
２を集光する照射レンズ１６と、が配置されており、該
照射レンズ１６の光軸に則ってレーザ光源１３の前方に
照射光軸１１を有する照射光学系１０が形成されている
。

【００１３】該照射光学系１０の延長上には、形状測定
の対称物となる被測定物３５が所定の間隔を有して装置
されており、前記照射光軸１１と被測定物３５の測定表
面部との交点は被測定点Ｐとなっている。

【００１４】なお、該被測定物３５は、図示しない移動
機構により図１０の紙面左右表裏に渡って自在に移動可
能とされている。

【００１５】また、前記装置本体３１の他方には、電荷
結合素子等の検知部を擁する検出部２６と、該検出部２
６に入射光２２を収束する収束レンズ２３と、が配置さ
れており、該収束レンズ２３の光軸に則って収束光軸２
１を有する収束光学系２０が形成されている。

【００１６】この際、該収束光軸２１は、前記被測定物
３５の被測定点Ｐを中心点として、前記照射光軸１１に
対して収束光軸偏角θだけ傾斜されている。

【００１７】上記のようにして構成された形状測定装置
３０は、図１０において、照射光学系１０の照射光軸１
１の、前記被測定点Ｐにおける被測定点接線Ｈに対する
照射光軸偏角α１が、α１＝π／２（π＝９０゜）なる
関係を有するように、該被測定物３５の測定面に対向し
ているものとする。

【００１８】前記形状測定装置３０の照射光学系１０に
おけるレーザ光源１３より発光された出射光１２は、進
行方向に対して各方向に振動する成分を有しており、該
照射レンズ１６により集光されることにより、前記装置
本体３１より所定の間隔を有して対向された被測定物３
５の被測定点Ｐに焦点が合致される照射光４０として照
射される。

【００１９】該照射光４０は、前記被測定物３５の被測
定点Ｐにおいて、前記被測定点接線Ｈと照射光軸１１に
より決定される入射角と反射角が等しくなるように反射
される正反射光４７と、該部にて任意方向に散乱される
散乱光４６とを有する反射光４５として反射される。

【００２０】この際、前記正反射光４７は、前記照射光
軸偏角α１＝π／２なる関係を有するように形状測定装
置３０が被測定物３５に対して対向されていることより
、前記照射光学系１０の照射光軸１１に沿う方向に反射
されて、前記レーザ光源１３方向へ帰還される。

【００２１】なお、該正反射光４７がレーザ光源１３方
向へ帰還されても、光の波動性より前記出射光１２との
間に可干渉性が発現するに留まり、各々の進行方向及び
各成分等に影響することはない。

【００２２】一方、前記被測定点Ｐにおいて散乱された
反射光４５であって、前記収束光学系２０の収束光軸２
１に沿う散乱光４６は、該収束光学系２０の収束レンズ
２３を介して収束されて、前記検出部２６における検出
点Ｑに収束される。

【００２３】この際、該検出部２６における検出点Ｑを
基準位置となすことにより、前記被測定物３５の被測定
点Ｐと形状測定装置３０との基準間隔を初期規定するも
のとする。

【００２４】次に、前記被測定物３５が、図１０に示す
矢印の如く、変位量Ｚだけ移動（実際は前記移動機構に
よる変位に対応した被測定物表面の変位量であることが
殆どである）すると、該変位量Ｚに相応した位置に被測
定物３５の被測定点Ｐ´が変位される。

【００２５】このことにより、前記照射光学系１０より
出射された照射光４０が、該被測定点Ｐ´にて反射され
る反射光のうち、該照射光学系１０の照射光軸１１に対
して収束光軸偏角θ´だけ傾斜された前記収束光学系２
０における収束光軸２１´に沿う散乱光成分が、前記収
束レンズ２３を介して検出部２６の検出点Ｑ´に収束さ
れる。

【００２６】この際、該検出点Ｑ´は、該検出部２６に
おいて前記検出点Ｑよりも検出量Ｓだけ変位した部位に
収束されるため、該検出点Ｑを基準とする被測定点Ｐと
、該検出点Ｑ´による被測定点Ｐ´と、を勘案した検出
量Ｓに対する三角比により、前記変位量Ｚを検知するこ
とができる。

【００２７】また、図１１に示すように、被測定物３５
の被測定点Ｐａにおける被測定点接線Ｈａが、前記形状
測定装置３０の照射光学系１０から収束光学系２０にか
けて正の傾斜を有するように、照射光軸偏角α２が、α
２＞π／２なる関係の場合には、該照射光軸偏角α２に
相応して該被測定点Ｐａにおいて照射光４０が正反射光
４７ａと散乱光４６ａとに反射される。

【００２８】この際、該正反射光４７ａは、α２＞π／
２なる関係より、前記照射光学系１０よりも外方に反射
されるようになっている。

【００２９】また、図１２に示すように、被測定物３５
の被測定点Ｐｂにおける被測定点接線Ｈｂが、前記形状
測定装置３０の照射光学系１０から収束光学系２０にか
けて負の傾斜を有するように、照射光軸偏角α３が、α
３＜π／２なる関係の場合には、該照射光軸偏角α３に
相応して該被測定点Ｐｂにおいて照射光４０が正反射光
４７ｂと散乱光４６ｂとに反射される。

【００３０】この際、該正反射光４７ｂは、α３＜π／
２なる関係より、前記照射光学系１０よりも内方である
前記収束光学系２０の収束光軸２１における散乱光４６
ｂと略同一方向に反射されており、前記収束レンズ２３
を介して検出部２６の正反射結像点Ｒに結像されるよう
になっている。

【００３１】さらに、図１３に示すように、前記形状測
定装置３０においては、４５゜以上の急斜面であるシャ
ドウ部３６を有する被測定物３５´の被測定点Ｐｃに、
前記照射光学系１０による照射光４０を照射した場合に
は、前記の如く照射光軸１１と収束光学系２０における
収束光軸２１とが収束光軸偏角θを有して傾斜されてい
るために、該シャドウ部３６により反射光４５が遮断さ
れるシャドウ効果が発生する。

【００３２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の形状測定装置及び測定方法によれば、被測定物の測
定部より反射された反射光は正反射光成分と散乱光成分
を有しており、図１２に示す如く、三角測量法の原理よ
り照射光学系の照射光軸が該被測定物の被測定点接線Ｈ
に対して、照射光軸偏角α３＜π／２なる関係の場合に
おいては、該正反射光成分が収束光学系に装置された検
出部に散乱光成分とともに収束されて正反射結像点Ｒを
形成し、該正反射結像点Ｒが散乱光成分の検出点Ｑに対
して誤差量Ｍを有するため、該被測定物の形状を正確且
つ高精度に測定することができないという問題点があっ
た。

【００３３】また、三角測量法による測定精度を向上す
るために、図１０に示す如く、照射光学系の照射光軸を
被測定物の被測定点接線Ｈに対して、照射光軸偏角α３
＝π／２なる関係に調整することにより誤差量Ｍを解消
することは可能であるが、該調整は形状測定装置本体を
被測定物に対して逐次移動駆動する等の煩雑な機構を要
するとともに、該調整に時間がかかるという問題点があ
った。

【００３４】また、前記形状測定装置の照射光学系にお
けるレーザ光源からの出射光は、該出射光の進行方向に
対して各方向に振動する成分を有しているため、前記被
測定物の測定部より反射されて該収束光学系を介して検
出部の検出点Ｑに収束される入射光は、該被測定物の測
定部における損傷部キズまたは表面粗さ等が形状測定に
悪影響を及ぼすという問題点があった。

【００３５】また、前記三角法の原理を適用した形状測
定装置によれば、前記照射光軸と収束光軸とが所定の収
束光軸偏角θを有して傾斜されているため、図１３に示
す如く、該収束光軸に対して被測定物の測定部が急傾斜
を有してシャドウ部に位置される場合には、該測定部に
シャドウ効果が発現し、然るに該測定部の形状測定が不
可能になるという問題点があった。

【００３６】さらに、変調格子縞位相法並びにモアレト
ポグラッフィ法等の格子投影法を利用して被測定物の表
面形状を測定しようとした場合、該測定物表面に格子縞
等を投影しなければならないため、該被測定物の表面形
状を高精度にて測定することができず、対象となる被測
定物が限定されてしまうとともに、前記格子縞等を画像
処理しなければならず、従って該処理機構が煩雑になる
という問題点があった。

【００３７】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、被測定物の形状測定を高精度且つ高信頼性とす
るとともに、三角測量法を適用することによる形状測定
の高速化を図り、また該三角測量法の欠点であった非測
定物の表面形状に起因するシャドウ効果の影響を回避し
て広範囲に渡る表面形状の測定を行うことを可能とした
形状測定装置及び測定方法を提供するものである。

【００３８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明は、レーザ光を出射する光源部と、該光源
部より出射された出射レーザ光を偏光素子を介して偏光
するとともにレンズを介して被測定物に照射する照射光
学系と、該被測定物の測定部より反射された反射レーザ
光をレンズを介して収束するとともに偏光素子を介して
分光する収束光学系と、該収束光学系により収束された
収束レーザ光を検知する検知部と、を有することにより
、上記目的を達成するものである。

【００３９】また、この発明は、前記照射光学系の光軸
の周囲に複数の収束光学系を配設したことにより、上記
目的を達成するものである。

【００４０】また、この発明は、前記光源部より出射さ
れたレーザ光を、前記照射光学系の偏光素子により偏光
するとともにレンズを介して被測定物に照射し、該被測
定物の測定部より反射された反射レーザ光を、前記収束
光学系のレンズを介して収束するとともに偏光素子によ
り分光し、前記検知部により検知することにより、上記
目的を達成するものである。

【００４１】

【作用】本発明においては、形状測定装置が、レーザ光
を出射する光源部と、該光源部より出射された出射レー
ザ光を偏光素子を介して偏光するとともにレンズを介し
て被測定物に照射する照射光学系と、該被測定物の測定
部より反射された反射レーザ光をレンズを介して収束す
るとともに偏光素子を介して分光する収束光学系と、該
収束光学系により収束された収束レーザ光を検知する検
知部と、を有することにより構成されている。

【００４２】従って、前記照射光学系において、該光源
部より出射された出射光を照射系偏光素子を介して偏光
することにより、該出射光が有する進行方向に対して各
方向に振動する成分から直線偏光を選択するとともに、
該直線偏光の互いに独立に直角な方向に振動する一方を
除外し、他方を照射光として被測定物の測定部に適用す
ることができる。

【００４３】また、前記収束光学系において、該被測定
物の測定部より反射された反射光を収束系偏光素子を介
して分光することにより、該反射光が有する正反射光を
除外して、該検出部に散乱光を収束することが可能とな
るため、特定の傾斜を有する被測定物の測定部での三角
測量法における短点であった正反射光の影響による検出
部での誤差量を解消することができる。

【００４４】さらに、前記照射光学系の光軸の周囲に、
所定の収束光軸偏角を有して複数の収束光学系を配設し
たことにより、一方の収束光学系に対して被測定物の測
定部が急傾斜を有してシャドウ部に位置されていても、
他方の収束光学系は該シャドウ部を回避する位置に配設
されており、該他方の収束光学系を機能させることによ
り、該被測定物におけるシャドウ部の形状測定を行うこ
とが可能となり、三角測量法において発現するシャドウ
効果を解消することができる。

【００４５】

【実施例】本発明の実施例を、図面に基いて詳細に説明
する。

【００４６】図１は本発明に係わる形状測定装置の実施
例を示す側面図、図２は同実施例の形状測定装置による
被測定物の形状測定を説明する側面図、図３は同実施例
の形状測定装置により被測定物の測定表面を実測した測
定値を示す実測図、図４は同実施例の形状測定装置によ
り被測定物の測定表面を実測した測定値の偏差を示す偏
差図、図５は本発明に係わる複数の収束光学系を有する
形状測定装置の実施例を示す側面図、図６は本発明に係
わる他の形状測定装置及び測定方法を説明する側面図、
図７は本発明に係わる他の形状測定装置及び測定方法を
説明する側面図、図８は本発明に係わる形状測定装置の
収束光軸に１／２波長板を設置した状態を示す側面図、
図９は本発明に係わる形状測定装置の照射光学系及び収
束光学系に１／４波長板を各々設置した状態を示す側面
図である。

【００４７】請求項１及び請求項３に係わる本発明の実
施例を、図１から図４までを順次参照することにより説
明する。

【００４８】図１において形状測定装置７０は、装置本
体７１の一方に設定された照射光軸５１の基端部に設け
られたレーザ光源５３と、該レーザ光源５３からの出射
光５２を集光する光源レンズ５４と、該出射光５２を偏
光する照射系偏光ビームスプリッタ５５と、該照射系偏
光ビームスプリッタ５５により偏光された照射光８０を
被測定物７５の測定部に照射する照射レンズ５６と、を
有する照射光学系５０及び該装置本体７１の他方に収束
光軸偏角θを有して設定された収束光軸６１に設けられ
て該被測定物７５の測定部に反射された反射光８５を収
束する収束レンズ６３と、該反射光８５を分光する収束
系偏光ビームスプリッタ６５と、該収束系偏光ビームス
プリッタ６５により分光された入射光６２を検出する検
出部６６と、を有する収束光学系６０を備えている。

【００４９】前記装置本体７１に装備された一方の照射
光学系５０には、レーザ光等を出射する半導体レーザ等
を擁するレーザ光源５３が設けられており、該レーザ光
源５３より出射される出射光５２は、進行方向に対して
直角方向のあらゆる方向に振動している。

【００５０】該レーザ光源５３の照射前方には、前記出
射光５２を照射光軸５１に則って集光する光源レンズ５
４が配置されている。

【００５１】該光源レンズ５４の照射光軸５１には、前
記出射光５２を、入射面に対して平行に振動して透過す
るＰ波成分８２と、それと直角方向に進み入射面に対し
て垂直に振動するＳ波成分とに分ける照射系偏光面５５
ａが形成された照射系偏光ビームスプリッタ５５が設置
されている。

【００５２】さらに、該照射系偏光ビームスプリッタ５
５の照射系偏光面５５ａにより偏光された直線偏光にお
けるＳ波成分８１の照射光軸５１には、該Ｓ波成分８１
を形状測定の対象物である被測定物７５の測定部に集光
照射する照射レンズ５６が装置されている。

【００５３】また、前記装置本体７１の他方に装備され
た収束光学系６０には、前記照射光学系５０により被測
定物７５の測定部に照射され、しかる後、該測定部より
反射された反射光８５が入射される収束レンズ６３が備
えれらており、該収束レンズ６３により収束光軸６１が
設定されている。

【００５４】この際、図１において示す如く、前記被測
定物７５の測定部における被測定点Ｐの接線である被測
定点接線Ｈが照射光軸５１から収束光軸６１にかけて負
の傾斜を有することより、該照射光軸５１と被測定点接
線Ｈとの照射光軸偏角α１が、α１＜π／２なる関係に
なっており、前記反射光８５には、該照射光軸５１の方
向に散乱される散乱光８６とともに、該被測定物７５の
測定部により直接反射された正反射光８７の各成分が含
有されている。

【００５５】前記収束レンズ６３に続く収束光軸６１に
は、該反射光８５の散乱光８６を透過するとともに、該
反射光８５の正反射光８７を進行方向に対して直角方向
に向きを変える収束系偏光面６５ａが形成された収束系
偏光ビームスプリッタ６５が設置されている。

【００５６】即ち、前記反射光８５は、該収束系偏光ビ
ームスプリッタ６５を通過することにより、該正反射光
８７が収束系偏光ビームスプリッタ６５によって向きが
変えられるＳ波の性質を維持しているので、該正反射光
８７が図１の矢印方向に屈折正反射光８７ａとして除去
され、また該散乱光８６が透過散乱光８６ａとして透過
されるようになっている。

【００５７】前記収束系偏光ビームスプリッタ６５に続
く収束光軸６１には、該収束系偏光ビームスプリッタ６
５を介することにより透過された透過散乱光８６ａを入
射光６２として受光する電荷結合素子等よりなる検出部
６６が配置されており、該検出部６６により受光部が検
出点Ｑとして検知されるようになっている。

【００５８】さらに、該収束光軸６１は、前記照射光軸
５１に対して収束光軸偏角θだけ傾斜されている。

【００５９】上記のようにして構成された形状測定装置
７０に、三角測量法を適用して前記被測定物７５の測定
部形状を計測する方法を図２を参照して説明する。

【００６０】なお、該被測定物７５或いは形状測定装置
７０は、図示しない移動機構により図２の紙面左右表裏
に渡って自在に移動可能とされている。

【００６１】また、前記形状測定装置７０は、図２にお
いて照射光学系５０の照射光軸５１の、前記被測定物７
５の被測定点Ｐにおける被測定点接線Ｈに対する照射光
軸偏角α１が、照射光軸偏角α１＝π／２となるように
、該被測定物７５の測定面に前記移動機構の作動により
対向しているものとする。

【００６２】前記形状測定装置７０の照射光学系５０に
おけるレーザ光源５３より発光された出射光５２は、進
行方向に直角なあらゆる方向に振動する各成分を有して
おり、前記照射光軸５１に設置された光源レンズ５４に
より集光されて、前記照射系偏光ビームスプリッタ５５
に入射される。

【００６３】該出射光５２は、前記照射系偏光ビームス
プリッタ５５に形成された照射系偏光面５５ａにより略
π／２折曲された照射光軸５１に偏光されるＳ波成分８
１と、該照射系偏光面５５ａを透過するＰ波成分８２に
分光される。

【００６４】前記Ｓ波成分８１は、該照射光軸５１に設
置された照射レンズ５６により集光されることにより照
射光８０として、前記装置本体７１より所定の間隔を有
して対向された前記被測定物７５の被測定点Ｐに焦点照
射される。

【００６５】該照射光８０は、前記被測定物７５の被測
定点Ｐにおいて、前記被測定点接線Ｈと照射光軸５１に
より決定される入射角と反射角が等しくなるように反射
される正反射光８７と、該部にて任意方向に散乱される
散乱光８６とを有する反射光８５として反射される。

【００６６】この際、前記正反射光８７は、前記照射光
軸偏角α１＝π／２なる関係に形状測定装置７０が被測
定物７５に対して対向されていることより、前記照射光
学系５０の照射光軸５１に沿う方向に反射されて、前記
照射系偏光ビームスプリッタ５５の方向へ帰還される。

【００６７】なお、該正反射光８７が照射系偏光ビーム
スプリッタ５５の方向へ帰還されても、光の波動性より
前記出射光５２との間に可干渉性が発現するに留まり、
各々の進行方向及び各成分等に影響することはない。

【００６８】一方、前記被測定点Ｐにおける反射光８５
であって、前記照射光学系５０の照射光軸５１に対して
収束光軸偏角θを有する収束光学系６０の収束光軸６１
に沿う方向へ散乱された散乱光８６は、該収束光学系６
０の収束レンズ６３を介して収束されて、前記収束系偏
光ビームスプリッタ６５に入射される。

【００６９】該収束系偏光ビームスプリッタ６５の収束
系偏光面６５ａは、該散乱光８６を透過するとともに、
前記正反射光８７を収束光軸６１に対して略π／２だけ
反射する作用を有している。

【００７０】該収束系偏光ビームスプリッタ６５を透過
した散乱光８６は、透過散乱光８６ａ（入射光６２）と
して前記検出部６６における検出点Ｑに収束される。

【００７１】この際、該検出部６６における検出点Ｑを
基準位置となすことにより、前記被測定物７５の被測定
点Ｐと形状測定装置７０との間隔を初期規定するものと
する。

【００７２】次に、前記被測定物７５が、前記移動機構
等により図２に示す矢印の如く、変位量Ｚだけ移動する
と、該被測定点Ｐが変位量Ｚに相応した位置である被測
定点Ｐ´に変位される。

【００７３】このことにより、前記照射光学系５０より
出射された照射光８０が、該被測定点Ｐ´にて反射され
、該照射光学系５０の照射光軸５１に対して収束光軸偏
角θ´だけ傾斜された前記収束光学系６０における収束
光軸６１´に沿う方向に散乱された散乱光成分が、前記
収束レンズ６３並びに収束系偏光ビームスプリッタ６５
を介して検出部６６の検出点Ｑ´に収束される。

【００７４】この際、該検出点Ｑ´は、該検出部６６に
おいて前記検出点Ｑよりも検出量Ｓだけ変位した部位に
収束されるため、該検出点Ｑを基準とする被測定点Ｐと
、該検出点Ｑ´による被測定点Ｐ´と、を勘案した検出
量Ｓに対する三角比により、前記変位量Ｚを検知するこ
とができる。

【００７５】一方、先の図１に示すように、被測定物７
５の被測定点Ｐにおける被測定点接線Ｈが、前記形状測
定装置７０の照射光学系５０から収束光学系６０にかけ
て負の傾斜を有するように、照射光軸偏角α１が、α１
＜π／２なる関係の場合には、該照射光軸偏角α１に相
応して該被測定点Ｐにおいて照射光８０が正反射光８７
と散乱光８６とに反射される。

【００７６】この際、該正反射光８７は、前記α１＜π
／２なる関係より、前記照射光学系５０よりも内方であ
る前記収束光学系６０の収束光軸６１における散乱光８
６と略同一方向に反射される。

【００７７】然し、前記収束光学系６０には、前記収束
レンズ６３を介した後に収束系偏光ビームスプリッタ６
５が装備されており、従って該収束系偏光ビームスプリ
ッタ６５の収束系偏光面６５ａにより該正反射光８７が
、図１の矢印に示す如く該収束光軸６１に対して略π／
２を有する方向に屈折正反射光８７ａとして反射される
ようになっている。

【００７８】なお、図示しないが、被測定物７５の被測
定点Ｐにおける被測定点接線Ｈが、前記形状測定装置７
０の照射光学系５０から収束光学系６０にかけて正の傾
斜を有するように、照射光軸偏角α２が、α２＞π／２
なる関係の場合には、該照射光軸偏角α２に相応して該
被測定点Ｐにおいて照射光８０が正反射光８７と散乱光
８６とに反射されるが、該正反射光８７は、α２＞π／
２なる関係より、前記照射光学系５０よりも外方に反射
されるようになっている。

【００７９】上記の形状測定装置７０を使用して、被測
定物７５に直径４ｍｍの略真球なる鋼球を測定した形状
測定結果を、図３及び図４に示す。

【００８０】ここで、図３は横軸に該鋼球の横直径を縦
軸に該鋼球の縦半径高さをとり該鋼球の表面形状を測定
した結果を図示したものであり、また図４は該測定値が
該鋼球の真理形状から偏差した度合いを該偏差を２倍に
するとともに±５０μｍの偏差範囲と併せて図示したも
のである。

【００８１】該図３及び図４を参照することにより判明
するように、本実施例における形状測定装置７０を使用
して前記鋼球の表面形状を測定すると、該測定に関して
偏差±５０μｍの精度を有している。

【００８２】前記形状測定装置７０によれば、前記照射
光学系５０において、レーザ光源５３より出射された出
射光５２を照射系偏光ビームスプリッタ５５を介するこ
とにより、該出射光５２が有するＰ波成分８２を除外し
、しかる後、照射レンズ５６を介して被測定物７５の測
定部に照射光８０として照射することが可能となるため
、該照射光８０が有するＳ波成分８１だけを形状測定に
適用することができる。

【００８３】また、前記収束光学系６０において、該被
測定物７５の測定部より反射された反射光８５を収束系
偏光ビームスプリッタ６５を介することにより、該反射
光８５が有する正反射光８７を除外して、検出部６６の
検出点Ｑに散乱光８６を収束することが可能となるため
、特定の傾斜を有する被測定物７５の測定部での三角測
量法における短点であった正反射光８６の影響による検
出部６６での誤差量Ｓを解消することができる。

【００８４】なお、前記収束光学系６０における収束レ
ンズ６３と、収束系偏光ビームスプリッタ６５とは、該
収束光軸６１において配置順位が逆さであっても一向に
構わない。

【００８５】次に、請求項１及び請求項２に係わる本発
明の実施例を、図５を参照することにより説明する。

【００８６】図５に示す形状測定装置９０は、先の実施
例と同一の構成を有する照射光学系９５と、該照射光学
系９５の左右に配設された二基の第１収束光学系９１及
び第２収束光学系９２と、を装備している。

【００８７】該形状測定装置９０によれば、照射光学系
９５からの照射光が照射される被測定物７５´の被測定
点Ｐの傾斜が、略４５゜以上の急斜面である場合におい
て、前記第２収束光学系９２に対しては該被測定点Ｐが
シャドウ部７６となって形状測定を行うことができない
が、他方側に配置された第１収束光学系９１により該被
測定点Ｐの形状を計測することが可能となり、該シャド
ウ部７６によるシャドウ効果を解消することができる。

【００８８】本実施例の形状測定装置９０においても、
先の実施例と同様の効果を奏することができる。

【００８９】なお、図５において第１収束光学系９１及
び第２収束光学系９２とは、二次元的に配設された状態
として図示されているが、実際には三次元的に照射光軸
の周囲に任意の収束光軸偏角を有して配設するものであ
ってもよい。

【００９０】また、前記形状測定装置９０には二基の収
束光学系が配設されていたが、これに限ることはなく、
三基以上であってもよい。

【００９１】次に、本発明に係わる他の実施例を、図６
から図９まで順次参照することにより説明する。

【００９２】なお、先の実施例と同一箇所並びに同一機
能を有する部位には同一符号を付して説明を省略する。

【００９３】図６に示す形状測定装置１００は、照射光
学系１０１における照射光軸５１に設置された照射系偏
光ビームスプリッタ５５により、レーザ光源５３より出
射された出射光５２のＰ波成分８２を透過させるととも
にＳ波成分８１を該照射光軸５１に対して略π／２の方
向に反射させて、該Ｐ波成分８２を被測定物７５の形状
測定に適用する構成になっている。

【００９４】また、該形状測定装置１００は、収束光学
系１０２における収束光軸６１に反射光８５の散乱光８
６を屈折散乱光８６ｂとして屈折分光するとともに正反
射光８７を透過正反射光８７ｂとして透過する収束系偏
光面１０６ａが形成された収束系偏光ビームスプリッタ
１０６が設置されている。

【００９５】図７に示す形状測定装置１１０は、照射光
学系１１１におけるレーザ光等の発光源であるレーザ光
源１１３に予め直線偏光を発生するものを使用すると、
該照射光学系１１１の照射光軸５１に前記照射系偏光ビ
ームスプリッタ５５を介入させる必要のない構成になっ
ている。

【００９６】図８に示す形状測定装置１２０は、収束光
学系１２２における収束光軸６１の被測定物７５側にＰ
波成分とＳ波成分との変換を行う１／２波長板１２４を
設置した構成を有しており、被測定物７５において反射
される波成分と該収束光軸６１における収束系偏光ビー
ムスプリッタ６５の以降で検出される波成分とを相違さ
せている。

【００９７】図９に示す形状測定装置１３０は、照射光
学系１３１における照射光軸５１及び収束光学系１３２
における収束光軸６１に、一組にてＰ波成分とＳ波成分
との変換を行う１／４波長板１３３及び１／４波長板１
３４をそれぞれ設置した構成を有している。

【００９８】上記各実施例においても、先の実施例と同
様の効果を奏することができる。

【００９９】

【発明の効果】本発明に係わる形状測定装置及び測定方
法は、上記のように構成されているため、以下に記載す
るような効果を有する。

【０１００】（１）形状測定装置が、レーザ光を出射す
る光源部と、該光源部より出射された出射レーザ光を偏
光素子を介して偏光するとともにレンズを介して被測定
物に照射する照射光学系と、該被測定物の測定部より反
射された反射レーザ光をレンズを介して収束するととも
に偏光素子を介して分光する収束光学系と、該収束光学
系により収束された収束レーザ光を検知する検知部と、
を有することにより構成されている。

【０１０１】従って、前記照射光学系において、該光源
部より出射された出射光を照射系偏光素子を介して偏光
することにより、該出射光が有する進行方向に対して各
方向に振動する成分から直線偏光を選択するとともに、
該直線偏光の互いに独立に直角な方向に振動する一方を
除外し、他方を照射光として被測定物の測定部に適用す
ることができる。

【０１０２】また、前記収束光学系において、該被測定
物の測定部より反射された反射光を収束系偏光素子を介
することにより、該反射光が有する正反射光成分を除外
して、該検出部に散乱光成分を検出点として収束するこ
とが可能となるため、特定の傾斜を有する被測定物の測
定部での三角測量法における短点であった正反射光の影
響による検出部での誤差量を解消することと、該被測定
物の測定部におけるキズやゴミ及び粗さ等の影響を減少
させることができる。

【０１０３】上記理由より三角測量法を適用した形状測
定装置及び測定方法により被測定物の形状を正確且つ高
精度に測定することができるとともに、該三角測量法の
長点である形状測定の高速化を図ることができるという
優れた効果を有する。

【０１０４】（２）前記照射光学系の光軸の周囲に、所
定の収束光軸偏角を有して複数の収束光学系を配設した
ことにより、一方の収束光学系に対して被測定物の測定
部が急傾斜を有するシャドウ部に位置されていても、他
方の収束光学系は該シャドウ部を回避する位置に配設さ
れており、該他方の収束光学系を機能させることにより
、該被測定物におけるシャドウ部の形状測定を行うこと
が可能となり、三角測量法において発現するシャドウ効
果を解消することができ、従って大形状を有する被測定
物の形状測定に対応することができるとともに、該被測
定物の広範囲に渡る表面形状の測定を行うことが可能に
なるという優れた効果を有する。

【０１０５】（３）前記形状測定装置及び測定方法は、
変調格子縞位相法並びにモアレトポグラッフィ法等の格
子投影法における被測定物表面への格子縞等の投影及び
該格子縞等の画像処理等を行う等の精度低下及び煩雑処
理となる要因を不要として簡易構成にて該被測定物の表
面形状を、高精度且つ高速にて測定することができる、
しかも対象となる被測定物の形状を殊に限定しないとい
う優れた効果を有する。

【０１０６】（４）前記形状測定装置及び測定方法は、
固体接触子に代わるレーザ光を光接触子として非接触に
て被測定物の形状を測定することができるため、該被測
定物がプラスチック及び軟質金属等の比較的柔軟な材質
より形成されているものであったり、薄物等の形状を有
している場合においても、固体接触子の接触力による被
測定物形状の歪み並びに損傷を憂慮する必要はなく、正
確な測定を行うことができるという優れた効果を有する
。

【図面の簡単な説明】

【図１】　　　　本発明に係わる形状測定装置の実施例
を示す側面図

【図２】　　　　同実施例の形状測定装置による被測定
物の形状測定を説明する説明図

【図３】　　　　同実施例の形状測定装置により被測定
物の測定表面を実測した測定値を示す実測図

【図４】　
　　　同実施例の形状測定装置により被測定物の測定表
面を実測した測定値の偏差を示す偏差図

【図５】　　　
　本発明に係わる複数の収束光学系を有する形状測定装
置の実施例を示す側面図

【図６】　　　　本発明に係わる他の形状測定装置及び
測定方法を説明する側面図

【図７】　　　　本発明に係わる他の形状測定装置及び
測定方法を説明する側面図

【図８】　　　　本発明に係わる形状測定装置の収束光
軸に１／２波長板を設置した状態を示す側面図

【図９】
　　　　本発明に係わる形状測定装置の照射光学系及び
収束光学系に１／４波長板を各々設置した状態を示す側
面図

【図１０】　　従来の形状測定装置による被測定物の形
状測定を説明する説明図

【図１１】　　従来の形状測定装置により傾斜した被測
定物の形状測定を説明する説明図

【図１２】　　従来の形状測定装置により傾斜した被測
定物の形状測定を説明する説明図

【図１３】　　三角測量法を使用した形状測定装置に発
現するシャドウ効果を説明する説明図

【符号の説明】

５０　　　　　　照射光学系 ５２　　　　　　出射光 ５１　　　　　　照射光軸 ５３　　　　　　レーザ光源 ５４　　　　　　光源レンズ ５５　　　　　　照射系偏光ビームスプリッタ５５ａ　
　　　照射系偏光面 ５６　　　　　　照射レンズ ６０　　　　　　収束光学系 ６１　　　　　　収束光軸 ６２　　　　　　入射光 ６３　　　　　　収束レンズ ６５　　　　　　収束系偏光ビームスプリッタ６５ａ　
　　　収束系偏光面 ６６　　　　　　検出部 ７０　　　　　　形状測定装置 ７１　　　　　　装置本体 ７５　　　　　　被測定物 ７６　　　　　　シャドウ部 ８０　　　　　　照射光 ８１　　　　　　Ｓ波成分 ８２　　　　　　Ｐ波成分 ８５　　　　　　反射光 ８６　　　　　　散乱光 ８６ａ　　　　透過散乱光 ８７　　　　　　正反射光 ８７ａ　　　　屈折正反射光 Ｐ　　　　　　　　被測定点 Ｑ　　　　　　　　検出点 Ｚ　　　　　　　　変位量 Ｓ　　　　　　　　検出量 Ｈ　　　　　　　　被測定点接線 θ　　　　　　　　収束光軸偏角 α　　　　　　　　照射光軸偏角

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ光を出射する光源部と、該光源
   部より出射された出射レーザ光を偏光素子を介して偏光
   するとともにレンズを介して被測定物に照射する照射光
   学系と、該被測定物の測定部より反射された反射レーザ
   光をレンズを介して収束するとともに偏光素子を介して
   分光する収束光学系と、該収束光学系により収束された
   収束レーザ光を検知する検知部と、を有することを特徴
   とする形状測定装置。
2. 【請求項２】　　前記照射光学系の光軸の周囲に複数の
   収束光学系を配設したことを特徴とする請求項１記載の
   形状測定装置。
3. 【請求項３】　　前記光源部より出射されたレーザ光を
   、前記照射光学系の偏光素子により偏光するとともにレ
   ンズを介して被測定物に照射し、該被測定物の測定部よ
   り反射された反射レーザ光を、前記収束光学系のレンズ
   を介して収束するとともに偏光素子により分光し、前記
   検知部により検知することを特徴とする請求項１記載の
   形状測定方法。