JPH0518716A - 光学式非接触厚み測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 透明な被測定物の厚みを、片側からの操作の
みで、かつ非接触で測定する。 【構成】 光軸Ｌ₂ 上に、第１集光レンズ４，第２集光
レンズ５およびハ−フミラ−６を配置して、共焦点光学
系を構成する。光軸Ｌ₂ に垂直に被測定物７を設置す
る。光源１のＨｅ−Ｎｅレ−ザ発振器２から、レ−ザビ
−ムを出射すると、このレ−ザビ−ムは、ハ−フミラ−
６で反射されて第１集光レンズ４に入射し、集光点Ｆ₄
に集光する。第１集光レンズ４を、被測定物７に接近さ
せると、集光点Ｆ₄ は、被測定物７の表面Ｈ側から裏面
Ｂ側に向かって移動する。被測定物７で反射した反射光
は、第１集光レンズ４およびハ−フミラ−６を通り、第
２集光レンズ５により集光されるが、この反射光のう
ち、集光点Ｆ₄ からの反射光のみが、集光点Ｆ₅ に集光
する。そして、光選択板８のピンホ−ル８ａを通って光
センサ９に受光される。他の位置からの反射光は、光選
択板８でカットされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、透明なガラスやプラス
チック材等の厚みを、光学的に非接触で測定することが
できる装置に係り、特に被測定物の厚みを、片面側から
の操作のみで測定することができる光学式非接触厚み測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ガラスやプラスチック製の透明容
器等の肉厚を測定する装置としては、透明容器の表面に
プロ−ブを密着させ、超音波を用いて厚みを測定する超
音波方式のもの、あるいは透明容器内にプロ−ブを挿入
するとともに、透明容器外にもプロ−ブを配置し、透明
容器が吸収する赤外線の量に基づき厚みを測定する赤外
線方式のもの、さらには透明容器内に金属球を入れると
ともに、この金属球を、透明容器外に密着させたプロ−
ブに磁石を用いて磁着させ、磁界の強さから厚みを測定
する電磁方式のものが、一般に知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の厚み測定装
置のうち、超音波方式のものは、透明容器の表面にプロ
−ブを密着させる必要があるため、測定が容易でないと
ともに、曲率半径が小さな曲面に対しては、測定できな
いおそれがある。また、小型の容器の場合には、プロ−
ブを密着させる面積を確保できず、この場合にも測定で
きないおそれがある。

【０００４】また、赤外線方式の従来の厚み測定装置
は、プロ−ブを透明容器に接触させる必要がないため、
非接触で厚み測定が可能となるという利点を有し、ＰＥ
Ｔボトルの厚み測定に実用化されているが、透明容器の
両側にプロ−ブを配置しなければならないないため、プ
ロ−ブを挿入できない小型の容器には適用できず、また
大型の容器でも、密閉容器の場合には適用できないとい
う問題がある。

【０００５】さらに、電磁方式の従来の厚み測定装置
は、金属球を密着させることができる面であれば、比較
的曲率半径が小さな曲面でも測定することができるが、
金属球を透明容器内に入れなければならないため、前記
赤外線方式の場合と同様の問題がある。

【０００６】本発明は、かかる現況に鑑みなされたもの
で、被測定物の厚みを、片面側からの操作のみで、かつ
非接触で測定することができ、しかも被測定物が小さく
ても、また曲面であっても適用することができる光学式
非接触厚み測定装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の発明は、
前記目的を達成する手段として、光源からの光を集光さ
せるとともに、その集光点を被測定物の厚さ方向に相対
移動させる入射光学系と；被測定物からの反射光が入射
され、入射された反射光を集光させる反射光学系と；反
射光学系からの光のうち、前記集光点からの反射光のみ
を通過させるピンホ−ルまたはスリットを有する光選択
機構と；光選択機構を通過した光の強度を測定する光セ
ンサと；を備え、前記光センサの出力に基づいて被測定
物の厚さを測定するようにしたことを特徴とする。

【０００８】また、本発明の第２の発明は、前記目的を
達成する手段として、光源からの光がハ−フミラ−を介
し入射され、入射された光を被測定物に対しほぼ直角に
出射して集光させるとともに、その集光点を被測定物の
厚さ方向に相対移動させる第１集光レンズと；被測定物
からの反射光が前記第１集光レンズおよびハ−フミラ−
を介し入射され、入射された反射光を集光させる第２集
光レンズと；第２集光レンズからの光のうち、前記集光
点からの反射光のみを通過させるピンホ−ルまたはスリ
ットを有する光選択機構と；光選択機構を通過した光の
強度を測定する光センサと；を備え、前記光センサの出
力に基づいて被測定物の厚さを測定するようにしたこと
を特徴とする。

【０００９】さらに、本発明の第３の発明は、前記目的
を達成する手段として、光源からの光を、被測定物に対
し予め定められた鋭角の入射角で出射して集光させると
ともに、その集光点を被測定物の厚さ方向に相対移動さ
せる第１集光レンズと；被測定物からの反射光が入射さ
れる第２集光レンズと；第２集光レンズを通過した反射
光を集光させる第３集光レンズと；第３集光レンズから
の光のうち、前記集光点からの反射光のみを通過させる
ピンホ−ルまたはスリットを有する光選択機構と；光選
択機構を通過した光の強度を測定する光センサと；を備
え、前記光センサの出力および前記被測定物に対する光
の入反射角に基づいて被測定物の厚さを測定するように
したことを特徴とする。

【００１０】そして、本発明の第３の発明においては、
第１集光レンズ，第２集光レンズおよび第３集光レンズ
のうちの少なくともいずれか１つの集光レンズに代え、
凹面鏡を用いるようにすることもできる。

【００１１】

【作用】本発明の第１の発明に係る光学式非接触厚み測
定装置においては、入射光学系と反射光学系とにより共
焦点光学系が構成され、入射光学系の集光点からの反射
光は、反射光学系の集光点で集光することになる。この
ため、反射光学系の集光点位置に光選択機構を設置して
おけば、入射光学系の集光点からの反射光のみが光選択
機構を通過し、光センサによりその強度が測定される。

【００１２】ところで、光選択機構を通過した光の強度
は、入射光学系の集光点が、被測定物の表面に一致する
場合および被測定物の裏面に一致する場合に極端に大き
くなり、光センサの出力は、前記両位置にピ−ク値を有
する波形となる。このため、両ピ−ク値間の距離を、被
測定物の屈折率を考慮して補正することにより、被測定
物の厚みを非接触で、しかも片面側からのみの操作で測
定することが可能となる。

【００１３】また、本発明の第２の発明に係る光学式非
接触厚み測定装置においては、共焦点光学系が、第１集
光レンズおよび第２集光レンズと、これら両集光レンズ
の間に配されるハ−フミラ−とから構成される。このた
め、共焦点光学系の構成が簡素化され、装置のコンパク
ト化およびコストダウンが可能となる。

【００１４】さらに、本発明の第３の発明に係る光学式
非接触厚み測定装置においては、各集光レンズ，光選択
機構および光センサが、被測定物の測定面に直交する方
向を避けて設置される。このため、前記測定面に直交す
る方向に障害物がある場合でも測定でき、適用範囲の拡
大が可能となる。そして、前記各集光レンズに代えて、
凹面鏡を用いるようにしても、ほぼ同様の効果が期待で
きる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。図
１は、本発明の第１実施例に係る光学式非接触厚み測定
装置を示すもので、図中、符号１は光源であり、この光
源１は、Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ発振器２と、微小スポットを
得るためにＨｅ−Ｎｅレ−ザ発振器２からのレ−ザビ−
ムを拡大して平行光とするビ−ムエキスパンダ３とから
構成されている。

【００１６】この光源１のレ−ザビ−ム出射側には、図
１に示すように、レ−ザビ−ムの光軸Ｌ₁ に光軸Ｌ₂ を
直交させて第１集光レンズ４および第２集光レンズ５が
それぞれ配置されており、これら両集光レンズ４，５の
間には、前記両光軸Ｌ₁ ，Ｌ₂ に対し４５度に傾斜する
ハ−フミラ−６が設置されている。そして、前記光源１
からのレ−ザビ−ムは、このハ−フミラ−６で反射され
て前記第１集光レンズ４に入射され、第１集光レンズ４
は、入射したレ−ザビ−ムを後述する被測定物７側に出
射して、集光点Ｆ₄ に集光させるようになっている。

【００１７】この第１集光レンズ４は、図１に両矢印Ｓ
で示すように、例えばマイクロメ−タ（図示せず）の駆
動により、光軸Ｌ₂ にそって被測定物７に対し遠近方向
に移動するようになっており、この移動により、前記集
光点Ｆ₄ が、被測定物７の表面Ｈ側から裏面Ｂ側に向か
って厚さ方向に移動するようになっている。

【００１８】前記被測定物７としては、図１に示すよう
に、例えば厚さがＴの透明なアクリル板が対象となって
おり、この被測定物７は、前記光軸Ｌ₂ に対し垂直にな
るように設置されている。そして、この被測定物７で反
射した反射光は、前記第１集光レンズ４およびハ−フミ
ラ−６を通して第２集光レンズ５に入射され、この第２
集光レンズ５により集光されるようになっている。

【００１９】すなわち、本実施例においては、第１集光
レンズ４およびハ−フミラ−６により入射光学系が構成
されているとともに、両集光レンズ４，５およびハ−フ
ミラ−６により反射光学系が構成されており、かつこれ
らは共焦点光学系を構成している。したがって、第１集
光レンズ４の集光点Ｆ₄ からの反射光は、図１に示すよ
うに、第２集光レンズ５の集光点Ｆ₅ に集光するように
なっている。

【００２０】この集光点Ｆ₅ 位置には、図１に示すよう
に、光軸Ｌ₂ 上にピンホ−ル８ａを有する光選択板８が
設置されており、したがって、この光選択板８は、前記
集光点Ｆ₄ からの反射光のみを通過させるようになって
いる。そして、この光選択板８を通過した光の強度は、
光パワ−メ−タ等の光センサ９により測定されるように
なっており、この光センサ９の出力に基づいて、被測定
物７の厚さＴが測定されるようになっている。

【００２１】次に、本実施例の作用について説明する。
Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ発振器２を起動すると、Ｈｅ−Ｎｅレ
−ザ発振器２からのレ−ザビ−ムは、ビ−ムエキスパン
ダ３で例えば１０倍に拡大されて平行光となり、ハ−フ
ミラ−６で反射された後、第１集光レンズ４に入射され
る。そして、集光点Ｆ₄ に集光する。

【００２２】この状態で、第１集光レンズ４をマイクロ
メ−タ（図示せず）等を用いて被測定物７に接近させる
と、前記集光点Ｆ₄ は、被測定物７の表面Ｈの手前から
裏面Ｂに通過した位置まで、被測定物７の厚さ方向に移
動することになる。

【００２３】一方、被測定物７からの反射光は、第１集
光レンズ４およびハ−フミラ−６を通過して第２集光レ
ンズ５に入射され、その後集光されることになるが、前
述のように、両集光レンズ４，５およびハ−フミラ−６
は、共焦点光学系を構成しているので、第１集光レンズ
４の集光点Ｆ₄ からの反射光のみが、第２集光レンズ５
の集光点Ｆ₅ に集光することになる。そして、この集光
点Ｆ₅ 位置には、ピンホ−ル８ａを有する光選択板８が
設置されているので、集光点Ｆ₄ からの反射光のみが、
ピンホ−ル８ａを通過して光センサ９に受光され、他の
位置からの反射光は、光選択板８によりカツトされる。

【００２４】図２は、このようにして得られた光センサ
９の出力波形を、横軸に移動距離，縦軸に光センサ出力
を取って示したものである。

【００２５】図２からも明らかなように、光センサ９の
出力は、第１集光レンズ４の集光点Ｆ₄ が、被測定物７
の表面Ｈに一致した位置と裏面Ｂに一致した位置とにピ
−ク値を有する波形となっている。したがって、このピ
−ク値間の距離Ｄを測定すれば、被測定物７の厚さＴを
求めることができる。

【００２６】ここで、一般に前述の方法により求められ
た距離Ｄと厚さＴとの間には、光学の法則により、被測
定物の屈折率をＮとした場合、Ｔ＝Ｎ・Ｄの関係が成立
する。したがって、この式を用いて被測定物の物理的な
厚みＴを簡単に計算することができる。

【００２７】なお、被測定物７の屈折率Ｎが不明の場合
には、被測定物７と同一材質で厚さＴが判っているサン
プルを用いて屈折率Ｎを求め、その後被測定物７の厚さ
測定を行なうようにすればよい。

【００２８】（実験例）本発明者等は、光源１からのレ
−ザビ−ムのスポット径を１０ｍｍ，第１集光レンズ４
の焦点距離を２０ｍｍ，第２集光レンズ５の焦点距離を
１００ｍｍ，ピンホ−ル８ａの径を８０μｍとし、被測
定物７に透明アクリル板を用いて、その厚さＴの測定を
行なった。

【００２９】その結果、ミクロオ−ダ−の極めて高精度
な厚さ測定が可能であることが確認された。また、被測
定物７に照射されたレ−ザビ−ムのスポット径が微小で
あるため、被測定物７が小型であっても、また曲面であ
っても、極めて高精度に厚さ測定を行なうことができる
ことも確認された。また、被測定物７として、例えば飲
料が充填された容器等を用いても、容器の屈折率と飲料
の屈折率とが異なっていれば、充分に測定できることも
判った。また、第１集光レンズ４を移動させずに被測定
物７を移動させても、同様の結果が得られることも判っ
た。さらに、被測定物７は、光を透過しかつ充分な反射
光が得られる素材であれば、無色透明の場合に限らず、
着色透明あるいは半透明の場合にも測定できることが確
認された。

【００３０】しかして、被測定物７の厚さＴを、非接触
で測定することができるので、被測定物７に悪影響を及
ぼすおそれがない。また、被測定物７の片面からの作業
のみで測定できるので、密閉容器等の測定も可能とな
る。また、測定に微小スポットの光を用いているので、
被測定物７が小型であっても、また曲面であっても、厚
さＴを精度よく測定することができる。このため、例え
ば透明容器の製造ラインでの厚さ検査等に最適である。

【００３１】図３は、本発明の第２実施例を示すもの
で、入射光学系と反射光学系とを別の系で構成し、光源
１からのレ−ザビ−ムを、鋭角の入射角で被測定物７に
照射するようにしたものである。

【００３２】すなわち、入射光学系は、図３に示すよう
に、第１集光レンズ１１で構成されており、光源１から
のレ−ザビ−ムは、被測定物７に対し所定の鋭角の入射
角で出射され、集光点Ｆ₁₁に集光するようになってい
る。

【００３３】一方、反射光学系は、図３に示すように、
被測定物７からの反射光が入射される第２集光レンズ１
２と、この第２集光レンズ１２からの光を集光させる第
３集光レンズ１３とから構成されており、前記第１集光
レンズ１１の集光Ｆ₁₁からの反射光は、第３集光レンズ
１３の集光点Ｆ₁₃に集光するようになっている。

【００３４】この集光点Ｆ₁₃位置には、図３に示すよう
に、ピンホ−ル８ａを有する光選択板８が設置されてお
り、したがって、この光選択板８は、前記集光点Ｆ₁₁か
らの反射光のみを通過させるようになっている。そし
て、この光選択板８を通過した光の強度は、光センサ９
により測定され、その出力に基づいて、被測定物７の厚
さＴが測定されるようになっている。

【００３５】なお、本実施例においても、前記第１実施
例と同様、被測定物７の厚さＴを測定する際には、第１
集光レンズ１１の集光点Ｆ₁₁を、被測定物７の厚さＴ方
向に移動させる必要がある。

【００３６】その方法としては、第１集光レンズ１１
を、入射光学系の光軸にそって移動させる方法と、光源
１とともに被測定物７に対し直交する方向に移動させる
方法とが考えられるが、いずれの場合にも、第１集光レ
ンズ１１の移動に合わせ、反射光学系の光軸を移動調節
する必要があり、操作が容易でない。

【００３７】したがって、本実施例の場合には、集光点
Ｆ₁₁を被測定物７の厚さＴ方向に移動させるのに、第１
集光レンズ１１を移動させず、被測定物７を移動させる
ようにすることが好ましい。

【００３８】しかして、本実施例の場合にも、前記第１
実施例と同様の効果が期待できるとともに、被測定物７
の近傍に障害物がある場合でも、これを避けて測定を行
なうことができ、適用範囲を拡大することができる。

【００３９】図４は、本発明の第３実施例を示すもの
で、前記第２実施例における第１集光レンズ１１に代
え、凹面鏡２１を用いるようにしたものである。なお、
その他の点については、前記第２実施例と同一構成とな
っており、作用も同一である。

【００４０】しかして、凹面鏡２１を用いても、前記第
２実施例と同様の効果が期待できる。また、第２集光レ
ンズ１２あるいは第３集光レンズ１３に代えて、凹面鏡
を用いることもでき、同様の効果が期待できる。

【００４１】なお、前記各実施例においては、光源１に
Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ発振器２を用いる場合について説明し
たが、半導体レ−ザ等の他のレ−ザ発振器を用いること
もでき、また微小スポットが得られるのであれば、レ−
ザ光以外の光を用いることもできる。また、光選択板８
には、ピンホ−ル８ａに代えてスリットを設けるように
してもよい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の発明
は、入射光学系と反射光学系とにより共焦点光学系が構
成され、入射光学系の集光点からの反射光のみが、光選
択機構を通過して光センサでその強度が測定されるよう
になっているので、光センサの出力に基づき、被測定物
の厚さを容易かつ高精度に測定することができる。ま
た、被測定物の片面側からの操作のみで、しかも非接触
で測定できるので、接触により被測定物を損傷するおそ
れがないとともに、密閉容器等の測定にも適用すること
ができる。また、測定に光を用いているので、被測定物
が小型であっても、また曲面であっても、何等支障なく
高精度に厚さ測定を行なうことができる。

【００４３】また、本発明の第２の発明は、共焦点光学
系が、第１集光レンズ，第２集光レンズおよびハ−フミ
ラ−のみで構成されるので、光学系の構成が簡素化され
るとともに、第１集光レンズの集光点を移動させる機構
も簡素化され、装置の小型化およびコストダウンを図る
ことができる。

【００４４】また、本発明の第３の発明は、入射光学系
および反射光学系を、被測定物の正面を避けて設置する
ことができるので、被測定物の正面に障害物があるよう
な場合にも適用でき、適用範囲の拡大を図ることができ
る。

【００４５】そしてこの際、各集光レンズに代えて、凹
面鏡を用いることもでき、この場合にも、ほぼ同様の効
果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光学式非接触厚み測
定装置を示す構成図である。

【図２】図１の装置の光センサの出力波形を示すグラフ
である。

【図３】本発明の第２実施例に係る光学式非接触厚み測
定装置を示す構成図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る光学式非接触厚み測
定装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ Ｈｅ−Ｎｅレ−ザ発振器 ４，１１ 第１集光レンズ ５，１２ 第２集光レンズ ６ ハ−フミラ− ７ 被測定物 ８ 光選択板 ８ａ ピンホ−ル ９ 光センサ １３ 第３集光レンズ ２１ 凹面鏡 Ｆ₄ ，Ｆ₅ ，Ｆ₁₁，Ｆ₁₃ 集光点 Ｈ 表面 Ｂ 裏面 Ｔ 厚さ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を集光させるとともに、そ
   の集光点を被測定物の厚さ方向に相対移動させる入射光
   学系と；被測定物からの反射光が入射され、入射された
   反射光を集光させる反射光学系と；反射光学系からの光
   のうち、前記集光点からの反射光のみを通過させるピン
   ホ−ルまたはスリットを有する光選択機構と；光選択機
   構を通過した光の強度を測定する光センサと；を備え、
   前記光センサの出力に基づいて被測定物の厚さを測定す
   ることを特徴とする光学式非接触厚み測定装置。
2. 【請求項２】 光源からの光がハ−フミラ−を介し入射
   され、入射された光を被測定物に対しほぼ直角に出射し
   て集光させるとともに、その集光点を被測定物の厚さ方
   向に相対移動させる第１集光レンズと；被測定物からの
   反射光が前記第１集光レンズおよびハ−フミラ−を介し
   入射され、入射された反射光を集光させる第２集光レン
   ズと；第２集光レンズからの光のうち、前記集光点から
   の反射光のみを通過させるピンホ−ルまたはスリットを
   有する光選択機構と；光選択機構を通過した光の強度を
   測定する光センサと；を備え、前記光センサの出力に基
   づいて被測定物の厚さを測定することを特徴とする光学
   式非接触厚み測定装置。
3. 【請求項３】 光源からの光を被測定物に対し予め定め
   られた鋭角の入射角で出射して集光させるとともに、そ
   の集光点を被測定物の厚さ方向に相対移動させる第１集
   光レンズと；被測定物からの反射光が入射される第２集
   光レンズと；第２集光レンズを通過した反射光を集光さ
   せる第３集光レンズと；第３集光レンズからの光のう
   ち、前記集光点からの反射光のみを通過させるピンホ−
   ルまたはスリットを有する光選択機構と；光選択機構を
   通過した光の強度を測定する光センサと；を備え、前記
   光センサの出力および前記被測定物に対する光の入反射
   角に基づいて被測定物の厚さを測定することを特徴とす
   る光学式非接触厚み測定装置。
4. 【請求項４】 第１集光レンズ，第２集光レンズおよび
   第３集光レンズのうちの少なくともいずれか１つの集光
   レンズに代え、凹面鏡を用いることを特徴とする請求項
   ３記載の光学式非接触厚み測定装置。