JPH051904A

JPH051904A - 光学式形状計

Info

Publication number: JPH051904A
Application number: JP30625091A
Authority: JP
Inventors: Tsuneo Suyama; 恒夫陶山; Masaki Takenaka; 正樹竹中; Arichika Matsumoto; 有慎松本; Hiroshi Maki; 宏牧; Atsuhisa Takekoshi; 篤尚竹腰; Mamoru Inaba; 護稲葉
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1991-11-21
Publication date: 1993-01-08

Abstract

(57)【要約】【目的】表面が鏡面に近い被計測物の形状を、被計測
物表面の傾斜変動等に影響されずに、オンラインで安定
して連続計測できる光学式形状計。【構成】被計測物１１の表面にスポット光を照射する
光照射手段２及び３と、その反射光からハーフミラー７
を介して分離した透過光の受光強度の重心位置を検出す
る第１の光検出手段８及び１２−１と、前記ハーフミラ
ー７を介して分離した反射光の受光強度の重心位置を検
出する第２の光検出手段９及び１２−２と、前記第１及
び第２の光検出手段８及び９の出力信号に基づき、所定
の計測基準位置から被計測物１１の表面までの距離を算
出する演算手段１３とを備えたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、表面が鏡面、または鏡
面に近い材料の形状をオンラインで非接触且つ連続的に
計測出来る光学式形状計に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光学系を用いた形状計はごく一般
的な技術として確立している。この一般的な形状計は、
三角測量方式を利用しており、拡散反射する被計測物に
対しては非常に有効な手段である。しかし、正反射する
被計測物に対しては、反射光が戻らないため計測は不可
能である。また、拡散反射する被計測物に対しても、疵
などがあると、ハレーションなどを起こし、反射光が戻
らない場合があり、この場合も計測は不可能である。

【０００３】本発明においては、表面が鏡面、または鏡
面に近い材料の形状を、計測基準位置から被計測物まで
の距離と、計測基準垂直線に対する被計測物の傾斜角と
を計測することによって、被計測物の形状を測定するこ
とを目的としている。しかし、オンラインにおける表面
が鏡面、または鏡面に近い被計測物は一般に波打ってお
り、測定光を照射する鏡面材の表面は水平面となってい
ない。これは材料を構成する微小部分がそれぞれ本来の
基準位置より上下及び左右に変位していると考えられ
る。このように波打っている鏡面材の表面は傾斜変動を
有するため、オンラインでは、精度良く上記距離の計測
ができなかった。

【０００４】図１０は従来の光学式形状計の計測誤差を
説明する図である。同図において、６は受光センサであ
り、例えば２次元アレイに配置された複数のＣＣＤ（Ｃ
ｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）受光素子
を含む。そして受光センサ６は入射光を受光すると、各
受光素子毎にその受光位置を示す電気信号が読出せるの
で、配列された平面上の受光位置を検出することができ
る。但し図１０においては、鉛直線を含む２次元座標系
において計測するため、受光センサ６の受光位置はＡ及
びＡ′を含む直線上の座標位置として検出している。１
１は表面が鏡面、または鏡面に近い被計測物である。

【０００５】いま図１０の被計測物１１の表面が鉛直線
に対して直角な水平面Ｐの場合に、この鉛直線に対して
入射角βでＯ点に照射された入射光は、入射角と等しい
反射角βにより正反射され、受光センサ６の受光位置Ａ
に入力する。この場合に基準水平面Ｒから被計測物１１
の照射点Ｏまでの鉛直距離はＬである。またこの場合は
入射角βが既知であるため、反射角は受光センサ６の受
光位置Ａによって基準鉛直線Ｖからの角度として決定で
きる。

【０００６】次に被計測物１１の表面が角度ｄβ／２だ
け傾斜して、水平面Ｐが傾斜面Ｐ′に変化すると、入射
光はこの傾斜面Ｐ′に直角な法線に対して正反射される
ためＯ点における反射角β′はβ′＝β＋ｄβとなる。
従って受光センサ６における受光位置はＡ′に移行す
る。この受光位置Ａ′が検出されると、従来の光学式距
離計においては、被計測物１１の表面の傾斜は無視さ
れ、基準水平面Ｒから被計測物１１の照射点Ｏまでの鉛
直距離がＬ′に変化したものとして計測される。従って
被計測物１１の表面の傾斜に基づき、距離計測において
△Ｌ＝Ｌ′−Ｌの計測誤差が発生したことになる。

【０００７】また被計測物１１の表面が下方に△Ｌだけ
変化して、水平面がＰ′に変化すると、入射光はこの水
平面Ｐ′に直角な法線に対して正反射されるためＯ′点
における反射角βは変化しないにもかかわらず受光セン
サ６における受光位置はＡ′に移行する。この受光位置
Ａ′が検出されると、従来の光学式傾斜計においては、
被計測物１１の表面の傾斜変化として計測する。従って
被計測物１１の表面の上下変化は無視され、基準鉛直線
Ｖからの角度が変化したものとして計測され、被計測物
１１の表面の上下変化に基づき、傾斜計測においてｄβ
＝β′−βの計測誤差が発生したことになる。

【０００８】この計測誤差は、光源または受光センサと
被計測物との間の相対的位置の変化によっても発生する
が、さらに光源スポットの光量分布の偏りやハレーショ
ンも受光センサの受光位置を変化させるので、これも計
測誤差の原因となる。従って表面が鏡面、または鏡面に
近い材料の形状計測において、従来方式ではセンサに対
して被計測物を鉛直方向に精度良く配置し、しかも被計
測物とセンサ間の角度を変化させないように工夫せざる
を得ないため実用化されていない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の被
計測物までの距離または表面傾斜角の測定による光学式
形状計では、被計測物の表面が鏡面、または鏡面に近い
場合に、被計測物表面の傾斜変動や、光源または受光セ
ンサと被計測物との間の相対的位置の変動等により計測
誤差を生じるため、オンラインで安定して連続的に被計
測物の形状を計測できないという問題点があった。本発
明は、上記のような課題を解決するためになされたもの
で、表面が鏡面または、鏡面に近い被計測物までの距離
または表面傾斜角の測定による被計測物の形状を、被計
測物表面の傾斜変動等に影響されずに、オンラインで安
定して連続的に計測できる光学式形状計を得ることを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
光学式形状計は、被計測物に対して集光された光を所定
の入射角により照射する光照射手段と、前記被計測物の
表面からの反射光をハーフミラーを介して透過光と反射
光とに分離し、該分離された透過光を２次元の受光素子
により受光し、その受光強度の重心位置信号を検出する
第１の光検出手段と、前記ハーフミラーを介して分離さ
れた反射光を２次元の受光素子により受光し、その受光
強度の重心位置信号を検出する第２の光検出手段と、前
記第１の光検出手段から検出される受光強度の重心位置
信号及び前記第２の光検出手段から検出される受光強度
の重心位置信号に基づき、所定の計測基準位置から被計
測物の表面までの距離を算出する演算手段とを備えたも
のである。

【００１１】本発明の請求項２に係る光学式形状計は、
被計測物に対して集光され第１のハーフミラーを介した
反射光を垂直に照射する光照射手段と、前記被計測物の
表面からの反射光の前記第１のハーフミラーを介した透
過光を第２のハーフミラーを介して透過光と反射光とに
分離し、該分離された透過光を２次元の受光素子により
受光し、その受光強度の重心位置信号を検出する第１の
光検出手段と、前記第２のハーフミラーを介して分離さ
れた反射光を２次元の受光素子により受光し、その受光
強度の重心位置信号を検出する第２の光検出手段と、前
記第１の光検出手段から検出される受光強度の重心位置
信号、並びに前記第２の光検出手段から検出される受光
強度の重心位置信号に基づき、所定の計測基準垂直線に
対する被計測物表面の傾斜角を算出する演算手段とを備
えたものである。

【００１２】本発明の請求項３に係る光学式形状計は、
前記請求項１または請求項２記載の光学式形状計におい
て、前記第１の光検出手段及び第２の光検出手段は、そ
れぞれ２次元受光素子から検出する座標位置信号を直線
化するリニアライズ装置を有するものである。

【００１３】

【作用】本請求項１に係る発明においては、光照射手段
は被計測物に対して集光された光を所定の入射角により
照射する。第１の光検出手段は前記被計測物の表面から
の反射光をハーフミラーを介して透過光と反射光とに分
離し、該分離された透過光を２次元の受光素子により受
光し、その受光強度の重心位置信号を検出する。第２の
光検出手段とは前記ハーフミラーを介して分離された反
射光を２次元の受光素子により受光し、その受光強度の
重心位置信号を検出する。演算手段は前記第１の光検出
手段から検出される受光強度の重心位置信号及び前記第
２の光検出手段から検出される受光強度の重心位置信号
に基づき、所定の計測基準位置から被計測物の表面まで
の距離を算出する。

【００１４】本請求項２に係る発明においては、光照射
手段は被計測物に対して集光され第１のハーフミラーを
介した反射光を垂直に照射する。第１の光検出手段は前
記被計測物の表面からの反射光の前記第１のハーフミラ
ーを介した透過光を第２のハーフミラーを介して透過光
と反射光とに分離し、該分離された透過光を２次元の受
光素子により受光し、その受光強度の重心位置信号を検
出する。第２の光検出手段は前記第２のハーフミラーを
介して分離された反射光を２次元の受光素子により受光
し、その受光強度の重心位置信号を検出する。演算手段
は前記第１の光検出手段から検出される受光強度の重心
位置信号、並びに前記第２の光検出手段から検出される
受光強度の重心位置信号に基づき、所定の計測基準垂直
線に対する被計測物表面の傾斜角を算出する。

【００１５】本請求項３に係る発明においては、前記請
求項１または請求項２記載の光学式形状計において、前
記第１の光検出手段及び第２の光検出手段に設けられた
リニアライズ装置は、それぞれ２次元受光素子から検出
する座標位置信号を直線化し、精度の高い座標位置信号
を出力する。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の第１実施例に係る光学式形状
計の概略構成図である。同図において、１はセンサボッ
クスであり、内部に発光部２、投光レンズ３、受光レン
ズ４、ハーフミラー７、１次受光センサ８及び２次受光
センサ９を含んでいる。ここで発光部２は例えばレーザ
光源等である。また１次受光センサ８及び２次受光セン
サ９は、例えば２次元の光位置検出器（Ｐｏｓｉｔｉｏ
ｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ，以下２次元Ｐ
ＳＤという）と、該２次元ＰＳＤにより光／電変換され
た電気的信号を外部に取出すための信号読取り回路を含
んでいる。そして入射光を受光すると、２次元ＰＳＤの
座標上の受光強度の重心位置を示す出力信号が得られ
る。（なお、２次元ＰＳＤによる座標位置算出法につい
ては図２で説明する。）またセンサボックス１内に収納
されている上記各ユニットの相対位置は、設計時に幾何
学的に計算された位置にそれぞれ配置される。１１は表
面が鏡面、または鏡面に近い被計測物、１２−１、１２
−２はそれぞれ前記受光センサ８、９の出力信号から２
次元座標上の受光座標位置を算出する座標位置算出器、
１３は前記座標位置算出器１２−１及び１２−２の出力
信号から被計測物１１の変位または形状を算出する演算
器である。

【００１７】図２は２次元ＰＳＤによる２次元位置計測
の説明図である。同図において、３０は２次元ＰＳＤ素
子であり、例えば浜松ホトニック（株）製の型式Ｓ−１
２００，Ｓ−１３００等が市販されている。３１Ａ〜３
１Ｄはそれぞれ前置増幅器であり、３０〜３１Ｄは１次
または２次センサ８まは９に含まれる。３２Ａ及び３２
Ｂはそれぞれ加算器、３３Ａ及び３３Ｂはそれぞれ減算
器、３４Ａ及び３４Ｂはそれぞれ除算器、３５はリニア
ライザであり、３２Ａ〜３５は座標位置算出器１２−１
または１２−２に含まれている。

【００１８】図２の動作を説明する。２次元ＰＳＤ素子
３０は、２次元の受光面に多数のホトダイオードが配列
され、この受光面の各縁の対向位置にそれぞれＸ軸用に
２個、Ｙ軸用に２個の合計４個の取出し電極が設けられ
ている。いま入射光がレンズにより集光された光束とし
て２次元ＰＳＤ素子３０の受光面を照射すると、その照
射エネルギーに比例して光／電変換された電流が発生
し、この発生した電流がそれぞれ対向して配置されたＸ
軸及びＹ軸の取出し電極に対して分流する。この場合各
取出し電極に分流する４つの電流ｉ₁，ｉ₂，ｉ₃及び
ｉ₄の値は、光照射位置から各電極までの距離に反比例
した値となる。前記各電流ｉ₁〜ｉ₄は所定インピーダ
ンスを介して対応する電圧Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₁及びＹ₂と
して各取出し電極から取出される。

【００１９】前置増幅器３１Ａ〜３１Ｄは前記２次元Ｐ
ＳＤ素子３０の各取出し電極から出力される電圧Ｘ₁，
Ｘ₂，Ｙ₁及びＹ₂をそれぞれ増幅して加算器３２Ａ及
び３２Ｂ，並びに減算器３３Ａ及び３３Ｂに供給する。
加算器３２Ａ及び３２Ｂはそれぞれ２入力電圧の和電圧
（Ｘ₁＋Ｘ₂）及び（Ｙ₁＋Ｙ₂）を演算して出力し、
減算器３３Ａ及び３３Ｂはそれぞれ２入力電圧の差電圧
（Ｘ₁−Ｘ₂）及び（Ｙ₁−Ｙ₂）を演算して出力す
る。除算器３４Ａ及び３４Ｂは前記Ｘ軸及びＹ軸の差電
圧を和電圧で除算した商を各軸の補正前の座標位置を示
す信号として出力する。即ち（Ｘ₁−Ｘ₂）／（Ｘ₁＋
Ｘ₂）がＸ軸の補正前座標位置信号となり、（Ｙ₁−Ｙ
₂）／（Ｙ₁＋Ｙ₂）がＹ軸の補正前座標位置信号とな
る。

【００２０】図３は図２の２次元ＰＳＤの出力特性及び
リニアライザの説明図である。現在市販されている２次
元ＰＳＤの出力特性は必ずしも良好な直線性を有しない
ものが多く、その出力特性は製造方法や製造過程により
個々に決定される。図３の（ａ）は２次元ＰＳＤ素子３
０の出力特性の一例を示すものであり、除算器３４Ａ及
び３４Ｂの出力より得られる座標位置信号は、そのまま
では、方眼紙を凸面鏡や凹面鏡を介してみた投影像のよ
うに歪んでおり、非直線性誤差が含まれる。しかしこの
非直線性誤差は除算器３４Ａ及び３４Ｂの出力信号をＸ
軸方向にｍ段階、Ｙ軸方向にｎ段階に分けて、あらかじ
め較正しておくことによりリニアライズ補正を行なうこ
とができる。

【００２１】図３の（ｂ）は図２のリニアライザ３５の
一例を示すブロック図であり、リニアライザ３５は、例
えば１対のＡ／Ｄ変換器３６Ａ及び３６Ｂ、テーブルメ
モリ３７並びに１対のデータバッファ３８Ａ及び３８Ｂ
により構成することができる。Ａ／Ｄ変換器３６Ａ及び
３６Ｂは、例えば１２〜１６ビット程度の分解能を有
し、それぞれ補正前のＸ座標電圧信号及びＹ座標電圧信
号をデジタルデータに変換し、これらをＸ軸アドレスデ
ータ及びＹ軸アドレスデータとしてテーブルメモリ３７
に供給する。図３の（ｃ）はテーブルメモリ３７の一例
を示す説明図であり、補正前のＸ軸アドレスデータ及び
Ｙ軸アドレスデータで指定されたアドレスには、それぞ
れ補正後のＸ座標データ（上段データ）及びＹ座標デー
タ（下段データ）があらかじめ収納されている。そして
テーブルメモリ３７は前記補正前のＸ軸アドレス及びＹ
軸アドレスの入力により、該両アドレスにより指定され
たアドレスから補正後のＸ座標データ及びＹ座標データ
を読出し、それぞれデータバッファ３６Ａ及び３６Ｂを
介して出力する。

【００２２】また２次元ＰＳＤ素子３０に入射する光ビ
ームの径が大きくなったり、または光ビーム内での光量
分布が不規則に分布して正規分布にならない場合には、
受光強度の重心位置が前記座標位置として算出される。

【００２３】ここで計測回路の具体的配置は、種々のケ
ースが考えられる。この実施例では、２次元ＰＳＤ素子
３０及び前置増幅器３１Ａ〜３１Ｄが受光センサ側に設
けられ、受光センサ側から前記４つの電圧信号Ｘ₁，Ｘ
₂，Ｙ₁及びＹ₂を座標位置算出器側に出力する場合に
ついて説明する。またアナログ信号による演算を行なう
加算器３２Ａ及び３２Ｂ、減算器３３Ａ及び３３Ｂ、並
びに除算器３４Ａ及び３４Ｂを受光センサ側に設けて、
受光センサ側から補正前のＸ軸及びＹ軸の座標位置信号
を出力するようにしてもよい。この場合は高速演算処理
に適している。

【００２４】図２及び図３を参照し図１の動作を説明す
る。まず表面が鏡面または鏡面に近い被計測物１１の表
面に微小の光スポットを所定の入射角で照射する。この
ためセンサボックス１内の発光部２から出射された光
（例えばレーザ光）は投光レンズ３により微小なスポッ
ト径に集光されて、被計測物１１の表面に入射角βで照
射される。被計測物１１の表面は鏡面であるため光の正
反射が生じ、入射光は反射角β′で反射される。

【００２５】ここでセンサボックス１における光学的基
準面（例えば上面）に対して、発光部２と投光レンズ３
を通る照射光路と、受光レンズ４とハーフミラー７を通
る反射光路とが軸対称になるような垂線を考えると、こ
の垂線上の照射光路と反射光路の交点Ｑが被計測物１１
の表面と一致するように初期調整されている。従って被
計測物１１の表面の照射点Ｑにおける被計測物１１の法
線が前記垂線と一致する場合（すなわち前記垂線と被計
測物１１の表面が直角の場合）、前記垂線に対する入射
角βと反射角β′とは等しい値となる。しかし被計測物
１１の表面が傾斜してＱ点における法線が前記垂線と一
致しない場合は、入射角βと反射角β′とは一致せずそ
の差ｄβを生じる。このβの値は機器設計時に決定され
るものである。また通常の設置状態においては、センサ
ボックス１の光路の基準軸となる前記垂線は重力の方向
である鉛直線と一致するように、また被計測物１１の表
面は水平面となるように設定される。しかしオンライン
の設置条件によっては、必ずしもそうでない場合も有り
得る。

【００２６】このようにして被計測物１１の表面から正
反射された反射光は受光レンズ４を介し、ハーフミラー
７により透過光と反射光とに分離され、その透過光は１
次受光センサ８により、またその反射光は２次受光セン
サ９によりそれぞれ受光される。１次受光センサ８及び
２次受光センサ９では図２で説明したように２次元ＰＳ
Ｄ素子３０が入射光を受光し、内蔵する前置増幅器３１
Ａ〜３１Ｄを介して、Ｘ軸方向の電圧出力Ｘ₁及び
Ｘ₂，並びにＹ軸方向の電圧出力Ｙ₁及びＹ₂を出力
し、これらの出力信号が座標位置算出器１２−１及び１
２−２に逐次供給される。

【００２７】座標位置算出器１２−１及び１２−２は１
次受光センサ８及び１次受光センサ９からそれぞれ入力
される前記電圧信号Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₁及びＹ₂の加算、
減算及び除算を行ない、さらに図３で説明したようにリ
ニアライザ３５により座標位置の非直線性誤差の補正を
行ない、図１に示した各受光センサの断面の長さ方向
（即ち直線座標上）における受光位置Ａ及びＢを算出す
る。この場合に前記各受光センサの断面の長さ方向と、
各受光センサに含まれる２次元ＰＳＤ素子のＸ軸または
Ｙ軸のいずれか一方の軸方向とは一致するようにあらか
じめ調整されている。従って実際には前記４つの電圧信
号のうちの２つの電圧信号について演算を行ない、一方
の直線座標上の位置を求めることにより前記受光位置Ａ
及びＢを算出することができる。この２つの受光センサ
８及び９の直線座標上の受光位置Ａ及びＢが座標位置算
出器１２−１及び１２−２によりそれぞれ算出され、該
受光位置信号が演算器１３に入力されると、演算器１３
は幾何学的解析により受光角度と計測基準位置から被計
測物１１の表面までの距離を算出する。ここで演算器１
３が算出する距離は次のように定式化される。

【００２８】図４は本発明の第１実施例に係る距離算出
式の説明図である。同図の（ａ）において、２〜４、７
〜９及び１１は図１と同一のものである。またＯは２次
元座標の原点で座標位置（０，０）、Ｌは座標原点Ｏを
通るＸ軸と被計測物１１の表面の光照射位置との間の垂
直距離、Ｏ′は１次受光センサ８及び２次受光センサ９
内の２次元ＰＳＤのＸ軸またはＹ軸のいずれか一方の軸
をそれぞれ延長した延長線上の交点であり、その座標位
置を（ａ，ｂ）とする。即ちａはＯ点を原点としたとき
のＯ′点のＸ座標値、ｂはＯ点を原点としたときのＯ′
点のＹ座標値である。いまハーフミラー７への入射光の
延長線上の等価位置に２次受光センサ９を移動したと仮
定する。この場合にαは２次受光センサ９の前記等価位
置での水平角度、α′はハーフミラー７の水平角度、β
は被計測物１１への照射光の入射角、ｘは点Ｏ′と２次
受光センサ９の受光位置との間の距離、ｙは点Ｏ′と１
次受光センサ８の受光位置との間の距離である。

【００２９】また図４の（ｂ）は被計測物１１の表面が
角度ｄβ／２だけ傾斜してＸ軸に並行な水平線Ｐが傾斜
線Ｐ′に変化したため、入射角βと反射角β′の間の角
度差ｄβが生じ、この角度差に基づき１次受光センサ８
の受光位置ＡがＡ′に、２次受光センサ９の受光位置Ｂ
がＢ″に移行していることを示している。なお、β′は
被計測物１１からの反射角、ｄβは入射角βと反射角
β′との角度差である。また被計測物１１の表面の前記
水平線Ｐが並行移動して距離ＬがＬ′に変化すると、入
射角βと反射角β′とは等しくとも、１次受光センサ８
の受光ＡはＡ′に、２次受光センサ９の受光位置Ｂは
Ｂ′に移行する。即ち２つの受光センサの受光位置Ａと
Ｂは被測定物１１までの距離と、その表面の傾斜の関数
である。しかし前例の傾斜変動の場合の２次受光センサ
９の受光位置はＢ″であるが、距離変動の場合の受光位
置はＢ′であり、異なる位置となっている。

【００３０】従ってこの１対の受光センサ８及び９の受
光位置を示す距離値ｘ及びｙを求めると、図４の（ａ）
の配置における平面幾何学的解析を行ない、その解とし
て次の式（１），（２）により距離Ｌ及び入射角と反射
角との角度差ｄβを別個に算出することができる。

【００３１】

【数１】

【００３２】

【数２】

【００３３】また（２）式の角度差ｄβは被計測物１１
の表面が水平面との間になす傾斜角の２倍の値となって
いるので、この角度差より傾斜角ｄβ／２を直ちに求め
ることができる。前記（１）式において、注目に値するのは、１対の受光
センサの受光位置を示す距離値ｘ及びｙが与えられる
と、前記傾斜変動には全く影響されることなく、直接
（１）式により距離Ｌが求められることである。

【００３４】次に受光センサに入射する入射光が微小ビ
ームや正規分布にならない場合につき説明する。図５は
本発明の第１実施例に係る受光センサへの入射光の不規
則分布例を示す図である。図５においては、入射光のビ
ーム径Ｄは微小であるが、被計測物１１の表面に微小な
凹凸や疵等があるため、反射光のビームは拡大し、受光
センサへの入射光の光量分布は正規分布にならない場合
の例を示している。この場合に１次及び２次受光センサ
８及び９に前記２次元ＰＳＤを使用することにより、２
次元平面に不規則に分布する受光強度の重心位置を示す
信号が直接得られる。従って従来のＣＣＤの出力信号か
ら重心位置を算出するような複雑な計算をしないでも、
図２で説明した単純な演算により短時間で受光強度の重
心位置を示す受光位置Ｋ及びＫ′を求めることができ
る。

【００３５】図６は本発明の第２実施例に係る光学式形
状計の概略構成図であり、図７は図６の被計測物が傾斜
した場合の説明図、図８は図７の光学系を説明するため
の斜視図である。図６〜図８において、１〜３、８、
９、１〜１３は図１と同一のものであり、７ａ及び７ｂ
はそれぞれハーフミラーである。また図６〜図８におけ
る第２実施例は、表面が鏡面または鏡面に近い被計測物
１１の表面傾斜角を測定するものである。

【００３６】図６の動作を最初に説明する。同図の被計
測物１１及び光学系は計測前の較正状態を示していると
考えることができる。計測前の初期較正時には、まず鏡
面または鏡面に近い被計測物１１の表面を基準水平面と
平行な水平面になるように調整する。次にセンサボック
ス１内の発光部２から出射された光（例えばレーザ光）
を投光レンズ３により微小なスポット径に集光し、ハー
フミラー７ａを介した反射光を前記水平に調整された被
計測物１１の表面上の入射点Ｑに垂直に照射する。被計
測物１１の表面は鏡面であるため光の正反射が生じ、こ
の場合入射点Ｑにおける入射角βと反射角β′とは等し
く０度となり、反射光は入射光と同一光路を経てハーフ
ミラー７ａに再入射し、これを透過する透過光を生じ
る。そしてハーフミラー７ａからの透過光はさらにハー
フミラー７ｂにより透過光と反射光とに分離され、ハー
フミラー７ｂからの透過光は１次受光センサ８上の受光
位置Ａで受光され、同様にハーフミラー７ｂからの反射
光は２次受光センサ９上の受光位置Ｂで受光される。

【００３７】前記２つの受光位置Ａ及びＢは、それぞれ
座標位置算出器１２−１及び１２−２により２次元座標
上の位置データとして算出され演算器１３に入力される
が、この較正時には、２つの受光位置データが等しい値
になるように各受光センサ８及び９の取付位置が調整さ
れるようにしている。この図６における、被計測物１１
の表面の入射及び反射点Ｑからハーフミラー７ａ及びハ
ーフミラー７ｂを通過して１次受光センサ８上の受光位
置Ａ点に至る光路が、この光学系の基準垂直線であり
（または基準鉛直線としてもよい）、後述する３次元座
標系のＺ軸となる。またもしも、前記２つの受光位置Ａ
及びＢの位置データが等しい値に調整されない場合に
は、受光位置Ａを基準位置とした受光位置Ｂのオフセッ
ト値を初期較正時におけるオフセットデータとしてこれ
を記憶するようにしておく。

【００３８】図７は被計測物１１の表面が傾斜した場合
であり、初期較正終了後の計測状態を示していると考え
ることができる。図７においては、被計測物１１が光の
入射点Ｑにおいてｄβ／２だけ傾斜しているため、入射
角βと反射角β′との間には角度差ｄβが生じる。即ち
前記基準垂直線上を入射する入射光に対して、反射光は
ｄβの角度差をもってハーフミラー７ａを透過し、さら
にハーフミラー７ｂを介した透過光と反射光は、それぞ
れ１次受光センサ８上の受光位置Ａ′と２次受光センサ
９上の受光位置Ｂ′において受光される。いまハーフミ
ラー７ｂへの入射光の延長線上の等価位置に２次受光セ
ンサ９を移動したと仮定し、これを等価２次受光センサ
９′とする。この等価２次受光センサ９′上の等価受光
位置をＢｅ′とすると、この等価受光位置Ｂｅ′、受光
位置Ａ′及び反射点Ｑは前記角度差ｄβを有する同一反
射光路（同一直線）上に存在する。

【００３９】図８は図７の立体的光学系を説明するため
の斜視図である。即ち１次受光センサ８及び２次受光セ
ンサ９はそれぞれ２次元ＰＳＤであり、受光ビームの受
光強度の重心位置を図８のようにそれぞれ２次元座標上
の受光位置として検出する。そして図７における、受光
位置のＡからＡ′の方向及び受光位置のＢｅからＢｅ′
の方向をそれぞれＸ軸方向とし、前記反射点Ｑから受光
位置Ａ及びＢｅへの基準垂直線をＺ軸方向とすると、図
８の３次元座標光学系を前記Ｘ・Ｚ平面に投影したもの
が図７の光学系となる。

【００４０】図９は本発明の第２実施例に係る傾斜角算
出式の説明図である。同図において、２、７ａ、７ｂ、
８、９、９′及び１１は図７と同一のものであり、図９
は図７と同様に図８の３次元光学系を前記Ｘ・Ｚ平面に
投影したもである。図９において、１次受光センサ８上
の受光位置ＡとＡ′間の距離をａ、等価２次受光センサ
９′上の等価受光位置ＢｅとＢｅ′間の距離をｂ、前記
受光位置Ａと等価受光位置Ｂｅ間の距離をｄ、また被計
測物１１の点Ｑにおける傾斜角をｄβ／２とすると、ｄ
β／２は次の（３）式により算出することができる。

【００４１】

【数３】

【００４２】演算器１３は座標位置検出器１２−１及び
１２−２から供給される前記受光位置Ａ′及び等価受光
位置Ｂｅ′から前記Ｘ軸上の移動距離ａ及びｂを算出
し、また前記距離ｄは既知であるので、（３）式を用い
て前記傾斜角ｄβ／２を算出することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光照射手
段により被計測物に対して集光された光を所定の入射角
により照射し、第１の光検出手段により前記被計測物の
表面からの反射光よりハーフミラーを介して透過光と反
射光とに分離し、この分離した透過光を２次元の受光素
子により受光し、その受光強度の重心位置信号を検出
し、第２の光検出手段により前記ハーフミラーを介して
分離した反射光を２次元の受光素子により受光し、その
受光強度の重心位置信号を検出し、演算手段により前記
第１の光検出手段並びに第２の光検出手段からそれぞれ
検出される受光強度の重心位置信号に基づき、所定の計
測基準位置から被計測物の表面までの距離を算出するよ
うにしたので、被計測物の表面が鏡面、または鏡面に近
い場合に、オンラインで被計測物が傾斜変動したり、ハ
レーションを起こすようなときにも、非接触で被計測物
の形状、変位または厚さを安定して連続計測することが
できる。

【００４４】また本発明によれば、光照射手段により被
計測物に対して集光され第１のハーフミラーを介した反
射光を垂直に照射し、第１の光検出手段により前記被計
測物の表面からの反射光の前記第１のハーフミラーを介
した透過光を第２のハーフミラーを介して透過光と反射
光とに分離し、該分離された透過光を２次元の受光素子
により受光し、その受光強度の重心位置信号を検出し、
第２の光検出手段により前記第２のハーフミラーを介し
て分離された反射光を２次元の受光素子により受光し、
その受光強度の重心位置信号を検出し、演算手段により
前記第１の光検出手段から検出される受光強度の重心位
置信号、並びに前記第２の光検出手段から検出される受
光強度の受信位置信号に基づき、所定の計測基準垂直線
に対する被計測物表面の傾斜角を算出するようにしたの
で、被計測物の表面が鏡面もしくは鏡面に近い場合、ま
たはハレーションを起こすようなときにも、オンライン
で非接触で被計測物の傾斜角を安定して連続計測するこ
とができる。

【００４５】また本発明によれば、前記第１の光検出手
段及び第２の光検出手段に含まれたリニアライズ装置
は、それぞれ２次元受光素子から検出する座標位置信号
の直線化補正を行なうようにしたので、この補正後の高
精度の座標位置信号に基づき算出する被計測物までの距
離または表面傾斜角についての計測精度も同様に向上さ
せることができる。従って従来は困難とされていた表面
が鏡面、または鏡面に近い被計測物の形状の高精度計測
が可能となり、各種ラインで安定した操業と、歩留の向
上、並びに高品質の製品の生産ができるという効果が得
られる。

【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形状計の概略
構成図である。

【図２】２次元ＰＳＤによる２次元位置計測の説明図で
ある。

【図３】図２の２次元ＰＳＤの出力特性及びリニアライ
ザの説明図である。

【図４】本発明の第１実施例に係る距離算出式の説明図
である。

【図５】本発明の第１実施例に係る受光センサへの入射
光の不規則分布例を示す図である。

【図６】本発明の第２実施例に係る光学式形状計の概略
構成図である。

【図７】図６の被計測物が傾斜した場合の説明図であ
る。

【図８】図７の光学系を説明するための斜視図である。

【図９】本発明の第２実施例に係る傾斜角算出式の説明
図である。

【図１０】従来の光学式形状計の計測誤差を説明する図
である。

【符号の説明】

１センサボックス２発光部３投光レンズ７ａ、７ｂハーフミラー８１次受光センサ９２次受光センサ１１被計測物１２−１、１２−２座標位置算出器１３演算器２０回転ミラー２１同期モータ３０２次元ＰＳＤ素子３１Ａ〜３１Ｄ前置増幅器３２Ａ、３２Ｂ加算器３３Ａ、３３Ｂ減算器３４Ａ、３４Ｂ除算器３５リニアライザ３６Ａ、３６ＢＡ／Ｄ変換器３７テーブルメモリ３８Ａ、３８Ｂデータバッファ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者牧宏東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者竹腰篤尚東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者稲葉護東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被計測物に対して集光された光を所定の
入射角により照射する光照射手段と、前記被計測物の表
面からの反射光をハーフミラーを介して透過光と反射光
とに分離し、該分離された透過光を２次元の受光素子に
より受光し、その受光強度の重心位置信号を検出する第
１の光検出手段と、前記ハーフミラーを介して分離され
た反射光を２次元の受光素子により受光し、その受光強
度の重心位置信号を検出する第２の光検出手段と、前記
第１の光検出手段から検出される受光強度の重心位置信
号及び前記第２の光検出手段から検出される受光強度の
重心位置信号に基づき、所定の計測基準位置から被計測
物の表面までの距離を算出する演算手段とを備えたこと
を特徴とする光学式形状計。
【請求項２】被計測物に対して集光され、第１のハー
フミラーを介した反射光を垂直に照射する光照射手段
と、前記被計測物の表面からの反射光の前記第１のハー
フミラーを介した透過光を第２のハーフミラーを介して
透過光と反射光とに分離し、該分離された透過光を２次
元の受光素子により受光し、その受光強度の重心位置信
号を検出する第１の光検出手段と、前記第２のハーフミ
ラーを介して分離された反射光を２次元の受光素子によ
り受光し、その受光強度の重心位置信号を検出する第２
の光検出手段と、前記第１の光検出手段から検出される
受光強度の重心位置信号、並びに前記第２の光検出手段
から検出される受光強度の重心位置信号に基づき、所定
の計測基準垂直線に対する被計測物表面の傾斜角を算出
する演算手段とを備えたことを特徴とする光学式形状
計。
【請求項３】前記第１の光検出手段及び第２の光検出
手段は、それぞれ２次元受光素子から検出する座標位置
信号を直線化するリニアライズ装置を有することを特徴
とする請求項１または請求項２記載の光学式形状計。