JPH0560532A

JPH0560532A - 光学式形状計

Info

Publication number: JPH0560532A
Application number: JP30636891A
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: 1993-03-09

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り、拡散反射
面の材料にも適用できる。

【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】例えば特開昭６２−７５３０８号公報に示
された「変位変換器」では測定対象面に光を照射し、測
定対象面上に常に焦点が合うようにレンズの位置を移動
させ、このときのレンズの移動量から測定対象面までの
距離を算出するものであり、レンズの位置を移動させる
自動焦点機構を具備することを特徴としているが、レン
ズの位置を移動させる機械的な機構を含むため応答性が
悪く、とてもオンライン計測用としては不適である。ま
た、特開昭６４−１６９０６号公報に示された「レーザ
光を利用した変位形」は極めて一般的な変位計であり、
三角測量を利用した計測原理である。この方法は拡散反
射面を持つ被計測対象物に有効であるが、この方法では
特に受光センサにイメージ・センサーを用いており高速
（４００ｍ／ｍｉｎ程度）のオンライン計測用としては
応答性が悪い。また、正反射に近いか、もしくは正反射
の測定対象面でのオンライン計測に際しては、測定対象
面が波打ちながら変化するので計測不能となる。

【０００４】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
の距離と被計測物の傾斜角とを測定することによって、
被計測物の形状を計測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、精度良く上記距離及び傾斜角の計測ができなかっ
た。

【０００５】図１１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１１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。

【０００６】いま図１１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。

【０００７】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、従来の光学式形
状計においては、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、△Ｌ＝Ｌ′−Ｌ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
近い被計測物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】図１２は従来の光学式形状計を２台用いた
平面形状被計測物の厚さ計測法の説明図である。同図に
おいては、２台の光学式形状計を平面形状を有する被計
測物１１を搬送するパスラインＰＬの上下にそれぞれ設
置する。そして１台の光学式形状計により上部基準水平
面から被計測物１１の表面までの垂直距離Ｌｕを計測
し、もう１台の光学式形状計により下部基準水平面から
被計測部１１の裏面までの垂直距離Ｌｄを計測する。ま
た前記光学式形状計の設置時に決められた上部基準水平
面と下部基準水平面の間の距離をＬｋ、平面形状被計測
物１１の厚さをｔとすると、ｔ＝Ｌｋ−（Ｌｕ＋Ｌｄ）
の関係式から厚さｔを計測することができる。図１２の
（ｂ）は被計測物１１が波打ってパスラインＰＬから浮
き上った状態を示しているが、被計測物１１の表面及び
裏面がパスラインＰＬと平行の場合は（即ち被計測物１
１の平面が傾斜しない場合は）、Ｌｕ１＋Ｌｄ１＝Ｌｕ
２＋Ｌｄ２の関係から、厚さｔは正しく計測される。

【００１０】図１３は図１２の平面形状被計測物の厚さ
計測法の誤差を説明する図であり、同図は被計測物１１
が点Ｏを軸として角度ｄβ／２だけ傾斜した場合を示し
ている。図１３においては、下部基準水平面から点Ｏま
での距離は図１２の（ｂ）の場合と等しいＬｄ２である
が、上部基準水平面から被計測物１１の表面までの垂直
距離Ｌｕ３は図１２の（ｂ）の場合と等しくない。即ち
光学式形状計のレーザスポット位置が変わるため、Ｌｕ
３＜Ｌｕ２、厚さｔ′＝ｔ＋ｄｔとなり、厚さｔ′には
被計測物の傾斜に起因する誤差ｄｔが含まれる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
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、上記のような問題点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。

【００１２】

【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。

【００１３】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た光を回転ミラーを介してス
ポット走査光とし、これを所定の入射角で照射する光照
射手段と、前記被計測物の表面から反射される入射光を
集光して反射させる２次曲面鏡と、前記２次曲面鏡から
反射される入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、前記回転ミラーの回転と同期
させて演算する演算手段とを備えたものである。

【００１４】本発明の請求項３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
距離と被計測物の傾斜角を共に算出する演算手段とを備
えたものである。

【００１５】本発明の請求項４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回転ミラーを介してス
ポット走査光とし、これを所定の入射角で照射する光照
射手段と、前記被計測物の表面から反射される入射光を
集光して反射させる２次曲面鏡と、前記２次曲面鏡から
反射される入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と被計測物の傾斜角を共に、前記
回転ミラーの回転と同期させて演算する演算手段とを備
えたものである。

【００１６】本発明の請求項５に係る光学式形状計は、
前記請求項１、請求項２、請求項３または請求項４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。

【００１７】

【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。

【００１８】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た光を回転ミラーを介
してスポット走査光とし、これを所定の入射角で照射す
る。２次曲面鏡は前記被計測物の表面から反射される入
射光を集光して反射させる。第１の光検出手段は前記２
次曲面鏡から反射される入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、前記回転ミラーの回転と
同期させて演算する。

【００１９】本請求項３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
までの距離と被計測物の傾斜角を共に算出する。

【００２０】本請求項４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回転ミラーを介
してスポット走査光とし、これを所定の入射角で照射す
る。２次曲面鏡は前記被計測物の表面から反射される入
射光を集光して反射させる。第１の光検出手段は前記２
次曲面鏡から反射される入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と被計測物の傾斜角と共に、
前記回転ミラーの回転と同期させて演算する。

【００２１】本請求項５に係る発明においては、前記請
求項１、請求項２、請求項３または請求項４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。

【００２２】

【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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】

【数１】

【００３８】

【数２】

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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の走査光学系を説
明するための斜視図である。図６及び図７において、１
〜４、７〜９，１１〜１３は図１と同一のものである。
５は２次曲面鏡、２０は回転ミラー、２１は同期モータ
であり、上記５，２０及び２１の機器は前記２〜４及び
７〜９の機器と共にセンサボックス１内に設けられる。
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ている。

【００４２】図７に示される回転ミラー２０は、例えば
軸方向に回転する多角柱（図７では６角柱）の構造をな
し、同期モータ２１により回転駆動される。前記多角柱
の各面は鏡になっており入射光を正反射させ、回転ミラ
ー２０の回転につれて光の入射角及び対応する反射角が
逐次変化するので、回転ミラー２０からの反射光はリニ
アに走査して被測定物１１の表面を照射することにな
る。

【００４３】図７に示される２次曲面鏡５は、例えば短
冊形状の鏡の長手方向がだ円または放物線等の２次曲線
となっており、被測定物１１から反射して入射する走査
スポット光を集光して反射させ、ハーフミラー７の所定
領域内に入射させるものである。従って２次曲面鏡５へ
の入射光の走査方向の幅を縮小した反射光をハーフミラ
ー７の平面上に導入している。

【００４４】図６及び図７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の表面に走査す
る微小なスポット光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、さらに回転ミラー２０によりスポット走査
光に変換される。回転ミラー２０は多角柱構造の複数の
反射面を有し、その１つの反射面から反射される走査光
は被測定物１１の長手方向と直角の方向（幅方向）に走
査し、始点Ｑから終点Ｒまでを照射する。そして多角柱
の次の反射面による走査光が再び始点Ｑから終点Ｒまで
を照射し、この動作を繰返す。従って回転ミラー２０の
回転角と被測定物１１の幅方向におけるスポット走査光
の走査位置とは完全に対応がとれており、回転ミラー２
０の回転角によりスポット走査光の走査位置を知ること
ができる。

【００４５】図６は同期モータ２１から出力される同期
信号を演算器１３に供給することにより、演算器１３が
回転ミラー２０の回転角度を知り、この回転角度に同期
して演算が可能となる配線を示している。また逆に演算
器１３側から回転制御指令を同期モータ２１に供給する
ことにより、演算器１３は所望の回転角度に回転ミラー
２０を制御しながら演算を行なうことも可能となる。い
ずれの場合にも、演算器１３が演算を行なうタイミング
と、回転ミラー２０の回転角度とは同期がとれているの
で、演算器１３は被測定物１１へのスポット走査光の走
査位置を知った上で演算を行なうことになる。またオン
ラインにおいては、被計測物１１はその長手方向（例え
ば図７の矢印の方向）に連続搬送されるので、照射光は
被計測物１１の表面を２次元的に走査して、その形状を
測定することになる。

【００４６】回転ミラー２０から出射されるスポット走
査光は、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。図６において、
センサボックス１における光学的基準面（例えば上面）
に対して回転ミラー２０から被計測物１１の表面に至る
照射光路と、前記被計測物１１の表面から２次曲面鏡５
に至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（即ち前記垂線と被計
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。

【００４７】しかし被計測物１１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あり得る。

【００４８】このようにして被計測物１１の表面を図７
の点Ｑから点Ｒに走査するスポット光により正反射され
た反射光は、２次曲面鏡５により反射され、ハーフミラ
ー７に入射する。ここで２次曲面鏡５は前記走査により
入射光の入射位置が点Ｅ_Ｑから点Ｅ_Ｒに移動しても、そ
の反射光をハーフミラー７の点Ａ_Ｑから点Ａ_Ｒまでの限
定された領域に到達させるように反射光を集光してい
る。

【００４９】ハーフミラー７は入射光を透過光を反射光
とに分離し、この分離された透過光は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にそれそぞ
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、内蔵する２次元ＰＳＤ素子３０により受光し、図
１〜図３における説明と全く同様に、受光強度の重心位
置を示す直線化補正後のＸ座標信号及びＹ座標信号を座
標位置算出器１２−１及び１２−２より出力し、これら
の出力信号を演算器１３に逐次供給する。

【００５０】演算器１３は座標位置算出器１２−１及び
１２−２からの入力信号により、図６に示される受光位
置Ａ及びＢを図１及び図４における説明と同様に演算す
る。しかしこの第２実施例においては、前記回転ミラー
２０の回転によって１次受光センサ８及び２次受光セン
サ９の受光面上の受光位置は、それぞれ点Ａ_Ｑから点Ａ
_Ｒへ、点Ｂ_Ｑから点Ｂ_Ｒへと走査移動している。従って
演算器１３はこの光走査期間中の所定の時間間隔毎に受
光位置の算出を行なうことになるが、この例では前記同
期回転する回転ミラー２０が所定の単位角度回転する毎
に行なうものとする。いま受光位置の走査移動方向をＹ
軸とすれば、演算器１３は前記所定の時間間隔毎に光の
走査方向であるＹ軸上の座標位置と、同時にＸ軸上の座
標位置とを算出し、このＸ軸上の座標位置を図６におけ
る受光位置Ａ及びＢとしている。２つの受光センサ８及
び９の受光位置Ａ及びＢが算出されると、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１３
が算出する距離は次のように定式化される。

【００５１】図８は本発明の第２実施例に係る距離算出
式の説明図である。同図において、２〜９は図６及び図
７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である。
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の前記Ｘ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２次曲面
鏡５への入射光の延長線上の等価位置に、１次受光セン
サ８及び２次受光センサ９をそれぞれ移動したとし、こ
れを等価１次受光センサ８′及び等価２次受光センサ
９′とする。そして等価１次及び等価２次受光センサ
８′及び９′内の２次元ＰＳＤの前記Ｘ軸をそれぞれ延
長した延長線上の交点をＯ″とし、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。またαは等価１次受光センサ
８′の水平角度、α′は等価２次受光センサ９′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″と等価２次受光センサ９′の受光位置との間の距
離、ｙは点Ｏ″と等価１次受光センサ８′の受光位置と
の間の距離、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。

【００５２】また図８の（ｂ）は被計測物１１の表面が
角度ｄβ／２だけ傾斜してＸ軸に平行な水平線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。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がＬから
Ｌ′に変わると、入射角βと反射角β′とは等しくと
も、１次受光センサ８の受光位置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は被計測物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。

【００５３】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８の（ａ）
の配置における平面幾何学的解析を行い、その解として
次の式（３）及び前記式（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。

【００５４】

【数３】

【００５５】なお、（２）式は図４の配置における解析
結果と同一の式である。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をなす傾斜角の２倍の
値となっているので、この角度差から傾斜角ｄβ／２を
直ちに求めることができる。

【００５６】前記（３）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（３）式により距離Ｌが求められることであ
る。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。

【００５７】図９は本発明の第２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９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が正規
分布にならない場合の例を示している。この場合にも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及び図３で説明した単純な演
算により短時間で受光強度の重心を示す受光位置Ｋ′及
びＫ″を求めることができる。

【００５８】なお、式（３）の示す距離Ｌは図８の２次
元平面における解析結果である。即ち２つの受光センサ
に含まれる２次元ＰＳＤの前記Ｘ軸方向の座標位置デー
タのみに基づいて算出されている。しかし演算器１３は
各演算時刻毎に、２次元ＰＳＤの光走査位置としてＹ軸
上の座標位置をも同時に算出できるので、前記距離Ｌと
Ｙ軸上の座標データとにより３次元座標の距離をも算出
することができる。この３次元座標における距離の算出
により被計測物１１の形状を正しく計測することが可能
となる。

【００５９】図１０は本発明の第３実施例に係る光学式
形状計の概略構成図であり、１〜１３は図１と同一のも
のである。１４は平面形状被計測物の厚さ計測におい
て、被計測物１１が傾斜した場合に、演算器１３の算出
値に傾斜角の補正演算を行なう傾斜角補正器である。図
１３の平面形状を有する計測物の厚さ計測における被計
測物が傾斜した場合に、傾斜角補正器１４の誤差補正法
について説明する。

【００６０】図１３においては、先に説明したように、
２台の光学式形状計を平面形状被計測物１１を搬送する
パスラインＰＬの上下にそれぞれ設置し、上部基準水平
面から被計測物１１の表面までの距離Ｌｕ３と、下部基
準水平面からの被計測物１１の裏面までの距離Ｌｄ２と
を計測し、両基準水平面間の距離Ｌｋが既知であるの
で、厚みｔ′を、ｔ′＝Ｌｋ−（Ｌｕ３＋Ｌｄ２）の関
係式から求めている。しかし平面形状被計測物１１が点
Ｏを軸として角度ｄβ／２だけ傾斜しているので、前記
厚みｔ′には傾斜角ｄβ／２の関数で決まる誤差ｄｔが
含まれている。いま図１３の位置関係における幾何学的
解析を行ない、その解として前記誤差ｄｔを補正した補
正後の厚さｔを次の（４）式から算出することができ
る。

【００６１】

【数４】

【００６２】なお、（４）式において、βは各光学式形
状計からの照射光の入射角、ｄβ／２は平面形状被計測
物の傾斜角、ｔ′は平面形状被計測物の補正前の厚さ、
ｔは平面形状被計測物の補正後の厚さである。傾斜角補
正器１４は、光学式形状計からの照射光の入射角β（こ
の例では２台の光学式形状計からの入射角を等しくβと
している）、いずれか一方の光学式形状計が前記（２）
式から算出する角度差ｄβ及び演算器１３が算出する補
正前の厚さｔ′から（４）式を用いて補正後の厚みｔを
算出するものである。

【００６３】図１０の傾斜角補正器１４は、図１３にお
いて平面形状を有する被計測物１１のＸ軸に対する傾斜
のみを補正するものとして説明した。しかしこの１次元
の傾斜角補正機能を２次元に拡張することもできる。即
ち図１３のＸ軸とＹ軸の両軸に対する傾斜を共に補正す
る機能をもたせることもできる。そしてこの２次元の傾
斜角補正が可能な傾斜角補正器１４を図６の演算器１３
と結合させると、該演算器１３が回転ミラー２０と同期
させて演算する被計測物１１の各２次元座標位置におけ
る厚さを逐次補正し、高精度の計測を行なうことが可能
である。しかし実際に金属帯等を対象とするオンライン
計測においては、金属帯等の搬送方向であるＸ軸に対す
る傾斜に比較して、Ｙ軸に対する傾斜はきわめて小さい
ので、前記（４）式によりＸ軸に対する傾斜補正のみを
行なっても実用上の支障はない。

【００６４】このように本発明の適用例として、前記図
１の第１実施例または図６の第２実施例に係る２台の光
学式形状計を、平面形状を有する被計測物の上方及び下
方にそれぞれ設置し、さらに、上方に設置された光学式
形状計の演算手段が算出した上方の計測基準位置から被
計測物の表面までの距離と、下方に設置された光学式形
状計の演算手段が算出した下方の計測基準位置から被計
測物の裏面までの距離と、いずれか一方の光学式形状計
の演算手段が算出した被計測物の傾斜角との各データに
基づき、被計測物の傾斜角を補正した厚さを算出する傾
斜角補正厚さ演算手段を付加して設けることにより平面
形状を有する被計測物の厚さ計測装置を構成することが
できる。

【００６５】また本実施例においては、受光素子に２次
ＰＳＤを用いた場合の例を示したが２次元の受光素子で
あれば、ＣＣＤ受光素子やＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉ
ｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型受光素子等のどの
ようなものでよい。なお、（１）式または（３）式にお
ける距離は、計測基準位置から被計測物１１の表面まで
の絶対距離を測定する場合の例を示したが、必ずしも絶
対距離ではなく、相対距離を計測し、その変動分のみを
検出するようにすることも可能である。

【００６６】

【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。

【００６７】また本発明によれば、前記演算手段は前記
所定の計測基準位置から被計測物の表面までの距離と被
計測物の傾斜角とを共に算出するようにしたので、前記
表面が鏡面または鏡面に近い被計測物が傾斜した場合に
も、前記傾斜を補正して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。

【００６８】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た光を回転ミラーを介してスポ
ット走査光として所定の入射角で照射し、２次曲面鏡に
よって前記被計測物の表面からの反射光を集光させ、第
１の光検出手段により前記集光された光をハーフミラー
を介して透過光と反射光に分離し、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
離を回転ミラーと同期させて演算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、被計測物の立体的な形状、変位ま
たは平面の各位置における厚さを非接触で安定して連続
計測することができる。

【００６９】また本発明によれば、前記演算手段は前記
所定の計測基準位置から被計測物の表面までの距離と被
計測物の傾斜角とを共に、前記回転ミラーの回転と同期
させて演算するようにしたので、前記表面が鏡面または
鏡面に近い被計測物が傾斜した場合にも、前記傾斜を補
正して非接触で被計測物の立体的な形状、変位または平
面の各位置における厚さを安定して連続計測することが
できる。

【００７０】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の形状等
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の走査光学系を説明するための斜視図であ
る。

【図８】本発明の第２実施例に係る距離算出式の説明図
である。

【図９】本発明の第２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１０】本発明の第３実施例に係る光学式形状計の概
略構成図である。

【図１１】従来の光学式形状計の計測誤差を説明する図
である。

【図１２】従来の光学式形状計を２台用いた平面形状被
測定物の厚さ計測法の説明図である。

【図１３】図１２の平面形状被計測物の厚さ計測法の誤
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４受光レンズ５２次曲面鏡６受光センサ７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１４傾斜角補正器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た光を回転ミ
ラーを介してスポット走査光とし、これを所定の入射角
で照射する光照射手段と、前記被計測物の表面から反射される入射光を集光して反
射させる２次曲面鏡と、前記２次曲面鏡から反射される入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、前記回転ミラーの回転と同
期させて演算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】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と被計測物の傾斜角を共に算出
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４】被計測物に対して集光された光を回転ミ
ラーを介してスポット走査光とし、これを所定の入射角
で照射する光照射手段と、前記被計測物の表面から反射される入射光を集光して反
射させる２次曲面鏡と、前記２次曲面鏡から反射される入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と被計測物の傾斜角を共に、前
記回転ミラーの回転と同期させて演算する演算手段とを
備えたことを特徴とする光学式形状計。
【請求項５】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、請求項２、請求項３または請求項４記
載の光学式形状計。