JPH08145660A - 光学式変位測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】受光量が過大ないし過小になっても比較的よい
測定結果を得ることができる光学式変位測定装置を提供
する。 【構成】変位センサ１１は、光ビームを物体表面で走査
し、その反射光を用いて物体表面の基準平面からの変位
を求めることにより、走査方向に変位を対応付けた測定
結果を出力する。測定データ補正部１２は、変位センサ
１１での受光量が規定範囲を逸脱する間には、受光量が
規定範囲を逸脱する直前の値を変位センサ１１の測定結
果として代用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、基準平面に対する物体
の表面の変位を測定する光学式変位測定装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の光学式変位測定装置
として、特開平１−２４５１０３号公報に記載された技
術が知られている。この光学式変位測定装置は、投光手
段によって物体の表面に光ビームを照射し、光ビームに
よって物体の表面に形成される投光スポットを走査する
とともに、受光手段は受光光学系を通して投光スポット
を受光素子の受光面に結像させて結像スポットを形成
し、演算手段は受光素子から結像スポットの位置に応じ
て出力される位置信号を用いて三角測量法に基づく演算
を行なうことにより、各走査位置における投光スポット
までの基準平面（一般に、位置信号の中央に結像スポッ
トが形成されるときの測定条件を基準とし、この測定条
件が成立するときの距離に位置する平面を基準平面とす
る）に対する変位を測定するように構成されている。し
たがって、物体表面の変位と光ビームの走査位置とを対
応付けることにより、物体表面の各位置における変位を
測定することができるのである。

【０００３】変位は投光スポットの各位置で連続的には
測定せず、投光スポットを走査する線（すなわち走査
線）の上でサンプリングして走査線上の多数の測定点で
測定するのが一般的である。また、測定点は光ビームの
走査方向について一定の時間間隔ないし基準平面上で一
定の距離間隔になるように定められる。上記公報に記載
の装置では、隣合う各一対の測定点間での変位の差分を
求め、走査の時間順に並ぶ測定点の点列について、求め
た差分の符号が連続して同符号であると、差分の絶対値
を積算し、積算値が最大となる測定点を段差点とし、段
差点の走査位置おび変位に基づいて物体表面の段差の位
置や寸法を求めている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、受光手段に
用いる受光素子は、結像スポットの位置情報のみを含む
ものではなく受光量の情報も含んでいる。すなわち、こ
の種の受光素子には、ＰＳＤ、２個のフォトダイオード
を結像スポットの移動方向に並べた素子、フォトダイオ
ードアレイ、ＣＣＤなどの各種素子を用いることがで
き、ＰＳＤや２個のフォトダイオードを持つ素子では結
像スポットの位置に応じて比率の決まる一対の信号を出
力し、またフォトダイオードアレイやＣＣＤでも結像ス
ポットの位置に応じた信号を出力する。ただし、いずれ
の受光素子も出力される信号値は受光量に応じて増減す
る。いま、結像スポットの位置に応じて比率の決まる一
対の信号を出力する素子で両信号の信号値がＩ₁ ，Ｉ₂
であるときに、両信号を用いて変位に相当する値を求め
るとすると、（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）ないしこ
の形に類似した演算が必要になることが知られている。
この演算から明らかなように、分母である（Ｉ₁ ＋
Ｉ₂ ）は受光素子での全受光量であり、この値を正確に
求めなければ変位を精度よく求めることはできない。ま
た、各信号Ｉ₁ ，Ｉ₂についても過大ないし過小である
と、演算手段での演算可能な範囲（たとえば、増幅回路
のダイナミックレンジ）から逸脱し、変位を正確に求め
ることができない。

【０００５】しかるに、物体の表面の形状や材質によっ
ては、受光量が測定可能な範囲を逸脱して物体の表面の
変位を正確に求めることが困難になる場合がある。本発
明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的
は、受光量が過大ないし過小になっても正しいと考えら
れる測定結果を得ることができるようにした光学式変位
測定装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】各請求項の発明は、物体
の表面を投光スポットが移動するように光ビームを物体
表面に走査して投光する投光手段と、投光スポットの像
を受光光学系を通して受光素子の受光面に結像させ受光
量と結像スポットの位置との情報を含む位置信号を出力
する受光手段と、受光手段の出力に基づいて基準平面に
対する物体の表面の変位を光ビームの走査位置に対応付
けた測定結果を求める演算手段とを備える光学式変位測
定装置を前提構成にしている。

【０００７】請求項１の発明では、受光手段での受光量
が規定の閾値よりも大きいときに、その閾値を横切る直
前に求めた変位を測定結果の変位として代用する測定デ
ータ補正部を設けている。請求項２の発明では、受光手
段での受光量が規定の範囲外であるときに、上記範囲外
になる直前に求めた光ビームの走査位置と変位とを測定
結果の走査位置および変位として代用する測定データ補
正部を設けている。

【０００８】請求項３の発明では、受光手段での受光量
が規定の閾値よりも小さいときに、その閾値を横切る直
前に求めた変位を測定結果の変位として代用する測定デ
ータ補正部を設けている。請求項４の発明では、受光手
段での受光量が規定の閾値よりも小さいときに、測定可
能範囲の最遠方の変位を測定結果の変位として代用する
測定データ補正部を設けている。

【０００９】

【作用】各請求項の発明によれば、受光手段での受光量
が規定の範囲を逸脱したときに、測定結果を逸脱する直
前の値で代用するのであって、測定対象となる物体に応
じて請求項１ないし請求項４に記載のいずれかの値を用
いる。すなわち、受光量が過大ないし過小になる部分の
いずれか一方のみが存在する場合には、請求項１または
請求項３の構成を採用して、受光量が規定の閾値を横切
る直前の変位で代用すればよい。一般的に言って、よほ
ど複雑な形状でなければ、受光量が過大になるのは受光
手段に投光ビームの正反射光が入射するような場合であ
り、受光量が過小になるのは物体の表面に凹みがあって
投光スポットの一部が受光素子の死角に入るような場合
や測定可能な変位の範囲を逸脱している場合である。そ
こで、これらの形状の変化は無視し、変化している部分
では変化の直前の変位で代用することで、測定結果の極
端な変動を抑制して物体の形状変化に比較的近い測定結
果を得るようにしているのである。

【００１０】また、請求項２の構成のように、受光量が
過大になる部分と過小になる部分とのどちらでも、変位
だけではなく走査位置も代用するようにすれば、受光量
が過大ないし過小になるように形状が変化している部分
で測定を行なわないことになり、正しく測定が可能な部
分のみの測定結果を得ることができることになる。請求
項４の構成によれば、受光量が過小である場合に測定可
能範囲の最遠方の変位で代用するから、深い凹みによっ
て受光量が過小になっているときには、凹みが十分に深
いものであることを示すことができる。

【００１１】

【実施例】

（実施例１）図１は本発明の光学式変位測定装置を用い
た実施例の全体構成であって、本発明の要旨とするとこ
ろは、図１に示す変位センサ１１および測定データ補正
部１２の箇所である。本実施例では、物体表面の変位を
計測し計測値を出力する変位計測部１と、変位計測部１
で計測すべき形状を指示したり計測値を表示したりする
処理設定部２とを分離可能に設けてある。

【００１２】変位計測部１は、物体の表面に光ビームを
照射して光ビームにより物体表面に形成される投光スポ
ットを走査し、投光スポットの軌跡の上での物体表面の
基準平面に対する変位を投光スポットの走査位置に対応
付けて検出する変位センサ１１を備える。この変位セン
サ１１は、物体表面に設定した線上において変位センサ
１１との間の距離（もしくは基準平面に対する変位）
と、線上の位置とを対応付けて出力できるものであれば
どのようなものでもよいが、本実施例では、特願平５−
３３７５８号において開示された変位センサ１１を用い
ている。この変位センサ１１について簡単に説明する
と、投光ビームを発生する光源としてレーザ光源や発光
ダイオードを用いるとともに、コリメートレンズなどに
よって平行光線束の光ビームを形成し、ガルバノミラー
のような偏向装置を用いて光ビームを走査することによ
って、物体表面に形成される投光スポットを走査するよ
うに投光手段を構成してある。また、光ビームの照射方
向とは異なる方向の光軸を有した収束レンズよりなる受
光光学系を通して投光スポットの像をＰＳＤやフォトダ
イオードアレイなどの受光素子の受光面に結像スポット
として結像させる受光手段を備える。ここで、受光素子
は、物体表面までの距離に応じて結像スポットが移動す
る方向における位置を検出することができる１次元のも
のでよい。この受光素子の出力は結像スポットの位置情
報とともに受光量に関する情報も含んでいる。

【００１３】しかるに、変位センサ１では、結像スポッ
トの位置に対応して受光素子から出力される結像スポッ
トの位置、光ビームの投光方向と受光レンズの光軸との
角度、光ビームの延長線と受光レンズの中心との距離、
受光レンズと受光素子との距離に基づいて三角測量法を
適用することによって、内蔵した演算手段により物体表
面までの距離を求める。また、投光スポットの走査位置
を検出するために、偏向装置と物体表面との間にハーフ
ミラーよりなるビームスプリッタを設けるとともに、ビ
ームスプリッタによって物体表面への光ビームから分離
された光ビームを別に設けた受光素子を設ける。すなわ
ち、この受光素子の出力によって投光スポットの走査位
置を検出するのである。投光スポットの走査位置は偏向
装置の駆動系において、光ビームの偏向角度から求める
ようにしてもよい。ここに、受光素子としてＰＳＤのよ
うに結像スポットの位置に応じて信号値の比率が決定さ
れる２出力が得られるものを用いるのであれば、両信号
の差を両信号の和で除算することで、その除算結果が受
光素子の出力から物体表面までの距離や投光スポットの
走査位置に対応することになる。上記した変位センサ１
１の構成は一例であるが、この種の変位センサ１１の構
成は周知である。

【００１４】ところで、変位計測部１においては、変位
センサ１１の出力値を投光スポットの走査範囲内でサン
プリングし、複数個の測定値を得るようになっている。
いま、投光スポットを一つの直線（走査線という）の上
で走査するものとし、走査線の方向をＸ方向、変位セン
サ１１での変位の測定方向をＺ方向とする。変位センサ
１１は各測定点の座標（Ｘ_i ，Ｚ_i ）を出力し（ｉ＝
１，２，……）、この座標は測定データ補正部１２に入
力される。

【００１５】測定データ補正部１２は、変位センサ１１
に設けた受光手段での受光量が過大になると、受光量が
過大になる直前の測定結果で代用する。すなわち、物体
表面が走査線上では図２（ａ）に示すような変位を有し
ているものとし、このとき、図２（ｂ）のように測定中
の一部箇所で受光量が過大になったとする。ここで、過
大か否かは受光量に閾値Ｔｕを設定し、この閾値Ｔｕを
超えると受光量が過大であると判断する。このように受
光量が過大になっている箇所では、変位センサ１１から
出力される座標（図２（ｃ）参照）のうちのＺ方向の値
は信頼できず、また測定結果にばらつきが生じる。そこ
で、上述のように、受光量が過大になっている箇所では
受光量が過大になる直前の値で代用することにより、図
２（ｄ）のように、受光量が過大になる前後の測定値を
結んだ形になり、結果的に比較的よい測定結果を得るこ
とができる。

【００１６】変位センサ１１に設けた受光手段での受光
量が過小である場合も同様であって、受光量が過小にな
る直前の測定結果で代用する。すなわち、物体表面が走
査線上では図３（ａ）に示すような変位を有しているも
のとし、このとき、図３（ｂ）のように測定中の一部箇
所で受光量が過小になると（受光量が規定の閾値Ｔｂよ
り下回ると）、その箇所では、変位センサ１１から出力
される座標（図３（ｃ）参照）のうちのＺ方向の値を受
光量が過小になる直前の値で代用することにより、図３
（ｄ）のように、受光量が過小になる前後の測定値を結
んだ形になり、比較的よい測定結果を得ることができ
る。

【００１７】測定データ補正部１２でＺ方向の測定値を
補正された後の座標は変化点認識部１３に入力され、測
定点の点列から物体表面での段部分などの境界とみなせ
る変化点が検出される。変化点は、次のようにして検出
される。まず、走査順に並んでいる測定点の点列につい
て、隣接する各測定点でのＺ方向の差分ＤＺ_i （＝Ｚ
_i+1 −Ｚ_i ）を求める。ここで、物体表面がほぼ平坦で
あって物体表面までの距離がほぼ一定であれば差分ＤＺ
_i はほぼ０になるが、物体表面に段差などがあると、差
分ＤＺ_i は増加ないし減少することになる。そこで、正
負両方に適宜既定した閾値と差分ＤＺ_i との大小関係を
求め、差分ＤＺ_i が両閾値の範囲内である状態から、両
閾値の範囲外に変化したときには、測定点（Ｘ_i ，
Ｚ_i ）を変化点とする。

【００１８】さらに、測定点の点列について順次得られ
る差分ＤＺ_i の増加傾向ないし減少傾向が連続する場
合、すなわち、差分ＤＺ_i と差分ＤＺ_i-1 （＝Ｚ_i −Ｚ
_i-1 ）とがともに両閾値の範囲外でありかつ正負の符号
が同符号である場合には、差分ＤＺ_i の絶対値を前の差
分ＤＺ_i-1 の絶対値に加算する。このようにして、差分
ＤＺ_i が両閾値の範囲内になるか正負の符号が反転する
まで差分ＤＺ_i の絶対値を加算を続け、加算値が極大に
なったときの測定点（Ｘ_i ，Ｚ_i ）を変化点とする。

【００１９】次に、変化点に基づいて演算点認識部１４
で形状寸法の計測に用いる演算点を別に求める。演算点
を求める手法は、次のいずれかから選択される。以下の
手法の説明において、測定点の点列は左から順に並び、
Ｚ方向の正の向きは変位センサ１１との距離が近づく向
きを示しているものとする。 物体表面に角が形成される場合 （イ）変位センサ１１との距離がほぼ一定な状態から変
位センサ１１に次第に近づき、その後、次第に遠ざか
り、最後に変位センサ１１との距離が再びほぼ一定にな
る場合には、測定点の点列に対して４個の変化点が得ら
れる。ここでは角を検出するから、２直線の交点に角が
存在するものと想定し、４個の変化点は２個ずつが各直
線の端点であると仮定する。そこで、左側の２個の変化
点を通る直線と右側の２個の変化点を通る直線とを求
め、両直線の交点を演算点とする。

【００２０】（ロ）変位センサ１１との距離がほぼ一定
な状態から変位センサ１１に次第に近づき、その後、変
位センサ１１との距離がほぼ一定になる場合には、−
（イ）と同様に、測定点の点列に対して４個の変化点が
得られる。ここで、角を挟む一方の直線は変位センサ１
１との距離がほぼ一定であるから、この直線の端点とな
る右側の２個の変化点のＺ方向の座標を平均することで
直線を決定することができる。他方の直線については
−（イ）と同様に、左側の２個の変化点を結ぶ直線を用
いる。このようにして求めた２本の直線の交点を演算点
とする。

【００２１】 物体表面に台状の突部が形成されてい
る場合 この場合は、のように突部を形成する各直線ごとに２
つの端点を求めるのではなく、突部の立ち上がり部分の
２点と、突部の先端縁の両端の２点との各角部で１個ず
つの変化点を得るようにする。本手法で求める演算点
は、主として突部のＺ方向における寸法（突部の突出寸
法など）を求める際に有効である。

【００２２】（イ）−Ａ．突部の左右の立ち上がり部分
における演算点を求めるには、左端の変化点の左側の既
定個数の測定点を取り出し、取り出した測定点のＺ方向
の座標を平均することで第１の直線を求める。求める演
算点は第１の直線上の点であって、左端の変化点の左隣
の測定点のＸ座標を有する。また、右端の変化点の右側
に既定個数の測定点を取り出し、取り出した測定点のＺ
方向の座標を平均して第２の直線を求める。求める演算
点は第２の直線の上の点であって、右端の変化点の右隣
の測定点のＸ座標を有する。Ｘ座標については、差分Ｄ
Ｚ_i の増減している側（すなわち、左端の変化点であれ
ば右側、右端の変化点であれば左側）について、既定個
数の測定点を取り出し、取り出した測定点のＸ方向の座
標の平均値を用いることもできる。

【００２３】（イ）−Ｂ．突部の先端縁については、中
間の２個の変化点のＸ座標とＺ座標とをそれぞれ平均し
た座標の点を演算点とする。したがって、この演算点は
突部の先端縁における中央付近に設定されることにな
る。上述のようにして求めた３個の演算点を用いれば、
突部の突出寸法を容易に求めることができる（たとえ
ば、左右２個の演算点のＺ座標の平均値と中間の演算点
のＺ座標との差を突部の突出寸法とすればよい）。

【００２４】（ロ）突部の先端縁と変位センサ１１との
距離がほぼ一定である場合に、突部の先端縁を代表する
ような演算点を求める例であって、突部の突出寸法を求
めるのであれば、−（イ）−Ｂ．の手法に置き換え可
能な手法である。すなわち、−（イ）と同様の中間の
２個の変化点を求め、両変化点の間の測定点の点列につ
いて、変位センサ１１との距離がもっとも近いかもっと
も遠い測定点を演算点とする。

【００２５】（ハ）突部の先端縁と変位センサ１１との
距離がほぼ一定である場合に、（ロ）の手法と同様に突
部の先端縁を代表するような演算点を求める例であり、
突部の突出寸法を求めるのであれば、−（イ）−Ｂ．
の手法に置き換え可能な手法である。すなわち、−
（イ）と同様に中間の２個の変化点を求め、各変化点か
ら見て差分ＤＺ_i の増減がない向き（すなわち、左側の
変化点であれば右側、右側の変化点であれば左側）に既
定個数（この個数は任意に設定できる）だけ離れた位置
の測定点を演算点とする。

【００２６】以上説明したような手法で演算点を求めれ
ば、突部の幅を測定するような場合に、測定精度が向上
することになる。たとえば、突部の幅などは変化点間の
距離として求めると、実際の寸法よりも大きくなること
があるが、−（イ）−Ａ．の手法を用いて求めた演算
点を用いて突部の幅寸法を求めると、実際の寸法に対す
る誤差が小さくなる。つまり、演算点を導入すれば、寸
法の測定精度が向上し、また測定値の再現性も向上す
る。

【００２７】上述の手法を用いて演算点を決定した後、
演算処理部１５では演算点の座標を用いて物体表面の形
状について指定された寸法を求める。たとえば、上述し
たような突部などの幅寸法、突部の先端縁の中央位置の
ような２点間の中央位置、物体表面に形成された２つの
穴間のピッチ、段の段差や穴の深さ、段の中央の高さな
ど物体表面の特徴寸法となる各種寸法を演算処理部１５
で求めることができるのである。

【００２８】ここに、変化点認識部１３で変化点を決め
る際の閾値、演算点認識部１４で演算点を決める手法、
演算処理部１５でどのような寸法を求めるかは、パラメ
ータ記憶部１７に設定されたパラメータを用いて選択さ
れる。また、演算処理部１５で用いる演算式は、あらか
じめ複数個が登録されており、パラメータの指定のみに
よってどの演算式を用いるかが選択されるようになって
いる。上述のようにして演算処理部１５で求めた物体表
面の形状寸法に関する各種計測値は外部回路とのインタ
フェースである出力部１６を通して外部に出力される。

【００２９】処理設定部２は、上述したパラメータの設
定ないし確認や変位計測部１で求めた計測値の表示など
を行なう。すなわち、パラメータを入力するためのパラ
メータ入力部２１、演算点を上述したどの手法で設定す
るかを選択する演算点設定部２２、変位計測部１での計
測情報を表示する表示部２３、設定したパラメータを変
位計測部１のパラメータ記憶部１７に送信して格納し、
またパラメータ記憶部１７に設定されたパラメータを読
み出すことができるパラメータ通信部２４を備える。

【００３０】パラメータ入力部２１は、キーボードやデ
ィジタルスイッチを用いて構成され、表示部２３は、測
定点、変化点、演算点を画像として表示することができ
るようにＣＲＴや液晶表示器で構成される。演算点設定
部２２には、変化点認識部１３での変化点の検出手順、
演算点認識部１４における演算点の設定手法、演算処理
部１５における計測寸法の演算式と同じ処理が可能なよ
うに、同じプログラムが登録されており、パラメータ入
力部２１から入力されたパラメータに応じてプログラム
の中から変位計測部１で用いるのと同じ処理手順を選択
できるようにしてある。

【００３１】このように変位計測部１と処理設定部２と
の間では、処理手順に関してパラメータのみを授受すれ
ばよいから、パラメータ記憶部１７の容量を小さくする
ことができる。また、１つの処理を記憶する容量が少な
くなり、たとえば、１つの物体の表面形状の計測に用い
る複数種類の処理をパラメータ記憶部１７に一括して記
憶させておくことが可能になり、各箇所ごとにパラメー
タの指示のみで所定手順を切り換えることが可能にな
る。このような手法を用いることで、物体の形状計測の
精度が一層高くなる。

【００３２】計測すべき物体に対して処理手順の妥当性
を検証する際には、表示部２３での表示を見ながら、パ
ラメータ入力部２１から設定可能なパラメータを入力す
ると、変化点や演算点に関する処理手法を選択すること
ができる。したがって、表示部２３にメニュー形式など
を用いて設定可能なパラメータの種類を表示しておき、
パラメータ入力部２１でパラメータを選択すれば、演算
点設定部２２ではパラメータに対応する処理手順が起動
されるから、出力部１６を通して受信した測定点のデー
タに対して変化点認識部１３、演算点認識部１４、演算
処理部１５と同様の処理を行なって、表示部２３には選
択したパラメータに対応する処理結果を即時に表示する
ことができ、最適なパラメータを容易に選択することが
できるのである。最適なパラメータが選択されると、パ
ラメータ通信部２４を通してパラメータ記憶部１７にパ
ラメータが格納され、変化点認識部１３、演算点認識部
１４、演算処理部１５では、このパラメータに対応する
処理手順が起動される。すなわち、単にパラメータを選
択するだけで、プログラムの書換えを必要としないか
ら、処理手順の設定が容易になる。しかも、パラメータ
はパラメータ記憶部１７に格納されるから、パラメータ
の設定後は処理設定部２を変位計測部１から切り離し
て、単独で用いることも可能である。この場合、変位計
測部１には出力部１６からの出力結果を数値として表示
するものや、測定点、変化点、演算点を画像として表示
する機能のみを有したものを変位計測部１に接続してお
く。

【００３３】さらに、上述したパラメータ記憶部１７と
パラメータ通信部２４との間では、双方向にデータを授
受することができるから、パラメータ記憶部１７に格納
されたパラメータを処理設定部２から読み出して表示部
２３に表示することができ、処理手順を容易に確認する
ことができる。このことによって、パラメータの変更な
どを容易に行なうことができるのである。

【００３４】演算点設定部２２の処理を概略説明する
と、まず変位計測部１から送信された物体表面の形状に
関する測定点のデータに基づいて、パラメータ入力部２
１で選択したパラメータに対応する処理手順で変化点を
検出し、同様に演算点に対応するパラメータを設定し、
そのパラメータに対応する演算点を実際に求めて表示部
２３に表示する。このようにして所望するすべての演算
点を設定した後に、所望箇所の形状や寸法について出力
すべき情報に対応するパラメータを設定し、そのパラメ
ータに対応する演算を行なって表示部２３に表示する。
このようにして、すべての設定が終了すれば、パラメー
タ通信部２４を通してパラメータ記憶部１６にパラメー
タを転送し、処理設定部２を変位計測部１から切り離
す。以上説明した構成について測定データ補正部１２を
除いた他の構成は、先に出願した特願平６−７７７１３
号に記載のものと同様である。

【００３５】（実施例２）実施例１は、図２（ａ）に示
すように、物体表面の変位が比較的なだらかに変化する
場合の例であったが、図４（ａ）に示すように、物体表
面の変位に急峻な立ち上がりがある場合に実施例１の手
法を適用すると、図４（ｅ）に示すように、測定値を十
分に補正することができない場合もある。図４（ａ）の
ような形状の物体では、測定データ補正部１２での補正
方法を変更し、角付近で図４（ｂ）のように受光量が閾
値Ｔｕを超えて過大になったときには、変位センサ１１
の測定値は図４（ｃ）のようになるが、測定データ補正
部１２では、受光量が閾値Ｔｕを超える直前のＺ方向の
変位だけではなくＸ方向の走査位置についても代用する
ことで、図４（ｄ）のような物体の表面形状に比較的近
い測定結果を得ることができる。要するに、受光量が閾
値Ｔｕを超える範囲の変位センサ１１での測定値は採用
しないようにし、受光量が閾値Ｔｕ以下の範囲の測定値
のみを用いるのである。

【００３６】本実施例の手法は、受光量が過小である場
合にも用いることができる。つまり、下限側の閾値を設
定しておき、受光量が下限側の閾値よりも下回る期間は
変位センサ１１での測定値を採用しないのである。他の
構成および動作は実施例１と同様である。 （実施例３）本実施例では、受光量が過小である場合に
おける測定データ補正部１２での他の補正方法の例を示
す。いま、投光ビームの走査範囲と、受光量の上限およ
び下限との関係で、変位の測定範囲が図５（ａ）の斜線
部のような範囲に制限されているものとする。このと
き、図５（ａ）のように、物体の表面に測定範囲を超え
る距離を有する部位が存在する場合（たとえば、深い穴
が形成されている場合）には、その部分では投光ビーム
に対する反射光はほとんど得られず受光量が過小にな
る。このような形状の物体について変位を求めると、受
光量は図５（ｂ）のようになり、変位センサ１１での測
定結果は図５（ｃ）のようになる。ここで、実施例１の
ように受光量が過小になる直前の値で代用すると、変位
が測定可能な範囲で示されることになり、図５（ｅ）の
ような測定結果になる。これは、実際の物体表面の形状
に一致しないものである。そこで、本実施例では、図５
（ａ）に示すような形状の物体を測定対象とする場合
に、受光量が過小になると、測定可能な最遠方の変位が
得られているとみなしてその値を代用するのである。つ
まり、図５（ｄ）のように、受光量が過小になった箇所
では、変位が大きいことを示すことができる。他の構成
および動作は実施例１と同様である。

【００３７】（実施例４）本実施例は、実施例１ないし
実施例３の組み合わせによるものであって、測定データ
補正部１２のもっとも望ましい実施態様である。すなわ
ち、図２に示すように、変位センサ１１での受光量につ
いて上限の閾値と下限の閾値とを設定しておき（Ｓ
１）、受光量が両閾値の範囲内であれば（Ｓ２）、変位
センサ１１での測定値を変化点認識部１３に与える。一
方、受光量が上限の閾値を超えている場合には（Ｓ
３）、実施例１、２のいずれかの手法を採用し、変位に
ついてのみまたは変位と走査位置との両方について、受
光量が閾値を超える直前の値を用いるようにする（Ｓ
４）。また、受光量が下限の閾値を下回る場合には（Ｓ
５）、実施例１ないし実施例３のいずれかの手法を採用
し、変位についてか変位と走査位置との両方について受
光量が閾値を下回る直前の値を用いるか、あるいは測定
可能な最遠方の値を測定値として用いるのである（Ｓ
６）。

【００３８】上述のような処理によって、受光量が過
大、過小になっても比較的よい測定結果を得ることがで
きる。他の構成および動作は実施例１ないし実施例３に
準ずるものである。

【００３９】

【発明の効果】各請求項の発明は、受光手段での受光量
が規定の範囲を逸脱したときに、測定結果を逸脱する直
前の値で代用するから、比較的よい近似を行なうことが
できるという利点がある。とくに、請求項１または請求
項３の発明は、受光量が規定の閾値を横切る直前の変位
で代用するので、測定結果の極端な変動を抑制して物体
の形状変化に比較的近い測定結果を得ることができると
いう利点がある。

【００４０】また、請求項２の発明は、受光量が過大に
なる部分と過小になる部分とのどちらでも、変位だけで
はなく走査位置も代用するので、受光量が過大ないし過
小になるように形状が変化している部分で測定を行なわ
ないことになり、正しく測定が可能な部分のみの測定結
果を得ることができるという利点がある。請求項４の発
明は、受光量が過小である場合に測定可能範囲の最遠方
の変位で代用するから、深い凹みによって受光量が過小
になっているときには、凹みが十分に深いものであるこ
とを示すことができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のブロック図である。

【図２】実施例１における受光量が過大である場合の動
作説明図である。

【図３】実施例１における受光量が過小である場合の動
作説明図である。

【図４】実施例２における受光量が過大である場合の動
作説明図である。

【図５】実施例３における受光量が過小である場合の動
作説明図である。

【図６】実施例４における動作説明図である。

【符号の説明】

１１ 変位センサ １２ 測定データ補正部

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成７年７月１０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の光学式変位測定装置
として、特開平１−２４５１０３号公報に記載された技
術が知られている。この光学式変位測定装置は、図７に
示すように、半導体レーザや発光ダイオードのような投
光素子３１と、投光素子３１からの光を細く絞って光ビ
ームを形成する投光光学系３２とによって投光手段３を
構成し、この光ビームを走査ミラー３３で偏向させて物
体３０の表面に照射し、光ビームによって物体３０の表
面に形成される投光スポットをＸ方向に走査する。光ビ
ームの物体３０の表面での拡散反射光は受光手段４に受
光されることによって物体３０までのＺ方向の距離が求
められる。すなわち、受光手段４は受光光学系４２を通
して投光スポットを受光素子４１の受光面に結像させて
結像スポットを形成し、結像スポットの位置に応じて受
光素子４１から出力される位置信号を用いて演算手段に
おいて三角測量法に基づく演算を行なうことにより、各
走査位置における投光スポットまでの基準平面（一般
に、位置信号の中央に結像スポットが形成されるときの
測定条件を基準とし、この測定条件が成立するときの距
離に位置する平面を基準平面とする）に対する変位を測
定するように構成されている。投光スポットの走査位置
は、走査ミラー３３から物体３０に向かう光ビームの一
部を反射するハーフミラー３４と、ハーフミラー３４で
反射された光のＸ方向における走査位置を検出するＰＳ
Ｄなどからなる位置センサ３５とにより求めることがで
きる。したがって、物体表面の変位と光ビームの走査位
置とを対応付けることにより、物体表面の各位置におけ
る変位を測定することができるのである。言い換える
と、図８に示すように、投光手段３からの光ビームの光
軸上での物体３０の位置がＡ，Ｂ，Ｃと変化すれば、受
光素子４１の受光面上では結像スポットの位置が図の面
内でａ，ｂ，ｃと移動するから、図の面内での位置検出
が可能な一次元の位置センサを受光素子４１に用いるこ
とにより、受光素子４１の出力に基づいて結像スポット
の位置を検出すれば、受光光学系４２と走査ミラー３３
との距離を基線長とする三角測量法によって物体３０ま
での距離を求めることができるのである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、受光手段４
に用いる受光素子４１は、結像スポットの位置情報のみ
を含むものではなく受光量の情報も含んでいる。すなわ
ち、この種の受光素子４１には、ＰＳＤ、２個のフォト
ダイオードを結像スポットの移動方向に並べた素子、フ
ォトダイオードアレイ、ＣＣＤなどの各種素子を用いる
ことができ、ＰＳＤや２個のフォトダイオードを持つ素
子では結像スポットの位置に応じて比率の決まる一対の
信号を出力し、またフォトダイオードアレイやＣＣＤで
も結像スポットの位置に応じた信号を出力する。ただ
し、いずれの受光素子４１も出力される信号値は受光量
に応じて増減する。いま、結像スポットの位置に応じて
比率の決まる一対の信号を出力する素子で両信号の信号
値がＩ₁ ，Ｉ₂ であるときに、両信号を用いて変位に相
当する値を求めるとすると、（Ｉ₁ −Ｉ₂ ）／（Ｉ₁ ＋
Ｉ₂ ）ないしこの形に類似した演算が必要になることが
知られている。この演算から明らかなように、分母であ
る（Ｉ₁ ＋Ｉ₂ ）は受光素子４１での全受光量であり、
この値を正確に求めなければ変位を精度よく求めること
はできない。また、各信号Ｉ₁ ，Ｉ₂ についても過大な
いし過小であると、演算手段での演算可能な範囲（たと
えば、増幅回路のダイナミックレンジ）から逸脱し、変
位を正確に求めることができない。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】しかるに、物体３０の表面の形状や材質に
よっては、受光量が測定可能な範囲を逸脱して物体３０
の表面の変位を正確に求めることが困難になる場合があ
る。本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、そ
の目的は、受光量が過大ないし過小になっても正しいと
考えられる測定結果を得ることができるようにした光学
式変位測定装置を提供することにある。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】変位計測部１は、物体の表面に光ビームを
照射して光ビームにより物体表面に形成される投光スポ
ットを走査し、投光スポットの軌跡の上での物体表面の
基準平面に対する変位を投光スポットの走査位置に対応
付けて検出する変位センサ１１を備える。この変位セン
サ１１は、物体表面に設定した線上において変位センサ
１１との間の距離（もしくは基準平面に対する変位）
と、線上の位置とを対応付けて出力できるものであれば
どのようなものでもよいが、本実施例では、特願平５−
３３７５８号において開示された変位センサ１１を用い
ている。この変位センサ１１は、従来の技術として説明
したものと同様であって、簡単に説明すると、投光ビー
ムを発生する光源としてレーザ光源や発光ダイオードを
用いるとともに、コリメートレンズなどによって平行光
線束の光ビームを形成し、ガルバノミラーのような偏向
装置を用いて光ビームを走査することによって、物体表
面に形成される投光スポットを走査するように投光手段
を構成してある。また、光ビームの照射方向とは異なる
方向の光軸を有した収束レンズよりなる受光光学系を通
して投光スポットの像をＰＳＤやフォトダイオードアレ
イなどの受光素子の受光面に結像スポットとして結像さ
せる受光手段を備える。ここで、受光素子は、物体表面
までの距離に応じて結像スポットが移動する方向におけ
る位置を検出することができる１次元のものでよい。こ
の受光素子の出力は結像スポットの位置情報とともに受
光量に関する情報も含んでいる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のブロック図である。

【図２】実施例１における受光量が過大である場合の動
作説明図である。

【図３】実施例１における受光量が過小である場合の動
作説明図である。

【図４】実施例２における受光量が過大である場合の動
作説明図である。

【図５】実施例３における受光量が過小である場合の動
作説明図である。

【図６】実施例４における動作説明図である。

【図７】変位センサの概略構成図である。

【図８】変位センサの測定原理を説明する図である。

【符号の説明】 １１ 変位センサ １２ 測定データ補正部

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】追加

【補正内容】

【図７】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図８

【補正方法】追加

【補正内容】

【図８】

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体の表面を投光スポットが移動するよ
   うに光ビームを物体表面に走査して投光する投光手段
   と、投光スポットの像を受光光学系を通して受光素子の
   受光面に結像させ受光量と結像スポットの位置との情報
   を含む位置信号を出力する受光手段と、受光手段の出力
   に基づいて基準平面に対する物体の表面の変位を光ビー
   ムの走査位置に対応付けた測定結果を求める演算手段と
   を備える光学式変位測定装置において、受光手段での受
   光量が規定の閾値よりも大きいときに、その閾値を横切
   る直前に求めた変位を測定結果の変位として代用する測
   定データ補正部を設けて成ることを特徴とする光学式変
   位測定装置。
2. 【請求項２】 物体の表面を投光スポットが移動するよ
   うに光ビームを物体表面に走査して投光する投光手段
   と、投光スポットの像を受光光学系を通して受光素子の
   受光面に結像させ受光量と結像スポットの位置との情報
   を含む位置信号を出力する受光手段と、受光手段の出力
   に基づいて基準平面に対する物体の表面の変位を光ビー
   ムの走査位置に対応付けた測定結果を求める演算手段と
   を備える光学式変位測定装置において、受光手段での受
   光量が規定の範囲外であるときに、上記範囲外になる直
   前に求めた光ビームの走査位置と変位とを測定結果の走
   査位置および変位として代用する測定データ補正部を設
   け成ることを特徴とする光学式変位測定装置。
3. 【請求項３】 物体の表面を投光スポットが移動するよ
   うに光ビームを物体表面に走査して投光する投光手段
   と、投光スポットの像を受光光学系を通して受光素子の
   受光面に結像させ受光量と結像スポットの位置との情報
   を含む位置信号を出力する受光手段と、受光手段の出力
   に基づいて基準平面に対する物体の表面の変位を光ビー
   ムの走査位置に対応付けた測定結果を求める演算手段と
   を備える光学式変位測定装置において、受光手段での受
   光量が規定の閾値よりも小さいときに、その閾値を横切
   る直前に求めた変位を測定結果の変位として代用する測
   定データ補正部を設けて成ることを特徴とする光学式変
   位測定装置。
4. 【請求項４】 物体の表面を投光スポットが移動するよ
   うに光ビームを物体表面に走査して投光する投光手段
   と、投光スポットの像を受光光学系を通して受光素子の
   受光面に結像させ受光量と結像スポットの位置との情報
   を含む位置信号を出力する受光手段と、受光手段の出力
   に基づいて基準平面に対する物体の表面の変位を光ビー
   ムの走査位置に対応付けて測定結果を求める演算手段と
   を備える光学式変位測定装置において、受光手段での受
   光量が規定の閾値よりも小さいときに、測定可能範囲の
   最遠方の変位を測定結果の変位として代用する測定デー
   タ補正部を設けて成ることを特徴とする光学式変位測定
   装置。