JPH10253330A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スキャナーの走査速度のバラツキによる影響
を受けることなく、被測定対象の表面形状を精度よく測
定することのできる表面形状測定装置を提供する。 【解決手段】 被測定対象２の表面を光点で走査するス
キャナー１と、このスキャナー１の光を受光しス夕ート
パルス信号を出力するスタートパルス発生器３と、被測
定対象２の表面上の光点の像を結像するレンズ４と、結
像面位置に配置され光点の像の軌跡上に複数の開口を持
つスリット板５と、開口を通過する光をパルス信号に変
換する光電変換器６と、スキャナー１の光を受光しエン
ドパルス信号を出力するエンドパルス発生器９と、スタ
ートパルス発生器３、光電変換器６、エンドパルス発生
器９からの出力信号に基づいて被測定対象２の表面形状
を測定する信号処理回路７とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば建築材や鋼
板のような板状物等の表面の形状を測定する表面形状測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の表面形状測定装置としては、例え
ば、特開平6-207821号公報に記載された装置が知られて
いる。この装置について、図面を用いて説明する。

【０００３】図１０に示すように、ビーム光源Ｉａと、
このビーム光源Ｉａからの光ビームをＡ１からＥ１（走
査ライン）方向に走査する回転ミラーＩｂと、この回転
ミラーＩｂの走査光をさらにＡ１からＡ６方向に走査す
る振動ミラーＩＣとで構成されたスキャナー１は、光点
で被測定対象２の表面を走査ライン方向の走査を、走査
ラインに対して垂直な方向に繰り返すことにより被測定
対象２の表面を２次元的に走査できるようになってい
て、走査ライン方向の走査の初めにスタートパルス発生
器３に光ビームを入射するようになっている。

【０００４】レンズ４は、被測定対象２の表面の光点の
像を結像する様に配置され、この結像面位置には光点像
の軌跡上に複数の開口を持つスリット板５が配置され、
その背面側にスリット板５の開口を通過した光をパルス
信号に変換する単一の光電変換器６が配置されている。
スタートパルス発生器３と光電変換器６から出力された
パルス信号は信号処理回路７に入力される。

【０００５】このように構成された装置は、スタートパ
ルス発生器３からのパルス信号の発生から被測定対象２
表面の光点によるパルス信号発生までの時間に基づい
て、走査ライン上の光点の高低が求められるので、被測
定対象２の表面形状を測定することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来の表面形
状測定装置にて正確な測定を行なうには、各走査ライン
に対して常に一定の位置のデータを収集しなければなら
ない。しかしながら、スキャナーの走査速度にはバラツ
キがあるので、データ収集位置に誤差が生じ、このた
め、被測定対象の表面の測定にも誤差が生じてしまう。

【０００７】そこで、本発明は、スキャナーの走査速度
のバラツキによる影響を受けることなく、被測定対象の
表面の形状を精度よく測定することのできる表面形状測
定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、被測定対象表面を光点で走
査するスキャナーと、このスキャナーの光を受光しスタ
ートパルス信号を出力するスタートパルス発生器と、前
記被測定対象表面の光点の像を結像するレンズと、結像
面位置に配置され前記光点の像の軌跡上に複数の開口を
持つスリット板と、前記開口を通過する光をパルス信号
に変換する光電変換器と、前記スキャナーの光を受光し
エンドパルス信号を出力するエンドパルス発生器と、ス
タートパルス信号、エンドパルス信号、被測定対象表面
の光点によるパルス信号に基づいて被測定対象の表面形
状を測定する信号処理回路とを備えてなる。

【０００９】このように構成されたものについては、図
５に示すように、スタートパルス信号の発生から被測定
対象表面の光点によるパルス信号発生までの時間と、こ
の光点のパルス信号の発生からエンドパルス信号発生ま
での時間との和が、走査ラインごとに一定であることを
利用し、スタートパルス信号をパルス信号測定の起点と
して求めた場合の座標と、エンドパルス信号をパルス信
号測定の起点として求めた場合の座標の平均を、被測定
対象表面の任意の光点の位置座標とすることにより、ス
キャナーの走査速度のバラツキによる位置座標の誤差を
低減することができるので、被測定対象の表面形状を精
度よく測定することが可能となる。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、被測定対象
面とスキャナーの間に配置されスキャナー光を半分反射
し、残り半分を透過するハーフミラーと、このハーフミ
ラーの反射した光を受光して中間パルス信号を出力する
中間パルス検出器とを備えている。

【００１１】このように構成されたものについては、ス
タートパルス信号をパルス信号測定の起点として求めた
場合の座標と、エンドパルス信号をパルス信号測定の起
点として求めた場合の座標と、中間パルス信号をパルス
信号測定の起点として求めた場合の座標の平均を被測定
対象の表面の任意の光点の位置座標とすることにより、
スキャナーの走査速度のバラツキによる位置座標の誤差
を低減することができるので、被測定対象の表面形状を
精度よく測定することが可能となる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して詳細に説明する。図１乃至図７は、
請求項１の発明における実施の形態を示す図である。ま
ず、図１を用いて装置の構成を説明する。

【００１３】図１において、スキャナー１は被測定対象
２の表面を上方から光ビームで走査できるように配置さ
れ、走査の最初にスキャナー１の斜め下方に配置されて
いるスタートパルス発生器３に、走査の最後にスキャナ
ー１の斜め下方で被測定対象２の表面をはさんでスター
トパルス発生器３の反対側に配置されているエンドパル
ス発生器９に光ビームを入射するようになっている。

【００１４】レンズ４は、スキャナー１による被測定対
象２の表面の光点を結像し、その結像面位置には複数の
開口を持つスリット板５が配置されている。スリット板
５の背面側に配置された光電変換器６は、スリット板５
の開口を通過した光をパルス信号に変換し、信号処理回
路７は、スタートパルス発生器３、エンドパルス発生器
９、光電変換器６から入力されるパルス信号を基にし
て、被測定対象２の表面形状を検知する。

【００１５】次に、上述のように構成された装置の動作
を説明する。スキャナー１は、スタートパルス発生器３
に光ビームを入射直後、被測定対象２の表面の走査を開
始し、走査の終了直後にエンドパルス発生器９に光ビー
ムを入射する。スタートパルス発生器３は、スキャナー
１が入射した光ビームをパルス信号に変換し、このパル
ス信号を走査の開始を知らせるスタートパルス信号とし
て信号処理回路７に入力する。エンドパルス発生器９も
スタートパルス発生器３と同じく、スキャナー１が入射
した光ビームをパルス信号に変換するが、このパルス信
号を走査の終了を知らせるエンドパルス信号として信号
処理回路７に入力する。レンズ４はスキャナー１の光ビ
ームが被測定対象２の表面につくる光点の像をスリット
板５上に結び、この光点の像は、走査が進むに従い、直
線状の軌跡を描き、スリット板５に開けられた開口部を
通過して光電変換器６でパルス信号に変換され、このパ
ルス信号は信号処理回路７に入力される。

【００１６】信号処理回路７は、スタートパルス信号の
発生から、光電変換器のパルス信号の発生までの時間を
基にして求めた被測定対象２の表面の光点の座標と、光
電変換器６のパルス信号の発生からエンドパルス信号発
生までの時間を基にして求めた被測定対象２の表面の光
点の座標との平均をとることにより、この光点の座標を
決定する。

【００１７】次に、光点位置の測定原理について、図２
乃至図７を用いて説明する。今、被測定対象２の表面が
図２に示す形状であるとする。基準面上のＡ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅの各点によるスリット５上の像位置に、それぞれ
開口が設けられているとすれば、この被測定対象２の表
面のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅを光点が通過するとき、スリッ
ト板５上の各開口を光点像が通過する。

【００１８】図３は、スタートパルス発生器３からのス
タートパルス信号（同図ａ）と、光電変換器６から出力
される基準面８からのパルス信号（同図ｂ）と被測定対
象２の表面からのパルス信号（同図ｃ）を示している。
基準面８上を光点走査するときはＡ−Ｅのパルス信号が
得られ、被測定対象２の表面を光点走査するときはａ−
ｅのパルス信号が得られる。これらのパルス信号の発生
時点を計測することで、被測定対象２の表面の光点の位
置が求められる。

【００１９】次に、スタートパルス信号の発生から、被
測定対象２表面の任意の光点によるパルス信号の発生ま
での時間による光点位置の測定原理を図４を用いて詳細
に説明する。

【００２０】被測定対象２の表面に対する基準面８上の
点Ｐに対応してスリット板５上に開口Ｉがあり、被測定
対象２表面と線分ＰＩとの交点Ｐ₁ に光点が来たとき、
開口Ｉを光点像が通過する。また、スタートパルス発生
器３に光ビームが来たとき、スタートパルス信号が発生
する。図４に示すように、スキャナー１の走査中心点Ｏ
を座標原点として直交座標ｘ，ｙを、角度ＳＯＰ＝α、
角度ＰＯＨ＝β、角度ＯＰＩ＝γとする。α、β、γは
各構成要素の位置から予め決められたものである。三角
形ＯＰＰ₁ に正弦定理を適用し、

【００２１】

【数１】 ＯＰ₁ ／ｓｉｎγ＝ＯＰ／ｓｉｎ（π−θ−γ） ……… （１） を得る。上式中、ＯＰ₁ 、ＯＰはそれぞれ線分を示して
いる。これより線分ＯＰ₁ は、

【００２２】

【数２】 ＯＰ₁ ＝ＯＰ・ｓｉｎγ／ｓｉｎ（θ＋γ） ……… （２） また、θは次のようにして求められる。図５にスタート
パルス信号と交点Ｐ，Ｐ₁ の各点での光電変換器６から
出力される各パルス信号を示す。スタートパルス信号を
起点として交点Ｐ，Ｐ₁ パルス信号は時間Ｔ，ｔ後に発
生したとし、スキャナー１の走査角速度が一定値ωであ
るとすると、

【００２３】

【数３】 α＝ω・Ｔ ……… （３）

【００２４】

【数４】 θ＝（ｔ−Ｔ）ω ……… （４） であり、式（３）（４）の両式より、

【００２５】

【数５】 θ＝［（ｔ／Ｔ）−１］α ……… （５） となり、Ｔはスキャナ−１の角速度ωとαとから決まっ
ているので、時間ｔを測定することでθが求められる。
Ｐ₁ 点の座標（ｘ，ｙ）は、

【００２６】

【数６】 ｘ＝ＯＰ₁ ・ｓｉｎ（β−θ） ……… （６）

【００２７】

【数７】 ｙ＝ＯＰ₁ ・ｃｏｓ（β−θ） ……… （７） であるが、式（５）により、θが分かれば式（２）より
線分ＯＰ₁ が決定され、式（６），（７）によりＰ₁ 点
の座標、即ちスタートパルス信号をパルス信号測定の起
点として求めた場合の被測定対象２の表面の光点の位置
が求められる。

【００２８】次に、被測定対象２の表面の任意の光点に
よるパルス信号の発生からエンドパルス信号発生までの
時間による光点位置の測定原埋について、図６と図７を
用いて説明する。

【００２９】図６は、工ンドパルス発生装置以外は図４
と同様であり、角度ＰＯＥ＝α₁ とする。図７にエンド
パルス信号Ｅ、及び交点Ｐ，Ｐ₁ の各点での光電変換器
６から出力される各パルス信号のタイミングを示す。エ
ンドパルス信号Ｅを起点として交点Ｐ，Ｐ₁ の各点での
パルス信号が時間Ｔ₁ ，ｔ₁ 前に発生し、そのときのス
キャナー１の走査角速度をωとすると、

【００３０】

【数８】 α₁ ＝ω・Ｔ₁ ……… （８）

【００３１】

【数９】 θ＝（Ｔ₁ −ｔ₁ ）ω ……… （９） であり、式（８），（９）の両式より

【００３２】

【数１０】 θ＝［１−（ｔ₁ ／Ｔ₁ ）］α₁ ……… （１０） となり、Ｔ₁ はスキャナ−１の角速度ωとα₁ とから決
まっているので、時間ｔ₁ を測定することでθが求めら
れる。交点Ｐ₁ のエンドパルス信号をパルス信号測定の
起点として求めた場合の座標（ｘ₁ ，ｙ₁ ）は、

【００３３】

【数１１】 ｘ₁ ＝ＯＰ₁ ・ｓｉｎ（β一θ） ……… （１１）

【００３４】

【数１２】 ｙ₁ ＝ＯＰ₁ ・ｃｏｓ（β一θ） ……… （１２） となる。よって、被測定対象面上の光点の座標（Ｘ，
Ｙ）は

【００３５】

【数１３】 Ｘ＝（ｘ＋ｘ₁ ）／２ ……… （１３）

【００３６】

【数１４】 Ｙ＝（ｙ＋ｙ₁ ）／２ ……… （１４） となる。次に、図８に請求項２の発明における実施の形
熊を示す。

【００３７】同図において、請求項１の発明における実
施の形態の構成と同じ構成については、同一符号を付
し、その説明は省略する。図８に示すように、スキャナ
ー１と被測定対象２の表面の間にスキャナー１の光ビー
ムを半透過するハーフミラー１０が被測定対象２の表面
に対して角度を付けて配置され、このハーフミラー１０
による反射光方向には中間パルス検出器１１を配置し、
中間パルス信号を得られるように構成されている。

【００３８】図８に示すように、α₂ ，β，γ，Ｏをと
り、中間パルス信号を起点として、Ｐ，Ｐ₁ 点でのパル
ス信号がＴ₁ ，ｔ₁ 前に発生し、そのときのスキャナー
１の角速度をωとすると、請求項１の実施の形態の測定
原埋を用いると、Ｐ₁ 点の中間パルスをパルス信号測定
の起点として求めた場合の座標（ｘ₁ ，ｙ₁ ）は、

【００３９】

【数１５】 ｘ₁ ＝ＯＰ₁ ・ｓｉｎ（β−θ） ……… （１５）

【００４０】

【数１６】 ｙ₁ ＝ＯＰ₁ ・ｃｏｓ（β−θ） ……… （１６） となる。よって、スタートパルス信号の発生から被測定
対象２の表面の任意の光点によるパルス信号の発生まで
の時間をもとにして求めた光点の位置と、この被測定対
象２の表面の任意の光点によるバルス信号の発生からエ
ンドパルス信号の発生までの時間を基にして求めた光点
の位置と、この被測定対象２の表面上の任意の光点によ
るパルス信号の発生から中間パルス信号の発生までの時
間を基にして求めた光点の位置どの平均を被測定対象２
の表面上の光点の座標とすると、その座標（Ｘ，Ｙ）
は、

【００４１】

【数１７】 Ｘ＝（ｘ＋ｘ₁ ＋ｘ₁ ）／３ ……… （１７）

【００４２】

【数１８】 Ｙ＝（ｙ＋ｙ₁ ＋ｙ₁ ）／３ ……… （１８） となる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の発
明は、被測定対象面を光点で走査するスキャナーと、こ
のスキャナーの光を受光しスタートパルス信号を出力す
るスタートパルス発生器と、上記被測定対象面上の光点
の像を結像するレンズと、結像面位置に配置され上記光
点の像の軌跡上に複数の開口を有するスリット板と、上
記開口を通過する光をパルス信号に変換する光電変換器
と、上記スキャナーの光を受光しエンドパルス信号を出
力するエンドパルス発生器と、スタートパルス信号、エ
ンドパルス信号、被測定対象表面の光点によるパルス信
号に基づいて被測定対象の表面形状を測定する信号処理
回路とを備えたことにより、スタートパルス信号及びエ
ンドパルス信号を基準にして被測定対象の表面の光点位
置を求めることができるので、スキャナーの走査角速度
のバラツキによる被測定対象面の測定誤差を低減でき
る。

【００４４】また、請求項２記載の発明では、被測定対
象の表面とスキャナーの間に配置されスキャナー光を半
分反射し、残り半分を透過するハーフミラーと、このハ
ーフミラーの反射した光を受光して中間パルス信号を出
力する中間パルス検出器とを備えたことにより、スター
トパルス信号、エンドパルス信号、及び中間パルス信号
を基準にして被測定対象表面の光点位置を求めることが
できるので、スキャナーの走査角速度のバラツキによる
被測定対象の表面の測定誤差を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 請求項１の発明に係る実施の形態を示す概
要構成図。

【図２】 図１に示した実施の形態におけるスタート
パルス信号をパルス測定の基準にしたときの測定原理を
説明するための構成図。

【図３】 図１に示した実施の形態におけるスタート
パルス信号をパルス測定の基準にしたときの測定原理を
説明するためのタイミングチャート。

【図４】 図１に示した実施の形態におけるスタート
パルス信号をパルス測定の基準にしたときの測定原理を
説明するための光路図。

【図５】 図１に示した実施の形態におけるスタート
パルス信号と交点Ｐ，Ｐ₁ の各点でのパルス信号との関
係を示したタイミングチャート。

【図６】 図１に示した実施の形態におけるエンドパ
ルス信号をパルス測定の基準にしたときの測定原理を説
明するための光路図。

【図７】 図１に示した実施の形態におけるエンドパ
ルス信号をパルス測定の基準にしたときの測定原理を説
明するためのタイミングチャート。

【図８】 請求項２の発明に係る実施の形態を示す概
要構成図。

【図９】 図８に示した実施の形態における測定原理
を説明するためのタイミングチャート。

【図１０】 従来の表面形状測定装置を示す概要構成
図。

【符号の説明】

１……スキャナー、 ２……被測定対象、３……スター
トパルス発生器 ４……レンズ、 ５……スリット板、６……光電変
換器 ７……信号処理回路、８……基準面、 ９……エンド
パルス発生器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定対象面を光点で走査するスキャ
   ナーと、このスキャナーの光を受光しス夕ートパルス信
   号を出力するスタートパルス発生器と、前記被測定対象
   面上の光点の像を結像するレンズと、結像面位置に配置
   され前記光点の像の軌跡上に複数の開口を持つスリット
   板と、前記開口を通過する光をパルス信号に変換する光
   電変換器と、前記スキャナーの光を受光しエンドパルス
   信号を出力するエンドパルス発生器と、前記スタートパ
   ルス発生器、前記光電変換器、前記エンドパルス発生器
   からの出力信号に基づいて被測定対象の表面形状を測定
   する信号処理回路とを具備したことを特徴とする表面形
   状測定装置。
2. 【請求項２】 前記被測定対象面と前記スキャナーの
   間に配置されスキャナー光を半透過するハーフミラー
   と、このハーフミラーの反射した光を受光して中間パル
   ス信号を出力する中間パルス検出器とを具備したことを
   特徴とする請求項１記載の表面形状測定装置。