JPS63191908A - 光学式走査型測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、被測定物を平行走査ビームで走査しつつ走査
後の平行走査ビームの光量変化を利用して被測定物の形
状寸法を測定する光学式走査型測定装置の改良に関する
。

〔背景技術とその問題点〕

移動している物体、高温物体の長さ、厚み、幅等形状寸
法をも非接触で測定することができる光学弐走査型測定
装置が知られている。

従来、かかる光学式走査型測定装置の代表例は第４図に
示されるような構造であった。第４図において、光学式
走査型測定装置は、回転走査ビーム１を変換させて平行
走査ビーム３を発生するための平行走査ビーム発生手段
１０と、被測定物５を通過した後の平行走査ビームの光
量変化を検出して電気信号を出力するための走査信号検
出手段２０と、この走査信号検出手段２０からの電気信
号のうち被測定物５の当該測定部分（セグメント）相当
の電気信号を選択するセグメント選択回路３０と、選択
された電気信号で区画したクロックパルスを計数して被
測定物５の形状寸法を測る測定回路６０とから構成され
ていた。また、測定回路６０からは使用目的に応じて例
えばデジタル表示器の如き出力手段７０に測定値を出力
するものとされていた。

そして、平行走査ビーム発生手段１０では、固定ミラー
１１９を介しレーザ発振器１４から出力されたレーザビ
ームをポリゴンミラー１３で回転走査ビーム１に変換し
かつｆθレンズ１１５で光学的に変換することによって
平行走査ビーム３を発生していた。ポリゴンミラー１３
は分周回路１１７、アンプ１１８で駆動されるパルスモ
ータ１１２によって定速回転されていた。一方、集光レ
ンズ２１、受光素子２２およびプリアンプ２３から形成
された走査信号検出手段２０は被測定物５を通過した平
行走査ビーム３の光量変化を検出して被測定物５（第４
図の場合には丸棒）のエツジ相当の電気信号をセグメン
ト選択回路３０に出力できた。

従って、測定回路６０では、セグメント選択回路３０で
選択されていたセグメント（測定部位）を平行走査ビー
ム３が通過する時間したけゲート回路１６８を開きクロ
ックパルス発振器１６７からのクロックパルスＣＰを通
過させるとともに時間を内に通過したクロックパルス（
Ｐ）をカウンタ１６９で計数することによって測定値を
求め出力手段７０に表示等のための信号を出力できた。

このように従来の光学式走査型測定装置は平行走査ビー
ム３の定速性に基づき被測定物５（測定部位）を通過し
た時間ｔを捉え、その時間りをこれまた一定周波数のク
ロックパルスＣＰで分割スることによって被測定物５の
形状寸法を測定するものと構成されていた。従って、前
記非接触の他ポリゴンミラー１３の回転を高くすること
により高速測定を特徴とする特徴を有していた。

しかしながら、上記従来の光学式走査型測定装置には次
のような問題点を有していた。

すなわち、平行走査ビーム３が被測定物５によって遮ら
れる時間ｔを利用して行う測定原理から、平行走査ビー
ム３の走査速度（第４図でＹ方向速度）が測定精度を制
することになるので走査速度を常に一定とする必要があ
った。このため平行走査ビーム発生手段１０は超精巧な
ものを採用しなければならず経済的負担も大きいという
欠点を有していた。

特に、定速性を保障できるモータおよび駆動装置の製作
は技術的にも至難であった。

また、モータおよび駆動装置の定速性を達成したとして
もポリゴンミラー１３の各反射面の軸心に対する位置的
角度的同一性を満足することは製作の実際において非常
に困難であり、−ｉの小型化、高速化を求められる今日
においては重大な技術的課題となってきた。

さらに、最終的精度は平行走査ビーム３の定速度によっ
て定まるからｒ・θレンズ１１５の製作が技術的にも経
済的にも難しいという問題を存していた。しかもｒ・θ
レンズ１１５の特性を発揮させるためにはポリゴンミラ
ー１３との所定の位置的関係が維持されることが前提と
されるから、これらの組立、調整も非常に煩わしいばか
りか支持架等の熱的変形問題等から利用面の狭小化を招
くという虞れがあった。

さらにまた、測定値はクロックパルス（Ｐ）を計数して
行うものであるから平行走査ビーム発生手段１０等の構
成がハード的に固定化されると誤差補正の考え方を導入
する余地がなく益々の高精度化要請に追従できない虞れ
があった。

〔発明の目的） 本発明は、被測定物の形状寸法を非接触かつ高精度で測
定することのできる構造簡単かつ安価な光学式走査型測
定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段および作用］本発明は、
従来の問題点が平行走査ビームと無関係な時間ｔを導入
していることにより誘発されていたことに着目し、時間
要素を排除して被測定物と平行走査ビームとの直接的位
置関係に基づき測定できるようしたものである。

これがため、本発明は平行走査ビームを発生するための
平行走査ビーム発生手段と、 被測定物を走査した後の平行走査ビームの光量変化を検
出して電気信号を出力する走査信号検出手段と、 前記平行走査ビームの光量的一部分を被測定物以外の方
向へ分離する光分離手段と、 光分離手段によって分離された走査ビームを受けて当該
走査ビームの光量分布の重心位置に対応した位置信号を
出力するためのビーム位置検出手段と、 前記走査信号検出手段より出力される電気信号の変化と
前記ビーム位置検出手段より出力される位置信号とを所
定処理して被測定物の形状寸法を測る測定回路とを備え
た構成とし前記目的を達成するのである。

従って、この発明によれば、平行走査ビーム発生手段か
ら出力される平行走査ビームを被測定物を走査させた後
に検出して走査信号検出手段で光量変化を検出する。一
方、光分離手段で分離した平行走査ビームの光量的一部
分を受けたビーム位置検出手段は走査ビームの光量分布
の重心位置に対応する位置信号すなわち時々刻々変化す
る被測定物との関係における走査ビームの位置を検出す
る。これにより測定回路では走査信号検出手段の出力信
号から求められる被ＩＩＩ定物（測定部位）のエツジに
相当する信号で特定された上記位置信号をもって測定値
を求めることができる。すなわち、被測定物と対応され
た平行走査ビームの位置により直接的に被測定物の形状
寸法を測ることができる。

〔実施例〕

本発明に係る光学式走査型測定装置の実施例を図面を参
照しながら詳細に説明する。

（第１実施例） この実施例は、第１図に示したように平行走査ビーム発
生手段１０、走査信号検出手段２０、光分離手段４０、
ビーム位置検出手段５０および測定回路６０とから光学
式走査型測定装置が構成されている。また走査信号検出
手段２０と測定回路６０との間にはセグメント選択回路
３０が設けられており、さらに測定回路６０にはデジタ
ル表示器から形成された出力手段７０が接続されている
。

なお、前出第４図に示された従来の光学式走査型測定装
置の構成要素と同一または共通する部分は同一の符号を
付するともにその説明を簡略または省略するものとする
。

第１図において、平行走査ビーム発生手段１０は電源１
１、ＡＣモータ１２、ポリゴンミラー１３、半導体レー
ザ等でもよいがこの実施例ではガスレーザとされたレー
ザ発振器１４、コリメータレンズ１５とから形成されて
いる。レーザ発振器１４から出力されるレーザビームか
ら平マチ走査ビーム３の前段階的形態の回転走査ビーム
１を創成しつつこれを光学的に変換して平行走査ビーム
３を発生させる機能上は前出第４図に示された従来袋ｒ
の平行走査ビーム発生手段１０と基本的に同一であるが
、本発明では時間要素を排除して被測定物５との関係に
おいて直接的にその形状寸法を測るという特徴からモー
フ１２は一般的な交流モータとされ、またレンズは精巧
なｆ・θレンズとすることなく単なるコリメータレンズ
１５とされている。また、走査信号検出手段２０および
セグメント選択回路３０は従来のものと変わりはない。

さて、本発明の特徴的構成要件である光分離手段４０、
ビーム位置検出手段５０および測定回路６０は次のよう
に構成されている。

まず、光分離手段４０は、平行走査ビーム発生手段１０
から発生された平行走査ビーム３の光量的一部分を被測
定物５に照射させることのない他の方向へ分離するため
のものであるから被測定物５の手前側に設けられている
。この実施例ではコリメータレンズ１５の直径よりも大
きな有効寸法をもつハーフミラ−から形成されている。

次に、ビーム位置検出手段５０は、光分離手段４０から
の部分的平行走査ビーム３を受けて走査中の平行走査ビ
ーム３の光量分布の重心位置すなわち被測定物５との対
応関係位置を検出するものである。具体的には半導体装
置検出器（ＰＳＤ）から形成された光電センサ５１と検
出回路５２とから構成されている。光電センサ５１はそ
の両側から出力される光電流信号ａ、ｂを出力するもの
で受けた走査ビーム３の位置によって信号ａ、　　ｂは
反比例的に増減する。検出回路５２は入力された信号ａ
、ｂを利用して第１図に便宜的に表した距離Ｘを として算出した前記重心位置すなわち位置信号Ｃを出力
する。また、セグメント選択回路３０のセグメントを自
動的に切り替えできるように切替信号ｄを出力すること
ができる。切替信号ｄは予め設定された走査回数（以下
便宜的に１回とする。

）毎に出力され、（ｄ＝）ａ＋ｂとして規定される。す
なわち走査中か非走査中かを判別するものである。さら
に、光分離手段４０に入射される平行走査ビーム３の重
心位置を正確に捉えた位置信号Ｃを出力するための補正
機能を有し本実施例では補正機能を前記の定数にとして
表内している。

また、測定回路６０は、セグメント選択回路３０から出
力されるセグメント特定信号り、ｔで作動するホールド
回路６１．６２とマルチプレクサ６３とＡ／Ｄ変換器６
４と所定演算して被測定物５の当該セグメント相当の部
位寸法等を求めるＣＰＵ６５とから構成されている。従
って、第１図で示した被測定物５の上側縁端（上エツジ
）を平行走査ビーム３が通過するときに走査信号検出手
段２０より出力される信号ｅ、（第２図（Ｂ）参照）に
基づいてセグメント選択回路３から出力される信号りに
よりホールド回路６１で位置信号Ｃをホールドした位置
信号ｆと下側縁端（下エツジ）を通過したときの信号ｅ
ｔ　　（第２図（Ｂ）参照）に基づいてセグメント選択
回路３から出力される信号２によりホールド回路６２で
位置信号Ｃをホールドした位置信号ｇとをそれぞれマル
チプレクサ６３を介しＡ／Ｄ変換器６４でデジタル信号
Ｄｓ　　（Ｄｓ　　ｒ　、　　ｐｓ　ｇ　）に変換し、
ＣＰＵ６５にインプットする。これによりＣＰＵ６５が
演算したＤｓ　　ｆ　　Ｄｓ　　ｇ　（＝　Ｄ　）が光
電センサ５１の位置差（ｘ＋　　　Ｘ２　）すなわち被
測定物５の直径りとなるように形成されている。

次に、この実施例の作用について説明する。

まず、ポリゴンミラー１３を例えば手回しで低速回転さ
せ平行走査ビーム３の位置と検出回路５２の出力信号Ｃ
とが正確に対応するよう定数にで補正する。あるいはレ
ーザ干渉計とナイフェツジとの組み合わせにより信号ｒ
２ｇを校正しておくことが望ましい。また、本実施例の
場合には被測定物５が丸棒であって測定値をその外径り
とするから、セグメント選択回路３０において受光素子
２２が受ける平行走査ビーム３が有（明）から無（暗）
に変換するときに信号りを、無から有に変化するときに
信号２を出力するようにセグメント選択しておく。

そして、被測定物５をセットし測定運転を開始すると、
平行走査ビーム発生手段１０は第１図に示すＹ方向に所
定の走査速度で移動する平行走査ビーム３を発生する。

ビーム位置検出手段５０は第２図（Ａ）に示したように
光分離手段４０で分離され平行走査ビーム３の光量的一
部分を受けて時々刻々変化する位置信号Ｃを出力する。

一方、走査信号検出手段２０は同（Ｂ）に示した被測定
物５のエツジ相当信号ｅ（ｅｌ　＋　　２　、他）を出
力する。

かくして、測定回路６０では、セグメント選択回路３０
から被測定物５の上側縁端に相当する信号りが出力され
るとホールド回路６１で検出回路５２から構成される装
置信号Ｃの値（Ｘ、）をホールドする。このホールドさ
れた値（Ｘｌ　）相当アナログ信号ｆ（同（Ｃ）参照）
はマルチプレクサ６３を介しＡ／Ｄ変換器６４でデジタ
ル信号り、ｒに変換されＣＰＵ６５に読み込まれる。同
様に下側縁端に相当する信号ｌが出力されるとホールド
回路６２が位置信号Ｃの値（Ｘよ）をホールドし、マル
チプレクサ６３、Ａ／Ｄ変換８６４＠介し信号ｇ（同（
Ｄ）参照）はデジタル信号り。

ｇに変換されＣＰＵ６５に読み込まれる。従って、ＣＰ
Ｕ６５ではＤ　＝　０５　　ｒ　　Ｄｓ　ｇを算出し被
測定物５の直径りを求めることができる。測定値は出力
手段７０を形成するデジタル表示器にデジタル表示され
る。

従って、この実施例によれば、光分離手段４０、ビーム
位置検出手段５０で、移動する平行走査ビーム３の重心
位置を求め、走査信号検出手段２０およびセグメント選
択回路３０で特定した被測定物５の測定すべき部位のエ
ツジ相当信号毎に平行走査ビーム３の当該重心位置をホ
ールドするとともに重心位置間の寸法をもって被測定物
５の寸法りを求められるように測定回路６０を構成して
いるから従来装置のように時間要素を導入して間接的に
測定値を求めるのでなく被測定物５のエツジ毎の平行走
査ビーム３の重心位置から測定値を直接的に求めること
ができるので高精度測定が達成できる。

また、時間要素を排除しているから平行走査ビーム発生
手段１０を簡素かつ安価に構成することができる。前出
第４図に示した従来構成に対しポリゴンミラー１３の回
転駆動手段を単なるＡＣＣモーフ１とし、光学的変換手
段をｆθレンズとすることなく球面収差のみを除き平行
光を得る単なるコリメータレンズ１５としてもまたポリ
ゴンミラ−１３自体を必要以上に精巧加工しなくとも所
定の測定精度を保障できることから明白である。

また、このことは有効測定範囲を拡大できかつ装置全体
を小型化できるということをも意味するものである。

また、ビーム位置検出手段５０の検出回路５２は補正機
能を有する構成とされているので平行走査ビーム３の位
置すなわち被測定物５の部位と正確対応させた位置信号
Ｃを出力することができる。

この点からも直接的高精度測定を達成することができる
。

さらに、位置信号Ｃは走査信号検出手段２０、セグメン
ト選択回路３０によって特性された複数点のそれぞれに
対応するホールド回路を設ければよいから測定部位が多
数ある複雑形状の被測定物５の形状寸法測定にもそのま
ま利用することができるとともに走査速度を速くするこ
とによって高速測定を容易に達成することができる。反
面において時間要素を排除したものであるから走査速度
が遅かったり変動したとしても精度に影響を与える心配
がない。

（第２実施例） 第２実施例は第１実施例が平行走査ビーｌ、３の光学的
一部分を分離するよう構成していたのに対し、第３図に
示すように光分離手段４０をポリゴンミラー１３とコリ
メータレンズ１５との間に設は平行走査ビームの前段階
的形態の回転走査ビーム１の光量的一部分を分離するよ
う構成したものである。

従って、この第２実施例の場合にも高精度、高速測定等
第１実施例の場合と同様の効果を奏することができる。

さらに、この実施例においては光分離手段４０、ビーム
位置検出手段５０の光電センサ５１を小型化しつつ有効
測定範囲を拡大できるという利益を得ることができる。

例えば、光電センサ５１の長さを２５胴としてもコリメ
ータレンズ１５の直径を１００ｍｍとすればＡ／Ｄ変換
器６４の分割数の選択によって定まる所定分解能で測定
範囲を１００鴫とした測定をすることができる。さらに
位置信号Ｃから求めた測定値と実際の測定値との特性曲
線を記憶しておき自動補正ずれが一層正確な測定ができ
る。

なお、以上の実施例では、平行走査ビーム発生手段１０
はモータ駆動のポリゴンミラー１３、コリメータレンズ
１５を用いて前段階的な回転走査ビーム１を生成した後
に平行走査ビーム３を発生させる構成としたが、要は平
行走査ビーム３を発生すればよいので、ポリゴンミラー
の代わりに音叉方式やガルバノメータ方式の振動型の偏
向器を用いて構成することもできる。

また、ビーム位置検出手段５ｏには定数Ｋによる補正機
能を設けたが、その光電センサ５１がら出力される光電
流信号等を利用して平行走査ビーム３または上記回転走
査ビーム１の位置毎に定数Ｋを切替可能に形成するある
いは例えばＤ−（Ｆ（ｒ）−Ｆ　（ｇ）　〕ｘＫの如く
信号ｆ、ｇを変数として補正するように形成する等任意
の補正方式を選択することができる。

さらに、光分離手段４ｏとビーム位置検出手段５０との
間に分割能を向上させるための拡大光学系や設備小型化
を図る縮小光学系を付加して測定装置の適用性を拡大す
ることができる。

〔発明の効果〕

本発明は、平行走査ビームを分離した光量的一部分を利
用して走査ビームの重心位置がら直接的に測定値を求め
ることができるので構造筒車で経済的に高精度、高速測
定を達成できるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

の第１実施例を示す全体構成図、第２図は同じく主要信
号のタイミングチャート、第３図は同じく第２実施例を
示す要部構成図および第４図は従来の光学式走査型測定
装置の全体構成図である。 １・・・回転走査ビーム、３・・・平行走査ビーム、５
・・・被測定物、１０・・・平行走査ビーム発生手段、
２０・・・走査信号検出手段、３０・・・セグメント選
択回路、４０・・・光分離手段、５０・・・ビーム位置
検出手段、６０・・・測定回路。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）平行走査ビームを発生するための平行走査ビーム
   発生手段と、 被測定物を走査した後の平行走査ビームの光量変化を検
   出して電気信号を出力する走査信号検出手段と、 前記平行走査ビームの光量的一部分を被測定物以外の方
   向へ分離する光分離手段と、 光分離手段によって分離された走査ビームを受けて当該
   走査ビームの光量分布の重心位置に対応した位置信号を
   出力するためのビーム位置検出手段と、 前記走査信号検出手段より出力された電気信号の変化と
   前記ビーム位置検出手段より出力された位置信号とを所
   定処理して被測定物の形状寸法を測る測定回路とを備え
   たことを特徴とする光学式走査型測定装置。
2. （２）前記特許請求の範囲第１項において、前記光分離
   手段が前記平行走査ビームを分離できる位置に介装され
   たハーフミラーから形成されている光学式走査型測定装
   置。
3. （３）前記特許請求の範囲第１項において、前記平行走
   査ビーム発生手段が回転走査ビームを変換して平行走査
   ビームを発生するよう形成されるとともに前記光分離手
   段が前記平行走査ビームの前段階的形態の該回転走査ビ
   ームを分離できる位置に介装されたハーフミラーから形
   成されている光学式走査型測定装置。