JP2012242134A - 形状測定装置およびこれに用いる光学フィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】装置構造を大型化することなく、光切断法によって至近距離から大型な被測定物の形状を精度よく測定できること。
【解決手段】本発明の一態様にかかる形状測定装置１は、被測定物１５にスリット光Ｌ１を照射し、被測定物１５から反射したスリット光Ｌ１をフィルタ３を介して撮像するとともにスリット光Ｌ１以外を遮光して、被測定物１５の形状を測定する。フィルタ３の中心透過波長は、レンズ４の光軸Ｃ近傍においてスリット光Ｌ１の主ピーク波長と同等であり、スリット光Ｌ１の入射面に沿って光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向けて大きくなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光切断法によって被測定物の形状を測定する形状測定装置およびこれに用いる光学フィルタに関する。

従来から、被測定物の立体形状を測定する手法として光切断法が公知である。光切断法は、一般に、レーザ光等の高輝度スリット光を被測定物に照射し、得られたスリット光像をもとに、被測定物の凹凸等の表面形状を測定する。

例えば、光切断法では、図１４に示すように、スリット光源１０１によって被測定物１００の表面にスリット光を照射し、スリット光の照射方向とは別の方向から、撮像装置１０２によって被測定物１００から反射したスリット光を撮像し、得られた被測定物１００のスリット光像を表示装置１０３に表示する。この被測定物１００の表面形状は、得られたスリット光像の変形量および撮像光学系の幾何学的配置等をもとに算出される。

このような光切断法は、単純な光学系によって大型な物体の測定も可能であり、また、光学系の配置によって凹凸の測定感度を大幅に調整できる等の利点がある。このため、近年の画像処理技術の進歩に伴い、ロボット用の視覚センサに適用される立体形状入力法として注目されている。

また、鉄鋼業においても、光切断法は、冷却せずに高温状態を維持しつつスリット光に沿った方向の形状を取得できるという利点から、鋼管等の鉄鋼製品を製造する際に生成される高温な中間製品の形状検査に応用されている（特許文献１〜３参照）。

特開２００３−３２２５１３号公報 特開２００４−１８１４７１号公報 特開２００４−１１７０５３号公報

ところで、近年の鉄鋼業においては、鋼管等の鉄鋼製品のみならず、コークス炉等の大型且つ高温な設備の点検に好適な光切断法による形状測定が要望されている。例えば、光切断法によってコークス炉内の形状を測定し、コークス炉内壁面の凹凸状態を検査することが可能な形状測定装置が必要とされている。コークス炉内の点検においては、高温なコークス炉に形状測定装置を接近させて、コークス炉内壁面の凹凸状態を広範囲に測定しなければならない。

このため、形状測定装置の投光範囲および受光範囲をより大きくする必要がある。このうち、投光範囲については、形状測定装置のスリット光源を変更して、より広範囲にスリット光を照射すればよいが、これは、スリット光源のスリット長を変更する等の手法によって容易に達成できる。

一方、受光範囲については、形状測定装置の光学系を変更して、受光角範囲すなわち画角をより大きくする必要がある。この場合、形状測定装置は、今まで以上に大きい入射角の範囲に亘って、被測定物から反射したスリット光を受光することになる。

ここで、形状測定装置には、一般に、被測定物から反射したスリット光を感度よく受光するために、干渉フィルタ等の光学フィルタを備えている。ところが、光学フィルタの光透過特性は、光の入射角の増加に伴って低くなる。

このため、被測定物に照射するスリット光の波長に限定した光透過特性を有する光学フィルタを用いた場合、この光学フィルタは、入射角の大きなスリット光、すなわち、光軸部位から縁側へ所定の距離以上離れた領域に入射したスリット光を遮断してしまう。この結果、被測定物から反射したスリット光を感度よく検出できないことから、光切断法によって至近距離から大型な被測定物の形状を精度よく測定できないという問題があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、装置構造を大型化することなく、光切断法によって至近距離から大型な被測定物の形状を精度よく測定できる形状測定装置およびこれに用いる光学フィルタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる形状測定装置は、被測定物にスリット光を照射し、前記被測定物から反射した前記スリット光の反射光をレンズを介して撮像するとともに前記反射光以外を遮光して、前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において、前記レンズの光軸近傍の透過波長帯域が前記反射光の波長を含み、前記反射光の入射面に沿って前記光軸から縁側に向けて中心透過波長が大きくなる光学フィルタを備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記中心透過波長は、前記光軸から前記光学フィルタの縁側に向けて連続的に大きくなることを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記中心透過波長は、対象スリット光の長く伸びる方向の受光角に対応して変化することを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記光学フィルタの透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅の２〜４倍であることを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記中心透過波長は、前記光軸から前記光学フィルタの縁側に向けて段階的に大きくなることを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記光学フィルタは、前記光軸が通過する中心領域と、該中心領域を中心に対称的に分割される複数の部分領域とを含み、前記中心透過波長は、前記中心領域において前記スリット光の主ピーク波長と同等であり、前記光学フィルタの縁側に向けて前記部分領域毎に大きくなることを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域は、隣接する前記中心領域または前記部分領域間において重なることを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域の帯域幅は、同一であることを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記中心領域の透過波長帯域の帯域幅に比して広いことを特徴とする。

また、本発明にかかる形状測定装置は、上記の発明において、前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅を２〜４倍した帯域幅であることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、被測定物に照射したスリット光の反射光を集光するレンズを有し、光切断法によって前記被測定物の形状を測定する形状測定装置の光学フィルタにおいて、前記レンズの光軸近傍の透過波長帯域が前記反射光の波長を含み、前記反射光の入射面に沿って前記光軸から縁側に向けて中心透過波長が大きくなる透光性膜を備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記中心透過波長は、前記光軸から前記透光性膜の縁側に向けて連続的に大きくなることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記中心透過波長は、対象スリット光の長く伸びる方向の受光角に対応して変化することを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅を２〜４倍であることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記中心透過波長は、前記光軸から前記透光性膜の縁側に向けて段階的に大きくなることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記透光性膜は、前記光軸が通過する中心領域と、該中心領域を中心に対称的に分割される複数の部分領域とを含み、前記中心透過波長は、前記中心領域において前記スリット光の主ピーク波長と同等であり、前記透光性膜の縁側に向けて前記部分領域毎に大きくなることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域は、隣接する前記中心領域または前記部分領域間において重なることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域の帯域幅は、同一であることを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記中心領域の透過波長帯域の帯域幅に比して広いことを特徴とする。

また、本発明にかかる光学フィルタは、上記の発明において、前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅を２〜４倍した帯域幅であることを特徴とする。

本発明にかかる形状測定装置によれば、より広範囲な画角に亘って、被測定物から反射したスリット光を感度よく検出できるため、装置構造を大型化することなく、光切断法によって至近距離から大型な被測定物の形状を精度よく測定できるという効果を奏する。

また、本発明にかかる光学フィルタによれば、被測定物から反射したスリット光を感度よく検出できる画角を一層広範囲にすることができるため、装置構造を大型化することなく、光切断法によって至近距離から大型な被測定物の形状を精度よく測定可能な形状測定装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかる形状測定装置の一構成例を模式的に示すブロック図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる光学フィルタの一構成例を示す模式図である。 図３は、この実施の形態１にかかる光学フィルタの光透過特性を示す模式図である。 図４は、フィルタの光軸近傍にスリット光が入射する状態を示す模式図である。 図５は、フィルタの縁部近傍にスリット光が入射する状態を示す模式図である。 図６は、本発明の実施の形態１にかかる光学フィルタを取り外した形状測定装置によるスリット光の検出結果の一例を示す図である。 図７は、図６の状態に外乱光を追加した場合のスリット光の検出結果を示す図である。 図８は、本発明の実施の形態１にかかる形状測定装置によるスリット光の検出結果の一例を示す図である。 図９は、従来の形状測定装置によるスリット光の検出結果の一例を示す図である。 図１０は、従来の形状測定装置によるスリット光の検出結果の別例を示す図である。 図１１は、本発明の実施の形態２にかかる形状測定装置の一構成例を模式的に示すブロック図である。 図１２は、本発明の実施の形態２にかかる光学フィルタの一構成例を示す模式図である。 図１３は、この実施の形態２にかかる光学フィルタの光透過特性を示す模式図である。 図１４は、光切断法による従来の形状測定装置を示す模式図である。

以下に、添付図面を参照して、この発明にかかる形状測定装置およびこれに用いる光学フィルタの好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。

(実施の形態１)
まず、本発明の実施の形態１にかかる形状測定装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかる形状測定装置の一構成例を模式的に示すブロック図である。図１に示すように、この形状測定装置１は、被測定物１５にスリット光Ｌ１を照射するスリット光源２と、被測定物１５から反射したスリット光Ｌ１を透過するフィルタ３と、フィルタ３を透過したスリット光Ｌ１を結像するレンズ４と、レンズ４によって結像されたスリット光Ｌ１を撮像する撮像部５と、を備える。また、形状測定装置１は、オンオフ状態を切り替えるための入力部６と、入力部６からの入力信号に対応してスリット光源２および撮像部５を制御する制御部７と、撮像部５によって撮像されたスリット光Ｌ１の画像処理を行う画像処理部８と、被測定物１５に照射されたスリット光Ｌ１の形状を表示する表示部９と、防塵および遮光等のための筐体１０とを備える。

スリット光源２は、被測定物１５の測定範囲にわたって概平面状の光を照射するものである。具体的には、スリット光源２は、半導体レーザ素子およびレンズを一体化したスリットレーザ光源を用いて実現され、所定の波長帯域のスリット光Ｌ１を被測定物１５の測定表面１５ａに照射する。

フィルタ３は、被測定物１５の形状測定に必要な光を選択的に透過する光学フィルタである。具体的には、フィルタ３は、干渉フィルタ等を用いて実現され、図１に示すように、レンズ４の前段（被測定物１５側）に固定配置される。この場合、フィルタ３は、レンズ４によって規定される画角の範囲内に配置される。さらには、フィルタ３は、スリット光Ｌ１の反射光の入射範囲内、すなわち図１に示す測定表面１５ａ上のスリット光Ｌ１の両端とレンズ４の物体側主点４ａとを結ぶ破線の範囲内に配置される。なお、フィルタ３の面中心軸は、レンズ４の光軸Ｃと一致していることが望ましいが、少なくとも光軸Ｃに対して平行であればよい。

また、フィルタ３の光透過特性は、スリット光Ｌ１の反射光を透過するとともに、この反射光以外を遮光するものであり、この反射光の入射面に沿って光軸Ｃからフィルタ３の縁側へ変位するとともに変化する。

レンズ４は、図１に示すように、フィルタ３と撮像部５との間に配置され、フィルタ３によって選択的に透過されたスリット光Ｌ１の反射光を集光し、この集光した反射光を撮像部５の受光面に結像する。

撮像部５は、撮像素子５ａを有し、レンズ４によって結像されたスリット光Ｌ１の反射光像を撮像する。この場合、撮像素子５ａは、レンズ４によって結像された反射光を受光し、受光した反射光の強弱を画素アドレスに対応した電気信号に変換する。その後、撮像部５は、撮像素子５ａによって得られた電気信号を画像処理部８に送信する。

なお、上述したレンズ４および撮像部５は、各々公知のカメラレンズおよびエリアセンサカメラ等を用いればよく、測定範囲と分解能、すなわち被測定物１５上における撮像素子５ａの縦画素数および横画素数あたりの寸法を勘案して選択すればよい。

入力部６は、オンオフを切り替えるスイッチ等を用いて実現され、操作者の入力操作に対応して、測定開始を指示する開始指示信号または測定終了を指示する終了指示信号を制御部７に入力する。

制御部７は、入力部６によって入力された指示情報をもとに、スリット光源２および撮像部５の動作タイミングを制御する。具体的には、制御部７は、開始指示信号が入力された場合、スリット光Ｌ１を照射するようスリット光源２を制御するとともに、スリット光Ｌ１の反射光像を撮像して、得られた画像データを画像処理部８に順次送信するよう撮像部５を制御する。一方、制御部７は、終了指示信号が入力された場合、スリット光Ｌ１の照射動作を停止するようスリット光源２を制御するとともに、撮像動作を停止するよう撮像部５を制御する。

画像処理部８は、スリット光Ｌ１の画像データに対して所定の画像処理を行って、被測定物１５の形状を測定するためのものである。具体的には、画像処理部８は、撮像素子５ａによって電気信号に変換された画像データを撮像部５から取得し、得られた画像データを数値データに変換する。その後、画像処理部８は、この数値データをもとに、測定表面１５ａ上のスリット光Ｌ１の形状を算出し、この算出結果をもとに、被測定物１５の凹凸等の形状を算出する。

なお、画像処理部８は、公知な画像入力回路および画像処理回路を用いて実現でき、あるいは画像インターフェイスボードおよびパーソナルコンピュータの組合せによって簡易に実現できる。また、上述したスリット光Ｌ１の形状算出結果に基づく被測定物１５の形状算出処理は、公知な細線化処理および初等演算処理の組合せによって実現可能であり、さらには必要に応じて、公知なシェーディング補正によって元の画像のムラを補正する前処理を加えればよい。

表示部９は、画像処理部８からスリット光Ｌ１の画像データおよび被測定物１５の形状測定データを取得し、得られたデータをもとに、スリット光Ｌ１の反射光像および被測定物１５の形状測定結果等を表示する。

筐体１０は、上述したスリット光源２、フィルタ３、レンズ４、撮像部５および制御部７を収容する。ここで、コークス炉等の製造現場においては、鉄鋼製品または設備から高い熱または粉塵等が発生する。これに対し、筐体１０は、製造現場において形状測定装置１を使用する際に、これら形状測定装置１の内部構成部の耐熱（さらには冷却）および防塵を確保する。

また、筐体１０には、図１に示したように、被測定物１５にスリット光Ｌ１を照射するための開口部１０ａがスリット光源２の近傍に形成され、被測定物１５から反射したスリット光Ｌ１を入射するための開口部１０ｂがフィルタ３の近傍に形成されている。

なお、開口部１０ａ、１０ｂには、各々透光部１１、１２が設けられる。透光部１１、１２は、スリット光Ｌ１の波長帯域に対して透明なガラス部材または樹脂部材等によって実現される。透光部１１は、スリット光Ｌ１の照射を阻害せずに筐体１０による内部の防塵性を高める。一方、透光部１２は、スリット光Ｌ１の入射を阻害せずに筐体１０による内部の防塵性を高める。

つぎに、図１に示したフィルタ３の構成および光透過特性について詳細に説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかる光学フィルタの一構成例を示す模式図である。図３は、この実施の形態１にかかる光学フィルタの光透過特性を示す模式図である。

図２に示すように、フィルタ３は、スリット光Ｌ１の波長帯域に対して透明な板状のガラス基板３ａの一表面に、光の干渉を発生させるための誘電体金属膜３ｂを蒸着等の製法によって形成して実現される。

ここで、このフィルタ３に対して、図１に示したレンズ４の光軸Ｃと原点で直交する２軸の直交座標系を設定し、この直交座標系のＸ軸およびY軸のうちのＸ軸をスリット光Ｌ１の長手方向に対して平行な軸とする。この場合、光軸Ｃの近傍におけるフィルタ３の透過波長帯域は、スリット光Ｌ１の反射光の波長を含み、フィルタ３の中心透過波長は、この反射光の入射面に沿って光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向けて大きくなる。すなわち、フィルタ３の中心透過波長は、光軸Ｃの位置においてスリット光Ｌ１の主ピーク波長と同等であり、図２に示すＸ軸の正および負の両方向について、光軸Ｃからフィルタ３の縁側へ変位するに伴って大きくなる。

詳細には、図３に示すように、フィルタ３の実質の中心透過波長λは、フィルタ３上の光入射面において、光軸Ｃを中心にして対称的に、光軸Ｃからフィルタ３の縁側へ変位するに伴って連続的に大きくなる。この場合、中心透過波長λは、対象のスリット光Ｌ１の長く伸びる方向の受光角に対応して変化する。例えば、中心透過波長λは、上述したレンズ４の物体側主点４ａを中心に、光軸Ｃの位置Ｘ₀を頂点として弧状に変化する。

具体的には、フィルタ３は、光軸Ｃの位置Ｘ₀において、スリット光Ｌ１の主ピーク波長と同等の中心透過波長λ₀を有し、光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向けてＸ₁まで変位した場合、中心透過波長λはλ₀からλ₁に連続的に大きくなる。さらに、この位置Ｘ₁からフィルタ３の縁側に向けてＸ₂まで変位した場合、中心透過波長λはλ₁からλ₂に連続的に大きくなる。

ここで、上述した被測定物１５からフィルタ３に反射したスリット光Ｌ１の入射角θは、フィルタ３の光入射面のＸ軸方向に沿って増大する。すなわち、図３の破線矢印によって示すように、被測定物１５からのスリット光Ｌ１の反射光は、光軸Ｃの位置Ｘ₀からフィルタ３の縁側に向けて入射位置が変位するに伴って、フィルタ３に対して一層斜めに入射する。よって、フィルタ３の中心から縁側にかけて波長透過特性が所定の関係で徐々に大きくなるように設定しておけば、中心でも縁でも入射光の実質の透過特性を一定になるようにすることができる。

このため、フィルタ３の中心透過波長λは、Ｘ軸方向への入射位置の変位に伴って変化する入射角θを変数とした関数、簡易的には１／ｃｏｓθに比例する関数、あるいはシミュレーションまたは実験等によって導出して得られた関数に基づいて算出することができる。

また、フィルタ３の透過波長帯域は、被測定物１５から反射するスリット光Ｌ１の主要波長成分を透過するとともに外乱光等の不要な光成分を遮断するという観点から、可能な限り狭い方がよい。具体的には、フィルタ３の透過波長帯域は、スリット光Ｌ１の主ピーク波長の半値幅の２〜４倍の範囲内にして、フィルタ３の光入射面における各位置の透過波長帯域が重なるように設定することが望ましい。

上述したような光透過特性を有するフィルタ３は、例えば、ガラス基板３ａの表面に付着させる誘電体金属膜３ｂの膜厚、積層数または材料等を調整あるいは選択することによって実現される。

なお、Ｙ軸方向の入射角θは被測定物１５の凹凸または距離によって変化するため、Ｙ軸方向についてのフィルタ３の透過波長帯域の帯域幅は、この入射角度変化による透過波長帯域特性の変動を吸収する程度に設定すればよい。この場合、フィルタ３の中心透過波長λは、Ｙ軸方向の変位に対して一定であってもよいし、Ｘ軸方向の場合と同様に光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向けて大きくしてもよいし、スリット光Ｌ１の主ピーク波長の半値幅の２〜４倍の範囲内に設定してもよい。

つぎに、フィルタ３の光透過作用について詳細に説明する。図４は、フィルタの光軸近傍にスリット光が入射する状態を示す模式図である。図５は、フィルタの縁部近傍にスリット光が入射する状態を示す模式図である。

図４に示すように、被測定物１５（図１参照）から反射したスリット光Ｌ１がフィルタ３の光軸Ｃ近傍に入射した場合、フィルタ３に対するスリット光Ｌ１の入射角θは、ほぼ零に近い値となる。この場合、誘電体金属膜３ｂの膜厚ｄと誘電体金属膜３ｂ内を通過するスリット光Ｌ１の経路長（ｄ×ｃｏｓθ）とは、ほぼ同等の長さになる。このため、スリット光Ｌ１は、フィルタ３の光軸Ｃ近傍に入射した後、膜厚ｄの誘電体金属膜３ｂ本来の干渉作用を受けて透過し、その後、ガラス基板３ａ内を通過する。

一方、図５に示すように、スリット光Ｌ１がフィルタ３の縁部近傍に入射した場合、入射角θは、上述した光軸Ｃ近傍への入射の場合に比して大きい値となる。誘電体金属膜３ｂ内におけるスリット光Ｌ１の経路長（ｄ×ｃｏｓθ）は、誘電体金属膜３ｂの膜厚ｄに比して無視できない程大きい値となる。このため、スリット光Ｌ１が通過する誘電体金属膜３ｂの膜厚が等価的に大きな値となる。

ここで、従来の干渉フィルタであれば、スリット光Ｌ１の入射角θの増大に伴って誘電体金属膜３ｂの経路長すなわち膜厚ｄが増大した場合、スリット光Ｌ１は、この干渉フィルタ本来の干渉条件から外れ、その結果、本来透過するべきスリット光Ｌ１が干渉フィルタを透過しなくなる。これは、干渉フィルタの中心透過波長λが、光の入射角θの増大に伴って短波長側にシフトするためである。

これに対し、上述したフィルタ３は、図３に示したように光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向かって中心透過波長λを大きくしている。このため、フィルタ３は、スリット光Ｌ１の入射角θが増大した場合であっても、スリット光Ｌ１の入射位置において常に、スリット光Ｌ１の主ピーク波長と同等の中心透過波長λを有する。また、フィルタ３の透過波長帯域は、スリット光Ｌ１の入射面において連続するように設定されている。この結果、フィルタ３は、被測定物１５の両端の範囲に亘って広範囲から反射してきたスリット光Ｌ１を感度よく透過できるとともに、外乱光等のスリット光Ｌ１以外の不要な光を遮断できる。

つぎに、本発明の実施の形態１にかかる形状測定装置１の実施例を示して、この実施の形態１による作用効果を具体的に説明する。図６は、本発明の実施の形態１にかかる光学フィルタを取り外した形状測定装置によるスリット光の検出結果の一例を示す図である。図７は、図６の状態に外乱光を追加した場合のスリット光の検出結果を示す図である。図８は、本発明の実施の形態１にかかる形状測定装置によるスリット光の検出結果の一例を示す図である。図９は、従来の形状測定装置によるスリット光の検出結果の一例を示す図である。図１０は、従来の形状測定装置によるスリット光の検出結果の別例を示す図である。

図１に示した形状測定装置１において、フィルタ３は、レンズ４の仮想の画角中心から１００ｍｍの位置に固定配置した。また、レンズ４の画角は、実測値６３度にした。一方、スリット光Ｌ１の主ピーク波長は５３２ｎｍであり、その半値幅は３ｎｍであった。

このスリット光Ｌ１に合わせて、フィルタ３の中心透過波長λは、光軸Ｃの位置において５３２ｎｍに設定した。また、この中心透過波長λは、フィルタ３の縁部、具体的には、光軸ＣからＸ軸方向に３０．１ｍｍ変位した位置に向けて、光軸Ｃの位置から連続的に大きくなるようにし、この縁部において６２５ｎｍに設定した。さらに、フィルタ３の透過波長帯域幅は、５ｎｍに設定した。

まずは、比較例として、この形状測定装置１からフィルタ３を取り外し、被測定物１５の一例として平面パネルを用いてスリット光Ｌ１の検出を行った。具体的には、この形状測定装置１の前方１０００ｍｍに平面パネルを配置し、この平面パネルにスリット光源２によってスリット光Ｌ１を照射して、この平面パネルから反射したスリット光Ｌ１をフィルタ３を介さずに撮像した。この結果、図６に示すように、平面パネルの両端に亘ってスリット光が検出された。

つぎに、上述した状態に、広帯域のハロゲンランプによる外乱光を平面パネルに更に照射しつつ、この平面パネルから反射したスリット光Ｌ１および外乱光をフィルタ３を介さずに撮像した。この結果、図７に示すように、スリット光Ｌ１に比して外乱光の影響度合いが酷く、そのため、外乱光の照射位置においてスリット光Ｌ１と外乱光とが区別できなくなっていた。

これに対し、形状測定装置１にフィルタ３を取り付け、スリット光Ｌ１および外乱光を照射した状態にして、同一の平面パネルを撮像した。この結果、図８に示すようなスリット光検出結果が得られた。すなわち、フィルタ３は、不要な光である外乱光を遮断しつつ、平面パネルから反射したスリット光Ｌ１を撮像視野の全域に亘って明瞭に透過できる。

このフィルタ３を備えることによって、形状測定装置１は、外乱光等の形状測定に不要な光を除外しつつ、画角の広い受光範囲から入射したスリット光Ｌ１を感度よく検出できる。このような形状測定装置１は、コークス炉の内壁面等の高温且つ広範囲な被測定物の形状を精度よく測定することができる。

なお、上述したフィルタ３に代えて、光軸Ｃの位置において同じ中心透過波長を有する従来の干渉フィルタを形状測定装置１に取り付けた場合、図９に示すようなスリット光Ｌ１の検出結果が得られた。この場合、従来の干渉フィルタによって外乱光を遮断することは可能だが、図９に示すように、平面パネルの中心部近傍から反射したスリット光Ｌ１を辛うじて検出できる程度である。一方、平面パネルの縁側近傍から反射したスリット光Ｌ１は、その検出強度が著しく低下し、その結果、図９に示すように検出できなかった。

一方、別の比較例として、上述したフィルタ３に代えて、Ｓ／Ｎ比を増大させるために透過波長帯域を５２８〜５７０ｎｍに広げた均一な透過特性の干渉フィルタを形状測定装置１に取り付けて、同様のスリット光検出実験を行った。この結果、図１０に示すように、スリット光Ｌ１を検出することはできたが、同時に外乱光を検出してしまい、形状測定精度は不十分であった。

以上、説明したように、本発明の実施の形態１では、被測定物１５から反射したスリット光Ｌ１の入射面に沿って、光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向かって中心透過波長λを連続的に大きくしている。このため、フィルタ３に対するスリット光Ｌ１の入射角θの増大に伴って、フィルタ３の透過波長帯域がスリット光Ｌ１に適した本来の波長帯域から低波長側にシフトした場合であっても、スリット光Ｌ１の入射位置において常に、フィルタ３の中心透過波長λがスリット光Ｌ１の主ピーク波長と同等になって、入射角θの増大に関係なくスリット光Ｌ１に適した透過波長帯域を確保できる。この結果、被測定物１５の両端の範囲に亘って広範囲から反射してきたスリット光Ｌ１を感度よく透過できるとともに、外乱光等のスリット光Ｌ１以外の不要な光を遮断でき、これによって、装置構造を大型化することなく、光切断法によって至近距離からコークス炉等の大型な被測定物の形状を精度よく測定することができる。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、光軸Ｃからフィルタ３の縁部に向けて連続的に中心透過波長λを大きくしていたが、この実施の形態２では、光軸Ｃからフィルタ縁部に向けて段階的に中心透過波長λを大きくしている。

図１１は、本発明の実施の形態２にかかる形状測定装置の一構成例を模式的に示すブロック図である。図１１に示すように、この形状測定装置２１は、上述した実施の形態１にかかる形状測定装置１のフィルタ３に代えてフィルタ２３を備える。その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。

フィルタ２３は、被測定物１５の形状測定に必要な光を選択的に透過する光学フィルタであり、上述した実施の形態１にかかるフィルタ３と同様に、レンズ４の前段に固定配置される。フィルタ２３は、実施の形態１にかかるフィルタ３に比して異なる光透過特性を有する。

つぎに、フィルタ２３の構成および光透過特性について詳細に説明する。図１２は、本発明の実施の形態２にかかる光学フィルタの一構成例を示す模式図である。図１３は、この実施の形態２にかかる光学フィルタの光透過特性を示す模式図である。

図１２に示すように、フィルタ２３は、蒸着等の製法によってガラス基板３ａの一表面に、光の干渉を発生させるための誘電体金属膜２３ｂ、２３ｃ−１、２３ｃ−２、２３ｄ−１、２３ｄ−２、２３ｅ−１、２３ｅ−２、２３ｆ−１、２３ｆ−２を形成して実現される。

ここで、このフィルタ２３に対して、図１１に示したレンズ４の光軸Ｃと原点で直交する２軸の直交座標系を設定し、この直交座標系のＸ軸およびY軸のうちのＸ軸をスリット光Ｌ１の長手方向に対して平行な軸とする。この場合、図１２に示すように、Ｙ軸上に誘電体金属膜２３ｂが位置する。また、この誘電体金属膜２３ｂを中心にして、Ｘ軸の正の方向に向かって誘電体金属膜２３ｃ−１、２３ｄ−１、２３ｅ−１、２３ｆ−１が各々形成され、Ｘ軸の負の方向に向かって誘電体金属膜２３ｃ−２、２３ｄ−２、２３ｅ−２、２３ｆ−２が各々形成される。

このようにガラス基板３ａ上に形成された誘電体金属膜２３ｂ、２３ｃ−１、２３ｃ−２、２３ｄ−１、２３ｄ−２、２３ｅ−１、２３ｅ−２、２３ｆ−１、２３ｆ−２は、各々Ｘ軸方向に対して垂直であり、図１３に示すように、光軸Ｃからフィルタ２３の縁側に向けて中心透過波長λが段階的に大きくなる誘電体金属膜群をなす。

詳細には、誘電体金属膜２３ｂは、ガラス基板３ａを分割した複数の領域のうち、光軸Ｃを中心軸とする中心領域Ｈ１に形成され、スリット光Ｌ１の主ピーク波長と同等の中心透過波長λ₁₀を有する。

また、誘電体金属膜２３ｃ−２、２３ｄ−２、２３ｅ−２、２３ｆ−２、２３ｃ−１、２３ｄ−１、２３ｅ−１、２３ｆ−１は、この中心領域Ｈ１を中心に対称的に分割される複数の部分領域Ｈ２〜Ｈ９に各々形成される。誘電体金属膜２３ｃ−２、２３ｃ−１は、誘電体金属膜２３ｂの中心透過波長λ₁₀に比して大きい中心透過波長λ₁₁を有し、誘電体金属膜２３ｄ−２、２３ｄ−１は、この中心透過波長λ₁₁に比して大きい中心透過波長λ₁₂を有する。また、誘電体金属膜２３ｅ−２、２３ｅ−１は、この中心透過波長λ₁₂に比して大きい中心透過波長λ₁₃を有し、誘電体金属膜２３ｆ−２、２３ｆ−１は、この中心透過波長λ₁₃に比して大きい中心透過波長λ₁₄を有する。

一方、誘電体金属膜２３ｂ、２３ｃ−１、２３ｃ−２、２３ｄ−１、２３ｄ−２、２３ｅ−１、２３ｅ−２、２３ｆ−１、２３ｆ−２の各透過波長帯域は、隣接する中心領域Ｈ１または部分領域Ｈ２〜Ｈ９間同士において重なるように設定される。この場合、中心領域Ｈ１および各部分領域Ｈ２〜Ｈ９の各帯域幅は、図１３に示すように、これら各領域の透過波長帯域内にスリット光Ｌ１の主ピーク波長が含まれるように設定される。なお、このスリット光Ｌ１の主ピーク波長は、図１３の破線に示されるように、物体側主点４ａを中心に弧状に変化する。

具体的には、誘電体金属膜２３ｂの透過波長帯域は、両隣の誘電体金属膜２３ｃ−１、２３ｃ−２の各透過波長帯域と重なる。また、誘電体金属膜２３ｃ−１の透過波長帯域は、隣接する誘電体金属膜２３ｄ−１の透過波長帯域と重なり、誘電体金属膜２３ｄ−１の透過波長帯域は、隣接する誘電体金属膜２３ｅ−１の透過波長帯域と重なり、誘電体金属膜２３ｅ−１の透過波長帯域は、隣接する誘電体金属膜２３ｆ−１の透過波長帯域と重なる。同様に、誘電体金属膜２３ｃ−２の透過波長帯域は、隣接する誘電体金属膜２３ｄ−２の透過波長帯域と重なり、誘電体金属膜２３ｄ−２の透過波長帯域は、隣接する誘電体金属膜２３ｅ−２の透過波長帯域と重なり、誘電体金属膜２３ｅ−２の透過波長帯域は、隣接する誘電体金属膜２３ｆ−２の透過波長帯域と重なる。

また、上述した誘電体金属膜２３ｂ、２３ｃ−１、２３ｃ−２、２３ｄ−１、２３ｄ−２、２３ｅ−１、２３ｅ−２、２３ｆ−１、２３ｆ−２の各透過波長帯域の帯域幅は、互いに同一の帯域幅に設定される。

なお、上述した各領域の中心透過波長λ₁₀〜λ₁₄は、Ｘ軸方向への入射位置の変位に伴って変化するスリット光Ｌ１の入射角θを変数とした関数をシミュレーションまたは実験等によって導出し、得られた関数に基づいて算出することができる。

上述したような光透過特性を有するフィルタ２３は、例えば、誘電体金属膜２３ｂ、２３ｃ−１、２３ｃ−２、２３ｄ−１、２３ｄ−２、２３ｅ−１、２３ｅ−２、２３ｆ−１、２３ｆ−２の膜厚、積層数または材料等を各々調整あるいは選択することによって実現される。

なお、図１２に示したＹ軸方向の変位に対して、フィルタ２３の中心透過波長λ₁₀〜λ₁₄は、一定であってもよいし、Ｘ軸方向の場合と同様に光軸Ｃからフィルタ３の縁側に向けて大きくしてもよい。また、Ｙ軸方向の入射角θは被測定物１５の凹凸または距離によって変化するため、Ｙ軸方向についてのフィルタ２３の透過波長帯域の帯域幅は、この入射角度変化による透過波長帯域特性の変動を吸収する程度に設定すればよい。

上述したような光透過特性を有するフィルタ２３は、実施の形態１にかかるフィルタ３と同様の光透過作用を奏する。このため、フィルタ２３は、被測定物１５の両端の範囲に亘って広範囲から反射してきたスリット光Ｌ１を感度よく透過できるとともに、外乱光等のスリット光Ｌ１以外の不要な光を遮断できる。

以上、説明したように、本発明の実施の形態２では、被測定物１５から反射したスリット光Ｌ１の長手方向に沿ってフィルタ２３を複数の領域に分割し、隣接する領域同士の透過波長帯域が重なるようにしつつ、これら複数の領域の各中心透過波長を光軸Ｃからフィルタ２３の縁側に向かって段階的に大きくしている。このため、光軸Ｃからフィルタ２３の縁側に向かって近似的に中心透過波長を連続的に大きくできることから、上述した実施の形態１の場合と同様の作用効果を享受するとともに、光軸Ｃからフィルタ縁側に向かって中心透過波長を大きくしたフィルタを容易に実現できる。

なお、上述した実施の形態１、２では、スリット光Ｌ１の長手方向に対して平行な方向にフィルタ３、２３の中心透過波長を変化させていたが、これに限らず、スリット光Ｌ１の入射面においてスリット光Ｌ１の主ピーク波長を含み、且つ入射角θの増大に伴って中心透過波長が大きくなれば、スリット光Ｌ１の長手方向に対して斜めの方向にフィルタ３、２３の中心透過波長を変化させてもよい。

また、上述した実施の形態１、２では、ガラス基板の表面に誘電体金属膜を形成したフィルタを用いていたが、これに限らず、ガラス基板に代えて樹脂基板等のスリット光Ｌ１に対して透明な透光性部材の表面に誘電体金属膜を形成したフィルタであってもよい。

さらに、上述した実施の形態１、２では、ガラス基板の表面に誘電体金属膜を形成したフィルタを用いていたが、これに限らず、誘電体金属膜に代えて誘電体膜をガラス基板等の透光性部材の表面に形成したフィルタであってもよい。

また、上述した実施の形態１、２では、レンズ４の物体側主点４ａを中心にフィルタ３、２３の中心透過波長を変化させていたが、これに限らず、レンズ４の収束点、例えば像側主点を中心にフィルタ３、２３の中心透過波長を変化させてもよい。

さらに、上述した実施の形態１、２では、スリット光源２として、半導体レーザ素子およびレンズを一体化したスリットレーザ光源を用いていたが、これに限らず、図１４に示すように、所定の光源からの光をスリット板を介して照射するスリット光源であってもよいし、点光源から発するスポット光を振動ミラー等の光学部材によって高速に扇状または平行に走査させるスキャン光の光源であってもよい。

また、上述した実施の形態１、２では、入力部６を用いて操作する形状測定装置を例示したが、これに限らず、上述した入力部６および制御部７を設けずに、スリット光源２および撮像部５に各々オンオフのスイッチを設けて、各スイッチを操作するようにしてもよい。

さらに、上述した実施の形態２では、中心領域Ｈ１とこれを挟む８つの部分領域Ｈ２〜Ｈ９に分割した誘電体金属膜を有するフィルタを例示したが、中心領域Ｈ１の両側に設けられる部分領域の数は８つに限らず、２つ以上であればよい。

また、上述した実施の形態２では、フィルタ２３の中心領域Ｈ１および部分領域Ｈ２〜Ｈ９の各透過波長帯域の各帯域幅を同一にしていたが、これに限らず、中心領域Ｈ１の透過波長帯域を急峻とし、部分領域Ｈ２〜Ｈ９の透過波長帯域の帯域幅を中心領域Ｈ１に比して幅広にしてもよい。この場合、部分領域Ｈ２〜Ｈ９の帯域幅は、スリット光Ｌ１の主ピーク波長の半値幅の２〜４倍に設定してもよい。

１、２１ 形状測定装置
２ スリット光源
３、２３ フィルタ
３ａ ガラス基板
３ｂ、２３ｂ、２３ｃ−１〜２３ｆ−１、２３ｃ−２〜２３ｆ−２ 誘電体金属膜
４ レンズ
４ａ 物体側主点
５ 撮像部
５ａ 撮像素子
６ 入力部
７ 制御部
８ 画像処理部
９ 表示部
１０ 筐体
１０ａ、１０ｂ 開口部
１１、１２ 透光部
１５ 被測定物
１５ａ 測定表面
１００ 被測定物
１０１ スリット光源
１０２ 撮像装置
１０３ 表示装置
Ｃ 光軸
Ｈ１ 中心領域
Ｈ２〜Ｈ９ 部分領域
Ｌ１ スリット光

Claims (20)

1. 被測定物にスリット光を照射し、前記被測定物から反射した前記スリット光の反射光をレンズを介して撮像するとともに前記反射光以外を遮光して、前記被測定物の形状を測定する形状測定装置において、
   前記レンズの光軸近傍の透過波長帯域が前記反射光の波長を含み、前記反射光の入射面に沿って前記光軸から縁側に向けて中心透過波長が大きくなる光学フィルタを備えたことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記中心透過波長は、前記光軸から前記光学フィルタの縁側に向けて連続的に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記中心透過波長は、対象スリット光の長く伸びる方向の受光角に対応して変化することを特徴とする請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記光学フィルタの透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅の２〜４倍であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の形状測定装置。
5. 前記中心透過波長は、前記光軸から前記光学フィルタの縁側に向けて段階的に大きくなることを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
6. 前記光学フィルタは、前記光軸が通過する中心領域と、該中心領域を中心に対称的に分割される複数の部分領域とを含み、
   前記中心透過波長は、前記中心領域において前記スリット光の主ピーク波長と同等であり、前記光学フィルタの縁側に向けて前記部分領域毎に大きくなることを特徴とする請求項５に記載の形状測定装置。
7. 前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域は、隣接する前記中心領域または前記部分領域間において重なることを特徴とする請求項６に記載の形状測定装置。
8. 前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域の帯域幅は、同一であることを特徴とする請求項６または７に記載の形状測定装置。
9. 前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記中心領域の透過波長帯域の帯域幅に比して広いことを特徴とする請求項６または７に記載の形状測定装置。
10. 前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅を２〜４倍した帯域幅であることを特徴とする請求項９に記載の形状測定装置。
11. 被測定物に照射したスリット光の反射光を集光するレンズを有し、光切断法によって前記被測定物の形状を測定する形状測定装置の光学フィルタにおいて、
    前記レンズの光軸近傍の透過波長帯域が前記反射光の波長を含み、前記反射光の入射面に沿って前記光軸から縁側に向けて中心透過波長が大きくなる透光性膜を備えたことを特徴とする光学フィルタ。
12. 前記中心透過波長は、前記光軸から前記透光性膜の縁側に向けて連続的に大きくなることを特徴とする請求項１１に記載の光学フィルタ。
13. 前記中心透過波長は、対象スリット光の長く伸びる方向の受光角に対応して変化することを特徴とする請求項１２に記載の光学フィルタ。
14. 透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅の２〜４倍であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一つに記載の光学フィルタ。
15. 前記中心透過波長は、前記光軸から前記透光性膜の縁側に向けて段階的に大きくなることを特徴とする請求項１１に記載の光学フィルタ。
16. 前記透光性膜は、前記光軸が通過する中心領域と、該中心領域を中心に対称的に分割される複数の部分領域とを含み、
    前記中心透過波長は、前記中心領域において前記スリット光の主ピーク波長と同等であり、前記透光性膜の縁側に向けて前記部分領域毎に大きくなることを特徴とする請求項１５に記載の光学フィルタ。
17. 前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域は、隣接する前記中心領域または前記部分領域間において重なることを特徴とする請求項１６に記載の光学フィルタ。
18. 前記中心領域および前記部分領域の各透過波長帯域の帯域幅は、同一であることを特徴とする請求項１６または１７に記載の光学フィルタ。
19. 前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記中心領域の透過波長帯域の帯域幅に比して広いことを特徴とする請求項１６または１７に記載の光学フィルタ。
20. 前記部分領域の透過波長帯域の帯域幅は、前記スリット光の半値幅を２〜４倍した帯域幅であることを特徴とする請求項１９に記載の光学フィルタ。