JPH04268404A - 変位測定装置及び形状測定装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、変位測定装置にかかり
、特に、光ビームを被測定面に送光し被測定面からの反
射光を受光することにより被測定面までの距離を測定す
る変位測定装置および被測定面の形状を測定する形状測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、非接触にて被測定面の凸凹部
等の変位を測定する三角測量法等を用いた変位測定装置
が知られている（特公昭５０−３６３７４号公報、特願
昭５６−１３８２０４号公報、特願昭５７−２２５０８
号公報、特願昭５８−５２５０８号公報等）。

【０００３】かかる変位測定装置は、図６に示すように
、光源５０、コリメートレンズ５２および送光レンズ５
４を備えた送光光学系、受光レンズ５６および位置検出
センサ５８を備えた受光光学系を備えている。この変位
測定装置によれば、光源５０の光がコリメートレンズ５
２により集光されて射出される。コリメートレンズ５２
から射出された光ビームは送光レンズ５４に照射されて
、送光レンズ５４の射出光が被測定面６０へ照射される
。そして、この被測定面６０からの反射光は受光レンズ
５６により集光されて、位置検出センサ５８へ照射され
る。これにより、この位置検出センサ５８上には、被測
定面６０に照射された光点の像が照射される。この位置
検出センサ５８は像点の位置に応じた電気信号を出力す
る。一方、上記受光光学系の光軸は送光光学系の光軸と
所定の角度θをもって取り付けられている。このため、
被測定面６０が送光光学系の光軸方向に変位したときに
は、被測定面６０上の光点の位置が、図６に示すように
点Ｐ１　から点Ｐ２　または点Ｐ３　へ変化することに
なり、位置検出センサ５８上での像点位置は、図６に示
すように点Ｑ１　から点Ｑ２　または点Ｑ３　へ移動す
る。このように、被測定面上の光点の位置は、受光光学
系の光軸と交差する方向に変化すると、位置検出センサ
５８上の像点の位置は受光光学系の光軸と直交する方向
に変化する。

【０００４】したがって、被測定面の基準位置からの変
位に応じて位置検出センサ５８上に像点の変位となって
表れるので、位置検出センサ５８上の像点位置に応じて
出力される信号と予め設定された基準の光点位置の出力
信号とにより偏差量等を求めて、被測定面の変位を求め
ている。

【０００５】なお、上記の光ビームを１次元方向に連続
的なスリット状の光で被測定面へ照射することにより、
光切断の方法による表面形状等を測定することも行われ
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
三角測量法による変位測定装置では、図６に示したよう
に送光レンズと受光レンズを用いて送光系と受光系とが
離れて配置されているために、観察角θは大きくなり、
凹部の測定時には、被測定面自体の周囲の壁面により受
光系の光路が遮断され測定できないことがある。この測
定可能深さＨは、数１に示すように

【０００７】

【数１】

【０００８】但し、Ｈ　　：測定可能深さＬ　　：測定
時に必要な凹部の最大半径または長さθａ　：送光系と
受光レンズ最外周との成す角度のうち最小の角度 となる。

【０００９】ここで、より深い凹部における測定を行う
ためには、送光系および受光系の各々のレンズを小径に
する等、送光系および受光系の位置関係を変更し、送光
系の光軸と受光系の光軸との成す観察角θが小さな角度
になるようにしなければならない。

【００１０】一方、得られる変位信号のレベルはレンズ
の口径に対する依存度が高く、所定値以上のレンズの口
径にする必要がある。すなわち、送光系および受光系の
レンズ口径を小さくすると、センサ上に照射された像点
の光量が小さくなるため、得られる変位信号のＳ／Ｎ、
分解能および安定性等は悪化してしまう。このように、
上記の変位信号を適正な状態に維持するため、レンズの
口径が決定され、また、レンズを保持するホルダ等の保
持金具等の大きさが決められる。このため、送光系の有
効径および受光系の有効径の大きさは制限され、送光系
の光軸と受光系の光軸との成す観察角θは、小さくする
ことができず、凹部の深さにより、受光できない領域が
発生してしまう、という問題点がある。

【００１１】本発明は、上記問題を解決すべく成された
もので、送光軸と受光軸との成す観察角を小さくし、測
定可能領域を増加させて、被測定面までの距離を測定す
る変位測定装置及び被測定面の形状を測定する形状測定
装置の提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１の発明は、変位測定装置において、光ビーム
を照射する光源と、前記光源から照射された光ビームを
被測定面へ送光して照明すると共に被測定面の照明部の
像を結像する単一の集光レンズと、前記集光レンズの結
像側に配設されると共に照射された光ビームの位置に応
じた信号を出力する位置検出手段とを備えている。

【００１３】請求項２の発明は、形状測定装置において
、光ビームを照射する光源と、前記光源から照射された
光ビームを被測定面へ送光して照明すると共に被測定面
の照明部の像を結像する単一の集光レンズと、入射され
た光ビームを一方向にのみ発散して光ビームを被測定面
へスリット状の光として照射する発散手段と、前記集光
レンズの結像側に配設されると共に照射された光ビーム
の位置に応じた信号を出力する位置検出手段とを備えて
いる。

【００１４】

【作用】請求項１の発明は、光ビームを被測定面へ送光
して照明することと被測定面からの照明部の像を結像す
ることとを単一の集光レンズにより行っている。また、
前記集光レンズの結像側には位置検出手段が配設されて
いる。この位置検出手段は、照射された光ビームの位置
に応じた信号を出力する。

【００１５】請求項２の発明は、光ビームを被測定面へ
送光して照明することと被測定面からの照明部の像を結
像することとを単一の集光レンズにより行っている。発
散手段は、入射された光ビームを一方向にのみ発散して
光ビームを被測定面へスリット状の光として照射する。 また、前記集光レンズの結像側には位置検出手段が配設
されている。この位置検出手段は、照射された光ビーム
の位置に応じた信号を出力する。

【００１６】このように、被測定面への送光および被測
定面の照明部の結像を単一の集光レンズにより行ってい
るので、送光系と受光系との成す観察角を小さくするこ
とができる。このため、測定可能領域を増加させて、被
測定面の変位、被測定面の形状を測定することができる
。

【００１７】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１８】第１実施例は、本発明を変位測定装置１０
を示すものである。図１に示すように、半導体レーザで
構成された光源２０は図示しない変位測定装置１０の筐
体に取り付けられており、光源２０から射出された光ビ
ームはコリメートレンズ２２により集光される。コリメ
ートレンズ２２の射出側には送受光レンズ２４が配設さ
れており、コリメートレンズ２２から射出される小径の
光ビームが、送受光レンズ２４の周辺部へ照射される。 送受光レンズ２４の射出側には被測定面３４が設置され
ており、送受光レンズ２４から射出される光ビームは、
被測定面３４へ照射され被測定面３４上に光点Ａを形成
する。

【００１９】被測定面３４上に照射された小径の光点は
、送受光レンズ２４により集光される。この送受光レン
ズ２４の結像側には、１次元リニヤセンサ２８が配設さ
れている。この１次元リニヤセンサ２８は、送受光レン
ズ２４から予め定められた所定の間隔を隔てた位置に配
置されかつ受光面が、送受光レンズ２４の光軸と垂直に
なるように、変位測定装置１０の筐体に取り付けられて
おり、像点の位置に応じた電気信号を出力する。また、
１次元リニヤセンサ２８は演算回路３２に接続されてい
る。

【００２０】以下、第１実施例の作用について説明する
。コリメートレンズ２２により集光された光ビームは、
送受光レンズ２４の中心軸Ｌ１からｈの間隔を隔てた部
位に入射される。送受光レンズ２４から射出された光ビ
ームは、前記中心軸Ｌ１とαの角度を成して被測定面３
４に照射され、被測定面３４に光点Ａが形成される。こ
の光点Ａは、送受光レンズ２４により集光されて、１次
元リニヤセンサ２８上には像点が形成される。 この像点の中心部は前記中心軸Ｌ１とＳｘの間隔を隔て
た位置に成る。

【００２１】ここで、本実施例の１次元リニヤセンサ２
８が送受光レンズ２４の結像位置に設置された場合の結
像関係について、図５を参照して説明する。射出角度α
および入射高さｈと光ビームが輝く位置との関係は、数
２に示すように、

【００２２】

【数２】

【００２３】但し、ｈ　　：送受光レンズ２４の中心軸
からの光ビームの入射高さ Ｘ　　：送受光レンズ２４の中心軸からの被測定面の光
点位置までのＸ軸方向の距離 α　　：送受光レンズ２４の中心軸と送受光レンズ２４
から被測定面へ射出される光ビーム光軸との成す角度と
表せる。また、結像倍率（横倍率）ｍは、ニュートンの
公式を用ると数３に示すように、

【００２４】

【数３】

【００２５】但し、ｍ　　：結像倍率（横倍率）ｆ　　
：送受光レンズ２４の焦点距離 Ｓｘ　：被測定面の光点のＸ軸方向の像高Ｚ　　：送受
光レンズ２４から被測定面の光点位置までの距離 ｂ　　：送受光レンズ２４から被測定面の像点位置まで
の距離 となる。

【００２６】このため、結像位置に１次元リニヤセンサ
２８が配設され、得られる電気信号によりＳｘ　の距離
が検出されると、上記数２および数３により、以下の数
４に示すように被測定面までの距離Ｚが、求められる。

【００２７】

【数４】

【００２８】同様に、上記数２および数３を用いること
により送受光レンズ２４の中心軸からの被測定面の光点
位置までのＸ軸方向の距離Ｘが求められる。

【００２９】上記の距離Ｘおよび距離Ｚは、被測定面の
光点が結像される結像位置に１次元リニヤセンサ２８を
配設した場合について説明したが、ここで、１次元リニ
ヤセンサ２８が配設された検出面Ｋを固定して被測定面
の光点が光軸方向に変位した場合について説明する。

【００３０】被測定面の光点位置が、図８に示すように
、結像点が検出面Ｋ上にある光点位置Ａ１　より光軸方
向へ送受光レンズ２４から離れた光点位置Ａ２　、Ａ３
　へ変位した場合には、光点位置Ａ２　、Ａ３　の像は
検出面Ｋから離れた位置Ｋ２　、Ｋ３　に結像される。 このとき、結像点Ｋ１　、Ｋ２　、Ｋ３　は、測定範囲
が余り大きくなければ、ほぼ直線上に位置する。

【００３１】したがって、１次元リニアセンサにあおり
をつけることにより光点位置が変化して結像位置が変化
した場合でも、常にセンサ上に結像させることができる
。したがって、測定位置が変化しても、数４によりＳＸ
　はセンサ上の位置より求めることができるために、距
離を計算できる。

【００３２】

【数５】

【００３３】

【数６】

【００３４】これにより、本実施例の変位測定装置１０
では、数５および数６を用いて、１次元リニヤセンサ２
８の出力より、基準位置からの変位量から被測定面まで
の距離Ｚが算出される。

【００３５】以上説明したように、１つのレンズ系にて
送受光が共に行われるので、送受光系の相互干渉等の影
響を受けることなく、送光軸または受光軸の成す観察角
αを小さくすることができる。このため、凹部の深さ測
定等の場合には、被測定面までの入射角度を小さな角度
にできるため、被測定面自身による光軸の遮断領域部分
を少なくなることにより、測定可能領域が増加して、被
測定面までのより深い距離を測定することができる。

【００３６】上記第１実施例は、被測定面までの距離を
測定するものであるが、以下に述べる第２実施例は本発
明を断面形状測定装置１２に適用したものである。この
第２実施例では、第１実施例の光点を被測定面に照射し
たのに対して、ロッドレンズ２６により、光ビームをス
リット状に形成して被測定面へ照射したものである。ま
た、第２実施例は、第１実施例と略同様の構成であるの
で、同一部分には略号を付して詳細な説明は省略する。

【００３７】図２に示すように、半導体レーザで構成さ
れた光源２０は図示しない断面形状測定装置１２の筐体
に取り付けられており、光源２０から射出される光ビー
ムはコリメートレンズ２２により集光される。コリメー
トレンズ２２の射出側には送受光レンズ２４が配設され
ており、コリメートレンズ２２から射出された小径の光
ビームは、送受光レンズ２４に照射される。送受光レン
ズ２４の射出側には円柱形状のロッドレンズ２６が配設
されており、入射される光ビームをスリット状に発散し
て射出する。また、このロッドレンズ２６は、発散方向
がＸ軸およびＺ軸方向と直交するＹ軸方向になるように
取り付けられている。ロッドレンズ２６の射出側には被
測定面３４が設置されており、ロッドレンズ２６から射
出されるスリット状の光ビームは、被測定面３４へ照射
される。すなわち、図３に示されるように、光ビームは
ロッドレンズ２６から被測定面３４に向かって扇型に照
射される。

【００３８】したがって、被測定面３４にはスリット状
に発散されたスリット光線が照射され、Ｙ軸方向にスリ
ット状に発散された光線と被測定面３４との交点が輝く
、すなわち、被測定面３４の形状に応じた形状に照明さ
れる。送受光レンズ２４の結像側には、２次元ＣＣＤセ
ンサ３０が配設されている。被測定面３４に照射された
スリット状に発散されたスリット光線は、送受光レンズ
２４により集光され、２次元ＣＣＤセンサ３０に照射さ
れる。この２次元ＣＣＤセンサ３０は、送受光レンズ２
４から予め定められた所定の間隔を隔てた位置に配設さ
れかつ、測定軸のＸ軸方向が、被測定面３４上に照射さ
れる光点方向と平行になりかつ測定軸のＹ軸方向が、ロ
ッドレンズ２６により光ビームをスリット状に発散させ
て射出するＹ軸方向と平行になるように、断面形状測定
装置１２の筐体に取り付けられている。また、この２次
元ＣＣＤセンサ３０は、２次元にＣＣＤ素子が配列され
ており、２次元ＣＣＤセンサ３０上に照射された光ビー
ムの位置および形状に応じた電気信号を出力する。なお
、２次元ＣＣＤセンサ３０は演算回路３２に接続されて
いる。

【００３９】例えば、送受光レンズ２４の中心軸Ｌ２と
Ｘ軸方向にｘ、Ｙ軸方向にｙの間隔を隔てた位置Ｂ点で
輝く光は、送受光レンズ２４により集光され、２次元Ｃ
ＣＤセンサ３０に照射される。２次元ＣＣＤセンサ３０
上に照射される光ビームは、図４に示すように、例えば
、前記中心軸Ｌ２とＸ軸方向にＳｘ　、Ｙ軸方向にＳｙ
　の間隔を隔てた位置に照射される。そこで、２次元Ｃ
ＣＤセンサ３０では、２次元の光ビームの位置に応じた
電気信号に変換され、演算回路３２に入力される。この
２次元ＣＣＤセンサ３０よりの電気信号に応じて被測定
面の形状が測定される。

【００４０】以下、第２実施例の作用について説明する
。コリメートレンズ２２により集光された光ビームは、
前記中心軸Ｌ２からｈの間隔を隔てた部位に入射される
。送受光レンズ２４から射出された光ビームは、前記中
心軸Ｌ１とαの角度を成しており、ロッドレンズ２６を
介してスリット状に発散されて被測定面３４方向に照射
され、被測定面３４にスリット状の光線が形成される。 この光線は送受光レンズ２４により集光されて、２次元
ＣＣＤセンサ３０上に照射される。例えば、被測定面上
のＢ点は、図４に示すように２次元ＣＣＤセンサ３０上
では、前記中心軸Ｌ２からＸ軸方向にＳｘ　の間隔を隔
てると共にＹ軸方向にＳｙ　の間隔を隔てた位置に成る
。

【００４１】第２実施例では、第１実施例において図５
を参照して説明した結像関係より、位置検出素子として
２次元ＣＣＤセンサ３０を用いているので、２次元の出
力が可能である。したがって、上記第１実施例と同様に
、数２および数３を用いて距離Ｙを求めることができる
。

【００４２】従って、被測定面の結像位置が２次元ＣＣ
Ｄセンサ３０から外れた場合の補正量を考慮にいれ、以
下の数７が得られる。なお、送受光レンズ２４の中心軸
からの被測定面の光点位置までのＸ軸方向の距離Ｘ、送
受光レンズ２４から被測定面の光点位置までの距離Ｚは
、第１実施例と同様に上記の数５および数６を用いる。

【００４３】

【数７】

【００４４】但し、Ｓｙ　：被測定面の光点のＸ軸方向
の像高これにより、第２実施例の断面形状測定装置１２
では、２次元ＣＣＤセンサ３０の出力Ｓｘから、数５を
用いて、演算回路３２により被測定面３４までの距離Ｚ
が算出される。また、２次元ＣＣＤセンサ３０の出力Ｓ
ｙから、数６および数７を用いて、演算回路３２により
被測定面３４の、前記中心軸Ｌ２からの距離が合わせて
算出され、被測定面３４の測定点Ｂの位置および距離（
Ｘ、Ｙ、Ｚの値）が求められる。このため、２次元ＣＣ
Ｄセンサ３０の検出面全てに渡り、対応する被測定面３
４の測定点の位置および距離を求めることにより被測定
面３４の段差等の形状を求めることができる。

【００４５】以上のように、第２実施例では、１つのレ
ンズ系にて送受光が共に行われ、送受光系の相互干渉の
影響を受けることなく、被測定面までの入射角度を小さ
な角度にでき、凹部の深さ測定等の形状測定を行うこと
ができるので、測定可能領域が大きくとれ、被測定面ま
でのより深い距離や段差等の存在する形状を測定するこ
とができる。

【００４６】なお、第２実施例ではロッドレンズを利用
してスリット状の光を得る例について説明したが、スリ
ット状の光を得る素子としてシリンドリカルレンズ、シ
リンドリカルミラー等を用いることもでき、回転多面鏡
等の光ビームをスキャンすることによりスリット状の光
を得ることもできる。

【００４７】また、第２実施例ではロッドレンズを送受
光レンズの射出側に配置した場合について説明したが、
送受光レンズの入射側に用いてもよく、また、光源側に
スリット等を設けてスリット像を被測定面に照射するよ
うにしてもよい。

【００４８】なお、第２実施例では位置検出器として２
次元ＣＣＤセンサを用いた場合について説明したが、位
置検出器として２次元ＣＣＤセンサに限定されるもので
はなく、撮像管を用いたテレビジョンシステムによる位
置検出方法を用いてセンサ上で２次元の位置を出力する
ことのできる素子を利用してもよい。

【００４９】なお、上記第１実施例および第２実施例で
は送光光学系および受光光学系が固定されかつ位置検出
器も固定されて測定を行う場合について説明したが、送
光光学系および受光光学系の少なくとも１つの光学系の
測定字句との角度を変更することにより、観察角度を変
更するようにしてもよく、また、位置検出器を移動させ
てもよい。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、段
差等の存在する測定面の測定であっても、送光系と受光
系との成す観察角を小さくすることにより、測定可能領
域を大きくとることができ、測定面自身による送光系ま
たは受光系の光遮断領域を少なくできる、という優れた
効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例にかかる変位測定装置の光
学系の周辺を示す概略図である。

【図２】本発明の第２実施例にかかる形状測定装置の光
学系の周辺の正面を示す概略図である。

【図３】本発明の第２実施例にかかる形状測定装置の光
学系の周辺の側面を示す概略図である。

【図４】形状測定装置の位置検出器（受光面）上におけ
る光ビームの照射状態を示す線図である。

【図５】結像光学系における被測定面と位置検出器との
関係を示す線図である。

【図６】従来の三角測量法による距離測定装置の光学系
の周辺を示す概略図である。

【図７】結像光学系において被測定面が光軸方向に変位
した場合の検出面に照射される光ビームのスポット径を
示す線図である。

【図８】被測定面と検出面および結像面との関係を示す
線図である。

【符号の説明】

１０　　　　変位測定装置 １２　　　　断面形状測定装置 ２０　　　　光源 ２２　　　　コリメートレンズ ２４　　　　送受光レンズ ２６　　　　ロッドレンズ ２８　　　　１次元リニヤセンサ ３０　　　　２次元ＣＣＤセンサ ３２　　　　演算回路 ３４　　　　被測定面

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　光ビームを照射する光源と、前記光源
   から照射された光ビームを被測定面へ送光して照明する
   と共に被測定面の照明部の像を結像する単一の集光レン
   ズと、前記集光レンズの結像側に配設されると共に照射
   された光ビームの位置に応じた信号を出力する位置検出
   手段と、を備えた変位測定装置。
2. 【請求項２】　　光ビームを照射する光源と、前記光源
   から照射された光ビームを被測定面へ送光して照明する
   と共に被測定面の照明部の像を結像する単一の集光レン
   ズと、入射された光ビームを一方向にのみ発散して光ビ
   ームを被測定面へスリット状の光として照射する発散手
   段と、前記集光レンズの結像側に配設されると共に照射
   された光ビームの位置に応じた信号を出力する位置検出
   手段と、を備えた形状測定装置。