(57)【要約】【課題】測定対象物の寸法を正確に測定することが可能な光学式測定装置を提供する。【解決手段】レーザビームを出力する発光部１０と、発光部１０から出力されたレーザビームによりワークＷが配置される測定領域を走査する走査部２０と、走査部２０から照射されるレーザビームのうち、レーザビームの出射方向及びワークＷの軸方向に直交する方向のレーザビームのみを通過させる直線偏光板１と、測定領域及び直線偏光板１を通過したレーザビームを受光する受光部３０と、受光部３０で得られた走査方向の明暗パターンからワークＷの寸法を算出するＣＰＵ４９と、を備える。【選択図】図２
2014228299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを出力する発光手段と、
前記発光手段から出力されたレーザビームにより測定対象物が配置される測定領域を走査する走査手段と、
前記走査手段から照射されるレーザビームのうち、前記レーザビームの出射方向及び前記測定対象物の軸方向に直交する方向のレーザビームのみを通過させる偏光板と、
前記測定領域及び前記偏光板を通過したレーザビームを受光する受光手段と、
前記受光手段で得られた走査方向の明暗パターンから測定対象物の寸法を算出する寸法算出手段と、
を備えることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記偏光板は、前記走査手段と前記測定対象物との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記偏光板は、前記測定対象物と前記受光手段との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記偏光板は、着脱可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザビームを平行に走査して測定対象物（ワーク）に照射し、当該ワークの後方にて検出した走査方向の明暗パターン（スキャン信号）からワークの寸法を測定する走査型の光学式測定装置が知られている。
上記の光学式測定装置として、例えば、走査方向に直交する方向のずれを補正することが可能な装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、有効測定範囲を認識可能であり且つ高精度な測定を実現できる装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２４９６０４号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０６８１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１，２記載の技術では、ワークで反射した外乱光（スキップ光）の影響を排除することができない。特に、ワークＷの表面がピンゲージのように鏡面に近い場合、図８に示すように、本来ワークＷによって遮断されるはずのレーザビームＬ１０１の一部がワークＷの表面で反射してスキップ光Ｌ１０２となり、受光素子１３２に入射することがある。スキップ光Ｌ１０２が受光素子１３２に入射した場合、入射しない場合と比べて、ワークＷがレーザビームＬ１０１を遮断する時間が短くなる。従来の光学式測定装置は、レーザビームＬ１０１の遮断時間に基づいて寸法を測定するものであるため、遮断時間が短くなると、その分だけワークＷの実際の寸法よりも小さく測定されてしまうという問題がある。
【０００５】
本発明は、測定対象物の寸法を正確に測定することが可能な光学式測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
光学式測定装置において、
レーザビームを出力する発光手段と、
前記発光手段から出力されたレーザビームにより測定対象物が配置される測定領域を走査する走査手段と、
前記走査手段から照射されるレーザビームのうち、前記レーザビームの出射方向及び前記測定対象物の軸方向に直交する方向のレーザビームのみを通過させる偏光板と、
前記測定領域及び前記偏光板を通過したレーザビームを受光する受光手段と、
前記受光手段で得られた走査方向の明暗パターンから測定対象物の寸法を算出する寸法算出手段と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光学式測定装置において、
前記偏光板は、前記走査手段と前記測定対象物との間に配置されることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の光学式測定装置において、
前記偏光板は、前記測定対象物と前記受光手段との間に配置されることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学式測定装置において、
前記偏光板は、着脱可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、偏光板により受光素子に入射するスキップ光の受光量を軽減することができるので、測定対象物の寸法を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態に係る光学式測定装置の全体構成を示す斜視図である。
【図２】本実施形態に係る光学式測定装置の制御構成を示すブロック図である。
【図３】光の反射時における光の偏光状態の変化を示す模式図である。
【図４】本実施形態に係る光学式測定装置の光の偏光状態の変化を示す模式図である。
【図５】図４の光の偏光状態の変化を示す断面図である。
【図６】変形例１に係る光学式測定装置の光の偏光状態の変化を示す模式図である。
【図７】図６の光の偏光状態の変化を示す断面図である。
【図８】従来技術に係る光学式測定装置のスキップ光の発生を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、光の出射方向（走査方向）をＺ方向とし、ワークの軸方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に直交する方向をＹ方向とする。
【００１４】
本実施形態に係る光学式測定装置１００は、レーザビームを一次元走査してワークの寸法を測定するレーザ・スキャン・マイクロメータ（ＬＳＭ）であり、例えば、電子部品や機械部品の寸法測定、金属丸棒や光ファイバーの外径測定などに利用される。
【００１５】
光学式測定装置１００は、図１及び図２に示すように、レーザビームを出力する発光部１０と、円筒形状のワークＷが配置された測定領域に対し走査ビームを照射する走査部２０と、走査部２０から照射される走査ビームのうち、レーザビームの出射方向及びワークＷの軸方向に直交する方向の走査ビームのみを通過させる直線偏光板１と、測定領域及び直線偏光板１を通過した走査ビームを受光してこれに対応した受光信号を送出する受光部３０と、この受光信号に基づいてワークＷの寸法の測定を行う演算部４０と、を備えて構成されている。
【００１６】
発光部１０は、レーザ光源１１と、レーザ出力調整回路１２と、等を備えて構成され、本発明の発光手段として機能する。
【００１７】
レーザ光源１１は、半導体レーザ素子等により構成され、波長が例えば６５０ｎｍで、断面形状がほぼ円形若しくは楕円形の光束（レーザビーム）を射出する。レーザ光源１１は、レーザ出力調整回路１２によって制御され、高速（例えば数ＭＨｚ〜数十ＭＨｚ）でオンオフされる。
【００１８】
走査部２０は、反射ミラー２１と、ポリゴンミラー２２と、モータ２３と、モータ駆動回路２４と、Ｆ−θレンズ２５と、同期用受光素子２６と、等を備えて構成されている。走査部２０は、発光部１０から出力されたレーザビームによりワークＷが配置される測定領域を走査する本発明の走査手段として機能する。
【００１９】
反射ミラー２１は、レーザ光源１１から射出された光束を反射させてポリゴンミラー２２に入射させる。
【００２０】
ポリゴンミラー２２は、これと同軸に配置されたモータ２３により回転し、反射ミラー２１を介して入射された光束を回転走査ビームに変換してＦ−θレンズ２５に入射させる。
具体的には、ポリゴンミラー２２は、多角柱（図２では８角柱）の各側面がそれぞれ反射面を構成する回転多面鏡であり、モータ２３によって例えば５０００〜２００００回転／分の速度で回転駆動される。ポリゴンミラー２２は、その回転によって反射面に入射する光束の反射角度を変化させ、これにより光束を主走査方向（スキャン方向）に偏向走査させる。
【００２１】
モータ駆動回路２４は、モータ同期回路４４（後述）の出力に基づきモータ２３に対して電力を供給する。
【００２２】
Ｆ−θレンズ２５は、ポリゴンミラー２２で変換された回転走査ビームを等速度の平行走査ビームに変換する。
具体的には、Ｆ−θレンズ２５は、２枚のレンズ面の曲率を変えることにより、レンズ周辺部と中心部で走査速度が一定になるように設計されている。従って、かかるＦ−θレンズ２５を用いて、ワークＷに遮られる影の部分の時間を測定することで、物体の外径寸法が求められる。
Ｆ−θレンズ２５により平行走査ビームに変換された光束は、ポリゴンミラー２２の回転に伴いワークＷを含む測定領域を走査するように照射されることとなる。
【００２３】
同期用受光素子２６は、Ｆ−θレンズ２５の外側であって、レーザビームがＦ−θレンズ２５を通過する範囲の１回の走査が開始される前、又は終了した後、レーザビームを受光する位置に配置されている。同期用受光素子２６は、レーザビームによる１走査の開始又は終了を検出してパルス状のタイミング基準信号（以下、基準信号と称する）を出力する。
つまり、レーザビームの１回の走査が開始される毎に、又は終了する毎に基準信号が１回出力されることとなる。
【００２４】
直線偏光板（偏光板）１は、偏光子の向きが、レーザビームの出射方向（図中Ｚ方向）及びワークＷの軸方向（図中Ｘ方向）に直交する方向、即ち、ワークＷの反射面（ＸＺ平面）に対して垂直方向（図中Ｙ方向）となるように形成されている。即ち、Ｆ−θレンズ２５により平行走査ビームに変換された光は、直線偏光板１を通過する際、ワークＷの反射面に対して水平方向（図中Ｘ方向）の振動成分が遮断され、ワークＷの反射面に対して垂直方向（図中Ｙ方向）の光のみが通過することとなる。
【００２５】
受光部３０は、集光レンズ３１と、受光素子３２と、アンプ３３と、等を備えて構成されている。受光部３０は、測定領域及び直線偏光板１を通過したレーザビームを受光する本発明の受光手段として機能する。
【００２６】
集光レンズ３１は、ワークＷを通過した平行走査ビームを集光して受光素子３２に入射させる。
【００２７】
受光素子３２は、集光レンズ３１により集光した光束が照射されると、これに応じて受光信号（明暗パターン）を出力する。
具体的には、受光素子３２は、レーザビームを受光しているときはＨ（Ｈｉｇｈ；明部）となり、受光していないときはＬ（Ｌｏｗ；暗部）となる受光信号を送出する。即ち、レーザビームがワークＷにより遮られて受光素子３２に到達しない場合、受光素子３２はＬ信号を出力する。従って、レーザビームが測定領域を走査しているときであって、Ｌ信号となっている期間を測定すれば、ワークＷの走査面内における走査方向の寸法を測定することができる。なお、こうした寸法算出処理は演算部４０にて行われる。
【００２８】
アンプ３３は、受光素子３２より送出された受光信号を増幅し、演算部４０に送出する。
【００２９】
演算部４０は、エッジ検出回路４１と、ゲート回路４２と、クロック回路４３と、モータ同期回路４４と、カウンタ４５と、リセット回路４６と、入出力回路４７と、キーボード４８と、ＣＰＵ４９と、ＲＡＭ５０と、記憶部５１と、等を備えて構成されている。
【００３０】
エッジ検出回路４１には、アンプ３３から送出された受光信号が入力される。エッジ検出回路４１は、受光信号を所定のスレッショルドレベル（閾値）で２値化してエッジ信号（２値化信号）に変換する。そして、エッジ検出回路４１は、受光信号がＬからＨに変化する立ち上がりと、ＨからＬに変化する立ち下がりのエッジを検出してエッジ検出信号をゲート回路４２に送出する。
【００３１】
ゲート回路４２には、エッジ検出回路４１から送出されたエッジ検出信号や、リセット回路４６から送出されたリセット信号、クロック回路４３から送出されたクロック信号が入力される。
ゲート回路４２は、所定のエッジ検出信号やリセット信号のタイミングでオンオフし、クロック信号のカウンタ４５への送出の開始、停止の制御を行う。即ち、ゲート回路４２のオン期間には、カウンタ４５にクロック信号が送出されるようになっている。
そして、ワークＷの寸法を測定する場合には、最初の立ち下がりエッジを検出したときから最後の立ち上がりエッジを検出したときまで、クロック信号の計測が行われることとなる。
【００３２】
クロック回路４３は、ゲート回路４２及びモータ同期回路４４に対して、クロック信号を送出する。
【００３３】
モータ同期回路４４は、クロック回路４３から入力されたクロック信号に同期した駆動信号をモータ駆動回路２４に対して出力する。なお、モータ駆動回路２４は、モータ同期回路４４の出力に基づいてモータ２３に電力を供給する。従って、ポリゴンミラー２２は、クロック信号に対して所定の関係を持った速度で回転することとなる。
【００３４】
リセット回路４６には、同期用受光素子２６によりレーザが検出された場合に出力される基準信号が入力される。リセット回路４６は、基準信号が入力されると、ゲート回路４２に対してリセット信号を送出する。
【００３５】
入出力回路４７は、算出された値（ワークＷの寸法）等を表示装置や印刷装置などの外部出力装置（図示省略）に送出する。
【００３６】
キーボード４８は、各種の操作キー群を備えて構成されている。ユーザによりキーボード４８の所定のキーの押下操作が行われると、この押下操作に応じた操作信号がＣＰＵ４９に出力される。
【００３７】
ＣＰＵ４９は、例えば、記憶部５１に記憶されている各種処理プログラムに従って、各種の制御処理を行う。
ＲＡＭ５０は、ＣＰＵ４９により演算処理されたデータを格納するワークメモリエリアを形成している。
記憶部５１は、例えば、ＣＰＵ４９によって実行可能なシステムプログラムや、そのシステムプログラムで実行可能な各種処理プログラム、これら各種処理プログラムを実行する際に使用されるデータ、ＣＰＵ４９によって演算処理された各種処理結果のデータなどを記憶する。なお、プログラムは、コンピュータが読み取り可能なプログラムコードの形で記憶部５１に記憶されている。
【００３８】
ＣＰＵ４９は、レーザビームが測定領域を走査しているときであって、受光素子３２から送出される受光信号がＬ信号となっている期間を測定することにより、ワークＷの走査面内における走査方向の寸法を測定する。ＣＰＵ４９は、受光部３０で得られた走査方向の明暗パターンからワークＷの寸法を算出する本発明の寸法算出手段として機能する。
【００３９】
次に、本実施形態に係る光学式測定装置１００の作用について説明する。
一般に、光（入射光Ｌ１）は、図３に示すように、物体との反射時において、その反射面Ａ１に対して垂直方向の振動成分が減衰するという特徴を有している。即ち、スキップ光Ｌ２の振動成分は、反射面Ａ１に対して水平方向に主であることが示される。同時に、スキップ光Ｌ２の特定が可能であることが示される。光学式測定装置１００においても、スキップ光Ｌ２の振動の主成分が、反射面Ａ１に対して水平方向であることを実験的に確認することができる。なお、本実施形態では、ワークＷの反射面は、光の出射方向（図中Ｚ方向）及びワークＷの軸方向（図中Ｘ方向）に形成される面（ＸＺ平面）である。
【００４０】
本実施形態では、図４に示すように、発光部１０（及び走査部２０）とワークＷとの間に直線偏光板１を配置している。直線偏光板１は、偏光子の向きが、レーザビームの出射方向（図中Ｚ方向）及びワークＷの軸方向（図中Ｘ方向）に直交する方向、即ち、ワークＷの反射面（ＸＺ平面）に対して垂直方向（図中Ｙ方向）となるように形成されている。従って、発光部１０（及び走査部２０）から発せられた光Ｌ１１（図５（Ａ）参照）は、直線偏光板１を通過する際、ワークＷの反射面に対して水平方向（図中Ｘ方向）の振動成分が遮断され、ワークＷの反射面に対して垂直方向（図中Ｙ方向）の光Ｌ１２（図５（Ｂ）参照）のみが通過する。
直線偏光板１を通過した光Ｌ１２の一部は、ワークＷの表面で反射してスキップ光Ｌ１３（図５（Ｃ）参照）となる。ワークＷの表面で反射したスキップ光Ｌ１３は、ワークＷとの反射時に、ワークＷの反射面に対して垂直方向（図中Ｙ方向）の振動成分が減衰している。即ち、スキップ光Ｌ１３は、ワークＷの反射面に対して水平方向（図中Ｘ方向）及び垂直方向（図中Ｙ方向）の振動成分がともに減衰している。従って、受光素子３２に入射するスキップ光Ｌ１３の受光量は軽減される。
【００４１】
以上のように、本実施形態に係る光学式測定装置１００は、レーザビームを出力する発光部１０と、発光部１０から出力されたレーザビームによりワークＷが配置される測定領域を走査する走査部２０と、走査部２０から照射されるレーザビームのうち、レーザビームの出射方向及びワークＷの軸方向に直交する方向のレーザビームのみを通過させる直線偏光板１と、測定領域及び直線偏光板１を通過したレーザビームを受光する受光部３０と、受光部３０で得られた走査方向の明暗パターンからワークＷの寸法を算出するＣＰＵ４９と、を備える。また、本実施形態に係る光学式測定装置１００の直線偏光板１は、走査部２０とワークＷとの間に配置される。
従って、直線偏光板１により受光素子３２に入射するスキップ光の受光量を軽減することができるので、ワークＷの寸法を正確に測定することができる。
【００４２】
以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
【００４３】
（変形例１）
例えば、図６に示す例では、実施形態と比べ、直線偏光板１を配置する位置が異なっている。なお、説明の簡略化のため、実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
具体的には、図６に示す例では、ワークＷと受光部３０との間に直線偏光板１を配置している。
【００４４】
次に、変形例１に係る光学式測定装置１００の作用について説明する。
発光部１０（及び走査部２０）から発せられた光Ｌ２１（図７（Ａ）参照）の一部は、ワークＷの表面で反射してスキップ光Ｌ２２（図７（Ｂ）参照）となる。ワークＷの表面で反射したスキップ光Ｌ２２は、ワークＷとの反射時に、ワークＷの反射面（ＸＺ平面）に対して垂直方向（図中Ｙ方向）の振動成分が減衰している。スキップ光Ｌ２２は、ワークＷと受光部３０との間に配置された直線偏光板１に入射する。直線偏光板１は、偏光子の向きが、レーザビームの出射方向（図中Ｚ方向）及びワークＷの軸方向（図中Ｘ方向）に直交する方向、即ち、ワークＷの反射面に対して垂直方向（図中Ｙ方向）となるように形成されているので、スキップ光Ｌ２２が直線偏光板１を通過する際、ワークＷの反射面に対して水平方向（図中Ｘ方向）の振動成分が遮断され、ワークＷの反射面に対して垂直方向（図中Ｙ方向）の光Ｌ１２（図７（Ｃ）参照）のみが通過する。即ち、直線偏光板１を通過した光Ｌ２３は、ワークＷの反射面に対して水平方向（図中Ｘ方向）及び垂直方向（図中Ｙ方向）の振動成分がともに減衰している。従って、受光素子３２に入射するスキップ光Ｌ１３の受光量は軽減される。
以上のように、変形例１に係る光学式測定装置１００の直線偏光板１は、ワークＷと受光部３０との間に配置される。
従って、直線偏光板１により受光素子３２に入射するスキップ光の受光量を軽減することができるので、ワークＷの寸法を正確に測定することができる。
【００４５】
（その他の変形例）
【００４６】
例えば、上記実施形態及び変形例１では、発光部１０（及び走査部２０）と受光部３０との間に直線偏光板１を配置して固定している場合を例示して説明したが、これに限定されるものではない。例えば、直線偏光板１を着脱可能に構成することも可能である。即ち、スキップ光が発生しにくい形状のワークＷの寸法を測定する場合は、直線偏光板１を取り外すことで、受光素子３２に入射する光の受光量を増加させて測定の精度を向上させるようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施形態及び変形例１では、測定範囲に配置されるワークＷが１つの場合を例示して説明したが、これに限定されるものではない。例えば、２つ以上のワークＷを配置することも可能である。
【００４８】
その他、光学式測定装置１００を構成する各装置の細部構成及び各装置の細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１００  光学式測定装置
１０  発光部（発光手段）
１１  レーザ光源
２０  走査部（走査手段）
２１  反射ミラー
２２  ポリゴンミラー
２５  Ｆ−θレンズ
２６  同期用受光素子
３０  受光部（受光手段）
３１  集光レンズ
３２  受光素子
３３  アンプ
４０  演算部
４１  エッジ検出回路
４２  ゲート回路
４５  カウンタ
４６  リセット回路
４８  キーボード
４９  ＣＰＵ（寸法算出手段）
５１  記憶部
１  直線偏光板（偏光板）
Ｗ  ワーク（測定対象物）
【図１】
2014228299.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014228299.tif 000008
【図７】
2014228299.tif 000009
【図８】
2014228299.tif 000010