(57)【要約】【課題】円錐ミラーの先端を超精密に加工してなくても、円錐ミラーできれいなリング状ビームを発生させて測定対象物に照射することができるようにするとともに、止まり穴を有する測定対象物でも穴の入口から突き当りまで全ての内面形状を測定できるようにする。【解決手段】環状ビーム生成光学系２およびコリメート光学系３により、光源１からのビーム光を、円錐ミラー４の底面の直径Ｒと略同じ直径を有する環状ビームに成形し、当該環状ビームを円錐ミラー４の側面のうち最も底面に近い部分４ａに照射させることにより、円錐ミラー４の頂点を避けて環状ビームを照射することができるようにする。また、止まり穴を有する測定対象物の突き当りまで形状測定装置を移動させて測定をすることにより、円錐ミラー４の側面４ａで反射させて生成したリング状ビームを測定対象物の突き当り部分の内側面に照射できるようにする。【選択図】図１
2014173912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を環状ビームに成形する環状ビーム生成部と、
上記環状ビーム生成部により成形された上記環状ビームをリング状に反射させて測定対象物に照射させる円錐ミラーと、
上記測定対象物からの反射光を受光素子アレイからなる受光面において受光して光電変換する光検出器と、
上記光検出器による光電変換により生成された画像を解析することによって上記測定対象物の形状を測定する画像解析手段とを備え、
上記環状ビーム生成部は、上記円錐ミラーの側面のうち最も底面に近い部分に対して、上記円錐ミラーの底面の直径と略同じ直径を有する上記環状ビームを照射させるように、上記環状ビームを成形することを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】
上記環状ビーム生成部は、平行光としての上記環状ビームを成形する平行光生成部を備え、当該平行光生成部は、上記円錐ミラーの底面の直径と略同じ直径を有する平行光としての上記環状ビームを成形することを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は形状測定装置に関し、特に、プローブ式の形状測定装置に用いて好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
様々な物体の内部形状の測定は、各種パイプの内径測定をはじめとしてエンジンなどの内部形状の測定など多くの工業分野において高い需要がある。また、工業用に限らず、例えば医学や歯学の分野にあっても口腔内形状や胃の内部形状などについての測定要求がある。しかも、これらの測定では対象物の内面に接触しないで測定すること（非接触測定）が望まれている。
【０００３】
本発明者は、このような要望に対して、光学的な手段を利用して対象物内面の形状を非接触で測定する方法とこの方法を用いた測定装置を提案した（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の形状測定装置では、測定対象物の内面の所定位置に光ビームを円盤状（リング状）に照射し、その照射光による内面形状を表わす光跡を撮像センサにより撮影して光跡の画像データを蓄積し、蓄積した光跡画像のデータから撮像センサを含む撮影系の基準位置と測定対象内面との距離を算出して当該内面の形状を測定している。
【０００４】
ここで、特許文献１の形状測定装置では、測定対象物に対して光ビームをリング状に照射するための手段として、円錐ミラーまたは円錐プリズム（以下、本明細書では単に円錐ミラーという。特に言及しない限り、円錐ミラーは円錐プリズムを含む概念とする）を用いている。具体的には、図６に示すように、形状測定装置１００において平行光に成形した光ビームＢＭ１を円錐ミラー１０１の頂点１０１ａに対して垂直に入射し、当該光ビームＢＭ１をその入射方向に対して垂直方向に放射状に反射させることにより、リング状のビームＢＭ２を生成して測定対象物２００の内面に照射するようにしている。
【０００５】
きれいなリング状ビームを生成させるためには、円錐ミラー１０１の頂点１０１ａを正確に成形することがポイントとなる。きれいなリング状ビームとは、ビーム幅が広がったり、ビームにノイズが生じたり、輝度にムラが生じたり、ビーム方向が不安定になったりしていないビームのことである。しかしながら、円錐ミラー１０１の頂点１０１ａを正確に作成することは極めて困難であるとともに、作成できたとしても極めて破損しやすいという問題があった。
【０００６】
これに対して、環状に成形したビームを円錐ミラーの側面に照射して反射させるようにした技術が存在する（例えば、特許文献２，３参照）。この技術を用いれば、円錐ミラーの頂点を避けてビームを照射することができるので、円錐ミラーの先端を超精密に加工する必要がない。また、円錐ミラーの先端が欠けていても使用に耐えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−２８５８９１号公報
【特許文献２】特開２００１−３３２１７号公報
【特許文献３】特開２００９−７０９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の技術では、パイプなどのように両端が塞がっていない穴（貫通穴あるいは通り穴などと呼ばれる）の内径や内面の形状を測定することは可能である。しかしながら、図７に示すように、穴に底がある、あるいは穴に突き当たりがある場合には（止まり穴などと呼ばれる）、原理的に穴の入口から突き当りまで全ての内面形状を測定することができないという問題があった。つまり、図７のように形状測定装置１００を測定対象物２００の突き当りまで移動させても、円錐ミラー１０１の頂点１０１ａよりも深い部分の内面（斜線２０１で示す）は形状を測定することができない。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するために成されたものであり、円錐ミラーの先端を超精密に加工してなくてもきれいなリング状ビームを発生させて測定対象物に照射できるようにするとともに、止まり穴を有する測定対象物でも穴の入口から突き当りまで全ての内面形状を測定することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記した課題を解決するために、本発明では、光源からの光を環状ビームに成形し、当該環状ビームを円錐ミラーに照射させるようにしている。環状ビームを円錐ミラーに照射させる位置は、円錐ミラーの側面のうち最も底面に近い部分である。つまり、円錐ミラーの底面の直径と略同じ直径を有する環状ビームを生成して円錐ミラーに照射させるようにしている。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成した本発明によれば、円錐ミラーの頂点を避けて環状ビームを照射することができるので、円錐ミラーの先端を超精密に加工してなくても、円錐ミラーできれいなリング状ビームを発生させて測定対象物に照射することができる。また、本発明によれば、止まり穴を有する測定対象物でも、その突き当りまで形状測定装置を移動させて測定をすれば、円錐ミラーの側面のうち最も底面に近い部分で環状ビームが反射することによって測定対象物の突き当り部分の内側面にリング状ビームが照射されることになる。これにより、測定対象物の穴の入口から突き当りまで全ての内面形状を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態による形状測定装置の要部構成例を示す図である。
【図２】本実施形態による形状測定装置の具体的な構成例を示す図である。
【図３】本実施形態の形状測定装置を用いて止まり穴を有する測定対象物の内面形状を測定する状態を示す図である。
【図４】本実施形態による形状測定装置の他の要部構成例を示す図である。
【図５】本実施形態による円錐ミラーの頂角と、環状ビームの円錐ミラーに対する入射角との関係を示す図である。
【図６】従来の形状測定装置によるリング状ビームの生成状態を示す図である。
【図７】従来の問題点を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本実施形態による形状測定装置の要部構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の形状測定装置は、その要部構成として、光源１、環状ビーム生成光学系２、コリメート光学系３および円錐ミラー４を備えている。環状ビーム生成光学系２およびコリメート光学系３により、本発明の環状ビーム生成部が構成される。
【００１４】
光源１は、本実施形態ではレーザ光を放射するレーザ光源であり、例えば、ＬＤ（Laser Diode 半導体レーザ）やＨｅ−Ｎｅレーザを用いる。ただし、光源１はＬＤやＨｅ−Ｎｅレーザに限定されるものではない。例えば、超短パルスレーザを用いてもよいし、ハロゲンランプやＬＥＤなどレーザ以外の光源を用いてもよい。
【００１５】
環状ビーム生成光学系２は、光源１から照射されたレーザ光を環状ビームに成形する。この環状ビーム生成光学系２は、例えばＤＯＥ（回折光学素子）により構成することが可能である。ＤＯＥは、光の回折現象を利用して光の進行方向を変えるものであり、断面構造の微細加工により、入射する光の全てを特定の方向にだけ集中させることができる。ＤＯＥのこの特徴を利用して、光源１から照射された線状ビームを環状ビームに変えることが可能である。
【００１６】
コリメート光学系３は、環状ビーム生成光学系２により生成された放射状の環状ビームを平行光にコリメートする。図１に示すように、環状ビーム生成光学系２により生成される環状ビームは、光路を進むにつれて直径が徐々に大きくなる放射状の光線である。コリメート光学系３は、この放射状の環状ビームを平行光としての環状ビームに成形するものであり、本発明の平行光生成部に相当する。
【００１７】
円錐ミラー４は、コリメート光学系３により生成された環状ビームをリング状に反射させて、当該円錐ミラー４の周囲にある測定対象物（図示せず）にリング状ビームを照射させる。例えば、測定対象物として円筒状物体を用い、その円筒状物体の中に本実施形態の形状測定装置を挿入して円筒状物体の内面形状を測定する場合、円錐ミラー４で反射したレーザ光により、円筒状物体の内面がリング状に照らされる。
【００１８】
本実施形態において、環状ビーム生成光学系２およびコリメート光学系３から成る環状ビーム生成部は、円錐ミラー４の側面のうち最も底面に近い部分４ａに対して、円錐ミラー４の底面の直径Ｒと略同じ直径を有する環状ビームを照射させるようにする。すなわち、コリメート光学系３において、円錐ミラー４の底面の直径Ｒと略同じ直径を有する平行光としての環状ビームを生成する。そのために、環状ビーム生成光学系２により生成される放射状の環状ビームの直径が円錐ミラー４の底面の直径Ｒと等しくなる位置にコリメート光学系３を配置する。
【００１９】
図２は、以上の要部構成を実施した形状測定装置の具体的な構成例を示す図である。なお、この図２において、図１に示した符号と同一の符号を付したものは同一の機能を有するものであるので、ここでは重複する説明を省略する。図２に示すように、本実施形態の形状測定装置は、光源１、環状ビーム生成光学系２、コリメート光学系３、円錐ミラー４、結像レンズ５、光検出器６、鏡筒７および画像解析装置８を備えて構成されている。
【００２０】
図２において、結像レンズ５は、測定対象物２００で反射された反射光を光検出器６に結像させるためのレンズである。図２に示すように、測定対象物２００からの反射光は鏡筒７を通過して結像レンズ５に入射する必要がある。そのため、鏡筒７は、ガラス等の透光性を有する材料により構成されている。
【００２１】
鏡筒７は、光源１、環状ビーム生成光学系２、コリメート光学系３、円錐ミラー４、結像レンズ５および光検出器６を収容する円筒状の筒である。ここで、円錐ミラー４は、鏡筒７の最下部に配置されている。好ましくは、鏡筒７の底部の肉厚を可能な限り薄くし、円錐ミラー４の底面と鏡筒７の底面との肉厚差を極力なくすようにする。
【００２２】
光検出器６は、結像レンズ５を通過した測定対象物２００からの反射光を受光素子アレイからなる受光面において受光して電気信号に光電変換するものであり、例えばＣＣＤセンサにより構成される。この光検出器６により、測定対象物２００での反射光が画像として撮像される。
【００２３】
画像解析装置８は、本発明の画像解析手段に相当するものであり、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの光検出器６による光電変換により生成された画像（測定対象物２００の撮像画像）を解析することにより、測定対象物２００の形状を測定する。なお、画像解析装置８は、例えばマイクロコンピュータ（図示せず）により構成される。本実施形態では、いわゆる三角測量法の原理により測定対象物２００の内面形状を測定する。なお、三角測量法の原理により形状を測定する方法は、例えば上述した特許文献１にも記載されている通り公知であるので、ここでは詳細な説明を割愛する。
【００２４】
以上詳しく説明したように、本実施形態では、光源１からのビーム光を環状ビーム生成光学系２およびコリメート光学系３により環状ビームに成形し、当該環状ビームを円錐ミラー４に照射させるようにしている。環状ビームを円錐ミラー４に照射させる位置は、円錐ミラー４の側面のうち最も底面に近い部分４ａである。つまり、円錐ミラー４の底面の直径Ｒと略同じ直径を有する環状ビームを生成して円錐ミラー４の側面４ａに照射させるようにしている。
【００２５】
このように構成した本実施形態によれば、円錐ミラー４の頂点を避けて環状ビームを照射することができるので、円錐ミラー４の先端を超精密に加工してなくても、円錐ミラー４できれいなリング状ビームを発生させて測定対象物２００に照射することができる。また、本実施形態によれば、図３のように止まり穴を有する測定対象物２００でも、その突き当りまで形状測定装置を移動させて測定をすれば、円錐ミラー４の側面のうち最も底面に近い部分４ａで環状ビームが反射することによって測定対象物２００の突き当り部分の内側面にリング状ビームを照射させることができる。これにより、測定対象物２００の穴の入口から突き当りまで全ての内面形状を測定することができる。
【００２６】
なお、上記実施形態では、環状ビーム生成光学系２の具体的構成としてＤＯＥを例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ホログラム素子、キノフォーム素子、アクシコンレンズ等の特殊レンズを用いてもよい。
【００２７】
また、上記実施形態では、環状ビーム生成光学系２およびコリメート光学系３により環状ビーム生成部を構成する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４に示すように、コリメート光学系３を省略してもよい。この場合は、環状ビーム生成光学系２により生成される放射状の環状ビームの直径が円錐ミラー４の底面の直径Ｒと等しくなる位置にちょうど円錐ミラー４の側面４ａがくるように、環状ビーム生成光学系２と円錐ミラー４との間の距離を設定する。また、環状ビームの円錐ミラー４に対する入射角が図１の場合と異なるので、円錐ミラー４の頂角も環状ビームの入射角に合わせて調整する。
【００２８】
図５は、円錐ミラー４の頂角と環状ビームの円錐ミラー４に対する入射角との関係を示す図である。図５に示すように、円錐ミラー４の頂角を２θ、環状ビームの円錐ミラー４に対する入射角をφとする。円筒状の被測定対象物２００について、光源１から円錐ミラー４までの光軸１０に対して直角に切った断面形状を測定するためには、φ＋π／２＝２θの関係式を満たすことが必要である。よって、図４のように構成する場合、上記の関係式を満たすように円錐ミラー４の頂角２θを設定すれば、環状ビームを円錐ミラー４で光軸１０に対して直角に反射させ、これによって生成されるリング状ビームを被測定対象物２００に対して垂直に照射することができる。
【００２９】
なお、図１に示す構成は、環状ビームの円錐ミラー４に対する入射角φが０度の例であるから、円錐ミラー４の頂角２θをπ／２に設定すればよい。
【００３０】
また、上記実施形態では、三角測量法の原理により測定対象物２００の形状を測定する例について説明したが、本発明はこれに限定されない。
【００３１】
その他、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  光源
２  環状ビーム生成光学系
３  コリメート光学系
４  円錐ミラー
【図１】
2014173912.tif 000003
【図２】
2014173912.tif 000004
【図３】
2014173912.tif 000005
【図４】
2014173912.tif 000006
【図５】
2014173912.tif 000007
【図６】
2014173912.tif 000008
【図７】
2014173912.tif 000009