(57)【要約】【課題】ピンホールの位置調整を必要としない共焦点光学系を実現する。【解決手段】光源１０１と、第１のピンホール素子１０２ａと、第１のレンズ１０３ａと、ビームスプリッター１０４と、集束レンズ１０５と、第２のレンズ１０３ｂと、第１のピンホール素子１０２ａと共役な位置にある第２のピンホール素子１０２ｂとを有する共焦点光学系を用いる３次元計測装置において、光源１０１を２つの異なる波長の光を発生する２波長光源とし、第１および第２のピンホール素子１０２ａ、１０２ｂは、それぞれ、サーモトロピック液晶と偏光板を有し、光源１０１から射出される測定波長以外の波長の光強度を制御することによって、第１、第２のピンホール素子１０２ａ、１０２ｂにそれぞれピンホールを形成する。【選択図】図１
2006337027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源光をビーム整形するための第１のピンホール素子を有する光源光学系と、ビーム整形された前記光源光を被測定物に集光する集束レンズと、前記被測定物からの反射光を前記第１のピンホール素子と共役な位置にある第２のピンホール素子を介して光検出器へ導入する検出光学系と、を備えた３次元計測装置において、前記光源光が、測定波長の光成分および前記測定波長以外の波長の光成分を含む少なくとも２波長の光であり、前記測定波長以外の波長の光成分を制御することによって、前記第１および前記第２のピンホール素子にそれぞれ温度依存性のピンホールを形成することを特徴とする３次元計測装置。
【請求項２】
前記測定波長以外の波長の光を反射して、前記被測定物からの反射光とともに前記第２のピンホール素子に入射させる選択反射光学系が配設されていることを特徴とする請求項１記載の３次元計測装置。
【請求項３】
各ピンホール素子がサーモトロピック液晶を有し、前記サーモトロピック液晶の照射部位の温度が３０〜６０℃になるように、前記測定波長以外の波長の光強度を調節することを特徴とする請求項１または２記載の３次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共焦点光学系を用いて３次元形状の計測を行う３次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
被測定物の３次元形状を計測する方法の一つとして共焦点光学系を用いる方法が知られている。図７は一従来例による３次元計測装置を示すもので、光源７０１から照射された光はレンズ７０３ａの焦点位置に配置された光源側ピンホール部材７０２ａで絞り込まれ、レンズ７０３ａで平行化され、ビームスプリッター７０４を透過し、集束レンズ７０５により集光されて、被測定物である試料Ｗに照射される。一方、試料Ｗの反射光は集束レンズ７０５により平行光線にされ、ビームスプリッター７０４を介してレンズ７０３ｂで集光され、レンズ７０３ｂの焦点位置に配置された検出器側ピンホール部材７０２ｂを通過し、光検出器７０７で検出される。このとき検出される光量により、高さ位置や厚みの計測を行う。
【０００３】
従来、このような共焦点光学系のピンホールの位置調整は、例えば、試料の代わりに平面ミラーを置き、集束レンズあるいは検出器側ピンホール部材を光軸に対して直交する面上で移動させ、光検出器で最も光量が得られる検出器側ピンホール部材の位置を最適位置とするなどして、ピンホール調整を行っていた。
【０００４】
また、共焦点光学系以外のピンホールにおいて、自動的に最適な位置にビームプロファイルを正確に反映したピンホールを作製する光ピックアップ装置として、特許文献１に開示されたものがある。この光ピックアップ装置は、記録媒体からの戻り光を収束させる戻り光収束レンズと光検出器を有する戻り光光路中に、温度依存特性を有するピンホール素子を設けて、ピンホール素子に戻り光を照射することで形成した開口フィルタを継いで光検出器で受光し、記録媒体に記録されている情報を再生するようにしている。この方法を用いると、ピンホール位置を光軸に垂直な方向に調整することは不要である。
【特許文献１】特開２００２−３７３４４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の共焦点光学系においては、ピンホールの位置調整のためにピンホール部材を移動させる位置調整機構が必要であり、装置コストがかかるうえに、位置調整機構を取り付けることにより光学系が大きくなり重量化される傾向がある。また、ピンホールの位置調整機構があるため、光軸がずれるなどした場合には精度を保ちにくいという未解決の課題があった。
【０００６】
また、特許文献１に開示された光ピックアップ装置の場合には、ピンホール位置を光軸に垂直な方向に調整することなくピンホールを自動的に最適な位置に作製することができるが、これをそのまま３次元計測装置の共焦点光学系に搭載すると、反射率の低い被測定物の場合には、ピンホール素子の融点を超える光量を得ることができない。その結果、反射率に応じて被測定物が限定されるという問題があった。
【０００７】
本発明は、被測定物を限定することなく、自動的に最適な位置にピンホールを作製することが可能な共焦点光学系を有する３次元計測装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明の３次元計測装置は、光源光をビーム整形するための第１のピンホール素子を有する光源光学系と、ビーム整形された前記光源光を被測定物に集光する集束レンズと、前記被測定物からの反射光を前記第１のピンホール素子と共役な位置にある第２のピンホール素子を介して光検出器へ導入する検出光学系と、を備えた３次元計測装置において、前記光源光が、測定波長の光成分および前記測定波長以外の波長の光成分を含む少なくとも２波長の光であり、前記測定波長以外の波長の光成分を制御することによって、前記第１および前記第２のピンホール素子にそれぞれ温度依存性のピンホールを形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
共焦点光学系を用いた３次元計測装置において、光軸に対するピンホールの位置調整を必要とせず、最適な位置に自動的にピンホールを作製し、しかも反射率によって被測定物を限定することなく簡便で安定した計測を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に示すように、光源１０１、第１のピンホール素子１０２ａ、第１のレンズ１０３ａ、ビームスプリッター１０４、集束レンズ１０５、第２のレンズ１０３ｂ、第１のピンホール素子１０２ａと共役な位置にある第２のピンホール素子１０２ｂからなる共焦点光学系を有する３次元計測装置において、光源１０１を２波長以上の光を発生する光源とし、第１および第２のピンホール素子１０２ａ、１０２ｂにはそれぞれ、サーモトロピック液晶を用いた温度依存性のピンホールを形成する光学素子を用いる。
【００１１】
集束レンズ１０５と被測定物Ｗとの間に、光源１０１から射出される２つ以上の異なる波長の光成分のうちで、測定波長の光成分のみを透過し、他の波長の光成分を反射する第１のダイクロイックミラー１０６ａと、ダイクロイックミラー１０６ａの反射光を焦点位置で全反射させる全反射ミラー１０７とによって構成される選択反射光学系を配置し、また、光検出器１０９と第２のピンホール素子１０２ｂとの間に、第１のダイクロイックミラー１０６ａと同様の第２のダイクロイックミラー１０６ｂを配設する。
【００１２】
測定波長以外の波長の光は、被測定物Ｗに入射することなく、第１のダイクロイックミラー１０６ａによって反射されて第２のピンホール素子１０２ｂに入射する。各ピンホール素子１０２ａ、１０２ｂのサーモトロピック液晶の照射部位の温度が３０〜６０℃の温度範囲になるように、光強度を光源１０１において調整すれば、３０〜６０℃の範囲を超えるとサーモトロピック液晶が配向性を失うため、光軸に対するピンホールの位置調整を必要とせず、また、被測定物Ｗの反射率に係りなく、自動的に最適な位置に安定したピンホールを作製することができる。
【実施例１】
【００１３】
図１の共焦点光学系において、各ピンホール素子１０２ａ、１０２ｂとして、図２に示す構成の光学素子を用いる。図２に示す光学素子は、入射側から第１の透明基板２０２ａ、液晶層２０３、第２の透明基板２０２ｂ、偏光板２０４の順に配設したものである。例えば、入射光には波長４０５ｎｍと、波長６３５ｎｍの直線偏光のレーザ光源を用い、液晶層２０３にはサーモトロピック液晶である５ＣＢを用いる。第１、第２の透明基板２０２ａ、２０２ｂにはガラス基板を用い、偏光板２０４は入射光が透過する方向に合わせて配置する。液晶層２０３を構成する５ＣＢは、２３〜３５℃で配向性を有する液晶となるが、３５℃を超える光が入射された際には、液晶とならないため偏光性を失う。
【００１４】
つまり、液晶をなす温度（３５℃）以上になる強度を持つ光が照射された部分の液晶層２０３を通過する光は偏光が回転しないが、液晶をなす温度（３５℃）以上になる強度を持つ光が照射されていない部分の液晶層２０３を通過する光は偏光が回転する。偏光が回転した光は偏光板２０４を通過することはできないが、偏光が回転しなかった光は偏光板２０４を通過するので、偏光が回転しなかった光のみ出力されるような温度依存性のピンホールが形成される。
【００１５】
本実施例の３次元計測装置は、波長４０５ｎｍと波長６３５ｎｍの２つの波長をもつ直線偏光のレーザ光を発生する光源１０１と、図１に示した構成のピンホール素子１０２ａ、１０２ｂと、色収差の補正を行ったレンズ１０３ａ（焦点位置１００ｍｍ）、集束レンズ１０５（焦点距離１０ｍｍ）、レンズ１０３ｂ（焦点距離１００ｍｍ）と、ビームスプリッター１０４と、全反射ミラー１０７と、ダイクロイックミラー１０６ａ、１０６ｂと、光電変換センサであるフォトダイオードの光検出器１０９を有する。
【００１６】
集束レンズ１０５と、全反射ミラー１０７と、ダイクロイックミラー１０６ａで構成される光学系の配置は、ダイクロイックミラー１０６ａを軸中心に、集束レンズ１０５の焦点位置と、全反射ミラー１０７は軸対称に配置する。
【００１７】
２波長の光源１０１は、波長４０５ｎｍ、６３５ｎｍのレーザ光を発生し、波長４０５ｎｍの光強度は、ピンホール素子１０２ａと１０２ｂに照射される位置でピンホールを構成するサーモトロピック液晶の融点（３５℃）を超える強度を有しており、測定波長である波長６３５ｎｍの光強度は、ピンホール素子１０２ａと１０２ｂに照射される位置でサーモトロピック液晶の融点を超えない強度を有する。また、ダイクロイックミラー１０６ａ、１０６ｂは、光源１０１から発生される波長６３５ｎｍの光を透過させ、波長４０５ｎｍの光を反射するものを用いる。
【００１８】
ピンホール素子１０２ａ、１０２ｂは、集束レンズ１０５の焦点位置にある被測定物Ｗに対して共役の位置に配置され、ピンホール素子１０２ａとレンズ１０３ａ、ピンホール素子１０２ｂとレンズ１０３ｂの距離は等しい。光源１０１から波長４０５ｎｍと波長６３５ｎｍの光がピンホール素子１０２ａに照射され、波長４０５ｎｍの光が照射された部分のピンホール素子１０２ａは、前述のように液晶を形成しないため、照射された光はピンホール素子１０２ａを通過するようになる。波長４０５ｎｍと波長６３５ｎｍの光は、このようにしてピンホール素子１０２ａ上に形成されたピンホールを通過する。
【００１９】
ピンホール素子１０２ａのピンホールを通過した２波長のレーザ光は、レンズ１０３ａを介して平行光線にされ、ビームスプリッター１０４を透過し、集束レンズ１０５により集光されるが、そのうちの波長４０５ｎｍの光はダイクロイックミラー１０６ａで反射された後、全反射ミラー１０７で反射され、さらにダイクロイックミラー１０６ａで反射されることにより集束レンズ１０５で平行光線にされ、ビームスプリッター１０４を介してレンズ１０３ｂで集光され、ピンホール素子１０２ｂに照射される。
【００２０】
波長４０５ｎｍの光が照射された部分では、ピンホール素子１０２ｂは液晶とならず、この部分に、前述のようにピンホールが作製される。
【００２１】
一方、波長６３５ｎｍの光はダイクロイックミラー１０６ａを透過し、被測定物Ｗに照射される。被測定物Ｗの反射光は、ダイクロイックミラー１０６ａを透過し、集束レンズ１０５、ビームスプリッター１０４、レンズ１０３ｂを介してピンホール素子１０２ｂ上に照射される。被測定物Ｗが集束レンズ１０５の焦点位置に配置されている場合には、光はピンホール素子１０２ｂ上のピンホールを通過するが、被測定物Ｗが集束レンズ１０５の焦点位置より外れている場合、すなわちＺ方向に移動した場合には、ピンホールを通過する光の光量は減少する。ピンホール素子１０２ｂにピンホールを作製した波長４０５ｎｍの光は、ピンホールを通過するが、ダイクロイックミラー１０６ｂを透過することができないため、光検出器１０９では被測定物Ｗの反射光として波長６３５ｎｍの光のみを検出できる。
【００２２】
図３は、光検出器１０９の出力と被測定物Ｗの位置関係を説明するグラフを示す。被測定物Ｗが集束レンズ１０５の焦点位置に配置されている場合、光検出器１０９の出力は最大となりＺ変位位置は原点０となるが、被測定物Ｗが集束レンズ１０５の焦点位置より外れた場合、光検出器１０９の出力は著しく減少するため、Ｚ変位位置はＺ1 となる。このようにして、光検出器１０９の出力が最大となるＺ変位位置を検出することが可能である。
【００２３】
図４は、本実施例の３次元計測装置で計測した黒色プラスチックの成形品の形状を示し、図５は、図４のａ寸法（ａ＝５６０μｍ）を計測した結果である。図５からわかるように、本実施例では反射率の低い、例えば入射光量の１／１００以下の反射率を有する黒色の成形品を高精度で計測することができた。
【００２４】
本実施例では、２つの波長をもつ光源を用いて、ピンホールを作製するための光は、被測定物によって反射されることなくピンホール素子に入射するように構成しているため、被測定物の反射率とは関係なくピンホールが作製される。
【００２５】
このように、光軸とピンホールの調整をすることなく最適な位置にピンホールを作製し、被測定物を限定することなく安定した計測を行うことができる。
【実施例２】
【００２６】
実施例１と同様の共焦点光学系において、図１のピンホール素子１０２ａ、１０２ｂとして、図６に示すように、入射側から第１の偏光板３０４ａ、第１の透明基板３０２ａ、液晶層３０３、第２の透明基板３０２ｂ、第２の偏光板３０４ｂを有する構成の光学素子を用いる。実施例１では光源が直線偏光であることが必要であったが、本実施例では、入射側の偏光板３０４ａにより、光源が直線偏光になる。そのため光源にランダム偏光のレーザ光源を用いた３次元計測装置を実現できる。
【実施例３】
【００２７】
本実施例は、実施例１のピンホール素子１０２ａ、１０２ｂを構成するサーモトロピック液晶に、２２〜４７℃の温度範囲で液晶層をなすＭＢＢＡを用いたものである。光源１０１のピンホール作製光である波長４０５ｎｍの光強度をピンホール素子１０２ａ、１０２ｂ上に照射される位置で液晶層の融点（４７℃）を超える強度に設定したところ、黒色のプラスチック成形品の計測を行うことができた。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施例１による３次元計測装置を示す模式図である。
【図２】実施例１のピンホール素子の構成を示す図である。
【図３】実施例１の光検出器の出力とＺ変位との関係を示すグラフである。
【図４】実施例１の被測定物である成形品の計測部位の形状を表す図である。
【図５】実施例１の３次元計測装置による計測結果を示すグラフである。
【図６】実施例２のピンホール素子の構成を示す図である。
【図７】一従来例を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０１    光源
１０２ａ、１０２ｂ    ピンホール素子
１０３ａ、１０３ｂ    レンズ
１０４    ビームスプリッター
１０５    集束レンズ
１０６ａ、１０６ｂ    ダイクロイックミラー
１０７    全反射ミラー
１０９    光検出器
【図１】
2006337027.tif 000003
【図２】
2006337027.tif 000004
【図３】
2006337027.tif 000005
【図４】
2006337027.tif 000006
【図５】
2006337027.tif 000007
【図６】
2006337027.tif 000008
【図７】
2006337027.tif 000009