(57)【要約】【課題】多点で変位を同時に光学的に行おうとした場合、各種光学式変位計を多数用いる方法で多点の同時変位検出を行うことができるが、各センサはそれぞれ、レーザ等の光源、投射レンズ、受光レンズ、受光素子、処理回路、電源等を持ち、また、各センサの出力を受けるための多チャンネルＡＤ回路や出力を処理するコンピュータおよびソフトウエアが必要であり、センサの数が多くなるほど非常に高コストになっていた。【解決手段】一端に色収差をもつレンズを備えた光ファイバと、他端に、一本が光源につながり、もう一本が検出器につながる光ファイバを備えた光ファイバカプラとを備えた多数のプローブと、多数のプローブの光源側の光ファイバを並べ、白色光または複数波長光を投入する光源と、多数のプローブの検出器側の光ファイバを並べ、そこに対向配置したカラーカメラとを備える多点変位検出装置とした。【選択図】  図１
2011017552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に色収差をもつレンズを備えた光ファイバと、他端に、一本が光源につながり、もう一本が検出器につながる光ファイバを備えた光ファイバカプラとを備えた多数のプローブと、多数のプローブの光源側の光ファイバを並べ、白色光または複数波長光を光ファイバに投入する光源と、多数のプローブの検出器側の光ファイバを並べ、そこに対向配置したカラーカメラとを備えることを特徴とする多点変位検出装置。
【請求項２】
多数のプローブの検出器側の光ファイバを検出対象を表現するように並べることを特徴とする請求項１の多点変位検出装置。
【請求項３】
一端に色収差をもつレンズを備えた光ファイバと、他端に、一本が光源につながり、もう一本が検出器につながる光ファイバを備えた光ファイバカプラとを備えた多数のプローブと、多数のプローブの光源側の光ファイバを並べ、白色光または複数波長光を光ファイバに投入する光源と、多数のプローブの検出器側の光ファイバを１列に並べ、光ファイバからでた光を光ファイバの並び方向の直交方向へ分光する分光器と、分光された光を結像する手段と、結像された光を検知する２次元カメラとを備えたことを特徴とする多点変位検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多くの点で同時に高さ計測を行う多点変位検出装置に関するものである。。
【背景技術】
【０００２】
従来、研究、開発、製造において、変位または変形を非接触で測定しモニタする必要のある場合が数多く存在している。例えば、非常に広い平面のそりを検出したり、円筒物体の真円形状を測ったり、複雑な形状の量産品の検査、あるいは磁気記憶装置、光学的組み立て、張力測定など、多点で計測を行うべき用途は多い。
【０００３】
こういった変位の多点測定においては最も普通に使われるのが接触式の三次元測定機であるが、１度に１点しか測れず非常に時間もかかるものであった。そのため高速に非接触で変位を計測できる光学式変位計が製造現場等において多用されるようになっている。
【０００４】
光学的変位計で最も普通に使われるのがレーザを用いた三角測量方式のものであり、レーザを投射し、斜め方向からみたレーザの反射光位置をＰＳＤ、ＣＣＤなどの位置検出器で検出して変位を測るものである。これらは小型化、量産化され、多数用いる場合には個々のアナログ出力を多チャンネルＡＤ変換器でコンピュータに取り込み、多点計測処理をするのが一般的であった。
【０００５】
この例を図５に示す。１０６はレーザを用いた三角測量式の変位計であり、１０１はレーザ、１０２は投光レンズ、１０３は受光レンズ、１０４は位置検出センサ、１０５は制御回路である。１０７は電源であり、変位計を動作させるのに必要である。１０９はＡ／Ｄボードであり、変位計１０６からでた信号をデジタル信号にしてコンピュータに取り込む。１０８はコンピュータである。１１０はソフトウエアであり、取り込んだデータを処理し、画像化等を行い、モニタ８に表示する。
【０００６】
なお変位計の測定原理としては三角測量の他に共焦点原理のものがあり、ピンホールを光軸方向に振動させて変位を測定するものと、色収差のあるレンズを用いて分光して変位を測定するものがある。
【０００７】
後者の色収差のあるレンズを用いる方法の例としては下記特許文献１の例があげられる。これは照明光を軸方向にスペクトル分割し、物体上へ焦点を合わせ、その際どの焦点にもある決まった波長が対応し、物体から反射した光はビームスプリッタを通じて分散素子上へ到達し、ここから光ダイオードアレイ上へ焦点合わせされる。光ダイオードアレイからの読み取り値によって最も強い信号を求め、物体表面の高さを算出するものである。
この方式には共焦点顕微鏡など様々なバリエーションがあり、下記特許文献の例が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】ドイツ特許ＧＢ２１４４５３７
【特許文献２】ＷＯ０９５０００８７１
【特許文献３】特開平０１−２４５２１５
【特許文献４】特表２０００−５１２４０１
【特許文献５】特開２００４−１０１５３２
【特許文献６】特表２００７−５３６５３５
【特許文献７】特開２００８−３２６６８
【特許文献８】特開２００８−２６８３８７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
背景技術に記した光学式変位計を多数用いる方法で図５のように多点の同時変位検出を行うことができる。しかしながら、各センサはそれぞれ、レーザ等の光源、投射レンズ、受光レンズ、受光素子、処理回路、電源等を持ち、また、各センサの出力を受けるための多チャンネルＡＤ回路や出力を処理するコンピュータおよびソフトウエアが必要であり、センサの数が多くなるほど非常に高コストになっていた。そこで、本発明はセンサが多数でも構成部品点数が少なく非常に低コストに製作できる多点変位検出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】
【００１０】
上記課題を解決するため、一端に色収差をもつレンズを備えた光ファイバと、他端に、一本が光源につながり、もう一本が検出器につながる光ファイバを備えた光ファイバカプラとを備えた多数のプローブと、多数のプローブの光源側の光ファイバを並べ、白色光または複数波長光を投入する光源と、多数のプローブの検出器側の光ファイバを並べ、そこに対向配置したカラーカメラとを備える多点変位検出装置とした。
【００１１】
また、このとき、多数のプローブの検出器側の光ファイバを検出対象を表現するように並べる多点変位検出装置とした。
【００１２】
また、一端に色収差をもつレンズを備えた光ファイバと、他端に、一本が光源につながり、もう一本が検出器につながる光ファイバを備えた光ファイバカプラとを備えた多数のプローブと、多数のプローブの光源側の光ファイバを並べ、白色光または複数波長光を投入する光源と、多数のプローブの検出器側の光ファイバを１列に並べ、光ファイバからでた光を光ファイバの並び方向の直交方向へ分光する分光器と、分光された光を結像する手段と、結像された光を検知する２次元カメラとを備える多点変位検出装置とした。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように構成することにより、どんなに多点であっても増えるのは光ファイバとカプラとレンズで構成されたプローブのみであり、光源、電源、カメラ、モニタとも１個で済むため非常に低コストの多点同時変位測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１における多点変位検出装置の３点の場合の構成図である。
【図２】本発明の実施例１における多点変位検出装置を平面測定に適用した場合の構成図である。
【図３】本発明の実施例１における多点変位検出装置を外径測定に適用した場合の構成図である。
【図４】本発明の実施例２における分光検出系を説明するための図である。
【図５】背景技術で構成した多点変位検出装置の３点の場合の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の実施例１における多点変位検出装置の３点の場合の構成図を示す。全体は複数のプローブ１０と、一つの検出部１１と、ひとつのモニタ８で構成されている。
【００１６】
プローブ１０は光ファイバ２と色収差をもつレンズ１で構成されている。光ファイバ２から出た光は色収差をもつレンズ１で集光されるが色収差をもつためその集光位置は波長により異なる。例として図に赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの光線を記した。対象物体９上に光が当たった時集光されている色は位置により異なり、（ａ）、（ｂ）では緑Ｇが、（ｃ）では赤Ｒが集光されている。
【００１７】
対象物体９で反射された光はレンズ１を逆に戻り、光ファイバ２に入射する。ここで実際に光ファイバ２に戻れるのは対象物体９上で集光されている色のみである。他の色は対象物体９上では光点の径が大きいため、光ファイバ２の入口に戻った時も光点の径が大きく、ごくわずかしか光ファイバ２に入射しない。
【００１８】
一方、検出部１１は光源５、カプラ３、カラーカメラ７およびそれぞれをつなぐ光ファイバ４、６で構成されている。なおカプラ３、光ファイバ４、６はプローブ数と同数必要であるため、プローブの一部と考えてよい。光源５はこの例では白色光源であり、ハロゲンランプやキセノンランプが用いられる。光源５の光は光ファイバ４に投入され、プローブ１０に伝達され、上記で説明した機能が行われる。光ファイバカプラ３は光ファイバ４により伝達された光源からの光を光ファイバ２に伝達し、光ファイバ２から戻ってきた光を光ファイバ６に伝達する。
【００１９】
光ファイバ６の出力光はカラーカメラ７に入射する。カラーカメラ７は検知画像をモニタ８に出力する。プローブ１０からの検知光は（ａ）、（ｂ）からの場合は緑が、（ｃ）からは赤が戻ってきているので、モニタ８にはその並び順通り、緑Ｇ、緑Ｇ、赤Ｒとなって表示される。
【００２０】
このモニタを見ている検査者はその色を見て対象物体９のうち１点が他と違うことを認識できる。このようにして多点同時の変位検出が行われる。なお検査結果を数値化したい場合にはカメラの出力をコンピュータに入力し、色画像処理をすることにより数値化することができる。この処理はごく簡単なものである。なおコンピュータで処理する場合にはカメラは１次元のカラーカメラでもよい。その場合には応答をかなり速くすることができる。
【００２１】
以上はわかりやすくするために３点による検出例をあげたが、同様な構成で簡単にプローブを増やすことができる。また、変位の標準値を同じ色にしておけばプローブがいくら増えても人間の目で色違いは簡単に認識できる。また、カメラ部における光ファイバの並び方を実際に検査する物体を表現するようにしておけば不良位置の認識も素早くできることになる。また、光源の波長範囲を工夫すれば異常値のみを表示することもできる。
【００２２】
図２は本発明の実施例１における多点変位検出装置を平面測定に適用した場合の構成図である。７１はカラーカメラ内のＣＣＤ等の撮像素子を表している。なお、カプラ３、光源５、光ファイバ４は本図では省略している。対象平面９１上のプローブａ〜ｉの並び方とカメラ上のファイバ６の撮像素子７１上の並び方を同じにしておくことにより、モニタ８の画面上にて対象平面上の異常点を一目で判断することができる。本図ではプローブｉの部分が異常であることを示している。
【００２３】
図３は本発明の実施例１における多点変位検出装置を外径測定に適用した場合の構成図である。図２の場合と同様に、対象円筒物体９２の外径上のプローブ位置と撮像素子７１上のファイバ６の位置関係を同じにしておくことにより、モニタ８の画面上にて異常点を一目で判断することができる。本図ではプローブｈに異常があった場合を示している。
【００２４】
プローブを増やす場合に必要なのはプローブ１０、カプラ３、光ファイバ２，４、６であり、プローブ１０への配線も光ファイバ２が増えるだけである。プローブ１０内にはレンズ１があるだけである。背景技術とくらべ、光源、レンズ、検出素子、制御回路、電源、A/Dボード、コンピュータ、ソフトウエア等が不要であるため従来の光学的変位計に比べ多点検出時のコストは大きく低減される。
【実施例２】
【００２５】
図４は本発明の実施例２における分光検出系を説明するための図である。プローブ１０からの検知光が、紙面の垂直方向に一列に整列された光ファイバ６から出射される。この検知光はコリメータレンズ６１で平行光化され、回折格子６２により分光され、集光レンズ６３により、カメラ７の撮像素子７１面上に集光される。
【００２６】
回折格子により色に応じた角度に変換されるので撮像素子７１上の集光位置は色によって位置が変わることになる。よってプローブ１０の検知した変位に従ってモニタ８上の光点の上下の高さが変わることになる。なお回折格子でなく分散プリズムであっても同様に可能である。
【００２７】
このとき検出された変位はモニタ８上の光点の位置によりわかるのでカメラ７はカラーカメラでなく白黒カメラでもかまわない。しかしカラーカメラとして色情報も表示させた方が検出結果の表現力としては優れている。
【００２８】
一方、この画像をコンピュータに入力し、画像処理により、光点位置をデータ化することもできる。この場合は白黒カメラの方が位置情報の精度が上がるので望ましい。なお画像の上下の位置情報を変位に変換することは光切断法等で一般に行われていて容易である。
【００２９】
なお、この実施例２の場合、多点で透明膜厚も測ることができる。透明膜の場合、膜の上と下の２点で反射した光が戻ってくるため、光ファイバ６の出射光に波長が二つ含まれることになる。これを分光すると膜の上と下に相当する色と位置に分離されるのでこれをモニタで見る、あるいはコンピュータで処理することにより多点の膜厚を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
以上詳細に説明したように本発明によれば非常に簡単な構成で、また、低コストで多点の同時変位検出を行うことができるので、製造現場のあらゆるところでの変位検出に用いることができ、産業上非常に有用である。
【符号の説明】
【００３１】
１ レンズ
２ プローブ用光ファイバ
３ カプラ
４ 光源用光ファイバ
５ 光源
６ カメラ用光ファイバ
７ カメラ
８ モニタ
９ 対象物体
１０  プローブ
１１  検出部
６１  コリメータレンズ
６２  回折格子
６３  集光レンズ
７１  撮像素子
９１  平面物体
９２  円筒物体
１０１  レーザ
１０２  投光レンズ
１０３  受光レンズ
１０４  位置検出素子
１０５  制御回路
１０６  三角測量式変位計
１０７  電源
１０８  コンピュータ
１０９  Ａ／Ｄ変換器
１１０  ソフトウエア
Ｒ  赤色光
Ｇ  緑色光
Ｂ  青色光
【図１】
2011017552.tif 000003
【図２】
2011017552.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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