(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、測定部を小型化可能な光学式測定装置を提供すること。【解決手段】  演算制御部１２０は、測定対象１０２を走査するパターンで光スイッチ部１０４のオン、オフを制御する。光源１３０からの測定用光は光スイッチ部１０４、第１光ファイバ束１０８、凹レンズ１１５を介して測定対象１０２に照射され、測定対象１０２で反射した測定用光は、受光レンズ１１４、第２光ファイバ束１０７を介して光検出部１０５によって検出されると共に、受光レンズ１１６、第２光ファイバ束１０９を介して光検出部１０６によって検出され、演算制御部１２０は光検出部１０５、１０６で検出した測定用光に基づいて測定対象１０２の３次元形状等を算出する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光ファイバ束を介して測定対象に測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設され、前記測定対象によって反射した前記測定用光を第２光ファイバ束を介して検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、前記測定対象の長さに関する特性を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記第１光ファイバ束、第２光ファイバ束は、各々、前記光出力手段側、前記光検出手段側が、前記測定対象側と同じ太さ、又は前記測定対象側よりも太く構成されて成ることを特徴とする請求項１記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記第１光ファイバ束、第２光ファイバ束は、複数のテーパ状光ファイバを束ねて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記光出力手段は、前記測定用光を前記第１光ファイバ束側に出力する光源と、前記第１光ファイバ束を構成する各光ファイバに対して、前記光源からの測定用光を選択的に透過又は遮蔽するためにオン又はオフされる光スイッチ手段と、前記光スイッチ手段をオン又はオフに制御する制御手段とを備えて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【請求項５】
前記光検出手段は、前記第２光ファイバ束を構成する各光ファイバに対応する光検出素子を備えて成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【請求項６】
前記複数の光検出手段を１つの検出手段によって兼用して成ることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の光学式測定装置。
【請求項７】
前記各光検出手段は、ＣＭＯＳ光センサアレー、ＣＣＤ又はＰＳＤによって構成されて成ることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一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、測定用光を測定対象に照射すると共に前記測定対象で反射した前記測定用光を検出し、前記検出した測定用光に基づいて前記測定対象の形状等を測定する光学式測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用光を測定対象に照射し、測定対象物で反射した前記測定用光を検出することによって、前記測定対象の３次元形状や、所定位置から前記測定対象までの距離等を測定するようにした光学式測定装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来の光学式測定装置においては、光源からの測定用光を空間を介して測定対象に照射し、前記測定対象で反射した測定用光を空間を介して光検出素子によって検出するように構成しているため、前記光源及び光検出素子を含む測定部の形状が大きくなる。
したがって、深穴の内面形状等を測定しようとした場合、前記深穴内に前記測定部を挿入できず、測定できないという問題がある。
【０００４】
この問題を解決する方法として、測定用光を測定対象側に反射する反射ミラー等を設け、前記反射ミラーを前記深穴内に挿入して測定を行うように構成することが考えられるが、前記反射ミラーを駆動するモータや制御回路等が必要となるため構造が複雑になり、小型化が困難であるという問題がある。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９０８７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、簡単な構成で、測定部を小型化可能な光学式測定装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、第１光ファイバ束を介して測定対象に測定用光を照射する光出力手段と、相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設され、前記測定対象によって反射した前記測定用光を第２光ファイバ束を介して検出する複数の光検出手段と、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、前記測定対象の長さに関する特性を算出する算出手段とを備えて成ることを特徴とする光学式測定装置が提供される。
【０００８】
光出力手段は第１光ファイバ束を介して測定対象に測定用光を照射する。相互の位置関係は既知であると共に前記光出力手段の位置とは無関係な位置に配設された複数の光検出手段は、前記測定対象によって反射した前記測定用光を第２光ファイバ束を介して検出する。算出手段は、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて、前記測定対象の長さに関する特性を算出する。
【０００９】
また、前記第１光ファイバ束、第２光ファイバ束は、各々、前記光出力手段側、前記光検出手段側が、前記測定対象側と同じ太さ、又は前記測定対象側よりも太く構成されて成るように構成してもよい。
また、前記第１光ファイバ束、第２光ファイバ束は、複数のテーパ状光ファイバを束ねて成るように構成してもよい。
【００１０】
また、前記光出力手段は、前記測定用光を前記第１光ファイバ束側に出力する光源と、前記第１光ファイバ束を構成する各光ファイバに対して、前記光源からの測定用光を選択的に透過又は遮蔽するためにオン又はオフされる光スイッチ手段と、前記光スイッチ手段をオン又はオフに制御する制御手段とを備えて成るように構成してもよい。
また、前記光検出手段は、前記第２光ファイバ束を構成する各光ファイバに対応する光検出素子を備えて成るように構成してもよい。
【００１１】
また、前記複数の光検出手段を１つの検出手段によって兼用して成るように構成してもよい。
また、前記各光検出手段は、ＣＭＯＳ光センサアレー、ＣＣＤ又はＰＳＤによって構成されて成るように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る光学式測定装置によれば、簡単な構成で、測定部を小型化することが可能になる。また、光出力手段と光検出手段間の位置関係を無関係に設定して測定を行うことが可能になるため、測定の自由度が大きくなり、簡単な構成で多様な測定に対応することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置について説明する。尚、以下の説明で使用する各図において、同一部分には同一符号を付している。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置の基本構成を示す斜視図である。
図１において、透光性の第１支持部材１０３の中央部には略正方形状に形成された光スイッチ部１０４が一体的に設けられており、又、光スイッチ部１０４を挟んで第１支持部材１０３の両側には第１光検出部１０５、第２光検出部１０６が一体的に設けられている。
【００１４】
光スイッチ部１０４は、複数の光スイッチ素子をマトリクス状に（本実施の形態では、行及び列方向に各々２５６個（計２５６×２５６個））配設した構成となっている。前記各光スイッチ素子は、演算制御部１２０の制御により、入射光を透過する状態と遮蔽する状態のいずれかの状態になるように構成されている。
【００１５】
第１、第２光検出部１０５、１０６は、各々、光スイッチ部１０４の光スイッチ素子と同数の光検出素子をマトリクス状に（本実施の形態では行及び列方向に各々２５６個（２５６×２５６個））配設した構成となっている。第１、第２光検出部１０５、１０６として、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の光センサアレー（ＣＭＯＳ光センサアレー）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）又はＰＳＤ（Position Sensitive Detector）等の各種の光検出素子が使用可能である。
【００１６】
第１支持部材１０３中央部の光スイッチ部１０４に対応する位置に第１光ファイバ束１０８の第１端部が一体的に接続され、第１支持部材１０３両端側の第１、第２光検出部１０５、１０６に対応する位置には各々第２光ファイバ束１０７、１０９の第１端部が一体的に接続されている。
【００１７】
光スイッチ部１０４を構成する各光スイッチ素子は、第１光ファイバ束１０８を構成する各光ファイバの端部と対面するように配設されている。また、第１、第２光検出部１０５、１０６を構成する各光検出素子は、各々、第２光ファイバ束１０７、１０９を構成する各光ファイバの端部と対面するように配設されている。
第１光ファイバ束１０８は、光スイッチ１０４側が測定対象１０２側よりも太く構成されている。第２光ファイバ束１０７、１０９は、各々、第１、第２光検出部１０５、１０６側が測定対象１０２側よりも太く構成されている。
【００１８】
図２は、光ファイバ束１０７〜１０９の構成を示す図である。図２（ａ）は光ファイバ束を構成する１本の光ファイバを示す図である。光ファイバ２０１は、その中心に光を導光する導光部２０２を有すると共に、前記導光部２０２の側面から光が漏れないよう遮光するために側面全体を均一の厚みで被覆する被覆部２０３を備えている。
導光部２０２はテーパ状に形成されており、その第１端部２０４の面積は第２端部２０５の面積よりも大きく（太く）形成されている。その結果、光ファイバ２０１自体がテーパ状に形成されている。第１端部２０４側から入射した測定用光は第２端部２０５側から出射し、第２端部２０５側から入射した測定用光は第１端部２０４側から出射する。
【００１９】
図２（ｂ）は、複数の光ファイバ２０１を束ねて構成した光ファイバ束２１２の説明図であり、複数の光ファイバ２０１を、断面が略正方形状になるように（例えば、行及び列方向に各々２５６本（２５６×２５６本））束ねた光ファイバ束２１２の例を示している。
各光ファイバ２０１はテーパ状のため、これを束ねた光ファイバ束２１２もテーパ状に構成される。即ち、光ファイバ２０１の第１端部２０４側を束ねた第１束端部２１３の面積は、光ファイバ２０１の第２端部２０５側を束ねた第２束端部２１４の面積よりも大きく（太く）なるように構成されている。
【００２０】
前記のように構成された光ファイバ束を使用して第１光ファイバ束１０８、第２光ファイバ束１０７、１０９を形成することにより、第１光ファイバ束１０８は光スイッチ１０４側が測定対象１０２側よりも太く構成され、又、第２光ファイバ束１０７、１０９は、各々、第１、第２光検出部１０５、１０６側が測定対象１０２側よりも太く構成されている。
【００２１】
尚、測定用光を導光すれば足りるような場合には、第１光ファイバ束１０８は光スイッチ１０４側が測定対象１０２側と同じ太さ、又、第２光ファイバ束１０７、１０９は、各々、第１、第２光検出部１０５、１０６側が測定対象１０２側と同じ太さに構成してもよい。
【００２２】
レーザ光を出力する光源１３０を、光軸２００と直交する面２１０に図形２１１を描くように走査すると、光源１３０からのレーザ光は、光ファイバ束２１２の第２束端部２１４側から入射し、光ファイバ束２１２を構成する各光ファイバ２０１を通って、第１束端部２１３側から出射する。
【００２３】
光ファイバ束２１２を構成する各光ファイバに対応する光検出素子（例えば、行及び列方向に各々２５６個（２５６×２５６個））を有する光検出部２１５を、光軸２００と直交する面内であって光ファイバ束２１２の第１束端部側に配設しておくことにより、図形２１１に対応するレーザ光は、光検出部２１５によって図形２１１を拡大した図形２１６として検出されることになる。
【００２４】
したがって、小さな測定対象の形状測定や狭い溝内の形状等の場合でも、測定対象側に配設する光ファイバ束２１２の第２束端部２１４側を小さな形状に構成することにより、第１束端部２０４側では拡大された形状等の検出データを得ることが可能になり、サイズの大きい（換言すれば、光検出素子の密度が低い）光検出部２１５を用いて、狭くて深い穴や溝の内面形状等を容易に測定することが可能になる。
【００２５】
再び図１において、光ファイバ束１０８の第２端部は透光性の支持部材１１３に一体的に形成されている。光ファイバ束１０７、１０９の各第２端部は透光性の支持部材１１１、１１２に一体的に形成されている。
支持部材１１３に対向する位置に凹レンズ１１５が配設されている。また、支持部材１１１、１１２に対向する位置に受光レンズである凸レンズ１１４、１１６が配設されている。
【００２６】
支持部材１１１〜１１３、凹レンズ１１５、凸レンズ１１４、１１６は、透光性の支持部材１１０に一体的に形成されている。これにより、支持部材１０３と支持部材１１０は光ファイバ束１０７〜１０９を介して一体的に形成されている。
光源１３０から出力された測定用光は光スイッチ部１０４に入射する。光スイッチ部１０４は演算制御部１２０によって、所定のスイッチ素子が測定用光を透過するように制御される。光スイッチ部１０４を通った測定用光は、光ファイバ束１０８、支持部材１１３及び凹レンズ１１５を介して測定対象１０２に出力される。
【００２７】
例えば、演算制御部１２０によって、光スイッチ部１０４が水平方向直線状の光を透過するように、上方から下方に向かって順次制御された場合、測定対象１０２は水平方向直線状の測定用光１１７、１１８、１１９の順で走査されることになる。
第１、第２光検出部１０５、１０６は、各々、測定対象１０２で反射した測定用光を、対応する受光レンズ１１４、１１５及び光ファイバ束１０７、１０９を介して検出する。
【００２８】
測定用光を出力する光源１３０は、受光レンズ１１４及び支持部材１１１（換言すれば光ファイバ束１０７の第２端部）や、受光レンズ１１６及び支持部材１１２（換言すれば光ファイバ束１０９の第２端部）とは、相互の位置関係が無関係に配設される。受光レンズ１１４、支持部材１１１（換言すれば光ファイバ束１０７の第２端部）、受光レンズ１１６及び支持部材１１２（換言すれば光ファイバ束１０９の第２端部）は、相互の位置関係が予め既知の所定の位置に配設されている。
【００２９】
ここで、光源１３０、光スイッチ部１０４及び演算制御部１２０は光出力手段を構成し、第１、第２光検出部は光検出手段を構成している。光スイッチ部１０４は光スイッチ手段を構成している。また、演算制御部１２０は制御手段及び算出手段を構成している。また、受光レンズ１１４、１１６、支持部材１１１、１１２は測定部を構成している。
尚、前述したように、前記複数の光検出手段相互の位置関係は既知の所定位置に配設されると共に、前記光出力手段は前記各光検出手段の位置とは無関係な任意の位置に配設される。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置の測定動作を説明するための図である。
図３において、光源１３０から測定用光を測定対象１０２に照射すると、測定対象１０２表面の照射位置（測定対象位置）では散乱光が発生して、その一部が受光レンズ１１４、１１６側に反射する。測定対象１０２で反射した前記測定用光は、各々、受光レンズ１１４、１１６を介して、受光レンズ１１４、１１６に対応して配設された透光性の支持部材１１１、１１２（換言すれば光ファイバ束１０７、１０９の第２端部）、光ファイバ束１０７、１０９を介して光検出部１０５、１０６によって検出される。
【００３１】
以下、説明を簡略化するために、２次元平面（Ｙ軸座標＝一定）の測定例で説明するが、３次元についても同様にして測定値が得られる。尚、図３において、光ファイバ束１０７、１０９はテーパ状であるため、第１端部側の像は第２端部側の像よりも大きくなる。ｎは、第２端部側の像と第１端部側の像を比較した場合の倍率である。
先ず、光検出部１０５、１０６の検出値から、受光レンズ１１６、１１４に対応するＸ座標位置を基準とする検出点までの距離ＸＬｐｉ、ＸＲｐｉ（図３ではｉ＝１）を得る。
【００３２】
一方、予め設定する既知の値として、支持部材１１１（換言すれば光ファイバ束１０７の第２端部）と受光レンズ１１４間の距離をＤｚ、支持部材１１２（換言すれば光ファイバ束１０９の第２端部）と受光レンズ１１６間の距離をＤｚ、受光レンズ１１４と受光レンズ１１６間の距離をＤｘとする。
【００３３】
測定対象１０２上の点Ｐ１のＸ及びＺ座標Ｐ１（ＸＬ１，ＺＬ１）は、次の２式によって求められる。
ＸＬ１＝Ｄｘ・Ｘλ１
ＺＬ１＝Ｄｘ・Ｄｚ・Ｘμ１
但し、Ｘλ１、Ｘμ１は次式による。
Ｘλ１＝ＸＬｐ１／（ＸＬｐ１−ＸＲｐ１）
Ｘμ１＝１／（ＸＬｐ１−ＸＲｐ１）
【００３４】
したがって、光検出部１０５、１０６によってｎＸＬｐ１、ｎＸＲｐ１を測定し、これらの測定値ｎＸＬｐ１、ｎＸＲｐ１及び既知の値Ｄｚ、Ｄｘを用いると共に前記各式を用いて、演算制御部１２０によって算出処理を行うことにより、受光レンズ１１４、１１６間の中心を原点Ｏとして、測定対象１０２上の測定対象位置の座標（ＸＬ１，ＺＬ１）を算出することができる。
【００３５】
また、幾何学的な算出処理を行うことにより、所定位置（例えば、原点Ｏ）から測定対象１０２までの距離も算出できる。また、光源１３０から出力する測定用光を用いて測定対象物１０２を走査しながら測定を行うことによって、測定対象１０２の複数の点を測定して、測定対象１０２の３次元形状を算出することが可能になる。
【００３６】
このように、本実施の形態に係る光学式測定装置は、反射ミラー等を用いずにテーパ状の光ファイバ束を使用しているため、簡単な構成で、測定対象１０２側の測定部を小型化することが可能になり、深溝の内面形状等を容易に測定することが可能になる。
また、光出力手段と光検出手段間の位置関係を無関係に設定して測定を行うことが可能になるため、測定の自由度が大きくなり、測定部の小型化が可能、複雑な形状の測定対象物の形状等の測定が可能等、測定対象１０２の長さに関する特性（例えば、測定対象１０２の３次元形状、所定位置から測定対象１０２までの距離、所定位置を基準とする測定対象１０２上の所定点の座標、所定形状と測定対象１０２間の形状誤差）を測定することが可能になる。
【００３７】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の基本構成を示す斜視図である。
前記第１の実施の形態においては、複数の光検出部１０５、１０６を使用したが、本第２の実施の形態では、支持部材４０１に取り付けられた１つの光検出部４０２を用いて測定用光を検出するように構成している。光検出部４０２は、光検出部１０５、１０６と同様に複数（例えば、２５６×２５６個）の光検出素子をマトリクス状に配設した構成のものである。
【００３８】
以下、主として、本第２の実施の形態が前記第１の実施の形態と相違する部分について説明する。
図４において、光源１３０からの測定用光は、演算制御部１２０の制御の下に光スイッチ部１０４によって選択されパターンの測定用光が光ファイバ束１０８、支持部材１１３、凹レンズ１１５を介して測定対象１０２に照射される。
【００３９】
測定対象１０２で反射した測定用光は、一方の経路では、受光レンズ１１４、支持部材１１１及び光ファイバ束１０７を介して光検出部４０２に入力され、他方の経路では、受光レンズ１１６、支持部材１１２及び光ファイバ束１０９を介して光検出部４０２に入力される。
光検出部４０２が前記２つの経路を介して検出した測定用光に基づいて、演算制御部１２０は、前記第１の実施の形態で説明したようにして、測定対象１０２の形状等、測定対象１０２の長さに関する特性を算出する。
【００４０】
尚、本第２の実施の形態では、前記２つの経路を介して光検出部４０２に入射する測定用光が、光検出部４０２の同一光検出素子に入射する場合には測定することができなくなるため、同一光検出素子に入射しないような測定用光のパターンによって測定対象１０２を走査する、あるいは、前記複数の経路を介して測定用光が光検出部４０２に入射するタイミングをずらす等すればよい。
【００４１】
以上述べたように、本発明の実施の形態に係る光学式測定装置によれば、演算制御部１２０は測定対象１０２を走査するパターンで光スイッチ部１０４のオン、オフを制御し、光源１３０からの測定用光は光スイッチ部１０４、第１光ファイバ束１０８及び凹レンズ１１５を介して測定対象１０２に照射され、測定対象１０２で反射した測定用光は受光レンズ１１４及び第２光ファイバ束１０７を介して光検出部１０５によって検出されると共に、受光レンズ１１６及び第２光ファイバ束１０９を介して光検出部１０６によって検出され、演算制御部１２０は光検出部１０５、１０６によって検出した測定用光に基づいて測定対象１０２の３次元形状等の長さに関する特性をを算出するようにしている。
【００４２】
したがって、簡単な構成で、測定対象１０２側に配置される測定部を小型化することが可能になる。また、前記第２の実施の形態によれば、光検出部は１個ですむため、構成が更に簡単になり廉価に構成することが可能になる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
自動車用トランスミッション等をはじめとして、深溝内面や深穴内面の３次元形状等、光測定部の小型化が必要な光学式測定装置に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置の基本構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置に使用する光ファイバ束の構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置の測定動作を説明するための図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の基本構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０１・・・光学式測定装置
１０２・・・測定対象
１０３・・・第１支持部材
１０４・・・光スイッチ部
１０５・・・第１光検出部
１０６・・・第２光検出部
１０８・・・第１光ファイバ束
１０７、１０９・・・第２光ファイバ束
１１１〜１１３・・・支持部材
１１５・・・凹レンズ
１１４、１１６・・・受光レンズ
１１７〜１１９・・・測定用光
１２０・・・演算制御部
１３０・・・光源
２００・・・光軸
２０１・・・光ファイバ
２０２・・・導光部
２０３・・・被覆部
２０４・・・第１端部
２０５・・・第２端部
２１０・・・面２１０
２１１、２１６・・・図形
２１２・・・光ファイバ束
２１３・・・第１束端部
２１４・・・第２束端部
２１５・・・光検出部
４０１・・・支持部材
４０２・・・光検出部
【図１】
2008196930.tif 000003
【図２】
2008196930.tif 000004
【図３】
2008196930.tif 000005
【図４】
2008196930.tif 000006