(57)【要約】【課題】一面検出及び二面検出を行なう角度測定装置において、測定精度の向上を目的とする。【解決手段】コンソール８０にて一面検出を選択するとともに、各種設定を行なって決定操作すると、ＣＰＵ６０はその情報を受けてレーザ光源１０に所定の駆動信号を送信するとともに、アクチュエータ２３に対して駆動信号を送信し、コリーメータレンズ２２を▲１▼の位置に移動させる。そうすると、コリメータレンズ２２から出射される平行光（図中の破線）のビーム径はＤ１とされる。一方、コンソール８０で二面検出を選択して決定操作すると、ＣＰＵ６０はレーザ光源１０に所定の駆動信号を送信するとともに、アクチュエータ２３に対して駆動信号を送信し、コリーメータレンズ２２を▲２▼の位置に移動させる。そうすると、コリメータレンズ２２から出射される平行光（図中の実線）のビーム径はＤ１よりも大きいＤ２とされる。【選択図】  図１
2004301608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動作モード切換手段によって、単一の被測定対象物の傾き角を測定する一面検出動作と、２つの被測定対象物相互間の相対的な傾き角を測定する二面検出動作とを選択的に切換可能に構成され、
前記一面検出動作では、投光手段からの平行光を光分岐手段を介して被測定対象物に照射するとともに、その被測定対象物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面に集光し、前記撮像面上のスポット位置に応じて出力される前記撮像手段からの撮像信号に基づいて前記被測定対象物の傾き角を測定し、
前記二面検出動作では、前記２つの被測定対象物に前記投光手段からの平行光を光分岐手段を介して照射するとともに、それらの被測定対象物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面上に集光し、その撮像面上に形成された２つのスポット間の距離に応じて出力される前記撮像手段からの撮像信号に基づいて前記２つの被測定対象物相互間の相対的な傾き角を測定するようにした角度測定装置において、
前記投光手段は、光を投光する投光素子と、前記投光素子から受けた光を所要のビーム径の平行光に変換するとともに、そのビーム径を任意の値に変更できるビーム径可変手段とから構成されており、
前記ビーム径可変手段は、前記動作モード切換手段からの信号を受けて、前記二面検出動作が選択された場合には前記一面検出動作が選択された場合よりも相対的に大きなビーム径に設定することを特徴とする角度測定装置。
【請求項２】
前記ビーム径可変手段は、前記投光素子からの光を発散させる発散レンズと、
前記発散レンズからの発散光を平行光に変えるコリメータレンズと、前記発散レンズと前記コリメータレンズとの間の距離を変化させるレンズ駆動手段とを備えており、
前記動作モード切換手段からの信号に基づき前記レンズ駆動手段が動作するようにされていることを特徴とする請求項１記載の角度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、角度測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定対象物の被測定面の傾きを測定する角度測定装置として、従来から図５に示すようにオートコリメータを用いたものが挙げられる。これは、投光素子１１０から出射された光をコリメータレンズ１２０により平行光に変え、この平行光をビームスプリッタ１３０で反射させてワークＷ１に照射し、ワークＷ１からの反射光をビームスプリッタ１３０を介して収束レンズ１４０により集光させて、ＣＣＤ１５０の撮像面上に受光スポットを形成させる。そして、形成された受光スポット位置からワークＷ１の傾き角を測定する構成とされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
具体的な傾き角の測定方法として、ＣＣＤ１５０から出力される各画素の受光量に基づいたディジタル信号からなる撮像信号をＣＰＵ１６０が受けて、この撮像信号により受光スポットに一致する画素を検出し、その画素と基準位置にある画素との距離に基づいて傾き角を算出するのである。
【０００４】
また、この種の角度測定装置では、上記のように被測定対象物の傾き角を測定するいわゆる一面検出のほかに、２つのワークＷ１，Ｗ２相互間の相対的な傾き角を検出するいわゆる二面検出の機能が備えられている。これは、両ワークＷ１，Ｗ２に平行光を照射し、これらワークＷ１，Ｗ２からの反射光を収束レンズ１４０により集光してＣＣＤ１５０の撮像面上に受光スポットを形成させる。このとき、撮像面上には２つの受光スポットが形成されるから、これら受光スポットの距離からワークＷ１，Ｗ２相互間の相対的な傾き角が算出される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１３９９１９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、一面検出及び二面検出では、それぞれ精度の高い測定を行なうために、コリメータレンズから出射される平行光のビーム径を以下のように設定することが望ましい。
尚、撮像面上に形成される受光スポットのスポット径ｄは、
ｄ＝１．２２λ／（ｎ＊ｓｉｎθ）・・・（式１）
（λ：光の波長  ｎ：光路の媒質の屈折率  θ：受光スポットからみた収束光の広がり角）
で定義される。
【０００７】
まず、一面検出の場合には、撮像面上に形成される受光スポットのスポット径はある程度の数の画素によって形成されていることが望ましい。一面検出では、形成された受光スポットの面積重心位置又は体積重心位置を求め、その重心位置に一致する画素を受光スポットの中心として決定しているため、外乱光等により受光スポットを形成している画素又はそれ以外の画素に不要な光が照射されると、本来の重心位置からずれた位置が受光スポットの中心位置として決定されることにより測定誤差が生じてしまう。このときに、受光スポットのスポット径をある程度の大きさにしておけば、外乱光等による影響が排除され、測定誤差が小さくされて測定精度を高めることができるからである。
従って、上記式１を参照すると、所定の受光スポット径を確保するにはθを小さくすれば良く、結局、コリメータレンズから出射される平行光のビーム径を小さく設定すれば良いのである。
【０００８】
二面検出の場合には、撮像面上に形成される受光スポットのスポット径は極力小さいほうが望ましい。二面検出では、受光スポットを分離してそれぞれのピーク位置に該当する画素を求め、これらの画素間の距離に基づいて相対的な傾き角を測定しており、ピーク位置が識別不能とされたときの相対的な傾き角が測定限界とされる。従って、測定限界を高める（即ち、分解能を高める）ためには、各受光スポットのスポット径を小さくすれば尖鋭な受光量分布を得られ、ピーク位置を識別可能な距離が狭まって精度の高い測定を行なうことができるからである。
従って、上記式１を参照すれば、θを大きくすれば良く、結局、コリメータレンズから出射される平行光のビーム径を大きくすれば良いのである。
【０００９】
このように、一面検出及び二面検出の機能を有する角度測定装置では、それぞれの検出動作において高精度な測定を行なうには、装置から出射される平行光のビーム径をそれぞれ最適な径に設定しなければならないのであるが、上記の角度測定装置では平行光のビーム径を変えることができないため、例えば、一面検出に適したビーム径に設定した場合には二面検出の測定精度が低下し、二面検出に適したビーム径とした場合には、一面検出の測定精度が低下するという問題が生ずる。
【００１０】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、一面及び二面検出を行うことができる角度測定装置において、精度の高い測定を行なうことを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、動作モード切換手段によって、単一の被測定対象物の傾き角を測定する一面検出動作と、２つの被測定対象物相互間の相対的な傾き角を測定する二面検出動作とを選択的に切換可能に構成され、前記一面検出動作では、投光手段からの平行光を光分岐手段を介して被測定対象物に照射するとともに、その被測定対象物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面に集光し、前記撮像面上のスポット位置に応じて出力される前記撮像手段からの撮像信号に基づいて前記被測定対象物の傾き角を測定し、前記二面検出動作では、前記２つの被測定対象物に前記投光手段からの平行光を光分岐手段を介して照射するとともに、それらの被測定対象物からの反射光を前記光分岐手段により前記投光手段からの光とは別の方向に分岐させて撮像手段の撮像面上に集光し、その撮像面上に形成された２つのスポット間の距離に応じて出力される前記撮像手段からの撮像信号に基づいて前記２つの被測定対象物相互間の相対的な傾き角を測定するようにした角度測定装置において、前記投光手段は、光を投光する投光素子と、前記投光素子から受けた光を所要のビーム径の平行光に変換するとともに、そのビーム径を任意の値に変更できるビーム径可変手段とから構成されており、前記ビーム径可変手段は、前記動作モード切換手段からの信号を受けて、前記二面検出動作が選択された場合には前記一面検出動作が選択された場合よりも相対的に大きなビーム径に設定するところに特徴を有する。
【００１２】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記ビーム径可変手段は、前記投光素子からの光を発散させる発散レンズと、前記発散レンズからの発散光を平行光に変えるコリメータレンズと、前記発散レンズと前記コリメータレンズとの間の距離を変化させるレンズ駆動手段とを備えており、前記動作モード切換手段からの信号に基づき前記レンズ駆動手段が動作するようにされているところに特徴を有する。
【００１３】
【発明の作用及び効果】
本発明によれば、ビーム径設定手段によりスポット径を設定すれば、ビーム径可変手段が動作して、装置からは設定されたスポット径の平行光が出射される。従って、一面検出と複数面検出とでそれぞれ最適なスポット径に設定すれば、両検出動作共精度の高い測定を行なうことができる（請求項１の発明）。
【００１４】
また、ビーム径可変手段は具体的には、投光素子からの光を発散させる発散レンズと、発散レンズからの発散光を平行光に変えるコリメータレンズと、発散レンズとコリメータレンズとの間の距離を変化させるレンズ駆動手段とを備え、動作モード切換手段からの信号に基づいてレンズ駆動手段が動作するように構成することができる（請求項２の発明）。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明に係る角度測定装置の一実施形態について図１乃至図３を参照して説明する。本発明の角度測定装置は、ワークＷ（Ｗ１）の傾き角を測定する一面検出と、２つのワークＷ（Ｗ１，Ｗ２）相互間の相対的な傾き角を検出する二面検出とを選択的に行なうものである。
【００１６】
図１に示すように、本装置はレーザ光源１０（投光素子）、ビームエキスパンダ２０（ビーム径可変手段）、ビームスプリッタ３０、収束レンズ４０、ＣＣＤ５０（撮像手段）及びＣＰＵ６０とを備えているとともに、外部機器との情報のやり取りを行なうためのインターフェイス７０を備えている。
【００１７】
レーザ光源１０からの光はビームエキスパンダ２０により所定ビーム径の平行光に変えられる。平行光はビームスプリッタ３０で反射して、ワークＷに照射され、その反射光はビームスプリッタを透過して収束レンズ４０より集光されることによりＣＣＤ５０の撮像面上に受光スポットＳが形成される。また、ＣＣＤ５０は撮像面を構成する各画素の受光量の基づいたディジタル信号列からなる撮像信号がＣＰＵ６０に送信する。
【００１８】
ビームエキスパンダ２０は、発散レンズ２１とコリメータレンズ２２とを備えており、レーザ光源１０からの光を発散レンズ２１で発散光に変え、その後コリメータレンズにより発散光から平行光を得る。
また、ビームエキスパンダ２０には、コリメータレンズ２２を光軸ＬＣに沿った方向に移動させるアクチュエータ２３が備えられている。このアクチュエータ２３はＣＰＵ６０からの駆動信号を受けてコリメータレンズ２２を所定距離移動させる。これによって、発散レンズ２１との距離を変化させてコリメータレンズ３０からの出射される平行光のビーム径を可変可能にしている。
【００１９】
インタフェース７０には、一面検出又は二面検出の選択入力及びその他各種条件を入力するコンソール８０（動作モード切換手段）が接続されており、このコンソール８０で各条件を入力した後決定操作することで、その情報がＣＰＵ６０に出力される。
【００２０】
ＣＰＵ６０は、コンソール８０から受信した情報に基づいて装置各部の動作を制御する。具体的にはコンソール８０において一面検出が選択されている場合には、レーザ光源１０に所定の駆動電流を供給するとともに、アクチュエータ２３に駆動信号を送信して、コリメータレンズ２２を発散レンズ２１から近い▲１▼の位置に移動させる。そして、ＣＣＤ５０から受信した撮像信号に基づいて撮像面上の受光スポットＳの位置からワークＷ（Ｗ１）の傾き角を測定する。
一方、二面検出が選択されているときには、コリーメータレンズ２２を発散レンズ２１から遠い▲２▼の位置に移動させるとともに、ＣＣＤ５０からの撮像信号に基づいて２つの受光スポットＳの位置の距離からワークＷ（Ｗ１，Ｗ２）相互間の相対的な傾き角を測定する。
【００２１】
本実施形態の構成は以上であり、続いてその作用について説明する。
＜一面検出＞
コンソール８０にて一面検出を選択するとともに、各種設定を行なって決定操作すると、ＣＰＵ６０はその情報を受けて一面検出動作を行なう。まず、ＣＰＵ６０はレーザ光源１０に所定の駆動信号を送信するとともに、アクチュエータ２３に対して駆動信号を送信し、コリーメータレンズ２２を▲１▼の位置に移動させる。そうすると、コリメータレンズ２２から出射される平行光（図中の破線）のビーム径はＤ１とされて、そのビーム径を保ったままビームスプリッタ３０を反射してワークＷ１に照射される。ワークＷ１からの反射光はビームスプリッタ３０を介して収束レンズ４０にて集光され、ＣＣＤ５０の撮像面上に受光スポットＳを形成する。尚、反射光のビーム径は装置から出射された平行光のビーム径Ｄ１と同一であることは勿論である。
【００２２】
ここで、ＣＣＤ５０の撮像面上に形成されている受光スポットＳのスポット径ｄは、従来技術の説明においても示したように次式で表すことができる。
ｄ＝１．２２λ／（ｎ＊ｓｉｎθ）・・・（式１）
（λ：光の波長  ｎ：光路の媒質の屈折率  θ：受光スポットＳからみた収束光の広がり角）
一面検出の際には広がり角はθ１とされて、上記の式から撮像面上に形成される受光スポットＳのスポット径はｄ１とされる（図２（Ａ）参照）、また撮像面のＸ軸上における受光量分布は後述する二面検出における受光量分布に比べてなだらかとされている（図３（Ａ）参照）。
そして、受光スポットＳと原点Ｏ（例えば、撮像面の中央部分）との距離に基づいてワークＷ１の傾き角を測定する。
尚、受光スポットＳは複数画素に亘って構成されるのが一般的であるから、実際には受光スポットＳを構成する画素のうち１つの画素を代表して受光スポットＳの中心として決定し、上記の方法で傾き角を測定する。
また、上記受光スポットＳの中心を決定する方法としては、面積重心位置又は体積重心位置を求めその重心位置の画素を受光スポットＳの中心とする方法、又は、最大受光量とされている画素を受光スポットＳの中心として決定する方法があり、どちらの方法を適用してもよい。
【００２３】
＜二面検出＞
コンソール８０で二面検出を選択して決定操作すると、その情報を受けたＣＰＵ７０はレーザ光源１０に所定の駆動信号を送信するとともに、アクチュエータ２３に対して駆動信号を送信し、コリーメータレンズ２２を▲２▼の位置に移動させる。そうすると、コリメータレンズ２２から出射される平行光（図中の実線）のビーム径はＤ１よりも大きいＤ２とされて、そのビーム径を保ったままビームスプリッタ３０を反射してワークＷ１，Ｗ２に照射される。ワークＷ１、Ｗ２からの反射光はビームスプリッタ３０を介して収束レンズ４０にて集光され、ＣＣＤ５０の撮像面上に受光スポットＳを形成する。ここで、反射光のビーム径は装置から出射された平行光のビーム径Ｄ２と同一であることは勿論である。
尚、二面検出を行なう場合には、両ワークＷ１，Ｗ２を縦横両方向にオフセットして配置し、それぞれのワークＷ１、Ｗ２に直接平行光が照射されるようにする。また、例えばワークＷ２が光透過性を有するものである場合には、装置からの平行光をワークＷ２に照射し、ワークＷ２を透過した光をワークＷ１に照射するように配置することもできる。
【００２４】
撮像面上に形成される受光スポットＳはワークＷ１，Ｗ２からの反射光により２つ形成される。
二面検出の際の広がり角は一面検出におけるθ１よりも大きいθ２とされており、上記式１から撮像面上に形成される受光スポットＳのスポット径はｄ１よりも小さいｄ２とされる（図２（Ｂ）参照）。また、撮像面のＸ軸上の受光量分布は一面検出における受光スポットＳの受光量分布と比べて尖鋭とされている（図３（Ｂ）参照）。そして、２つの受光スポットＳを分離してそれぞれのピーク位置に該当する画素を求め、これらの画素間の距離に基づいて相対的な傾き角を測定する。
【００２５】
ところで、一面検出の場合には、撮像面上に形成される受光スポットＳのスポット径はある程度の数の画素によって形成されていることが望ましい。一面検出では、形成された受光スポットＳの面積重心位置又は体積重心位置を求め、その重心位置に一致する画素を受光スポットＳの中心として決定しているため、外乱光等により受光スポットＳを形成している画素又はそれ以外の画素に不要な光が照射されると、本来の重心位置からずれた位置が受光スポットＳの中心位置として決定されることにより測定誤差が生じてしまう。このときに、受光スポットＳのスポット径をある程度の大きさにしておけば、外乱光等による影響が排除され、測定誤差が小さくされて測定精度を高めることができるからである。
【００２６】
一方、二面検出の場合には、撮像面上に形成される受光スポットＳのスポット径は極力小さいほうが望ましい。二面検出では、受光スポットＳを分離してそれぞれのピーク位置に該当する画素を求め、これらの画素間の距離に基づいて相対的な傾き角を測定しており、ピーク位置が識別不能とされたときの相対的な傾き角が測定限界とされる。従って、測定限界を高める（即ち、分解能を高める）ためには、各受光スポットＳのスポット径を小さくすれば尖鋭な受光量分布を得られ、ピーク位置を識別可能な距離が狭まって精度の高い測定を行なうことができるからである。
【００２７】
そこで本実施形態では、一面検出と二面検出とで装置から出射される平行光のビーム径を変えることでＣＣＤ５０の撮像面上に形成される受光スポットＳのスポット径をそれぞれの検出において最適なスポット径に調整しているから、両検出動作において、ともに高精度な測定を行なうことができる。
【００２８】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、コンソール９０から一面検出又は二面検出を選択していたが、例えば角度測定装置本体に切換スイッチ等を設け、その切換操作により検出動作を選択するような構成であっても良い。
【００２９】
（２）また、上記実施形態では、コリメータレンズ２２をアクチュエータ２３により光軸ＬＣに沿った方向に移動させる構成としていたが、例えば発散レンズ２１をアクチュエータ２３により光軸ＬＣの方向に移動させるような構成としても良い。
【００３０】
（３）上記実施形態では、ビームエキスパンダ２０として、発散レンズ２１、コリメータレンズ２２及びアクチュエータ２３で構成した例を示したが、例えば、発散レンズ２１の代わりに光透過孔を有するスリット板を用いても良い。
（４）また、スリット板を用いる場合には、このスリット板をアクチュエータ２３により光軸ＬＣに沿った方向に移動させるように構成してもよい。
（５）また、スリット板の光透過孔に絞りを設け、コリメータレンズ２２との距離を一定に保ったままその絞りを動作させて光透過孔の開口面積を可変させることで、コリメータレンズ２２に入射する光のビーム径を可変させる構成としてもよい。
【００３１】
（６）また、コリメータレンズ２２とビームスプリッタ３０との間に光透過孔を有するスリット板を設けるとともに、この光透過孔に絞りを設け、この絞りを動作させることで、コリメータレンズ２２から出射される平行光のビーム径を可変させるように構成しても良い。
【００３２】
（７）また、ビームスプリッタ３０とワークＷとの間にコリメータレンズを配する構成としてもよい。そうすれば、コリメータレンズは収束レンズ４０としての機能をも果たすから、収束レンズ４０を省略して装置の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る角度測定装置の構成図
【図２】（Ａ）一面検出時に撮像面上に形成される受光スポットを示した図
（Ｂ）二面検出時に撮像面上に形成される受光スポットを示した図
【図３】（Ａ）一面検出時の撮像面Ｘ軸上における受光強度分布を示したグラフ
（Ｂ）二面検出時の撮像面Ｘ軸上における受光強度分布を示したグラフ
【図４】従来の角度測定装置の構成図
【符号の説明】
１０…レーザ光源
２０…ビームエキスパンダ
２１…発散レンズ
２２…コリメータレンズ
３０…ビームスプリッタ
４０…収束レンズ
５０…ＣＣＤ
６０…ＣＰＵ
８０…コンソール
Ｏ…原点
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２…受光スポット
Ｄ１，Ｄ２…ビーム径
ｄ１，ｄ２…スポット径
θ１，θ２…広がり角
【図１】
2004301608.tif 000003
【図２】
2004301608.tif 000004
【図３】
2004301608.tif 000005
【図４】
2004301608.tif 000006