(57)【要約】【課題】  反射光像の傾きを容易に補正することができる表面形状検出装置を提供することを目的とする。【解決手段】  反射光像ＲＩが基準線ＲＬに対して角度θ１傾いている場合には、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２が基準線ＲＬに対して−θ１傾いている。このような場合には、調整つまみ２１を＋θ方向に回転させることで、ダブプリズム１７を−θ方向に回転させ、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２の反転中心線Ｒに対する角度が初期位置における角度θ２からさらに大きい（θ２＋θ１／２）にする。  そうすると、反転中心線Ｒと基準線ＲＬとのなす角が（θ２＋θ１／２）となり、光像Ｉ２と反転中心線Ｒとのなす角に等しくなる。上記のダブプリズム１７の原理により、結局、撮像面１３Ａに対する反射光像ＲＩの傾きが０°となる。【選択図】  図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
投光手段からの光を検出対象物の検出面上に線状に照射し、前記検出面からの反射光を２次元撮像素子にて受光して反射光像を形成し、前記２次元撮像素子の各画素を走査することでこれらの受光信号を出力し、これら受光信号に基づいて前記検出面の形状を検出する表面形状検出装置において、
前記反射光像と前記２次元撮像素子とを相対的に回転させる像回転手段と、
前記像回転手段を所定角度傾けることにより前記反射光像を任意の角度に回転させる調整手段とを備えることを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項２】
前記像回転手段を、ダブプリズム（ＤｏｖｅＰｒｉｓｍ）により構成するとともに、これを前記検出対象物と前記２次元撮像素子との間に配し、
前記調整手段は前記ダブプリズムの入出射面の回転中心線と前記検出面上における線形像とを光軸に対して所定角度傾けるようにして配置可能としたことを特徴とする請求項１に記載の表面形状検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状検出装置に係り、特に、反射光像を回転させる構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面形状検出装置は、例えばスリット板を介して出射した光を検出対象物の表面に照射させ、その反射光を２次元撮像素子にて受光するようになっている。反射光により２次元撮像素子１１０上に形成される反射光像１２０は、検出対象物の表面が平坦であれば、上記スリットの開口形と同じ形状（例えば直線状）をなす。一方、検出対象物の表面が凸凹である場合には、その凸凹に応じた形状をなす。従って、２次元撮像素子１１０での反射光像１２０に基づいて検出対象物の表面形状を検出することができる。
【０００３】
具体的には、２次元撮像素子１１０の各画素からの受光信号を、上記反射光像１２０の長さ方向と直交する方向に沿った走査線Ｌ毎に読み込み、所定の閾値と比較し、この閾値以上のレベルの受光信号に基づいて各走査線Ｌ上における受光中心位置を検出する。そして、これら走査線Ｌ毎の受光中心位置から検出対象物のうち光を照射した部位の表面形状を検出でき、検出対象物と表面測定装置とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、検出対象物全体の表面形状を検出するようになっている（図１７参照）。
【特許文献１】特開２００２−２８６４２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記装置を実際に使用する際には、ライン上を流れる検出対象物に光を照射し、反射光像１２０が２次元撮像素子１１０に対して正規の姿勢、即ち、
反射光像１２０の横方向の軸線が走査線Ｌに対して直交するように微調整する必要がある。このような場合には、作業者が装置全体を回転させつつ、この２次元撮像素子１１０にて撮像された反射光像１２０をモニタリングし、その反射光像１２０が２次元撮像素子１１０に対して正規の姿勢となるまで、上記調整動作を繰り返す。
【０００５】
しかしながら、装置全体を直接回転操作させるようにしたのでは微調整が極めて困難となり、調整作業に手間取るという欠点がある。
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、反射光像の傾きを容易に補正することができる表面形状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】
【０００６】
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、投光手段からの光を検出対象物の検出面上に線状に照射し、前記検出面からの反射光を２次元撮像素子にて受光して反射光像を形成し、前記２次元撮像素子の各画素を走査することでこれらの受光信号を出力し、これら受光信号に基づいて前記検出面の形状を検出する表面形状検出装置において、
前記反射光像と前記２次元撮像素子とを相対的に回転させる像回転手段と、
前記像回転手段を所定角度傾けることにより前記反射光像を任意の角度に回転させる調整手段とを備えるところに特徴を有する。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記像回転手段を、ダブプリズム（ＤｏｖｅＰｒｉｓｍ）により構成するとともに、これを前記検出対象物と前記２次元撮像素子との間に配し、
前記調整手段は前記ダブプリズムの入出射面の回転中心線と前記検出面上における線形像とを光軸に対して所定角度傾けるようにして配置可能としたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００８】
＜請求項１の発明＞
請求項１の発明では、撮像素子に形成される反射光像が傾いている場合には、調整手段により像回転手段を任意の角度回転させて反射光像を撮像素子に対して正規の姿勢となるようにすればよい。これにより、従来、手作業で撮像素子を回転させていたのに対して、所定の角度だけ正確に反射光像を回転させることができるから、調整作業が簡略化される。
【０００９】
＜請求項２の発明＞
請求項２の発明では、ダブプリズムにより像回転手段を構成しているから、従来の表面形状検出装置で構成されている光路において、検出対象物と撮像素子との間に介在させるだけで良い。これにより、光学設計を簡素化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図１６を参照して説明する。
＜全体構成＞
図１には、本実施形態に係る表面形状検出装置の全体構成図が示されている。符号１１はレーザ光源１１で、ここからレーザ光Ｒ１（平行光）が検出対象物Ｗの表面に向けて出射される。このレーザ光源１１の前方には、所定方向（本実施形態では図１の紙面奥行き方向）に長く延びた開口断面を有するスリット板１２が配されている。従って、検出対象物Ｗの表面に向けて、スリット板１２の開口形状に対応した板状のレーザ光Ｒ１が照射されることになる。なお、スリット板１２の開口部形状は長手方向の幅（検出対象物Ｗに照射されるレーザ光の横幅寸法）が約１０ｍｍ、短手方向の幅（検出対象物Ｗに照射されるレーザ光の厚さ寸法）は約２００μｍに設定されている。
【００１１】
レーザ光源１１からスリット板１２を介して検出対象物Ｗの表面Ｐ（検出面）に照射され当該検出対象物Ｗ表面で正反射した反射光（以下、「反射光Ｒ２」という）は、ダブプリズム１７を通過して回路基板Ｂに実装されている二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにて受光される。
【００１２】
ここで、上記レーザ反射光Ｒ２が二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａ上に形成する反射光像ＲＩは、検出対象物Ｗの表面Ｐ（照射範囲）が平坦であれば、上記スリット板１２の開口形状に対応して一直線状をなす。一方、図２に示すように、検出対象物Ｗの表面Ｐに例えば凸部が形成されている場合には、この凸部形状に応じた凸状の反射光像ＲＩとなる。従って、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにおける反射光像ＲＩを捉えることで検出対象物Ｗの表面形状を検出することが可能となる。
【００１３】
ダブプリズム１７（Dove Prism）はイメージローテータ（像回転器）として機能するもので、入出射面１７Ａ，１７Ｂにおける有効開口面のうち上下方向の中間に位置する反転中心線Ｒを中心として反射面１７Ｃで光を反射させることにより像を反転させることができるようになっている。尚、このダブプリズム１７は平行光に対して上記機能を発揮するものである（図４〜図６参照）。
即ち、入射面１７Ａにおいて反転中心線Ｒよりも所定寸法だけ上側に入射した光は出射面１７Ｂにおいて、その反転中心線Ｒよりも所定寸法だけ下側にオフセットした位置から出射し、入射面１７Ａにおいて反転中心線Ｒよりも所定寸法だけ下側に入射した光は出射面１７Ｂにおいて、その反転中心線Ｒよりも所定寸法だけ上側にオフセットした位置から出射することとなる。
【００１４】
例えば、図５に示すように、入出射面１７Ａ，１７Ｂの反転中心線Ｒが表面Ｐ上に形成される線形像Ｉ１に対して光軸ＬＣに沿った方向において所定角度θ傾けるようにして配置した場合、入射面１７Ａを正面から見ると、入射面１７Ａに仮想的に形成される光像Ｉ２は反転中心線Ｒに対してθの角度で傾いている。そうすると、出射面１７Ｂを入射面１７Ａ側からみたときの、この出射面１７Ｂに仮想的に形成される光像Ｉ３は入射面１７Ａに形成される光像Ｉ２に対して２θ回転するとともに、反転中心線Ｒに対して−θ回転することとなる。
図６に示すように、光像Ｉ２のうち、任意の点Ａ〜Ｆに注目すると、各点Ａ〜Ｆの入射位置（高さ位置）がそれぞれ異なっている。先に説明したように、このプリズム１７は反転中心線Ｒを中心として上下反転させるようになっているから、各点Ａ〜Ｆの出射面１７Ｂにおける高さ位置は反転中心線Ｒとの相対距離に応じて上下の位置が変換される。すると、図５に示すように、光像Ｉ２に対して光像Ｉ３が角度θ回転し、結果として反転中心線Ｒに対して角度２θ（−θ）回転する。
【００１５】
回転機構１８（調整手段）は、図３及び図４に示すように、ダブプリズム１７を収容し、外周面に歯部１９Ａを有する円筒状の収容部１９と、歯部１９Ａに歯合するギヤ部２０と、このギヤ部２０の中心軸から垂直に延設されている棒状の調整つまみ２１とから構成されており、それぞれ装置のハウジングに支持されている。また、ダブプリズム１７の中心軸Ｃ１と収容部１９の軸Ｃ２とが一致しており、歯部１９Ａとギヤ部２０とのギヤ比（ピッチ円の比率）が所定の比とされている。
従って、調整つまみ２１を回転させることにより、ダブプリズム１７が中心軸Ｃ１回りに回転するようになっており、勿論、調整つまみ２１の回転方向を正逆切り替えることによりダブプリズム１７の回転方向を切り替えることができる。
本実施形態では、図３に示すように、調整つまみ２１を＋θ（−θ）方向に回転させると、ダブプリズム１７が−θ（＋θ）方向に回転するようになっている。
尚、上記ギヤ比を変更することにより、ダブプリズム１７の回転角度の精度を調整することができるから、所望の精度を得ることができ、無用に精度を高くして大まかな調整に手間取ったり、逆に、精度劣化を招くといった不具合を防止できる。
【００１６】
ＣＣＤ駆動回路１４は、制御部１５からの駆動信号に基づいて二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａの各画素からの受光信号を走査線Ｌ（Ｌ１〜ＬＮ）毎に順次読み取る。本実施形態では、走査線Ｌの方向（画素のスキャン方向）は、スリット板１２を通過したレーザ光の厚さ方向と平行な方向、換言すれば、スリット板１２の開口部の延長方向と平行な方向（反射光Ｒ２による撮像面１３Ａ上の反射光像ＲＩの長さ方向）に沿っている。図８では紙面上下方向が走査線Ｌの方向である。
【００１７】
＜検出動作＞
本実施形態の構成は以上であり、続いてその検出動作について説明する。
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与えて発光させ、これに同期してＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて二次元ＣＣＤ１３からの受光信号を１〜Ｎ本の各走査線Ｌ毎に読み込む。そして、各走査線Ｌ毎に受光中心位置を求める。
【００１８】
以下、具体的制御について図７を参照しつつ説明する。
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与え、これに同期して図４のフローチャートに示す制御を実行する。まず、ステップＳ１で走査線番号Ｋを初期値１に設定し、ステップＳ２で、ＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて走査線Ｌ１（Ｋ＝１）内の画素での受光信号が連なってなる信号を受け、各画素での受光信号レベルと所定の閾値Ｄとを比較する（図９参照）。
【００１９】
そうすると、図９に示すように、連続する画素群（連続画素群）が閾値Ｄを上回ることとなり、この連続画素群のうち最大受光量の画素を受光中心位置と判断する（ステップＳ３）。
以降、上記動作を１〜Ｎ番目までの走査線Ｌについて繰り返し、受光中心位置とされた画素群を元にして表面Ｐの形状を検出する。そして、検出対象物Ｗと表面測定装置とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、検出対象物Ｗ全体の表面形状を検出することができる（ステップＳ１，Ｓ４，Ｓ５）。
【００２０】
＜反射光像の傾き補正＞
ところで、上記検出動作を正確に行なうには、反射光像をＣＣＤに対して正規の姿勢、即ち、反射光像の横方向の軸線が走査線Ｌに対して直交するようにしておかねばならない。さもなければ、一走査線上で閾値Ｄを越える画素郡が複数存在することとなり、検出対象物Ｗの検出面Ｐの検出異常が発生する。従って、反射光像の傾きを確認し、正規の姿勢であれば上記検出動作に移行し、そうでなければ、傾き補正を行なう。
【００２１】
まず、検出対象物Ｗの代わりに平坦面を有するダミーワークを設置し、ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにて撮像される反射光像ＲＩをモニタ等の画像表示装置にて表示させるとともに、走査線Ｌに対して直交する基準線ＲＬを表示させる。尚、図３、図１１〜図１４において、反時計回りの方向を＋θ方向と規定する。また、図１１〜図１４において、破線を基準線ＲＬ、１点鎖線を反転中心線Ｒとし、ダブプリズム１７が初期位置（図３に示す位置、即ち、反転中心線Ｒが走査線Ｌに対して平行な位置）にある場合には、基準線ＲＬは反転中心線Ｒに対して９０°回転して設定されているものとする。
反射光像ＲＩが基準線ＲＬに対して傾いているときには、撮像面１３Ａに対して反射光像ＲＩが傾いていることを意味しているから、調整つまみ２１を回転させて反射光像ＲＩが基準線ＲＬに対して平行となるように調整する（図１０参照）。
例えば、図１１に示すように、反射光像ＲＩが基準線ＲＬに対して角度θ１傾いている場合には（図１１（Ｂ））、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２が基準線ＲＬに対して−θ１傾いている（図１１（Ａ））。このような場合には、調整つまみ２１を＋θ方向に回転させることで、ダブプリズム１７を−θ方向に回転させ、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２の反転中心線Ｒに対する角度が初期位置における角度θ２からさらに大きい（θ２＋θ１／２）にする（図１１（Ｃ））。
そうすると、反転中心線Ｒと基準線ＲＬとのなす角が（θ２＋θ１／２）となり、光像Ｉ２と反転中心線Ｒとのなす角に等しくなる（図１１（Ｃ））。上記のダブプリズム１７の原理により、結局、撮像面１３Ａに対する反射光像ＲＩの傾きが０°となる（図１１（Ｄ））。
【００２２】
逆に、図１２に示すように、反射光像ＲＩが基準線ＲＬに対して角度（−θ３）傾いている場合には（図１２（Ｂ））、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２が基準線ＲＬに対して角度（−θ４）傾いている（図１２（Ａ））。このような場合には、調整つまみ２１を−θ方向に回転させることで、ダブプリズム１７をθ方向に回転させ、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２の反転中心線Ｒに対する角度が初期位置における角度θ２からさらに大きい（−θ４−θ３／２）にする（図１２（Ｃ））。
そうすると、反転中心線Ｒと基準線ＲＬとのなす角が（θ４＋θ３／２）となり、その絶対値は光像Ｉ２と反転中心線Ｒとのなす角に等しくなる（図１２（Ｃ））。上記のダブプリズム１７の原理により、結局、撮像面１３Ａに対する反射光像ＲＩの傾きが０°となる（図１２（Ｄ））。
【００２３】
即ち、反射光像ＲＩが基準線ＲＬに対して角度θ１（−θ１）傾いている場合（入射面１７Ａにおける光像Ｉ２が基準線ＲＬに対して−θ１（θ１）傾いている場合）には、調整つまみ２１を＋θ（−θ）方向に回転させることで、ダブプリズム１７を−（＋）θ方向に回転させ、入射面１７Ａにおける光像Ｉ２と反転中心線Ｒとのなす角を初期位置（図３に示す位置）における角度θａ（−θａ）からさらに大きい（θａ＋θ／２）（−（θａ＋θ／２））にする。そうすると、反転中心線Ｒと基準線ＲＬとのなす角が（θａ＋θ／２）（−（θａ＋θ／２））となり、その絶対値は光像Ｉ２と反転中心線Ｒとのなす角に等しくなる。これにより、光像Ｉ３が基準線ＲＬに対して平行とされるとともに、反射光像ＲＩも基準線ＲＬに対して平行となるから、結局、撮像面１３Ａに対する反射光像ＲＩの傾きが０°となる（図１３及び図１４参照）。
【００２４】
このようにして、反射光像ＲＩの傾き補正を行なえば、検出対象物Ｗの反射光像ＲＩがＣＣＤ１３に対して正規の姿勢となり、表面Ｐの形状を正確に検出することができる。
また、モニタに表示する反射光像ＲＩは検出対象物Ｗの表面Ｐの長さ方向（線形像が形成されている方向）における中心線Ｈを画像処理により形成し、これを表示して上記の補正を行なっても良い（図１５及び図１６参照）。
また、モータの回転軸にギヤ部２０を取り付け、このモータに対して制御信号を送信することで、ダブプリズム１７を回転させる機構としても良い。この場合、上記の手順による傾き補正を制御装置に行なわせることで、制御信号を生成させて自動で傾き補正をする構成としても良く、また、作業者が入力手段にて回転角度を入力し得るようにして、その入力された回転角度に基づいて制御信号を生成するようにしても良い。
尚、傾き補正の方法としては、上記方法以外に、例えばスリット１２を回転させたり、ＣＣＤ１３を回転させるようにしても良い。
【００２５】
本実施形態では、ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａに形成される反射光像ＲＩが傾いている場合には、調整つまみ２１を回転操作することで反射光像ＲＩを回転させ、撮像面１３Ａに対して正規の姿勢となるように調整することができる。従って、調整つまみ２１の回転方向に対応して反射光像ＲＩが回転することとなるから、作業者の回転操作と反射光像ＲＩの回転とがリンクして調整作業がし易くなる。
また、ダブプリズム１７を用いているから、従来の表面形状検出装置で構成されている光路において、検出対象物ＷとＣＣＤ１３との間に介在させるだけで良い。これにより、光学設計を簡素化することが可能となる。
【００２６】
＜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、スリット板を介して板状のレーザビームを出射することで、検出対象物表面に（直）線状に光を照射させる構成としたが、これに限らず、例えば、比較的細い光芒の光を検出対象物の表面に照射させつつ、その照射点を所定方向に移動させることで検出対象物表面に（直）線状に光を照射させる構成としても検出対象物の表面形状の検出が可能であり、本発明の適用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態１に係る表面形状検出装置の全体図
【図２】表面形状検出装置の一部拡大図
【図３】回転機構の側面図
【図４】ダブプリズムの斜視図
【図５】ダブプリズムの入出射面と検出面とを示した図
【図６】ダブプリズムの側面図
【図７】制御部の検出処理を示したフローチャート
【図８】撮像面と反射光像とを示した図
【図９】受光中心位置の検出方法を示した概略図
【図１０】撮像面と反射光像とを示した図
【図１１】反射光像の傾き補正の手順を示した概念図
【図１２】反射光像の傾き補正の手順を示した概念図
【図１３】反射光像の傾き補正の手順を示した概念図
【図１４】反射光像の傾き補正の手順を示した概念図
【図１５】反射光像の傾き補正の手順を示した概念図
【図１６】反射光像の傾き補正の手順を示した概念図
【図１７】従来の表面形状検出装置の構成を示した図
【符号の説明】
【００２８】
１３Ａ…撮像面
１７…ダブプリズム
１７Ａ…入射面
１７Ｂ…出射面
１７Ｃ…反射面
Ｉ２，Ｉ３…光像
ＩＲ…反射光像
ＬＣ…光軸
Ｒ…反転中心線
ＲＬ…基準線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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