(57)【要約】【課題】被測定対象物の角度及び距離を正確に測定することができる光学測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】傾き測定はオートコリメーション法により行なう。まず、角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃから、最大の受光量を有する画素を集光スポット位置と決定し、撮像面における基準位置と集光スポット位置の距離及び方向から傾きの方向と傾き角とを算出する。一方、距離測定では、まず傾き測定により、ワークＷの角度を検出する。そして、距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄに基づいて最大の受光量とされている画素を光像として代表する。続いて、傾き測定で算出された傾きに基づいて補正を行ない、光像に代表された位置と基準位置との距離及び方向からワークＷの距離を算出する。【選択図】  図１
2005017257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象物に光を照射しその反射光に基づいてこの被測定対象物の傾き及び距離を測定する光学測定装置であって、
角度測定に用いる角度測定用投光手段と、
距離測定に用いる距離測定用投光手段と、
前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段からの光をスポット光として出射するコリメータレンズと、
前記コリメータレンズよりも前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側、又は、前記被測定対象物側に配され、前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段からの光を前記被測定対象物の方向に導くとともに、前記被測定対象物からの正反射光を前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側とは異なる方向に分岐させる分岐手段と、
前記正反射光を収束させる収束レンズと、
前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記角度測定用投光手段からの光による正反射光（角度測定用正反射光）を撮像面に集光させる角度測定用撮像手段と、
前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち、前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）が前記収束レンズにより収束された光が、前記被検出対象物の距離に応じた撮像面上の異なる位置に照射されるように配設される距離測定用撮像手段と、
前記角度測定用撮像手段における集光位置に基づいて前記被測定対象物の傾きを測定するとともに、前記角度測定用撮像手段における集光位置及び前記距離測定用撮像手段の撮像面における照射位置に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する測定手段とを備え、
前記距離測定用投光手段から前記被測定対象物までの光路が基線軸に対して所定の角度を有するように配されていることを特徴とする光学測定装置。
【請求項２】
前記距離測定用撮像手段は、
前記光軸方向において、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち、前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）が前記撮像面上に照射される位置で光軸方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学測定装置。
【請求項３】
前記距離測定用撮像手段を前記光軸方向に移動させる移動手段と、
測定における分解能を設定する分解能設定手段と、
所定の記憶手段とを有し、
前記記憶手段には、前記分解能設定手段により設定される分解能ごとに、前記光軸方向における前記距離測定用撮像手段の位置情報と、その位置における補正係数情報が記憶されており、
前記測定手段は、前記分解能設定手段にて設定される分解能に対応した、前記距離測定用撮像手段の前記光軸方向における前記位置情報を前記記憶手段から読み出して、前記移動手段により、前記距離測定用撮像手段を前記光軸方向に移動させるように制御を行うとともに、前記補正係数情報を読み出し、この読み出した補正係数情報に基づいて前記距離測定用撮像手段の撮像面における前記照射位置を補正し、この補正された照射位置と、前記角度測定用撮像手段における集光位置に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定することを特徴とする請求項２記載の光学測定装置。
【請求項４】
前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段をそれぞれパルス駆動することで交互にパルス点灯するとともに、
前記測定手段は、前記角度測定用投光手段の点灯に同期して前記角度測定用撮像手段の撮像面における前記集光位置に基づいて前記被測定対象物の傾きを測定し、他方、前記距離測定用投光手段の点灯に同期して前記距離測定用撮像手段の撮像面における前記照射位置に基づいて前記被測定対象物の距離を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項５】
前記コリメータレンズは、
前記角度測定用投光手段からの光を平行光に変える第１のコリメータレンズと、
前記距離測定用投光手段からの光を平行光に変える第２のコリメータレンズとから構成されており、
前記両平行光を合流させて前記分岐手段に導く光合流手段を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項６】
前記角度測定用投光手段と前記距離測定用投光手段とは互いに異なる波長帯の光を出射する構成とされており、
前記角度測定用正反射光及び距離測定用正反射光のうち一方を反射させ他方を透過させることで、前記角度測定用正反射光を前記角度測定用撮像手段に導くとともに、前記距離測定用正反射光を前記距離測定用撮像手段に導く光分岐用ダイクロイックミラーを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項７】
前記角度測定用投光手段と前記距離測定用投光手段とは、互いに同一の偏光方向とされている偏光光を出射する構成とされているとともに、前記分岐手段は偏光ビームスプリッタから構成されており、
他方、前記被測定対象物は、鏡面状の表面を有する鏡面体とされており、
前記偏光ビームスプリッタと被測定対象物との間に配され、前記偏光ビームスプリッタからの光を透過させるとともに、前記角度測定用正反射光と前記距離測定用正反射光とを透過させる１／４波長板を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光学測定装置。
【請求項８】
前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段はレーザ光源からなることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光学測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定対象物の変位及び傾きを検出するための光学測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被測定対象物の距離及び傾きを測定する光学測定装置として特許文献１及び特許文献２のものが開示されている。
このうち、特許文献１のものは三角測距の原理を用いて被測定対象物の距離及び傾きを測定するものであり、距離測定用光学系と傾き測定用光学系とを備えている。変位測定用光学系では、レンズにより収束された投光素子からの光を被測定対象物に対して斜めから投射し、反射光をレンズにより収束して撮像手段の撮像面に結像する構成とされており、その撮像面における結像位置により被測定対象物の距離を測定することができる。
また、傾き測定用光学系は、レンズにより平行光とされた投光素子からの光を被測定対象物に対して斜めから投射し、反射光をレンズにより収束して撮像手段の撮像面に結像する構成とされており、その撮像面における結像位置により被測定対象物の傾きを測定することができる。
【０００３】
一方、特許文献２のものは投光素子からの光を被測定対象物に照射し、レンズにより集光された被測定対象物からの拡散反射光を変位測定用撮像手段に受光するとともに、正反射光をプリズムで反射させて傾き測定用撮像手段にて受光する構成とされている。これにより、変位測定用撮像手段における光の照射位置に基づいて被測定対象物の変位が測定されるとともに、傾き測定用撮像手段における光の照射位置に基づいて被測定対象物の傾きが測定されるのである。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２４０４０８号公報
【特許文献２】
特開平１１−１５３４０７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特許文献１の装置では、距離測定及び角度測定の両測定とも三角測距の原理を用いているから、被測定対象物の距離により、投光素子から投光された光の照射位置、即ち、測定位置がずれる。特に、角度測定においては２種類の被測定対象物相互間の相対角度を測定する二面検出にも適用されるため、このような場合には二面の相対角度を正確に測定することができない。これに対して、投光素子からの光を被測定対象物の変位方向に沿った方向に照射させることで測定点のずれを無くすることはできるが、そうすると、変位測定用光学系と傾き測定用光学系が同軸上に配されることとなるため、距離の測定を行なうことができない。
また、被測定対象物は材質等が多岐にわたっており、例えば鏡面体の傾き及び距離を測定する場合がある。一般に鏡面体は拡散反射が生じ難いという性質を有しているため、拡散反射光に基づいて距離を測定する上記特許文献２の装置では正確な測定を行なうことができない。
【０００６】
本発明は上記のような事情に鑑みて創案されたものであって、被測定対象物の傾き及び距離を測定することができる光学測定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、被測定対象物に光を照射しその反射光に基づいてこの被測定対象物の傾き及び距離を測定する光学測定装置であって、角度測定に用いる角度測定用投光手段と、距離測定に用いる距離測定用投光手段と、前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段からの光をスポット光として出射するコリメータレンズと、前記コリメータレンズよりも前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側、又は、前記被測定対象物側に配され、前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段からの光を前記被測定対象物の方向に導くとともに、前記被測定対象物からの正反射光を前記角度測定用投光手段及び距離測定用投光手段側とは異なる方向に分岐させる分岐手段と、前記正反射光を収束させる収束レンズと、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記角度測定用投光手段からの光による正反射光（角度測定用正反射光）を撮像面に集光させる角度測定用撮像手段と、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち、前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）が前記収束レンズにより収束された光が、前記被検出対象物の距離に応じた撮像面上の異なる位置に照射されるように配設される距離測定用撮像手段と、前記角度測定用撮像手段における集光位置に基づいて前記被測定対象物の傾きを測定するとともに、前記角度測定用撮像手段における集光位置及び前記距離測定用撮像手段の撮像面における照射位置に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定する測定手段とを備え、前記距離測定用投光手段から前記被測定対象物までの光路が基線軸に対して所定の角度を有するように配されているところに特徴を有する。
【０００８】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記距離測定用撮像手段は、前記光軸方向において、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）が前記撮像面上に照射される位置で光軸方向に移動可能に構成されていることを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、請求項２に記載のものにおいて、
記距離測定用撮像手段を前記光軸方向に移動させる移動手段と、
測定における分解能を設定する分解能設定手段と、
所定の記憶手段とを有し、
前記記憶手段には、前記分解能設定手段により設定される分解能ごとに、前記光軸方向における前記距離測定用撮像手段の位置情報と、その位置における補正係数情報が記憶されており、
前記測定手段は、前記分解能設定手段にて設定される分解能に対応した、前記距離測定用撮像手段の前記光軸方向における前記位置情報を前記記憶手段から読み出して、前記移動手段により、前記距離測定用撮像手段を前記光軸方向に移動させるように制御を行うとともに、前記補正係数情報を読み出し、この読み出した補正係数情報に基づいて前記距離測定用撮像手段の撮像面における前記照射位置を補正し、この補正された照射位置と、前記角度測定用撮像手段における集光位置に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定することを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のものにおいて、前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段をそれぞれパルス駆動することで交互にパルス点灯するとともに、前記測定手段は、前記角度測定用投光手段の点灯に同期して前記角度測定用撮像手段の撮像面における前記集光位置に基づいて前記被測定対象物の傾きを測定し、他方、前記距離測定用投光手段の点灯に同期して前記距離測定用撮像手段の撮像面における前記照射位置に基づいて前記被測定対象物の距離を測定するところに特徴を有する。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のものにおいて、前記コリメータレンズは、前記角度測定用投光手段からの光を平行光に変える第１のコリメータレンズと、前記距離測定用投光手段からの光を平行光に変える第２のコリメータレンズとから構成されており、前記両平行光を合流させて前記分岐手段に導く光合流手段を備えるところに特徴を有する。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のものにおいて、前記角度測定用投光手段と前記距離測定用投光手段とは互いに異なる波長帯の光を出射する構成とされており、前記角度測定用正反射光及び距離測定用正反射光のうち一方を反射させ他方を透過させることで、前記角度測定用正反射光を前記角度測定用撮像手段に導くとともに、前記距離測定用正反射光を前記距離測定用撮像手段に導く光分岐用ダイクロイックミラーを備えるところに特徴を有する。
【００１３】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のものにおいて、前記角度測定用投光手段と前記距離測定用投光手段とは、互いに同一の偏光方向とされている偏光光を出射する構成とされているとともに、前記分岐手段は偏光ビームスプリッタから構成されており、他方、前記被測定対象物は、鏡面状の表面を有する鏡面体とされており、前記偏光ビームスプリッタと被測定対象物との間に配され、前記偏光ビームスプリッタからの光を透過させるとともに、前記角度測定用正反射光と前記距離測定用正反射光とを透過させる１／４波長板を備えるところに特徴を有する。
【００１４】
請求項８の発明は請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のものにおいて、前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段はレーザ光源からなるところに特徴を有する。
【００１５】
【発明の作用及び効果】
＜請求項１の発明＞
請求項１の発明によれば、被測定対象物からの正反射光に基づいて、距離及び傾きの測定を行なうように構成しているから、鏡面体または非鏡面体に拘わらず傾き及び距離の測定を行うことができる。
【００１６】
＜請求項２の発明＞
請求項２の発明によれば、測定条件に応じて分解能を可変して対応させることができる構成となり、１台の光学測定装置において仕様範囲を広げることができるという効果を生ずる。具体的には、例えば、分解能を低くしても測定範囲を広げたい場合や、逆に測定範囲を小さくして分解能を高くしたい場合など、様々な状況に対応し得る構成となる。
【００１７】
＜請求項３の発明＞
請求項３の発明によれば、使用者の使用環境に応じて選択される分解能に応じて自動的に距離測定用撮像手段の位置や測定手段の補正演算が決定されるので、使い勝手（利便性）がより向上するという効果を生ずる。
【００１８】
＜請求項４の発明＞
請求項４の発明よれば、両者から出射した光が干渉することがなく、一層精度の高い測定を行なうことができる。
【００１９】
＜請求項５の発明＞
請求項５の発明では、両投光手段からの光をそれぞれ第１及び第２のコリメータレンズにより平行光に変えてから分岐手段に導く構成としているから、両投光手段から分岐手段までの光学的距離の調整を行なう必要がなく装置内の光学系の組付け精度を緩やかにすることができる。また、光学系の調整作業も簡略化することができる。
【００２０】
＜請求項６の発明＞
請求項６の発明によれば、角度測定用正反射光と距離測定用正反射光とを波長により分離することができるから、一層正確な測定を行うことができる。
【００２１】
＜請求項７の発明＞
請求項７の発明では、両投光手段から出射した光は一の偏光方向を有する光として偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板を介して鏡面体に照射される。１／４波長板を透過した光は円偏光とされて、鏡面体に照射され、鏡面体からの反射光は円偏光のまま１／４波長板を透過する。すると、円偏光とされていた反射光が一の偏光方向と直交する偏光方向に変えられて偏光ビームスプリッタに至り、その光は一の偏光方向の光の入射方向とは異なる方向に進む。
このようにしたことで光学的な損失を低減することが可能となり、鏡面体検出におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００２２】
＜請求項８の発明＞
レーザ光源から出射される光は直線偏光（即ち、一の偏光方向を有する光）であるから、直線偏光を出射させるための構成を簡略化することができる。
【００２３】
請求項１ないし請求項８に記載のものにおいて、
前記コリメータレンズは、前記角度測定用投光手段及び前記距離測定用投光手段からの光を平行光に変えるようにしてもよく、徐々に収束する収束光に変えるようにしてもよい。即ち、スポット光として平行光を出射してもよく、収束光を出射してもよい。より具体的には、被測定対象物上で微少スポットとなるような光を出射ように構成するとよい。
例えば、平行光に変えるようにした場合には、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記距離測定手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）の焦点位置から光軸方向に前後にずらして撮像面を配し、この撮像面に距離測定用正反射光を照射させるように前記距離測定用撮像手段を構成できる。
また、このように距離測定用撮像手段を構成したものに、請求項２の構成を適用する場合には、前記光軸方向において、前記収束レンズにより収束された前記正反射光のうち前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）の焦点位置から光軸方向に前後にずらして前記撮像面が配される位置で移動可能となるように前記距離測定用撮像手段を構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
本発明に係る光学測定装置の第１実施形態を図１ないし図５を参照して説明する。本実施形態の構成は図１に示す通りであり、角度測定用レーザ光源１１及び距離測定用レーザ光源２１から出射された光をダイクロイックミラー３１（光合流手段）、ビームスプリッタ３２及びコリメータレンズ３３（コリメータレンズ及び収束レンズに相当）を介してワークＷ（被測定対象物）に両者の光を照射し、正反射光をコリメータレンズ３３、ビームスプリッタ３２及びダイクロイックミラー３４（光分岐用ダイクロイックミラー）を介して例えば２次元ＣＣＤからなる角度測定用撮像素子１２（角度測定用撮像手段）及び同じく２次元ＣＣＤからなる距離測定用撮像素子２２（距離測定用撮像手段）の撮像面に照射し、その照射位置に基づいてＣＰＵ４（測定手段）によりワークＷの傾き及び距離が算出されるようになっている。尚、ワークＷの表面は鏡面であっても非鏡面であってもよい。
【００２５】
両レーザ光源１１，２１はそれぞれ波長の異なる光を照射するようになっており、例えば、角度測定用レーザ光源１１は波長λ１のレーザ光を出射するものとされており、一方、距離測定用レーザ光源２１は波長λ２のレーザ光を出射するものとされている。また、両レーザ光源１１，２１にはそれぞれレーザ駆動回路１３，２３が接続されており，ＣＰＵ４からの制御信号Ｓａ，Ｓｂに基づいてそれぞれのレーザ光源１１，２１に駆動電流Ｉａ，Ｉｂを供給する（角度測定用レーザ光源１１及びレーザ駆動回路１３により角度測定用投光手段を構成し、距離測定用レーザ光源及びレーザ駆動回路１３により距離測定用投光手段を構成している）。なお、レーザ光源１１，２１は間欠的又は連続的に駆動することができる。
【００２６】
ダイクロイックミラー３１は、波長λ１の光を透過させ、波長λ２の光を反射させるように構成されており、これによって、角度測定用レーザ光源１１のレーザ光はこのダイクロイックミラー３１を透過してビームスプリッタ３２に向かうとともに、距離測定用レーザ光源２１からの光はこのダイクロイックミラー３１を反射してビームスプリッタ３２に向かう。
また、角度測定用レーザ光源１１からのレーザ光はダイクロイックミラー３１の入射面に垂直に入射させており、距離測定用レーザ光源２１からのレーザ光はダイクロイックミラー３１の入射面に対して斜めに入射させるように構成している（前記距離測定用投光手段からの光が前記被測定対象物に対して斜めに照射されるように前記距離測定用投光手段が配する構成に相当）。これによって、角度測定用レーザ光源１１の光線軸は光学系の光軸（基線軸）ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）と平行とされるとともに、距離測定用レーザ光源２１の光線軸は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）に対して傾いた状態とされる。
【００２７】
ビームスプリッタ３２を反射したレーザ光はコリメータレンズ３３により平行光とされて、ワークＷに照射される。このとき、角度測定用レーザ光源１１からのレーザ光はワークＷが傾きのない姿勢とされているときには、ワークＷの表面に対して垂直に光が照射されているのに対して、距離測定用レーザ光源２１からのレーザ光は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）に対して傾いているので、ワークＷの表面に対して斜めから光が照射されている。また、ワークＷに照射されたレーザ光のスポット径はレーザ光源１１のレーザ光よりもレーザ光源２１のレーザ光２１のレーザ光のほうが小さくされており、かつ、レーザ光源２１のレーザ光はレーザ光源１１のレーザ光の照射範囲内に照射されるようになっている。
【００２８】
ワークＷからの正反射光はそれぞれ、コリメータレンズ３３により集光され、上記ダイクロイックミラー３１と同様の特性を有するダイクロイックミラー３４により、角度測定用レーザ光源１１による正反射光（角度測定用正反射光）は角度測定用撮像素子１２の撮像面に結像して集光スポットが形成される。また、距離測定用レーザ光源２１による正反射光（距離測定用正反射光）はダイクロイックミラー３４を反射して距離測定用撮像素子２２の撮像面に照射される。この距離測定用撮像素子２２の撮像面は正反射光の焦点位置Ｆよりも後方に配置されているため、撮像面上には所定の大きさの光像が形成される。ここで、距離測定用撮像素子２２の撮像面を焦点位置Ｆに一致させなかったのは、ワークＷの距離に応じて焦点位置Ｆに至るまでの光路が変化するので、その光像の位置からワークＷの距離が算出できるからである。
【００２９】
角度測定用撮像素子１２及び距離測定用撮像素子２２は撮像面上に形成されている光像あるいは集光スポットに応じたディジタル信号列からなる撮像信号Ｓｃ，ＳｄをＣＰＵ４に送信する。
【００３０】
ＣＰＵ４は、前述したレーザ駆動回路１３，２３に制御信号Ｓａ，Ｓｂを送信するとともに、制御信号Ｓａの送信に同期して角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃを取り込み、制御信号Ｓｂの送信に同期して距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄを取り込む。そして、撮像信号Ｓｃ，Ｓｄに基づいてワークＷの傾きとコリメータレンズ３３からワークＷまでの距離とを測定する。
【００３１】
本実施形態の構成は以上であり、続いてその動作について説明する。
「傾き検出」
本実施形態では周知のオートコリメーション法を用いて傾き測定を行なう構成とされており、ここでは、詳細な説明は割愛する。まず、角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃから、最大の受光量を有する画素を集光スポット位置と決定し、撮像面における基準位置（例えば、撮像面の中央位置）と集光スポット位置の距離及び方向から傾きの方向と傾き角とを算出する。
【００３２】
「距離測定」
距離測定では、まず上記の傾き測定により、ワークＷの角度を検出する。そして、距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄに基づいて例えば最大の受光量とされている画素を光像として代表する。そして、傾き測定で算出された傾きに基づいて補正を行ない、光像の位置と基準位置との距離及び方向からワークＷの距離を算出する。
【００３３】
例えば、ワークＷが図１中の▲１▼の位置（距離ｄ１、傾き角０）にある場合には（詳しくは図２参照）、角度測定用撮像素子１２の撮像面に形成される集光スポットの位置Ｓ１は基準位置Ｒａと一致するから、傾き角は０°と測定される。また、距離測定用撮像素子２２の撮像面における光像Ｌ１は基準位置Ｒｂからｄ１’離れていることから、これに基づいて距離ｄ１が測定される。
ワークＷが図１中の▲２▼の位置（距離ｄ２、傾き角０）にある場合には（詳しくは図３参照）、角度測定用撮像素子２２の撮像面に形成される集光スポットの位置Ｓ２は基準位置Ｒａと一致するから、傾き角は０°と測定される。また、距離測定用撮像素子１２の撮像面における光像Ｌ２は基準位置Ｒｂからｄ２’離れていることから、これにより、距離ｄ２と測定される。
ワークＷが図１中の▲３▼の位置（距離ｄ２、傾き角θ１）にある場合には（詳しくは図４参照）、角度測定用撮像素子１２の撮像面に形成される受光スポットの位置Ｓ３は基準位置Ｒａから距離ｄだけ離れているから、これに基づいて、傾き角θ１が測定される。また、距離測定用撮像素子２２の撮像面における光像Ｌ３は基準位置Ｒｂからｄ３’だけ離れている。ここで、▲３▼の位置ではワークＷが傾いているために距離測定用撮像素子２２の撮像面に形成される光像Ｌ３が▲２▼の位置の場合の光像Ｌ２と異なる位置に形成される。従って、ＣＰＵ４では、傾き角θ１の基づいて補正を行うことで距離を算出するから、結局、距離はｄ２と測定される。
【００３４】
本実施形態によれば、ワークＷからの正反射光に基づいて、距離及び傾きの測定を行なうように構成しているから、鏡面体または非鏡面体に拘わらずワークＷの傾きおよび距離の測定を行うことができる。また、両レーザ光源１１，２１でそれぞれ異なる波長の光を出射するように構成し、ダイクロイックミラー３１，３４によりレーザ光を分離してそれぞれの撮像素子１２，２２の撮像面に照射されるように構成しているから、レーザ光が誤照射されることがない。
尚、本実施形態では、ワークＷに照射されたレーザ光のスポット径はレーザ光源１１のレーザ光よりもレーザ光源２１のレーザ光２１のレーザ光のほうを小さくし、かつ、レーザ光源２１のレーザ光はレーザ光源１１のレーザ光の照射範囲内に照射されるように構成したことで、ワークＷの距離及び傾きに拘わらず実質的にワークＷに対するレーザ光の照射位置（測定位置）を一定にすることができる。
【００３５】
また、上記構成において、両レーザ光源１１，２１から同一波長のレーザ光を出射する構成とすることもできる。この場合には、それぞれのレーザ光源１１，２１交互にパルス点灯させるようにＣＰＵ４から制御信号Ｓａ，Ｓｂをレーザ駆動回路１３，２３に供給し、ダイクロイックミラー３１，３４に代わって例えばビームスプリッタを配置するようにすればよい。また、ＣＰＵ４は前述したようにレーザ駆動回路１３，２３に制御信号Ｓａ，Ｓｂを送信するとともに、制御信号Ｓａの送信に同期して角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃを取り込み、制御信号Ｓｂの送信に同期して距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄを取り込む。そして、撮像信号Ｓｃ，Ｓｄに基づいてワークＷの傾き及びコリメータレンズ３３からワークＷまでの距離を測定する構成とする。このようにすると、例えばレーザ光は交互に出射されることとなり、光の干渉が抑制され、測定精度が向上するという効果が得られる。
【００３６】
さらに、図５に示すように、距離測定用撮像素子２２の手前に発散レンズ３５を配し、一旦集光したワークＷからの正反射光を発散させるような構成としても良い。このようにすれば、撮像面に形成される光像がより大きくされるから、ワークＷが変位したときの光像の移動量が大きくなり、結果として分解能が向上して高精度な測定を行うことができる。また、正反射光は発散レンズ３５の周縁部に照射させることがより望ましい。これは、レンズ３５の中心部分よりも周縁部分の方が収差が大きいために、正反射光がより一層発散されることで極めて高精度に測定することができる。
【００３７】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態を図６を参照して説明する。本実施形態と第１実施形態との相違は、角度測定用レーザ光源１１とダイクロイックミラー３１との間にコリメータレンズ１４（第１のコリメータレンズ）が配されているとともに、距離測定用レーザ光源２１とダイクロイックミラー３１との間にコリメータレンズ２４（第２のコリメータレンズ）が配されており、それぞれのレーザ光源１１，２１からの光が平行光に変えられてからダイクロイックミラー３１に至るように構成されている。また、ダイクロイックミラー３４とビームスプリッタ３３との間に収束レンズ３６が配されている。
【００３８】
このように構成することで、両レーザ光源１１，２１からのレーザ光をそれぞれのコリメータレンズ１４，２４により平行光に変えてからビームスプリッタ３３に導く構成としているから、両レーザ光源１１，２１からビームスプリッタ３３までの光学的距離の調整を行なう必要がなく装置内の光学系の組付け精度を緩やかにすることができるとともに、光学系の調整作業も簡略化することもできる。
【００３９】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態を図７を参照して説明する。本実施形態と第２実施形態との相違点は、ビームスプリッタ３３に代わってＳ偏光を反射しＰ偏光を透過させる偏光ビームスプリッタ３７を配し、さらに、この偏光ビームスプリッタ３７とワークＷとの間に１／４波長板３８を設けたところにある。また、ワークＷの表面は鏡面であることが望ましい。
【００４０】
一般にレーザ光は直線偏光とされているから、両レーザ光源１１，２１からのレーザ光を偏光ビームスプリッタ３７に照射すると、Ｓ偏光が反射して１／４波長板３７に向かうとともに、Ｐ偏光は透過する。Ｓ偏光は１／４波長板３８を透過することで円偏光に変えられてワークＷに照射される。ワークＷからの正反射光は円偏光のまま１／４波長板３８を透過する。このときに円偏光からＰ偏光に変えられ、これによって偏光ビームスプリッタ３７を透過してそれぞれの撮像素子手段１２，２２に照射される。
【００４１】
本実施形態のような構成とすることで光学的な損失を低減することが可能となり、鏡面体検出におけるＳ／Ｎ比を向上させることができる。また、レーザ光源１１，２１から出射される光は直線偏光であるから、直線偏光を出射させるための構成を極めて簡略化することができる。
【００４２】
＜第４実施形態＞
本発明に係る光学測定装置の第４実施形態を図４を参照して説明する。本実施形態は図８の模式図、及び図９の部品構成図に示す通りであり、上記実施形態と同様の原理を用いて傾き検出及び距離検出を行うように構成されている。本実施形態の特徴は、特に距離測定用撮像素子の位置を移動可能として分解能を変更しうる構成としたところにあるということを先に述べておく。
【００４３】
図８、図９に示すように、角度測定用レーザ光源１１及び距離測定用レーザ光源２１から出射された光を偏光ビームスプリッタ３７を介してワークＷ（被測定対象物）に両者の光を照射し、正反射光を収束レンズ３６及び及びダイクロックミラー３４（光分岐用ダイクロイックミラー）を介して例えば２次元ＣＣＤからなる角度測定用撮像素子１２（角度測定用撮像手段）及び同じく２次元ＣＣＤからなる距離測定用撮像素子２２（距離測定用撮像手段）の撮像面に照射し、その照射位置に基づいてＣＰＵ４（測定手段）によりワークＷの傾き及び距離が算出されるようになっている。尚、ワークＷの表面は鏡面であっても非鏡面であってもよい。
【００４４】
両レーザ光源１１，２１はそれぞれ波長の異なる光を照射するようになっており、例えば、角度測定用レーザ光源１１は波長λ１のレーザ光を出射するものとされており、一方、距離測定用レーザ光源２１は波長λ２のレーザ光を出射するものとされている。また、両レーザ光源１１，２１にはそれぞれレーザ駆動回路１３，２３が接続されており，ＣＰＵ４からの制御信号Ｓａ，Ｓｂに基づいてそれぞれのレーザ光源１１，２１に駆動電流Ｉａ，Ｉｂを供給する（角度測定用レーザ光源１１及びレーザ駆動回路１３により角度測定用投光手段を構成し、距離測定用レーザ光源及びレーザ駆動回路１３により距離測定用投光手段を構成している）。なお、レーザ光源１１，２１は間欠的又は連続的に駆動することができる。
【００４５】
反射ミラー４４は、角度測定用レーザ光源１１からの波長λ１の光を反射させるように構成されており、これによって、角度測定用レーザ光源１１のレーザ光はこの反射ミラー４４を介して偏光ビームスプリッタ３７に向かう。距離測定用レーザ光源２１は、ダイクロックミラー３４により折り返された位置に配置される距離測定用撮像素子２２と同じ側に配置されている。つまり、傾き０度のときのワークＷからの角度測定用の正反射光の光軸を境界として左右に二分した場合に、距離測定用撮像素子２２と同じ側に配置されるようになっている。具体的には図９の部品配置にて示すように、距離測定用撮像素子２２の下側に生じるデッドスペースを利用して距離測定用レーザ光源２１が配設されることにより、オートコリメータの装置全体がコンパクトに収められている。
【００４６】
ここで、距離測定用レーザ光源２１は、直線偏光のレーザ光であり、例えば、距離測定用レーザ光源２１からコリメータレンズ２４を通して出射された平行光は、Ｐ偏光のレーザ光であり、偏光ビームスプリッタ３７では、このＰ偏光の光透過し、１／４λ板４３を通過して反射ミラー４２に反射され、再び１／４λ板４３を通過することにより、Ｐ偏光からＳ偏光に偏光されて偏光ビームスプリッタ３７へ入射し、このＳ偏光の光はビームスプリッタ３７で反射されてワークＷに照射されるようになっている。
【００４７】
また、角度測定用レーザ光源１１からのレーザ光は反射ミラー４４の入射面に垂直に入射させており、距離測定用レーザ光源２１  からのレーザ光は反射ミラー４４の入射面に対して斜めに入射させるように構成している（前記距離測定用投光手段からの光が前記被測定対象物に対して斜めに照射されるように前記距離測定用投光手段が配する構成に相当）。これによって、角度測定用レーザ光源１１の光線軸は光学系の光軸（基線軸）ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）と平行とされるとともに、距離測定用レーザ光源２１  の光線軸は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）に対して傾いた状態とされる。
【００４８】
ビームスプリッタ３７を反射したレーザ光はワークＷに照射される。このとき、角度測定用レーザ光源１１からのレーザ光はワークＷが傾きのない姿勢とされているときには、ワークＷの表面に対して垂直に光が照射されているのに対して、距離測定用レーザ光源２１からのレーザ光は光学系の光軸ＬＣ（Ｌ´Ｃ´）に対して傾いているので、ワークＷの表面に対して斜めから光が照射されている。また、ワークＷに照射されたレーザ光のスポット径はレーザ光源１１のレーザ光よりもレーザ光源２１のレーザ光２１のレーザ光のほうが小さくされており、かつ、レーザ光源２１のレーザ光はレーザ光源１１のレーザ光の照射範囲内に照射されるようになっている。
【００４９】
ワークＷからの正反射光はそれぞれ、ダイクロイックミラー３４により、角度測定用レーザ光源１１による正反射光（角度測定用正反射光）は角度測定用撮像素子１２の撮像面に結像して集光スポットが形成される。また、距離測定用レーザ光源２１による正反射光（距離測定用正反射光）はダイクロイックミラー３４を反射して距離測定用撮像素子２２の撮像面に照射される。この距離測定用撮像素子２２の撮像面は正反射光の焦点位置Ｆよりも後方に配置されているため、撮像面上には所定の大きさの光像が形成される。ここで、距離測定用撮像素子２２の撮像面を焦点位置Ｆ  に一致させなかったのは、上記実施形態と同様にワークＷの距離に応じて焦点位置Ｆに至るまでの光路が変化するので、その光像の位置からワークＷの距離が算出できるからである。そして、これら角度測定用撮像素子１２及び距離測定用撮像素子２２は撮像面上に形成されている光像あるいは集光スポットに応じたディジタル信号列からなる撮像信号Ｓｃ，ＳｄをＣＰＵ４に送信するようになっている。
【００５０】
ＣＰＵ４は、前述したレーザ駆動回路１３，２３に制御信号Ｓａ，Ｓｂを送信するとともに、制御信号Ｓａの送信に同期して角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃを取り込み、制御信号Ｓｂの送信に同期して距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄを取り込む。そして、撮像信号Ｓｃ，Ｓｄに基づいてワークＷの傾きとワークＷまでの距離とを測定する。
【００５１】
本実施形態ではさらに、距離測定用撮像手段（即ち、距離測定用撮像素子２２）を光軸方向に移動させる移動手段４０と、測定における分解能を設定する分解能設定手段（ＣＰＵ４が分解能設定手段に相当）と、所定の記憶手段（メモリ４１が記憶手段に相当）とが設けられた構成をなしている。メモリ４１には、図１３のように、分解能設定手段により設定される分解能ごとに、光軸方向における距離測定用撮像手段の位置情報と、その位置における補正係数情報が記憶され、測定手段は、分解能設定手段にて設定される分解能に対応した、距離測定用撮像手段の光軸方向における位置情報を記憶手段から読み出して、移動手段により、距離測定用撮像手段を光軸方向に移動させるように制御を行うとともに、補正係数情報を読み出し、この読み出した補正係数情報に基づいて距離測定用撮像手段の撮像面における照射位置を補正し、この補正された照射位置と、角度測定用撮像手段における集光位置に基づいて前記被測定対象物までの距離を測定するように構成されている。
【００５２】
「距離測定」
距離測定では、まず傾き測定により、ワークＷの角度を検出する。そして、距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄに基づいて例えば最大の受光量とされている画素を光像として代表する。そして、傾き測定で算出された傾きに基づいて補正を行ない、光像の位置と基準位置との距離及び方向からワークＷの距離を算出する。本実施形態では、距離測定用撮像素子２２は後述する図１０ないし図１２などの構成を用いて光軸方向（基線軸方向）に対して移動可能に構成されており、それを移動させることにより距離測定における測定範囲及び分解能が変更できるようになっている。
【００５３】
このとき、距離測定用撮像素子２２を光軸方向に移動させると、距離測定用レーザ光源２１が基線軸に対して傾きを持っている関係上、同じ傾きで同じ距離にあるワークＷであっても、距離測定用撮像素子２２に照射されるワークＷからの距離測定用の正反射光のスポットの位置が変化する。そこで本実施形態では図示しない記憶手段（メモリ４１）に予め設定される距離測定用撮像素子２２の光軸方向における位置に対応する補正係数を記憶させておき、光軸方向における距離測定用撮像素子２２の位置に応じて、距離測定の際に記憶される補正係数に基づいて補正するようにしている。
【００５４】
具体的には例えば図１３のデータ構成ように、位置データと補正係数データを対応付けてメモリ４１に記憶しておき、このメモリ４１から距離測定用撮像素子２２の位置に応じた補正係数データを読み出して撮像信号Ｓｄを補正（具体的には集光スポット位置を補正）する。この構成では、ユーザが分解能を設定することによりその分解能に対応した位置データを用いて移動手段４０により距離測定用撮像素子２２が移動され、その位置における撮像信号Ｓｄに対し補正係数データを用いた集光スポット位置の補正がなされることにより距離が算出されることとなる。なお、このように距離測定用撮像素子の位置を移動可能として分解能を変更しうる構成は、図８のような構成に限らず、上記いずれの実施形態にも適用できる。
【００５５】
次に移動手段４０について説明する。
図１０に示す移動手段４０は、歯車伝達機構を用いて距離測定用撮像素子２２を移動しようとするものであり、ラック５２とピニオン５１を用いて距離測定用撮像素子２２を直線的に移動させる構成を概念的に例示している。ピニオン５１は、位置データを用い、図示しないモータにより正確に位置制御されるようになっている。なお、位置データを用いたモータ制御は周知であるので詳細については省略する。なお、図１０（Ｂ）の例のように、距離測定用撮像素子２２の一部にスケール５３を設け、これを光電センサ５５により検出して位置を正確に設定するように構成してもよい。図１１はウォーム６３とホイール６１を用いて位置制御を行う構成である。また、図１２は、距離測定用撮像素子２２が往復動可能に構成される一方、ばね７３により付勢される係合部７１が距離測定用撮像素子２２に設けられた凹部に係合することにより段階的に位置決めされる構成を例示している。なお、図１１及び図１２は、自動制御ではなく操作部６５、７７を用いた手操作により位置設定可能な構成を例示するものである。もちろんここに示す構成はあくまで一例であり、距離測定用撮像素子２２を移動可能な構成であれば様々な構成を用いることができることは言うまでもない。
【００５６】
＜第５実施形態＞
上記実施形態では、距離測定用撮像素子２２からの撮像信号Ｓｄ及び角度測定用撮像素子１２からの撮像信号Ｓｃから、最大の受光量を有する画素を集光スポット位置とそれぞれ決定していたが、本実施形態では、それぞれの集光スポットを算定するために、照射光の重心位置を求めるようにすることができる。この重心位置の概念には、いわゆる面積重心位置と体積重心位置とが含まれ、それぞれ次のように定義される。
【００５７】
＜面積重心位置＞
面積重心位置＝｛Σ（ＭＩ）／ΣＭ｝
Ｉ：撮像手段の撮像面上において、照射領域内の各画素の位置ベクトル
Ｍ：上記各画素の受光量レベルが所定レベル以上であるときには例えば１、そうでないときには０
【００５８】
＜体積重心位置＞
体積重心位置＝｛Σ（ｍＩ）／Σｍ｝
Ｉ：上記面積重心位置の場合と同じ
ｍ：上記各画素の受光量レベルに応じた係数
【００５９】
このように定義される重心位置を集光スポットとすることにより、より精度高い距離測定が可能となる。また、このように重心位置を集光スポットして定める方法を用いると、集光スポットを定めるために多数回平均化処理する方法と比較して処理時間を大幅に短縮できる。なお、このように重心位置を集光スポットとして定める方法は、上記いずれの実施形態にも適用できる。
【００６０】
＜第６実施形態＞
上記実施形態では、コリメータレンズ２４により距離測定用投光手段からの光を平行光に変えるようにしていたが、本実施形態では、コリメータレンズ２４から出射される「スポット光」としてコリメータレンズ２４より徐々に収束する収束光を出射するように構成されている。ここでは、図８に示す構成と同様の部品を用いており、かつほぼ同様の配置構成をなすが、コリメータレンズ２４より徐々に収束する収束光を出射する点、集光位置Ｆの位置に撮像面が配設される点が主として異なる。この構成では、コリメータレンズ２４より徐々に収束する収束光が、ワークＷ付近で集光され、ワークＷからの反射により再び拡大する構成をなしている。そして、収束レンズ３６を介して収束されて、ダイクロイックミラー３４にて反射された光が集光位置Ｆに設けられた撮像面に照射される。撮像面における照射位置は上記実施形態と同様にワークＷの距離に応じた位置となる。また、集光位置Ｆに撮像面を配置せずに別位置に配置するように移動手段４０により位置設定してもよい。
【００６１】
また、図１４の構成では、前記距離測定用投光手段からの光による正反射光（距離測定用正反射光）が収束レンズ３６により収束され、ダイクロイックミラー３４にて反射されて集光する構成をなすが、ワークＷから徐々に広がる反射光が収束レンズ３６により平行光とされる構成であってもよい。この場合、距離測定用撮像素子２２に平行光が照射される構成となり、ワークＷの距離に応じて平行光の照射領域が変化することとなる。この平行光の照射領域において、上述した各種方法により集光スポットを求め、距離を測定するようにしてもよい。
【００６２】
＜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）第１実施形態では、距離測定用レーザ光源２１による正反射光の焦点位置Ｆよりも後方に距離測定用撮像素子２２を配した構成を示したが、例えば、焦点位置Ｆよりも前方に配置する構成としてもよい。また、これに伴って、発散レンズ３５を焦点位置Ｆ及び距離測定用撮像素子２２の前方に配置することは勿論である。
（２）また、第１実施形態において、距離測定用撮像素子２２の前方に発散レンズ３５を配した構成は第２及び第３実施形態の構成に付加することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る光学測定装置の全体構成を示した模式図
【図２】ワークの位置と反射光の光路を示した概略図
【図３】ワークの位置と反射光の光路を示した概略図
【図４】ワークの位置と反射光の光路を示した概略図
【図５】第１実施形態の変形例を示した模式図
【図６】第２実施形態に係る光学測定装置の全体構成を示した模式図
【図７】第３実施形態に係る光学測定装置の全体構成を示した模式図
【図８】第４実施形態に係る光学測定装置の全体構成を示した模式図
【図９】第４実施形態の係る光学測定装置の要部の部品配置構成を例示する図
【図１０】移動手段を概略的に例示する概略図
【図１１】図１０とは異なる移動手段を例示する概略図
【図１２】図１１とは異なる移動手段を例示する概略図
【図１３】記憶手段に記憶されるデータ構成を概念的に説明する説明図
【図１４】第６実施形態に係る光学測定装置の全体構成を示した模式図
【符号の説明】
４…ＣＰＵ
１１…角度測定用レーザ光源
１２…角度測定用撮像素子
１３…レーザ駆動回路
２１…距離測定用レーザ光源
２２…距離測定用撮像素子
２３…レーザ駆動回路
３１…ダイクロイックミラー
３２…ビームスプリッタ
３３…コリメータレンズ
４０…移動手段
４１…メモリ
Ｗ…ワーク
ＬＣ…光学系の光軸
【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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