(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の形状を測定する形状測定器であって、
光源として発光ダイオードを有し、前記発光ダイオードから出射された光を測定対象物に投射する投光部と、
前記投光部により投射されて測定対象物を透過した光を受光する受光部と、
前記投光部および前記受光部を一体的に支持する筐体とを備え、
前記投光部は、
前記発光ダイオードから出射された光を拡散させるとともに整形する拡散整形手段と、
前記拡散整形手段により整形された光を平行光にする投光レンズとを備え、
前記受光部は、
前記測定対象物を透過した光を集光する第１のレンズと、
前記第１のレンズにより集光された光が通過する開口部を有する第１の開口部材と、
前記第１の開口部材の前記開口部を通過した光を結像させる第２のレンズと、  前記第２のレンズによる光学的像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたことを特徴とする形状測定器。
【請求項２】
前記拡散整形手段は、
前記発光ダイオードから出射された光を拡散させる拡散要素と、
前記拡散要素により拡散された光が通過する円形の開口部を有する第２の開口部材とを含むことを特徴とする請求項１記載の形状測定器。
【請求項３】
前記拡散整形手段は、
前記発光ダイオードから出射された光を拡散させる円形の拡散要素を含むことを特徴とする請求項１記載の形状測定器。
【請求項４】
前記投光部は、前記投光レンズからの光を反射して前記第１のレンズに導く投光ミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項５】
前記第１の開口部材の前記開口部が円形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項６】
前記第１のレンズを製造時に光軸に垂直な面内で調整可能に支持する第１の支持手段と、
前記第１の開口部材および前記第２のレンズを製造時に一体的に光軸方向に調整可能に支持する第２の支持手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項７】
前記投光部と前記受光部との間の光学経路中に測定対象物を支持する支持面を有する支持部材をさらに備え、
前記第１のレンズの光軸が前記支持部材の前記支持面に垂直に設定されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項８】
前記撮像素子は長方形の受光領域を有し、
前記第２のレンズによる結像領域が前記撮像素子の前記受光領域内に包含され、
前記受光領域の短手方向における前記撮像素子の位置が機械的に調整され、
前記受光領域の長手方向における信号処理領域の位置が電気的に調整されたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項９】
前記受光部は、前記第１のレンズからの光を反射して前記第１の開口部材の前記開口部および前記第２のレンズに導く受光ミラーをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項１０】
前記撮像素子の画素の単位よりも小さな単位で前記撮像素子の出力信号の変化位置を算出するための情報を記憶する第１の記憶手段と、
前記第１の記憶手段に記憶された情報に基づいて前記撮像素子の出力信号の変化位置を算出する算出手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項１１】
前記第１および第２のレンズの収差による前記撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正するための情報を記憶する第２の記憶手段と、
前記第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて前記第１および第２のレンズの収差による前記撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正する補正手段とをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の形状測定器。
【請求項１２】
前記撮像素子の画像取り込みタイミングに同期して前記発光ダイオードを点灯させる駆動手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の形状を測定する形状測定器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、物体の各部の長さ、角度、距離、形状等を測定するために形状測定器が用いられている。図１２はパーソナルコンピュータを用いた従来の形状測定器を示すブロック図である。
【０００３】
図１２の形状測定器は、撮像素子としてＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたカメラ１００、光源１１０、パーソナルコンピュータ１２０およびモニタ１３０により構成される。カメラ１００には、レンズ１０１が装着される。カメラ１００は、支持台（図示せず）に固定される。
【０００４】
測定対象物３００は、カメラ１００と光源１１０との間でステージ（図示せず）上に載置される。光源１１０からの光が測定対象物３００に照射され、測定対象物３００の影がカメラ１００により撮像される。カメラ１００には絞り調整つまみが設けられ、この絞り調整つまみで絞り径を調整することにより受光量が調整される。
【０００５】
カメラ１００により得られた画像信号は、パーソナルコンピュータ１２０に与えられる。パーソナルコンピュータ１２０には、インタフェースとして働く画像取り込みボード１２１が装着される。画像取り込みボード１２１は、カメラ１００から与えられた画像信号を画像データとしてＣＰＵ（中央演算処理装置）、メモリ、外部記憶装置等からなる信号処理部１２２に与える。
【０００６】
信号処理部１２２は、画像データに基づいて測定対象物３００の各部の長さ、角度、距離等を算出し、測定対象物３００の画像および算出結果をモニタ１３０に表示させる。
【０００７】
図１３は図１２のカメラ１００により撮像される測定対象物の光量分布の一例を示す図である。図１３の横軸はＣＣＤの画素位置であり、縦軸は光量である。
【０００８】
図１３に示すように、測定対象物３００が存在する領域では光量が低く、測定対象物３００の周囲の領域では光量が高くなる。光量分布におけるエッジｅ１，ｅ２は、測定対象物３００の輪隔を表す。したがって、光量分布におけるエッジｅ１，ｅ２間の距離を算出することにより、測定対象物３００の寸法を測定することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の形状測定器において、測定精度を高めるためには、カメラ１００のＣＣＤの画素（ピクセル）よりも小さい単位（以下、サブピクセルと呼ぶ。）まで分解能を向上させる必要がある。ＣＣＤの出力値を所定の曲線で近似することにより、サブピクセルレベルの測定値を得ることができる。しかしながら、従来の形状測定器においては、以下に示す問題▲１▼〜▲６▼によりサブピクセルレベルの測定値を得ることが困難である。
【００１０】
▲１▼従来の形状測定器では、測定対象物３００に平行光を照射するため、およびカメラ１００を光源１１０に対して位置決めしやすくするために、光源１１０として発光ダイオード（ＬＥＤ）または蛍光灯を用いた均一面照明が使用される。
【００１１】
図１４は複数の発光ダイオードを用いた均一面照明の平面図である。図１４の均一面照明では、複数の発光ダイオード１１２がアレイ状に配列され、それらの複数の発光ダイオード１１２上に拡散板１１３が配置されている。これにより、複数の発光ダイオード１１２により発生された光が拡散板１１３により拡散され、面光源が形成される。
【００１２】
図１５は蛍光灯を用いた均一面照明の平面図である。図１５の均一面照明では、環状の蛍光灯１１４上に拡散板１１５が配置されている。これにより、蛍光灯１１４により発生された光が拡散板１１５により拡散され、面光源が形成される。
【００１３】
一方、白熱ランプを用いた光源も提案されている。図１６は白熱ランプを用いた光源を示す図である。図１６の光源では、単一の白熱ランプ１１６により発生された光が照明レンズ１１７により平行光にされる。それにより、測定対象物に平行光が照射される。
【００１４】
しかしながら、図１４および図１５の均一面照明では、複数の発光ダイオード１１２または環状の蛍光灯１１４を用いているので、発光面で光量を均一にすることが困難であり、光量むらが発生する。それにより、高い測定精度が得られない。
【００１５】
また、図１４の均一面照明では、所定の発光面積を得るために、多数の発光ダイオード１１２を使用する必要がある。それにより、消費電流が大きくなり、発熱が大きくなる。その結果、光学系の機械的な歪みによる測定誤差が生じる。図１５の均一面照明および図１６の光源においても、蛍光灯１１４および白熱ランプ１１６の消費電流が大きいため、同様に発熱による測定誤差が生じる。
【００１６】
さらに、図１５の均一面照明および図１６の光源では、蛍光灯１１４および白熱ランプ１１６の光量が劣化するため、蛍光灯１１４または白熱ランプ１１６を頻繁に交換する必要が生じる。また、図１５の均一面照明および図１６の光源では、光量むらが蛍光灯１１４ごとまたは白熱ランプ１１６ごとにばらつくため、蛍光灯１１４または白熱ランプ１１６を交換するごとに、基準の測定対象物を用いて測定値を補正する必要がある。このように、測定値を補正するためには、大がかりな補正用のハードウエアおよびソフトウエアをパーソナルコンピュータ１２０に設ける必要がある。
【００１７】
また、図１５の均一面照明および図１６の光源では、蛍光灯１１４および白熱ランプ１１６が広い波長帯域の光を含む白色光を発生するため、カメラ１００のレンズ１０１として色収差を補正した高価なレンズを使用する必要がある。
【００１８】
さらに、図１６の光源では、白熱ランプ１１６のフィラメント１１８が面状ではなく複雑な線状となっているので、フィラメント１１８の各部分の明るさが異なり、放射角度によって光量が異なる。
【００１９】
すなわち、図１６において、フィラメント１１８の一端部から出射された光Ｌ１、中央部から出射された光Ｌ２および他端部から出射された光Ｌ３の光量がそれぞれ異なる。この場合、これらの光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の焦点位置Ｐ０では、各点ａ，ｂ，ｃの光量は互いに等しくなる。しかし、焦点から外れた位置Ｐ１では、各点ａ１，ａ２，ａ３の光量がそれぞれ異なり、各点ｂ１，ｂ２，ｂ３の光量がそれぞれ異なり、各点ｃ１，ｃ２，ｃ３の光量もそれぞれ異なる。
【００２０】
図１７に示すように、光Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の光量がそれぞれ異なると、焦点位置Ｐ０に測定対象物が位置したときには、エッジ部分での光量分布が本来のエッジ位置に関して対称となるが、焦点から外れた位置Ｐ１，Ｐ２に測定対象物が位置したときには、エッジ部分での光量分布が本来のエッジ位置に関して非対称となる。したがって、焦点位置Ｐ０に測定対象物が位置したときには、エッジ位置を正確に検出することができるが、焦点から外れた位置Ｐ１，Ｐ２に測定対象物が位置したときには、測定誤差が生じる。
【００２１】
▲２▼上記のように、光源１１０の光量にばらつきがあるため、カメラ１００のＣＣＤの画素位置により受光量が異なる。したがって、サブピクセルレベルまで測定精度を向上させるためには、ＣＣＤの各画素位置で近似する曲線を補正する必要がある。このような補正を行うための補正部を実現するためには大容量のメモリが必要となるので、補正部をカメラ１００に内蔵させることは困難である。補正部をパーソナルコンピュータ１２０に設ける場合、カメラ１００および光源１１０からなる測定部に互換性がなくなり、製造面での管理や故障時の対策に問題がある。
【００２２】
▲３▼また、上記の従来の形状測定器において、カメラ１００のＣＣＤの感度、レンズ１１０等の光学系の透過率、または光源１１０の明るさがばらつくと、カメラ１００により得られる受光量がばらつく。そのため、カメラ１００に設けられた絞り調整つまみを用いて絞り径を調整することにより、受光量のばらつきを調整している。
【００２３】
しかしながら、絞り径を変えると、エッジ部分での光量分布の傾きが変化する。図１８に示すように、エッジ部分での光量分布の傾きは、絞り径が大きくなるほど急峻となり、絞り径が小さくなるほど緩やかになる。それにより、サブピクセルレベルでエッジ位置の測定誤差が生じる。
【００２４】
▲４▼また、上記の従来の形状測定器において、厚みのある測定対象物を高精度で測定する場合には、測定対象物を支持するステージの支持面に対してカメラ１００の光軸を垂直に設定する必要がある。この場合、カメラ１００およびレンズ１０１が一体になっているので、重量の重いカメラ１００およびレンズ１０１の角度を調整することとなる。そのため、高い精度で安定性よく調整を行うことは容易ではない。また、大がかりな調整機構が必要となる。
【００２５】
▲５▼さらに、上記の従来の形状測定器においては、カメラ１００のＣＣＤを有効に使用するために、ＣＣＤの受光領域の全画素を用いている。すなわち、図１９に示すように、レンズ１０１による結像領域Ｆ０内にＣＣＤの受光領域Ｒ０が包含されるように光学系が設定されている。しかし、この場合、レンズ１０１の一部分のみを測定に使用することとなり、結果的に寸法の大きな高価なレンズが必要となる。
【００２６】
▲６▼また、上記の従来の形状測定器において、カメラ１００のレンズ１０１としては、製造上の誤差の影響が小さくなるように、焦点距離の長いものが用いられる。
【００２７】
また、図２０（ａ）に示すように、片側テレセントリックレンズ１０３を使用すると、ＣＣＤ１０６に入射する光の入射角度がＣＣＤ１０６の端部と中央部とで異なる。特に、最近では、図２１に示すオンチップマイクロレンズを備えたＣＣＤが用いられる。この場合、光はオンチップマイクロレンズ１０７によりフォトダイオードからなる画素１０８に集光される。図２０（ａ）の片側テレセントリックレンズ１０３を用いた場合には、図２１（ａ）に示すように、ＣＣＤ１０６の画素１０８の位置により入射角度が異なり、受光量が顕著に異なる。そのため、サブピクセルレベルの測定誤差が生じる。
【００２８】
このような測定誤差をなくすためには、図２０（ｂ）に示す両側テレセントリックレンズ１０５を用いる必要がある。この両側テレセントリックレンズ１０５によれば、ＣＣＤ１０６に垂直に光が入射する。そのため、図２１（ｂ）に示すように、オンチップマイクロレンズ１０７を備えたＣＣＤ１０６においても、各画素１０８に光が垂直に入射する。そのため、サブピクセルレベルの測定誤差が生じない。
【００２９】
このように、測定誤差を向上させるためには、レンズ１０１として焦点距離が長い両側テレセントリックレンズ１０５を用いる必要があるので、カメラ１００に装着するレンズ１０１が大型になる。その結果、操作スペースが狭くなり、操作性が悪くなる。
【００３０】
本発明の目的は、測定対象物を高精度で測定することができるとともに操作性の良好な形状測定器を提供することである。
【００３１】
【課題を解決するための手段および発明の効果】
（１）第１の発明
第１の発明に係る形状測定器は、測定対象物の形状を測定する形状測定器であって、光源として発光ダイオードを有し、発光ダイオードから出射された光を測定対象物に投射する投光部と、投光部により投射されて測定対象物を透過した光を受光する受光部と、投光部および受光部を一体的に支持する筐体とを備え、投光部は、発光ダイオードから出射された光を拡散するとともに整形する拡散整形手段と、拡散整形手段により整形された光を平行光にする投光レンズとを備え、受光部は、測定対象物を透過した光を集光する第１のレンズと、第１のレンズにより集光された光が通過する開口部を有する第１の開口部材と、第１の開口部材の開口部を通過した光を結像させる第２のレンズと、第２のレンズによる光学的像を電気信号に変換する撮像素子とを備えたものである。
【００３２】
本発明に係る形状測定器においては、投光部の発光ダイオードから出射された光が測定対象物に投射される。そして、測定対象物を透過した光が受光部の第１のレンズにより集光され、第１のレンズにより集光された光が第１の開口部材の開口部を通過し、第２のレンズにより撮像素子の受光領域に結像される。
【００３３】
発光ダイオードにおいては光量の劣化がほとんど生じない。したがって、発光ダイオードを頻繁に交換する必要がない。
【００３４】
また、発光ダイオードから出射される光は単一波長を有するので、色収差を補正した高価なレンズを使用する必要がなく、レンズの構成が簡単になるとともに安価なレンズを使用することができる。
【００３５】
また、投光部および受光部が筐体に一体的に支持されているので、ユーザは投光部と受光部との位置関係を調整する必要がない。したがって、操作性が良好となる。
【００３７】
また、投光部の発光ダイオードから出射された光が拡散整形手段により拡散されるとともに整形され、さらに投光レンズにより平行光にされ、平行光が測定対象物に投射される。そして、測定対象物を透過した光が受光部により受光される。
【００３８】
このように、発光ダイオードから出射された光が拡散されるとともに整形された後、平行光にされるので、均一な光量分布が得られ、光量むらが発生しない。したがって、高い測定精度が得られる。
【００３９】
また、多数の発光ダイオードを用いる必要がないので、消費電流が少ない。したがって、発熱による測定誤差が生じない。
【００４０】
また、光量むらが発生しないので、発光ダイオードを交換した際にも、基準の測定対象物を用いて測定値を補正する必要がない。したがって、大がかりな補正用のハードウェアおよびソフトウェアが不要となる。
【００４１】
（２）第２の発明
第２の発明に係る形状測定器は、第１の発明に係る形状測定器の構成において、拡散整形手段は、発光ダイオードから出射された光を拡散させる拡散要素と、拡散要素により拡散された光が通過する円形の開口部を有する第２の開口部材とを含むものである。
【００４２】
この場合、発光ダイオードから出射された光が拡散要素により拡散され、拡散要素による拡散光が第２の開口部材の円形の開口部を通過することにより円形に整形される。
【００４３】
（３）第３の発明
第３の発明に係る形状測定器は、第１の発明に係る形状測定器の構成において、拡散整形手段は、発光ダイオードから出射された光を拡散させる円形の拡散要素を含むものである。
【００４４】
この場合、発光ダイオードから出射された光が円形の拡散要素により拡散されることにより、拡散光が円形に整形される。
【００４５】
（４）第４の発明
第４の発明に係る形状測定器は、第１〜第３のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、投光部は、投光レンズからの光を反射して第１のレンズに導く投光ミラーをさらに備えたものである。
（５）第５の発明
第５の発明に係る形状測定器は、第１〜第４のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、第１の開口部材の開口部が円形であるものである。この場合、撮像素子の受光領域上に円形の結像領域が形成される。
【００４６】
（６）第６の発明
第６の発明に係る形状測定器は、第１〜第５のいずれかの発明に係る形状測定器の構成おいて、第１のレンズを製造時に光軸に垂直な面内で調整可能に支持する第１の支持手段と、第１の開口部材および第２のレンズを製造時に一体的に光軸方向に調整可能に支持する第２の支持手段とをさらに備えたものである。
【００４７】
この場合、製造時には、第１の支持手段により第１のレンズが光軸に垂直な面内で調整可能に支持されているので、測定対象物から第１のレンズに入射する光が測定対象物に対して垂直になるように第１のレンズの位置を容易に調整することができる。また、調整後に第１のレンズを固定することにより、ユーザが第１のレンズの位置を調整する必要がなくなる。
【００４８】
また、製造時に、第２の支持手段により第１の開口部材および第２のレンズが一体的に光軸方向に調整可能に支持されているので、測定対象物から第１のレンズに入射する光が平行光となるように第１のレンズと第１の開口部材および第２のレンズとの間の距離を容易に調整することができる。また、調整後に第１の開口部材および第２のレンズを固定することにより、ユーザが第１の開口部材および第２のレンズの位置を調整する必要がなくなる。
【００４９】
したがって、測定対象物を高精度で測定することができるとともに、操作性が良好となる。
【００５０】
（７）第７の発明
第７の発明に係る形状測定器は、第１〜第６のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、投光部と受光部との間の光学経路中に測定対象物を支持する支持面を有する支持部材をさらに備え、第１のレンズの光軸が支持部材の支持面に垂直に設定されたものである。
【００５１】
この場合、支持部材の支持面が第１のレンズの光軸に垂直に設定されているので、厚みを有する測定対象物を測定する場合に、ユーザが投光部および受光部の光軸を測定対象物に垂直に調整する必要がなくなる。また、大がかりな調整機構も不要となる。
【００５２】
（８）第８の発明
第８の発明に係る形状測定器は、第１〜第７のいずれかの発明に係る形状測定器の構成おいて、撮像素子は長方形の受光領域を有し、第２のレンズによる結像領域が撮像素子の受光領域内に包含され、受光領域の短手方向における撮像素子の位置が機械的に調整され、受光領域の長手方向における信号処理領域の位置が電気的に調整されたものである。
【００５３】
この場合、第２のレンズによる結像領域が撮像素子の受光領域内に包含されるので、第２のレンズとして小型でかつ安価なレンズを用いることができる。
【００５４】
製造時に、第２のレンズによる結像領域が撮像素子の受光領域に対して短手方向にずれている場合には、撮像素子を短手方向に機械的に移動させることにより結像領域が受光領域内に位置決めされる。
【００５５】
また、第２のレンズによる結像領域の直径が撮像素子の長手方向の長さよりも小さいので、結像領域が受光領域の中央部から長手方向に多少ずれている場合でも、結像領域が受光領域から外れない。この場合には、撮像素子の受光領域における信号処理領域を電気的に長手方向に移動させればよく、第２のレンズと撮像素子との位置関係を調整する必要がない。
【００５６】
（９）第９の発明
第９の発明に係る形状測定器は、第１〜第８のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、受光部は、第１のレンズからの光を反射して第１の開口部材の開口部および第２のレンズに導く受光ミラーをさらに備えたものである。
【００５７】
この場合、筐体を大型化することなく第１のレンズと第２のレンズとの間の距離を長くすることができる。それにより、第１および第２のレンズとして焦点距離の長い両側テレセントリックレンズを使用することができる。したがって、撮像素子の受光領域に垂直に光を入射させることができ、高精度な測定が可能となる。また、筐体が大型化しないので、十分な操作スペースを確保することができ、良好な操作性を得ることができる。
【００５８】
（１０）第１０の発明
第１０の発明に係る形状測定器は、第１〜第９のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、撮像素子の画素の単位よりも小さな単位で撮像素子の出力信号の変化位置を算出するための情報を記憶する第１の記憶手段と、第１の記憶手段に記憶された情報に基づいて撮像素子の出力信号の変化位置を算出する算出手段とをさらに備えたものである。
【００５９】
この場合、第１の記憶手段に記憶された情報に基づいて撮像素子の出力信号の変化位置を撮像素子の画素の単位よりも小さな単位で算出することできる。したがって、測定精度がさらに向上する。
【００６０】
（１１）第１１の発明
第１１の発明に係る形状測定器は、第１〜第１０のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、第１および第２のレンズの収差による撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正するための情報を記憶する第２の記憶手段と、第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて第１および第２のレンズの収差による撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正する補正手段とをさらに備えたものである。
【００６１】
この場合、第２の記憶手段に記憶された情報に基づいて撮像素子の出力信号の直線性のずれを補正することができる。したがって、測定精度がさらに向上する。
【００６２】
（１２）第１２の発明
第１２の発明に係る形状測定器は、第１〜第１１のいずれかの発明に係る形状測定器の構成において、撮像素子の画像取り込みタイミングに同期して発光ダイオードを点灯させる駆動手段をさらに備えたものである。
【００６３】
この場合、撮像素子の画像取り込みタイミングに同期して発光ダイオードが点灯するので、外乱光の影響を受けにくくなる。したがって、測定精度がさらに向上する。
【００６４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例における形状測定器の構成を示す模式的断面図である。
【００６５】
図１において、筐体１０内に投光部２０および受光部３０が設けられている。投光部２０は、発光ダイオード２１、すりガラス等からなる拡散板２２、絞り２３、投光レンズ２４、投光ミラー２５および防塵用フィルタ２６を含む。絞り２３は、円形の開口部を有する薄板状部材からなり、絞り径は固定されている。受光部３０は、防塵用フィルタ３１、第１のレンズ３２、受光ミラー３３、バンドパスフィルタ３５、絞り３６、第２のレンズ３７およびＣＣＤ（電荷結合素子）３８を含む。絞り３６は、円形の開口部を有する薄板状部材からなる。バンドパスフィルタ３５、絞り３６および第２のレンズ３７はレンズ筒３４内に一体的に収納されている。また、レンズ筒３４およびＣＣＤ３８はケース３９内に一体的に収納されている。
【００６６】
投光部２０の防塵用フィルタ２６と受光部３０の防塵用フィルタ３１との間には、ステージ４０により透明ガラスからなる測定台４１が配置されている。測定台４１の支持面４２上に測定対象物が支持される。測定台４１の支持面４２は受光部３０の第１のレンズ３２の光軸に垂直に設定されている。
【００６７】
発光ダイオード２１から出射された光は、拡散板２２により拡散され、拡散板２２による拡散光は、絞り２３の円形の開口部を通過することにより円形に整形される。絞り２３の円形の開口部を通過した光は、投光レンズ２４により水平方向に進行する平行光に変換される。その平行光は、投光ミラー２５により上方に反射され、防塵用フィルタ２６を透過し、測定台４１上の測定対象物に照射される。
【００６８】
測定対象物を透過した光は、防塵用フィルタ３１を透過し、第１のレンズ３２により集光され、受光ミラー３３により水平方向に反射される。受光ミラー３３により反射された光は、バンドパスフィルタ３５を透過し、絞り３６の円形の開口部を通過し、第２のレンズ３７によりＣＣＤ３８の受光領域に結像される。
【００６９】
なお、ＣＣＤ３８の受光量の調整は、発光ダイオード２１の駆動電流を制御することにより行われる。
【００７０】
本実施例の形状測定器においては、単一の発光ダイオード２１から出射された光が拡散板２２で拡散されるとともに、絞り２３により円形に整形された後、平行光にされるので、均一な光量分布が得られ、光量むらが発生しない。したがって、高い測定精度が得られる。
【００７１】
また、単一の発光ダイオード２１が用いられるので、消費電流が少ない。したがって、発熱による測定誤差が生じない。
【００７２】
さらに、発光ダイオード２１においては光量の劣化がほとんど生じない。したがって、発光ダイオード２１を頻繁に交換する必要がない。また、発光ダイオード２１、拡散板２２、絞り２３および投光レンズ２４により均一な光量分布が得られるので、発光ダイオード２１を交換した際に、基準の測定対象物を用いて測定値を補正する必要がない。その結果、大がかりな補正用のハードウエアおよびソフトウエアが不要となる。
【００７３】
また、発光ダイオード２１から出射される光は単一波長を有するので、色収差を補正した高価なレンズを使用する必要がなく、レンズの構成が簡単になるとともに安価なレンズを使用することができる。
【００７４】
さらに、投光部２０および受光部３０が筐体１０内に一体的に支持されているので、ユーザが投光部２０と受光部３０との位置関係を調整する必要がない。また、投光部２０および受光部３０の一体化により外乱光の影響も少なくなる。
【００７５】
また、測定台４１の支持面４２が予め第１のレンズ３２の光軸に垂直に設定されているので、厚みを有する測定対象物を測定する場合に、ユーザが投光部２０および受光部３０の光軸を測定対象物に対して垂直に調整する必要がない。したがって、大がかりな調整機構も不要となる。
【００７６】
また、第１のレンズ３２により集光された光の方向が受光ミラー３３により垂直に折り曲げられるので、筐体１０を大型化することなく第１のレンズ３２と第２のレンズ３７との間の距離を長くすることができる。それにより、第１および第２のレンズ３２，３７として焦点距離の長い両側テレセントリックレンズを使用することができる。したがって、より高精度な測定が可能となる。また、筐体１０が大型化しないので、十分な操作スペースを確保することができ、良好な操作性が得られる。
【００７７】
本実施例では、拡散板２２および絞り２３が拡散整形手段を構成し、拡散板２２が拡散要素に相当し、絞り２３が薄板状部材に相当する。また、絞り３６が薄板状部材に相当する。
【００７８】
なお、発光ダイオード２１および拡散板２２を用いる代わりに、拡散要素が一体化された発光ダイオードを用いてもよい。
【００７９】
また、拡散板２２および円形の開口部を有する絞り２３を用いる代わりに、円形の拡散板を用いてもよい。この場合にも、発光ダイオード２１から出射された光が円形の拡散板により拡散されるとともに、円形に整形される。
【００８０】
図２は図１の形状測定器におけるＣＣＤ３８の受光領域と第２のレンズ３７による結像領域との位置関係を示す図である。
【００８１】
図２（ａ）に示すように、ＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１は、例えば１２８０画素×１０２４画素からなる。図１の絞り２３，３６が円形の開口部を有するので、第２のレンズ３７による結像領域Ｆ１は円形となる。結像領域Ｆ１がＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１内に位置するようにレンズ筒３４とＣＣＤ３８との位置関係が調整される。ここで、ＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１の長手方向をＡとし、短手方向をＢとする。
【００８２】
図２（ｂ）に示すように、組み立て時（製造時）に、第２のレンズ３７による結像領域Ｆ１がＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１に対して方向Ｂにずれている場合には、ＣＣＤ３８を矢印Ｂ０で示す方向に機械的に移動させることにより結像領域Ｆ１を受光領域Ｒ１内に位置決めする。位置決め後、ＣＣＤ３８をケース３９に固定する。
【００８３】
また、図２（ｃ）に示すように、第２のレンズ３７による結像領域Ｆ１の直径がＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１の長手方向の長さよりも小さいので、結像領域Ｆ１が受光領域Ｒ１の中央部から方向Ａに多少ずれている場合でも、結像領域Ｆ１が受光領域Ｒ１から外れない。この場合には、ＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１における信号処理領域を電気的に方向Ａに移動させればよく、レンズ筒３４とＣＣＤ３８との位置関係を調整する必要がない。
【００８４】
上記のように、第２のレンズ３７による結像領域Ｆ１がＣＣＤ３８の受光領域Ｒ１内に包含されるので、第２のレンズ３７として小型でかつ安価なレンズを用いることができる。
【００８５】
図３は図１の形状測定器における第１のレンズ３２の位置調整を説明するための図である。
【００８６】
図３に示すように、組み立て時には、第１のレンズ３２は、矢印Ｐで示すように光軸に対して垂直な面内で移動可能に支持部材４５に支持されている。破線の矢印で示すように、測定台４１の支持面４２から第１のレンズ３２およびレンズ筒３４に入射する光が支持面４２に対して傾斜している場合には、第１のレンズ３２を矢印Ｐの方向に移動させることにより、第１のレンズ３２およびレンズ筒３４に入射する光を支持面４２に対して垂直に容易に調整することができる。
【００８７】
第１のレンズ３２の位置調整後、第１のレンズ３２は支持部材４５に固定される。したがって、ユーザは、第１のレンズ３２およびレンズ筒３４に入射する光が支持面４２に対して垂直になるように調整を行う必要はない。なお、支持部材４５が第１の支持手段に相当する。
【００８８】
図４は図１の形状測定器における第２のレンズ３７を内蔵するケース３９の位置調整を説明するための図である。
【００８９】
図４に示すように、組み立て時には、ケース３９は、矢印Ｑで示すように、レンズ筒３４の光軸方向に移動可能に設けられている。破線の矢印で示すように、測定台４１の支持面４２から第１のレンズ３２に入射する光が平行光にならない場合には、ケース３９を矢印Ｑで示す方向に移動させることにより、支持面４２から第１のレンズ３２に入射する光を平行光に容易に調整することができる。
【００９０】
ケース３９の位置調整後、ケース３９は筐体１０に対して固定される。したがって、ユーザは、支持面４２から第１のレンズ３２に入射する光が平行光になるように調整を行う必要はない。なお、ケース３９が第２の支持手段に相当する。
【００９１】
図５は図１の形状測定器の信号処理回路の構成を示すブロック図である。
タイミング発生回路５１は、垂直同期パルスＶ、水平同期パルスＨおよびＣＣＤシャッタパルスＳＨを発生するとともに、ＬＥＤ（発光ダイオード）点灯パルスＬＤを発生する。ＬＥＤ（発光ダイオード）点灯回路５２は、タイミング発生回路５１により発生されたＬＥＤ点灯パルスＬＤに応答して発光ダイオード２１を点灯させる。
【００９２】
発光ダイオード２１から出射された光は、絞り２３の円形の開口部を通過し、投光レンズ２４により平行光にされ、測定対象物に照射される。測定対象物からの透過光は、第１のレンズ３２により集光され、絞り３６の円形の開口部を通過し、第２のレンズ３７によりＣＣＤ３８の受光領域に結像される。ＣＣＤ３８は、受光量に対応するアナログの出力信号を導出する。
【００９３】
Ａ／Ｄ変換器（アナログ／デジタル変換器）５３は、ＣＣＤ３８の出力信号をデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を画像データとして画像メモリ５４に書き込むとともに、画像モニタ６３に与える。
【００９４】
微分器５５は、画像メモリ５４から読み出された画像データを微分する。エッジ検出器５６は、微分器５５の出力信号の画素レベルのピーク位置を検出し、そのピーク位置を画素レベルのエッジ位置としてエッジメモリ６１に書き込む。
【００９５】
サブピクセル算出部５７は、サブピクセルテーブル５８を用いて微分器５５の出力信号に基づいてサブピクセルレベルのピーク位置を算出し、そのピーク位置の座標をサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，ｙ）として出力する。リニア補正部５９は、リニア補正テーブル６０を用いてサブピクセルレベルのエッジ座標（ｘ，ｙ）に対してリニア補正を行い、補正されたエッジ座標（Ｘ，Ｙ）をエッジメモリ６１に書き込む。
【００９６】
距離計算部６２は、エッジメモリ６１に記憶されたサブピクセルレベルのエッジ座標に基づいて測定対象物の任意の２点間の距離を計算し、計算結果をエッジメモリ６１に格納する。
【００９７】
画像モニタ６３は、Ａ／Ｄ変換器５３から与えられる画像データを測定対象物の画像として表示するとともに、エッジメモリ６１に記憶される計算結果を表示する。
【００９８】
本実施例の形状測定器では、距離計算部６２および画像モニタ６３以外の部分は、図１の筐体１０内に収納される。距離計算部６２は、パーソナルコンピュータにより構成される。
【００９９】
本実施例では、ＬＥＤ点灯回路５２が駆動手段に相当し、サブピクセルテーブル５８が第１の記憶手段に相当し、サブピクセル算出部５７が算出手段に相当する。リニア補正テーブル６０が第２の記憶手段に相当し、リニア補正部５９が補正手段に相当する。
【０１００】
図６は図５のタイミング発生回路５１により発生される垂直同期パルスＶ、水平同期パルスＨ、ＣＣＤシャッタパルスＳＨおよびＬＥＤ点灯パルスＬＤを示すタイミングチャートである。
【０１０１】
ＣＣＤ３８は、ＣＣＤシャッタパルスＳＨに応答して画像取り込み動作（電荷蓋積動作）を開始し、垂直同期パルスＶの立ち下がりに同期して電荷転送動作および出力動作を開始する。このＣＣＤシャッタパルスＳＨに応答してＬＥＤ点灯パルスＬＤが立ち上がり、垂直同期パルスＶの立ち下がりに応答してＬＥＤ点灯パルスＬＤが立ち下がる。ＬＥＤ点灯パルスＬＤがハイレベルのときに発光ダイオード２１が点灯する。
【０１０２】
このように、ＣＣＤ３８の画像取り込み動作に合わせて発光ダイオード２１がパルス点灯されるので、外乱光の影響が低減される。
【０１０３】
図７は図５のＡ／Ｄ変換器５３の出力値の一例を示す図である。図７において、横軸はＣＣＤ３８の画素位置であり、縦軸はＡ／Ｄ変換器５３の出力値である。図７に示すように、Ａ／Ｄ変換器５３の出力値は、ＣＣＤ３８の画素位置「−３」から「２」にかけて立ち上がっている。
【０１０４】
図８は図５の微分器５５の出力値の一例を示す図である。図８において、横軸はＣＣＤ３８の画素位置であり、縦軸は微分器５５の出力値である。図８に示すように、微分器５５の出力値のピーク位置ＰＫ０はＣＣＤ３８の画素位置「０」となっている。微分器５５の出力値のピーク位置ＰＫ０がＣＣＤ３８の画素レベルでのエッジ位置となる。
【０１０５】
したがって、エッジ検出器５６は、画素レベルでのピーク位置ＰＫ０を画素レベルでのエッジ位置としてエッジメモリ６１に格納する。
【０１０６】
また、サブピクセル算出部５７は、画素レベルでのピーク位置ＰＫ０における微分器５５の出力値と前後の画素位置における微分器５５の出力値に基づいてサブピクセルレベルでのピーク位置ＰＫ１を算出する。この場合、サブピクセル算出部５７は、画素レベルでのピーク位置ＰＫ０における微分器５５の出力値および前後の画素位置における微分器５５の出力値に対してサブピクセルテーブル５８を用いて波形近似を行うことによりサブピクセルレベルでのピーク位置ＰＫ１を算出する。
【０１０７】
サブピクセルテーブル５８には、画素レベルでのピーク位置ＰＫ０とサブピクセルレベルでのピーク位置ＰＫ１との差分値ΔＰＫがルックアップテーブルとして格納されている。したがって、サブピクセルテーブル５８に画素レベルでのピーク位置ＰＫ０における微分器５５の出力値および前後の画素位置における微分器５５の出力値を与えると、差分値ΔＰＫが出力される。サブピクセル算出部５７は、画素レベルでのピーク位置ＰＫ０およびサブピクセルテーブル５８から出力された差分値ΔＰＫを用いてサブピクセルレベルでのピーク位置ＰＫ１を算出する。
【０１０８】
実際には、画素レベルでのピーク位置およびサブピクセルレベルでのピーク位置は２次元の座標で表されるため、図５のサブピクセル算出部５７は、サブピクセルレベルでのピーク位置をエッジ座標（ｘ，ｙ）として出力する。
【０１０９】
図９は図５のリニア補正部５９によるリニア補正を説明するための図である。
図９（ａ）に示すように、測定対象物３００の透過光から第１のレンズ３２、絞り３６および第２のレンズ３７によりＣＣＤ３８の受光領域上に画像３０１が得られる。ここで、測定対象物３００の形状を長方形とする。
【０１１０】
第１のレンズ３２および第２のレンズ３７に歪曲収差がない場合には、図９（ｂ），（ｃ），（ｄ）に破線で示すように画像３０１は長方形となる。しかし、第１のレンズ３２および第２のレンズ３７に歪曲収差がある場合には、図９（ｂ），（ｃ），（ｄ）に実線で示すように画像３０１の形状が歪む。
【０１１１】
そこで、リニア補正部５９は、サブピクセル算出部５７により算出されたサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，ｙ）に対してをリニア補正テーブル６０を用いてリニア補正を行う。すなわち、このリニア補正部５９は、測定対象物の各位置とＣＣＤ３８の受光領域上の画像の各位置との関係が直線性を有するように、画像の各位置を補正する。
【０１１２】
リニア補正テーブル６０には、補正前の画像の各位置と補正後の画像の各位置との差分値がルックアップテーブルとして格納されている。したがって、図５に示すように、リニア補正テーブル６０に補正前のサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，ｙ）を与えると、リニア補正テーブル６０から補正前のエッジ座標（ｘ，ｙ）と補正後のエッジ座標との差分値（Δｘ，Δｙ）が出力される。リニア補正部５９は、補正前のサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ，ｙ）およびリニア補正テーブル６０から出力された差分値（Δｘ，Δｙ）に基づいてサブピクセルレベルでの補正後のエッジ座標（Ｘ，Ｙ）を算出し、エッジメモリ６１に格納する。
【０１１３】
図１０は図５の形状測定器における距離計算処理の一例を示すフローチャートである。ここでは、図１１に示す測定対象物の画像３０１のエッジＥ０とエッジＥ１との間の距離を計算するものとする。
【０１１４】
領域Ｗ０の座標の算出処理では、変数ｉを０に設定し（ステップＳ１）、サブピクセル算出部５７が微分器５５の出力値に基づいてサブピクセルテーブル５８を用いてサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ0i, ｙ0i）を算出する（ステップＳ２）。次に、リニア補正部５９が、サブピクセル算出部５７により算出されたサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ0i，ｘ0i）に対してリニア補正テーブル６０を用いてリニア補正を行う（ステップＳ３）。そして、補正後のエッジ座標（Ｘ0i，Ｙ0i）をエッジメモリ６１に格納する（ステップＳ４）。その後、変数ｉに１を加算する（ステップＳ５）。変数ｉが所定値ｎになるまで（ステップＳ６）、ステップＳ２〜Ｓ５の処理を繰り返す。それにより、領域Ｗ０におけるエッジＥ０の座標が求められる。
【０１１５】
一方、領域Ｗ１の座標の算出処理では、変数ｉを０に設定し（ステップＳ１１）、サブピクセル算出部５７が微分器５５の出力値に基づいてサブピクセルテーブル５８を用いてサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ1i，ｙ1i）を算出する（ステップＳ１２）。次に、リニア補正部５９が、サブピクセル算出部５７により算出されたサブピクセルレベルでのエッジ座標（ｘ1i，ｙ1i）に対してリニア補正テーブル６０を用いてリニア補正を行う（ステップＳ１３）。そして、補正後のエッジ座標（Ｘ1i，Ｙ1i）をエッジメモリ６１に格納する（ステップＳ１４）。その後、変数ｉに１を加算する（ステップＳ１５）。変数ｉが所定値ｎになるまで（ステップＳ１６）、ステップＳ１２〜Ｓ１５の処理を繰り返す。それにより、領域Ｗ０におけるエッジＥ１の座標が求められる。
【０１１６】
その後、距離計算部６２がエッジメモリ６１に格納されたエッジ座標からエッジＥ０，Ｅ１間の距離を求める（ステップＳ２０）。そして、求められた距離を画像モニタ６３に出力する（ステップＳ２１）。このようにして、サブピクセルレベルでの距離が得られる。
【０１１７】
本実施例の形状測定器においては、単一の発光ダイオード２１、拡散板２２、絞り２３および投光レンズ２４により均一な光量分布が得られ、光量むらが発生しないので、サブピクセルテーブル５８の構成が単純になる。また、発光ダイオード２１の交換ごとにリニア補正テーブル６０を再調整する必要がなくなるので、リニア補正テーブル６０の構成も単純になる。したがって、サブピクセルテーブル５８およびリニア補正テーブル６０を筐体１０内に設けることができる。また、投光部２０および受光部３０に互換性が得られ、修理および保守が容易になる。
【０１１８】
このように、小型で測定精度が高く、操作性が良好でかつ安価な形状測定器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例における形状測定器の構成を示す模式的断面図である。
【図２】図１の形状測定器におけるＣＣＤの受光領域と第２のレンズによる結像領域との位置関係を示す図である。
【図３】図１の形状測定器における第１のレンズの位置調整を説明するための図である。
【図４】図１の形状測定器における第２のレンズを内蔵するケースの位置調整を説明するための図である。
【図５】図１の形状測定器における信号処理回路の構成を示すブロック図である。
【図６】図５の形状測定器のタイミング発生回路により発生される垂直同期パルス、水平同期パルス、ＣＣＤシャッタパルスおよびＬＥＤ点灯パルスを示すタイミングチャートである。
【図７】図５の形状測定器におけるＡ／Ｄ変換器の出力値の一例を示す図である。
【図８】図５の形状測定器における微分器の出力値の一例を示す図である。
【図９】図５の形状測定器におけるリニア補正部によるリニア補正を説明するための図である。
【図１０】図５の形状測定器における距離計算処理の一例を示すフローチャートである。
【図１１】測定対象物の画像の一例を示す図である。
【図１２】従来の形状測定器を示すブロック図である。
【図１３】図１２の形状測定器におけるカメラにより撮像される測定対象物の光量分布の一例を示す図である。
【図１４】複数の発光ダイオードを用いた均一照明の平面図である。
【図１５】蛍光灯を用いた均一面照明の平面図である。
【図１６】白熱ランプを用いた光源を示す図である。
【図１７】図１６の光原における放射角度の違いによる光量分布の違いを説明するための図である。
【図１８】絞り径の違いによる光量分布の違いを説明するための図である。
【図１９】従来の形状測定器におけるレンズによる結像領域とＣＣＤの受光領域との関係を示す図である。
【図２０】片側テレセントリックレンズおよび両側テレセントリックレンズを示す図である。
【図２１】オンチップマイクロレンズを有するＣＣＤへの光の入射を示す図である。
【符号の説明】
１０  筐体
２０  投光部
２１  発光ダイオード
２２  拡散板
２３  絞り
２４  投光レンズ
２５  投光ミラー
２６，３１  防塵用フィルタ
３０  受光部
３２  第１のレンズ
３３  受光ミラー
３４  レンズ筒
３５  バンドパスフィルタ
３６  絞り
３７  第２のレンズ
３８  ＣＣＤ
３９  ケース
４０  ステージ
４１  測定台
４２  支持面
５１  タイミング発生回路
５２  ＬＥＤ点灯回路
５３  Ａ／Ｄ変換器
５４  画像メモリ
５５  微分器
５６  エッジ検出器
５７  サブピクセル算出部
５８  サブピクセルテーブル
５９  リニア補正部
６０  リニア補正テーブル
６１  エッジメモリ
６２  距離計算部
６３  画像モニタ
【図１】
0004132308.tif 000002
【図２】
0004132308.tif 000003
【図３】
0004132308.tif 000004
【図４】
0004132308.tif 000005
【図５】
0004132308.tif 000006
【図６】
0004132308.tif 000007
【図７】
0004132308.tif 000008
【図８】
0004132308.tif 000009
【図９】
0004132308.tif 000010
【図１０】
0004132308.tif 000011
【図１１】
0004132308.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0004132308.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004132308.tif 000016
【図１６】
0004132308.tif 000017
【図１７】
0004132308.tif 000018
【図１８】
0004132308.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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