(57)【要約】【課題】簡単な構成で多様な測定が可能な光学式測定装置を提供すること。【解決手段】光源１２６からの測定用光１２４は、レンズ系１０７を介してコーンミラー１０８の反射部１２１によって反射され、光遮蔽部材１０５、１０６の開口を介して、幅広で放射状の欠陥測定用光１１９として測定対象１５０側に出力される。コーンミラー１０８の貫通穴１０９を通過した測定用光１２５は、コーンミラー１１０の頂部１１１周辺の反射部１２２によって反射され、光遮蔽部材１０５、１０６の開口を介して、幅狭で放射状の長さ特性測定用光１２０として測定対象１５０側に出力される。測定対象１５０で反射した欠陥測定用光１１９と長さ特性測定用光１２０は、各々、測定部１１２、１１６によって検出され、演算制御部１２８によって測定対象１５０の欠陥の有無判別や形状算出等が行われる。【選択図】  図１
2009025006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円錐中心軸に沿って貫通穴を有すると共に円錐面に第１反射部が形成された第１コーンミラーと、前記第１コーンミラーの底面側に配設され、頂部を含み円錐面の所定領域に第２反射部が形成された第２コーンミラーとを備え、
前記第１、第２コーンミラーは、各円錐中心軸が同軸になるように配設されていることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１記載の光学装置と、前記光学装置の第１コーンミラーの頂部側から前記第１コーンミラーの円錐中心軸を含む領域に平行光を照射する光源とを備え、
前記光源からの光を前記第１反射部によって反射して所定幅の第１出力光として出力すると共に、前記第１コーンミラーの貫通穴を通過した前記光源からの光を前記第２反射部によって反射して前記第１出力光よりも幅狭の第２出力光として出力することを特徴とする光源装置。
【請求項３】
前記第１、第２出力光は、前記円錐中心軸を中心として放射状に出力されることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項４】
前記光源の光軸と前記第１コーンミラーの円錐中心軸は所定距離離れた平行な軸であり、
前記第１出力光は前記円錐中心軸から偏心したプロファイルを有すると共に、前記第２出力光は前記円錐中心軸を中心として放射状に出力されることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項５】
前記第１出力光及び第２出力光の一部を遮蔽する光遮蔽部材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源装置。
【請求項６】
請求項２乃至５のいずれか一に記載の光源装置と、
前記光源装置の第１出力光が測定対象で反射した光を検出する第１測定手段と、第２出力光が測定対象で反射した光を検出する第２測定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７】
前記第１測定手段は、測定対象で反射した前記第１出力光を偏光する偏光手段と、前記偏光手段によって偏光された第１出力光を検出する検出手段とを備えて成ることを特徴とする請求項６記載の光学式測定装置。
【請求項８】
前記第１、第２出力光は各々、欠陥測定用の欠陥測定用光、長さに関する特性を測定する長さ特性測定用光であり、前記第１測定手段は測定対象で反射した欠陥測定用光に基づいて前記測定対象の欠陥の有無を測定し、前記第２測定手段は測定対象で反射した長さ特性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測定することを特徴とする請求項６又は７記載の光学式測定装置。
【請求項９】
前記第１、第２測定手段は、一の測定手段を兼用することによって構成して成ることを特徴とする請求項６乃至８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、光の反射等を行う光学装置、光を出力する光源装置及び測定対象を光学的に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測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象で反射した測定用光を検出し、該検出した測定用光に基づいて前記測定対象の形状や姿勢、所定位置を基準とする前記測定対象上の測定点までの距離や座標等を測定する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】
特許文献１に記載された発明のように、光源がレーザ半導体等の場合には細い線状の平行光線等の一種類の光しか生成できないため、これのみでは多様な測定を行う光源としては適当ではない。また、多数の発光素子を用いて多様な光を生成するように構成すれば多様な形態の光を生成することが可能になるが、構成が複雑になり又、高価になるという問題がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３４９３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、簡単な構成で多様な形態の光生成に供することが可能な光学装置を提供することを課題としている。
本発明は、簡単な構成で多様な形態の光を生成可能な光源装置を提供することを課題としている。
本発明は、簡単な構成で多様な測定が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】
【０００６】
本発明によれば、円錐中心軸に沿って貫通穴を有すると共に円錐面に第１反射部が形成された第１コーンミラーと、前記第１コーンミラーの底面側に配設され、頂部を含み円錐面の所定領域に第２反射部が形成された第２コーンミラーとを備え、前記第１、第２コーンミラーは、各円錐中心軸が同軸になるように配設されていることを特徴とする光学装置が提供される。
【０００７】
また、本発明によれば、前記光学装置と、前記光学装置の第１コーンミラーの頂部側から前記第１コーンミラーの円錐中心軸を含む領域に平行光を照射する光源とを備え、前記光源からの光を前記第１反射部によって反射して所定幅の第１出力光として出力すると共に、前記第１コーンミラーの貫通穴を通過した前記光源からの光を前記第２反射部によって反射して前記第１出力光よりも幅狭の第２出力光として出力することを特徴とする光源装置が提供される。
【０００８】
ここで、前記第１、第２出力光は、前記円錐中心軸を中心として放射状に出力されるように構成してもよい。
また、前記光源の光軸と前記第１コーンミラーの円錐中心軸は所定距離離れた平行な軸であり、前記第１出力光は前記円錐中心軸から偏心したプロファイルを有すると共に、前記第２出力光は前記円錐中心軸を中心として放射状に出力されるように構成してもよい。
また、前記第１出力光及び第２出力光の一部を遮蔽する光遮蔽部材を備えて成るように構成してもよい。
【０００９】
また、本発明によれば、前記いずれか一に記載の光源装置と、前記光源装置の第１出力光が測定対象で反射した光を検出する第１測定手段と、第２出力光が測定対象で反射した光を検出する第２測定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。
ここで、前記第１測定手段は、測定対象で反射した前記第１出力光を偏光する偏光手段と、前記偏光手段によって偏光された第１出力光を検出する検出手段とを備えて成るように構成してもよい。
【００１０】
また、前記第１、第２出力光は各々、欠陥測定用の欠陥測定用光、長さに関する特性を測定する長さ特性測定用光であり、前記第１測定手段は測定対象で反射した欠陥測定用光に基づいて前記測定対象の欠陥の有無を測定し、前記第２測定手段は測定対象で反射した長さ特性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測定するように構成してもよい。
また、前記第１、第２測定手段は、一の測定手段を兼用することによって構成して成るようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る光学装置によれば、簡単な構成で多様な形態の光生成に供することができる。
また、本発明に係る光源装置によれば、簡単な構成で多様な形態の光を生成することができる。
また、本発明に係る光学式測定装置によれば、簡単な構成で多様な測定が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学装置、光源装置及び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側断面図である。
図２、図３は、各々、図１におけるＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図である。
また、図４は、本第１の実施の形態における測定用光のビームプロファイルを示す図である。
【００１３】
図１〜図４において、光学式測定装置は、光源部１０１、第１測定部１１２、第２測定部１１６、演算制御部１２８を備えている。第１測定部１１２及び演算制御部１２８は第１測定手段を構成し、第２測定部１１６及び演算制御部１２８は第２測定手段を構成している。
光学式測定装置は、測定対象１５０を広範囲に測定するために、測定対象１５０に対して相対的に移動可能なように設けられている。
【００１４】
例えば、光学式測定装置は、直交する三方向に移動走査可能な直線走査機構、回転走査機構、ロボット、ＣＮＣ制御の工作機械等に装着して使用される。あるいは、光学式測定装置は所定位置に固定され、測定対象１５０は工作機械のＸＹＺテーブル等の移動機構に取り付けて測定される。
光源部１０１は、光源１２６、第１レンズ系１０７、第１コーンミラー１０８、第２コーンミラー１１０、光遮蔽部材１０５、１０６を備えている。
光源１２６は、半導体レーザあるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子によって構成されている。
【００１５】
第１コーンミラー１０８は、その頂部１２３から底面まで、その円錐中心軸に沿って貫通穴１０９を有すると共に、円錐面に第１反射部１２１が形成されている。第２コーンミラー１１０は、第１コーンミラー１０８の底面側に配設されており、その頂部１１１を含み円錐面の所定領域に第２反射部１２２が形成されている。また、本実施の形態では、第１、第２コーンミラー１０８、１１０の頂部１２３、１１１の頂角は、各々９０度に形成されている。
【００１６】
光源１２６の光軸、レンズ系１０７の光軸、第１コーンミラー１０８の円錐中心軸、第２コーンミラー１１０の円錐中心軸は、光軸１００と一致するように配設されている。これにより、第１、第２コーンミラー１０８、１１０は、各円錐中心軸が同軸になるように配設されている。
光源１２６は、光軸１００に沿って測定用光１２４を出力する。前記測定用光１２４は光軸に平行な光でもよく又、平行ではない光でもよい。
【００１７】
第１レンズ系１０７は、光源１２６の出力光である測定用光１２４を光軸１００に平行な測定用光に変換して出力する。
第１レンズ系１０７から第１コーンミラー１０８に照射される測定用光１２５のプロファイルは、図４に示すように、第１コーンミラー１０８の頂部１２３（換言すれば貫通穴１０９）を中心とする円形状になる。
【００１８】
測定用光１２５のうち、貫通穴１０９に対応する部分の光は貫通穴１０９を通過する。一方、測定用光１２５の第１反射部１２１に対応する部分（即ち、測定用光１２５の貫通穴１０９に対応しない部分）は、第１反射部１２１によって光軸１００と交差する方向（本実施の形態では直交する方向）に反射される。第１反射部１２１によって反射された光は、所定幅を持つ帯状で円板状の光となる。前記帯状で円板状の光の全部又は一部から成る帯状光（光切断帯）は、例えば測定対象１５０の表面欠陥を測定するための光（欠陥測定用光）１１９として使用される。欠陥測定用光１１９は第１出力光を構成してる。
【００１９】
貫通穴１０９を通過した測定用光１２５は光軸１００に沿って進行し、第２コーンミラー１１０の頂部１１１を含む第２反射部１２２によって、光軸１００と交差する方向（本実施の形態では直交する方向）に反射される。第２反射部１２２によって反射された光は、前記欠陥測定用光よりも幅狭の円板状の光である。前記円板状の光の全部又は一部から成る線状光（光切断ライン）は、例えば測定対象１５０の形状や寸法あるいは所定位置から測定対象１５０上の測定点までの距離等の長さに関する特性を測定する光（長さ特性測定用光）１２０として使用される。長さ特性測定用光１２０は第２出力光を構成している。
【００２０】
不透光性部材によって構成された円筒部１０２、１０３及び透光性部材によって形成された円筒部１０４によって筐体１２７が構成されている。光源部１０１の光源１２６、第１レンズ系１０７、第１コーンミラー１０８、第２コーンミラー１１０、及び、第１測定部１１２は筐体１２７内に配設されている。
【００２１】
第１光遮蔽部材１０５は、光軸１００に沿って開口２０１を有し円筒状に形成されている。光遮蔽部材１０５は、光軸１００を中心に、筐体１２７に対して相対的に、時計方向や反時計方向（図２、図３の矢印方向）に回転可能に構成されている。これにより、開口２０１の位置を変更できるように構成されている。
【００２２】
また、第１光遮蔽部材１０５の外側には、第２光遮蔽部材１０６が同軸に設けられている。第２光遮蔽部材１０６は、光軸１００に沿って開口２０２を有し円筒状に形成されている。光遮蔽部材１０６は、光軸１００を中心に、筐体１２７及び第１光遮蔽部材１０５に対して相対的に、時計方向や反時計方向（図２、図３の矢印方向）に回転可能に構成されている。これにより、開口２０２の位置を変更できるように構成されている。
【００２３】
測定対象１５０は、光遮蔽部材１０５、１０６の開口２０１、２０２に共通する開口２０３を介して、欠陥測定用光１１９や長さ特性測定用光１２０によって照射される。
帯状の欠陥測定用光１１９による照射面はＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）カメラ等によって構成された第１測定部１１２によって撮像されて表面欠陥検出に利用される。また、長さ特性測定用光１２０による光切断ラインは、ＣＣＤカメラ等によって構成された第２測定部１１６によって撮像されて、その特徴抽出像を三角測量の原理で形状計測や寸法計測に利用される。
【００２４】
光遮蔽部材１０５、１０６を相対的に回転させることによって開口２０１、２０２の共通する開口２０３の位置や大きさを変更し、測定対象１５０を照射する欠陥測定用光１１９や長さ特性測定用光１２０の位置や光切断ライン長等を変更することができる。
第１測定部１１２は、測定対象１５０で反射した欠陥測定用光１１９に基づいて、測定対象１５０の表面欠陥を測定する測定部であり、偏光板１１３、第２レンズ系１１４、光検出素子１１５を備えている。第１測定部１１２として、例えばＣＣＤカメラが使用できる。
【００２５】
偏光板１１３は、測定対象１５０で反射した欠陥測定用光１１９を偏光して出力する。第２レンズ系１１４は、偏光板１１３からの欠陥測定用光１１９を受光し収束して出力する。光検出素子１１５は、第２レンズ系１１４からの欠陥測定用光１１９を検出する。
光検出素子１１５として、ＣＣＤをはじめとして、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）型の光センサアレー（ＣＭＯＳ光センサアレー）等、各種の光検出素子が使用可能である。
尚、偏光板１１３は、欠陥測定機能を向上させるために設けたものであり、偏光板１１３を省略しても必要な欠陥測定機能が得られる場合には、偏光板１１３は省略可能である。
【００２６】
第２測定部１１６は、測定対象１５０で反射した長さ特性測定用光１２０に基づいて、測定対象１５０の欠陥を測定する測定部であり、第１レンズ系１１７、光検出素子１１８を備えている。第２測定部１１６として、第１測定部１１２と同様に、ＣＣＤカメラ等が使用できる。
第１レンズ系１１７は、測定対象１５０で反射した長さ特性測定用光を受光し収束して出力する。光検出素子１１８は、第１レンズ系１１７からの長さ特性測定用光を検出する。
【００２７】
光検出素子１１８として、光検出素子１１５と同様に、ＣＣＤ、ＰＳＤ、ＣＭＯＳ光センサアレー等、各種の光検出素子が使用可能である。
中央処理装置（ＣＰＵ）等によって構成された演算制御部１２８は、光検出素子１１５が検出した欠陥測定用光１１９に基づいて測定対象１５０の欠陥の有無を判別する。
【００２８】
また、演算制御部１２８は、光検出素子１１８が検出した長さ特性測定用光１２０に基づいて測定対象１５０の形状等の長さに関する特性を算出する。
また、演算制御部１２８によって測定対象１５０を移動制御あるいは筐体１２７を移動制御する等して、第１、第２コーンミラー１０８、１１０と測定対象１５０を相対的に移動させながら、測定対象１５０の欠陥や長さに関する特性を測定する。
【００２９】
以上のように構成された光学式測定装置においては、光源１２６からの測定用光１２４は、レンズ系１０７を介してコーンミラー１０８の反射部１２１によって光軸１００と交差する方向に反射され、光遮蔽部材１０５、１０６に共通する開口２０３を介して、幅広（幅Ｌ１）扇形で放射状の欠陥測定用光１１９として測定対象１５０側に出力される。
【００３０】
コーンミラー１０８の貫通穴１０９を通過した測定用光１２５は、コーンミラー１１０の頂部１１１周辺の反射部１２２によって反射され、光遮蔽部材１０５、１０６に共通する開口２０３を介して、幅狭（幅Ｌ２）扇形で放射状の長さ特性測定用光１２０として測定対象１５０側に出力される。
これにより、測定対象１５０は、幅広い帯状の所定領域が欠陥測定用光１１９によって照射されると共に、幅狭い線状の所定領域が線状光（光切断ライン）である長さ特性測定用光１２０によって照射される。
【００３１】
測定対象１５０で反射した欠陥測定用光１１９は、測定部１１２の偏光板１１３及びレンズ系１１４を介して光検出素子１１５によって幅ｍ１の光として検出され、演算制御部１２８によって測定対象１５０の表面欠陥の有無判別が行われる。
演算制御部１２８は、測定部１１２によって測定した測定対象１５０の像に対して、像のひずみ処理を行い、表面欠陥が存在すると判断した場合には、その大きさと位置を算出する。
【００３２】
また、測定対象１５０で反射した長さ特性測定用光１２０は、測定部１１６のレンズ系１１７を介して光検出素子１１８によって検出され（光検出素子１１５の中心からｍ２の位置）、演算制御部１２８によって測定対象１５０の形状算出等が行われる。
このようにして、測定対象１５０の光切断ライン上の凹凸は測定部１１６によって撮像され、演算制御部１３８によって三角測量の原理で寸法や形状として検出される。
【００３３】
演算制御部１２８の制御の下で、光学式測定装置と測定対象１５０の相対的な移動動作（直交する三方向についての直線走査あるいは回転走査）を、前記測定動作に同期させながら行うことにより、測定対象１５０の欠陥や三次元形状等を広範囲に測定することができる。この場合、演算制御部１２８は制御手段を構成している。
【００３４】
図５は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の側断面図である。
前記第１の実施の形態では、コーンミラー１０８、１１０に共用する光遮蔽部材１０５、１０６を使用したが、本第２の実施の形態では、光遮蔽部材１０５、１０６を、コーンミラー１０８、１１０に対応する領域に分割した構成とすることにより、コーンミラー１０８、１１０の各々について異なる光遮蔽部材を使用するように構成している。
【００３５】
即ち図５において、コーンミラー１０８に対応して、欠陥測定用光１１９通過用の開口を有する円筒状の第１光遮蔽部材５０１と、第１光遮蔽部材５０１の外側に欠陥測定用光１１９通過用の開口を有する第２光遮蔽部材５０２とが同軸に配設されている。第１光遮蔽部材５０１と第２光遮蔽部材５０２は相互に相対的に回転可能であると共に、筐体１２７に対しても相対的に回転可能である。
【００３６】
また、コーンミラー１１０に対応して、長さ特性測定用光１２０通過用の開口を有する円筒状の第３光遮蔽部材５０３と、第３光遮蔽部材５０３の外側に長さ特性測定用光１２０通過用の開口を有する第４光遮蔽部材５０４とが同軸に配設されている。第３光遮蔽部材５０３と第４光遮蔽部材５０４は相互に相対的に回転可能であると共に、筐体１２７に対しても相対的に回転可能である。
【００３７】
光遮蔽部材５０１〜５０４は以上のように構成されているため、第１光遮蔽部材５０１と第２光遮蔽部材５０２、第３光遮蔽部材５０３と第４光遮蔽部材５０４を各々独立に回転させることによって、欠陥測定用光１１９を出力する領域と長さ特性測定用光１２０を出力する領域を、各領域を独立して変更することが可能である。これにより、測定対象１５０を照射する欠陥測定用光１１９や長さ特性測定用光１２０の位置や長さを、各々独立して変更することが可能になり、多様な測定が可能になる。
【００３８】
図６は、本発明の他の実施の形態に係る光学式測定装置において、第１レンズ系１０７から第１コーンミラー１０８に照射する測定用光のプロファイルを示す図である。
前記各実施の形態では、第１レンズ系１０７の光軸（第１レンズ系の中心を通る軸）と第１コーンミラー１０８の光軸とを一致させると共に、第１レンズ系１０７の光軸に沿った平行な測定用光１２５を第１コーンミラー１０８に照射するように構成している。したがって、第１レンズ系１０７から第１コーンミラー１０８に照射される測定用光１２５のプロファイルは、図４に示すように、第１コーンミラー１０８の頂部１２３を中心とする円形状になる。
【００３９】
しかしながら、第２コーンミラー１１０から測定用光１２０を出力させるためには、第１レンズ系１０７から出力される測定用光１２５が貫通穴１０９を含むようなプロファイルであると共に、第１レンズ系１０７から第１コーンミラー１０８の貫通穴１０９に対して平行に測定用光１２５を照射できればよい。即ち、測定用光１２５は、貫通穴１０９を含み光軸１００に平行な光軸を有する光であればよい。図６（ａ）、（ｂ）はこれを実現した例である。
【００４０】
即ち、図６（ａ）では、測定用光１２５は貫通穴１０９を含み中心が偏心した円形のプロファイルであり、同図（ｂ）では、測定用光１２５は貫通穴１０９を含む半円形のプロファイルである。いずれの場合も、測定用光１２５は、第１コーンミラー１０８の反射部１２１によって反射されて欠陥測定用光として出力され、又、貫通穴１０９から第２コーンミラー１２２側に出力され、第２コーンミラー１１０によって反射されて長さ特性測定用光として出力されることになる。
【００４１】
尚、光反射部１０８、１１０は、測定に必要な幅の光を反射できればよいため、光反射部の反射領域は必要に応じて適宜選定可能である。
また、前記実施の形態では、複数の測定部１１２、１１６を用いたが、１つの測定部を兼用することによって、測定部１１２、１１６を構成するようにしてもよい。
【００４２】
即ち、測定部１１２、１１６は、一の測定部を検出する光に応じて切り替えることによって構成してもよい。
また、前記実施の形態では、欠陥測定用光と長さ特性測定用光の例で説明したが、用途に応じた多様な光に適用可能である
【産業上の利用可能性】
【００４３】
多様な形態の光生成に供することが可能な光学装置、多様な形態の光を生成可能な光源装置、多様な光学的測定が可能な光学式測定装置に利用可能である。
【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側断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置のＡ−Ａ断面図である。
【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Ｂ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定装置の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定装置の側断面である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る光学式測定装置の説明図である。
【符号の説明】
【００４５】
１００・・・光軸
１０１・・・光源部
１０２、１０３、１０４・・・円筒部
１０５、１０６・・・光遮蔽部材
１０７、１１４、１１７・・・レンズ系
１０８、１１０・・・コーンミラー
１０９・・・貫通穴
１１１、１２３・・・頂部
１１２、１１６・・・測定部
１１３・・・偏光板
１１５、１１８・・・光検出素子
１１９・・・欠陥測定用光
１２０・・・長さ特性測定用光
１２１、１２２・・・反射部
１２４、１２５・・・測定用光
１２６・・・光源
１２７・・・筐体
１２８・・・演算制御部
１５０・・・測定対象
２０１、２０２、２０３・・・開口
５０１、５０２、５０３、５０４・・・光遮蔽部材
【図１】
2009025006.tif 000003
【図２】
2009025006.tif 000004
【図３】
2009025006.tif 000005
【図４】
2009025006.tif 000006
【図５】
2009025006.tif 000007
【図６】
2009025006.tif 000008