(57)【要約】【課題】プローブ部分を損傷しにくく、かつ、プローブ部分を交換容易な距離測定装置を提供する。【解決手段】光源２からの光を、コリメータレンズ３により平行光束とし、出射面１４から、穴１の内壁にほぼ垂直に照射する。散乱された光を、微小開口１５で受光し、ミラー１７，１８で繰り返し反射させながら、受光レンズ４まで導いて受光する。受光レンズで受光された光は、リニアセンサ５上に結像する。リニアセンサ５での受光位置が分かると、微小開口１５に入射した散乱光の入射角度が分かり、これから三角測量の原理で、出射面１４から穴１の内壁までの距離が算出できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射開口（Ａ）を介して、被検物体に、前記被検物体の表面にほぼ点状光とみなせる照明光を照明する照明光学系と、
前記出射開口から一定の距離だけ離れた位置に設けられ、前記被検物体の表面上に前記照明光が当たる点（Ｂ）で散乱された散乱光を通過させる受光開口（Ｃ）と、
前記受光開口を通過した光を、出射位置においてもこの通過光と直線ＡＢとのなす角θ又はこのθに定数を加えた値となるように、繰り返し反射により導く導光部と、前記導光部により導かれた光を受光し、受光した位置を検知する受光位置検知素子上に結像させる受光光学系と、
前記受光位置検知素子が検知した光の位置により、前記被検物体までの距離を算出する演算部とを有することを特徴とする距離測定装置。
【請求項２】
前記導光部は、互いに平行に配置され、かつ、反射面を対向させて配置された２枚のミラーであることを特徴とする請求項１に記載の距離測定装置。
【請求項３】
前記受光位置検知素子は、前記受光光学系の焦点位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の距離測定装置。
【請求項４】
前記照明光学系は、光源と、コリメータレンズ系と、互いに平行に配置され、かつ、反射面を対向させて配置された２枚のミラーとを有し、前記光源からの光を前記コリメータレンズ系で平行光とし、前記２枚のミラーでそれぞれ反射させた後、前記出射開口に導くものであることを特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか１項に記載の距離測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、距離測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属加工などによる穴の形状は、ノギスなどの検具を用いて測定されてきた。ところが、ノギスなどの検具では歯の当たっている部分のうち一番狭い間隔のみしか測れないため、穴内部の形状を測定するには十分ではなかった。
【０００３】
そこで、タッチプローブなどの接触式のセンサを用いた形状測定機による検査が行われるようになったが、接触式であるために接触子の磨耗や接触圧によって誤差が生じてしまうという問題があった。
【０００４】
一方、特開２００７−２８５８９１号公報（特許文献１）には、穴内部に円盤状に広がるレーザ光を照射して、穴の内部に当たった位置をカメラで撮像して、その中心からの距離を算出するという方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００７−２８５８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、穴内部にプローブを挿入して形状測定を行う際に、特にロボットアームなどに取り付けた場合、挿入する部品を穴の内壁などに衝突させてしまいやすく、特許文献１に記載されるような複雑な構造のプローブでは損傷して測定できなくなってしまうという問題点がある。
【０００６】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、挿入するプローブの部分を簡単な形にすることにより、プローブ部分を損傷しにくく、かつ、プローブ部分を交換容易な距離測定装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するための第１の手段は、出射開口（Ａ）を介して、被検物体に、前記被検物体の表面にほぼ点状光とみなせる照明光を照明する照明光学系と、
前記出射開口から一定の距離だけ離れた位置に設けられ、前記被検物体の表面上に前記照明光が当たる点（Ｂ）で散乱された散乱光を通過させる受光開口（Ｃ）と、
前記受光開口を通過した光を、出射位置においてもこの通過光と直線ＡＢとのなす角θ又はこのθに定数を加えた値となるように、繰り返し反射により導く導光部と、前記導光部により導かれた光を受光し、受光した位置を検知する受光位置検知素子上に結像させる受光光学系と、
前記受光位置検知素子が検知した光の位置により、前記被検物体までの距離を算出する演算部とを有することを特徴とする距離測定装置である。
【０００８】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記導光部は、互いに平行に配置され、かつ、反射面を対向させて配置された２枚のミラーであることを特徴とするものである。
【０００９】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記受光位置検知素子は、前記受光光学系の焦点位置に配置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記照明光学系は、光源と、コリメータレンズ系と、互いに平行に配置され、かつ、反射面を対向させて配置された２枚のミラーとを有し、前記光源からの光を前記コリメータレンズ系で平行光とし、前記２枚のミラーでそれぞれ反射させた後、前記出射開口に導くものであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、プローブ部分を損傷しにくく、かつ、プローブ部分を交換容易な距離測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。以下の図においては、紙面の左右方向にｘ軸、紙面に垂直な方向にｙ軸、紙面の上下方向にｚ軸をとるものとする。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である距離測定装置のプローブ部を示す図である。このプローブは、穴１の内径を測定するのに使用されるが、実際に直接測定しているのは、プローブから穴１の内壁までの距離である。プローブを回転させることにより、360°方向に亘って穴１の内壁までの距離が分かり、これにより、穴１の内径を計算で求めることができる。又、プローブを上下させることにより、穴の深さごとの内径を測定することができる。プローブを回転させる代わりに穴１を回転させてもよく、プローブを上下させる代わりに穴１を上下させてもよい。
【００１３】
ほぼｚ方向に深さを有する被検物体である穴１にガラスやプラスチックなどの光透過性部材からなるひし形の角柱状の光学素子１０を挿入する。光学素子１０の上下部分は、紙面に垂直な平面で、４５°の角度に切断されている。切断角度は必ずしも４５°である必要はない。全反射条件が成り立ち平行とされていればよい。又、この部分に反射膜を蒸着する等により通常のミラーとして使用するようにすれば、全反射条件が成り立たなくてもよい。
【００１４】
レーザやＬＥＤなどの発光部の十分小さい光源２から出射した光を、コリメータレンズ３を介してｘ軸に平行で光束径の一定な光束として、光学素子１０の側方の照明光入射面１１から入射させる。光束は第１の反射面１２（全反射面）で直角に反射され、光学素子１０の中を、穴１の奥の方向（ｚ軸方向）に向かって進む。この光束の進行方向は、なるべくｚ軸方向に平行となるようにとした方が、光学素子１０の太さを小さくできるので好ましい。
【００１５】
そして、さらに第２の反射面１３で再びほぼ９０度の角度をなす方向に折り曲げられてｘ軸に平行な光束となり、照明光の出射口１４（出射開口、記号Ａで示す）から被検物体である穴１の内壁を照射する。光束の径が細いので、照射された部分（記号Ｂで示す）は、ほぼ点とみなされる。穴１の内壁では光の照射された部分のみ散乱光を発する。散乱光は点Ｂを中心に四方八方へ広がるが、微小開口１５（受光開口、記号Ｃで示す）を設け、この微小開口１５を通過する光線のみを受光するようにする。則ち、微小開口１５の近傍の部分には、遮光材が設けられており、微小開口１５以外の部分では、光学素子１０の側面を散乱光が通過しないようにされている。この実施の形態では、微小開口１５と出射口１４を結ぶ線はｚ軸に平行とされている。しかし、必ずしもこのようにする必要はない。
【００１６】
微小開口１５を通過した光は、平行になるように対向して設けられた、光学素子１０の側面の反射部１６，１７に入射する。
【００１７】
光学素子１０に対して入射角度θで入射する散乱光は、スネルの法則（sinθ＝ｎsinθ’、ｎは光学素子１０の屈折率）により出射角度θ’に屈折される。反射部１６，１７に入射角θ’で入射する光の反射では反射角と入射角が等しいので、平行な反射面に対して光線は常にθ’だけ傾いている状態が保持される。この実施の形態では、反射部１６，１７は、ＡＢＣを含む平面に垂直な平面であり、かつＢＣ軸に平行とされている。しかし、反射部１６，１７同士が平行でＡＢＣを含む平面に垂直な平面であれば、必ずしもＢＣ軸に平行である必要は無い。
【００１８】
反射部１６，１７の部分には、反射膜がコーティングされてミラーを構成している。  微小開口１５を通過した散乱光は角度θ’を保持しつつこの二つの反射部１６，１７の間で反射を繰り返し、受光窓１８から出射して、受光光学系である受光レンズ４に入射する。二つの反射部１６，１７が導光部となる。角度θ’で導光部において反射を繰り返した光は、出射窓１８でもスネルの法則（ｎsinθ’＝sinθ）により屈折されて光学素子１０から出射角度θで出射する。
【００１９】
受光レンズ４の後側焦点距離位置に、受光位置検知素子である、リニアセンサ５が設けられており、微小開口１５を通過した散乱光は微小開口１５に入射した角度θに応じた位置にスポットを結ぶ。このスポットの位置を検出することにより、穴１の内壁までの距離を求めることができる。なお、受光位置検知素子は、光が入射した位置を検知することができる素子であり、例えばＰＳＤやＣＣＤ等を用いることができる。１次元の位置を検出できれば十分であるが、２次元の素子を用いても構わない。また、この実施の形態では、受光レンズ４の光軸はｘ軸に平行にしているが、後に述べるように、必ずしもこのようにする必要はない。
【００２０】
照射光である平行光束が折り曲げミラーである第２の反射面１３でほぼ直角で折り曲げられてｘ軸に平行な光束となり、穴１の内壁にほぼ垂直に入射するようにされている。よって、三角測量の原理で、照明光の出射口１４から穴１の内壁までの距離ｈは、図１における照明光の出射口１４と微小開口１５の距離Ｌと検出される散乱光の角度θ（微小開口１５を通過した散乱光と直線ＡＢ（又はｘ軸）とがなす角度）とから次の式で表すことができる。
【数１】
2009250676.tif 000003
【００２１】
ミラー１６，１７の反射面が、平行であり、かつ、直線ＡＢに垂直であれば（すなわちｙ−ｚ平面に平行であれば）、ミラー１６，１７からなる導光部中での光線の角度は保存され、光学素子１０からは角度θで出射する。ので、受光レンズ４の光軸ｘ軸に平行であるならば、受光レンズ４の焦点距離をｆとすると、スポットのできる像高をｘとするならば次のような関係がある。
【数２】
2009250676.tif 000004
【００２２】
つまり微小開口１５から穴１の内壁までの距離ｈは、次の式で表すことができる。これらの演算は、リニアセンサ１５の出力を受けて、図示しない演算部で行われる。
【数３】
2009250676.tif 000005
【００２３】
リニアセンサ上の位置検出分解能がΔxのとき、検出できる穴の内壁までの距離の差Δhは次のように計算できる。
【数４】
2009250676.tif 000006
【００２４】
例えば、リニアセンサ５の画素のピッチが５μｍのとき、照明光の出射口１４と微小開口１５の距離Ｌを１ｍｍ、受光レンズ４の焦点距離ｆを１０ｍｍとすると、穴１の内壁までの距離ｈが２ｍｍ程度のときに約２μｍの精度で検出できる。また、微小開口１５の大きさは小さいほど精度が向上するが、光量が低下するため、および回折が発生するため現実的には数μｍ程度が限界で実用上は数十μｍ程度がよい。
【００２５】
本実施の形態においては上述のように、受光レンズ４に入射する光線の入射角度θで穴までの距離を測定するので、ミラー１６と受光窓１８の境界に光がさしかかった場合でも、図２に示すように、ミラー１６と１７で反射した光は常に平行に受光レンズ４に入射し、受光レンズ４の後側焦点位置におかれたリニアセンサ５上では一点に結像する。すなわち、リニアセンサ５が受光レンズ４の光軸と交わる点から、Ｘ＝ｆθだけ離れた距離に結像する。ｆは受光レンズ４の焦点距離である。このため、リニアセンサ５に結像するスポットの中心を検出すれば光束の傾きを検出することができる。そして、前述の式により穴１までの距離ｈを算出することができる。
【００２６】
なお、光学素子１０の微小開口１５及び受光窓１８にプリズムや切欠きを配置して、入射面は傾けて、反射部１６、１７に入射する角度を臨界角より大きくすることにより全反射させることができ、光を効率よく伝搬することができる。又、反射部１６，１７は、ＡＢＣを含む平面に垂直な平面であり、かつＡＣ軸に平行とされている。しかし、反射部１６，１７同士が平行でＡＢＣを含む平面に垂直な平面であれば、必ずしもＡＣ軸に平行である必要は無い。
【００２７】
さらに、図１に示すように、第１の反射面１２と第２の反射面１３が平行に配置されているので、照射側の光学系の光軸（光源２、コリメータレンズ３の光軸）は受光系の光軸（照明光の出射口１４から出射される平行光の光軸）に平行になり、図３に実線で示すように光学素子１０が傾斜して取り付けられた場合でも、照明光の出射口１４から出射される光は、図３に一点鎖線で示した本来の光線（光源２、コリメータレンズ３の光軸に平行な直線）に対して平行であることが保たれる。
【００２８】
また、ミラー１６と１７で何度反射しても受光レンズ４に入射する光線の入射角度は変化しない。光学素子１０がδだけ傾斜して取り付けられた場合には、物体を照射する光線と微小開口１５を結ぶ線が傾斜するので、微小開口１５を通過する光線の傾きθ’が次の式のように変化する。
【数５】
2009250676.tif 000007
【００２９】
δが小さければ近似的に次のような式になる。実際の測定装置においては、この値θ’の最大値は、５分角程度にすれば、測定上ほとんど問題にならない。
【数６】
2009250676.tif 000008
【００３０】
つまり、光学素子１０の内部を通過する受光光の傾き（Ｌ／ｈ）が小さいほど誤差の影響が少ない。そこで、照明光の出射口１４と微小開口１５の距離Ｌを小さくして受光レンズ４の焦点距離ｆを長くするようにして感度を保つことが望ましい。このようにすると、像高が高くなってしまうのでリニアセンサ５を、受光レンズ４の光軸からオフセットして配置してもよい。
【００３１】
また、光学素子１０が傾斜することにより、穴１の検出位置がずれるので光学素子１０を取り付けた際に、穴１に光の当たる位置を確認するようにしてずれを補正することが望ましい。
【００３２】
反射面１６、１７がｚ軸に対してδだけ傾いて平行でない場合には、微小開口１５に到達する散乱光の入射角度は、直線ＡＢと散乱光のなす角θに反射面１６、１７のｚ軸に対する傾きδを加えた値となる。
【００３３】
その場合、散乱光はスネルの法則により微小開口１５において屈折し、その屈折角はsin＝−１（sin（θ＋δ）／ｎ）となる。このように反射面１６、１７に入射する角度は、反射面１６、１７がｚ軸に対して傾斜していない、つまりδ＝０の場合と異なるが、反射面１６、１７が互いに平行なので反射角が保持される。
【００３４】
受光窓１８から出射する光の出射角はθ＋δとなるが、受光窓１８はδだけ傾いているので、光学素子１０とは独立な受光光学系４に対する入射角はθとなり、光学素子１０の傾きの影響は受けない。  図４は、本発明の実施の形態の第２の例である距離測定装置のプローブ部を示す図である。このプローブは、一部を除いて図１に示したプローブと同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略することがある。このプローブにおいては、光源２とコリメータレンズ３が、光学素子１０の中に組み込まれており、第１の反射面１２，第２の反射面１３を介することなく、平行光を照明光の出射口１４から出射できるようになっている。その作用効果は、図１に示したものと変わらない。
【００３５】
ただし、この場合、光学素子１０が破損したとき、光源２とコリメータレンズ３も同時に交換しなくてはならないので、図１に示した実施の形態の方が経済的に優れていると言えるし、光源２、コリメータレンズ３の配置にも自由度があるので、図１に示した実施の形態の方が好ましい。
【００３６】
図５は、本発明の実施の形態の第３の例である距離測定装置のプローブ部を示す図である。このプローブも、一部を除いて図１に示したプローブと同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付して、その説明を省略することがある。
【００３７】
図１に示す実施の形態においては、受光光学系である受光レンズ４の光軸はＡＢに平行とされていたが、この実施の形態においては、ＡＢとφだけ光軸を傾けて配置されている。すなわちｘ軸とφだけ傾いている。リニアセンサ５が受光レンズ４の焦点位置に配置されているのは同じである。
【００３８】
すなわち、図１に示す実施の形態では、受光レンズ４には、微小開口１５を通過した散乱光は、光軸に対してθだけ傾いて入射したが、図５の場合は、（θ−φ）だけ、傾いて入射することになる。よって、リニアセンサ５では、受光レンズ４の光軸からＸ’＝ｆ（θ−φ）だけ離れた位置に結像することになる。ｆとθは既知であるので、Ｘ’が分かればθを求めることができ、前述の計算式によりｈを求めることができる。このように、受光光学系である受光レンズ４の光軸は、必ずしもＡＢに平行である必要はない。
【００３９】
なお、発明の実施形態では、光学素子としてガラスを例に説明したが、内面又は外面に反射面を有する中空素子であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例である距離測定装置のプローブ部を示す図である。
【図２】受光部に入射する光線の入射の仕方の例を示す図である。
【図３】受光素子１０が傾いて取り付けられた状態を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態の第２の例である距離測定装置のプローブ部を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態の第３の例である距離測定装置のプローブ部を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１：穴、２：光源、３：コリメータレンズ、４：受光レンズ、５：リニアセンサ、１０：光学素子、１１：照明光入射面、１２：第１の反射面、１３：第２の反射面、１４：出射面（出射開口）、１５微小開口（受光開口）、１６：反射部（ミラー）、１７：反射部（ミラー）、１８：受光窓
【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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