JP2005017257A - Optical measuring device - Google Patents

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JP2005017257A JP2003205158A JP2003205158A JP2005017257A JP 2005017257 A JP2005017257 A JP 2005017257A JP 2003205158 A JP2003205158 A JP 2003205158A JP 2003205158 A JP2003205158 A JP 2003205158A JP 2005017257 A JP2005017257 A JP 2005017257A
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Hiromasa Furuta
裕正 古田
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Panasonic Industrial Devices SUNX Co Ltd
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Sunx Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical measuring device capable of measuring accurately an angle and a distance of a measured object. <P>SOLUTION: In this optical measuring device, an inclination is measured by an autocollimation method, a picture element having the maximum luminous energy is determined as a light convergence spot position, based on an image pick-up signal Sc from an angle measuring image pick-up element 12, and a direction of the inclination and an inclination angle are calculated based on a reference position on an image pick-up face, a distance of the light convergence spot position and a direction thereof. In distance measurement, an inclination is measured at first, and an angle of a work W is detected based thereon. In the device, the picture element having the maximum luminous energy is determined as a light image on the basis of an image pick-up signal Sd from a distance measuring image pick-up element 22, is corrected based on an inclination calculated by the inclination measurement, and the distance of the work W is calculated based on a distance between a position represented by the light image and the reference position, and a direction therein. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical measurement apparatus for detecting the displacement and inclination of an object to be measured.
[0002]
[Prior art]
Patent documents 1 and patent documents 2 are indicated as an optical measuring device which measures the distance and inclination of a measured object.
Among these, the thing of patent document 1 measures the distance and inclination of a to-be-measured object using the principle of a triangulation, and is provided with the optical system for distance measurement, and the optical system for inclination measurement. In the displacement measuring optical system, the light from the light projecting element converged by the lens is projected obliquely onto the object to be measured, and the reflected light is converged by the lens to form an image on the imaging surface of the imaging means. The distance of the object to be measured can be measured from the imaging position on the imaging surface.
In addition, the tilt measurement optical system projects light from the light projecting element, which has been collimated by the lens, onto the object to be measured from an oblique direction, and the reflected light is converged by the lens to be connected to the imaging surface of the imaging means. The inclination of the object to be measured can be measured based on the imaging position on the imaging surface.
[0003]
On the other hand, in Patent Document 2, the object to be measured is irradiated with the light from the light projecting element, the diffuse reflected light from the object to be measured collected by the lens is received by the displacement measuring imaging means, and The reflected light is reflected by a prism and received by an inclination measuring imaging means. Thereby, the displacement of the measurement object is measured based on the light irradiation position in the displacement measurement imaging means, and the inclination of the measurement object is measured based on the light irradiation position in the inclination measurement imaging means. It is.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-8-240408
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 11-153407
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the apparatus of the above-mentioned patent document 1, since both the distance measurement and the angle measurement use the principle of triangulation, the irradiation position of the light projected from the light projecting element according to the distance of the object to be measured. That is, the measurement position is shifted. In particular, since the angle measurement is also applied to two-surface detection that measures the relative angle between two types of objects to be measured, in such a case, the relative angle between the two surfaces cannot be measured accurately. . On the other hand, by irradiating the light from the light projecting element in the direction along the displacement direction of the object to be measured, the displacement of the measurement point can be eliminated. Since the optical system for operation is arranged on the same axis, the distance cannot be measured.
In addition, the object to be measured has various materials and the like, and for example, the tilt and distance of the mirror body may be measured. In general, the specular body has a property that diffuse reflection is difficult to occur. Therefore, the apparatus of Patent Document 2 that measures distance based on diffusely reflected light cannot perform accurate measurement.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide an optical measurement apparatus capable of measuring the inclination and distance of an object to be measured.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a means for achieving the above object, the invention of claim 1 is an optical measuring apparatus for irradiating a measurement object with light and measuring the inclination and distance of the measurement object based on the reflected light. The angle measurement light projecting means used for angle measurement, the distance measurement light projecting means used for distance measurement, and the light from the angle measurement light projecting means and the distance measurement light projecting means are emitted as spot light. A collimator lens, and the angle measurement light projecting means and the distance measurement light projecting means side or the object to be measured side than the collimator lens, and the angle measurement light projecting means and the distance measurement light projecting light A branch for guiding light from the means in the direction of the object to be measured and for branching specularly reflected light from the object to be measured in a direction different from the angle measuring light projecting means and the distance measuring light projecting means side Means and said regular reflection A converging lens for converging light, and an angle for condensing specularly reflected light (angle-measuring specularly reflected light) from the angle-measuring light projecting means among the specularly reflected light converged by the converging lens on the imaging surface Of the specularly reflected light converged by the measuring imaging means and the converging lens, specularly reflected light (distance measuring specularly reflected light) from the distance measuring light projecting means is converged by the converging lens. Based on the distance measurement imaging means arranged so that light is irradiated to different positions on the imaging surface according to the distance of the detection target object, and the light collection position in the angle measurement imaging means Measurement that measures the tilt of the object to be measured and measures the distance to the object to be measured based on the light collection position in the imaging means for angle measurement and the irradiation position on the imaging surface of the imaging means for distance measurement And a stage, an optical path from said distance measuring light projecting means to said object to be measured has a characteristic where the are arranged so as to have a predetermined angle with respect to the baseline axis.
[0008]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the distance measuring imaging unit includes the distance measuring light projecting unit out of the regular reflection light converged by the converging lens in the optical axis direction. It is configured to be movable in the optical axis direction at a position where specularly reflected light (distance measuring specularly reflected light) is emitted on the imaging surface.
[0009]
The invention of claim 3 is the one described in claim 2,
Moving means for moving the imaging means for measuring the distance in the optical axis direction;
Resolution setting means for setting the resolution in the measurement;
Predetermined storage means,
For each resolution set by the resolution setting means, the storage means stores position information of the distance measurement imaging means in the optical axis direction, and correction coefficient information at the position,
The measuring means reads out the position information in the optical axis direction of the imaging means for distance measurement corresponding to the resolution set by the resolution setting means from the storage means, and the distance measurement is performed by the moving means. The image pickup means is controlled to move in the optical axis direction, the correction coefficient information is read, and the irradiation position on the image pickup surface of the distance measurement image pickup means is corrected based on the read correction coefficient information. The distance to the object to be measured is measured based on the corrected irradiation position and the condensing position in the angle measurement imaging means.
[0010]
According to a fourth aspect of the present invention, in any one of the first to third aspects, the pulse lighting is alternately performed by driving the angle measuring light projecting unit and the distance measuring light projecting unit, respectively. And the measuring means measures the inclination of the object to be measured based on the condensing position on the imaging surface of the imaging means for angle measurement in synchronization with lighting of the light projection means for angle measurement, It is characterized in that the distance of the object to be measured is measured based on the irradiation position on the imaging surface of the distance measuring imaging means in synchronization with the lighting of the distance measuring light projecting means.
[0011]
The invention according to claim 5 is the one according to any one of claims 1 to 4, wherein the collimator lens is a first collimator lens that converts light from the angle measurement light projecting means into parallel light; And a second collimator lens that converts the light from the distance measuring light projecting means into parallel light, and includes a light combining means that combines the two parallel lights and guides them to the branching means. .
[0012]
A sixth aspect of the present invention is the configuration according to any one of the first to fifth aspects, wherein the angle measuring light projecting unit and the distance measuring light projecting unit emit light in different wavelength bands. The angle measurement regular reflection light and the distance measurement regular reflection light are reflected by one and transmitted through the other, thereby guiding the angle measurement regular reflection light to the angle measurement imaging means, It is characterized in that a dichroic mirror for splitting light that guides the regular reflection light for distance measurement to the imaging means for distance measurement is provided.
[0013]
According to a seventh aspect of the present invention, the angle measuring light projecting unit and the distance measuring light projecting unit have the same polarization direction. The polarized light is emitted, and the branching unit is constituted by a polarization beam splitter. On the other hand, the object to be measured is a specular body having a mirror-like surface, and the polarized beam. A quarter-wave plate that is disposed between the splitter and the object to be measured and transmits the light from the polarization beam splitter and transmits the angle-reflecting regular reflection light and the distance-measuring regular reflection light. It is characterized by the provision.
[0014]
The invention according to an eighth aspect is characterized in that, in any one of the first to seventh aspects, the angle measuring light projecting means and the distance measuring light projecting means comprise a laser light source.
[0015]
Operation and effect of the invention
<Invention of Claim 1>
According to the first aspect of the present invention, since the distance and the inclination are measured based on the specularly reflected light from the object to be measured, the inclination and distance can be measured regardless of the specular body or the non-specular body. Measurements can be made.
[0016]
<Invention of Claim 2>
According to the second aspect of the present invention, the resolution can be varied according to the measurement conditions, and the corresponding range can be expanded in one optical measuring device. Specifically, for example, it is possible to cope with various situations such as when it is desired to widen the measurement range even when the resolution is lowered, or when it is desired to increase the resolution by reducing the measurement range.
[0017]
<Invention of Claim 3>
According to the third aspect of the present invention, the position of the distance measuring imaging means and the correction calculation of the measuring means are automatically determined according to the resolution selected according to the user's usage environment. ) Is further improved.
[0018]
<Invention of Claim 4>
According to invention of Claim 4, the light radiate | emitted from both does not interfere, but a more accurate measurement can be performed.
[0019]
<Invention of Claim 5>
In the fifth aspect of the invention, the light from both the light projecting means is changed to parallel light by the first and second collimator lenses and then guided to the branching means. It is not necessary to adjust the target distance, and the assembly accuracy of the optical system in the apparatus can be moderated. Also, the adjustment work of the optical system can be simplified.
[0020]
<Invention of Claim 6>
According to the sixth aspect of the present invention, the angle-measuring specularly reflected light and the distance-measuring specularly reflected light can be separated by wavelength, so that more accurate measurement can be performed.
[0021]
<Invention of Claim 7>
In the invention of claim 7, the light emitted from both the light projecting means is irradiated to the mirror body through the polarizing beam splitter and the quarter wavelength plate as light having one polarization direction. The light transmitted through the quarter-wave plate is converted into circularly polarized light and irradiated onto the mirror body, and the reflected light from the mirror body passes through the quarter-wave plate while remaining circularly polarized. Then, the reflected light, which has been circularly polarized, is changed to a polarization direction orthogonal to one polarization direction and reaches the polarization beam splitter, and the light travels in a direction different from the incident direction of the light of one polarization direction.
This makes it possible to reduce optical loss and improve the S / N ratio in mirror body detection.
[0022]
<Invention of Claim 8>
Since the light emitted from the laser light source is linearly polarized light (that is, light having one polarization direction), the configuration for emitting linearly polarized light can be simplified.
[0023]
In one of claims 1 to 8,
The collimator lens may change the light from the angle measurement light projecting means and the distance measurement light projecting means into parallel light, or may change it into convergent light that gradually converges. That is, parallel light may be emitted as spot light, or convergent light may be emitted. More specifically, it may be configured to emit light that becomes a minute spot on the object to be measured.
For example, in the case of changing to parallel light, light from the focal position of regular reflection light (distance measurement regular reflection light) by the light from the distance measuring means among the regular reflection light converged by the converging lens. The distance measuring imaging means can be configured such that an imaging surface is arranged shifted in the axial direction back and forth, and the distance measuring regular reflection light is irradiated onto the imaging surface.
In addition, when the configuration of claim 2 is applied to the configuration of the distance measuring imaging unit in this way, the distance measurement of the regular reflection light converged by the converging lens in the optical axis direction. For the distance measurement so as to be movable at the position where the imaging surface is arranged by shifting back and forth in the optical axis direction from the focal position of the regular reflection light (distance measurement regular reflection light) by the light from the light projection means Imaging means can be configured.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
<First Embodiment>
A first embodiment of an optical measuring device according to the present invention will be described with reference to FIGS. The configuration of the present embodiment is as shown in FIG. 1, and the light emitted from the angle measuring laser light source 11 and the distance measuring laser light source 21 is converted into a dichroic mirror 31 (light converging means), a beam splitter 32, and a collimator lens 33 ( The workpiece W (object to be measured) is irradiated with both lights via a collimator lens and a converging lens), and the specularly reflected light is applied to a collimator lens 33, a beam splitter 32, and a dichroic mirror 34 (a dichroic mirror for splitting light). Via, for example, an imaging surface of an angle measuring image pickup element 12 (angle measuring image pickup means) composed of a two-dimensional CCD and a distance measurement image pickup element 22 (distance measurement image pickup means) also formed of a two-dimensional CCD, The inclination and distance of the workpiece W are calculated by the CPU 4 (measurement means) based on the position. The surface of the workpiece W may be a mirror surface or a non-mirror surface.
[0025]
Both laser light sources 11 and 21 emit light having different wavelengths, for example, the angle measuring laser light source 11 emits laser light having a wavelength λ1, while the distance measuring laser. The light source 21 emits laser light having a wavelength λ2. Laser drive circuits 13 and 23 are connected to the laser light sources 11 and 21, respectively, and drive currents Ia and Ib are supplied to the laser light sources 11 and 21 based on control signals Sa and Sb from the CPU 4, respectively. (An angle measuring light source 11 and a laser driving circuit 13 constitute an angle measuring light projecting means, and a distance measuring laser light source and a laser driving circuit 13 constitute a distance measuring light projecting means). The laser light sources 11 and 21 can be driven intermittently or continuously.
[0026]
The dichroic mirror 31 is configured to transmit the light with the wavelength λ1 and reflect the light with the wavelength λ2, so that the laser light of the angle measuring laser light source 11 is transmitted through the dichroic mirror 31 and the beam splitter. The light from the distance measuring laser light source 21 is reflected by the dichroic mirror 31 and travels toward the beam splitter 32.
The laser light from the angle measuring laser light source 11 is incident on the incident surface of the dichroic mirror 31 perpendicularly, and the laser light from the distance measuring laser light source 21 is incident obliquely on the incident surface of the dichroic mirror 31. (Corresponding to a configuration in which the distance measuring light projecting unit is arranged so that light from the distance measuring light projecting unit is obliquely applied to the object to be measured). As a result, the light axis of the angle measuring laser light source 11 is made parallel to the optical axis (base line axis) LC (L′ C ′) of the optical system, and the light axis of the distance measuring laser light source 21 is the light of the optical system. The state is inclined with respect to the axis LC (L′ C ′).
[0027]
The laser light reflected from the beam splitter 32 is converted into parallel light by the collimator lens 33 and irradiated onto the workpiece W. At this time, the laser light from the angle measurement laser light source 11 is irradiated perpendicularly to the surface of the workpiece W when the workpiece W is in a posture without inclination, whereas the laser beam for distance measurement is used. Since the laser light from the laser light source 21 is inclined with respect to the optical axis LC (L′ C ′) of the optical system, the light is irradiated obliquely onto the surface of the workpiece W. The spot diameter of the laser light applied to the workpiece W is smaller for the laser light 21 of the laser light source 21 than for the laser light of the laser light source 11, and the laser light of the laser light source 21 is a laser light source. 11 is irradiated within the irradiation range of the laser beam.
[0028]
The specularly reflected light from the workpiece W is collected by the collimator lens 33, and is specularly reflected by the angle measuring laser light source 11 (the specularly reflected light for angle measurement) by the dichroic mirror 34 having the same characteristics as the dichroic mirror 31. ) Forms an image on the imaging surface of the angle-measuring imaging device 12 to form a focused spot. Further, the regular reflection light (distance measurement regular reflection light) from the distance measurement laser light source 21 is reflected by the dichroic mirror 34 and applied to the imaging surface of the distance measurement image sensor 22. Since the image pickup surface of the distance measuring image pickup element 22 is arranged behind the focal position F of the regular reflection light, a light image having a predetermined size is formed on the image pickup surface. Here, the reason why the imaging surface of the distance measuring image pickup element 22 is not coincident with the focal position F is that the optical path to the focal position F changes according to the distance of the workpiece W. This is because the distance of the workpiece W can be calculated.
[0029]
The angle measuring image pickup device 12 and the distance measuring image pickup device 22 transmit to the CPU 4 image pickup signals Sc and Sd formed of a digital signal sequence corresponding to a light image or a condensing spot formed on the image pickup surface.
[0030]
The CPU 4 transmits the control signals Sa and Sb to the laser drive circuits 13 and 23 described above, captures the imaging signal Sc from the angle measurement imaging device 12 in synchronization with the transmission of the control signal Sa, and transmits the control signal Sb. The image pickup signal Sd from the distance measuring image pickup device 22 is captured in synchronization with the above. Then, the inclination of the workpiece W and the distance from the collimator lens 33 to the workpiece W are measured based on the imaging signals Sc and Sd.
[0031]
The configuration of the present embodiment is as described above, and the operation will be described next.
"Tilt detection"
In the present embodiment, the tilt measurement is performed using a well-known autocollimation method, and detailed description thereof is omitted here. First, from the imaging signal Sc from the angle measurement imaging device 12, the pixel having the maximum amount of received light is determined as the condensing spot position, and the reference position on the imaging surface (for example, the center position of the imaging surface) and the condensing spot position are determined. The inclination direction and the inclination angle are calculated from the distance and direction.
[0032]
"Distance measurement"
In the distance measurement, first, the angle of the workpiece W is detected by the above inclination measurement. Then, based on the imaging signal Sd from the distance measuring imaging element 22, for example, a pixel having the maximum received light amount is represented as an optical image. Then, correction is performed based on the inclination calculated by the inclination measurement, and the distance of the workpiece W is calculated from the distance and direction between the position of the optical image and the reference position.
[0033]
For example, when the work W is at the position (1) (distance d1, inclination angle 0) in FIG. 1 (refer to FIG. 2 for details), the light condensing formed on the imaging surface of the angle measuring image sensor 12. Since the spot position S1 coincides with the reference position Ra, the inclination angle is measured as 0 °. Further, since the optical image L1 on the imaging surface of the distance measurement imaging element 22 is d1 ′ away from the reference position Rb, the distance d1 is measured based on this.
When the workpiece W is at the position (2) (distance d2, inclination angle 0) in FIG. 1 (refer to FIG. 3 for details), the condensing spot formed on the imaging surface of the angle measuring image sensor 22 Since the position S2 coincides with the reference position Ra, the inclination angle is measured as 0 °. Further, since the optical image L2 on the imaging surface of the distance measuring imaging element 12 is separated from the reference position Rb by d2 ′, this is measured as the distance d2.
When the workpiece W is at the position (3) (distance d2, inclination angle θ1) in FIG. 1 (refer to FIG. 4 for details), the position of the light receiving spot formed on the imaging surface of the angle measurement imaging device 12 Since S3 is separated from the reference position Ra by the distance d, the inclination angle θ1 is measured based on this distance. Further, the optical image L3 on the imaging surface of the distance measuring imaging element 22 is separated from the reference position Rb by d3 ′. Here, since the workpiece W is inclined at the position {circle around (3)}, the optical image L3 formed on the imaging surface of the distance measuring image pickup device 22 is formed at a position different from the optical image L2 at the position {circle around (2)}. Is done. Therefore, since the CPU 4 calculates the distance by performing correction based on the inclination angle θ1, the distance is eventually measured as d2.
[0034]
According to the present embodiment, since the distance and the inclination are measured based on the regular reflection light from the work W, the inclination and the distance of the work W are measured regardless of the specular body or the non-specular body. It can be performed. Further, the laser light sources 11 and 21 are configured to emit light of different wavelengths, and the laser light is separated by the dichroic mirrors 31 and 34 so that the imaging surfaces of the imaging elements 12 and 22 are irradiated. Since it is configured, laser light is not erroneously irradiated.
In the present embodiment, the spot diameter of the laser light applied to the workpiece W is smaller than the laser light of the laser light source 21 than the laser light of the laser light source 11 and the laser of the laser light source 21 is used. Since the light is irradiated within the laser light irradiation range of the laser light source 11, the irradiation position (measurement position) of the laser light on the workpiece W is substantially constant regardless of the distance and inclination of the workpiece W. can do.
[0035]
Moreover, in the said structure, it can also be set as the structure which radiate | emits the laser beam of the same wavelength from both the laser light sources 11 and 21. FIG. In this case, the control signals Sa and Sb are supplied from the CPU 4 to the laser drive circuits 13 and 23 so that the respective laser light sources 11 and 21 are alternately lit, and a beam splitter, for example, is arranged in place of the dichroic mirrors 31 and 34. You just have to do it. Further, as described above, the CPU 4 transmits the control signals Sa and Sb to the laser drive circuits 13 and 23, and captures the image pickup signal Sc from the angle measurement image pickup device 12 in synchronization with the transmission of the control signal Sa. In synchronization with the transmission of Sb, the imaging signal Sd from the distance measuring imaging element 22 is captured. The tilt of the workpiece W and the distance from the collimator lens 33 to the workpiece W are measured based on the imaging signals Sc and Sd. If it does in this way, for example, a laser beam will be radiate | emitted alternately, interference of light will be suppressed and the effect that a measurement precision improves will be acquired.
[0036]
Furthermore, as shown in FIG. 5, a configuration may be adopted in which a diverging lens 35 is disposed in front of the distance measurement imaging element 22 so that specularly reflected light from the work W once condensed is diverged. In this way, since the optical image formed on the imaging surface is made larger, the amount of movement of the optical image when the workpiece W is displaced is increased, resulting in improved resolution and high-precision measurement. be able to. Further, it is more desirable to irradiate the peripheral portion of the diverging lens 35 with the regular reflection light. This is because the aberration is larger in the peripheral portion than in the central portion of the lens 35, and the specularly reflected light is further diverged, so that it can be measured with extremely high accuracy.
[0037]
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the first embodiment is that a collimator lens 14 (first collimator lens) is disposed between the angle measurement laser light source 11 and the dichroic mirror 31, and the distance measurement laser light source 21. And a dichroic mirror 31 are arranged with a collimator lens 24 (second collimator lens) so that the light from the respective laser light sources 11 and 21 is converted into parallel light and then reaches the dichroic mirror 31. Has been. A converging lens 36 is disposed between the dichroic mirror 34 and the beam splitter 33.
[0038]
With this configuration, the laser light from both laser light sources 11 and 21 is converted into parallel light by the respective collimator lenses 14 and 24 and then guided to the beam splitter 33. It is not necessary to adjust the optical distance to the beam splitter 33, and the assembly accuracy of the optical system in the apparatus can be moderated, and the adjustment work of the optical system can be simplified.
[0039]
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The difference between the present embodiment and the second embodiment is that a polarization beam splitter 37 that reflects S-polarized light and transmits P-polarized light is disposed in place of the beam splitter 33, and further, the polarization beam splitter 37 and the workpiece W are different from each other. A quarter-wave plate 38 is provided between them. The surface of the workpiece W is preferably a mirror surface.
[0040]
In general, the laser light is linearly polarized. Therefore, when the laser beams from both laser light sources 11 and 21 are irradiated onto the polarization beam splitter 37, the S-polarized light is reflected and travels toward the quarter-wave plate 37, and the P-polarized light is To Penetrate. The S-polarized light is changed to circularly-polarized light by passing through the quarter-wave plate 38 and is irradiated onto the workpiece W. The regular reflection light from the work W is transmitted through the quarter-wave plate 38 as circularly polarized light. At this time, the circularly polarized light is changed to P-polarized light, and the light is transmitted through the polarization beam splitter 37 and irradiated to the respective image sensor means 12 and 22.
[0041]
By adopting the configuration of this embodiment, it is possible to reduce optical loss and improve the S / N ratio in mirror body detection. In addition, since the light emitted from the laser light sources 11 and 21 is linearly polarized light, the configuration for emitting linearly polarized light can be greatly simplified.
[0042]
<Fourth embodiment>
A fourth embodiment of the optical measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. The present embodiment is as shown in the schematic diagram of FIG. 8 and the component configuration diagram of FIG. 9, and is configured to detect inclination and distance using the same principle as the above embodiment. It is first described that the feature of the present embodiment is that the resolution can be changed by moving the position of the distance measuring image sensor.
[0043]
As shown in FIGS. 8 and 9, the light emitted from the angle measuring laser light source 11 and the distance measuring laser light source 21 is irradiated to the workpiece W (object to be measured) through the polarization beam splitter 37. Then, the specularly reflected light is transmitted from the angle measuring image pickup device 12 (angle measuring image pickup means), which is a two-dimensional CCD, for example, through the converging lens 36 and the dichroic mirror 34 (light branching dichroic mirror) and the two-dimensional CCD. The distance measurement imaging element 22 (distance measurement imaging means) is irradiated to the imaging surface, and the inclination and distance of the workpiece W are calculated by the CPU 4 (measurement means) based on the irradiation position. The surface of the workpiece W may be a mirror surface or a non-mirror surface.
[0044]
Both laser light sources 11 and 21 emit light having different wavelengths, for example, the angle measuring laser light source 11 emits laser light having a wavelength λ1, while the distance measuring laser. The light source 21 emits laser light having a wavelength λ2. Laser drive circuits 13 and 23 are connected to the laser light sources 11 and 21, respectively, and drive currents Ia and Ib are supplied to the laser light sources 11 and 21 based on control signals Sa and Sb from the CPU 4, respectively. (An angle measuring light source 11 and a laser driving circuit 13 constitute an angle measuring light projecting means, and a distance measuring laser light source and a laser driving circuit 13 constitute a distance measuring light projecting means). The laser light sources 11 and 21 can be driven intermittently or continuously.
[0045]
The reflection mirror 44 is configured to reflect the light of the wavelength λ1 from the angle measurement laser light source 11, whereby the laser light of the angle measurement laser light source 11 passes through the reflection mirror 44 and is a polarization beam splitter. Head to 37. The distance measuring laser light source 21 is arranged on the same side as the distance measuring image pickup element 22 arranged at a position folded by the dichroic mirror 34. That is, when the optical axis of the specularly reflected light for angle measurement from the workpiece W when the inclination is 0 degree is divided into right and left, it is arranged on the same side as the distance measuring image sensor 22. . Specifically, as shown in the component arrangement of FIG. 9, the distance measuring laser light source 21 is disposed using a dead space generated on the lower side of the distance measuring image sensor 22, so that the apparatus of the autocollimator The whole is housed compactly.
[0046]
Here, the distance measuring laser light source 21 is linearly polarized laser light. For example, the parallel light emitted from the distance measuring laser light source 21 through the collimator lens 24 is P-polarized laser light, and the polarizing beam splitter. In 37, the P-polarized light is transmitted, passes through the ¼λ plate 43, is reflected by the reflection mirror 42, and passes through the ¼λ plate 43 again to be polarized from P-polarized light to S-polarized light. The S-polarized light that enters the splitter 37 is reflected by the beam splitter 37 and applied to the workpiece W.
[0047]
The laser light from the angle measuring laser light source 11 is incident perpendicularly to the incident surface of the reflecting mirror 44, and the laser light from the distance measuring laser light source 21 is incident obliquely with respect to the incident surface of the reflecting mirror 44. (Corresponding to a configuration in which the distance measuring light projecting unit is arranged so that light from the distance measuring light projecting unit is obliquely applied to the object to be measured). As a result, the light axis of the angle measuring laser light source 11 is made parallel to the optical axis (base line axis) LC (L′ C ′) of the optical system, and the light axis of the distance measuring laser light source 21 is the light of the optical system. The state is inclined with respect to the axis LC (L′ C ′).
[0048]
The laser beam reflected from the beam splitter 37 is irradiated onto the workpiece W. At this time, the laser light from the angle measurement laser light source 11 is irradiated perpendicularly to the surface of the workpiece W when the workpiece W is in a posture without inclination, whereas the laser beam for distance measurement is used. Since the laser light from the laser light source 21 is inclined with respect to the optical axis LC (L′ C ′) of the optical system, the light is irradiated obliquely onto the surface of the workpiece W. The spot diameter of the laser light applied to the workpiece W is smaller for the laser light 21 of the laser light source 21 than for the laser light of the laser light source 11, and the laser light of the laser light source 21 is a laser light source. 11 is irradiated within the irradiation range of the laser beam.
[0049]
The specularly reflected light from the workpiece W is collected by the dichroic mirror 34, and the specularly reflected light (angled specularly reflected light) from the angle measuring laser light source 11 forms an image on the imaging surface of the angle measuring image pickup device 12 and is condensed. A spot is formed. Further, the regular reflection light (distance measurement regular reflection light) from the distance measurement laser light source 21 is reflected by the dichroic mirror 34 and applied to the imaging surface of the distance measurement image sensor 22. Since the image pickup surface of the distance measuring image pickup element 22 is arranged behind the focal position F of the regular reflection light, a light image having a predetermined size is formed on the image pickup surface. Here, the reason why the imaging surface of the distance measuring image sensor 22 is not matched with the focal position F 1 is that the optical path to the focal position F changes according to the distance of the work W as in the above embodiment. This is because the distance of the workpiece W can be calculated from the position of the optical image. The angle measuring image pickup device 12 and the distance measuring image pickup device 22 transmit to the CPU 4 image pickup signals Sc and Sd formed of a digital signal sequence corresponding to a light image or a condensed spot formed on the image pickup surface. It has become.
[0050]
The CPU 4 transmits the control signals Sa and Sb to the laser drive circuits 13 and 23 described above, captures the imaging signal Sc from the angle measurement imaging device 12 in synchronization with the transmission of the control signal Sa, and transmits the control signal Sb. The image pickup signal Sd from the distance measuring image pickup device 22 is captured in synchronization with the above. Then, the inclination of the workpiece W and the distance to the workpiece W are measured based on the imaging signals Sc and Sd.
[0051]
In the present embodiment, the distance measurement imaging means (that is, the distance measurement imaging device 22) is moved in the optical axis direction, and the resolution setting means (CPU 4 corresponds to the resolution setting means) for setting the resolution in the measurement. ) And a predetermined storage means (the memory 41 corresponds to the storage means). In the memory 41, as shown in FIG. 13, for each resolution set by the resolution setting means, position information of the distance measurement imaging means in the optical axis direction and correction coefficient information at the position are stored. The position information in the optical axis direction of the distance measuring imaging means corresponding to the resolution set by the resolution setting means is read from the storage means, and the distance measuring imaging means is moved in the optical axis direction by the moving means. In addition to performing control, the correction coefficient information is read out, the irradiation position on the imaging surface of the distance measurement imaging unit is corrected based on the read correction coefficient information, and the corrected irradiation position and the angle measurement imaging unit are collected. The distance to the object to be measured is measured based on the light position.
[0052]
"Distance measurement"
In the distance measurement, the angle of the workpiece W is first detected by measuring the inclination. Then, based on the imaging signal Sd from the distance measuring imaging element 22, for example, a pixel having the maximum received light amount is represented as an optical image. Then, correction is performed based on the inclination calculated by the inclination measurement, and the distance of the workpiece W is calculated from the distance and direction between the position of the optical image and the reference position. In the present embodiment, the distance measuring image pickup element 22 is configured to be movable with respect to the optical axis direction (baseline axis direction) by using the configuration shown in FIGS. The measurement range and resolution in the distance measurement can be changed.
[0053]
At this time, if the distance measuring image pickup element 22 is moved in the optical axis direction, the distance measuring laser light source 21 is a workpiece W having the same inclination and the same distance because of the inclination with respect to the baseline axis. In addition, the position of the spot of specularly reflected light for distance measurement from the workpiece W irradiated on the distance measurement image sensor 22 changes. Therefore, in the present embodiment, a correction coefficient corresponding to the position in the optical axis direction of the distance measuring image sensor 22 set in advance in a storage unit (memory 41) (not shown) is stored, and the distance measuring image sensor in the optical axis direction is stored. According to the position of 22, the correction is made based on the correction coefficient stored in the distance measurement.
[0054]
Specifically, for example, as shown in the data configuration of FIG. 13, the position data and the correction coefficient data are stored in the memory 41 in association with each other, and correction coefficient data corresponding to the position of the distance measuring image sensor 22 is stored from the memory 41. Reading is performed to correct the imaging signal Sd (specifically, the focused spot position is corrected). In this configuration, when the user sets the resolution, the distance measuring imaging element 22 is moved by the moving means 40 using the position data corresponding to the resolution, and the correction coefficient data is used for the imaging signal Sd at that position. The distance is calculated by correcting the focused spot position. The configuration in which the resolution can be changed so that the position of the image sensor for distance measurement can be moved is not limited to the configuration as shown in FIG. 8, but can be applied to any of the above embodiments.
[0055]
Next, the moving means 40 will be described.
The moving means 40 shown in FIG. 10 is intended to move the distance measuring image sensor 22 using a gear transmission mechanism, and linearly moves the distance measuring image sensor 22 using a rack 52 and a pinion 51. The configuration is conceptually illustrated. The position of the pinion 51 is accurately controlled by a motor (not shown) using position data. The motor control using the position data is well known and will not be described in detail. Note that, as in the example of FIG. 10B, a scale 53 may be provided in a part of the distance measuring image pickup device 22 and detected by the photoelectric sensor 55 to set the position accurately. . FIG. 11 shows a configuration in which position control is performed using a worm 63 and a wheel 61. FIG. 12 shows that the distance measuring image sensor 22 is configured to be reciprocally movable, while the engaging portion 71 biased by the spring 73 is engaged with a recess provided in the distance measuring image sensor 22. Is a stepwise positioning configuration. 11 and 12 illustrate a configuration in which the position can be set by manual operation using the operation units 65 and 77 instead of automatic control. Of course, the configuration shown here is merely an example, and it goes without saying that various configurations can be used as long as the configuration can move the image sensor 22 for distance measurement.
[0056]
<Fifth Embodiment>
In the above embodiment, the pixel having the maximum amount of received light is determined as the condensing spot position from the imaging signal Sd from the distance measuring image sensor 22 and the imaging signal Sc from the angle measuring image sensor 12, respectively. In this embodiment, in order to calculate each condensing spot, the gravity center position of irradiation light can be calculated | required. The concept of the centroid position includes so-called area centroid position and volume centroid position, which are defined as follows.
[0057]
<Area of center of gravity>
Area centroid position = {Σ (MI) / ΣM}
I: Position vector of each pixel in the irradiation area on the imaging surface of the imaging means
M: For example, 1 when the received light amount level of each pixel is equal to or higher than a predetermined level, and 0 otherwise.
[0058]
<Volume center of gravity position>
Volume centroid position = {Σ (mI) / Σm}
I: Same as in the case of the area centroid position
m: coefficient corresponding to the received light level of each pixel
[0059]
By using the position of the center of gravity defined in this way as a condensing spot, distance measurement with higher accuracy becomes possible. In addition, when the method of determining the position of the center of gravity by using the focused spot as described above is used, the processing time can be greatly shortened as compared with the method of performing the averaging process many times to determine the focused spot. Note that the method of determining the position of the center of gravity as the focused spot in this way can be applied to any of the above embodiments.
[0060]
<Sixth Embodiment>
In the above embodiment, the collimator lens 24 changes the light from the distance measuring light projecting means into parallel light. However, in the present embodiment, the “spot light” emitted from the collimator lens 24 is emitted from the collimator lens 24. It is configured to emit convergent light that converges gradually. Here, the same components as those shown in FIG. 8 are used and the arrangement is almost the same, but imaging is performed at the point of the condensing position F, where convergent light that converges gradually from the collimator lens 24 is emitted. The main difference is that the surfaces are arranged. In this configuration, the convergent light that gradually converges from the collimator lens 24 is collected in the vicinity of the workpiece W and is expanded again by reflection from the workpiece W. Then, the light converged through the converging lens 36 and reflected by the dichroic mirror 34 is irradiated onto the imaging surface provided at the condensing position F. The irradiation position on the imaging surface is a position corresponding to the distance of the workpiece W as in the above embodiment. Further, the position may be set by the moving means 40 so that the imaging surface is not disposed at the condensing position F but is disposed at another position.
[0061]
In the configuration of FIG. 14, the regular reflection light (distance measurement regular reflection light) by the light from the distance measurement light projecting means is converged by the converging lens 36, reflected by the dichroic mirror 34, and condensed. However, the configuration may be such that the reflected light gradually spreading from the workpiece W is converted into parallel light by the converging lens 36. In this case, the distance measurement imaging device 22 is configured to be irradiated with parallel light, and the irradiation region of the parallel light changes according to the distance of the workpiece W. In this parallel light irradiation region, the focused spot may be obtained by the various methods described above, and the distance may be measured.
[0062]
<Other embodiments>
The present invention is not limited to the embodiments described with reference to the above description and drawings. For example, the following embodiments are also included in the technical scope of the present invention, and further, within the scope not departing from the gist of the invention other than the following. Various modifications can be made.
(1) In the first embodiment, the configuration in which the distance measuring imaging element 22 is arranged behind the focal position F of the regular reflection light by the distance measuring laser light source 21 is shown. It is good also as a structure arrange | positioned. Accordingly, of course, the diverging lens 35 is arranged in front of the focal position F and the distance measuring image pickup element 22.
(2) In the first embodiment, the configuration in which the diverging lens 35 is disposed in front of the distance measuring image pickup device 22 can be added to the configurations of the second and third embodiments.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall configuration of an optical measurement apparatus according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the position of a workpiece and the optical path of reflected light.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the position of a workpiece and the optical path of reflected light.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the position of a workpiece and the optical path of reflected light.
FIG. 5 is a schematic diagram showing a modification of the first embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram showing an overall configuration of an optical measuring device according to a second embodiment.
FIG. 7 is a schematic diagram showing the overall configuration of an optical measurement apparatus according to a third embodiment.
FIG. 8 is a schematic diagram showing an overall configuration of an optical measuring device according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a diagram illustrating a component arrangement configuration of a main part of an optical measurement device according to a fourth embodiment.
FIG. 10 is a schematic view schematically illustrating a moving means.
11 is a schematic view illustrating a moving means different from FIG.
12 is a schematic view illustrating a moving means different from FIG.
FIG. 13 is an explanatory diagram conceptually illustrating a data configuration stored in a storage unit.
FIG. 14 is a schematic diagram showing the overall configuration of an optical measuring device according to a sixth embodiment.
[Explanation of symbols]
4 ... CPU
11 ... Laser light source for angle measurement
12. Image sensor for angle measurement
13 ... Laser drive circuit
21 ... Laser light source for distance measurement
22 ... Image sensor for distance measurement
23 ... Laser drive circuit
31 ... Dichroic mirror
32 ... Beam splitter
33 ... Collimator lens
40. Moving means
41 ... Memory
W ... Work
LC: Optical axis of optical system

Claims (8)

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。
An optical measuring device that irradiates light to an object to be measured and measures the inclination and distance of the object to be measured based on the reflected light,
A light projection means for angle measurement used for angle measurement;
A distance measuring projection means used for distance measurement;
A collimator lens that emits light from the angle measuring light projecting unit and the distance measuring light projecting unit as spot light; and
Light from the angle measuring light projecting means and the distance measuring light projecting means, or from the angle measuring light projecting means and the distance measuring light projecting means, than the collimator lens. And branching means for branching specularly reflected light from the measurement object in a direction different from the angle measurement light projecting means and the distance measurement light projecting means side,
A converging lens for converging the specularly reflected light;
Angle measuring imaging means for condensing specularly reflected light (angle measuring specularly reflected light) by the light from the angle measuring light projecting means among the specularly reflected light converged by the converging lens;
Of the specularly reflected light converged by the converging lens, the specularly reflected light (distance measuring specularly reflected light) from the distance measuring light projecting means is converged by the converging lens. Distance measuring imaging means arranged to irradiate different positions on the imaging surface according to the distance of the object;
The inclination of the measurement object is measured based on the condensing position in the angle measuring imaging means, and based on the condensing position in the angle measuring imaging means and the irradiation position on the imaging surface of the distance measuring imaging means. Measuring means for measuring the distance to the object to be measured,
An optical measurement apparatus, wherein an optical path from the distance measuring light projecting means to the object to be measured is arranged so as to have a predetermined angle with respect to a base line axis.
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。
The distance measuring imaging means includes:
Of the regular reflection light converged by the converging lens in the optical axis direction, regular reflection light (distance measurement regular reflection light) by the light from the distance measurement light projecting means is irradiated onto the imaging surface. The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the optical measurement apparatus is configured to be movable in the optical axis direction at a certain position.
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。
Moving means for moving the distance measuring imaging means in the optical axis direction;
Resolution setting means for setting the resolution in the measurement;
Predetermined storage means,
For each resolution set by the resolution setting means, the storage means stores position information of the distance measurement imaging means in the optical axis direction, and correction coefficient information at the position,
The measuring means reads out the position information in the optical axis direction of the imaging means for distance measurement corresponding to the resolution set by the resolution setting means from the storage means, and the distance measurement is performed by the moving means. The image pickup means is controlled to move in the optical axis direction, the correction coefficient information is read, and the irradiation position on the image pickup surface of the distance measurement image pickup means is corrected based on the read correction coefficient information. 3. The optical measurement apparatus according to claim 2, wherein a distance to the object to be measured is measured based on the corrected irradiation position and the light collection position in the angle measurement imaging means.
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。
As the angle measuring light projecting means and the distance measuring light projecting means are pulse-driven by alternately driving pulses,
The measuring means measures the inclination of the object to be measured based on the condensing position on the imaging surface of the angle measuring imaging means in synchronization with the lighting of the angle measuring light projecting means, and on the other hand, the distance 4. The distance of the object to be measured is measured based on the irradiation position on the imaging surface of the imaging means for distance measurement in synchronization with lighting of the light projecting means for measurement. The optical measuring device according to any one of the above.
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。
The collimator lens is
A first collimator lens that converts the light from the angle measuring light projecting means into parallel light;
A second collimator lens that converts the light from the distance measuring light projecting means into parallel light;
The optical measuring device according to claim 1, further comprising an optical converging unit that combines the parallel lights and guides the parallel light to the branching unit.
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。
The angle measuring light projecting means and the distance measuring light projecting means are configured to emit light in different wavelength bands,
Reflecting one of the regular reflection light for angle measurement and the regular reflection light for distance measurement and transmitting the other, guides the regular reflection light for angle measurement to the imaging means for angle measurement and transmits the regular reflection light for distance measurement. 6. The optical measurement apparatus according to claim 1, further comprising a light branching dichroic mirror that guides reflected light to the distance measurement imaging means.
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。
The angle measuring light projecting unit and the distance measuring light projecting unit are configured to emit polarized light having the same polarization direction, and the branching unit includes a polarization beam splitter. And
On the other hand, the measurement object is a mirror body having a mirror-like surface,
¼ disposed between the polarization beam splitter and the measurement object, and transmits the light from the polarization beam splitter and transmits the angle measurement regular reflection light and the distance measurement regular reflection light. The optical measuring device according to claim 1, further comprising a wave plate.
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。The optical measurement apparatus according to claim 1, wherein the angle measurement light projecting unit and the distance measurement light projecting unit are laser light sources.
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