光学式測定システム
【課題】 高速で高精度な測定を行えるようにすること。
【解決手段】 測定対象１２０に測定用光を照射する光源部１０１と、光源部１０１とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知で、測定対象１２０からの測定用光を偏向する第１、第２光偏向素子１０８、１０９と、第１、第２光偏向素子１０８、１０９からの測定用光を検出する１つの光検出素子１０５と、測定対象１２０から反射した測定用光が第１、第２光偏向素子１０８、１０９の双方を介して光検出素子１０５へ入射する測定対象１２０上の点Ｐについて、第１、第２光偏向素子１０８、１０９を介して光検出素子１０５が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する演算装置１１５とを備えている。
【解決手段】 測定対象１２０に測定用光を照射する光源部１０１と、光源部１０１とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知で、測定対象１２０からの測定用光を偏向する第１、第２光偏向素子１０８、１０９と、第１、第２光偏向素子１０８、１０９からの測定用光を検出する１つの光検出素子１０５と、測定対象１２０から反射した測定用光が第１、第２光偏向素子１０８、１０９の双方を介して光検出素子１０５へ入射する測定対象１２０上の点Ｐについて、第１、第２光偏向素子１０８、１０９を介して光検出素子１０５が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する演算装置１１５とを備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定用光を測定対象に照射すると共に前記測定対象で反射した前記測定用光を検出し、前記検出した測定用光に基づいて前記測定対象の形状等を測定する光学式測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出することによって、所定位置から測定対象までの距離や前記測定対象の３次元形状等を測定するようにした光学式測定システムが開発されている。
前記光学式測定システムの例として、光源から測定対象に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であるが前記光源とは無関係な任意の位置に配設された光検出手段によって前記測定対象で反射した前記測定用光を検出し、三角測距法を用いて、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて所定位置を基準とする前記測定対象の座標、所定位置から前記測定対象までの距離、前記測定対象の形状の測定等を行うようにした光学式測定システムが開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、特許文献１に記載された発明の概要を示す図である。図８において、８０１はレーザ光等の測定用光を測定対象８０８に照射する光源部である。８０２は受光レンズ８０３及び光検出素子８０４を有する第１光検出部、８０５は受光レンズ８０６及び光検出素子８０７を有する第２光検出部である。第１光検出部８０２と第２光検出部８０５は、相互の位置関係が既知の値となるように配置されているが、光源部８０１とは関連性のない任意の位置関係に配置される。
【０００４】
測定対象８０８の形状等を測定する場合、光源部８０１からの測定用光によって測定対象８０８の測定点を照射し、測定対象８０８で反射した測定用光を、第１光検出部８０２及び第２光検出部８０５によって検出する。図示しない演算装置が、第１、第２光検出部８０２、８０５によって検出した測定用光に基づいて、三角測距法を用いて測定対象８０８の形状等を算出する。これにより、第１光検出部８０２と第２光検出部８０５間の位置関係は既知の関係に規定されるが、光源部８０１は、第１光検出部８０２及び第２光検出部８０５との間の位置関係は規定されない任意の位置にできるので、光源部８０１を手動等で自由に移動させながら測定したい箇所を照射して測定対象８０８の形状や位置等を測定することが可能になる。
【０００５】
このように、特許文献１記載の発明では、光源と複数の光検出部との位置関係を任意に設定できるため、これらの位置関係による測定制約が生じず、簡単な構成で、多様な測定に対応することが可能になる等の効果を有している。
しかしながら、特許文献１記載の発明では、各光検出部から出力されるデータの同時刻性を保つのが難しく、同期をとるために測定に時間がかかったり、高精度に測定するために複雑な処理回路が必要となる等の問題がある。
【０００６】
また、前記各光検出部を構成する受光素子に、取り付け位置および受光感度等の製造時における個体差があり、高精度に測定する場合、調整に時間を要するという問題がある。
また、前記各受光素子の位置関係を合わせる必要があり、調整要素が多いという問題がある。
また、複数の受光素子を必要とするため、小型化および軽量化に限界がある。
更に、複数の受光素子を必要とし、かつ調整要素が多いため高価なものになるという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１９８８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高速で高精度な測定を行えるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、測定対象に測定用光を照射する光源部と、前記光源部とは位置関係が無関係に配置され、前記測定対象で反射し第１、第２の経路を介して入射する前記測定用光を検出する光検出手段と、前記第１、第２の経路を介して検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出する演算手段とを備えた光学式測定システムにおいて、前記光検出手段は、前記光源部とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知であると共に前記第１、第２経路に配設され、前記測定対象で反射し前記第１、第２経路を通る測定用光を各々偏向する第１、第２光偏向部と、前記第１、第２光偏向部からの測定用光を検出する１つの光検出素子とを有して成り、前記演算手段は、前記測定対象で反射した測定用光が前記第１、第２光偏向部の双方を経由して前記光検出素子へ入射した前記測定対象上の点について、前記第１、第２光偏向部を介して前記光検出素子が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出することを特徴とする光学式測定システムが提供される。
演算手段は、測定対象で反射した測定用光が第１、第２光偏向部の双方を経由して光検出素子へ入射した前記測定対象上の点について、前記第１、第２光偏向部を介して前記光検出素子が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出する。
【００１０】
ここで、前記第１光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第１光偏向素子と、前記第１偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第３光偏向素子を有し、前記第２光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第２光偏向素子と、前記第２光偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第４光偏向素子を有し、前記第３、第４光偏向素子は１つの光偏向素子を兼用して成るように構成してもよい。
【００１１】
また、前記第１光偏向素子、第２光偏向素子、第３光偏向素子及び光検出素子の中の少なくとも２つの相対的な位置関係が可変であるように構成してもよい。
また、前記第１、第２光偏向素子に対応して設けられると共に前記測定対象で反射した測定用光を集光して前記第１、第２光偏向素子に向けて出力する第１、第２受光レンズを備えて成るように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高速で高精度な測定を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定システムについて説明する。尚、各図において同一部分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システムの構成図である。本第１の実施の形態に係る光学式測定システムは、測定対象１２０に測定用光を照射する光源部１０１、測定対象１２０で反射した前記測定用光を検出する光検出部１００、光検出部１００が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０の形状等の測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する演算手段としての演算装置（本実施の形態ではコンピュータ）１１５を備えている。
光源部１０１と光検出部１００間の相互の位置関係は任意であり、これらは自由に配置することができる。
【００１４】
光源部１０１は、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子によって構成されている。１０２は光源部１０１から出射される測定用光で、出射する光のパターンは、点状のスポット光、線（ライン）状の光、十字架（クロス）状の光、環（サークル）状の光等を適用できる。測定用光１０２を用いて測定対象１２０の形状等を測定する。
１０３は反射した測定用光で、測定用光１０２の内、測定対象１２０で反射（散乱）した光である。１０４は駆動部で、光源部１０１を測定用光１０２の光軸と交差する方向に移動させたり回転させることによって、測定用光１０２の方向を変える（偏向する）。駆動部１０４は、公知の技術によって、直動、回転、チルト等、種々の方向に光源部１０１を移動制御するように構成される。前記移動制御は自動制御でも手動制御でもよく、測定対象１２０に対する光源部１０１の照射位置を変えることができればよいため、光源部１０１を直接手で持って可動させるように構成してもよい。
【００１５】
光検出部１００で、測定対象１２０で反射した測定用光の検出を行う。光検出部１００は、１つの光検出素子１０５、１つの受光レンズ１０６、第１光偏向素子１０８、第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７を備えている。
光検出素子１０５の中心に位置し且つ光検出素子１０５に垂直な線である光軸１３０上に、受光レンズ１０６の中心および第３光偏向素子１０７の中心が位置するように配設されている。また、第１光偏向素子１０８と第２光偏向素子１０９は光軸１３０を中心に対称に配設されている。
【００１６】
光検出素子１０５、受光レンズ１０６、第３光偏向素子１０７、第１光偏向素子１０８及び第２光偏向素子１０９の間の位置関係は所定の既知の値に設定されている。
第１偏向素子１０８は測定用光を反射するための光反射面１１１を有し、第２偏向素子１０９は測定用光を反射するための光反射面１１２を有している。第３偏向素子１０７は第１偏向素子１０８及び第２光偏向素子１０９からの測定用光を光検出素子１０５側に反射するための光反射面１１０を有している。
光検出素子１０５としては、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）、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。
【００１７】
受光レンズ１０６は測定用光を集光して光検出素子１０５上に結像させる光学素子である。第３光偏向素子１０７は、プリズムまたはミラーなどの光偏向素子を用いることが可能で（本実施の形態ではミラーを使用している）、第１光偏向素子１０８及び第２光偏向素子１０９からの測定用光を偏向して、光検出素子１０５の所定領域に導光する。第３光偏向素子１０７は、測定したい領域に応じて、２面若しくは４面（例えば４面の場合にはピラミッド型形状）またはそれ以上の偏向面（例えば光反射面）を持たせてもよい。後述するように、別途駆動部を設けて、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、光検出素子１０５の位置関係を上下左右に可変できるように構成してもよい。
【００１８】
第１、第２光偏向素子１０８、１０９は、プリズムまたはミラーなどの光偏向素子を用いることができ（本実施の形態ではミラーを使用している）、測定対象１２０によって反射した測定用光を偏向して第３光偏向素子１０７に導光する。第１、第２光偏向素子１０８、１０９は、第３光偏向素子１０７の光偏向面の数に応じて、配置および数を増やしてもよい。駆動部を設け、第３光偏向素子１０７との位置関係を可変できるようにしてもよい。
【００１９】
光検出素子１０５、受光レンズ１０６、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７は箱状の支持体１１３内に収容されている。
尚、第１光偏向素子１０８及び第３光偏向素子１０７は第１光偏向部を構成し、第２光偏向素子１０９及び第３光偏向素子１０７は第２光偏向部を構成している。ここで、第３光偏向素子１０７は、第１光偏向部と第２光偏向部の双方に兼用されている。第３偏向素子１０７は、第１光偏向部では第３光偏向素子として、第２光偏向部では第４光偏向素子として用いられるものであるが、ここでは第３光偏向素子と称して統一して使用する。
【００２０】
演算装置１１５は電気ケーブル１１４を介して光検出素子１０５に接続されており、光検出素子１０５が検出した測定用光に対応する電気信号が電気ケーブル１１４を介して演算装置１１５に入力される。演算装置１１５は前記電気信号に基づいて、三角測距法を用いて、測定対象１２０の形状、所定位置を基準とする測定対象１２０上の所定点までの距離等の測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する。
【００２１】
図２は、本発明の第１の実施の形態において、測定可能な範囲を説明するための説明図である。図２において、測定対象上の測定対象点Ｐ（そのＸＹＺ座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ））で反射した測定用光は、第１、第２光偏向素子１０８、１０９によって偏向され、第３光偏向素子１０７によって偏向された後、受光レンズ１０６を介して光検出素子１０５によって検出される。このとき、測定対象点Ｐから第１光偏向素子１０８、第３光偏向素子１０７、受光レンズ１０６を経由する第１経路と、測定対象点Ｐから第２光偏向素子１０９、第４光偏向素子１０７、受光レンズ１０６を経由する第２経路の双方の経路を介して光検出素子１０５に結像する領域（図２のハッチングを付した領域）が測定可能な領域になる。反射した測定用光を検出できない領域が測定不能な領域であることは勿論であるが、前記第１の経路又は第２の経路のいずれか一方のみを経由して光検出素子１０５によって検出された領域も測定不能な領域である。
【００２２】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムにおける測定動作を示す説明図である。
図４は、図３におけるＸ−Ｙ平面において、Ｘ−Ｙ座標を算出する際の説明図で、光学式測定システムの一部の構成要素を示している。直線Ｙ1〜Ｙ5、Ｙ10、Ｙ30、Ｙ50はＸ−Ｙ平面上の直線である。
図４において、第１、第２光偏向素子１０８、１０９は同一形状に形成されている。第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子１０７の断面は底角がπ／４の直角二等辺三角形に構成されている。第１、第２光偏向素子１０８、１０９の光反射面１１１、１１２は各々、Ｘ軸に対して所定角度（本実施の形態では（（π／４）＋θ）度）傾いて配設されている。角度θは第１、第２光偏向素子１０８、１０９がＸ軸に対してなす角である。
【００２３】
第３光偏向素子１０７の頂点が光軸１３０（即ちＹ軸）上に位置するように配設されている。ｆは受光レンズ１０６の焦点距離である。ｄは、受光レンズ１０６と第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子との間のＹ軸方向の距離（具体的には、受光レンズ１０６の中心（座標原点Ｏ）から、第１、第２光偏向素子１０８、１０９と第３光偏向素子１０７の受光レンズ１０６側端部までのＹ軸方向の距離）である。ηは、受光レンズ１０６と第１、第２光偏向素子間のＸ軸方向の距離（具体的には、受光レンズ１０６の中心から、第１、第２光偏向素子１０８、１０９の受光レンズ１０６側端部までのＸ軸方向の距離）である。距離ξは測定値であり、測定対象１２０で反射した測定用光が第１光偏向素子１０８、第３光偏向素子１０７を介して光検出素子１０５によって検出された位置を示す距離（前記検出された位置と光軸１３０との距離）である。
【００２４】
距離ζも測定値であり、測定対象１２０で反射した測定用光が第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７を介して光検出素子１０５によって検出された位置を示す距離（前記検出された位置と光軸１３０との距離）である。第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５は予め所定の関係を有するように定めた所定位置に配設されており、したがって、距離ｄ、ｆ、η、角度θは既知の値である。
図５は、図３におけるＺ−Ｙ平面においてＺ−Ｙ座標を算出する際の説明図で、光学式測定システムの一部の構成要素を示している。
【００２５】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの動作を説明する。
先ず、図１において、光検出部１００、測定対象１２０、光源部１０１を取り付けた駆動部１０４を設置する。この場合、光検出部１００は測定対象１２０で反射した測定用光を受光することが可能な位置であれば、光源部１０１に対して任意の位置に配置できる。また、光源部１０１は、測定対象の測定対象位置を測定用光で照射することが可能な位置であれば、光検出部１００と測定対象１２０に対して任意の位置に配置できる。
【００２６】
このように、光検出部１００、測定対象１２０及び光源部１０１を配置した状態で、光源部１０１から出力される測定用光によって測定対象１２０の測定点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を照射し、測定対象１２０で反射した前記測定用光を光検出部１００によって検出する。演算部１１５は、光検出部１１０が検出した測定用光に対応する電気信号を受信して、下記式を用いて、測定点Ｐの位置を算出する。
【００２７】
先ず、第１経路（測定対象Ｐから、第１光偏光素子１０８、第３光偏光素子１０７を経由して光検出素子１０５に至る経路）を通って光検出素子１０５の第１の半分領域１０５−１（図４において光軸１３０の左側半分の領域１０５−１）によって検出される測定用光については、光軸１３０をＸ座標軸として、以下の式が成立する。尚、第１経路を通る測定用光は、測定対象Ｐから、直線Ｙ5、直線Ｙ4（第１光偏光素子１０８の光反射面１１１上の直線）上の点、直線Ｙ3、直線Ｙ2（第２光偏光素子１０７の光反射面１１０上の直線）上の点、直線Ｙ1）を経由して光検出素子１０５上の検出位置（光軸１３０をＸ座標軸とするＸ座標ξ）に到達する。
【００２８】
Ｙ1＝ｍ1・Ｘ＋ａ1
Ｙ2＝ｍ2・Ｘ＋ａ2
Ｙ3＝ｍ3・Ｘ＋ａ3
Ｙ4＝ｍ4・Ｘ＋ａ4
Ｙ5＝ｍ5・Ｘ＋ａ5
【００２９】
但し、直線Ｙ1〜Ｙ5、係数ｍ1〜ｍ5、数値ａ1〜ａ5は次式によって表される。
ｍ1＝ｆ／ξ
ｍ2＝１
ａ1＝０
ａ2＝ｄ
ｃｏｓα1＝（１＋ｍ1・ｍ2）／√（（１＋ｍ1２）・（１＋ｍ2２））
＝（１＋ｍ2・ｍ3）／√（（１＋ｍ2２）・（１＋ｍ3２））
ｍ3＝（ｍ2／（ｍ2２−Ａ２））・（−１±（Ａ／ｍ2）・√（１＋ｍ2２−Ａ２））
Ａ＝（１＋ｍ1・ｍ2）／√（１＋ｍ1２）
ａ3＝（１−（√２）・ξ・ｓｉｎα1／（（ｆ−ξ）・ｓｉｎ（π／４＋α1）））・ｄ
ｍ4＝ｔａｎ−１（π／４＋θ）
ａ4＝ｄ−η
ｃｏｓβ1＝（１＋ｍ3・ｍ4）／√（（１＋ｍ3２）・（１＋ｍ4２））
＝（１＋ｍ4・ｍ5）／√（（１＋ｍ4２）・（１＋ｍ5２））
ｍ5＝（ｍ4／（ｍ4２−Ｂ２））・（−１±（Ｂ／ｍ4）・√（１＋ｍ4２−Ｂ２））
Ｂ＝（１＋ｍ3・ｍ4）／√（１＋ｍ3２）
直線Ｙ3と直線Ｙ4の交点の座標を（Ｘ34，Ｙ34）とすると、
Ｘ34＝（ａ3−ａ4）／（ｍ4−ｍ3）
Ｙ34＝ｍ4・（ａ3−ａ4）／（ｍ4−ｍ3）＋ａ4
となる。点（Ｘ34，Ｙ34）を通る直線Ｙ5の式より、ａ5は次式で求められる。
ａ5＝Ｙ34−ｍ5・Ｘ34
【００３０】
次に、第２経路（測定対象Ｐから、第２光偏光素子１０９、第３光偏光素子１０７を経由して光検出素子１０５に至る経路）を通って光検出素子１０５の第２の半分領域１０５−２（図４において光軸１３０の右側半分の領域１０５−２）によって検出される測定用光については、光軸１３０をＸ座標軸として、前記第１経路を通る測定用光と同様にして以下の式が成立する。
即ち、第２経路を通る測定用光は、測定対象Ｐから、直線Ｙ50、直線Ｙ4（第１光偏光素子１０９の光反射面１１２上の直線）上の点、直線Ｙ30、直線Ｙ2（第２光偏光素子１０７の光反射面１１０上の直線）上の点、直線Ｙ10）を経由して光検出素子１０５上の検出位置（光軸１３０をＸ座標軸とするＸ座標ζ）に到達し、次の式が成立する。
【００３１】
Ｙ10＝ｍ10・Ｘ＋ａ10
Ｙ2＝ｍ2・Ｘ＋ａ2
Ｙ30＝ｍ30・Ｘ＋ａ30
Ｙ4＝ｍ4・Ｘ＋ａ4
Ｙ50＝ｍ50・Ｘ＋ａ50
【００３２】
但し、直線Ｙ10、Ｙ2、Ｙ30、Ｙ4、Ｙ50、係数ｍ10、ｍ2、ｍ30、ｍ4、ｍ50、数値ａ10、ａ2、ａ30、ａ4、ａ50は前記同様にして幾何学的に算出され、各々、次式によって表される。
ｍ10＝ｆ／ζ
ｍ2＝１
ａ10＝０
ａ2＝ｄ
ｃｏｓα2＝（１＋ｍ10・ｍ2）／√（（１＋ｍ10２）・（１＋ｍ2２））
＝（１＋ｍ2・ｍ30）／√（（１＋ｍ2２）・（１＋ｍ30２））
ｍ30＝（ｍ2／（ｍ2２−Ｃ２））・（−１±（Ｃ／ｍ2）・√（１＋ｍ2２−Ｃ２））
Ｃ＝（１＋ｍ10・ｍ2）／√（１＋ｍ10２）
ａ30＝（１−（√２）・ζ・ｓｉｎα2／（（ｆ−ζ）・ｓｉｎ（π／４＋α2）））・ｄ
ｍ4＝ｔａｎ−１（π／４＋θ）
ａ4＝ｄ−η
ｃｏｓβ2＝（１＋ｍ30・ｍ4）／√（（１＋ｍ30２）・（１＋ｍ4２））
＝（１＋ｍ4・ｍ50）／√（（１＋ｍ4２）・（１＋ｍ50２））
ｍ50＝（ｍ4／（ｍ4２−Ｄ２））・（−１±（Ｄ／ｍ4）・√（１＋ｍ4２−Ｄ２））
Ｄ＝（１＋ｍ30・ｍ4）／√（１＋ｍ30２）
直線Ｙ30と直線Ｙ4の交点の座標を（Ｘ304，Ｙ304）とすると、
Ｘ304＝（ａ30−ａ4）／（ｍ4−ｍ30）
Ｙ304＝ｍ4・（ａ30−ａ4）／（ｍ4−ｍ30）＋ａ4
となる。点（Ｘ304，Ｙ304）を通る直線Ｙ50の式より、ａ50は次式で求められる。
ａ50＝Ｙ304−ｍ50・Ｘ304
【００３３】
直線Ｙ5と直線Ｙ50の交点（Ｘ，Ｙ）が求める点ＰのＸ座標、Ｙ座標となる。点ＰのＸ−Ｙ座標（Ｘ，Ｙ）は、前記の如くして得られたａ5、ａ50、ｍ5、ｍ50を用いて、下記式のように表される。
【数１】
【００３４】
一方、図５において、点Ｐ2のＹ座標をＰ2y、点Ｐ1のＹ軸座標をＰ1yとすると、
Ｐ2y＝Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3
Ｐ1y＝ｆ・（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）／√（ｆ２＋ξ２）
となる。
したがって、点ＰのＺ座標Ｚ0は、図５において幾何学的に算出することによって得られ、次式で表される。
Ｚ0＝ψ・（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）／ｆ
【００３５】
但し、図３に示すように、原点（受光レンズ１０６の中心）から、測定用光と第２光偏向素子１０７の光反射面１１０との交点をＸＹ平面へ投影した点までの距離をＳ1とする。測定用光と第２光偏向素子１０７の光反射面１１０との交点をＸＹ平面へ投影した点から、測定用光と第１光偏向素子１０８の光反射面１１１との交点をＸＹ平面へ投影した点までの距離をＳ2とする。測定点ＰをＸＹ座標に投影した点Ｐ1から距離Ｓ1、Ｓ2を差し引いた距離をＳ3とする。また、距離ψは、光軸１３０をＺ座標軸とする光検出素子１０５上の検出位置である。
【００３６】
このようにして、演算部１１５は、三角測距法を用いて、複数（本実施の形態では２つ）の経路を介して光検出素子１０５へ入射する測定対象１２０上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸＹＺ座標が得られる。測定可能な領域の複数の点について前記測定処理を行うことにより、測定対象１２０の形状や所定位置を基準とする測定対象１２０上の所定点の位置等の測定対象１２０についての長さに関する情報を測定することができる。
【００３７】
以上述べたように、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムは、測定対象１２０に測定用光を照射する光源部１０１と、光源部１０１とは位置関係が無関係に配置され、測定対象１２０で反射し第１、第２の経路を介して入射する測定用光を検出する光検出部１００と、前記第１、第２の経路を介して検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する演算装置１１５とを備えた光学式測定システムにおいて、光検出部１００は、光源部１０１とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知であると共に前記第１、第２経路に配設され、測定対象１２０で反射し前記第１、第２経路を通る測定用光を各々偏向する第１、第２光偏向部１０８、１０９と、第１、第２光偏向部１０８、１０９からの測定用光を検出する１つの光検出素子１０５とを有して成り、演算装置１１５は、測定対象１２０で反射した測定用光が第１、第２光偏向部１０８、１０９の双方を経由して光検出素子１０５へ入射した測定対象１２０上の点について、第１、第２光偏向部１０８、１０９を介して光検出素子１０５が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０についての長さに関する情報を算出するように構成している。
【００３８】
このように、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムは、１つの光検出素子１０５を用いて、複数の経路を介して光検出素子１０５へ入射する測定対象１２０上の点Ｐについて、長さに関する情報を得るようにしているため、複数の光検出部を用いた場合のように同期をとる必要が無く、高速で高精度な測定を行うことが可能になる。また構成が簡単になるため廉価に構成することが可能になる。
【００３９】
また、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５を予め既知の位置関係に配設しておけば足りるため、調整要素が少ないという効果を奏する。したがって、高生産性に対応することが可能である。また、小型で軽量に構成することが可能になる。また、消費電力を低減することが可能になる。
また、光源部１０１と光検出部１００との位置関係を任意に設定できるため、これらの位置関係による測定制約が生じず、多様な測定に対応することが可能になる。
また、反射ミラーやプリズム等の光偏向素子を用いて測定用光を偏向しているため、簡単な構成で測定用光を偏向することが可能になり又、小型化が可能になる。
【００４０】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定システムの光検出部を示す図である。
図６に示すように、第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子１０７に対する、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５の位置を変えることが可変に構成されており、これによって、測定可能な領域や測定分解能の少なくとも一方を可変することができる。
【００４１】
即ち、図６に示すように、第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子１０７から、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５を遠ざけた位置に移動制御することにより、前記第１の実施の形態に比べて、測定可能な領域（ハッチングを付した領域）が光検出素子１０５に近い領域となっている。
第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、光検出素子１０５の中の少なくとも２つを相対的に移動制御する手段を設けることにより、測定可能領域を変更し、測定可能領域内における測定分解能を向上させる等、測定可能範囲や測定分解能の少なくとも一方を可変することが可能になる。
【００４２】
即ち、第１光偏向素子１０８、第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７及び光検出素子１０５の中の少なくとも２つの相対的な位置関係が可変であるように構成することにより、測定可能領域と測定分解能の少なくとも一方を変えることができる。
また、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、光検出素子１０５間の位置の変更は駆動機構等の位置制御手段を設けることによって自動制御で行うようにしてもよく又、手動操作によって行うようにしてもよい。
【００４３】
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定システムの光検出部を示す図である。
本第３の実施の形態では、光検出素子１０５に対応して配設した受光レンズ１０６は使用せずに、第１光偏向素子１０８の測定対象側に第１受光レンズ７０１を対応付けて設けると共に、第２光偏向素子１０９の測定対象側に第２受光レンズ７０２を対応付けて設けるように構成した例である。
【００４４】
ここで、第１光偏向素子１０８、第３光偏向素子１０７及び受光レンズ７０１は第１光偏向部を構成し、第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７及び受光レンズ７０１は第２光偏向部を構成している。尚、第３光偏向素子１０７は、第１光偏向部と第２光偏向部の双方に兼用されている。第３偏向素子１０７は、第１光偏向部では第３光偏向素子として、第２光偏向部では第４光偏向素子として用いられるものであるが、ここでは第３光偏向素子と称して統一して使用する。
係る構成により、測定対象１２０で反射した測定用光を良好に集光して検出することが可能になり、測定精度が向上する。
【００４５】
前記各実施の形態に係る光学式測定システムは、自動車用トランスミッションの形状測定をはじめとする非接触三次元測定装置、自動車等の製造ラインにおける形状測定センサ、ロボット等の視覚センサ等に利用可能である。また、種々の凹凸面や穴端部を有する測定対象物の３次元形状、所定位置から測定対象物までの距離、所定位置を基準とする測定対象物の座標等、測定対象の長さに関する情報を光学的に測定する光学式測定システムに利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
自動車用トランスミッションの形状測定をはじめとする非接触三次元測定装置、自動車等の製造ラインにおける形状測定センサ、ロボット等の視覚センサをはじめとして、種々の凹凸面や穴端部を有する測定対象物の３次元形状、所定位置から測定対象物までの距離、所定位置を基準とする測定対象物の座標等、測定対象の長さに関する情報を光学的に測定する光学式測定システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定システムの部分構成図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定システムの部分構成図である。
【図８】従来の光学式測定システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００・・・光検出部
１０１・・・光源部
１０２・・・測定用光
１０３・・・測定用光
１０４・・・駆動部
１０５・・・光検出素子
１０６・・・受光レンズ
１０７・・・第３光偏向素子
１０８・・・第１光偏向素子
１０９・・・第２光偏向素子
１１０、１１１、１１２・・・光反射面
１１３・・・支持体
１１４・・・電気ケーブル
１１５・・・演算装置
１２０、８０８・・・測定対象
１３０・・・光軸
７０１・・・第１受光レンズ
７０２・・・第２受光レンズ
８０１・・・光源部
８０２・・・第１光検出部
８０３・・・受光レンズ
８０４・・・検出素子
８０５・・・第２光検出部
８０６・・・受光レンズ
８０７・・・光検出素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定用光を測定対象に照射すると共に前記測定対象で反射した前記測定用光を検出し、前記検出した測定用光に基づいて前記測定対象の形状等を測定する光学式測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体レーザ等の光源から発生した測定用光を測定対象に照射し、前記測定対象で反射した前記測定用光を検出することによって、所定位置から測定対象までの距離や前記測定対象の３次元形状等を測定するようにした光学式測定システムが開発されている。
前記光学式測定システムの例として、光源から測定対象に測定用光を照射し、相互の位置関係は既知であるが前記光源とは無関係な任意の位置に配設された光検出手段によって前記測定対象で反射した前記測定用光を検出し、三角測距法を用いて、前記複数の光検出手段が検出した測定用光に基づいて所定位置を基準とする前記測定対象の座標、所定位置から前記測定対象までの距離、前記測定対象の形状の測定等を行うようにした光学式測定システムが開発されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
図８は、特許文献１に記載された発明の概要を示す図である。図８において、８０１はレーザ光等の測定用光を測定対象８０８に照射する光源部である。８０２は受光レンズ８０３及び光検出素子８０４を有する第１光検出部、８０５は受光レンズ８０６及び光検出素子８０７を有する第２光検出部である。第１光検出部８０２と第２光検出部８０５は、相互の位置関係が既知の値となるように配置されているが、光源部８０１とは関連性のない任意の位置関係に配置される。
【０００４】
測定対象８０８の形状等を測定する場合、光源部８０１からの測定用光によって測定対象８０８の測定点を照射し、測定対象８０８で反射した測定用光を、第１光検出部８０２及び第２光検出部８０５によって検出する。図示しない演算装置が、第１、第２光検出部８０２、８０５によって検出した測定用光に基づいて、三角測距法を用いて測定対象８０８の形状等を算出する。これにより、第１光検出部８０２と第２光検出部８０５間の位置関係は既知の関係に規定されるが、光源部８０１は、第１光検出部８０２及び第２光検出部８０５との間の位置関係は規定されない任意の位置にできるので、光源部８０１を手動等で自由に移動させながら測定したい箇所を照射して測定対象８０８の形状や位置等を測定することが可能になる。
【０００５】
このように、特許文献１記載の発明では、光源と複数の光検出部との位置関係を任意に設定できるため、これらの位置関係による測定制約が生じず、簡単な構成で、多様な測定に対応することが可能になる等の効果を有している。
しかしながら、特許文献１記載の発明では、各光検出部から出力されるデータの同時刻性を保つのが難しく、同期をとるために測定に時間がかかったり、高精度に測定するために複雑な処理回路が必要となる等の問題がある。
【０００６】
また、前記各光検出部を構成する受光素子に、取り付け位置および受光感度等の製造時における個体差があり、高精度に測定する場合、調整に時間を要するという問題がある。
また、前記各受光素子の位置関係を合わせる必要があり、調整要素が多いという問題がある。
また、複数の受光素子を必要とするため、小型化および軽量化に限界がある。
更に、複数の受光素子を必要とし、かつ調整要素が多いため高価なものになるという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１９８８４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、高速で高精度な測定を行えるようにすることを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、測定対象に測定用光を照射する光源部と、前記光源部とは位置関係が無関係に配置され、前記測定対象で反射し第１、第２の経路を介して入射する前記測定用光を検出する光検出手段と、前記第１、第２の経路を介して検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出する演算手段とを備えた光学式測定システムにおいて、前記光検出手段は、前記光源部とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知であると共に前記第１、第２経路に配設され、前記測定対象で反射し前記第１、第２経路を通る測定用光を各々偏向する第１、第２光偏向部と、前記第１、第２光偏向部からの測定用光を検出する１つの光検出素子とを有して成り、前記演算手段は、前記測定対象で反射した測定用光が前記第１、第２光偏向部の双方を経由して前記光検出素子へ入射した前記測定対象上の点について、前記第１、第２光偏向部を介して前記光検出素子が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出することを特徴とする光学式測定システムが提供される。
演算手段は、測定対象で反射した測定用光が第１、第２光偏向部の双方を経由して光検出素子へ入射した前記測定対象上の点について、前記第１、第２光偏向部を介して前記光検出素子が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出する。
【００１０】
ここで、前記第１光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第１光偏向素子と、前記第１偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第３光偏向素子を有し、前記第２光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第２光偏向素子と、前記第２光偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第４光偏向素子を有し、前記第３、第４光偏向素子は１つの光偏向素子を兼用して成るように構成してもよい。
【００１１】
また、前記第１光偏向素子、第２光偏向素子、第３光偏向素子及び光検出素子の中の少なくとも２つの相対的な位置関係が可変であるように構成してもよい。
また、前記第１、第２光偏向素子に対応して設けられると共に前記測定対象で反射した測定用光を集光して前記第１、第２光偏向素子に向けて出力する第１、第２受光レンズを備えて成るように構成してもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、高速で高精度な測定を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態に係る光学式測定システムについて説明する。尚、各図において同一部分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システムの構成図である。本第１の実施の形態に係る光学式測定システムは、測定対象１２０に測定用光を照射する光源部１０１、測定対象１２０で反射した前記測定用光を検出する光検出部１００、光検出部１００が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０の形状等の測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する演算手段としての演算装置（本実施の形態ではコンピュータ）１１５を備えている。
光源部１０１と光検出部１００間の相互の位置関係は任意であり、これらは自由に配置することができる。
【００１４】
光源部１０１は、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）等の発光素子によって構成されている。１０２は光源部１０１から出射される測定用光で、出射する光のパターンは、点状のスポット光、線（ライン）状の光、十字架（クロス）状の光、環（サークル）状の光等を適用できる。測定用光１０２を用いて測定対象１２０の形状等を測定する。
１０３は反射した測定用光で、測定用光１０２の内、測定対象１２０で反射（散乱）した光である。１０４は駆動部で、光源部１０１を測定用光１０２の光軸と交差する方向に移動させたり回転させることによって、測定用光１０２の方向を変える（偏向する）。駆動部１０４は、公知の技術によって、直動、回転、チルト等、種々の方向に光源部１０１を移動制御するように構成される。前記移動制御は自動制御でも手動制御でもよく、測定対象１２０に対する光源部１０１の照射位置を変えることができればよいため、光源部１０１を直接手で持って可動させるように構成してもよい。
【００１５】
光検出部１００で、測定対象１２０で反射した測定用光の検出を行う。光検出部１００は、１つの光検出素子１０５、１つの受光レンズ１０６、第１光偏向素子１０８、第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７を備えている。
光検出素子１０５の中心に位置し且つ光検出素子１０５に垂直な線である光軸１３０上に、受光レンズ１０６の中心および第３光偏向素子１０７の中心が位置するように配設されている。また、第１光偏向素子１０８と第２光偏向素子１０９は光軸１３０を中心に対称に配設されている。
【００１６】
光検出素子１０５、受光レンズ１０６、第３光偏向素子１０７、第１光偏向素子１０８及び第２光偏向素子１０９の間の位置関係は所定の既知の値に設定されている。
第１偏向素子１０８は測定用光を反射するための光反射面１１１を有し、第２偏向素子１０９は測定用光を反射するための光反射面１１２を有している。第３偏向素子１０７は第１偏向素子１０８及び第２光偏向素子１０９からの測定用光を光検出素子１０５側に反射するための光反射面１１０を有している。
光検出素子１０５としては、ＰＳＤ（Position Sensitive Detector）、ＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）、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。
【００１７】
受光レンズ１０６は測定用光を集光して光検出素子１０５上に結像させる光学素子である。第３光偏向素子１０７は、プリズムまたはミラーなどの光偏向素子を用いることが可能で（本実施の形態ではミラーを使用している）、第１光偏向素子１０８及び第２光偏向素子１０９からの測定用光を偏向して、光検出素子１０５の所定領域に導光する。第３光偏向素子１０７は、測定したい領域に応じて、２面若しくは４面（例えば４面の場合にはピラミッド型形状）またはそれ以上の偏向面（例えば光反射面）を持たせてもよい。後述するように、別途駆動部を設けて、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、光検出素子１０５の位置関係を上下左右に可変できるように構成してもよい。
【００１８】
第１、第２光偏向素子１０８、１０９は、プリズムまたはミラーなどの光偏向素子を用いることができ（本実施の形態ではミラーを使用している）、測定対象１２０によって反射した測定用光を偏向して第３光偏向素子１０７に導光する。第１、第２光偏向素子１０８、１０９は、第３光偏向素子１０７の光偏向面の数に応じて、配置および数を増やしてもよい。駆動部を設け、第３光偏向素子１０７との位置関係を可変できるようにしてもよい。
【００１９】
光検出素子１０５、受光レンズ１０６、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７は箱状の支持体１１３内に収容されている。
尚、第１光偏向素子１０８及び第３光偏向素子１０７は第１光偏向部を構成し、第２光偏向素子１０９及び第３光偏向素子１０７は第２光偏向部を構成している。ここで、第３光偏向素子１０７は、第１光偏向部と第２光偏向部の双方に兼用されている。第３偏向素子１０７は、第１光偏向部では第３光偏向素子として、第２光偏向部では第４光偏向素子として用いられるものであるが、ここでは第３光偏向素子と称して統一して使用する。
【００２０】
演算装置１１５は電気ケーブル１１４を介して光検出素子１０５に接続されており、光検出素子１０５が検出した測定用光に対応する電気信号が電気ケーブル１１４を介して演算装置１１５に入力される。演算装置１１５は前記電気信号に基づいて、三角測距法を用いて、測定対象１２０の形状、所定位置を基準とする測定対象１２０上の所定点までの距離等の測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する。
【００２１】
図２は、本発明の第１の実施の形態において、測定可能な範囲を説明するための説明図である。図２において、測定対象上の測定対象点Ｐ（そのＸＹＺ座標は（Ｘ，Ｙ，Ｚ））で反射した測定用光は、第１、第２光偏向素子１０８、１０９によって偏向され、第３光偏向素子１０７によって偏向された後、受光レンズ１０６を介して光検出素子１０５によって検出される。このとき、測定対象点Ｐから第１光偏向素子１０８、第３光偏向素子１０７、受光レンズ１０６を経由する第１経路と、測定対象点Ｐから第２光偏向素子１０９、第４光偏向素子１０７、受光レンズ１０６を経由する第２経路の双方の経路を介して光検出素子１０５に結像する領域（図２のハッチングを付した領域）が測定可能な領域になる。反射した測定用光を検出できない領域が測定不能な領域であることは勿論であるが、前記第１の経路又は第２の経路のいずれか一方のみを経由して光検出素子１０５によって検出された領域も測定不能な領域である。
【００２２】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムにおける測定動作を示す説明図である。
図４は、図３におけるＸ−Ｙ平面において、Ｘ−Ｙ座標を算出する際の説明図で、光学式測定システムの一部の構成要素を示している。直線Ｙ1〜Ｙ5、Ｙ10、Ｙ30、Ｙ50はＸ−Ｙ平面上の直線である。
図４において、第１、第２光偏向素子１０８、１０９は同一形状に形成されている。第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子１０７の断面は底角がπ／４の直角二等辺三角形に構成されている。第１、第２光偏向素子１０８、１０９の光反射面１１１、１１２は各々、Ｘ軸に対して所定角度（本実施の形態では（（π／４）＋θ）度）傾いて配設されている。角度θは第１、第２光偏向素子１０８、１０９がＸ軸に対してなす角である。
【００２３】
第３光偏向素子１０７の頂点が光軸１３０（即ちＹ軸）上に位置するように配設されている。ｆは受光レンズ１０６の焦点距離である。ｄは、受光レンズ１０６と第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子との間のＹ軸方向の距離（具体的には、受光レンズ１０６の中心（座標原点Ｏ）から、第１、第２光偏向素子１０８、１０９と第３光偏向素子１０７の受光レンズ１０６側端部までのＹ軸方向の距離）である。ηは、受光レンズ１０６と第１、第２光偏向素子間のＸ軸方向の距離（具体的には、受光レンズ１０６の中心から、第１、第２光偏向素子１０８、１０９の受光レンズ１０６側端部までのＸ軸方向の距離）である。距離ξは測定値であり、測定対象１２０で反射した測定用光が第１光偏向素子１０８、第３光偏向素子１０７を介して光検出素子１０５によって検出された位置を示す距離（前記検出された位置と光軸１３０との距離）である。
【００２４】
距離ζも測定値であり、測定対象１２０で反射した測定用光が第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７を介して光検出素子１０５によって検出された位置を示す距離（前記検出された位置と光軸１３０との距離）である。第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５は予め所定の関係を有するように定めた所定位置に配設されており、したがって、距離ｄ、ｆ、η、角度θは既知の値である。
図５は、図３におけるＺ−Ｙ平面においてＺ−Ｙ座標を算出する際の説明図で、光学式測定システムの一部の構成要素を示している。
【００２５】
以下、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの動作を説明する。
先ず、図１において、光検出部１００、測定対象１２０、光源部１０１を取り付けた駆動部１０４を設置する。この場合、光検出部１００は測定対象１２０で反射した測定用光を受光することが可能な位置であれば、光源部１０１に対して任意の位置に配置できる。また、光源部１０１は、測定対象の測定対象位置を測定用光で照射することが可能な位置であれば、光検出部１００と測定対象１２０に対して任意の位置に配置できる。
【００２６】
このように、光検出部１００、測定対象１２０及び光源部１０１を配置した状態で、光源部１０１から出力される測定用光によって測定対象１２０の測定点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を照射し、測定対象１２０で反射した前記測定用光を光検出部１００によって検出する。演算部１１５は、光検出部１１０が検出した測定用光に対応する電気信号を受信して、下記式を用いて、測定点Ｐの位置を算出する。
【００２７】
先ず、第１経路（測定対象Ｐから、第１光偏光素子１０８、第３光偏光素子１０７を経由して光検出素子１０５に至る経路）を通って光検出素子１０５の第１の半分領域１０５−１（図４において光軸１３０の左側半分の領域１０５−１）によって検出される測定用光については、光軸１３０をＸ座標軸として、以下の式が成立する。尚、第１経路を通る測定用光は、測定対象Ｐから、直線Ｙ5、直線Ｙ4（第１光偏光素子１０８の光反射面１１１上の直線）上の点、直線Ｙ3、直線Ｙ2（第２光偏光素子１０７の光反射面１１０上の直線）上の点、直線Ｙ1）を経由して光検出素子１０５上の検出位置（光軸１３０をＸ座標軸とするＸ座標ξ）に到達する。
【００２８】
Ｙ1＝ｍ1・Ｘ＋ａ1
Ｙ2＝ｍ2・Ｘ＋ａ2
Ｙ3＝ｍ3・Ｘ＋ａ3
Ｙ4＝ｍ4・Ｘ＋ａ4
Ｙ5＝ｍ5・Ｘ＋ａ5
【００２９】
但し、直線Ｙ1〜Ｙ5、係数ｍ1〜ｍ5、数値ａ1〜ａ5は次式によって表される。
ｍ1＝ｆ／ξ
ｍ2＝１
ａ1＝０
ａ2＝ｄ
ｃｏｓα1＝（１＋ｍ1・ｍ2）／√（（１＋ｍ1２）・（１＋ｍ2２））
＝（１＋ｍ2・ｍ3）／√（（１＋ｍ2２）・（１＋ｍ3２））
ｍ3＝（ｍ2／（ｍ2２−Ａ２））・（−１±（Ａ／ｍ2）・√（１＋ｍ2２−Ａ２））
Ａ＝（１＋ｍ1・ｍ2）／√（１＋ｍ1２）
ａ3＝（１−（√２）・ξ・ｓｉｎα1／（（ｆ−ξ）・ｓｉｎ（π／４＋α1）））・ｄ
ｍ4＝ｔａｎ−１（π／４＋θ）
ａ4＝ｄ−η
ｃｏｓβ1＝（１＋ｍ3・ｍ4）／√（（１＋ｍ3２）・（１＋ｍ4２））
＝（１＋ｍ4・ｍ5）／√（（１＋ｍ4２）・（１＋ｍ5２））
ｍ5＝（ｍ4／（ｍ4２−Ｂ２））・（−１±（Ｂ／ｍ4）・√（１＋ｍ4２−Ｂ２））
Ｂ＝（１＋ｍ3・ｍ4）／√（１＋ｍ3２）
直線Ｙ3と直線Ｙ4の交点の座標を（Ｘ34，Ｙ34）とすると、
Ｘ34＝（ａ3−ａ4）／（ｍ4−ｍ3）
Ｙ34＝ｍ4・（ａ3−ａ4）／（ｍ4−ｍ3）＋ａ4
となる。点（Ｘ34，Ｙ34）を通る直線Ｙ5の式より、ａ5は次式で求められる。
ａ5＝Ｙ34−ｍ5・Ｘ34
【００３０】
次に、第２経路（測定対象Ｐから、第２光偏光素子１０９、第３光偏光素子１０７を経由して光検出素子１０５に至る経路）を通って光検出素子１０５の第２の半分領域１０５−２（図４において光軸１３０の右側半分の領域１０５−２）によって検出される測定用光については、光軸１３０をＸ座標軸として、前記第１経路を通る測定用光と同様にして以下の式が成立する。
即ち、第２経路を通る測定用光は、測定対象Ｐから、直線Ｙ50、直線Ｙ4（第１光偏光素子１０９の光反射面１１２上の直線）上の点、直線Ｙ30、直線Ｙ2（第２光偏光素子１０７の光反射面１１０上の直線）上の点、直線Ｙ10）を経由して光検出素子１０５上の検出位置（光軸１３０をＸ座標軸とするＸ座標ζ）に到達し、次の式が成立する。
【００３１】
Ｙ10＝ｍ10・Ｘ＋ａ10
Ｙ2＝ｍ2・Ｘ＋ａ2
Ｙ30＝ｍ30・Ｘ＋ａ30
Ｙ4＝ｍ4・Ｘ＋ａ4
Ｙ50＝ｍ50・Ｘ＋ａ50
【００３２】
但し、直線Ｙ10、Ｙ2、Ｙ30、Ｙ4、Ｙ50、係数ｍ10、ｍ2、ｍ30、ｍ4、ｍ50、数値ａ10、ａ2、ａ30、ａ4、ａ50は前記同様にして幾何学的に算出され、各々、次式によって表される。
ｍ10＝ｆ／ζ
ｍ2＝１
ａ10＝０
ａ2＝ｄ
ｃｏｓα2＝（１＋ｍ10・ｍ2）／√（（１＋ｍ10２）・（１＋ｍ2２））
＝（１＋ｍ2・ｍ30）／√（（１＋ｍ2２）・（１＋ｍ30２））
ｍ30＝（ｍ2／（ｍ2２−Ｃ２））・（−１±（Ｃ／ｍ2）・√（１＋ｍ2２−Ｃ２））
Ｃ＝（１＋ｍ10・ｍ2）／√（１＋ｍ10２）
ａ30＝（１−（√２）・ζ・ｓｉｎα2／（（ｆ−ζ）・ｓｉｎ（π／４＋α2）））・ｄ
ｍ4＝ｔａｎ−１（π／４＋θ）
ａ4＝ｄ−η
ｃｏｓβ2＝（１＋ｍ30・ｍ4）／√（（１＋ｍ30２）・（１＋ｍ4２））
＝（１＋ｍ4・ｍ50）／√（（１＋ｍ4２）・（１＋ｍ50２））
ｍ50＝（ｍ4／（ｍ4２−Ｄ２））・（−１±（Ｄ／ｍ4）・√（１＋ｍ4２−Ｄ２））
Ｄ＝（１＋ｍ30・ｍ4）／√（１＋ｍ30２）
直線Ｙ30と直線Ｙ4の交点の座標を（Ｘ304，Ｙ304）とすると、
Ｘ304＝（ａ30−ａ4）／（ｍ4−ｍ30）
Ｙ304＝ｍ4・（ａ30−ａ4）／（ｍ4−ｍ30）＋ａ4
となる。点（Ｘ304，Ｙ304）を通る直線Ｙ50の式より、ａ50は次式で求められる。
ａ50＝Ｙ304−ｍ50・Ｘ304
【００３３】
直線Ｙ5と直線Ｙ50の交点（Ｘ，Ｙ）が求める点ＰのＸ座標、Ｙ座標となる。点ＰのＸ−Ｙ座標（Ｘ，Ｙ）は、前記の如くして得られたａ5、ａ50、ｍ5、ｍ50を用いて、下記式のように表される。
【数１】
【００３４】
一方、図５において、点Ｐ2のＹ座標をＰ2y、点Ｐ1のＹ軸座標をＰ1yとすると、
Ｐ2y＝Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3
Ｐ1y＝ｆ・（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）／√（ｆ２＋ξ２）
となる。
したがって、点ＰのＺ座標Ｚ0は、図５において幾何学的に算出することによって得られ、次式で表される。
Ｚ0＝ψ・（Ｓ1＋Ｓ2＋Ｓ3）／ｆ
【００３５】
但し、図３に示すように、原点（受光レンズ１０６の中心）から、測定用光と第２光偏向素子１０７の光反射面１１０との交点をＸＹ平面へ投影した点までの距離をＳ1とする。測定用光と第２光偏向素子１０７の光反射面１１０との交点をＸＹ平面へ投影した点から、測定用光と第１光偏向素子１０８の光反射面１１１との交点をＸＹ平面へ投影した点までの距離をＳ2とする。測定点ＰをＸＹ座標に投影した点Ｐ1から距離Ｓ1、Ｓ2を差し引いた距離をＳ3とする。また、距離ψは、光軸１３０をＺ座標軸とする光検出素子１０５上の検出位置である。
【００３６】
このようにして、演算部１１５は、三角測距法を用いて、複数（本実施の形態では２つ）の経路を介して光検出素子１０５へ入射する測定対象１２０上の点Ｐ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）のＸＹＺ座標が得られる。測定可能な領域の複数の点について前記測定処理を行うことにより、測定対象１２０の形状や所定位置を基準とする測定対象１２０上の所定点の位置等の測定対象１２０についての長さに関する情報を測定することができる。
【００３７】
以上述べたように、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムは、測定対象１２０に測定用光を照射する光源部１０１と、光源部１０１とは位置関係が無関係に配置され、測定対象１２０で反射し第１、第２の経路を介して入射する測定用光を検出する光検出部１００と、前記第１、第２の経路を介して検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０についての長さに関する情報を算出する演算装置１１５とを備えた光学式測定システムにおいて、光検出部１００は、光源部１０１とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知であると共に前記第１、第２経路に配設され、測定対象１２０で反射し前記第１、第２経路を通る測定用光を各々偏向する第１、第２光偏向部１０８、１０９と、第１、第２光偏向部１０８、１０９からの測定用光を検出する１つの光検出素子１０５とを有して成り、演算装置１１５は、測定対象１２０で反射した測定用光が第１、第２光偏向部１０８、１０９の双方を経由して光検出素子１０５へ入射した測定対象１２０上の点について、第１、第２光偏向部１０８、１０９を介して光検出素子１０５が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって測定対象１２０についての長さに関する情報を算出するように構成している。
【００３８】
このように、本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムは、１つの光検出素子１０５を用いて、複数の経路を介して光検出素子１０５へ入射する測定対象１２０上の点Ｐについて、長さに関する情報を得るようにしているため、複数の光検出部を用いた場合のように同期をとる必要が無く、高速で高精度な測定を行うことが可能になる。また構成が簡単になるため廉価に構成することが可能になる。
【００３９】
また、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５を予め既知の位置関係に配設しておけば足りるため、調整要素が少ないという効果を奏する。したがって、高生産性に対応することが可能である。また、小型で軽量に構成することが可能になる。また、消費電力を低減することが可能になる。
また、光源部１０１と光検出部１００との位置関係を任意に設定できるため、これらの位置関係による測定制約が生じず、多様な測定に対応することが可能になる。
また、反射ミラーやプリズム等の光偏向素子を用いて測定用光を偏向しているため、簡単な構成で測定用光を偏向することが可能になり又、小型化が可能になる。
【００４０】
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定システムの光検出部を示す図である。
図６に示すように、第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子１０７に対する、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５の位置を変えることが可変に構成されており、これによって、測定可能な領域や測定分解能の少なくとも一方を可変することができる。
【００４１】
即ち、図６に示すように、第１、第２光偏向素子１０８、１０９及び第３光偏向素子１０７から、受光レンズ１０６及び光検出素子１０５を遠ざけた位置に移動制御することにより、前記第１の実施の形態に比べて、測定可能な領域（ハッチングを付した領域）が光検出素子１０５に近い領域となっている。
第１、第２光偏向素子１０８、１０９、第３光偏向素子１０７、光検出素子１０５の中の少なくとも２つを相対的に移動制御する手段を設けることにより、測定可能領域を変更し、測定可能領域内における測定分解能を向上させる等、測定可能範囲や測定分解能の少なくとも一方を可変することが可能になる。
【００４２】
即ち、第１光偏向素子１０８、第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７及び光検出素子１０５の中の少なくとも２つの相対的な位置関係が可変であるように構成することにより、測定可能領域と測定分解能の少なくとも一方を変えることができる。
また、第１、第２光偏向素子１０８、１０９、光検出素子１０５間の位置の変更は駆動機構等の位置制御手段を設けることによって自動制御で行うようにしてもよく又、手動操作によって行うようにしてもよい。
【００４３】
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定システムの光検出部を示す図である。
本第３の実施の形態では、光検出素子１０５に対応して配設した受光レンズ１０６は使用せずに、第１光偏向素子１０８の測定対象側に第１受光レンズ７０１を対応付けて設けると共に、第２光偏向素子１０９の測定対象側に第２受光レンズ７０２を対応付けて設けるように構成した例である。
【００４４】
ここで、第１光偏向素子１０８、第３光偏向素子１０７及び受光レンズ７０１は第１光偏向部を構成し、第２光偏向素子１０９、第３光偏向素子１０７及び受光レンズ７０１は第２光偏向部を構成している。尚、第３光偏向素子１０７は、第１光偏向部と第２光偏向部の双方に兼用されている。第３偏向素子１０７は、第１光偏向部では第３光偏向素子として、第２光偏向部では第４光偏向素子として用いられるものであるが、ここでは第３光偏向素子と称して統一して使用する。
係る構成により、測定対象１２０で反射した測定用光を良好に集光して検出することが可能になり、測定精度が向上する。
【００４５】
前記各実施の形態に係る光学式測定システムは、自動車用トランスミッションの形状測定をはじめとする非接触三次元測定装置、自動車等の製造ラインにおける形状測定センサ、ロボット等の視覚センサ等に利用可能である。また、種々の凹凸面や穴端部を有する測定対象物の３次元形状、所定位置から測定対象物までの距離、所定位置を基準とする測定対象物の座標等、測定対象の長さに関する情報を光学的に測定する光学式測定システムに利用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
自動車用トランスミッションの形状測定をはじめとする非接触三次元測定装置、自動車等の製造ラインにおける形状測定センサ、ロボット等の視覚センサをはじめとして、種々の凹凸面や穴端部を有する測定対象物の３次元形状、所定位置から測定対象物までの距離、所定位置を基準とする測定対象物の座標等、測定対象の長さに関する情報を光学的に測定する光学式測定システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの構成図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る光学式測定システムの説明図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る光学式測定システムの部分構成図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る光学式測定システムの部分構成図である。
【図８】従来の光学式測定システムの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１００・・・光検出部
１０１・・・光源部
１０２・・・測定用光
１０３・・・測定用光
１０４・・・駆動部
１０５・・・光検出素子
１０６・・・受光レンズ
１０７・・・第３光偏向素子
１０８・・・第１光偏向素子
１０９・・・第２光偏向素子
１１０、１１１、１１２・・・光反射面
１１３・・・支持体
１１４・・・電気ケーブル
１１５・・・演算装置
１２０、８０８・・・測定対象
１３０・・・光軸
７０１・・・第１受光レンズ
７０２・・・第２受光レンズ
８０１・・・光源部
８０２・・・第１光検出部
８０３・・・受光レンズ
８０４・・・検出素子
８０５・・・第２光検出部
８０６・・・受光レンズ
８０７・・・光検出素子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象に測定用光を照射する光源部と、前記光源部とは位置関係が無関係に配置され、前記測定対象で反射し第１、第２の経路を介して入射する前記測定用光を検出する光検出手段と、前記第１、第２の経路を介して検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出する演算手段とを備えた光学式測定システムにおいて、
前記光検出手段は、前記光源部とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知であると共に前記第１、第２経路に配設され、前記測定対象で反射し前記第１、第２経路を通る測定用光を各々偏向する第１、第２光偏向部と、前記第１、第２光偏向部からの測定用光を検出する１つの光検出素子とを有して成り、
前記演算手段は、前記測定対象で反射した測定用光が前記第１、第２光偏向部の双方を経由して前記光検出素子へ入射した前記測定対象上の点について、前記第１、第２光偏向部を介して前記光検出素子が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出することを特徴とする光学式測定システム。
【請求項２】
前記第１光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第１光偏向素子と、前記第１偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第３光偏向素子を有し、
前記第２光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第２光偏向素子と、前記第２光偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第４光偏向素子を有し、
前記第３、第４光偏向素子は１つの光偏向素子を兼用して成ることを特徴とする請求項１記載の光学式測定システム。
【請求項３】
前記第１光偏向素子、第２光偏向素子、第３光偏向素子及び光検出素子の中の少なくとも２つの相対的な位置関係が可変であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定システム。
【請求項４】
前記第１、第２光偏向素子に対応して設けられると共に前記測定対象で反射した測定用光を集光して前記第１、第２光偏向素子に向けて出力する第１、第２受光レンズを備えて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定システム。
【請求項１】
測定対象に測定用光を照射する光源部と、前記光源部とは位置関係が無関係に配置され、前記測定対象で反射し第１、第２の経路を介して入射する前記測定用光を検出する光検出手段と、前記第１、第２の経路を介して検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出する演算手段とを備えた光学式測定システムにおいて、
前記光検出手段は、前記光源部とは位置関係が無関係であるが相互の位置関係が既知であると共に前記第１、第２経路に配設され、前記測定対象で反射し前記第１、第２経路を通る測定用光を各々偏向する第１、第２光偏向部と、前記第１、第２光偏向部からの測定用光を検出する１つの光検出素子とを有して成り、
前記演算手段は、前記測定対象で反射した測定用光が前記第１、第２光偏向部の双方を経由して前記光検出素子へ入射した前記測定対象上の点について、前記第１、第２光偏向部を介して前記光検出素子が検出した測定用光に基づいて三角測距法によって前記測定対象についての長さに関する情報を算出することを特徴とする光学式測定システム。
【請求項２】
前記第１光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第１光偏向素子と、前記第１偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第３光偏向素子を有し、
前記第２光偏向部は前記測定対象からの測定用光を偏向する第２光偏向素子と、前記第２光偏向素子からの測定用光を前記光検出素子側へ偏向する第４光偏向素子を有し、
前記第３、第４光偏向素子は１つの光偏向素子を兼用して成ることを特徴とする請求項１記載の光学式測定システム。
【請求項３】
前記第１光偏向素子、第２光偏向素子、第３光偏向素子及び光検出素子の中の少なくとも２つの相対的な位置関係が可変であることを特徴とする請求項１又は２記載の光学式測定システム。
【請求項４】
前記第１、第２光偏向素子に対応して設けられると共に前記測定対象で反射した測定用光を集光して前記第１、第２光偏向素子に向けて出力する第１、第２受光レンズを備えて成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の光学式測定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１４４４７（Ｐ２０１０−１４４４７Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７２７１９（Ｐ２００８−１７２７１９）
【出願日】平成２０年７月１日（２００８．７．１）
【出願人】（３９１０３００７７）株式会社ソアテック (30)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１日（２００８．７．１）
【出願人】（３９１０３００７７）株式会社ソアテック (30)
【Ｆターム（参考）】
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