光学式測定装置
【課題】プローブのより先端側にて穴の内径を測定することができる光学式測定装置を提供する。
【解決手段】ワーク等の被測定物に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置の構成に関し、この光学式測定装置は、被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する照射部１９と、前記内壁面で反射された散乱光をプローブ１５の内部に導入させるための導入部２０と、この導入部２０に導入された前記散乱光を受光する受光部２１とを備えてなる非接触式のプローブとを備えている。また、プローブ１５が穴の内部に挿入された状態で、受光部２１を構成する受光素子２７上における前記散乱光の受光位置に基づいて、内壁面の反射位置を円周に含む仮想円を算出する演算手段とを備えている。そして、プローブ１５内において、照射部１９を、導入部２０及び受光部２１よりも先端側に配置した。
【解決手段】ワーク等の被測定物に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置の構成に関し、この光学式測定装置は、被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する照射部１９と、前記内壁面で反射された散乱光をプローブ１５の内部に導入させるための導入部２０と、この導入部２０に導入された前記散乱光を受光する受光部２１とを備えてなる非接触式のプローブとを備えている。また、プローブ１５が穴の内部に挿入された状態で、受光部２１を構成する受光素子２７上における前記散乱光の受光位置に基づいて、内壁面の反射位置を円周に含む仮想円を算出する演算手段とを備えている。そして、プローブ１５内において、照射部１９を、導入部２０及び受光部２１よりも先端側に配置した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリンダブロック等の鋳物類や、種々の機械加工品等に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、穴の内径を測定する光学式測定装置として散乱光を用いた非接触式のプローブを有する光学式測定装置がある（特許文献１）。この光学式測定装置は、プローブの基体の内部に発光ダイオードと、穴内壁面で反射した散乱光を透過させるピンホールと、この散乱光を受光する一次元位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＝ＰＳＤ）とが収容されている。そして、このＰＳＤ上における散乱光の受光位置に基づいて仮想円を求めることで穴の内径や傾きを算出することができる。
【特許文献１】特開２００７−２４６４６号公報
【特許文献２】特開平７−２６０４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に示した光学式測定装置のプローブでは、プローブの先端にＰＳＤが配置され、このＰＳＤより基端側に発光ダイオードが配置されている。穴の内径が測定される対象箇所はプローブの軸線に直交し、発光ダイオードが位置する平面上であるため、かかる構成では、プローブの先端における穴の内径を測定することはできない。
【０００４】
また、上記特許文献２に示した内側測定装置のケーシングでは、プローブの先端に反射光をプローブ内に導入させる導入部のレンズ及び反射用の平面鏡が配置されているため、同様にケーシング先端における穴の内径を測定することができない。
【０００５】
上記事情に鑑みて、本発明は、プローブのより先端側にて穴の内径を測定することができる光学式測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被測定物に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置であって、前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する照射部と、前記内壁面で反射された散乱光をプローブ内部に導入させるための導入部と、当該導入部に導入された前記散乱光を受光する受光部とを備えてなる非接触式のプローブと、前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光部上における前記散乱光の受光位置に基づき、内壁面の反射位置を円周に含む仮想円を算出する演算手段とを備え、前記照射部を導入部及び受光部よりもプローブの先端側に配置したことを特徴とする光学式測定装置を要旨とする。
【０００７】
照射部が、導入部及び受光部よりもプローブの先端側に配置されているため、穴の内壁面に向けて基本光を照射する際に、プローブのより先端側から照射することができる。
また、請求項２に記載の発明は、前記照射部は、プローブの軸線と直交する方向に基本光を照射するものであり、前記受光部はプローブの軸線と直交する受光面を有する受光素子を備えている請求項１に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより受光部の受光位置に基づく穴の内径の測定が容易となる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記照射部から照射される基本光の経路上には、同経路上に光軸を有する凸レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより照射部から照射された基本光が拡散する性質のものであっても比較的集光された状態で穴の内壁面に到達する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記照射部はプローブの軸線を中心として周方向に等間隔で３組設置されており、前記凸レンズはその中心がプローブの軸線と交差する位置に配置されたボールレンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより、プローブの位置を固定させたままでも同箇所における穴の内径を測定することができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記照射部は、プローブの軸線方向に配置され、発光部にて発光された光を伝送する光ファイバーを備えており、その先端は光ファイバーの軸線方向に対して４５度の傾斜面に形成され、伝送する光を前記軸線方向に対して直交する方向に射出することを特徴とする請求項１乃至４に記載の光学式測定装置を要旨とする。これの傾斜面により光をプローブの軸線方向に配置された光ファイバーからプローブの軸線方向に直交する方向に光を照射することができる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、前記受光部は、光透過性スクリーンと、光透過性スクリーンに対してプローブの軸線方向に離間して配置された受光素子と、前記光透過性スクリーンと受光素子と間に配置された散乱光伝達手段を備え、前記光透過性スクリーンを透過した前記任散乱光は、光伝達手段を介して前記受光素子上に受光するものである請求項１〜５のいずれかに記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより受光素子をプローブ先端から離間させて配置することができる。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、前記受光素子は、プローブ基端側のうち穴内部に挿入されない非挿入部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより、受光素子を穴内部に挿入する部分に配置する必要がない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プローブのより先端側にて穴の内径を測定することができる光学式測定装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の実施形態
以下、本発明を具体化した光学測定装置の第１の実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の光学式測定装置１０は、基台１１と、同基台１１に軸支されてなるアーム部１２とを備えており、アーム部１２は、複数（本実施形態では３つ）のアーム部材１３が互いに回動自在に軸支されてなるものである。これら複数のアーム部材１３のうち最も先端側に配設されたアーム部材１３は先端にハウジング１４を含み被測定物５０の穴５１内に挿入される部分を有する非接触式プローブ（以下、単にプローブという）１５が設置されている（図２参照）。また、光学式測定装置１０は制御手段及び演算手段としてのコンピュータとコンピュータに電気的に接続されプローブ１５を３次元方向に移動また軸周りに回転させる駆動手段としてのモータを備えている（いずれも図示略）。そして、プローブ１５を、シリンダブロック等の被測定物５０に形成された穴５１（シリンダ）の内部において所定方向へ移動させることで、その穴の内部形状（本実施形態では、穴５１の内径、傾斜角度）を測定することができる。
【００１６】
ハウジング１４の先端面にはハウジング１４内外を連通する円形の開口１４ａが形成されている。この開口１４ａの周囲には円筒形状の装着フランジ１４ｂが形成されている。また、ハウジング１４内部にはレーザダイオード及びコンデンサレンズを備えた発光部としての発光ユニット６０が３組設置されている（図３では１組のみ図示）。この発光ユニット６０は図示しないコンピュータに電気的に接続されており、同コンピュータからの制御により発光を行う。
【００１７】
プローブ１５のうちのハウジング１４は穴５１の内部に挿入されない非挿入部であり、このハウジング１４には穴５１の内部に挿入される外筒１６、及び外筒１６内の先端に収納された測定ユニット１７とが取着されている。外筒１６は金属材料により中空円筒状に形成されており、この外筒１６がプローブ１５のうち被測定物５０に形成された穴５１の内部に挿入される挿入部となる。外筒１６の基端部（図３中右側）は開口されており、この基端部がハウジング１４に形成された装着フランジ１４ｂに外嵌されて固定されている。また、外筒１６の先端は閉塞されて蓋部１６ａとなっており、この蓋部１６ａから基端部寄りの外筒１６の外周面上には外筒の軸線方向に延びる矩形窓１６ｂが形成されている。この矩形窓１６ｂは外筒１６の外周面上に周方向に等間隔（１２０度間隔）で３箇所形成されている。
【００１８】
なお、プローブ１５、特に外筒１６部分の横断面における中心をプローブ１５の軸心ｇ（図４参照）、同様にこの軸心ｇを通り外筒１６の軸方向に延びる線をプローブ１５の軸線ｈ、軸線ｈの延びる方向（外筒１６の延伸方向）をプローブ１５の軸線方向という。
【００１９】
本実施形態では、プローブ１５の外筒１６内に３組の測定ユニット１７（第１測定ユニット１７ａ、第２測定ユニット１７ｂ、第３測定ユニット１７ｃ）が配置されており、それぞれの測定ユニット１７はいずれも測定ユニット用アダプタ１８に配置されている。各測定ユニット１７は、照射部１９、導入部２０及び受光部２１を有している。このうち、照射部１９は光ファイバー２２、導光管２３、ボールレンズ２４により構成され、導入部２０は反射光導入孔２５、結像レンズ２６により構成され、受光部２１は受光素子２７から構成される。
【００２０】
これら測定ユニット１７を構成する各部材のうち、光ファイバー２２、導光管２３、反射光導入孔２５、結像レンズ２６は各測定ユニット１７が独立して個々に有する構成である。一方、ボールレンズ２４及び受光素子２７は全測定ユニット１７ａ〜１７ｃにて共用しているため、プローブ１５に配置される測定ユニット１７の数（３組）にかかわらず１つずつしか備えていない。各測定ユニット１７ａ〜１７ｃはそれぞれプローブ１５の軸線ｈを中心として周方向に等角度間隔（１２０度間隔）となるように測定ユニット用アダプタ１８に配置されている。
【００２１】
測定ユニット用アダプタ１８は、略円柱形に形成され、外筒１６内に挿入可能な大きさを有している。測定ユニット用アダプタ１８が外筒１６に内嵌された状態ではその先端は外筒１６の蓋部１６ａ内面に当接している。測定ユニット用アダプタ１８の先端面にはプローブの軸心ｇを中心とした円形の収容孔２８がプローブ１５の軸線方向に向けて穿設されている。この収容孔２８は直径と深さが略同一に形成されている。収容孔２８内には、ボールレンズ２４が外筒１６の蓋部１６ａ内面と収容孔２８の底面とに当接されて移動不能に配置されている。このボールレンズ２４は球状に形成された凸レンズであり、その光軸がプローブ１５の軸線ｈに直交する仮想線ｋ上に位置するように配置されている。なお、このボールレンズ２４は球状であるため、その光軸はプローブ１５の軸線ｈに直交し、同軸線ｈを中心とする３６０度の範囲に亘る平面として存在する。
【００２２】
測定ユニット用アダプタ１８には導光管２３が３本形成されている。各導光管２３は測定ユニット用アダプタ１８内を貫通する断面円形の穴であり、各導光管２３の軸線は前記ボールレンズ２４の光軸と一致する。各導光管２３の一部分は収容孔２８内を通過している。
【００２３】
また、各導光管２３の両端部は測定ユニット用アダプタ１８の外周面に開口している。３本の導光管２３はプローブ１５の軸心ｇを中心として周方向に１２０度ずつ角度を異ならせて形成されている。各導光管２３のうち一方の端部は、穴の径が一定のまま測定ユニット用アダプタ１８の外周面に開口しており、測定ユニット用アダプタ１８の外周面にはこの開口を始点としてプローブ１５の軸線方向の基端側へ向かうコ字状の案内溝２９が形成されている。また、導光管２３の他方の端部は、測定ユニット用アダプタ１８の外周面に到達する直前に穴の径が小さくなったアパーチャ（ピンホール）３０が形成されており、導光管２３はこのアパーチャ３０を介して外周面に開口している。したがって、測定ユニット用アダプタ１８の外周面には周方向に６０度間隔にて案内溝２９とアパーチャ３０が交互に形成されていることとなる（図４）。
【００２４】
測定ユニット用アダプタ１８の外周面に形成された３箇所の案内溝２９にはプローブ１５の基端側から延びる光ファイバー２２が収容されている。光ファイバー２２は、中心のコア層２２ａとコア層２２ａの外周を覆うクラッド層２２ｂとから構成されている（図示略）。光ファイバー２２の基端はアーム部材１３の発光ユニット６０に連結されており、この発光ユニット６０にて発光された光が光ファイバー２２のコア層２２ａ内を通ってプローブ１５の先端側へと伝送される。一方、光ファイバー２２の先端はその軸線方向に対して斜め４５度にカットされた傾斜面となっており、光学的な全反射を利用した反射面３１が形成されている。光ファイバー２２の反射面３１は、その反射面が導光管２３の開口に臨み、かつボールレンズ２４の光軸上に位置するように配置されている。したがって、光ファイバー２２のコア層２２ａ内を伝送されてきた光は反射面３１によりその進行方向が９０度変更され、導光管２３内をボールレンズ２４の光軸に沿って進むこととなる。なお、ボールレンズ２４の中心点（中心）２４ａからアパーチャ３０までの長さとボールレンズ２４の中心点２４ａから反射面３１までの長さとは等しく設定されている。
【００２５】
測定ユニット用アダプタ１８において、各アパーチャ３０よりプローブ１５の軸線方向の基端側には反射光導入孔２５が形成されている。各反射光導入孔２５は測定ユニット用アダプタ１８の外周面から測定ユニット用アダプタ１８の基端部側に向けて測定ユニット用アダプタ１８内を貫通形成された断面円形の穴であり、反射光導入孔２５はプローブ１５の軸線ｈに対して傾斜して形成されている。反射光導入孔２５の基端部側開口には凸レンズである結像レンズ２６が設置されている。この結像レンズ２６はその光軸が反射光導入孔２５の軸線と一致するように配置されている。結像レンズ２６の光軸は、ボールレンズ２４の光軸とプローブ１５の軸線ｈとにそれぞれ交差している。したがって、ボールレンズ２４の光軸と結像レンズ２６の光軸とプローブ１５の軸線ｈとにより三角形が形成される。特に、ボールレンズ２４の光軸とプローブ１５の軸線ｈとは直交しているため、この三角形は直角三角形となる。
【００２６】
測定ユニット用アダプタ１８の基端部は、その軸心ｇを中心として先端部側から基端部側に向かうにつれて順次径が広くなる逆円錐状部３２が形成されており、その外周縁には周壁３３が形成されている。反射光導入孔２５は測定ユニット用アダプタ１８の基端部側においてこの逆円錐状部３２に開口している。
【００２７】
測定ユニット用アダプタ１８の基端部の周壁３３に当接して受光素子２７が配置されている。この受光素子２７は、二次元半導体位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＝ＰＳＤ）であり、光を検知する受光面３４と、受光面３４に接続されポインティングワイヤや端子ピン（図示略）を備えた基部３５とから構成されている。受光素子２７は図示しないブラケットにより測定ユニット用アダプタ１８の基端部の周壁３３端縁に当接した状態で固定されるとともに、コンピュータに電気的に接続されている（図示略）。受光素子２７は、その受光面３４がプローブ１５の軸線ｈと直交する面と平行に測定ユニット用アダプタ１８基端部の逆円錐状部３２に対向して設置されている。また、受光面３４は結像レンズ２６の中心点２６ａからプローブ１５の軸線方向において距離ｂ離間している。
【００２８】
この受光素子２７は、受光面３４上に結像した光の重心位置（受光位置）をＸ軸及びこれに直交するＹ軸上の座標（Ｘ，Ｙ）として電気信号に変換し出力することができ、このような受光素子２７は既存製品の二次元ＰＳＤを用いればよく、例えば浜松ホトニクス株式会社の型式名Ｓ７８４８−０１がある。また、受光面３４上の座標の原点（Ｘ０，Ｙ０）はプローブの軸線ｈ上に設定されており、受光面のＹ軸は仮想線ｋと平行に、かつＹ軸は第一測定ユニット１７ａにおける結像レンズ２６に近い側が正の値となるように配置している。受光面３４上の結像に基づいて受光素子２７から出力された電気信号はポインティングワイヤ及び端子ピンを経て、図示しない電気回線を通じてコンピュータに入力され原点（Ｘ０，Ｙ０）から受光位置までの距離ｓが算出される。なお、この距離ｓは受光面３４の原点（Ｘ０，Ｙ０）を中心として前記結像レンズ２６側にて結像される場合には正の値（＋）として算出され、結像レンズ２６の反対側にて結像される場合には負の値（−）として算出される。
【００２９】
このように受光素子２７は、受光面３４上にて結像した光の重心位置の座標を電気信号として出力するものであるため、拡散した光として結像されると座標の特定に誤差が生じやすくなる。したがって、受光素子２７上に結像される光はその面積が小さいことが好ましく、そのためには結像レンズ２６として受光素子２７上に焦点が合わせられている焦点距離を有するものを用いることが好ましい。具体的には、焦点距離ｆは、１／ｆ＝１／ａ′＋１／ｂ′（ａ′は反射位置５２ａから結像レンズ２６の中心点２６ａまでの距離、ｂ′は結像レンズ２６の中心点２６ａから受光面３４の原点３４ａまでの距離）として特定することができるため、ａ′及びｂ′の値に基づいて結像レンズ２６の焦点距離ｆを定めることができる。
【００３０】
以下、本実施形態の測定ユニット１７において、光ファイバー２２内を伝送されてきた光がプローブ１５から照射され、穴５１の内壁面５２に到達し、そこで生じた散乱光が受光素子２７上に結像されるまでの経路を図６等に基づいて説明する。なお、図６は説明の便宜上３組の測定ユニット１７ａ〜１７ｃのうち第一測定ユニット１７ａのみを図示した模式図である。一方、第二測定ユニット１７ｂ、第三測定ユニット１７ｃについても第一測定ユニット１７ａに対してプローブ１５の軸線ｈを中心として角度を１２０度ずつ異ならせて配置されているのみであって光の経路については同様であるため、その説明を省略する。
【００３１】
発光ユニット６０から光ファイバー２２内のコア層２２ａを伝送されてきた光は光ファイバー２２の先端に到達する（図３）。光ファイバー２２の先端は斜め４５度にカットされ、反射面３１が形成されているため、それまでコア層２２ａ内を伝送されてきた光は、反射面３１によりその進行方向を９０度換え、光ファイバー２２の軸線方向に対して直交する方向へと向かう。光ファイバー２２ではコア層２２ａの周囲をクラッド層２２ｂが覆っており、反射面３１によりその向きが変更された光（基本光）はクラッド層２２ｂに直交する方向に進むがその入射角度は全反射角度に比べて遙かに小さい０度付近となる。このため光学的にはクラッド層２２ｂの存在は無視することができ、基本光αはクラッド層２２ｂをそのまま通過して光ファイバー２２の外部へと出て行く。
【００３２】
この反射面３１は、導光管２３の開口に臨み、かつボールレンズ２４の光軸である仮想線ｋ上に位置するように配置されているため、反射面３１を経て光ファイバー２２を出た基本光αは導光管２３内を仮想線ｋに沿って進む。そして、基本光αの進路上に配置されているボールレンズ２４を通過することにより集束され、その状態でアパーチャ３０を通ってプローブ１５の外部に放出される。
【００３３】
なお、ボールレンズ２４は、ボールレンズ２４から射出された光線が集光する位置までの長さがボールレンズ２４の中心点２４ａとアパーチャ３０との距離よりも長くなるように設定することが好ましく、その長さは本光学測定装置の測定対象として想定する穴の平均半径が一つの目安となる。集光する位置までの長さの具体的距離として、例えばボールレンズ２４の屈折率を１．５７、直径を２ｍｍとする。そして、ボールレンズ２４の中心点２４ａと光ファイバー２２の反射面３１（反射面３１のうち光ファイバー２２を伝送されてきた光が反射され光が射出する位置）の距離、すなわちボールレンズ２４の中心点（中心）２４ａとアパーチャ３０との距離を２ｍｍとした場合、射出した光線はボールレンズ２４の中心点２４ａから３．９ｍｍの位置に集光する。
【００３４】
アパーチャ３０を通ってプローブ１５の外へ出た基本光αはボールレンズ２４の光軸である仮想線ｋ上を進み穴５１の内壁面５２に到達する。なお、基本光αが穴５１の内壁面５２に当たって反射される箇所も仮想線ｋ上にあり、この箇所を反射位置５２ａという。ここで、反射位置５２ａを含めた穴５１の内壁面５２は中ぐり加工等により形成されたものであり、その表面は肉眼では平坦に見えるものの微視的には細かな凹凸が形成されている。したがって、基本光αは反射位置５２ａにて乱反射され散乱光となる。この散乱光のうち特定の方向に向かった光（この光を「反射光β」という。）は反射光導入孔２５を通過して再度プローブ１５内部に導入され、結像レンズ２６を通って受光素子２７の受光面３４上に結像される。反射光βが結像レンズ２６を通って受光面３４上に結像される受光位置を結像点３４ｂという。
【００３５】
図６に図示している反射光βは、理解の便宜のため反射位置５２ａで反射された散乱光のうち特に結像レンズ２６の中心点２６ａを通るもののみを表しており、反射位置５２ａから結像点３４ｂまでは直線で結ばれる。つまり、受光面３４のうち反射位置５２ａと結像レンズ２６の中心点２６ａと結んで得られる線の延長上に結像点３４ｂが形成されることとなる。結像点３４ｂは反射位置５２ａと結像レンズ２６の中心点２６ａとを結んだ線上に位置することから、この結像点３４ｂは、受光面３４上であって軸線ｈを通り仮想線ｋと平行な仮想線ｍ上の何れか一点に形成される。すなわち、第一測定ユニット１７ａにあっては、プローブ１５と反射位置５２ａとの距離を異ならせた場合に受光面３４上に形成される結像点３４ｂの軌跡（以下、単に「結像点３４ｂの軌跡」という。）は受光面３４のＹ軸（Ｘ＝０）と一致する。図５では、第一測定ユニット１７ａを用いた場合の結像点３４ｂの軌跡を一点鎖線にて示している。
【００３６】
一方、図６に示す反射位置５２ａに基づいて受光面３４上に形成される結像点３４ｂのおおよその位置を図５に示しているが、仮に、反射位置５２ａが図６に示した位置よりもプローブ１５から離間した位置とすると反射光βの光軸は軸線ｈに対してより大きな角度差を持って結像レンズ２６を通ることとなる。このため、その場合の結像点３４ｂは図６に示す結像点３４ｂよりもＹ座標値が小さい箇所にて形成される（図８に二点差線にて示したプローブ１５の結像点３４ｂを参照）。
【００３７】
次に上記実施形態に係る光学式測定装置１０を用いた穴５１の傾斜角度（プローブ１５の軸線方向に対する穴の傾斜角度）θの測定手順について説明する。測定手順の概要は図７のフローチャートに示しており、コンピュータはこのフローチャートの各ステップを実行するためのデータが格納されたＲＯＭを備えている（図示略）。以下、図７のフローチャート及び図８に従って説明する。なお、穴５１の内径の測定は穴５１内の異なる２箇所の深さ位置における穴５１の内壁面５２を円周とする仮想円の方程式を得ることにより行う。
【００３８】
ステップ１（Ｓ１）
まず、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を穴５１内部の第一測定位置１０１へと移動させる（図８の実線にて示す位置）。測定対象となる穴５１は加工用データに基づいて深さ、内径等が設定されており、穴５１の形状を正確に測定するために第一測定位置１０１においてプローブ１５の軸線方向が穴５１の形成方向とほぼ平行となるようにしておく方が好ましい。なお、第一測定位置１０１は穴５１の内部であればその深さは限定されないが、穴５１の下端に近いとプローブ１５がさらに移動することができなくなる。ただし、この場合にはこの次の測定の際に上方に移動させた位置にて測定すればよい。
【００３９】
ステップ２（Ｓ２）
第一測定位置１０１へ移動した後に穴５１の形状（内径）を算出するための座標測定を行う。穴５１の内径を測定する段階では穴５１の中心および半径はいずれも判明していない。このため、第一測定位置１０１において、同位置にあるプローブ１５のうち基本光αの経路上におけるプローブの軸心ｇを座標原点（Ｘ＝０，Ｙ＝０）とした場合の、同位置における穴５１の内壁面５２の円周上の異なる３箇所の座標を測定する。なお、この場合の座標は受光面３４の座標と同じ座標が示されたマップを用いてもよいし、異なるマップを用いてもよい。測定対象となる３箇所の座標は第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ、第三測定ユニット１７ｃを順次作動させて行う。測定ユニット１７を個別に作動させるのは、受光素子２７が受光面３４にて受光した光の重心座標を出力する機能を有するため、複数の測定ユニット１７を同時に作動させると、受光素子２７には同時に３箇所に結像点３４ｂが形成されることとなる。受光素子２７はその結果として３箇所の結像点３４ｂの重心となる一点の座標を出力することになってしまうからである。
【００４０】
以下、第一測定ユニット１７ａを用いた測定方法を例に説明する。
まず、結像レンズ２６の中心点２６ａを通り、プローブ１５の軸線ｈに平行な仮想線ｎを想定する（図６）。仮想線ｋはプローブ１５の軸線ｈに直交することから、仮想線ｋは仮想線ｎに対しても直交する関係にある。穴５１の内壁面５２に到達した基本光αは反射位置５２ａにおいて散乱光として反射し、その散乱光の一部は反射光βとして結像レンズ２６を通って受光面３４上に結像する。この反射光βのうち結像レンズ２６の中心点２６ａを通る光軸を仮想線ｐとする。
【００４１】
ここで、図６において仮想線ｋと仮想線ｎとの交点を点Ｂとし仮想線ｎと受光面３４上の仮想線ｍとの交点を点Ｄとする。また基本光αの反射位置５２ａを点Ａ、結像レンズ２６の中心点２６ａを点Ｏとし、反射光βの受光面３４上の結像点３４ｂを点Ｃとすると、同一平面上に三角形ＯＡＢと三角形ＯＣＤの２つの直角三角形を形成することができる。
【００４２】
この三角形ＯＡＢと三角形ＯＣＤのそれぞれ点Ｏを頂点とする内角は対角であるため同じ角度であり、また点Ｂ、点Ｄをそれぞれ頂点とする内角はいずれも直角であるため、二組の角が等しい三角形となり、三角形ＯＡＢと三角形ＯＣＤは相似条件を満たす。また、辺ＯＢは距離ａ、辺ＯＤは距離ｂに設定されているため、相似条件により辺ＯＡの距離：辺ＯＣの距離＝距離ａ：距離ｂの関係が成立する。
【００４３】
一方、辺ＡＢは仮想線ｋの一部であるから、アパーチャ３０の表面から反射位置５２ａ（点Ａ）までの距離をＬ、軸線ｈからアパーチャ３０表面までの距離を距離ｒ、軸線ｈから結像レンズ２６の中心点２６ａ（点Ｏ）までの距離を距離ｃとすると、辺ＡＢの距離はＬ＋ｒ−ｃにて表すことができる。このうち、距離ｒ及び距離ｃは予め距離が特定されている。他方、辺ＤＣは、仮想線ｋと平行な仮想線ｍ上の一部であり、受光面３４上の軸線ｈから点Ｄまでの距離は軸線ｈから結像レンズ２６の中心点２６ａまでの距離（＝距離ｃ）に等しい。また、辺ＤＣの距離は、座標の正負を考慮した場合、軸線ｈから結像レンズ２６の中心点２６ａまでの距離ｃから、軸線ｈから点Ｃまでの距離ｓを除したものであるから、辺ＤＣの距離＝距離ｃ−距離ｓにて表すことができる。
【００４４】
そして、前記の三角形の相似条件から、Ｌ＋ｒ−ｃ：ｃ−ｓ＝ａ：ｂの関係が成り立つ。この式を展開すると、以下の式（１）となる。
【００４５】
[数１]
Ｌ＝ａ（ｃ−ｓ）／ｂ−（ｒ−ｃ）・・（１）
この式の右辺において距離ａ，距離ｂ，距離ｃ，距離ｒはいずれも距離が判明しており、距離ｓのみが変化する値である。したがって、距離ｓを求めることにより上記式を用いて距離Ｌを求めることができる。ここで、距離Ｌと距離ｓとの関係は上記式（１）にて示したように１次の直線となるから、式（１）を距離ｓで微分して得られる距離ｓの微小変化ｄｓに対する距離Ｌの微小変化ｄＬの割合、すなわち受光素子２７における検出感度は、ｄＬ／ｄｓ＝−ａ／ｂと一定となり、距離Ｌ、距離ｓに依存しない。
【００４６】
距離ｓは受光面３４上の原点３４ａから結像点３４ｂ（点Ｃ）までの距離（ただし、Ｙ座標が負の時は距離ｓは負の値）であり、結像点３４ｂ（点Ｃ）は座標（０，Ｙ１）にて特定されるため、ｓ＝Ｙ１として特定することができる。これにより求めたｓの値を上記式に代入することにより、アパーチャ３０表面から穴５１の内壁面５２である反射位置５２ａまでの距離Ｌ、さらには反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）を測定することができる。第一測定ユニット１７ａによる測定にて求められた第一測定位置１０１での反射位置５２ａの座標（Ｘ１１，Ｙ１１）は、コンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００４７】
第一測定位置１０１における仮想円である第一仮想円Ｒ１の式を求めるには異なる３箇所の座標が必要であるため、同様の手順にて第二測定ユニット１７ｂ、第三測定ユニット１７ｃを順次作動させて異なる二つの反射位置５２ａの座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求める。このうち、第二測定ユニット１７ｂは、第一測定ユニット１７ａに対して軸線ｈを中心として図４中時計回りに１２０度回転させた位置に配置されている。このため、第二測定ユニット１７ｂによる受光面３４上の結像点３４ｂの軌跡は原点３４ａを通りＹ軸に対して時計回りに１２０度傾いた直線（Ｙ＝−１／√３Ｘ）上に形成される（図５にて二点鎖線で示す）。
【００４８】
また、第三測定ユニット１７ｃは、第一測定ユニット１７ａに対して軸線ｈを中心として図４中反時計回りに１２０度回転させた位置に配置されていることから、第三測定ユニット１７ｃによる受光面３４上の結像点３４ｂの軌跡は原点３４ａを通りＹ軸に対して反時計回りに１２０度傾いた直線（Ｙ＝１／√３Ｘ）上に形成される（図５にて破線で示す）。そして、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃを用いてそれぞれ測定した受光面３４上の結像点３４ｂ（点Ｃ）の座標値（Ｘ１２，Ｘ１２）、（Ｘ１３，Ｘ１３）は、いずれも反射位置５２ａがプローブ１５に近い場合にはそのＹ座標値が小さく反射位置が離れるにしたがってＹ座標値が大きくなる。
【００４９】
したがって、第二測定ユニット１７ｂ並びに第三測定ユニット１７ｃの結像点３４ｂ（点Ｃ）の座標値に基づくそれぞれの距離ｓは、以下の式（２）又は式（３）にて求めることができる。
【００５０】
[数２]
Ｙ＞０のとき ｓ＝−√（Ｘ２＋Ｙ２）・・（２）
Ｙ≦０のとき ｓ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）・・（３）
上記の式により求められた距離ｓを式（１）に代入することにより、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃにおけるアパーチャ３０の表面から各反射位置５２ａまでの距離Ｌをそれぞれ求めることができ、更には第一測定位置１０１での各反射位置５２ａの座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求めることができる。この座標値もコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００５１】
ステップ３（Ｓ３）
上記ステップ２により求めた穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第一仮想円Ｒ１の式を算出する。まず、既に求めた３つの反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）のうち任意の２点の座標値（Ｘｉ，Ｙｉ）、（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）を、下記式（４）の円の方程式に代入する。なお、本実施形態では、穴５１の断面形状を略真円と仮定する。
【００５２】
[数３]
（Ｘ−Ｃｘ）２＋（Ｙ−Ｃｙ）２＝Ｒ２・・（４）
Ｘ，Ｙ：反射位置の座標値
Ｃｘ，Ｃｙ：円の中心
Ｒ：円の半径
そして、各座標値をそれぞれ代入した後に得られた双方の式を減算し、Ｃｘ，Ｃｙについて整理すると、下記式（５）が得られる。なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果においては、式（５）が（ｎ−１）個得られる。
【００５３】
[数４]
２（Ｘｉ＋１−Ｘｉ）Ｃｘ＋２（Ｙｉ＋１−Ｙｉ）Ｃｙ＝
Ｘｉ＋１２−Ｘｉ２＋Ｙｉ＋１２−Ｙｉ２・・（５）
ここで、式（５）を下記の式（６）〜（８）のようにおくと、
【００５４】
[数５]
Ａｉ＝２（Ｘｉ＋１−Ｘｉ）・・（６）
Ｂｉ＝２（Ｙｉ＋１−Ｙｉ）・・（７）
Ｋｉ＝Ｘｉ＋１２−Ｘｉ２＋Ｙｉ＋１２−Ｙｉ２・・（８）
（但し１≦ｉ≦ｎ−１）
上記式（５）は、下記の式（９）のように表される。
【００５５】
[数６]
ＡｉＣｘ＋ＢｉＣｙ＝Ｋｉ・・（９） （但し１≦ｉ≦ｎ−１）
なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果からは、（ｎ−１）個の式（９ａ）及び式（９ｂ）が得られる。
【００５６】
[数７]
ＡｉＣｘ＋ＢｉＣｙ＝Ｋｉ・・（９ａ）
Ａｉ＋１Ｃｘ＋Ｂｉ＋１Ｃｙ＝Ｋｉ＋１・・（９ｂ）
上記式（９ａ）と（９ｂ）の連立方程式から次式（１０）（１１）により穴の中心座標（Ｃｘ，Ｃｙ）を求めることができる。
【００５７】
[数８]
Ｃｘ＝（ＢｉＫｉ＋１−Ｂｉ＋１Ｋｉ）／（ＢｉＡｉ＋１−Ｂｉ＋１Ａｉ）・・（１０）
Ｃｙ＝（ＡｉＫｉ＋１−Ａｉ＋１Ｋｉ）／（ＡｉＢｉ＋１−Ａｉ＋１Ｂｉ）・・（１１）
但し、ｉ＝１である。これにより、第一仮想円Ｒ１の中心座標が求められる。そして、この中心座標を決定した後、下記式（１２）により各反射位置の座標値に対応したＲｉを求め、その平均値を仮想円の半径の測定値Ｒとする。
【００５８】
【数９】
【００５９】
但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎである。このようにして仮想円の半径を求めることで、穴の内径（仮想円の直径）が算出される。したがって、円周上の３箇所の異なる座標を得ることができれば上記円の方程式の３つの定数を算出することができる。算出した第一仮想円Ｒ１の式はコンピュータのＲＡＭに格納される。
【００６０】
ステップ４（Ｓ４）
ステップ４において、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を第二測定位置１０２（図８の二点差線で示す位置）へと移動させる。この第二測定位置１０２は第一測定位置１０１におけるプローブ１５をその軸線ｈ上に穴５１の深さ方向Ｆへ向けて所定距離ｔだけ移動させた位置である。
【００６１】
ステップ５（Ｓ５）
プローブ１５を第二測定位置１０２へ移動した後には同位置における穴５１の形状を測定する。この測定方法はステップ２の測定方法と同じであり、第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃを順次動作させてこの第二測定位置１０２における穴５１の内壁面５２の異なる３箇所の座標値（Ｘ２１，Ｙ２１）（Ｘ２２，Ｙ２２）（Ｘ２３，Ｙ２３）を測定する。
【００６２】
ステップ６（Ｓ６）
上記ステップ５により求めた第二測定位置１０２における穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第二仮想円Ｒ２の式を算出する。算出方法はステップ３と同じであり、算出した第二仮想円Ｒ２の式はコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００６３】
ステップ７（Ｓ７）
コンピュータは、ステップ３で求めた第一仮想円Ｒ１とステップ６で求めた第二仮想円Ｒ２の式をＲＡＭから読み出して穴５１の傾斜角度θを演算する。すなわち、プローブ１５の軸線方向に対する穴５１の傾斜角度θは第一仮想円Ｒ１の中心座標と第二仮想円Ｒ２の中心座標とを結ぶ線により求めることができる。ここで、穴５１の傾斜角度θが零で、内壁面５２がプローブ１５の軸線方向と一致する場合には、第一仮想円Ｒ１の中心座標と第二仮想円Ｒ２の中心座標とは一致するはずである。一方、第一測定位置にて求めた第一仮想円Ｒ１の中心座標に対して第二測定位置にて求めた第二仮想円Ｒ２の中心座標が一致しない場合（図８に示す状態）には、プローブ１５の軸線方向に対して穴５１が傾いていることになる。このため、第一仮想円Ｒ１の中心座標と第二仮想円Ｒ２の中心座標とプローブ１５の距離ｔとの関係から穴５１の傾斜角度θを算出することができる。
【００６４】
上記実施形態の光学式測定装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
＊ 本実施形態の光学式測定装置では各測定ユニット１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）から基本光αを穴５１の内壁面５２に対して照射することで各反射位置５２ａの座標値を求め、穴５１の内部における任意の箇所で１つの仮想円を同定することにより穴５１の内径が測定される。特に、測定ユニット１７を構成する照射部１９、導入部２０、受光部２１のうち照射部１９を導入部２０、受光部２１よりもプローブ１５の先端側に配置しているため、プローブ１５の先端に近い箇所から基本光αを照射させることができる。このため、プローブ１５の先端近くの穴５１の内径を測定することができ、穴５１の底部近くも測定することができる。
【００６５】
＊ 基本光αの経路上にボールレンズ２４の光軸が位置するよう配置しているため、光ファイバー２２から出た光（基本光α）が拡散してもボールレンズ２４を通過することにより集光された状態でプローブ１５の外部へ照射することができる。また、ボールレンズ２４は光軸がプローブ１５の軸線ｈに直交する面として存在するため、測定ユニット１７をプローブ１５の軸線ｈに対して位相を異ならせて配置しても１つのボールレンズ２４にて対応することができる。
【００６６】
＊ 光ファイバー２２の先端を軸線方向に対して斜め４５度にカットし全反射による反射面３１とし、基本光αの照射方向を光ファイバー２２の延伸方向に拘わらず目的に方向に変更している。このため、プローブ１５の先端に反射ミラー等の照射方向を変更するための別部材を設置する必要がなく、その分プローブ１５のうち穴内へ挿入させる部分である外筒１６を小型化することができる。
【００６７】
＊ プローブ１５の軸線方向に対して直交する方向に基本光を照射して散乱光を集光するため、深穴の入り口からの測定位置が固定される。また散乱光を集光しているため、加工による対象物の傾斜角に影響されない。
【００６８】
＊ ３組の測定ユニット１７（第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃ）を有しており、これらが順次動作することにより穴５１の内径を測定することができる。このため、プローブ１５を特定の測定位置にて固定した状態で同位置での穴５１の内径を測定することができ、プローブ１５を回転等させる必要がない。
【００６９】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 基本光αの収束のためにボールレンズ２４を使用したが、プローブ１５の軸線ｈと直交する平面上に光軸を有するものであればその形状を変更してもよい。例えば、ボールレンズ２４のうちレンズとして機能しない上下端をカットして図９のような形状としてもよい。これによってさらにプローブ１５の先端に近い箇所から基本光αを照射させることができる。
【００７０】
○ 上記実施形態ではレーザダイオードを備えた発光ユニット６０によりレーザ光を伝達させて基本光αとして使用していたが、レーザ以外の光でもよい。
○ 上記実施形態ではプローブ１５に測定ユニット１７を３組（第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃ）備えていたが、少なくとも１組の測定ユニット１７を備えていれば足りる。なお、穴５１の内径を測定するためには少なくとも異なる３箇所の内壁面の座標が必要となる。プローブ１５内に配置されている測定ユニット１７が２組以下のときにはプローブ１５を固定したままでは異なる２箇所の座標しか得られないため、プローブ１５を回転させて少なくとも異なる３箇所の内壁面の座標を得る必要がある。
【００７１】
○ 上記実施形態では、穴５１内においてプローブ１５の軸線方向における異なる２箇所にてそれぞれ仮想円を求めることにより穴５１の傾斜角度を算出した。これに対して、穴５１の傾斜角度ではなく穴５１内の特定箇所における内径や中心座標を求める場合には一箇所のみの測定でたりる。
【００７２】
○ 微細加工が必要な光ファイバー２２の先端に形成する反射面３１に変えて光ファイバー２２の先端に別体の反射ミラーを設けてもよい。反射ミラーを設けることにより部品数の増加、大径化の要因となるが、小径化の必要がないプローブ１５に対しては有効となる。
【００７３】
○ プローブ１５の挿入部の径は基端から同一でなくてもよい。例えば受光素子の配置箇所より先端側をより小径にすることもできる。これにより、プローブ１５の先端がより小径化され、先端が穴５１の内壁面５２に接触しにくくなる。
【００７４】
第２の実施形態
次に、本発明を具体化した光学式測定装置１０の第２の実施形態を図１０〜図１１にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の受光部２１の構成を変更したのみであるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。
【００７５】
第２の実施形態の光学式測定装置１０は、第１の実施形態と同様にアーム部材１３のハウジング１４を含むプローブ１５を備えている。プローブ１５内に配置される照射部１９と導入部２０の構成は第１の実施形態と同じであり、これらがプローブ１５の先端に配置された測定ユニット用アダプタ１８に組み込まれている。なお、図示しないが第２の実施形態においても測定ユニット１７はプローブ１５の軸線ｈを中心として周方向に１２０度ずつ位相を異ならせて３組（第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃ）配置されている。一方、第１の実施形態と相違しているのはこれら測定ユニット１７における受光部２１の構成である（図１０、図１１）。なお、第１の実施形態同様に測定ユニット１７の具体的説明は第一測定ユニット１７ａについてのみ行うものとする。
【００７６】
第２の実施形態では受光部２１は、透過型スクリーンであるリアスクリーン３６と、光伝達手段としてのリレーレンズ３７と、受光素子２７とから構成される。図１０にプローブ１５の断面図を示すように、外筒１６内に嵌入されている測定ユニット用アダプタ１８の周壁３３に当接してリアスクリーン３６が配置されている。このリアスクリーン３６は外筒１６内径と同径の円形に形成され、外筒１６内部を軸方向に仕切るようにプローブ１５の軸線ｈと直交する平面上に配置されている。また、リアスクリーン３６が配置されているのはプローブ１５の軸線方向において結像レンズ２６の結像点が形成される箇所であり、前記第１の実施形態における受光面３４と同一面上となる。ただし、外筒１６内に配置されている光ファイバー２２との干渉を防止するため、リアスクリーン３６の周縁のうち測定ユニット用アダプタ１８に形成されている案内溝２９に対応した位置（３箇所）にはコ字状の切り欠き３６ａが形成されている。
【００７７】
また、リアスクリーン３６の基端側には内筒３８が収容されている。この内筒３８は外筒１６より小径の円筒状に形成されており、内筒３８の基端はハウジング１４に形成された装着フランジ１４ｂに内嵌され、また先端がリアスクリーン３６に当接した状態で固定されている。したがって、外筒１６内周面と内筒３８外周面との間はハウジング１４の装着フランジ１４ｂの厚み分だけ離間している。なお、装着フランジ１４ｂには１２０度間隔で周方向の３箇所に軸方向にわたるコ字状の貫通溝３９が形成されており、これらの貫通溝３９はハウジング１４を貫通してハウジング１４内部に連通している。
【００７８】
リレーレンズ３７はプローブ１５のうちリアスクリーン３６と受光素子２７との間に装着されている。このリレーレンズ３７は凸レンズと凹レンズとを組み合わせたタブレットレンズであり、その光軸がプローブ１５の軸線と一致するように配置されており、リアスクリーン３６を透過した光を受光素子へと伝達する機能を有している。また、リレーレンズ３７は、プローブ１５の軸線方向においてリアスクリーン３６からリレーレンズ３７の中心点３７ａまでの距離と、リレーレンズ３７の中心点３７ａから受光素子２７の受光面３４までの距離は光学距離が等しくなるように配置されている。リレーレンズ３７の焦点距離は、測定対象として想定する穴の深さに見合ったプローブの必要長さにより選定する。ただし、原理上、リレーレンズ３７の焦点距離が長くなるにともなって受光素子２７の上に結像する像が暗くなる。
【００７９】
受光素子２７はプローブ１５のハウジング１４内において開口１４ａに対向して配置されている。受光素子２７はその受光面３４がプローブ１５の軸線ｈと直交する面と平行になるよう図示しないブラケットによりハウジング１４に取り付けられている。また、第１の実施形態と同様に受光面３４上の座標の原点（Ｘ０，Ｙ０）はプローブ１５の軸線ｈ上に設定されており、受光面３４のＹ軸は仮想線ｋ（図６参照）と平行となるように配置している。一方、第１の実施形態とは異なりＹ軸は第一測定ユニット１７ａにおける結像レンズ２６に近い側が負の値となるように配置しており、これによりＸ軸の正負の向きも逆となっている。なお、受光素子２７が図示しないコンピュータに電気的に接続されていることは第１の実施形態と同様である。
【００８０】
第２の実施形態では、照射部１９と導入部２０の構成は第１の実施形態と同様であるためその作用の説明は省略し、第１の実施形態と相違する受光部２１の作用について説明する。図１１に示すように照射部１９によって照射された基本光αは、穴５１の内壁面５２にて乱反射され、そのうちの一部の反射光βが反射光導入孔２５を経てプローブ１５内部に導入される。この反射光βは結像レンズ２６によって集光された状態でリアスクリーン３６上に結像するとともに、反射光βの一部がリアスクリーン３６を厚み方向に透過してリアスクリーン３６の裏面側である内筒３８内へと浸入し、リアスクリーン３６の裏面に輝点３６ｂが生ずる。
【００８１】
内筒３８内ではリアスクリーン３６と受光素子２７との間にリレーレンズ３７が配置されているため、リアスクリーン３６裏面に生じた輝点３６ｂの実像（これを結像点３４ｂという。）がリレーレンズ３７を介して受光素子２７の受光面３４上に形成される。この結像点３４ｂの位置は途中のリレーレンズ３７の作用により得られるものであることから、受光面３４上に形成される結像点３４ｂの座標はリアスクリーン３６上の輝点３６ｂの位置に対してリレーレンズ３７の光軸を中心とした点対称の位置となる。受光素子２７は第１の実施形態に対して受光面３４の原点３４ａを中心としてＹ軸の正負及びＸ軸の正負の向きが逆となるように配置しているため、受光面３４上に形成される結像点３４ｂの座標は第１の実施形態と変わらない。
【００８２】
このため、第１の実施形態と同様の測定式を利用することにより基本光αが照射した穴５１の内壁面５２の座標を求めることができ、３つの測定ユニット１７ａ〜１７ｃを順次作動させて、測定箇所における穴５１の内壁面５２の座標に基づき円の内径を求めることができる。
【００８３】
従って、第２の実施形態によれば、第１の実施形態に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
＊ 受光素子２７をプローブ１５のハウジング１４内に配置し、外筒１６内に配置していないため、挿入部である外筒１６の径が受光素子２７の大きさによる規制を受けない。したがって、外筒１６を小径化することができる。
【００８４】
＊ リアスクリーン３６と受光素子２７の間に光伝達手段としてのリレーレンズ３７を介在させているため、リアスクリーン３６の輝点３６ｂの実像となる結像点３４ｂを受光面３４上に形成することができる。
【００８５】
なお、本実施形態は第１の実施形態にて述べた変更に加え、以下の様に変更してもよい。
○ 受光素子２７は、プローブ１５のうち非挿入部であるハウジング１４内に配置したが、これに拘わらず受光素子２７をプローブ１５の外筒１６内に配置してもよい。例えば、プローブ１５の外筒１６径を小さくする必要がないときなどは受光素子２７の配置を外筒１６内（第１の実施形態）または外筒１６外（第２の実施形態）のいずれでも選択することができ、受光素子２７の配置について設計の自由度が上がる。
【００８６】
○ リレーレンズ３７として使用したタブレットレンズを非球面レンズとしてもよい。
第３の実施形態
第３の実施形態では第２の実施形態に比して、内筒３８内の構成が異なっている。第２の実施形態ではリアスクリーン３６と受光素子２７との間に光伝達手段としてタブレットレンズからなるリレーレンズ３７を配置していた。これに対して、第３の実施形態では図１２に示すように、光伝達手段として内筒３８内に先端側のタブレットレンズである第１リレーレンズ４０と基端側のタブレットレンズである第２リレーレンズ４１の２つのリレーレンズを配置している。
【００８７】
光伝達手段である第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１の配置については、リアスクリーン３６から第１リレーレンズ４０までの距離は第１リレーレンズ４０の焦点距離に等しい位置に配置され、また、第２リレーレンズ４１から受光面３４までの距離も第２リレーレンズ４１の焦点距離に等しい位置に配置されている。第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１の距離は、第１リレーレンズによりコリメートされた光線となることと、第２リレーレンズ４１と受光面３４は無限遠に設定されているため、任意に設定することができる。
【００８８】
従って、第３の実施形態によれば、第２の実施形態に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（１）第３の実施形態では、リアスクリーン３６から受光素子２７の間に第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１とを介在させている。したがって、第２の実施形態よりもリアスクリーン３６と受光素子２７との間の距離を長くしても受光素子２７上に結像点３４ｂを形成することができ、プローブ１５のうち挿入部である外筒１６の長さを長くすることができる。
【００８９】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１として使用したタブレットレンズを非球面レンズとしてもよい。
【００９０】
○ 光伝達手段として、第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１の変わりに、イメージコンジットやロッドレンズ等を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１の実施形態の光学式測定装置を示す概略図。
【図２】同光学式測定装置を示す部分拡大概略図。
【図３】プローブ内部の断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図。
【図５】受光面上の結像点の軌跡を示す模式図。
【図６】穴内部の測定方法を示す概略図。
【図７】穴内部の測定方法を示すフロー図。
【図８】穴内部の測定方法を示す説明図。
【図９】第１の実施形態の別例を示すプローブの断面図。
【図１０】第２の実施形態のプローブ内部の断面図。
【図１１】第２の実施形態の穴内部の測定方法を示す概略図。
【図１２】第３の実施形態のプローブ内部の断面図。
【符号の説明】
【００９２】
α・・基本光、β・・反射光、ｈ・・軸線、１０・・光学式測定装置、１４・・ハウジング（非挿入部）、１５・・プローブ、１６・・外筒（挿入部）１９・・照射部、２０・・導入部、２１・・受光部、２２・・光ファイバー、２４・・ボールレンズ、２６・・結像レンズ、２７・・受光素子、３０・・アパーチャ、３１・・反射面、３４・・受光面、３４ａ・・結像点、３７・・リレーレンズ（光伝達手段）、４０・・第１リレーレンズ（光伝達手段）、４１・・第２リレーレンズ（光伝達手段）、５０・・被測定物、５１・・穴、５２・・内壁面、５２ａ・・反射位置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばシリンダブロック等の鋳物類や、種々の機械加工品等に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、穴の内径を測定する光学式測定装置として散乱光を用いた非接触式のプローブを有する光学式測定装置がある（特許文献１）。この光学式測定装置は、プローブの基体の内部に発光ダイオードと、穴内壁面で反射した散乱光を透過させるピンホールと、この散乱光を受光する一次元位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＝ＰＳＤ）とが収容されている。そして、このＰＳＤ上における散乱光の受光位置に基づいて仮想円を求めることで穴の内径や傾きを算出することができる。
【特許文献１】特開２００７−２４６４６号公報
【特許文献２】特開平７−２６０４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献１に示した光学式測定装置のプローブでは、プローブの先端にＰＳＤが配置され、このＰＳＤより基端側に発光ダイオードが配置されている。穴の内径が測定される対象箇所はプローブの軸線に直交し、発光ダイオードが位置する平面上であるため、かかる構成では、プローブの先端における穴の内径を測定することはできない。
【０００４】
また、上記特許文献２に示した内側測定装置のケーシングでは、プローブの先端に反射光をプローブ内に導入させる導入部のレンズ及び反射用の平面鏡が配置されているため、同様にケーシング先端における穴の内径を測定することができない。
【０００５】
上記事情に鑑みて、本発明は、プローブのより先端側にて穴の内径を測定することができる光学式測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、被測定物に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置であって、前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する照射部と、前記内壁面で反射された散乱光をプローブ内部に導入させるための導入部と、当該導入部に導入された前記散乱光を受光する受光部とを備えてなる非接触式のプローブと、前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光部上における前記散乱光の受光位置に基づき、内壁面の反射位置を円周に含む仮想円を算出する演算手段とを備え、前記照射部を導入部及び受光部よりもプローブの先端側に配置したことを特徴とする光学式測定装置を要旨とする。
【０００７】
照射部が、導入部及び受光部よりもプローブの先端側に配置されているため、穴の内壁面に向けて基本光を照射する際に、プローブのより先端側から照射することができる。
また、請求項２に記載の発明は、前記照射部は、プローブの軸線と直交する方向に基本光を照射するものであり、前記受光部はプローブの軸線と直交する受光面を有する受光素子を備えている請求項１に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより受光部の受光位置に基づく穴の内径の測定が容易となる。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、前記照射部から照射される基本光の経路上には、同経路上に光軸を有する凸レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより照射部から照射された基本光が拡散する性質のものであっても比較的集光された状態で穴の内壁面に到達する。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、前記照射部はプローブの軸線を中心として周方向に等間隔で３組設置されており、前記凸レンズはその中心がプローブの軸線と交差する位置に配置されたボールレンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより、プローブの位置を固定させたままでも同箇所における穴の内径を測定することができる。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、前記照射部は、プローブの軸線方向に配置され、発光部にて発光された光を伝送する光ファイバーを備えており、その先端は光ファイバーの軸線方向に対して４５度の傾斜面に形成され、伝送する光を前記軸線方向に対して直交する方向に射出することを特徴とする請求項１乃至４に記載の光学式測定装置を要旨とする。これの傾斜面により光をプローブの軸線方向に配置された光ファイバーからプローブの軸線方向に直交する方向に光を照射することができる。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、前記受光部は、光透過性スクリーンと、光透過性スクリーンに対してプローブの軸線方向に離間して配置された受光素子と、前記光透過性スクリーンと受光素子と間に配置された散乱光伝達手段を備え、前記光透過性スクリーンを透過した前記任散乱光は、光伝達手段を介して前記受光素子上に受光するものである請求項１〜５のいずれかに記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより受光素子をプローブ先端から離間させて配置することができる。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、前記受光素子は、プローブ基端側のうち穴内部に挿入されない非挿入部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式測定装置を要旨とする。これにより、受光素子を穴内部に挿入する部分に配置する必要がない。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、プローブのより先端側にて穴の内径を測定することができる光学式測定装置とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の実施形態
以下、本発明を具体化した光学測定装置の第１の実施形態を図１〜図８にしたがって説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態の光学式測定装置１０は、基台１１と、同基台１１に軸支されてなるアーム部１２とを備えており、アーム部１２は、複数（本実施形態では３つ）のアーム部材１３が互いに回動自在に軸支されてなるものである。これら複数のアーム部材１３のうち最も先端側に配設されたアーム部材１３は先端にハウジング１４を含み被測定物５０の穴５１内に挿入される部分を有する非接触式プローブ（以下、単にプローブという）１５が設置されている（図２参照）。また、光学式測定装置１０は制御手段及び演算手段としてのコンピュータとコンピュータに電気的に接続されプローブ１５を３次元方向に移動また軸周りに回転させる駆動手段としてのモータを備えている（いずれも図示略）。そして、プローブ１５を、シリンダブロック等の被測定物５０に形成された穴５１（シリンダ）の内部において所定方向へ移動させることで、その穴の内部形状（本実施形態では、穴５１の内径、傾斜角度）を測定することができる。
【００１６】
ハウジング１４の先端面にはハウジング１４内外を連通する円形の開口１４ａが形成されている。この開口１４ａの周囲には円筒形状の装着フランジ１４ｂが形成されている。また、ハウジング１４内部にはレーザダイオード及びコンデンサレンズを備えた発光部としての発光ユニット６０が３組設置されている（図３では１組のみ図示）。この発光ユニット６０は図示しないコンピュータに電気的に接続されており、同コンピュータからの制御により発光を行う。
【００１７】
プローブ１５のうちのハウジング１４は穴５１の内部に挿入されない非挿入部であり、このハウジング１４には穴５１の内部に挿入される外筒１６、及び外筒１６内の先端に収納された測定ユニット１７とが取着されている。外筒１６は金属材料により中空円筒状に形成されており、この外筒１６がプローブ１５のうち被測定物５０に形成された穴５１の内部に挿入される挿入部となる。外筒１６の基端部（図３中右側）は開口されており、この基端部がハウジング１４に形成された装着フランジ１４ｂに外嵌されて固定されている。また、外筒１６の先端は閉塞されて蓋部１６ａとなっており、この蓋部１６ａから基端部寄りの外筒１６の外周面上には外筒の軸線方向に延びる矩形窓１６ｂが形成されている。この矩形窓１６ｂは外筒１６の外周面上に周方向に等間隔（１２０度間隔）で３箇所形成されている。
【００１８】
なお、プローブ１５、特に外筒１６部分の横断面における中心をプローブ１５の軸心ｇ（図４参照）、同様にこの軸心ｇを通り外筒１６の軸方向に延びる線をプローブ１５の軸線ｈ、軸線ｈの延びる方向（外筒１６の延伸方向）をプローブ１５の軸線方向という。
【００１９】
本実施形態では、プローブ１５の外筒１６内に３組の測定ユニット１７（第１測定ユニット１７ａ、第２測定ユニット１７ｂ、第３測定ユニット１７ｃ）が配置されており、それぞれの測定ユニット１７はいずれも測定ユニット用アダプタ１８に配置されている。各測定ユニット１７は、照射部１９、導入部２０及び受光部２１を有している。このうち、照射部１９は光ファイバー２２、導光管２３、ボールレンズ２４により構成され、導入部２０は反射光導入孔２５、結像レンズ２６により構成され、受光部２１は受光素子２７から構成される。
【００２０】
これら測定ユニット１７を構成する各部材のうち、光ファイバー２２、導光管２３、反射光導入孔２５、結像レンズ２６は各測定ユニット１７が独立して個々に有する構成である。一方、ボールレンズ２４及び受光素子２７は全測定ユニット１７ａ〜１７ｃにて共用しているため、プローブ１５に配置される測定ユニット１７の数（３組）にかかわらず１つずつしか備えていない。各測定ユニット１７ａ〜１７ｃはそれぞれプローブ１５の軸線ｈを中心として周方向に等角度間隔（１２０度間隔）となるように測定ユニット用アダプタ１８に配置されている。
【００２１】
測定ユニット用アダプタ１８は、略円柱形に形成され、外筒１６内に挿入可能な大きさを有している。測定ユニット用アダプタ１８が外筒１６に内嵌された状態ではその先端は外筒１６の蓋部１６ａ内面に当接している。測定ユニット用アダプタ１８の先端面にはプローブの軸心ｇを中心とした円形の収容孔２８がプローブ１５の軸線方向に向けて穿設されている。この収容孔２８は直径と深さが略同一に形成されている。収容孔２８内には、ボールレンズ２４が外筒１６の蓋部１６ａ内面と収容孔２８の底面とに当接されて移動不能に配置されている。このボールレンズ２４は球状に形成された凸レンズであり、その光軸がプローブ１５の軸線ｈに直交する仮想線ｋ上に位置するように配置されている。なお、このボールレンズ２４は球状であるため、その光軸はプローブ１５の軸線ｈに直交し、同軸線ｈを中心とする３６０度の範囲に亘る平面として存在する。
【００２２】
測定ユニット用アダプタ１８には導光管２３が３本形成されている。各導光管２３は測定ユニット用アダプタ１８内を貫通する断面円形の穴であり、各導光管２３の軸線は前記ボールレンズ２４の光軸と一致する。各導光管２３の一部分は収容孔２８内を通過している。
【００２３】
また、各導光管２３の両端部は測定ユニット用アダプタ１８の外周面に開口している。３本の導光管２３はプローブ１５の軸心ｇを中心として周方向に１２０度ずつ角度を異ならせて形成されている。各導光管２３のうち一方の端部は、穴の径が一定のまま測定ユニット用アダプタ１８の外周面に開口しており、測定ユニット用アダプタ１８の外周面にはこの開口を始点としてプローブ１５の軸線方向の基端側へ向かうコ字状の案内溝２９が形成されている。また、導光管２３の他方の端部は、測定ユニット用アダプタ１８の外周面に到達する直前に穴の径が小さくなったアパーチャ（ピンホール）３０が形成されており、導光管２３はこのアパーチャ３０を介して外周面に開口している。したがって、測定ユニット用アダプタ１８の外周面には周方向に６０度間隔にて案内溝２９とアパーチャ３０が交互に形成されていることとなる（図４）。
【００２４】
測定ユニット用アダプタ１８の外周面に形成された３箇所の案内溝２９にはプローブ１５の基端側から延びる光ファイバー２２が収容されている。光ファイバー２２は、中心のコア層２２ａとコア層２２ａの外周を覆うクラッド層２２ｂとから構成されている（図示略）。光ファイバー２２の基端はアーム部材１３の発光ユニット６０に連結されており、この発光ユニット６０にて発光された光が光ファイバー２２のコア層２２ａ内を通ってプローブ１５の先端側へと伝送される。一方、光ファイバー２２の先端はその軸線方向に対して斜め４５度にカットされた傾斜面となっており、光学的な全反射を利用した反射面３１が形成されている。光ファイバー２２の反射面３１は、その反射面が導光管２３の開口に臨み、かつボールレンズ２４の光軸上に位置するように配置されている。したがって、光ファイバー２２のコア層２２ａ内を伝送されてきた光は反射面３１によりその進行方向が９０度変更され、導光管２３内をボールレンズ２４の光軸に沿って進むこととなる。なお、ボールレンズ２４の中心点（中心）２４ａからアパーチャ３０までの長さとボールレンズ２４の中心点２４ａから反射面３１までの長さとは等しく設定されている。
【００２５】
測定ユニット用アダプタ１８において、各アパーチャ３０よりプローブ１５の軸線方向の基端側には反射光導入孔２５が形成されている。各反射光導入孔２５は測定ユニット用アダプタ１８の外周面から測定ユニット用アダプタ１８の基端部側に向けて測定ユニット用アダプタ１８内を貫通形成された断面円形の穴であり、反射光導入孔２５はプローブ１５の軸線ｈに対して傾斜して形成されている。反射光導入孔２５の基端部側開口には凸レンズである結像レンズ２６が設置されている。この結像レンズ２６はその光軸が反射光導入孔２５の軸線と一致するように配置されている。結像レンズ２６の光軸は、ボールレンズ２４の光軸とプローブ１５の軸線ｈとにそれぞれ交差している。したがって、ボールレンズ２４の光軸と結像レンズ２６の光軸とプローブ１５の軸線ｈとにより三角形が形成される。特に、ボールレンズ２４の光軸とプローブ１５の軸線ｈとは直交しているため、この三角形は直角三角形となる。
【００２６】
測定ユニット用アダプタ１８の基端部は、その軸心ｇを中心として先端部側から基端部側に向かうにつれて順次径が広くなる逆円錐状部３２が形成されており、その外周縁には周壁３３が形成されている。反射光導入孔２５は測定ユニット用アダプタ１８の基端部側においてこの逆円錐状部３２に開口している。
【００２７】
測定ユニット用アダプタ１８の基端部の周壁３３に当接して受光素子２７が配置されている。この受光素子２７は、二次元半導体位置検出素子（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ＝ＰＳＤ）であり、光を検知する受光面３４と、受光面３４に接続されポインティングワイヤや端子ピン（図示略）を備えた基部３５とから構成されている。受光素子２７は図示しないブラケットにより測定ユニット用アダプタ１８の基端部の周壁３３端縁に当接した状態で固定されるとともに、コンピュータに電気的に接続されている（図示略）。受光素子２７は、その受光面３４がプローブ１５の軸線ｈと直交する面と平行に測定ユニット用アダプタ１８基端部の逆円錐状部３２に対向して設置されている。また、受光面３４は結像レンズ２６の中心点２６ａからプローブ１５の軸線方向において距離ｂ離間している。
【００２８】
この受光素子２７は、受光面３４上に結像した光の重心位置（受光位置）をＸ軸及びこれに直交するＹ軸上の座標（Ｘ，Ｙ）として電気信号に変換し出力することができ、このような受光素子２７は既存製品の二次元ＰＳＤを用いればよく、例えば浜松ホトニクス株式会社の型式名Ｓ７８４８−０１がある。また、受光面３４上の座標の原点（Ｘ０，Ｙ０）はプローブの軸線ｈ上に設定されており、受光面のＹ軸は仮想線ｋと平行に、かつＹ軸は第一測定ユニット１７ａにおける結像レンズ２６に近い側が正の値となるように配置している。受光面３４上の結像に基づいて受光素子２７から出力された電気信号はポインティングワイヤ及び端子ピンを経て、図示しない電気回線を通じてコンピュータに入力され原点（Ｘ０，Ｙ０）から受光位置までの距離ｓが算出される。なお、この距離ｓは受光面３４の原点（Ｘ０，Ｙ０）を中心として前記結像レンズ２６側にて結像される場合には正の値（＋）として算出され、結像レンズ２６の反対側にて結像される場合には負の値（−）として算出される。
【００２９】
このように受光素子２７は、受光面３４上にて結像した光の重心位置の座標を電気信号として出力するものであるため、拡散した光として結像されると座標の特定に誤差が生じやすくなる。したがって、受光素子２７上に結像される光はその面積が小さいことが好ましく、そのためには結像レンズ２６として受光素子２７上に焦点が合わせられている焦点距離を有するものを用いることが好ましい。具体的には、焦点距離ｆは、１／ｆ＝１／ａ′＋１／ｂ′（ａ′は反射位置５２ａから結像レンズ２６の中心点２６ａまでの距離、ｂ′は結像レンズ２６の中心点２６ａから受光面３４の原点３４ａまでの距離）として特定することができるため、ａ′及びｂ′の値に基づいて結像レンズ２６の焦点距離ｆを定めることができる。
【００３０】
以下、本実施形態の測定ユニット１７において、光ファイバー２２内を伝送されてきた光がプローブ１５から照射され、穴５１の内壁面５２に到達し、そこで生じた散乱光が受光素子２７上に結像されるまでの経路を図６等に基づいて説明する。なお、図６は説明の便宜上３組の測定ユニット１７ａ〜１７ｃのうち第一測定ユニット１７ａのみを図示した模式図である。一方、第二測定ユニット１７ｂ、第三測定ユニット１７ｃについても第一測定ユニット１７ａに対してプローブ１５の軸線ｈを中心として角度を１２０度ずつ異ならせて配置されているのみであって光の経路については同様であるため、その説明を省略する。
【００３１】
発光ユニット６０から光ファイバー２２内のコア層２２ａを伝送されてきた光は光ファイバー２２の先端に到達する（図３）。光ファイバー２２の先端は斜め４５度にカットされ、反射面３１が形成されているため、それまでコア層２２ａ内を伝送されてきた光は、反射面３１によりその進行方向を９０度換え、光ファイバー２２の軸線方向に対して直交する方向へと向かう。光ファイバー２２ではコア層２２ａの周囲をクラッド層２２ｂが覆っており、反射面３１によりその向きが変更された光（基本光）はクラッド層２２ｂに直交する方向に進むがその入射角度は全反射角度に比べて遙かに小さい０度付近となる。このため光学的にはクラッド層２２ｂの存在は無視することができ、基本光αはクラッド層２２ｂをそのまま通過して光ファイバー２２の外部へと出て行く。
【００３２】
この反射面３１は、導光管２３の開口に臨み、かつボールレンズ２４の光軸である仮想線ｋ上に位置するように配置されているため、反射面３１を経て光ファイバー２２を出た基本光αは導光管２３内を仮想線ｋに沿って進む。そして、基本光αの進路上に配置されているボールレンズ２４を通過することにより集束され、その状態でアパーチャ３０を通ってプローブ１５の外部に放出される。
【００３３】
なお、ボールレンズ２４は、ボールレンズ２４から射出された光線が集光する位置までの長さがボールレンズ２４の中心点２４ａとアパーチャ３０との距離よりも長くなるように設定することが好ましく、その長さは本光学測定装置の測定対象として想定する穴の平均半径が一つの目安となる。集光する位置までの長さの具体的距離として、例えばボールレンズ２４の屈折率を１．５７、直径を２ｍｍとする。そして、ボールレンズ２４の中心点２４ａと光ファイバー２２の反射面３１（反射面３１のうち光ファイバー２２を伝送されてきた光が反射され光が射出する位置）の距離、すなわちボールレンズ２４の中心点（中心）２４ａとアパーチャ３０との距離を２ｍｍとした場合、射出した光線はボールレンズ２４の中心点２４ａから３．９ｍｍの位置に集光する。
【００３４】
アパーチャ３０を通ってプローブ１５の外へ出た基本光αはボールレンズ２４の光軸である仮想線ｋ上を進み穴５１の内壁面５２に到達する。なお、基本光αが穴５１の内壁面５２に当たって反射される箇所も仮想線ｋ上にあり、この箇所を反射位置５２ａという。ここで、反射位置５２ａを含めた穴５１の内壁面５２は中ぐり加工等により形成されたものであり、その表面は肉眼では平坦に見えるものの微視的には細かな凹凸が形成されている。したがって、基本光αは反射位置５２ａにて乱反射され散乱光となる。この散乱光のうち特定の方向に向かった光（この光を「反射光β」という。）は反射光導入孔２５を通過して再度プローブ１５内部に導入され、結像レンズ２６を通って受光素子２７の受光面３４上に結像される。反射光βが結像レンズ２６を通って受光面３４上に結像される受光位置を結像点３４ｂという。
【００３５】
図６に図示している反射光βは、理解の便宜のため反射位置５２ａで反射された散乱光のうち特に結像レンズ２６の中心点２６ａを通るもののみを表しており、反射位置５２ａから結像点３４ｂまでは直線で結ばれる。つまり、受光面３４のうち反射位置５２ａと結像レンズ２６の中心点２６ａと結んで得られる線の延長上に結像点３４ｂが形成されることとなる。結像点３４ｂは反射位置５２ａと結像レンズ２６の中心点２６ａとを結んだ線上に位置することから、この結像点３４ｂは、受光面３４上であって軸線ｈを通り仮想線ｋと平行な仮想線ｍ上の何れか一点に形成される。すなわち、第一測定ユニット１７ａにあっては、プローブ１５と反射位置５２ａとの距離を異ならせた場合に受光面３４上に形成される結像点３４ｂの軌跡（以下、単に「結像点３４ｂの軌跡」という。）は受光面３４のＹ軸（Ｘ＝０）と一致する。図５では、第一測定ユニット１７ａを用いた場合の結像点３４ｂの軌跡を一点鎖線にて示している。
【００３６】
一方、図６に示す反射位置５２ａに基づいて受光面３４上に形成される結像点３４ｂのおおよその位置を図５に示しているが、仮に、反射位置５２ａが図６に示した位置よりもプローブ１５から離間した位置とすると反射光βの光軸は軸線ｈに対してより大きな角度差を持って結像レンズ２６を通ることとなる。このため、その場合の結像点３４ｂは図６に示す結像点３４ｂよりもＹ座標値が小さい箇所にて形成される（図８に二点差線にて示したプローブ１５の結像点３４ｂを参照）。
【００３７】
次に上記実施形態に係る光学式測定装置１０を用いた穴５１の傾斜角度（プローブ１５の軸線方向に対する穴の傾斜角度）θの測定手順について説明する。測定手順の概要は図７のフローチャートに示しており、コンピュータはこのフローチャートの各ステップを実行するためのデータが格納されたＲＯＭを備えている（図示略）。以下、図７のフローチャート及び図８に従って説明する。なお、穴５１の内径の測定は穴５１内の異なる２箇所の深さ位置における穴５１の内壁面５２を円周とする仮想円の方程式を得ることにより行う。
【００３８】
ステップ１（Ｓ１）
まず、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を穴５１内部の第一測定位置１０１へと移動させる（図８の実線にて示す位置）。測定対象となる穴５１は加工用データに基づいて深さ、内径等が設定されており、穴５１の形状を正確に測定するために第一測定位置１０１においてプローブ１５の軸線方向が穴５１の形成方向とほぼ平行となるようにしておく方が好ましい。なお、第一測定位置１０１は穴５１の内部であればその深さは限定されないが、穴５１の下端に近いとプローブ１５がさらに移動することができなくなる。ただし、この場合にはこの次の測定の際に上方に移動させた位置にて測定すればよい。
【００３９】
ステップ２（Ｓ２）
第一測定位置１０１へ移動した後に穴５１の形状（内径）を算出するための座標測定を行う。穴５１の内径を測定する段階では穴５１の中心および半径はいずれも判明していない。このため、第一測定位置１０１において、同位置にあるプローブ１５のうち基本光αの経路上におけるプローブの軸心ｇを座標原点（Ｘ＝０，Ｙ＝０）とした場合の、同位置における穴５１の内壁面５２の円周上の異なる３箇所の座標を測定する。なお、この場合の座標は受光面３４の座標と同じ座標が示されたマップを用いてもよいし、異なるマップを用いてもよい。測定対象となる３箇所の座標は第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ、第三測定ユニット１７ｃを順次作動させて行う。測定ユニット１７を個別に作動させるのは、受光素子２７が受光面３４にて受光した光の重心座標を出力する機能を有するため、複数の測定ユニット１７を同時に作動させると、受光素子２７には同時に３箇所に結像点３４ｂが形成されることとなる。受光素子２７はその結果として３箇所の結像点３４ｂの重心となる一点の座標を出力することになってしまうからである。
【００４０】
以下、第一測定ユニット１７ａを用いた測定方法を例に説明する。
まず、結像レンズ２６の中心点２６ａを通り、プローブ１５の軸線ｈに平行な仮想線ｎを想定する（図６）。仮想線ｋはプローブ１５の軸線ｈに直交することから、仮想線ｋは仮想線ｎに対しても直交する関係にある。穴５１の内壁面５２に到達した基本光αは反射位置５２ａにおいて散乱光として反射し、その散乱光の一部は反射光βとして結像レンズ２６を通って受光面３４上に結像する。この反射光βのうち結像レンズ２６の中心点２６ａを通る光軸を仮想線ｐとする。
【００４１】
ここで、図６において仮想線ｋと仮想線ｎとの交点を点Ｂとし仮想線ｎと受光面３４上の仮想線ｍとの交点を点Ｄとする。また基本光αの反射位置５２ａを点Ａ、結像レンズ２６の中心点２６ａを点Ｏとし、反射光βの受光面３４上の結像点３４ｂを点Ｃとすると、同一平面上に三角形ＯＡＢと三角形ＯＣＤの２つの直角三角形を形成することができる。
【００４２】
この三角形ＯＡＢと三角形ＯＣＤのそれぞれ点Ｏを頂点とする内角は対角であるため同じ角度であり、また点Ｂ、点Ｄをそれぞれ頂点とする内角はいずれも直角であるため、二組の角が等しい三角形となり、三角形ＯＡＢと三角形ＯＣＤは相似条件を満たす。また、辺ＯＢは距離ａ、辺ＯＤは距離ｂに設定されているため、相似条件により辺ＯＡの距離：辺ＯＣの距離＝距離ａ：距離ｂの関係が成立する。
【００４３】
一方、辺ＡＢは仮想線ｋの一部であるから、アパーチャ３０の表面から反射位置５２ａ（点Ａ）までの距離をＬ、軸線ｈからアパーチャ３０表面までの距離を距離ｒ、軸線ｈから結像レンズ２６の中心点２６ａ（点Ｏ）までの距離を距離ｃとすると、辺ＡＢの距離はＬ＋ｒ−ｃにて表すことができる。このうち、距離ｒ及び距離ｃは予め距離が特定されている。他方、辺ＤＣは、仮想線ｋと平行な仮想線ｍ上の一部であり、受光面３４上の軸線ｈから点Ｄまでの距離は軸線ｈから結像レンズ２６の中心点２６ａまでの距離（＝距離ｃ）に等しい。また、辺ＤＣの距離は、座標の正負を考慮した場合、軸線ｈから結像レンズ２６の中心点２６ａまでの距離ｃから、軸線ｈから点Ｃまでの距離ｓを除したものであるから、辺ＤＣの距離＝距離ｃ−距離ｓにて表すことができる。
【００４４】
そして、前記の三角形の相似条件から、Ｌ＋ｒ−ｃ：ｃ−ｓ＝ａ：ｂの関係が成り立つ。この式を展開すると、以下の式（１）となる。
【００４５】
[数１]
Ｌ＝ａ（ｃ−ｓ）／ｂ−（ｒ−ｃ）・・（１）
この式の右辺において距離ａ，距離ｂ，距離ｃ，距離ｒはいずれも距離が判明しており、距離ｓのみが変化する値である。したがって、距離ｓを求めることにより上記式を用いて距離Ｌを求めることができる。ここで、距離Ｌと距離ｓとの関係は上記式（１）にて示したように１次の直線となるから、式（１）を距離ｓで微分して得られる距離ｓの微小変化ｄｓに対する距離Ｌの微小変化ｄＬの割合、すなわち受光素子２７における検出感度は、ｄＬ／ｄｓ＝−ａ／ｂと一定となり、距離Ｌ、距離ｓに依存しない。
【００４６】
距離ｓは受光面３４上の原点３４ａから結像点３４ｂ（点Ｃ）までの距離（ただし、Ｙ座標が負の時は距離ｓは負の値）であり、結像点３４ｂ（点Ｃ）は座標（０，Ｙ１）にて特定されるため、ｓ＝Ｙ１として特定することができる。これにより求めたｓの値を上記式に代入することにより、アパーチャ３０表面から穴５１の内壁面５２である反射位置５２ａまでの距離Ｌ、さらには反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）を測定することができる。第一測定ユニット１７ａによる測定にて求められた第一測定位置１０１での反射位置５２ａの座標（Ｘ１１，Ｙ１１）は、コンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００４７】
第一測定位置１０１における仮想円である第一仮想円Ｒ１の式を求めるには異なる３箇所の座標が必要であるため、同様の手順にて第二測定ユニット１７ｂ、第三測定ユニット１７ｃを順次作動させて異なる二つの反射位置５２ａの座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求める。このうち、第二測定ユニット１７ｂは、第一測定ユニット１７ａに対して軸線ｈを中心として図４中時計回りに１２０度回転させた位置に配置されている。このため、第二測定ユニット１７ｂによる受光面３４上の結像点３４ｂの軌跡は原点３４ａを通りＹ軸に対して時計回りに１２０度傾いた直線（Ｙ＝−１／√３Ｘ）上に形成される（図５にて二点鎖線で示す）。
【００４８】
また、第三測定ユニット１７ｃは、第一測定ユニット１７ａに対して軸線ｈを中心として図４中反時計回りに１２０度回転させた位置に配置されていることから、第三測定ユニット１７ｃによる受光面３４上の結像点３４ｂの軌跡は原点３４ａを通りＹ軸に対して反時計回りに１２０度傾いた直線（Ｙ＝１／√３Ｘ）上に形成される（図５にて破線で示す）。そして、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃを用いてそれぞれ測定した受光面３４上の結像点３４ｂ（点Ｃ）の座標値（Ｘ１２，Ｘ１２）、（Ｘ１３，Ｘ１３）は、いずれも反射位置５２ａがプローブ１５に近い場合にはそのＹ座標値が小さく反射位置が離れるにしたがってＹ座標値が大きくなる。
【００４９】
したがって、第二測定ユニット１７ｂ並びに第三測定ユニット１７ｃの結像点３４ｂ（点Ｃ）の座標値に基づくそれぞれの距離ｓは、以下の式（２）又は式（３）にて求めることができる。
【００５０】
[数２]
Ｙ＞０のとき ｓ＝−√（Ｘ２＋Ｙ２）・・（２）
Ｙ≦０のとき ｓ＝√（Ｘ２＋Ｙ２）・・（３）
上記の式により求められた距離ｓを式（１）に代入することにより、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃにおけるアパーチャ３０の表面から各反射位置５２ａまでの距離Ｌをそれぞれ求めることができ、更には第一測定位置１０１での各反射位置５２ａの座標値（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）を求めることができる。この座標値もコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００５１】
ステップ３（Ｓ３）
上記ステップ２により求めた穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第一仮想円Ｒ１の式を算出する。まず、既に求めた３つの反射位置５２ａの座標値（Ｘ１１，Ｙ１１）（Ｘ１２，Ｙ１２）（Ｘ１３，Ｙ１３）のうち任意の２点の座標値（Ｘｉ，Ｙｉ）、（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）を、下記式（４）の円の方程式に代入する。なお、本実施形態では、穴５１の断面形状を略真円と仮定する。
【００５２】
[数３]
（Ｘ−Ｃｘ）２＋（Ｙ−Ｃｙ）２＝Ｒ２・・（４）
Ｘ，Ｙ：反射位置の座標値
Ｃｘ，Ｃｙ：円の中心
Ｒ：円の半径
そして、各座標値をそれぞれ代入した後に得られた双方の式を減算し、Ｃｘ，Ｃｙについて整理すると、下記式（５）が得られる。なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果においては、式（５）が（ｎ−１）個得られる。
【００５３】
[数４]
２（Ｘｉ＋１−Ｘｉ）Ｃｘ＋２（Ｙｉ＋１−Ｙｉ）Ｃｙ＝
Ｘｉ＋１２−Ｘｉ２＋Ｙｉ＋１２−Ｙｉ２・・（５）
ここで、式（５）を下記の式（６）〜（８）のようにおくと、
【００５４】
[数５]
Ａｉ＝２（Ｘｉ＋１−Ｘｉ）・・（６）
Ｂｉ＝２（Ｙｉ＋１−Ｙｉ）・・（７）
Ｋｉ＝Ｘｉ＋１２−Ｘｉ２＋Ｙｉ＋１２−Ｙｉ２・・（８）
（但し１≦ｉ≦ｎ−１）
上記式（５）は、下記の式（９）のように表される。
【００５５】
[数６]
ＡｉＣｘ＋ＢｉＣｙ＝Ｋｉ・・（９） （但し１≦ｉ≦ｎ−１）
なお、ｎ点（本実施形態では３点）の測定結果からは、（ｎ−１）個の式（９ａ）及び式（９ｂ）が得られる。
【００５６】
[数７]
ＡｉＣｘ＋ＢｉＣｙ＝Ｋｉ・・（９ａ）
Ａｉ＋１Ｃｘ＋Ｂｉ＋１Ｃｙ＝Ｋｉ＋１・・（９ｂ）
上記式（９ａ）と（９ｂ）の連立方程式から次式（１０）（１１）により穴の中心座標（Ｃｘ，Ｃｙ）を求めることができる。
【００５７】
[数８]
Ｃｘ＝（ＢｉＫｉ＋１−Ｂｉ＋１Ｋｉ）／（ＢｉＡｉ＋１−Ｂｉ＋１Ａｉ）・・（１０）
Ｃｙ＝（ＡｉＫｉ＋１−Ａｉ＋１Ｋｉ）／（ＡｉＢｉ＋１−Ａｉ＋１Ｂｉ）・・（１１）
但し、ｉ＝１である。これにより、第一仮想円Ｒ１の中心座標が求められる。そして、この中心座標を決定した後、下記式（１２）により各反射位置の座標値に対応したＲｉを求め、その平均値を仮想円の半径の測定値Ｒとする。
【００５８】
【数９】
【００５９】
但し、Σの範囲は１≦ｉ≦ｎである。このようにして仮想円の半径を求めることで、穴の内径（仮想円の直径）が算出される。したがって、円周上の３箇所の異なる座標を得ることができれば上記円の方程式の３つの定数を算出することができる。算出した第一仮想円Ｒ１の式はコンピュータのＲＡＭに格納される。
【００６０】
ステップ４（Ｓ４）
ステップ４において、コンピュータは駆動手段を駆動させてプローブ１５を第二測定位置１０２（図８の二点差線で示す位置）へと移動させる。この第二測定位置１０２は第一測定位置１０１におけるプローブ１５をその軸線ｈ上に穴５１の深さ方向Ｆへ向けて所定距離ｔだけ移動させた位置である。
【００６１】
ステップ５（Ｓ５）
プローブ１５を第二測定位置１０２へ移動した後には同位置における穴５１の形状を測定する。この測定方法はステップ２の測定方法と同じであり、第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃを順次動作させてこの第二測定位置１０２における穴５１の内壁面５２の異なる３箇所の座標値（Ｘ２１，Ｙ２１）（Ｘ２２，Ｙ２２）（Ｘ２３，Ｙ２３）を測定する。
【００６２】
ステップ６（Ｓ６）
上記ステップ５により求めた第二測定位置１０２における穴５１の内壁面５２の３箇所の座標値に基づいて第二仮想円Ｒ２の式を算出する。算出方法はステップ３と同じであり、算出した第二仮想円Ｒ２の式はコンピュータのＲＡＭ（図示略）に格納される。
【００６３】
ステップ７（Ｓ７）
コンピュータは、ステップ３で求めた第一仮想円Ｒ１とステップ６で求めた第二仮想円Ｒ２の式をＲＡＭから読み出して穴５１の傾斜角度θを演算する。すなわち、プローブ１５の軸線方向に対する穴５１の傾斜角度θは第一仮想円Ｒ１の中心座標と第二仮想円Ｒ２の中心座標とを結ぶ線により求めることができる。ここで、穴５１の傾斜角度θが零で、内壁面５２がプローブ１５の軸線方向と一致する場合には、第一仮想円Ｒ１の中心座標と第二仮想円Ｒ２の中心座標とは一致するはずである。一方、第一測定位置にて求めた第一仮想円Ｒ１の中心座標に対して第二測定位置にて求めた第二仮想円Ｒ２の中心座標が一致しない場合（図８に示す状態）には、プローブ１５の軸線方向に対して穴５１が傾いていることになる。このため、第一仮想円Ｒ１の中心座標と第二仮想円Ｒ２の中心座標とプローブ１５の距離ｔとの関係から穴５１の傾斜角度θを算出することができる。
【００６４】
上記実施形態の光学式測定装置によれば、以下のような効果を得ることができる。
＊ 本実施形態の光学式測定装置では各測定ユニット１７（１７ａ，１７ｂ，１７ｃ）から基本光αを穴５１の内壁面５２に対して照射することで各反射位置５２ａの座標値を求め、穴５１の内部における任意の箇所で１つの仮想円を同定することにより穴５１の内径が測定される。特に、測定ユニット１７を構成する照射部１９、導入部２０、受光部２１のうち照射部１９を導入部２０、受光部２１よりもプローブ１５の先端側に配置しているため、プローブ１５の先端に近い箇所から基本光αを照射させることができる。このため、プローブ１５の先端近くの穴５１の内径を測定することができ、穴５１の底部近くも測定することができる。
【００６５】
＊ 基本光αの経路上にボールレンズ２４の光軸が位置するよう配置しているため、光ファイバー２２から出た光（基本光α）が拡散してもボールレンズ２４を通過することにより集光された状態でプローブ１５の外部へ照射することができる。また、ボールレンズ２４は光軸がプローブ１５の軸線ｈに直交する面として存在するため、測定ユニット１７をプローブ１５の軸線ｈに対して位相を異ならせて配置しても１つのボールレンズ２４にて対応することができる。
【００６６】
＊ 光ファイバー２２の先端を軸線方向に対して斜め４５度にカットし全反射による反射面３１とし、基本光αの照射方向を光ファイバー２２の延伸方向に拘わらず目的に方向に変更している。このため、プローブ１５の先端に反射ミラー等の照射方向を変更するための別部材を設置する必要がなく、その分プローブ１５のうち穴内へ挿入させる部分である外筒１６を小型化することができる。
【００６７】
＊ プローブ１５の軸線方向に対して直交する方向に基本光を照射して散乱光を集光するため、深穴の入り口からの測定位置が固定される。また散乱光を集光しているため、加工による対象物の傾斜角に影響されない。
【００６８】
＊ ３組の測定ユニット１７（第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃ）を有しており、これらが順次動作することにより穴５１の内径を測定することができる。このため、プローブ１５を特定の測定位置にて固定した状態で同位置での穴５１の内径を測定することができ、プローブ１５を回転等させる必要がない。
【００６９】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 基本光αの収束のためにボールレンズ２４を使用したが、プローブ１５の軸線ｈと直交する平面上に光軸を有するものであればその形状を変更してもよい。例えば、ボールレンズ２４のうちレンズとして機能しない上下端をカットして図９のような形状としてもよい。これによってさらにプローブ１５の先端に近い箇所から基本光αを照射させることができる。
【００７０】
○ 上記実施形態ではレーザダイオードを備えた発光ユニット６０によりレーザ光を伝達させて基本光αとして使用していたが、レーザ以外の光でもよい。
○ 上記実施形態ではプローブ１５に測定ユニット１７を３組（第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃ）備えていたが、少なくとも１組の測定ユニット１７を備えていれば足りる。なお、穴５１の内径を測定するためには少なくとも異なる３箇所の内壁面の座標が必要となる。プローブ１５内に配置されている測定ユニット１７が２組以下のときにはプローブ１５を固定したままでは異なる２箇所の座標しか得られないため、プローブ１５を回転させて少なくとも異なる３箇所の内壁面の座標を得る必要がある。
【００７１】
○ 上記実施形態では、穴５１内においてプローブ１５の軸線方向における異なる２箇所にてそれぞれ仮想円を求めることにより穴５１の傾斜角度を算出した。これに対して、穴５１の傾斜角度ではなく穴５１内の特定箇所における内径や中心座標を求める場合には一箇所のみの測定でたりる。
【００７２】
○ 微細加工が必要な光ファイバー２２の先端に形成する反射面３１に変えて光ファイバー２２の先端に別体の反射ミラーを設けてもよい。反射ミラーを設けることにより部品数の増加、大径化の要因となるが、小径化の必要がないプローブ１５に対しては有効となる。
【００７３】
○ プローブ１５の挿入部の径は基端から同一でなくてもよい。例えば受光素子の配置箇所より先端側をより小径にすることもできる。これにより、プローブ１５の先端がより小径化され、先端が穴５１の内壁面５２に接触しにくくなる。
【００７４】
第２の実施形態
次に、本発明を具体化した光学式測定装置１０の第２の実施形態を図１０〜図１１にしたがって説明する。なお、第２の実施形態は、第１の実施形態の受光部２１の構成を変更したのみであるため、同様の部分についてはその詳細な説明を省略する。
【００７５】
第２の実施形態の光学式測定装置１０は、第１の実施形態と同様にアーム部材１３のハウジング１４を含むプローブ１５を備えている。プローブ１５内に配置される照射部１９と導入部２０の構成は第１の実施形態と同じであり、これらがプローブ１５の先端に配置された測定ユニット用アダプタ１８に組み込まれている。なお、図示しないが第２の実施形態においても測定ユニット１７はプローブ１５の軸線ｈを中心として周方向に１２０度ずつ位相を異ならせて３組（第一測定ユニット１７ａ、第二測定ユニット１７ｂ及び第三測定ユニット１７ｃ）配置されている。一方、第１の実施形態と相違しているのはこれら測定ユニット１７における受光部２１の構成である（図１０、図１１）。なお、第１の実施形態同様に測定ユニット１７の具体的説明は第一測定ユニット１７ａについてのみ行うものとする。
【００７６】
第２の実施形態では受光部２１は、透過型スクリーンであるリアスクリーン３６と、光伝達手段としてのリレーレンズ３７と、受光素子２７とから構成される。図１０にプローブ１５の断面図を示すように、外筒１６内に嵌入されている測定ユニット用アダプタ１８の周壁３３に当接してリアスクリーン３６が配置されている。このリアスクリーン３６は外筒１６内径と同径の円形に形成され、外筒１６内部を軸方向に仕切るようにプローブ１５の軸線ｈと直交する平面上に配置されている。また、リアスクリーン３６が配置されているのはプローブ１５の軸線方向において結像レンズ２６の結像点が形成される箇所であり、前記第１の実施形態における受光面３４と同一面上となる。ただし、外筒１６内に配置されている光ファイバー２２との干渉を防止するため、リアスクリーン３６の周縁のうち測定ユニット用アダプタ１８に形成されている案内溝２９に対応した位置（３箇所）にはコ字状の切り欠き３６ａが形成されている。
【００７７】
また、リアスクリーン３６の基端側には内筒３８が収容されている。この内筒３８は外筒１６より小径の円筒状に形成されており、内筒３８の基端はハウジング１４に形成された装着フランジ１４ｂに内嵌され、また先端がリアスクリーン３６に当接した状態で固定されている。したがって、外筒１６内周面と内筒３８外周面との間はハウジング１４の装着フランジ１４ｂの厚み分だけ離間している。なお、装着フランジ１４ｂには１２０度間隔で周方向の３箇所に軸方向にわたるコ字状の貫通溝３９が形成されており、これらの貫通溝３９はハウジング１４を貫通してハウジング１４内部に連通している。
【００７８】
リレーレンズ３７はプローブ１５のうちリアスクリーン３６と受光素子２７との間に装着されている。このリレーレンズ３７は凸レンズと凹レンズとを組み合わせたタブレットレンズであり、その光軸がプローブ１５の軸線と一致するように配置されており、リアスクリーン３６を透過した光を受光素子へと伝達する機能を有している。また、リレーレンズ３７は、プローブ１５の軸線方向においてリアスクリーン３６からリレーレンズ３７の中心点３７ａまでの距離と、リレーレンズ３７の中心点３７ａから受光素子２７の受光面３４までの距離は光学距離が等しくなるように配置されている。リレーレンズ３７の焦点距離は、測定対象として想定する穴の深さに見合ったプローブの必要長さにより選定する。ただし、原理上、リレーレンズ３７の焦点距離が長くなるにともなって受光素子２７の上に結像する像が暗くなる。
【００７９】
受光素子２７はプローブ１５のハウジング１４内において開口１４ａに対向して配置されている。受光素子２７はその受光面３４がプローブ１５の軸線ｈと直交する面と平行になるよう図示しないブラケットによりハウジング１４に取り付けられている。また、第１の実施形態と同様に受光面３４上の座標の原点（Ｘ０，Ｙ０）はプローブ１５の軸線ｈ上に設定されており、受光面３４のＹ軸は仮想線ｋ（図６参照）と平行となるように配置している。一方、第１の実施形態とは異なりＹ軸は第一測定ユニット１７ａにおける結像レンズ２６に近い側が負の値となるように配置しており、これによりＸ軸の正負の向きも逆となっている。なお、受光素子２７が図示しないコンピュータに電気的に接続されていることは第１の実施形態と同様である。
【００８０】
第２の実施形態では、照射部１９と導入部２０の構成は第１の実施形態と同様であるためその作用の説明は省略し、第１の実施形態と相違する受光部２１の作用について説明する。図１１に示すように照射部１９によって照射された基本光αは、穴５１の内壁面５２にて乱反射され、そのうちの一部の反射光βが反射光導入孔２５を経てプローブ１５内部に導入される。この反射光βは結像レンズ２６によって集光された状態でリアスクリーン３６上に結像するとともに、反射光βの一部がリアスクリーン３６を厚み方向に透過してリアスクリーン３６の裏面側である内筒３８内へと浸入し、リアスクリーン３６の裏面に輝点３６ｂが生ずる。
【００８１】
内筒３８内ではリアスクリーン３６と受光素子２７との間にリレーレンズ３７が配置されているため、リアスクリーン３６裏面に生じた輝点３６ｂの実像（これを結像点３４ｂという。）がリレーレンズ３７を介して受光素子２７の受光面３４上に形成される。この結像点３４ｂの位置は途中のリレーレンズ３７の作用により得られるものであることから、受光面３４上に形成される結像点３４ｂの座標はリアスクリーン３６上の輝点３６ｂの位置に対してリレーレンズ３７の光軸を中心とした点対称の位置となる。受光素子２７は第１の実施形態に対して受光面３４の原点３４ａを中心としてＹ軸の正負及びＸ軸の正負の向きが逆となるように配置しているため、受光面３４上に形成される結像点３４ｂの座標は第１の実施形態と変わらない。
【００８２】
このため、第１の実施形態と同様の測定式を利用することにより基本光αが照射した穴５１の内壁面５２の座標を求めることができ、３つの測定ユニット１７ａ〜１７ｃを順次作動させて、測定箇所における穴５１の内壁面５２の座標に基づき円の内径を求めることができる。
【００８３】
従って、第２の実施形態によれば、第１の実施形態に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
＊ 受光素子２７をプローブ１５のハウジング１４内に配置し、外筒１６内に配置していないため、挿入部である外筒１６の径が受光素子２７の大きさによる規制を受けない。したがって、外筒１６を小径化することができる。
【００８４】
＊ リアスクリーン３６と受光素子２７の間に光伝達手段としてのリレーレンズ３７を介在させているため、リアスクリーン３６の輝点３６ｂの実像となる結像点３４ｂを受光面３４上に形成することができる。
【００８５】
なお、本実施形態は第１の実施形態にて述べた変更に加え、以下の様に変更してもよい。
○ 受光素子２７は、プローブ１５のうち非挿入部であるハウジング１４内に配置したが、これに拘わらず受光素子２７をプローブ１５の外筒１６内に配置してもよい。例えば、プローブ１５の外筒１６径を小さくする必要がないときなどは受光素子２７の配置を外筒１６内（第１の実施形態）または外筒１６外（第２の実施形態）のいずれでも選択することができ、受光素子２７の配置について設計の自由度が上がる。
【００８６】
○ リレーレンズ３７として使用したタブレットレンズを非球面レンズとしてもよい。
第３の実施形態
第３の実施形態では第２の実施形態に比して、内筒３８内の構成が異なっている。第２の実施形態ではリアスクリーン３６と受光素子２７との間に光伝達手段としてタブレットレンズからなるリレーレンズ３７を配置していた。これに対して、第３の実施形態では図１２に示すように、光伝達手段として内筒３８内に先端側のタブレットレンズである第１リレーレンズ４０と基端側のタブレットレンズである第２リレーレンズ４１の２つのリレーレンズを配置している。
【００８７】
光伝達手段である第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１の配置については、リアスクリーン３６から第１リレーレンズ４０までの距離は第１リレーレンズ４０の焦点距離に等しい位置に配置され、また、第２リレーレンズ４１から受光面３４までの距離も第２リレーレンズ４１の焦点距離に等しい位置に配置されている。第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１の距離は、第１リレーレンズによりコリメートされた光線となることと、第２リレーレンズ４１と受光面３４は無限遠に設定されているため、任意に設定することができる。
【００８８】
従って、第３の実施形態によれば、第２の実施形態に記載の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（１）第３の実施形態では、リアスクリーン３６から受光素子２７の間に第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１とを介在させている。したがって、第２の実施形態よりもリアスクリーン３６と受光素子２７との間の距離を長くしても受光素子２７上に結像点３４ｂを形成することができ、プローブ１５のうち挿入部である外筒１６の長さを長くすることができる。
【００８９】
なお、本実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１として使用したタブレットレンズを非球面レンズとしてもよい。
【００９０】
○ 光伝達手段として、第１リレーレンズ４０と第２リレーレンズ４１の変わりに、イメージコンジットやロッドレンズ等を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１の実施形態の光学式測定装置を示す概略図。
【図２】同光学式測定装置を示す部分拡大概略図。
【図３】プローブ内部の断面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図。
【図５】受光面上の結像点の軌跡を示す模式図。
【図６】穴内部の測定方法を示す概略図。
【図７】穴内部の測定方法を示すフロー図。
【図８】穴内部の測定方法を示す説明図。
【図９】第１の実施形態の別例を示すプローブの断面図。
【図１０】第２の実施形態のプローブ内部の断面図。
【図１１】第２の実施形態の穴内部の測定方法を示す概略図。
【図１２】第３の実施形態のプローブ内部の断面図。
【符号の説明】
【００９２】
α・・基本光、β・・反射光、ｈ・・軸線、１０・・光学式測定装置、１４・・ハウジング（非挿入部）、１５・・プローブ、１６・・外筒（挿入部）１９・・照射部、２０・・導入部、２１・・受光部、２２・・光ファイバー、２４・・ボールレンズ、２６・・結像レンズ、２７・・受光素子、３０・・アパーチャ、３１・・反射面、３４・・受光面、３４ａ・・結像点、３７・・リレーレンズ（光伝達手段）、４０・・第１リレーレンズ（光伝達手段）、４１・・第２リレーレンズ（光伝達手段）、５０・・被測定物、５１・・穴、５２・・内壁面、５２ａ・・反射位置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置であって、
前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する照射部と、前記内壁面で反射された散乱光をプローブ内部に導入させるための導入部と、当該導入部に導入された前記散乱光を受光する受光部とを備えてなる非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光部上における前記散乱光の受光位置に基づき、内壁面の反射位置を円周に含む仮想円を算出する演算手段とを備え、
前記照射部を導入部及び受光部よりもプローブの先端側に配置したことを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記照射部は、プローブの軸線と直交する方向に基本光を照射するものであり、前記受光部はプローブの軸線と直交する受光面を有する受光素子を備えている請求項１に記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記照射部から照射される基本光の経路上には、同経路上に光軸を有する凸レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記照射部はプローブの軸線を中心として周方向に等間隔で３組設置されており、前記凸レンズはその中心がプローブの軸線と交差する位置に配置されたボールレンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学式測定装置。
【請求項５】
前記照射部は、プローブの軸線方向に配置され、発光部にて発光された光を伝送する光ファイバーを備えており、その先端は光ファイバーの軸線方向に対して４５度の傾斜面に形成され、伝送する光を前記軸線方向に対して直交する方向に射出することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の光学式測定装置。
【請求項６】
前記受光部は、光透過性スクリーンと、光透過性スクリーンに対してプローブの軸線方向に離間して配置された受光素子と、前記光透過性スクリーンと受光素子と間に配置された光伝達手段を備え、
前記光透過性スクリーンを透過した前記散乱光は、光伝達手段を介して前記受光素子上に受光するものである請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式測定装置。
【請求項７】
前記受光素子は、プローブのうち穴内部に挿入されない非挿入部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式測定装置。
【請求項１】
被測定物に設けられた穴の内径を測定する光学式測定装置であって、
前記被測定物の穴の内壁面に向けて基本光を照射する照射部と、前記内壁面で反射された散乱光をプローブ内部に導入させるための導入部と、当該導入部に導入された前記散乱光を受光する受光部とを備えてなる非接触式のプローブと、
前記プローブが前記穴の内部に挿入された状態で、前記受光部上における前記散乱光の受光位置に基づき、内壁面の反射位置を円周に含む仮想円を算出する演算手段とを備え、
前記照射部を導入部及び受光部よりもプローブの先端側に配置したことを特徴とする光学式測定装置。
【請求項２】
前記照射部は、プローブの軸線と直交する方向に基本光を照射するものであり、前記受光部はプローブの軸線と直交する受光面を有する受光素子を備えている請求項１に記載の光学式測定装置。
【請求項３】
前記照射部から照射される基本光の経路上には、同経路上に光軸を有する凸レンズが配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式測定装置。
【請求項４】
前記照射部はプローブの軸線を中心として周方向に等間隔で３組設置されており、前記凸レンズはその中心がプローブの軸線と交差する位置に配置されたボールレンズであることを特徴とする請求項３に記載の光学式測定装置。
【請求項５】
前記照射部は、プローブの軸線方向に配置され、発光部にて発光された光を伝送する光ファイバーを備えており、その先端は光ファイバーの軸線方向に対して４５度の傾斜面に形成され、伝送する光を前記軸線方向に対して直交する方向に射出することを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか一項に記載の光学式測定装置。
【請求項６】
前記受光部は、光透過性スクリーンと、光透過性スクリーンに対してプローブの軸線方向に離間して配置された受光素子と、前記光透過性スクリーンと受光素子と間に配置された光伝達手段を備え、
前記光透過性スクリーンを透過した前記散乱光は、光伝達手段を介して前記受光素子上に受光するものである請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学式測定装置。
【請求項７】
前記受光素子は、プローブのうち穴内部に挿入されない非挿入部に配置されていることを特徴とする請求項６に記載の光学式測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１８０６３７（Ｐ２００９−１８０６３７Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２０５６２（Ｐ２００８−２０５６２）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（３９１００２４８７）学校法人大同学園 (23)
【出願人】（３９３０１１０３８）菱栄エンジニアリング株式会社 (59)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（３９１００２４８７）学校法人大同学園 (23)
【出願人】（３９３０１１０３８）菱栄エンジニアリング株式会社 (59)
【Ｆターム（参考）】
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