光学式計測装置
【課題】表面の一部に傾斜面あるいは曲面が存在する計測対象物体、あるいは傾いた計測対象物体に対して高精度な計測を可能とする光学式計測装置を提供する。
【解決手段】遮光部２１２は、拡散反射光５７の受光中心軸５６に対する入射角度範囲を規定するように構成される。すなわち開口２１２ａの径によって、拡散反射光５７が遮光部２１２の開口２１２ａを通過するときに拡散反射光５７の進行方向と受光中心軸５６とがなす最大角度θが規定される。また、投光部２０２は、計測対象物体５の表面５Ａで正反射された投光ビーム（すなわち反射光ビーム５６）のうちレンズ部２１１により集光される成分について、受光中心軸５６上での集光位置Ｐが受光中心軸５６上における遮光部２１２の範囲内に含まれるように投光ビーム５３を投光する。
【解決手段】遮光部２１２は、拡散反射光５７の受光中心軸５６に対する入射角度範囲を規定するように構成される。すなわち開口２１２ａの径によって、拡散反射光５７が遮光部２１２の開口２１２ａを通過するときに拡散反射光５７の進行方向と受光中心軸５６とがなす最大角度θが規定される。また、投光部２０２は、計測対象物体５の表面５Ａで正反射された投光ビーム（すなわち反射光ビーム５６）のうちレンズ部２１１により集光される成分について、受光中心軸５６上での集光位置Ｐが受光中心軸５６上における遮光部２１２の範囲内に含まれるように投光ビーム５３を投光する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式計測装置に関し、特に、光学式計測装置に含まれる光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な計測対象物体の変位、長さ、角度などを計測するためのセンサ装置が知られている。たとえば、光源からの光をラインビームに整形して計測対象物体表面に所定角度で照射する投光部と、二次元撮像素子を使用して計測対象物体表面のラインビーム照射位置をラインビームの照射方向とは異なる方向から撮影して光切断面の断面輪郭線像を含む画像を取得する撮影部と、この撮影部を介して得られる光切断面の断面輪郭線像に基づいて所定の計測処理を実行することにより、計測値及び／又は判定値を生成する計測部と、を具備する、光切断法を利用した光学式計測装置（『変位センサ』とも称される）が知られている。
【０００３】
上記の光学式計測装置は三角測量の原理を応用して変位を計測するものであるが、撮像部で受光する計測対象領域からの反射光の種類により２種類に大別できる。その１つは物体からの正反射光を直接受光する方式のものであり、もう１つは、投光ビームを測定面に対して垂直に投光して反射光中の拡散反射光を受光する方式のものである。
【０００４】
ここで、ラインビームの断面のなす直線の方向は、二次元撮影素子の視野内においては、垂直走査方向（または水平走査方向）に対応する。また、計測装置（一般には、センサヘッド）と計測対象物体との距離が変化したときにラインビームのなす断面輪郭線像が二次元撮像素子の視野内において移動する方向は、水平走査方向（または垂直走査方向）に対応する。これにより、二次元撮像素子の受光面には光切断面の断面輪郭線像が結像される。
【０００５】
かかる光学式計測装置によれば、切断光として直線状断面を有するラインビームを採用しているため、切断光として点状断面を有するスポット光を採用するもののように、切断光と計測対象物体とを相対移動させずとも、計測対象物体表面の一定直線に沿う一連の計測点の情報を一括して取得することができる。そのため、たとえば生産ラインを流れる工業製品の検査等に応用すれば、それら一連の計測点の情報に基づいて、計測対象物体表面各部の寸法を精密に測定して、製品の良否判定等を迅速かつ確実に行なうことができる。
【０００６】
この種の工業製品の検査等においては、様々な形状を有する計測対象物体を想定せねばならない。たとえば工業製品の中には、表面の一部が傾斜面あるいは曲面となっているためにセンサが取り込める反射光量が部分的に異なるものがある。このような工業製品の検査（表面変位の計測など）を行なう場合には、反射光量が不足して画像が暗くなる、または光が取り込めないため正常に計測ができないことがある。
【０００７】
特許第３５７５６９３号公報（特許文献１）には、このような問題を解決するために、撮影条件が異なる複数の画像を合成して合成画像に基づいて計測を行なう光学式計測装置が開示されている。
【特許文献１】特許第３５７５６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許第３５７５６９３号公報（特許文献１）に記載の技術によれば、表面の一部が傾斜面あるいは曲面であることが予め分かっている計測対象物体については、変位の計測が可能と考えられる。しかしながら、生産ラインを流れる多数の工業製品の中には、たとえばステージとの間に異物が挟まったために、傾いた状態のままで移動する製品がまれに存在することが考えられる。このように計測対象物体が予期せぬ理由により傾斜している場合においてもその物体の表面変位計測が可能かどうかについては、特許文献１に特に説明されていない。
【０００９】
また、そのような事態を予め想定して、すべての計測対象物体に対して一律に複数の画像を撮像し、それらを合成することで各計測対象物体の変位を計測することが考えられる。ただしこの場合には、生産ラインでの生産性が低下することが予想される。
【００１０】
本発明の目的は、表面の一部に傾斜面あるいは曲面が存在する計測対象物体、あるいは傾いた計測対象物体に対して高精度な計測を可能とする光学式計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は要約すれば、光学式計測装置であって、投光部と、受光部と、計測処理部とを備える。投光部は、計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射光を投光する。受光部は、計測対象物体の表面で照射光が反射されて生じた拡散反射光および正反射光のいずれの反射光についても、計測対象物体の表面の変位に応じて得られる反射光像の位置が変化する方向から受光して、反射光像の画像を取得する。計測処理部は、受光部により取得された画像に基づいて、照射光を反射させる計測対象物体の表面の変位を計測する。受光部は、撮像部と、結像部と、遮光部とを含む。撮像部は、入射した光の像を画像として取得する。結像部は、投光部から投光された照射光が計測対象物体の表面で反射して生じた反射光を、撮像部に結像させる。遮光部は、計測領域中に存在する計測対象物体によって照射光が拡散反射された場合に、当該拡散反射光のうち結像部の中心光軸を含む所定の平面に平行な成分について、撮像部に到達する拡散反射光の結像部の中心光軸に対する入射角度範囲を規定する。投光部は、計測領域中に存在する計測対象物体によって照射光が正反射された場合に、照射光の正反射光のうち上記所定の平面に平行な成分が、遮光部の存在する結像部の中心光軸方向の位置で集光されるように、照射光を投光する。
【００１２】
「遮光部が存在する前記中心光軸の方向の位置」とは、結像部の中心光軸の方向での遮光部の位置が、規定される拡散反射光の入射角度範囲の両端で同じ位置となる場合も、異なる位置となる場合も含む。規定される拡散反射光の入射角度範囲の両端で遮光部が異なる位置となる場合には、それら異なる位置が存在する結像部中心光軸方向の範囲内において、正反射光のうちの所定の平面に平行な成分が集光される場合も含む。
【００１３】
好ましくは、投光部は、照射光としてラインビームを、計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射する。受光部は、計測対象物体の表面で反射されたラインビームの反射光を、計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、計測対象物体の表面の変位に対応して得られる反射光像の位置の分布が変化する方向から受光する。所定の平面は、投光部から照射されるラインビームの中心光軸と、結像部の中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ結像部の中心光軸を含む平面である。
【００１４】
好ましくは、投光部は、照射光としてラインビームを、計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射する。受光部は、計測対象物体の表面で反射されたラインビームの反射光を、計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、計測対象物体の表面の変位に対応して得られる反射光像の位置の分布が変化する方向から受光する。所定の平面は、平面の計測対象物体が予め定められた計測対象範囲内の傾きで計測領域中に置かれた場合に、投光部からのラインビームが計測対象物体の表面で反射されて生じる反射光ビームの計測対象物体の表面上におけるライン方向と、結像部の中心光軸とに平行な平面である。
【００１５】
「予め定められた計測対象範囲内の傾き」とは、光学式計測装置が仕様などに基づいて予め定めている、計測対象物体の計測可能な（仕様によって計測対象にすると定めた）角度範囲内の傾きである。
【００１６】
好ましくは、遮光部には、結像部の中心光軸を中心とする円形の開口が形成される。遮光部は円形の開口の外側の光を遮光する。
【００１７】
好ましくは、結像部は、複数のレンズを組み合わせた組レンズにより構成される。遮光部は、複数のレンズの並びの方向について両端に位置するレンズの間に配置される。
【００１８】
好ましくは、結像部は、単レンズである。照射光の正反射光のうちの所定の平面に平行な成分について、結像部の中心光軸方向での集光位置は、単レンズの内部にある。
【００１９】
好ましくは、遮光部は、計測対象物体の表面における予め定められた有効計測範囲からの拡散反射光のうち所定の平面に平行な成分について、結像部の中心光軸に対する入射角度範囲を規定する。
【００２０】
好ましくは、投光部は、ラインビームの所定の平面に平行方向のビーム幅が、ラインビームが投光部から受光部へ進むにつれて次第に小さくなるように、ラインビームを投光する。所定の平面は、投光部から照射されるラインビームの投光部中心光軸と、結像部の中心光軸である結像部中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ結像部の中心光軸を含む平面である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光学式計測装置によれば、正反射成分を持つ表面の一部に傾斜面あるいは曲面が存在する計測対象物体、あるいは傾いた計測対象物体に対して高精度な計測が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２３】
［光学式計測装置の構成］
まず、図１〜図４を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置（変位センサ）の概略構成について説明する。
【００２４】
本実施形態の光学式計測装置は、制御盤などへのコンパクトな収容を可能とするために、また狭小な計測環境への据え付けを容易とするために、信号処理部とセンサヘッド部が分離されたいわゆるアンプ分離型の変位センサである。
【００２５】
図１は、本実施形態の光学式計測装置の信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。図１を参照して、信号処理部１の外殻ケース１０は、やや細長い直方体形状の形態を有している。外殻ケース１０の前面からは、図示されていないが外部接続コードが引き出されている。この外部接続コードには、外部入力線、外部出力線、電源線等が含まれている。外部入力線は、たとえば上位装置としてのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等から信号処理部１に対して各種の指令を外部から与えるためのものである。外部出力線は、信号処理部１の内部で生成されたスイッチング出力やアナログ出力などをＰＬＣ等へ出力するためのものである。電源線は、信号処理部の内部回路に対する電源を供給するためのものである。また、外殻ケース１０の下面には、図示されていないがＵＳＢ（Universal Serial Bus）コネクタと、ＲＳ-２３２Ｃコネクタとが設けられている。
【００２６】
外殻ケース１０の上面には開閉可能な操作部蓋１４が設けられている。この操作部蓋１４の下には、信号処理部１における各種の指令操作などを行なうための操作部が設けられている。また、外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部２により取得された計測対象画像情報や計測結果、計測値、設定画面等の表示を行なうための表示部１５が配置されている。
【００２７】
外殻ケース１０の左右側面には、信号処理部間コネクタ蓋１６が設けられている。この信号処理部間コネクタ蓋１６の内部には、他の信号処理部１を接続するための信号処理部間コネクタが設けられている。複数の信号処理部１は、ＤＩＮレールを介して隣接結合状態で１列に連装可能とされる。信号処理部１の外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部接続用コネクタ１７が設けられている。信号処理部１はこのセンサヘッド部接続用コネクタ１７を介して後述するセンサヘッド部２に接続されている。
【００２８】
センサヘッド部２は、センサヘッド部接続用コネクタ１７に対応する信号処理部接続用コネクタ２７と、ケーブル２１と、センサヘッド本体部２０とを含む。
【００２９】
センサヘッド本体部２０は、投光窓５１から計測対象物体にレーザ光を照射し、受光窓５２に計測対象物体からの反射光を受ける。センサヘッド本体部２０は、計測対象物体の形状に応じて光像位置が変化して見える角度から計測対象物体の表面を撮影して、撮影画像データを映像信号として出力する。
【００３０】
図２は、センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。図２に示すように、センサヘッド本体部２０に内蔵された投光素子（レーザダイオード）から出射されるパルス状レーザ光が、図示しない投光レンズを通して、計測対象物体５の表面にラインビームＬ１として照射される。これにより、計測対象物体５の表面にはラインビームの照射光像ＬＭ（以下、断面輪郭線像とも称する）が形成される。
【００３１】
計測対象物体５で反射したラインビームの反射光Ｌ２はセンサヘッド部２内の図示しない受光レンズを通して二次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）へと入射される。
【００３２】
すなわち、計測対象物体５の表面を、２次元撮像素子によりラインビームの照射方向とは異なる方向から撮影することにより、ラインビームの照射光像ＬＭを含む映像信号を取得する。そして、この映像信号に基づいて、所定の特徴量が抽出されて、目的とする変位量（この例ではセンサヘッド本体部２０と計測対象物体５との距離）の照射光像ＬＭに沿った分布が求められる。
【００３３】
図３は、図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。図３に示されるように、信号処理部１は、制御部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、センサヘッド部２との通信部１０４と、外部機器との通信部１０５と、キー入力部１０６と、外部入力部１０７と、出力部１０８と、電源部１０９とを含む。
【００３４】
制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）とにより構成され、信号処理部１全体の統括制御を担う。この制御部１０１は、センサヘッド部２からの映像信号に基づいて後述する各種機能を実現することにより上記の計測処理を実行すると共に、映像信号を所定の閾値を基準として二値化した後、これを出力データとして、出力部１０８から外部へと送出する。
【００３５】
記憶部１０２は、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０２ａと、表示部１０３に表示される画像データを記憶する画像メモリ１０２ｂとを含む。なお、不揮発性メモリ１０２ａとしてフラッシュメモリを用いても良い。
【００３６】
表示部１０３は、閾値や計測対象物体までの距離等に係る各種数値等が表示される液晶表示部１０３ａと、目的とする出力であるオン／オフ状態等を示す表示灯ＬＥＤ１０３ｂとを含む。通信部１０４は、センサヘッド部２との通信を担うものである。
【００３７】
通信部１０５は、外部のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１０に接続するためのＵＳＢ通信部１０５ａと、コマンドやプログラムデータの送受信などに使用されるシリアル通信部１０５ｂと、所定のプロトコル並びに送受信フォーマットに従って、左右の隣接する他の信号処理部との間でデータ通信を行なう信号処理部間通信部１０５ｃとを備えている。
【００３８】
キー入力部１０６は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。外部入力部１０７はたとえばＰＬＣ等の上位装置から、信号処理部１に対して各種の指令を受信するためのものである。出力部１０８は、目的とするオン／オフ出力をＰＬＣ等の上位装置に出力するために使用される。電源部１０９は、制御部１０１並びに外部のハードウェア回路に対し電源を供給するものである。
【００３９】
図４は、センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。図４に示されるように、センサヘッド部２は、制御部２０１と、計測対象物体５へと向けてラインビームを照射するための投光部２０２と、計測対象物体５により反射されて到達するラインビームを受光する受光部２０３と、表示灯ＬＥＤ２０４と、記憶部２０５と、通信部２０６とを備えている。
【００４０】
制御部２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＰＬＤ（Programmable Logic Device）とにより構成され、センサヘッド部２の各構成要素２０２〜２０６を統括制御するとともに、受光信号を受光部２０３から取り出し、信号処理部１に送り出す処理を担うものである。
【００４１】
投光部２０２は、この例では投光素子としてのレーザダイオードと投光回路とを備え、計測対象領域へ向けてラインビームを照射する。図示しないが投光回路はたとえばＡＰＣ（Auto Power Control）機能を有し、レーザダイオードの光出力をモニタして、その結果をレーザダイオードに供給する駆動電流にフィードバックさせることにより、レーザダイオードの光出力を一定に保つ。
【００４２】
受光部２０３は、ラインビームの反射光を受光して、受光した光の画像を取得する２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）と、制御部２０１からのタイミング制御信号に同期して、２次元撮像素子から得られる受光信号を増幅して制御部２０１に出力する受光信号処理部とを含む。表示灯ＬＥＤ２０４は、センサヘッド部２の各種動作状態に対応して点消灯する。
【００４３】
記憶部２０５は、たとえば不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）から構成され、この例では、センサヘッド部２を同定するためのＩＤ（識別情報）等が記録される。通信部２０６は、制御部２０１の命令に従って、信号処理部１との通信を担うものである。
【００４４】
本実施形態のセンサヘッド部２は、上述のような回路構成とされ、信号処理部１の指令に応じて適宜の投受光処理を行なう。なお信号処理部１の通信部１０４とセンサヘッド部２の通信部２０６との間の通信方式は特に限定されるものではないが、一例として、ＬＶＤＳ（Low voltage differential signaling）を適用することができる。
【００４５】
［計測原理および計測動作例］
図５は、センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。図５を参照して、本実施の形態に係る光学系は、レーザダイオード２０２ａと、スリット２０２ｂと、投光レンズ部２０２ｃと、２次元ＣＣＤ２０３ａと、受光光学系２０３ｂとを含む。なおレーザダイオード２０２ａと、スリット２０２ｂと、投光レンズ部２０２ｃとは、図４に示す投光部２０２を構成する。本実施の形態では、スリット２０２ｂは投光レンズ部２０２ｃの内部に配置される。
【００４６】
レーザダイオード２０２ａから発せられた投光ビーム５３（照射光）は、スリット２０２ｂおよび投光レンズ部２０２ｃにより成形されて、所定の計測領域中に存在する計測対象物体５の表面５Ａにラインビームとして照射される。投光レンズ部２０２ｃは単レンズもしくはアナモフィック系単レンズ（たとえばシリンドリカルレンズ）により構成されてもよいし、複数のレンズを組み合わせた組レンズもしくはアナモフィック系単レンズ（たとえばシリンドリカルレンズ）を含む複数のレンズを組み合わせた組レンズでもよい。投光レンズにアナモフィック系単レンズを用いることによって、計測対象物体５の表面において、ラインビームの短手方向にラインビームを絞ることができる。
【００４７】
なお、図５では断面図を示しているので、図中、断面内（紙面上）において投光ビーム５３は収束光として絞られて計測対象物体へ照射されるよう示されているが、断面に垂直な方向（紙面垂直方向）に関しては、投光ビーム５３は線状に延びたラインビームとして計測対象物体５へ照射される。なお、以下の説明における「照射領域」とは、計測対象物体５の表面５Ａにおいて投光ビーム５３の断面輪郭線像が存在しうる全範囲（２次元撮像素子で撮像できる全範囲）であると規定する。
【００４８】
一方、この投光ビーム５３（ラインビーム）の照射により生じた断面輪郭線像は、所定の方向から受光光学系２０３ｂを介して、２次元撮像素子としての２次元ＣＣＤ２０３ａで撮影される。すなわち受光光学系２０３ｂおよび２次元ＣＣＤ２０３ａからなる受光部は、計測対象物体５の表面５Ａで投光ビーム５３が反射されて生じた拡散反射光および正反射光のいずれの反射光についても、計測対象物体５の表面５Ａの変位に応じて得られる反射光像の位置が変化する方向から受光する。そして受光部はその反射光像の画像を取得する。２次元ＣＣＤ２０３ａは、計測対象物体５の表面５Ａの変位の変化に対応して断面輪郭線像の撮像面２０３ｃにおける結像位置が変化する方向から断面輪郭線像を撮像する。このように三角測量の原理に基づいて、断面内に垂直な方向に沿う断面輪郭線像の各位置での変位が計測される。
【００４９】
以下では、投光ビーム５３の中心光軸（投光中心軸５４）、受光光学系２０３ｂの中心光軸（受光中心軸５６）を含む面を「入射平面」と定義する。また、平面計測対象物体５の表面５Ａにおける断面輪郭線像の中心軸と、受光光学系２０３ｂの中心光軸に対応する受光光軸とを含む面を「ビーム集光面」と定義する。
【００５０】
断面輪郭線像の中心光軸としては、ラインビームの長手方向に平行な軸でラインビームの短手方向の幅の中心を通る軸、ラインビームの短手方向に平行な軸でラインビームの長手方向の幅の中心を通る軸の両方が適用可能である。なお、図５においてはラインビームの長手方向とは紙面垂直方向であり、ラインビームの短手方向とは、ラインビームの長手方向に垂直かつ紙面に平行方向である。
【００５１】
受光光学系２０３ｂは、反射光ビーム５５を２次元ＣＣＤ２０３ａの撮像面２０３ｃ上に結像させる。本実施の形態では、反射光ビーム５５は投光ビーム５３の正反射光である。
【００５２】
図６に示すように、受光光学系２０３ｂはレンズ部２１１およびレンズ部２１１を固定するためのレンズホルダ２１３を備える。なお、レンズホルダ２１３は一体構造でもよいし、分離構造であってもよい。レンズ部２１１は反射光ビーム５５を撮像面２０３ｃに結像させるためのものである。この点を示すために、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）の各々には反射光ビーム５５の入射側および出射側を示している。ただし図６での説明は一例であって、「入射側」および「出射側」の配置が逆であってもよい。
【００５３】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、複数のレンズ２１１ａ〜２１１ｃを含む組レンズによりレンズ部２１１を構成した例を示す図である。図６（Ｃ）および図６（Ｄ）は、単レンズによりレンズ部２１１を構成した例を示す図である。反射光ビーム５５を撮像面２０３ｃに結像させることが可能であれば、レンズ部２１１を構成するレンズの枚数は特に限定されない。また、複数のレンズによりレンズ部２１１を構成する場合において、各レンズの種類は特に限定されるものではない。
【００５４】
図６（Ａ）および図６（Ｃ）に示した構成によれば、受光光学系２０３ｂは、レンズ部２１１およびレンズホルダ２１３に加えて遮光部２１２を備える。遮光部２１２は、複数のレンズ２１１ａ〜２１１ｃのうちの両端の屈折面の間もしくは屈折面近傍に配置されており、円形の開口２１２ａが形成される。円形の開口の外側の光は遮光部２１２ａにより遮光される。
【００５５】
屈折面近傍とは、屈折面とは接していないが、実質的に屈折面に入射する光の範囲を規定することになる程度の距離範囲内を意味する。遮光部２１２は、レンズホルダに一体的に設けてもよい。レンズ２１１ａ〜２１１ｃのうちの両端の屈折面とは、具体的には、「入射側」に向けられたレンズ２１１ａのレンズ面２１４および「出射側」に向けられたレンズ２１１ｃのレンズ面２１５である。
【００５６】
なお、図６（Ａ）では、遮光部２１２はレンズ２１１ｂとレンズ２１１ｃとの間に配置されているが、レンズ２１１ａとレンズ２１１ｃとの間に配置されてもよい。このように本実施の形態では、遮光部２１２は複数のレンズの並びの方向について両端に位置するレンズの間に配置される。また、遮光部はレンズ２１１ａおよび２１１ｃの両端の屈折面近傍の間に複数配置されてもよい。また、図６（Ｃ）に示した構成においては、遮光部２１２は「出射側」の屈折面（レンズ面２１６）近傍に設けられているが、図６（Ｃ）に示すレンズ部２１１の「入射側」の屈折面（レンズ面２１７）の近傍に遮光部２１２が配置されていてもよい。
【００５７】
一方、図６（Ｂ）および図６（Ｄ）に示した構成においては、レンズホルダ２１３が遮光部の機能を兼ね備えている。具体的に説明すると、レンズ２１１ａ〜２１１ｃの周縁部がレンズホルダ２１３により覆われている。
【００５８】
図６（Ａ）〜図６（Ｄ）の各々にはレンズ軸を示しているが、このレンズ軸は上記の受光中心軸５６に対応する。さらに、受光中心軸５６上の位置Ｘ１から位置Ｘ２までの範囲は、受光中心軸５６上における遮光部の範囲として規定される範囲に対応する。図６（Ａ）および図６（Ｃ）に示した構成のようにレンズホルダ２１３とは別に遮光部２１２が設けられる場合には、遮光部の範囲は、たとえば遮光部２１２の厚みに対応する受光中心軸５６上の範囲となる。一方、図６（Ｂ）および図６（Ｄ）に示した構成のように、レンズホルダ２１３が遮光部２１２の機能を兼ね備える場合には、レンズホルダ２１３により、受光中心軸５６上における遮光部の範囲が規定される。
【００５９】
なお、遮光部２１２を複数設ける場合には、その複数の遮光部２１２の両端に位置する２つの遮光部によって受光中心軸５６上における遮光部の範囲が規定してもよい。また、受光中心軸５６上における遮光部の範囲とは必ずしも広がりを持つものと限定されず、たとえば図６に示す位置Ｘ１あるいは位置Ｘ２等、ある特定の位置であってもよい。
【００６０】
図５に戻り、２次元ＣＣＤ２０３ａは、その撮像面２０３ｃが受光中心軸５６に対して垂直よりやや斜めに傾くよう配置されているが、この配置はシャインプルーフの原理を利用したものである。図７に示すように、撮像面２０３ｃと投光中心軸５４とは非平行の関係にある。また、撮像面２０３ｃとレンズ面(レンズ部２１１の光軸に垂直な面）とは非平行の関係にある。ただし、投光中心軸５４と受光中心軸５６とが垂直に配置されている場合においては、例外として撮像面２０３ｃが受光中心軸５６に対して垂直に配置され、かつ撮像面２０３ｃと投光中心軸５４とは平行の関係、撮像面２０３ｃとレンズ面（レンズ部２１１の光軸に垂直な平面）とは平行の関係になる。なお図７では、説明の理解を容易にするために、投光ビーム５３を投光中心軸５４と重ねて示している。
【００６１】
さらに、図７に示していないが、投光中心軸５４と撮像面２０３ｃとレンズ面とが１軸上で交わるように、２次元ＣＣＤ２０３ａおよびレンズ部２１１が配置される。ただし投光中心軸５４と受光中心軸５６とが垂直に配置されている場合においては、例外として投光中心軸５４と撮像面２０３ｃとレンズ面とがすべて平行に配置される。このような配置関係により、照射領域Ａにおける変位（段差）を計測する場合にその段差の計測範囲の上端位置、中央位置、下端位置のいずれにおいても焦点を合わせることができる。これによって計測対象物体表面の変位を精度よく計測することが可能となる。
【００６２】
続いて、図８および図９を参照して、一例として、蒲鉾型（扁平に変形した半円型）の計測対象物体の段差の計測について説明する。
【００６３】
図８は、センサヘッド本体部からの照射光と反射光を示した図である。
図９は、２次元撮像素子で反射光を断面輪郭線像として撮像した画像を示した図である。
【００６４】
図８に示すようにレーザ光が照射された計測対象物体の表面を撮影すると、表面高さに応じて２次元撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化する図９のような断面輪郭線像が得られる。物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。この像から、各ラインビームが照射されている物体表面上のトップとボトムの差を算出し、照射角と受光角を用いて演算を行なえば計測対象物体表面の段差、すなわちラインビームが照射された部分の任意の点における変位の測定が可能となる。断面輪郭線像に基づく計測処理は信号処理部１（図１、図３参照）により実行される。
【００６５】
なお、上記した段差の計測方法と同様の方法により、物体表面における突起部の高さ、あるいは物体表面に形成された溝部の深さの計測も可能である。また上記方法によれば、突起部あるいは溝部の幅の測定も可能である。
【００６６】
［本実施形態の光学系］
図１０は、本実施形態の光学系をビーム集光面に平行な方向に沿って示す概略構成図である。図１０を参照して、本実施形態の光学系は、投光部２０２、受光光学系２０３ｂおよび撮像部としての２次元ＣＣＤ２０３ａを備える。投光部２０２は、計測対象物体５の表面５Ａにおいて線状となる投光ビーム５３を計測対象物体５に投光する。受光光学系２０３ｂは、その投光ビーム５３の計測対象物体５の表面（照射領域Ａ）での反射光を、２次元ＣＣＤ２０３ａの撮像面２０３ｃに結像させる。なお、ビーム集光面は、本発明における「所定の平面」に対応する。また、図１０に示した光学系においては、ビーム集光面が入射平面に垂直である。
【００６７】
受光光学系２０３ｂは、レンズ部２１１および遮光部２１２を含む。図１０ではレンズ部２１１については概略的にレンズ２１１ａ，２１１ｃのみを示すとともに、レンズ２１１ａ，２１１ｃを模式的に薄肉レンズとして示す。また、図１０では遮光部２１２はレンズホルダ２１３と別に設けられてもいるが、レンズホルダ２１３に遮光部２１２の機能を兼ね備えてもよいのは上述の通りである。
【００６８】
照射領域Ａの各点（代表的に照射領域Ａの両端に位置する点Ｐ１，Ｐ２を示す）において投光ビーム５３が拡散反射されることにより生じた拡散光のうち、ビーム集光面に平行な方向の成分を拡散反射光５７とする。
【００６９】
遮光部２１２は、計測領域中に存在する計測対象物体５によって投光ビーム５３が拡散反射された場合に、当該拡散反射光のうちビーム集光面に平行な成分について、２次元ＣＣＤ２０３ａに到達する拡散反射光５７の受光中心軸５６に対する入射角度範囲を規定するように構成される。具体的には、開口２１２ａの径によって、拡散反射光５７が遮光部２１２の開口２１２ａを通過するときに拡散反射光５７の進行方向と受光中心軸５６とがなす最大角度θが規定される（図１０（Ａ））。
【００７０】
図１０（Ａ）では、拡散反射光５７が受光光学系２０３ｂに入射した後の拡散反射光５７の軌跡を示している。拡散反射光５７は、受光光学系２０３ｂにより、撮像面２０３ｃのある撮像領域２０３ｄ内に結像される。撮像領域２０３ｄは、撮像面２０３ｃのうち撮像可能な領域として予め定められた領域（有効撮像領域）に含まれる。この有効撮像領域内に光像を結像させることによって、２次元ＣＣＤ２０３ａは計測対象物体５の表面５Ａの光像を取得することが可能となる。これにより変位の測定が可能となるので、照射領域Ａのうち有効撮像領域内に光像を結像させることが可能な範囲（領域）を以下では「有効計測範囲」と呼ぶことにする。なお上述のように有効計測領域とは、たとえば撮像面２０３ｃの有効撮像領域に基づいて予め定められるものである。
【００７１】
また、図１０（Ｂ）に示すように、照射領域Ａで正反射される投光ビームのうちビーム集光面に平行な成分を反射光ビーム５５とする。投光部２０２は、反射光ビーム５５が、遮光部２１２の存在する受光中心軸５６方向の位置で集光されるように投光ビーム５３を投光する。すなわち、反射光ビーム５５の受光中心軸５６上での集光位置Ｐは、受光中心軸５６上において遮光部２１２を規定する範囲内に含まれる。
【００７２】
なお、遮光部２１２が存在する受光中心軸５６方向の位置とは、受光中心軸５６方向での遮光部２１２の位置が、規定される拡散反射光の入射角度範囲の両端で同じ位置となる場合、異なる位置となる場合の両方を含む。また、規定される拡散反射光５７の入射角度範囲の両端で遮光部２１２が異なる位置となる場合には、それら異なる位置が存在する受光中心軸５６方向の範囲内で反射光ビーム５５が集光される場合も含む。
【００７３】
なお、図１０では、遮光部２１２を規定する範囲は１点で示されているが、図６に示したように受光中心軸５６上において遮光部２１２を規定する範囲は１点に限定されるものではなく、ある程度の幅を有していてもよい。
【００７４】
また、「集光位置」とは、図１０においては光が１点に集まる位置として示しているが、これに限定されない。たとえば反射光ビーム５５のビーム集光面方向のビーム幅が最小となる位置でもよいし、その近傍の位置でもよい。またビーム幅が最小となる位置およびその近傍を含む範囲であってもよい。反射光ビーム５５が集光された状態であるとみなすことが可能な位置であれば上記の「集光位置」とすることができる。
【００７５】
また、投光部２０２は、ビーム集光面方向のビーム幅が一定となる投光ビーム５３を投光してもよいが、本実施の形態では、投光部２０２から受光光学系２０３ｂへ投光ビーム５３が進むにつれてビーム集光面方向のビーム幅が次第に小さくなるように、投光部２０２が投光ビーム５３を投光する。ビーム幅が次第に小さくなるように投光ビーム５３を投光することによって、レンズ部２１１（レンズ２１１ａ〜２１１ｃ）の物理的な直径を小さくできる。したがって図１０に示す光学系を備えるセンサヘッド本体部２０を小型化できる。
【００７６】
なお、図１０に示した構成は、本実施形態に係る光学系の一態様を示したものであり、拡散反射光および正反射光のビーム集光面に平行な成分について、上記関係を成立させるものである。本実施形態に係る光学系は、拡散反射光および正反射光の各々について、受光中心軸５６を含む「所定の平面」に平行な成分が上記関係を満たすように構成されるものである。すなわち本実施形態では、受光中心軸５６を含む「所定の平面」をビーム集光面以外にも定めることが可能である。この場合においても、遮光部２１２は、拡散反射光のうち所定の平面に平行な成分について、当該拡散反射光のうち２次元ＣＣＤ２０３ａに到達する拡散反射光の受光中心軸５６に対する入射角度範囲を規定する。さらに、投光部２０２は、正反射光の所定の平面に平行な成分が、遮光部２１２の存在する受光中心軸５６方向の位置で集光されるように投光ビーム５３を投光する。
【００７７】
次に、本実施の形態に係る光学系について図１１および図１２を参照しながら詳細に説明する。
【００７８】
図１１は、計測対象物体表面で拡散反射された光ビームの軌跡を説明する図である。図１１（Ａ）は、レンズホルダ２１３が遮光部の機能を兼ね備えた場合を示す図であり、図１１（Ｂ）は、遮光部をレンズホルダ２１３とは別に設けた場合を示す図である。
【００７９】
図１１を参照して、点Ｐ１，Ｐ２は図１０に示した点Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ対応するものであり、照射領域Ａに照射されたラインビームの両端の位置に対応する。拡散反射光５７ａ，５７ｂは、点Ｐ１，Ｐ２においてラインビームが拡散反射されることにより生じた光であり、受光光学系２０３ｂによって撮像面２０３ｃ上に結像される。なお、図１１は、拡散反射光５７ａ，５７ｂのビーム集光面方向の軌跡を示している。
【００８０】
図１１（Ａ）を参照して、角度θ１は、拡散反射光５７ａが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ａの最大傾斜角を示している。角度θ２は、拡散反射光５７ｂが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ｂの最大傾斜角を示す。「ビーム集光面方向での拡散反射光の傾斜」とは、ビーム集光面に垂直な軸を中心として、ビーム集光面上で拡散反射光の進行方向が回転した状態を意味する。
【００８１】
図１１（Ａ）では、レンズホルダ２１３の一部が拡散反射光５７ａ，５７ｂの遮蔽部位として機能するため、ビーム集光面方向での拡散反射光の最大傾斜角はその遮蔽部位によって規定されることを示している。すなわち角度θ１は遮蔽部位２１３ａ，２１３ｂにより規定され、角度θ２は遮蔽部位２１３ｃ，２１３ｄにより規定される。
【００８２】
図１１（Ｂ）に示した構成では、ビーム集光面方向での拡散反射光の最大傾斜角は、遮光部２１２の開口２１２ａによって規定される。角度θ１ａは、拡散反射光５７ａが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ａの最大傾斜角を示し、角度θ２ａは、拡散反射光５７ｂが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ｂの最大傾斜角を示す。
【００８３】
図１２は、計測対象物体表面で反射された投光ビームの軌跡を説明する図である。図１２（Ａ）は、反射光ビームのビーム集光面方向での集光位置を説明する図である。図１２（Ａ）を参照して、反射光ビーム５５の集光位置Ｐは、受光中心軸５６上において遮光部２１２により規定される範囲にある。具体的には、集光位置Ｐは、遮光部２１２の厚みとして規定される受光中心軸５６上の範囲のほぼ中央にある。
【００８４】
図１２（Ｂ）は、計測対象物体５が傾くことにより投光ビームが傾いた状態を示す図である。なお図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）と同様に、反射光ビーム５５のビーム集光面方向の成分を示している。図１２（Ｂ）を参照して、計測対象物体５が図１２（Ａ）に示した状態より傾いていくと、投光ビームが傾くことにより反射光ビーム５５も傾く。反射光ビーム５５が傾くにつれて、その一部は遮光部２１２により遮られ、最終的には反射光ビーム５５のすべてが遮光部２１２により遮られる。
【００８５】
上記のように光学系を構成することによって、計測対象物の傾斜している場合、あるいは計測対象物の表面の一部が傾斜面（あるいは球面）である場合においても、精度のよい計測が可能となる。この点について、遮蔽部の範囲内に反射光ビームの集光位置が存在しない場合と比較しながら説明する。
【００８６】
図１３は、遮蔽部の範囲内に反射光ビームの集光位置が存在しない状態を説明する図である。図１３を参照して、投光ビーム５３は、ステージ５Ｓ上に載置された計測対象物体５の表面５Ａにおいて正反射される。投光ビーム５３の正反射により生じた反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通る。なお開口２１２ａは円形である。この光学系においては、ビーム集光面方向のビーム幅が一定のまま、反射光ビーム５５が遮光部２１２の開口２１２ａを通過する。この場合、反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通過後に集光されるので、その集光位置は遮光部２１２の外側となる。なお、図１３には、投光ビーム５３の断面輪郭線像が存在しうる全範囲（２次元ＣＣＤ２０３ａ（図１３に示さず）で撮像可能な全範囲）としての照射領域Ａを示している。
【００８７】
図１３は、計測対象物体５がステージ５Ｓ上に正しく載置された状態を示している。この状態では反射光ビーム５５は開口２１２ａの周縁に遮られることなく開口２１２ａを通過できる。
【００８８】
しかしながら計測対象物体５が傾くことがある。たとえばステージ５Ｓ上に段差がある場合、あるいはステージ５Ｓ上と計測対象物体５との間に異物が挟まった場合などにおいては、表面５Ａが傾いた状態で計測対象物体５がステージ５Ｓ上に載置される。したがって、実線の矢印に示すように計測対象物体５の左右方向（紙面左右方向に等しい）に傾斜が生じたり、破線の矢印に示すように計測対象物体５の前後方向（紙面垂直方向に等しい）に傾斜が生じたりする。計測対象物体５が傾斜した場合には、反射光ビーム５５の進行方向が変わるために反射光ビーム５５の一部あるいは全部が遮光部２１２により遮られる。
【００８９】
計測対象物体５がラインビームの長手方向に傾いた場合（図１３に示す破線の矢印の方向に傾いた場合）、断面輪郭線像は斜めに傾く。また、投光ビーム５３は、短手方向には、計測対象物体５の表面５Ａにおいて集光されて計測対象物体５の表面５Ａでの反射後に広がりながら進むものとする。
【００９０】
図１４は、図１３に示した光学系のうちの受光光学系の構成例を示す概略図である。なお図１４に示した構成では、レンズホルダ２１３が遮光部の機能を兼ね備えるものとする。また、図１４は、ビーム集光面方向に沿った反射光ビーム５５の軌跡を示している。図１４（Ａ）を参照して、反射光ビーム５５の集光位置Ｐａは、レンズホルダ２１３（遮光部）の外側にある。
【００９１】
図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示した光学系において、計測対象物体５が傾くことにより投光ビームが傾いた状態を示す図である。図１４（Ｂ）を参照して、計測対象物体５が図１４（Ａ）に示した状態より傾いていくと、投光ビーム（図示せず）が傾くことにより反射光ビーム５５も傾く。反射光ビーム５５が傾くにつれて、その一部が遮光部２１２により遮られ、最終的には反射光ビーム５５のすべてが遮光部２１２により遮られる。ただし、図１２に示した構成に比較すれば、遮光部２１２により反射光ビーム５５の一部が遮られ始めるときの反射光ビーム５５の傾斜角度（受光中心軸５６に対する角度）が小さくなる。このために、以下の図１５〜図１８に示した課題が生じやすくなる。なお図１５、図１７、図１８は、投光ビーム５３および反射光ビーム５５の入射平面に平行な成分を示している。
【００９２】
図１５は、図１３に示した光学系において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。図１５に示すように、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。このため２次元ＣＣＤ（図１５に示さず）の受光量が減少する。さらに、開口２１２ａの周縁部分では、回折光５８（図１６参照）が生じる。この回折光が受光レンズを介して２次元ＣＣＤに入射する可能性がある。これらの理由により計測結果に誤りが生じることが考えられる。
【００９３】
図１６は、図１３の光学系において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。図１６に示すように、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。このため２次元ＣＣＤ（図１６に示さず、以下同じ）の受光量が減少する。さらに開口２１２ａの周縁部分では回折光５８が生じる。この回折光５８が図示しない受光レンズを介して２次元ＣＣＤに入射する可能性がある。これらの理由により計測結果に誤りが生じることが考えられる。
【００９４】
また、計測対象物体表面の一部が傾斜面（あるいは曲面）である場合、その面の傾斜角度（あるいは曲率）が大きくなると、図１５あるいは図１６に示した状態と同様の状態が発生しうる。図１７は、計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。図１７に示すように、計測対象物体５の表面５Ａ（照射領域）の傾斜（あるいは曲率）が大きくなると、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。
【００９５】
また、図１８に示すように、計測対象物体５がステージ５Ｓ上に正しく載置されていても、センサヘッド本体部２０自体が傾斜していることも起こりうる。図１８に示すように反射光ビーム５５が平行光である場合、センサヘッド本体部２０の傾斜によって、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。
【００９６】
これらの課題を解決するために、開口２１２ａの径を大きくすることが考えられる。これによって、反射光ビーム（平行光ビーム）の入射角度の許容範囲を広げることが可能になる。しかしながら開口径を広げることによって、その遮光部２１２の後段に設けられたレンズの収差（たとえば球面収差とする）が無視できなくなる。すなわち収差によって、２次元ＣＣＤの撮像面では光像がぼやける。これによって計測精度が低下するという課題が発生する。
【００９７】
撮像面上の光像がぼやけるという課題を解決するために、たとえば非球面レンズによって球面収差を補正する方法が考えられる。ただし、センサヘッド本体部２０と計測対象物体５との距離（すなわちワーキングディスタンス）を確保しつつ遮光部の開口径を拡大しようとすると、その非球面レンズの物理的な直径を大きくしなければならない。このためセンサヘッド本体部２０が大型化するという課題が新たに発生する。
【００９８】
また、図１８に示した課題については、センサヘッド本体部２０の傾きを修正することによって解決可能である。しかし、センサヘッド本体部２０の傾きが小さくても図１５〜図１７に示した課題が発生する場合には、センサヘッド本体部２０の傾きを修正する必要がある。この修正に要する手間が大きくなることが考えられる。
【００９９】
本実施の形態によれば、受光中心軸５６上における遮光部の範囲内に、反射光ビームの集光位置が存在する。これにより、開口２１２ａの径の大きさを最大限に利用して、反射光ビーム５５の入射角度の許容範囲を定めることができる。したがって、計測対象物体がある程度傾斜している場合、あるいは計測対象物体表面の傾斜あるいは曲率がある程度大きい場合においても計測対象物体表面の変位を計測できる。この点につき、図１９〜図２２２を示しつつ説明する。なお図１９、図２１、図２２は、投光ビーム５３および反射光ビーム５５の入射平面に平行な成分を示している。上述のように、本実施の形態に係る光学系では、正反射光のうち、受光中心軸５６を含む「所定の平面」に平行な成分が、遮光部２１２の存在する受光中心軸５６方向の位置で集光されるように投光ビーム５３を投光する。したがって、本実施の形態によれば、以下に説明する効果を得ることができる。
【０１００】
図１９は、本実施の形態において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。なお図１９は図１５と対比される図である。図１９に示すように、本実施の形態ではレンズ２１１ａによって、受光中心軸（図示せず）上における遮光部２１２の範囲内に反射光ビーム５５が集光される。したがって開口２１２ａでは、反射光ビーム５５のビーム幅が小さくなる。このため計測対象物体５の左右方向の傾斜角度が大きくなっても反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通過できる。
【０１０１】
この場合の計測対象物体５の傾きとは、「予め定められた計測対象範囲内の傾き」である。この傾きは、光学式計測装置が仕様などに基づいて予め定めている、計測対象物体の計測可能な（仕様によって計測対象にすると定めた）角度範囲内の傾きである。また、この場合の「ビーム集光面」とは、投光部からのラインビームが平面計測対象物体の表面で反射されて生じる反射光ビームの計測対象物体の表面上におけるライン方向と、受光中心軸とに平行な平面として定義される。
【０１０２】
図２０は、本実施の形態において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。なお図２０は図１６と対比される図である。図２０に示すように、開口２１２ａでは反射光ビーム５５のビーム幅が小さくなるので、計測対象物体５の前後方向の傾斜角度が大きくなっても反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通過できる。さらに反射光ビーム５５の一部が開口２１２ａの周縁によって回折するのを回避できる。
【０１０３】
図２１は、本実施の形態において、計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。なお、図２１は図１７と対比される図である。図２１に示すように、傾斜面（曲面でもよい）での投光ビーム５３の反射により生じた反射光ビーム５５は、レンズ２１１ａによって、受光中心軸（図示せず）上における遮光部２１２の範囲内に集光される。このため計測対象物体５の表面５Ａの角度（あるいは曲率）がある程度大きくなっても、反射光ビーム５５は、遮光部２１２の開口２１２ａを通ることができる。なお、計測対象物体表面の傾斜は、上記「予め定められた計測対象範囲内の傾き」である。
【０１０４】
図２２は、本実施の形態において、センサヘッド本体部２０が計測対象物体５の左右方向に傾いた状態を示す図である。なお図２２は図１８と対比される図である。図２２に示すように反射光ビーム５５をレンズ２１１ａで集光させることにより、センサヘッド本体部２０がある程度傾斜していても反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通ることができる。これによって、センサヘッド本体部２０の傾きを調整するために要する手間を少なくすることができる。
【０１０５】
なお、上記レンズ部２１１の構成では、レンズ部２１１は複数のレンズからなる組レンズである。この構成においては、たとえば集光ぎみ（ビーム集光面方向のビーム幅が次第に小さくなる）の投光ビームを、複数のレンズの一部で集光することによりレンズ部２１１の内部で集光位置を生じさせることができる。一方、図２３に示すように、レンズ部２１１が単レンズの場合、反射光ビーム５５の集光位置Ｐが単レンズの内部となるように投光ビーム５３が投光部より投光される。この場合、レンズホルダ２１３が遮光部としての機能を兼ね備えているので、受光中心軸５６上における遮光部の範囲は、図２３に示す位置Ｘ１から位置Ｘ２までの範囲となる。したがって、集光位置Ｐは受光中心軸５６上における遮光部の範囲内に存在する。
【０１０６】
また、上記説明では、計測対象物体表面からの正反射光を受光する方式（正反射方式）を示したが、計測対象物体表面での拡散反射光を受光する方式（拡散反射方式）にも本実施の形態に係る光学系を適用できる。
【０１０７】
図１０（Ａ）に示したように、本実施の形態では、有効計測範囲からの拡散反射光５７の入射角度範囲を規定するように、遮光部２１２の開口２１２ａの大きさ（開口径）が定められる。有効照射領域とは、光学式計測装置の予め定められた有効計測範囲に対応する。したがって、この領域からの拡散反射光を撮像面２０３ｃに結像させることによって、拡散反射方式による計測が可能となる。
【０１０８】
なお、本発明の適用範囲は、計測対象物体に照射する光をラインビームとした、計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布の変位計測に限られない。たとえば、照射する光の形状は、円形ビームや矩形ビームを含む任意の形状として、計測対象物体の表面上のスポットによる変位計測を行なう場合にも適用可能である。
【０１０９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本実施形態の光学式計測装置の信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。
【図２】センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。
【図３】図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。
【図４】センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。
【図５】センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。
【図６】受光光学系２０３ｂの一構成例を示す図である。
【図７】シャインプルーフの原理に従う受光部の配置を示す模式図である。
【図８】センサヘッド本体部からの照射光と反射光を示した図である。
【図９】２次元撮像素子で反射光を断面輪郭線像として撮像した画像を示した図である。
【図１０】本実施形態の光学系をビーム集光面に平行な方向に沿って示す概略構成図である。
【図１１】計測対象物体表面で拡散反射された光ビームの軌跡を説明する図である。
【図１２】計測対象物体表面で反射された投光ビームの軌跡を説明する図である。
【図１３】遮蔽部の範囲内に反射光ビームの集光位置が存在しない状態を説明する図である。
【図１４】図１３に示した光学系のうちの受光光学系の構成例を示す概略図である。
【図１５】図１３の光学系において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図１６】図１３の光学系において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図１７】計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図１８】センサヘッド本体部２０が計測対象物体５の左右方向に傾いた状態を示す図である。
【図１９】本実施の形態において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図２０】本実施の形態において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図２１】本実施の形態において、計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図２２】本実施の形態において、センサヘッド本体部２０が計測対象物体５の左右方向に傾いた状態を示す図である。
【図２３】受光光学系のレンズ部が単レンズにより構成される場合の焦点位置を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１ 信号処理部、２ センサヘッド部、５ 計測対象物体、５Ａ 表面、５Ｓ ステージ、１０ 外殻ケース、１４ 操作部蓋、１５ 表示部、１６ 信号処理部間コネクタ蓋、１７ センサヘッド部接続用コネクタ、２０ センサヘッド本体部、２１ ケーブル、２７ 信号処理部接続用コネクタ、５１ 投光窓、５２ 受光窓、５３ 投光ビーム、５４ 投光中心軸、５５ 反射光ビーム、５６ 受光中心軸、５７，５７ａ，５７ｂ 拡散反射光、５８ 回折光、１０１ 制御部、１０２ 記憶部、１０２ａ 不揮発性メモリ、１０２ｂ 画像メモリ、１０３ 表示部、１０３ａ 液晶表示部、１０３ｂ，２０４ 表示灯ＬＥＤ、１０４，１０５， 通信部、１０５ａ ＵＳＢ通信部、１０５ｂ シリアル通信部、１０５ｃ 信号処理部間通信部、１０６ キー入力部、１０７ 外部入力部、１０８ 出力部、１０９ 電源部、２０１ 制御部、２０２ 投光部、２０２ａ レーザダイオード、２０２ｂ スリット、２０２ｃ 投光レンズ部、２０３ 受光部、２０３ａ ２次元ＣＣＤ、２０３ｂ 受光光学系、２０３ｃ 撮像面、２０３ｄ 撮像領域、２０５ 記憶部、２０６ 通信部、２１１ レンズ部、２１１ａ-２１１ｃ レンズ、２１２ 遮光部、２１２ａ 開口、２１３ レンズホルダ、２１３ａ-２１３ｄ 遮蔽部位、２１４-２１７ レンズ面、Ｐ，Ｐａ 集光位置、Ｐ１，Ｐ２ 点、Ｘ１，Ｘ２ 位置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学式計測装置に関し、特に、光学式計測装置に含まれる光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な計測対象物体の変位、長さ、角度などを計測するためのセンサ装置が知られている。たとえば、光源からの光をラインビームに整形して計測対象物体表面に所定角度で照射する投光部と、二次元撮像素子を使用して計測対象物体表面のラインビーム照射位置をラインビームの照射方向とは異なる方向から撮影して光切断面の断面輪郭線像を含む画像を取得する撮影部と、この撮影部を介して得られる光切断面の断面輪郭線像に基づいて所定の計測処理を実行することにより、計測値及び／又は判定値を生成する計測部と、を具備する、光切断法を利用した光学式計測装置（『変位センサ』とも称される）が知られている。
【０００３】
上記の光学式計測装置は三角測量の原理を応用して変位を計測するものであるが、撮像部で受光する計測対象領域からの反射光の種類により２種類に大別できる。その１つは物体からの正反射光を直接受光する方式のものであり、もう１つは、投光ビームを測定面に対して垂直に投光して反射光中の拡散反射光を受光する方式のものである。
【０００４】
ここで、ラインビームの断面のなす直線の方向は、二次元撮影素子の視野内においては、垂直走査方向（または水平走査方向）に対応する。また、計測装置（一般には、センサヘッド）と計測対象物体との距離が変化したときにラインビームのなす断面輪郭線像が二次元撮像素子の視野内において移動する方向は、水平走査方向（または垂直走査方向）に対応する。これにより、二次元撮像素子の受光面には光切断面の断面輪郭線像が結像される。
【０００５】
かかる光学式計測装置によれば、切断光として直線状断面を有するラインビームを採用しているため、切断光として点状断面を有するスポット光を採用するもののように、切断光と計測対象物体とを相対移動させずとも、計測対象物体表面の一定直線に沿う一連の計測点の情報を一括して取得することができる。そのため、たとえば生産ラインを流れる工業製品の検査等に応用すれば、それら一連の計測点の情報に基づいて、計測対象物体表面各部の寸法を精密に測定して、製品の良否判定等を迅速かつ確実に行なうことができる。
【０００６】
この種の工業製品の検査等においては、様々な形状を有する計測対象物体を想定せねばならない。たとえば工業製品の中には、表面の一部が傾斜面あるいは曲面となっているためにセンサが取り込める反射光量が部分的に異なるものがある。このような工業製品の検査（表面変位の計測など）を行なう場合には、反射光量が不足して画像が暗くなる、または光が取り込めないため正常に計測ができないことがある。
【０００７】
特許第３５７５６９３号公報（特許文献１）には、このような問題を解決するために、撮影条件が異なる複数の画像を合成して合成画像に基づいて計測を行なう光学式計測装置が開示されている。
【特許文献１】特許第３５７５６９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許第３５７５６９３号公報（特許文献１）に記載の技術によれば、表面の一部が傾斜面あるいは曲面であることが予め分かっている計測対象物体については、変位の計測が可能と考えられる。しかしながら、生産ラインを流れる多数の工業製品の中には、たとえばステージとの間に異物が挟まったために、傾いた状態のままで移動する製品がまれに存在することが考えられる。このように計測対象物体が予期せぬ理由により傾斜している場合においてもその物体の表面変位計測が可能かどうかについては、特許文献１に特に説明されていない。
【０００９】
また、そのような事態を予め想定して、すべての計測対象物体に対して一律に複数の画像を撮像し、それらを合成することで各計測対象物体の変位を計測することが考えられる。ただしこの場合には、生産ラインでの生産性が低下することが予想される。
【００１０】
本発明の目的は、表面の一部に傾斜面あるいは曲面が存在する計測対象物体、あるいは傾いた計測対象物体に対して高精度な計測を可能とする光学式計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は要約すれば、光学式計測装置であって、投光部と、受光部と、計測処理部とを備える。投光部は、計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射光を投光する。受光部は、計測対象物体の表面で照射光が反射されて生じた拡散反射光および正反射光のいずれの反射光についても、計測対象物体の表面の変位に応じて得られる反射光像の位置が変化する方向から受光して、反射光像の画像を取得する。計測処理部は、受光部により取得された画像に基づいて、照射光を反射させる計測対象物体の表面の変位を計測する。受光部は、撮像部と、結像部と、遮光部とを含む。撮像部は、入射した光の像を画像として取得する。結像部は、投光部から投光された照射光が計測対象物体の表面で反射して生じた反射光を、撮像部に結像させる。遮光部は、計測領域中に存在する計測対象物体によって照射光が拡散反射された場合に、当該拡散反射光のうち結像部の中心光軸を含む所定の平面に平行な成分について、撮像部に到達する拡散反射光の結像部の中心光軸に対する入射角度範囲を規定する。投光部は、計測領域中に存在する計測対象物体によって照射光が正反射された場合に、照射光の正反射光のうち上記所定の平面に平行な成分が、遮光部の存在する結像部の中心光軸方向の位置で集光されるように、照射光を投光する。
【００１２】
「遮光部が存在する前記中心光軸の方向の位置」とは、結像部の中心光軸の方向での遮光部の位置が、規定される拡散反射光の入射角度範囲の両端で同じ位置となる場合も、異なる位置となる場合も含む。規定される拡散反射光の入射角度範囲の両端で遮光部が異なる位置となる場合には、それら異なる位置が存在する結像部中心光軸方向の範囲内において、正反射光のうちの所定の平面に平行な成分が集光される場合も含む。
【００１３】
好ましくは、投光部は、照射光としてラインビームを、計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射する。受光部は、計測対象物体の表面で反射されたラインビームの反射光を、計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、計測対象物体の表面の変位に対応して得られる反射光像の位置の分布が変化する方向から受光する。所定の平面は、投光部から照射されるラインビームの中心光軸と、結像部の中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ結像部の中心光軸を含む平面である。
【００１４】
好ましくは、投光部は、照射光としてラインビームを、計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射する。受光部は、計測対象物体の表面で反射されたラインビームの反射光を、計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、計測対象物体の表面の変位に対応して得られる反射光像の位置の分布が変化する方向から受光する。所定の平面は、平面の計測対象物体が予め定められた計測対象範囲内の傾きで計測領域中に置かれた場合に、投光部からのラインビームが計測対象物体の表面で反射されて生じる反射光ビームの計測対象物体の表面上におけるライン方向と、結像部の中心光軸とに平行な平面である。
【００１５】
「予め定められた計測対象範囲内の傾き」とは、光学式計測装置が仕様などに基づいて予め定めている、計測対象物体の計測可能な（仕様によって計測対象にすると定めた）角度範囲内の傾きである。
【００１６】
好ましくは、遮光部には、結像部の中心光軸を中心とする円形の開口が形成される。遮光部は円形の開口の外側の光を遮光する。
【００１７】
好ましくは、結像部は、複数のレンズを組み合わせた組レンズにより構成される。遮光部は、複数のレンズの並びの方向について両端に位置するレンズの間に配置される。
【００１８】
好ましくは、結像部は、単レンズである。照射光の正反射光のうちの所定の平面に平行な成分について、結像部の中心光軸方向での集光位置は、単レンズの内部にある。
【００１９】
好ましくは、遮光部は、計測対象物体の表面における予め定められた有効計測範囲からの拡散反射光のうち所定の平面に平行な成分について、結像部の中心光軸に対する入射角度範囲を規定する。
【００２０】
好ましくは、投光部は、ラインビームの所定の平面に平行方向のビーム幅が、ラインビームが投光部から受光部へ進むにつれて次第に小さくなるように、ラインビームを投光する。所定の平面は、投光部から照射されるラインビームの投光部中心光軸と、結像部の中心光軸である結像部中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ結像部の中心光軸を含む平面である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の光学式計測装置によれば、正反射成分を持つ表面の一部に傾斜面あるいは曲面が存在する計測対象物体、あるいは傾いた計測対象物体に対して高精度な計測が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２３】
［光学式計測装置の構成］
まず、図１〜図４を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置（変位センサ）の概略構成について説明する。
【００２４】
本実施形態の光学式計測装置は、制御盤などへのコンパクトな収容を可能とするために、また狭小な計測環境への据え付けを容易とするために、信号処理部とセンサヘッド部が分離されたいわゆるアンプ分離型の変位センサである。
【００２５】
図１は、本実施形態の光学式計測装置の信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。図１を参照して、信号処理部１の外殻ケース１０は、やや細長い直方体形状の形態を有している。外殻ケース１０の前面からは、図示されていないが外部接続コードが引き出されている。この外部接続コードには、外部入力線、外部出力線、電源線等が含まれている。外部入力線は、たとえば上位装置としてのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等から信号処理部１に対して各種の指令を外部から与えるためのものである。外部出力線は、信号処理部１の内部で生成されたスイッチング出力やアナログ出力などをＰＬＣ等へ出力するためのものである。電源線は、信号処理部の内部回路に対する電源を供給するためのものである。また、外殻ケース１０の下面には、図示されていないがＵＳＢ（Universal Serial Bus）コネクタと、ＲＳ-２３２Ｃコネクタとが設けられている。
【００２６】
外殻ケース１０の上面には開閉可能な操作部蓋１４が設けられている。この操作部蓋１４の下には、信号処理部１における各種の指令操作などを行なうための操作部が設けられている。また、外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部２により取得された計測対象画像情報や計測結果、計測値、設定画面等の表示を行なうための表示部１５が配置されている。
【００２７】
外殻ケース１０の左右側面には、信号処理部間コネクタ蓋１６が設けられている。この信号処理部間コネクタ蓋１６の内部には、他の信号処理部１を接続するための信号処理部間コネクタが設けられている。複数の信号処理部１は、ＤＩＮレールを介して隣接結合状態で１列に連装可能とされる。信号処理部１の外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部接続用コネクタ１７が設けられている。信号処理部１はこのセンサヘッド部接続用コネクタ１７を介して後述するセンサヘッド部２に接続されている。
【００２８】
センサヘッド部２は、センサヘッド部接続用コネクタ１７に対応する信号処理部接続用コネクタ２７と、ケーブル２１と、センサヘッド本体部２０とを含む。
【００２９】
センサヘッド本体部２０は、投光窓５１から計測対象物体にレーザ光を照射し、受光窓５２に計測対象物体からの反射光を受ける。センサヘッド本体部２０は、計測対象物体の形状に応じて光像位置が変化して見える角度から計測対象物体の表面を撮影して、撮影画像データを映像信号として出力する。
【００３０】
図２は、センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。図２に示すように、センサヘッド本体部２０に内蔵された投光素子（レーザダイオード）から出射されるパルス状レーザ光が、図示しない投光レンズを通して、計測対象物体５の表面にラインビームＬ１として照射される。これにより、計測対象物体５の表面にはラインビームの照射光像ＬＭ（以下、断面輪郭線像とも称する）が形成される。
【００３１】
計測対象物体５で反射したラインビームの反射光Ｌ２はセンサヘッド部２内の図示しない受光レンズを通して二次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）へと入射される。
【００３２】
すなわち、計測対象物体５の表面を、２次元撮像素子によりラインビームの照射方向とは異なる方向から撮影することにより、ラインビームの照射光像ＬＭを含む映像信号を取得する。そして、この映像信号に基づいて、所定の特徴量が抽出されて、目的とする変位量（この例ではセンサヘッド本体部２０と計測対象物体５との距離）の照射光像ＬＭに沿った分布が求められる。
【００３３】
図３は、図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。図３に示されるように、信号処理部１は、制御部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、センサヘッド部２との通信部１０４と、外部機器との通信部１０５と、キー入力部１０６と、外部入力部１０７と、出力部１０８と、電源部１０９とを含む。
【００３４】
制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）とにより構成され、信号処理部１全体の統括制御を担う。この制御部１０１は、センサヘッド部２からの映像信号に基づいて後述する各種機能を実現することにより上記の計測処理を実行すると共に、映像信号を所定の閾値を基準として二値化した後、これを出力データとして、出力部１０８から外部へと送出する。
【００３５】
記憶部１０２は、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０２ａと、表示部１０３に表示される画像データを記憶する画像メモリ１０２ｂとを含む。なお、不揮発性メモリ１０２ａとしてフラッシュメモリを用いても良い。
【００３６】
表示部１０３は、閾値や計測対象物体までの距離等に係る各種数値等が表示される液晶表示部１０３ａと、目的とする出力であるオン／オフ状態等を示す表示灯ＬＥＤ１０３ｂとを含む。通信部１０４は、センサヘッド部２との通信を担うものである。
【００３７】
通信部１０５は、外部のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１０に接続するためのＵＳＢ通信部１０５ａと、コマンドやプログラムデータの送受信などに使用されるシリアル通信部１０５ｂと、所定のプロトコル並びに送受信フォーマットに従って、左右の隣接する他の信号処理部との間でデータ通信を行なう信号処理部間通信部１０５ｃとを備えている。
【００３８】
キー入力部１０６は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。外部入力部１０７はたとえばＰＬＣ等の上位装置から、信号処理部１に対して各種の指令を受信するためのものである。出力部１０８は、目的とするオン／オフ出力をＰＬＣ等の上位装置に出力するために使用される。電源部１０９は、制御部１０１並びに外部のハードウェア回路に対し電源を供給するものである。
【００３９】
図４は、センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。図４に示されるように、センサヘッド部２は、制御部２０１と、計測対象物体５へと向けてラインビームを照射するための投光部２０２と、計測対象物体５により反射されて到達するラインビームを受光する受光部２０３と、表示灯ＬＥＤ２０４と、記憶部２０５と、通信部２０６とを備えている。
【００４０】
制御部２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＰＬＤ（Programmable Logic Device）とにより構成され、センサヘッド部２の各構成要素２０２〜２０６を統括制御するとともに、受光信号を受光部２０３から取り出し、信号処理部１に送り出す処理を担うものである。
【００４１】
投光部２０２は、この例では投光素子としてのレーザダイオードと投光回路とを備え、計測対象領域へ向けてラインビームを照射する。図示しないが投光回路はたとえばＡＰＣ（Auto Power Control）機能を有し、レーザダイオードの光出力をモニタして、その結果をレーザダイオードに供給する駆動電流にフィードバックさせることにより、レーザダイオードの光出力を一定に保つ。
【００４２】
受光部２０３は、ラインビームの反射光を受光して、受光した光の画像を取得する２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）と、制御部２０１からのタイミング制御信号に同期して、２次元撮像素子から得られる受光信号を増幅して制御部２０１に出力する受光信号処理部とを含む。表示灯ＬＥＤ２０４は、センサヘッド部２の各種動作状態に対応して点消灯する。
【００４３】
記憶部２０５は、たとえば不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）から構成され、この例では、センサヘッド部２を同定するためのＩＤ（識別情報）等が記録される。通信部２０６は、制御部２０１の命令に従って、信号処理部１との通信を担うものである。
【００４４】
本実施形態のセンサヘッド部２は、上述のような回路構成とされ、信号処理部１の指令に応じて適宜の投受光処理を行なう。なお信号処理部１の通信部１０４とセンサヘッド部２の通信部２０６との間の通信方式は特に限定されるものではないが、一例として、ＬＶＤＳ（Low voltage differential signaling）を適用することができる。
【００４５】
［計測原理および計測動作例］
図５は、センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。図５を参照して、本実施の形態に係る光学系は、レーザダイオード２０２ａと、スリット２０２ｂと、投光レンズ部２０２ｃと、２次元ＣＣＤ２０３ａと、受光光学系２０３ｂとを含む。なおレーザダイオード２０２ａと、スリット２０２ｂと、投光レンズ部２０２ｃとは、図４に示す投光部２０２を構成する。本実施の形態では、スリット２０２ｂは投光レンズ部２０２ｃの内部に配置される。
【００４６】
レーザダイオード２０２ａから発せられた投光ビーム５３（照射光）は、スリット２０２ｂおよび投光レンズ部２０２ｃにより成形されて、所定の計測領域中に存在する計測対象物体５の表面５Ａにラインビームとして照射される。投光レンズ部２０２ｃは単レンズもしくはアナモフィック系単レンズ（たとえばシリンドリカルレンズ）により構成されてもよいし、複数のレンズを組み合わせた組レンズもしくはアナモフィック系単レンズ（たとえばシリンドリカルレンズ）を含む複数のレンズを組み合わせた組レンズでもよい。投光レンズにアナモフィック系単レンズを用いることによって、計測対象物体５の表面において、ラインビームの短手方向にラインビームを絞ることができる。
【００４７】
なお、図５では断面図を示しているので、図中、断面内（紙面上）において投光ビーム５３は収束光として絞られて計測対象物体へ照射されるよう示されているが、断面に垂直な方向（紙面垂直方向）に関しては、投光ビーム５３は線状に延びたラインビームとして計測対象物体５へ照射される。なお、以下の説明における「照射領域」とは、計測対象物体５の表面５Ａにおいて投光ビーム５３の断面輪郭線像が存在しうる全範囲（２次元撮像素子で撮像できる全範囲）であると規定する。
【００４８】
一方、この投光ビーム５３（ラインビーム）の照射により生じた断面輪郭線像は、所定の方向から受光光学系２０３ｂを介して、２次元撮像素子としての２次元ＣＣＤ２０３ａで撮影される。すなわち受光光学系２０３ｂおよび２次元ＣＣＤ２０３ａからなる受光部は、計測対象物体５の表面５Ａで投光ビーム５３が反射されて生じた拡散反射光および正反射光のいずれの反射光についても、計測対象物体５の表面５Ａの変位に応じて得られる反射光像の位置が変化する方向から受光する。そして受光部はその反射光像の画像を取得する。２次元ＣＣＤ２０３ａは、計測対象物体５の表面５Ａの変位の変化に対応して断面輪郭線像の撮像面２０３ｃにおける結像位置が変化する方向から断面輪郭線像を撮像する。このように三角測量の原理に基づいて、断面内に垂直な方向に沿う断面輪郭線像の各位置での変位が計測される。
【００４９】
以下では、投光ビーム５３の中心光軸（投光中心軸５４）、受光光学系２０３ｂの中心光軸（受光中心軸５６）を含む面を「入射平面」と定義する。また、平面計測対象物体５の表面５Ａにおける断面輪郭線像の中心軸と、受光光学系２０３ｂの中心光軸に対応する受光光軸とを含む面を「ビーム集光面」と定義する。
【００５０】
断面輪郭線像の中心光軸としては、ラインビームの長手方向に平行な軸でラインビームの短手方向の幅の中心を通る軸、ラインビームの短手方向に平行な軸でラインビームの長手方向の幅の中心を通る軸の両方が適用可能である。なお、図５においてはラインビームの長手方向とは紙面垂直方向であり、ラインビームの短手方向とは、ラインビームの長手方向に垂直かつ紙面に平行方向である。
【００５１】
受光光学系２０３ｂは、反射光ビーム５５を２次元ＣＣＤ２０３ａの撮像面２０３ｃ上に結像させる。本実施の形態では、反射光ビーム５５は投光ビーム５３の正反射光である。
【００５２】
図６に示すように、受光光学系２０３ｂはレンズ部２１１およびレンズ部２１１を固定するためのレンズホルダ２１３を備える。なお、レンズホルダ２１３は一体構造でもよいし、分離構造であってもよい。レンズ部２１１は反射光ビーム５５を撮像面２０３ｃに結像させるためのものである。この点を示すために、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）の各々には反射光ビーム５５の入射側および出射側を示している。ただし図６での説明は一例であって、「入射側」および「出射側」の配置が逆であってもよい。
【００５３】
図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、複数のレンズ２１１ａ〜２１１ｃを含む組レンズによりレンズ部２１１を構成した例を示す図である。図６（Ｃ）および図６（Ｄ）は、単レンズによりレンズ部２１１を構成した例を示す図である。反射光ビーム５５を撮像面２０３ｃに結像させることが可能であれば、レンズ部２１１を構成するレンズの枚数は特に限定されない。また、複数のレンズによりレンズ部２１１を構成する場合において、各レンズの種類は特に限定されるものではない。
【００５４】
図６（Ａ）および図６（Ｃ）に示した構成によれば、受光光学系２０３ｂは、レンズ部２１１およびレンズホルダ２１３に加えて遮光部２１２を備える。遮光部２１２は、複数のレンズ２１１ａ〜２１１ｃのうちの両端の屈折面の間もしくは屈折面近傍に配置されており、円形の開口２１２ａが形成される。円形の開口の外側の光は遮光部２１２ａにより遮光される。
【００５５】
屈折面近傍とは、屈折面とは接していないが、実質的に屈折面に入射する光の範囲を規定することになる程度の距離範囲内を意味する。遮光部２１２は、レンズホルダに一体的に設けてもよい。レンズ２１１ａ〜２１１ｃのうちの両端の屈折面とは、具体的には、「入射側」に向けられたレンズ２１１ａのレンズ面２１４および「出射側」に向けられたレンズ２１１ｃのレンズ面２１５である。
【００５６】
なお、図６（Ａ）では、遮光部２１２はレンズ２１１ｂとレンズ２１１ｃとの間に配置されているが、レンズ２１１ａとレンズ２１１ｃとの間に配置されてもよい。このように本実施の形態では、遮光部２１２は複数のレンズの並びの方向について両端に位置するレンズの間に配置される。また、遮光部はレンズ２１１ａおよび２１１ｃの両端の屈折面近傍の間に複数配置されてもよい。また、図６（Ｃ）に示した構成においては、遮光部２１２は「出射側」の屈折面（レンズ面２１６）近傍に設けられているが、図６（Ｃ）に示すレンズ部２１１の「入射側」の屈折面（レンズ面２１７）の近傍に遮光部２１２が配置されていてもよい。
【００５７】
一方、図６（Ｂ）および図６（Ｄ）に示した構成においては、レンズホルダ２１３が遮光部の機能を兼ね備えている。具体的に説明すると、レンズ２１１ａ〜２１１ｃの周縁部がレンズホルダ２１３により覆われている。
【００５８】
図６（Ａ）〜図６（Ｄ）の各々にはレンズ軸を示しているが、このレンズ軸は上記の受光中心軸５６に対応する。さらに、受光中心軸５６上の位置Ｘ１から位置Ｘ２までの範囲は、受光中心軸５６上における遮光部の範囲として規定される範囲に対応する。図６（Ａ）および図６（Ｃ）に示した構成のようにレンズホルダ２１３とは別に遮光部２１２が設けられる場合には、遮光部の範囲は、たとえば遮光部２１２の厚みに対応する受光中心軸５６上の範囲となる。一方、図６（Ｂ）および図６（Ｄ）に示した構成のように、レンズホルダ２１３が遮光部２１２の機能を兼ね備える場合には、レンズホルダ２１３により、受光中心軸５６上における遮光部の範囲が規定される。
【００５９】
なお、遮光部２１２を複数設ける場合には、その複数の遮光部２１２の両端に位置する２つの遮光部によって受光中心軸５６上における遮光部の範囲が規定してもよい。また、受光中心軸５６上における遮光部の範囲とは必ずしも広がりを持つものと限定されず、たとえば図６に示す位置Ｘ１あるいは位置Ｘ２等、ある特定の位置であってもよい。
【００６０】
図５に戻り、２次元ＣＣＤ２０３ａは、その撮像面２０３ｃが受光中心軸５６に対して垂直よりやや斜めに傾くよう配置されているが、この配置はシャインプルーフの原理を利用したものである。図７に示すように、撮像面２０３ｃと投光中心軸５４とは非平行の関係にある。また、撮像面２０３ｃとレンズ面(レンズ部２１１の光軸に垂直な面）とは非平行の関係にある。ただし、投光中心軸５４と受光中心軸５６とが垂直に配置されている場合においては、例外として撮像面２０３ｃが受光中心軸５６に対して垂直に配置され、かつ撮像面２０３ｃと投光中心軸５４とは平行の関係、撮像面２０３ｃとレンズ面（レンズ部２１１の光軸に垂直な平面）とは平行の関係になる。なお図７では、説明の理解を容易にするために、投光ビーム５３を投光中心軸５４と重ねて示している。
【００６１】
さらに、図７に示していないが、投光中心軸５４と撮像面２０３ｃとレンズ面とが１軸上で交わるように、２次元ＣＣＤ２０３ａおよびレンズ部２１１が配置される。ただし投光中心軸５４と受光中心軸５６とが垂直に配置されている場合においては、例外として投光中心軸５４と撮像面２０３ｃとレンズ面とがすべて平行に配置される。このような配置関係により、照射領域Ａにおける変位（段差）を計測する場合にその段差の計測範囲の上端位置、中央位置、下端位置のいずれにおいても焦点を合わせることができる。これによって計測対象物体表面の変位を精度よく計測することが可能となる。
【００６２】
続いて、図８および図９を参照して、一例として、蒲鉾型（扁平に変形した半円型）の計測対象物体の段差の計測について説明する。
【００６３】
図８は、センサヘッド本体部からの照射光と反射光を示した図である。
図９は、２次元撮像素子で反射光を断面輪郭線像として撮像した画像を示した図である。
【００６４】
図８に示すようにレーザ光が照射された計測対象物体の表面を撮影すると、表面高さに応じて２次元撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化する図９のような断面輪郭線像が得られる。物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。この像から、各ラインビームが照射されている物体表面上のトップとボトムの差を算出し、照射角と受光角を用いて演算を行なえば計測対象物体表面の段差、すなわちラインビームが照射された部分の任意の点における変位の測定が可能となる。断面輪郭線像に基づく計測処理は信号処理部１（図１、図３参照）により実行される。
【００６５】
なお、上記した段差の計測方法と同様の方法により、物体表面における突起部の高さ、あるいは物体表面に形成された溝部の深さの計測も可能である。また上記方法によれば、突起部あるいは溝部の幅の測定も可能である。
【００６６】
［本実施形態の光学系］
図１０は、本実施形態の光学系をビーム集光面に平行な方向に沿って示す概略構成図である。図１０を参照して、本実施形態の光学系は、投光部２０２、受光光学系２０３ｂおよび撮像部としての２次元ＣＣＤ２０３ａを備える。投光部２０２は、計測対象物体５の表面５Ａにおいて線状となる投光ビーム５３を計測対象物体５に投光する。受光光学系２０３ｂは、その投光ビーム５３の計測対象物体５の表面（照射領域Ａ）での反射光を、２次元ＣＣＤ２０３ａの撮像面２０３ｃに結像させる。なお、ビーム集光面は、本発明における「所定の平面」に対応する。また、図１０に示した光学系においては、ビーム集光面が入射平面に垂直である。
【００６７】
受光光学系２０３ｂは、レンズ部２１１および遮光部２１２を含む。図１０ではレンズ部２１１については概略的にレンズ２１１ａ，２１１ｃのみを示すとともに、レンズ２１１ａ，２１１ｃを模式的に薄肉レンズとして示す。また、図１０では遮光部２１２はレンズホルダ２１３と別に設けられてもいるが、レンズホルダ２１３に遮光部２１２の機能を兼ね備えてもよいのは上述の通りである。
【００６８】
照射領域Ａの各点（代表的に照射領域Ａの両端に位置する点Ｐ１，Ｐ２を示す）において投光ビーム５３が拡散反射されることにより生じた拡散光のうち、ビーム集光面に平行な方向の成分を拡散反射光５７とする。
【００６９】
遮光部２１２は、計測領域中に存在する計測対象物体５によって投光ビーム５３が拡散反射された場合に、当該拡散反射光のうちビーム集光面に平行な成分について、２次元ＣＣＤ２０３ａに到達する拡散反射光５７の受光中心軸５６に対する入射角度範囲を規定するように構成される。具体的には、開口２１２ａの径によって、拡散反射光５７が遮光部２１２の開口２１２ａを通過するときに拡散反射光５７の進行方向と受光中心軸５６とがなす最大角度θが規定される（図１０（Ａ））。
【００７０】
図１０（Ａ）では、拡散反射光５７が受光光学系２０３ｂに入射した後の拡散反射光５７の軌跡を示している。拡散反射光５７は、受光光学系２０３ｂにより、撮像面２０３ｃのある撮像領域２０３ｄ内に結像される。撮像領域２０３ｄは、撮像面２０３ｃのうち撮像可能な領域として予め定められた領域（有効撮像領域）に含まれる。この有効撮像領域内に光像を結像させることによって、２次元ＣＣＤ２０３ａは計測対象物体５の表面５Ａの光像を取得することが可能となる。これにより変位の測定が可能となるので、照射領域Ａのうち有効撮像領域内に光像を結像させることが可能な範囲（領域）を以下では「有効計測範囲」と呼ぶことにする。なお上述のように有効計測領域とは、たとえば撮像面２０３ｃの有効撮像領域に基づいて予め定められるものである。
【００７１】
また、図１０（Ｂ）に示すように、照射領域Ａで正反射される投光ビームのうちビーム集光面に平行な成分を反射光ビーム５５とする。投光部２０２は、反射光ビーム５５が、遮光部２１２の存在する受光中心軸５６方向の位置で集光されるように投光ビーム５３を投光する。すなわち、反射光ビーム５５の受光中心軸５６上での集光位置Ｐは、受光中心軸５６上において遮光部２１２を規定する範囲内に含まれる。
【００７２】
なお、遮光部２１２が存在する受光中心軸５６方向の位置とは、受光中心軸５６方向での遮光部２１２の位置が、規定される拡散反射光の入射角度範囲の両端で同じ位置となる場合、異なる位置となる場合の両方を含む。また、規定される拡散反射光５７の入射角度範囲の両端で遮光部２１２が異なる位置となる場合には、それら異なる位置が存在する受光中心軸５６方向の範囲内で反射光ビーム５５が集光される場合も含む。
【００７３】
なお、図１０では、遮光部２１２を規定する範囲は１点で示されているが、図６に示したように受光中心軸５６上において遮光部２１２を規定する範囲は１点に限定されるものではなく、ある程度の幅を有していてもよい。
【００７４】
また、「集光位置」とは、図１０においては光が１点に集まる位置として示しているが、これに限定されない。たとえば反射光ビーム５５のビーム集光面方向のビーム幅が最小となる位置でもよいし、その近傍の位置でもよい。またビーム幅が最小となる位置およびその近傍を含む範囲であってもよい。反射光ビーム５５が集光された状態であるとみなすことが可能な位置であれば上記の「集光位置」とすることができる。
【００７５】
また、投光部２０２は、ビーム集光面方向のビーム幅が一定となる投光ビーム５３を投光してもよいが、本実施の形態では、投光部２０２から受光光学系２０３ｂへ投光ビーム５３が進むにつれてビーム集光面方向のビーム幅が次第に小さくなるように、投光部２０２が投光ビーム５３を投光する。ビーム幅が次第に小さくなるように投光ビーム５３を投光することによって、レンズ部２１１（レンズ２１１ａ〜２１１ｃ）の物理的な直径を小さくできる。したがって図１０に示す光学系を備えるセンサヘッド本体部２０を小型化できる。
【００７６】
なお、図１０に示した構成は、本実施形態に係る光学系の一態様を示したものであり、拡散反射光および正反射光のビーム集光面に平行な成分について、上記関係を成立させるものである。本実施形態に係る光学系は、拡散反射光および正反射光の各々について、受光中心軸５６を含む「所定の平面」に平行な成分が上記関係を満たすように構成されるものである。すなわち本実施形態では、受光中心軸５６を含む「所定の平面」をビーム集光面以外にも定めることが可能である。この場合においても、遮光部２１２は、拡散反射光のうち所定の平面に平行な成分について、当該拡散反射光のうち２次元ＣＣＤ２０３ａに到達する拡散反射光の受光中心軸５６に対する入射角度範囲を規定する。さらに、投光部２０２は、正反射光の所定の平面に平行な成分が、遮光部２１２の存在する受光中心軸５６方向の位置で集光されるように投光ビーム５３を投光する。
【００７７】
次に、本実施の形態に係る光学系について図１１および図１２を参照しながら詳細に説明する。
【００７８】
図１１は、計測対象物体表面で拡散反射された光ビームの軌跡を説明する図である。図１１（Ａ）は、レンズホルダ２１３が遮光部の機能を兼ね備えた場合を示す図であり、図１１（Ｂ）は、遮光部をレンズホルダ２１３とは別に設けた場合を示す図である。
【００７９】
図１１を参照して、点Ｐ１，Ｐ２は図１０に示した点Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ対応するものであり、照射領域Ａに照射されたラインビームの両端の位置に対応する。拡散反射光５７ａ，５７ｂは、点Ｐ１，Ｐ２においてラインビームが拡散反射されることにより生じた光であり、受光光学系２０３ｂによって撮像面２０３ｃ上に結像される。なお、図１１は、拡散反射光５７ａ，５７ｂのビーム集光面方向の軌跡を示している。
【００８０】
図１１（Ａ）を参照して、角度θ１は、拡散反射光５７ａが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ａの最大傾斜角を示している。角度θ２は、拡散反射光５７ｂが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ｂの最大傾斜角を示す。「ビーム集光面方向での拡散反射光の傾斜」とは、ビーム集光面に垂直な軸を中心として、ビーム集光面上で拡散反射光の進行方向が回転した状態を意味する。
【００８１】
図１１（Ａ）では、レンズホルダ２１３の一部が拡散反射光５７ａ，５７ｂの遮蔽部位として機能するため、ビーム集光面方向での拡散反射光の最大傾斜角はその遮蔽部位によって規定されることを示している。すなわち角度θ１は遮蔽部位２１３ａ，２１３ｂにより規定され、角度θ２は遮蔽部位２１３ｃ，２１３ｄにより規定される。
【００８２】
図１１（Ｂ）に示した構成では、ビーム集光面方向での拡散反射光の最大傾斜角は、遮光部２１２の開口２１２ａによって規定される。角度θ１ａは、拡散反射光５７ａが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ａの最大傾斜角を示し、角度θ２ａは、拡散反射光５７ｂが受光光学系２０３ｂに入射する場合における、ビーム集光面方向での拡散反射光５７ｂの最大傾斜角を示す。
【００８３】
図１２は、計測対象物体表面で反射された投光ビームの軌跡を説明する図である。図１２（Ａ）は、反射光ビームのビーム集光面方向での集光位置を説明する図である。図１２（Ａ）を参照して、反射光ビーム５５の集光位置Ｐは、受光中心軸５６上において遮光部２１２により規定される範囲にある。具体的には、集光位置Ｐは、遮光部２１２の厚みとして規定される受光中心軸５６上の範囲のほぼ中央にある。
【００８４】
図１２（Ｂ）は、計測対象物体５が傾くことにより投光ビームが傾いた状態を示す図である。なお図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）と同様に、反射光ビーム５５のビーム集光面方向の成分を示している。図１２（Ｂ）を参照して、計測対象物体５が図１２（Ａ）に示した状態より傾いていくと、投光ビームが傾くことにより反射光ビーム５５も傾く。反射光ビーム５５が傾くにつれて、その一部は遮光部２１２により遮られ、最終的には反射光ビーム５５のすべてが遮光部２１２により遮られる。
【００８５】
上記のように光学系を構成することによって、計測対象物の傾斜している場合、あるいは計測対象物の表面の一部が傾斜面（あるいは球面）である場合においても、精度のよい計測が可能となる。この点について、遮蔽部の範囲内に反射光ビームの集光位置が存在しない場合と比較しながら説明する。
【００８６】
図１３は、遮蔽部の範囲内に反射光ビームの集光位置が存在しない状態を説明する図である。図１３を参照して、投光ビーム５３は、ステージ５Ｓ上に載置された計測対象物体５の表面５Ａにおいて正反射される。投光ビーム５３の正反射により生じた反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通る。なお開口２１２ａは円形である。この光学系においては、ビーム集光面方向のビーム幅が一定のまま、反射光ビーム５５が遮光部２１２の開口２１２ａを通過する。この場合、反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通過後に集光されるので、その集光位置は遮光部２１２の外側となる。なお、図１３には、投光ビーム５３の断面輪郭線像が存在しうる全範囲（２次元ＣＣＤ２０３ａ（図１３に示さず）で撮像可能な全範囲）としての照射領域Ａを示している。
【００８７】
図１３は、計測対象物体５がステージ５Ｓ上に正しく載置された状態を示している。この状態では反射光ビーム５５は開口２１２ａの周縁に遮られることなく開口２１２ａを通過できる。
【００８８】
しかしながら計測対象物体５が傾くことがある。たとえばステージ５Ｓ上に段差がある場合、あるいはステージ５Ｓ上と計測対象物体５との間に異物が挟まった場合などにおいては、表面５Ａが傾いた状態で計測対象物体５がステージ５Ｓ上に載置される。したがって、実線の矢印に示すように計測対象物体５の左右方向（紙面左右方向に等しい）に傾斜が生じたり、破線の矢印に示すように計測対象物体５の前後方向（紙面垂直方向に等しい）に傾斜が生じたりする。計測対象物体５が傾斜した場合には、反射光ビーム５５の進行方向が変わるために反射光ビーム５５の一部あるいは全部が遮光部２１２により遮られる。
【００８９】
計測対象物体５がラインビームの長手方向に傾いた場合（図１３に示す破線の矢印の方向に傾いた場合）、断面輪郭線像は斜めに傾く。また、投光ビーム５３は、短手方向には、計測対象物体５の表面５Ａにおいて集光されて計測対象物体５の表面５Ａでの反射後に広がりながら進むものとする。
【００９０】
図１４は、図１３に示した光学系のうちの受光光学系の構成例を示す概略図である。なお図１４に示した構成では、レンズホルダ２１３が遮光部の機能を兼ね備えるものとする。また、図１４は、ビーム集光面方向に沿った反射光ビーム５５の軌跡を示している。図１４（Ａ）を参照して、反射光ビーム５５の集光位置Ｐａは、レンズホルダ２１３（遮光部）の外側にある。
【００９１】
図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）に示した光学系において、計測対象物体５が傾くことにより投光ビームが傾いた状態を示す図である。図１４（Ｂ）を参照して、計測対象物体５が図１４（Ａ）に示した状態より傾いていくと、投光ビーム（図示せず）が傾くことにより反射光ビーム５５も傾く。反射光ビーム５５が傾くにつれて、その一部が遮光部２１２により遮られ、最終的には反射光ビーム５５のすべてが遮光部２１２により遮られる。ただし、図１２に示した構成に比較すれば、遮光部２１２により反射光ビーム５５の一部が遮られ始めるときの反射光ビーム５５の傾斜角度（受光中心軸５６に対する角度）が小さくなる。このために、以下の図１５〜図１８に示した課題が生じやすくなる。なお図１５、図１７、図１８は、投光ビーム５３および反射光ビーム５５の入射平面に平行な成分を示している。
【００９２】
図１５は、図１３に示した光学系において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。図１５に示すように、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。このため２次元ＣＣＤ（図１５に示さず）の受光量が減少する。さらに、開口２１２ａの周縁部分では、回折光５８（図１６参照）が生じる。この回折光が受光レンズを介して２次元ＣＣＤに入射する可能性がある。これらの理由により計測結果に誤りが生じることが考えられる。
【００９３】
図１６は、図１３の光学系において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。図１６に示すように、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。このため２次元ＣＣＤ（図１６に示さず、以下同じ）の受光量が減少する。さらに開口２１２ａの周縁部分では回折光５８が生じる。この回折光５８が図示しない受光レンズを介して２次元ＣＣＤに入射する可能性がある。これらの理由により計測結果に誤りが生じることが考えられる。
【００９４】
また、計測対象物体表面の一部が傾斜面（あるいは曲面）である場合、その面の傾斜角度（あるいは曲率）が大きくなると、図１５あるいは図１６に示した状態と同様の状態が発生しうる。図１７は、計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。図１７に示すように、計測対象物体５の表面５Ａ（照射領域）の傾斜（あるいは曲率）が大きくなると、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。
【００９５】
また、図１８に示すように、計測対象物体５がステージ５Ｓ上に正しく載置されていても、センサヘッド本体部２０自体が傾斜していることも起こりうる。図１８に示すように反射光ビーム５５が平行光である場合、センサヘッド本体部２０の傾斜によって、反射光ビーム５５の一部は、遮光部２１２によって遮られる。
【００９６】
これらの課題を解決するために、開口２１２ａの径を大きくすることが考えられる。これによって、反射光ビーム（平行光ビーム）の入射角度の許容範囲を広げることが可能になる。しかしながら開口径を広げることによって、その遮光部２１２の後段に設けられたレンズの収差（たとえば球面収差とする）が無視できなくなる。すなわち収差によって、２次元ＣＣＤの撮像面では光像がぼやける。これによって計測精度が低下するという課題が発生する。
【００９７】
撮像面上の光像がぼやけるという課題を解決するために、たとえば非球面レンズによって球面収差を補正する方法が考えられる。ただし、センサヘッド本体部２０と計測対象物体５との距離（すなわちワーキングディスタンス）を確保しつつ遮光部の開口径を拡大しようとすると、その非球面レンズの物理的な直径を大きくしなければならない。このためセンサヘッド本体部２０が大型化するという課題が新たに発生する。
【００９８】
また、図１８に示した課題については、センサヘッド本体部２０の傾きを修正することによって解決可能である。しかし、センサヘッド本体部２０の傾きが小さくても図１５〜図１７に示した課題が発生する場合には、センサヘッド本体部２０の傾きを修正する必要がある。この修正に要する手間が大きくなることが考えられる。
【００９９】
本実施の形態によれば、受光中心軸５６上における遮光部の範囲内に、反射光ビームの集光位置が存在する。これにより、開口２１２ａの径の大きさを最大限に利用して、反射光ビーム５５の入射角度の許容範囲を定めることができる。したがって、計測対象物体がある程度傾斜している場合、あるいは計測対象物体表面の傾斜あるいは曲率がある程度大きい場合においても計測対象物体表面の変位を計測できる。この点につき、図１９〜図２２２を示しつつ説明する。なお図１９、図２１、図２２は、投光ビーム５３および反射光ビーム５５の入射平面に平行な成分を示している。上述のように、本実施の形態に係る光学系では、正反射光のうち、受光中心軸５６を含む「所定の平面」に平行な成分が、遮光部２１２の存在する受光中心軸５６方向の位置で集光されるように投光ビーム５３を投光する。したがって、本実施の形態によれば、以下に説明する効果を得ることができる。
【０１００】
図１９は、本実施の形態において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。なお図１９は図１５と対比される図である。図１９に示すように、本実施の形態ではレンズ２１１ａによって、受光中心軸（図示せず）上における遮光部２１２の範囲内に反射光ビーム５５が集光される。したがって開口２１２ａでは、反射光ビーム５５のビーム幅が小さくなる。このため計測対象物体５の左右方向の傾斜角度が大きくなっても反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通過できる。
【０１０１】
この場合の計測対象物体５の傾きとは、「予め定められた計測対象範囲内の傾き」である。この傾きは、光学式計測装置が仕様などに基づいて予め定めている、計測対象物体の計測可能な（仕様によって計測対象にすると定めた）角度範囲内の傾きである。また、この場合の「ビーム集光面」とは、投光部からのラインビームが平面計測対象物体の表面で反射されて生じる反射光ビームの計測対象物体の表面上におけるライン方向と、受光中心軸とに平行な平面として定義される。
【０１０２】
図２０は、本実施の形態において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。なお図２０は図１６と対比される図である。図２０に示すように、開口２１２ａでは反射光ビーム５５のビーム幅が小さくなるので、計測対象物体５の前後方向の傾斜角度が大きくなっても反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通過できる。さらに反射光ビーム５５の一部が開口２１２ａの周縁によって回折するのを回避できる。
【０１０３】
図２１は、本実施の形態において、計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。なお、図２１は図１７と対比される図である。図２１に示すように、傾斜面（曲面でもよい）での投光ビーム５３の反射により生じた反射光ビーム５５は、レンズ２１１ａによって、受光中心軸（図示せず）上における遮光部２１２の範囲内に集光される。このため計測対象物体５の表面５Ａの角度（あるいは曲率）がある程度大きくなっても、反射光ビーム５５は、遮光部２１２の開口２１２ａを通ることができる。なお、計測対象物体表面の傾斜は、上記「予め定められた計測対象範囲内の傾き」である。
【０１０４】
図２２は、本実施の形態において、センサヘッド本体部２０が計測対象物体５の左右方向に傾いた状態を示す図である。なお図２２は図１８と対比される図である。図２２に示すように反射光ビーム５５をレンズ２１１ａで集光させることにより、センサヘッド本体部２０がある程度傾斜していても反射光ビーム５５は遮光部２１２の開口２１２ａを通ることができる。これによって、センサヘッド本体部２０の傾きを調整するために要する手間を少なくすることができる。
【０１０５】
なお、上記レンズ部２１１の構成では、レンズ部２１１は複数のレンズからなる組レンズである。この構成においては、たとえば集光ぎみ（ビーム集光面方向のビーム幅が次第に小さくなる）の投光ビームを、複数のレンズの一部で集光することによりレンズ部２１１の内部で集光位置を生じさせることができる。一方、図２３に示すように、レンズ部２１１が単レンズの場合、反射光ビーム５５の集光位置Ｐが単レンズの内部となるように投光ビーム５３が投光部より投光される。この場合、レンズホルダ２１３が遮光部としての機能を兼ね備えているので、受光中心軸５６上における遮光部の範囲は、図２３に示す位置Ｘ１から位置Ｘ２までの範囲となる。したがって、集光位置Ｐは受光中心軸５６上における遮光部の範囲内に存在する。
【０１０６】
また、上記説明では、計測対象物体表面からの正反射光を受光する方式（正反射方式）を示したが、計測対象物体表面での拡散反射光を受光する方式（拡散反射方式）にも本実施の形態に係る光学系を適用できる。
【０１０７】
図１０（Ａ）に示したように、本実施の形態では、有効計測範囲からの拡散反射光５７の入射角度範囲を規定するように、遮光部２１２の開口２１２ａの大きさ（開口径）が定められる。有効照射領域とは、光学式計測装置の予め定められた有効計測範囲に対応する。したがって、この領域からの拡散反射光を撮像面２０３ｃに結像させることによって、拡散反射方式による計測が可能となる。
【０１０８】
なお、本発明の適用範囲は、計測対象物体に照射する光をラインビームとした、計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布の変位計測に限られない。たとえば、照射する光の形状は、円形ビームや矩形ビームを含む任意の形状として、計測対象物体の表面上のスポットによる変位計測を行なう場合にも適用可能である。
【０１０９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本実施形態の光学式計測装置の信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。
【図２】センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。
【図３】図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。
【図４】センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。
【図５】センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。
【図６】受光光学系２０３ｂの一構成例を示す図である。
【図７】シャインプルーフの原理に従う受光部の配置を示す模式図である。
【図８】センサヘッド本体部からの照射光と反射光を示した図である。
【図９】２次元撮像素子で反射光を断面輪郭線像として撮像した画像を示した図である。
【図１０】本実施形態の光学系をビーム集光面に平行な方向に沿って示す概略構成図である。
【図１１】計測対象物体表面で拡散反射された光ビームの軌跡を説明する図である。
【図１２】計測対象物体表面で反射された投光ビームの軌跡を説明する図である。
【図１３】遮蔽部の範囲内に反射光ビームの集光位置が存在しない状態を説明する図である。
【図１４】図１３に示した光学系のうちの受光光学系の構成例を示す概略図である。
【図１５】図１３の光学系において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図１６】図１３の光学系において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図１７】計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図１８】センサヘッド本体部２０が計測対象物体５の左右方向に傾いた状態を示す図である。
【図１９】本実施の形態において、計測対象物体５の左右方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図２０】本実施の形態において、計測対象物体５の前後方向に計測対象物体５が傾斜した場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図２１】本実施の形態において、計測対象物体表面が傾斜している場合の反射光ビームの軌跡を示す模式図である。
【図２２】本実施の形態において、センサヘッド本体部２０が計測対象物体５の左右方向に傾いた状態を示す図である。
【図２３】受光光学系のレンズ部が単レンズにより構成される場合の焦点位置を説明する図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１ 信号処理部、２ センサヘッド部、５ 計測対象物体、５Ａ 表面、５Ｓ ステージ、１０ 外殻ケース、１４ 操作部蓋、１５ 表示部、１６ 信号処理部間コネクタ蓋、１７ センサヘッド部接続用コネクタ、２０ センサヘッド本体部、２１ ケーブル、２７ 信号処理部接続用コネクタ、５１ 投光窓、５２ 受光窓、５３ 投光ビーム、５４ 投光中心軸、５５ 反射光ビーム、５６ 受光中心軸、５７，５７ａ，５７ｂ 拡散反射光、５８ 回折光、１０１ 制御部、１０２ 記憶部、１０２ａ 不揮発性メモリ、１０２ｂ 画像メモリ、１０３ 表示部、１０３ａ 液晶表示部、１０３ｂ，２０４ 表示灯ＬＥＤ、１０４，１０５， 通信部、１０５ａ ＵＳＢ通信部、１０５ｂ シリアル通信部、１０５ｃ 信号処理部間通信部、１０６ キー入力部、１０７ 外部入力部、１０８ 出力部、１０９ 電源部、２０１ 制御部、２０２ 投光部、２０２ａ レーザダイオード、２０２ｂ スリット、２０２ｃ 投光レンズ部、２０３ 受光部、２０３ａ ２次元ＣＣＤ、２０３ｂ 受光光学系、２０３ｃ 撮像面、２０３ｄ 撮像領域、２０５ 記憶部、２０６ 通信部、２１１ レンズ部、２１１ａ-２１１ｃ レンズ、２１２ 遮光部、２１２ａ 開口、２１３ レンズホルダ、２１３ａ-２１３ｄ 遮蔽部位、２１４-２１７ レンズ面、Ｐ，Ｐａ 集光位置、Ｐ１，Ｐ２ 点、Ｘ１，Ｘ２ 位置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射光を投光する投光部と、
前記計測対象物体の表面で前記照射光が反射されて生じた拡散反射光および正反射光のいずれの反射光についても、前記計測対象物体の表面の変位に応じて得られる反射光像の位置が変化する方向から受光して、前記反射光像の画像を取得する受光部と、
前記受光部により取得された前記画像に基づいて、前記照射光を反射させる前記計測対象物体の表面の変位を計測する計測処理部とを備え、
前記受光部は、
入射した光の像を前記画像として取得する撮像部と、
前記投光部から投光された前記照射光が前記計測対象物体の表面で反射して生じた反射光を、前記撮像部に結像させる結像部と、
前記計測領域中に存在する前記計測対象物体によって前記照射光が拡散反射された場合に、当該拡散反射光のうち前記結像部の中心光軸を含む所定の平面に平行な成分について、前記撮像部に到達する前記拡散反射光の、前記結像部の中心光軸に対する入射角度範囲を規定する遮光部とを含み、
前記投光部は、前記計測領域中に存在する前記計測対象物体によって前記照射光が正反射された場合に、前記照射光の正反射光のうち前記所定の平面に平行な成分が、前記遮光部の存在する前記結像部の中心光軸方向の位置で集光されるように、前記照射光を投光する、光学式計測装置。
【請求項２】
前記投光部は、前記照射光としてラインビームを、前記計測領域中に存在する前記計測対象物体に向けて照射し、
前記受光部は、前記計測対象物体の表面で反射された前記ラインビームの反射光を、前記計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、前記計測対象物体の表面の変位に対応して得られる前記反射光像の位置の分布が変化する方向から受光し、
前記所定の平面は、前記投光部から照射される前記ラインビームの中心光軸と、前記結像部の中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ前記結像部の中心光軸を含む平面である、請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項３】
前記投光部は、前記照射光としてラインビームを、前記計測領域中に存在する前記計測対象物体に向けて照射し、
前記受光部は、前記計測対象物体の表面で反射された前記ラインビームの反射光を、前記計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、前記計測対象物体の表面の変位に対応して得られる前記反射光像の位置の分布が変化する方向から受光し、
前記所定の平面は、平面の計測対象物体が予め定められた計測対象範囲内の傾きで前記計測領域中に置かれた場合に、前記投光部からの前記ラインビームが前記計測対象物体の表面で反射されて生じる反射光ビームの前記計測対象物体の表面上におけるライン方向と、前記結像部の中心光軸とに平行な平面である、請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項４】
前記遮光部には、前記結像部の中心光軸を中心とする円形の開口が形成され、前記円形の開口の外側の光を遮光する、請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項５】
前記結像部は、複数のレンズを組み合わせた組レンズにより構成され、
前記遮光部は、前記複数のレンズの並びの方向について両端に位置するレンズの間に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式計測装置。
【請求項６】
前記結像部は、単レンズであって、
前記照射光の正反射光のうちの前記所定の平面に平行な成分について、前記結像部の中心光軸方向での集光位置は、前記単レンズの内部にある、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式計測装置。
【請求項７】
前記遮光部は、前記計測対象物体の前記表面における予め定められた有効計測範囲からの拡散反射光のうち前記所定の平面に平行な成分について、前記結像部の中心光軸に対する前記入射角度範囲を規定する、請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式計測装置。
【請求項８】
前記投光部は、前記所定の平面に平行方向のビーム幅が、前記ラインビームが前記投光部から前記受光部へ進むにつれて次第に小さくなるように、前記ラインビームを投光し、
前記所定の平面は、前記投光部から照射される前記ラインビームの投光部中心光軸と、前記結像部の中心光軸である結像部中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ前記結像部中心光軸を含む平面である、請求項２または３に記載の光学式計測装置。
【請求項１】
計測領域中に存在する計測対象物体に向けて照射光を投光する投光部と、
前記計測対象物体の表面で前記照射光が反射されて生じた拡散反射光および正反射光のいずれの反射光についても、前記計測対象物体の表面の変位に応じて得られる反射光像の位置が変化する方向から受光して、前記反射光像の画像を取得する受光部と、
前記受光部により取得された前記画像に基づいて、前記照射光を反射させる前記計測対象物体の表面の変位を計測する計測処理部とを備え、
前記受光部は、
入射した光の像を前記画像として取得する撮像部と、
前記投光部から投光された前記照射光が前記計測対象物体の表面で反射して生じた反射光を、前記撮像部に結像させる結像部と、
前記計測領域中に存在する前記計測対象物体によって前記照射光が拡散反射された場合に、当該拡散反射光のうち前記結像部の中心光軸を含む所定の平面に平行な成分について、前記撮像部に到達する前記拡散反射光の、前記結像部の中心光軸に対する入射角度範囲を規定する遮光部とを含み、
前記投光部は、前記計測領域中に存在する前記計測対象物体によって前記照射光が正反射された場合に、前記照射光の正反射光のうち前記所定の平面に平行な成分が、前記遮光部の存在する前記結像部の中心光軸方向の位置で集光されるように、前記照射光を投光する、光学式計測装置。
【請求項２】
前記投光部は、前記照射光としてラインビームを、前記計測領域中に存在する前記計測対象物体に向けて照射し、
前記受光部は、前記計測対象物体の表面で反射された前記ラインビームの反射光を、前記計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、前記計測対象物体の表面の変位に対応して得られる前記反射光像の位置の分布が変化する方向から受光し、
前記所定の平面は、前記投光部から照射される前記ラインビームの中心光軸と、前記結像部の中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ前記結像部の中心光軸を含む平面である、請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項３】
前記投光部は、前記照射光としてラインビームを、前記計測領域中に存在する前記計測対象物体に向けて照射し、
前記受光部は、前記計測対象物体の表面で反射された前記ラインビームの反射光を、前記計測対象物体の表面上におけるライン方向のビームの分布について、前記計測対象物体の表面の変位に対応して得られる前記反射光像の位置の分布が変化する方向から受光し、
前記所定の平面は、平面の計測対象物体が予め定められた計測対象範囲内の傾きで前記計測領域中に置かれた場合に、前記投光部からの前記ラインビームが前記計測対象物体の表面で反射されて生じる反射光ビームの前記計測対象物体の表面上におけるライン方向と、前記結像部の中心光軸とに平行な平面である、請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項４】
前記遮光部には、前記結像部の中心光軸を中心とする円形の開口が形成され、前記円形の開口の外側の光を遮光する、請求項１に記載の光学式計測装置。
【請求項５】
前記結像部は、複数のレンズを組み合わせた組レンズにより構成され、
前記遮光部は、前記複数のレンズの並びの方向について両端に位置するレンズの間に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式計測装置。
【請求項６】
前記結像部は、単レンズであって、
前記照射光の正反射光のうちの前記所定の平面に平行な成分について、前記結像部の中心光軸方向での集光位置は、前記単レンズの内部にある、請求項１から４のいずれか１項に記載の光学式計測装置。
【請求項７】
前記遮光部は、前記計測対象物体の前記表面における予め定められた有効計測範囲からの拡散反射光のうち前記所定の平面に平行な成分について、前記結像部の中心光軸に対する前記入射角度範囲を規定する、請求項１から６のいずれか１項に記載の光学式計測装置。
【請求項８】
前記投光部は、前記所定の平面に平行方向のビーム幅が、前記ラインビームが前記投光部から前記受光部へ進むにつれて次第に小さくなるように、前記ラインビームを投光し、
前記所定の平面は、前記投光部から照射される前記ラインビームの投光部中心光軸と、前記結像部の中心光軸である結像部中心光軸とを含む入射平面に垂直であり、かつ前記結像部中心光軸を含む平面である、請求項２または３に記載の光学式計測装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−１１７３１２（Ｐ２０１０−１１７３１２Ａ）
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９２３１１（Ｐ２００８−２９２３１１）
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１４日（２００８．１１．１４）
【出願人】（０００００２９４５）オムロン株式会社 (3,542)
【Ｆターム（参考）】
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