形状測定装置
【目的】 被測定面の表面の粗さや反射等の状態に拘わらず高分解能で光点位置を特定する。
【構成】 ２次元ＣＣＤセンサ４０のスリット像の出力信号は増幅回路３２を介してコンパレータ１８に入力される。コンパレータ１８はしきい値電圧（Ｖth）と信号を比較し、しきい値電圧以上のときハイレベル信号を整形回路１６に出力する。整形回路１６は入力信号を遅延させることにより立ち上がり及び立ち下がり滑らかな対称の信号に波形整形して、スイッチ１４が補正側Ｅの状態のときアナログデジタル変換器３４を介して加重平均回路２０に出力する。加重平均回路２０は、入力された信号に基づいて整形回路１６で遅延された時間を補正すると共に加重平均によって中心位置を求める。
【構成】 ２次元ＣＣＤセンサ４０のスリット像の出力信号は増幅回路３２を介してコンパレータ１８に入力される。コンパレータ１８はしきい値電圧（Ｖth）と信号を比較し、しきい値電圧以上のときハイレベル信号を整形回路１６に出力する。整形回路１６は入力信号を遅延させることにより立ち上がり及び立ち下がり滑らかな対称の信号に波形整形して、スイッチ１４が補正側Ｅの状態のときアナログデジタル変換器３４を介して加重平均回路２０に出力する。加重平均回路２０は、入力された信号に基づいて整形回路１６で遅延された時間を補正すると共に加重平均によって中心位置を求める。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、形状測定装置にかかり、特に、スリット光を被測定面に照射し被測定面からの反射光を受光することにより被測定面の形状を測定する形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、非接触にて被測定面の凸凹等の形状を三角測量法を用いて測定する形状測定装置がある（特公昭５０−３６３７４号公報、特開昭５６−１３８２０４号公報、特開昭５７−２２５０８号公報、特開昭５８−５２５０８号公報等）。
【０００３】これらの形状測定装置は、スリット状の光ビーム（以下、スリット光線という）を被測定面へ照射し、その照射した光の光軸と所定の角度をもって設けられたセンサにおける被測定面の反射光の受光位置によって表面形状等を測定する。詳細には図４に示すように、形状測定装置１２は、半導体レーザー５０等の光源、コリメートレンズ５２及びロッドレンズ５４等の拡散レンズを備えた光源装置６２と、受光レンズ５６及び２次元ＣＣＤセンサ４０等の受光素子を備えた受光装置と、２次元ＣＣＤセンサ４０に接続された演算回路１０とから構成される。上記拡散レンズにはロッドレンズ５４の他にシリンドリカルレンズを用いることができる。また、受光素子には、１次元ＣＣＤセンサ等を用いることができる。
【０００４】この形状測定装置１２によれば、半導体レーザー５０の射出側には、球面レンズで構成されたコリメートレンズ５２が配設されており、半導体レーザー５０から射出されるレーザービームがコリメートレンズ５２により被測定面に集束される。コリメートレンズ５２の射出側にはロッドレンズ５４が配設されており、コリメートレンズ５２から射出されたレーザービームは、ロッドレンズ５４に照射される。ロッドレンズ５４は、円柱形状で入射されたレーザービームは円周方向にのみスリット状に発散される。また、シリンドリカルレンズは同一の断面凹部（または、凸部）が一方向に連続した柱状になっており、入射されたレーザービームは断面凹部が連続した方向と交差するスリット状に発散される。ロッドレンズ５４の射出側には被測定面６０Ａが位置しており、ロッドレンズ５４から射出されたスリット状のレーザービームが被測定面６０Ａに向かって照射される。
【０００５】ロッドレンズ５４によってスリット状に発散されたスリット光線は被測定面６０Ａに照射され、このスリット状に発散された光線と被測定面６０Ａとの交点が輝く、すなわち、被測定面６０Ａの形状に応じた形状に照明される。被測定面６０Ａに照射されたスリット光線は、受光レンズ５６を介して、２次元ＣＣＤセンサ４０に結像される。従って、この２次元ＣＣＤセンサ４０上には、被測定面６０Ａ上の輝線の光の像（以下、スリット像という）が結像される。また、この２次元ＣＣＤセンサ４０は、照射されたレーザービームの位置及び光強度に応じた電気信号を演算回路１０に出力するようになっている。
【０００６】上記受光装置の光軸は光源装置６２の光軸と所定の角度θをもって取り付けられている。このため、被測定面６０Ａが光源装置６２の光軸方向に段差がある場合には、被測定面６０Ａ上の光点の位置は、段差に応じて光源装置６２の光軸方向に変位することになり、２次元ＣＣＤセンサ４０上でのスリット像６４は、図５（１）に示したように、光軸方向の段差が測定方向（図５紙面水平方向）の変位となって現れることになる。この２次元ＣＣＤセンサ４０の図５紙面水平方向に対応する任意のライン（走査線）５９Ａ、５９Ｂの出力信号は、図５（２）、（３）に示したようになる。２次元ＣＣＤセンサ４０は、このような信号を演算回路１０に出力する。この出力信号の振幅が大きい部位がライン上のスリット部分になる。すなわち、出力信号の振幅が大きい部位がラインとスリット像との交点（光点）位置に対応する。この位置の偏差を求めることによって、求めたライン間の段差を求めることができる。
【０００７】従って、演算回路１０は、入力された信号に基づいて、上記２次元ＣＣＤセンサ４０上の全てのラインとスリット像６４との交点位置（光点位置）を求めることによって、２次元ＣＣＤセンサ４０上におけるスリット像６４の位置を求め、求めた位置の各々の偏差を求めて、被測定面６０Ａの段差を求める。この段差を２次元ＣＣＤセンサ４０の全てに亘って求めることによって測定対象物６０の形状を測定することができる。
【０００８】被測定面６０Ａ上に照射されるスリット光線は所定の幅を有しかつ、このスリット光線の幅方向が測定方向に対応するため、上記２次元ＣＣＤセンサ４０上のラインとスリット像６４との光点位置はスリット像の幅による範囲となり、位置を特定する分解能が低くなる。この分解能を向上させるためには、スリット像の幅によって定まる光点の位置範囲を特定する必要がある。この光点位置は、以下の式（１）に示したように、２次元ＣＣＤセンサ４０の任意のラインから出力される信号の加重平均によって求めることができる。すなわち、任意のラインにおけるスリット像の位置範囲から位置を特定する場合、２次元ＣＣＤセンサ４０に照射された各位置における光量を重みとして位置の加重平均を求める（図６（１）参照）。これにより、２次元ＣＣＤセンサ４０上の光点がずれても、高い分解能で光点の位置を求めることができる。
【０００９】
【数１】
【００１０】但し、ｉ＝０、１、・・・Ｚａ：光点位置Ｚi ：２次元ＣＣＤセンサにおける位置Ｉi ：位置Ｚi に照射された光量。
【００１１】なお、予め測定対象物６０の基準面に対応する２次元ＣＣＤセンサ４０上の所定の位置を基準位置と定めると、被測定面６０Ａの基準位置からの変位に応じて２次元ＣＣＤセンサ４０上に像点の変位となって表れるので、２次元ＣＣＤセンサ４０上のスリット像位置に応じて出力される信号に基づいて求めたスリット像６４の位置と予め設定された基準の光点位置との偏差を求めることによって、基準面からの被測定面の変位を求めることができる。
【００１２】しかしながら、上記加重平均法によって光点位置を求める方法では、被測定面６０Ａ上の表面粗さや表面の傷、表面反射率等の影響を受け易くなる。すなわち、被測定面６０Ａ上に傷がある場合には、その傷部における光ビームの乱反射が増加し、結果として図２（１）に示したように傷部の光量値が大きくなる。このため、この出力信号を加重平均すると、傷部に対応する位置の重みが大きくなり光点位置が２次元ＣＣＤセンサ４０上のスリット像の幅の中心位置よりずれて求められる。これによって、傷のある部位と傷のない部位との偏差をとって段差を求めるとばらつきが生じ、適正な測定値を得ることができないことがある。
【００１３】また、表面の状態が均一でなく、光ビームの反射が方向性を有しているような被測定面６０Ａを測定する場合には、同一の光量を照射しても２次元ＣＣＤセンサ４０に照射される光量が一定にならずに、光量の分布が偏ってしまうため、上記と同様に求める光点位置がずれてしまう。
【００１４】上記問題を解決するために、２次元ＣＣＤセンサ４０から出力される信号を直流分再生回路（クランパ）によってクランピングして加重平均により位置を求めるクランプ法が考えられる。この場合には、２次元ＣＣＤセンサ４０の出力信号に直流分を加えて、この信号波形の最小部を所定のレベル、例えば０Ｖに一致させる。上記の方法では、被測定面の全面に均一な乱反射光が照射されて信号波形の最小部が変動する場合は有効であるが、光量の分布が偏った場合や傷等によるノイズの影響を除去することができない。更に、信号波形の最小部を所定のレベルにしても、信号波形の最大部にノイズが含まれているため、出力信号のＳＮ比が低下し、測定誤差が生じることがある。
【００１５】また、上記の他の方法として、所定のしきい値Ｉｏ以上の光ビームが２次元ＣＣＤセンサに照射された位置についてのみ単純な平均を行うことによって光点を求める平均法が考えられる。この場合には、２次元ＣＣＤセンサの出力信号及びしきい値Ｉｏ信号をコンパレータに入力し、しきい値Ｉｏ以上でハイレベルになる信号を出力させ、カウンタを用いて出力信号の立ち上がり、立ち下がりの時点のカウンタ値を２次元ＣＣＤセンサ上の位置Ｚｂ、Ｚｃとする（図６（２）参照）。そして、求めた位置Ｚｂ、Ｚｃの中心値Ｚｄを、２次元ＣＣＤセンサ４０上におけるスリット像６４とラインとの交点の光点位置として求める。
【００１６】しかしながら、上記のようにして求めた中心位置はカウンタのクロック幅で決定されるため、クロック幅またはクロック幅の１／２より高い分解能を得ることができない。この分解能を高くするためには高速のカウンタを用いなければならない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実を考慮して、スリット光を照射することによって被測定面の形状を測定する形状測定装置において、被測定面の表面の粗さや反射等の状態に拘わらず高分解能で光点位置を特定することができる形状測定装置の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記整形信号の光強度に対応する値を重みとして前記整形信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えている。
【００１９】請求項２記載の発明は、被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記光強度信号と、前記整形信号との何れか一方を出力する切換手段と、前記切換手段から出力された信号の光強度に対応する値を重みとして該信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えている。
【００２０】
【作用】請求項１に記載の発明によれば、被測定面には照射手段によってスリット光が照射される。位置検出手段は、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する。比較手段は、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する。波形整形手段は、比較信号が左右対称でかつ中心を含む領域が最大になるように波形を整形した整形信号を出力する。このような整形信号としては、立ち上がり勾配と立ち下がり勾配とが逆の略台形波形や、ガウス分布の波形がある。加重平均演算手段は、整形信号の光強度に対応する値を重みとして整形信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算し、位置検出手段が受光した光の幅方向の中心位置を求める。このように、左右対称かつ中心を含む領域の重みを重くして加重平均するため、被測定面に傷等がある場合や被測定面の表面状態が一様でない場合でも、受光した光の中心を含む領域の重みを重くして中心位置を高い分解能で求めることができる。従って、被測定面における乱反射の影響による検出位置のずれを防止することができる。さらに、上記整形信号は基準値以上のときハイレベルにしてノイズを除去しているため、クランパによってクランピングされた信号のように、ＳＮ比が低下することなく、中心位置を精度よく求めることができる。
【００２１】上記で説明したように、位置検出手段から出力される信号を整形しているため、処理時間が長くなる場合がある。また、被測定面の表面の状態によっては、信号波形を整形する必要がない場合もある。
【００２２】そこで、請求項２に記載した発明の切換手段は、光強度信号と、整形信号との何れか一方を出力する。加重平均演算手段は、切換手段から出力された信号の光強度に対応する値を重みとして受光位置に対応する加重平均を演算する。これによって、光強度信号に対応する値をそのまま重みとして光強度信号の受光位置に対応する値を演算するか、整形信号の光強度信号に対応する値を重みとして整形信号の受光位置に対応する値を演算するかを切換手段によって切り換えることができる。従って、被測定面の表面の状態による影響が少ない場合や短い時間で処理したい場合は、加重平均手段に入力される信号を光強度信号に切り換えることにより、処理時間が長くなることなく、中心位置を求めることができる。また、高い分解能の測定が必要な場合には、整形信号が加重平均手段に入力されるように切り換えることによって実現できる。従って、被測定面の表面の状態に応じて最適な処理時間で処理することができる。
【００２３】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例は、照射手段としての光源装置６２から射出されたスリット光線が被測定面６０Ａで反射することによって得られるスリット像の光強度及び位置を、位置検出手段としての２次元ＣＣＤセンサ４０により検出するようにしたものである。なお、本実施例における、２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置は、２次元ＣＣＤセンサ４０に所定の周期（水平及び垂直）の同期型センサを用い、この水平同期信号ＨＤ、及び垂直同期信号ＶＤの立ち上がり（立ち下がり）からの経過した時刻に２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置を対応させることによって特定することができる。また、本実施例に利用した形状測定装置１２は、図４に示した従来例と略同様のため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２４】図１に示したように、演算回路１０は、増幅回路（ＡＭＰ）３２を備えており、増幅回路３２の入力端は２次元ＣＣＤセンサ４０に接続されている。増幅回路３２は２次元ＣＣＤセンサ４０から出力された信号を所定の増幅率で増幅して出力する。増幅回路３２の出力端は切換手段としてのスイッチ１４の一方の入力端及び比較手段としてのコンパレータ（ＣＭＰ）１８の一方の入力端に接続されている。コンパレータ１８の他方の入力端には比較の基準となるしきい値の電圧（Ｖth）が入力されるように接続されている。このしきい値の電圧Ｖthは、予めノイズによる２次元ＣＣＤセンサ４０の出力値を越えた値を定めることが好ましい。コンパレータ１８の出力端は所定の時定数の充放電回路から構成された波形成形手段としての整形回路１６の入力端に接続されている。整形回路１６の出力端はスイッチ１４の他方の入力端に接続されている。スイッチ１４の出力端はアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）３４の入力端に接続されており、アナログデジタル変換器３４の出力端は荷重平均演算手段としての加重平均回路２０に接続されている。
【００２５】加重平均回路２０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３０、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２８及びリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２６を備えたマイクロコンピュータで構成されており、これらはバス２４によって接続されデータ及びコマンドが相互にやりとりが可能になっている。また、加重平均回路２０は、外部の装置との入出力を行なう入出力回路（以下、Ｉ／Ｏ）２２を備えており、Ｉ／Ｏ２２はバス２４に接続されている。Ｉ／Ｏ２２には、信号線４２の一方が接続されており、信号線４２の他方はスイッチ１４の切り換えを検出する切換センサ１５に接続されている。この切換センサ１５には、スイッチ１４の状態に応じた信号、例えば、スイッチ１４が増幅回路３２とアナログデジタル変換器３４とを接続した通過側Ｆの状態のときローレベル、整形回路１６とアナログデジタル変換器３４とを接続した補正側Ｅの状態のときハイレベルの何れかの信号を出力する（図１参照）。また、Ｉ／Ｏ２２には、出力装置３６が接続されており、加重平均回路２０で求めた位置を表示、印刷または他の演算装置に出力可能になっている。
【００２６】以下、本実施例の作用を説明する。半導体レーザー５０からレーザービームが射出されると、コリメートレンズ５２及びロッドレンズ５４を介して被測定面６０Ａに照射される。ロッドレンズ５４から射出されるレーザービームは、スリット状に発散され、被測定面６０Ａには、スリット状のレーザービーム（スリット光線）が照射される。被測定面６０Ａに照射されたスリット光線の輝線は、受光レンズ５６により集光され２次元ＣＣＤセンサ４０上に、被測定面６０Ａの段差に応じたスリット像６４として結像される。２次元ＣＣＤセンサ４０はスリット像６４の位置及び光強度に応じた検出信号を演算回路１０へ出力する（図４参照）。
【００２７】演算回路１０に入力されるスリット像６４の検出信号は、増幅回路３２によって所定の増幅率で増幅されてコンパレータ１８に入力される。コンパレータ１８は、２つの入力信号、すなわち、増幅回路３２の出力信号としきい値電圧Ｖthの信号とを比較して、増幅回路３２の出力信号がしきい値電圧Ｖth以上のレベルのときにハイレベルの信号を出力しかつしきい値電圧Ｖth未満のレベルのときローレベルの信号を出力する（図２（２）参照）。コンパレータ１８から出力された信号は、整形回路１６によって所定の時定数に応じて波形整形される。すなわち、整形回路１６では、コンパレータ１８から出力される信号のレベルがローレベルからハイレベルになるときは所定の時定数に応じて充電され、ハイレベルからローレベルになるときはこれを放電する。これにより、整形回路１６は、コンパレータ１８から出力される信号のレベルがローレベルからハイレベルになるときは徐々にレベルが増加する信号を出力し、ハイレベルからローレベルになるときは徐々にレベルが減少する信号を出力する。従って、整形回路１６から出力される信号は、時定数に応じて整形した滑らかな信号になる（図２（３）参照）。
【００２８】整形回路１６から出力される信号は、アナログデジタル変換器３４によって所定の時間でサンプリングされたアナログ信号に応じた値のデジタル信号に変換される。アナログデジタル変換器３４で変換されたデジタル信号は加重平均回路２０に入力される。
【００２９】加重平均回路２０は、詳細は後述するが２次元ＣＣＤセンサ４０の１ライン（走査線）分の入力された信号に基づいて加重平均を行うことによって１ライン上のスリット像６４の幅の中心位置（加重中心値）を求める。この中心位置を全てのラインについて求め、スリット像の中心位置の偏差を求める。この偏差は被測定面の段差に対応するため、ラインの位置と偏差とにより被測定面の形状を求めることができる。
【００３０】次に、加重平均回路２０の作動について図３R>３に示したフローチャートを参照して説明する。
【００３１】先ず、ステップ１０２では、本ルーチンで使用される変数の初期値を設定する。すなわち、フラグFlagをリセットし、カウンタ値としてｉ、ｊに１をセットする。また、Ｉo ＝０、遅延時間Ｔth、変数Ｔs 、最大サンプリング回数ｉmax を取り込む。
【００３２】なお、フラグFlagは、整形回路１６とアナログデジタル変換器３４とが接続状態にあると共に、整形回路１６から出力される信号が所定の時定数で定まる時間を経過した状態がセット（Flag＝１）、そうでない場合がリセット（Flag＝０）に対応する。カウンタ値ｉ、ｊは、２次元ＣＣＤセンサ４０の水平同期信号（ＨＤ）の立ち上がり（または立ち下がり）からの経過時間を所定時間でサンプリングしたサンプル回数である。このサンプリング時間を２次元ＣＣＤセンサ４０の１ＣＣＤ素子（ピクセル）に対応するように換算することによって、２次元ＣＣＤセンサ４０上のピクセル毎の位置に対応させることができる。
【００３３】また、遅延時間Ｔthは、整形回路１６の時定数で定まる立ち上がり信号の到達遅延時間を表している。変数Ｔs は、立ち上がり時刻を示す変数である。最大測定サンプリング回数ｉmax は、水平同期信号の周期（１ライン）を上記所定時間でサンプリングした回数である。なお、２次元ＣＣＤセンサ４０の１ピクセルに時間を対応させ１ラインが有するＣＣＤ素子の数を換算することによって、２次元ＣＣＤセンサ４０の１ライン上のＣＣＤ素子の総和を用いることができる。
【００３４】次のステップ１０４では、入力される信号の２次元ＣＣＤセンサ４０の１ラインについて時刻Ｔｉ及び時刻Ｔｉのときの光量Ｉｊを記憶し、ステップ１０６へ進む。次のステップ１０６では、現在のカウンタ値ｉ，ｊの時刻Ｔｉ及び光量Ｉｊを取り込み、ステップ１０８へ進む。
【００３５】ステップ１０８では、現在のカウンタ値ｉ，ｊに対する時刻Ｔｉの光量Ｉｊが０を越えかつ前回の光量Ｉj-1 が０か否かを判断することによって、現在の時刻Ｔｉが立ち上がり時刻か否かを判断する。立ち上がり時刻の場合は、ステップ１１０において現在取り込んだ時刻Ｔｉを立ち上がり時刻を表す変数Ｔｓにセットし、ステップ１１２へ進む。
【００３６】ステップ１１２では、操作者がスイッチ１４を切り換えた後に切換センサ１５から出力される信号によってスイッチ１４の状態が補正側Ｅか通過側Ｆかを判断する。すなわち、アナログデジタル変換器３４に入力された信号が直接増幅回路３２から出力された信号か、増幅回路３２から出力された信号が整形回路１６を介して出力された信号か否かを判断する。通過側Ｆの場合にはステップ１１４へ進み、加重平均回路２０によって入力された信号をそのまま加重平均する。
【００３７】すなわち、ステップ１１４では、Ｓ＝Ｓ＋Ｉｊを演算することによって現在のカウンタ値ｉに対する時刻までの光量Ｉの総和を演算し、ステップ１１６へ進む。次のステップ１１６では、Ｔ＝Ｔ＋Ｉｊ・Ｔｉを演算することによって時刻Ｔに光量Ｉで重み付けされた総和を演算する。
【００３８】上記演算が終了するとステップ１１８において、メモリされたデータが終了したか否かを判断することによって１ラインについて上記処理が終了したか否かを判断し、終了でない場合にはステップ１２０において、ｉ及びｊを１インクリメントし、ステップ１０６へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００３９】１ラインの処理が終了すると、ステップ１２２において、上記求めた各総和からＴｃ＝Ｔ／Ｓを演算することによって時間についての加重平均値Ｔｃを求める。求めた値Ｔｃを２次元ＣＣＤセンサ４０上に対応する位置に換算する。これにより、２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置を求めることができる。
【００４０】一方、ステップ１１２において、スイッチ１４が補正側Ｅと判断された場合にはステップ１２４へ進む。
【００４１】ステップ１２４では、Ｔｉ−Ｔｓ＞Ｔthか否かを判断することによって立ち上がり時刻Ｔｓから整形回路１６の時定数で定まる遅延時間Ｔthを経過したか否かを判断する。遅延時間Ｔthを経過していない場合にはステップ１１４へ進み、上記と同様に各総和を求める。経過した場合にはステップ１２６において、フラグFlag＝１か否かを判断することによりスイッチ１４がセットか否かを判断する。フラグFlagがセットの場合には、スイッチ１４が補正側Ｅであると共に、整形回路１６から出力される信号が既に遅延時間Ｔthを経過した状態であるため、ステップ１１４へ進み、上記と同様に各総和を求める。フラグFlagがリセットの場合には、スイッチ１４が補正側Ｅであると共に、整形回路１６から出力される信号が遅延時間Ｔthを経過した当初の状態であるため、ステップ１２８において、ｊ＝ｊ＋Ｔthを演算すると共に演算されたカウントの光量Ｉｊを読み取る。読み取りが終了するとフラグFlagをセットしてステップ１１４へ進む。次に、上記と同様に各総和を演算し（ステップ１１４、１１６）、１ラインについて処理を繰り返す（ステップ１１８、１２０）。１ラインの処理が終了すると、求めた各総和から時間についての加重平均値Ｔｃを求め（ステップ１２２）、求めた値Ｔｃを２次元ＣＣＤセンサ４０上に対応する位置に換算する。これにより、２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置を求めることができる。
【００４２】このように、スイッチ１４が補正側Ｅで、２次元ＣＣＤセンサ４０から出力された信号（図２（１）参照）がコンパレータ１８及び整形回路１６を介して加重平均回路２０に入力された場合は、時間Ｔthを経過した後、時間Ｔth進んだときの時刻の光量Ｉｊによって時刻Ｔｉに重みが付される。従って、加重平均によって求める時間は、整形回路１６で時間Ｔthだけ遅延された総時間Ｔxo（図２（３）参照）が補正され、所定の光量以上の光が２次元ＣＣＤセンサ４０に照射された位置間に対応する時間Ｔｘ（図２（２）参照）に等価になる。これによって、図２（４）に示したように、時間Ｔｘの間で立ち上がり及び立ち下がりが滑らかになる信号と等価な信号として加重平均を求めることができる。このため、２次元ＣＣＤセンサ４０に照射されたスリット像６４の中心位置を、精度良く求めることができる。
【００４３】以上説明したように、演算回路１０は、１ラインについての入力された信号に基づいて加重平均を行うことによってスリット像６４の幅の中心位置を求める。求めたスリット像の中心位置の偏差を全てのラインについて求めることによって、被測定面の段差を求めることができる。このように、本実施例の形状測定装置１２では、２次元ＣＣＤセンサ４０の出力信号に基づいて演算回路１０によって被測定面６０Ａの段差を算出する。
【００４４】本実施例では、スリット像６４の幅の中心位置を求める場合に、基準値以上の光量が照射された位置間で立ち上がり及び立ち下がりが滑らかかつ対称な信号に補正して、この対称な信号の加重平均をとるので、傷等の影響で光量の分布が異なっても、ずれることはなく確実かつ高い分解能で、中心位置を求めることができる。従って、求めたスリット像の位置は、実際の位置に対応して適正に求められ、最適な測定対象物の形状を得ることができる。
【００４５】なお、本実施例ではロッドレンズを利用してスリット状の光を得る例について説明したが、スリット状の光を得る素子としてシリンドリカルレンズ、シリンドリカルミラー等を用いることもでき、回転多面鏡等のレーザービームをスキャンすることによりスリット状の光を得ることもできる。
【００４６】また、本実施例では受光素子として２次元ＣＣＤセンサを用いた場合について説明したが、２次元ＣＣＤセンサに限定されるものではなく、１次元ＣＣＤセンサ、撮像管を用いたテレビジョンシステムによる位置検出方法を用いてセンサ上で２次元の位置を出力することのできる素子を利用してもよい。
【００４７】また、本実施例では、スイッチを切り換えることによって出力される制御信号に基づいて加重平均回路は補正を行うようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、常時コンパレータ及び整形回路を通過した２次元ＣＣＤセンサから出力される信号を、加重平均回路に入力するようにしてもよい。
【００４８】また、本実施例では、操作者によってスイッチを切り換えた場合の例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、スイッチを自動的に切り換えることによって加重平均回路に入力する信号の波形を整形してもよい。この場合は、制御信号が入力されることによってオンオフするスイッチ、例えばアナログスイッチを上記実施例に用いたスイッチと置き換える。このスイッチは、制御信号が入力されることによって、２次元ＣＣＤセンサの出力信号がそのまま加重平均回路へ出力される状態からコンパレータ及び整形回路によって波形整形された信号が加重平均回路へ出力される状態に切り換わるようにする。この場合、先ず、２次元ＣＣＤセンサの出力信号をそのままアナログデジタル変換して加重平均回路によって加重平均する。このとき、２次元ＣＣＤセンサに照射された位置についてのみ平均する。または、重みを１（光量を全て１）に対応させて加重平均する。この各演算値を比較し異なる場合に入力波形が対称でないと判断し、スイッチに制御信号を出力する。これによって、スイッチが作動し、波形が整形された信号を加重平均回路へ出力することができる。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、被測定面の表面の状態に拘わらず、ＳＮ比が低下することなく、高い分解能で光の中心位置を求めて被測定面の形状を測定することができる、という優れた効果を有する。
【００５０】請求項２に記載の発明によれば、加重平均手段に入力される信号を光強度信号か整形信号かに何れかを出力することによって、最適な処理時間で処理することができ、また被測定面の表面の状態に応じて処理することができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（１）は、２次元ＣＣＤセンサ（受光面）上の１ラインにおける位置と光量との関係を示す線図である。（２）は、コンパレータの出力信号波形を示す線図である。（３）は、整形回路の出力信号波形を示す線図である。（４）は、加重平均回路における仮想的なスリット像に対する信号波形を示す線図である。
【図３】加重平均処理の演算処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図５】（１）は、形状測定装置の２次元ＣＣＤセンサ（受光面）上におけるレーザービームの照射状態を示す線図である。（２）、（３）は、２次元ＣＣＤセンサの出力信号を示す線図である。
【図６】（１）は、２次元ＣＣＤセンサの任意ラインの位置及び光量の特性曲線において加重平均による中心位置を示す線図である。（２）は、２点中心法によってスリット像の中心位置を求める状態を示すイメージ図である。
【符号の説明】
１０ 演算回路
１２ 形状測定装置
１４ スイッチ（切換手段）
１６ 整形回路（波形成形手段）
１８ コンパレータ（比較手段）
２０ 加重平均回路（加重平均演算手段）
３４ アナログデジタル変換器
４０ ２次元ＣＣＤセンサ（位置検出手段）
６０ 測定対象物
６０Ａ 被測定面
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、形状測定装置にかかり、特に、スリット光を被測定面に照射し被測定面からの反射光を受光することにより被測定面の形状を測定する形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、非接触にて被測定面の凸凹等の形状を三角測量法を用いて測定する形状測定装置がある（特公昭５０−３６３７４号公報、特開昭５６−１３８２０４号公報、特開昭５７−２２５０８号公報、特開昭５８−５２５０８号公報等）。
【０００３】これらの形状測定装置は、スリット状の光ビーム（以下、スリット光線という）を被測定面へ照射し、その照射した光の光軸と所定の角度をもって設けられたセンサにおける被測定面の反射光の受光位置によって表面形状等を測定する。詳細には図４に示すように、形状測定装置１２は、半導体レーザー５０等の光源、コリメートレンズ５２及びロッドレンズ５４等の拡散レンズを備えた光源装置６２と、受光レンズ５６及び２次元ＣＣＤセンサ４０等の受光素子を備えた受光装置と、２次元ＣＣＤセンサ４０に接続された演算回路１０とから構成される。上記拡散レンズにはロッドレンズ５４の他にシリンドリカルレンズを用いることができる。また、受光素子には、１次元ＣＣＤセンサ等を用いることができる。
【０００４】この形状測定装置１２によれば、半導体レーザー５０の射出側には、球面レンズで構成されたコリメートレンズ５２が配設されており、半導体レーザー５０から射出されるレーザービームがコリメートレンズ５２により被測定面に集束される。コリメートレンズ５２の射出側にはロッドレンズ５４が配設されており、コリメートレンズ５２から射出されたレーザービームは、ロッドレンズ５４に照射される。ロッドレンズ５４は、円柱形状で入射されたレーザービームは円周方向にのみスリット状に発散される。また、シリンドリカルレンズは同一の断面凹部（または、凸部）が一方向に連続した柱状になっており、入射されたレーザービームは断面凹部が連続した方向と交差するスリット状に発散される。ロッドレンズ５４の射出側には被測定面６０Ａが位置しており、ロッドレンズ５４から射出されたスリット状のレーザービームが被測定面６０Ａに向かって照射される。
【０００５】ロッドレンズ５４によってスリット状に発散されたスリット光線は被測定面６０Ａに照射され、このスリット状に発散された光線と被測定面６０Ａとの交点が輝く、すなわち、被測定面６０Ａの形状に応じた形状に照明される。被測定面６０Ａに照射されたスリット光線は、受光レンズ５６を介して、２次元ＣＣＤセンサ４０に結像される。従って、この２次元ＣＣＤセンサ４０上には、被測定面６０Ａ上の輝線の光の像（以下、スリット像という）が結像される。また、この２次元ＣＣＤセンサ４０は、照射されたレーザービームの位置及び光強度に応じた電気信号を演算回路１０に出力するようになっている。
【０００６】上記受光装置の光軸は光源装置６２の光軸と所定の角度θをもって取り付けられている。このため、被測定面６０Ａが光源装置６２の光軸方向に段差がある場合には、被測定面６０Ａ上の光点の位置は、段差に応じて光源装置６２の光軸方向に変位することになり、２次元ＣＣＤセンサ４０上でのスリット像６４は、図５（１）に示したように、光軸方向の段差が測定方向（図５紙面水平方向）の変位となって現れることになる。この２次元ＣＣＤセンサ４０の図５紙面水平方向に対応する任意のライン（走査線）５９Ａ、５９Ｂの出力信号は、図５（２）、（３）に示したようになる。２次元ＣＣＤセンサ４０は、このような信号を演算回路１０に出力する。この出力信号の振幅が大きい部位がライン上のスリット部分になる。すなわち、出力信号の振幅が大きい部位がラインとスリット像との交点（光点）位置に対応する。この位置の偏差を求めることによって、求めたライン間の段差を求めることができる。
【０００７】従って、演算回路１０は、入力された信号に基づいて、上記２次元ＣＣＤセンサ４０上の全てのラインとスリット像６４との交点位置（光点位置）を求めることによって、２次元ＣＣＤセンサ４０上におけるスリット像６４の位置を求め、求めた位置の各々の偏差を求めて、被測定面６０Ａの段差を求める。この段差を２次元ＣＣＤセンサ４０の全てに亘って求めることによって測定対象物６０の形状を測定することができる。
【０００８】被測定面６０Ａ上に照射されるスリット光線は所定の幅を有しかつ、このスリット光線の幅方向が測定方向に対応するため、上記２次元ＣＣＤセンサ４０上のラインとスリット像６４との光点位置はスリット像の幅による範囲となり、位置を特定する分解能が低くなる。この分解能を向上させるためには、スリット像の幅によって定まる光点の位置範囲を特定する必要がある。この光点位置は、以下の式（１）に示したように、２次元ＣＣＤセンサ４０の任意のラインから出力される信号の加重平均によって求めることができる。すなわち、任意のラインにおけるスリット像の位置範囲から位置を特定する場合、２次元ＣＣＤセンサ４０に照射された各位置における光量を重みとして位置の加重平均を求める（図６（１）参照）。これにより、２次元ＣＣＤセンサ４０上の光点がずれても、高い分解能で光点の位置を求めることができる。
【０００９】
【数１】
【００１０】但し、ｉ＝０、１、・・・Ｚａ：光点位置Ｚi ：２次元ＣＣＤセンサにおける位置Ｉi ：位置Ｚi に照射された光量。
【００１１】なお、予め測定対象物６０の基準面に対応する２次元ＣＣＤセンサ４０上の所定の位置を基準位置と定めると、被測定面６０Ａの基準位置からの変位に応じて２次元ＣＣＤセンサ４０上に像点の変位となって表れるので、２次元ＣＣＤセンサ４０上のスリット像位置に応じて出力される信号に基づいて求めたスリット像６４の位置と予め設定された基準の光点位置との偏差を求めることによって、基準面からの被測定面の変位を求めることができる。
【００１２】しかしながら、上記加重平均法によって光点位置を求める方法では、被測定面６０Ａ上の表面粗さや表面の傷、表面反射率等の影響を受け易くなる。すなわち、被測定面６０Ａ上に傷がある場合には、その傷部における光ビームの乱反射が増加し、結果として図２（１）に示したように傷部の光量値が大きくなる。このため、この出力信号を加重平均すると、傷部に対応する位置の重みが大きくなり光点位置が２次元ＣＣＤセンサ４０上のスリット像の幅の中心位置よりずれて求められる。これによって、傷のある部位と傷のない部位との偏差をとって段差を求めるとばらつきが生じ、適正な測定値を得ることができないことがある。
【００１３】また、表面の状態が均一でなく、光ビームの反射が方向性を有しているような被測定面６０Ａを測定する場合には、同一の光量を照射しても２次元ＣＣＤセンサ４０に照射される光量が一定にならずに、光量の分布が偏ってしまうため、上記と同様に求める光点位置がずれてしまう。
【００１４】上記問題を解決するために、２次元ＣＣＤセンサ４０から出力される信号を直流分再生回路（クランパ）によってクランピングして加重平均により位置を求めるクランプ法が考えられる。この場合には、２次元ＣＣＤセンサ４０の出力信号に直流分を加えて、この信号波形の最小部を所定のレベル、例えば０Ｖに一致させる。上記の方法では、被測定面の全面に均一な乱反射光が照射されて信号波形の最小部が変動する場合は有効であるが、光量の分布が偏った場合や傷等によるノイズの影響を除去することができない。更に、信号波形の最小部を所定のレベルにしても、信号波形の最大部にノイズが含まれているため、出力信号のＳＮ比が低下し、測定誤差が生じることがある。
【００１５】また、上記の他の方法として、所定のしきい値Ｉｏ以上の光ビームが２次元ＣＣＤセンサに照射された位置についてのみ単純な平均を行うことによって光点を求める平均法が考えられる。この場合には、２次元ＣＣＤセンサの出力信号及びしきい値Ｉｏ信号をコンパレータに入力し、しきい値Ｉｏ以上でハイレベルになる信号を出力させ、カウンタを用いて出力信号の立ち上がり、立ち下がりの時点のカウンタ値を２次元ＣＣＤセンサ上の位置Ｚｂ、Ｚｃとする（図６（２）参照）。そして、求めた位置Ｚｂ、Ｚｃの中心値Ｚｄを、２次元ＣＣＤセンサ４０上におけるスリット像６４とラインとの交点の光点位置として求める。
【００１６】しかしながら、上記のようにして求めた中心位置はカウンタのクロック幅で決定されるため、クロック幅またはクロック幅の１／２より高い分解能を得ることができない。この分解能を高くするためには高速のカウンタを用いなければならない。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記事実を考慮して、スリット光を照射することによって被測定面の形状を測定する形状測定装置において、被測定面の表面の粗さや反射等の状態に拘わらず高分解能で光点位置を特定することができる形状測定装置の提供を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記整形信号の光強度に対応する値を重みとして前記整形信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えている。
【００１９】請求項２記載の発明は、被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記光強度信号と、前記整形信号との何れか一方を出力する切換手段と、前記切換手段から出力された信号の光強度に対応する値を重みとして該信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えている。
【００２０】
【作用】請求項１に記載の発明によれば、被測定面には照射手段によってスリット光が照射される。位置検出手段は、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する。比較手段は、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する。波形整形手段は、比較信号が左右対称でかつ中心を含む領域が最大になるように波形を整形した整形信号を出力する。このような整形信号としては、立ち上がり勾配と立ち下がり勾配とが逆の略台形波形や、ガウス分布の波形がある。加重平均演算手段は、整形信号の光強度に対応する値を重みとして整形信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算し、位置検出手段が受光した光の幅方向の中心位置を求める。このように、左右対称かつ中心を含む領域の重みを重くして加重平均するため、被測定面に傷等がある場合や被測定面の表面状態が一様でない場合でも、受光した光の中心を含む領域の重みを重くして中心位置を高い分解能で求めることができる。従って、被測定面における乱反射の影響による検出位置のずれを防止することができる。さらに、上記整形信号は基準値以上のときハイレベルにしてノイズを除去しているため、クランパによってクランピングされた信号のように、ＳＮ比が低下することなく、中心位置を精度よく求めることができる。
【００２１】上記で説明したように、位置検出手段から出力される信号を整形しているため、処理時間が長くなる場合がある。また、被測定面の表面の状態によっては、信号波形を整形する必要がない場合もある。
【００２２】そこで、請求項２に記載した発明の切換手段は、光強度信号と、整形信号との何れか一方を出力する。加重平均演算手段は、切換手段から出力された信号の光強度に対応する値を重みとして受光位置に対応する加重平均を演算する。これによって、光強度信号に対応する値をそのまま重みとして光強度信号の受光位置に対応する値を演算するか、整形信号の光強度信号に対応する値を重みとして整形信号の受光位置に対応する値を演算するかを切換手段によって切り換えることができる。従って、被測定面の表面の状態による影響が少ない場合や短い時間で処理したい場合は、加重平均手段に入力される信号を光強度信号に切り換えることにより、処理時間が長くなることなく、中心位置を求めることができる。また、高い分解能の測定が必要な場合には、整形信号が加重平均手段に入力されるように切り換えることによって実現できる。従って、被測定面の表面の状態に応じて最適な処理時間で処理することができる。
【００２３】
【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。本実施例は、照射手段としての光源装置６２から射出されたスリット光線が被測定面６０Ａで反射することによって得られるスリット像の光強度及び位置を、位置検出手段としての２次元ＣＣＤセンサ４０により検出するようにしたものである。なお、本実施例における、２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置は、２次元ＣＣＤセンサ４０に所定の周期（水平及び垂直）の同期型センサを用い、この水平同期信号ＨＤ、及び垂直同期信号ＶＤの立ち上がり（立ち下がり）からの経過した時刻に２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置を対応させることによって特定することができる。また、本実施例に利用した形状測定装置１２は、図４に示した従来例と略同様のため、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２４】図１に示したように、演算回路１０は、増幅回路（ＡＭＰ）３２を備えており、増幅回路３２の入力端は２次元ＣＣＤセンサ４０に接続されている。増幅回路３２は２次元ＣＣＤセンサ４０から出力された信号を所定の増幅率で増幅して出力する。増幅回路３２の出力端は切換手段としてのスイッチ１４の一方の入力端及び比較手段としてのコンパレータ（ＣＭＰ）１８の一方の入力端に接続されている。コンパレータ１８の他方の入力端には比較の基準となるしきい値の電圧（Ｖth）が入力されるように接続されている。このしきい値の電圧Ｖthは、予めノイズによる２次元ＣＣＤセンサ４０の出力値を越えた値を定めることが好ましい。コンパレータ１８の出力端は所定の時定数の充放電回路から構成された波形成形手段としての整形回路１６の入力端に接続されている。整形回路１６の出力端はスイッチ１４の他方の入力端に接続されている。スイッチ１４の出力端はアナログデジタル変換器（Ａ／Ｄ）３４の入力端に接続されており、アナログデジタル変換器３４の出力端は荷重平均演算手段としての加重平均回路２０に接続されている。
【００２５】加重平均回路２０は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）３０、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２８及びリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２６を備えたマイクロコンピュータで構成されており、これらはバス２４によって接続されデータ及びコマンドが相互にやりとりが可能になっている。また、加重平均回路２０は、外部の装置との入出力を行なう入出力回路（以下、Ｉ／Ｏ）２２を備えており、Ｉ／Ｏ２２はバス２４に接続されている。Ｉ／Ｏ２２には、信号線４２の一方が接続されており、信号線４２の他方はスイッチ１４の切り換えを検出する切換センサ１５に接続されている。この切換センサ１５には、スイッチ１４の状態に応じた信号、例えば、スイッチ１４が増幅回路３２とアナログデジタル変換器３４とを接続した通過側Ｆの状態のときローレベル、整形回路１６とアナログデジタル変換器３４とを接続した補正側Ｅの状態のときハイレベルの何れかの信号を出力する（図１参照）。また、Ｉ／Ｏ２２には、出力装置３６が接続されており、加重平均回路２０で求めた位置を表示、印刷または他の演算装置に出力可能になっている。
【００２６】以下、本実施例の作用を説明する。半導体レーザー５０からレーザービームが射出されると、コリメートレンズ５２及びロッドレンズ５４を介して被測定面６０Ａに照射される。ロッドレンズ５４から射出されるレーザービームは、スリット状に発散され、被測定面６０Ａには、スリット状のレーザービーム（スリット光線）が照射される。被測定面６０Ａに照射されたスリット光線の輝線は、受光レンズ５６により集光され２次元ＣＣＤセンサ４０上に、被測定面６０Ａの段差に応じたスリット像６４として結像される。２次元ＣＣＤセンサ４０はスリット像６４の位置及び光強度に応じた検出信号を演算回路１０へ出力する（図４参照）。
【００２７】演算回路１０に入力されるスリット像６４の検出信号は、増幅回路３２によって所定の増幅率で増幅されてコンパレータ１８に入力される。コンパレータ１８は、２つの入力信号、すなわち、増幅回路３２の出力信号としきい値電圧Ｖthの信号とを比較して、増幅回路３２の出力信号がしきい値電圧Ｖth以上のレベルのときにハイレベルの信号を出力しかつしきい値電圧Ｖth未満のレベルのときローレベルの信号を出力する（図２（２）参照）。コンパレータ１８から出力された信号は、整形回路１６によって所定の時定数に応じて波形整形される。すなわち、整形回路１６では、コンパレータ１８から出力される信号のレベルがローレベルからハイレベルになるときは所定の時定数に応じて充電され、ハイレベルからローレベルになるときはこれを放電する。これにより、整形回路１６は、コンパレータ１８から出力される信号のレベルがローレベルからハイレベルになるときは徐々にレベルが増加する信号を出力し、ハイレベルからローレベルになるときは徐々にレベルが減少する信号を出力する。従って、整形回路１６から出力される信号は、時定数に応じて整形した滑らかな信号になる（図２（３）参照）。
【００２８】整形回路１６から出力される信号は、アナログデジタル変換器３４によって所定の時間でサンプリングされたアナログ信号に応じた値のデジタル信号に変換される。アナログデジタル変換器３４で変換されたデジタル信号は加重平均回路２０に入力される。
【００２９】加重平均回路２０は、詳細は後述するが２次元ＣＣＤセンサ４０の１ライン（走査線）分の入力された信号に基づいて加重平均を行うことによって１ライン上のスリット像６４の幅の中心位置（加重中心値）を求める。この中心位置を全てのラインについて求め、スリット像の中心位置の偏差を求める。この偏差は被測定面の段差に対応するため、ラインの位置と偏差とにより被測定面の形状を求めることができる。
【００３０】次に、加重平均回路２０の作動について図３R>３に示したフローチャートを参照して説明する。
【００３１】先ず、ステップ１０２では、本ルーチンで使用される変数の初期値を設定する。すなわち、フラグFlagをリセットし、カウンタ値としてｉ、ｊに１をセットする。また、Ｉo ＝０、遅延時間Ｔth、変数Ｔs 、最大サンプリング回数ｉmax を取り込む。
【００３２】なお、フラグFlagは、整形回路１６とアナログデジタル変換器３４とが接続状態にあると共に、整形回路１６から出力される信号が所定の時定数で定まる時間を経過した状態がセット（Flag＝１）、そうでない場合がリセット（Flag＝０）に対応する。カウンタ値ｉ、ｊは、２次元ＣＣＤセンサ４０の水平同期信号（ＨＤ）の立ち上がり（または立ち下がり）からの経過時間を所定時間でサンプリングしたサンプル回数である。このサンプリング時間を２次元ＣＣＤセンサ４０の１ＣＣＤ素子（ピクセル）に対応するように換算することによって、２次元ＣＣＤセンサ４０上のピクセル毎の位置に対応させることができる。
【００３３】また、遅延時間Ｔthは、整形回路１６の時定数で定まる立ち上がり信号の到達遅延時間を表している。変数Ｔs は、立ち上がり時刻を示す変数である。最大測定サンプリング回数ｉmax は、水平同期信号の周期（１ライン）を上記所定時間でサンプリングした回数である。なお、２次元ＣＣＤセンサ４０の１ピクセルに時間を対応させ１ラインが有するＣＣＤ素子の数を換算することによって、２次元ＣＣＤセンサ４０の１ライン上のＣＣＤ素子の総和を用いることができる。
【００３４】次のステップ１０４では、入力される信号の２次元ＣＣＤセンサ４０の１ラインについて時刻Ｔｉ及び時刻Ｔｉのときの光量Ｉｊを記憶し、ステップ１０６へ進む。次のステップ１０６では、現在のカウンタ値ｉ，ｊの時刻Ｔｉ及び光量Ｉｊを取り込み、ステップ１０８へ進む。
【００３５】ステップ１０８では、現在のカウンタ値ｉ，ｊに対する時刻Ｔｉの光量Ｉｊが０を越えかつ前回の光量Ｉj-1 が０か否かを判断することによって、現在の時刻Ｔｉが立ち上がり時刻か否かを判断する。立ち上がり時刻の場合は、ステップ１１０において現在取り込んだ時刻Ｔｉを立ち上がり時刻を表す変数Ｔｓにセットし、ステップ１１２へ進む。
【００３６】ステップ１１２では、操作者がスイッチ１４を切り換えた後に切換センサ１５から出力される信号によってスイッチ１４の状態が補正側Ｅか通過側Ｆかを判断する。すなわち、アナログデジタル変換器３４に入力された信号が直接増幅回路３２から出力された信号か、増幅回路３２から出力された信号が整形回路１６を介して出力された信号か否かを判断する。通過側Ｆの場合にはステップ１１４へ進み、加重平均回路２０によって入力された信号をそのまま加重平均する。
【００３７】すなわち、ステップ１１４では、Ｓ＝Ｓ＋Ｉｊを演算することによって現在のカウンタ値ｉに対する時刻までの光量Ｉの総和を演算し、ステップ１１６へ進む。次のステップ１１６では、Ｔ＝Ｔ＋Ｉｊ・Ｔｉを演算することによって時刻Ｔに光量Ｉで重み付けされた総和を演算する。
【００３８】上記演算が終了するとステップ１１８において、メモリされたデータが終了したか否かを判断することによって１ラインについて上記処理が終了したか否かを判断し、終了でない場合にはステップ１２０において、ｉ及びｊを１インクリメントし、ステップ１０６へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００３９】１ラインの処理が終了すると、ステップ１２２において、上記求めた各総和からＴｃ＝Ｔ／Ｓを演算することによって時間についての加重平均値Ｔｃを求める。求めた値Ｔｃを２次元ＣＣＤセンサ４０上に対応する位置に換算する。これにより、２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置を求めることができる。
【００４０】一方、ステップ１１２において、スイッチ１４が補正側Ｅと判断された場合にはステップ１２４へ進む。
【００４１】ステップ１２４では、Ｔｉ−Ｔｓ＞Ｔthか否かを判断することによって立ち上がり時刻Ｔｓから整形回路１６の時定数で定まる遅延時間Ｔthを経過したか否かを判断する。遅延時間Ｔthを経過していない場合にはステップ１１４へ進み、上記と同様に各総和を求める。経過した場合にはステップ１２６において、フラグFlag＝１か否かを判断することによりスイッチ１４がセットか否かを判断する。フラグFlagがセットの場合には、スイッチ１４が補正側Ｅであると共に、整形回路１６から出力される信号が既に遅延時間Ｔthを経過した状態であるため、ステップ１１４へ進み、上記と同様に各総和を求める。フラグFlagがリセットの場合には、スイッチ１４が補正側Ｅであると共に、整形回路１６から出力される信号が遅延時間Ｔthを経過した当初の状態であるため、ステップ１２８において、ｊ＝ｊ＋Ｔthを演算すると共に演算されたカウントの光量Ｉｊを読み取る。読み取りが終了するとフラグFlagをセットしてステップ１１４へ進む。次に、上記と同様に各総和を演算し（ステップ１１４、１１６）、１ラインについて処理を繰り返す（ステップ１１８、１２０）。１ラインの処理が終了すると、求めた各総和から時間についての加重平均値Ｔｃを求め（ステップ１２２）、求めた値Ｔｃを２次元ＣＣＤセンサ４０上に対応する位置に換算する。これにより、２次元ＣＣＤセンサ４０上の位置を求めることができる。
【００４２】このように、スイッチ１４が補正側Ｅで、２次元ＣＣＤセンサ４０から出力された信号（図２（１）参照）がコンパレータ１８及び整形回路１６を介して加重平均回路２０に入力された場合は、時間Ｔthを経過した後、時間Ｔth進んだときの時刻の光量Ｉｊによって時刻Ｔｉに重みが付される。従って、加重平均によって求める時間は、整形回路１６で時間Ｔthだけ遅延された総時間Ｔxo（図２（３）参照）が補正され、所定の光量以上の光が２次元ＣＣＤセンサ４０に照射された位置間に対応する時間Ｔｘ（図２（２）参照）に等価になる。これによって、図２（４）に示したように、時間Ｔｘの間で立ち上がり及び立ち下がりが滑らかになる信号と等価な信号として加重平均を求めることができる。このため、２次元ＣＣＤセンサ４０に照射されたスリット像６４の中心位置を、精度良く求めることができる。
【００４３】以上説明したように、演算回路１０は、１ラインについての入力された信号に基づいて加重平均を行うことによってスリット像６４の幅の中心位置を求める。求めたスリット像の中心位置の偏差を全てのラインについて求めることによって、被測定面の段差を求めることができる。このように、本実施例の形状測定装置１２では、２次元ＣＣＤセンサ４０の出力信号に基づいて演算回路１０によって被測定面６０Ａの段差を算出する。
【００４４】本実施例では、スリット像６４の幅の中心位置を求める場合に、基準値以上の光量が照射された位置間で立ち上がり及び立ち下がりが滑らかかつ対称な信号に補正して、この対称な信号の加重平均をとるので、傷等の影響で光量の分布が異なっても、ずれることはなく確実かつ高い分解能で、中心位置を求めることができる。従って、求めたスリット像の位置は、実際の位置に対応して適正に求められ、最適な測定対象物の形状を得ることができる。
【００４５】なお、本実施例ではロッドレンズを利用してスリット状の光を得る例について説明したが、スリット状の光を得る素子としてシリンドリカルレンズ、シリンドリカルミラー等を用いることもでき、回転多面鏡等のレーザービームをスキャンすることによりスリット状の光を得ることもできる。
【００４６】また、本実施例では受光素子として２次元ＣＣＤセンサを用いた場合について説明したが、２次元ＣＣＤセンサに限定されるものではなく、１次元ＣＣＤセンサ、撮像管を用いたテレビジョンシステムによる位置検出方法を用いてセンサ上で２次元の位置を出力することのできる素子を利用してもよい。
【００４７】また、本実施例では、スイッチを切り換えることによって出力される制御信号に基づいて加重平均回路は補正を行うようにしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、常時コンパレータ及び整形回路を通過した２次元ＣＣＤセンサから出力される信号を、加重平均回路に入力するようにしてもよい。
【００４８】また、本実施例では、操作者によってスイッチを切り換えた場合の例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、スイッチを自動的に切り換えることによって加重平均回路に入力する信号の波形を整形してもよい。この場合は、制御信号が入力されることによってオンオフするスイッチ、例えばアナログスイッチを上記実施例に用いたスイッチと置き換える。このスイッチは、制御信号が入力されることによって、２次元ＣＣＤセンサの出力信号がそのまま加重平均回路へ出力される状態からコンパレータ及び整形回路によって波形整形された信号が加重平均回路へ出力される状態に切り換わるようにする。この場合、先ず、２次元ＣＣＤセンサの出力信号をそのままアナログデジタル変換して加重平均回路によって加重平均する。このとき、２次元ＣＣＤセンサに照射された位置についてのみ平均する。または、重みを１（光量を全て１）に対応させて加重平均する。この各演算値を比較し異なる場合に入力波形が対称でないと判断し、スイッチに制御信号を出力する。これによって、スイッチが作動し、波形が整形された信号を加重平均回路へ出力することができる。
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように請求項１に記載の発明によれば、被測定面の表面の状態に拘わらず、ＳＮ比が低下することなく、高い分解能で光の中心位置を求めて被測定面の形状を測定することができる、という優れた効果を有する。
【００５０】請求項２に記載の発明によれば、加重平均手段に入力される信号を光強度信号か整形信号かに何れかを出力することによって、最適な処理時間で処理することができ、また被測定面の表面の状態に応じて処理することができる、という優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかる形状測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】（１）は、２次元ＣＣＤセンサ（受光面）上の１ラインにおける位置と光量との関係を示す線図である。（２）は、コンパレータの出力信号波形を示す線図である。（３）は、整形回路の出力信号波形を示す線図である。（４）は、加重平均回路における仮想的なスリット像に対する信号波形を示す線図である。
【図３】加重平均処理の演算処理の流れを示すフローチャートである。
【図４】形状測定装置の概略構成を示す斜視図である。
【図５】（１）は、形状測定装置の２次元ＣＣＤセンサ（受光面）上におけるレーザービームの照射状態を示す線図である。（２）、（３）は、２次元ＣＣＤセンサの出力信号を示す線図である。
【図６】（１）は、２次元ＣＣＤセンサの任意ラインの位置及び光量の特性曲線において加重平均による中心位置を示す線図である。（２）は、２点中心法によってスリット像の中心位置を求める状態を示すイメージ図である。
【符号の説明】
１０ 演算回路
１２ 形状測定装置
１４ スイッチ（切換手段）
１６ 整形回路（波形成形手段）
１８ コンパレータ（比較手段）
２０ 加重平均回路（加重平均演算手段）
３４ アナログデジタル変換器
４０ ２次元ＣＣＤセンサ（位置検出手段）
６０ 測定対象物
６０Ａ 被測定面
【特許請求の範囲】
【請求項１】 被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記整形信号の光強度に対応する値を重みとして前記整形信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えた形状測定装置。
【請求項２】 被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記光強度信号と、前記整形信号との何れか一方を出力する切換手段と、前記切換手段から出力された信号の光強度に対応する値を重みとして該信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えた形状測定装置。
【請求項１】 被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記整形信号の光強度に対応する値を重みとして前記整形信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えた形状測定装置。
【請求項２】 被測定面へスリット光を照射する照射手段と、被測定面で反射された光を受光しかつ受光位置に応じた光強度信号を出力する位置検出手段と、受光した光の幅方向の受光位置に応じた光強度が、予め定められた基準値以上のときハイレベルになる比較信号を出力する比較手段と、前記比較信号を左右対称でかつ中心を含む領域と、その信号の大きさが最大になるように波形整形した整形信号を出力する波形整形手段と、前記光強度信号と、前記整形信号との何れか一方を出力する切換手段と、前記切換手段から出力された信号の光強度に対応する値を重みとして該信号の受光位置に対応する値の加重平均を演算する加重平均演算手段と、を備えた形状測定装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図６】
【図２】
【図４】
【図５】
【図３】
【図６】
【公開番号】特開平５−３１２５３４
【公開日】平成５年（１９９３）１１月２２日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平４−１２３４１４
【出願日】平成４年（１９９２）５月１５日
【出願人】（０００００３５５１）株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【公開日】平成５年（１９９３）１１月２２日
【国際特許分類】
【出願日】平成４年（１９９２）５月１５日
【出願人】（０００００３５５１）株式会社東海理化電機製作所 (3,198)
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【出願人】（０００００３６０９）株式会社豊田中央研究所 (4,200)
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