JP3850279B2 - 立体形状測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は立体形状測定装置に関し、特に、レーザなどの照射光を、ポリゴンミラーとｆθレンズなどの偏向走査集光手段とを用いて測定対象を直線走査し、走査光の反射光を三角測量の原理で測定して、測定対象の立体形状を測定する際に、走査光学系の変形の発生による測定精度の低下、さらに、走査位置による高さ精度の変化を抑えた立体形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体形状を幾何光学的に測定する方法として、さまざまな光を物体に投影して、その反射光を光検出器で測定する方法と、自然光や一般的な照明下で、物体を複数の方向からカメラで測定し、複数の画像間の相関により、物体の立体形状を求める方法の、大きく分けて２つの方法がある。
そして前者は更に、光の投影方法、光検出器の種類、さらにその間の位置関係などにより、さまざまに分類される。
【０００３】
図１４は、産業機器などによく使われている、従来の立体形状測定装置の例である。
図１４において、光源１から出た光をポリゴンミラーなどの回転鏡２で偏向し、ｆθレンズなどの集光・走査レンズ３で走査光４を集光して、測定対象５の上へのスポット光６ａを形成し、回転鏡２の回転により、該スポット光６ａは、スポット光６ｂまで測定対象５の表面の直線（以下、走査直線７とする）上を走査する。
【０００４】
測定対象５の表面において乱反射した光のうち、走査光４の方向とは異なる方向の反射光８を、受光光学系９を介して、ＰＳＤやＣＣＤカメラなどの位置検出素子１０上に結像し、これを電気信号に変換した像の位置情報から、スポット光６が照射している点の高さ情報を、三角測量法によって得る。
【０００５】
スポット光６が測定対象を走査直線７上で走査し、さらに測定対象５が走査直線７の方向である主走査方向１１と走査光４の進行方向４０とがなす平面に対して垂直な方向（以下、副走査方向１２とする）に回転鏡２の回転と同期して移動することにより、スポット光６は測定対象５を２次元的に走査し、各走査位置の高さ情報をメモリ上に保存して並べることにより、測定対象５の３次元立体形状を測定することができる。
【０００６】
図１５は、従来の立体形状測定装置における、三角測量による高さ計測の問題点を示す。
三角測量による高さ計測では、走査光４の方向とは異なる方向から反射光８を測定するため、測定対象５の形状や反射率分布の影響を受ける。従って、図１５（ａ）に示すように、死角の発生が生じたり、また、図１５（ｂ）に示すように、多重反射による高さ測定誤差が生じる。
【０００７】
図１５（ｃ）は、複数の方向から反射光を測定する場合の例である。
図１５（ｃ）において、反射光測定対象５の形状が複雑な場合や輝度変化が激しい場合には、複数の方向から反射光８ａ（死角発生），８ｂ（二重反射発生），８ｃ（測定対象５の影響無し）．．．を測定し、死角や多重反射の影響がない方向から測定した反射光８ｃによる高さ出力値を選択する必要がある。
【０００８】
図１６は、従来の立体形状測定装置における、走査位置と受光像位置との関係を示す断面図であり、 スポット光６が走査直線７上を走査した場合の三角測量の問題点を示す。
図１６において、図１４に示す従来の立体形状測定装置で、測定対象５からの反射光８を、回転鏡２や集光・走査レンズ３からなる走査光学系とは別の独立した受光光学系９を介して、位置検出素子１０に導くと、該位置検出素子１０上の像位置が走査位置により移動し、高さ変化Ｈが生じる。そのため、高さの測定範囲以上に広い位置検出素子が必要になり、測定精度の低下や処理速度の低下等の性能劣化が発生する。
【０００９】
図１７は、従来の立体形状測定装置における、受光光学系に走査光学系が含まれる場合の装置の構成を示す斜視図である。
図１７において、受光光学系９を受光光学系９ａと受光光学系９ｂの２つに分けて、該受光光学系９ａと該受光光学系９ｂとの間に、走査光学系を含める構成とする。
【００１０】
反射光８は、走査光学系を介して位置検出素子１０に到達し、走査位置による反射光８の移動は、走査光学系により相殺される。すると、位置検出素子１０上での像移動は、測定対象５の高さ変化が主要因となり、高さ測定精度が向上し性能改善を図ることができる。
【００１１】
更に、図１７における受光光学系９ａ、受光光学系９ｂ、位置検出素子１０を複数系統設けて、測定対象５からの反射光８を多方向から測定して、図１５（ｃ）で示した三角測量の問題点の解決を図る立体形状測定装置も一般的に存在する。
従来の立体形状測定装置は、以上のように構成されていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は、従来の立体形状測定装置における、スポット光位置ずれと高さ誤差を説明するための図である。
従来の立体形状測定装置における、走査光学系を用いた直線走査で、反射光を多方向から測定し、三角測量による立体形状測定を行う場合、図１８（ａ）に示すように、反射光８を測定する受光光学系９が変化せず、測定対象５上のスポット光６の位置のみ、点Ａから点Ｂに変化すると、位置検出素子１０上の像位置がＡ’からＢ’に変化して高さが正確に測定できないという問題があった。
【００１３】
特に、ポリゴンミラーやガルバノミラーなどの回転鏡による偏向手段と、ｆθレンズなどの集光・走査レンズとからなる走査光学系を介して、スポット光６が測定対象５まで導かれる場合、回転鏡の回転部の劣化やｆθレンズ保持部の変形などにより、走査光４の光軸が温度等の環境変化や時間の経過とともに、角度ずれや位置ずれを発生し、スポット光６の位置が変化し、正確な高さ測定が困難であるという問題があった。
【００１４】
さらに、図１５（ｃ）で示したような複雑な形状の測定対象５の高さを高精度に測定するために、複数方向の反射光８を測定する場合には、図１８（ｂ）に示すように、スポット光６の位置が点Ａから点Ｂに変化すると、受光光学系９Ｒ・位置検出素子１０Ｒで反射光を受光した場合、位置検出素子１０Ｒ上の像位置がＡ’からＢ’に変化し、見かけ上、測定対象が点Ｃ’の高さに位置するので、ｈ’の測定高さ誤差が発生する。
【００１５】
一方、受光光学系９Ｌ・位置検出素子１０Ｌで反射光を受光した場合は、像がＡ”からＢ”に変化し、測定対象が点Ｃ”に見え、先ほどの高さ誤差ｈ’とは正負が逆で、大きさも異なるｈ”の測定高さ誤差が発生することになる。
【００１６】
このように、反射光の方向によってスポット光６の位置ずれによる高さ誤差の方向や程度が異なるため、複数の高さデータから正しい高さを選択する際に誤差を拡大してしまうことがあり、逆に高さの測定精度が劣化するという恐れがあるという問題があった。
【００１７】
このように、三角測量による高さ測定を行う場合、高精度に測定するには、スポット光６の位置・角度変化を抑える必要がある。そのため、従来例で述べたようなスポット光６を走査光学系により走査する場合では、回転鏡の角度変化の影響を抑えるための特殊な走査光学系を構築する必要があったり、使用環境を制限して走査光学系の変形を抑制する必要があったり、高さ誤差を校正するための定期的な保守作業が必要であるなどの様々な制約が生じるという問題があった。
【００１８】
また、図１７に示したような走査位置による像移動を抑えるために、受光光学系９を受光光学系９ａと受光光学系９ｂの２つに分けて、該受光光学系９ａと該受光光学系９ｂの間に走査光学系を配置し、反射光８を走査光学系を介して位置検出素子１０に導く従来例の場合には、次のような問題があった。
【００１９】
図１９は、従来の立体形状測定装置における、走査位置による高さ測定精度の変化を示す図である。
図１９において、受光光学系９ａを介して、スポット光６の反射光８を回転鏡２や集光・走査レンズ３からなる走査光学系に導いた場合、該反射光８の経路は途中で曲がって、余分な距離を進んだり、あるいは、受光光学系９ａで反射光８の広がり角が変化するために、走査集光レンズ３に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３は、走査集光レンズ３を通過したスポット光６が集光する走査面１６上に位置しなくなる。
【００２０】
一般的な走査光学系の場合、反射光８が集光レンズ３と回転鏡２からなる走査光学系を通過した後の反射光８の見かけ上の集光点１４までの距離Ｌｄｒが、走査位置に関わらず常に一定になるという保証がされなくなる。このとき、走査集光レンズ３に入射する光源１から出た光の見かけ上の発光点１５までの距離Ｌｄｓは、走査位置に関係なく常に一定であることにより、見かけ上の集光点１４の位置は、位置が変化しない発光点１５に対して変化する。
【００２１】
すなわち、走査位置により受光光学系９ｂによる反射光８の集光点と、位置検出素子１０の受光面までの距離とが変化するので、位置検出素子１０上の像サイズも変化する。像サイズが大きくなると、測定高さ精度が悪化するので、高さ測定精度も走査位置により変化することになる。
その結果、ある走査位置で位置検出素子１０上の像サイズを最小にして高さ測定精度を最高にしても、他の走査位置では、像サイズが大きく、精度低下が起こるので総合的な高さ精度が低下するという問題があった。そのため、高さ精度を維持するためには、特殊な受光性能も考慮した走査光学系を考案する必要が有り、設計上の制限となるという問題があった。
【００２２】
本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、回転鏡や走査集光レンズで構成された走査光学系が変形してスポット光の位置がずれても、測定精度が低下しない立体形状測定装置、及び特殊な受光性能を考慮した走査光学系を必要とすることなく、高さ精度の変化を抑制することのできる立体形状測定装置を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１にかかる立体形状測定装置は、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査光束と上記走査線の両者に垂直な方向（以下、副走査方向）に上記物体が移動した場合、上記光位置検出器にて得られる像の、上記副走査方向の移動の向きが、上記物体の移動の向きと同じで、かつ、上記像の移動距離が上記物体の移動距離の２倍未満となる反射光光路変換手段とを備えたものである。
【００２４】
また、本発明の請求項２にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡としたものである。
【００２５】
また、本発明の請求項３にかかる立体形状測定装置は、請求項２記載の立体形状測定装置において、上記鏡と鏡の間の相対位置関係が常に一定に保たれているものとしたものである。
【００２６】
また、本発明の請求項４にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを持つ、くさび型のプリズムとしたものである。
【００２７】
また、本発明の請求項５にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線の方向に伸びた円筒レンズとしたものである。
【００２８】
また、本発明の請求項６にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、シート状の形状を有し、光を屈折させる光学素子としたものである。
【００２９】
また、本発明の請求項７にかかる立体形状測定装置は、請求項３記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する偶数枚の鏡が、ひとつのプリズム本体の内面に形成されており、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記走査集光手段と上記光位置検出器との間に設けたものである。
【００３０】
また、本発明の請求項８にかかる立体形状測定装置は、請求項４または請求項６記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたものである。
【００３１】
また、本発明の請求項９にかかる立体形状測定装置は、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する円筒レンズを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたものである。
【００３２】
また、本発明の請求項１０にかかる立体形状測定装置は、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査集光手段を射出した上記走査光束の見かけ上の集光点が描く軌跡を通り、かつ、上記走査光束に垂直な面（以下、仮想走査面）に対して、上記集光点の上記走査集光手段に入射する反射光の見かけ上の発光点が、常に上記仮想走査面上に位置するようになる反射光光路変換手段とを備えたものである。
【００３３】
また、本発明の請求項１１にかかる立体形状測定装置は、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記走査集光手段を通過した上記走査光束が上記走査面に到達する間の光路に設けられ、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を備えたものである。
【００３４】
また、本発明の請求項１２にかかる立体形状測定装置は、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成されているものとしたものである。
【００３５】
また、本発明の請求項１３にかかる立体形状測定装置は、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスで構成されているものとしたものである。
【００３６】
また、本発明の請求項１４にかかる立体形状測定装置は、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を備えたものである。
【００３７】
また、本発明の請求項１５にかかる立体形状測定装置は、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成したものである。
【００３８】
また、本発明の請求項１６にかかる立体形状測定装置は、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面を有する平行ガラスで構成したものである。
【００３９】
また、本発明の請求項１７にかかる立体形状測定装置は、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線方向に伸びた円筒レンズから構成したものである。
【００４０】
また、本発明の請求項１８にかかる立体形状測定装置は、請求項１６記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する平行ガラスは、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡をその内面に形成されて一体化されたものとしたものである。
【００４１】
また、本発明の請求項１９にかかる立体形状測定装置は、請求項１８記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する一体化された平行ガラスは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを備えたものである。
【００４２】
また、本発明の請求項２０にかかる立体形状測定装置は、請求項４、請求項６または請求項８のいずれかに記載の立体形状測定装置において、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を、上記記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したものである。
【００４３】
また、本発明の請求項２１にかかる立体形状測定装置は、請求項２０記載の立体形状測定装置において、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したものである。
【００４４】
また、本発明の請求項２２にかかる立体形状測定装置は、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズが、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を一体化して構成したものである。
【００４５】
また、本発明の請求項２３にかかる立体形状測定装置は、請求項２２記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる集光距離変更手段とを一体化して構成したものである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下に、本発明の請求項１から請求項５に記載された発明を実施の形態１として、図１〜図４を用いて説明する。
図１は、本発明にかかる立体形状測定装置の全体的な構成を示す斜視図であり、代表的な光学系の構成を示している。
図１において、光源１から出た光をポリゴンミラーなどの回転鏡２で偏向し、ｆθレンズなどの集光・走査レンズ３で走査光４を集光して測定対象５上へのスポット光６ａを形成し、回転鏡２の回転により該スポット光６ａは、スポット光６ｂまで直線７上を走査する。走査光４の光進行方向とは異なる方向の反射光８は、受光光学系９０ａを介して、集光・走査光学レンズ３と回転鏡２の走査光学系を通過し、受光光学系９ｂによりＰＳＤやＣＣＤカメラなどの位置検出素子１０上に結像し、電気信号に変換した像の位置情報から、スポット光６が照射している点の高さ情報を三角測量法により得る。
【００４７】
スポット光６が、測定対象５を直線７上を走査し、さらに測定対象５が走査直線７の方向である主走査方向１１と走査光４の光進行方向４０を含む平面と垂直な方向（副走査方向１２）に、回転鏡２の回転と同期して移動することにより、該スポット光６は、測定対象５を２次元走査し、各走査位置の高さ情報をメモリ上に保存して並べることにより測定対象５の３次元立体形状が測定できるように構成されている。
このように、図１に示す一般的な光学系の構成において、受光光学系９０ａは測定対象５からの反射光８を走査光学手段に導く作用を行うものである。
【００４８】
図２は、本実施の形態１の立体形状測定装置の原理を説明するための図である。
図２（ａ）に示すように、スポット光６が副走査方向１２に距離ｄｓ移動した場合、走査光学手段に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３の位置の移動成分のうち、副走査方向１２の移動について、スポット光６の移動ｄｓと同じ向きに、さらに、ほぼ同じ距離（ｄｒ）移動する作用を有している。
【００４９】
スポット光６の副走査方向１２への移動が走査光学系の変形により発生している場合、ｄｓ＝ｄｒのとき、スポット光６と見かけの発光点１３の副走査方向１２に投影した相対距離が一定となるので、図２（ｂ）に示す光源１の見かけ上の発光点１５と、反射光の走査光学手段を通過後の見かけ上の集光点１４の副走査方向１２とに投影した相対位置も一定となる。よって、光源の見かけ上の発光点１５が移動しない限り、見かけ上の集光点１４、つまり位置検出素子１０上の像位置、すなわち測定する高さデータは、スポット光６の位置変動の影響を受けず一定となる。距離ｄｓとｄｒとが一致しない場合でも、スポット光の移動（距離ｄｓ）で本来発生する測定高さ誤差をｈｓとすると、見かけ上の発光点１３の移動距離ｄｒにより、次の式（１）で示すように、実際の測定誤差ｈｒを改善することができる。
【００５０】
ｈｒ／ｈｓ＝ｄｒ／ｄｓ−１ ・・・（１）
ここで、ｈｒがｈｓより改善する条件、つまりｈｒ／ｈｓの絶対値が１より小さい条件を求めると、上記式（１）を変形して、
−１＜ｈｒ／ｈｓ＝ｄｒ／ｄｓ−１＜１
０＜ｄｒ／ｄｓ＜２ ・・・（２）
という関係が導きだせる。
【００５１】
上記距離ｄｒ＝ｄｓのとき、先述のように、ｈｒ＝０となり、測定高さ誤差が発生しない。また、ｄｒ≠ｄｓでも上記式（２）を満たしていれば、スポット光６が走査光学系の変形で移動しても、測定高さの誤差を低減することができる。
【００５２】
次に上記構成を実現するための請求項２と請求項３に記載した立体形状測定装置に相当する具体的な構成について説明する。
図３は、本実施の形態１における、ミラー群反射による物体と像位置の関係を説明するための図であり、図３（ａ）は、１枚のミラーの反射における物体と像の位置関係を示す。
【００５３】
図３（ａ）において、物体が点Ａから点Ｂに移動し、像がＡ’点からＢ’点に移動する場合、ベクトルＡＢとｘ軸のなす角度をα1、ミラー面とｘ軸のなす角度をβ1（いずれもｘ軸からｙ軸に回転する方向が正）、Ａ’Ｂ’とｘ軸のなす角度をα2とすると、幾何的な条件から以下の式（３）が成立することとなる。
α2＝２β1―α1 ・・・（３）
図３（ｂ）に示すように、複数枚のミラーで反射が起こる場合は、上記式（３）を組合せて次式となる。
よって，２ｉ(偶数)枚目のミラーで反射した像の角度α2i+1は以下の式（４）に示すようになる。
ここで、Ｂｅはミラー群の角度βjで決まる固定値である。
【００５４】
また、２ｉ−１(奇数)枚目のミラーで反射した像の角度α2iは以下の式（５）に示すようになる。
ここで、Ｂｏはミラー群の角度βjで決まる固定値である。
【００５５】
それぞれの場合の複数枚ミラー全体への入射角をαin、射出角度αoutとすると、全体の曲り角δαは、ミラー枚数が２ｉ（偶数）枚のときは以下の式（６）で示され、ミラー群の角度βjで決まる固定値Ｂｅとなる。
δα＝αout−αin＝Βe ・・・（６）
また、ミラー枚数が２ｉ−１(奇数)枚のときは、以下の式（７）で示される。
δα＝αout−αin＝Ｂo−２αin ・・・（７）
図４は、本実施の形態１にかかる立体形状測定装置の受光光学系を説明するための図である。
上記のモデルを計測する反射光８の進行角度で適用すると、図１に示した受光光学系９０ａの構成として図４（ａ）に示すように、２枚ミラー１７ａ，１７ｂで構成した場合のように、ｘ軸が副走査方向１２、ｙ軸が走査光光軸方向４０の反対方向、αinはスポット光６からの直接反射光８が走査面６となす角を主走査方向１１に垂直な平面に投影した角θで、αoutは受光光学系９０ａから射出する反射光８が走査面６となす角を主走査方向１１に垂直な平面に投影した角となる。
【００５６】
ここで、αoutについては走査集光レンズ３の光軸に対して入射する反射光は平行に近いほうが受光光学系９ｂの配置の自由度が増すので、αoutの範囲は９０°−φ〜９０°＋φとなる。なお、角度φは、あまり大きくない角度が望ましい。よって、ミラー枚数が偶数と奇数では、それぞれ上述した式（４），式（５）より、以下に示すように、式（８），式（９）となる。
偶数枚：９０°−θ−φ＜Ｂｅ＜９０°−θ＋φ ・・・（８）
奇数枚：９０°＋θ−φ＜Ｂｏ＜９０°＋θ＋φ ・・・（９）
一方、図４（ｂ）に示すように、走査光学手段の変化により、スポット光６が点Ａから点Ａ’と副走査方向１２に距離ｄｓ動いた場合、スポット光６の移動について、このモデルを適用すると、ｘ軸が副走査方向１２、ｙ軸が走査光光軸方向４０の反対方向、αinはＡＡ’がｘ軸上となす角で常に０、αoutが受光光学系９０ａから射出する見かけ上の発光点１３の移動前後の点Ｂ、点Ｂ’の直線ＢＢ’がｘ軸となす角に相当する。この場合、点Ｂと点Ｂ’の副走査方向１２成分の移動距離をｄｒとすると、αin＝０より次式となる。
ｄｒ／ｄｓ＝cos(αout)＝cos(δα)
よって、走査光学系の変形による測定高さ誤差を低減するには、上記式（２）より、受光光学系９０ａの反射光曲げ角δαの範囲は−９０°〜９０°となる。
【００５７】
従って、ミラー枚数が偶数と奇数では、それぞれ上記式（６），式（７）より、以下の式（１０），式（１１）となる。
偶数枚：−９０°＜δα＝Ｂｅ＜９０° ・・・（１０）
奇数枚：−９０°＜δα＝Ｂｏ＜９０° ・・・（１１）
受光光学系９０ａを偶数枚のミラーで構成した場合、上記式（８）と式（１０）を同時に満たすには、式の両辺を比較して以下の式（１２）となる。
−９０°＜９０°−θ−φかつ ９０°−θ＋φ＜９０°
φ＜１８０°−θかつ φ＜θ ・・・（１２）
θの範囲は０〜９０°に対して、上記式（１２）を満たすφは容易に選択できるのは明らかである。
【００５８】
一方、受光光学系９０ａを奇数枚のミラーで構成した場合、上記式（９）と式（１１）とを同時に満たすには、式の両辺を比較して、以下の式（１３）となる。
−９０°＜９０°＋θ−φかつ ９０°＋θ＋φ＜９０°
φ＜１８０°＋θ かつ φ＜−θ ・・・（１３）
θの範囲は０〜９０°に対して、上記式（１３）の条件、φ＜−θを満たすφをとると、θが大きい場合、走査集光レンズに入射する角度が大きくなり、受光性能（収差，開口など）に問題が生じるため、特殊な走査集光手段の必要性や、θの範囲制限が発生し、実現が困難となる。
【００５９】
上記受光光学系９０ａを偶数枚のミラーで構成すると、反射光の曲り角は上記式（４）で示すように、固定値Ｂｅとなる。ここで、Ｂｅの式は隣り合った２ｊ枚目と２ｊ−１枚目の角度βの差(β2j−β2j-1)の合計となっている。つまり、ミラー間の相対角度が一定の場合、全体の角度が変化したとしても、固定値Ｂｅ、つまり、反射光の曲り角は変化しないことになる。
【００６０】
一方、受光光学系９０ａを奇数枚のミラーで構成すると、反射光の曲り角は上記式（５）で示したように、固定値Ｂｏとなる。この場合は、隣り合ったミラーの角度差(β2j−β2j-1)の合計とは別に、最終の２ｉ−１番目のミラー角度β2i-1と入射角αinがあるので、ミラー間の相対角度が一定であっても、全体の角度が変化すると反射光の曲り角が変化することになる。
【００６１】
このように、受光光学系９０ａを走査線７と平行な２枚以上の偶数枚のミラーで構成すると、スポット光６の走査光学系の変形による移動で発生する測定高さ誤差を低減でき、さらに、ミラー間の相対位置が保たれていると、受光光学系が主走査方向１１回りに回転しても、高さ誤差を抑えることができる。
【００６２】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２にかかる立体形状測定装置について説明する。
図５は、本発明の実施の形態２にかかる立体形状測定装置の受光光学系の構成を説明するための図であり、図５（ａ）は、図１に示した受光光学系９０ａを、入射面と射出面が主走査方向１１と平行なプリズム１７ｃで構成したものを示している。
【００６３】
図５（ａ）において、該プリズム１７ｃは、スポット光６の点Ａからの反射光８を、主走査方向１１と垂直な面内で曲げる作用があり、これにより反射光８を走査集光レンズ３に導いている。プリズム１７ｃを射出する反射光８の見かけ上の発光点１３を点Ｂとし、スポット光６の位置が副走査方向１２向きに点Ａから点Ａ’に距離ｄｓ移動した場合、見かけ上の発光点Ｂは点Ｂ’となり、副走査方向１２への移動距離をｄｒとする。その場合、プリズムの特性上、発光点Ｂの移動の副走査方向１２成分の向きは、点Ａの移動の向きと同じになりプリズムの入射面・射出面の角度や屈折率の組合せを選択することにより、スポット光６の、副走査方向１２の移動距離ｄｓと、見かけ上の発光点１３の副走査方向１２の移動距離ｄｒとの関係が上記式（２）を満たすことが可能となる。
【００６４】
このように、受光光学系９０ａを、主走査方向１１と垂直な平面内で光を曲げる作用のあるプリズム１７ｃで構成することにより、スポット光６の走査光学系の変形による移動で発生する測定高さ誤差を低減することができる。
さらに、プリズムの特性上、プリズム１７ｃが主走査方向１１周りに回転した場合でも、見かけ上の発光点１３の位置ずれを抑えられるので測定する高さ誤差を押えることができる。
【００６５】
図５（ｂ）は、請求項５に記載した構成の立体形状測定装置の基本的な構造を示しており、受光光学系９０ａを、図５（ａ）におけるプリズム１７ｃに代えて、円筒レンズ１７ｄを用いて構成している。
図５（ｂ）において、上記プリズム１７ｃを用いたときの説明と同じく、発光点Ｂの副走査方向１２の移動の向きはＡの向きと同じで、スポット光６の副走査方向１２の移動距離ｄｓと見かけ上の発光点１３の副走査方向１２の移動距離ｄｒとの関係が、上記式（２）を満たすことが可能となる。
【００６６】
また、図５（ｃ）は、請求項６に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示しており、受光光学系９０ａをプリズムシート１７ｅを用いて構成している点が特徴である。
【００６７】
図５（ｃ）において、上記プリズム１７ｃを用いたときの説明と同じく、発光点Ｂの副走査方向１２の移動の向きはＡの向きと同じで、スポット光６の副走査方向１２の移動距離ｄｓと見かけ上の発光点１３の副走査方向１２の移動距離ｄｒとの関係が上記式（２）を満たすことが可能となる。さらに、プリズムシート１７ｅは、図５（ｃ）に示すように、シート状に制作することが可能なため、空間的な体積が少なく、ほかの光学部品の配置に対して与える影響が少なくなるので、光学設計上の自由度が増し、付加的な機能や性能向上が容易となる。
なお、図５（ｃ）では、断面形状が鋸状のプリズムシート１７ｅを用いる場合を示したが、多段の凹凸形状となっている回折格子でも同様に実施することができる。
【００６８】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３にかかる立体形状測定装置について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、図６（ａ）は、本発明の請求項７に記載された立体形状測定装置の主要な構成を示している。
【００６９】
図６（ａ）において、一体型受光光学系（プリズム）１８は、請求項３に記載した構成（図３（ｂ）に相当）を有する受光光学系の２つのミラーを内面に設けたものとなっており、スポット光６からの反射光８はプリズム１８の内面にある２つのミラー１７ａ，１７ｂを経由して走査集光レンズ３へ導かれるように構成されている。
【００７０】
また、図６（ｂ）に示すように、位置検出素子１０と受光光学系９ｂとの間に補正プリズム１９を設けた構成を有している。この場合、図６（ｃ）に示すように、反射光８の片側の光を８ａとし、反対側の光を８ｂとすると、プリズム１８で曲ることにより、反射光８ａと反射光８ｂとの間に光路長差が発生する。そのため単に走査光学系・受光光学系９ｂを通して位置検出素子１０上に集光しても一点に集光しない。そこで補正プリズム１９により、反射光８ａと反射光８ｂとの間に、プリズム１８で生じた光路長差とは反対方向の光路長差を発生させ、プリズム１８で発生する光路長差を相殺するように構成すると、位置検出素子１０上で反射光８は１点に集光するようになる。
【００７１】
すなわち、プリズム１８の入射面１８ａへの入射角をα1とし、プリズム１８の射出面１８ｂからの射出角をα2とし、補正プリズム１９の入射面１９ａへの入射角をβ1とし、さらに、補正プリズム１９の射出面１９ｂからの射出角をβ2とすると、プリズム１８と補正プリズム１９の屈折率が同じで、スポット光６と位置検出素子１０上の像との間の光学倍率が１の場合、α1＝β2、かつα2＝β1だと、プリズム１８で発生する光路長差は補正プリズム１９で発生する光路長差で相殺され、反射光８の両端の光８ａと光８ｂの光路長とが同じになり、位置検出素子１０上の像サイズが小さくなり、測定高さ精度が改善されることになる。
【００７２】
一般に、プリズム１８の形状はコストやサイズの制限から、角度α1，α2を収差が最小になる最適な組合せにとれないことが多いので、その場合、上記の条件を満たす補正プリズム１９を配することにより、プリズム１８で発生する収差を改善することができる。また、補正プリズム１９の位置だと走査位置に関係なく反射光８の位置は、ほぼ一定のため、補正プリズム１９のサイズを小さくでき、コスト上も有利となる。
【００７３】
なお、プリズム１８と補正プリズム１９の屈折率が異なったり、光学倍率が１でなかったりする場合でも、プリズム１８での入射角α1，射出角α2に対して、光路長差を補正（相殺）するのに適合する補正プリズム１９の入射角β1と射出角β2とを選ぶことで収差を改善し、位置検出素子１０上の像サイズを最適にすることができる。
【００７４】
また、反射光８がプリズム１８を通過すると、反射光の放射角が変化するために非点収差が発生する。つまり、図６（ｃ）に示すように、主走査方向１１と垂直な面に投影した反射光８の入射前の放射角γ1と、射出後の放射角γ2とが、プリズム１８の作用により異なる。一方、副走査方向１２と垂直な面に投影した反射光８の放射角は、プリズム１８が平行ガラスとしての作用しかないので入射前と射出後で同じである。そのため、非点収差が発生し、集光しても直線の像となり点像とならない。直線像の直線方向が位置検出素子１０の位置を検出する方向と直交していると、測定高さ精度に影響がないが、一般には部品精度や組立て精度の問題で直角にならないので、測定高さ精度の低下要因となる。こうした問題に対しても先述の補正プリズム１９を配置することにより、非点収差が補正され、結像状態を改善することができる。
【００７５】
また、受光光学系９０ａをプリズムシートで構成した場合、上記図６（ａ）の構成で説明したのと同様の受光光学系９０ａで発生する収差を改善する補正プリズム１９を、位置検出素子１０と受光光学系９ｂとの間に設けることにより、位置検出素子上の反射光８の像サイズを小さくし、測定高さ誤差を改善する効果が得られる。
【００７６】
また、請求項９に記載した立体形状測定装置の構成においては、受光光学系９０ａを円筒レンズで構成した場合、反射光８は主走査方向１１と垂直な面内で曲り走査光学系へ導かれるが、同時にレンズとしての効果により、主走査方向１１に垂直な平面に投影した反射光８の放射角が変化するので、反射光８に非点収差が発生する。そこで、円筒レンズを位置検出素子１０と受光光学系９ｂとの間に、受光光学系９０ａを構成する円筒レンズと直角の方向にパワーをもつ方向に設けることにより、位置検出素子１０上の反射光８の像サイズを小さくし、測定高さ誤差を改善する効果を得ることができる。
【００７７】
（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４にかかる立体形状測定装置について説明する。
請求項１０から請求項１７に記載された立体形状測定装置について、図７〜図１０を用いて説明する。
図７は、請求項１０に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示す図である。
【００７８】
図７において、走査集光レンズ３に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３が、走査集光レンズ３を通過した走査光４の見かけ上の集光点４１を通り、走査光４に垂直な面（見かけ上の走査面３０）上にある場合、走査光学系を射出した、反射光８の見かけ上の集光点１４までの距離Ｌｄｒと、走査集光レンズ３に入射する、光源１から出た光の見かけ上の発光点１５までの距離Ｌｄｓとが走査位置にかかわらず常に一致するように構成されている。
【００７９】
ここで光源１は固定しているので距離Ｌｄｓは一定となり、反射光８の距離Ｌｄｒも走査位置に関わらず常に一定になる。位置検出素子１０と走査集光レンズ３との間に配置している受光光学系９ｂも固定されているので、受光光学系９ｂにより集光された反射光８の像は常に位置検出素子１０上で結像し、像サイズも一定となる。
【００８０】
よって、位置検出素子１０上の像サイズが大きいと高さの測定精度が低下するので、この場合、走査位置に関係なく常に測定高さ精度は一定となる。つまり、走査集光レンズ３に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３の位置を、走査位置に関係なく、見かけ上の走査面３０上に配することにより、走査位置に関係なく、常に安定した高さの測定が可能になり、また、全走査範囲全体の総合的な測定高さ精度も向上することになる。
なお、走査集光レンズ３と実際の走査面１６との間に、走査光４の集光距離を変える光学系がない場合、見かけ上の走査面３０は実際の走査面１６と一致することになる。
【００８１】
図８は、請求項１１に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示し、該立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するための図である。
図８において、走査集光レンズ３と走査面１６との間に、収束光の集光点までの距離を変える作用をもつ手段３１を挿入して、走査面１６に対して走査集光レンズ３からみた、見かけ上の走査面３０の位置を、見かけ上の発光点１３の位置と一致するまで移動することにより、上記請求項１０に記載した立体形状測定装置を実現している。
【００８２】
図８（ａ）では、見かけ上の発光点１３の位置が、走査面１６より走査光進行方向４０側にある場合、収束光の集光点までの距離を短くする作用をもつ手段（集光距離変更手段）３１を挿入して、見かけ上の走査面３０を走査面１６に対して走査光進行方向４０に動かして、請求項１１の構成を実現している。
【００８３】
また、図８（ｂ）では、見かけ上の発光点１３の位置が走査面１６より走査光進行方向４０の逆側にある場合、収束光の集光点までの距離を長くする作用をもつ手段３１を挿入して、見かけ上の走査面３０を走査面１６に対して走査光進行方向４０と逆方向に動かして請求項１１の構成を実現している。
【００８４】
図９は、請求項１２と請求項１３に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示しており、該立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するための図である。
図９（ａ）は、収束光の集光点までの距離を短くする作用をもつ手段３１を、主走査方向１１の軸と平行な４枚のミラー群３２で構成した例である。
図９（ａ）において、走査光４が４枚のミラーの間を折れ曲って進むことにより、光学的な距離（光路長）が経過して走査集光レンズ３からみたときの走査光４の見かけ上の集光点４１に対して、実際の集光点の位置が光進行方向４０と逆側に移動する。つまり、実際の走査面１６に対して見かけ上の走査面３０は光進行方向に移動することになる。
【００８５】
ミラーの間隔や角度を選んで見かけ上の走査面３０上に、見かけ上の発光点１３が位置するようにする。実際には、ミラー枚数は３枚以上であれば同様の作用が得られるのは明らかである。
【００８６】
さらに、ミラー群３２が偶数枚のミラーで構成されており、かつ、ミラー間の相対関係が固定されている場合、ミラー群３２全体に主走査方向１１周りの回転が発生しても、請求項３に記載した立体形状測定装置において述べたように、射出する走査光４の角度変化は発生せず、信頼性の高い測定が可能となる。
【００８７】
また、図９（ｂ）は、収束光の集光点までの距離を長くする作用をもつ手段３１を、主走査方向１１の軸と平行な平行ガラス３３で構成した例である。
図９（ｂ）において、走査光が屈折率ｎで厚みｔのガラス中を進むことにより、次の式（３０）で示される距離Ｌ，走査光４の集光点が光進行方向４０側に移動する。
Ｌ＝ｔ（１−１／ｎ） ・・・（３０）
つまり、実際の走査面１６に対して、見かけ上の走査面３０は光進行方向４０と逆方向に移動する。そこで、屈折率ｎと厚みｔを選んで、見かけ上の走査面３０上に見かけ上の発光点１３が位置するようにする。
【００８８】
図１０は、請求項１４に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示しており、該立体形状測定装置の反射光伸縮手段の構成を説明するための図である。
図１０において、受光光学系９０ａと走査集光レンズ３との間に、収束光の集光点までの距離を変える作用をもつ手段（反射光発光点距離変更手段）３４を挿入して、走査光学系に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３を走査面１６上の位置まで移動する構成となっている。
【００８９】
図１０（ａ）は、見かけ上の発光点１３の位置が、走査面１６より走査光進行方向４０と逆方向にある場合、収束光の見かけ上の集光点までの距離を長くする作用をもつ手段３４を挿入して、見かけ上の発光点１３を走査光進行方向４０に動かして、請求項１３に示す構成を実現している。収束光の見かけ上の集光点までの距離を長くする作用を持つ手段３４として、図９（ａ）でスポット光の集光距離を変える手段３１として使用した、主走査方向４０と平行な複数のミラー群で同様に構成すると、請求項１５に記載した立体形状測定装置を実現するものとなる。
【００９０】
図１０（ｂ）は、見かけ上の発光点１３の位置が、走査面１６より走査光進行方向４０側にある場合、収束光の見かけ上の集光点までの距離を短くする作用をもつ手段３４を挿入して、見かけ上の発光点１３を走査光進行方向４０と逆方向に動かして請求項１３の構成を実現している。
【００９１】
収束光の見かけ上の集光点までの距離を短くする作用を持つ手段３４として、図９（ｂ）でスポット光の集光距離を変える手段３１として使用した主走査方向４０と平行な平行ガラスを用いて構成すると、請求項１６に記載した立体形状測定装置を実現することができる。
【００９２】
また、図１０（ａ）,（ｂ）において、見かけ上の発光点の距離を変える手段３４を、主走査方向１１の方向に伸びた円筒レンズで構成すると、上記請求項１７に記載した立体形状測定装置を実現することができる。その場合、走査光学手段に入射する反射光８に非点収差が発生するので、位置検出素子１０上の反射光の像は直線状となる。像の線方向が位置検出素子１０の位置を検出する方向と垂直であれば、測定高さ精度に対して影響はないが、少しでも垂直から外れると測定高さ精度が低下する要因となる。このような場合には、請求項９記載の立体形状測定装置と同様の補正用円筒レンズを受光光学系９ｂの前後に追加することにより、非点収差を改善することができ、測定高さの精度低下を防止することができる。
【００９３】
（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５にかかる立体形状測定装置について説明する。請求項１８から請求項２３に記載された立体形状測定装置について、図１１〜図１３を用いて説明する。
【００９４】
図１１は、本発明の実施の形態５にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、図１１（ａ）は、請求項１８に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示す図である。
図１１（ａ）において、図１に示した受光光学系９０ａが、その内面に２枚のミラー１７０ａ，１７０ｂをもつプリズム１８０で構成されており、スポット光６からの反射光８は、プリズムの透過面１８０ａ上の点Ａを通過してプリズム内に入射し、ミラー１７０ａ上の点Ｂとミラー１７０ｂ上の点Ｃで２回反射して透過面１８０ｂ上の点Ｄより射出され、走査集光レンズ３へ導かれるように構成されている。
【００９５】
反射光８は、２つのミラー１７０ａ，１７０ｂ間を折れ曲って進むので走査集光レンズ３から見たときの、ミラー１７０ｂからの射出光の見かけ上の発光点は、走査光進行方向４０に移動する。同時に、反射光は屈折率ｎのプリズム内を通過するので、反射光のプリズム内の通過距離をｔ（＝距離ＡＢ＋距離ＢＣ＋距離ＣＤ）とし、屈折率をｎとすると、先述の式（３０）に示されるように、見かけ上の発光点は走査光進行方向４０とは反対方向に移動する。
【００９６】
こうした２つの見かけ上の発光点の移動は、それぞれ逆方向になるのでミラーの間隔やプリズムのサイズを選ぶことにより、移動方向をお互いに相殺することができ、見かけ上の発光点を走査面１６上に位置する効果と、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点１３の位置変化をほぼ同じにすることができるという２つの作用を同時に得ることができる光学系を、一体のプリズム１８を用いて実現することができる。
【００９７】
さらに、図１１（ｂ）は、請求項１９に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示している。
図１１（ｂ）において、走査光４がプリズム１８１の平行な２つの透過面１８１ｃと透過面１８１ｄとを、それぞれ通過点Ｅと点Ｆで通過するように構成されている。その距離ＥＦをｔとし、プリズム屈折率ｎとすると、同様に先述の式（３０）により、２枚の平行ガラスによる効果である、見かけ上の走査面３０の移動が起こり、走査光による見かけの走査面３０も変更することができるので、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点１３の位置変化をほぼ同じにすることができるのとあわせて、自由度の高い設計が可能となる。
【００９８】
以上に示した請求項１８と請求項１９記載の立体形状測定装置は、請求項７記載の立体形状測定装置でも述べたように、プリズム１８０,１８１の入射面や射出面が反射光８と垂直でない場合に、発生する収差を改善する補正プリズムを設けることも可能である。
【００９９】
図１２は、本実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための図であり、図１２（ａ）は、請求項２０記載の立体形状測定装置の基本的な構成を示している。
図１２（ａ）において、図１に示した受光光学系９０ａが、主走査方向１１と平行な入射面と射出面をもつプリズム１８２で構成されており、スポット光６からの反射光８は、入射面１８２ａ上の点Ａを通過してプリズム内に入射し、入射面１８２ｂ上の点Ｂよりプリズムから射出され走査集光レンズ３へ導かれるように構成されている。
【０１００】
この場合、反射光８が折れ曲って進むのと、射出する反射光８の放射角が変わるのとで、見かけ上の発光点１３の位置が移動する。同時に、反射光８は屈折率ｎのプリズム内を通過するので、反射光８のプリズム内の通過距離をｔ（＝距離ＡＢ）とし、その屈折率をｎとすると、先述の式（３０）に示されるように、見かけ上の発光点が走査光進行方向４０とは反対方向に移動する。プリズム１８２の入射／射出面の角度、屈折率、及びプリズムのサイズを選ぶことにより、２つの見かけ上の発光点の移動は、その移動方向がお互いに相殺することにより、見かけ上の発光点が走査面１６上に位置する効果と、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点の位置変化をほぼ同じにすることができるという２つの効果を同時に実現することができる光学系を、一体のプリズム１８を用いて実現することができる。
【０１０１】
さらに、図１２（ｂ）は、請求項２１記載の立体形状測定装置の基本構成を示す。
図１２（ｂ）において、走査光４が、主走査方向１１に平行で、お互いに平行な２つの透過面１８３ｃと１８３ｄとをそれぞれ通過点Ｃと点Ｄで通過する。その距離ＣＤをｔとして、プリズム１８３の屈折率をｎとすると、同様に先述の式（３０）により、２枚の平行ガラスによる効果である、見かけ上の走査面の移動が起こり、走査光による見かけの走査面が変更され、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点の位置変化をほぼ同じにすることができることとあわせて、より自由度の高い設計が可能となる。
【０１０２】
なお、以上に示した、請求項２０と請求項２１記載の立体形状測定装置は、上記請求項８に記載した立体形状測定装置の説明で述べたように、プリズム１８２,１８３で発生する収差を改善する補正プリズムを設けた場合でも、同様に効果を得ることができる。
【０１０３】
図１３は、本実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための図である。
なお、図１３（ａ）は、上記図１２（ｂ）において、受光光学系９０ａを構成するプリズムを、プリズムシート１８４に置き換えたものであり、図１２（ｂ）で示した立体形状測定装置と同様、２枚の平行ガラスによる効果である、見かけ上の走査面の移動が起こり、走査光による見かけの走査面が変更され、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点の位置変化をほぼ同じにすることができることとあわせて、より自由度の高い設計が可能となる。
また、図１２（ａ）においても、プリズム１８２をプリズムシートへ置き換えることにより、同等の効果が実現することができる。
【０１０４】
また、図１３（ｂ）は、請求項２３に記載した立体形状測定装置の基本構造を示しており、受光光学系９０ａを、主走査方向１１に伸びている円筒レンズ１８５を用いて構成している点が特徴である。
図１３（ｂ）において、スポット光６からの反射光８は、入射面１８５ａ上の点Ａを通過して円筒レンズ内に入射し、折れ曲って入射面１８５ｂ上の点Ｂより円筒レンズから射出され、走査集光レンズ３へと導かれるように構成されている。また、レンズのパワーにより射出した反射光８の放射角が変わり、見かけ上の発光点の位置が、見かけ上の走査面上に配され、請求項５記載の立体形状測定装置において説明したように、スポット光６の走査光学系の変形による移動で発生する測定高さ誤差を低減することができ、また、上記請求項１７記載の立体形状測定装置において説明したように、反射光の見かけ上の発光点が走査面上にない場合に、走査面に対して見かけ上の発光点の位置を移動して、走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置を一致させることができる効果が実現されている。
【０１０５】
さらに、走査光４が通過する平行ガラスと一体化することにより、請求項１３記載の立体形状測定装置において説明したように、実際の走査面に対して、見かけ上の走査面が光進行方向と逆方向に移動するので、見かけ上の走査面上に見かけ上の発光点を位置させることができるので、より自由度の高い設計が可能となる。
【０１０６】
なお、以上の説明では、反射光の方向は主に、主走査方向と垂直な面内の１方向の反射光を代表例として説明したが、上記いずれの実施の形態においても走査光束が描く面内以外のどの方向の反射光についても、主走査方向と垂直な面に反射光を投影した光に対して実施可能である。さらに、複数方向の受光光学系が同時にある場合でも実施可能である。
また、受光光学系を構成するプリズムや円筒レンズ，シートプリズムについて、いずれも個数が１個の場合を例として説明したが、複数個で構成されている場合でも実施可能であることは言うまでもない。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１にかかる立体形状測定装置によれば、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査光束と上記走査線の両者に垂直な方向（以下、副走査方向）に上記物体が移動した場合、上記光位置検出器にて得られる像の、上記副走査方向の移動の向きが、上記物体の移動の向きと同じで、かつ、上記像の移動距離が上記物体の移動距離の２倍未満となる反射光光路変換手段とを備えたものとしたので、走査光学系から射出する反射光の見かけ上の集光点の光源に対する相対的な位置が、走査光学系の変形にかかわらずほぼ一定になるので、位置検出素子上の像の位置変化が抑えられ、発生する測定高さ誤差を低減することができるという効果が得られる。
【０１０８】
また、本発明の請求項２にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡としたので、単純なミラーの組合せにより、容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減することができるという効果が得られる。
【０１０９】
また、本発明の請求項３にかかる立体形状測定装置によれば、請求項２記載の立体形状測定装置において、上記鏡と鏡の間の相対位置関係が常に一定に保たれているものとしたので、反射光光路変換手段全体が主走査方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、発生する測定高さ誤差を低減することができるという効果が得られる。
【０１１０】
また、本発明の請求項４にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを持つ、くさび型のプリズムとしたもので、単純な部品で容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減でき、さらに、反射光光路変換手段全体が走査光の走査する方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、高さデータの変化も低減することができるという効果が得られる。
【０１１１】
また、本発明の請求項５にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線の方向に伸びた円筒レンズとしたので、単純な部品で容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減でき、反射光光路変換手段全体が走査光の走査する方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、高さデータの変化も低減することができるという効果が得られる。
【０１１２】
また、本発明の請求項６にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、シート状の形状を有し、光を屈折させる光学素子としたので、１つの部品で容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減でき、さらに、反射光光路変換手段全体が走査光の走査する方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、高さデータの変化も低減でき、また、さらに、反射光光路変換手段の配置上の制限を低減でき、設計上の自由度が増すので、より最適な設計が可能になるという効果が得られる。
【０１１３】
また、本発明の請求項７にかかる立体形状測定装置によれば、請求項３記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する偶数枚の鏡が、ひとつのプリズム本体の内面に形成されており、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記走査集光手段と上記光位置検出器との間に設けたので、反射光がプリズムで構成された反射光光路変換手段の入射面や射出面に対して斜めに入射すると、発生する収差が修正され、位置検出素子上の像サイズが小さくなり、高さ測定精度が向上するという効果が得られる。
【０１１４】
また、本発明の請求項８にかかる立体形状測定装置によれば、請求項４または請求項６記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたので、反射光がプリズムで構成された反射光光路変換手段の入射面や射出面に対して斜めに入射すると、発生する収差が修正され、位置検出素子上の像サイズが小さくなり、高さ測定精度が向上するという効果が得られる。
【０１１５】
また、本発明の請求項９にかかる立体形状測定装置によれば、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する円筒レンズを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたので、反射光が円筒レンズで構成された反射光光路変換手段に入射すると、発生する非点収差が修正され、位置検出素子上の像が点状に小さくなり、高さ測定精度を向上することができるという効果が得られる。
【０１１６】
また、本発明の請求項１０にかかる立体形状測定装置によれば、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査集光手段を射出した上記走査光束の見かけ上の集光点が描く軌跡を通り、かつ、上記走査光束に垂直な面（以下、仮想走査面）に対して、上記集光点の上記走査集光手段に入射する反射光の見かけ上の発光点が、常に上記仮想走査面上に位置するようになる反射光光路変換手段とを備えたものとしたので、走査光学系から射出する反射光の見かけ上の集光点と光源から射出される光束の見かけ上の発光点との間の相対的な位置が、走査位置にかかわらずほぼ一定になり、走査位置による位置検出素子上の像サイズの変化が低減され、高さ測定精度を向上させることができるという効果が得られる。
【０１１７】
また、本発明の請求項１１にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記走査集光手段を通過した上記走査光束が上記走査面に到達する間の光路に設けられ、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を備えたものとしたので、走査集光手段からみた見かけ上の走査面の位置が、走査集光手段からみた反射光の見かけ上の発光点まで移動し、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１１８】
また、本発明の請求項１２にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成されているものとしたので、反射光の見かけ上の発光点が走査面に対して走査光進行方向に移動している場合に、走査集光手段からみた見かけ上の走査面の位置を走査光の進行方向に移動して、見かけ上の走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置とを一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１１９】
また、本発明の請求項１３にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスで構成するようにしたので、反射光の見かけ上の発光点が走査面に対して走査光進行と逆方向に移動してる場合に、走査面に対して走査集光手段からみた見かけ上の走査面の位置を走査光進行と逆方向に移動して、見かけ上の走査面と、反射光の見かけ上の発光点の位置とを一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２０】
また、本発明の請求項１４にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を備えたものとしたので、走査集光手段からみた反射光の見かけ上の発光点の位置を、走査面まで移動して、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２１】
また、本発明の請求項１５にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成したので、反射光の見かけ上の発光点の位置が走査面に対して走査光進行方向と逆方向に移動している場合に、走査面に対して見かけ上の発光点の位置を走査光進行方向に移動して、見かけ上の走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置を一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２２】
また、本発明の請求項１６にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面を有する平行ガラスで構成したものとしたので、反射光の見かけ上の発光点が走査面に対して走査光進行に移動している場合に、走査面に対して見かけ上の発光の位置を走査光進行と逆方向に移動して、走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置を一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２３】
また、本発明の請求項１７にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線方向に伸びた円筒レンズから構成したので、反射光の見かけ上の発光点が走査面上にない場合に、走査面に対して見かけ上の発光の位置を移動して、走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置が一致するようになるので、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２４】
また、本発明の請求項１８にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１６記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する平行ガラスは、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡をその内面に形成されて一体化されたものとしたものとしたので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２５】
また、本発明の請求項１９にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１８記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する一体化された平行ガラスは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを備えたものとしたので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減できるという効果が得られる。
【０１２６】
また、本発明の請求項２０にかかる立体形状測定装置によれば、請求項４、請求項６または請求項８のいずれかに記載の立体形状測定装置において、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２７】
また、本発明の請求項２１にかかる立体形状測定装置によれば、請求項２０記載の立体形状測定装置において、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２８】
また、本発明の請求項２２にかかる立体形状測定装置によれば、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズが、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２９】
また、本発明の請求項２３にかかる立体形状測定装置によれば、請求項２２記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる集光距離変更手段とを一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる立体形状測定装置の全体的な構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる立体形状測定装置の原理を説明するための図であり、スポット光が移動した場合（図（ａ））及びスポット光の移動が走査光学系の変形により発生している場合（図（ｂ））を示す。
【図３】上記実施の形態１にかかる立体形状測定装置において、ミラー群の反射による物体と像移動の関係を説明するための図であり、ミラーがそれぞれ、１枚（図（ａ））及び複数枚（図（ｂ））の場合を示す。
【図４】上記実施の形態１における立体形状測定装置の受光光学系の構成を説明するための図であり、２枚ミラーによる受光光学系の構成（図（ａ））及びスポット光の移動（図（ｂ）を示す。
【図５】実施の形態２における立体形状測定装置の受光光学系の構成を説明するための図であり、受光光学系をそれぞれ、プリズム（図（ａ））、円筒レンズ（図（ｂ））、及びフレネルプリズム（図（ｃ））で構成した場合を示す。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、一体型受光光学系の構成（図（ａ））、補正プリズムの設置（図（ｂ））、光路長差の発生（図（ｃ））を示す。
【図７】本発明の実施の形態４にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図である。
【図８】上記実施の形態４における立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するための図であり、見かけ上の発光点の位置が走査面よりぞれぞれ、走査光進行方向側（図（ａ））及び走査光進行方向の逆側（図（ｂ））にある場合を示す。
【図９】上記実施の形態４における立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するためのほかの図であり、走査光伸縮手段をそれぞれ、ミラー群（図（ａ））及び平行ガラス（図（ｂ））で構成した場合を示す。
【図１０】上記実施の形態４における立体形状測定装置の反射光伸縮手段の構成を説明するための図であり、見かけ上の発光点の位置が走査面よりそれぞれ、走査光進行方向と逆方向（図（ａ））及び走査光進行方向（図（ｂ））にある場合を示す。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、受光光学系がその内面に２枚のミラーを持つプリズムで構成されている場合（図（ａ））及び走査光がプリズムの平行な２つの透過面を通過するように構成されている場合（図（ｂ））を示す。
【図１２】上記実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための他の図であり、受光光学系が主走査方向と平行な入射面と射出面を持つプリズムで構成されている場合（図（ａ））及び走査光が主走査方向に平行で、お互いに平行な２つの透過面を通過する場合（図（ｂ））を示す。
【図１３】上記実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための他の図であり、受光光学系にプリズムシート（図（ａ））及び円筒レンズ（図（ｂ））を用いた場合を示す。
【図１４】従来の立体形状測定装置の全体的な構成を示す斜視図である。
【図１５】従来の立体形状測定装置における、三角測量による高さ計測の問題点を説明するための図であり、死角が発生（図（ａ））、多重反射による高さ測定誤差（図（ｂ））、及び複数の方向から反射光を測定（図（ｃ））する場合を示す。
【図１６】従来の立体形状測定装置における、走査位置と受光像位置との関係を示す断面図である。
【図１７】従来の立体形状測定装置における、受光光学系に走査光学系が含まれる場合の構成を示す斜視図である。
【図１８】従来の立体形状測定装置における、スポット光位置ずれと高さ誤差とを説明するための図であり、一方向（図（ａ））及び複数方向（図（ｂ））の反射光を測定する場合を示す。
【図１９】従来の立体形状測定装置における、走査位置による高さ測定精度の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 回転鏡
３ 集光・走査レンズ
４ 走査光
５ 測定対象
６ 測定対象上のスポット光
６ａ 走査直線の端に位置するスポット光
６ｂ 走査直線のもう一方の端に位置するスポット光
７ 走査直線
８ａ 測定対象からの反射光
８ｂ 測定対象からの反射光
９ 受光光学系
９ａ,９０ａ 受光光学系（測定対象と走査光学系の間に位置）
９ｂ 受光光学系（走査光学系と位置検出素子の間に位置）
１０ 位置検出素子
１１ 主走査方向
１２ 副走査方向
１３ 走査光学系に入射する反射光の見かけの発光点
１４ 受光光学系に入射する反射光の見かけの集光点
１５ 光源から射出する光束の見かけの発光点
１６ スポット光６が集光する走査面
１７ａ,１７０ａ,１７１ａ 受光光学系を構成するミラー
１７ｂ,１７０ｂ,１７１ｂ 受光光学系を構成するミラー
１７ｃ 受光光学系を構成するプリズム
１７ｄ 受光光学系を構成する円筒レンズ
１７ｅ 受光光学系を構成するフレネルプリズム
１８,１８０,１８１,１８２,１８３,１８４,１８５ 受光光学系を構成する一体型受光光学系
１８ａ,１８０ａ,１８１ａ,１８２ａ,１８３ａ,１８４ａ,１８５ａ 一体型受光光学系（１８１,１８２,１８３,１８４,１８５）を構成する反射光の入射面
１８ｂ,１８０ｂ,１８１ｂ,１８２ｂ,１８３ｂ,１８４ｂ,１８５ｂ 一体型受光光学系（１８１,１８２,１８３,１８４,１８５）を構成する反射光８の射出面
１８１ｃ,１８３ｃ,１８４ｃ,１８５ｃ 一体型受光光学系を構成する走査光の入射面
１８１ｄ,１８３ｄ,１８４ｄ,１８５ｄ 一体型受光光学系を構成する走査光の射出面
１９ 受光光学系と位置検出素子の間に位置する補正プリズム
１９ａ プリズムを構成する反射光の入射面
１９ｂ プリズムを構成する反射光の射出面
３０ 走査集光レンズ３からみた見かけ上の走査面
３１ スポット光の集光距離を変える手段（集光距離変更手段）
３２ スポット光の集光距離を変えるミラー群
３３ スポット光の集光距離を変える平行ガラス
３４ 見かけ上の発光点の距離を変える手段（反射光発光点距離変更手段）
４０ 走査光の進行方向
４１ 走査集光レンズからみた見かけ上の集光点
【発明の属する技術分野】
本発明は立体形状測定装置に関し、特に、レーザなどの照射光を、ポリゴンミラーとｆθレンズなどの偏向走査集光手段とを用いて測定対象を直線走査し、走査光の反射光を三角測量の原理で測定して、測定対象の立体形状を測定する際に、走査光学系の変形の発生による測定精度の低下、さらに、走査位置による高さ精度の変化を抑えた立体形状測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、立体形状を幾何光学的に測定する方法として、さまざまな光を物体に投影して、その反射光を光検出器で測定する方法と、自然光や一般的な照明下で、物体を複数の方向からカメラで測定し、複数の画像間の相関により、物体の立体形状を求める方法の、大きく分けて２つの方法がある。
そして前者は更に、光の投影方法、光検出器の種類、さらにその間の位置関係などにより、さまざまに分類される。
【０００３】
図１４は、産業機器などによく使われている、従来の立体形状測定装置の例である。
図１４において、光源１から出た光をポリゴンミラーなどの回転鏡２で偏向し、ｆθレンズなどの集光・走査レンズ３で走査光４を集光して、測定対象５の上へのスポット光６ａを形成し、回転鏡２の回転により、該スポット光６ａは、スポット光６ｂまで測定対象５の表面の直線（以下、走査直線７とする）上を走査する。
【０００４】
測定対象５の表面において乱反射した光のうち、走査光４の方向とは異なる方向の反射光８を、受光光学系９を介して、ＰＳＤやＣＣＤカメラなどの位置検出素子１０上に結像し、これを電気信号に変換した像の位置情報から、スポット光６が照射している点の高さ情報を、三角測量法によって得る。
【０００５】
スポット光６が測定対象を走査直線７上で走査し、さらに測定対象５が走査直線７の方向である主走査方向１１と走査光４の進行方向４０とがなす平面に対して垂直な方向（以下、副走査方向１２とする）に回転鏡２の回転と同期して移動することにより、スポット光６は測定対象５を２次元的に走査し、各走査位置の高さ情報をメモリ上に保存して並べることにより、測定対象５の３次元立体形状を測定することができる。
【０００６】
図１５は、従来の立体形状測定装置における、三角測量による高さ計測の問題点を示す。
三角測量による高さ計測では、走査光４の方向とは異なる方向から反射光８を測定するため、測定対象５の形状や反射率分布の影響を受ける。従って、図１５（ａ）に示すように、死角の発生が生じたり、また、図１５（ｂ）に示すように、多重反射による高さ測定誤差が生じる。
【０００７】
図１５（ｃ）は、複数の方向から反射光を測定する場合の例である。
図１５（ｃ）において、反射光測定対象５の形状が複雑な場合や輝度変化が激しい場合には、複数の方向から反射光８ａ（死角発生），８ｂ（二重反射発生），８ｃ（測定対象５の影響無し）．．．を測定し、死角や多重反射の影響がない方向から測定した反射光８ｃによる高さ出力値を選択する必要がある。
【０００８】
図１６は、従来の立体形状測定装置における、走査位置と受光像位置との関係を示す断面図であり、 スポット光６が走査直線７上を走査した場合の三角測量の問題点を示す。
図１６において、図１４に示す従来の立体形状測定装置で、測定対象５からの反射光８を、回転鏡２や集光・走査レンズ３からなる走査光学系とは別の独立した受光光学系９を介して、位置検出素子１０に導くと、該位置検出素子１０上の像位置が走査位置により移動し、高さ変化Ｈが生じる。そのため、高さの測定範囲以上に広い位置検出素子が必要になり、測定精度の低下や処理速度の低下等の性能劣化が発生する。
【０００９】
図１７は、従来の立体形状測定装置における、受光光学系に走査光学系が含まれる場合の装置の構成を示す斜視図である。
図１７において、受光光学系９を受光光学系９ａと受光光学系９ｂの２つに分けて、該受光光学系９ａと該受光光学系９ｂとの間に、走査光学系を含める構成とする。
【００１０】
反射光８は、走査光学系を介して位置検出素子１０に到達し、走査位置による反射光８の移動は、走査光学系により相殺される。すると、位置検出素子１０上での像移動は、測定対象５の高さ変化が主要因となり、高さ測定精度が向上し性能改善を図ることができる。
【００１１】
更に、図１７における受光光学系９ａ、受光光学系９ｂ、位置検出素子１０を複数系統設けて、測定対象５からの反射光８を多方向から測定して、図１５（ｃ）で示した三角測量の問題点の解決を図る立体形状測定装置も一般的に存在する。
従来の立体形状測定装置は、以上のように構成されていた。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図１８は、従来の立体形状測定装置における、スポット光位置ずれと高さ誤差を説明するための図である。
従来の立体形状測定装置における、走査光学系を用いた直線走査で、反射光を多方向から測定し、三角測量による立体形状測定を行う場合、図１８（ａ）に示すように、反射光８を測定する受光光学系９が変化せず、測定対象５上のスポット光６の位置のみ、点Ａから点Ｂに変化すると、位置検出素子１０上の像位置がＡ’からＢ’に変化して高さが正確に測定できないという問題があった。
【００１３】
特に、ポリゴンミラーやガルバノミラーなどの回転鏡による偏向手段と、ｆθレンズなどの集光・走査レンズとからなる走査光学系を介して、スポット光６が測定対象５まで導かれる場合、回転鏡の回転部の劣化やｆθレンズ保持部の変形などにより、走査光４の光軸が温度等の環境変化や時間の経過とともに、角度ずれや位置ずれを発生し、スポット光６の位置が変化し、正確な高さ測定が困難であるという問題があった。
【００１４】
さらに、図１５（ｃ）で示したような複雑な形状の測定対象５の高さを高精度に測定するために、複数方向の反射光８を測定する場合には、図１８（ｂ）に示すように、スポット光６の位置が点Ａから点Ｂに変化すると、受光光学系９Ｒ・位置検出素子１０Ｒで反射光を受光した場合、位置検出素子１０Ｒ上の像位置がＡ’からＢ’に変化し、見かけ上、測定対象が点Ｃ’の高さに位置するので、ｈ’の測定高さ誤差が発生する。
【００１５】
一方、受光光学系９Ｌ・位置検出素子１０Ｌで反射光を受光した場合は、像がＡ”からＢ”に変化し、測定対象が点Ｃ”に見え、先ほどの高さ誤差ｈ’とは正負が逆で、大きさも異なるｈ”の測定高さ誤差が発生することになる。
【００１６】
このように、反射光の方向によってスポット光６の位置ずれによる高さ誤差の方向や程度が異なるため、複数の高さデータから正しい高さを選択する際に誤差を拡大してしまうことがあり、逆に高さの測定精度が劣化するという恐れがあるという問題があった。
【００１７】
このように、三角測量による高さ測定を行う場合、高精度に測定するには、スポット光６の位置・角度変化を抑える必要がある。そのため、従来例で述べたようなスポット光６を走査光学系により走査する場合では、回転鏡の角度変化の影響を抑えるための特殊な走査光学系を構築する必要があったり、使用環境を制限して走査光学系の変形を抑制する必要があったり、高さ誤差を校正するための定期的な保守作業が必要であるなどの様々な制約が生じるという問題があった。
【００１８】
また、図１７に示したような走査位置による像移動を抑えるために、受光光学系９を受光光学系９ａと受光光学系９ｂの２つに分けて、該受光光学系９ａと該受光光学系９ｂの間に走査光学系を配置し、反射光８を走査光学系を介して位置検出素子１０に導く従来例の場合には、次のような問題があった。
【００１９】
図１９は、従来の立体形状測定装置における、走査位置による高さ測定精度の変化を示す図である。
図１９において、受光光学系９ａを介して、スポット光６の反射光８を回転鏡２や集光・走査レンズ３からなる走査光学系に導いた場合、該反射光８の経路は途中で曲がって、余分な距離を進んだり、あるいは、受光光学系９ａで反射光８の広がり角が変化するために、走査集光レンズ３に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３は、走査集光レンズ３を通過したスポット光６が集光する走査面１６上に位置しなくなる。
【００２０】
一般的な走査光学系の場合、反射光８が集光レンズ３と回転鏡２からなる走査光学系を通過した後の反射光８の見かけ上の集光点１４までの距離Ｌｄｒが、走査位置に関わらず常に一定になるという保証がされなくなる。このとき、走査集光レンズ３に入射する光源１から出た光の見かけ上の発光点１５までの距離Ｌｄｓは、走査位置に関係なく常に一定であることにより、見かけ上の集光点１４の位置は、位置が変化しない発光点１５に対して変化する。
【００２１】
すなわち、走査位置により受光光学系９ｂによる反射光８の集光点と、位置検出素子１０の受光面までの距離とが変化するので、位置検出素子１０上の像サイズも変化する。像サイズが大きくなると、測定高さ精度が悪化するので、高さ測定精度も走査位置により変化することになる。
その結果、ある走査位置で位置検出素子１０上の像サイズを最小にして高さ測定精度を最高にしても、他の走査位置では、像サイズが大きく、精度低下が起こるので総合的な高さ精度が低下するという問題があった。そのため、高さ精度を維持するためには、特殊な受光性能も考慮した走査光学系を考案する必要が有り、設計上の制限となるという問題があった。
【００２２】
本発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたもので、回転鏡や走査集光レンズで構成された走査光学系が変形してスポット光の位置がずれても、測定精度が低下しない立体形状測定装置、及び特殊な受光性能を考慮した走査光学系を必要とすることなく、高さ精度の変化を抑制することのできる立体形状測定装置を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１にかかる立体形状測定装置は、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査光束と上記走査線の両者に垂直な方向（以下、副走査方向）に上記物体が移動した場合、上記光位置検出器にて得られる像の、上記副走査方向の移動の向きが、上記物体の移動の向きと同じで、かつ、上記像の移動距離が上記物体の移動距離の２倍未満となる反射光光路変換手段とを備えたものである。
【００２４】
また、本発明の請求項２にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡としたものである。
【００２５】
また、本発明の請求項３にかかる立体形状測定装置は、請求項２記載の立体形状測定装置において、上記鏡と鏡の間の相対位置関係が常に一定に保たれているものとしたものである。
【００２６】
また、本発明の請求項４にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを持つ、くさび型のプリズムとしたものである。
【００２７】
また、本発明の請求項５にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線の方向に伸びた円筒レンズとしたものである。
【００２８】
また、本発明の請求項６にかかる立体形状測定装置は、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、シート状の形状を有し、光を屈折させる光学素子としたものである。
【００２９】
また、本発明の請求項７にかかる立体形状測定装置は、請求項３記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する偶数枚の鏡が、ひとつのプリズム本体の内面に形成されており、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記走査集光手段と上記光位置検出器との間に設けたものである。
【００３０】
また、本発明の請求項８にかかる立体形状測定装置は、請求項４または請求項６記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたものである。
【００３１】
また、本発明の請求項９にかかる立体形状測定装置は、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する円筒レンズを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたものである。
【００３２】
また、本発明の請求項１０にかかる立体形状測定装置は、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査集光手段を射出した上記走査光束の見かけ上の集光点が描く軌跡を通り、かつ、上記走査光束に垂直な面（以下、仮想走査面）に対して、上記集光点の上記走査集光手段に入射する反射光の見かけ上の発光点が、常に上記仮想走査面上に位置するようになる反射光光路変換手段とを備えたものである。
【００３３】
また、本発明の請求項１１にかかる立体形状測定装置は、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記走査集光手段を通過した上記走査光束が上記走査面に到達する間の光路に設けられ、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を備えたものである。
【００３４】
また、本発明の請求項１２にかかる立体形状測定装置は、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成されているものとしたものである。
【００３５】
また、本発明の請求項１３にかかる立体形状測定装置は、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスで構成されているものとしたものである。
【００３６】
また、本発明の請求項１４にかかる立体形状測定装置は、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を備えたものである。
【００３７】
また、本発明の請求項１５にかかる立体形状測定装置は、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成したものである。
【００３８】
また、本発明の請求項１６にかかる立体形状測定装置は、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面を有する平行ガラスで構成したものである。
【００３９】
また、本発明の請求項１７にかかる立体形状測定装置は、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線方向に伸びた円筒レンズから構成したものである。
【００４０】
また、本発明の請求項１８にかかる立体形状測定装置は、請求項１６記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する平行ガラスは、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡をその内面に形成されて一体化されたものとしたものである。
【００４１】
また、本発明の請求項１９にかかる立体形状測定装置は、請求項１８記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する一体化された平行ガラスは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを備えたものである。
【００４２】
また、本発明の請求項２０にかかる立体形状測定装置は、請求項４、請求項６または請求項８のいずれかに記載の立体形状測定装置において、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を、上記記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したものである。
【００４３】
また、本発明の請求項２１にかかる立体形状測定装置は、請求項２０記載の立体形状測定装置において、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したものである。
【００４４】
また、本発明の請求項２２にかかる立体形状測定装置は、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズが、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を一体化して構成したものである。
【００４５】
また、本発明の請求項２３にかかる立体形状測定装置は、請求項２２記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる集光距離変更手段とを一体化して構成したものである。
【００４６】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
以下に、本発明の請求項１から請求項５に記載された発明を実施の形態１として、図１〜図４を用いて説明する。
図１は、本発明にかかる立体形状測定装置の全体的な構成を示す斜視図であり、代表的な光学系の構成を示している。
図１において、光源１から出た光をポリゴンミラーなどの回転鏡２で偏向し、ｆθレンズなどの集光・走査レンズ３で走査光４を集光して測定対象５上へのスポット光６ａを形成し、回転鏡２の回転により該スポット光６ａは、スポット光６ｂまで直線７上を走査する。走査光４の光進行方向とは異なる方向の反射光８は、受光光学系９０ａを介して、集光・走査光学レンズ３と回転鏡２の走査光学系を通過し、受光光学系９ｂによりＰＳＤやＣＣＤカメラなどの位置検出素子１０上に結像し、電気信号に変換した像の位置情報から、スポット光６が照射している点の高さ情報を三角測量法により得る。
【００４７】
スポット光６が、測定対象５を直線７上を走査し、さらに測定対象５が走査直線７の方向である主走査方向１１と走査光４の光進行方向４０を含む平面と垂直な方向（副走査方向１２）に、回転鏡２の回転と同期して移動することにより、該スポット光６は、測定対象５を２次元走査し、各走査位置の高さ情報をメモリ上に保存して並べることにより測定対象５の３次元立体形状が測定できるように構成されている。
このように、図１に示す一般的な光学系の構成において、受光光学系９０ａは測定対象５からの反射光８を走査光学手段に導く作用を行うものである。
【００４８】
図２は、本実施の形態１の立体形状測定装置の原理を説明するための図である。
図２（ａ）に示すように、スポット光６が副走査方向１２に距離ｄｓ移動した場合、走査光学手段に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３の位置の移動成分のうち、副走査方向１２の移動について、スポット光６の移動ｄｓと同じ向きに、さらに、ほぼ同じ距離（ｄｒ）移動する作用を有している。
【００４９】
スポット光６の副走査方向１２への移動が走査光学系の変形により発生している場合、ｄｓ＝ｄｒのとき、スポット光６と見かけの発光点１３の副走査方向１２に投影した相対距離が一定となるので、図２（ｂ）に示す光源１の見かけ上の発光点１５と、反射光の走査光学手段を通過後の見かけ上の集光点１４の副走査方向１２とに投影した相対位置も一定となる。よって、光源の見かけ上の発光点１５が移動しない限り、見かけ上の集光点１４、つまり位置検出素子１０上の像位置、すなわち測定する高さデータは、スポット光６の位置変動の影響を受けず一定となる。距離ｄｓとｄｒとが一致しない場合でも、スポット光の移動（距離ｄｓ）で本来発生する測定高さ誤差をｈｓとすると、見かけ上の発光点１３の移動距離ｄｒにより、次の式（１）で示すように、実際の測定誤差ｈｒを改善することができる。
【００５０】
ｈｒ／ｈｓ＝ｄｒ／ｄｓ−１ ・・・（１）
ここで、ｈｒがｈｓより改善する条件、つまりｈｒ／ｈｓの絶対値が１より小さい条件を求めると、上記式（１）を変形して、
−１＜ｈｒ／ｈｓ＝ｄｒ／ｄｓ−１＜１
０＜ｄｒ／ｄｓ＜２ ・・・（２）
という関係が導きだせる。
【００５１】
上記距離ｄｒ＝ｄｓのとき、先述のように、ｈｒ＝０となり、測定高さ誤差が発生しない。また、ｄｒ≠ｄｓでも上記式（２）を満たしていれば、スポット光６が走査光学系の変形で移動しても、測定高さの誤差を低減することができる。
【００５２】
次に上記構成を実現するための請求項２と請求項３に記載した立体形状測定装置に相当する具体的な構成について説明する。
図３は、本実施の形態１における、ミラー群反射による物体と像位置の関係を説明するための図であり、図３（ａ）は、１枚のミラーの反射における物体と像の位置関係を示す。
【００５３】
図３（ａ）において、物体が点Ａから点Ｂに移動し、像がＡ’点からＢ’点に移動する場合、ベクトルＡＢとｘ軸のなす角度をα1、ミラー面とｘ軸のなす角度をβ1（いずれもｘ軸からｙ軸に回転する方向が正）、Ａ’Ｂ’とｘ軸のなす角度をα2とすると、幾何的な条件から以下の式（３）が成立することとなる。
α2＝２β1―α1 ・・・（３）
図３（ｂ）に示すように、複数枚のミラーで反射が起こる場合は、上記式（３）を組合せて次式となる。
【００５４】
また、２ｉ−１(奇数)枚目のミラーで反射した像の角度α2iは以下の式（５）に示すようになる。
【００５５】
それぞれの場合の複数枚ミラー全体への入射角をαin、射出角度αoutとすると、全体の曲り角δαは、ミラー枚数が２ｉ（偶数）枚のときは以下の式（６）で示され、ミラー群の角度βjで決まる固定値Ｂｅとなる。
δα＝αout−αin＝Βe ・・・（６）
また、ミラー枚数が２ｉ−１(奇数)枚のときは、以下の式（７）で示される。
δα＝αout−αin＝Ｂo−２αin ・・・（７）
図４は、本実施の形態１にかかる立体形状測定装置の受光光学系を説明するための図である。
上記のモデルを計測する反射光８の進行角度で適用すると、図１に示した受光光学系９０ａの構成として図４（ａ）に示すように、２枚ミラー１７ａ，１７ｂで構成した場合のように、ｘ軸が副走査方向１２、ｙ軸が走査光光軸方向４０の反対方向、αinはスポット光６からの直接反射光８が走査面６となす角を主走査方向１１に垂直な平面に投影した角θで、αoutは受光光学系９０ａから射出する反射光８が走査面６となす角を主走査方向１１に垂直な平面に投影した角となる。
【００５６】
ここで、αoutについては走査集光レンズ３の光軸に対して入射する反射光は平行に近いほうが受光光学系９ｂの配置の自由度が増すので、αoutの範囲は９０°−φ〜９０°＋φとなる。なお、角度φは、あまり大きくない角度が望ましい。よって、ミラー枚数が偶数と奇数では、それぞれ上述した式（４），式（５）より、以下に示すように、式（８），式（９）となる。
偶数枚：９０°−θ−φ＜Ｂｅ＜９０°−θ＋φ ・・・（８）
奇数枚：９０°＋θ−φ＜Ｂｏ＜９０°＋θ＋φ ・・・（９）
一方、図４（ｂ）に示すように、走査光学手段の変化により、スポット光６が点Ａから点Ａ’と副走査方向１２に距離ｄｓ動いた場合、スポット光６の移動について、このモデルを適用すると、ｘ軸が副走査方向１２、ｙ軸が走査光光軸方向４０の反対方向、αinはＡＡ’がｘ軸上となす角で常に０、αoutが受光光学系９０ａから射出する見かけ上の発光点１３の移動前後の点Ｂ、点Ｂ’の直線ＢＢ’がｘ軸となす角に相当する。この場合、点Ｂと点Ｂ’の副走査方向１２成分の移動距離をｄｒとすると、αin＝０より次式となる。
ｄｒ／ｄｓ＝cos(αout)＝cos(δα)
よって、走査光学系の変形による測定高さ誤差を低減するには、上記式（２）より、受光光学系９０ａの反射光曲げ角δαの範囲は−９０°〜９０°となる。
【００５７】
従って、ミラー枚数が偶数と奇数では、それぞれ上記式（６），式（７）より、以下の式（１０），式（１１）となる。
偶数枚：−９０°＜δα＝Ｂｅ＜９０° ・・・（１０）
奇数枚：−９０°＜δα＝Ｂｏ＜９０° ・・・（１１）
受光光学系９０ａを偶数枚のミラーで構成した場合、上記式（８）と式（１０）を同時に満たすには、式の両辺を比較して以下の式（１２）となる。
−９０°＜９０°−θ−φかつ ９０°−θ＋φ＜９０°
φ＜１８０°−θかつ φ＜θ ・・・（１２）
θの範囲は０〜９０°に対して、上記式（１２）を満たすφは容易に選択できるのは明らかである。
【００５８】
一方、受光光学系９０ａを奇数枚のミラーで構成した場合、上記式（９）と式（１１）とを同時に満たすには、式の両辺を比較して、以下の式（１３）となる。
−９０°＜９０°＋θ−φかつ ９０°＋θ＋φ＜９０°
φ＜１８０°＋θ かつ φ＜−θ ・・・（１３）
θの範囲は０〜９０°に対して、上記式（１３）の条件、φ＜−θを満たすφをとると、θが大きい場合、走査集光レンズに入射する角度が大きくなり、受光性能（収差，開口など）に問題が生じるため、特殊な走査集光手段の必要性や、θの範囲制限が発生し、実現が困難となる。
【００５９】
上記受光光学系９０ａを偶数枚のミラーで構成すると、反射光の曲り角は上記式（４）で示すように、固定値Ｂｅとなる。ここで、Ｂｅの式は隣り合った２ｊ枚目と２ｊ−１枚目の角度βの差(β2j−β2j-1)の合計となっている。つまり、ミラー間の相対角度が一定の場合、全体の角度が変化したとしても、固定値Ｂｅ、つまり、反射光の曲り角は変化しないことになる。
【００６０】
一方、受光光学系９０ａを奇数枚のミラーで構成すると、反射光の曲り角は上記式（５）で示したように、固定値Ｂｏとなる。この場合は、隣り合ったミラーの角度差(β2j−β2j-1)の合計とは別に、最終の２ｉ−１番目のミラー角度β2i-1と入射角αinがあるので、ミラー間の相対角度が一定であっても、全体の角度が変化すると反射光の曲り角が変化することになる。
【００６１】
このように、受光光学系９０ａを走査線７と平行な２枚以上の偶数枚のミラーで構成すると、スポット光６の走査光学系の変形による移動で発生する測定高さ誤差を低減でき、さらに、ミラー間の相対位置が保たれていると、受光光学系が主走査方向１１回りに回転しても、高さ誤差を抑えることができる。
【００６２】
（実施の形態２）
次に本発明の実施の形態２にかかる立体形状測定装置について説明する。
図５は、本発明の実施の形態２にかかる立体形状測定装置の受光光学系の構成を説明するための図であり、図５（ａ）は、図１に示した受光光学系９０ａを、入射面と射出面が主走査方向１１と平行なプリズム１７ｃで構成したものを示している。
【００６３】
図５（ａ）において、該プリズム１７ｃは、スポット光６の点Ａからの反射光８を、主走査方向１１と垂直な面内で曲げる作用があり、これにより反射光８を走査集光レンズ３に導いている。プリズム１７ｃを射出する反射光８の見かけ上の発光点１３を点Ｂとし、スポット光６の位置が副走査方向１２向きに点Ａから点Ａ’に距離ｄｓ移動した場合、見かけ上の発光点Ｂは点Ｂ’となり、副走査方向１２への移動距離をｄｒとする。その場合、プリズムの特性上、発光点Ｂの移動の副走査方向１２成分の向きは、点Ａの移動の向きと同じになりプリズムの入射面・射出面の角度や屈折率の組合せを選択することにより、スポット光６の、副走査方向１２の移動距離ｄｓと、見かけ上の発光点１３の副走査方向１２の移動距離ｄｒとの関係が上記式（２）を満たすことが可能となる。
【００６４】
このように、受光光学系９０ａを、主走査方向１１と垂直な平面内で光を曲げる作用のあるプリズム１７ｃで構成することにより、スポット光６の走査光学系の変形による移動で発生する測定高さ誤差を低減することができる。
さらに、プリズムの特性上、プリズム１７ｃが主走査方向１１周りに回転した場合でも、見かけ上の発光点１３の位置ずれを抑えられるので測定する高さ誤差を押えることができる。
【００６５】
図５（ｂ）は、請求項５に記載した構成の立体形状測定装置の基本的な構造を示しており、受光光学系９０ａを、図５（ａ）におけるプリズム１７ｃに代えて、円筒レンズ１７ｄを用いて構成している。
図５（ｂ）において、上記プリズム１７ｃを用いたときの説明と同じく、発光点Ｂの副走査方向１２の移動の向きはＡの向きと同じで、スポット光６の副走査方向１２の移動距離ｄｓと見かけ上の発光点１３の副走査方向１２の移動距離ｄｒとの関係が、上記式（２）を満たすことが可能となる。
【００６６】
また、図５（ｃ）は、請求項６に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示しており、受光光学系９０ａをプリズムシート１７ｅを用いて構成している点が特徴である。
【００６７】
図５（ｃ）において、上記プリズム１７ｃを用いたときの説明と同じく、発光点Ｂの副走査方向１２の移動の向きはＡの向きと同じで、スポット光６の副走査方向１２の移動距離ｄｓと見かけ上の発光点１３の副走査方向１２の移動距離ｄｒとの関係が上記式（２）を満たすことが可能となる。さらに、プリズムシート１７ｅは、図５（ｃ）に示すように、シート状に制作することが可能なため、空間的な体積が少なく、ほかの光学部品の配置に対して与える影響が少なくなるので、光学設計上の自由度が増し、付加的な機能や性能向上が容易となる。
なお、図５（ｃ）では、断面形状が鋸状のプリズムシート１７ｅを用いる場合を示したが、多段の凹凸形状となっている回折格子でも同様に実施することができる。
【００６８】
（実施の形態３）
次に本発明の実施の形態３にかかる立体形状測定装置について説明する。
図６は、本発明の実施の形態３にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、図６（ａ）は、本発明の請求項７に記載された立体形状測定装置の主要な構成を示している。
【００６９】
図６（ａ）において、一体型受光光学系（プリズム）１８は、請求項３に記載した構成（図３（ｂ）に相当）を有する受光光学系の２つのミラーを内面に設けたものとなっており、スポット光６からの反射光８はプリズム１８の内面にある２つのミラー１７ａ，１７ｂを経由して走査集光レンズ３へ導かれるように構成されている。
【００７０】
また、図６（ｂ）に示すように、位置検出素子１０と受光光学系９ｂとの間に補正プリズム１９を設けた構成を有している。この場合、図６（ｃ）に示すように、反射光８の片側の光を８ａとし、反対側の光を８ｂとすると、プリズム１８で曲ることにより、反射光８ａと反射光８ｂとの間に光路長差が発生する。そのため単に走査光学系・受光光学系９ｂを通して位置検出素子１０上に集光しても一点に集光しない。そこで補正プリズム１９により、反射光８ａと反射光８ｂとの間に、プリズム１８で生じた光路長差とは反対方向の光路長差を発生させ、プリズム１８で発生する光路長差を相殺するように構成すると、位置検出素子１０上で反射光８は１点に集光するようになる。
【００７１】
すなわち、プリズム１８の入射面１８ａへの入射角をα1とし、プリズム１８の射出面１８ｂからの射出角をα2とし、補正プリズム１９の入射面１９ａへの入射角をβ1とし、さらに、補正プリズム１９の射出面１９ｂからの射出角をβ2とすると、プリズム１８と補正プリズム１９の屈折率が同じで、スポット光６と位置検出素子１０上の像との間の光学倍率が１の場合、α1＝β2、かつα2＝β1だと、プリズム１８で発生する光路長差は補正プリズム１９で発生する光路長差で相殺され、反射光８の両端の光８ａと光８ｂの光路長とが同じになり、位置検出素子１０上の像サイズが小さくなり、測定高さ精度が改善されることになる。
【００７２】
一般に、プリズム１８の形状はコストやサイズの制限から、角度α1，α2を収差が最小になる最適な組合せにとれないことが多いので、その場合、上記の条件を満たす補正プリズム１９を配することにより、プリズム１８で発生する収差を改善することができる。また、補正プリズム１９の位置だと走査位置に関係なく反射光８の位置は、ほぼ一定のため、補正プリズム１９のサイズを小さくでき、コスト上も有利となる。
【００７３】
なお、プリズム１８と補正プリズム１９の屈折率が異なったり、光学倍率が１でなかったりする場合でも、プリズム１８での入射角α1，射出角α2に対して、光路長差を補正（相殺）するのに適合する補正プリズム１９の入射角β1と射出角β2とを選ぶことで収差を改善し、位置検出素子１０上の像サイズを最適にすることができる。
【００７４】
また、反射光８がプリズム１８を通過すると、反射光の放射角が変化するために非点収差が発生する。つまり、図６（ｃ）に示すように、主走査方向１１と垂直な面に投影した反射光８の入射前の放射角γ1と、射出後の放射角γ2とが、プリズム１８の作用により異なる。一方、副走査方向１２と垂直な面に投影した反射光８の放射角は、プリズム１８が平行ガラスとしての作用しかないので入射前と射出後で同じである。そのため、非点収差が発生し、集光しても直線の像となり点像とならない。直線像の直線方向が位置検出素子１０の位置を検出する方向と直交していると、測定高さ精度に影響がないが、一般には部品精度や組立て精度の問題で直角にならないので、測定高さ精度の低下要因となる。こうした問題に対しても先述の補正プリズム１９を配置することにより、非点収差が補正され、結像状態を改善することができる。
【００７５】
また、受光光学系９０ａをプリズムシートで構成した場合、上記図６（ａ）の構成で説明したのと同様の受光光学系９０ａで発生する収差を改善する補正プリズム１９を、位置検出素子１０と受光光学系９ｂとの間に設けることにより、位置検出素子上の反射光８の像サイズを小さくし、測定高さ誤差を改善する効果が得られる。
【００７６】
また、請求項９に記載した立体形状測定装置の構成においては、受光光学系９０ａを円筒レンズで構成した場合、反射光８は主走査方向１１と垂直な面内で曲り走査光学系へ導かれるが、同時にレンズとしての効果により、主走査方向１１に垂直な平面に投影した反射光８の放射角が変化するので、反射光８に非点収差が発生する。そこで、円筒レンズを位置検出素子１０と受光光学系９ｂとの間に、受光光学系９０ａを構成する円筒レンズと直角の方向にパワーをもつ方向に設けることにより、位置検出素子１０上の反射光８の像サイズを小さくし、測定高さ誤差を改善する効果を得ることができる。
【００７７】
（実施の形態４）
次に本発明の実施の形態４にかかる立体形状測定装置について説明する。
請求項１０から請求項１７に記載された立体形状測定装置について、図７〜図１０を用いて説明する。
図７は、請求項１０に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示す図である。
【００７８】
図７において、走査集光レンズ３に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３が、走査集光レンズ３を通過した走査光４の見かけ上の集光点４１を通り、走査光４に垂直な面（見かけ上の走査面３０）上にある場合、走査光学系を射出した、反射光８の見かけ上の集光点１４までの距離Ｌｄｒと、走査集光レンズ３に入射する、光源１から出た光の見かけ上の発光点１５までの距離Ｌｄｓとが走査位置にかかわらず常に一致するように構成されている。
【００７９】
ここで光源１は固定しているので距離Ｌｄｓは一定となり、反射光８の距離Ｌｄｒも走査位置に関わらず常に一定になる。位置検出素子１０と走査集光レンズ３との間に配置している受光光学系９ｂも固定されているので、受光光学系９ｂにより集光された反射光８の像は常に位置検出素子１０上で結像し、像サイズも一定となる。
【００８０】
よって、位置検出素子１０上の像サイズが大きいと高さの測定精度が低下するので、この場合、走査位置に関係なく常に測定高さ精度は一定となる。つまり、走査集光レンズ３に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３の位置を、走査位置に関係なく、見かけ上の走査面３０上に配することにより、走査位置に関係なく、常に安定した高さの測定が可能になり、また、全走査範囲全体の総合的な測定高さ精度も向上することになる。
なお、走査集光レンズ３と実際の走査面１６との間に、走査光４の集光距離を変える光学系がない場合、見かけ上の走査面３０は実際の走査面１６と一致することになる。
【００８１】
図８は、請求項１１に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示し、該立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するための図である。
図８において、走査集光レンズ３と走査面１６との間に、収束光の集光点までの距離を変える作用をもつ手段３１を挿入して、走査面１６に対して走査集光レンズ３からみた、見かけ上の走査面３０の位置を、見かけ上の発光点１３の位置と一致するまで移動することにより、上記請求項１０に記載した立体形状測定装置を実現している。
【００８２】
図８（ａ）では、見かけ上の発光点１３の位置が、走査面１６より走査光進行方向４０側にある場合、収束光の集光点までの距離を短くする作用をもつ手段（集光距離変更手段）３１を挿入して、見かけ上の走査面３０を走査面１６に対して走査光進行方向４０に動かして、請求項１１の構成を実現している。
【００８３】
また、図８（ｂ）では、見かけ上の発光点１３の位置が走査面１６より走査光進行方向４０の逆側にある場合、収束光の集光点までの距離を長くする作用をもつ手段３１を挿入して、見かけ上の走査面３０を走査面１６に対して走査光進行方向４０と逆方向に動かして請求項１１の構成を実現している。
【００８４】
図９は、請求項１２と請求項１３に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示しており、該立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するための図である。
図９（ａ）は、収束光の集光点までの距離を短くする作用をもつ手段３１を、主走査方向１１の軸と平行な４枚のミラー群３２で構成した例である。
図９（ａ）において、走査光４が４枚のミラーの間を折れ曲って進むことにより、光学的な距離（光路長）が経過して走査集光レンズ３からみたときの走査光４の見かけ上の集光点４１に対して、実際の集光点の位置が光進行方向４０と逆側に移動する。つまり、実際の走査面１６に対して見かけ上の走査面３０は光進行方向に移動することになる。
【００８５】
ミラーの間隔や角度を選んで見かけ上の走査面３０上に、見かけ上の発光点１３が位置するようにする。実際には、ミラー枚数は３枚以上であれば同様の作用が得られるのは明らかである。
【００８６】
さらに、ミラー群３２が偶数枚のミラーで構成されており、かつ、ミラー間の相対関係が固定されている場合、ミラー群３２全体に主走査方向１１周りの回転が発生しても、請求項３に記載した立体形状測定装置において述べたように、射出する走査光４の角度変化は発生せず、信頼性の高い測定が可能となる。
【００８７】
また、図９（ｂ）は、収束光の集光点までの距離を長くする作用をもつ手段３１を、主走査方向１１の軸と平行な平行ガラス３３で構成した例である。
図９（ｂ）において、走査光が屈折率ｎで厚みｔのガラス中を進むことにより、次の式（３０）で示される距離Ｌ，走査光４の集光点が光進行方向４０側に移動する。
Ｌ＝ｔ（１−１／ｎ） ・・・（３０）
つまり、実際の走査面１６に対して、見かけ上の走査面３０は光進行方向４０と逆方向に移動する。そこで、屈折率ｎと厚みｔを選んで、見かけ上の走査面３０上に見かけ上の発光点１３が位置するようにする。
【００８８】
図１０は、請求項１４に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示しており、該立体形状測定装置の反射光伸縮手段の構成を説明するための図である。
図１０において、受光光学系９０ａと走査集光レンズ３との間に、収束光の集光点までの距離を変える作用をもつ手段（反射光発光点距離変更手段）３４を挿入して、走査光学系に入射する反射光８の見かけ上の発光点１３を走査面１６上の位置まで移動する構成となっている。
【００８９】
図１０（ａ）は、見かけ上の発光点１３の位置が、走査面１６より走査光進行方向４０と逆方向にある場合、収束光の見かけ上の集光点までの距離を長くする作用をもつ手段３４を挿入して、見かけ上の発光点１３を走査光進行方向４０に動かして、請求項１３に示す構成を実現している。収束光の見かけ上の集光点までの距離を長くする作用を持つ手段３４として、図９（ａ）でスポット光の集光距離を変える手段３１として使用した、主走査方向４０と平行な複数のミラー群で同様に構成すると、請求項１５に記載した立体形状測定装置を実現するものとなる。
【００９０】
図１０（ｂ）は、見かけ上の発光点１３の位置が、走査面１６より走査光進行方向４０側にある場合、収束光の見かけ上の集光点までの距離を短くする作用をもつ手段３４を挿入して、見かけ上の発光点１３を走査光進行方向４０と逆方向に動かして請求項１３の構成を実現している。
【００９１】
収束光の見かけ上の集光点までの距離を短くする作用を持つ手段３４として、図９（ｂ）でスポット光の集光距離を変える手段３１として使用した主走査方向４０と平行な平行ガラスを用いて構成すると、請求項１６に記載した立体形状測定装置を実現することができる。
【００９２】
また、図１０（ａ）,（ｂ）において、見かけ上の発光点の距離を変える手段３４を、主走査方向１１の方向に伸びた円筒レンズで構成すると、上記請求項１７に記載した立体形状測定装置を実現することができる。その場合、走査光学手段に入射する反射光８に非点収差が発生するので、位置検出素子１０上の反射光の像は直線状となる。像の線方向が位置検出素子１０の位置を検出する方向と垂直であれば、測定高さ精度に対して影響はないが、少しでも垂直から外れると測定高さ精度が低下する要因となる。このような場合には、請求項９記載の立体形状測定装置と同様の補正用円筒レンズを受光光学系９ｂの前後に追加することにより、非点収差を改善することができ、測定高さの精度低下を防止することができる。
【００９３】
（実施の形態５）
次に本発明の実施の形態５にかかる立体形状測定装置について説明する。請求項１８から請求項２３に記載された立体形状測定装置について、図１１〜図１３を用いて説明する。
【００９４】
図１１は、本発明の実施の形態５にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、図１１（ａ）は、請求項１８に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示す図である。
図１１（ａ）において、図１に示した受光光学系９０ａが、その内面に２枚のミラー１７０ａ，１７０ｂをもつプリズム１８０で構成されており、スポット光６からの反射光８は、プリズムの透過面１８０ａ上の点Ａを通過してプリズム内に入射し、ミラー１７０ａ上の点Ｂとミラー１７０ｂ上の点Ｃで２回反射して透過面１８０ｂ上の点Ｄより射出され、走査集光レンズ３へ導かれるように構成されている。
【００９５】
反射光８は、２つのミラー１７０ａ，１７０ｂ間を折れ曲って進むので走査集光レンズ３から見たときの、ミラー１７０ｂからの射出光の見かけ上の発光点は、走査光進行方向４０に移動する。同時に、反射光は屈折率ｎのプリズム内を通過するので、反射光のプリズム内の通過距離をｔ（＝距離ＡＢ＋距離ＢＣ＋距離ＣＤ）とし、屈折率をｎとすると、先述の式（３０）に示されるように、見かけ上の発光点は走査光進行方向４０とは反対方向に移動する。
【００９６】
こうした２つの見かけ上の発光点の移動は、それぞれ逆方向になるのでミラーの間隔やプリズムのサイズを選ぶことにより、移動方向をお互いに相殺することができ、見かけ上の発光点を走査面１６上に位置する効果と、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点１３の位置変化をほぼ同じにすることができるという２つの作用を同時に得ることができる光学系を、一体のプリズム１８を用いて実現することができる。
【００９７】
さらに、図１１（ｂ）は、請求項１９に記載した立体形状測定装置の基本的な構成を示している。
図１１（ｂ）において、走査光４がプリズム１８１の平行な２つの透過面１８１ｃと透過面１８１ｄとを、それぞれ通過点Ｅと点Ｆで通過するように構成されている。その距離ＥＦをｔとし、プリズム屈折率ｎとすると、同様に先述の式（３０）により、２枚の平行ガラスによる効果である、見かけ上の走査面３０の移動が起こり、走査光による見かけの走査面３０も変更することができるので、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点１３の位置変化をほぼ同じにすることができるのとあわせて、自由度の高い設計が可能となる。
【００９８】
以上に示した請求項１８と請求項１９記載の立体形状測定装置は、請求項７記載の立体形状測定装置でも述べたように、プリズム１８０,１８１の入射面や射出面が反射光８と垂直でない場合に、発生する収差を改善する補正プリズムを設けることも可能である。
【００９９】
図１２は、本実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための図であり、図１２（ａ）は、請求項２０記載の立体形状測定装置の基本的な構成を示している。
図１２（ａ）において、図１に示した受光光学系９０ａが、主走査方向１１と平行な入射面と射出面をもつプリズム１８２で構成されており、スポット光６からの反射光８は、入射面１８２ａ上の点Ａを通過してプリズム内に入射し、入射面１８２ｂ上の点Ｂよりプリズムから射出され走査集光レンズ３へ導かれるように構成されている。
【０１００】
この場合、反射光８が折れ曲って進むのと、射出する反射光８の放射角が変わるのとで、見かけ上の発光点１３の位置が移動する。同時に、反射光８は屈折率ｎのプリズム内を通過するので、反射光８のプリズム内の通過距離をｔ（＝距離ＡＢ）とし、その屈折率をｎとすると、先述の式（３０）に示されるように、見かけ上の発光点が走査光進行方向４０とは反対方向に移動する。プリズム１８２の入射／射出面の角度、屈折率、及びプリズムのサイズを選ぶことにより、２つの見かけ上の発光点の移動は、その移動方向がお互いに相殺することにより、見かけ上の発光点が走査面１６上に位置する効果と、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点の位置変化をほぼ同じにすることができるという２つの効果を同時に実現することができる光学系を、一体のプリズム１８を用いて実現することができる。
【０１０１】
さらに、図１２（ｂ）は、請求項２１記載の立体形状測定装置の基本構成を示す。
図１２（ｂ）において、走査光４が、主走査方向１１に平行で、お互いに平行な２つの透過面１８３ｃと１８３ｄとをそれぞれ通過点Ｃと点Ｄで通過する。その距離ＣＤをｔとして、プリズム１８３の屈折率をｎとすると、同様に先述の式（３０）により、２枚の平行ガラスによる効果である、見かけ上の走査面の移動が起こり、走査光による見かけの走査面が変更され、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点の位置変化をほぼ同じにすることができることとあわせて、より自由度の高い設計が可能となる。
【０１０２】
なお、以上に示した、請求項２０と請求項２１記載の立体形状測定装置は、上記請求項８に記載した立体形状測定装置の説明で述べたように、プリズム１８２,１８３で発生する収差を改善する補正プリズムを設けた場合でも、同様に効果を得ることができる。
【０１０３】
図１３は、本実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための図である。
なお、図１３（ａ）は、上記図１２（ｂ）において、受光光学系９０ａを構成するプリズムを、プリズムシート１８４に置き換えたものであり、図１２（ｂ）で示した立体形状測定装置と同様、２枚の平行ガラスによる効果である、見かけ上の走査面の移動が起こり、走査光による見かけの走査面が変更され、スポット光６の、副走査方向位置変化による発光点の位置変化をほぼ同じにすることができることとあわせて、より自由度の高い設計が可能となる。
また、図１２（ａ）においても、プリズム１８２をプリズムシートへ置き換えることにより、同等の効果が実現することができる。
【０１０４】
また、図１３（ｂ）は、請求項２３に記載した立体形状測定装置の基本構造を示しており、受光光学系９０ａを、主走査方向１１に伸びている円筒レンズ１８５を用いて構成している点が特徴である。
図１３（ｂ）において、スポット光６からの反射光８は、入射面１８５ａ上の点Ａを通過して円筒レンズ内に入射し、折れ曲って入射面１８５ｂ上の点Ｂより円筒レンズから射出され、走査集光レンズ３へと導かれるように構成されている。また、レンズのパワーにより射出した反射光８の放射角が変わり、見かけ上の発光点の位置が、見かけ上の走査面上に配され、請求項５記載の立体形状測定装置において説明したように、スポット光６の走査光学系の変形による移動で発生する測定高さ誤差を低減することができ、また、上記請求項１７記載の立体形状測定装置において説明したように、反射光の見かけ上の発光点が走査面上にない場合に、走査面に対して見かけ上の発光点の位置を移動して、走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置を一致させることができる効果が実現されている。
【０１０５】
さらに、走査光４が通過する平行ガラスと一体化することにより、請求項１３記載の立体形状測定装置において説明したように、実際の走査面に対して、見かけ上の走査面が光進行方向と逆方向に移動するので、見かけ上の走査面上に見かけ上の発光点を位置させることができるので、より自由度の高い設計が可能となる。
【０１０６】
なお、以上の説明では、反射光の方向は主に、主走査方向と垂直な面内の１方向の反射光を代表例として説明したが、上記いずれの実施の形態においても走査光束が描く面内以外のどの方向の反射光についても、主走査方向と垂直な面に反射光を投影した光に対して実施可能である。さらに、複数方向の受光光学系が同時にある場合でも実施可能である。
また、受光光学系を構成するプリズムや円筒レンズ，シートプリズムについて、いずれも個数が１個の場合を例として説明したが、複数個で構成されている場合でも実施可能であることは言うまでもない。
【０１０７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１にかかる立体形状測定装置によれば、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査光束と上記走査線の両者に垂直な方向（以下、副走査方向）に上記物体が移動した場合、上記光位置検出器にて得られる像の、上記副走査方向の移動の向きが、上記物体の移動の向きと同じで、かつ、上記像の移動距離が上記物体の移動距離の２倍未満となる反射光光路変換手段とを備えたものとしたので、走査光学系から射出する反射光の見かけ上の集光点の光源に対する相対的な位置が、走査光学系の変形にかかわらずほぼ一定になるので、位置検出素子上の像の位置変化が抑えられ、発生する測定高さ誤差を低減することができるという効果が得られる。
【０１０８】
また、本発明の請求項２にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡としたので、単純なミラーの組合せにより、容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減することができるという効果が得られる。
【０１０９】
また、本発明の請求項３にかかる立体形状測定装置によれば、請求項２記載の立体形状測定装置において、上記鏡と鏡の間の相対位置関係が常に一定に保たれているものとしたので、反射光光路変換手段全体が主走査方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、発生する測定高さ誤差を低減することができるという効果が得られる。
【０１１０】
また、本発明の請求項４にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを持つ、くさび型のプリズムとしたもので、単純な部品で容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減でき、さらに、反射光光路変換手段全体が走査光の走査する方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、高さデータの変化も低減することができるという効果が得られる。
【０１１１】
また、本発明の請求項５にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、上記走査線の方向に伸びた円筒レンズとしたので、単純な部品で容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減でき、反射光光路変換手段全体が走査光の走査する方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、高さデータの変化も低減することができるという効果が得られる。
【０１１２】
また、本発明の請求項６にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段は、シート状の形状を有し、光を屈折させる光学素子としたので、１つの部品で容易に走査光学系の変形で発生する測定高さ誤差を低減でき、さらに、反射光光路変換手段全体が走査光の走査する方向の軸周りに回転しても、反射光光路変換手段を射出する反射光の見かけ上の発光点の位置がほぼ同じになり、高さデータの変化も低減でき、また、さらに、反射光光路変換手段の配置上の制限を低減でき、設計上の自由度が増すので、より最適な設計が可能になるという効果が得られる。
【０１１３】
また、本発明の請求項７にかかる立体形状測定装置によれば、請求項３記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する偶数枚の鏡が、ひとつのプリズム本体の内面に形成されており、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記走査集光手段と上記光位置検出器との間に設けたので、反射光がプリズムで構成された反射光光路変換手段の入射面や射出面に対して斜めに入射すると、発生する収差が修正され、位置検出素子上の像サイズが小さくなり、高さ測定精度が向上するという効果が得られる。
【０１１４】
また、本発明の請求項８にかかる立体形状測定装置によれば、請求項４または請求項６記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたので、反射光がプリズムで構成された反射光光路変換手段の入射面や射出面に対して斜めに入射すると、発生する収差が修正され、位置検出素子上の像サイズが小さくなり、高さ測定精度が向上するという効果が得られる。
【０１１５】
また、本発明の請求項９にかかる立体形状測定装置によれば、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する円筒レンズを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたので、反射光が円筒レンズで構成された反射光光路変換手段に入射すると、発生する非点収差が修正され、位置検出素子上の像が点状に小さくなり、高さ測定精度を向上することができるという効果が得られる。
【０１１６】
また、本発明の請求項１０にかかる立体形状測定装置によれば、走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、光束を発生する手段と、該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査集光手段を射出した上記走査光束の見かけ上の集光点が描く軌跡を通り、かつ、上記走査光束に垂直な面（以下、仮想走査面）に対して、上記集光点の上記走査集光手段に入射する反射光の見かけ上の発光点が、常に上記仮想走査面上に位置するようになる反射光光路変換手段とを備えたものとしたので、走査光学系から射出する反射光の見かけ上の集光点と光源から射出される光束の見かけ上の発光点との間の相対的な位置が、走査位置にかかわらずほぼ一定になり、走査位置による位置検出素子上の像サイズの変化が低減され、高さ測定精度を向上させることができるという効果が得られる。
【０１１７】
また、本発明の請求項１１にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記走査集光手段を通過した上記走査光束が上記走査面に到達する間の光路に設けられ、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を備えたものとしたので、走査集光手段からみた見かけ上の走査面の位置が、走査集光手段からみた反射光の見かけ上の発光点まで移動し、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１１８】
また、本発明の請求項１２にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成されているものとしたので、反射光の見かけ上の発光点が走査面に対して走査光進行方向に移動している場合に、走査集光手段からみた見かけ上の走査面の位置を走査光の進行方向に移動して、見かけ上の走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置とを一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１１９】
また、本発明の請求項１３にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１１記載の立体形状測定装置において、上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスで構成するようにしたので、反射光の見かけ上の発光点が走査面に対して走査光進行と逆方向に移動してる場合に、走査面に対して走査集光手段からみた見かけ上の走査面の位置を走査光進行と逆方向に移動して、見かけ上の走査面と、反射光の見かけ上の発光点の位置とを一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２０】
また、本発明の請求項１４にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１０記載の立体形状測定装置において、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を備えたものとしたので、走査集光手段からみた反射光の見かけ上の発光点の位置を、走査面まで移動して、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２１】
また、本発明の請求項１５にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成したので、反射光の見かけ上の発光点の位置が走査面に対して走査光進行方向と逆方向に移動している場合に、走査面に対して見かけ上の発光点の位置を走査光進行方向に移動して、見かけ上の走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置を一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２２】
また、本発明の請求項１６にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面を有する平行ガラスで構成したものとしたので、反射光の見かけ上の発光点が走査面に対して走査光進行に移動している場合に、走査面に対して見かけ上の発光の位置を走査光進行と逆方向に移動して、走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置を一致させることができ、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２３】
また、本発明の請求項１７にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１４記載の立体形状測定装置において、上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線方向に伸びた円筒レンズから構成したので、反射光の見かけ上の発光点が走査面上にない場合に、走査面に対して見かけ上の発光の位置を移動して、走査面と反射光の見かけ上の発光点の位置が一致するようになるので、走査位置に関係なく、常に安定した高さ測定が可能になるという効果が得られる。
【０１２４】
また、本発明の請求項１８にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１６記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する平行ガラスは、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡をその内面に形成されて一体化されたものとしたものとしたので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２５】
また、本発明の請求項１９にかかる立体形状測定装置によれば、請求項１８記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する一体化された平行ガラスは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを備えたものとしたので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減できるという効果が得られる。
【０１２６】
また、本発明の請求項２０にかかる立体形状測定装置によれば、請求項４、請求項６または請求項８のいずれかに記載の立体形状測定装置において、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２７】
また、本発明の請求項２１にかかる立体形状測定装置によれば、請求項２０記載の立体形状測定装置において、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成したので、複数の機能をもった手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２８】
また、本発明の請求項２２にかかる立体形状測定装置によれば、請求項５記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズが、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【０１２９】
また、本発明の請求項２３にかかる立体形状測定装置によれば、請求項２２記載の立体形状測定装置において、上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる集光距離変更手段とを一体化することにより、部品点数を抑えられ、部品コストや組立て調整工数が削減可能となり、総合的なコストを低減することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる立体形状測定装置の全体的な構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる立体形状測定装置の原理を説明するための図であり、スポット光が移動した場合（図（ａ））及びスポット光の移動が走査光学系の変形により発生している場合（図（ｂ））を示す。
【図３】上記実施の形態１にかかる立体形状測定装置において、ミラー群の反射による物体と像移動の関係を説明するための図であり、ミラーがそれぞれ、１枚（図（ａ））及び複数枚（図（ｂ））の場合を示す。
【図４】上記実施の形態１における立体形状測定装置の受光光学系の構成を説明するための図であり、２枚ミラーによる受光光学系の構成（図（ａ））及びスポット光の移動（図（ｂ）を示す。
【図５】実施の形態２における立体形状測定装置の受光光学系の構成を説明するための図であり、受光光学系をそれぞれ、プリズム（図（ａ））、円筒レンズ（図（ｂ））、及びフレネルプリズム（図（ｃ））で構成した場合を示す。
【図６】本発明の実施の形態３にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、一体型受光光学系の構成（図（ａ））、補正プリズムの設置（図（ｂ））、光路長差の発生（図（ｃ））を示す。
【図７】本発明の実施の形態４にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図である。
【図８】上記実施の形態４における立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するための図であり、見かけ上の発光点の位置が走査面よりぞれぞれ、走査光進行方向側（図（ａ））及び走査光進行方向の逆側（図（ｂ））にある場合を示す。
【図９】上記実施の形態４における立体形状測定装置の走査光伸縮手段の構成を説明するためのほかの図であり、走査光伸縮手段をそれぞれ、ミラー群（図（ａ））及び平行ガラス（図（ｂ））で構成した場合を示す。
【図１０】上記実施の形態４における立体形状測定装置の反射光伸縮手段の構成を説明するための図であり、見かけ上の発光点の位置が走査面よりそれぞれ、走査光進行方向と逆方向（図（ａ））及び走査光進行方向（図（ｂ））にある場合を示す。
【図１１】本発明の実施の形態５にかかる立体形状測定装置の基本的な構成を説明するための図であり、受光光学系がその内面に２枚のミラーを持つプリズムで構成されている場合（図（ａ））及び走査光がプリズムの平行な２つの透過面を通過するように構成されている場合（図（ｂ））を示す。
【図１２】上記実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための他の図であり、受光光学系が主走査方向と平行な入射面と射出面を持つプリズムで構成されている場合（図（ａ））及び走査光が主走査方向に平行で、お互いに平行な２つの透過面を通過する場合（図（ｂ））を示す。
【図１３】上記実施の形態５における立体形状測定装置の構成を説明するための他の図であり、受光光学系にプリズムシート（図（ａ））及び円筒レンズ（図（ｂ））を用いた場合を示す。
【図１４】従来の立体形状測定装置の全体的な構成を示す斜視図である。
【図１５】従来の立体形状測定装置における、三角測量による高さ計測の問題点を説明するための図であり、死角が発生（図（ａ））、多重反射による高さ測定誤差（図（ｂ））、及び複数の方向から反射光を測定（図（ｃ））する場合を示す。
【図１６】従来の立体形状測定装置における、走査位置と受光像位置との関係を示す断面図である。
【図１７】従来の立体形状測定装置における、受光光学系に走査光学系が含まれる場合の構成を示す斜視図である。
【図１８】従来の立体形状測定装置における、スポット光位置ずれと高さ誤差とを説明するための図であり、一方向（図（ａ））及び複数方向（図（ｂ））の反射光を測定する場合を示す。
【図１９】従来の立体形状測定装置における、走査位置による高さ測定精度の変化を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源
２ 回転鏡
３ 集光・走査レンズ
４ 走査光
５ 測定対象
６ 測定対象上のスポット光
６ａ 走査直線の端に位置するスポット光
６ｂ 走査直線のもう一方の端に位置するスポット光
７ 走査直線
８ａ 測定対象からの反射光
８ｂ 測定対象からの反射光
９ 受光光学系
９ａ,９０ａ 受光光学系（測定対象と走査光学系の間に位置）
９ｂ 受光光学系（走査光学系と位置検出素子の間に位置）
１０ 位置検出素子
１１ 主走査方向
１２ 副走査方向
１３ 走査光学系に入射する反射光の見かけの発光点
１４ 受光光学系に入射する反射光の見かけの集光点
１５ 光源から射出する光束の見かけの発光点
１６ スポット光６が集光する走査面
１７ａ,１７０ａ,１７１ａ 受光光学系を構成するミラー
１７ｂ,１７０ｂ,１７１ｂ 受光光学系を構成するミラー
１７ｃ 受光光学系を構成するプリズム
１７ｄ 受光光学系を構成する円筒レンズ
１７ｅ 受光光学系を構成するフレネルプリズム
１８,１８０,１８１,１８２,１８３,１８４,１８５ 受光光学系を構成する一体型受光光学系
１８ａ,１８０ａ,１８１ａ,１８２ａ,１８３ａ,１８４ａ,１８５ａ 一体型受光光学系（１８１,１８２,１８３,１８４,１８５）を構成する反射光の入射面
１８ｂ,１８０ｂ,１８１ｂ,１８２ｂ,１８３ｂ,１８４ｂ,１８５ｂ 一体型受光光学系（１８１,１８２,１８３,１８４,１８５）を構成する反射光８の射出面
１８１ｃ,１８３ｃ,１８４ｃ,１８５ｃ 一体型受光光学系を構成する走査光の入射面
１８１ｄ,１８３ｄ,１８４ｄ,１８５ｄ 一体型受光光学系を構成する走査光の射出面
１９ 受光光学系と位置検出素子の間に位置する補正プリズム
１９ａ プリズムを構成する反射光の入射面
１９ｂ プリズムを構成する反射光の射出面
３０ 走査集光レンズ３からみた見かけ上の走査面
３１ スポット光の集光距離を変える手段（集光距離変更手段）
３２ スポット光の集光距離を変えるミラー群
３３ スポット光の集光距離を変える平行ガラス
３４ 見かけ上の発光点の距離を変える手段（反射光発光点距離変更手段）
４０ 走査光の進行方向
４１ 走査集光レンズからみた見かけ上の集光点
Claims (23)
- 走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、
光束を発生する手段と、
該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、
該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、
上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査光束と上記走査線の両者に垂直な方向（以下、副走査方向）に上記物体が移動した場合、上記光位置検出器にて得られる像の、上記副走査方向の移動の向きが、上記物体の移動の向きと同じで、かつ、上記像の移動距離が上記物体の移動距離の２倍未満となる反射光光路変換手段とを備えたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡であることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項２記載の立体形状測定装置において、
上記鏡と鏡の間の相対位置関係が常に一定に保たれていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを持つ、くさび型のプリズムであることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段は、上記走査線の方向に伸びた円筒レンズであることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段は、シート状の形状を有し、光を屈折させる光学素子であることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項３記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段を構成する偶数枚の鏡が、ひとつのプリズム本体の内面に形成されており、
上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記走査集光手段と上記光位置検出器との間に設けたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項４または請求項６記載の立体形状測定装置において、
上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する補正プリズムを、上記走査集光手段と上記光位置検出器との間に設けたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項５記載の立体形状測定装置において、
上記反射光を上記光位置検出器上に集光した像の収差を改善する円筒レンズを、上記集光手段と上記光位置検出器との間に設けたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 走査光束を測定対象の物体に照射して得られた反射光を光位置検出器によって検出し、各走査位置における検出結果から上記物体の立体形状を測定する立体形状測定装置において、
光束を発生する手段と、
該光束を偏向して走査させる偏向走査手段と、
該偏向走査手段を通過した光束を集光する走査集光手段と、
上記走査集光手段を通過した光束（以下、走査光束）の集光点が描く軌跡（以下、走査線）上の測定対象となる物体からの反射光を上記走査集光手段、及び上記偏向走査手段に導き、上記光位置検出器に入射させるとともに、上記走査集光手段を射出した上記走査光束の見かけ上の集光点が描く軌跡を通り、かつ、上記走査光束に垂直な面（以下、仮想走査面）に対して、上記集光点の上記走査集光手段に入射する反射光の見かけ上の発光点が、常に上記仮想走査面上に位置するようになる反射光光路変換手段とを備えたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１０記載の立体形状測定装置において、
上記走査集光手段を通過した上記走査光束が上記走査面に到達する間の光路に設けられ、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を備えたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１１記載の立体形状測定装置において、
上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１１記載の立体形状測定装置において、
上記集光距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスで構成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１０記載の立体形状測定装置において、
上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を備えたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１４記載の立体形状測定装置において、
上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な３枚以上の鏡から構成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１４記載の立体形状測定装置において、
上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線と平行な入射面と射出面を有する平行ガラスで構成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１４記載の立体形状測定装置において、
上記反射光発光点距離変更手段は、上記走査線方向に伸びた円筒レンズから構成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１６記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段を構成する平行ガラスは、上記走査線と平行に配置された２枚以上の偶数枚の鏡をその内面に形成されて一体化されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項１８記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段を構成する一体化された平行ガラスは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを備えたことを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項４、請求項６または請求項８のいずれかに記載の立体形状測定装置において、
上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項２０記載の立体形状測定装置において、
上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる、上記走査光束の集光距離を変化させる集光距離変更手段を、上記反射光光路変換手段を構成するプリズムと一体的に形成されていることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項５記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズが、上記測定対象からの上記反射光が上記走査集光手段に到達する間の光路に設けられ、上記反射光の見かけ上の発光点までの距離を変化させる反射光発光点距離変更手段を一体化して構成していることを特徴とする立体形状測定装置。 - 請求項２２記載の立体形状測定装置において、
上記反射光光路変換手段を構成する円筒レンズは、上記走査光束の集光距離を変化させる、上記走査線と平行な入射面と射出面とを有する平行ガラスからなる集光距離変更手段と一体化して構成されていることを特徴とする立体形状測定装置。
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