JPH01145785A - 表面形状計測方法および装置 - Google Patents

表面形状計測方法および装置

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JPH01145785A
JPH01145785A JP62336042A JP33604287A JPH01145785A JP H01145785 A JPH01145785 A JP H01145785A JP 62336042 A JP62336042 A JP 62336042A JP 33604287 A JP33604287 A JP 33604287A JP H01145785 A JPH01145785 A JP H01145785A
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platen
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JP62336042A
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Naoya Ota
直哉 太田
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    • A61B5/117Identification of persons
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は物体の表面形状の計測、特に指の表面形状であ
る指紋の計測方法および装置に関するもである。
(従来の技術) 個人を同定する方法として種々の方法が提案されている
が、その中でも指紋を使う方法は古くがら使用され、高
い信頼性を有する方法として知られている。これに基づ
き、入力された指紋パターンと登録されている指紋パタ
ーンの一致、不一致をパターン認識技術を用いて自動的
に判別し、個人の同定を行う装置が提案されている。こ
の種の装置では、物体計側面に被計測物体である指を接
触させ、そこで起こる光学的境界条件の変化を利用して
指表面の形状を計測し、指紋画像という形で入力する指
紋入力装置を有している。その例は特開昭55−134
46号および58−144280号公報に開示されてい
る。以下、この指紋入力装置の原理について説明するが
、後に本発明をこの指紋入力装置に応用した場合を例に
あげるので、理解を助けるため、必要に応じて被計測物
体と同じ意味で指という表現を使う。また、指を接触さ
せる透明な部分はプラテンと呼ばれるので、その物体計
側面を有する透明物体の意味でプラテン、物体計側面の
意味でプラテン表面と言う表現を使うが、特に新わらな
い限り両者は同じものである。プラテンはガラスやプラ
スチックなどの材質で、空気よりも犬きな屈折率を持つ
ように作られる。従ってプラテン表面は゛、光学的には
空気とプラテン本体の互いに屈折率の異なる媒質が接し
ている境界になっている。まず、このような境界面での
光線のふるまいについて説明する。
第2図はプラテンの表面部分を示しており、上部が空気
部分22、下部がプラテン部分2o、中央の境界がプラ
テン表面21である。空気の屈折率をnB、プラテンの
屈折率をn、とし、プラテン側がら空気側に光が進む場
合を考えると、入射角θ、と屈折角θ8との関係はスネ
ルの法則により次のような関係がある。
na sinθB =np Sinθp(1)空気側か
らプラテン側に光が進む場合も、入射角が08、屈折角
がθ、と入れ替わるだけで(1)式の関係が成り立つ。
これらの光線を示しているのが光路abcであり、< 
kba =θ1、<jbc=03である。コノ場合には
np > nBであるので、θ8〉θ、となる。さて、
いま、プラテン側から光が入射する場合を考える。
入射角θ、が大きくなってsinθp > na/np
となった場合には(1)式を満たすθ8は存在しないが
、この場合67は全反射という現象がおき、プラテン側
から入射する光は空気側に射出することなく全てプラテ
ン表面で反射し、入射角θ、′と同じ反射角を持ってプ
ラテン側に戻る。この場合の光線を示したのが光路db
eであり、< kbd = < kbe = ep’で
ある。また、全反射現象を起こし始める角度θ。は臨界
角と呼ばれ、次式で与えられる。
θc=sin−”(nB/np)         (
2)臨界角θ。でプラテン内の角度が分けられ、第2図
において<kbg= <kbh=θ。とすると、gbf
およびhbiで示される角度領域内に光線が入射したと
きは全反射を起こし、gbhで示される角度領域内に入
射したときには空気22の領域に進む。また逆に空気2
2の領域から入射した光はプラテン内部でgbhで示さ
れた角度内にしか進まず、gbfまたはhbiで示され
た角度領域には進むことはない。さて、次にプラテン表
面に指を乗せた場合について示しているのが第3図であ
る。指には指紋を形成する凹凸があるが、その凸部分を
隆線部31という。第3図で上方に書がれているのが隆
線部31である。指表面の屈折率は空気の屈折率よりも
大きく、プラテンの屈折率に近いのでプラテン側から光
が入射する場合の臨界角θ。゛は存在しないか、あるい
は90’に近くなる。第3図には臨界角θ。°が存在し
て90’に近い場合が書がれており、<kbg’= <
kbh’=θ。′である。これかられかることは、プラ
テン表面が指の隆線部と接触している部分では、全反射
現象が全く起こらないか、あるいは入射角を90°近く
にしなければ起こらないということである。この状態で
プラテン側がらプラテン表面に入射してきた光線は指の
隆線部に進むが、指表面は透明ではないので光線の一部
は吸収され、一部は乱反射をしてプラテン側に戻る。プ
ラテン側に戻る光は反射が乱反射であるがらあらゆる方
向に進むことになる。。
さて、以上のことを踏まえて従来の指紋画像入力装置で
利用されている二つの方法について述べる。
第1の方法は特開昭55−13446号に示されている
方法で、プラテン表面の隆線部と接触していない部分で
は全反射が起き、接触している部分では全反射が起きな
いような角度で光線を入射し、プラテン表面の隆線部と
接触していない部分での全反射光が到達するような位置
でその反射光を検出するものである。たとえば第3図の
gbg’で示される角度領域から光線を入射し、hbh
’で示される角度領域で反射光を検出−し画像化すれば
、プラテン表面の隆線部と接触していない部分からの反
射光は強く、接触している部分からの反射光は弱いので
、指紋部分は暗く背景は明るい画像が得られる。勿論h
bh’で示される角度領域から光線を入射し、gbg’
で示される角度領域で反射光を検出しても同じことであ
る。
第2の方法は特開昭58−144280号に示されてい
る方法で光線の入射する角度をプラテン表面で全反射が
起こらない角度に設定し、隆線部と接触して、いる部分
からの乱反射光のみが到達するような位置でその乱反射
光を検出するものである。たとえば第3図のgbhで示
される角度領域から光線を入射し、hbh”、またはg
bg’で示される角度領域で反射光を検出し画像化する
場合を考える。プラテン表面への入射光はプラテン表面
が隆線部と接触していない部分では空気部分へ通過して
しまい、もし空気部分内で反射してプラテン内に再度入
射したとしてもその反射光はgbhで示される角度領域
内にしか進まないが、隆線部と接触している部分では乱
反射が起こるのでその反射光はhbh’ tたはgbg
’で示される角度領域にも到達する。従って得られる画
1′象は指紋部が明るく背景が暗いものとなる。なお、
この例で、光線の入射する角度をプラテン表面で全反射
が起こらない角度、すなわち第3図のgbhで示される
角度領域としたが、この条件は本質的なものではなく、
プラテン表面が隆線部と接触していない部分を経た光線
が検出器がある位置に到達しなければよい。たとえば、
hbh’ iたはgbg’で示される角度領域から光線
を入射し、光線を入射したのと同じ角度領域で検出して
も同じ効果が期待できる。さらには、入射角を細がく制
御してgbg’で示される角度領域内のある部分がら光
線を入射すれば、hbh“で示される角度領域内でも、
プラテン表面で全反射をした光線が到達しない部分があ
るので、その部分に検出器を置くという方法もある。
以上で、プラテン表面の光学的境界条件の変化で指表面
の形状を計測する二つの方法を説明した。便宜上第1の
方法を反射法、第2の方法を屈折法と呼ぶ。
(発明が解決しようとする問題点) 前記の原理を応用した画像入力装置において、プラテン
表面に指を接触させた際に、指表面が乾燥している場合
に、鮮明な画像が得られない欠点があった。その原因を
示したのが第4図である。実際には、隆線部31には微
視的な凹凸があり、指表面に十分な水分がある場合には
第4図(b)に示すようにその凹凸を水分41が埋める
。水分41の屈折率はプラテン20の屈折率と殆ど変わ
らないのでプラテン表面21の延長として働き、隆線部
31と水分41間で光学的境界が作られる。しがし水分
が十分に存在しないと第4図(a)が示す状態になり、
プラテン表面21と隆線部31とが部分的にしか接触せ
ず、プラテン表面21と隆線部31による境界となるべ
きところでも、空気が間に入ってしまうので適切な境界
が得られず、鮮明な画像が得られない。
本発明の目的は上記の欠点を排除し、指表面の水分が十
分でない場合でも、鮮明な画像が得られる指紋入力方法
および装置を提供し、さらには−般的な物体の表面形状
の計測方法および装置を提供することにある。
(問題を解決するための手段) 第1の発明は、物体計側面を有する透明物体内部から前
記物体計側面に向けて全反射を起こす角度で光線を入射
し、前記物体計側面に被計測物体を接触させたときに起
こる前記物体計側面での全反射条件の変化を、前記物体
計側面からの反射光を利用して検知し、前記被計測物体
の表面形状を検出する表面形状計測方法において、前記
物体計側面に弾力性または粘着性、あるいはその両方を
持たせることを特徴とする表面形状計測方法である。
第2の発明は、物体計側面を有する透明物体内部から前
記物体計側面を照明し、前記物体計側面に被計測物体を
接触させたときの接触面からの反射光のみを選択的に導
き出し、該反射光を用いて前記被計測物体の表面形状を
検出する表面形状計測方法において、前記物体計側面に
弾力性または粘着性、あるいはその両方を持たせること
を特徴とする表面形状計測方法である。
第3の発明は、弾力性または粘着性、あるいはその両方
の性質を持った物体計側面を形成する透明物体と、該透
明物体内部から前記物体計側面に向けて全反射を起こす
角度で光線を入射する光源と、前記物体計側面からの反
射光を検出する検出器とからなる表面形状計測装置であ
る。
第4の発明は、弾力性または粘着性、あるいはその両方
の性質を持った物体計側面を形成する透明物体と、該透
明物体内部から前記物体計側面を照明する光源と、前記
物体計側面上での反射光のみが到達する位置で該反射光
を検出する検出器とからなる表面形状計測装置である。
第5の発明は弾力性または粘着性、あるいはその両方の
性質を持った半円筒形状の物体計側面を形成する透明物
体と、前記物体計側面の中心軸を中心として回転する光
学機器支持体上に備えられ、前記透明物体内部から前記
物体計側面に向けて全反射を起こす角度で光線を入射す
る光源と、同じく前記光学機器支持体上に備えられ、前
記物体計側面からの反射光を検出する検出器とからなる
表面形状計測装置である。
第6の発明は、弾力性または粘着性、あるいはその両方
の性質を持った半円筒形状の物体計側面を形成する透明
物体と、前記物体計側面の中心軸を中心として回転する
光学機器支持体上に備えられ、前記透明物体内部から前
記物体計側面を照明する光源と、同じく前記光学機器支
持体上に備えられ、前記物体計側面上での反射光のみが
到達する位置で該反射光を検出する検出器とからなる表
面形状計測装置である。
(作用) 本発明のプラテン表面に指表面を接触させた様子を第5
図に示す。プラテン表面21が弾力性または粘着性、あ
るいはその両方の性質を持っているため、隆線部31の
細かな凹凸部分にもプラテン表面21が密着し、水分が
存在しなくても必要とする光学的境界条件が得られ、鮮
明な画像が得られる。
また、例えば***のように表面形状を計測しようとする
物体に弾力性がなく水分もない場合でも、必要とする境
界条件が得られ、表面形状を計測できる。
本発明の方法および装置で使用される弾力性または粘着
性、あるいはその両方の性質を持った物体計側面を得る
ひとつの例として、従来の物体計側面上に弾力性または
粘着性、あるいはその両方の性質を持った層(以下では
便宜上[弾性・粘性層]と呼ぶ)を作り、その弾性・粘
性層の表面を新たな物体計側面とすることが考えられる
。この例を第6図に示した。弾性・粘性層51の屈折率
ndはプラテン本体52の屈折率n、とほぼ等しいこと
が好ましいが完全に同じである必要はない。なぜならば
、臨界角などの光線の角度に関する問題については、弾
性、粘性層51が存在しない場合と変わらないからであ
る。第6図において、プラテン本体52の屈折率をnp
、弾性、粘性層51の屈折率をnd、空気22の屈折率
をna、プラテン本体52と弾性・粘性層51との境界
面をA、弾性・粘性層51と空気22との境界面をBと
し、プラテン本体52、弾性・粘性層51、空気22の
各部分での入射および屈折角をそれぞれθ2、θd、θ
3とすると、境界面AおよびBでの入射及び屈折角の関
係はつぎのようになる。
np Sinθp : nd Sinθd(3)nds
inθd=nasinθa(4)この両式からn(1s
inθdを消去すれば、nB sinθa= np S
inθp(5)となり前記の従来の技術の部分で示した
(1)式と同じになり、臨界角θ。についても θ(=sin−’(nB/np)          
(6)となって(2)式と同じになる。ただここで注意
すべきことは、以上の議論は(3)式が成立しているこ
とが条件であるから、(菰が成立すること、言い替えれ
ば境界面Aで、全反射が起きないことが保障される必要
がある。
弾力性または粘着性、あるいはその両方の性質を持った
物体計側面を得る他の例としては、プラテン自体を弾力
性または粘着性、あるいはその両方の性質を持った材質
で作るなどが考えられる。
この場合にはプラテン全体にわたって屈折率は同じであ
ると考えられるので、上記の考慮はする必要はないが、
プラテンの材質を各部分で連続的に変化させていくなど
の構造を用いた場合、一般的には屈折率も変化するので
、光路に関して配慮を必要とする。
(実施例) 本発明の第1の実施例は前記の従来の技術の部分で説明
した反射法を使用した装置で、その構成を第1図に示す
。第1図(a)は上方から見た図、第1図(b)は正面
から見た図である。プラテンはプリズム状のプラテン本
体52と弾性・粘性層51から構成されており、弾性・
粘性層51の表面を物体計側面61としている。光源6
4からの光線は入射面62を通り、物体計側面61に入
射する。このときの入射角は第3図のgbg’で示され
る角度領域内に設定される。光線の物体計側面部分での
様子を示したのが第7図である。物体計側面61のうち
指表面の隆線部31と接触している部分では光線は吸収
されるが、接触していない部分では全反射を起こし、第
3図のhbh’で示される角度領域内に反射する。この
反射光は射出面63を通過してプラテンから射出し、撮
像装置65に入り画像化される。入射面62および射出
面63の角度はそこで光線が屈折しない様な角度、即ち
光線に対して直角とした方が設計上は望ましいので、プ
ラテン本体52の形は三角プリズム状としているが、上
述の角度が得られるのであれば、あるいは入射面62お
よび射出面63で屈折が起こっても構わないならば、三
角プリズム状である必要はない。ただし、射出面63は
そこで全反射が起こることのないような角度を持たせな
ければならない。なお、弾性・粘性層51を設けずにプ
ラテン自体を弾力性または粘着性、あるいはその両方の
性質を持った材質で作成することも可能である。
本発明の第2の実施例は本発明の第1の実施例で説明し
た装置と同様な構成要素を用い、それらの位置関係を変
えることにより、従来の技術の部分で説明した屈折法を
使用した装置であり、その構成を第8図に示す。第8図
(a)は上方から見た図、第8図(b)は正面から見た
図である。屈折法で用いられる物体計側面照明光線の入
射角は範囲が広いので、どの角度で照明するかでプラテ
ンの好ましい形状も変化する。また、プラテンに入射面
と射出面を独立して設けてもよいが、両者をひとつの面
で共用することもできる。第8図に示したものは入射面
と射出面を共用して入射射出面81とした例である。光
源64からの光線は入射射出面81を通り、物体計側面
61に入射する。このときの入射角は第3図のgbhで
示される角度領域内か、あるいはhbh’で示される角
度領域内に設定される。光線の物体計側面部分での様子
を示したのが第9図であり、入射角を第3図のgbhで
示される角度領域内に設定した場合が第9図(a)、h
bh’で示される角度領域内に設定した場合が第9図(
b)である。物体計側面61のうち指表面の隆線部31
と接触していない部分では、光線は物体接触面61から
プラテンの外にでてしまうか、あるいは全反射を起こし
て第3図のgbg’で示される角度領域内に反射してし
まいhbh”で示される角度領域内に進む光線は存在し
ない。しかし隆線部31と接触していない部分では乱反
射を起こし、第3図のhbh’で示される角度領域内に
進む反射光線は存在する。この反射光は再び入射射出面
81を通過してプラテンから射出し、撮像装置65に入
り画像化される。さて、ここでは物体計側面61で反射
した光線を直接プラテン外に導き出す場合について述べ
たが、特開昭62−74177号に示されているように
プラテンに平行平板状の部分を設け、そこで全反射を繰
り返させる全反射フィルタリング法と呼ばれる方法を使
用して光線の角度による選択性をあげることも考えられ
る。また、プラテン自体を弾力性または粘着性、あるい
はその両方の性質を持った材質で作成することも可能で
ある。
第10図は本発明の第3の実施例を示したもので、物体
計側面を半円筒状にした例である。第10図(a)は正
面から見た図、第10図(b)は側面から見た図を示し
ている。もちろんこの装置は、指紋画像を得る場合のみ
ならず被計測物体が円筒形に近いものの場合にも使用で
きる。この例では、プラテン101は指と接触する物体
計側面を形成する弾性・粘性層102とそれを支持する
プラテン本体103から構成されており、中心軸104
を介して台105に固定されている。回転機動部106
は前記中心軸104上に位置し、中心軸104を中心と
してモータなどの動力によって回転する。光学部支持体
107は前記回転機動部106に接続されており、回転
機動部106の回転にともない中心軸104を中心とし
て円弧状に移動する。第10図に於て回転移動する部分
は斜線で示した部分である。ここで、回転機動部106
は公知なものを使用すればよいので、その詳細について
は省略する。光学部支持体107内にはプラテン101
の物体計側面上に形成される濃淡画像を撮影するために
光源108と、光線の検出装置として撮像装置109が
設置されている。本実施例では、プラテン101が曲面
であるため、−度に二次元画像を得ることが出来ない。
従って一次元画像をつなぎ合わせて二次元画像を得るが
、第11図を用いてその方法を述べる。第11図(a)
はプラテン101に指66を乗せた状態を示している。
光源108と撮像装置109により一次元の濃淡画像を
取り込む光学系が構成されている。第11図(a)の1
11,112,113は一次元データとして前記光学系
により取り込まれる位置を示しており、第11図(b)
はそれにより取り込まれたデータを示している。いま、
前記光学系により第11図(a)の111の部分の濃淡
情報が入力され、第11図(b)の114に示すデータ
が得られたとする。次に、回転機動部106を微少角度
回転することで光学部支持体107を微少位置だけ移動
し、光学系によって取り込まれるプラテン101の表面
上の濃淡画像の位置を第11図(a)の112の部分に
移動させる。この状態で、前記光学系によりデータを取
り込むことにより、前回の取り込み位置111に隣接し
た位置112の一次元濃淡画像データ115を得る。同
様にして光学系を移動し、113の部分を取り込み、そ
のデータ116を得る。この様にして光学系を移動しな
がらデータの取り込みを行うことで、プラテン101の
表面上に形成された二次元濃淡画像が短冊状に分解され
、−次元濃淡画像データの組という形で得られる。なお
、第11図においては3回の一次元データの取り込みの
みを示しているが、実際にはこれを必要口繰り返す。さ
て、この様にして得られた一次元画像を電気的に接続す
ることにより、プラテン101の表面上の濃淡画像を再
構成する。再構成の様子を示した図が第11図(C)で
あり、−次元画像データ114.115,116が再構
成された二次元画像117においてどの様な位置を占め
るかを示している。以上の説明において、光学系は段階
的に移動するとして説明したが、連続的に移動させてデ
ータの取り込みを行ってもよい。なお、プラテン101
の構造は、弾性・粘性層102を設けずにプラテン自体
を弾力性または粘着性、あるいはその両方の性質を持っ
た材質で作成することも可能である。
本発明の第4の実施例は、本発明の第3の実施例に述べ
た装置において、光源、プラテン、および撮像装置の位
置関係を変えて、屈折法を使用した装置である。第12
図はこの実施例を示した図であり、(a)は正面から見
た図、(b)は側面から見た図である。この装置で使用
した屈折法は反射法に較べて外部の光に敏感なので、遮
光部121を設けた例を示した。
本発明に使用する弾性または粘性を有する材料の例とし
て、天然ゴム系、合成ゴム系、シリコンゴム系、あるい
はエポキシ系の物資を挙げることができる。
(発明の効果) 本発明を指紋面f象入力装置として使用した場合、従来
の指紋面f象入力装置では鮮明な指紋面f象が得られな
かった発汗量が少なく乾燥した指についても、鮮明な画
像が見られる。
また、本画像入力装置の作用は被計測物体の表面形状を
計測することであるので、本発明の方法及び装置を用い
て指以外の表面形状を計測したり画像化したりすること
が出来る。被計測物体を***とすれば、インクなどを用
いて転写することなく印鑑の画像を得ることが出来る。
また、一般的物体の表面粗さなどの表面情報を得ること
を目的とする場合に、被計測物体をその物体として本発
明の方法及び装置により画像化し、その画像を解析する
ことにより目的とする情報を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
第1図は第1の実施例の装置の構成を示す図、第2図は
プラテン表面での光線の角度を示す図、第3図はプラテ
ン表面に指の隆線部が接触したときの光線の角度を示す
図、第4図は従来のプラテン表面と隆線部の接触状態を
示す図、第5図は本発明によるプラテン表面と隆線部の
接触状態を示す図、第6図はプラテンに弾性・粘性層を
付加したときの光線の角度を示す図、第7図は第1の実
施例の装置のプラテン表面での光線の振舞いを示す図、
第8図は第2の実施例の装置の構成を示す図、第9図は
第2の実施例の装置のプラテン表面での光線の振舞いを
示す図、第10図は第3の実施例の装置の構成を示す図
、第11図は半円筒形の物体計側面上の画像の取り込み
を示す図、第12図は第4の実施例の装置の構成を示す
図である。 図において、 20.101・・・プラテン、21・・・プラテン表面
、22・・・空気、31・・・隆線部、51,102・
・・弾性・粘性層、52,103・・・プラテン本体、
61・・・物体計側面、64,108・・・光源、65
.109・・・撮像装置、66・・・指、104・・・
中心軸、105・・・台、106・・・回転機動部、を
それぞれ示す。

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)物体計測面を有する透明物体内部から前記物体計
    測面に向けて全反射を起こす角度で光線を入射し、前記
    物体計側面に被計測物体を接触させたときに起こる前記
    物体計測面での全反射条件の変化を、前記物体計測面か
    らの反射光を利用して検知し、前記被計測物体の表面形
    状を検出する表面形状計測方法において、前記物体計測
    面に弾力性または粘着性、あるいはその両方を持たせる
    ことを特徴とする表面形状計測方法。
  2. (2)物体計測面を有する透明物体内部から前記物体計
    測面を照明し、前記物体計測面に被計測物体を接触させ
    たときの接触面からの反射光のみを選択的に導き出し、
    該反射光を用いて前記被計測物体の表面形状を検出する
    表面形状計測方法において、前記物体計測面に弾力性ま
    たは粘着性、あるいはその両方を持たせることを特徴と
    する表面形状計測方法。
  3. (3)弾力性または粘着性、あるいはその両方の性質を
    持った物体計測面を形成する透明物体と、該透明物体内
    部から前記物体計測面に向けて全反射を起こす角度で光
    線を入射する光源と、前記物体計測面からの反射光を検
    出する検出器とからなる表面形状計測装置。
  4. (4)弾力性または粘着性、あるいはその両方の性質を
    持った物体計測面を形成する透明物体と、該透明物体内
    部から前記物体計測面を照明する光源と、前記物体計測
    面上での反射光のみが到達する位置で該反射光を検出す
    る検出器とからなる表面形状計測装置。
  5. (5)弾力性または粘着性、あるいはその両方の性質を
    持った半円筒形状の物体計測面を形成する透明物体と、
    前記物体計測面の中心軸を中心として回転する光学機器
    支持体上に備えられ、前記透明物体内部から前記物体計
    測面に向けて全反射を起こす角度で光線を入射する光源
    と、同じく前記光学機器支持体上に備えられ、前記物体
    計測面からの反射光を検出する検出器とからなる表面形
    状計測装置。
  6. (6)弾力性または粘着性、あるいはその両方の性質を
    持った半円筒形状の物体計測面を形成する透明物体と、
    前記物体計測面の中心軸を中心として回転する光学機器
    支持体上に備えられ、前記透明物体内部から前記物体計
    測面を照明する光源と、同じく前記光学機器支持体上に
    備えられ、前記物体計測面上での反射光のみが到達する
    位置で該反射光を検出する検出器とからなる表面形状計
    測装置。
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