JP3112538B2 - Optical three-dimensional shape measuring method and measuring device - Google Patents

Optical three-dimensional shape measuring method and measuring device

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JP3112538B2
JP3112538B2 JP03358432A JP35843291A JP3112538B2 JP 3112538 B2 JP3112538 B2 JP 3112538B2 JP 03358432 A JP03358432 A JP 03358432A JP 35843291 A JP35843291 A JP 35843291A JP 3112538 B2 JP3112538 B2 JP 3112538B2
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幸宏 金道
エイチジー ユーゲン ウェバー
ヘルムート アッカーマン
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株式会社日平トヤマ
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、被測定物に光線を照
射し、被測定物からのスポット光像により被測定物の形
状等を測る光学的三次元形状測定方法と測定装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical three-dimensional shape measuring method and a measuring device for irradiating an object with a light beam and measuring the shape of the object based on a spot light image from the object.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来の光学的三次元形状測定装置は、例
えば図10に示すように、He−Neレーザ等のスポッ
ト状光源1と、このスポット状光源1の出射光によるス
ポット光像を受光するCCDラインセンサ等の光センサ
2とを有したものがある。さらに、この測定装置には、
レーザ光を被測定物3表面上で走査するミラー4と、図
示しないミラー駆動モータが取り付けられ、被測定物3
表面に照射されたレーザ光のスポット光像を光センサ2
上に結像させるレンズ系5が設けられている。そして、
レーザ光をミラー4で走査し、光センサ2のスポット光
像の位置とミラー4の角度から、被測定物3の表面の極
座標を求めさらにこれを直交座標に変換して表面の凹凸
を測っている。
2. Description of the Related Art As shown in FIG. 10, for example, a conventional optical three-dimensional shape measuring apparatus receives a spot light source 1 such as a He-Ne laser and a spot light image formed by light emitted from the spot light source 1. And an optical sensor 2 such as a CCD line sensor. In addition, this measuring device includes
A mirror 4 for scanning the surface of the DUT 3 with laser light and a mirror drive motor (not shown) are attached.
An optical sensor 2 converts a spot light image of the laser beam irradiated on the surface to an optical sensor 2
A lens system 5 for imaging is provided on the upper side. And
The laser light is scanned by the mirror 4, polar coordinates of the surface of the object 3 are obtained from the position of the spot light image of the optical sensor 2 and the angle of the mirror 4, and the coordinates are converted into orthogonal coordinates to measure irregularities on the surface. I have.

【0003】また、特開平2−223809号公報に開
示されているように、被測定物にスリット光を照射する
スリット光照射手段と、被測定物に照射されたスリット
光を撮像する撮像装置とを設け、このスリット光による
撮像データを、被測定物の周囲を旋回しながら取り込
み、これを元に被測定物の三次元形状を算出するものが
提案されている。
Further, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 223809/1990, a slit light irradiating means for irradiating a slit light to an object to be measured, and an imaging device for imaging the slit light irradiated to the object to be measured are disclosed. Is proposed in which image data obtained by the slit light is taken in while rotating around the object to be measured, and the three-dimensional shape of the object to be measured is calculated based on the data.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の技術の前者
は、レーザ光の光軸のずれ、ミラー4の取付面や回転軸
のずれ、回転角度誤差、その他装置の取付誤差や保護ガ
ラスによる光路差等の誤差を含むものであり、被測定物
の表面を正確に測定するには、これらの誤差を補正しな
けらばならない。しかも、これらこの誤差を理論計算式
に補正項を入れて補正するには、計算式が複雑になり、
計算時間がかかり、装置の構成部品の組み付け誤差を極
力抑えるように組み立てなければならず組み立てが難し
いという問題がある。また、各誤差を考慮した計算式
は、誤差のパラメータが多く式が複雑になり計算時間が
かかり実用的ではなく、また、各誤差毎に補正量の補正
対応表を作ることも考えられるが、記憶容量を多く必要
とするという問題がある。
The former of the above-mentioned prior arts includes a shift of the optical axis of the laser beam, a shift of the mounting surface and the rotation axis of the mirror 4, a rotation angle error, a mounting error of the device, and an optical path due to the protective glass. It includes errors such as differences, and these errors must be corrected in order to accurately measure the surface of the device under test. Moreover, to correct these errors by adding a correction term to the theoretical calculation formula, the calculation formula becomes complicated,
There is a problem that it takes a long time to calculate, and it is necessary to assemble the apparatus so as to minimize errors in assembling the components of the apparatus. In addition, the calculation formula taking into account each error has many parameters of the error, the formula becomes complicated, the calculation time is not practical, and a correction correspondence table of the correction amount for each error may be created. There is a problem that a large storage capacity is required.

【0005】また、上記従来の技術の後者の場合、スリ
ット光を撮像する二次元撮像素子を必要とし、撮像デー
タを処理するプログラムや情報量が多く複雑なものにな
り、システム全体の構成も複雑で高価なものになる上、
演算処理時間も長いという問題がある。
In the latter case of the above-mentioned prior art, a two-dimensional image pickup device for picking up the slit light is required, the program for processing the picked-up data and the amount of information are large, and the structure of the whole system is also complicated. And expensive.
There is a problem that the calculation processing time is long.

【0006】この発明は上記従来の技術の問題点に鑑み
て成されたもので、光学系等の装置部材の取り付け作業
が容易であるとともに、取り付け誤差を補正し正確な計
測が可能であり、必要な記憶容量が少なく、迅速な演算
が可能な光学的三次元形状測定方法と測定装置を提供す
ることを目的とする。
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and makes it possible to easily mount an optical member or other device members, correct an installation error, and perform accurate measurement. It is an object of the present invention to provide an optical three-dimensional shape measuring method and a measuring device that require a small storage capacity and can perform quick calculations.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】この発明は、スポット状
光源から照射されたスポット光をミラーにより被測定物
表面で走査し、被測定物表面のスポット光を光センサに
より検知して被測定物の表面形状を計測する光学的三次
元形状測定方法であって、測定寸法が既知の基準測定物
の表面をスポット光によりポリゴンミラーを用いて走査
し、基準測定物からのスポット光像を、多数の画素がラ
イン状に配列された光センサで検出し、被測定物の表面
形状を算出する表面形状算出式中の補正項に所定の補正
量を与えて上記表面形状算出式中の各項の補正算出値を
演算し、上記スポット光による上記光センサの画素上の
上記スポット光像により得られた受光位置データと、上
記基準測定物の既知の表面データに基づいて上記表面形
状算出式から導かれる上記スポット光像の上記光センサ
上の受光位置データとの差を、上記ポリゴンミラーの各
ミラー面について算出し、これを繰り返して上記差を最
小とする補正算出値を求めるループ処理を行ない、上記
表面形状算出式中の各パラメータに対応した上記各補正
算出値を形状算出テーブルとして上記ポリゴンミラーの
各ミラー面毎に作成しこれを記憶し、未知の被測定物の
測定時に上記形状算出テーブルによる補正算出値を上記
表面形状算出式中に入れて未知の被測定物の表面形状を
算出する光学的三次元形状測定方法である。上記ループ
処理は、上記基準測定物を走査したスポット光像の上記
光センサ上の受光位置データと、上記基準測定物の既知
の表面データに基づいて理論式から導かれるスポット光
像の光センサ上の受光位置データとの差を、ポリゴンミ
ラーの全ミラー面について算出し、上記差の絶対値の、
全ミラー面での総和を最小にする補正算出値を求めるル
ープ処理である。
According to the present invention, a spot light emitted from a spot light source is scanned on a surface of an object to be measured by a mirror, and the spot light on the surface of the object is detected by an optical sensor . Optical tertiary measurement of surface profile
Original shape measurement method, reference measurement object with known measurement dimensions
The surface of the object with a spotlight using a polygon mirror
The spot light image from the reference measurement object is
The surface of the object to be measured is detected by optical sensors
Predetermined correction for the correction term in the surface shape calculation formula for calculating the shape
And the correction calculation value of each term in the above surface shape calculation formula is given.
Calculates the pixel on the optical sensor by the spot light
The light receiving position data obtained from the spot light image
Based on the known surface data of the reference sample,
The optical sensor for the spot light image derived from the shape calculation formula
The difference between the above light receiving position data and
Calculate for the mirror surface and repeat this to find the difference
Perform a loop process to find the correction calculation value to be small,
Each of the above corrections corresponding to each parameter in the surface shape calculation formula
The calculated value is used as a shape calculation table for the above polygon mirror.
It is created and stored for each mirror surface, and the unknown
At the time of measurement, the correction calculation value based on the shape calculation table
This is an optical three-dimensional shape measurement method for calculating the surface shape of an unknown DUT by entering the surface shape calculation formula . The above loop
The processing is performed on the spot light image obtained by scanning the reference measurement object.
Receiving position data on the optical sensor and knowing the reference measurement object
Spot light derived from theoretical formula based on surface data
The difference between the image and the light receiving position data on the light sensor is
Calculated for all mirror surfaces of the
Calculate the correction value that minimizes the sum on all mirror surfaces.
It is a loop processing.

【0008】また、上記形状算出テーブルは、上記光セ
ンサの受光位置データに対する被測定物の表面位置デー
タのスカラー量及び、上記ポリゴンミラーの回転角度に
対する被測定物の表面位置データのベクトル量について
補正が施された補正算出値を基に作成されるとともに、
この補正算出値に基づいて上記基準測定物の理論上の受
光位置データを演算し、上記測定による受光位置データ
と上記理論上の受光位置データとの差の絶対値の総和を
最小値にする上記補正算出値を、上記受光位置データ値
及び上記ポリゴンミラーの回転角度に対応させて形状算
出テーブルとして上記ポリゴンミラーの各ミラー面毎に
作成しこれを記憶し、この形状算出テーブルを基にして
演算された上記差の絶対値の総和が所定の範囲内にある
ように上記形状算出テーブルを作成する光学的三次元形
状測定方法である。
The shape calculation table corrects a scalar amount of surface position data of the object with respect to light receiving position data of the optical sensor and a vector amount of surface position data of the object with respect to a rotation angle of the polygon mirror. Is created based on the corrected calculation value with
The theoretical light receiving position data of the reference object is calculated based on the correction calculation value, and the sum of absolute values of the differences between the light receiving position data obtained by the measurement and the theoretical light receiving position data is minimized. A correction calculation value is created for each mirror surface of the polygon mirror as a shape calculation table corresponding to the light receiving position data value and the rotation angle of the polygon mirror, and stored. The sum of the absolute values of the differences calculated on the basis is within a predetermined range
This is an optical three-dimensional shape measurement method for creating the shape calculation table as described above .

【0009】またこの発明は、スポット光を被測定物上
に照射するレンズ系とスポット状光源とを有し、このス
ポット光を被測定物上で走査するポリゴンミラーとミラ
ー駆動モータとからなる光走査装置を設け、上記走査さ
れたスポット光による被測定物表面からのスポット光像
を受光する多数の画素がライン状に配列された光センサ
を設け、スポット光により測定寸法が既知の基準測定物
の表面を走査して基準測定物からのスポット光像を上記
光センサで検出し、上記スポット光像の測定による上記
光センサ上の受光位置データと上記基準測定物の既知の
表面データに基づいて理論上得られるスポット光像の上
記光センサ上の受光位置データとの差を、上記ポリゴン
ミラーの各面について算出する受光位置データ算出手段
と、被測定物の表面形状算出式中の補正項に適宜の補正
量を与えて表面形状算出式中の各項の補正算出値を演算
する補正算出値演算手段と、上記表面形状算出式中の各
パラメータの値に対応して上記補正算出値演算手段によ
り得られた補正算出値から上記差を最小とする補正算出
値を求めるループ演算処理手段と、これにより求められ
る補正算出値を特定のパラメータに対応させて上記ポリ
ゴンミラーの各ミラー面毎に作成し記憶した形状算出テ
ーブルとを設けた光学的三次元形状測定装置である。
Further, according to the present invention, a spot light is formed on an object to be measured.
It has a lens system for irradiating
Polygon mirror and mirror for scanning pot light over the object to be measured
-Provide an optical scanning device consisting of a drive motor and
Spot light image from the surface of the DUT by the reflected spot light
Sensor in which a number of pixels that receive light are arranged in a line
The reference measurement object whose measurement dimensions are known by the spot light
Scan the surface of the spot light image from the reference measurement object
Detected by an optical sensor and measured by measuring the spot light image
The light receiving position data on the optical sensor and the known
On the spot light image theoretically obtained based on the surface data
The difference between the light receiving position data on the light recording sensor and the polygon
Light receiving position data calculating means for calculating each surface of the mirror
And appropriate corrections to the correction terms in the surface shape calculation formula for the DUT
Calculate the correction calculation value of each term in the surface shape calculation formula by giving the amount
Correction calculation value calculating means, and each of the
The correction calculation value calculating means corresponds to the parameter value.
Correction calculation that minimizes the above difference from the obtained correction calculation value
A loop operation processing means for obtaining a value;
The calculated correction value corresponding to the specified parameter
The shape calculation table created and stored for each mirror surface of the Gon mirror
And an optical three-dimensional shape measuring device provided with a cable.

【0010】また、上記ループ演算手段は、各パラメー
タの値に対応して上記補正算出値演算手段により得られ
た補正算出値の内、上記スポット光による基準測定物の
実際の測定による上記光センサ上の受光位置データと上
記基準測定物の既知の表面データに基づいて理論上得ら
れるスポット光像の上記光センサ上の受光位置データと
の差の絶対値の、全ミラー面の総和を最小にする各補正
算出値を求めるループ演算処理手段である光学的三次元
形状測定装置である。
[0010] Further , the above-mentioned loop operation means is provided for each parameter.
Obtained by the above-mentioned correction calculation value calculating means corresponding to the value of the
Of the reference measurement object by the spot light
The light receiving position data on the optical sensor and the
Theoretically based on the known surface data of the reference
Light receiving position data on the optical sensor of the spot light image
Correction to minimize the sum of all mirror surfaces of the absolute value of the difference
Optical three-dimensional which is a loop operation processing means for calculating the calculated value
It is a shape measuring device.

【0011】また、上記スポット状光源にレーザ光源を
設け、上記スポット光のレーザ光源から被測定物までの
光軸に対して所定の位置に複数の上記光センサを設け、
レーザ光により走査される被測定物の表面の各位置での
スポット光像の結像面に、上記各光センサの受光領域が
位置するように、上記各光センサをスポット光像の入射
光光軸に対して所定角度傾斜して取り付け、上記形状算
出テーブルを上記各光センサ毎に設けたものである。ま
た、上記光走査装置はポリゴンミラーの回転角度を検出
するエンコーダを有し、このエンコーダによる上記ポリ
ゴンミラー回転角度のデータを補正するエンコーダ補正
手段を設け、上記差の絶対値の総和を最小にする補正算
出値を基に作成された形状算出テーブルは、上記受光位
置データに対する補正算出値を記憶した第一の形状算出
テーブルと、上記ポリゴンミラーの各面について共通に
用いられそのミラー面の角度に対する補正算出値を記憶
した第二の形状算出テーブルとからなる。
Further, the laser light source is provided on the spot-like light source, a plurality of the optical sensor at a predetermined position with respect to the optical axis to the object to be measured from the laser light source of the spotlight,
Each of the optical sensors is irradiated with the incident light of the spot light image so that the light receiving area of each of the optical sensors is located on the image plane of the spot light image at each position on the surface of the object to be measured scanned by the laser light. It is attached at a predetermined angle to the axis, and the shape calculation table is provided for each of the optical sensors. Further, the optical scanning device has an encoder for detecting a rotation angle of the polygon mirror, and an encoder correction means for correcting the data of the polygon mirror rotation angle by the encoder is provided to minimize the sum of the absolute values of the differences. Correction
The shape calculation table created based on the output values
First shape calculation that stores correction calculation values for placement data
Common to the table and each surface of the polygon mirror
Stores the correction value used for the mirror surface angle used
And a second shape calculation table.

【0012】[0012]

【作用】この発明の光学的三次元形状測定方法及び測定
装置は、被測定物に照射されたスポット光を光センサで
受光し光センサ上の受光位置から、三角測量の原理によ
り被測定物までの距離を算出し、その算出距離から被測
定物の表面の三次元形状を算出するようにしたものであ
る。その際、受光位置データの上記理論値と上記測定値
との差を、ポリゴンミラーの各面について算出し、最適
な補正項例えばその差の絶対値の総和が最小になるよう
にした補正項を表面形状算出式に加え、この補正項を考
慮した表面形状算出式の各項の補正算出値を特定のパラ
メータの各値に対応させて形状算出テーブルとして作
成、記憶し、上記形状算出テーブルによる数値を基に未
知の被測定物の表面形状を演算するようにして、演算速
度を速め、処理用の記憶容量も少なくしたものである。
The optical three-dimensional shape measuring method and the measuring device according to the present invention receive a spot light illuminated on an object to be measured by an optical sensor from the light receiving position on the optical sensor to the object to be measured by the principle of triangulation. Is calculated, and the three-dimensional shape of the surface of the measured object is calculated from the calculated distance. At this time, a difference between the theoretical value and the measured value of the light receiving position data is calculated for each surface of the polygon mirror, and an optimum correction term, for example, a correction term that minimizes the sum of absolute values of the difference is calculated. In addition to the surface shape calculation formula, a correction calculation value of each term of the surface shape calculation formula in consideration of the correction term is created and stored as a shape calculation table corresponding to each value of a specific parameter, and a numerical value based on the shape calculation table is used. The calculation of the surface shape of an unknown object is performed based on the above, so that the calculation speed is increased and the storage capacity for processing is reduced.

【0013】[0013]

【実施例】以下この発明の一実施例について図面を基に
して説明する。この実施例の光学的三次元形状測定装置
は、図1〜図3に示すように、He−Neレーザのスポ
ット状光源10と、このスポット状光源10の出射光光
軸と対称に配置された一対の光センサ12,14とが、
測定ヘッド16に設けられている。光センサ12,14
は、例えばCCDラインセンサで、約1000画素の素
子を用いる。測定ヘッド16内には、さらに、レーザ光
をエンジンのシリンダヘッド等の被測定物18表面上で
走査するポリゴンミラー20が設けられ、ポリゴンミラ
ー20には、これを所定の回転速度で回転させるミラー
駆動モータ22と、ポリゴンミラー20の回転角度を検
知するロータリエンコーダ24が取り付けられている。
また、被測定物18表面に照射されたレーザ光のスポッ
ト光像を光センサ12,14上に結像させるレンズ系2
6,28が測定ヘッド16内に設けられている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The optical three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment is, as shown in FIGS. 1 to 3, arranged symmetrically with the spot light source 10 of the He-Ne laser and the optical axis of the light emitted from the spot light source 10. A pair of optical sensors 12 and 14
The measuring head 16 is provided. Optical sensors 12, 14
Is, for example, a CCD line sensor using an element of about 1000 pixels. In the measuring head 16, there is further provided a polygon mirror 20 for scanning the surface of the object 18 such as a cylinder head of the engine with a laser beam. The polygon mirror 20 has a mirror for rotating the polygon mirror 20 at a predetermined rotation speed. A drive motor 22 and a rotary encoder 24 for detecting a rotation angle of the polygon mirror 20 are attached.
Further, a lens system 2 for forming a spot light image of the laser beam irradiated on the surface of the object 18 on the optical sensors 12 and 14.
6 and 28 are provided in the measuring head 16.

【0014】光センサ12,14は、レンズ系26,2
8による、レーザ光により走査される被測定物18の表
面の各位置でのスポット光の結像面に、光センサ12,
14のほぼ全受光領域が位置するように、スポット光の
入射光光軸に対して約42〜43度傾斜して取り付けら
れている。また、測定ヘッド16が被測定物と対面して
いる面には内部の光学系を保護する保護ガラス25が設
けられている。
The optical sensors 12 and 14 include lens systems 26 and 2
8, the optical sensor 12, the optical sensor 12, the image forming surface of the spot light at each position on the surface of the DUT 18 scanned by the laser light.
It is attached at an angle of about 42 to 43 degrees with respect to the optical axis of the incident light of the spotlight so that almost all 14 light receiving areas are located. On the surface of the measuring head 16 facing the object to be measured, a protective glass 25 for protecting the internal optical system is provided.

【0015】この実施例の制御装置は、図2に示すよう
に、光センサ12,14を駆動するセンサ駆動装置30
と、光センサ12,14の出力値が入力され光センサ1
2,14上のスポット光像の中心値を受光位置データと
して抽出する結像位置抽出装置32とが設けられてい
る。そして、センサ駆動装置30を制御し、結像位置抽
出装置32の出力他が入力されるCPU38が、図示し
ないA/Dコンバータその他のインターフェース回路を
介して設けられている。また、ミラー駆動モータ22及
び測定ヘッド16を移動させるヘッド移動モータ34を
制御し、測定ヘッド16の位置を検出するリニアエンコ
ーダ36からのデータ及びロータリエンコーダ24から
のデータを取り込むデータ処理用のCPU38を有す
る。CPU38にはさらに、測定時のデータ記憶のRA
M40、種々の演算プログラム及び形状算出テーブルが
記憶されたハードディスク42が接続されている。ま
た、体積演算や周辺機器等の制御用のCPU44が、C
PU38に接続され、CPU44に、ハードディスク又
はフロッピィディスク等の外部記憶装置46とCRT、
及びプリンタ等の出力装置48が接続されている。
As shown in FIG. 2, the control device of this embodiment includes a sensor driving device 30 for driving the optical sensors 12 and 14.
And the output values of the optical sensors 12 and 14 are input and the optical sensor 1
And an imaging position extracting device 32 for extracting the center value of the spot light image on each of the light receiving positions 2 and 14 as light receiving position data. A CPU 38 that controls the sensor driving device 30 and receives the output of the imaging position extracting device 32 and the like is provided via an A / D converter (not shown) and other interface circuits. Also, the CPU 38 controls a mirror driving motor 22 and a head moving motor 34 that moves the measuring head 16, and a data processing CPU 38 that takes in data from the linear encoder 36 and data from the rotary encoder 24 that detects the position of the measuring head 16. Have. The CPU 38 further includes an RA for storing data during measurement.
M40, a hard disk 42 storing various calculation programs and a shape calculation table are connected. In addition, the CPU 44 for controlling volume calculation and peripheral devices, etc.
The CPU 44 is connected to an external storage device 46 such as a hard disk or a floppy disk and a CRT.
And an output device 48 such as a printer.

【0016】次に、この実施例の光学的三次元形状測定
装置による測定方法について説明する。先ず、この実施
例に用いた測定原理について、図4に基づいて説明す
る。これは、いわゆる三角測量法の原理に基づくもの
で、被測定物の基準面の所定位置をOとし、レンズ系2
6の主平面Hと反射光光軸との交点をK、同じくレーザ
の出射光光軸との交点をE、光センサ12上でのO点に
おけるスポット光の結像位置をPとする。また、被測定
物の表面位置が光センサ12側に距離λだけ近付いた場
合の被測定物表面位置をO1とし、この移動後の光セン
サ12上の結像位置をP1とする。そして、OK間をa
0,PK間をb0,EO間をc0,O1K間をa,P1
K間をb,EK間をe0,EP間をd0とする。また、
レンズ系26の焦点距離をf、光センサ12の入射光光
軸に対する傾きをΩ、∠OKO1=αとすると、以下の
式が幾何学上及び光学上の法則から導き出される。
Next, a measuring method using the optical three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment will be described. First, the measurement principle used in this embodiment will be described with reference to FIG. This is based on the principle of the so-called triangulation method, in which a predetermined position of a reference plane of an object to be measured is set to O, and a lens system 2 is set.
The intersection of the principal plane H of 6 with the reflected light optical axis is K, the intersection of the same with the laser emission light optical axis is E, and the image forming position of the spot light at the O point on the optical sensor 12 is P. Further, the surface position of the object to be measured when the surface position of the object to be measured is closer to the optical sensor 12 by the distance λ is O1, and the image forming position on the optical sensor 12 after this movement is P1. And between OK is a
0, b0 between PK, c0 between EO, a, P1 between O1K
Let b be K, e0 be EK, and d0 be EP. Also,
Assuming that the focal length of the lens system 26 is f, the inclination of the optical sensor 12 with respect to the incident optical axis is Ω, and ∠OKO1 = α, the following equation is derived from the geometrical and optical laws.

【0017】 c0=b0/cosθ0 … (1),b0=fa0/(a0−f) … (2) e0=c0sinθ0=a0tanθ0 … (3)より d0=(e0+b01/2 =〔(a0tanθ0)+{fa0/(a0−f)}1/2 … (4) Ω=cos−1(b0/d0) … (5)であるので、式(2),(4)よりΩは 、a0で表わされる。そして、被測定物の測定位置がλだけ近付いたとすると、 a={e0+(c0−λ)−2e0(c0−λ)cos(90°−θ0)}1/2 … (6) また、 b=fa/(a−f) …(7) cosα=(a+a0−λ)/(2aa0) …(8) より、測定位置λの移動に対する結像位置の移動量ξ
は、 ξ=(b+b0−2bb0cosα)1/2 … (9)である。よって、 式(1)(2)(3)(6)(7)(8)より、式
(9)は、λ,a0,f,θ0で表わされ、ξ=Functio
n(λ,a0,f,θ0)となる。ここで、a0,f,
θ0は、固定値であり、λのみが変数である。従って、
λは、光センサ12上のスポット光の移動量ξを求める
ことにより算出することができる。
C0 = b0 / cosθ0 (1), b0 = fa0 / (a0−f) (2) e0 = c0sinθ0 = a0tanθ0 (3) d0 = (e02+ B02)1/2  = [(A0tanθ0)2+ {Fa0 / (a0-f)}2]1/2 ... (4) Ω = cos-1Since (b0 / d0) (5), Ω is represented by a0 from equations (2) and (4). Then, assuming that the measurement position of the DUT approaches by λ, a = λe02+ (C0-λ)2-2e0 (c0-λ) cos (90 ° -θ0)}1/2 (6) b = fa / (af) (7) cosα = (a2+ A02−λ2) / (2aa0) (8), the amount of movement of the imaging position with respect to the movement of the measurement position λ 位置
Is ξ = (b2+ B02-2bb0cosα)1/2 ... (9). Therefore, from equations (1), (2), (3), (6), (7), and (8),
(9) is represented by λ, a0, f, θ0, and ξ = Functio
n (λ, a0, f, θ0). Where a0, f,
θ0 is a fixed value, and only λ is a variable. Therefore,
λ is used to determine the movement amount ξ of the spot light on the optical sensor 12.
Can be calculated.

【0018】上記測定原理を基に、この実施例のポリゴ
ンミラー20を用いた場合の測定原理について図6を基
にして説明する。ここで、光センサ12,14で受光し
たスポット光像による出力値は、結像位置抽出装置32
により、中心となる受光位置が抽出され、光センサ1
2,14上の受光位置を受光位置データとしてCPU3
8に出力されCPU38内で所定の表面形状算出式によ
り被測定物の表位置が演算される。しかしこの時、この
受光位置データから被測定物の表面形状を算出する際
に、光学系の組み付け誤差、ポリゴンミラーの組み付け
誤差や各ミラー面の位置ずれ、レーザ光の光路途中にあ
る保護ガラス25による光軸のずれ等の誤差要因によ
り、誤差を考慮しない理論上の表面形状算出式によって
そのまま演算すると、正確な形状測定はできない。
Based on the above measurement principle, the measurement principle when the polygon mirror 20 of this embodiment is used will be described with reference to FIG. Here, the output value based on the spot light image received by the optical sensors 12 and 14 is determined by the imaging position extracting device 32.
, The central light receiving position is extracted, and the optical sensor 1
CPU3 uses the light receiving positions on the light receiving positions 2 and 14 as light receiving position data.
8, the CPU 38 calculates the front position of the measured object in the CPU 38 using a predetermined surface shape calculation formula. However, at this time, when calculating the surface shape of the object to be measured from the light receiving position data, an assembling error of the optical system, an assembling error of the polygon mirror, a displacement of each mirror surface, a protective glass 25 in the middle of the optical path of the laser beam. If the calculation is directly performed by a theoretical surface shape calculation formula that does not consider an error due to an error factor such as a shift of an optical axis due to the above, accurate shape measurement cannot be performed.

【0019】先ず、図6に示すように、被測定物18の
表面位置ベクトルR(φ,ξ)は、ベクトル式で、 R(φ,ξ)=P(φ)+λ'(ξ)Ls(φ) … (10) と表わされる。ここで、図6において、ポリゴンミラー
20のレーザ光反射位置をAとし、さらにその延長線上
の任意の点Bを考えるとともに、保護ガラス25の光路
のずれ及び光路長差を無視して、距離AB=ACなる点
Cを反射レーザ光の光路上に設定し、この点Cを被測定
物18のレーザ光照射位置の基準点とする。そして、B
C間のベクトルをS(φ)、ポリゴンミラー20のミラー
面の法線ベクトルであり回転角度ωを示す単位ベクトル
をN(ω)、ミラー座標系の原点O'から点Bまでのベク
トルをR0、計測座標系の原点Oからミラー座標系の原
点O'までのベクトルをTとする。また、P(φ)はポリ
ゴンミラー20により偏向されたレーザ光の照射位置の
基準点Cの計測座標系Oからのベクトル、L0は入射レ
ーザ光を示す単位ベクトル、Ls(φ)はポリゴンミラー
20により偏向されたレーザ光の向きを示す単位ベクト
ル、λ'(ξ)は上記(9)式の逆関数より導かれる被測
定物18の表面位置を示すスカラー量である。さらに、
φはポリゴンミラー20の各ミラーのレーザ反射時のミ
ラー角度で、ポリゴンミラー20の回転角度ωに対応
し、ミラー面の数が12の場合φ=2(ω−(7/4)
π)となる。ξは光センサ12,14から抽出され上記
(9)式に入れられる上記受光位置データである。ま
た、式(10)のP(φ),Ls(φ)は、図6に示すよう
に、以下のベクトル式で表わされる。 Ls(φ)=2|-L0|cosτN(ω)+L0となり、 |-L0|cosτは、単位ベクトルL0,N(ω)の内積で
表わされるので、 Ls(φ)=2(-L0,N(ω))N(ω)+L0 … (11) となる。さらに、図6より、ベクトルP(φ)は、 P(φ)=T+R0+S(φ)であり、 △ABCは二等辺三角形であるので、BC=2DB=2
(DE+BE)であり、ポリゴンミラー20の中心O'
からミラー面までの垂直距離hを用いると、DE=h、
BEはR0と-N(ω)の内積で表わされるので、ベクト
ルS(φ)は、 S(φ)=2{h−(R0,N(ω))}N(ω)となり、 P(φ)=T+R0+2{h−(R0,N(ω))}N(ω) … (12) と表わされる。従って、ベクトル式(10)は、 R(φ,ξ)=T+R0+2{h−(R0,N(ω))}N(ω) +λ'(ξ){2(-L0,N(ω))N(ω)+L0} … (13) となる。ここで、上述のようにミラー面の数が12の場
合、ωをφで表わすと、ω=7/4π+φ/2であり、
N(ω)とλ'(ξ)以外は、定ベクトル又は定数であるの
で、ωとξより被測定物18の表面位置を特定すること
ができる。
First, as shown in FIG. 6, the surface position vector R (φ, ξ) of the device under test 18 is represented by a vector equation, R (φ, ξ) = P (φ) + λ ′ (ξ) Ls ( φ) ... (10) Here, in FIG. 6, the laser beam reflection position of the polygon mirror 20 is assumed to be A, and further, an arbitrary point B on the extension line thereof is considered, and the deviation AB of the optical path of the protective glass 25 and the optical path length difference are ignored. A point C where = AC is set on the optical path of the reflected laser light, and this point C is set as a reference point of the laser light irradiation position of the DUT 18. And B
The vector between C is S (φ), the unit vector which is the normal vector of the mirror surface of the polygon mirror 20 and indicates the rotation angle ω is N (ω), and the vector from the origin O ′ of the mirror coordinate system to the point B is R0. Let T be the vector from the origin O of the measurement coordinate system to the origin O 'of the mirror coordinate system. Further, P (φ) is a vector from the measurement coordinate system O of the reference point C of the irradiation position of the laser light deflected by the polygon mirror 20, L0 is a unit vector indicating the incident laser light, and Ls (φ) is the polygon mirror 20. Λ ′ (示 す) is a unit vector indicating the direction of the laser beam deflected by the equation, and a scalar quantity indicating the surface position of the DUT 18 derived from the inverse function of the above equation (9). further,
φ is the mirror angle of each mirror of the polygon mirror 20 at the time of laser reflection, and corresponds to the rotation angle ω of the polygon mirror 20. When the number of mirror surfaces is 12, φ = 2 (ω− (7/4))
π). ξ is the light receiving position data extracted from the optical sensors 12 and 14 and entered into the above equation (9). Further, P (φ) and Ls (φ) in Expression (10) are represented by the following vector expressions as shown in FIG. Ls (φ) = 2 | −L0 | cosτN (ω) + L0, and | −L0 | cosτ is represented by the inner product of the unit vectors L0, N (ω), so that Ls (φ) = 2 (−L0, N (ω)) N (ω) + L0 (11) Further, from FIG. 6, the vector P (φ) is P (φ) = T + R0 + S (φ). Since ΔABC is an isosceles triangle, BC = 2DB = 2
(DE + BE) and the center O ′ of the polygon mirror 20
Using the vertical distance h from the mirror surface to the mirror surface, DE = h,
Since BE is represented by the inner product of R0 and -N (ω), the vector S (φ) becomes S (φ) = 2 {h− (R0, N (ω))} N (ω), and P (φ ) = T + R0 + 2 {h- (R0, N (ω))} N (ω) (12) Therefore, the vector equation (10) is expressed as follows: R (φ, ξ) = T + R0 + 2 {h− (R0, N (ω))} N (ω) + λ ′ (ξ) {2 (−L0, N (ω)) N (ω) + L0} (13) Here, when the number of mirror surfaces is 12, as described above, when ω is represented by φ, ω = 7 / 4π + φ / 2, and
Since the values other than N (ω) and λ ′ (ξ) are constant vectors or constants, the surface position of the DUT 18 can be specified from ω and ξ.

【0020】しかし、この式(13)により、そのまま
上記ξから被測定物18の表面位置を演算しても、上述
のように種々の誤差要因によって各ベクトル及びλ'に
誤差が入り込み正確な形状は算出されず、式(13)に
補正項が必要となる。そこで、この実施例では、上記式
(13)の各項の計算値に、予め補正項を考慮した補正
算出値を求め、パラメータξ,φの計測範囲の各値に対
する上記補正算出値を出して形状算出テーブルを作成
し、これを記憶しておくものである。この形状算出テー
ブルの作成について図5のフローチャートを基にして以
下に説明する。
However, even if the surface position of the DUT 18 is directly calculated from the above ξ according to the equation (13), errors are introduced into each vector and λ 'due to various error factors as described above, and the accurate shape is obtained. Is not calculated, and a correction term is required in equation (13). Therefore, in this embodiment, a correction calculation value in which a correction term is taken into consideration in advance in the calculation value of each term of the above equation (13) is obtained, and the correction calculation value for each value in the measurement range of the parameters ξ and φ is calculated. A shape calculation table is created and stored. The creation of the shape calculation table will be described below with reference to the flowchart of FIG.

【0021】先ず、光センサ12,14、ポリゴンミラ
ー20、レンズ系26,28等の構成部品を測定ヘッド
16に組み付ける。そして、図7に示すような、形状寸
法が既知の基準測定物50の表面を走査し、各表面位置
での受光位置データξ(測定値)を求める。また、既知の
基準測定物50の寸法から、上述の誤差を考慮しない式
(13)に基づく理論上の計算式から出てくるξ(理論
値)を求め、このξ(測定値)とξ(理論値)との差の絶対
値、ここでは上記差の二乗を、基準測定物50の全基準
面についてポリゴンミラー20の全ミラー面について出
し、その総和を求める。即ち上記差の二乗の総和χ
は、 χ=Σ(ξ(理論値)−ξ(測定値))… (14) と表わされる。そして、最小二乗法により、このχ2を
最小にするよう上記ξ(理論値)を求める式即ち式
(9),(13)の各項のパラメータの値に補正を加え
る。この補正は、ξ(理論値)に対するξ(測定値)の差の
要因を、組付け、調整時に発生する、 (1)保護ガラス25の位置、厚さ、屈折率によるず
れ、 (2)レーザ光の入射光軸のずれ、 (3)ポリゴンミラー20により偏向されるレーザ光の
所定の基準角度に対するずれ即ちロータリエンコーダの
オフセット値のずれ、 (4)ポリゴンミラー20の各ミラー面間でのレーザ光
の偏向位置のばらつき、 (5)上記光学系パラメータ(a,b,Ω)のずれ、 (6)上述のポリゴンミラーのミラー座標系の、計測座
標系に対するずれ、に分けることができ、これらのずれ
を補正するものである。この実施例では、これらのずれ
の補正量を上記式(13)に加える補正項として考え、
式(13)の各項にこの補正項を考慮して算出した補正
算出値を、式(14)のξ(理論値)を求める式に逐次代
入し、χ2を最小にするようループ演算処理を行ない、
χ2を最小にする各補正算出値を記憶する。
First, components such as the optical sensors 12 and 14, the polygon mirror 20, and the lens systems 26 and 28 are assembled to the measuring head 16. Then, as shown in FIG. 7, the surface of the reference measurement object 50 whose shape and dimensions are known is scanned, and light receiving position data ξ (measured value) at each surface position is obtained. Also, from the dimensions of the known reference measurement object 50, ξ (theoretical value) that is obtained from a theoretical calculation formula based on the equation (13) that does not consider the above-described error is obtained, and the ξ (measured value) and ξ ( The absolute value of the difference from the theoretical value), here the square of the difference, is calculated for all the mirror surfaces of the polygon mirror 20 with respect to all the reference surfaces of the reference measurement object 50, and the sum thereof is obtained. That is, the sum of the squares of the difference χ
2 is represented as χ 2 = Σ (ξ (theoretical value) −ξ (measured value)) 2 (14). Then, a correction is applied to the equation for obtaining the above ξ (theoretical value), that is, the parameter values of the terms of the equations (9) and (13) so as to minimize the χ2 by the least square method. This correction occurs at the time of assembling and adjusting the factor of the difference of ξ (measured value) from ξ (theoretical value). (1) Deviation due to position, thickness, refractive index of protective glass 25, (2) Laser (3) deviation of the laser beam deflected by the polygon mirror 20 with respect to a predetermined reference angle, that is, deviation of the offset value of the rotary encoder, (4) laser between the mirror surfaces of the polygon mirror 20 (5) deviation of the optical system parameters (a, b, Ω); and (6) deviation of the mirror coordinate system of the polygon mirror from the measurement coordinate system. This is to correct the deviation. In this embodiment, the amount of correction of these deviations is considered as a correction term to be added to the above equation (13).
The correction calculation value calculated in consideration of this correction term is sequentially substituted for each term of Expression (13) into an expression for calculating ξ (theoretical value) of Expression (14), and a loop operation process is performed to minimize χ2. Do,
Each correction calculation value for minimizing χ2 is stored.

【0022】χを最小にする上記各補正算出値が求ま
ると、上述の各ずれのうち(3),(4)のずれに対す
る補正項の値は、ポリゴンミラー20の各ミラー面毎
に、補正データテーブルとして記憶する。また、その他
のずれについては、式(10)における、受光位置デー
タξに対するλ'(ξ)の補正算出値を、測定範囲内で形
状算出テーブール(ξ)として記憶する。λ'の形状算
出テーブル(λ')は、光センサを100画素刻みにし
て対応するλ'の補正算出値を記憶し、100画素の間
のλ'の値は、計算式による補間により演算する。さら
に、レーザ光の偏向角であるパラメータφについて、上
記補正算出値をφの各測定範囲内で算出テーブール
(φ)として記憶する。ここで偏向角φは、ポリゴンミ
ラー20の回転角ωから算出されるので、この実施例で
は、一走査分の測定範囲を−30度から+30度とし、
φを5度刻みにして対応する補正算出値を形状算出テー
ブル(φ)として記憶する。そして、この5度の範囲内
では、計算式による補間により、対応する補正算出値を
出している。従って、例えば240ポイントで検出する
場合は、上記走査角度−30度から+30度を240分
割し、5度刻みの形状算出テーブル(φ)に基づいてそ
の補正算出値又は上記補間計算により、測定物の表面位
置の演算を行なっている。また、このφの形状算出テー
ブルはポリゴンミラー各ミラー面について共用するもの
である。従って、ポリゴンミラー20の各ミラー面の振
れによる誤差等の各ミラー面毎に生じる誤差は、全ミラ
ー面を通して全体としての誤差が最小で一定の範囲内に
あるように、ξ,φについての補正を各パラメータの所
定の範囲で行なったということである。
[0022] chi 2 When the above correction calculation value is obtained that minimizes, among the shift of the above (3), the value of the correction term for shift in (4), for each mirror surface of the polygon mirror 20, It is stored as a correction data table. For other deviations, the correction calculation value of λ ′ (ξ) with respect to the light receiving position data ξ in Expression (10) is stored as a shape calculation table (ξ) within the measurement range. The λ ′ shape calculation table (λ ′) stores the correction calculation value of λ ′ corresponding to the optical sensor in units of 100 pixels, and calculates the value of λ ′ between 100 pixels by interpolation using a calculation formula. . Further, with respect to the parameter φ, which is the deflection angle of the laser beam, the correction calculation value is stored as a calculation table (φ) within each measurement range of φ. Here, since the deflection angle φ is calculated from the rotation angle ω of the polygon mirror 20, in this embodiment, the measurement range for one scan is set from −30 degrees to +30 degrees.
The corresponding correction calculation value is stored as a shape calculation table (φ) by setting φ at every 5 degrees. Then, within the range of 5 degrees, a corresponding correction calculation value is output by interpolation using a calculation formula. Therefore, for example, when the detection is performed at 240 points, the scanning angle is divided into 240 from the scanning angle of −30 degrees to +30 degrees, and the measured value is calculated by the correction calculation value or the interpolation calculation based on the shape calculation table (φ) in increments of 5 degrees. Is calculated. The φ shape calculation table is shared for each mirror surface of the polygon mirror. Therefore, errors that occur for each mirror surface such as errors due to deflection of each mirror surface of the polygon mirror 20 are corrected for ξ and φ so that the overall error is minimum and within a certain range through all mirror surfaces. Is performed within a predetermined range of each parameter.

【0023】この後さらに、上記χが所定の範囲内に
あるか否かを判断して、所定の範囲以内にある場合は、
計測データも所望の精度で得られるということが言え
る。また、χが所定の範囲を超えている場合は、構成
部品の取付誤差等を計算上補正しきれず光学系等の組付
け精度が悪く、再調整が必要であるといえる。
[0023] After this addition, the chi 2, it is determined whether or not within the predetermined range, if is within a predetermined range,
It can be said that measurement data can also be obtained with desired accuracy. Further, it can be said that if the chi 2 exceeds a predetermined range, poor assembling accuracy of the optical system or the like can not be completely corrected computationally a mounting error or the like of the components, it is necessary to re-adjust.

【0024】以上のようにして形状算出テーブルの作成
が終了すると、これを基にして、被測定物の計測演算を
行なう。レーザ光による被測定物18表面の走査は、ポ
リゴンミラー20の一ミラー面により被測定物18上を
一走査し、その一走査により、光センサ12,14上で
は、所定のトリガータイミングで、例えば240ポイン
トの位置データを取り込む。この取り込んだデータは一
旦RAM40に記憶される。そして、測定ヘッド16
が、ヘッド移動モータ34により間欠駆動又は低速で微
小距離移動させられ、ポリゴンミラー20の次のミラー
面で、被測定物18上を走査し、上記のように被測定物
18上の表面位置データを取り込み記憶する。被測定物
18の所定の範囲又は全体についての表面位置データの
取り込み記憶が終了した後、上述の三次元座標を算出す
る処理を行なう。以上の走査及び処理により、被測定物
の表面形状が算出され、さらにこの表面形状から、例え
ば、上記実施例のシリンダヘッドの場合は、シリンダヘ
ッドの容積を算出する。
When the creation of the shape calculation table is completed as described above, the measurement calculation of the object to be measured is performed based on the table. The scanning of the surface of the DUT 18 by the laser light is performed by one scan of the DUT 18 by one mirror surface of the polygon mirror 20, and the one scan causes the optical sensors 12 and 14 to have a predetermined trigger timing, for example. The position data of 240 points is taken in. The captured data is temporarily stored in the RAM 40. Then, the measuring head 16
Is moved intermittently or by a small distance at a low speed by the head moving motor 34, scans the object 18 on the mirror surface next to the polygon mirror 20, and outputs the surface position data on the object 18 as described above. And store it. After the acquisition and storage of the surface position data for a predetermined range or the entirety of the DUT 18, the above-described processing for calculating the three-dimensional coordinates is performed. By the above scanning and processing, the surface shape of the object to be measured is calculated, and from this surface shape, for example, in the case of the cylinder head of the above embodiment, the volume of the cylinder head is calculated.

【0025】シリンダヘッドの容積の算出は、図8に示
すように、シリンダヘッドである被測定物18の加工さ
れた所定の拾い面54を基準面として、シリンダヘッド
表面の凹部の断面積を積分してその容積を計算する。こ
の拾い面54は各シリンダの周囲に設けられている。そ
の際、プラグやバルブが取り付けられていない状態での
測定時には、仮想のプラグ及びバルブを想定して、これ
らが取り付けられた場合の容積を計算上求める。また、
被測定物の表面の基準形状を基に被測定物の基準面のX
YZ軸方向の位置及び回転を検出する。
As shown in FIG. 8, the cylinder head volume is calculated by integrating the cross-sectional area of the concave portion on the surface of the cylinder head with reference to the machined predetermined pickup surface 54 of the workpiece 18 as the cylinder head. And calculate its volume. The pickup surface 54 is provided around each cylinder. At that time, at the time of measurement in a state where the plug and the valve are not attached, a volume when the plug and the valve are attached is obtained by calculation assuming a virtual plug and valve. Also,
X of the reference plane of the object to be measured is based on the reference shape of the surface of the object to be measured.
The position and rotation in the YZ axis directions are detected.

【0026】また、シリンダヘッド表面が未加工の状態
で、容積を求める場合は、図9に示すように、シリンダ
ブロック表面に基準測定物56を取り付け、その表面の
基準測定部58をレーザ光で走査して、位置を確認し、
この基準測定物56の所定の面から一定の位置を容積計
算用の仮想の基準面として、シリンダヘッド容積を計算
する。また、基準測定部58の表面形状を基に被測定物
の基準面のXYZ軸方向の位置及び回転を検出する。
When the volume is to be obtained in a state where the surface of the cylinder head is unprocessed, as shown in FIG. 9, a reference object 56 is attached to the surface of the cylinder block, and a reference measurement section 58 on the surface is irradiated with a laser beam. Scan, check the position,
The cylinder head volume is calculated using a fixed position from a predetermined surface of the reference measurement object 56 as a virtual reference surface for volume calculation. Further, based on the surface shape of the reference measurement unit 58, the position and rotation of the reference surface of the measured object in the XYZ-axis directions are detected.

【0027】以上述べたように、この実施例の光学的三
次元形状測定方法及び測定装置によれば、被測定物の表
面形状を非接触で迅速に計測することができる。特に、
測定装置の取付誤差等に対して、光センサの受光位置デ
ータの誤差を最小にするようにして所定の補正量を考慮
した補正算出値を予め求め、形状算出テーブルとして記
憶したので、補正を含む複雑な計算が必要でなく、しか
も、少ないデータ量で全ての誤差を包括的に考慮した最
適な補正を施すことができる。また、比較的簡単な演算
プログラムで、正確な形状測定することができ、形状算
出テーブル用の記憶容量も、光センサ12,14の各画
素に対応した補正データと、所定の測定ポイント数のミ
ラー角度の補正データのみでよく、比較的少ないもので
良い。また、シリンダヘッドの容積計算も、シリンダの
周囲の基準面または、被測定物に取り付けられた基準測
定物を基準にして計算しているので、迅速かつ正確に求
めることができる。
As described above, according to the optical three-dimensional shape measuring method and measuring apparatus of this embodiment, the surface shape of the object to be measured can be quickly measured without contact. In particular,
A correction calculation value in consideration of a predetermined correction amount is set in advance so as to minimize an error of the light receiving position data of the optical sensor with respect to a mounting error of the measuring device, and stored as a shape calculation table. Complicated calculations are not required, and an optimal correction can be performed with a small amount of data while comprehensively considering all errors. In addition, accurate shape measurement can be performed with a relatively simple calculation program, and the storage capacity for the shape calculation table includes correction data corresponding to each pixel of the optical sensors 12 and 14 and mirror data of a predetermined number of measurement points. Only the angle correction data may be used, and relatively few correction data may be used. Also, since the volume calculation of the cylinder head is performed based on the reference surface around the cylinder or the reference measurement object attached to the object to be measured, it can be quickly and accurately obtained.

【0028】尚、この発明の光学的三次元形状測定方法
と測定装置は、上記実施例に限定されるものではなく、
上記光センサ上の実際の測定上の受光位置データと、上
記基準測定物の既知の表面データに基づいて理論式から
導かれるスポット光像の光センサ上の受光位置データと
の差の絶対値の全ミラー面の総和を最小にする補正算出
値を求めるもの以外に、上記理論上の受光位置データと
測定上の受光位置データとの関係が所定の補正係数で表
わされるようにするものでもよく、作成される形状算出
テーブルは適宜に設定した所望の補正項が考慮されたも
のであればればよい。ループ処理も、上記最小二乗法を
用いるもの以外に、適宜所望の値を求めるループ演算方
法であればよい。また、光センサは、CCDラインセン
サの外、他の半導体ラインセンサまたは二次元イメージ
光センサ等の光電変換素子を用いてもよく、1個の光セ
ンサでも良い。
It should be noted that the optical three-dimensional shape measuring method and measuring apparatus of the present invention are not limited to the above embodiment.
The absolute value of the difference between the light receiving position data on the actual measurement on the optical sensor and the light receiving position data on the optical sensor of the spot light image derived from the theoretical formula based on the known surface data of the reference measurement object In addition to calculating the correction calculation value that minimizes the sum of all mirror surfaces, the relationship between the theoretical light receiving position data and the measured light receiving position data may be represented by a predetermined correction coefficient, The created shape calculation table may be any table as long as a desired correction term appropriately set is taken into consideration. The loop processing may be any method other than the method using the least squares method, as long as it is a loop operation method for appropriately obtaining a desired value. Further, as the optical sensor, a photoelectric conversion element such as another semiconductor line sensor or a two-dimensional image optical sensor may be used in addition to the CCD line sensor, or a single optical sensor may be used.

【0029】[0029]

【発明の効果】この発明の光学的三次元形状測定方法及
び測定装置は、光センサより得られる受光位置データの
理論値と実際の測定値との差を、ポリゴンミラーの各ミ
ラー面について算出し、装置の誤差を包括的に考慮した
補正算出値、例えば上記差の絶対値の総和が最小になる
ようにした補正算出値を求めて表面形状算出式に補正項
を加え、各パラメータの値に対応させてこの補正算出値
による形状算出テーブルを作成したので、表面形状算出
に際し、全ての誤差を包括的にキャンセルして補正した
測定値が得られ、しかも、演算は、データテブルの数値
をもとに簡単な計算式で行なうことができ、きわめて高
速に処理することができる。特に、ポリゴンミラーを用
いた光学系は、ポリゴンミラーに関する誤差が多いが、
この形状算出テーブルによって確実に誤差を除去するこ
とができる。また、被測定物の凹凸の容積を求める際、
その被測定物表面の基準面を基に容積を演算しているの
で、簡単にかつ迅速に容積計算を行なうことができる。
According to the optical three-dimensional shape measuring method and measuring apparatus of the present invention, the difference between the theoretical value of the light receiving position data obtained from the optical sensor and the actual measured value is calculated for each mirror surface of the polygon mirror. A correction calculation value that comprehensively considers the error of the device, for example, a correction calculation value that minimizes the sum of the absolute values of the differences is obtained, and a correction term is added to the surface shape calculation formula, and the value of each parameter is added. Since the shape calculation table based on the correction calculation values is created in correspondence with the correction values, all the errors are comprehensively canceled and the corrected measurement values are obtained in the surface shape calculation, and the calculation is based on the numerical values of the data table. It can be performed with a simple calculation formula, and can be processed at extremely high speed. In particular, an optical system using a polygon mirror has many errors related to the polygon mirror,
An error can be reliably removed by this shape calculation table. Also, when determining the volume of the unevenness of the measured object,
Since the volume is calculated based on the reference surface of the surface of the measured object, the volume can be easily and quickly calculated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】この発明の一実施例の光学的三次元形状測定装
置の要部を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing a main part of an optical three-dimensional shape measuring apparatus according to one embodiment of the present invention.

【図2】この実施例の光学的三次元形状測定装置の制御
装置のブロック線図である。
FIG. 2 is a block diagram of a control device of the optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment.

【図3】この実施例の光学的三次元形状測定装置の使用
状態を示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing a use state of the optical three-dimensional shape measuring apparatus of the embodiment.

【図4】この実施例の光学的三次元形状測定装置の測定
原理を示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a measurement principle of the optical three-dimensional shape measuring apparatus of the embodiment.

【図5】この実施例の光学的三次元形状測定装置の補正
方法を示すフローチャートである。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a correction method of the optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment.

【図6】この実施例の光学的三次元形状測定装置の測定
原理を示す説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram showing a measurement principle of the optical three-dimensional shape measuring apparatus of the embodiment.

【図7】この実施例の光学的三次元形状測定装置の基準
測定物の正面図である。
FIG. 7 is a front view of a reference object of the optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment.

【図8】この実施例の光学的三次元形状測定装置の被測
定物の平面図である。
FIG. 8 is a plan view of an object to be measured by the optical three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment.

【図9】この実施例の光学的三次元形状測定装置の容積
計算用の基準測定物を被測定物に取り付けた状態を示す
斜視図である。
FIG. 9 is a perspective view showing a state where a reference measurement object for volume calculation of the optical three-dimensional shape measuring apparatus of this embodiment is attached to an object to be measured.

【図10】従来の技術の光学的三次元形状測定装置の要
部を示す斜視図である。
FIG. 10 is a perspective view showing a main part of a conventional optical three-dimensional shape measuring apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 スポット状光源 12,14 光センサ 16 測定ヘッド 18 被測定物 20 ポリゴンミラー 24 ロータリエンコーダ 25 保護ガラス 26,28 レンズ系 30 センサ駆動装置 34 ヘッド移動モータ 36 リニアエンコーダ 38,44 CPU 42 ハードディスク 46 外部記憶装置 Reference Signs List 10 spot light source 12, 14 optical sensor 16 measuring head 18 DUT 20 polygon mirror 24 rotary encoder 25 protective glass 26, 28 lens system 30 sensor driving device 34 head moving motor 36 linear encoder 38, 44 CPU 42 hard disk 46 external storage apparatus

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−269206(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01B 11/00 - 11/30 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-3-269206 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01B 11/00-11/30

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 スポット状光源から照射されたスポット
光をミラーにより被測定物表面で走査し、被測定物表面
のスポット光を光センサにより検知して被測定物の表面
形状を計測する光学的三次元形状測定方法において、測
定寸法が既知の基準測定物の表面をスポット光によりポ
リゴンミラーを用いて走査し、基準測定物からのスポッ
ト光像を、多数の画素がライン状に配列された光センサ
で検出し、被測定物の表面形状を算出する表面形状算出
式中の補正項に所定の補正量を与えて上記表面形状算出
式中の各項の補正算出値を演算し、上記スポット光によ
る上記光センサの画素上の上記スポット光像により得ら
れた受光位置データと、上記基準測定物の既知の表面デ
ータに基づいて上記表面形状算出式から導かれる上記ス
ポット光像の上記光センサ上の受光位置データとの差
を、上記ポリゴンミラーの各ミラー面について算出し、
これを繰り返して上記差を最小とする補正算出値を求め
るループ処理を行ない、上記表面形状算出式中の各パラ
メータに対応した上記各補正算出値を形状算出テーブル
として上記ポリゴンミラーの各ミラー面毎に作成しこれ
を記憶し、未知の被測定物の測定時に上記形状算出テー
ブルによる補正算出値を上記表面形状算出式中に入れて
未知の被測定物の表面形状を算出することを特徴とする
光学的三次元形状測定方法。
1. An optical system for scanning a spot light emitted from a spot light source on a surface of an object to be measured by a mirror and detecting the spot light on the surface of the object to be measured by an optical sensor to measure the surface shape of the object to be measured. In the three-dimensional shape measurement method, the surface of a reference measurement object having a known measurement dimension is scanned with a spot light using a polygon mirror, and a spot light image from the reference measurement object is converted into light in which a number of pixels are arranged in a line. Surface shape calculation that detects with the sensor and calculates the surface shape of the measured object
The above-described surface shape calculation is performed by giving a predetermined correction amount to the correction term in the equation.
The correction calculation value of each term in the equation is calculated, and the
Obtained by the spot light image on the pixel of the light sensor .
A light receiving position data, the difference between the light receiving position data on the optical sensor of the spot light image derived from the surface shape calculation formula based on a known surface data of the reference measurement object, each of the polygon mirror Calculate for the mirror surface,
This is repeated to perform a loop process for obtaining a correction calculation value that minimizes the difference, and that each correction calculation value corresponding to each parameter in the surface shape calculation formula is used as a shape calculation table for each mirror surface of the polygon mirror. And store this, and when calculating the unknown object to be measured, enter the correction calculation value by the shape calculation table in the surface shape calculation formula.
An optical three-dimensional shape measuring method, wherein a surface shape of an unknown object is calculated.
【請求項2】 上記ループ処理は、上記基準測定物を走
査したスポット光像の上記光センサ上の受光位置データ
と、上記基準測定物の既知の表面データに基づいて理論
式から導かれるスポット光像の光センサ上の受光位置デ
ータとの差を、ポリゴンミラーの全ミラー面について算
出し、上記差の絶対値の、全ミラー面での総和を最小に
する補正算出値を求めるループ処理であることを特徴と
する請求項1記載の光学的三次元形状測定方法。
2. The loop processing according to claim 1, wherein the spot light is derived from a theoretical formula based on light receiving position data of the spot light image obtained by scanning the reference measurement object on the optical sensor and known surface data of the reference measurement object. This is a loop process in which the difference between the image and the light receiving position data on the optical sensor is calculated for all the mirror surfaces of the polygon mirror, and a correction calculation value for minimizing the sum of the absolute values of the differences on all the mirror surfaces is obtained. The optical three-dimensional shape measuring method according to claim 1, wherein:
【請求項3】 上記形状算出テーブルは、上記光センサ
の受光位置データに対する被測定物の表面位置データの
スカラー量及び、上記ポリゴンミラーの回転角度に対す
る被測定物の表面位置データのベクトル量について補正
が施された補正算出値を基に作成されるとともに、この
補正算出値に基づいて上記基準測定物の理論上の受光位
置データを演算し、上記測定による受光位置データと上
記理論上の受光位置データとの差の絶対値の総和を最小
値にする上記補正算出値を、上記受光位置データ値及び
上記ポリゴンミラーの回転角度に対応させて形状算出テ
ーブルとして上記ポリゴンミラーの各ミラー面毎に作成
しこれを記憶し、この形状算出テーブルを基にして演算
された上記差の絶対値の総和が所定の範囲内にあるよう
に上記形状算出テーブルを作成することを特徴とする請
求項1または2記載の光学的三次元形状測定方法。
3. The shape calculation table corrects a scalar amount of surface position data of the object with respect to light receiving position data of the optical sensor and a vector amount of surface position data of the object with respect to a rotation angle of the polygon mirror. Is created based on the corrected calculated value, and the theoretical light receiving position data of the reference object is calculated based on the corrected calculated value, and the light receiving position data obtained by the measurement and the theoretical light receiving position are calculated. The correction calculation value for minimizing the sum of the absolute values of the differences from the data is created for each mirror surface of the polygon mirror as a shape calculation table corresponding to the light receiving position data value and the rotation angle of the polygon mirror. The shape calculation table is stored such that the sum of the absolute values of the differences calculated based on the shape calculation table is within a predetermined range. The optical three-dimensional shape measuring method according to claim 1, wherein the optical three-dimensional shape measuring method is performed.
【請求項4】 スポット光を被測定物上に照射するレン
ズ系とスポット状光源とを有し、このスポット光を被測
定物上で走査するポリゴンミラーとミラー駆動モータと
からなる光走査装置を設け、上記走査されたスポット光
による被測定物表面からのスポット光像を受光する多数
の画素がライン状に配列された光センサを設け、スポッ
ト光により測定寸法が既知の基準測定物の表面を走査し
て基準測定物からのスポット光像を上記光センサで検出
し、上記スポット光像の測定による上記光センサ上の受
光位置データと上記基準測定物の既知の表面データに基
づいて理論上得られるスポット光像の上記光センサ上の
受光位置データとの差を、上記ポリゴンミラーの各面に
ついて算出する受光位置データ算出手段と、被測定物の
表面形状算出式中の補正項に適宜の補正量を与えて表面
形状算出式中の各項の補正算出値を演算する補正算出値
演算手段と、上記表面形状算出式中の各パラメータの値
に対応して上記補正算出値演算手段により得られた補正
算出値から上記差を最小とする補正算出値を求めるルー
プ演算処理手段と、これにより求められる補正算出値を
特定のパラメータに対応させて上記ポリゴンミラーの各
ミラー面毎に作成し記憶した形状算出テーブルとを設け
たことを特徴とする光学的三次元形状測定装置。
4. An optical scanning device having a lens system for irradiating spot light onto an object to be measured and a spot light source, and comprising a polygon mirror for scanning the spot light on the object to be measured and a mirror driving motor. A large number of light receiving devices that receive a spot light image from the surface of the object to be measured by the scanned spot light.
An optical sensor in which pixels are arranged in a line is provided, a spot light scans the surface of a reference measurement object whose measurement dimensions are known, and a spot light image from the reference measurement object is detected by the optical sensor. The difference between the light receiving position data on the light sensor based on the image measurement and the light receiving position data on the light sensor of the spot light image that is theoretically obtained based on the known surface data of the reference measurement object, Light receiving position data calculating means for calculating each surface, and a correction calculation value for calculating a correction calculation value for each item in the surface shape calculation formula by giving an appropriate correction amount to a correction term in the surface shape calculation formula for the device under test arithmetic means, and loop processing means for obtaining the correction calculation value which minimizes the difference from the corrected calculated value obtained by the parameter values to correspond the corrected calculated value calculating means in the surface shape calculation formula This by correction calculation values obtained
Each of the polygon mirror so as to correspond to a particular parameter
An optical three-dimensional shape measuring apparatus, comprising: a shape calculation table created and stored for each mirror surface .
【請求項5】 上記ループ演算手段は、各パラメータの
値に対応して上記補正算出値演算手段により得られた補
正算出値の内、上記スポット光による基準測定物の実際
の測定による上記光センサ上の受光位置データと上記基
準測定物の既知の表面データに基づいて理論上得られる
スポット光像の上記光センサ上の受光位置データとの差
絶対値の、全ミラー面の総和を最小にする各補正算出
値を求めるループ演算処理手段であることを特徴とする
請求項4記載の光学的三次元形状測定装置。
5. The optical sensor according to claim 1, wherein the loop calculation means includes a correction calculation value obtained by the correction calculation value calculation means corresponding to each parameter value, the light sensor being based on an actual measurement of a reference object by the spot light. Minimize the sum of all mirror surfaces of the absolute value of the difference between the light receiving position data on the optical sensor and the light receiving position data on the optical sensor of the spot light image theoretically obtained based on the known surface data of the reference measurement object. 5. The optical three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 4, wherein said optical three-dimensional shape measuring device is a loop operation processing means for obtaining each correction calculation value.
【請求項6】 上記スポット状光源にレーザ光源を設
け、上記スポット光のレーザ光源から被測定物までの光
軸に対して所定の位置に複数の上記光センサを設け、レ
ーザ光により走査される被測定物の表面の各位置でのス
ポット光像の結像面に、上記各光センサの受光領域が位
置するように、上記各光センサをスポット光像の入射光
光軸に対して所定角度傾斜して取り付け、上記形状算出
テーブルを上記各光センサ毎に設けたことを特徴とする
請求項4または5記載の光学的三次元形状測定装置。
6. A laser light source is provided for the spot light source, and a plurality of the optical sensors are provided at predetermined positions with respect to an optical axis from the laser light source of the spot light to an object to be measured, and are scanned by the laser light. the imaging plane of the spot light image at each position of the surface of the object, as the light receiving area of each light sensor is positioned a predetermined angle the respective optical sensors to the incident light optical axis of the spot light image 6. The optical three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 4, wherein the shape calculating table is provided for each of the optical sensors .
【請求項7】 上記光走査装置はポリゴンミラーの回転
角度を検出するエンコーダを有し、このエンコーダによ
る上記ポリゴンミラー回転角度のデータを補正するエン
コーダ補正手段を設け、上記差の絶対値の総和を最小に
する補正算出値を基に作成された形状算出テーブルは、
上記受光位置データに対する補正算出値を記憶した第一
の形状算出テーブルと、上記ポリゴンミラーの各面につ
いて共通に用いられそのミラー面の角度に対する補正算
出値を記憶した第二の形状算出テーブルとからなること
を特徴とする請求項5または6記載の光学的三次元形状
測定装置。
7. The optical scanning device has an encoder for detecting a rotation angle of a polygon mirror, and an encoder correcting means for correcting data of the rotation angle of the polygon mirror by the encoder, and calculates a sum of absolute values of the difference. The shape calculation table created based on the correction calculation value to be minimized is
A first shape calculation table storing correction calculation values for the light receiving position data, and a second shape calculation table storing correction calculation values for angles of the mirror surfaces that are used in common for each surface of the polygon mirror. The optical three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 5, wherein:
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