JP2001201331A - 傾斜角度測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定物に反射鏡を固定することなく傾斜角
度を精度良く測定する。 【解決手段】 被測定物体の微小な傾斜角度を非接触で
測定する方法であって、被測定物にレーザ光を照射し、
被測定物からの反射光を減光手段を備えた撮像手段で撮
像し、次に反射光の略光軸方向に沿って前記撮像手段を
移動し、被測定物からの反射光を再度撮像し、撮像デー
タから所定の大きさ又は輝度を有するスポットのみを抽
出し、該スポットの基準点位置を検出し、減光手段上に
おける移動前後のスポット基準点の位置データと減光手
段の移動量をもとに、移動方向に対する反射光の傾きを
算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の微小な
傾斜角度を非接触で測定する方法および装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】非接触で被測定物の傾斜角度を測定する
方法として、例えば特開平９―３０４０１７号に開示さ
れているようにレーザ光を利用した方法がある。これ
は、被測定物体上に反射鏡を固定し、基準面上に設置さ
れたレーザ光源から反射鏡に向けてレーザ光を照射し、
その反射光の到達位置を、レーザ光源に隣接して配置さ
れた二次元位置検出素子で測定し、次いでこの二次元位
置検出素子を、基準面に対して垂直方向に所定距離だけ
移動して、再び反射光の到達位置を測定し、移動の前後
における反射光の到達位置の測定値に基づいて傾斜角度
を算出するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来例では、被測
定物の表面に反射鏡を固定しなければならないため、一
品生産される大きな製品に対しては有効であるが、量産
される部品で、特に小さな部品の表面の傾きを測定する
ような場合には適用が極めて難しい。そのため、反射鏡
を用いず、被測定物に直接レーザ光を照射すると、一般
に被測定物の表面は反射鏡ほどの鏡面には仕上がってい
ないため、反射光が散乱し、二次元位置検出素子面上の
輝部が歪んだり、分散したりするため、位置検出精度が
低下したり、場合によっては反射光の到達位置が特定で
きないという問題がある。従って、本発明は、被測定物
に反射鏡を固定することなく、傾斜角度を精度良く測定
する方法および装置を提供することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の傾斜角度測定方
法は、被測定物体の微小な傾斜角度を非接触で測定する
方法であって、被測定物にレーザ光を照射し、被測定物
からの反射光を減光手段を備えた撮像手段で撮像し、次
に反射光の略光軸方向に沿って前記撮像手段を移動し、
被測定物からの反射光を再度撮像し、撮像データから所
定の大きさ又は輝度を有するスポットのみを抽出し、該
スポットの基準点位置を検出し、減光手段上における移
動前後のスポット基準点の位置データと減光手段の移動
量をもとに、移動方向に対する反射光の傾きを算出する
ことを特徴としている。

【０００５】本発明の傾斜角度測定装置は、被測定物体
の微小な傾斜角度を非接触で測定する装置であって、被
測定物に向けて照射するレーザ光源と、被測定物からの
反射光を受ける減光手段を備えた撮像手段と、撮像手段
を略反射光軸に沿って移動する駆動手段と、撮像データ
から所定の反射光スポットの基準点を算出し、移動前後
の減光手段上での基準点位置と移動量をもとに移動方向
に対する反射光の傾きを算出する制御手段とを有するこ
とを特徴としている。

【０００６】上記本発明において、減光手段を、シート
状の光半透過体とすると、表面が平滑で、内部組成や密
度のバラツキが少ないものが得易く、また、表面を反射
光の光軸にほぼ垂直になるように設けると、減光手段で
の反射成分が少ないことから広いレンジの角度に対する
減光後の透写像を得ることができるので好ましい。シー
トとしては、用いるレーザ光強度や色、被測定物の表面
反射特性に応じて、材質、組成、色、厚さを選定すると
よい。また、レーザ光源の前面に集光レンズを配置し、
被測定物に絞ったレーザ光を照射すると、被測定物のレ
ーザ照射面が狭いものでも対応できるので好ましい。実
施態様としては、撮像手段が、反射光を受ける紙シート
と、紙シートの透写像を撮像するＣＣＤカメラを用いる
とよい。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１に本発明の傾斜角測定装置の
構成例を示す。本装置は、被測定物３が載置される位置
決め手段（図示せず）と、位置決め手段上の被測定物３
表面にレーザ光を照射する照射手段と、被測定物３表面
からの反射光を撮像する撮像手段と、撮像手段からの撮
像情報を処理して傾斜角を算出する制御手段（図示せ
ず）を備えている。

【０００８】照射手段は、載置された被測定物３表面の
法線方向に対し、所定角度からレーザ光が照射されるよ
うに設置したレーザ光源１と、その前面に設けた集光レ
ンズ２を有し、被測定物３表面に微小スポットを照射す
るようにしている。撮像手段は、被測定物３からの反射
光が入光するように設けた減光手段４と、減光手段４を
通過した光を検出する２次元検出手段５と、減光手段４
と２次元検出手段５とを略光軸方向に同方向で同量だけ
位置制御する駆動手段６を備えている。減光手段４は、
所定輝度以上の光だけを透過させる光半透過体であり、
表面が平滑で、内部組成や密度のバラツキが少ないもの
が好ましく、シート状のものを、表面が反射光の光軸に
ほぼ垂直になるように設置する。この減光シート４とし
ては、例えば表面が滑らかで繊維密度の高い上質な紙シ
ートや、半透明な樹脂シートやガラスシートを用いるこ
とができる。２次元検出手段５としてはＣＣＤカメラを
用いると良い。駆動手段６は、シリンダ、サーボモータ
等のアクチュエータを精密なガイド機構に組合わせた構
造であり、２点間を位置精度良く移動することができ
る。

【０００９】次に図２を用いて傾斜角度の求め方を説明
する。傾斜角度は、例えば撮像手段に座標系を設定し、
この系での値として求めることができるが、基準被測定
物を設定し、この基準被測定物に対するづれ角度φとし
て求めても、実用上は問題ない。以下、基準被測定物を
用いる方法について説明する。まず、基準とする任意の
被測定物を位置決め手段にセットし、レーザ光源１から
レーザ光を照射し、表面からの反射光の光軸が駆動手段
６の駆動軸に一致するように、位置決め手段又は照射手
段或いは撮像手段の姿勢を調節する。どの手段で調節す
るかは予め決めておき、該手段を２方向に傾斜させるこ
とができる調節装置を設けておけばよい。光軸と駆動軸
を一致させるためには、駆動手段６で撮像手段を光軸方
向に移動させ、移動前後の反射光の検出位置がずれない
ようになるまで前記調節装置で調整すればよい。

【００１０】前述の処理を行なった後、実際の被測定物
３の傾斜角度測定を行なう。被測定物３を位置決め手段
に載置し、レーザ光源１よりレーザ光を照射する。レン
ズ２で集光されたレーザ光は、被測定物３表面で所定の
大きさのスポットなるように照射され反射するが、被測
定物３の表面が反射鏡のように凹凸の少ない鏡面状態で
ない場合には、反射光の一部は散乱し、減光シート４に
は散乱光７が投影される。減光シート４の投影面側に
は、被測定物３の表面凹凸状態に応じて、光軸回りの明
るいスポットの他に、周辺にも小さなスポットや、薄明
るい箇所が生じたりする。しかし、散乱光７は、減光シ
ート４を通過する時、減光シートの厚さ、内部繊維構造
等で決まる減光度で減光され、減光シート４の裏面には
輝度の高い光軸回りの正反射光のスポットＰは透写され
るが、輝度の弱いスポット等は裏面には透写されない。

【００１１】このスポットＰをＣＣＤカメラ５で測定
し、画像処理でスポットの基準位置としての図心を撮像
素子上の平面座標データで算出する。なお、減光シート
４の仕様と被測定物３の表面状態によっては、スポット
Ｐの他にも、小さなスポット光が複数映し出される場合
もあるが、輝度の違い、スポット径の違い等をもとに、
これらをノイズとして除去することは画像処理では容易
である。

【００１２】続いて、駆動手段６により、減光シート４
とＣＣＤカメラ５を一体的に距離ΔＬだけ、前または後
に移動させ、再び減光シート４の裏面に映し出された光
軸回りのスポットＱをＣＣＤカメラ５で撮像し、画像処
理でその図心５ｂを撮像素子上の平面座標データで算出
する。図３は、被測定物３に基準被測定物との傾きづれ
角度φがある場合の、減光シート４がΔＬ移動した時
の、減光シート４の移動前位置４ａと移動後位置４ｂに
おけるスポットＰとＱの位置を示す１方向、例えばＸ成
分の概念図である。減光シート４上のスポットＰとＱの
Ｘ成分の位置の差をΔＸとすれば、傾斜角のＸ成分φｘ
は下記に示す式１で求めることができる。 φX＝(1/2)×tan^-1(ΔX／ΔL)……（１） 上記ΔＸは減光シート４上でのスポットＰとＱの差であ
り、ＣＣＤカメラ５の移動前後の位置５ａ、５ｂで検出
される撮像素子上での位置の差を、レンズによる倍率等
を考慮して補正して求める。同様にして、Ｘ方向と直角
方向の傾き成分φｙも求め、２次元の傾き角度を算出す
る。

【００１３】本実施例では、集光レンズ２によりレーザ
光を集光したが、被測定物３がレーザビーム径に比べて
大きければ必ずしも集光する必要はない。なお、集光レ
ンズ２を用いる場合、反射光を減光シート４の表面近傍
で合焦するようにすれば、鮮明なスポット像を得ること
ができる。また、装置をコンパクトにするために、照明
手段を被測定物に接近させて設け、急激にレーザ光を集
光させる場合には、反射光の拡散角度も大きくなるの
で、減光シート４も被測定物３に接近させるとよい。

【００１４】また、本実施例においては、基準とする被
測定物からの反射光の光軸に、駆動手段の移動方向を一
致させるように調整した後、測定を開始する場合を説明
したが、これは式１で示すように簡単な数式で算出でき
るようにするためで、必ずしも一致させる必要はない。
即ち、駆動手段の移動方向と、基準とする被測定物から
の反射光光軸がづれておれば、この時の移動前後の光軸
回りのスポット光の検出位置は異なるため、づれ角を算
出することができ、このづれ角を補正値として実際の傾
斜角度測定時に用いればよい。また、当然ながら撮像手
段等に任意の座標系を設定し、この座標系での傾斜角を
求めることもできる。上述する２つの方法については、
特に説明はしないが、公知の技術で容易に実施できるこ
とは言うまでもない。

【００１５】

【発明の効果】本発明では、被測定物からの反射光を例
えば減光シートのような減光手段に投影するので、反対
面には輝度の高い像だけが写り、光軸回りの実際に検出
したいスポット像以外は大部分が除去され、かつ写った
像もあるレベル以上の輝度を有するので、ＣＣＤカメラ
で測定して撮像データを画像処理することが容易で、ス
ポット光の図心の検出が精度良く行なえる。このため、
直接被測定物の表面にレーザ光を照射することができ、
工場の量産品に対しても、また小型部品に対しても適用
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の傾斜角度測定装置の構成例を示す図

【図２】傾斜角度を測定するための装置動作を説明する
図

【図３】傾斜角度の算出原理を説明する図

【符号の説明】

１・・レーザ光源、２・・集光レンズ、３・・被測定
物、４・・減光手段、５・・ＣＣＤカメラ、６・・駆動
手段、７・・散乱光、Ｐ、Ｑ・・スポット

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物体の微小な傾斜角度を非接触で
   測定する方法であって、被測定物にレーザ光を照射し、
   被測定物からの反射光を減光手段を備えた撮像手段で撮
   像し、次に反射光の略光軸方向に沿って前記撮像手段を
   移動し、被測定物からの反射光を再度撮像し、撮像デー
   タから所定の大きさ又は輝度を有するスポットのみを抽
   出し、該スポットの基準点位置を検出し、減光手段上に
   おける移動前後のスポット基準点の位置データと減光手
   段の移動量をもとに、移動方向に対する反射光の傾きを
   算出することを特徴とする傾斜角度測定方法。
2. 【請求項２】 被測定物体の微小な傾斜角度を非接触で
   測定する装置であって、被測定物に向けて照射するレー
   ザ光源と、被測定物からの反射光を受ける減光手段を備
   えた撮像手段と、撮像手段を略反射光軸に沿って移動す
   る駆動手段と、撮像データから所定の反射光スポットの
   基準点を算出し、移動前後の減光手段上での基準点位置
   と移動量をもとに移動方向に対する反射光の傾きを算出
   する制御手段とを有することを特徴とする傾斜角度測定
   装置。
3. 【請求項３】 減光手段がシート状の光半透過体であ
   り、表面を反射光の光軸にほぼ垂直になるように設けた
   請求項２記載の傾斜角度測定装置。
4. 【請求項４】 レーザ光源の前面に集光レンズを配置
   し、被測定物に絞ったレーザ光を照射する請求項２又は
   ３記載の傾斜角度測定装置。
5. 【請求項５】 撮像手段が、反射光を受ける紙シート
   と、紙シートの透写像を撮像するＣＣＤカメラである請
   求項２乃至４のいずれかに記載の傾斜角度測定装置。