JP2001317922A - 光学式形状測定装置 - Google Patents
光学式形状測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 正確なアライメントを要せずワークの平面形
状を測定することができ、また任意に方向へのフィード
によりワークの三次元形状を測定することができる、三
角測量法による光学式形状測定装置を提供する。 【解決手段】 センサ１は、ＬＤ１１の出力光ビームＡ
を二次元マイクロスキャナ１２により円錐状ビームＢに
変換し、投光レンズ１３により円筒状ビームＣに変換し
てワーク３を照射する。ワーク３の円筒状ビームＢによ
る照明像を集光レンズ１５を介して撮像装置１６により
撮像し、得られた撮像出力を信号処理装置２により処理
して、ワーク３の形状測定を行う。
状を測定することができ、また任意に方向へのフィード
によりワークの三次元形状を測定することができる、三
角測量法による光学式形状測定装置を提供する。 【解決手段】 センサ１は、ＬＤ１１の出力光ビームＡ
を二次元マイクロスキャナ１２により円錐状ビームＢに
変換し、投光レンズ１３により円筒状ビームＣに変換し
てワーク３を照射する。ワーク３の円筒状ビームＢによ
る照明像を集光レンズ１５を介して撮像装置１６により
撮像し、得られた撮像出力を信号処理装置２により処理
して、ワーク３の形状測定を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、三角測量法を利
用して、物体表面の部分的な形状測定、段差の寸法測
定、丸棒の直径や溝等の平面寸法測定、更にスライドテ
ーブルを併用した物体の三次元形状測定等を行う光学式
形状測定装置に関する。
用して、物体表面の部分的な形状測定、段差の寸法測
定、丸棒の直径や溝等の平面寸法測定、更にスライドテ
ーブルを併用した物体の三次元形状測定等を行う光学式
形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】三角測量法によるレーザ変位計の応用と
して、レーザビームを直線状に走査してワークを照射
し、その反射光を検出して形状測定を行う装置が知られ
ている（例えば、商品名：キーエンスＬＪ−０８０）。
この装置では、レーザダイオードの出力光ビームをマイ
クロスキャナ（振動ミラー）により反射して、投光レン
ズによりワーク表面に直線状の光スポット軌跡を形成す
る。このワークからの反射光をＣＣＤ等の二次元受光素
子により受光し、その出力信号を処理することにより、
ワーク表面の形状を測定する。
して、レーザビームを直線状に走査してワークを照射
し、その反射光を検出して形状測定を行う装置が知られ
ている（例えば、商品名：キーエンスＬＪ−０８０）。
この装置では、レーザダイオードの出力光ビームをマイ
クロスキャナ（振動ミラー）により反射して、投光レン
ズによりワーク表面に直線状の光スポット軌跡を形成す
る。このワークからの反射光をＣＣＤ等の二次元受光素
子により受光し、その出力信号を処理することにより、
ワーク表面の形状を測定する。
【０００３】ワークの大きさが直線状の光ビーム走査範
囲内であれば、ワークの端部で高さ情報が変化すること
から、直線状光ビームによる反射像のエッジ検出を行う
ことによりワークの大きさが求められる。光ビームの走
査方向に直交してワークの表面に溝があれば、溝の部分
での高さ情報の変化から、溝の幅を測定することができ
る。光源と、ビーム走査部及び受光部を含むセンサにフ
ィード機構を備えるか、或いはスライドテーブルとの併
用により、ワークの三次元形状の測定も可能である。
囲内であれば、ワークの端部で高さ情報が変化すること
から、直線状光ビームによる反射像のエッジ検出を行う
ことによりワークの大きさが求められる。光ビームの走
査方向に直交してワークの表面に溝があれば、溝の部分
での高さ情報の変化から、溝の幅を測定することができ
る。光源と、ビーム走査部及び受光部を含むセンサにフ
ィード機構を備えるか、或いはスライドテーブルとの併
用により、ワークの三次元形状の測定も可能である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の形状測定装置では、例えばワーク表面の測定しようと
する溝と光ビーム走査方向とが傾いている場合には、溝
を斜め方向に横切る幅を測定することになる。従って精
度が要求される場合には、センサとワークの間の高精度
アライメントが必要となる。また、測定しようとする溝
や段差が光ビームの走査方向と平行にある場合には、こ
れらの溝や段差の測定はできない。この様な場合に対応
できるようにするためには、センサとワークの間の簡単
な平行移動機構だけでなく、相対的な回転機構をも必要
とする。これは自動検査装置を作る上では大きな制約に
なる。更に、センサのフィードやスライドテーブルの併
用により三次元形状の測定が可能であるが、フィード方
向はレーザビームの走査方向と直交する方向に限られ、
システムの発展性に限界がある。
の形状測定装置では、例えばワーク表面の測定しようと
する溝と光ビーム走査方向とが傾いている場合には、溝
を斜め方向に横切る幅を測定することになる。従って精
度が要求される場合には、センサとワークの間の高精度
アライメントが必要となる。また、測定しようとする溝
や段差が光ビームの走査方向と平行にある場合には、こ
れらの溝や段差の測定はできない。この様な場合に対応
できるようにするためには、センサとワークの間の簡単
な平行移動機構だけでなく、相対的な回転機構をも必要
とする。これは自動検査装置を作る上では大きな制約に
なる。更に、センサのフィードやスライドテーブルの併
用により三次元形状の測定が可能であるが、フィード方
向はレーザビームの走査方向と直交する方向に限られ、
システムの発展性に限界がある。
【０００５】この発明は、正確なアライメントを要せず
ワークの平面形状を測定することができ、また任意に方
向へのフィードによりワークの三次元形状を測定するこ
とができる、三角測量法による光学式形状測定装置を提
供することを目的としている。
ワークの平面形状を測定することができ、また任意に方
向へのフィードによりワークの三次元形状を測定するこ
とができる、三角測量法による光学式形状測定装置を提
供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明に係る光学式形
状測定装置は、光ビームを出力する光源と、この光源か
らの光ビームを二次元的に偏向してワーク表面に円を描
くようにワークを照明する光ビーム偏向装置と、前記ワ
ークの照明像を撮像する撮像装置と有することを特徴と
する。
状測定装置は、光ビームを出力する光源と、この光源か
らの光ビームを二次元的に偏向してワーク表面に円を描
くようにワークを照明する光ビーム偏向装置と、前記ワ
ークの照明像を撮像する撮像装置と有することを特徴と
する。
【０００７】この発明によると、光ビームで円を描くよ
うにワークを照明して得られる照明像を撮像し、その撮
像出力を信号処理することにより、照明像の範囲に含ま
れる溝や段差等の形状を、特にアライメント調整を要せ
ずに測定することが可能になる。更に、センサのフィー
ドやスライドテーブルの併用により、任意の方向にセン
サとワークを相対移動させることにより、ワークの三次
元形状を測定することができる。
うにワークを照明して得られる照明像を撮像し、その撮
像出力を信号処理することにより、照明像の範囲に含ま
れる溝や段差等の形状を、特にアライメント調整を要せ
ずに測定することが可能になる。更に、センサのフィー
ドやスライドテーブルの併用により、任意の方向にセン
サとワークを相対移動させることにより、ワークの三次
元形状を測定することができる。
【０００８】この発明において、光ビーム偏向装置は例
えば、光源からの光ビームを円錐状ビームとなるように
偏向走査する二次元マイクロスキャナにより構成され
る。また、この発明において好ましくは、二次元マイク
ロスキャナにより得られる円錐状ビームを円筒状ビーム
に変換してワークに照射する投光レンズを更に備える。
えば、光源からの光ビームを円錐状ビームとなるように
偏向走査する二次元マイクロスキャナにより構成され
る。また、この発明において好ましくは、二次元マイク
ロスキャナにより得られる円錐状ビームを円筒状ビーム
に変換してワークに照射する投光レンズを更に備える。
【０００９】具体的にこの発明において、ワークは、三
次元空間座標系のｘ−ｙ平面に配置され、光ビーム偏向
装置はｚ軸を中心とする円錐状光ビームを出力するよう
に配置され、撮像装置は、ワークからの反射光のうちｙ
−ｚ平面内にあってｚ軸から傾斜した光軸を持つ反射光
路に直交する二次元撮像面を持つように配置される。こ
れにより、ワークに照射される光ビームを円筒状ビーム
とした場合には、二次元撮像装置により得られるｘ軸
は、ワーク上のｘ軸情報となり、ｙ軸情報は、ワーク上
のｙｄ情報とｚ軸情報の合成情報となる。
次元空間座標系のｘ−ｙ平面に配置され、光ビーム偏向
装置はｚ軸を中心とする円錐状光ビームを出力するよう
に配置され、撮像装置は、ワークからの反射光のうちｙ
−ｚ平面内にあってｚ軸から傾斜した光軸を持つ反射光
路に直交する二次元撮像面を持つように配置される。こ
れにより、ワークに照射される光ビームを円筒状ビーム
とした場合には、二次元撮像装置により得られるｘ軸
は、ワーク上のｘ軸情報となり、ｙ軸情報は、ワーク上
のｙｄ情報とｚ軸情報の合成情報となる。
【００１０】またこの発明において、ワークは、三次元
空間座標系のｘ−ｙ平面に配置され、光ビーム偏向装置
はｚ軸を中心とする円錐状光ビームを出力するように配
置され、撮像装置は、ワークからの反射光のうちｙ−ｚ
平面内にあってｚ軸から傾斜した光軸を持つ反射光路に
直交してワークの照明像のｙ軸情報のみ撮像する一次元
撮像面を持つ一次元撮像装置として配置されるようにす
ることができる。この場合、ワークの照明像のｘ軸情報
は光ビーム偏向装置の同期信号に基づいて出力されるよ
うにすることができる。
空間座標系のｘ−ｙ平面に配置され、光ビーム偏向装置
はｚ軸を中心とする円錐状光ビームを出力するように配
置され、撮像装置は、ワークからの反射光のうちｙ−ｚ
平面内にあってｚ軸から傾斜した光軸を持つ反射光路に
直交してワークの照明像のｙ軸情報のみ撮像する一次元
撮像面を持つ一次元撮像装置として配置されるようにす
ることができる。この場合、ワークの照明像のｘ軸情報
は光ビーム偏向装置の同期信号に基づいて出力されるよ
うにすることができる。
【００１１】この発明において好ましくは、光源、光ビ
ーム偏向装置及び撮像装置を含んで光学式センサが構成
されるものとする。この場合、ワークが三次元空間座標
系のｘ−ｙ平面に配置され、光学式センサが、ｚ軸を中
心とする円錐状又は円筒状ビームを出力してｙ−ｚ平面
内でワークの照明像を撮像するように配置されるように
して、且つワークとの間をｙ軸方向に相対移動させる移
動機構を備えることにより、ワークの三次元形状の測定
が可能になる。
ーム偏向装置及び撮像装置を含んで光学式センサが構成
されるものとする。この場合、ワークが三次元空間座標
系のｘ−ｙ平面に配置され、光学式センサが、ｚ軸を中
心とする円錐状又は円筒状ビームを出力してｙ−ｚ平面
内でワークの照明像を撮像するように配置されるように
して、且つワークとの間をｙ軸方向に相対移動させる移
動機構を備えることにより、ワークの三次元形状の測定
が可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１は、この発明の一実施の形態
による光学式形状測定装置の構成を示している。光学式
センサ１は、レーザダイオード（ＬＤ）１１と、その出
力光ビームＡを二次元的に偏向走査して円錐状ビームＢ
に変換するための光ビーム偏向装置（二次元マイクロス
キャナ）１２と、このマイクロスキャナ１２から得られ
る円錐状ビームＢを円筒状ビームＣに変換して投光する
投光レンズ１３とを有する。
の実施例を説明する。図１は、この発明の一実施の形態
による光学式形状測定装置の構成を示している。光学式
センサ１は、レーザダイオード（ＬＤ）１１と、その出
力光ビームＡを二次元的に偏向走査して円錐状ビームＢ
に変換するための光ビーム偏向装置（二次元マイクロス
キャナ）１２と、このマイクロスキャナ１２から得られ
る円錐状ビームＢを円筒状ビームＣに変換して投光する
投光レンズ１３とを有する。
【００１３】投光レンズ１３から得られる円筒状ビーム
Ｃは、三次元空間座標のｚ軸を中心とするもので、これ
によりｘ−ｙ面に平行な基準平面に配置されたワーク３
の表面に円を描くように、ワーク３を照明することにな
る。ワーク３の表面は拡散面であり、このワーク３のｙ
−ｚ平面内のｚ軸から所定角度傾いた光軸を持つ反射光
路の反射光ビームＤが、集光レンズ１５により二次元撮
像装置１６に集光される。集光レンズ１５はその光軸が
上記反射光路に一致し、撮像装置１６はその撮像面が集
光レンズ１５の光軸に直交するように配置される。撮像
装置１６は二次元撮像面を持つ、例えばＣＣＤによる二
次元イメージセンサである。
Ｃは、三次元空間座標のｚ軸を中心とするもので、これ
によりｘ−ｙ面に平行な基準平面に配置されたワーク３
の表面に円を描くように、ワーク３を照明することにな
る。ワーク３の表面は拡散面であり、このワーク３のｙ
−ｚ平面内のｚ軸から所定角度傾いた光軸を持つ反射光
路の反射光ビームＤが、集光レンズ１５により二次元撮
像装置１６に集光される。集光レンズ１５はその光軸が
上記反射光路に一致し、撮像装置１６はその撮像面が集
光レンズ１５の光軸に直交するように配置される。撮像
装置１６は二次元撮像面を持つ、例えばＣＣＤによる二
次元イメージセンサである。
【００１４】これにより、撮像装置１６は、ワーク３の
円筒状ビームＣにより照明された円の像を斜め方向から
撮像することになる。撮像装置１６の撮像出力は、信号
処理装置２に送られて、エッジ検出等の信号処理により
ワーク３の形状が測定される。なおワーク３の三次元形
状の測定を行う場合には、例えばワーク３とセンサ１と
をｙ軸方向に相対移動させる必要がある。そのため図１
では、ワーク３を載置してこれをｙ軸方向に移動させる
スライドテーブル４が設けられている。
円筒状ビームＣにより照明された円の像を斜め方向から
撮像することになる。撮像装置１６の撮像出力は、信号
処理装置２に送られて、エッジ検出等の信号処理により
ワーク３の形状が測定される。なおワーク３の三次元形
状の測定を行う場合には、例えばワーク３とセンサ１と
をｙ軸方向に相対移動させる必要がある。そのため図１
では、ワーク３を載置してこれをｙ軸方向に移動させる
スライドテーブル４が設けられている。
【００１５】マイクロスキャナ１２は例えば、図２に示
すような光偏向子を用いて構成される。この光偏向子
は、シリコンウェハのマイクロマシニングにより作られ
るもので、中心にミラー１２１が配置され、このミラー
１２１はｘ０軸方向の両端がバネ部１２２ａ，１２２ｂ
を介して第１の枠体１２３に支持されている。更に第１
の枠体１２３はｙ０軸方向の両端がバネ部１２４ａ，１
２４ｂにより第２の枠体１２５に支持されている。ミラ
ー１２１とバネ部１２２ａ，１２２ｂは、枠体１２３に
対してｘ０軸周りに振動できる第１の振動子を構成して
いる。また第１の枠体１２３とバネ部１２４ａ，１２４
ｂは、第２の枠体１２５に対してｙ０軸周りに振動でき
る第２の振動子を構成している。
すような光偏向子を用いて構成される。この光偏向子
は、シリコンウェハのマイクロマシニングにより作られ
るもので、中心にミラー１２１が配置され、このミラー
１２１はｘ０軸方向の両端がバネ部１２２ａ，１２２ｂ
を介して第１の枠体１２３に支持されている。更に第１
の枠体１２３はｙ０軸方向の両端がバネ部１２４ａ，１
２４ｂにより第２の枠体１２５に支持されている。ミラ
ー１２１とバネ部１２２ａ，１２２ｂは、枠体１２３に
対してｘ０軸周りに振動できる第１の振動子を構成して
いる。また第１の枠体１２３とバネ部１２４ａ，１２４
ｂは、第２の枠体１２５に対してｙ０軸周りに振動でき
る第２の振動子を構成している。
【００１６】この様な構成として、第１の枠体１２５に
対して、ｘ０軸周り及びｙ０軸周りに第１の振動子及び
第２の振動子の共振周波数の振動を与える。これによ
り、ミラー１２１は、入射光ビームを二次元的に偏向し
て、円錐状ビームＢを得ることができる。
対して、ｘ０軸周り及びｙ０軸周りに第１の振動子及び
第２の振動子の共振周波数の振動を与える。これによ
り、ミラー１２１は、入射光ビームを二次元的に偏向し
て、円錐状ビームＢを得ることができる。
【００１７】この実施の形態での形状測定の原理を、図
３を参照して説明する。図３は、ｙ−ｚ平面内での円筒
状ビームＣとその基準平面による反射ビームＤの関係及
び、ワークの照明像（円）と、これを撮像して得られる
画像（楕円）の関係を示している。図示のように、照明
像を撮像する方向は、ｚ軸からθだけ傾斜した方向であ
る。基準平面の照明像は、円筒状ビームＣの半径をｒと
して、ｘ2＋ｙ2＝ｒ2なる円となる。そのワークの照明
像を撮像装置１６により撮像したときに得られる画像
は、撮像方向の傾斜角θによって、基準平面上のｙ軸情
報が撮像面上でｙｓｉｎθとなる結果、ｘ2＋（ｙｓｉ
ｎθ）2＝ｒ2で表される楕円となる。この様子は図３に
示したとおりである。
３を参照して説明する。図３は、ｙ−ｚ平面内での円筒
状ビームＣとその基準平面による反射ビームＤの関係及
び、ワークの照明像（円）と、これを撮像して得られる
画像（楕円）の関係を示している。図示のように、照明
像を撮像する方向は、ｚ軸からθだけ傾斜した方向であ
る。基準平面の照明像は、円筒状ビームＣの半径をｒと
して、ｘ2＋ｙ2＝ｒ2なる円となる。そのワークの照明
像を撮像装置１６により撮像したときに得られる画像
は、撮像方向の傾斜角θによって、基準平面上のｙ軸情
報が撮像面上でｙｓｉｎθとなる結果、ｘ2＋（ｙｓｉ
ｎθ）2＝ｒ2で表される楕円となる。この様子は図３に
示したとおりである。
【００１８】これに対して、ワークの円筒状ビームＣに
より照射されるワーク表面位置のｚ軸情報（即ち高さ）
が図３に示すようにｚであるとする。このｚ軸情報は、
撮像される楕円像においては、ｙ軸情報のなかに、Δｙ
＝ｚｃｏｓθとして含まれる。即ち、図４に示すように
基準平面を撮像して得られる破線で示す画像に対して、
平坦なワークの高さがｚの場合、これを円筒状ビームで
照明して撮像したときに得られる画像は、実線で示した
ようにｙ軸方向に均等にΔｙだけシフトしたものとな
る。従って、撮像情報を処理することにより、基準平面
について得られる画像に対するｙ軸方向シフト量から、
ワークの高さ情報を求めることができる。ｃｏｓθが略
１と見なすことができる傾斜角θの範囲では、Δｙ＝ｚ
である。
より照射されるワーク表面位置のｚ軸情報（即ち高さ）
が図３に示すようにｚであるとする。このｚ軸情報は、
撮像される楕円像においては、ｙ軸情報のなかに、Δｙ
＝ｚｃｏｓθとして含まれる。即ち、図４に示すように
基準平面を撮像して得られる破線で示す画像に対して、
平坦なワークの高さがｚの場合、これを円筒状ビームで
照明して撮像したときに得られる画像は、実線で示した
ようにｙ軸方向に均等にΔｙだけシフトしたものとな
る。従って、撮像情報を処理することにより、基準平面
について得られる画像に対するｙ軸方向シフト量から、
ワークの高さ情報を求めることができる。ｃｏｓθが略
１と見なすことができる傾斜角θの範囲では、Δｙ＝ｚ
である。
【００１９】この実施の形態の装置によれば、照射され
る円筒状ビームを横切るようにワークに溝がある場合
に、溝の向きの如何に拘わらず、溝幅の測定ができる。
即ち円筒状ビームを横切るようにワークに溝があると、
撮像装置１６による画像は、図５（ａ）のようになる。
この撮像画像の変化点検出により、図５（ｂ）に示す４
点ａ（ｘ１，ｙ１），ｂ（ｘ２，ｙ２），ｃ（ｘ３，ｙ
３），ｄ（ｘ４，ｙ４）の座標を求めると、その４点座
標値を用いて溝幅及び溝の方向を簡単に算出することが
できる。但し、直線ａｄとｂｃが平行であること（これ
は溝が円筒状ビームの範囲で一定幅であることを予測さ
せる）且つ、各ｙ座標値が基準平面像のそれから同じシ
フト量である（これは４点ａ，ｂ，ｃ，ｄが同じ高さに
あることを意味する）が条件となる。
る円筒状ビームを横切るようにワークに溝がある場合
に、溝の向きの如何に拘わらず、溝幅の測定ができる。
即ち円筒状ビームを横切るようにワークに溝があると、
撮像装置１６による画像は、図５（ａ）のようになる。
この撮像画像の変化点検出により、図５（ｂ）に示す４
点ａ（ｘ１，ｙ１），ｂ（ｘ２，ｙ２），ｃ（ｘ３，ｙ
３），ｄ（ｘ４，ｙ４）の座標を求めると、その４点座
標値を用いて溝幅及び溝の方向を簡単に算出することが
できる。但し、直線ａｄとｂｃが平行であること（これ
は溝が円筒状ビームの範囲で一定幅であることを予測さ
せる）且つ、各ｙ座標値が基準平面像のそれから同じシ
フト量である（これは４点ａ，ｂ，ｃ，ｄが同じ高さに
あることを意味する）が条件となる。
【００２０】即ち、この実施の形態によれば、一次元走
査を行う従来方式のように、幅を測定しようとする溝と
ビーム走査方向のアライメントを必要とせず、撮像信号
処理によって溝の幅と方向を求めることが可能である。
またワークの段差測定についても同様に、一次元走査を
行う従来方式と異なり、段差の方向とビーム装置方向の
アライメントを行うことなく、測定が可能である。図６
は、例えばワーク３がｘ軸に平行な段差を有する場合に
ついて、撮像装置１６に得られる画像を示している。こ
の例の場合、撮像画像は、図のようにワーク３の段差部
に対応して、ｙ軸座標値にずれが生じるから、段差の方
向や高さを容易に算出することができる。段差の高さ
は、先の説明による高さ測定と同じ原理である。
査を行う従来方式のように、幅を測定しようとする溝と
ビーム走査方向のアライメントを必要とせず、撮像信号
処理によって溝の幅と方向を求めることが可能である。
またワークの段差測定についても同様に、一次元走査を
行う従来方式と異なり、段差の方向とビーム装置方向の
アライメントを行うことなく、測定が可能である。図６
は、例えばワーク３がｘ軸に平行な段差を有する場合に
ついて、撮像装置１６に得られる画像を示している。こ
の例の場合、撮像画像は、図のようにワーク３の段差部
に対応して、ｙ軸座標値にずれが生じるから、段差の方
向や高さを容易に算出することができる。段差の高さ
は、先の説明による高さ測定と同じ原理である。
【００２１】またこの実施の形態によれば、ワーク表面
の３点或いは４点の測定座標値を用いることにより、ワ
ーク表面の傾斜角や法線ベクトルを算出することもでき
る。更にこの実施の形態によれば、上述のように撮像出
力の処理によりワークの一点の三次元位置（ｘｉ，ｙ
ｉ，ｚｉ）を求めることができるから、これを応用し
て、ワークのフィードやスライドテーブルの併用によ
り、任意の方向にセンサ１とワークを相対移動させるこ
とにより、ワークの三次元形状測定が可能である。例え
ば図７に示すようにこの実施の形態のセンサ１を用いた
自動車の各部形状の測定が可能になる。
の３点或いは４点の測定座標値を用いることにより、ワ
ーク表面の傾斜角や法線ベクトルを算出することもでき
る。更にこの実施の形態によれば、上述のように撮像出
力の処理によりワークの一点の三次元位置（ｘｉ，ｙ
ｉ，ｚｉ）を求めることができるから、これを応用し
て、ワークのフィードやスライドテーブルの併用によ
り、任意の方向にセンサ１とワークを相対移動させるこ
とにより、ワークの三次元形状測定が可能である。例え
ば図７に示すようにこの実施の形態のセンサ１を用いた
自動車の各部形状の測定が可能になる。
【００２２】図７のは、自動車のドアの隙間測定に応
用した例である。図５に示した４点の重心が例えば、ｘ
＝０，ｙ＝０，ｚ＝０になるようにフィードバックしな
がらセンサ１をフィードすれば、曲がった溝でも倣い測
定ができる。但し、センサ１のフィードは溝方向に行
い、位置制御は、フィード方向と直交する方向に行うこ
とになる。また図７のに示すように、センサ１をフィ
ードして、法線ベクトル検出により外形形状測定を行う
ことができる。
用した例である。図５に示した４点の重心が例えば、ｘ
＝０，ｙ＝０，ｚ＝０になるようにフィードバックしな
がらセンサ１をフィードすれば、曲がった溝でも倣い測
定ができる。但し、センサ１のフィードは溝方向に行
い、位置制御は、フィード方向と直交する方向に行うこ
とになる。また図７のに示すように、センサ１をフィ
ードして、法線ベクトル検出により外形形状測定を行う
ことができる。
【００２３】従来の一元走査による方式では、物体の三
次元形状を測定しようとすると、ワークをスライドテー
ブル等により走査方向（ｘ軸方向）と直交するｙ軸方向
に移動して、二次元情報を得ることになる。この場合、
ｙ軸方向の形状測定精度は、スライドテーブルの精度
（位置決め精度及び移動方向とテーブル面の平行度）に
依存し、スライドテーブルの誤差と形状の誤差の判別が
できない。
次元形状を測定しようとすると、ワークをスライドテー
ブル等により走査方向（ｘ軸方向）と直交するｙ軸方向
に移動して、二次元情報を得ることになる。この場合、
ｙ軸方向の形状測定精度は、スライドテーブルの精度
（位置決め精度及び移動方向とテーブル面の平行度）に
依存し、スライドテーブルの誤差と形状の誤差の判別が
できない。
【００２４】これに対してこの実施の形態のセンサを用
いた三次元形状測定を行う場合、スライドテーブルの精
度補正が容易である。即ちこの実施の形態において、図
１に示すようにスライドテーブル４によりワーク３とセ
ンサ１を相対的にｙ軸方向に移動させたとき、撮像され
る測定点軌跡は、図８に示すように、ｙ軸に沿って順次
シフトする。スライドテーブル４の大きく離れていない
二つのｙ軸位置の測定には、図８に示す２点（ｘ１，ｙ
１），（ｘ２，ｙ２）についてそれぞれ２回の測定が含
まれることになる。これらの２点の２回ずつの測定デー
タを比較することにより、スライドテーブル４の精度を
補正することができる。例えば、ワーク面が平坦であっ
て、図８の２点のｙ座標値ｙ１とｙ２が異なっている場
合には、スライド方向がｙ軸から傾いていることを示
す。これを用いればスライドテーブル４の精度補正が容
易にできる。従ってこの実施の形態の場合には、ロボッ
トハンド等の位置精度が期待できない移動機構を利用す
ることが可能になる。これは、ｘｙ平面の任意の方向に
ついて言うことができ。移動方向の自由度の高い形状測
定が可能になる。
いた三次元形状測定を行う場合、スライドテーブルの精
度補正が容易である。即ちこの実施の形態において、図
１に示すようにスライドテーブル４によりワーク３とセ
ンサ１を相対的にｙ軸方向に移動させたとき、撮像され
る測定点軌跡は、図８に示すように、ｙ軸に沿って順次
シフトする。スライドテーブル４の大きく離れていない
二つのｙ軸位置の測定には、図８に示す２点（ｘ１，ｙ
１），（ｘ２，ｙ２）についてそれぞれ２回の測定が含
まれることになる。これらの２点の２回ずつの測定デー
タを比較することにより、スライドテーブル４の精度を
補正することができる。例えば、ワーク面が平坦であっ
て、図８の２点のｙ座標値ｙ１とｙ２が異なっている場
合には、スライド方向がｙ軸から傾いていることを示
す。これを用いればスライドテーブル４の精度補正が容
易にできる。従ってこの実施の形態の場合には、ロボッ
トハンド等の位置精度が期待できない移動機構を利用す
ることが可能になる。これは、ｘｙ平面の任意の方向に
ついて言うことができ。移動方向の自由度の高い形状測
定が可能になる。
【００２５】この発明は上記実施の形態に限られない。
例えば光源としては、ＬＤの他、ＬＥＤや他のランプで
あってもある程度狭いビーム幅が得られるものであれば
用いることができる。二次元マイクロスキャナについて
は、例えば図９に示すように、ＬＤ１１からの出力光ビ
ームＡに対して斜めに配置されたミラー８２をモータ８
１により回転駆動して円錐状光ビームＢに変換するもの
であってもよい。また、音叉、圧電素子、ポリゴンミラ
ー等の一次元スキャナを２個組み合わせて二次元走査を
行うものでもよい。この場合には、１軸又は２軸の駆動
を停止することにより、一次元走査とすることもできる
し、従来一般の１点スポットによるレーザ変位計として
利用することもできる。
例えば光源としては、ＬＤの他、ＬＥＤや他のランプで
あってもある程度狭いビーム幅が得られるものであれば
用いることができる。二次元マイクロスキャナについて
は、例えば図９に示すように、ＬＤ１１からの出力光ビ
ームＡに対して斜めに配置されたミラー８２をモータ８
１により回転駆動して円錐状光ビームＢに変換するもの
であってもよい。また、音叉、圧電素子、ポリゴンミラ
ー等の一次元スキャナを２個組み合わせて二次元走査を
行うものでもよい。この場合には、１軸又は２軸の駆動
を停止することにより、一次元走査とすることもできる
し、従来一般の１点スポットによるレーザ変位計として
利用することもできる。
【００２６】また、投光レンズは省略することができ
る。この場合、ワークを照射するのは円錐状光ビームに
なり、照明される円の径がｚ軸位置により異なる。この
ため、撮像信号処理計算が複雑になるが、原理的に測定
可能である。更に、投光レンズをズーム式或いは交換式
とすれば、応用範囲を拡げることができる。
る。この場合、ワークを照射するのは円錐状光ビームに
なり、照明される円の径がｚ軸位置により異なる。この
ため、撮像信号処理計算が複雑になるが、原理的に測定
可能である。更に、投光レンズをズーム式或いは交換式
とすれば、応用範囲を拡げることができる。
【００２７】更に、図３の説明から明らかなように、ｙ
ｚ平面内での三角測量法による測定を行う場合、ワーク
上の照明像のｘ座標値はそのまま撮像画像上のｘ座標値
になる。従って、図１０に示すようにマイクロスキャナ
１２の駆動装置９１による走査と同期して駆動装置９１
からｘ座標値を出力することができる。この場合には、
撮像装置１６は、二次元撮像素子である必要はなく、ｙ
座標値のみを出力する一次元撮像素子（ＰＳＤやＣＣＤ
ラインセンサ）を用いることができる。
ｚ平面内での三角測量法による測定を行う場合、ワーク
上の照明像のｘ座標値はそのまま撮像画像上のｘ座標値
になる。従って、図１０に示すようにマイクロスキャナ
１２の駆動装置９１による走査と同期して駆動装置９１
からｘ座標値を出力することができる。この場合には、
撮像装置１６は、二次元撮像素子である必要はなく、ｙ
座標値のみを出力する一次元撮像素子（ＰＳＤやＣＣＤ
ラインセンサ）を用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、光
ビームで円弧を描くようにワークを照明して得られる二
次元照明像を撮像し、その撮像出力を信号処理すること
により、二次元照明像の範囲に含まれる溝や段差等の形
状を、特にアライメント調整を要せずに測定することが
可能になる。更に、センサのフィードやスライドテーブ
ルの併用により、任意の方向にセンサとワークを相対移
動させることにより、ワークの三次元形状を測定するこ
とができる。
ビームで円弧を描くようにワークを照明して得られる二
次元照明像を撮像し、その撮像出力を信号処理すること
により、二次元照明像の範囲に含まれる溝や段差等の形
状を、特にアライメント調整を要せずに測定することが
可能になる。更に、センサのフィードやスライドテーブ
ルの併用により、任意の方向にセンサとワークを相対移
動させることにより、ワークの三次元形状を測定するこ
とができる。
【図１】 この発明の実施の形態による光学式形状測定
装置の構成を示す図である。
装置の構成を示す図である。
【図２】 同実施の形態に用いられる二次元マイクロス
キャナの偏向子構成を示す図である。
キャナの偏向子構成を示す図である。
【図３】 同実施の形態の装置の測定原理を説明するた
めの図である。
めの図である。
【図４】 同実施の形態の装置による高さ策定の原理を
説明するための図である。
説明するための図である。
【図５】 同実施の形態の装置による溝幅測定の原理を
説明するための図である。
説明するための図である。
【図６】 同実施の形態の装置による三次元外形測定の
応用例を説明するための図である。
応用例を説明するための図である。
【図７】 同実施例の装置による段差測定の原理を説明
するための図である。
するための図である。
【図８】 同実施の形態の装置による三次元形状測定時
のスライドテーブル位置精度補正の原理を説明するため
の図である。
のスライドテーブル位置精度補正の原理を説明するため
の図である。
【図９】 他の実施の形態による二次元スキャナの構成
を示す図である。
を示す図である。
【図１０】 他の実施の形態による形状測定装置の要部
構成を示す図である。
構成を示す図である。
１…センサ、１１…ＬＤ、１２…マイクロスキャナ、１
３…投光レンズ、１５…集光レンズ、１６…撮像装置、
２…信号処理装置、３…ワーク。
３…投光レンズ、１５…集光レンズ、１６…撮像装置、
２…信号処理装置、３…ワーク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 古嶋 宏光 神奈川県川崎市高津区坂戸１丁目20番１号 株式会社ミツトヨ内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA12 AA54 BB05 FF09 FF42 GG06 HH00 HH03 HH13 JJ03 JJ08 JJ26 LL13 LL62 MM03 MM16 PP12 QQ21 QQ32
Claims (7)
- 【請求項１】 光ビームを出力する光源と、 この光源からの光ビームを二次元的に偏向してワーク表
面に円を描くようにワークを照明する光ビーム偏向装置
と、 前記ワークの照明像を撮像する撮像装置とを有すること
を特徴とする光学式形状測定装置。 - 【請求項２】 前記光ビーム偏向装置は、前記光源から
の光ビームを円錐状ビームとなるように偏向走査する二
次元マイクロスキャナを有することを特徴とする請求項
１記載の光学式形状測定装置。 - 【請求項３】 前記二次元マイクロスキャナにより得ら
れる円錐状ビームを円筒状ビームに変換して前記ワーク
に照射する投光レンズを備えたことを特徴とする請求項
２記載の光学式形状測定装置。 - 【請求項４】 前記ワークは、三次元空間座標系のｘ−
ｙ平面に配置され、前記光ビーム偏向装置はｚ軸を中心
とする円錐状光ビームを出力するように配置され、前記
撮像装置は、前記ワークからの反射光のうちｙ−ｚ平面
内にあってｚ軸から傾斜した反射光路に直交する二次元
撮像面を持つように配置されていることを特徴とする請
求項１記載の光学式形状測定装置。 - 【請求項５】 前記ワークは、三次元空間座標系のｘ−
ｙ平面に配置され、前記光ビーム偏向装置はｚ軸を中心
とする円錐状光ビームを出力するように配置され、前記
撮像装置は、前記ワークからの反射光のうちｙ−ｚ平面
内にあってｚ軸から傾斜した光軸を持つ反射光路に直交
して前記ワークの照明像のｙ軸情報のみ撮像する一次元
撮像面を持つように配置され、且つ前記ワークの照明像
のｘ軸情報は前記光ビーム偏向装置の同期信号に基づい
て出力されるようにしたことを特徴とする請求項１記載
の光学式形状測定装置。 - 【請求項６】 前記光源、光ビーム偏向装置及び撮像装
置を含んで光学式センサが構成されていることを特徴と
する請求項１記載の光学式形状測定装置。 - 【請求項７】 前記ワークは、三次元空間座標系のｘ−
ｙ平面に配置され、前記光学式センサは、ｚ軸を中心と
する円錐状又は円筒状ビームを出力してｙ−ｚ平面内で
ｚ軸から傾斜した光軸上でワークの照明像を撮像するよ
うに配置され、且つ前記ワークとの間をｙ軸方向に相対
移動させる移動機構を備えたことを特徴とする請求項６
記載の光学式形状測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000138819A JP2001317922A (ja) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | 光学式形状測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000138819A JP2001317922A (ja) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | 光学式形状測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001317922A true JP2001317922A (ja) | 2001-11-16 |
Family
ID=18646379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000138819A Pending JP2001317922A (ja) | 2000-05-11 | 2000-05-11 | 光学式形状測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001317922A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005000998A (ja) * | 2003-06-12 | 2005-01-06 | Kvaerner Masa Yards Oy | 三次元構造物の溶接を制御する方法 |
| JP2011059071A (ja) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Univ Of Electro-Communications | 移動環境認識装置及び方法 |
| JP2012242368A (ja) * | 2011-05-24 | 2012-12-10 | Nsk Ltd | 移動環境認識装置及び方法 |
| CN109115113A (zh) * | 2018-07-09 | 2019-01-01 | 湖北工业大学 | 基于线性激光三角法的圆棒料中心点位置测量方法及装置 |
-
2000
- 2000-05-11 JP JP2000138819A patent/JP2001317922A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005000998A (ja) * | 2003-06-12 | 2005-01-06 | Kvaerner Masa Yards Oy | 三次元構造物の溶接を制御する方法 |
| JP2011059071A (ja) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Univ Of Electro-Communications | 移動環境認識装置及び方法 |
| JP2012242368A (ja) * | 2011-05-24 | 2012-12-10 | Nsk Ltd | 移動環境認識装置及び方法 |
| CN109115113A (zh) * | 2018-07-09 | 2019-01-01 | 湖北工业大学 | 基于线性激光三角法的圆棒料中心点位置测量方法及装置 |
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