JP2009053162A - Non-contact device for measuring three-dimensional shape - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ワーク等の測定対象物の3次元形状を非接触で測定する非接触3次元形状測定装置に関するものである。 The present invention relates to a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a measurement object such as a workpiece in a non-contact manner.
従来、この種の技術としては特許文献1に記載のものがあった。
これは、測定対象位置の高さ方向の1次元座標(Z座標)をオートフォーカスの合焦位置により検出し、測定対象位置の平面方向の2次元座標(座標)をスペックル画像相関により検出することにより、測定対象の3次元形状を非接触で測定するというものである。
Conventionally, this type of technology has been described in Patent Document 1.
In this method, the one-dimensional coordinate (Z coordinate) in the height direction of the measurement target position is detected from the in-focus position, and the two-dimensional coordinate (coordinate) in the plane direction of the measurement target position is detected by speckle image correlation. Thus, the three-dimensional shape of the measurement object is measured in a non-contact manner.
しかしながら上記従来技術では、その構造が複雑で高価となった。このため従来、構成簡単で安価な非接触3次元形状測定装置が要望されていた。 However, the above prior art has a complicated and expensive structure. For this reason, there has been a demand for a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus that has a simple configuration and is inexpensive.
本発明は、上記のような要望に鑑みなされたもので、構成簡単、かつ安価な非接触3次元形状測定装置を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above-described demand, and an object thereof is to provide a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus that is simple in configuration and inexpensive.
上記課題は、非接触3次元形状測定装置を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、1つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
The said subject is solved by making a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus the structure of each following aspect.
As with the claims, each aspect is divided into sections, each section is numbered, and is described in a form that cites the numbers of other sections as necessary. This is merely for the purpose of facilitating the understanding of the present invention, and the technical features described in this specification and combinations thereof should not be construed as being limited to those described in the following sections. . In addition, when a plurality of items are described in one section, it is not always necessary to employ the plurality of items together, and it is also possible to take out only a part of the items and employ them.
以下の各項のうち、(1)項が請求項1に、(2)項が請求項2に、各々対応する。
(1)測定対象がX−Y平面上に載置されるテーブルと、このテーブルのX−Y平面に垂直なZ軸方向から光を照射可能に配置されてそのX−Y平面上の前記測定対象からの反射光を受光しその測定対象における光反射面の角度を検出するオートコリメータと、このオートコリメータからの照射光を前記テーブルのX−Y平面上に走査させる移動手段と、この移動手段の位置信号及び前記オートコリメータからの光反射面角度信号が入力されて前記テーブル上の測定対象の形状を計算する演算手段とを具備することを特徴とする非接触3次元形状測定装置。
(2)オートコリメータからの照射光はレーザ光であることを特徴とする(1)項に記載の非接触3次元形状測定装置。
Of the following items, (1) corresponds to claim 1 and (2) corresponds to
(1) A table on which an object to be measured is placed on the XY plane, and the measurement on the XY plane arranged so as to be able to irradiate light from a Z-axis direction perpendicular to the XY plane of the table. An autocollimator that receives the reflected light from the object and detects the angle of the light reflecting surface in the measurement object, a moving unit that scans the irradiation light from the autocollimator on the XY plane of the table, and the moving unit A non-contact three-dimensional shape measuring apparatus comprising: a calculation means for calculating a shape of a measurement object on the table by inputting a position signal of the light and a light reflection surface angle signal from the autocollimator.
(2) The non-contact three-dimensional shape measuring apparatus according to item (1), wherein the irradiation light from the autocollimator is laser light.
本発明によれば、構成簡単、かつ安価な非接触3次元形状測定装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus that is simple in configuration and inexpensive.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
図1は、本発明による非接触3次元形状測定装置の一実施形態を示す構成図である。
この図に示すように、本実施形態は、テーブル1、オートコリメータ2、移動装置3、位置検出器4a,4b及び演算装置5を備えてなる。
上記テーブル1は、X軸方向(左右方向)及びY軸方向(前後方向)に移動可能なテーブルで、その上面、すなわち2次元平面をなすX−Y平面上の所望の位置に測定対象6が載置されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shows the same or an equivalent part between each figure.
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of a non-contact three-dimensional shape measuring apparatus according to the present invention.
As shown in this figure, the present embodiment includes a table 1, an
The table 1 is a table that can move in the X-axis direction (left-right direction) and the Y-axis direction (front-rear direction), and the measurement object 6 is on a desired position on the upper surface thereof, that is, the XY plane forming a two-dimensional plane. It is placed.
オートコリメータ2は、テーブル1のX−Y平面に垂直なZ軸方向から光2aを照射可能に、テーブル上方所定高さ(Z軸上の所定位置)に配置されている。このオートコリメータ2は、照射した光(照射光)2aの、テーブルX−Y平面上に載置された測定対象6からの反射光を受光し、測定対象6における光反射面の角度(光反射面角度)を検出する非接触角度センサである。
本実施形態において、オートコリメータ2は、レーザ光源、CCDカメラ及び角度演算回路を備えてなり、照射光2aとしてレーザ光源からのレーザ光を用い、CCDカメラで測定対象6からの反射光を受光し、角度演算回路で測定対象6における光反射面角度を演算(検出)するように構成されている。
オートコリメータ2のZ軸上の位置(テーブルX−Y平面からの高さ)の調整を可能とするには、オートコリメータ2及び/又はテーブル1をZ軸に沿って移動可能とすればよい。
The
In the present embodiment, the
In order to enable adjustment of the position on the Z-axis of the autocollimator 2 (height from the table XY plane), the
移動装置3は、オートコリメータ2からのレーザ光2aをテーブル1のX−Y平面上、つまり測定対象6上に走査させるテーブル1又はオートコリメータ2の移動手段、図示例ではテーブル1を移動させるリニアモータ装置である。
位置検出器4a,4bは、移動装置3の位置(図示例ではテーブル位置)、すなわち測定対象6におけるレーザ光2aの走査位置を検出するセンサ、図示例ではリニアエンコーダである。位置検出器4aはX軸用、位置検出器4bはY軸用である。
The moving device 3 is a moving means of the table 1 or the
The
演算装置5は、移動装置3の位置信号及びオートコリメータ2からの光反射面角度信号が入力されて、テーブル1上の測定対象6の形状(測定対象上面の段差長と段差角度)を計算する演算手段である。演算装置5は、段差がないときは移動装置3の移動長(距離)を計算する。
本実施形態において、演算装置5は、オートコリメータ2からのレーザ光2aの走査時おける位置検出器4a,4bからの信号が移動装置3の位置信号(レーザ光2aの走査位置信号)として入力されてテーブル1上の測定対象6の形状計算をする。
この演算装置5は、図示例ではパーソナルコンピュータからなり、内部に格納されたプログラムの実行によって上記形状計算を行い、その結果をディスプレイ5aに表示可能である。
The arithmetic device 5 receives the position signal of the moving device 3 and the light reflecting surface angle signal from the
In the present embodiment, the arithmetic device 5 receives signals from the
The arithmetic unit 5 is composed of a personal computer in the illustrated example, and can perform the shape calculation by executing a program stored therein and display the result on the
次に、本実施形態の動作について図2を併用して説明する。
図1に示す例では、オートコリメータ2からのレーザ光2aの走査時におけるY座標及びオートコリメータ2のZ軸上の位置(テーブルX−Y平面からのレーザ光出射位置の高さ)は一定である。
演算装置5は、オートコリメータ2によって検出された光反射面角度θの変化位置(X座標)を取得することで測定対象6上面の段差長を計算する。
すなわち、図1に示す例において、測定対象6上面にレーザ光2aを矢印ア方向に走査、具体的にはテーブル1をX軸方向(図1中、右方向)に移動させることにより、測定対象6における光反射面角度θの変化位置であるX座標x1、x2、x3を取得する(図2(a)参照)。そして、下式(1),(2)により測定対象6上面の段差長L1及びL2を計算する(図2(b)参照)。
L1=(x1−x2) …(1)
L2=(x2−x3) …(2)
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIG.
In the example shown in FIG. 1, the Y coordinate and the position of the
The arithmetic device 5 calculates the step length of the upper surface of the measuring object 6 by acquiring the change position (X coordinate) of the light reflection surface angle θ detected by the
That is, in the example shown in FIG. 1, the laser beam 2a is scanned in the direction of the arrow A on the upper surface of the measuring object 6, specifically, the table 1 is moved in the X-axis direction (right direction in FIG. 1). X coordinates x1, x2, and x3, which are the change positions of the light reflection surface angle θ in FIG. 6, are acquired (see FIG. 2A). Then, the step lengths L1 and L2 on the upper surface of the measuring object 6 are calculated by the following equations (1) and (2) (see FIG. 2B).
L1 = (x1-x2) (1)
L2 = (x2-x3) (2)
テーブル1のX軸方向の位置(レーザ光2aの走査位置)はX軸用の位置検出器4aによって検出され、また、測定対象6における光反射面角度θ(θ1、θ2)はオートコリメータ2によって検出され、位置信号、光反射面角度信号として各々演算装置5に入力される。そして、演算装置5によって測定対象6のレーザ光2aの走査面(測定対象6上面)の角度変化位置(X座標)x1、x2、x3が計算され、測定対象上面の段差長と段差角度、つまり測定対象6の形状が計算される。本実施形態では、測定対象6の図示正面形状(X−Z面への投影形状)61が計算される。
演算装置5を、測定対象6の形状61から高さH1、H2を計算可能としてもよい。
The position of the table 1 in the X-axis direction (scanning position of the laser beam 2a) is detected by the
The computing device 5 may be able to calculate the heights H1 and H2 from the
次に、図1に示した実施形態における3次元形状測定手順について、図3のフローチャートを参照して説明する。
まずステップ301において、オートコリメータ2は、図1に示すようにテーブル1上に載置された測定対象6にレーザ光2aを照射する。
そしてこのオートコリメータ2は、測定対象6からの反射光をCCDカメラで受光し、角度演算回路で測定対象6における光反射面角度θを演算する(ステップ302、303)。なお、測定開始位置はステップ301におけるレーザ光照射位置とされている。
Next, a three-dimensional shape measurement procedure in the embodiment shown in FIG. 1 will be described with reference to the flowchart of FIG.
First, in
The
ステップ304では、ステップ303で光反射面角度θを演算した際の位置が測定最終位置か、すなわちテーブル1の移動距離X1が予め指定した移動距離XLに到達したか、が判定される。これは、演算装置5に内蔵された、又はこれとは別個に設けられた制御装置がX軸用位置検出器4aからの信号を受けて行う。
上記制御装置は、テーブル移動距離X1が指定移動距離XLに到達していれば測定を終了(オートコリメータ2、移動装置3及び演算装置5の動作を終了)させ、到達していなければテーブル1をX軸方向(図1中、右方向)に予め決められた距離Δxだけ移動させる(ステップ305)。
ステップ301〜303は、ステップ304においてYesと判定されるまで繰り返し実行され、Yesと判定されるとその実行を終了する。
In
If the table movement distance X1 has reached the designated movement distance XL, the control device terminates the measurement (the operation of the
なお、ステップ301におけるレーザ光照射は、同ステップ301の実行時にのみ行うようにしてもよいが、ここでは連続して行っている。レーザ光照射を連続して行う場合は、テーブル1のΔx移動毎に(Δx移動に同期して)ステップ302における反射光のサンプリングを行い、ステップ304において角度演算する。いずれにしても、ステップ304においては測定対象6上面のX軸に沿うΔx移動点毎の光反射面角度θが演算される。
The laser beam irradiation in
演算装置5は、この間、X軸用位置検出器4aから移動装置3の位置信号が入力されると共に、オートコリメータ2から光反射面角度信号が入力され、テーブル1上の測定対象6の形状(測定対象上面の段差長と段差角度)を計算する。
During this time, the arithmetic device 5 receives the position signal of the moving device 3 from the
すなわち本実施形態では、測定対象6に対して、オートコリメータ2及び移動装置3によるレーザ光2aの走査(照射)を、X軸方向に位置を徐々にずらしながら測定対象6のX軸方向全長(≦XL)に亘って行い、演算装置5が測定対象6の形状61(図2(c)参照)を計算する。
そして、測定対象6に対する上述したX軸方向のレーザ光走査を、Y軸方向に位置を微小距離移動させながら測定対象6のY軸方向全長に亘って行い、各々段差長計算(段差がないときはX軸方向の移動距離計算)を行って測定対象6の3次元形状を計算(測定)している。
要は、測定開始位置からのテーブル移動距離と光反射面角度によって測定対象6の3次元形状が測定できるもので、その構成は図1に示すように、上記従来技術に比べて極めて簡単である。
しかも、使用するレーザ光2aのビーム径の大小によって測定精度を変えることができる。つまり、極めて簡単に測定精度を変えることができるという効果も得られる。
That is, in the present embodiment, the scanning object (irradiation) of the laser beam 2a by the
Then, the above-described laser beam scanning in the X-axis direction with respect to the measurement target 6 is performed over the entire length of the measurement target 6 in the Y-axis direction while moving the position in the Y-axis direction, and each step length calculation (when there is no step) Is calculating (measuring) the three-dimensional shape of the object 6 to be measured.
The point is that the three-dimensional shape of the measurement object 6 can be measured by the table moving distance from the measurement start position and the light reflection surface angle, and the configuration is extremely simple as compared with the above-described prior art as shown in FIG. .
In addition, the measurement accuracy can be changed depending on the beam diameter of the laser beam 2a to be used. That is, there is an effect that the measurement accuracy can be changed very easily.
なお、測定対象6に対して、Y軸方向のレーザ光走査を、X軸方向に位置を微小距離移動させながら測定対象6のX軸方向全長に亘って行い、各々段差長計算(段差がないときはY軸方向の移動距離計算)を行って測定対象6の3次元形状を計算してもよい。 The laser beam scanning in the Y-axis direction is performed on the measurement object 6 over the entire length in the X-axis direction of the measurement object 6 while moving the position in the X-axis direction by a minute distance, and each step length calculation (no step) In some cases, the three-dimensional shape of the measuring object 6 may be calculated by calculating a movement distance in the Y-axis direction).
1:テーブル、2:オートコリメータ、2a:レーザ光(照射光)、3:移動装置(移動手段)、4a:X軸用位置検出器、4b:Y軸用位置検出器、5:演算装置(演算手段)、6:測定対象。
1: table, 2: autocollimator, 2a: laser beam (irradiation light), 3: moving device (moving means), 4a: position detector for X axis, 4b: position detector for Y axis, 5: arithmetic unit ( Calculation means), 6: measurement object.
Claims (2)
このテーブルのX−Y平面に垂直なZ軸方向から光を照射可能に配置されてそのX−Y平面上の前記測定対象物からの反射光を受光しその測定対象物における光反射面の角度を検出するオートコリメータと、
このオートコリメータからの照射光を前記テーブルのX−Y平面上に走査させる移動手段と、
この移動手段の位置信号及び前記オートコリメータからの光反射面角度信号が入力されて前記テーブル上の測定対象物の形状を計算する演算手段とを具備することを特徴とする非接触3次元形状測定装置。 A table on which the measurement object is placed on the XY plane;
The angle of the light reflection surface of the measurement object is received so as to be able to irradiate light from the Z-axis direction perpendicular to the XY plane of the table, receives reflected light from the measurement object on the XY plane. An autocollimator to detect
Moving means for scanning the irradiation light from the autocollimator on the XY plane of the table;
Non-contact three-dimensional shape measurement, comprising: a calculation means for calculating a shape of a measurement object on the table by inputting a position signal of the moving means and a light reflection surface angle signal from the autocollimator. apparatus.
The non-contact three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the irradiation light from the autocollimator is laser light.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2007222676A JP2009053162A (en) | 2007-08-29 | 2007-08-29 | Non-contact device for measuring three-dimensional shape |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106885530A (en) * | 2017-03-02 | 2017-06-23 | 华南理工大学 | The three-dimensional information acquisition method and system of a kind of microstructural surfaces |
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2007
- 2007-08-29 JP JP2007222676A patent/JP2009053162A/en active Pending
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