JP3450388B2

JP3450388B2 - 光学式形状測定装置

Info

Publication number: JP3450388B2
Application number: JP25375793A
Authority: JP
Inventors: 和雄山崎; 英樹青山
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1992-12-29
Filing date: 1993-09-16
Publication date: 2003-09-22
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: JPH074933A; US5410410A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学プローブを用いて
非接触で対象物の三次元形状を測定する光学式形状測定
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、光学式の形状測定装置が種々
提案されている。光学式形状測定装置の測定原理には、
光の幾何光学的性質を利用するものと、光の波動光学的
性質を利用するものとがある。また、測定形態には自然
光の下で対象物からの反射光を検出する受動的方法と、
特別の光源を利用して対象物に光を照射して得られる反
射光を検出する能動的方法とがある。曲面形状の測定を
目的とするときは、光の幾何光学的性質を利用した能動
的方法が適当である。なぜなら、曲面形状の測定おいて
は、一般に、測定点を認識することが望まれるためであ
る。したがって光ビームを測定点に集光して、その測定
点からの反射光情報から位置検出を行う方式が採用され
る。

【０００３】例えば、ＲＥＮＩＳＨＡＷのレーザ・スキ
ャンニング・プローブに代表される、半導体レーザと光
位置検出センサを有する光学プローブは、三角測量法を
基本原理としている。この種の光学プローブは、測定精
度および測定範囲に関しては実用的であるが、シャドウ
効果を有するため、測定可能な被測定面の傾斜角に限界
がある。このため、測定精度の向上とシャドウ効果の影
響低減のための改善法が種々提案されている。しかし、
三角測量法を基本とするセンサでは、投光角度が固定さ
れている場合には、シャドウ効果の影響が避けられな
い。対象物の形状全体を高速測定するセンサとして、Ｃ
ＣＤカメラを用いたレンジ・ファインダも提案されてい
る。しかしこれも、シャドウ効果の影響が残されている
だけでなく、測定精度の観点からも形状測定用としては
十分ではない。

【０００４】光学式距離センサとして、光ファイバを用
いた方式が幾つか提案されている。例えば、（１）Ｇ．Ｈｕｌｌ−Ａｌｌｅｎ：Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖ
ｉｔｙＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄＬｉｎｅ
ａｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＦｉｂｅｒＰｒｏｘｉｍ
ｉｔｙＰｒｏｂｅＲｅｓｐｏｎｓｅ，ＳＰＩＥ，Ｖ
ｏｌ．５１８，ＯｐｔｉｃａｌＳｙｓｔｅｍＥｎｇ
ｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９８４，ｐ８１；（２）Ｌ．Ｈｏｏｇｅｎｂｏｏｍ，Ｇ．Ｈｕｌｌ−Ａｌ
ｌｅｎ，Ｓ．Ｗａｎｇ：Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌａｎ
ｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓｏ
ｆａＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＰｒｏｘｉｍｉｔｙ
Ｐｒｏｂｅ，ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．４７８，Ｆｉｂｅｒ
ＯｐｔｉｃａｎｄＬａｓｅｒＳｅｎｓｏｒｓ，
１９８４，ｐ４６；（３）Ｈ．Ｋｏｐｏｌａ，Ｓ．Ｎｉｓｓｉｌａ，Ｒ．Ｍ
ｙｌｌｙｌａ，Ｐ．Ｋａｒｋｋａｉｓｅｎ：Ｉｎｔｅｎ
ｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｅｄＦｉｂｅｒＳｅｎｓ
ｏｒｆｏｒＲｏｂｏｔＦｅｅｄｂａｃｋＣｏｎ
ｔｒｏｌｉｎＰｒｅｃｉｓｉｏｎＡｓｓｅｍｂｌ
ｙ，ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．７９８，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉ
ｃＳｅｎｓｏｒｓ,１９８７，ｐ１１６；（４）Ｇ．Ｃｏｎｆｏｒｔｙ，Ｍ．Ｂｒｅｎｃｉ，Ａ．
Ｍｅｎｃａｇｌｉａ，Ａ．Ｇ．Ｍｉｇｎａｎｉ，Ａ．
Ｍ．ＳＣＨｅｇｇｉ：ＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｅ
ｎｓｏｒｆｏｒＶｉｂｒａｔｉｏｎＭｏｎｉｔｏ
ｒｉｎｇｉｎＨｉｇｈＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｉ
ｃａｌＰｌａｎｔｓ，ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．１０１１，
ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃＳｅｎｓｏｒｓ，１９８８，
ｐ１１６；（５）Ｆ．Ｃ．Ｃｕｏｍｏ：ＴｈｅＡｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆａＴｈｒｅｅ−ＦｉｂｅｒＬｅｖｅｒＴ
ｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ＳＰＩＥ，ＦｉｂｅｒＯｐｔｉ
ｃａｎｄＬａｓｅｒＳｅｎｓｏｒ，１９８４，ｐ
２９；（６）Ｌ．Ｘｉａｏｍｉｎｇ，Ｒ．Ｘｉｎ，Ｗ．Ｐｅｉ
ｚｈｅｎｇ，Ｃ．Ｒｏｎｇｓｈｅｎｇ：Ｒｅｆｌｅｃｔ
ｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＤｉｓｐｌａｃ
ｅｍｅｎｔＳｅｎｓｏｒ，ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．１５７
２，ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｒｅｎ
ｃｅｏｎＯｐｔｉｃａｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｏｒ
ｓｉｎＣｈｉｎａ，１９９１，ｐ２４８；等であ
る。

【０００５】これらの方式は、エミッタ・ファイバから
光ビームを被測定物に照射し、ディテクタ・ファイバで
反射光を検出して、反射光量から距離測定を行う。これ
らの方式は、被測定物の面の傾き、光源強度および被測
定物表面の面性状（光拡散性）が一定である場合に場合
には有効である。しかし、被測定物の面の傾きを含む形
状測定は困難である。

【０００６】そこで、Ｈ．Ｂｕｋｏｗ等は、被測定物の
面の傾き、光源強度および被測定物表面の面性状の影響
を少なくするため、エミッタ・ファイバに対して二本の
ディテクタ・ファイバを設けて、これら二本のディテク
タ・ファイバに得られる光量の差から距離を求める方法
を提案している。例えば、（７）Ｈ．Ｂｕｋｏｗ：ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃｓＤ
ｉｓｔａｎｃｅＳｅｎｓｏｒｆｏｒＲｏｂｏｔｉ
ｃａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐ
ａｐｅｒｏｆＳＭＥｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（Ｓｅ
ｎｓｏｒ８６，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａ
ｎ），１９８６；（８）Ｈ．Ｂｕｋｏｗ，Ｍ．Ｂａｉｌｅｙ，Ｗ．ｓｔ
ｅｖｅｎｓｏｎ：ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＲｅｆ
ｌｅｃｔａｎｃｅＳｅｎｓｏｒｓＵｓｉｎｇＩｍａ
ｇｅＳｙｎｔｈｅｓｉｓＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，Ｃ
ｏｍｐｕｔｅｒｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎ
ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊａｎｕａｒｙ１９８５，ｐ６
９；等である。

【０００７】彼らの試作プローブでは、シャドウ効果の
影響を低減するためと測定精度の向上のために、１組２
本のディテクタ・ファイバ４組が、エミッタ・ファイバ
の回りに９０度間隔で設置されている。この試作プロー
ブでは、被測定物の面の傾き、光源強度および被測定物
表面の面性状の変化を相殺することに、ある程度成功し
ている。しかし、被測定物の面の傾きが３０度を越える
と、反射光の検出が困難になる。また彼等の上述した論
文では、その試作プローブを用いた距離測定にのみ言及
されており、被測定物の測定点の法線検出法については
言及がない。自動高速倣い制御システムを開発するため
には、センサは距離検出機能だけでは不十分であり、法
線ベクトル検出機能が不可欠になる。

【０００８】例えば、Ｒ．Ｓｈｏｕｒｅｓｈｉ等は、
Ｈ．Ｂｕｋｏｗ等が提案した距離センサをロボットハン
ドの先端に取り付けて、倣い制御システムを構築した
（Ｒ．Ｓｈｏｕｒｅｓｈｉ，Ｒ．Ｅｖａｎｓ，Ｗ．Ｓｔ
ｅｖｅｎｓｏｎ：ＯｐｔｉｃａｌｌｙＤｒｉｖｅｎ
ＬｅａｒｎｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＩｎｄｕ
ｓｔｒｉａｌＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓ，ＩＥＥＥ
ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｓＭａｇａｇｉｎｅ，
Ｏｃｔｏｂｅｒ１９８９，ｐ２１参照）。しかしこ
のシステムは、自動のブラッシング、ペインティング、
デバッギンギ、ウエルディング、シーム・トラッキング
等を対象としており、従ってロボットハンドの位置決め
の高精度化や位置決め速度の高速化は要求されていな
い。またこのシステムでは、対象とする曲面も、勾配お
よび曲率の変化が小さい事を前提としている。

【０００９】Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈｉ等は、三角測量法を基
本とする距離センサを工作機械の主軸に設置して曲面の
高速倣い測定を試みている（例えば、Ｔ．Ｍｉｙｏｓｈ
ｉ，Ｔ．Ｋｏｎｄｏ，Ｋ．Ｓａｉｔｏ，Ｙ．Ｋａｍｉｙ
ａ，Ｈ．ｏｋａｄａ：Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆ
Ｎｏｎ−Ｃｏｎｔａｃｔ３−ＤＤｉｇｉｔｉｚｉｎ
ｇＳｙｓｔｅｍ，ＪｏｒｎａｌｏｆＪＳＰＥ，Ｖ
ｏｌ．５６，Ｎｏ．６，１９９０，ｐ１０２１参照）。
しかしここでも、距離情報のみを用いた倣い測定を行っ
ているため、制御速度や制御の滑らかさに限界がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、非接触
で面性状や三次元形状等を測定する従来の光学式センサ
は、被測定面の傾き即ち法線ベクトルを正確且つ簡便に
測定することができず、また光学式距離センサを用いた
三角測量を基本とする倣い制御システムは制御速度や制
御の滑らかさに欠けるといった問題があった。

【００１１】本発明の目的は、高精度の距離測定のみな
らず、被測定物の測定点の法線ベクトル測定を可能とし
た光学式三次元形状測定装置を提供することにある。本
発明の他の目的は、測定環境内にある外光の影響を除い
て、高精度の距離測定と法線ベクトル測定を可能とした
光学式三次元形状測定装置を提供することにある。本発
明の更に他の目的は、自動倣い測定システム用として有
用な、法線ベクトルの測定範囲が広い光学式三次元形状
測定装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、光学プローブ
を用いた三次元形状を測定するための形状測定装置であ
って、（ａ）測定対象物に対向する面が球面をなすプロ
ーブ基体と、このプローブ基体に取り付けられてそれぞ
れ前記測定対象物に対向する検出面がプローブ基体の球
面上に配置された複数のセンサユニットとから構成さ
れ、前記各センサユニットは前記検出面の中央部に光出
射端が配置された光照射手段と、前記検出面内の前記光
出射端を通る第１の直線上に前記光出射端を中心として
対称的に少なくとも２個ずつ配置され、前記光出射端を
通る第２の直線上に前記光出射端を中心として対称的に
少なくとも２個ずつ配置されて前記測定対象物からの反
射光を受光する８個以上の光検出手段とを有し、隣接す
る前記センサユニットの間で前記光検出手段を共用して
なる光学プローブと、（ｂ）前記各センサユニットの光
照射手段から発せられる光をそれぞれ時分割で切替える
切替手段と、（ｃ）前記各センサユニットの前記光検出
手段の出力信号に基づいて、前記測定対象物の各センサ
ユニットにより光照射された位置の法線ベクトルと、各
センサユニットと前記測定対象物間のギャップ距離を求
める演算手段とを有することを特徴としている。本発明
は、また、上記構成（ｂ）に代えて、（ｂ）前記各セン
サユニットの光照射手段から発せられる光をそれぞれに
割り当てられた異なる周波数でオン／オフ変調する複数
の光源変調手段と、（ｃ）前記各センサユニットの光検
出手段の出力信号から、それぞれの光照射手段の変調周
波数として割り当てられた周波数成分を抽出するフィル
タリング手段と、（ｄ）前記各フィルタリング手段の出
力信号に基づいて、前記測定対象物の各センサユニット
により光照射された位置の法線ベクトルと、各センサユ
ニットと前記測定対象物間のギャップ距離を求める演算
手段とを有することを特徴としている。

【００１３】

【作用】本発明によると、光出射端の周囲に配置された
８個の光検出手段により検出される光量によって、プロ
ーブから測定点までのギャップ距離（即ち、位置ベクト
ル）が求まる。８個の光検出手段は例えば、光出射端を
中心として二つの同心円上に９０度間隔で配置される。
これらの各光検出手段により得られる光量を平均化して
測定することにより、測定される距離に対する測定点の
傾きの影響が除かれる。また第１の直線上に光出射端を
中心として対称的に配置されている二組の光検出手段に
より検出される光量の差、および第２の直線方向に光出
射端を中心として対称的に配置されている別の二組の光
検出手段により検出される光量の差、を演算することに
よって、測定位置の傾き（即ち法線ベクトル）が求ま
る。更にこれらの測定において、求める光量や光量差を
複数の光検出手段により検出される全光量で正規化する
ことにより、光源強度の影響も除かれる。

【００１４】

【実施例】以下本発明の実施例を図面を参照して説明す
る。図１は、本発明の一実施例の測定装置の全体構成で
ある。光学プローブ１は、非接触で測定対象物５までの
ギャップ距離（位置ベクトル）と測定面の傾き（法線ベ
クトル）を測定する能動型のプローブである。光学プロ
ーブ１により得られる出力信号は、センスアンプ２によ
り増幅される。図では、出力信号系を１系統のみ示して
いるが、実際には後に述べるように光学プローブ１が複
数のセンサユニットを持ち、センサユニットの数だけ出
力信号系がある。センスアンプ２で増幅された信号は、
Ａ／Ｄコンバータ３によりディジタル化され、これがデ
ータ処理回路４に送られる。データ処理回路４における
演算の詳細は、後述する。

【００１５】光学プローブ１は、半球状のプローブ基体
１１と、これに取り付けられた複数のセンサユニット１
２、およびプローブ基体１１を保持するプローブシャン
ク１３を有する。プローブ基体１１の測定対象物５に対
向する面は球面であり、各センサユニット１２はその検
出面がこの球面に一致するように配置されている。各セ
ンサユニット１２には、送光ファイバ１４を介してレー
ザダイオード（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）
からなる光源１６が結合され、受光ファイバ１５を介し
て光検出素子１７が結合される。センサユニット１２の
詳細な説明は後述する。

【００１６】図２（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、光学
プローブ１内の一つのセンサユニット１２の断面図およ
び底面図である。センサユニットベース２１の中央先端
部にはコリメート用のマイクロセルフォックレンズ２２
が埋め込まれている。このレンズ２２の一端が光出射端
２３として、測定対象物に対向する検出面２０に露出し
ている。センサユニットベース２１の中央部には、レン
ズ２２の他端に結合する送光ファイバ１４が埋め込まれ
ている。センサユニットベース２１には、送光ファイバ
１４を取り囲むように、この実施例では８本の受光ファ
イバ１５が埋め込まれている。受光ファイバ１５の一端
が光入射端２６として検出面２０に露出している。

【００１７】検出面２０内における光出射端２３と光入
射端２６の配置は、図２（ｂ）に示す通りである。検出
面２０内には光出射端２３を通る二つの直線、この実施
例では互いに直交するｘ軸とｙ軸が仮想的に設定されて
いる。そして、ｘ軸上に、光出射端２３を中心として対
称的に二つずつの光入射端２６Si，２６Soと２６Ni，２
６Noが配置され、ｙ軸上にも同様に、光出射端２３を中
心として対称的に二つずつの光入射端２６Ei，２６Eoと
２６Wi，２６Woが配置されている。換言すれば、光出射
端２３に近い方の４個の光入射端２６Wi，２６Ei，２６
Ni，２６Siは、光出射端２３を中心とする第１の円Ｃi
とｘ軸，ｙ軸との各交差位置に配置され、光出射端２３
から遠い方の４個の光入射端２６Wo，２６Eo，２６No，
２６Soは、光出射端２３を中心とする第１の円Ｃi より
径の大きい第２の円Ｃo とｘ軸，ｙ軸との各交差位置に
配置されている。

【００１８】以上のようなセンサユニットが複数個組み
合わされて、光学プローブ１の先端部が構成される。図
３（ａ）及び（ｂ）は、５個のセンサユニット１２1 ，
１２2 ，…，１２5 がプローブ基体１１に取り付けられ
た状態を示している。センサユニット１２1 はプローブ
基体１１の先端中央部に配置され、これを取り囲んで４
個のセンサユニット１２2 ，１２3 ，１２4 ，１２5 が
９０度間隔で配置されている。各センサユニット１２の
検出面２０は、プローブ基体１１の球面に一致する。

【００１９】図４（ａ）及び（ｂ）は、プローブ基体１
１が取り付けられるプローブシャンク１３を示してい
る。プローブシャンク１３の下端部にプローブ基体１１
の上端部が嵌め込まれてねじ止めされる。プローブシャ
ンク１３の上端部は、図では示していないが電動プロー
ブヘッドにねじ止めにより取り付けられる。プローブシ
ャンク１３の側面に設けられた窓４１は、各センサユニ
ット１２につながる光ファイバを外部に導出するための
ものである。

【００２０】図５は、センサユニットの送光ファイバ１
４とマイクルセルフォックレンズ２２による光照射の様
子を示している。ファイバ１４からレンズ２２に入る光
の広がり角度αは、ファイバ１４の開口数（ＮＡ）に依
存しており、次式数１により求まる。

【００２１】

【数１】sin α＝ＮＡ

【００２２】この広がり角度αにより、仮想的点光源の
位置が決まる。この仮想的点光源とレンズ２２間の距離
Ｌ1 、レンズ２２により発せられる光の集光点とレンズ
２２間の距離をＬ2 、レンズ２２の長さをＬ0 とする
と、Ｌ1 とＬ2 は次式数２により関係づけられる。

【００２３】

【数２】

【００２４】上の式において、ａはレンズ２２のインデ
ックス傾斜係数であり、Ｎ0 は屈折率である。これらの
定数ａ，Ｎ0 はそれぞれ、光源波長とレンズの特性に依
存する。そしてこれらの関係から、レンズ２２からの照
射光ビームの開き角βが決まる。光源に波長０，７３３
μm のＬＥＤを用い、ａ＝０．６０３７４４、Ｎ0 ＝
１．６０１９５のレンズを用いたとき、ファイバ径Ｄと
Ｌ1 ，Ｌ2 および開き角βの関係の具体的な数値例を挙
げれば、Ｄ＝０．５mm、Ｌ1 ＝０．４６９５０mm、Ｌ2
＝２．３５８８、β＝１１．９６８°となる。開き角β
が小さいことは、コリメート性がよいことを意味する。
開き角βを小さくするためには、用いるファイバ１４の
径Ｄが小さいほど好ましい。例えば、例えば距離測定範
囲を４mm程度として、その範囲全域で集光スポット径を
小さいものとするためには、Ｄ＝０．３mm、Ｌ1 ＝０．
２８１７０mm、Ｌ2 ＝４．００１４９、β＝７．１２２
°なる関係が好ましい。

【００２５】この様に構成された測定装置による対象物
までの距離測定および対象物の測定面の傾き測定の動作
を、一つのセンサユニットに着目して次に説明する。本
実施例におけるセンサユニットによる距離測定の基本原
理は、一つの光出射端から対象物に光を照射した時に、
これに近い位置で検出される反射光量と遠い位置で検出
される反射光量の差が距離に依存することを利用してい
る。具体的に例えば、図２（ｂ）において、光出射端２
３から対象物に光照射を行い、その反射光をｘ軸上の二
つの光入射端２６Siと２６Soで検知する。このとき二つ
の光入射端２６Siと２６Soで得られる反射光量の差は、
プローブから対象物までの距離に依存するから、原理的
には距離測定が可能である。しかしこれでは、対象物の
測定面の傾き、照射光量，対象物の反射率の変化等の影
響が大きい。そこでこの実施例では、図２（ｂ）のよう
に８個の光入射端２６を光出射端２３の回りに配置し
て、より正確な距離測定を可能としている。

【００２６】図２（ｂ）において、反射光を受光する光
入射端２６Ei，２６Eo，２６Wi，２６Wo，２６Ni，２６
No，２６Si，２６Soで検出される出力信号をそれぞれ、
Ｅi，Ｅo ，Ｗi ，Ｗo ，Ｎi ，Ｎo ，Ｓi ，Ｓo で表
すとする。この実施例では、これらの出力信号を用い
て、次の数３または数４で演算してギャップ距離Ｚを求
める。

【００２７】

【数３】

【００２８】

【数４】

【００２９】数３の意味は、光出射端２３を中心とする
内側の第１の円Ｃi 上に配置された４個の光入射端で検
出される反射光量と、外側の第２の円Ｃo 上に配置され
た４個の光入射端で検出される反射光量の差を、全光量
で正規化したものと言うことができる。数４は、二つの
出力対毎に正規化したものである。これらの演算は、図
１のデータ処理回路４において行われる。後に示すよう
に、数３の方が、より正確な距離値が得られる。

【００３０】次にこの実施例の一つのセンサユニットに
よる法線ベクトル測定の動作を説明する。図６は、法線
ベクトル測定の座標系を示している。図示のようにセン
サユニットの検出面２０内に設定したｘ−ｙ座標系にお
いて、測定面の傾きを示す法線のベクトルは、検出面２
０に対する垂線（すなわち図６のｚ軸）に対する、ｘ軸
回りの回転角度θとｙ軸回りの回転角度φとで表され
る。角度θは、ｙ軸上に光出射端２３を挟んで配置され
た内側の入射端２６Eiと２６Wiで得られる反射光量の差
に依存すると同時に、外側の入射端２６EOと２６WOで得
られる反射光量の差に依存する。従って原理的には、角
度θは光出射端２３を挟む二つの光入射端で得られる出
力信号から求めることが可能である。この実施例では、
数５に示すように、４個の光入射端で得られる出力信号
を平均化して角度θを求める。

【００３１】

【数５】

【００３２】ｙ軸回りの回転角度φも同様にして、次の
数６の演算により求まる。

【００３３】

【数６】

【００３４】これらの数５，数６も、先の距離測定の場
合と同様に、全反射光量で正規化しており、これによ
り、光源強度等による影響が低減される。この様な法線
ベクトル（θ，φ）を求める演算も、データ処理回路４
により簡単に行われる。

【００３５】次にこの実施例による光学プローブのセン
サユニットの特性について、シミュレーションデータお
よび実験データに基づいて説明する。センサユニットか
ら送光される光ビームは、実際には有限の直径を有する
が、シミュレーションの第１段階では、測定点に直径０
スポットが形成されていると仮定する。この時、スポッ
トでの反射光分布は、図７に示すように、正反射成分と
拡散反射成分の二つの楕円近似で表される。正反射成分
は測定面が完全な平坦面であるときの幾何光学に従う反
射成分であり、入射角λi と反射角λo と等しい。拡散
反射成分は測定面の微細な凹凸に起因して、λi ＝λo
の関係から外れる反射成分である。これら二つの楕円形
状と面積は、測定面の面性状に応じて変化する。従って
シミュレーションでは、これら二つの楕円の形状および
面積比が適当に設定される。

【００３６】図８は、シミュレーションにおいて、受光
ファイバで検出される光量の計算法を示している。ここ
では、ｙ軸上の４本の受光ファイバ列に得られる反射光
量Ｗo ，Ｗi ，Ｅi ，Ｅo についてのみ検討されるが、
ｘ軸上のファイバ列にしついても同様である。受光ファ
イバに入射する光は、受光ファイバのＮＡに依存してい
る。このシミュレーションでは、受光ファイバで検出さ
れる光量は、図８に斜線で示すように、正反射成分の楕
円面積と拡散反射成分の楕円面積の和として計算され
る。受光ファイバの径は０．７５mm、ＮＡは０．４７、
内側の受光ファイバのセンサユニット中心からの距離は
１．３２５mm、外側の受光ファイバのセンサユニット中
心からの距離は２．１５mmと仮定して、各受光ファイバ
で得られる光量Ｗo ，Ｗi ，Ｅi ，Ｅo をシミュレーシ
ョンして、数７で表されるギャップ距離に対応する無
次元数Ｇp と、数８で表される法線の傾き角に対応する
無次元数Ｔi を求める。数７は、先の数３に相当する。
数８は先の数５に相当する。

【００３７】

【数７】

【００３８】

【数８】

【００３９】図９（ａ）および（ｂ）は、それぞれ測定
面の傾き角が０deg.の場合と５deg.の場合について求め
られた、受光光量とギャップ距離の関係を示している。
なお正反射成分と拡散反射成分の面積比は、正反射成分
／拡散反射成分＝１／１５である。傾き角を０deg.から
４５deg.の範囲に渡って５deg.間隔で設定して、同様の
結果が得られている。これらの結果から、受光信号の検
出が始まるギャップ距離は、センサユニット中心から受
光ファイバまでの距離に依存することが分かる。これら
の受光光量の関するデータを用いて、数７によりギャッ
プ距離と無次元数Ｇp の関係を求めたのが、図１０
（ａ）および（ｂ）である。図１０（ａ）および（ｂ）
の結果から、無次元数Ｇp は、ギャップ距離に対して
４．４mm〜５．６mmの範囲で敏感であり、無次元数Ｇp
とギャップ距離の間に高い直線性があることが明らかで
ある。傾き角が０deg.の場合と５deg.の場合の結果は極
めてよい一致を示している。これは、測定面の傾きに影
響されることなく、ギャップ距離測定ができることを意
味している。

【００４０】図１１（ａ）および（ｂ）は、数８から得
られる測定面の傾き角と無次元数Ｔi の関係を、それぞ
れギャップ距離４．６mmと４．８mmの場合について求め
た結果である。図１１（ａ）と（ｂ）は極めてよい一致
を示している。同様の結果が、ギャップ距離４．４mm〜
５．６mmの範囲で得られた。これらの結果は、無次元数
Ｔi がギャップ距離に対して鈍感であること、無次元数
Ｔi は傾き角０deg.から３５deg.の範囲で傾き角にほぼ
比例すること、および傾き角の測定範囲が±３５deg.で
あることを示している。以上のシミュレーション結果か
ら、数７による無次元数Ｇp を用いれば、測定面の傾き
に影響されずにギャップ距離を測定することができ、数
８による無次元数Ｔi を用いればギャップ距離に影響さ
れずに傾き角を求めることができることが明らかであ
る。

【００４１】実際の測定においては、センサユニットに
含まれる光軸ずれや送光ビームのコリメートの不完全性
に起因して、測定誤差が生じる。この測定誤差を補償し
てより正確な測定を行う手法を以下に説明する。まず、
適当な標準試料の基準面について、ギャップ距離と傾き
角をそれぞれの測定範囲内で適当に設定し、センサユニ
ットの各受光ファイバで得られる反射光量を測定して、
傾き角を種々変化させた時のギャップ距離Ｚとこれに対
応する出力信号Ｚs の間の関係曲線、および測定点の法
線ベクトルの傾き角Ｔとこれに対応する出力信号Ｔs の
関係曲線を求める。図１２および図１３は、これにより
得られるギャップ距離および傾き角に対する無次元数Ｇ
p およびＴi の校正データ曲線である。

【００４２】そして実際の測定対象物に対して、あるギ
ャップ距離と傾き角の条件で測定を行う。この測定によ
り、ギャップ距離に対応する出力信号Ｚs1および傾き角
に対応する出力信号Ｔs1が得られ、これらの出力信号か
ら、Ｇp ＝Ｍg およびＴi ＝Ｍt が得られたとする。こ
の結果から、図１２に示すように、Ｇp に関する校正デ
ータを直線補間して、Ｇp ＝Ｍg を満足する点（●で示
す）を検索する。これらの点をギャップ距離Ｚと傾き角
ＴのなすＺ−Ｔ平面に投影して、得られる点（○で示
す）を直線補間して関係曲線Ｌ1 を求める。同様に、図
１３に示すように、Ｔi に関する校正データを直線補間
して、Ｔi ＝Ｍt を満たす点（●で示す）を検索する。
これらの点をＺ−Ｔ平面上に投影して、得られる点（○
で示す）を直線補間して関係曲線Ｌ2 を求める。

【００４３】実際の測定点のギャップ距離と傾き角は、
図１４に示すように、二つの関係曲線Ｌ1 とＬ2 の交点
として計算される。この様な誤差補正方式による測定誤
差を見積もるためのシミュレーションを行った結果を次
に示す。測定面のギャップ距離測定可能範囲４．４mm〜
５．６mm内を０．２mm間隔に、傾き角の測定可能範囲±
３５deg.内を５deg.間隔に設定して、Ｇp およひＴi の
校正データを求めた。測定データとして、ギャップ距離
＝４．８mm、傾き角＝１７．５deg.を与えた。この時得
られた関係曲線Ｌ1 ，Ｌ2 は、図１５に示す通りであ
る。図１５の関係曲線Ｌ1 ，Ｌ2 の交点から、ギャップ
距離＝４．８００９６mm、傾き角＝１７．０７８９１de
g.が求まる。この結果から、測定誤差は、距離に関して
約１μm 、傾き角に関して約０．０８deg.であり、良好
な誤差補償がなされることが明らかである。

【００４４】試作された光学プローブを用いて、上述し
た誤差補正を取り入れて行った基礎実験データを次に説
明する。図１６（ａ）は、傾き角が０度（θ＝０deg.，
φ＝０deg.）の場合における、ギャップ距離Ｚと８本の
受光ファイバで検出された光量に相当する信号（電圧
値）の関係である。図１６（ｂ）は、傾き角が５度（θ
＝５deg.，φ＝０deg.）の場合における、ギャップ距離
Ｚと８本の受光ファイバで検出された光量に相当する信
号（電圧値）の関係である。図１７（ａ）は、傾き角が
０度（θ＝０deg.，φ＝０deg.）の場合における、ギャ
ップ距離Ｚと無次元数Ｇp の関係である。図１７（ｂ）
は、傾き角が５度（θ＝５deg.，φ＝０deg.）の場合に
おける、ギャップ距離Ｚと無次元数Ｇp の関係である。
図１８（ａ）は、ギャップ距離がＺ＝４．６mmの時の、
傾き角と無次元数Ｔiの関係である。図１８（ｂ）は、
ギャップ距離がＺ＝４．８mmの時の、傾き角と無次元数
Ｔi の関係である。

【００４５】図１６（ａ），（ｂ）の実験データは、そ
れぞれ図９（ａ），（ｂ）のシミュレーションデータに
対応し、図１７（ａ），（ｂ）の実験データは、それぞ
れ図１０（ａ），（ｂ）のシミュレーションデータに対
応し、図１８（ａ），（ｂ）の実験データは、それぞれ
図１１（ａ），（ｂ）のシミュレーションデータに対応
する。これらを比較して明らかなように、シミュレーシ
ョン結果と基礎実験結果とは定性的によく一致してい
る。なお図１９は、ギャップ距離演算の手法として、数
３を用いた場合と数４を用いた場合のシミュレーション
データを比較して示している。図から明らかなように、
数３式を用いた場合の方が距離測定に利用される傾斜部
分の勾配が大きく、従って数３を用いた方が有効である
ことが分かる。勿論数４を用いても距離測定は可能であ
る。

【００４６】上記実施例の光学プローブは、図３に示す
ように、球面上に５個のセンサユニットを配置して構成
されている。この光学プローブでは、前述のように法線
の測定範囲が±３５deg.である。自動倣い計測用の光学
プローブとしては、法線の測定範囲とて±９０deg.が必
要である。そのためには更に多くのセンサユニットを組
み合わせることが望まれる。

【００４７】図２０（ａ）（ｂ）は、先の実施例と同様
の５個のセンサユニット１２1 〜１２5 の配列に、セン
サユニット１２6 〜１２9 を加えて、９個のセンサユニ
ットを用いた実施例の光学プローブ構成を示す底面図と
側面図である。図２１（ａ）（ｂ）は更に、図２０
（ａ）（ｂ）の構成に４個のセンサユニット１２10〜１
２13を加えて、１３個のセンサユニットを用いた実施例
の光学プローブの底面図と側面図である。この様な光学
プローブを用いれば、首振り動作を伴うことなく、±９
０deg.の法線範囲を測定することができる。

【００４８】図２０或いは図２１のように、多数のセン
サユニットを用いた場合には、隣接する二つのセンサユ
ニットの光出射端の間に４個の光入射端（即ち受光ファ
イバ）が配置されることになる。これは、光学プローブ
を小形化する上で障害になる。そこで小型の光学プロー
ブを実現するためには、隣接するセンサユニットの間で
受光ファイバを共用することが有効になる。図２２は、
この様に隣接するセンサユニットの間で受光ファイバを
共用した実施例の光学プローブを、図２０（ａ）の底面
図に対応させて、かつ球面を展開して示したものであ
る。

【００４９】複数個のセンサユニットを組み合わせた光
学プローブを用いて、三次元形状測定を行う場合、全て
のセンサユニットに同時に照射光を送ると、各センサユ
ニットの出力光が互いに干渉する。従って実際の三次元
形状測定に適用するに当たっては、この干渉を避けるこ
とが必要である。図２３は、その様な干渉防止を考慮し
た実施例の形状測定システム構成である。この実施例で
は、光学プローブが９個のセンサユニット１２1 ，１２
2 ，…，１２9 を持つ。光源駆動用の電源回路６の出力
は、各センサユニット１２にそれぞれ対応して設けられ
た光源１６1 ，１６2 ，…，１６9 に対して、切り替え
回路７により高速に切り替えられて順次供給される。図
２５がこの実施例での光源駆動の様子を示している。

【００５０】図２４は、図２３の実施例を変形した実施
例である。各光源１６1 ，１６2 ，…，１６9 には、そ
れぞれパルス幅変調（ＰＷＭ）駆動回路８1 ，８2 ，
…，８9 が設けられている。電源回路６の出力は図２３
の例と同様に、切り替え回路７により順次切り替えられ
て、ＰＷＭ変調駆動回路８1 ，８2 ，…，８9 に供給さ
れる。各ＰＷＭ駆動回路８1 ，８2 ，…，８9 は、それ
ぞれ異なる周波数ｆ1 ，ｆ2 ，…，ｆ9 のＰＷＭ信号を
発生する。図２６がこの実施例での光源駆動の様子を示
している。即ち各光源１６1 ，１６2 ，…，１６9 はＯ
Ｎ／ＯＦＦ変調された光を出す。

【００５１】図２４に示すように、光源１６1 ，１６2
，…，１６9 がＰＷＭ信号により駆動されることに対
応して、センサユニット１２1 ，１２2 ，…，１２9 の
出力系にはそれぞれ、センスアンプ２1 ，２2 ，…，２
9 の後に、周波数ｆ1 ，ｆ2 ，…，ｆ9 の成分を抽出す
るためのバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）９1 ，９2 ，
…，９9 が設けられている。この様な変調発光とフィル
タリング処理の組み合わせを利用することにより、各セ
ンサユニットによる測定は、他のセンサユニットからの
光や環境光の影響を受けることがなくなる。なお、図２
４のように各光源を異なる周波数でＰＷＭ駆動する場合
には、必ずしも光源駆動のタイミングを切り替えること
は必要ない。全てのセンサユニットを同時に駆動して
も、出力系のフィルタリング処理によって、互いに他の
センサユニットの影響を除くことができるからである。

【００５２】図２７は、本発明による測定装置を倣い制
御システムに適用した実施例である。三次元形状測定機
３０の電動プローブヘッド３１に、図２０或いは図２１
に示した光学プローブ３３が取り付けられる。各センサ
ユニットの入出力信号は、光学プローブ３３の近くに設
けられた光−電気変換回路３４により、変換される。光
学プローブ３３の複数のセンサユニットからは、先の実
施例で説明したように制御対象物３２の位置および傾き
情報が得られる。これらの出力情報は、プローブ信号処
理回路３５に送られて処理される。このプローブ信号処
理回路３５での処理は、センサユニットの出力電気信号
のフィルタリング処理や演算処理による距離および傾き
測定の他、光源の変調発光のための信号生成等を含む。

【００５３】ＣＰＵ３６は、プローブ信号処理回路３５
からの複数の距離データ間、および複数の傾きデータ間
の比較をそれぞれ行い、被測定面とプローブの位置関係
を推定して、その状況に相応しい倣い速度を決定する。
この決定に基づいて、ＣＰＵ３６からの指令が、三次元
形状測定機３０を駆動する三次元形状測定機制御回路３
７に送られる。例えば、図２８に示したように傾斜が大
きく変化する被測定面を倣う場合、センサユニットＳ1
，Ｓ2 ，Ｓ3 の出力信号により距離Ｄ1 ，Ｄ2，Ｄ3 を
比較することにより、傾きの大きな変化を判断すること
ができる。この判断結果に基づいて、図２８のＸ軸方向
の倣い速度を次第に下げるとともに、Ｚ軸方向の速度を
次第に上げるという倣い制御を行うことができる。

【００５４】以上のようにしてこの実施例によれば、光
学プローブの首振り動作を伴うことなく、倣い制御がで
きる。光学プローブに可動部分がないので、信頼性が高
く、保守性も優れている。以上の実施例では、センサユ
ニットとは離れた位置に光源と光検出素子が設けられて
いる。この構成は、センサユニット近くに電気ノイズの
発生源がある場合には特に好都合である。センサユニッ
ト近くに電気ノイズの発生源がない場合には、光源や光
検出素子をセンサユニットと一体化して、光学プローブ
をよりコンパクトにすることができる。その様な実施例
のセンサユニットを図２９〜図３１に示す。

【００５５】図２９では、先の実施例の送光ファイバ１
４が省かれていて、マイクロセルフォックレンズ２２に
直接結合するレーザダイオード等の光源１６がセンサユ
ニットベース２１に埋め込まれている。また光検出素子
１７は、センサユニットベース２１の上に直接載置され
て、受光ファイバ１５に結合している。図３０では、セ
ンサユニットベース２１は薄型化されて、先の各実施例
の受光ファイバ１５の部分は光を導く小孔５１となって
いる。この小孔５１の一端に集光用マイクロレンズ５２
が設けられ、他端に光検出素子１７が設けられている。
図３１のセンサユニットは、図３０の変形例である。セ
ルフォックレンズ２２の代りにマイクロレンズ５４が用
いられている。センサユニットベース２１の上端に取り
付けられた光源１６からの照射光は、小孔５３を通して
マイクロレンズ５４に入る。受光部は、マイクロレンズ
５２が省略されて、小孔５１と光検出素子１７により構
成されている。

【００５６】これら図２９〜図３１のセンサユニットに
よっても、上記実施例と同様に距離と傾き角測定ができ
る。但し、構成によって検出感度には差が生じるので、
コストや測定対象に応じて、どの構成を採用するかを決
定すればよい。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように本発明による形状測
定装置によれば、光出射端の周囲に複数の光検出部を配
置したセンサユニットを持つ光学プローブを用いて、複
数の光検出部で検出される光量を演算することにより、
プローブから測定点までのギャップ距離即ち位置ベクト
ルのみならず、測定点の法線ベクトルを容易に求めるこ
とができる。またこれらの測定において、求める光量や
光量差を複数の光検出部で検出される全光量で正規化す
ることにより、光源強度の影響も除かれる。更に複数個
のセンサユニットを配置した光学プローブを用いること
により、高速で制御性の優れた倣い制御システムも容易
に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の測定装置の全体構成を示す
図である。

【図２】同実施例の一つのセンサユニットの構成を示
す断面図と底面図である。

【図３】同実施例のセンサユニットのプローブ基体へ
の取り付け状態を示す断面図と底面図である。

【図４】同実施例のプローブシャンクの断面図と底面
図である。

【図５】同実施例のセンサユニットによる送光ビーム
の広がりの様子を示す図である。

【図６】同実施例のセンサユニットによる法線ベクト
ル測定のための座標系を示す図である。

【図７】同実施例のセンサユニットによる送光ビーム
と反射光成分分布を示す図である。

【図８】同実施例の受光ファイバで検出される光量の
計算法を示す図である。

【図９】シミュレーションによるギャップ距離と受光
光量との関係を示す図である。

【図１０】同じくシミュレーションによるギャップ距
離と無次元数Ｇp との関係を示す図である。

【図１１】同じくシミュレーションによる傾き角と無
次元数Ｔi との関係を示す図である。

【図１２】ギャップ距離と傾き角に対するに対する無
次元数Ｇp の校正曲線を示す図である。

【図１３】ギャップ距離と傾き角に対するに対する無
次元数Ｔi の校正曲線を示す図である。

【図１４】図１２および図１３から得られる二つの関
係曲線Ｌ1 ，Ｌ2 を示す。

【図１５】実験により得られた図１４に対応する二つ
の関係曲線Ｌ1 ，Ｌ2 を示す図である。

【図１６】実験によるギャップ距離と受光ファイバの
検出光量に相当する信号の関係を示す図である。

【図１７】同じく実験によるギャップ距離と無次元数
Ｇp の関係を示す図である。

【図１８】同じく実験による傾き角と無次元数Ｔi の
関係を示す図である。

【図１９】数３式を用いた場合と数４を用いた場合の
シミュレーションデータを比較して示す図である。

【図２０】９個のセンサユニットを組み合わせた実施
例の光学プローブを示す底面図と側面図である。

【図２１】１３個のセンサユニットを組み合わせた実
施例の光学プローブを示す底面図と側面図である。

【図２２】複数のセンサユニットが受光ファイバを共
用する実施例を示す図である。

【図２３】複数のセンサユニットを持つ光学ファイバ
による測定システム構成例を示す図である。

【図２４】複数のセンサユニットを持つ光学ファイバ
による他の測定システム構成例を示す図である。

【図２５】図２３のシステム構成での光源駆動の様子
を示す図である。

【図２６】図２４のシステム構成での光源駆動の様子
を示す図である。

【図２７】本発明を倣い制御システムに適用した実施
例を示す図である。

【図２８】図２７のシステムによる倣い制御の原理を
示す図である。

【図２９】本発明の他の実施例のセンサユニットを示
す図である。

【図３０】本発明の他の実施例のセンサユニットを示
す図である。

【図３１】本発明の他の実施例のセンサユニットを示
す図である。

【符号の説明】

１…光学プローブ、２…センスアンプ、３…Ａ／Ｄコ
ンバータ、４…データ処理回路、１１…プローブ基体、
１２…センサユニット、１３…プローブシャンク、１４
…送光ファイバ、１５…受光ファイバ、１６…光源、１
７…光検出素子、２０…検出面、２１…センサユニット
ベース、２２…セルフォックマイクロレンズ、２３…光
出射端、２６…光入射端、６…電源回路、７…切替回
路、８…ＰＷＭ駆動回路、９…バンドパスフィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 G01B 21/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光学プローブを用いた三次元形状を測定
するための形状測定装置であって、（ａ）測定対象物に対向する面が球面をなすプローブ基
体と、このプローブ基体に取り付けられてそれぞれ前記
測定対象物に対向する検出面がプローブ基体の球面上に
配置された複数のセンサユニットとから構成され、前記
各センサユニットは前記検出面の中央部に光出射端が配
置された光照射手段と、前記検出面内の前記光出射端を
通る第１の直線上に前記光出射端を中心として対称的に
少なくとも２個ずつ配置され、前記光出射端を通る第２
の直線上に前記光出射端を中心として対称的に少なくと
も２個ずつ配置されて前記測定対象物からの反射光を受
光する８個以上の光検出手段とを有し、隣接する前記セ
ンサユニットの間で前記光検出手段を共用してなる光学
プローブと、（ｂ）前記各センサユニットの光照射手段から発せられ
る光をそれぞれ時分割で切替える切替手段と、（ｃ）前記各センサユニットの前記光検出手段の出力信
号に基づいて、前記測定対象物の各センサユニットによ
り光照射された位置の法線ベクトルと、各センサユニッ
トと前記測定対象物間のギャップ距離を求める演算手段
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】光学プローブを用いた三次元形状を測定
するための形状測定装置であって、（ａ）測定対象物に対向する面が球面をなすプローブ基
体と、このプローブ基体に取り付けられてそれぞれ前記
測定対象物に対向する検出面がプローブ基体の球面上に
配置された複数のセンサユニットとから構成され、前記
各センサユニットは前記検出面の中央部に光出射端が配
置された光照射手段と、前記検出面内の前記光出射端を
通る第１の直線上に前記光出射端を中心として対称的に
少なくとも２個ずつ配置され、前記光出射端を通る第２
の直線上に前記光出射端を中心として対称的に少なくと
も２個ずつ配置されて前記測定対象物からの反射光を受
光する８個以上の光検出手段とを有し、隣接する前記セ
ンサユニットの間で前記光検出手段を共用してなる光学
プローブと、（ｂ）前記各センサユニットの光照射手段から発せられ
る光をそれぞれに割り当てられた異なる周波数でオン／
オフ変調する複数の光源変調手段と、（ｃ）前記各センサユニットの光検出手段の出力信号か
ら、それぞれの光照射手段の変調周波数として割り当て
られた周波数成分を抽出するフィルタリング手段と、（ｄ）前記各フィルタリング手段の出力信号に基づい
て、前記測定対象物の各センサユニットにより光照射さ
れた位置の法線ベクトルと、各センサユニットと前記測
定対象物間のギャップ距離を求める演算手段と、を有することを特徴とする光学式形状測定装置。
【請求項３】前記演算手段は、光出射端に近い少なく
とも４個の光検出手段の出力信号Ｅｉ，Ｗｉ，Ｎｉ，Ｓ
ｉと光出射端から遠い少なくとも４個の光検出手段の出
力信号Ｅｏ，Ｗｏ，Ｎｏ，Ｓｏ（但し、ＥｉとＥｏ、Ｗ
ｉとＷｏ、ＮｉとＮｏ、ＳｉとＳｏがそれぞれ光出射端
を挟む対称位置の光検出手段の出力である。）とから、
ギャップ距離に対応する無次元数Ｚを、Ｚ＝[(Ei+Wi+Ni+Si)-(Eo+Wo+No+So)]/(Ei+Wi+Ni+Si+Eo+
Wo+No+So)、法線の前記第１及び第２の直線周りの傾き角に対応する
無次元数θ、φを、 θ＝[(Ei+Eo)-(Wi+Wo)]/(Ei+Eo+Wi+Wo)、 φ＝[(Ni+No)-(Si+So)]/(Ni+No+Si+So) により演算するものであることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の光学式形状測定装置。