JPH01210805A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は、複雑な三次元形状を高精度に測定する三次
元形状測定装置の改良に関するものである。

〈従来技術〉 第５図に光ビームを用いた三次元形状測定装置の構成を
示す。第５図において、周波数Ｆ１とＦ２の２つの周波
数の光を出力するゼーマンレーザ１の出力光は偏向プリ
ズム２で分離され、周波数Ｆ２の光は光学索子３を介し
て基準面を構成するミラー４に入射され、このミラー４
で反射されて元の光路及び偏向プリズム２を通って光検
出器５に入射される。一方、周波数Ｆ１の光は偏向プリ
ズム６、ファラデー素子７、偏向プリズム８を通ってフ
ォーカスサーボ９により集光されて測定対象１０に照射
される。その反射光は測定対象１０の高さに関連してそ
の周波数がドツプラーシフトを受け、面内プリズム８、
ミラー９で反射されて元の光路を逆進して光検出器５に
入射される。

光検出器５はこの測定対象１０とミラー４の反射光の周
波数差から測定対象の高さを求める。

この様な三次元形状測定装置では、１１Ｍ！定対象１０
には第６図のｂ−ｐの方向に光が照射される。

測定対象１０がこの入射光に垂直であると反射光は元の
光路を逆進し、ミラー４からの光と干渉出来るが、傾い
ているとその反射光の光路はＰ−Ｑ−ｂ−になり元の光
路とは異なった光路を進行するようになる。その為、ミ
ラー４からの反射光と干渉する事が出来なくなり、測定
が不可能になる。

従って、偏向プリズム８とミラー９の間にサーボレンズ
１１を挿入し、このサーボレンズ１１を光路と垂直に移
動させてミラー９に入射する入射点を変えて元の光路を
逆進するようにしている。このようにする事により、測
定対象１０が傾いても正確に高さを測定する事が出来る
。

〈発明が解決すべき問題点〉 しかしながら、この様な三次元形状測定装置には次のよ
うな欠点がある。第１に基準面を構成するミラー４で反
射する参照光と測定対象１０で反射する測定光の光路が
長く、かつ異なっている為に空気中の屈折率の違いや振
動等の影響を受は易く、誤差が発生して正確な測定が困
難である事である。第２にサーボレンズ１１が光軸に対
して斜めに移動するとその移動距漏によって通過する光
の光路が変化し、誤差が発生する事である。これらの誤
差を防止する為には空気や振動などの環境条件を厳密に
制御し、またサーボレンズ１１の駆動の直角環や真直度
を厳密に制御しなければならないという欠点があった。

〈発明の目的〉 この発明の目的は、厳密な環境制御やサーボ駆動を行わ
なくても正確な測定が出来る三次元形状測定装置を提供
する平にある。

く問題点を解決する為の手段〉 前記問題点を解決する為に本発明では、光ビームを測定
対象面と基準面に照射し、これらの反射光の位相差から
前記測定対象の形状を求める三次元形状測定装置におい
て、光源からの光の光軸を光軸移動手段で平行に移動し
、この光を光分岐手段で分岐して測定対象面及び基準面
に照射し、これら測定対象面と基準面からの反射光を光
検出手段で検出すると共に、前記測定対象面と基準面か
らの反射光の光軸を光軸検出手段で検出することにより
測定対象面と基準面からの反射光の光軸の不一致を検出
してこの光軸が一致するように前記光軸移動手段を制御
するようにしたものである。

〈実施例〉 第１図に本発明に係る三次元形状測定装置の一実施例の
光学系の構成を示す、第１図において、２０は光源であ
り、その出力光は光軸移動手段であるキューブコーナー
２１に入射される。このキューブコーナー２１は矢印の
方向即ち光源２０の出力光の光軸と垂直に移動し、その
出力光の光軸を平行に移動させる。２２はミラーであり
、キューブコーナー２１の出射光を反射してビームスプ
リッタ２３に入射させる。ビームスプリッタ２３はその
入射光を２つに分岐する９分岐した光の１つは基準面で
あるミラー２４で反射され、ビームスプリッタ２３を透
過してハーフミラ−２５に入射される６分岐した他の光
はレンズ２６で集光され、測定対象２７に入射される。

この測定対象２７から反射した光はビームスプリッタ２
３で反射され、ハーフミラ−２５に入射される。ハーフ
ミラ−２５はその入射光の一部を反射して光軸検出手段
である光スポツト位置検出器２８に入射される。光スポ
ツト位置検出器２８は入射する光スポットの位置を検出
するものであり、例えばＰＳＤ（ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５
ｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅ　）等を用いる。また
、ハーフミラ−２５に入射した光の一部は透過してレン
ズ２９により集光されて光検出器３０に入射される。レ
ンズ２９はその入射光の光軸がずれても光検出器３０の
同じ点に光が照射するようにする為のものである。光検
出器３０はミラー２４からの反射光すなわち参照光と測
定対象２７からの反射光すなわち測定光との干渉縞を測
定する。

干渉縞は参照光と測定光の光路差により変化するから、
この干渉縞により測定対象２７の高さを測定することが
できる。３１．３２は光ビームの一部を遮るシャッタで
ある。

この様な構成において、第１図のように測定対象２７と
この測定対象２７に入射する光の光軸が垂直であると、
実線で表わしたように参照光と測定光の光軸が一致し、
干渉縞を正確に測定することが出来る。また、この場合
は光スポツト位置検出器２８に照射される参照光と測定
光のスポットの位置が一致する。しかしながら、第２図
（Ａ＞の点線で示すように測定対象２７が傾いていると
その反射光の光軸は点線３３で示したようになる。

一方、参照光の光軸は第１図と同じく実線で示したよう
になるから、参照光と光軸がずれて正確な測定ができな
くなる。またこのときは光スポツト位置検出器２８に照
射する光スポットの位置は測定光と参照光とでは異なる
。従って、第２図（Ｂ）に示すように光スポツト位置検
出器２８に照射する参照光と測定光の光スポットの位置
が一致するように矢印方向に点線のようにキューブコー
ナー２１を移動させると参照光と測定光の光軸が一致し
て正確な測定が可能になる。

第３図（Ａ）に第１図に示した光学系を駆動する駆動部
の構成を、（Ｂ）に動作を示すタイムチャートを示す、
なお、第１図と同じ要素には同一符号を付し、説明を省
略する。第３図（Ａ＞において、３４は光スポツト位置
検出部であり、光スポツト位置検出器２８の出力が入力
されて光スポットの位置に比例した電圧出力を出力する
。３５は制御演算部であり、光スポツト位置検出部３４
で演算された光スポットの位置が入力される。この制御
演算部３５はシャッタ駆動部３６及びキューブコーナー
駆動部３７を制御する。シャッタ駆動部３６はシャッタ
３１．３２の開閉を制御し、キューブコーナー駆動部３
７はキューブコーナー２１を移動させる。次に、この駆
動部の動作を（Ｂ）のタイムチャートに基づいて説明す
る。ｆｉ初にシャッタ３１が開き、シャッタ３２が閉じ
られる。光スポツト位置検出器２８にはミラー２４の反
射光すなわち参照光が入射され、その光スポットの位置
が光スポツト位置検出部３４により求められる９次にシ
ャッタ３１が閉じられ、シャッタ３２が開かれる。その
為、光スポツト位置検出器２８には測定対象２７からの
反射光すなわち測定光が入射され、その光スポツト位置
が光スポツト位置検出部３４により求められる。制御演
算部３５は求められた参照光と測定光のスポットの位置
の差がゼロになるようにキューブコーナー駆動部３７で
キューブコーナー２１を駆動して光源２０からの光の光
軸を変化させる。この操作を何回か繰り返す事により、
測定光と参照光の光スポツト位置の差が小さくなり、測
定光と参照光の光軸を一致させる事が出来る。

第４図（Ａ）〜（Ｃ）に光源２０からの光軸を変化させ
る光軸移動手段の他の構成を示す、（Ａ）は光源２０の
出力光をレンズ３８に入射してその進路を変化させ、ミ
ラー３９．４０で反射して取り出すものである。レンズ
３８を矢印方向に上下に変化させるとミラー４０で反射
した光の光軸は矢印方向に左右に変化する。（Ｂ）は光
源２０の出力光をガラス等の透明部材４１を通して取り
出すものである。透明部材４１を矢印方向に回転させる
と光軸は矢印方向に左右に変化する。（Ｃ）は光源２０
の出力光をミラー４２で反射させて取り出すものである
。ミラー４２を矢印方向に左右に動かすと反射光の光軸
は左右に変化する。光軸移動手段としてこの様な構成を
使用する事も出来る。

なお、この実施例では光スポツト位置検出器２８として
ＰＳＤを用いたが、多数の光センサが二次元状に並んだ
イメージセンサあるいは直交させた２つの一次元イメー
ジセンサを用いる事もできる。この場合入射する光スポ
ットが複数でも各々の位置を求める事ができるので、シ
ャッタ３１．３２及びシャッタ駆動部３６は不要になる
。

また、光検出器３０の受光面積が大きく、かつ感度むら
による精度への影響が無視できれば、レンズ２９は不要
になる。

〈発明の効果〉 以上実施例に基づいて具体的に説明したように、この発
明では光源の出力光を分岐して測定対象面及び基準面に
照射し、これらの反射光の位相差から測定対象の形状を
求める三次元形状測定装置において、基準面と測定面か
らの反射光の光軸を測定してこれらが一致するように前
記光源の出力光光軸を変化させるようにした。その為、
測定光と参照光の光路の違いを最小限にする事が出来る
ので、空気の乱れや振動等の外乱の影響を最小限にする
事が出来る。

また、測定光と参照光に分岐する前に光軸を平行移動し
ているので、光軸移動手段による誤差の影響は参照光と
測定光双方に同一となるのでキャンセルする事が出来、
高精度の測定が出来る。また、光軸移動手段と光軸との
面角度や真直度の影響を無くする事が出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る三次元形状測定装置の一実施例を
示す構成図、第２図は動作を説明する為の図、第３図は
駆動部の構成図及び動作を示すタイムチャート、第４図
は他の実施例を示す構成図、第５図及び第６図は従来の
三次元形状測定装置の構成を示す構成図である。 ２０・・・光源、２１・・・キューブコーナー、２３・
・・ビームスプリッタ、２４・・・ミラー、２５・・・
ハーフミラ−１２７・・・測定対象、２８・・・光スポ
ツト位置検出器、３０・・・光検出器、３１．３２・・
・シャッタ、３４・・・光スポツト位置検出部、３５・
・・制御演算部、３６・・・シャッタ駆動部、３７・・
・キューブコーナー駆動部。 第　　１　図 第２図 蟲　４図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光ビームを測定対象面と基準面に照射し、これらの反射
   光の位相差から前記測定対象の形状を求める三次元形状
   測定装置において、 光源と、この光源の出力光の光軸を平行に移動する光軸
   移動手段と、この光軸移動手段の出力光を分岐して測定
   対象面及び基準面に照射する光分岐手段と、これら測定
   対象面と基準面からの反射光を検出する光検出手段と、
   前記測定対象面と基準面からの反射光の光軸を検出する
   光軸検出手段とを有し、前記測定対象面の傾斜に起因す
   る前記測定対象面と基準面からの反射光の光軸の不一致
   を前記光軸検出手段により検出してこの光軸が一致する
   ように前記光軸移動手段を制御することを特徴とする三
   次元形状測定装置。