JPH04290902A - 三次元変位計測装置 - 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】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明は三次元変位計測装置にか
かり、特に種々の精密機構部品、例えば磁気ディスク装
置内のヘッド，ヘッドアーム等の機構部品やレーザプリ
ンタ内の回転多面鏡，レンズなどの光学部品等の微小変
位を測定する三次元変位測定装置に関する。 【０００２】これらの精密な機構を必要とする製品は設
計から製造に至るまで様々な品質安定化の努力が払われ
ＣＡＥによる設計段階からの構造解析手法が取り入れら
れるようになった。しかし、組立品の締結部への熱影響
などの複合条件下での機構系の微小変位については、ま
だ解析が困難であり、製品の品質や製造歩留りに大きく
影響を与えている。このため、このような設置環境（温
度，湿度など）の変化により生じる微小変位を配慮した
製品設計を行えるように、高精度な三次元変位計測装置
の必要性が急速に高まっている。 【０００３】 【従来の技術】従来の三次元計測器としては、計測面状
にプローブをなぞらせることで計測を行う接触式の計測
器や、ｘｙ方向の変位をカメラが計測し、ｚ方向の変位
を干渉計が計測する非接触式の三次元計測器がある。そ
の他のｚ方向の非接触変位計測装置としては静電容量方
式や三角測量方式および光切断方式などがある。しかし
、製品の組立状態での変位計測を行うためには、図２３
に示すように、磁気ディスク装置１００のヘッドアーム
１０１や磁気ヘッド１０２の間に位置する変位計測点１
０３の変位を計測するから、計測対象物までの計測距離
ｄが長く（２００ｍｍ以上）、且つ高精度（±０．５μ
ｍ以内）に行う必要があり、光干渉方式が最も適してい
る。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
各三次元変位計測装置は、対象面上の計測点の真の三次
元変位を計測できないこととなる。これはｘｙ方向の変
位に応じて、ｚ方向変位の計測点を追従させていないた
めであり、熱による真の変位を把握するには最初に着目
した計測点を追跡しながら三次元変位を計測することが
不可欠である。そこで本発明は、最初に着目した計測点
を追跡しながら三次元変位を計測することができる三次
元変位測定装置を提供することを目的とする。 【０００５】 【課題を解決するための手段】本発明において、上記の
課題を解決するための手段は、図１に示すように、計測
対象物１表面の着目する１点の平面（Ｘ−Ｙ平面）方向
の変位を計測する平面変位計測部２と、この平面に垂直
方向（Ｚ方向）の変位を計測する垂直変位計測部３とか
らなる三次元変位計測装置において、上記平面変位計測
部２は撮像レンズ２１及び撮像素子２２からなり画像デ
ータを出力するカメラ２３と、この画像データから着目
点の平面座標を算出する平面座標算出部２４とからなり
、上記垂直変位計測部３は干渉計３１とこの干渉計３１
の干渉縞から垂直変位を算出する垂直座標算出部３２と
からなり、両変位計測部２，３の光軸はハーフミラー４
を介して計測対象物１の前で一致していると共に、上記
平面変位計測部２で計測した上記注目点の平面上の変位
に追従して上記垂直変位計測部３による垂直方向の変位
の計測個所を移動させる垂直変位計測位置補正部５を設
けたことである。 【０００６】 【作用】本発明によれば、三次元変位計測装置に垂直変
位計測位置補正部を設け平面変位計測部で計測した注目
点の平面上の変位に追従して垂直変位計測部の変位の計
測個所を移動させることとしたから、最初に着目した計
測点を追跡しながら三次元変位を計測することができ、
正確な三次元変位計測を行うことができる。 【０００７】 【実施例】以下、本発明に係る三次元変位計測装置の実
施例を図面に基づいて説明する。図２乃至図２０は本発
明に係る三次元変位計測装置の実施例を示すものである
。図２は本発明に係る三次元変位計測装置の実施例の構
成を示す概略図である。同図において１は計測対象物で
その表面状着目すべき点には粘着テープを微小な円状に
形成した微小円状マーク４１を貼り付けている。そして
垂直変位計測部３の光学系にはこの垂直変位計測部の使
用するレーザ光の波長の光のみを透過する帯域フィルタ
ー４２と、光を全反射するミラー４３と、光の半分を反
射し、半分を透過するハーフミラー４とを設け、平面変
位計測部のカメラ２３と光軸を同一のものとして、一方
向からの計測で平面及び垂直の変位計測を可能なものと
してる。 【０００８】そして両計測部の信号は平面座標算出部、
垂直座標算出部及び垂直計測位置補正部を含むコントロ
ーラ７に入力されている。このコントローラ７からは、
平面変位計測時に計測対象物の表面を照明する照明装置
４４が接続され、必要に応じて計測対象物１を照明する
ものとしている。 【０００９】そして、コントローラ７で算出した平面変
位の変位に応じて、垂直変位計測部における計測位置を
移動する補正を行うものとしている。 【００１０】本実施例において、計測対象物は図３に示
すように、電動ゴニオメータ４５に載置され、その傾き
をコントローラ７からの指令によりゴニオメータ駆動手
段４６により所望のものとすることができるようにして
いる。 【００１１】本実施例において、平面変位計測部は、図
３に示すように、可変傾斜台である撮像レンズ２１とこ
の撮像レンズの結像面を移動する結像手段であるＣＣＤ
ラインセンサ２２とから構成され計測面を高解像度で撮
像する高速大画面のカメラ２３と、コントローラ７内の
画像入力部４７と、画像データを格納する画像メモリ４
８と、画像データの処理を行う画像処理部４９と、撮像
し、画像処理を施した画像データから平面変位を算出す
る判定部５０とから構成されている。 【００１２】一方、本実施例において垂直変位計測部は
、図４に示すように、上述したハーフミラー４、全反射
のミラー４３及び帯域フィルター４２の上方に干渉計５
１を設け、計測面Ｍ２と参照面Ｍ１との光路差による干
渉縞の移動数及び位相変化を計測することにより、計測
対象物の着目点の垂直方向における変位を計測するもの
としている。 【００１３】そして、本実施例では、干渉計５１には計
測対象物の計測面Ｍ２が光を正反射する鏡面か、光を乱
反射する粗面であるかを判定するか面判定部３３として
のフォトダイオード等の光ディテクタ５２と、この光デ
ィテクタ５２を光軸から移動する水平スライド手段５３
と、この光ディテクタ５２の信号を処理するアナログ処
理部５４とを設けている。 【００１４】本実施例では、上記に面判定部３３が計測
面が鏡面であると判定したときに干渉信号を処理する光
干渉信号処理部３６と、計測面が粗面であると判定した
ときに干渉信号を処理するスペックル干渉信号処理部３
７とを設け、光信号切換部５５で切替えを行うものとし
ている。 【００１５】更に、本実施例においては干渉計には図４
に示すように、干渉光として波長λのレーザー光を発生
する半導体レーザー５６と、このレーザー光の面積を増
大する２つのレンズとＬ１，Ｌ２と、レーザー光の光路
を変えると共に参照面に参照光を透過させるハーフミラ
ーＳと、干渉した光線を画像信号に変換するエリア撮像
素子５７に結像させる結像レンズＬ３とを有している。 そして、本実施例において、参照面Ｍ１は光干渉時に使
用する正反射面５８と、スペックル干渉時に使用する白
紙等の一様拡散面５９とを有し、この２つの参照面を判
定部５０により駆動指示される垂直スライド手段６０に
よって移動し所定の参照面に参照光を照射する他、面判
定時に参照面に参照光が照射しないようにするものとし
ている。尚、図中符号６１は、面判定時において参照面
を取り除いたとき参照光を吸収する黒い布等の光吸収部
を示している。 【００１６】次に本実施例に係る三次元変位計測装置の
コントローラ７の構成を説明する。図５は本実施例に係
る三次元変位計測装置のコントローラ７の構成を示すも
のである。 【００１７】本実施例においてコントローラ７は、光干
渉信号処理部３６と、スペックル干渉信号処理部３７と
、両干渉信号処理部３６、３７への干渉計からの光電信
号を切り換える光電信号切換器５５と、両干渉処理部３
６、３７からの信号、高速大画面のカメラ２３の信号、
アナログ処理部５４を介した光ディテクタ５２からの信
号を処理すると共に、照明装置４４、ゴニオメータ駆動
手段４６、水平スライド手段５３及び垂直スライド手段
６０の駆動制御を行う判定部７とからなる。 【００１８】光干渉信号処理部３６は、公知の構成を有
し、多値／２値切換器３６１と、この多値／２値切換器
３６１により判定部５０への出力信号が切り替えられる
ＡＤ変換器３６２と比較器３６３とからなる。 【００１９】また、スペックル干渉信号処理部３７は、
公知の構成を有し、Ａ／Ｄ変換器３７１と、バッファ画
像メモリ３７２と、画像メモリ３７３と、遅延回路３７
４と、ディジタル画像切換装置３７５と、遅延回路３７
６と、画像信号差分演算回路３７７と、画像ミキサ３７
８とからなる。 【００２０】そして、判定部５０は、ＲＯＭ５０１に格
納したプログラムを処理することにより平面座標算出部
、垂直座標算出部、及び垂直変位計測位置補正部として
作動する中央処理装置（ＣＰＵ）５０２と、各種入出力
装置の制御を行うＩ／Ｏ制御部５０３，５０４，５０５
と、ＲＡＭ５０６と，上述した画像入力部４７と，カメ
ラからの画像データを格納する画像メモリ５０７と、画
像入力部４７と、照明装置４４の制御を行う照明制御部
５０８と、光干渉画像データを格納する光干渉用画像メ
モリ５０９と、スペックル干渉画像データを格納するス
ペックル干渉用画像メモリ５１０と、２値化のスライス
レベルを設定して比較器に送出する２つのスライスレベ
ル設定部５１１，５１２と、上記のスペックル干渉信号
処理部３７の画像信号差分演算回路３７７の演算制御を
行う演算制御部５１３とスペックル干渉用画像メモリ５
１０の値とスライスレベル設定部５１２の値を比較する
ディジタル比較器５１４とこの値を格納する２値画像メ
モリ５１５とからなる。 【００２１】次に、本実施例に係る三次元変位計測装置
の作動を説明する。図６は本発明に係る三次元変位測定
装置の作動の概要を示すものである。以下ＳＴ１からＳ
Ｔ１８までを図面に従って説明する。 【００２２】ＳＴ１．対象物のセットをおこなう。即ち
計測対象物面上に設定した計測点と計測器の光軸がほぼ
一致するように計測対象物を電動ゴニオメータ４５上の
テーブルにセットする。 【００２３】ＳＴ２．光ディテクタ５２を焦点位置に駆
動する、即ち、光ディテクタ５２が結像レンズＬ３の焦
点位置に合うように（第４図の点線位置）水平スライド
手段５３を駆動制御する。 【００２４】ＳＴ３　　．計測対象面からの反射光を受
光する。対象面から反射したレーザ光のみが光ディテク
タ５２に入射するように垂直スライド手段６０（３段切
り換え）を駆動制御して参照面Ｍ１を一番下の位置にセ
ットして光吸収部６１でレーザ光を吸収させる。 【００２５】この状態でレーザ光を発振させ、対象面Ｍ
２からの反射光量を光ディテクタ５２で受光する。 【００２６】ＳＴ４．対象表面の判定を行う。対象面が
レーザ光の波長：λより大きな凹凸（以下：粗面という
）であれば乱反射するので光ディテクタ５２に入射する
光量は少なく、レーザ光の波長より小さな凹凸（以下：
鏡面という）であれば光ディテクタ５２に入射する光量
は大きくなるため、この光量の大きさを検出することで
対象面が粗面であるか、それとも鏡面であるかを判定す
る。 【００２７】但し、使用するレーザ光の波長および対象
面の材質による反射光量の差などによって、粗面と鏡面
を判定する光量が異なるので、あらかじめこれらの条件
に合わせて光ディテクタ５２への入射光量の基準値を求
めておく。尚、光量検出はアナログ処理部５４にて行い
、判定は判定部５０で行う。 【００２８】ＳＴ５．面粗さレジスタに“１”をセット
する。対象表面の判定結果が鏡面の場合は、面粗さレジ
スタに“１”をセットしておく。 【００２９】ＳＴ５−２．面粗さレジスタに“２”をセ
ットする。対象表面の判定結果が粗面の場合は、面粗さ
レジスタに“２”をセットしておく。 【００３０】ＳＴ６，６−２．光ディテクタ５２を原点
位置に駆動する。水平スライド手段５３を駆動制御して
、光ディテクタ５２を原点位置（第４図の実線位置）に
戻し、干渉光がエリア撮像素子５７に入力されるように
する。 【００３１】ＳＴ７．光干渉信号処理を選択する。対象
面が鏡面のときは垂直スライド手段６０により参照面Ｍ
１を駆動制御して正反射面５８に合わせると共に、光電
信号が光干渉信号処理部３６に入力するように光電信号
切換器５５を制御する。 【００３２】ＳＴ７−２．スペックル干渉信号処理部３
７を選択する。対象面が粗面のときは垂直スライド手段
６０により参照面を駆動制御して一様拡散面５９に合わ
せると共に、光電信号がスペックル干渉信号処理部３７
に入力するように光電信号切換器５５を制御する。 【００３３】ＳＴ８．干渉縞の調整を行う。図７に示し
たフローチャートに従って対象面の初期傾きを求め、光
干渉縞の数を調整する。 【００３４】即ち、図７に示すように、先ずエリア撮像
素子５７によって干渉光を受光し（ＳＡ１）、多値／２
値切替器３６１を制御して光電信号をＡ／Ｄ変換器３６
２に入力させる（ＳＡ２）。次に、Ａ／Ｄ変換器３６２
により干渉光の明るさを２５６階調のデータとし（ＳＡ
３）、ディジタルデータを光干渉用画像メモリ５０９に
転送する（ＳＡ４）。更に計測点を通るＹ軸を開始ライ
ンとしてカウンタをセットする（ＳＡ５）。そしてカウ
ンタにセットされたライン上の輝度データを読みだし（
ＳＡ６）、階調が大きく異なる部分をサーチすることで
明暗の縞数を求める（ＳＡ７）。ここで縞数が３以上で
あったときには（ＳＡ８）、計測点を原点として図１０
（１）に示すようにサーチラインをある角度だけ回転し
て（図１０（１）中■〜■で示した）、サーチラインの
カウントアップを行う（ＳＡ９）。 【００３５】そして回転角が１８０度に達するまで上記
ＳＡ６乃至ＳＡ９を実行し（ＳＡ１０）、回転角が１８
０度に達したら電動ゴニオメータ４５を駆動制御するこ
とにより明暗縞数が３になるように計測対象面の傾斜角
度を手前が持ち上がる方向に調整する（ＳＡ１１）。こ
れにより画像入力処理を行える状態とする（ＳＡ１８）
。 【００３６】また、ＳＡ８において、明暗縞数が３以上
ある時には、電動ゴニオメータ４５を駆動制御して、計
測対象面を微小角度（Φ）だけ手前に持ち上げるように
傾斜する（ＳＡ１２）。そしてＳＡ１〜ＳＡ４の処理を
行い（ＳＡ１３）、カウンタにセットされたライン上の
輝度データを読みだし、階調が大きく異なる部分をサー
チすることで図１０（１）に示すように、明暗の縞数を
求める（ＳＡ１４）。 【００３７】次に、傾斜前後の縞数を比較することで、
計測対象面の傾斜方向を認識する。これにより縞数が増
加したときには、対象面は手前が持ち上がっていること
が分かり、減少したときには、手前が下がっていること
がわかる（ＳＡ１６）。 【００３８】そして、現在の面の傾斜方向および角度か
ら明暗縞数を３つになるように計測対象面の傾きを電動
ゴニオメータを手前に持ち上げる方向に調整する（ＳＡ
１７）。これにより画像入力処理を行える状態とする（
ＳＡ１８）。 【００３９】このように、干渉縞を調整する理由は、先
ず、対象面が完全に光軸に対して垂直なな平面であると
、干渉縞は全面が黒か白かの状態となり、変位前の計測
が不可能なため、干渉縞が発生するように対象面を適当
に傾けている（この例では、干渉縞が３つになるように
している。）。また、干渉縞の移動は、対象面の傾き方
向と、その変位方向により、図９に示すように４つの状
態が考えられるため、縞の移動方向だけで、変位方向を
認識することができないからである。この理由から、対
象面の傾き方向を変位計測前に既知の方向（この例では
、手前に持ち上げる方向）に傾けるものとしている。 【００４０】ＳＴ８−２．干渉縞数の調整を行う。図８
に示したフローチャートに従って対象面に傾きを与える
ことで、スペックル干渉縞（擬似干渉縞）の数を調整す
る。 【００４１】即ち、エリア撮像素子５７によりスペック
ル干渉光を受光し（ＳＢ１）、Ａ／Ｄ変換器３７１によ
り干渉光の明るさを２５６階調のデータとする（ＳＢ２
）。そしてディジタル画像切替器３７５を制御して画像
データを画像メモリ３７３に格納する（ＳＢ３）。次に
電動ゴニオメータ４５を駆動制御し、計測対象面を微小
角度（Φ）だけ手前に、最初の画像を傾き０として、干
渉縞が３つになるよう傾ける（ＳＢ４）。 【００４２】傾斜後の画像を再度取り込んでＡ／Ｄ変換
器３７１により干渉光の明るさを２５６階調のデータに
し（ＳＢ５）、ディジタル画像切替３７５を制御し、画
像データを画像信号差分演算回路３７７に転送して画像
メモリ３７３上のデータとの差分を抽出、即ち変化部分
を抽出すると共に、同一画面を遅延回路３７４を通して
画像ミキサ３７８に転送しておく（ＳＢ６）。 【００４３】上記の差分画像と遅延回路３７４からの初
期画像を重ね合わせ（ＳＢ７）、上記のディジタルデー
タをスペックル干渉用メモリ５１０に転送する（ＳＢ８
）。 【００４４】ＳＴ９．平面変位の計測（変位前）を行う
。計測対象物面上には上述したようにあらかじめ計測点
近くに対象面とコントラストが大きく異なる円状マーク
を付けておく。 【００４５】そして、図１４に示すように以下の処理を
行う。 ｉ）変位前の計測マークを含む全視野の画像を高速大画
面カメラにより取り込む。尚、この時、照明装置をＯＮ
にして対象面に高輝度な照明光を照射しておく。 【００４６】ｉｉ）カメラからの画像信号を画像入力部
に送り、Ａ／Ｄ変換して、更に画像メモリに転送する。 【００４７】ｉｉｉ）画像メモリのデータをアクセスし
て各濃度に対応した画素数をカウントすることで図１４
（１）に示す濃度ヒストグラムを作成する。 【００４８】ｉｖ）対象となる円状マークの総画素数は
設計値より既知であるから、この値に最も近くなる面積
を濃度ヒストグラムの明るい方から積算して求め、その
時の濃度：ｔを２値化スライスレベルとして決定する。 【００４９】ｖ）上記で求めたｔにより画像を２値化す
る。即ち、円状マーク部分を‘１’として、それ以外を
‘０’に変換する。 【００５０】ｖｉ）対象の円状マークを８等分する図１
４（２）のような４直線６１を考えて、この４直線を図
（３）に示すようなテンプレート６２として用意してお
く。但し、ここでは直径７画素の円としておく。 【００５１】画像メモリ内の左上をスタート点として、
テンプレート６２を右に１画素ずつシフトしていきなが
ら、各位置でのテンプレートと画像の重なり面積を求め
、その重なり面積が最大となる位置を検出することで対
象の円状マークの位置を認識する。認識した位置を（ｘ
０　，ｙ０　）とする。ここでテンプレートが‘１’と
なる部分のみを対象として、テンプレートに対応する画
像上の値が‘１’となる場合だけカウントアップするこ
とで、その位置での重なり面積を求める。 【００５２】尚、変位前の計測においてはカメラ視野の
中心位置と計測点（円状マークの位置）との位置はほと
んど一致（最初に合わせた時の誤差があるだけ）してい
るので、テンプレートの移動範囲は画像メモリを中心に
考えられる小さな範囲内のみで良い。 【００５３】ＳＴ１０．面粗さレジスタの値をチェック
することで対象物が粗面か鏡面かを判定し、その結果に
応じて初期のｚ変位計測（変位前）を行う。 【００５４】ＳＴ１１．ｚ変位計測（変位前）を行う。 図１５に示すフローチャートに従って変位前のｚ方向補
正値を求める。 【００５５】即ち、図１５に示すように、先ず、計測点
を通るＹ軸を開始ラインとしてカウンタをセットし（Ｓ
Ｃ１）、カウンタに設定されたライン上の輝度データを
光干渉用メモリ５０９から読みだす（ＳＣ２）。そして
、計測点を挟んで階調即ち干渉光量がピークとなる位置
を検出し（ＳＣ３）、ピーク間ピッチＰを求めＲＡＭ５
０６に記憶する（ＳＣ４）。更に、ＲＡＭアドレスをカ
ウントアップし（ＳＣ５）、計測点を原点としサーチラ
インを所定角度だけ右回転する、即ちサーチラインのカ
ウントアップをおこなう（ＳＣ５）。回転が１８０度に
達するまで上記ＳＣ２乃至ＳＣ６を行い（ＳＣ７）、回
転が１８０度に達したら図１２（１）に示すようにピー
ク間ピッチＰが最小となる角度θｐを求めてその方向を
最小幅方向とする（ＳＣ８）。次に、最小幅方向θｐの
輝度データを画像メモリ５０９から読みだし（ＳＣ９）
、濃度ヒストグラムを作成し（１０）、図１１に示すよ
うにＳ１と２Ｓ２とが最も近くなる２値化スライスレベ
ルｔを決定し（ＳＣ１１）、この値をスライスレベル設
定部５１１に書き込む（ＳＣ１２）。 【００５６】さらに多値／２値切替器３６１によって比
較器３６３を選択しておき、これ以降はこの比較器３６
３により、２値化される（ＳＣ１３）。そしてここでは
図１０（２）に示すように、上記スライスレベルｔによ
りソフトウエア的に輝度データを２値化して（ＳＣ１４
）、最小幅方向θｐの２値化輝度データに対して、図１
２（２）に示すように計測点を含む明あるいは暗の縞の
最小幅Ｗを求め（ＳＣ１５）、更に、計測点から縞の端
部までの距離えるｌを求める（ＳＣ１６）。これにより
、ａ＝ｌ／Ｗなる変移前における垂直（ｚ）方向の補正
値を求め（ＳＣ１７）終了する。 【００５７】ＳＴ１１−２．ｚ変位計測（変位前）を行
う。図１６に示すフローチャートに従って変位前のｚ方
向補正値を求める。 【００５８】即ち、図１６に示すように、先ず、計測点
を通るＹ軸を開始ラインとしてカウンタをセットし（Ｓ
Ｄ１）、カウンタに設定されたライン上の輝度データを
スペックル干渉用メモリ５１０から読みだす（ＳＤ２）
。そして、計測点を挟んで階調即ち干渉光量がピークと
なる位置を検出し（ＳＤ３）、ピーク間ピッチＰを求め
ＲＡＭ５０６に記憶する（ＳＤ４）。更に、ＲＡＭアド
レスをカウントアップし（ＳＤ５）、計測点を原点とし
サーチラインを所定角度だけ右回転する、即ちサーチラ
インのカウントアップをおこなう（ＳＤ５）。 【００５９】回転が１８０度に達するまで上記ＳＤ２乃
至ＳＤ６を行い（ＳＤ７）、回転が１８０度に達したら
ピーク間ピッチＰが最小となる角度θｐを求めてその方
向を最小幅方向とする（ＳＤ８）。次に、最小幅方向θ
ｐの輝度データを画像メモリ５０９から読みだし（ＳＤ
９）、濃度ヒストグラムを作成し（１０）Ｓ１とＳ２と
が最も近くなる２値化スライスレベルｔを決定し（ＳＤ
１１）、この値をスライスレベル設定部５１２に書き込
む（ＳＤ１２）。 【００６０】そして、スペックル干渉用画像メモリ５１
０のデータをディジタル比較器５１４に転送しておき（
ＳＤ１３）、スライスレベルにより２値化を行うと共に
（ＳＤ１４）、雑音の多いスペックル干渉縞の２値画像
について図１７に示すように雑音の除去をおこなう（Ｓ
Ｄ１５）。更に、最小幅方向θｐの２値化輝度データに
対して、計測点を含む明あるいは暗の縞の最小幅Ｗを求
め（ＳＤ１６）、更に、計測点から縞の端部までの距離
ｌを求める（ＳＤ１７）。これにより、ａ＝ｌ／Ｗなる
変移前における垂直（ｚ）方向の補正値を求め（ＳＤ１
８）終了する。 【００６１】ここで、ＳＤ１５における雑音の除去は図
１７に示すように、着目画素を中心とした例えば５×５
画素のマトリクス７１を原画像の全画面７２について、
１画素分ずつ移動させながら、マトリクス内の明点数と
暗点数を比較し、多数決で着目画素の明暗を順次決定し
ていく。多数決処理の具体例を７２に示す。ここでは、
明点２、暗点２３であることから、着目画素は明点（こ
の場合はノイズである）であるが、暗点と判定する。 【００６２】この処理により、ノイズが除去された鮮明
な処理画像７３を得ることができる。 【００６３】ＳＴ１２．ｘｙ変位計測（変位後）を行う
。ＳＴ９と同様な方法で変位後の円状マークの位置を認
識する。但し前回のｘｙ位置と予想される変位量の値か
らテンプレートの移動範囲を決定して高速な処理を実現
する。次に変位前のｘｙ座標（ｘ０　，ｙ０　）と変位
後のｘｙ座標（ｘ１，ｙ１　）との差から、実際の変位
量と変位方向を以下のように求める。 【００６４】ΔＸ１＝ｘ０　−ｘ１　 ΔＹ１＝ｙ０　−ｙ１　 【００６５】尚、変位方向はΔＸ１およびΔＹ１の符号
による。また、次の変位後の計測も同様に行うが、変位
前の初期値からの全変位量を求める場合と前回の計測値
との区間変位量を求める場合により下記のように算出さ
れる。但し、ｎはｎ回変位後の計測データを示す。 【００６６】 全変位量　　　　δｘ＝ｘ０　−ｘｎ　　　　　δｙ＝
ｙ０　−ｙｎ　区間変位量　　ΔＸ＝ｘｎ−１　−ｘｎ
　　　ΔＹ＝ｙｎ−１−ｙｎ　【００６７】ＳＴ１３．
ｚ変位計測点の位置補正を行う。真の３次元変位に追従
したダイナミックな計測を行う為にＳＴ１２で認識した
変位後のｘｙ座標（ｘ１　，ｙ１　）からｚ変位計測の
為の計測点を以下のように補正する。今、ｘｙ変位計測
用の大画像メモリ構成とｚ変位計測用の画像メモリ構成
（スペックル干渉用も光干渉用もメモリ構成は同じ）が
図２０のようであったと仮定する。 【００６８】ＳＴ１４．面粗さレジスタの値をチェック
することで対象物が粗面か鏡面かを判定し、その結果に
応じて初期のｚ変位計測（変位後）を行う。 【００６９】ＳＴ１５．ｚ変位計測（変位後）を行う。 図１８に示したフローチャートにに従って変位後のｚ方
向補正値を求める。 【００７０】即ち、図１８に示すように、先ずエリア撮
像素子５７によって干渉光を受光する（ＳＥ１）。そし
て、スライスレベルｔによってハード的に２値化し（Ｓ
Ｅ２）、２値化データを光干渉用画像メモリ５０９に転
送する（ＳＥ３）。更に計測点を通るＹ軸を開始ライン
としてカウンタをセットする（ＳＥ４）。そしてカウン
タにセットされたライン上の輝度データを読みだし（Ｓ
Ｅ５）カウンタに設定されたライン上の輝度データを光
干渉用メモリ５０９から読みだす（ＳＥ６）。そして、
計測点を挟む２信号の１周期の長さを即ちピッチを求め
（ＳＥ７），ＲＡＭ５０６に記憶する（ＳＥ８）。更に
、ＲＡＭアドレスをカウントアップし（ＳＥ９）、計測
点を原点としサーチラインを所定角度だけ右回転する、
即ちサーチラインのカウントアップをおこなう（ＳＥ１
０）。 【００７１】回転が１８０度に達するまで上記ＳＥ６乃
至ＳＥ１０を行い（ＳＥ７）、回転が１８０度に達した
らピーク間ピッチＰが最小となる角度θｐを求めてその
方向を最小幅方向とする（ＳＥ１２）。 【００７２】そして最小幅方向θｐの２値化輝度データ
に対して、計測点を含む明あるいは暗の縞の最小幅Ｗ’
を求め（ＳＥ１３）、更に、計測点から縞の端部までの
距離ｌ’を求める（ＳＥ１４）。これにより、ｂ＝ｌ’
／Ｗ’なる変移前における垂直（ｚ）方向の補正値を求
めるとともに、干渉縞が明から暗又は暗から明に移動し
た場合は垂直変移の方向を考慮して干渉縞数カウンタＮ
の値を増加又は減少して（ＳＥ１５）終了する。 【００７３】ＳＴ１５−２．ｚ変位計測（変位後）を行
う。図１８に示したフローチャート従って変位後のｚ方
向補正値を求める。 【００７４】即ち、図１９に示すように、先ずエリア撮
像素子５７によりスペックル干渉光を受光し（ＳＦ１）
、これをＡ／Ｄ変換器により２５６階調の画像データと
する（ＳＦ２）。そして上記の画像データを画像信号差
分演算回路３７７に転送して、画像メモリ３７３上のデ
ータ（変移前）との差分を取ると共に同一画像を遅延回
路３７４に通して画像ミキサー３７８に転送しておく（
ＳＦ３）。更に、上記の差分画像と遅延からの初期画像
を重ね合わせ（ＳＦ４）、上記ディジタルデータをスペ
ックル干渉用画像メモリ５１０に転送し（ＳＦ５）スペ
ックル干渉用画像メモリ５１０のデータをディジタル比
較器５１４に転送しておく（ＳＦ６）。 【００７５】次に、既に求めておいたスライスレベルｔ
により、ディジタル比較器５１４によりハード的に２値
化して、専用の２値画像メモリ５１５に転送する（ＳＦ
７）。 【００７６】そして、この２値データを上述した手法で
雑音の除去を行い（ＳＦ８）、計測点を通るＹ軸を開始
点として、カウンタをセットする（ＳＦ９）。カウンタ
に設定されたライン上の２値データをスペックル干渉用
の画像メモリから読みだし（ＳＦ１０）、計測点を挟む
２値信号の１周期の長さを求め（ＳＦ１１）、ＲＡＭに
記憶し（ＳＦ１２）、ＲＡＭアドレスをカウントアップ
する（ＳＦ１３）。 【００７７】次に、計測点を原点としてサーチラインを
ある角度だけ右回転して、サーチラインのカウントアッ
プを行う（ＳＦ１４）。回転角が１８０度になるまで上
記ＳＦ１０〜ＳＦ１４の処理を行い（ＳＦ１５）、回転
角が１８０度に達したら、ピッチＰの長さが最小となる
角度θｐを求めてその方向を最小幅方向とする（ＳＦ１
６）。 【００７８】更に、最小幅方向θｐの２値化輝度データ
に対して、計測点を含む明あるいは暗の縞の最小幅Ｗ’
を求め（ＳＦ１７）、更に、計測点から縞の端部までの
距離ｌ’を求める（ＳＦ１８）。これにより、ｂ＝ｌ’
／Ｗ’なる変移前における垂直（ｚ）方向の補正値を求
めるとともに、干渉縞が明から暗又は暗から明に移動し
た場合は垂直変移の方向を考慮して干渉縞数カウンタＮ
の値を増加又は減少して（ＳＦ１９）終了する。 【００７９】ＳＴ１６．ｚの変位量の算出をおこなう。 以下のように変位前後の補正値（ａ，ｂ）と干渉縞数カ
ウンタ（Ｎ）の値からｚ変位量を算出する。 【００８０】 【００８１】上記の補正項による干渉縞の細分化により
分解能を高くして、計測精度を大幅に向上している。 尚、次にｚ変位計測を行っていくが、変位前の初期値か
ら現在までの全変位量を求める場合と前回の計測値との
区間変位量を求める場合とで下式のように算出される。 変位前のｚ変位計測結果：ａ０　　　　　１回変位後の
ｚ変位計測結果：ｂ１　 【００８２】 【００８３】ＳＴ１７．計測終了かを判定する。計測回
数が終了するまで３次元変位計測を実行する。 【００８４】ＳＴ１８．結果を出力する。３次元変位計
測結果を所定のフォーマットで出力する。これにより一
連の変位の計測処理を終了する 【００８５】尚、本実施例ではラインセンサを平行移動
させて、２次元の大容　　量画像を入力し、平面変位の
計測を行っているが、これ以外にも次のような画像入力
方式をとることができる。 【００８６】図２１に示すように、通常のエリア撮像素
子７１をブロック移動させて、大容量の画像を入力する
ようにして（この例では、４ブロックとしている）もよ
い。また、より大容量のエリア撮像素子を使用すること
も考えられる。 【００８７】また、垂直変位については、本実施例での
エリア撮像素子を使用する以外に以下の画像入力方式を
とることでできる。 【００８８】図２２（１）に示すようにラインセンサ７
２を回転させながら干渉光を受光して、ｚ変位の計測を
行うことができる。 【００８９】更に、図２２（２）に示すようにホトダイ
オードなどの受光素子７３を同心円上に配置することで
、直径方向の回転走査を行うことができる。このように
撮像素子を放射状に配置することにより、干渉縞の傾き
に対応して、より正確な補正を行うことができる。本実
施例では、ｚ変位における区間変位量の計測については
トータル変位量の計測を前提に説明しているが、区間変
位量を計測するためには、スペックル干渉画像の場合、
画像メモリにある初期画像（変位前の画像）を１回前に
計測した像と順次入れ換えていく必要があり、その為に
バッファ画像メモリを設けてある。このバッファ画像メ
モリを制御することで、１回前に計測した画像を画像メ
モリに転送して処理していくことができる。 【００９０】 【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
計測対象物表面の着目する１点の平面（Ｘ−Ｙ平面）方
向の変位を計測する平面変位計測部と、この平面に垂直
方向（Ｚ方向）の変位を計測する垂直変位計測部とから
なる三次元変位計測装置において、上記平面変位計測部
は撮像レンズ及び撮像素子からなり画像データを出力す
るカメラと、この画像データから着目点の平面座標を算
出する平面座標算出部とからなり、上記垂直変位計測部
は干渉計とこの干渉計の干渉縞から垂直変位を算出する
垂直座標算出部とからなり、両変位計測部の光軸はハー
フミラーを介して計測対象物１の前で一致している共に
、上記平面変位計測部で計測した上記注目点の平面上の
変位に追従して上記垂直変位計測部による垂直方向の変
位の計測個所を移動させる垂直変位計測位置補正部を設
けたから、最初に着目した計測点を追跡しながら三次元
変位を計測することができ、正確な三次元変位計測を行
うことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明に係る三次元変位計測装置の実施例の垂
直変位計測部の位置補正の状態を示す図である。

【図３】本発明に係る三次元変位計測装置の実施例の平
面変位計測部の構成を示す図である。

【図４】本発明に係る三次元変位計測装置の実施例の垂
直変位計測部の構成を示す図である。

【図５】本発明に係る三次元変位測定装置の実施例のコ
ントローラの構成を示すブロック図である。

【図６】図２に示した三次元変位測定装置の作動の概要
を示したフローチャートである。

【図７】図６に示したフローチャートのＳＴ８における
詳細な作動を示したフローチャートである。

【図８】図６に示したフローチャートのＳＴ８−２にお
ける詳細な作動を示したフローチャートである。

【図９】干渉縞の移動と計測対象面の傾きとの関係を示
す図である。

【図１０】干渉縞数の調整と画像の２値化を説明する図
である。

【図１１】図１０におけるｔの値の設定条件を示すグラ
フである。

【図１２】干渉縞の最小幅方向の検出処理を示す図であ
る。

【図１３】垂直変位計測点の補正と補正項の算出処理を
示す図である。

【図１４】平面変位計測部のの計測処理を示す図である
。

【図１５】図６に示したフローチャートのＳＴ１１にお
ける詳細な作動を示したフローチャートである。

【図１６】図６に示したフローチャートのＳＴ１１−２
における詳細な作動を示したフローチャートである。

【図１７】スペックル干渉における干渉縞の雑音の除去
処理を示す図である。

【図１８】図６に示したフローチャートのＳＴ１５にお
ける詳細な作動を示したフローチャートである。

【図１９】図６に示したフローチャートのＳＴ１５−２
における詳細な作動を示したフローチャートである。

【図２０】実施例における垂直変位の計測点の補正処理
を示す図である。

【図２１】平面変位計測部の他の撮像素子の例を示す図
である。

【図２２】垂直変位計測部の他の撮像素子の例を示す図
である。

【図２３】本発明に係る三次元変位測定装置の測定対象
の一例を示す図である。

【符号の説明】

１　　計測対象物 ２　　平面変位計測部 ３　　垂直変位計測部 ４　　ハーフミラー ５　　垂直変位計測位置補正部 ２１　　撮像レンズ ２２　　撮像素子 ２３　　カメラ ２４　　平面座標算出部 ３１　　干渉計 ３２　　垂直座標算出部 ３３　　面判定部 ３４　　正反射面 ３５　　一様散乱面 ３６　　光干渉信号処理部 ３７　　スペックル干渉信号処理部 ３８　　雑音除去手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計測対象物（１）表面の着目する１点の平
   面（Ｘ−Ｙ平面）方向の変位を計測する平面変位計測部
   （２）と、この平面に垂直方向（Ｚ方向）の変位を計測
   する垂直変位計測部（３）とからなる三次元変位計測装
   置において、上記平面変位計測部（２）は撮像レンズ（
   ２１）及び撮像素子（２２）からなり画像データを出力
   するカメラ（２３）と、この画像データから着目点の平
   面座標を算出する平面座標算出部（２４）とからなり、
   上記垂直変位計測部（３）は干渉計（３１）とこの干渉
   計（３１）の干渉縞から垂直変位を算出する垂直座標算
   出部（３２）とからなり、両変位計測部（２，３）の光
   軸はハーフミラー（４）を介して計測対象物（１）の前
   で一致している共に、上記平面変位計測部（２）で計測
   した上記注目点の平面上の変位に追従して上記垂直変位
   計測部（３）による垂直方向の変位の計測個所を移動さ
   せる垂直変位計測位置補正部（５）を設けたことを特徴
   とする三次元変位計測装置。
2. 【請求項２】上記垂直変位計測部（３）は計測対象物（
   １）の表面が鏡面であるか、粗面であるかを判定する面
   判定部（３３）を有し、上記干渉形の参照面を上記判定
   により鏡面であるとしたときには正反射面（３４）とし
   、粗面であるとしたときには一様散乱面（３５）とし、
   上記垂直座標算出部（３２）は上記参照面を正反射面と
   したときに信号処理を行う光干渉信号処理部（３６）と
   、参照面を一様反射面としたときに信号処理を行うスペ
   ックル干渉信号処理部（３７）とを有することを特徴と
   する請求項１記載の三次元変位計測装置。
3. 【請求項３】上記平面変位算出部（２）は計測対象表面
   に設けた円状マークを放射状４直線テンプレートにより
   走査して算出することを特徴とする請求項１または２記
   載の三次元変位計測装置。
4. 【請求項４】上記垂直変位計測部（３）の垂直座標算出
   部（３２）は変位前後の干渉縞の数を計測するほか、干
   渉縞の位相を計測し、干渉縞の数と位相とに基づき垂直
   座標を算出することを特徴とする請求項１、請求項２ま
   たは請求項３記載の三次元変位計測装置。
5. 【請求項５】上記垂直変位計測部（３２）にはスペック
   ル干渉縞の着目画素を中心とするマトリックステンプレ
   ートを当てはめ、マトリクス内の暗点と明点との数を比
   較し、多いほうを当該着目画素の状態であると判定する
   雑音除去部（３８）を設けたことを特徴とする請求項１
   、請求項２、請求項３または請求項４記載の三次元変位
   計測装置。
6. 【請求項６】計測対象物（１）を可変傾斜台（６）に載
   置し、計測対象物に所定の傾きを与え干渉縞の変化によ
   る変位方向判定を行うことを特徴とする請求項１、請求
   項２、請求項３、請求項４または請求項５記載の三次元
   変位計測装置。