JPH0523016U - 三次元位置測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三次元の位置測定を高速で行うことができる
三次元位置測定装置を提供する。 【構成】 枠体１００の内部には、プローブ光としての
Ｈｅ−Ｎｅレーザ光Ｌを出射するレーザ光線１０１と、
このＨｅ−Ｎｅレーザ光Ｌを被検体１０２へ反射する回
転自在な反射鏡１０３とからなる光照射部Ａと、被検体
１０２でのレーザ光Ｌの反射光ＲＬを受光素子であるＣ
ＣＤイメージセンサ１０４へ導く回転自在な反射鏡１０
５とからなる光検出部Ｂとが設けられており、且つ光源
照射部Ａの回転軸であるθ軸と光検出部Ｂの回転軸であ
るψ軸とが、光照射部Ａの回転中心と光検出部の回転中
心とを結ぶ直線であるω軸と直交するように設けてな
り、ψ軸に設けた反射鏡１０５の回転を高速で行うこと
ができ、三次元の高速測定が可能となると共に、θ軸，
ψ軸に設ける反射鏡の位置調整をω軸と同軸に出射する
レーザ光により行うことでその取付精度が向上する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、被検体の三次元形状を高精度に測定しうる三次元測定装置に関する 。

【０００２】

【従来の技術】

例えば、建造物，備蓄タンク等の歪を高精度で測定する技術は、これらの保守 の観点から重要である。ここで歪は対称物の３次元形状の経時的な変化として把 握されるが、保守点検においては、測定精度として数mm程度の分解能が必要なた め、高精度な三次元形状測定技術が必要とされる。この三次元の形状測定技術の 一例を次に説明する。

【０００３】 図５に示す三次元位置測定装置は、本願出願人が先に出願したものである（特 開平２−３００６０９号公報参照）。

【０００４】 同図に示すように、光照射部Ａにおいては、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源１からの出 射光が、可変アッテネータ２を介し、さらにレンズ３，４で構成されるビームエ クスパンダ５を介してミラー６で反射され、この出射光が被検体７の表面ａに結 像する。ここで、可変アッテネータ２は被検体７の表面の傾き、反射率の影響に より観測系の受光レベルが変動するのを防止するためのものである。また、エク スパンダ５はＨｅ−Ｎｅレーザ光の拡り角を小さくするためのものであり、レン ズ４が搭載されているレンズ搭載ステージ８を動かすことにより表面ａにおける ビーム径が最小となるように調整されている。一方、ミラー６は回転ステージ９ に搭載され、モータ１０により駆動されるようになっており、その回動位置は反 射光の光軸からの傾きである回転角θとしてロータリーエンコーダ１１により読 取られる。

【０００５】 一方、被検体７からの反射光を検出する光検出部Ｂでは、撮像光学系１２が撮 像レンズ１３及び検出器１４で構成され、レンズ１３を搭載するレンズ搭載ステ ージ１５を動かすことにより検出器１３におけるスポット系が最小となるように 調整されるようになっており、さらに撮像レンズ１３，検出器１４及びレンズ搭 載ステージ１５は回転ステージ１６に搭載されてモータ１７により駆動され、そ の回転角ψはロータリーエンコーダ１８により読取られるようになっている。

【０００６】 また、上述した光照射部Ａ及び光検出部Ｂは架台１９上に保持され、モータ２ ０により駆動されるようになっており、その回転中心はＨｅ−Ｎｅレーザ光の光 軸に一致し、回転角ωはロータリーエンコーダ２１により読取られる。なお、上 記ミラー６及び受光器１４の回転軸は平行であり、それぞれＨｅ−Ｎｅレーザ光 の光軸と点ｂ，ｃにおいて直角に交差している。

【０００７】 ここで、光照射部Ａにおける可変アッテネータ２、レンズ搭載ステージ８及び モータ１０、光検出部Ｂにおけるレンズ搭載ステージ１５及びモータ１７並びに モータ２０は、ドライバ２２及びコントローラ２３により制御されており、また 、ロータリーエンコーダ１１，１８，２１のデータは読取カウンター２４で読取 られる。そして、これらの一連の制御並びにデータによる被検体７の表面ａの位 置の演算はＣＰＵ２５により行われている。

【０００８】 この装置においては、ビームエクスパンダ５及び回転ステージ９を制御するこ とにより被検体７の測定すべき表面ａにビーム径が最小となるように調整された 像を形成し、この像が撮像光学系１２の光軸中心になるように回転ステージ１６ を制御すると共に、レンズ搭載ステージ１５を動かすことにより検出器１４にお けるスポット径が最小となるように調整する。この際の回転角θ，ψ及び点ｂ， ｃ間の距離ｘ_m を用い、三角測量の原理により被検体７の表面ａの位置を算出す ることができる。さらに、回転角θ，ωを変化させて同様に順次測定することに より、被検体７の反射点位置の三次元マッピングを行うことができる。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】 ところで、前述した図５に示す三次元位置測定装置においては、光検出部Ｂを 構成する撮像光学系１２全体がψ軸を中心に回転するようになっているので、測 定速度の高速化を図ることができないという問題がある。 また光学ユニットが大型化となり、三次元位置測定装置をコンパクトにするこ とができないという問題がある。

【００１０】 本考案は上記事情に鑑み、高速で三次元位置の測定を可能とし高精度でコンパ クトな三次元位置測定装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

前記目的を達成する本考案に係る三次元位置測定装置の構成は、平行光乃至収 束光をプローブ光として被検体に照射すると共にその照射方向が２本の回転軸回 りの回動により可変である光照射部と、撮像レンズ及び受光素子からなりその光 軸方向が２本の回転軸回りの回動により可変であり且つ上記被検体からの反射光 をその反射点の像が当該光軸に一致するよう回動調整して検出する光検出部と、 上記プローブ光の出射方向及び上記光検出部での受光方向並びに当該光検出部と 上記光照射部との相対的位置関係より三角測量の原理で上記反射点の位置を検出 する処理部とを備え、且つ光照射部の回転軸の一方と光検出部の回転軸の一方と が、該光照射部の回転中心と該光検出部の回転中心とを結ぶ直線（ω軸）に一致 する三次元位置測定装置であって、 上記光照射部の回転中心と光検出部の回転中心とを結ぶ直線（ω軸）と一致し ない回転軸方向のプローブ光の出射方向の走査および受光方向の走査を行うため の反射鏡を該直線（ω軸）上に設けてなることを特徴とする。

【００１２】

【作用】

前記構成において、光照射部と光検出部の回転軸であるθとψ軸とにそれぞれ 設けられた反射鏡によってプローブ光の走査及び被検体からの反射光の走査を行 うと共に、反射光の検出を反射鏡により受光素子へ導くことにより三次元位置の 高速測定が可能となる。

【００１３】

【実施例】

以下、本発明の好適な一実施例を図面を参照して説明する。

【００１４】 図１は本実施例に係る三次元位置測定装置の概略図である。図２はその正面図 及び図３はその側面図を示す。

【００１５】 これらの図面に示すように、枠体１００の内部には、プローブ光としてのＨｅ −Ｎｅレーザ光Ｌを出射するレーザ光源１０１と、このＨｅ−Ｎｅレーザ光Ｌを 被検体１０２へ反射する回転自在な反射鏡１０３とからなる光照射部Ａと、被検 体１０２でのレーザ光Ｌの反射光ＲＬを受光素子であるＣＣＤイメージセンサ１ ０４へ導く回転自在な反射鏡１０５とからなる光検出部Ｂとが設けられており、 且つ光照射部Ａの回転軸であるθ軸と光検出部Ｂの回転軸であるψ軸とが、光照 射部Ａの回転中心と光検出部の回転中心とを結ぶ直線であるω軸と直交するよう に設けられている。従って、図中、ω軸とθ軸及びψ軸はω⊥θ、ω⊥ψの関係 となり、且つθ//ψの関係を有することとなる。尚、１０６，１０７はレーザ光 を調整するレンズである。

【００１６】 上記構成において、レーザ光源１０１から出射されるＨｅ−Ｎｅレーザ光Ｌは 反射鏡１０３によって反射されて被検体１０２に出射される。次いで被検体１０ ２での反射光ＲＬを反射鏡１０５の回動により受光素子であるＣＣＤイメージセ ンサ１０４へ導くようにしている。

【００１７】 この際の回転軸θ軸，ψ軸の回転角θ，ψ及び反射鏡１０３，１０５間の距離 ｘ_m を用い、三角測量の原理により被検体１０２の表面ａの位置を算出すること ができる。さらに、回転角θ，ωを変化させて同様にして順次測定することによ り被検体１０２の反射点位置の三次元マッピングを行うことができる。

【００１８】 尚、検出器は反射光が光軸中心に一致するように回転制御されるので、一次元 のラインセンサ又はピンホール付きの検出器が好ましく、二次元の撮像素子であ ってもよい。

【００１９】 次に、装置の投光部の光軸調整方法について説明する。 本装置の枠体１００にはω軸が貫通する貫通孔１１０が設けられている。この ような装置において、先づ、図４に示すように、先づθ軸反射鏡１０４を取外し 、ω軸を回転させてもレーザ光Ｌが振れないようにレーザ光源１０１及びレンズ １０６を調整する。 次に枠体１００内部に設置したレーザ光源１０１からのレーザ光Ｌ₁ と枠体１ ００の外部から出射される別のレーザ光Ｌ₂ が一致するように別のレーザ光源１ ０８を設置する。 そして、θ軸の回転中心に反射鏡１０３を取付け、別のレーザ光源１０８のレ ーザ光Ｌ₂ を反射鏡１０３に出射しここで反射される反射光ＲＬ₂ と該レーザ光 Ｌ₂ とが一致するように反射鏡１０３の位置を調整する。 最後にθ軸エンコーダカウンタ（図示せず）の読みで９０°反射鏡１０３を回 転させた位置でθ軸原点センサが働くようにセンサ位置を調整する。

【００２０】 図１に示す装置においては、前記反射鏡１０３の調整方法と同様に先ずψ軸の 回転中心に取付る反射鏡１０５の調整を行い、次にレンズ１０６の位置調整を行 った後、前述したように、レーザ光源１０１，レンズ１０７及び反射鏡１０３の 調整を順次行うようにすればよい。

【００２１】 上述したように本実施例に係る三次元位置測定装置によればθ軸，ψ軸と直交 するω軸を設けこれらθ軸，ψ軸とに各々反射鏡１０３，１０５をその回転中心 に設けてレーザ光の反射を行うようにすることにより、位置調整はω軸からのレ ーザ光を用いて簡易にできると共に、装置を小形化及び軽量化でき、高速での三 次元の位置測定が可能となる。

【００２２】

【考案の効果】 以上実施例と共に述べたように、本考案に係る三次元位置測定装置はプローブ 光を被検体に照射する際θ軸に設けた反射鏡を用いると共に被検体からの反射光 をψ軸に設けた反射鏡で受光素子へ導くと共に、これらθ軸とψ軸とに直交する レーザ光と同軸のω軸を変化させることにより高速での位置測定が可能となる。 また反射鏡の装置だけでよいので装置をコンパクトにすることができる。また、 θ軸，ψ軸に設ける反射鏡の位置調整をω軸と同軸に出射するレーザ光により行 うことで、その精度が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る三次元位置測定装置の概略図で
ある。

【図２】その平面図である。

【図３】その側面図である。

【図４】光スキャナの調整作業を示す概略図である。

【図５】従来技術に係る三次元位置測定装置の概略図で
ある。

【符号の説明】

１００ 枠体 １０１ レーザ光源 １０２ 被検体 １０３，１０５ 反射鏡 １０４ ＣＣＤイメージセンサ １０６ レンズ １０７ レンズ １０８ レーザ光源 Ｌ，Ｌ₁ ，Ｌ₂ レーザ光 ＲＬ，ＲＬ₂ 反射光

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 平行光乃至収束光をプローブ光として被
   検体に照射すると共にその照射方向が２本の回転軸回り
   の回動により可変である光照射部と、撮像レンズ及び受
   光素子からなりその光軸方向が２本の回転軸回りの回動
   により可変であり且つ上記被検体からの反射光をその反
   射点の像が当該光軸に一致するよう回動調整して検出す
   る光検出部と、上記プローブ光の出射方向及び上記光検
   出部での受光方向並びに当該光検出部と上記光照射部と
   の相対的位置関係より三角測量の原理で上記反射点の位
   置を検出する処理部とを備え、且つ光照射部の一方の回
   転軸と光検出部の一方の回転軸とが、該光照射部の回転
   中心と該光検出部の回転中心とを結ぶ直線（ω軸）に一
   致する三次元位置測定装置であって、 上記光照射部の回転中心と光検出部の回転中心とを結ぶ
   直線（ω軸）と一致しない回転軸方向のプローブ光の出
   射方向の走査および受光方向の走査を行うための反射鏡
   を該直線（ω軸）上に設けてなることを特徴とする三次
   元位置測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の三次元位置測定装置にお
   いて、該直線（ω軸）上に光軸調整用のレーザ光が貫通
   できる孔を設けてなることを特徴とする三次元位置測定
   装置。