JPH05231832A

JPH05231832A - 三次元形状測定方法及び装置

Info

Publication number: JPH05231832A
Application number: JP8672892A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Inoue; 潔井上
Original assignee: INR Kenkyusho KK
Current assignee: INR Kenkyusho KK
Priority date: 1992-02-24
Filing date: 1992-02-24
Publication date: 1993-09-07

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】三角測量法の反射面の傾きによる影響を少な
くし、精密測定ができるよう改良する。【構成】１はレーザー発振器、２はレーザービームの
集束レンズ、Ｓ_１は被測定モデル６の傾斜面、１点Ｐ_１
にレンズ２によって集光したビームｌ_０のスポット照射
する。Ｓ_２は傾斜面に連続する水平面、３は投光軸と異
なる光軸に設けた受光レンズ、受光スポットを光位置検
出器４に当てて位置検出を行う。５は照射系及び受光系
を保持する測定ヘッドで、ＮＣ制御し、光ビームをモデ
ル６上を走査して形状測定する。７は光位置検出器４の
受光スポットの移動によって生ずる電気信号Ａ、Ｂを増
幅、偏差Ａ−Ｂ、Ａ＋Ｂをとって入力し、リニア補正や
平均処理し、（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演算処理をする
演算処理装置、８はレーザー発振器１のパルスパワー
源、９は検出信号による自動変調器で、発振器１０によ
りパワー電源８の制御をする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三次元形状の光学的測
定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、２次元もしくは３次元形状の測定
に、三角測量法により反射光の光スポットの位置を光位
置検出器ＰＳＤとかＣＣＤで検出して変位を測定する方
式のものが知られている。

【０００３】これは図７に示す如く、反射面Ｓの変位ｘ
により光位置検出器上を反射スポットが移動ｙするの
で、このｙを検出して変位ｘを測定することが三角法の
原理である。この場合、投光系と受光系とが２軸光学系
を形成しているため、反射面の傾き方向及び形状等によ
る影響が大きくなり、これが測定誤差として現れる欠点
がある。例えば、図８に示すように測定面が傾斜するＳ
_１面とそれに続く水平面Ｓ_２より成っている場合、照射
ビームｌ_０が斜面Ｓ_１の点Ｐ_１に当たったとき反射光ｌ
_１はラインセンサのｙ_１位置に検出されるが、このとき
Ｐ_１点の反射光が水平面Ｓ_２に当たって２次反射した光
ｌ_２はセンサのｙ_２位置に検出される。したがって、こ
のときのセンサ上の光スポット位置は、ｙ_１ｙ_２の中間
位置にあるよう検出処理されることになり、点ｙ_１から
ずれた位置を検出してしまうことになる。

【０００４】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の三
角測量法等の反射を利用する測定における反射面の傾き
等による影響を少なくし、測定誤差をなくした精密測定
ができるよう改良することを目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】三次元形状の被測定物に
光ビームを照射したときの反射を検出して形状測定する
方法に於て、前記検出を照射光と異なる波長光を検出し
て形状測定することを特徴とする。又、三次元形状の被
測定物に照射装置によって光ビームを照射し、反射光を
検出装置により検出して形状測定する装置に於て、前記
照射装置の発生する光と前記検出装置の検出する光の波
長を異ならしめたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】本発明は、前記のように反射の検出を照射光と
異なる波長光、例えば赤外線を特定して検出して形状測
定をするものであるから、２次反射、３次反射等の乱反
射による影響を少なくし、測定誤差を小さくして精密測
定することができる。

【０００７】

【実施例】以下、図面の一実施例により本発明を説明す
る。図１に於て、１はレーザー発振器、２はレーザービ
ームの集束レンズ、Ｓ_１は被測定モデル６の傾斜面で、
この１点Ｐ_１にレンズ２によって集光したビームｌ_０の
スポットを照射する。Ｓ_２は傾斜面に連続する水平面、
３は投光軸と異なる光軸に設けた受光レンズで、この受
光スポットを光位置検出器４に当てて位置検出を行う。
５は前記の照射系及び受光系を保持する測定ヘッドで、
これをＮＣ制御等によって移動制御し、光ビームをモデ
ル６上を隈なく走査して形状測定をする。７は光位置検
出器４の受光スポットの移動によって生ずる電気信号
Ａ、Ｂを増幅、偏差Ａ−Ｂ、Ａ＋Ｂをとって入力し、リ
ニア補正や平均処理し、割算（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）等
の演算処理をして位置の測定結果を出力する演算処理装
置、８はレーザー発振器１のパルスパワー源、９は検出
信号による自動変調器で、発振器１０によりパワー電源
８の制御をする。

【０００８】被測定体モデル６は、例えば石膏等の比熱
の大きい材料を用い、この単独でもよいが必要に応じ容
易赤外線発生体であるＭｎＯ_２、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｃａ
_２Ｏ、ＣｏＯ等を混合したり、又、例えばＭｎＯ_２６０
％、Ｆｅ_２Ｏ_３２０％、Ｃａ_２Ｏ１０％、ＣｏＯ１０％
混合焼結体を粉砕して混合する。混合量は２０〜５０％
程度混合することによって極めて高い赤外線放射特性を
示し、波長１．５μｍ以上５μｍ程度まで０．９５程度
の放射率となる。これを石膏のみでは約０．８程度の放
射率となる。

【０００９】又、光位置検出器４に前記波長域の赤外線
センサを用いることにより、赤外線の選択検出をするこ
とができる。センサーの検出波長域はＰｂＴｉＯ_３：１
〜１５μｍ、ＰｂＳ：０．８〜３μｍ、ＬｉＴｉＯ_３：
１〜１５μｍである。勿論、赤外線フィルタを設けるこ
とによって検出器は通常の光検出器を用いることができ
る。フィルタとしてはＳｉ：０．６〜１．２μｍ、Ｇ
ｅ：０．６〜１．５μｍ、ＩｎＡｓ：０．８〜３．６μ
ｍ、ＩｎＳｎＴｅ：１〜５μｍ等が利用される。

【００１０】以上に於て、レーザービームｌ_０を被測定
体６の傾斜面Ｓ_１のＰ_１点に照射したとする。照射点Ｐ
_１はレーザー照射によって急激に温度上昇して赤外線を
発生する。照射点の温度上昇度

【外１】と温度傾斜変化率

【外２】との関係は次式で表される。

【００１１】

【数１】

【００１２】比熱Ｃは次の通りである。

【００１３】

【数２】

【００１４】今、レーザー照射を始めてｔ秒後の上昇温
度Ｔは次式で表される。

【００１５】

【数３】

【００１６】ここで、

【００１７】ｔｃ＝Ｌ^２／π^２ｔ_１／２

【００１８】但し、Ｌは厚さを示し、ｔ_１／２はＴｍａ
ｘになる時間の１／２の時間を示す。温度Ｔと時間ｔの
関係は図２のグラフのように変化する。一方、Ｔｍａｘ
は次式で表される。

【００１９】

【数４】

【００２０】又、次式が成立する。

【００２１】

【数５】

【００２２】そこで、レーザー照射したときの上昇温度
は次の通り表される。

【００２３】

【数６】

【００２４】今、被照射体を鋼とすればα≒１、Ｋ＝
０．１１、Ｃ＝０．１２、ρ＝７．８、ｔ＝１０μｓ、
Ｐ＝５×１０^４Ｗ／ｃｍ^２であるとＴ≒２００℃となる
が、石膏の場合は同一時間（ｔ＝１０μｓ）で３２０゜
Ｃ以上に発熱する。

【００２５】このように照射点の材質、条件を一定にす
れば発熱温度ＴはＰ（ビームのＷ／ｃｍ^２）に比例する
ので、照射点へのレーザービームの入射角度により照射
面積ｃｍ^２が変化し、例えば図３に示すようにビームが
面に垂直入射（ａ）したときは面積が最小になり、傾斜
入射（ｂ）したときは面積が広がり、更に傾斜角度が増
加（ｃ）すると面積が増加しエネルギーＰが次第に低減
するから、同一時間中に照射点の発熱温度が低下するこ
とになる。一般に、傾斜面への入射パワーは垂直入射の
約８０％程度以下である。更に図１に於て、Ｐ_１点で反
射した光が平面Ｓ_２の点Ｐ_２に傾斜入射するときは、パ
ワーがそこでも８０％程度になるので発振器１から垂直
入射させるときの約６０％程度に低下することになる。
このことから図２の温度上昇特性がＰ_１点よりＰ_２点の
方が著しく遅れることは明らかである。

【００２６】一方、このようにして温度上昇した発熱部
からは赤外線が発生する。その赤外線の発生は、そのエ
ネルギー及びスペクトルが物体の種類と温度だけで定ま
り、赤外線出力Ａは次式に示される。

【００２７】

【数８】

【００２８】石膏を用いたスペクトルは１．５μｍ〜５
μｍの領域である。

【００２９】そこで、このサーマルエミッションを特定
波長域の赤外線センサで検出することにより乱反射を除
去して検出することができる。

【００３０】図１に於て、傾斜面Ｓ_１のＰ_１点から反射
する赤外線を波長域の合ったＰｂＴｉＯ_３１〜１５μｍ
を用いた検出器４で検出すると、温度上昇に比例して、
先ず所定の経過時間ｔにＰ_１点からの反射先（赤外線）
ｌ_１が検出でき、Ｐ_２点からの２次反射ｌ_２は温度上昇
の遅れから相当する時間遅れがある。そこで、検出器４
の検出信号により自動変調器９を作動し、発振器１０に
よりパワー電源８のパルス制御をして照射パルスがオフ
するようにタイミング制御すれば、Ｐ_２点からの２次反
射を検出しないですむ。反射光ｌ_１はレンズ３によって
検出器４の反射面Ｓ_１の位置に対応するスポット位置に
集光して検出され、三角法により反射面Ｓ_１の位置が検
出できる。演算装置７は検出器４からの信号Ａ、Ｂを
（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の割算する演算処理により位置
測定データを出力する。このデータは、更に照射位置を
走査するヘッド５を制御するＮＣ制御装置等からの走査
位置情報と共に、三次元形状信号を図示しないＣＰＵ演
算処理装置によって演算出力する。

【００３１】今、半導体レーザ１１に２００ｍＷ、８３
９ｎｍ波長のレーザーを用い、これをパルス幅１００μ
ｓ、休止幅１０ｍｓのパルスで１５μｍφのビーム径に
絞り、電力密度Ｐ≒１０^３Ｗ／ｃｍ^２のビーム照射し、
被測定体材料に石膏と鉄材を用い測定距離５０ｍｍで赤
外線の検出をした。検出センサ１３にはＩｎＳｂを用
い、これは波長５μｍ付近に感度のピークがあり、３〜
５μｍ域の赤外線検出ができる。

【００３２】図４は、測定面の傾斜角度を色々に変化
し、検出センサの検出信号強度を温度２００゜Ｃ以上に
対応する赤外線強度を基準にして判定し、パルスビーム
を照射してから検出センサが所定値の赤外線を検出する
までの遅れ時間を測定したものである。照射点の温度上
昇は鉄の場合、１０^３Ｗ／ｃｍ^２の電力密度、１００μ
ｓで照射したとき５０μｍ半径の球形が少なくとも２０
０℃以上になって、中心は約６００〜７００℃になって
いるはずで、ここから発生する赤外線を検出して測定し
たものである。測定結果から分かるように、ビーム照射
が測定面に垂直（９０゜）に入射したときが最も短時間
に所定強度が検出され、角度が小さくなって傾斜照射さ
れるようになると次第に時間が長くなっている。

【００３３】尚、照射ビームの電力密度を下げるかパル
ス幅を狭めることによって被測定体の破壊をまぬがれる
ことができ、材料によって変更設定するが、材料の破壊
を起こさない範囲で測定時間を短くするためには電力密
度を高めるようにする。一般に、測定時間は１ｍｓ程度
の時間で測定できるように設定することがよい。

【００３４】図５は発振器１からの照射ビームを一定パ
ルスとせずに、赤外線反射光の検出に対応させてパルス
遮断制御を行うときのレーザービームのパルス照射制御
を説明するものである。図に於て、横軸は時間、縦軸は
赤外線受光量である。先ず、照射点ａに一定エネルギー
のレーザーを照射し、照射点の加熱により赤外線の受光
量が所定に達したとき、その時間がｔａであったとす
る。又、ｂ点に照射して受光量が所定に達したときの時
間がｔｂであり、ｃ点ではｔｃ、ｄ点ではｔｄであった
とする。この場合の時間はｔａ＝ｔｂ＜ｔｃ＝ｔｄの関
係にあり、ａ及びｂ点は平面、ｃ及びｄ点は斜面であ
り、各々の時間で所定受光両が得られる毎に照射点を移
動して計測する。これにより平面検出は短時間に、斜面
検出は時間が長くかかるが、２次反射点からの赤外線は
更に時間がかかることになり、このような乱反射による
測定誤差を除去することができる。

【００３５】図６は赤外線を検出する検出器として他の
実施例を説明するもので、管１１内に赤外吸収ガス、Ｏ
_２、Ｎｚ、Ａｒ、ＳＯ_２、ＮＯｘ、ＣＯ_１、ＣＯ_２、Ｈ
_２Ｏ、その他を封入した放電管を用いる。この場合の入
射光強度Ｉ_０と透過光強度Ｉとの関係は次式に与えられ
る。

【００３６】

【数９】

【００３７】１２は管１１の両端Ａ、Ｂ点に設けたマイ
クロホンで、例えば２．６〜１８．５ｋＨｚで５ｍＶ／
μｂａｒ、−２６ｄＢ程度の感度のものが用いられる。
１３は赤外線フィルタで厚さ１〜５μｍ程度の、例えば
Ｓｉ膜が管１１に被覆されたものである。

【００３８】この検出器は、赤外線反射光が受光レンズ
を通して放電管１１に入射すると放電管の入射点で放電
が発生するが、その放電音をＡ、Ｂ点のマイクロホン１
２で検出する。検出信号は、図１における処理回路で演
算処理することにより測定信号を得るようにする。即
ち、放電管１１内の１点で放電が行われると、Ａ点、Ｂ
点の各マイクロホン１２には距離に応じた信号Ａ、Ｂが
検出されるから、これから（Ａ−Ｂ）／（Ａ＋Ｂ）の演
算処理をすることにより三角測量による位置の測定がで
きる。

【００３９】この光音響現象を利用した検出器の信号検
出も、図１の半導体センサによる検出と同様に光位置検
出で行えるものである。尚、検出センサはこれらの実施
例以外にも利用することができる。

【００４０】以上の実施例は、モデルに光ビームを照射
したときの赤外線反射光を検出することについて説明し
たが、赤外線以外の波長光の検出をすることもできる。
例えば被測定モデルに光反応物を混合しておき、照射光
と反応光の波長変換を行わせ、照射光と波長の異なる反
射光を所要波長域のフィルタを通して検出測定すること
により、２次、３次反射等をカットした精密測定をする
ことができる。この場合、入射光ｌ_０と反射検出光ｌ_１
の波長を各々入_０、入_１とすれば、例えば入_１＝１／２
入_０の反射光を検出する。

【００４１】

【発明の効果】以上のように本発明は、反射の検出を照
射光と異なる波長光、例えば赤外線を特定して検出して
形状測定をするものであるから、２次反射、３次反射等
の乱反射による影響を少なくし、測定誤差を小さくして
精密測定することができる。

【００４２】反射光としては赤外線を用いることがで
き、赤外線センサを用いて検出することができる。この
場合、モデルに容易赤外線発光体を混入しておくことに
よって赤外線発光を強めることができる。又、検出器に
はフィルタを設けることによって任意の光位置検出器の
利用ができる。又、反射光の検出波長域はフィルタによ
って任意に定めることができ、照射光と異なる波長域の
反射光の検出によって乱反射による影響を少なくし、傾
斜面の検出を高精度に測定でき、三次元形状測定を精密
に高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例構成図である。

【図２】照射点の温度上昇特性図である。

【図３】照射ビーム径の説明図である。

【図４】赤外線反射光の傾斜角度時間特性図である。

【図５】照射点走査の説明図である。

【図６】反射光検出器の他の実施例図である。

【図７】従来の説明図である。

【図８】従来の説明図である。

【符号の説明】

１レーザー発振器２，３レンズ４光位置検出器５測定ヘッド６被測定体モデル７演算処理装置８パワー源９自動変調器１０発振器

【数７】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】三次元形状の被測定物に光ビームを照射
したときの反射を検出して形状測定する方法に於て、前
記検出を照射光と異なる波長光を検出して形状測定する
ことを特徴とする三次元形状測定方法。
【請求項２】請求項１に於て、被測定物モデルに容易
赤外線発光体を混入して測定することを特徴とする三次
元形状測定方法。
【請求項３】請求項１に於て、検出を照射光と異なる
波長光の強度と位置を検出して測定することを特徴とす
る三次元形状測定方法。
【請求項４】三次元形状の被測定物に照射装置によっ
て光ビームを照射し、反射光を検出装置により検出して
形状測定する装置に於て、前記照射装置の発生する光と
前記検出装置の検出する光の波長を異ならしめたことを
特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項５】請求項４に於て、前記検出装置に赤外線
検出器を設けたことを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項６】請求項４に於て、前記検出装置に光音響
現象を利用した検出器を設けたことを特徴とする三次元
形状測定装置。
【請求項７】請求項４に於て、前記検出装置に波長フ
ィルタを設けたことを特徴とする三次元形状測定装置。