JPH0534121A - 三次元計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対象物を移動させることなく、画像処理用受
光部によるＸ軸方向及びＹ軸方向計測とレーザ測長器に
よるＺ軸方向計測を高精度に行なえるようにする。 【構成】 鏡筒１１内にコールドミラー３と全反射ミラ
ー６を納め、コールドミラー３の透過側に近赤外レーザ
を用いた共焦点反射型光学系のレーザ測長器２を配置す
る。コールドミラー３と全反射ミラー６で反射した光の
光路側に画像処理用ＣＣＤカメラ７を配置する。コール
ドミラー３は近赤外光を透過させ、可視光を反射するの
で、鏡筒１１内へ入射した光のうち、近赤外光はレーザ
測長器２で検出され、可視光は画像処理用ＣＣＤカメラ
７で検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は三次元計測装置に関す
る。具体的にいうと、非接触式で対象物の三次元方向の
寸法を計測する三次元計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】対象物の三次元寸法（つまり、装置の軸
方向〔以下、Ｚ軸方向とする。〕の寸法と軸方向に垂直
な２方向〔以下、Ｘ軸及びＹ軸方向とする。〕の寸法）
を計測するための三次元計測装置としては、画像処理カ
メラを用いたものがある。この画像処理カメラのＺ軸方
向（画像処理カメラの光軸方向）の計測精度は、画像処
理カメラに用いられているオートフォーカス機能の精度
によって決まる。しかし、オートフォーカスの測長精度
はせいぜい数１０μｍであって、Ｚ軸方向の測長精度が
Ｘ軸方向及びＹ軸方向に比べて悪かった。

【０００３】このため従来より、光切断法を利用したＺ
軸測長専用機や、三角測量の原理を利用したＺ軸測長専
用機を画像処理カメラに付加して三次元計測装置のＺ軸
測長精度を向上させている。

【０００４】図４はＺ軸測長専用機５４を付加された従
来の三次元測定装置５１であって、機器取付部５２には
画像処理用ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ５３とＺ軸測
長専用機５４がオフセット量δだけ離して平行に固定さ
れており、対象物５６はＸＹステージ５５の上にセット
されている。画像処理用ＣＣＤカメラ５３からの信号及
びＺ軸測長専用機５４からの信号は画像処理演算部５７
へ入力され、ここで信号処理及び演算され、計測結果が
得られる。

【０００５】しかして、計測時には、ＸＹステージ５５
を移動させることによって対象物５６を画像処理用ＣＣ
Ｄカメラ５３の直下に移動させ、画像処理用ＣＣＤカメ
ラ５３によって対象物５６のＸ軸方向及びＹ軸方向の寸
法を計測する。ついで、対象物５６上の同一点で計測す
るため、ＸＹステージ５５をオフセット量δだけ移動さ
せて対象物５６をＺ軸測長専用機５４の直下へ移動さ
せ、Ｚ軸測長専用機５４によって対象物５６の高さを計
測している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の三次元計測装置にあっては、画像処理用ＣＣ
ＤカメラやＺ軸測長専用機の機器取付部への取付け誤差
やバラツキによりオフセット量δや計測角度にずれが生
じており、画像処理用ＣＣＤカメラとＺ軸測長専用機と
の切り替え時に必然的に誤差を含むという問題があっ
た。

【０００７】また、ＸＹステージをオフセット量δだけ
移動させなければならないので、画像処理用ＣＣＤカメ
ラとＺ軸測長専用機との切り替えに時間が掛かり、計測
時間が遅くなるという欠点があった。

【０００８】さらに、ＸＹステージをオフセット量δだ
け動かさなければならないので、オフセット量δの分だ
けＸＹステージの周囲に死領域が生じていた。

【０００９】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、対象物を移
動させることなく高精度に三次元計測できるようにする
ことにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の三次元計測装置
は、画像処理用受光部と、レーザ測長器と、入射光を可
視光とレーザ測長器の使用波長の光とに分離する分光手
段とを備え、前記分光手段によって分離された光のうち
可視光を画像処理用受光部へ導き、レーザ測長器の使用
波長の光をレーザ測長器へ導くようにしたことを特徴と
している。

【００１１】

【作用】本発明の三次元計測装置にあっては、物側で画
像処理用受光部の光軸とレーザ測長器の光軸とが一致し
ており、測定対象物からの光を分光手段によって２つに
分け、一方を画像処理用受光部に導き、画像処理によっ
て光軸と垂直な２方向の寸法を計測し、他方の光をレー
ザ測長器に導いて光軸と平行な方向の寸法を計測するこ
とができる。

【００１２】したがって、オフセット量が零で、対象物
を移動させることなく対象物の三次元寸法を計測するこ
とができ、オフセット量により生じる計測誤差をなくす
ことができ、高精度の三次元計測装置を製作することが
できる。また、対象物を移動させたり、画像処理用受光
部とレーザ測長器を切り替えたりする必要がないので、
計測動作を高速化することができる。さらに、ＸＹステ
ージのような計測ステージの有効領域も大きくなる。

【００１３】また、上記分光手段は、入射光を可視光と
レーザ測長器の使用波長の光とに分離し、可視光を画像
処理用受光部へ送り、レーザ測長器の使用波長の光をレ
ーザ測長器へ送っているので、入射光を２つに分配した
にも拘らず、画像処理用受光部及びレーザ測長器が感度
不足ないし光量不足となることがない。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の一実施例による三次元計測装
置１の概略構成を示す。７は画像処理用ＣＣＤカメラ、
２は近赤外レーザを用いたレーザ測長器であって、互い
に平行となるようにしてＺステージ１０に固定されてい
る。画像処理用ＣＣＤカメラ７の信号とレーザ測長器２
の信号とは、画像処理演算部８に入力されており、画像
処理用ＣＣＤカメラ７と画像処理演算部８とによって計
測装置本体が構成されている。また、レーザ測長器２
は、Ｚ軸測長専用機となっている。

【００１５】ここで、レーザ測長器２は、共焦点反射型
光学系を用いたものであり、図２は共焦点反射型光学系
の原理図を示している。点光源２１から出射された光α
はビームスプリッタ２２で反射され、対物レンズ２３を
通過し、物側焦点位置にある対象物５の表面に集光され
る。一方、対象物５の表面で反射された光αは、対物レ
ンズ２３及びビームスプリッタ２２を通過し、像側焦点
位置に設けられたピンホール２４で集光された後、ピン
ホール２４と対向して配置されたＣＣＤイメージセンサ
のような検出器２５に結像される。しかして、このよう
な共焦点反射型光学系では、対象物５が物側焦点位置に
ある場合には、検出器２５における検出強度は極めて大
きいが、対象物５が物側焦点位置から少しでも外れる
と、検出器２５の検出強度が急激に低下する。従って、
レーザ測長器２に共焦点反射型光学系を利用すれば、対
象物５が一定位置（物側焦点位置）にある場合にのみ検
出信号を得ることができ、しかも、その検知位置は狭い
ので、高精度のＺ軸測長専用機とすることができる。こ
のような共焦点反射型光学系を利用した光学機器として
はレーザ顕微鏡があるので、本発明のレーザ測長器２も
レーザ顕微鏡に似た構成とすることができる。あるい
は、レーザ顕微鏡をそのままレーザ測長器２として用い
ることもできる。

【００１６】また、画像処理用ＣＣＤカメラ７及びレー
ザ測長器２の下方には共通の鏡筒１１が設けられてお
り、鏡筒１１内においてレーザ測長器２の真下にコール
ドミラー３などの分光器が配置され、画像処理用ＣＣＤ
カメラ７の真下に全反射ミラー６が配置されている。ま
た、分光器の下方には対物レンズ４が設けられている。

【００１７】上記分光器は、画像処理用ＣＣＤカメラ７
の使用波長域にある可視光とレーザ測長器２の使用波長
域にある近赤外光とを分離する機能をもつものである。
例えば、コールドミラー３は、図３に示すような反射率
特性を有しており、可視光をほぼ１００％反射し、近赤
外光をほぼ１００％透過させる。

【００１８】しかして、計測時には、対物レンズ４と対
向させるよう対象物５を位置させる。レーザ測長器２か
ら近赤外光９ａを出射させると、近赤外光９ａはコール
ドミラー３を透過し、対物レンズ４を通って対象物５に
照射される。対象物５の表面で反射した近赤外光及び対
象物５で反射した自然光は、対物レンズ４を通って鏡筒
１１内に入る。鏡筒１１内に入った近赤外光及び自然光
のうち、可視光９ｂはコールドミラー３で反射され、さ
らに全反射ミラー６で反射された後、画像処理用ＣＣＤ
カメラ７にとらえられ、対象物５のＸ軸方向及びＹ軸方
向の寸法（あるいは、ＸＹ平面内の平面形状）と概略の
Ｚ軸方向の寸法が計測される。

【００１９】一方、鏡筒１１内に入った近赤外光及び自
然光のうち、近赤外光９ａはコールドミラー３を透過
し、レーザ測長器２で検出される。画像処理用ＣＣＤカ
メラ７による計測終了後、直ちにＺステージ１０をＺ軸
方向へ連続的に移動させ、画像処理演算部８でレーザ測
長器２の出力を監視する。このとき、レーザ測長器２の
出力は、対象物５の表面がレーザ測長器２の物側焦点に
一致した時に最大値となるので、その時のＺステージ１
０の移動量から対象物５のＺ軸方向寸法を知ることがで
きる。しかも、その出力の最大値は、鋭いピークを示す
ので、高精度のＺ軸測長精度を得ることができる。

【００２０】上記のようにレーザ測長器２は、物側焦点
位置でしか出力を得ることができないので、高精度のＺ
軸測長精度を得ることができ、しかも、Ｚステージ１０
によりレーザ測長器２をＺ軸方向に移動させることによ
り広い計測レンジを得ることができる。従って、画像処
理を利用した計測装置本体により対象物５の平面形状を
計測し、レーザ測長器２によって対象物５の高さを計測
することにより、対象物５の三次元形状を高精度に計測
することができる。

【００２１】しかも、分光器によって分離させた光のう
ち可視光を画像処理用ＣＣＤカメラ７へ送り、近赤外光
をレーザ測長器２へ送っているので、分光器によって光
を分割したことによって光量不足となることがなく、必
要な感度を得ることができる。

【００２２】上記実施例では、分光器としてコールドミ
ラー３を用いたものを説明したが、コールドミラー３と
反対の特性を有するコールドフィルタを用いてもよい。
コールドフィルタは、コールドミラー３と反対の特性を
有するもので、近赤外光の反射率がほぼ１００％で、可
視光域の光の透過率がほぼ１００％という特性を有して
いる。したがって、分光器としてコールドフィルタを用
い、コールドフィルタを透過する方向に画像処理用ＣＣ
Ｄカメラ７を配置し、コールドフィルタで反射する方向
にレーザ測長器２を配置することにより、前記実施例と
同様な作用効果を奏することができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、対象物を移動させるこ
となく対象物の三次元寸法を計測することができ、対象
物の移動による計測誤差をなくすことができ、高精度の
三次元計測装置を製作することができる。また、対象物
を移動させたり、画像処理用受光部とレーザ測長器を切
り替えたりする必要がないので、計測動作を高速化する
ことができる。さらに、ＸＹステージのような計測ステ
ージの有効領域も大きくなる。

【００２４】また、上記分光手段は、入射光を可視光と
レーザ測長器の使用波長の光とに分離し、可視光を画像
処理用受光部へ送り、レーザ測長器の使用波長の光をレ
ーザ測長器へ送っているので、入射光を２つに分配した
にも拘らず、画像処理用受光器及びレーザ測長器が感度
不足ないし光量不足となることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による三次元計測装置を示す
概略構成図である。

【図２】共焦点反射型光学系の原理図である。

【図３】コールドミラーの反射率特性を示す図である。

【図４】従来例の三次元計測装置を示す正面図である。

【符号の説明】

２ レーザ測長器 ３ コールドミラー ５ 対象物 ７ 画像処理用ＣＣＤカメラ １１ 鏡筒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 北中 正教 京都市右京区花園土堂町10番地 オムロン 株式会社内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 画像処理用受光部と、レーザ測長器と、
   入射光を可視光とレーザ測長器の使用波長の光とに分離
   する分光手段とを備え、 前記分光手段によって分離された光のうち可視光を画像
   処理用受光部へ導き、レーザ測長器の使用波長の光をレ
   ーザ測長器へ導くようにした三次元計測装置。