JPH0560529A

JPH0560529A - 高さ測定装置

Info

Publication number: JPH0560529A
Application number: JP22591191A
Authority: JP
Inventors: Yukifumi Tsuda; 幸文津田; Mutsuko Gomi; 睦子五味; Kazutoshi Iketani; 和俊池谷; Kunio Sannomiya; 邦夫三宮
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1991-09-05
Filing date: 1991-09-05
Publication date: 1993-03-09

Abstract

(57)【要約】【目的】非接触で被測定物の高さを正確にかつ高速に
測定する高さ測定装置に関するもので、測定領域のみに
レーザスポット光を同時に投射し、一度の撮像で被測定
物上からの複数のスポット反射光を同時に取り込むこと
により高速、高精度で効率のよい処理が可能な高さ測定
装置を提供する。【構成】スポット光源１０３でレーザスポット光を発
生するとともに、そのスポット光を被測定物１０１上の
所定の測定領域にスポット偏向部１０４で偏向させ、被
測定物１０１の複数の測定領域に投射されたスポット光
の反射光をＣＣＤカメラで撮像し、その映像信号をＡ／
Ｄ変換した後、画像メモリ１０９に一時記憶しておき、
次に高さ演算手段１１０によりスポット画像からスポッ
ト像の中心位置を求め基準からのずれ量を算出し、三角
測量の原理に基づき測定点の高さを算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で被測定物の高さ
を正確にかつ高速に測定する高さ測定装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】近年、工業製品の生産の合理化、品質の
向上のため、組立・検査工程の自動化が急速に進展して
いる。このため視覚認識技術は不可欠であり、組立部品
の微細化に伴い更に高精度な視覚認識技術の開発が要望
されている。

【０００３】視覚認識技術の中の一つに光切断法を用い
た非接触式の三次元測定技術があり、この技術を応用し
た高さ計測装置が実用化され始めている。

【０００４】図５は従来の光切断法を用いた高さ測定装
置の構成を示すものである。図５において、５０１はス
リット光を発生するスリット光源、５０２はスリット光
を偏向し被測定物に投射するスリット偏向部（例えばガ
ルバノスキャナ）、５０３はスリット光、５０４は被測
定物、５０５は被測定物を設置固定する被測定物固定
台、５０６はスリット光のオン／オフ制御およびスリッ
ト光の偏向を制御するスリット制御部、５０７はスリッ
ト光５０３の被測定物５０４からの散乱光を撮像するＣ
ＣＤカメラ、５０８はＣＣＤカメラ５０７の映像出力信
号をディジタル化した画像信号に変換するカメラ入力
部、５０９は画像信号を記憶する画像メモリ、５１０は
画像信号よりスリット像の中心位置を計算し被測定物の
高さを計算する高さ演算部、５１１は本装置全体を制御
し高さデータを取得する全体制御部である。

【０００５】以上のように構成された高さ測定装置につ
いて、以下その動作について説明する。まず、スリット
光源５０１からのスリットレーザ光はスリット偏向部５
０２で偏向され被測定物５０４に投射される。スリット
偏向部５０２は被測定物５０４上をスリット光５０３で
走査するためのもので、スリット光５０３の偏向は、Ｃ
ＣＤカメラ５０７による被測定物５０４からのスリット
散乱光の撮像と連動して行われる。この場合、撮像され
たＣＣＤカメラ５０６上のスリット像は被測定物５０４
の表面の形状に応じ凹凸している。カメラ入力部５０８
は、ＣＣＤカメラ５０６の出力信号をディジタル信号に
変換し、画像メモリ５０９に画像情報として記憶され
る。高さ演算部５１０は画像メモリ５０９から読み出し
た画像信号より水平走査ライン毎にスリット像の輝度の
中心点を求め、これを測定点の像と見なし、基線長（ス
リット光源からカメラまでの距離）と、切断角（スリッ
ト光とカメラの光軸のなす角）とカメラの光軸と測定点
のなす角とを用いて三角測量法の原理により測定点の基
準面からの高さを計算する。このようにして１つのスリ
ット光に対して被測定物の高さデータを取得し、スリッ
ト制御部５０６とスリット偏向部５０２により被測定物
に投射するスリット光５０３の移動と上記演算を同期さ
せて繰り返し制御することで被測定物全体の高さデータ
を取得することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来例の構成では、撮像装置としてＣＣＤカメラを用いて
いるため、１本のスリット像を取り込むために１フレー
ム（１／３０秒）が必要になる。したがって、被測定物
全体の高さデータの取得するには、数秒〜１０数秒かか
り、高速性が要求される応用には使用できないという問
題があった。また、従来例で示すような装置を組立検査
工程等での検査装置に応用した場合、実際に測定する領
域以外の不要データを多量に扱う必要があるため、余分
な処理が発生し効率が悪く、処理時間が長いという課題
があった。

【０００７】本発明は上述した課題に鑑み、高速、高精
度で被測定物の高さを測定することができる高さ測定装
置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】これらの課題を解決する
ために本発明は、レーザスポット光を生成するスポット
光源と、被測定物における複数の測定領域を記憶する測
定領域記憶手段と、前記レーザスポット光を前記測定領
域記憶手段からの位置情報に従い被測定物の複数の測定
箇所に時分割的に高速で投射するスポット光偏向手段
と、被測定物上からの複数のスポット反射光を同時に撮
像する撮像手段と、前記撮像手段からの映像信号をディ
ジタル化し画像メモリに記憶する画像入力手段と、前記
画像メモリに記憶された複数のスポット像の中心位置を
求め、三角測量の原理に基づき被測定物上の測定領域の
基準面からの高さを計算する高さ演算手段と、装置全体
を制御し被測定物の高さデータを取得する全体制御手段
とを具備し、被測定物上の複数の測定領域に投射された
スポット光の反射光を同時に撮像することにより、高
速、高精度で被測定物の高さを測定することができる高
さ測定装置を提供するものである。

【０００９】

【作用】本発明は上記構成により、レーザスポット光を
被測定物の複数の測定箇所に見かけ上同時に投射するこ
とができる。このため、一度の撮像で被測定物上からの
複数のスポット反射光を同時に取り込むことができ、高
速化が可能になる。また、不要な部分のデータが少ない
ため、効率のよい処理が可能になる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を、図面を参照しな
がら説明する。

【００１１】なお、測定原理は従来例と同様に、三角測
量に基づいて被測定物の基準面からの高さを算出してい
る。

【００１２】図１は本発明の一実施例における高さ測定
装置のブロック結線図である。図１において、１０１は
被測定物で、被測定物固定台１０２上に設置・固定さ
れ、形状を測定される構成になっている。１０３はスポ
ット光源で、スポット光を発生する半導体レーザとレー
ザビームを整形し被測定物上で焦点を結すばせるための
光学レンズを有している。１０４はスポット偏向部で、
スポット光１０５を被測定物１０１上の所定の位置に移
動させるための偏向器であり、例えば音響光学素子を用
いた偏向器（ＡＯＤ）を用いて実現できる。この場合、
被測定物１０１上の測定領域は予め位置が概ね定められ
ており、かつ複数個分散していると仮定する。なお、被
測定物１０１上の測定領域にスポット光１０３を投射す
る手段としては、スポット制御部１０６内に設けられて
いる測定領域マップテーブルに測定領域の位置情報が予
め格納されており、これを順次読みだしスポット偏向部
１０４に与え、スポット光の位置決めを行っている。被
測定物１０１の複数の測定領域に投射されたスポット光
の反射光は、被測定物１０１の斜め上部に設けられたＣ
ＣＤカメラ１０７で撮像し、カメラ入力部１０８でＡ／
Ｄ変換されディジタル画像として画像メモリ１０９に格
納される。１１０は高さ（座標）演算部で、画像メモリ
１０９に一時記憶されたスポット画像からスポット像の
中心位置を求め基準からのずれ量を算出し、三角測量の
原理に基づき測定点の高さを算出する。１１１は全体制
御部で、装置全体を制御し被測定物の高さデータを取得
し、蓄積するもので、例えばマイクロコンピュータでも
構成が可能である。

【００１３】以上のように構成された高さ測定装置の動
作を図２を用いて説明する。図２（ａ）は、被測定物２
０１として数種類の組立部品２０２（Ａ〜Ｅ）がベース
に取り付けられたもので、組立が正しく行われているか
否かを検査する例を示している。高さ検査装置は組立部
品２０２の高さを個別に測定し、基準の高さデータと比
較判定する方式の装置であり、図２（ａ）はそれの画像
入力系を示している。本実施例では、組立部品２０２の
Ａ〜Ｅの高さを測定するために各部品毎に測定領域２０
３を設定し、この測定領域にスポット光を投射しその反
射光をＣＣＤカメラ１０７で撮像し、その画像からスポ
ット像の位置ずれを検出し高さ値を算出している。図２
（ｂ）は図２（ａ）において各組立部品２０２の測定領
域にスポット光を投射し、その反射光を撮像した画像を
示している。ここでは組立部品の高さを測定するため
に、部品の上部と部品近傍のベース部とにペアで測定領
域を設定し、その領域にスポット光を時分割的に高速で
投射しその反射光を同時に測定している。この場合、ス
ポット光の二次元偏向とスポット光のオン／オフ制御が
必要であり、測定領域の位置にある時のみスポット光を
オンし、スポット光が静止した状態で画像を取り込んで
いる。

【００１４】次に、図２（ｂ）のようなスポット画像か
ら組立部品の高さを算出する方法について説明する。こ
のためには予めいくつかのパラメータが既知である必要
がある。すなわち、基線長（スポット光源からカメラま
での距離）と、切断角（スポット光とカメラの光軸のな
す角）と、スポット光と基線のなす角である。次に図２
（ｂ）のスポット画像より各測定点毎にカメラの光軸と
測定点のなす角とを算出することにより三角測量法の原
理を用いて高さ求めることができる。スポット光と基線
のなす角がほぼ９０度であれば、さらに簡便な方法で高
さを求めることも可能である。すなわち、図２（ｂ）に
おいて各組立部品の上部の測定点とその近傍のベース測
定点とのスポット像の中心位置のＸ軸方向（水平走査方
向）のずれ量ｄa、ｄb、……、ｄe をそれぞれ求め、そ
の値から高さを換算する方法で計算が簡単で高速化がで
きる。さらに、高さに換算せず検査のみを行うには、前
記ずれ量ｄa〜ｄeを基準部品（良品サンプル）のそれと
比較する方法をとればさらに簡略化が可能になる。

【００１５】図１によるスポット偏光部１０４によるス
ポット光を偏向する方法を２つの実施例で説明する。ま
ず、図３に示すスポット偏向方法は、一次元の音響光学
偏向素子（ＡＯＤ）を２つ組み合わせて二次元の偏向器
を構成したもので、スポット光源３０２からでたレーザ
光をＹ方向偏向器３０３ー1とＸ方向偏向器３０３ー2で偏
向し、スポット照射領域３０１内の測定領域にランダム
に投射できる構成になっている。なお、偏向制御器３０
３ー3は２つの偏向器を制御するためのもので、周波数変
調器で構成されている。音響光学偏向素子を用いた偏向
器は、高速でランダムな走査が可能であり、本実施例に
用いた場合、１フレーム間に投射できるスポット光の数
は最低でも１００点以上可能である。したがって、１フ
レームで測定できる部品の数は５０個以上可能になる。

【００１６】スポット光を偏向する第２の実施例を説明
する。図４はスポット偏向部４０３にガルバノスキャナ
を用いたもので、Ｘ方向ガルバノスキャナ４０３ー1とＹ
方向ガルバノスキャナ４０３ー2を組み合わせて二次元の
偏向を実現している。偏向制御部４０３ー3はガルバノス
キャナを駆動制御するもので、入力された電圧に応じた
偏向角が得られる。この実施例では、ガルバノスキャナ
の偏向速度が前実施例ほど速くないため、１フレーム間
に投射できるスポット光の数は数十点である。しかし、
スポット光の位置決め精度を比較するとガルバノスキャ
ナの方が良いため測定する対象物の種類に応じて選択す
る必要がある。

【００１７】次に、本実施例を用いて高さ精度を向上さ
せる方法について説明する。図５はこれを説明するため
もので、図２の説明で用いた組立部品の高さを測定する
例を示している。図２では１個の部品の高さを１点で測
定していたが、図５では４点に分割して測定（図５
（ａ）〜同（ｄ）までの４フレーム）し、各点での高さ
を統合し部品の高さを決定することができるため、部品
の高さ精度が向上する。

【００１８】この場合、１つの測定領域の中の４つの測
定点をフレーム毎に分割する理由は、複数の測定点が近
接しているため撮像したスポット像が重なり正確な測定
ができなくなる可能性が高いためである。また、測定領
域を分割せずに同一測定点を複数回測定しても同様の効
果が得られる。

【００１９】以上説明したように、本実施例では予めス
ポット制御部１０６内の測定領域記憶手段に被測定物１
０１における複数の測定領域を記憶しておき、スポット
光源１０３によりレーザスポット光を生成するととも
に、スポット光偏向部１０４でレーザスポット光を前記
測定領域記憶手段からの位置情報に従い被測定物の複数
の測定箇所に時分割的に高速で投射し、被測定物１０１
上からの複数のスポット反射光を同時にＣＣＤカメラ１
０７により撮像した後、映像信号をディジタル化し画像
メモリ１０９に記憶させ、次に高さ（座標）演算部１１
０で画像メモリ１０９に記憶された複数のスポット像の
中心位置を求め、三角測量の原理に基づき被測定物上の
測定領域の基準面からの高さを計算することができる。
このように被測定物１０１上の複数の測定領域に投射さ
れたスポット光の反射光を同時に撮像することにより、
高速、高精度で被測定物の高さを測定することができ
る。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明は、レーザスポット
光を生成するスポット光源と、被測定物における複数の
測定領域を記憶する測定領域記憶手段と、前記レーザス
ポット光を前記測定領域記憶手段からの位置情報に従い
被測定物の複数の測定箇所に時分割的に高速で投射する
スポット光偏向手段と、被測定物上からの複数のスポッ
ト反射光を同時に撮像する撮像手段と、前記撮像手段か
らの映像信号をディジタル化し画像メモリに記憶する画
像入力手段と、前記画像メモリに記憶された複数のスポ
ット像の中心位置を求め、三角測量の原理に基づき被測
定物上の測定領域の三次元座標値を順次計算する座標演
算手段と、装置全体を制御し被測定物の高さデータを取
得する全体制御手段とを設けることにより、レーザスポ
ット光を被測定物の複数の測定箇所に見かけ上同時に投
射することができる。このため、一度の撮像で被測定物
上からの複数のスポット反射光を同時に取り込むことが
でき、高速化が可能になる。さらに、１個の部品の高さ
を複数点に分割して測定し、各点での高さを統合し部品
の高さを決定することができるため、部品の高さ精度が
向上する。当然のことながら測定領域を分割せずに同一
測定点を複数回測定しても同様の効果が得られる。ま
た、本発明は不要な部分のデータが少ないため、効率の
よい処理が可能になると共に処理の高速化が可能にな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における高さ測定装置のブロ
ック結線図

【図２】（ａ）同実施例における高さ測定装置の測定領
域とスポット光の投射位置を示す斜視図（ｂ）同実施例における高さ測定装置のスポット光の反
射光を撮像した画像の概念図

【図３】同実施例における高さ測定装置の要部であるス
ポット偏向手段の斜視図

【図４】同実施例における高さ測定装置の要部であるス
ポット偏向手段の斜視図

【図５】同実施例における高さ測定装置のスポット偏向
方法と画像入力の関係図

【図６】従来の高さ測定装置のブロック結線図

【符号の説明】

１０１被測定物１０２被測定物固定台１０３スポット光源１０４スポット偏向部１０５スポット光１０６スポット制御部１０７ＣＣＤカメラ１０８カメラ入力部１０９画像メモリ１１０高さ演算部１１１全体制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三宮邦夫神奈川県川崎市多摩区東三田３丁目10番１号松下技研株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザスポット光を生成するスポット光
源と、被測定物における複数の測定領域を記憶する測定
領域記憶手段と、前記レーザスポット光を前記測定領域
記憶手段からの位置情報に従い被測定物の複数の測定箇
所に時分割的に投射するスポット光偏向手段と、被測定
物上からの複数のスポット反射光を同時に撮像する撮像
手段と、前記撮像手段からの映像信号をディジタル化し
画像メモリに記憶する画像入力手段と、前記画像メモリ
に記憶された複数のスポット像の中心位置を求め、三角
測量の原理に基づき被測定物上の測定領域の基準面から
の高さを順次計算する高さ演算手段と、装置全体を制御
し被測定物の高さデータを取得する全体制御手段とを具
備する高さ測定装置。
【請求項２】スポット光偏向手段として、音響光学偏
向素子を用い二次元の偏向を行うことを特徴とする請求
項１記載の高さ測定装置。
【請求項３】スポット光偏向手段として、ガルバノメ
ータ・スキャナを用い二次元の偏向を行うことを特徴と
する請求項１記載の高さ測定装置。
【請求項４】撮像手段としてテレビジョンカメラまた
は二次元光位置検出素子を用いることを特徴とする請求
項１記載の高さ測定装置。
【請求項５】測定領域記憶手段には、１つの測定領域
に対し複数の測定点座標が記憶され、１回の撮像で入力
するスポット像は１測定領域につき１測定点となるよう
にスポット偏向手段を制御し、複数回の撮像で総ての測
定点に対応するスポット像を入力することを特徴とする
請求項１記載の高さ測定装置。