JPH0560553A - 高さ測定装置 - Google Patents

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から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光偏向手段１
０４で偏向させ、被測定物で反射されたスポット光の光
量が一定の範囲に入るようにスポット制御手段１０６で
スポット光源１０３を制御する。一方、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撮
像手段１０７で撮像し、撮像手段１０７からの映像信号
をＡ／Ｄ変換しディジタル画像として画像メモリ１０９
に格納し、画像メモリ１０９に一時記憶されたスポット
画像から、高さ演算手段１１０で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ことにより、被測定物の高
さデータを取得し、蓄積する。

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６は従来の光切断法を用いた高さ測定装
置の構成例を示すものである。図６において、６０１は
スリット光を発生するスリット光源、６０２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）、６０３はスリット光、６０４は被
測定物、６０５は被測定物を設置固定する被測定物固定
台、６０６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、６０７はスリッ
ト光６０３の被測定物６０４からの散乱光を撮像するＣ
ＣＤカメラ、６０８はＣＣＤカメラ６０７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、６０９は画像信号を記憶する画像メモリ、６１０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、６１１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６０１からのスリットレーザ光はスリット偏向部６
０２で偏向され被測定物６０４に投射される。スリット
偏向部６０２は被測定物６０４上をスリット光６０３で
走査するためのもので、スリット光６０３の偏向は、Ｃ
ＣＤカメラ６０７による被測定物６０４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６０６上のスリット像は被測定物６０４
の表面の形状に応じ凹凸している。カメラ入力部６０８
は、ＣＣＤカメラ６０６の出力信号をディジタル信号に
変換し、画像メモリ６０９に画像情報として記憶され
る。高さ演算部６１０は画像メモリ６０９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６０６とスリット偏向部６０２により被測定物
に投射するスリット光６０３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。

【０００７】また、被測定物の色や材質によりスリット
光の反射光量が大幅に変化するため、高さ測定精度が劣
下したり、場合によっては測定不能になる。例えば表面
が黒色系で反射濃度が高い場合や逆に正反射し易い材質
で作られているものは撮像装置に入射するスリット光量
が少ないため一般的に測定が困難である。したがって、
測定対象物や応用範囲が限定されるという問題点があっ
た。

【０００８】本発明は上記従来技術の課題に鑑み、測定
対象物や応用範囲が限定されることなく、均一なスポッ
ト画像を入力することができ、被測定物の高さを測定精
度を向上し、かつ効率のよい処理が可能になる高さ測定
装置を提供するものである。

【０００９】

【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、被測定物からのスポット光反射光量を予め
測定し、総てのスポット反射光の光量が基準範囲に入る
ようにレーザスポット光源からの光量を制御した後、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。被測定物からのスポット光反射光量の
測定は、撮像装置により画像メモリに記憶されたスポッ
ト画像の輝度分布から求めることができる。

【００１０】

【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、スポット光源の光量を各測定
点毎に個別に制御することにより、被測定物の色や材質
に影響されず反射スポット光の光量をほぼ一定にするこ
とができる。このため、高さ測定精度は被測定物の色や
材質に影響されず、一様にすることができる。

【００１１】

【実施例】本発明の一実施例を、図面を参照しながら説
明する。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
装置の構成図である。図１において、被測定物１０１は
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。スポット光源１０３はスポッ
ト光を発生する半導体レーザとレーザビームを整形する
光学系であり、スポット偏向部１０４はスポット光１０
５を被測定物１０１上の所定の位置に移動させるための
偏向器とスポット光を被測定物上で焦点を結すばせるた
めの光学系であり、偏向器は例えば音響光学効果を用い
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。被測定物１
０１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１
０１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ＣＣＤ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。高さ演算部１１０では、画像メモリに一時記憶され
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。全体制御部１１１は、装置全体を制御
し被測定物の高さデータを取得し、蓄積するものでマイ
クロコンピュータで構成されている。

【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は、被測定物２０１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。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２０３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２０５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。

【００１４】図３（ａ）は図２において各組立部品２０
２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。図３（ａ）はスポット光源の光量を一定
にした場合のスポット画像であり、被測定物の材質や色
等の違いによりスポット光の反射光量が大幅に異なるた
め、スポット画像の輝度もばらつきが生じ、場合によっ
ては殆どスポット像が撮像できないこともある。一方図
３（ｂ）はスポット光源の光量を変調し、スポット反射
光量がほぼ一定になるように制御して撮像したスポット
画像である。この場合、各測定点毎の反射光量の測定は
スポット光源の光量を一定にして撮像したスポット画像
図３（ａ）を用いて行っている。具体的には、同図の画
像データよりスポット像に該当する領域を切り出し積算
する方法、またはピーク値を検出する方法により反射光
量を測定することができる。次に、この反射光量から光
量変調用の係数を個別に算出する。すなわち、反射光量
の最大値で各反射光量を規格化しその逆数を光量補正係
数とするものである。この光量補正係数によりスポット
光源の光量変調を行うが、制御範囲が広いため光の強度
と照射時間の両方を用いて制御している。

【００１５】図４はレーザスポット光源の光量を変調す
る手段を示す実施例であり、２通りあげている。図４
（ａ）は半導体レーザ４０２とＬＤ（半導体レーザ）制
御回路４０１とを用いる例で、光量補正係数に基づく光
量制御信号４０３により半導体レーザを駆動制御するも
のである。駆動方法としては、パルス振幅変調（ＰＡ
Ｍ）とパルス幅変調（ＰＷＭ）を併用している。図４
（ｂ）はレーザ光源を間接的に制御する方法を示してお
り、レーザ光源４０４からのレーザ光を光変調素子４０
５を用いて光量を調整するものである。この場合、光変
調素子を高周波で駆動する制御回路４０６が必要であ
り、光量補正係数に基づく光量制御信号４０７により光
変調素子の駆動信号が制御され、スポット光の光量が制
御される。

【００１６】次に、図３（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３
（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３（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。

【００１７】スポット光の偏向方法を実施例で説明す
る。図５に示すスポット偏向方法は、一次元の音響光学
光偏向素子（ＡＯＤ）を２つ組み合わせて二次元の偏向
器を構成した例である。スポット光源５０１からでたレ
ーザ光をＹ方向偏向器５０３ー1とＸ方向偏向器５０３ー2
とで偏向し、投射光学系５０２でスポット光を集束さ
せ、スポット照射領域５０４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５０３
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。音響光学光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、本発明に用
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。

【００１８】以上説明したように、本実施例はレーザス
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、被測定物からの
スポット光反射光量を予め測定し、総てのスポット反射
光の光量が基準範囲に入るようにレーザスポット光源か
らの光量を制御した後、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。

【００１９】

【発明の効果】本発明は以上のように、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、被測定物からのスポ
ット光反射光量を予め測定し、総てのスポット反射光の
光量が基準範囲に入るようにレーザスポット光源を制御
することにより、均一なスポット画像を入力することが
できるため、被測定物の高さを測定精度を向上すること
ができる。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。

【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】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

【図３】（ａ）同実施例におけるスポット光の反射光を
撮像した光量補正なしの画像を示した図 （ｂ）同実施例におけるスポット光の反射光を撮像した
光量補正ありの画像を示した図

【図４】同実施例における高さ測定装置の要部であるレ
ーザ光源の光量変調手段の各ブロック結線図

【図５】同実施例における高さ測定装置の要部であるス
ポット偏向手段のブロック結線図

【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 １０７ ＣＣＤ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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザスポット光を生成するレーザスポ
   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
   段とを具備し、被測定物からのスポット光反射光量を前
   記画像メモリに記憶されたスポット画像の輝度分布から
   求め、総てのスポット反射光の光量が基準範囲に入るよ
   うにレーザスポット光源からの光量を制御することを特
   徴とする高さ測定装置。
2. 【請求項２】 レーザスポット光源として半導体レーザ
   を使用し、レーザスポット光源の光量制御は半導体レー
   ザをパルス振幅変調とパルス幅変調の両方で駆動するこ
   とにより行うことを特徴とする請求項１記載の高さ測定
   装置。
3. 【請求項３】 レーザスポット光源としてレーザ光源と
   音響光学光変調器を使用し、レーザスポット光源の光量
   制御は前記音響光学光変調器を用いて行うことを特徴と
   する請求項１記載の高さ測定装置。