JPH06129822A

JPH06129822A - 非接触式形状測定用基準原器及び非接触式形状測定装置

Info

Publication number: JPH06129822A
Application number: JP28202992A
Authority: JP
Inventors: Koji Katsuragi; 廣治葛城; Touseki Kin; 東石金
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1992-10-20
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】光学式の非接触式形状測定装置において実際
の測定を行う前の基準原点の設定を正確に行う。【構成】基準原器６０の形状を測定することにより、
実際の形状測定動作を行う前の基準原点の設定を行う。
上記基準原器６０は、光軸に対して互いに逆方向に傾斜
する第１の平面Ａ及び第２の平面Ｂと、同じく光軸に対
して互いに逆方向に傾斜する第３の平面Ｃ及び第４の平
面Ｄとを有する。第１の平面Ａ及び第２の平面Ｂの交線
Ｅと、第３の平面Ｃ及び第４の平面Ｄの交線Ｆは、点Ｏ
において直交する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学式距離検出手段を
用いて被測定物の形状を非接触で測定する装置並びにこ
の非接触式形状測定を行う際にその基準原点を設定する
ために用いられる基準原器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、各種成形品や樹脂金型等の被測定
物の形状を測定する手段として、その被測定面に直接計
測針等を接触させるのではなく、光学式の距離センサ等
を用いて上記被測定面に対して接触せずにその形状測定
を行う技術が知られている。例えば、特開平２−２７２
３０８号公報には、発光素子から被測定物の表面に対し
て所定方向に光を照射し、その反射光を受光素子で受光
するとともに、その受光位置に基づいて上記発光素子か
ら被測定面までの距離を三角測量法を利用して算出する
ようにしたものが開示されている。

【０００３】さらに近年は、上記被測定物の複数面（例
えば正面、背面、平面、底面、左右側面の６つの面）を
順に上記光学式距離センサに向け、各面の形状を測定し
た後、これらの形状を合成することにより被測定物の全
表面の形状データを構築するといった装置の開発も進め
られている。図９は、カメラの５つの面の形状をそれぞ
れ個別に測定し、その後に各形状を座標変換しながら合
成する例を示している。このような形状データの合成を
正確に行うには、実際の測定を行う前に、各面の座標を
決めるための基準となる基準原点を設定しておく必要が
ある。

【０００４】従来、このような基準原点を設定するに
は、図２（ｂ）に示すような球形の基準原器９０が用い
られている。この基準原器９０を用いた形状測定手順は
次の通りである。

【０００５】ａ）基準原器９０を所定位置にセットす
る。

【０００６】ｂ）基準原器９０に対して光学式距離セン
サ３０を光軸と直交する方向にスキャンさせ、基準原器
９０の球面を測定する。

【０００７】ｃ）測定した球面から基準原器９０の中心
を演算し、これを基準原点として記憶する。

【０００８】ｄ）上記基準原器９０を退け、その中心が
位置していた点（すなわち基準原点）に合せて被測定物
をセットする。

【０００９】ｅ）この被測定物に対して光学式距離セン
サ３０をスキャンさせ、被測定面の形状を上記基準原点
を基準に演算する。

【００１０】ｆ）上記被測定物の各面について形状測定
を行った後、これらの形状を適宜座標変換しながら合成
して被測定物全表面の形状データを構築する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のような球形の基
準原器９０を用いた場合、光の照射位置によって光軸に
対する基準原器９０表面の傾斜角が大きく変化し（図２
（ｂ）において傾斜角θ₁≠θ₂≠θ₃）、これに伴って
測定精度が大きく変化する不都合がある。具体的には、
基準原器９０中央付近での傾斜角θ₃が約９０°と非常
に大きく、良好な精度が得られるのに対し、基準原器９
０周辺部での傾斜角θ₁は急激に小さくなるため、良好
な測定精度が得られず、場合によってはシャドウ効果に
より測定不能となる不都合がある。すなわち、この基準
原器９０では、基準原点の設定精度の向上に限界があ
り、合成データのつなぎ目にずれが生じる等の不都合が
発生するおそれがある。

【００１２】本発明は、このような事情に鑑み、実際の
測定を行う前の基準原点の設定を正確に行うことを可能
にし、これにより精度の高い形状測定を実現することが
できる装置並びに基準原器を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定物の表
面に光を照射する発光素子と上記被測定物表面から反射
された光を受けてその受光位置を検出する受光素子とを
備えた光学式距離検出手段を用いて上記被測定物の形状
を非接触で測定する前に、この測定の基準原点を設定す
るための基準原器であって、互いに隣接し、かつ相対的
に異なる向きに傾斜する第１の平面及び第２の平面と、
互いに隣接し、かつ相対的に異なる向きに傾斜する第３
の平面及び第４の平面とを有するとともに、上記第１の
平面と第２の平面との交線と、上記第３の平面と第４の
平面との交線とが交わるように各平面が配置されている
ものである。

【００１４】また本発明は、被測定物の表面に光を照射
する発光素子と上記被測定物表面から反射された光を受
けてその受光位置を検出する受光素子とを備えた光学式
距離検出手段を用いて上記被測定物の形状を非接触で測
定する装置であって、被測定物に対して予め定められた
基準方向から光を照射するように上記光学式距離検出手
段を支持する支持手段と、上記被測定物を上記光学式距
離検出手段に対して相対移動させる移送手段と、請求項
１記載の基準原器に対して上記基準方向から光が照射さ
れた時の受光素子の受光位置に基づいてこの基準原器の
第１の平面と第２の平面との交線及び第３の平面と第４
の平面との交線を求め、かつ両交線の交点を求める基準
原器形状演算手段と、上記交点に基づいて基準原点を設
定し記憶する記憶手段と、被測定物に対して上記基準方
向から光が照射された時の受光素子の受光位置と上記記
憶手段で記憶された基準原点と上記光学式距離検出手段
に対する被測定物の相対移送位置とに基づき上記被測定
物の形状を演算する被測定物形状演算手段とを備えたも
のである。

【００１５】

【作用】上記基準原器及びこれを用いた測定装置によれ
ば、基準原器の４つの平面に対して光を照射し、２本の
交線の交点により基準原点を設定するようにしているの
で、従来のように基準原器の球面に対して光を照射し、
その中心を基準原点とする場合と異なり、基準原器表面
に対する光軸の傾斜角が安定しており、その分測定精度
も安定する。

【００１６】

【実施例】本発明の一実施例を図１〜図８に基づいて説
明する。

【００１７】図３に示す非接触式形状測定装置は、べッ
ド１０を備え、このべッド１０上にＸ軸方向（図面奥行
き方向）に延びるＸ軸ガイド部材１１が固定されてい
る。このＸ軸ガイド部材１１上には、これに沿ってスラ
イド可能にＸ軸テーブル１２が設置され、このＸ軸テー
ブル１２はＸ軸駆動モータ１４によりスライド駆動され
るようになっている。このＸ軸テーブル１２上には、Ｙ
軸方向（図３の左右方向）に延びるＹ軸ガイド部材１６
が固定され、これに沿ってスライド可能にＹ軸テーブル
２０が設置されており、このＹ軸テーブル２０がＹ軸駆
動モータ１８によりスライド駆動されるようになってい
る。このＹ軸テーブル２０には、被測定物Ｗが載置され
るＺ軸テーブル２２が昇降可能（Ｚ軸方向に移動可能）
に設置されるとともに、このＺ軸テーブル２２がＺ軸駆
動モータ２３により昇降駆動されるようになっている。
すなわち、各軸駆動モータ１４，１８，２３の作動によ
り、上記Ｚ軸テーブル２２上に載置された被測定物Ｗが
Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸方向に移送されるようになっている。

【００１８】また、この装置には、基準位置からのＸ軸
テーブル１２の移動量を検出するＸ軸スケール２４、基
準位置からのＹ軸テーブル１６の移動量を検出するＹ軸
スケール２６、基準位置からのＺ軸テーブル２２の移動
量を検出するＺ軸スケール２８がそれぞれ設けられてい
る。これらのスケール２４，２６，２８は、各軸テーブ
ル１２，２０，２２の移動量を検出できるものであれば
良く、各軸テーブル１２，２０，２２の移動に伴ってガ
イドを転動するコロの回転量をポテンショメータで検出
するものや、感圧スケール押圧位置に応じた電圧を出力
するもの等が好適である。また、各軸駆動モータ１４，
１８，２３がステッピングモータ等で構成されている場
合には、その駆動信号のパルス数から移動距離を求める
ようにしてもよい。

【００１９】一方、これらの周囲を取り囲むようにして
門型のフレーム２９が上記べッド１０上に設置されてお
り、このフレーム２９の上部中央に光学式距離センサ３
０が下方を向く状態で垂直軸回りに旋回可能に装着され
ている。

【００２０】この光学式距離センサ３０は、三角測量法
を用いて対象物表面までの距離を検出するものであっ
て、図４に示すように、半導体レーザ等からなる発光素
子３２、投光レンズ３４、受光レンズ３６、及び光位置
検出素子（受光素子）３８を備えている。発光素子３２
は、鉛直下方に向かって光を照射する向きに配置されて
おり、光位置検出素子３８は、水平面に対して傾斜する
方向に広がる受光可能領域を有している。そして、上記
発光素子３２から投光レンズ３４を通じて被測定物Ｗの
表面上の点Ｐに光が照射されるとともに、その反射光が
受光レンズ３６を通じて光位置検出素子３８に受光さ
れ、その受光位置（厳密には受光量のピーク位置）が検
出されるようになっている。ここで、上記点Ｐが図４の
点Ｐ₁や点Ｐ₂へ昇降すると、光位置検出素子３８による
受光位置が変化することとなり、この受光位置に基づい
て三角測量法によりセンサから上記点Ｐまでの距離が演
算可能となる。

【００２１】なお、本発明ではこの光学式距離センサ３
０の具体的な構成を問わず、反射光を利用して被測定面
との距離を非接触で測定する種々の装置を適用すること
ができる。

【００２２】図１は、上記装置においてその実際の測定
の前に用いられる基準原器６０の形状を示したものであ
る。図示のように、この基準原器６０は、互いに略直交
する第１棒状部６２及び第２棒状部６４をもつ平面視Ｌ
字状に形成されている。第１棒状部６２の上部には、あ
る基準方向（図例では鉛直方向）に対して傾斜しかつ互
いに隣接する第１の平面Ａ及び第２の平面Ｂが形成さ
れ、第２棒状部６４の上部にも、上記鉛直方向に対して
傾斜しかつ互いに隣接する第３の平面Ｃ及び第４の平面
Ｄが形成されている。ここで各平面Ａ〜Ｄは次の表１に
示すような条件を満たすように配置されている。

【００２３】

【表１】（ｉ）第１の平面Ａと第２の平面Ｂは互いに逆方向に傾
斜し、かつ、鉛直方向に対する第１の平面Ａの傾斜角と
鉛直方向に対する第２の平面Ｂの傾斜角とは互いに等し
い。

【００２４】（ii）第３の平面Ｃと第４の平面Ｄは互い
に逆方向に傾斜し、かつ、鉛直方向に対する第３の平面
Ｃの傾斜角と鉛直方向に対する第４の平面Ｄの傾斜角と
は互いに等しい。

【００２５】（iii)第１の平面Ａと第２の平面Ｂとの交
線Ｅ、第３の平面Ｃと第４の平面Ｄとの交線Ｆはともに
同一水平面上にあり、両交線Ｅ，Ｆは上記平面上の点Ｏ
で交わる。

【００２６】また、各平面Ａ〜Ｄの表面性状は、その反
射光を良好に測定するために、白またはグレー等の色を
もつ光拡散面とすることが極めて望ましい。

【００２７】上記図３に示した形状測定装置は、図５に
示すような演算制御装置４０を備えている。この演算制
御装置４０には、同図に示すように、上記光位置検出素
子３８や各軸スケール２４，２６，２８からの検出信号
の他、キーボード等の入力装置５０を通じて外部からの
操作信号が入力されるようになっている。また、この演
算制御装置４０からは、各軸駆動モータ１４，１８，２
３に駆動制御信号が出力されるとともに、形状測定結果
がプリンタ等の表示装置５２に出力され、外部に表示さ
れるようになっている。

【００２８】この装置の特徴として、演算制御装置４０
は図６に示すような形状演算手段４２、基準座標軸記憶
手段４４、及び形状合成手段４６を備えている。

【００２９】形状演算手段（本発明における基準原器形
状演算手段及び被測定物形状演算手段を構成）４２は、
各軸スケール２４，２６，２８の検出結果から求められ
る上記基準原器６０や被測定物Ｗの移送位置と、光位置
検出素子３８の検出するその受光位置とに基づき、上記
基準原器６０や被測定物Ｗの表面形状を演算するととも
に、基準原器６０の形状演算時には、上記交線Ｅ，Ｆや
その交点Ｏに関する情報を基準座標軸記憶手段４４に入
力する一方、被測定物Ｗの形状演算時には、基準座標軸
記憶手段４４で記憶されている基準座標軸に基づいて被
測定面上の各点の位置座標を演算するものである。

【００３０】基準座標軸記憶手段４４は、上記形状演算
手段４２で演算された上記交点Ｏを基準原点として記憶
するとともに、互いに直交する２本の交線Ｅ，Ｆを基準
座標軸（Ｘ軸及びＹ軸）として記憶するものである。

【００３１】形状合成手段４６は、形状演算手段４２に
より演算される被測定物Ｗの各面の形状に関する情報
を、入力装置５０を通じて入力される面識別情報すなわ
ち被測定物Ｗのどの面（例えば正面、側面等）が光学式
距離センサ３０に向けられているかを識別する情報との
組合せで記憶し、各面での形状測定が終了した後に各形
状を合成するものである。

【００３２】次に、この装置による形状測定手順を図７
のフローチャートを併せて参照しながら説明する。

【００３３】まず、前記図３に示したＺ軸テーブル２２
上の所定位置に前記図１に示した基準原器６０を設置す
る（ステップＳ１）。そして、適宜各軸駆動モータ１
４，１８，２３を作動させることにより、光学式距離セ
ンサ３０に対して基準原器６０を相対移動させ、これに
よって上記光学式距離センサ３０で第１の平面Ａ及び第
２の平面Ｂをスキャンすることにより、両平面Ａ，Ｂ及
びその交線Ｅを検出する（ステップＳ２）。より具体的
には、各測定点での被測定面の三次元座標に基づいて、
平面Ａ，Ｂの近似平面を最小二乗法でそれぞれ演算し、
両平面Ａ，Ｂの交線Ｅの直線式を演算する。

【００３４】同様にして、第３の平面Ｃ及び第４の平面
Ｄをスキャンすることにより両平面Ｃ，Ｄ及びその交線
Ｆを検出する（ステップＳ３）。さらに、両交線Ｅ，Ｆ
の交点Ｏを検出し（ステップＳ４）、この交点Ｏを基準
原点とし、かつ両交線Ｅ，Ｆを互いに直交する基準座標
軸（Ｘ軸及びＹ軸）として基準座標軸記憶手段４４に記
憶させる（ステップＳ５）。

【００３５】なお、Ｚ軸についてはＸ，Ｙ軸が決まれば
自動的に算出が可能である。

【００３６】次に、上記基準原器６０をＺ軸テーブル２
２から取り去り、これに代え、記憶された上記基準座標
軸、すなわち、載置されていた基準原器６０の交線Ｅ，
Ｆに合せてＺ軸テーブル２２上に被測定物Ｗを載置し
（ステップＳ６）、その各面について形状測定を行う
（ステップＳ７）。

【００３７】この形状測定において、例えば被測定物Ｗ
の正面、背面、平面、底面、及び左右両側面の６面を測
定したい場合には、図８に示すような基準ブロック７０
をＺ軸テーブル２２上の所定位置（上記基準座標軸に対
応した位置）に正確に固定しておく一方、保持ブロック
７２の所定位置に被測定物Ｗを保持しておき、この保持
ブロック７２を上記基準ブロック７０に対して予め定め
られた６つの位置（図８（ａ）〜（ｆ）に示す位置）に
取付ければ、上記被測定物Ｗの６面を正確に光学式距離
センサ３０に向けることができ、各面形状を測定するこ
とができる。ここで、基準座標軸に対して基準ブロック
７０は正確に位置決めされており、かつこの基準ブロッ
ク７０に対する保持ブロック７２及び被測定物Ｗの相対
位置も予め設定されたものであるので、被測定物Ｗ表面
の位置座標は正確に把握することが可能である。

【００３８】なお、この形状測定の際、面識別情報、す
なわち現在の測定がどの面について行われているかとい
う情報を入力装置５０の操作で演算制御装置４０に入力
しておく。また、基準ブロック７０に対する被測定物Ｗ
の移動は手動・自動のいずれで行ってもよい。

【００３９】次に、各面形状を適宜座標変換（平行移動
や回転移動及びその組合せ）しながら合成することによ
り、被測定物全周面についての形状データを構築する
（ステップＳ８）。ここで、各面形状のデータは基準座
標軸に基づいて採取されているので、その座標変換は容
易に行うことができる。

【００４０】以上のように、前記図１に示した基準原器
６０によれば、スキャン面がすべて平面であり、このス
キャンデータに基づいて基準原点の割り出しを行うよう
にしているので、図２（ｂ）に示すような球形の基準原
器９０で基準原点を設定する場合に比べ、測定精度を大
幅に向上させることができる。すなわち、図２（ｂ）に
示す基準原器９０では、光学式距離センサ３０から光を
照射する位置によってその光軸と基準原器９０表面との
なす角度が大幅に変化し（図例ではθ₁≠θ₂≠θ₃）、
この表面の測定精度が大きくばらつくことになるが、本
実施例における基準原器６０によれば、例えば図２
（ａ）に示すように第１の平面Ａ及び第２の平面Ｂをス
キャンする場合に光軸と両平面Ａ，Ｂのなす角度は常に
一定である（図例ではθ₁＝θ₂＝θ₃）ため、測定精度
は安定しており、基準原点を正確に設定することができ
る。

【００４１】なお、本発明はこのような実施例に限定さ
れるものでなく、例として次のような態様をとることも
可能である。

【００４２】(1) 上記実施例では、光軸に対する第１の
平面Ａの傾斜角と光軸に対する第２の平面Ｂの傾斜角と
が互いに等しく、かつ光軸に対する第３の平面Ｃの傾斜
角と光軸に対する第４の平面Ｄの傾斜角とが互いに等し
いものを示したが、本実施例はこれに限らず、光軸に対
する各平面の傾斜角が測定可能な角度範囲内にあればよ
い。例えば、上記第１の平面Ａ，Ｂが図１に示すような
凸型でなく凹型に交わるものであっても良く、いずれか
一方の平面が光軸に対して直交していてもよい。

【００４３】ただし、上記実施例のように光軸に対する
平面Ａ，Ｂの傾斜角を相互等しくし、かつ光軸に対する
平面Ｃ，Ｄの傾斜角を相互等しくすれば、全体の測定精
度をより安定化することができる利点がある。

【００４４】(2) 上記実施例では、交線Ｅ，Ｆが直交し
ている例を示したが、本発明では少なくとも両交線Ｅ，
Ｆが特定の点で交わっていれば、これを基準原点に設定
して測定を行うことが可能である。ただし、上記実施例
のように両交線Ｅ，Ｆを直交させれば、これらの交線
Ｅ，Ｆをそのまま基準直交座標軸として設定することが
できる利点がある。

【００４５】(3) 上記実施例では、各面の形状を測定し
た後に座標変換しながら合成する装置を示したが、本発
明はこれに限らず、規準化された座標系をもとに形状デ
ータを採取する必要がある場合に特に有効に適用するこ
とができる。

【００４６】(4) 上記実施例では、被測定物Ｗを移動さ
せるものを示したが、被測定物Ｗを静止させたまま光学
式距離センサ３０を移動させるようにしてもよい。

【００４７】

【発明の効果】以上のように本発明は、第１の平面〜第
４の平面をもつ基準原器を用い、第１の平面及び第２の
平面の交線と、第３の平面及び第４の平面の交線との交
点に基づいて測定前の基準原点の設定を行うようにした
ものであるので、従来のように球形の基準原器で基準原
点を設定する場合に比べ、より正確に基準原点の設定を
行うことかでき、これにより形状測定精度を大幅に向上
させることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における非接触式形状測定用
基準原器の斜視図である。

【図２】（ａ）は上記基準原器を光学式距離センサによ
りスキャンする状態を示す正面図、（ｂ）は従来の基準
原器を光学式距離センサによりスキャンする状態を示す
正面図である。

【図３】上記基準原器を用いる非接触式形状測定装置の
正面図である。

【図４】上記非接触式形状測定装置に設けられる光学式
距離センサの構成図である。

【図５】上記非接触式形状測定装置に備えられる演算制
御装置の入出力信号を示すブロック図である。

【図６】上記演算制御装置の要部を示す機能ブロック図
である。

【図７】上記非接触式形状測定装置による測定手順を示
すフローチャートである。

【図８】（ａ）〜（ｆ）は上記非接触式形状測定装置に
用いられる基準ブロックに対する保持ブロックの取付態
様を示す正面図である。

【図９】各面形状データの合成例を示す説明図である。

【符号の説明】

１４Ｘ軸駆動モータ（移送手段）１８Ｙ軸駆動モータ（移送手段）２３Ｚ軸駆動モータ（移送手段）３０光学式距離センサ（光学式距離検出手段）３２発光素子３８光位置検出素子（受光素子）４０演算制御装置４２形状演算手段（基準原器形状演算手段及び被測定
物形状演算手段）４４基準座標軸記憶手段（記憶手段）６０基準原器Ａ第１の平面Ｂ第２の平面Ｃ第３の平面Ｄ第４の平面Ｅ第１の平面と第２の平面との交線Ｆ第３の平面と第４の平面との交線Ｏ両交線の交点Ｗ被測定物

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物の表面に光を照射する発光素子
と上記被測定物表面から反射された光を受けてその受光
位置を検出する受光素子とを備えた光学式距離検出手段
を用いて上記被測定物の形状を非接触で測定する前に、
この測定の基準原点を設定するための基準原器であっ
て、互いに隣接し、かつ相対的に異なる向きに傾斜する
第１の平面及び第２の平面と、互いに隣接し、かつ相対
的に異なる向きに傾斜する第３の平面及び第４の平面と
を有するとともに、上記第１の平面と第２の平面との交
線と、上記第３の平面と第４の平面との交線とが交わる
ように各平面が配置されていることを特徴とする非接触
式形状測定用基準原器。
【請求項２】被測定物の表面に光を照射する発光素子
と上記被測定物表面から反射された光を受けてその受光
位置を検出する受光素子とを備えた光学式距離検出手段
を用いて上記被測定物の形状を非接触で測定する装置で
あって、被測定物に対して予め定められた基準方向から
光を照射するように上記光学式距離検出手段を支持する
支持手段と、上記被測定物を上記光学式距離検出手段に
対して相対移動させる移送手段と、請求項１記載の基準
原器に対して上記基準方向から光が照射された時の受光
素子の受光位置に基づいてこの基準原器の第１の平面と
第２の平面との交線及び第３の平面と第４の平面との交
線を求め、かつ両交線の交点を求める基準原器形状演算
手段と、上記交点に基づいて基準原点を設定し記憶する
記憶手段と、被測定物に対して上記基準方向から光が照
射された時の受光素子の受光位置と上記記憶手段で記憶
された基準原点と上記光学式距離検出手段に対する被測
定物の相対移送位置とに基づき上記被測定物の形状を演
算する被測定物形状演算手段とを備えたことを特徴とす
る非接触式形状測定装置。