JPH0618235A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 散乱光の散乱パターンや被測定物の表面状態
に依存せず、高精度に被測定物の形状を計測することが
できる形状計測装置を提供する。 【構成】 形状計測装置は、載置された被測定物（７）
を回転する回転テーブル（６）と、この回転テーブル
（６）を回転させて選択した被測定物面上の被測定位置
（８）に光ビーム（５）を照射し、散乱した散乱光を検
出する光ヘッド（１）と、光ビーム（５）が照射される
軸方向に光ヘッド（１）を進退させて光ヘッド（１）の
位置と被測定位置（８）との相対距離を変化させる位置
変化手段（９）と、相対距離を変化させて検出した散乱
光の強度が最大になるときの光ヘッド（１）の位置座標
を演算するとともに、この演算された光ヘッド（１）の
位置座標と回転テーブル（６）の回転位置座標とから被
測定位置の座標を演算する座標演算手段（１０）とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、形状計測装置に係り、
特に、タービン翼等の被測定物に光ビームを照射し、散
乱した散乱光を検出して非測定物の形状を計測する形状
計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】３次元曲面の形状を計測するために接触
型あるいは非接触型の３次元計測装置が使用されてい
る。接触型の３次元計測装置に比べて、非接触型の３次
元計測装置は測定時間を短縮できることや取扱いが容易
である点で優れている。非接触型の３次元計測装置とし
ては、レーザ光等の光ビームを用いた形状計測装置がよ
く用いられている。

【０００３】図７にタービンブレードを被測定物７とし
て光ヘッド１からの光ビームを用いて形状計測する例を
示す。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、レーザ
光等の光ビームを用いた従来の形状計測装置は次のよう
な問題点があった。

【０００５】第１に、光ビームが被測定物面に垂直的
に、すなわち小さな入射角で照射された場合（図７
（ａ））には高精度で計測できるが、大きい入射角で照
射した場合（図７（ｂ））には散乱光の放射分布に起因
して計測誤差を生じる。３次元曲面を有する被測定物を
計測対象とする場合は、被測定物面に対して常に垂直的
に光ビームを照射することは困難であるので、この計測
誤差を従来は甘受しなければならなかった。

【０００６】第２に、検出される散乱光の強度は光ビー
ムを出射し散乱光を検出する光ヘッドと被測定物との相
対距離により変化するため、この相対距離を一定にして
計測していない従来の場合は計測値に誤差が含まれ易か
った。

【０００７】第３に、光ビームのスポット径より小さい
曲率半径を有する被測定物の部分、例えば被測定物の端
部では光ビームが複雑な散乱パターンで散乱するため、
正確な端部形状を得にくかった。

【０００８】第４に、いわゆる三角測量方法を用いる場
合は、散乱光の散乱パターンが、例えば粗さ等の被測定
物の表面状態に依存して複雑になるため、計測誤差を生
じ易かった。

【０００９】また、これらの問題点を解決するために、
被測定物の形状データを事前にコンピュータに記憶して
おき、この形状データに基づいて、計測誤差が少なくな
るように光ビームを被測定物面に照射することが考えら
れる。しかし、この場合には被測定物の形状を事前の登
録することに手間がかかるとともに、被測定物と光ヘッ
ドとの位置合わせが困難であるという問題点がある。ま
た、設計データがない被測定物の形状は計測できないと
いう問題点があった。

【００１０】そこで、本発明の目的は、上記従来技術の
有する問題を解消し、散乱光の散乱パターンや被測定物
の表面状態に依存せず、事前に形状データを登録してお
かなくとも高精度に被測定物の形状を計測することがで
きる形状計測装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による形状計測装置は、被測定物に光ビーム
を照射し、散乱した散乱光を検出して被測定物の形状を
計測する形状計測装置において、載置された被測定物を
回転する回転テーブルと、この回転テーブルを回転させ
て選択した被測定物面上の被測定位置に光ビームを照射
し、散乱した散乱光を検出する光ヘッドと、光ビームが
照射される軸方向に前記光ヘッドを進退させて前記光ヘ
ッドの位置と前記被測定位置との相対距離を変化させる
位置変化手段と、前記相対距離を変化させて検出した散
乱光の強度が最大になるときの光ヘッドの位置座標を演
算するとともに、この演算された光ヘッドの位置座標と
前記回転テーブルの回転位置座標とから前記被測定位置
の座標を演算する座標演算手段とを備え、前記光ヘッド
は前記散乱光を集光する集光レンズと前記散乱光を検出
する検出素子との間に、前記相対距離が所定距離のとき
に前記散乱光を最大に前記検出素子へ通過させるピンホ
ールを有することを特徴とする。

【００１２】

【作用】回転テーブルを回転して被測定物の被測定位置
を選択し、位置変化手段によって光ビームが照射される
軸方向に光ヘッドを進退させて光ヘッドの位置と被測定
位置との相対距離を変化させ、光ヘッドによって被測定
位置へ光ビームを照射し散乱した散乱光を検出する。光
ヘッドは散乱光を集光する集光レンズと散乱光を検出す
る検出素子との間に、相対距離が所定距離のときに散乱
光を最大に検出素子へ通過させるピンホールを有するの
で、このピンホールを通過した散乱光が最大になるとき
の光ヘッドの位置座標を検出することにより座標演算手
段で被測定位置の位置座標を演算するとともにこのよう
にして求めた光ヘッドの位置座標と回転テーブルの回転
位置座標とから被測定位置の座標を演算する。

【００１３】

【実施例】本発明による形状計測装置の実施例を図面を
参照して詳細に説明する。図１において、光ヘッド１
は、Ｘ軸テーブル２とＹ軸テーブル３とＺ軸テーブル４
とからなる３軸位置決め装置のＺ軸テーブル４に取り付
けられている。回転テーブル６上には非測定物７が載置
されている。光ヘッド１はＹ軸テーブル３により被測定
物７に対してＹ軸方向に進退させられる。また光ヘッド
１は必要に応じてＸ軸方向またはＺ軸方向にも移動させ
られる。光ヘッド１からはレーザ光等の光ビーム５がＹ
軸方向に出射され、被測定物７の非測定位置８へ照射さ
れる。光ヘッド１はまた非測定位置８で散乱された散乱
光を検出する。

【００１４】被測定物７の非測定位置８の選択は回転テ
ーブル６を回転させたり、Ｘ軸テーブル２やＺ軸テーブ
ル４上を光ヘッド１を並進運動させることによって行わ
れる。非測定位置８の選択は予め設定された測定プログ
ラムにしたがって時間の経緯とともに次々と行われる。
このために、選択する被測定位置８に対応して各テーブ
ル２、３、４および６の座標データは座標演算手段１０
に予め入力されている。座標演算手段１０は測定プログ
ラムにしたがってこれらの座標データを位置変化手段９
へ出力する。このようにして、Ｘ軸テーブル２、Ｙ軸テ
ーブル３およびＺ軸テーブル４の並進移動、および回転
テーブル６の回転移動は位置変化手段９によって行われ
る。座標演算手段１０は通常の演算手段や記憶手段等を
有するコンピュータデ構成されている。

【００１５】次に光ヘッド１の構成を詳細に図２を参照
して説明する。半導体レーザ光源または発光ダイオード
から出射し直線偏向の偏向特性を有する平行な光ビーム
５は偏向ビームスプリッタ１１で反射される。偏向ビー
ムスプリッタ１１で反射された光ビーム５の偏向は１／
４波長板１２を通過して円偏向の光ビーム５ａとなり、
対物レンズ１２によって被測定物７へ照射される。被測
定物７で散乱された散乱光１４は対物レンズ１３によっ
て集光される。対物レンズ１３によって集光された散乱
光１４は近似的に略平行光線となる。通常、散乱される
ことによる偏向の変化はないので、１／４波長板１２を
通過する前の散乱光１４の偏向は円偏向である。この円
偏向を有する散乱光１４は１／４波長板１２を通過して
直線偏向を有する散乱光１４ａとなる。散乱光１４ａの
偏向方向と光ビーム５ａの偏向方向とは直交している。
したがって、散乱光１４ａは偏向ビームスプリッタ１１
を透過する。偏向ビームスプリッタ１１を透過した散乱
光１４ａは集光レンズ１５によって集光され、ピンホー
ル１６を経てフォトダイオード１７により検出される。
ピンホール１６の開口は集光レンズ１５の焦点位置に配
置されている。

【００１６】次に図２および図３を参照して光ヘッド１
の作用について説明する。まず光ヘッド１を被測定物７
に対して進退させて被測定位置が８ａになったときを考
える。被測定位置８ａは対物レンズ１３の焦点位置の手
前にあるので、被測定位置８ａで散乱された散乱光１４
は対物レンズ１３を通過して拡散する光束となる。この
光束は、ピンホール１６の近傍では図２（ａ）に示すよ
うに、ピンホール１６の後方で集光するようにピンホー
ル１６へ入る。この結果、散乱光１４ａの一部はピンホ
ール１６によって遮蔽され、その残りのみがフォトダイ
オード１７によって検出される。

【００１７】また、被測定位置８ｂは対物レンズ１３の
焦点深度の範囲内で対物レンズ１３の焦点位置にあると
きを示す。この場合、被測定位置８ｂで散乱された散乱
光１４は対物レンズ１３を通過して平行光束となる。こ
の光束は、ピンホール１６の近傍では図２（ｂ）に示す
ように、ピンホール１６の開口に集光される。この結
果、散乱光１４ａの全てがフォトダイオード１７によっ
て検出される。

【００１８】また、光ヘッド１を被測定物７に対して進
退させて被測定位置が８ｃになったときを考える。被測
定位置８ｃは対物レンズ１３の焦点位置の手前にあるの
で、被測定位置８ｃで散乱された散乱光１４は対物レン
ズ１３を通過して拡散する光束となる。この光束は、ピ
ンホール１６の近傍では図２（ｃ）に示すように、ピン
ホール１６の前方で集光するようにピンホール１６へ入
る。この結果、散乱光１４ａの一部はピンホール１６に
よって遮蔽され、その残りのみがフォトダイオード１７
によって検出される。

【００１９】図３に、図２における（ａ）、（ｂ）およ
び（ｃ）に対応してフォトダイオード１７によって検出
される散乱光の強度を各々（ａ）、（ｂ）および（ｃ）
で示す。図３から明らかなように、被測定位置８ｂのと
き、すなわち光ヘッド１の位置と被測定位置８との相対
距離が対物レンズ１３の焦点深度の範囲内で対物レンズ
１３の焦点距離に等しいときに最大の信号がフォトダイ
オード１７によって検出される。したがって、フォトダ
イオード１７の信号が最大になるときの光ヘッド１の位
置として、すなわちＹ軸テーブル３の位置座標を得るこ
とにより光ヘッド１から一定の距離にある位置として、
被測定位置８の座標位置を求めることができる。

【００２０】次に、被測定物７の形状を自動的に計測す
る手順について説明する。測定プログラムにしたがい、
回転テーブル６、Ｘ軸テーブル２およびＺ軸テーブル４
の座表データが座標演算手段１０から読取られる。これ
らの座表データは座標演算手段１０へ出力される。座標
演算手段１０によって回転テーブル６、Ｘ軸テーブル２
およびＺ軸テーブル４が駆動され、一つの被測定位置８
が選択される。一つの被測定位置８が選択された後、測
定プログラムにしたがいＹ軸テーブル３を移動させて光
ヘッド１が被測定物７に対して進退させられる。

【００２１】以下に図４を参照して、選択された被測定
位置８の表面座標位置Ｙの計測手順について説明する。
工程２０では、測定を開始する前に光ヘッド１を適当に
定めた基準位置である原点に復帰させる。

【００２２】工程２１では、測定プログラムにしたがい
Ｙ軸テーブル３を移動させ光ヘッド１を被測定物７に対
して少しずつ近付けるか遠ざけるかする。移動するＹ軸
テーブル３の各座標位置において、光ヘッド１の座標位
置ｙ_ｉをＹ軸テーブル３から読むとともに、散乱光の強
度Ｉ_ｉをフォトダイオード１７で検出する。各座標位置
ｙ_ｉと散乱光の強度Ｉ_ｉの組み（ｙ_ｉ、Ｉ_ｉ）は座標演
算手段１０に記憶される。

【００２３】工程２２においては、散乱光の強度Ｉ_ｉが
最大Ｉ_ｐになる座標位置ｙ_ｐを求める。散乱光の強度Ｉ
_ｉは光ヘッド１の被測定物７からの距離が対物レンズ１
３の焦点距離と等しくなったときに最大となり、この位
置からはずれるほど減少する。そこで、検出した散乱光
の強度Ｉ_ｉをこの前に検出した散乱光の強度Ｉ_ｉ−１と
比較することによって、散乱光の強度が増加し次に減少
したかをモニターし、ピーク点（ｙ_ｐ、Ｉ_ｐ）を通過し
たか否かを判断する。未だピーク点（ｙ_ｐ、Ｉ_ｐ）を通
過していないと判断されたときは工程２１に戻る。ま
た、ピーク点（ｙ_ｐ、Ｉ_ｐ）を通過したと判断されたと
きは、工程２１に戻ることを止め、ピーク点（ｙ_ｐ、Ｉ
_ｐ）の位置座標ｙ_ｐを抽出する。

【００２４】工程２４では、位置座標ｙ_ｐから被測定物
７の表面座標位置Ｙを求める。ピーク点（ｙ_ｐ、Ｉ_ｐ）
を与える光ヘッド１の被測定物７からの距離は対物レン
ズ１３の焦点距離であり一定であるのでこれをＹ_ｏとお
く。被測定物７の表面座標位置Ｙは、 Ｙ＝ｙ_ｐ＋Ｙ_ｏ として得ることができる。この表面座標位置Ｙの値は座
標演算手段１０に記憶される。

【００２５】次に、測定プログラムにしたがい測定すべ
き次の被測定位置８が選択される。これに応じて回転テ
ーブル６、Ｘ軸テーブル２およびＺ軸テーブル４の座表
データが座標演算手段１０から読取られる。新たに選択
された被測定位置８に対して、工程２０〜２４を経て表
面座標位置Ｙが求められる。座標演算手段１０において
このようにして得られた表面座標位置Ｙを演算してつな
ぎ合わせることにより、被測定物７の形状が求められ
る。

【００２６】次に、図５を参照して、実際の計測結果に
ついて説明する。図５において、横軸にＹ軸テーブル３
の移動量、縦軸にフォトダイオード１７によって検出さ
れる散乱光の光量を示す。実際の計測では、Ｓ／Ｎを改
良するため、フォトダイオード１７による信号をＦＦＴ
（高速フーリエ変換）処理をした。すなわち、図５
（ｂ）に示すように周波数分析を行い、高周波数成分を
カットした後、逆ＦＦＴにより再び散乱光の光量を求め
た。図５（ａ）はＦＦＴ処理をする前の散乱光の光量変
化を示し、図５（ｃ）はＦＦＴ処理をした後の散乱光の
光量変化を示す。ＦＦＴ処理によりＳ／Ｎが改良され、
高精度に被測定位置８を求めることができる。なお、図
５（ａ）に示されるようなノイズの原因としては、半導
体レーザの戻り光による光ビームの強度変化や、被測定
物７の表面粗さや、図６（ｂ）におけるように被測定物
７のエッジの影響により散乱光の分布が不均一的になる
ことや、光ビーム５の入射角が小さくなり散乱光の光量
が小さくなること等がある。しかしながら、ＦＦＴ処理
で信号処理することにより図５（ｃ）に示すように、実
用上問題ない程度のＳ／Ｎを得ることができた。

【００２７】以上説明したように、本実施例の構成によ
れば、光ヘッド１を図２に示すように構成し、光ヘッド
５と被測定位置８との距離が所定距離のときにのみ散乱
光を最大に検出するようにしたので、被測定位置８の表
面座標位置Ｙを高精度に求めることができる。また、本
実施例による散乱光の検出においては、検出される光量
は散乱光の放射分布に直接的に依存しないので、被測定
物７の表面粗さ等の表面状態によらず高精度に被測定位
置８の表面座標位置Ｙを求めることができる。また、事
前に形状データがなくとも、図６（ｂ）の場合の被測定
物７の端部を含めて高精度に形状計測を行うことができ
る。また、フォトダイオード１７による信号をＦＦＴ処
理したので、実用上問題ない程度のＳ／Ｎで被測定位置
８の表面座標位置Ｙを求めることができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光ヘッドと被測定位置との相対距離が所定距離のときに
のみ散乱光を最大に検出できるようにしたので、被測定
物の表面状態によらず高精度に被測定物の形状を計測す
ることができる。また、事前に被測定物の形状データが
なくとも被測定物の形状を計測することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による形状計測装置の一実施例の概略構
成を示す斜視図。

【図２】本件発明による一実施例における光ヘッドの構
成を示す図。

【図３】図２における（ａ）、（ｂ）および（ｃ）に対
応して検出される散乱光の光量を示す図。

【図４】ピーク点検出手順を示すフローチャート図。

【図５】ＦＦＴ処理する前（ａ）、ＦＦＴ処理した後
（ｃ）のピンホールを通過する散乱光の光量、およびＦ
ＦＴ処理における周波数分析結果（ｂ）の各々を示す
図。

【図６】タービンブレードの形状を光ビームを照射して
計測する例を示す図。

【符号の説明】

１ 光ヘッド ２ Ｘ軸テーブル ３ Ｙ軸テーブル ４ Ｚ軸テーブル ５ 光ビーム ６ 回転テーブル ７ 被測定物 ８ 被測定位置 ９ 位置変化手段 １０ 座標演算手段 １１ 偏向ビームスプリッタ １２ １／４波長板 １３ 対物レンズ １４ 散乱光 １５ 集光レンズ １６ ピンホール １７ フォトダイオード

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物に光ビームを照射し、散乱した散
   乱光を検出して被測定物の形状を計測する形状計測装置
   において、載置された被測定物を回転する回転テーブル
   と、この回転テーブルを回転させて選択した被測定物面
   上の被測定位置に光ビームを照射し、散乱した散乱光を
   検出する光ヘッドと、光ビームが照射される軸方向に前
   記光ヘッドを進退させて前記光ヘッドの位置と前記被測
   定位置との相対距離を変化させる位置変化手段と、前記
   相対距離を変化させて検出した散乱光の強度が最大にな
   るときの光ヘッドの位置座標を演算するとともに、この
   演算された光ヘッドの位置座標と前記回転テーブルの回
   転位置座標とから前記被測定位置の座標を演算する座標
   演算手段とを備え、前記光ヘッドは前記散乱光を集光す
   る集光レンズと前記散乱光を検出する検出素子との間
   に、前記相対距離が所定距離のときに前記散乱光を最大
   に前記検出素子へ通過させるピンホールを有することを
   特徴とする形状計測装置。