JPH08233517A

JPH08233517A - 三次元形状測定装置

Info

Publication number: JPH08233517A
Application number: JP7061744A
Authority: JP
Inventors: Hisatsune Tsunoda; 久常角田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-02-24
Filing date: 1995-02-24
Publication date: 1996-09-13

Abstract

(57)【要約】【目的】測定の信頼性を低下させることなく、複数の
光距離センサを用いて各光距離センサによる同時計測を
行い、測定時間を短縮させる。【構成】レーザー変位計２１，２２の照射部２１Ａ，
２２Ａからのレーザー光の照射及び照射停止が繰り返さ
れる。レーザー変位計２１の照射部２１Ａからのレーザ
ー光の照射中における当該光距離センサ２１の受光部２
１Ｂの出力の三次元形状データ作製部３３による取り込
み時には、レーザー変位計２２の照射部２２Ａからのレ
ーザー光の照射が停止される。レーザー変位計２２の照
射部２２Ａからのレーザー光の照射中における当該光距
離センサ２２の受光部２２Ｂの出力の三次元形状データ
作製部３３による取り込み時には、レーザー変位計２１
の照射部２１Ａからのレーザー光の照射が停止される。
これにより、レーザー変位計２１，２２間の相互干渉が
防止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザー変位計等の光
距離センサを用いて、被測定物の三次元形状を測定する
三次元形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】被測定物に対して照射光を照射する照射
部と被測定物からの反射光を受光する受光部とを備えた
光距離センサを用いて、非接触で被測定物の三次元形状
を測定することが、従来から広く行われている。

【０００３】このような光距離センサの一つとして、三
角測量の原理を利用するとともにレーザー光を用いた三
角測距式レーザー変位計がある。

【０００４】図８は、一般的な三角測距式レーザー変位
計１の測定原理を示す説明図である。

【０００５】図８に示すように、このレーザー変位計１
は、被測定物６に対してスポット状のレーザー光（拡が
りのないレーザービーム）を照射する照射部２と、被測
定物６からの反射光を受光する受光部３とを備えてい
る。受光部３は、受光位置に応じた信号を出力するＰＳ
Ｄ（position sensitive device、半導体位置検出器）
やＣＣＤなどの１次元受光センサ４と、前記反射光（被
測定物６上の照射光による像）を前記１次元受光センサ
４の受光面上に投影させる受光レンズ５とから構成され
ている。

【０００６】このレーザー変位計１によれば、照射部２
から発したレーザー光は、被測定物６に照射され、その
反射光が受光レンズ５を介し受光センサ４により受光さ
れる。このとき、図８に示すように、被測定物６の面の
位置に応じて、受光センサ４に入る反射光の位置が変化
する。したがって、受光センサ４から、被測定物６上の
レーザー光照射位置までの距離を示す出力が得られる。

【０００７】なお、前記レーザー変位計１において、前
記照射部２としてスリット状のレーザー光を照射するも
のを用いるとともに、前記受光センサとして２次元受光
センサを用いたレーザー変位計も、知られている。この
レーザー変位計は、前記レーザー変位計１と同一の原理
に基づくものであるが、スリット状のレーザー光により
照射された被測定物６上の線状の照射位置（光切断線の
位置）の距離が、一括して前記２次元受光センサの出力
として得られるものである。

【０００８】そして、従来から、前述したようなレーザ
ー変位計を複数用いた三次元形状測定装置が提供されて
いる。図６は、このような従来の三次元形状測定装置の
一例の概略の構成を示す側面図である。

【０００９】この従来の三次元形状測定装置は、図６に
示すように、被測定物１０の側面方向の距離を測定する
側面測定用のレーザー変位計１１と、被測定物１０の上
面方向の距離を測定する上面測定用のレーザー変位計１
２と、レーザー変位計１１を図６中の上下方向（鉛直方
向、Ｚ方向）に移動させるＺステージ１３と、レーザー
変位計１２を図６中の左右方向に移動させるＲステージ
１４と、被測定物１０を鉛直方向に延びる回転軸Ｏを中
心として回転させるθステージ１５と、θステージ１５
上に搭載され水平面内において被測定物１０を格子状に
移動させるＸ−Ｙステージ１６と、各ステージ１３，１
４，１５を支持する基盤１７と、を備えている。

【００１０】前記レーザー変位計１１，１２は、図８に
示した変位計１と同一の構成を有しており、それぞれ照
射部１１Ａ，１２Ａと受光部１１Ｂ，１２Ｂとを有して
いる。そして、レーザー変位計１１，１２として全く同
一のレーザー変位計が用いられており、照射部１１Ａ，
１２Ａは同一波長のレーザー光を照射し、受光部１１
Ｂ，１２Ｂはその波長の光を受光する。

【００１１】図６に示す従来の装置では、次のようにし
て被測定物１０の三次元形状が測定される。

【００１２】まず、Ｒステージ１４を駆動してレーザー
変位計１２の照射光軸をθステージ１５の回転軸Ｏと一
致させるとともに、Ｘ−Ｙステージ１６を駆動して被測
定物１０の中心をθステージ１５の回転軸Ｏとほぼ一致
させる。また、Ｚステージ１３を駆動してレーザー変位
計１１の照射光軸を被測定物１０の最下位置に当てる。
これらの位置が初期位置である。

【００１３】次に、レーザー変位計１２の照射部１２Ａ
からのレーザー光の照射を継続しつつ、レーザー変位計
１２による被測定物１０の上面の測定を行う。すなわ
ち、まず、被測定物１０の上面における回転軸Ｏ上の点
までの距離をレーザー変位計１２で測定する。その後、
Ｒステージ１４を駆動してレーザー変位計１２を所定量
動かした後、θステージ１５により被測定物１０を回転
させながら一定角度ごとの被測定物１０の上面までの距
離をレーザー変位計１２で測定する。被測定物１０が１
回転すると、レーザー変位計１２をＲステージ１４によ
り同じ向きに更に所定量移動させて、同様に、被測定物
１０を回転させながら被測定物１０の上面までの距離を
レーザー変位計１２で測定する。これを繰り返し、レー
ザー変位計１２からのレーザー光が被測定物１０に当た
らなくなれば、レーザー変位計１２による被測定物１０
の上面の三次元形状の測定が終了する。なお、レーザー
変位計１２による測定中には、レーザー変位計１１の照
射部１１Ａからのレーザー光の照射は、停止されてい
る。

【００１４】次に、レーザー変位計１２の照射部１２Ａ
からのレーザー光の照射を停止し、レーザー変位計１１
の照射部１１Ａからのレーザー光の照射を継続しつつ、
レーザー変位計１１による被測定物１０の側面の測定を
行う。すなわち、θステージ１５により被測定物１０を
回転させながら、被測定物１０の最下位置における一定
角度ごとの被測定物１０の側面までの距離をレーザー変
位計１１で測定する。被測定物１０が１回転すると、レ
ーザー変位計１１をＺステージ１３により上方に所定量
移動させて、同様に、被測定物１０を回転させながら被
測定物１０の側面までの距離をレーザー変位計１１で測
定する。これを繰り返し、レーザー変位計１１からのレ
ーザー光が被測定物１０に当たらなくなれば、レーザー
変位計１１による被測定物１０の側面の三次元形状の測
定が終了する。

【００１５】その後、レーザー変位計１２により得た被
測定物１０の上面の三次元形状データとレーザー変位計
１１により得た被測定物１０の側面の三次元形状データ
とを合成することにより、被測定物１０の全体の三次元
形状データが得られる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６に
示す従来の三次元形状測定装置では、前述したように、
レーザー変位計１２による被測定物１０の上面の測定と
レーザー変位計１１による被測定物１０の側面の測定
を、同時ではなく、順次に行っていたので、測定時間が
長いという欠点がある。

【００１７】そこで、本件発明者は、測定時間を短縮す
るべく、図６に示す三次元形状測定装置において、レー
ザー変位計１２による被測定物１０の上面の測定とレー
ザー変位計１１による被測定物１０の側面の測定を、同
時に行うようにしてみた。

【００１８】すなわち、測定中は、前記初期位置レーザ
ー変位計１１，１２の照射部１１Ａ，１２Ａから同時に
レーザー光を照射させる。そして、まず、被測定物１０
の上面における回転軸Ｏ上の点までの距離をレーザー変
位計１２で測定する。その後、Ｒステージ１４を駆動し
てレーザー変位計１２を所定量動かした後、θステージ
１５により被測定物１０を回転させながら、一定角度ご
との被測定物１０の上面までの距離をレーザー変位計１
２で測定すると同時に、被測定物１０の最下位置におけ
る一定角度ごとの被測定物１０の側面までの距離をレー
ザー変位計１１で測定する。被測定物１０が１回転する
と、レーザー変位計１２をＲステージ１４により更に所
定量移動させるとともに、レーザー変位計１１をＺステ
ージ１３により上方に所定量移動させた後、同様に、θ
ステージ１５により被測定物１０を回転させながら、一
定角度ごとの被測定物１０の上面までの距離をレーザー
変位計１２で測定すると同時に、一定角度ごとの被測定
物１０の側面までの距離をレーザー変位計１１で測定す
る。そして、これを繰り返し、レーザー変位計１２から
のレーザー光が被測定物１０に当たらなくなれば、レー
ザー変位計１２による被測定物１０の上面の三次元形状
の測定が終了し、レーザー変位計１１からのレーザー光
が被測定物１０に当たらなくなれば、レーザー変位計１
１による被測定物１０の側面の三次元形状の測定が終了
する。

【００１９】その後、レーザー変位計１２により得た被
測定物１０の上面の三次元形状データとレーザー変位計
１１により得た被測定物１０の側面の三次元形状データ
とを合成することにより、被測定物１０の全体の三次元
形状データが得られる。

【００２０】しかし、このようにしてレーザー変位計１
１，１２による同時測定を行った場合には、測定時間は
大幅に短縮するものの、三次元形状データ中に誤ったデ
ータが含まれ、測定の信頼性が低下してしまうことが判
明した。

【００２１】以上説明した事情は、三角測距式レーザー
変位計のみならず、合焦方式の光距離センサなど他の種
々の光距離センサについても同様である。

【００２２】本発明は、前記事情に鑑みてなされたもの
で、測定の信頼性を低下させることなく、複数の光距離
センサを用いて各光距離センサによる同時計測を行うこ
とができ、測定時間を短縮させることができる三次元形
状測定装置を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の第１の態様による三次元形状測定装置は、
各々が、被測定物に対して照射光を照射する照射部と、
前記被測定物からの反射光を受光する受光部とを備えた
複数の光距離センサと、前記光距離センサと前記被測定
物との間の相対位置を変更させる位置変更手段と、前記
複数の光距離センサの各々と前記被測定物との間の各相
対位置に応じた前記複数の光距離センサの受光部の出力
に基づいて、前記被測定物の三次元形状データを作製す
る三次元形状データ作製手段と、を備えた三次元形状測
定装置において、前記複数の光距離センサの各々の照射
部からの照射光の照射及び照射停止が繰り返されるとと
もに、前記複数の光距離センサのうちの１つの光距離セ
ンサの照射部からの照射光の照射中における当該光距離
センサの受光部の出力の前記三次元形状データ作製手段
による取り込み時には、前記複数の光距離センサの残り
の光距離センサの照射部からの照射光の照射が停止され
るように、前記複数の光距離センサの照射部を駆動す
る、駆動手段を更に備えたものである。

【００２４】本発明の第２の態様による三次元形状測定
装置は、各々が、被測定物に対して照射光を照射する照
射部と、前記被測定物からの反射光を受光し、該反射光
の受光位置に応じたレベルを示す信号を出力する受光部
とを備えた複数の光距離センサと、前記光距離センサと
前記被測定物との間の相対位置を変更させる位置変更手
段と、前記複数の光距離センサの各々と前記被測定物と
の間の各相対位置に応じた前記複数の光距離センサの受
光部の出力に基づいて、前記被測定物の三次元形状デー
タを作製する三次元形状データ作製手段と、を備えた三
次元形状測定装置において、前記複数の光距離センサの
各々の照射部からの照射光の照射及び照射停止が互いに
異なる周波数で繰り返されるように、前記複数の光距離
センサを駆動する駆動手段と、前記複数の光距離センサ
の各々の受光部の出力に対して、当該光距離センサの照
射部からの照射光の照射周波数に応じた周波数検波を行
う周波数検波手段と、を更に備え、前記三次元形状デー
タ作製手段は、周波数検波が行われた前記複数の光距離
センサの受光部の出力に基づいて、前記被測定物の三次
元形状データを作製するものである。

【００２５】本発明の第３の態様による三次元形状測定
装置は、各々が、被測定物に対して照射光を照射する照
射部と、前記被測定物からの反射光を受光し、該反射光
の受光位置に応じたレベルを示す信号を出力する受光部
とを備えた複数の光距離センサと、前記光距離センサと
前記被測定物との間の相対位置を変更させる位置変更手
段と、前記複数の光距離センサの各々と前記被測定物と
の間の各相対位置に応じた前記複数の光距離センサの受
光部の出力に基づいて、前記被測定物の三次元形状デー
タを作製する三次元形状データ作製手段と、を備えた三
次元形状測定装置において、前記複数の光距離センサの
各々の照射部からの照射光を互いに異なる周波数でチョ
ッピングする光学チョッパと、前記複数の光距離センサ
の各々の受光部の出力に対して、当該光距離センサの照
射部からの照射光のチョッピング周波数に応じた周波数
検波を行う周波数検波手段と、を更に備え、前記三次元
形状データ作製手段は、周波数検波が行われた前記複数
の光距離センサの受光部の出力に基づいて、前記被測定
物の三次元形状データを作製するものである。

【００２６】

【作用】前述したようにして、図６に示す三次元形状測
定装置において、レーザー変位計１２による被測定物１
０の上面の測定とレーザー変位計１１による被測定物１
０の側面の測定を同時に行う場合に、三次元形状データ
中に誤ったデータが含まれ、測定の信頼性が低下してし
まう原因は、本件発明者の研究により、レーザー変位計
１１，１２間の相互干渉であることが判明した。

【００２７】すなわち、前述したようにしてレーザー変
位計１１，１２による同時測定を行うと、例えば、図７
に示すような、レーザー変位計１１，１２の位置関係及
び被測定物１０の形状の場合には、レーザー変位計１１
の受光部１１Ｂは、自分の照射部１１Ａから照射された
レーザー光１８ａによる反射光１８ｂを受光するのみな
らず、レーザー変位計１２の照射部１２Ａから照射され
たレーザー光１９ａによる反射光１９ｃをも受光してし
まう。なお、レーザー光１９ａによる反射光１９ｂがレ
ーザー変位計１２による測定に用いられるものである
が、反射光１９ｃも、被測定物１０の形状による乱反射
により生ずるのである。したがって、レーザー変位計１
１の出力が異常となり、その場合に得られたデータが誤
ったものとなる。

【００２８】本発明は、このような知見に基づいてなさ
れたもので、複数の光距離センサによる同時測定時にお
ける光距離センサ間の相互干渉を防ぎ、測定の信頼性を
低下させることなく、測定時間の短縮を図ることができ
るものである。

【００２９】すなわち、前記第１の態様によれば、複数
の光距離センサの各々の照射部からの照射光の照射及び
照射停止が繰り返されるとともに、前記複数の光距離セ
ンサのうちの１つの光距離センサの照射部からの照射光
の照射中における当該光距離センサの受光部の出力の前
記三次元形状データ作製手段による取り込み時には、前
記複数の光距離センサの残りの光距離センサの照射部か
らの照射光の照射が停止されるように、前記複数の光距
離センサの照射部が駆動手段により駆動される。したが
って、瞬時的に見ると、ある光距離センサによる測定時
には他の光距離センサから照射光が発せられないので、
複数の光距離センサ間の相互干渉が防止され、測定の信
頼性が低下することがない。そして、複数の光距離セン
サの各々の照射部からの照射光の照射及び照射停止が繰
り返されるので、全体的に見ると、各光距離センサによ
る測定が実質的に同時に行われることになる。

【００３０】また、前記第２の態様によれば、複数の光
距離センサの各々の照射部からの照射光の照射及び照射
停止が互いに異なる周波数で繰り返されるように、前記
複数の光距離センサが駆動手段により駆動される。した
がって、ある光距離センサの受光部に他の光距離センサ
からの照射光による反射光も入射すると、当該光距離セ
ンサの受光部の出力には、当該光距離センサからの照射
光による反射光に対応する所定の周波数成分と他の光距
離センサからの照射光による反射光に対応する他の周波
数成分とが含まれることになる。しかし、当該光距離セ
ンサの受光部の出力に対して、周波数検波手段によっ
て、当該光距離センサの照射部からの照射光の照射周波
数に応じた周波数検波が行われ、この周波数検波が行わ
れた出力がデータとして採用される。その結果、周波数
検波手段によって、当該光距離センサの受光部の出力か
ら、当該光距離センサからの照射光による反射光に対応
する所定の周波数成分のみが抽出され、当該光距離セン
サからの照射光による反射光に対応する信号のみがデー
タとして採用されることになる。したがって、複数の光
距離センサによる同時測定時における光距離センサ間の
相互干渉が防止され、測定の信頼性が低下することな
く、測定時間が短縮する。

【００３１】前記第２の態様では、光距離センサの照射
部を駆動する駆動手段を用いて照射光の被測定物への照
射と照射停止の繰り返しが行われているのに対し、前記
第３の態様では、光学チョッパを用いて照射光の被測定
物への照射と照射停止の繰り返しが行われている点で、
両者は異なるが、原理的には両者は全く同一である。し
たがって、前記第３の態様の場合にも、複数の光距離セ
ンサによる同時測定時における光距離センサ間の相互干
渉が防止され、測定の信頼性が低下することなく、測定
時間が短縮する。

【００３２】

【実施例】以下、本発明の種々の実施例による三次元形
状測定装置について、図面を参照して説明する。なお、
以下の本実施例では、被測定物は、歯科用作業模型とす
る。もっとも、被測定物はこれに限定されるものではな
く、本発明による三次元形状測定装置は他の任意のもの
も測定することができる。

【００３３】まず、本発明の第１の実施例による三次元
形状測定装置について、図１及び図２を参照して説明す
る。

【００３４】図１は、本発明の第１の実施例による三次
元形状測定装置の全体構成を示す図である。

【００３５】本実施例による三次元形状測定装置は、図
１に示すように、被測定物２０の側面方向の距離を測定
する側面測定用の光距離センサとしてのレーザー変位計
２１と、被測定物２０の上面方向の距離を測定する上面
測定用の光距離センサとしてのレーザー変位計２２と、
レーザー変位計２１を図１中の上下方向（鉛直方向、Ｚ
方向）に移動させるＺステージ２３と、レーザー変位計
２２を図１中の左右方向に移動させるＲステージ２４
と、被測定物２０を鉛直方向に延びる回転軸Ｏを中心と
して回転させるθステージ２５と、θステージ２５上に
搭載され水平面内において被測定物２０を格子状に移動
させるＸ−Ｙステージ２６、各ステージ２３，２４，２
５を支持する基盤２７と、を備えている。

【００３６】前記レーザー変位計２１，２２は、図８に
示した変位計１と基本的には同様の構成を有している。
すなわち、レーザー変位計２１は、被測定物２０に対し
てスポット状のレーザ光を照射する照射部２１Ａと、被
測定物２０からの反射光を受光する受光部２１Ｂとを有
している。受光部２１Ｂは、受光位置に応じた信号を出
力するＰＳＤやＣＣＤなどの１次元受光センサ（図示せ
ず）と、前記反射光（被測定物２０上の照射光による
像）を前記１次元受光センサの受光面上に投影させる受
光レンズ（図示せず）とを有している。同様に、レーザ
ー変位計２２は、被測定物２０に対してスポット状のレ
ーザ光を照射する照射部２２Ａと、被測定物２０からの
反射光を受光する受光部２２Ｂとを有している。受光部
２２Ｂは、受光位置に応じた信号を出力する１次元受光
センサ（図示せず）と、前記反射光（被測定物２０上の
照射光による像）を前記１次元受光センサの受光面上に
投影させる受光レンズ（図示せず）とを有している。な
お、照射部２１Ａ，２２Ａは同一波長（例えば、６７０
ｎｍ）のレーザー光を照射し、受光部２１Ｂ，２２Ｂは
その波長の光を受光する。もっとも、照射部２１Ａ，２
２Ａは互いに異なる波長のレーザー光を照射してもよ
い。

【００３７】なお、被測定物２０が、材質が超硬石膏で
ある直径１０ｍｍ、高さ１０ｍｍ程度の歯科用作業模型
である場合には、例えば、Ｚステージ２１は図１中の上
下方向に±１０ｍｍの可動範囲を持ち、Ｒステージ２４
は図１中の左右方向に±１０ｍｍの可動範囲を持ち、Ｘ
−Ｙステージ２６は±２５ｍｍの可動範囲を持つ。θス
テージ２５は、Ｘ−Ｙステージ２６及び被測定物２０を
３６０°往復回転させる。

【００３８】また、本実施例による三次元形状測定装置
は、図１に示すように、各ステージ２３，２４，２５，
２６の駆動モータ（図示せず）を駆動するモータ駆動回
路２８と、各レーザー変位計２１，２２を駆動するセン
サ駆動回路２９と、各種の演算及び制御を行う演算・制
御部３０と、測定者が演算・制御部３０に各種の指令を
与えるためのキーボード等の入力装置３１と、各ステー
ジ２３〜２６の位置（又は駆動量）を検出するエンコー
ダ等の位置検出器（図示せず）と、レーザー変位計２
１，２２の受光部２１Ｂ，２２Ｂの出力をＡ／Ｄ変換等
の信号処理を行う信号処理回路３５，３６と、を備えて
いる。

【００３９】演算・制御部３０は、マイクロコンピュー
タ等から構成され、主として、モータ駆動回路２８及び
センサ駆動回路２９の動作を制御する駆動制御部３２と
しての機能と、レーザー変位計２１，２２からの出力及
び前記位置検出器からの出力（各ステージの位置検出信
号）に基づいて三次元形状データを作製する三次元形状
データ作製部３３としての機能を担う。

【００４０】なお、本実施例では、三次元形状データ作
製部３３で作製された三次元形状データは、これを利用
するＣＡＤ装置３４に供給されるようになっている。

【００４１】そして、本実施例では、駆動制御部３２の
制御を受けたセンサ駆動回路２９は、レーザー変位計２
１，２２の照射部２１Ａ，２２Ａからのレーザー光の照
射及び照射停止が繰り返され、レーザー変位計２１の照
射部２１Ａからのレーザー光の照射中における当該レー
ザー変位計２１の受光部２１Ｂの出力の三次元形状デー
タ作製部３３による取り込み時には、レーザー変位計２
２の照射部２２Ａからのレーザー光の照射が停止され、
レーザー変位計２２の照射部２２Ａからのレーザー光の
照射中における当該レーザー変位計２２の受光部２２Ｂ
の出力の三次元形状データ作製部３３による取り込み時
には、レーザー変位計２１の照射部２１Ａからのレーザ
ー光の照射が停止されるように、レーザー変位計２１，
２２の照射部２１Ａ，２２Ａを駆動する。

【００４２】具体的には、例えば、駆動制御部３２の制
御を受けたセンサ駆動回路２９は、図２に示すように、
レーザー変位計２１，２２の照射部２１Ａ，２２Ａを駆
動する。

【００４３】図２は、照射部２１Ａ，２２Ａのレーザー
光照射タイミングと、受光部２１Ｂ，２２Ｂの出力（本
例では、各受光部が受光センサとしてＰＳＤを有し、Ｐ
ＳＤの出力がそのまま又は増幅されたものが各受光部の
出力となるものとしている。）と、三次元形状データ作
製部３３による各受光部２１Ｂ，２２Ｂの出力の取り込
みタイミングとの間の関係を示す図である。

【００４４】図２（ａ）は、レーザー変位計２１の照射
部２１Ａのレーザー光照射タイミングを示す。照射部２
１Ａは、周期Ｔ（例えば、６ｍｓｅｃ）でレーザー光の
照射（ＯＮ）と照射停止（ＯＦＦ）とを繰り返し、その
照射時間はΔｔ（例えば、２ｍｓｅｃ）である。

【００４５】図２（ｂ）は、レーザー変位計２２の照射
部２２Ａのレーザー光照射タイミングを示す。照射部２
２Ａは、レーザー変位計２１と同一の周期Ｔでレーザー
光の照射（ＯＮ）と照射停止（ＯＦＦ）とを繰り返し、
その照射時間Δｔもレーザー変位計２１と同一である。
そして、照射部２２Ａのレーザー光照射タイミングは、
照射部２１Ａのレーザー光照射タイミングとΔＴ（例え
ば、３ｍｓｅｃ）ずれている。

【００４６】図２（ｃ）はレーザー変位計２１の受光部
２１Ｂの出力を示し、図２（ｄ）はレーザー変位計２２
の受光部２１Ｂの出力を示す。

【００４７】また、図２（ｅ）はレーザー変位計２１の
受光部２１Ｂの出力の三次元形状データ作製部３３によ
る取り込みタイミングを示し、図２（ｆ）はレーザー変
位計２２の受光部２２Ｂの出力の三次元形状データ作製
部３３による取り込みタイミングを示す。なお、図２
（ｅ）及び（ｆ）において、立ち上がり期間がデータ取
り込み期間を示している。

【００４８】次に、本実施例による三次元形状測定装置
の動作の一例について、説明する。

【００４９】まず、Ｒステージ２４を駆動してレーザー
変位計２２の照射光軸をθステージ２５の回転軸Ｏと一
致させるとともに、Ｘ−Ｙステージ２６を駆動して被測
定物２０の中心をθステージ２５の回転軸Ｏとほぼ一致
させる。また、Ｚステージ２３を駆動してレーザー変位
計２１の照射光軸を被測定物２０の最下位置に当てる。
これらの位置が初期位置である。なお、レーザー変位計
２１の照射光軸とレーザー変位計２２の照射光軸とは、
直交している。

【００５０】この初期状態において、駆動制御部３２に
よる制御を受けたセンサ駆動回路２９が、図２（ａ），
（ｂ）に示すような照射パターンとなるように、レーザ
ー変位計２１，２２の照射部２１Ａ，２２Ａを駆動す
る。

【００５１】そして、まず、被測定物２０の上面におけ
る回転軸Ｏ上の点までの距離をレーザー変位計２２で測
定する。その後、Ｒステージ２４を駆動してレーザー変
位計２２を所定量動かした後、θステージ２５により被
測定物２０を回転させながら、一定角度ごとの被測定物
２０の上面までの距離をレーザー変位計２２で測定する
と同時に、被測定物２０の最下位置における一定角度ご
との被測定物２０の側面までの距離をレーザー変位計２
１で測定する。被測定物２０が１回転すると、レーザー
変位計２２をＲステージ２４により更に所定量移動させ
るとともに、レーザー変位計２１をＺステージ２３によ
り上方に所定量移動させた後、同様に、θステージ２５
により被測定物２０を回転させながら、一定角度ごとの
被測定物２０の上面までの距離をレーザー変位計２２で
測定すると同時に、一定角度ごとの被測定物２０の側面
までの距離をレーザー変位計２１で測定する。そして、
これを繰り返し、レーザー変位計２２からのレーザー光
が被測定物２０に当たらなくなれば、レーザー変位計２
２による被測定物２０の上面の三次元形状の測定が終了
し、レーザー変位計２１からのレーザー光が被測定物２
０に当たらなくなれば、レーザー変位計２１による被測
定物２０の側面の三次元形状の測定が終了する。

【００５２】なお、以上の説明において、レーザー変位
計２１，２２による距離の測定は、三次元形状データ作
製部３３が各ステージの位置検出信号に応じて、かつ、
図２（ｅ），（ｆ）に示すような関係を満たすように、
レーザー変位計２１，２２の出力を取り込むことにより
行われる。

【００５３】その後、三次元形状データ作製部３３が、
レーザー変位計２２により得た被測定物２０の上面の三
次元形状データとレーザー変位計２１により得た被測定
物２０の側面の三次元形状データとを合成することによ
り、被測定物２０の全体の三次元形状データが得られ
る。

【００５４】このようにして、レーザー変位計２１，２
２による同時測定が行われるので、従来に比べて測定時
間が大幅に短縮する。

【００５５】そして、本実施例では、前述したように、
レーザー変位計２１，２２の照射部２１Ａ，２２Ａから
のレーザー光の照射及び照射停止が繰り返され、レーザ
ー変位計２１の照射部２１Ａからのレーザー光の照射中
における当該レーザー変位計２１の受光部２１Ｂの出力
の三次元形状データ作製部３３による取り込み時には、
レーザー変位計２２の照射部２２Ａからのレーザー光の
照射が停止され、レーザー変位計２２の照射部２２Ａか
らのレーザー光の照射中における当該レーザー変位計２
２の受光部２２Ｂの出力の三次元形状データ作製部３３
による取り込み時には、レーザー変位計２１の照射部２
１Ａからのレーザー光の照射が停止される。

【００５６】したがって、瞬時的に見ると、レーザー変
位計２１，２２の一方による測定時には他方のレーザー
変位計からレーザー光が発せられないので、レーザー変
位計２１，２２間の相互干渉が防止され、測定の信頼性
が低下することがない。

【００５７】次に、本発明の第２の実施例による三次元
形状測定装置について、図３を参照して説明する。

【００５８】図３は、本発明の第２の実施例による三次
元形状測定装置の全体構成を示す図である。図３におい
て、図１中の構成要素と同一又は対応する構成要素には
同一符号を付し、重複した説明は省略する。

【００５９】本実施例が前述した第１の実施例と異なる
所は、以下の点である。

【００６０】前記第１の実施例では、レーザー変位計２
１，２２として、それらの受光部２１Ｂ，２２Ｂが被測
定物２０からの反射光の受光位置に応じたレベルを示す
信号を出力するレーザー変位計以外にも、例えば、受光
センサとしてＣＣＤ等を有するレーザー変位計を用いる
ことができるが、本実施例では、レーザー変位計２１，
２２として、それらの受光部２１Ｂ，２２Ｂが被測定物
２０からの反射光の受光位置に応じたレベルを示す信号
を出力するものが用いられる。例えば、レーザー変位計
２１，２２として、受光部２１Ｂ，２２Ｂが受光センサ
としてＰＳＤを有するレーザー変位計が用いられる。な
お、受光部２１Ｂ，２２Ｂは、被測定物２０からの反射
光の受光位置に応じたレベルのアナログ信号を出力して
もよいし、そのアナログ信号をＡ／Ｄ変換したデジタル
信号を出力してもよい。

【００６１】また、本実施例では、駆動制御部３２の制
御を受けたセンサ駆動回路２９は、レーザー変位計２
１，２２の各々の照射部２１Ａ，２２Ａからのレーザー
光の照射及び照射停止が互いに異なる周波数ｆ₁，ｆ₂で
繰り返されるように、レーザー変位計２１，２２の照射
部２１Ａ，２２Ａを駆動する。例えば、センサ駆動回路
２９は、照射部２１Ａからのレーザー光の照射及び照射
停止がｆ₁＝６ｋＨｚの周波数で繰り返され、照射部２
２Ａからのレーザー光の照射及び照射停止がｆ₂＝４ｋ
Ｈｚの周波数で繰り返されるように、照射部２１Ａ，２
２Ａを駆動する。

【００６２】また、本実施例では、レーザー変位計２１
の受光部２１Ｂの出力に対して、当該レーザー変位計２
１の照射部２１Ａからのレーザー光の照射周波数ｆ₁に
応じた周波数検波を行う周波数検波手段としてのフィル
タ３７と、レーザー変位計２２の受光部２２Ｂの出力に
対して、当該レーザー変位計２２の照射部２２Ａからの
レーザー光の照射周波数ｆ₂に応じた周波数検波を行う
周波数検波手段としてのフィルタ３８と、を更に備えて
いる。フィルタ３７，３８としては、受光部２１Ｂ，２
２Ｂの出力がアナログ信号である場合にはアナログフィ
ルタが用いられ、受光部２１Ｂ，２２Ｂの出力がディジ
タル信号である場合にはディジタルフィルタが用いられ
る。

【００６３】そして、三次元形状データ作製部３３は、
周波数検波が行われた受光部２１Ｂ，２２Ｂの出力、す
なわち、フィルタ３７，３８の出力に基づいて、被測定
物の三次元形状データを作製する。

【００６４】以上説明したように、本実施例による三次
元形状測定装置は、レーザー変位計２１，２２の照射部
２１Ａ，２２Ａのレーザー光の照射パターンとフィルタ
３７，３８の追加の点で前記第１の実施例と異なるが、
前記第１の実施例と同様に動作する。ただし、本実施例
では、レーザー変位計２１，２２による距離の測定は、
三次元形状データ作製部３３が各ステージの位置検出信
号に応じて、フィルタ３７，３８の出力を取り込むこと
により行われる。

【００６５】そして、本実施例によれば、前述したよう
に、レーザー変位計２１，２２の各々の照射部２１Ａ，
２２Ａからのレーザー光の照射及び照射停止が互いに異
なる周波数ｆ₁，ｆ₂で繰り返される。したがって、レー
ザー変位計２１の受光部２１Ｂにレーザー変位計２２か
らのレーザー光による反射光も入射すると、当該レーザ
ー変位計２１の受光部２１Ｂの出力には、当該レーザー
変位計２１からのレーザー光による反射光に対応する所
定の周波数成分と他のレーザー変位計２２からのレーザ
ー光による反射光に対応する他の周波数成分とが含まれ
ることになる。同様に、レーザー変位計２２の受光部２
２Ｂにレーザー変位計２２からのレーザー光による反射
光も入射すると、当該レーザー変位計２２の受光部２２
Ｂの出力には、当該レーザー変位計２２からのレーザー
光による反射光に対応する所定の周波数成分と他のレー
ザー変位計２１からのレーザー光による反射光に対応す
る他の周波数成分とが含まれることになる。

【００６６】しかし、レーザー変位計２１の受光部２１
Ｂの出力に対して、フィルタ３７によって、当該レーザ
ー変位計２１の照射部２１Ａからのレーザー光の照射周
波数に応じた周波数検波が行われ、この周波数検波が行
われた出力が三次元形状データ作製部３３によりデータ
として採用される。また、レーザー変位計２２の受光部
２２Ｂの出力に対して、フィルタ３８によって、当該レ
ーザー変位計２２の照射部２２Ａからのレーザー光の照
射周波数に応じた周波数検波が行われ、この周波数検波
が行われた出力が三次元形状データ作製部３３によりデ
ータとして採用される。

【００６７】その結果、フィルタ３７によって、レーザ
ー変位計２１の受光部２１Ｂの出力から、当該レーザー
変位計２１からのレーザー光による反射光に対応する所
定の周波数成分のみが抽出され、当該レーザー変位計２
１からのレーザー光による反射光に対応する信号のみが
三次元形状データ作製部３３によりデータとして採用さ
れることになる。また、フィルタ３８によって、レーザ
ー変位計２２の受光部２２Ｂの出力から、当該レーザー
変位計２２からのレーザー光による反射光に対応する所
定の周波数成分のみが抽出され、当該レーザー変位計２
２からのレーザー光による反射光に対応する信号のみが
三次元形状データ作製部３３によりデータとして採用さ
れることになる。

【００６８】したがって、本実施例によっても、複数の
レーザー変位計２１，２２による同時測定時におけるレ
ーザー変位計２１，２２間の相互干渉が防止され、測定
の信頼性が低下することなく、測定時間が短縮する。

【００６９】次に、本発明の第３の実施例による三次元
形状測定装置について、図４を参照して説明する。

【００７０】図４は、本発明の第３の実施例による三次
元形状測定装置の全体構成を示す図である。図４におい
て、図３中の構成要素と同一又は対応する構成要素には
同一符号を付し、重複した説明は省略する。

【００７１】本実施例が前述した第２の実施例と異なる
所は、以下の点である。

【００７２】本実施例では、駆動制御部３２の制御を受
けたセンサ駆動回路２９は、レーザー変位計２１，２２
の各々の照射部２１Ａ，２２Ａからレーザー光が同時に
継続して照射されるように、レーザー変位計２１，２２
の照射部２１Ａ，２２Ａを駆動する。

【００７３】また、本実施例では、レーザー変位計２１
の照射部２１Ａからのレーザー光をチョッピングする光
学チョッパ３９と、レーザー変位計２２の照射部２２Ａ
からのレーザー光をチョッピングする光学チョッパ４１
とが、付加されている。また、光学チョッパ３９，４１
を回転させるモータ４０，４２及びこれらを駆動するモ
ータ駆動回路４３も、付加されている。

【００７４】光学チョッパ３９，４１は、図５に示すよ
うに、遮光部５０と透光部５１とが所定の空間周波数で
配置された円板から構成されており、具体的には、例え
ば、ガラス製の円板上における遮光部５０に相当する箇
所に遮光膜を形成することによって得ることができる。
なお、図５は、光学チョッパ３９，４１の平面図であ
る。

【００７５】そして、光学チョッパ３９によるチョッピ
ング周波数ｆ₃及び光学チョッパ４１によるチョッピン
グ周波数ｆ₄を互いに異なるように設定する。例えば、
光学チョッパ３９によるチョッピング周波数ｆ₃を６０
０Ｈｚとし、光学チョッパ４０によるチョッピング周波
数ｆ₄を４００Ｈｚとする。なお、光学チョッパ３９，
４１によるチョッピング周波数は、それぞれモータ４
０，４２の回転速度と、光学チョッパ３９，４１上の遮
光部５０及び透光部５１の空間周波数とにより定まるの
で、これらを適宜設定することによって、両者のチョッ
ピング周波数を設定することができる。

【００７６】また、本実施例では、フィルタ３７は、レ
ーザー変位計２１の受光部２１Ｂの出力に対して、光学
チョッパ３９によるチョッピング周波数ｆ₃に応じた周
波数検波を行う。フィルタ３８は、レーザー変位計２２
の受光部２２Ｂの出力に対して、光学チョッパ４０によ
るチョッピング周波数ｆ₄に応じた周波数検波を行う。

【００７７】以上の説明からわかるように、レーザー変
位計２１及び２２の照射部２１Ａ，２２Ａからのレーザ
ー光の被測定物２０への照射と照射停止の繰り返しが、
前記第２の実施例では照射部２１Ａ，２２Ａの駆動によ
り行われるのに対し、本実施例では光学チョッパを用い
て行われる点で、両者異なるが、原理的には両者は全く
同一である。

【００７８】したがって、本実施例によっても、複数の
光距離センサによる同時測定時における光距離センサ間
の相互干渉が防止され、測定の信頼性が低下することな
く、測定時間が短縮する。

【００７９】以上、本発明の各実施例について説明した
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。

【００８０】例えば、前記第１の実施例において、光距
離センサとしてスポット状のレーザ光を利用する三角測
距式レーザー変位計に代えて、スリット状のレーザー光
を利用する三角測距式レーザー変位計等の他の光距離セ
ンサを用いてもよい。

【００８１】また、本発明では、光距離センサの数も、
３つ以上にすることができる。

【００８２】さらに、前記各実施例では、レーザー変位
計２１，２２と被測定物２０との間の相対位置を変更さ
せる位置変更手段としてステージ２３〜２６が採用さ
れ、移動ステージ５軸の構成が採用されていたが、その
相対位置を所望の三次元形状を得るのに必要な位置にす
ることができれば、位置変更手段として任意の構成を採
用することができる。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
測定の信頼性を低下させることなく、複数の光距離セン
サを用いて各光距離センサによる同時計測を行うことが
でき、測定時間を短縮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による三次元形状測定装
置の全体構成図である。

【図２】本発明の第１の実施例による三次元形状測定装
置における、レーザー光照射タイミングとデータ取り込
みタイミング等との関係を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施例による三次元形状測定装
置の全体構成図である。

【図４】本発明の第３の実施例による三次元形状測定装
置の全体構成図である。

【図５】光学チョッパの平面図である。

【図６】従来の三次元形状測定装置の概略構成を示す側
面図である。

【図７】従来の三次元形状測定装置におけるエラー発生
の原理を示す説明図である。

【図８】一般的な三角測距式レーザー変位計の測定原理
を示す説明図である。

【符合の説明】

２０被測定物２１，２２レーザー変位計（光距離センサ）２１Ａ，２２Ａ照射部２１Ｂ，２２Ｂ受光部２３Ｚステージ２４Ｒステージ２５ θステージ２６Ｘ−Ｙステージ２８，４３モータ駆動回路２９センサ駆動回路３０演算制御部３２駆動制御部３３三次元形状データ作製部３５，３６信号処理回路３７，３８フィルタ３９，４１光学チョッパ４０，４２モータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各々が、被測定物に対して照射光を照射
する照射部と、前記被測定物からの反射光を受光する受
光部とを備えた複数の光距離センサと、前記光距離センサと前記被測定物との間の相対位置を変
更させる位置変更手段と、前記複数の光距離センサの各々と前記被測定物との間の
各相対位置に応じた前記複数の光距離センサの受光部の
出力に基づいて、前記被測定物の三次元形状データを作
製する三次元形状データ作製手段と、を備えた三次元形状測定装置において、前記複数の光距離センサの各々の照射部からの照射光の
照射及び照射停止が繰り返されるとともに、前記複数の
光距離センサのうちの１つの光距離センサの照射部から
の照射光の照射中における当該光距離センサの受光部の
出力の前記三次元形状データ作製手段による取り込み時
には、前記複数の光距離センサの残りの光距離センサの
照射部からの照射光の照射が停止されるように、前記複
数の光距離センサの照射部を駆動する、駆動手段を更に
備えた、ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項２】各々が、被測定物に対して照射光を照射
する照射部と、前記被測定物からの反射光を受光し、該
反射光の受光位置に応じたレベルを示す信号を出力する
受光部とを備えた複数の光距離センサと、前記光距離センサと前記被測定物との間の相対位置を変
更させる位置変更手段と、前記複数の光距離センサの各々と前記被測定物との間の
各相対位置に応じた前記複数の光距離センサの受光部の
出力に基づいて、前記被測定物の三次元形状データを作
製する三次元形状データ作製手段と、を備えた三次元形状測定装置において、前記複数の光距離センサの各々の照射部からの照射光の
照射及び照射停止が互いに異なる周波数で繰り返される
ように、前記複数の光距離センサを駆動する駆動手段
と、前記複数の光距離センサの各々の受光部の出力に対し
て、当該光距離センサの照射部からの照射光の照射周波
数に応じた周波数検波を行う周波数検波手段と、を更に備え、前記三次元形状データ作製手段は、周波数検波が行われ
た前記複数の光距離センサの受光部の出力に基づいて、
前記被測定物の三次元形状データを作製する、ことを特徴とする三次元形状測定装置。
【請求項３】各々が、被測定物に対して照射光を照射
する照射部と、前記被測定物からの反射光を受光し、該
反射光の受光位置に応じたレベルを示す信号を出力する
受光部とを備えた複数の光距離センサと、前記光距離センサと前記被測定物との間の相対位置を変
更させる位置変更手段と、前記複数の光距離センサの各々と前記被測定物との間の
各相対位置に応じた前記複数の光距離センサの受光部の
出力に基づいて、前記被測定物の三次元形状データを作
製する三次元形状データ作製手段と、を備えた三次元形状測定装置において、前記複数の光距離センサの各々の照射部からの照射光を
互いに異なる周波数でチョッピングする光学チョッパ
と、前記複数の光距離センサの各々の受光部の出力に対し
て、当該光距離センサの照射部からの照射光のチョッピ
ング周波数に応じた周波数検波を行う周波数検波手段
と、を更に備え、前記三次元形状データ作製手段は、周波数検波が行われ
た前記複数の光距離センサの受光部の出力に基づいて、
前記被測定物の三次元形状データを作製する、ことを特
徴とする三次元形状測定装置。