JPH08327336A

JPH08327336A - ３次元形状測定装置

Info

Publication number: JPH08327336A
Application number: JP15983095A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sato; 剛佐藤
Original assignee: Technology Research Association of Medical and Welfare Apparatus
Current assignee: Technology Research Association of Medical and Welfare Apparatus
Priority date: 1995-06-02
Filing date: 1995-06-02
Publication date: 1996-12-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】被測定物の被測定面の傾きに起因する測定誤
差を低減し、安定して高い精度で被測定物の３次元形状
を測定すること。【構成】被測定物２３に対してスリット状の照射光２
４ａを照射する照射部２４と、照射光による被測定物２
３からの反射光を２次元受光センサ上で受光する受光部
２５，２５’とを備えた光距離測定器３２と、光距離測
定器３２と被測定物との間の相対位置を設定及び変更す
る位置設定変更機構３１と、光距離測定器３２の光学系
に起因する歪曲収差を補正する式を求める演算部２８ｃ
と、相対位置における２次元受光センサの出力信号を用
いて、被測定物２３からの反射光像の幅及び最大輝度の
データ作成用の出力信号を選択する信号選択部２８ｂ
と、信号選択部２８ｂにより選択された出力信号及び前
記演算部２８ｃにより求められた補正式に基づいて、被
測定物２３の３次元形状データを作成する形状データ作
成部２８ｄと、を備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スリット状の照射光を
利用した光距離測定器（例えば、レーザー変位計）を用
いて、被測定物の３次元形状を測定する３次元形状測定
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、３次元形状測定の対象は、従来の
高さ測定、長さ測定等の１次元測定を組み合わせたもの
だけでなく、自由曲面を有する３次元物体にも及んでき
ておりそれらに関する研究も進んでいる。測定方法とし
ては、接触式プローブを被測定物に接触させながら行う
従来の接触式の測定方法に加えて、最近めざましく発展
しているレーザ変位計等の光距離測定器を用いた非接触
の測定方法がある。

【０００３】このような非接触の測定方法では、プロー
ブを被測定物に接触させる必要がないので、ゴムのよう
に軟らかい物でも精度よく測定を行うことが可能であ
り、また従来の接触式の測定方法と比較して、測定時間
が短縮できるという利点を有する。しかしながら、レー
ザ変位計等の光距離測定器を用いた非接触の測定方法で
も任意の自由曲面を有する物体を精度良く、全周にわた
ってくまなく測定できるまでには至っていない。

【０００４】その理由は、被測定物上にある点（被測定
点）の法線の傾きは不可知であり、レーザー等の光を照
射して行う測定では、被測定物への光の照射角度や被測
定物からの反射光の角度に（即ち、被測定点がある面の
傾きにより）測定精度が大きく左右され、前記角度が所
定の大きさ以上になると、測定不能となる場合があるか
らである。

【０００５】なお、当然のことながら、照射光の届かな
い範囲にある被測定物の測定は不可能である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】光投射による３次元形
状測定においては、例えばスリット状の照射光を被測定
物の被測定面に投射して、その反射光をＣＣＤ等の受光
部により受けて照射光の反射像を検出し、その反射像の
中心位置から３次元座標を求めている。しかし、同じ測
定装置を用いても、被測定物の被測定面の傾き（即ち、
被測定物への光の照射角度や被測定物からの反射光の角
度）により、測定精度が大きく影響を受ける場合がある
という問題点があった。

【０００７】例えば、被測定面の傾きによっては、反射
像が非常に幅広になる、反射像の輝度が極度に低下す
る、反射光が受光部に入射しない、などの事態が発生し
て、その結果、被測定物の一部の測定ができない、測定
できたとしても測定精度が悪く測定誤差の原因となると
いう問題点があった。また、光投射による３次元形状測
定においては、レーザ変位計等の光距離測定器の光学系
に起因する歪曲収差により、測定精度が低下するという
問題点があった。特に、最近では、ＣＣＤ等の受光部の
１ピクセル以下の精度にて測定するいわゆるサブピクセ
ル処理が行われており、益々歪曲収差が測定精度に与え
る影響が大きくなっている。

【０００８】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、被測定物の被測定面の傾きに起因する測定
誤差を低減し、安定して高い精度で被測定物の３次元形
状を測定することができる３次元形状測定装置であり、
しかも測定光学系に起因する歪曲収差による測定精度の
低下を抑制することができる３次元形状測定装置を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「少なくとも、被測定物に対してスリット状の照射光
を照射する照射部と、２次元配列された複数の受光素子
からなる２次元受光センサを有する受光部であって、前
記照射光による前記被測定物からの反射光を前記２次元
受光センサ上で受光する受光部とを備えた光距離測定器
と、前記光距離測定器と前記被測定物との間の相対位置
を設定及び変更する位置設定変更機構と、前記光距離測
定器の光学系に起因する歪曲収差を補正する式を求める
演算部と、前記相対位置における前記２次元受光センサ
の出力信号を用いて、被測定物からの反射光像の幅及び
最大輝度が所定範囲内にあるか否かを検知することによ
り、前記相対位置におけるデータ作成用の出力信号を選
択する信号選択部と、前記信号選択部により選択された
出力信号及び前記演算部により求められた補正式に基づ
いて、前記被測定物の３次元形状データを作成する形状
データ作成部と、を備えた３次元形状測定装置（請求項
１）」を提供する。

【００１０】また、本発明は第二に「少なくとも、被測
定物に対してスリット状の照射光を照射する照射部と、
２次元配列された複数の受光素子からなる２次元受光セ
ンサを有する受光部であって、前記照射光による前記被
測定物からの反射光を前記２次元受光センサ上で受光す
る受光部とを備えた光距離測定器と、前記光距離測定器
と前記被測定物との間の相対位置を設定及び変更する位
置設定変更機構と、前記光距離測定器の光学系に起因す
る歪曲収差を補正する式を求める演算部と、前記相対位
置における前記２次元受光センサの出力信号を用いて、
被測定物からの反射光像の幅及び最大輝度が所定範囲内
にあるか否かを検知することにより、データ作成用の出
力信号を選択する信号選択部であり、データ作成用の出
力信号が選択できないときに、測定不能を示す信号を出
力する機能、及び／または、前記位置設定変更機構に相
対位置の変更を指示する信号を出力する機能を有する信
号選択部と、前記信号選択部により選択された出力信号
及び前記演算部により求められた補正式に基づいて、前
記被測定物の３次元形状データを作成する形状データ作
成部と、を備えた３次元形状測定装置（請求項２）」を
提供する。

【００１１】また、本発明は第三に「少なくとも、被測
定物に対してスリット状の照射光を照射する照射部と、
２次元配列された複数の受光素子からなる２次元受光セ
ンサを有する受光部であって、前記照射光による前記被
測定物からの反射光を前記２次元受光センサ上で受光す
る受光部とを備えた光距離測定器と、前記光距離測定器
と前記被測定物との間の相対位置を設定及び変更する位
置設定変更機構と、前記相対位置が所定の複数の相対位
置となるように前記位置設定変更機構を制御する第１の
制御部と、前記光距離測定器の光学系に起因する歪曲収
差を補正する式を求める演算部と、前記相対位置におけ
る前記２次元受光センサの出力信号を用いて、被測定物
からの反射光像の幅及び最大輝度が所定範囲内にあるか
否かを検知することにより、データ作成用の出力信号を
選択する信号選択部であり、データ作成用の出力信号が
選択できないときに、測定不能を示す信号を出力する機
能を有する信号選択部と、前記信号選択部から測定不能
を示す信号が出力された相対位置に対して位置の修正を
行うと共に、修正した相対位置となるように前記位置設
定変更機構を制御する第２の制御部と、前記信号選択部
により選択された出力信号及び前記演算部により求めら
れた補正式に基づいて、前記被測定物の３次元形状デー
タを作成する形状データ作成部と、を備えた３次元形状
測定装置（請求項３）」を提供する。

【００１２】また、本発明は第四に「前記位置設定変更
機構及び前記照射部の動作を制御する制御部と前記位置
設定変更機構の位置または駆動量を検出する位置検出機
構とを更に備えたことを特徴とする請求項１〜３記載の
３次元形状測定装置（請求項４）」を提供する。また、
本発明は第五に「前記スリット状の照射光は、半導体レ
ーザー光をシリンドリカルレンズによりスリット状にし
た照射光であることを特徴とする請求項１〜４記載の３
次元形状測定装置（請求項５）」を提供する。

【００１３】

【作用】本発明の３次元形状測定装置では、被測定物か
らの反射光像の幅及び最大輝度が所定範囲内にあるか否
かを検知することにより、データ作成用の出力信号を選
択し、該選択した出力信号及び光距離測定器の光学系に
起因する歪曲収差を補正する式に基づいて、被測定物の
３次元形状データを作成する。

【００１４】そのため、本発明の３次元形状測定装置で
は、被測定物の被測定面の傾きに起因する測定誤差を低
減し、安定して高い精度で被測定物の３次元形状を測定
することができると共に、測定光学系に起因する歪曲収
差による測定精度の低下を抑制することができる。ま
た、本発明の３次元形状測定装置（請求項２）は、デー
タ作成用の出力信号が選択できないときは、測定不能を
示す信号を出力するか、前記位置設定変更機構に相対位
置の変更を指示する信号を出力するか、或いは、その両
方を行っている。

【００１５】また、本発明の３次元形状測定装置（請求
項３）は、データ作成用の出力信号が選択できないとき
は、測定不能を示す信号を出力し、測定不能を示す信号
が出力された相対位置に対して位置の修正を行ってい
る。そのため、誤った形状測定データが作成されること
がなく、また再測定が必要な測定点を知ることができ
る。或いは、再測定が必要な測定点を知ることができる
と共に、再測定が必要な測定点に対して、相対位置を変
えて再測定を行うことにより、データ作成用の出力信号
が得られるようにすることができるので、より正確な形
状測定データを得ることができる。

【００１６】本発明の３次元形状測定装置は、前記位置
設定変更機構及び前記照射部の動作を制御する制御部と
前記位置設定機構の位置または駆動量を検出する位置検
出機構とを更に備えていることが好ましい（請求項
４）。また、本発明の３次元形状測定装置にかかるスリ
ット状の照射光は、輝度の低下及び装置の大型化を抑制
するために、半導体レーザー光をシリンドリカルレンズ
によりスリット状にした照射光とすることが好ましい
（請求項５）。

【００１７】以下、本発明にかかる測定原理を図を参照
して説明するが、本発明はこの図の例に限定されるもの
ではない。測定方法は、光切断法をベースにしている。
先ず、スリット状のレーザー照射光２が被測定物１の被
測定面に向けて照射部３から照射される。被測定面によ
り反射された光の一部は、各受光部４、５により受光さ
れる（図１参照）。

【００１８】図１の例においては、各受光部４、５の各
光軸４ａ、５ａまわりの位置関係は被測定物１の被測定
面が照射光２の光軸３ａに対して垂直な平面である場合
に、被測定物１からの反射光の像が各受光部４、５の２
次元受光素子受光面７上の走査線８に垂直になるように
設定されている。被測定面が平面であり、しかも照射光
２の光軸３ａに対して垂直であるならば受光された反射
光の像６は直線的な帯状となり、２次元受光素子の受光
面７の中央部に位置するようになるが（図２（ａ）参
照）、図４、５の被測定物１７、２３のように被測定面
が曲面である場合の反射光の像６’は、歪曲した帯状と
なる（図２（ｂ）参照）。

【００１９】反射光の像６、６’の幅（ｙ方向）は、照
射光２、１６ａ’、２４ａの幅、被測定面の形状、被測
定面の焦点面からの距離等によって変化するが、おおよ
そ数ピクセル（素子）から数十ピクセル程度となる。反
射光の像は受光部の受光面に投影されるが、例えば図１
に示すように受光部が複数ある場合には、複数の受光部
４、５の各受光面に像が投影されるので、被測定物の各
被測定点について複数の像がそれぞれ得られる。

【００２０】図１のように、二つの受光部４、５がその
光軸４ａ，５ａと照射部３の光軸３ａとなす角度θ₁，
θ₂が等しくなるように配置されているときに、被測定
面が平面である場合には、各受光部４、５の受光面には
同じ（または略同じ）像が投影される。しかし、被測定
面が３次元自由曲面である場合には、同一被測定点から
の像であっても、被測定点がある面（被測定面）が傾斜
しているので、各受光面には異なる像が投影される。そ
の違いとして顕著なものは、像の幅と最大輝度である。

【００２１】例えば、被測定面が右下がりに傾斜してい
る場合、反射光は受光部５よりも受光部４の方に向かい
やすい。そのため、受光部４で高輝度の像が得られる一
方、受光部５では低輝度の像しか得られないので、ノイ
ズの影響を受けやすくなって測定の信頼性が低下する。
また、受光部４で得られる高輝度の像も前記傾斜が特に
大きい場合には、像の幅が大きくなりすぎて、像の中心
位置を求めることが困難となり、測定の信頼性が低下す
ることもある。

【００２２】従って、反射光像の幅及び最大輝度が適切
な範囲にあるときに、測定の信頼性が高いということが
できる。そこで、本発明では、受光部に投影された反射
光像の幅及び最大輝度を目安として測定の信頼性を判断
することで、受光部からの出力信号の中から信頼性が高
い信号を選択し、これを形状データとするのである。前
述したように、本発明の３次元形状測定装置（請求項
２）では、データ作成用の出力信号が選択できないとき
に、測定不能を示す信号を出力するか、前記位置設定変
更機構に相対位置の変更を指示する信号を出力するか、
或いは、その両方を行っている。

【００２３】同じく、前述したように、本発明の３次元
形状測定装置（請求項３）では、データ作成用の出力信
号が選択できないときに、測定不能を示す信号を出力
し、測定不能を示す信号が出力された相対位置に対して
位置の修正を行っている。そのため、誤った形状測定デ
ータが作成されることがなく、また再測定が必要な測定
点を知ることができる。或いは、再測定が必要な測定点
を知ることができると共に、再測定が必要な測定点に対
して、相対位置を変えて再測定を行うことにより、デー
タ作成用の出力信号が得られるようにすることができる
ので、より正確な形状測定データを得ることができる。

【００２４】ところで、反射光の像６、６’の輝度分布
はガウス分布となるので、中央部で高輝度、周辺部で低
輝度となる。反射光の像６、６’の中心位置（ｙ方向）
をサブピクセル処理により推定することで、被測定点ま
での距離を求める。ここで、サブピクセル処理について
図２、４を参照して説明する。被測定物１７に照射部１
６ａからスリット状の照射光１６ａ’を照射させると、
被測定物１７の形状に沿った切断線１７ａが形成され、
この切断線１７ａが受光部１６ｂにより撮像される。即
ち、例えば図２（ｂ）に示すように、受光部１６ｂの２
次元受光素子の受光面７上には、前記切断線１７ａの像
６’が投影される。

【００２５】図２（ａ）、（ｂ）中の縦軸は、図１中の
Ｘ方向（即ち、スリット状の照射光１６ａ’の拡がり方
向）に対応するｘ方向の前記受光面上の位置を示してい
る。また、図２（ａ）、（ｂ）中の横軸は、前記ｘ方向
に垂直なｙ方向の位置を示している。像６’の幅（ｙ方
向）は、通常一つの受光素子のｙ方向の長さよりも大き
く、例えば約１０素子（ピクセル）分程度の長さになっ
ている。図２（ｂ）のｘ方向のある位置においてｙ方向
に並んだ１列の受光素子に対応する２次元受光素子の出
力レベルの分布（２次元受光素子の受光面７上の、ｘ方
向のある位置においてｙ方向に沿った、受光量の分布に
相当）は、図２（ｃ）に示すようになる。

【００２６】ｘ方向のこの位置における像６’のｙ方向
の位置は、図２（ｃ）中の出力レベルが大きい位置に相
当することになる。図２（ｃ）に示すような分布の形状
から、像６’のｙ方向の中心位置を推定する処理が、い
わゆるサブピクセル処理である。具体的には、図２
（ｃ）に示す分布図中の所定の閾値（受光量）以上の部
分の加重平均を以て、或いは、図２（ｃ）に示す分布図
の重心を以て、像６’のｙ方向の中心位置とする。この
中心位置がｘ方向のある位置に対応する被測定物１７の
測定点までの距離を示すことになる。

【００２７】本発明では、信号選択部２０ｃにより選択
された出力信号に基づいて、前記被測定物１７の３次元
形状データを作成する形状データ作成部２０ｄにより前
記サブピクセル処理が行われる。次に、光距離測定器１
６の光学系に起因する歪曲収差を補正する式を求める
（演算部２０ｂにより求める）方法について図３、４を
参照して説明する。

【００２８】ここで、位置設定変更機構の座標系、即ち
３次元形状の測定座標系をＸＹＺ座標系とし、受光部の
２次元受光センサ（受光面７）上の座標系をｘｙ座標系
とし、受光部１６ｂの受光軸１６ｂ’がＹＺ平面上にあ
るとする。また、ＸＺ座標系における既知の座標点をＰ
（Ｘ_P，Ｚ_P）とし、それに対応するｘｙ座標系におけ
る座標点をＳ（ｘ_S，ｙ_S）とする。さらに、受光軸１
６ｂ’と線分ＰＳの交点をＨ、受光軸１６ｂ’がＺ軸と
なす角度をθ₃、交点Ｈとｘｙ座標系の原点を結ぶ線分
の長さをＬ₀、交点ＨとＸＺ座標系の原点を結ぶ線分の
長さをＬとする。

【００２９】このとき、ＸＺ座標系とｘｙ座標系の関係
は次式で表現できる。Ｚ_P＝Ａ・Ｌ・ｓｉｎθ₃＋Ｌ・ｃｏｓθ₃・・・１式Ａ＝(y_S・sin θ₃−Ｌ₀・ cosθ₃)／（Ｌ₀・ sinθ₃+ y _S・cos θ₃）Ｘ_P＝ｘ_S・Ｌ・ｓｉｎθ₃／（Ｌ₀・ sinθ₃+ y _S・ cosθ₃）・・・２式この式から、Ｚ座標値Ｚ_Pはｙ_Sの値により決まるが、
Ｘ座標値Ｘ_Pはｘ_S，ｙ_Sの値により決まることがわか
る。

【００３０】ところで、前記サブピクセル処理を行える
のは、受光面７のｙ方向のみに限られており、ｘ方向の
サブピクセル処理を行うことはできない。そのため、通
常の方法では、受光面７のｘ，ｙ両方向にわたってサブ
ピクセルの精度で歪曲収差の補正を行うことができな
い。そこで、本発明では、歪曲収差の大きさが受光面７
中央からみて、ｘ，ｙ両方向とも、略対称であることに
着目し、光距離測定器の光学系に起因する歪曲収差を補
正する式をｘ，ｙ両方向とも、同じ形式の式で記述する
こととし、受光面７のｘ，ｙ両方向にわたってサブピク
セルの精度で歪曲収差の補正を行うものである。

【００３１】ＸＺ座標系におけるＺ座標値が既知の点を
測定したとき、受光面７上に投影された像から、任意の
ｘ座標値Ｉk でのサブピクセル処理により得られるｙ座
標の値をＪK とし（Ｉk は整数、Ｊk は実数）、受光面
７上におけるその座標点をＳ_S（Ｉk , Ｊk ）とする。
この座標点Ｓ_Sの座標値（Ｉk , Ｊk ）は、光距離測定
器の光学系に起因する歪曲収差を含む値である。そこ
で、歪曲収差を極力取り除くべく、座標値（Ｉk, Ｊk
）に対して歪曲収差の補正を行った座標値（Ｋk 、Ｌk
）は、二次の項まで考慮すると、次のように表すこと
ができる。

【００３２】Ｋk ＝a₀＋a₁・Ｉk ＋a₂・Ｊk ＋a₃・Ｉk²＋a₄・Ｉk ・Ｊk ＋a₅・Ｉk² ・・・３式Ｌk ＝α（a₀＋a₁・Ｉk ＋a₂・Ｊk ＋a₃・Ｉk²＋a₄・Ｉk ・Ｊk ＋a₅・Ｉk²）・・・４式ここで、ａ₀〜ａ₅、αは補正係数１式を用いて、既知のＺ座標値に対応するｙの座標値を
算出し、その値をｙｋ（理論値）とする。この理論値ｙ
ｋと補正座標値Ｌk の差の自乗和が最小になるように補
正係数を求める。

【００３３】実際に補正係数を求める場合には、例えば、次のような
手順で補正係数を求める（図５を参照して説明する）。

【００３４】先ず、Ｙステージ３１上に白色で平面性の
良い板を載せて（このとき、板上の任意の点におけるＺ
座標値が確定し、その結果、対応するｙk が確定す
る）、照射部２４ａから光を照射する。板からの反射光
によるスリット像６が受光面７の中央に来るように（図
２参照）、Ｙステージ３１をＹ方向に所定量動かして、
その時の受光面上の数点において、ｙ座標値（前記補正
前の座標値Ｊk に相当する）を１ピクセル単位で読む。

【００３５】これにより、受光面７上の各点において、
Ｌk を定義する４式中のＪk が求まる。なお、受光面７
上の各点のｘ座標値Ｉk は既知であり、また前述したよ
うに板上の任意の点におけるＺ座標値に対応するｙk も
既知である。即ち、各点において、Ｌk を定義する４式
中のＩk ，Ｊk の値とｙk が判る。更に、Ｙステージ３
１をＹ方向に所定量動かして、同様の作業を行う（各点
において、Ｌk を定義する４式中のＩk ，Ｊk の値とｙ
k が判る）。

【００３６】５式を用いて行う、補正係数の値を求める
のに十分なデータが得られたら、５式を用いて、補正係
数の値を計算して補正式を求め、この補正式は測定装置
のメモリに記憶させておく。本発明では、演算部により
補正式を求め、しかも補正式をメモリに記憶させてい
る。即ち、本発明の３次元形状測定装置では、信号選択
部により、被測定物からの反射光像の幅及び最大輝度が
所定範囲内にあるか否かを検知することにより、２次元
受光センサの出力信号の中からデータ作成用の出力信号
を選択し、また演算部により、光距離測定器の光学系に
起因する歪曲収差を補正する式を予め求めておき、該選
択した出力信号及び歪曲収差を補正する式に基づいて、
形状データ作成部により、前記サブピクセル処理及び座
標補正を行って各距離データを求め、被測定物の３次元
形状データを作成する。

【００３７】以下、本発明を実施例により更に詳細に説
明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。

【００３８】

【実施例１】図４は本実施例の３次元形状測定装置の全
体構成を模式的に示す図である。本実施例の３次元形状
測定装置は、図４に示すように、本体基板（不図示）の
上に取り付けられたＹ方向に移動可能なＹステージ１１
と、Ｙステージ１１上に取り付けられ、Ｙ方向に延びる
回転軸１３ｃの回りに回動可能な回転ステージ１３と、
回転ステージ１３の上方において前記本体基板に取り付
けられ、Ｙステージ１１表面に垂直なＺ方向に移動可能
なＺステージ１４と、Ｚステージ１４に取り付けられＸ
方向に延びる回転軸１５ｃの回りに回動可能な回転ステ
ージ１５と、回転ステージ１５に取り付けられた光距離
測定器としてのレーザー変位計１６とを備えている。

【００３９】被測定物１７は、回転ステージ１３の上に
載せられる。本実施例では、これらのステージ１１、１
３〜１５がレーザー変位計１６と被測定物１７との間の
相対位置を設定及び変更させる位置設定変更機構を構成
している。なお、図４において、各ステージ１１、１３
〜１５の動きの理解を容易にするため、Ｙステージ１１
の固定部を１１ａ、Ｙステージ１１の可動部を１１ｂ、
回転ステージ１３の固定部を１３ａ、回転ステージ１３
の可動部を１３ｂ、Ｚステージ１４の固定部を１４ａ、
Ｚステージ１４の可動部を１４ｂ、回転ステージ１５の
固定部を１５ａ、回転ステージ１５の可動部を１５ｂ
で、それぞれ示している。

【００４０】レーザー変位計１６は、被測定物１７に対
してＹ方向に垂直なＸ方向に拡がったスリット状の照射
光１６ａ’を照射する照射部１６ａと、被測定物１７か
らの反射光を受光する受光部１６ｂを有している。照射
部１６ａから照射されるレーザー光は、６７０ｎｍの半
導体レーザー光であるが、感度特性が大きい受光部１６
ｂとすることにより、他の波長のレーザーを用いること
もできる。

【００４１】本実施例ではシリンドリカルレンズを用い
て、半導体レーザー光をスリット状の照射光としてい
る。そのため、スリットを用いてスリット状にする場合
のように、輝度が低下することがなく、またポリゴンミ
ラーを用いる場合のように、装置の大型化を招くことが
ない。図には示していないが、受光部１６ｂは、２次元
配列された複数の受光素子からなる２次元ＣＣＤなどの
２次元受光センサを有し、受光部１６ｂとして例えばＣ
ＣＤカメラを使用することができる。

【００４２】受光部１６ｂの光軸まわりの位置関係は、
被測定物の被測定面が照射光の光軸に対して垂直な平面
である場合に、被測定物からの反射光の像が受光部１６
ｂの２次元受光センサ面７の走査線８に垂直になるよう
に設定されている。また、本実施例の３次元形状測定装
置は、図４に示すように、各ステージ１１、１３〜１５
の駆動モータ（不図示）を駆動するモータ駆動回路１８
と、レーザー変位計１６を駆動するセンサ駆動回路１９
と、制御・処理部２０と、測定者が制御・処理部２０に
各種の指令を与えるための入力部（例えば、キーボー
ド）２１と、各ステージ１１、１３〜１５の位置（また
は駆動量）を検出する位置検出器（例えばエンコーダ、
不図示）と、を備えている。

【００４３】ここで、制御・処理部２０は、不図示の記
憶装置やＣＰＵ等を内蔵したマイクロコンピュータ等か
ら構成され、モータ駆動回路１８及びセンサ駆動回路１９の動作を
制御する第３の制御部２０ａ’’としての機能、相対
位置が所定の複数の相対位置となるように位置設定変更
機構（各ステージ１１、１３〜１５）を制御する第１の
制御部２０ａとしての機能、受光部１６ｂを構成する２次元受光素子の出力信号を
用いて、被測定物からの反射光像の幅及び最大輝度が所
定範囲内にあるか否かを検知することにより、或いは、
被測定物からの反射光像の位置、幅及び最大輝度が所定
範囲内にあるか否かを検知することにより、データ作成
用の出力信号を選択する機能、データ作成用の出力信号
が選択できないときは、測定不能を示す信号を出力する
機能（信号選択部２０ｃとしての機能）、測定不能を示す信号が出力された相対位置に対して位
置の修正を行うと共に修正した相対位置となるように、
前記位置設定変更機構を制御する第２の制御部２０ａ’
としての機能、レーザー変位計１６と形状既知の被測定物（例えば、
白色で平面性の良い板）との間の各相対位置における、
２次元受光センサの出力信号及び前記の関係式を用い
て、レーザー変位計１６の光学系に起因する歪曲収差を
補正するための補正係数及び補正式を求める演算部２０
ｂとしての機能、信号選択部２０ｃにより選択された出力信号、前記演
算部２０ｂにより求められた補正式、及び位置検出機構
からの出力信号（各ステージ１１、１３〜１５の位置検
出信号）に基づいて、前記サブピクセル処理及び座標補
正を行って各距離データを求め、さらに被測定物の３次
元形状データを作成する形状データ作成部２０ｄとして
の機能、などの各種の機能を担う。

【００４４】なお、本実施例では、形状データ作成部２
０ｄにて作成された３次元形状データは、これを利用す
るＣＡＤ装置２２に供給されるようになっている。以
下、本実施例の３次元形状測定装置の動作の一例につい
て説明する。先ず、被測定物１７である歯科用模型の測
定に必要な測定箇所は、歯の咬合面及び側面であるか
ら、測定不要な面が下になるように、被測定物１７を回
転ステージ１３に仮り止めする。

【００４５】次に、測定者は、入力部２１により制御・
処理部２０に指令を与えることにより、初期設定を行
う。即ち、制御・処理部２０は、入力部２１からの指令
に従って、モータ駆動回路１８を介して各ステージ１
１、１３〜１５を制御し、回転ステージ１３は水平位置
のまま、回転ステージ１５はレーザー変位計１６の照射
部１６ａからのレーザー照射光がＹステージ１１表面に
垂直となる原点位置、Ｚステージ１４は、標準的な被測
定物がレーザー変位計１６の受光部１６ｂの受光レンズ
（不図示）の焦点深度の中に収まる原点位置にセットす
る。また、レーザー変位計１６の照射部１６ａからのス
リット状のレーザー照射光１６ａ’が被測定物１７に照
射される範囲に来るように、Ｙステージ１１を用いて、
被測定物１７を移動させる。

【００４６】次に、測定者は、入力部２１により、制御
・処理部２０に測定開始指令を与える。この状態で、制
御・処理部２０の中の制御部２０ａは、測定者により入
力装置２１から与えられた測定開始指令に応答して、セ
ンサ駆動回路１９に制御信号を与えて、照射部１６ａか
ら被測定物１７にスリット光１６ａ’を照射させる。そ
して、被測定物１７の形状に沿った切断線１７ａが形成
される。

【００４７】この切断線１７ａが受光部１６ｂにより斜
めから撮像される。即ち、図２（ｂ）に示すように、受
光部１６ｂの２次元受光センサの受光面７上には、切断
線１７ａの像６’が投影される。その結果、その像に応
じた出力信号が受光部１６ｂの２次元受光センサから得
られる。制御・処理部２０の中の信号選択部２０ｃは、
受光部１６ｂの２次元受光センサからの出力の中から、
反射光像の幅及び最大輝度が所定範囲内にあるか否かを
検知することにより、或いは、反射光像の位置、幅及び
最大輝度が所定範囲内にあるか否かを検知することによ
り、データ作成用の出力信号を選択してメモリに記憶さ
せる。

【００４８】データ作成用の出力信号が選択できないと
きは、信号選択部２０ｃは、測定不能を示す信号を出力
する。制御・処理部２０の中の演算部２０ｂは、レーザ
ー変位計１６と形状既知の被測定物（前記）との間の各
相対位置における、２次元受光センサの出力信号及び前
記の関係式を用いて、レーザー変位計１６の光学系に起
因する歪曲収差を補正するための補正係数及び補正式を
予め求めておき、メモリに記憶させておく。

【００４９】また、制御・処理部２０の中の形状データ
作成部２０ｄは、信号選択部２０ｃにより選択された出
力信号、演算部２０ｂにより求められた補正式、及び位
置検出機構からの出力信号（各ステージ１１、１３〜１
５の位置検出信号）に基づいて、前記サブピクセル処理
及び座標補正を行って各距離データを求めると共に、そ
のデータを各ステージ１１、１３〜１５の位置データと
対応させてメモリに記憶させる。

【００５０】これで、一つの切断線に対する測定が終了
する。被測定物１７の全体を測定するためには、Ｙステ
ージ１１を所定量のピッチで動かした後、同様の手順で
測定（補正を含む）を繰り返せば良い。測定により得ら
れた各測定データは、同様にメモリに記憶させる。被測
定物１７の全域が所定のピッチで測定できたならば、測
定不能を示す信号が出力された相対位置に対して第２の
制御部２０ａ’は、位置の修正を行うと共に、修正した
相対位置となるように前記位置設定変更機構を制御す
る。

【００５１】相対位置の修正は、例えば、照射部１６ａ
から被測定物１７に照射するスリット光の照射角が元の
相対位置の場合に対して９０°回転した関係になるよう
に修正すればよいが、これに限定されるものではない。
修正した相対位置における各測定（補正を含む）を同様
に行うことにより、或いは、測定（補正を含む）及び相
対位置変更を繰り返すことにより、必要なすべての測定
データを得ることができる。測定により得られた各測定
データは、同様にメモリに記憶させる。

【００５２】そして、メモリに記憶された各測定データ
を用いて、形状データ作成部２０ｄは、被測定物１７の
３次元形状データを作成する。

【００５３】

【実施例２】図５は、本実施例の３次元形状測定装置の
全体構成を模式的に示す図である。本実施例の３次元形
状測定装置は、図５に示すように、本体基板（不図示）
の上に取り付けられたＹ方向に移動可能なＹステージ３
１と、Ｙステージ３１の上方において前記本体基板に取
り付けられたレーザー変位計（光距離測定器の一例）３
２とを備えている。

【００５４】被測定物２３は、Ｙステージ３１の上に載
せられる。Ｙステージ３１は、レーザー変位計３２と被
測定物２３との間の相対位置を設定及び変更する位置設
定変更機構を構成している。なお、図５において、Ｙス
テージ３１の動きの理解を容易にするため、Ｙステージ
３１の固定部を３１ａで示し、Ｙステージ３１の可動部
を３１ｂで示している。

【００５５】レーザー変位計３２は、被測定物２３に対
して、Ｘ方向（Ｙ方向に垂直）に拡がったスリット状の
照射光２４ａを照射する照射部２４と、被測定物２３か
らの反射光を受光する二つの受光部２５、２５’を有し
ている。照射部２４から照射されるレーザー光は、６７
０ｎｍの半導体レーザー光であるが、感度特性が大きい
受光部２５、２５’とすることにより、他の波長のレー
ザーを用いることもできる。

【００５６】本実施例ではシリンドリカルレンズを用い
て、半導体レーザー光をスリット状の照射光２４ａとし
ている。そのため、スリットを用いてスリット状にする
場合のように、輝度が低下することがなく、またポリゴ
ンミラーを用いる場合のように、装置の大型化を招くこ
とがない。二つの受光部２５、２５’は、その各光軸２
５ａ、２５ａ’が照射光２４ａの光軸に対して、それぞ
れ角度θ１，θ２をなすように配置されている。

【００５７】図には示していないが、各受光部２５、２
５’は、２次元配列された複数の受光素子からなる２次
元ＣＣＤなどの２次元受光センサを有し、各受光部２
５、２５’として例えばＣＣＤカメラを使用することが
できる。各受光部２５、２５’の各光軸２５ａ、２５
ａ’まわりの位置関係は、被測定物の被測定面が照射光
２４ａの光軸に対して垂直な平面である場合に、被測定
物からの反射光の像が各受光部２５、２５’の２次元受
光センサ面７の走査線８に垂直になるように設定されて
いる。

【００５８】なお、照射部２４及び各受光部２５、２
５’は、両方とも前記本体基板に固定されている。ま
た、本実施例の３次元形状測定装置は、図５に示すよう
に、Ｙステージ３１の駆動モータ（不図示）を駆動する
モータ駆動回路２６と、レーザー変位計３２の照射部２
４を駆動する照射部駆動回路２７と、制御・処理部２８
と、測定者が制御・処理部２８に各種の指令を与えるた
めの入力部（例えば、キーボード）２９と、Ｙステージ
３１の位置（または駆動量）を検出する位置検出機構
（例えばエンコーダ、不図示）と、を備えている。

【００５９】ここで、制御・処理部２８は、不図示の記
憶装置やＣＰＵ等を内蔵したマイクロコンピュータ等か
ら構成され、モータ駆動回路２６及び照射部駆動回路２７の動作を
制御する制御部２８ａとしての機能、各受光部２５、２５’を構成する２次元受光素子の出
力信号を用いて、被測定物２３からの反射光像の幅及び
最大輝度が所定範囲内にあるか否かを検知することによ
り、データ作成用の出力信号を選択する信号選択部２８
ｂとしての機能レーザー変位計３２と形状既知の被測定物（例えば、
白色で平面性の良い板）との間の各相対位置における、
前記２次元受光センサの出力信号及び前記の関係式を用
いて、レーザー変位計３２の光学系に起因する歪曲収差
を補正するための補正係数及び補正式を求める演算部２
８ｃとしての機能、信号選択部２８ｂにより選択された出力信号、前記演
算部により求められた補正式、及び位置検出機構からの
出力信号（Ｙステージ３１の位置検出信号）に基づい
て、前記サブピクセル処理及び座標補正を行って各距離
データを求め、さらに被測定物の３次元形状データを作
成する形状データ作成部２８ｄとしての機能、などの各
種の機能を担う。

【００６０】なお、本実施例では、形状データ作成部２
８ｄにて作成された３次元形状測定データは、これを利
用するＣＡＤ装置３０に供給されるようになっている。
以下、本実施例の３次元形状測定装置の動作の一例につ
いて説明する。先ず、被測定物２３である歯科用模型の
測定に必要な測定箇所は、歯の咬合面及び側面であるか
ら、測定不要な面が下になるように、被測定物２３をＹ
ステージ３１に仮り止めする。

【００６１】この状態で、制御・処理部２８の中の制御
部２８ａは、測定者により入力部２９から与えられた測
定開始指令に応答して、照射部駆動回路２７に制御信号
を与えて、照射部２４から被測定物２３にスリット光２
４ａを照射させる。そして被測定物２３の形状に沿った
切断線２３ａが形成される。この切断線２３ａが受光部
２５、２５’により斜めから撮像される。即ち、図２
（ｂ）に示すように、受光部２５、２５’の各２次元受
光センサの受光面７上には、切断線２３ａの像６’がそ
れぞれ投影される。その結果、それらの像に応じた出力
信号が受光部２５、２５’の各２次元受光センサから得
られる。

【００６２】制御・処理部２８の中の信号選択部２８ｂ
は、受光部２５、２５’の各２次元受光センサからの出
力の中から、反射光像の幅及び最大輝度が所定範囲内に
ある（条件）か否かを検知することにより、前記条件を
満たす最適な出力信号を選択してメモリに記憶させる。
制御・処理部２８の中の演算部２８ｃは、レーザー変位
計３２と形状既知の被測定物（前記）との間の各相対位
置における、２次元受光センサの出力信号及び前記の関
係式を用いて、レーザー変位計３２の光学系に起因する
歪曲収差を補正するための補正係数及び補正式を求めて
メモリに記憶させる。

【００６３】また、制御・処理部２８の中の形状データ
作成部２８ｄは、信号選択部２８ｂにより選択された出
力信号、演算部２８ｃにより求められた補正式、及び位
置検出機構からの出力信号（Ｙステージ３１の位置検出
信号）に基づいて、前記サブピクセル処理及び座標補正
を行って各距離データを求めると共に、そのデータをＹ
ステージの位置データと対応させてメモリに記憶させ
る。

【００６４】これで、一つの切断線２３ａに対する測定
が終了する。被測定物２３の全体を測定するためには、
Ｙステージ３１を所定量のピッチで動かした後、同様の
手順で測定（補正を含む）を繰り返せば良い。被測定物
２３の全域が所定ピッチで測定できたならば、すべての
測定が終了したことになる。すべての測定により得られ
た各測定データは、同様にメモリに記憶させる。そし
て、メモリに記憶された各データを用いて、形状データ
作成部２８ｄは、被測定物２３の３次元形状データを作
成する。

【００６５】以上、実施例１、２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。例
えば、実施例では、単一のレーザー変位計（光距離測定
器）を用いているが、複数のレーザー変位計を用いても
よい。また、レーザー変位計と被測定物との間の相対位
置を設定及び変更させる位置設定変更機構としては、実
施例の機構に限定されるものではなく、その相対位置を
所望の３次元形状を得るのに必要な位置に設定及び変更
することができれば、位置設定変更機構として任意の構
成を採用することができる。

【００６６】

【発明の効果】以上詳しく説明した通り、本発明の３次
元形状測定装置によれば、被測定物の被測定面の傾きに
起因する測定誤差を低減し、安定して高い精度で被測定
物の３次元形状を測定することができると共に、測定光
学系に起因する歪曲収差による測定精度の低下を抑制す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明にかかる測定原理を説明するための
概略側面図である。

【図２】は、受光部の受光面に投影された像の様子を示
す説明図（ａ），（ｂ）と像におけるｙ方向の輝度分布
を示す説明図（ｃ）である。

【図３】は、２次元受光センサ（受光面）上のｘｙ座標
系と３次元形状測定ＸＹＺ座標系との間の関係を模式的
に示す図である。

【図４】は、実施例１の３次元形状測定装置の全体構成
を模式的に示す図である。

【図５】は、実施例２の３次元形状測定装置の全体構成
を模式的に示す図である。

【主要部分の符号の説明】

１・・・被測定物２・・・スリット状の照射光３・・・照射部３ａ・・照射光２の光軸４・・・受光部４ａ・・受光部４の光軸５・・・受光部５ａ・・受光部５の光軸６・・・被測定物からの反射光像６’・・被測定物からの反射光像７・・・２次元受光素子の受光面８・・・走査線１１・・Ｙステージ１３・・回転ステージ１４・・Ｚステージ１５・・回転ステージ１６・・光距離測定器１６ａ・・照射部１６ａ’・・スリット状の照射光１６ｂ・・受光部１７・・被測定物１７ａ・・切断線１８・・モータ駆動回路１９・・センサ駆動回路２０・・制御処理部２０ａ・・第１の制御部２０ａ’・・第２の制御部２０ａ’’・・第３の制御部２０ｂ・・演算部２０ｃ・・信号選択部２０ｄ・・形状データ作成部２１・・入力部２２・・ＣＡＤ装置２３・・被測定物２３ａ・・切断線２４・・照射部２４ａ・・スリット状の照射光２５・・受光部２５ａ・・受光部２５の光軸２５’・・受光部２５’ａ・・受光部２５’の光軸２６・・モータ駆動回路２７・・照射部駆動回路２８・・制御処理部２８ａ・・制御部２８ｂ・・信号選択部２８ｃ・・演算部２８ｄ・・形状データ作成部２９・・入力部３０・・・ＣＡＤ装置３１・・Ｙステージ３２・・光距離測定器以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも、被測定物に対してスリット状の照射光を照射する照射部
と、２次元配列された複数の受光素子からなる２次元受
光センサを有する受光部であって、前記照射光による前
記被測定物からの反射光を前記２次元受光センサ上で受
光する受光部とを備えた光距離測定器と、前記光距離測定器と前記被測定物との間の相対位置を設
定及び変更する位置設定変更機構と、前記光距離測定器の光学系に起因する歪曲収差を補正す
る式を求める演算部と、前記相対位置における前記２次元受光センサの出力信号
を用いて、被測定物からの反射光像の幅及び最大輝度が
所定範囲内にあるか否かを検知することにより、前記相
対位置におけるデータ作成用の出力信号を選択する信号
選択部と、前記信号選択部により選択された出力信号及び前記演算
部により求められた補正式に基づいて、前記被測定物の
３次元形状データを作成する形状データ作成部と、を備
えた３次元形状測定装置。
【請求項２】少なくとも、被測定物に対してスリット状の照射光を照射する照射部
と、２次元配列された複数の受光素子からなる２次元受
光センサを有する受光部であって、前記照射光による前
記被測定物からの反射光を前記２次元受光センサ上で受
光する受光部とを備えた光距離測定器と、前記光距離測定器と前記被測定物との間の相対位置を設
定及び変更する位置設定変更機構と、前記光距離測定器の光学系に起因する歪曲収差を補正す
る式を求める演算部と、前記相対位置における前記２次元受光センサの出力信号
を用いて、被測定物からの反射光像の幅及び最大輝度が
所定範囲内にあるか否かを検知することにより、データ
作成用の出力信号を選択する信号選択部であり、データ
作成用の出力信号が選択できないときに、測定不能を示
す信号を出力する機能、及び／または、前記位置設定変
更機構に相対位置の変更を指示する信号を出力する機能
を有する信号選択部と、前記信号選択部により選択された出力信号及び前記演算
部により求められた補正式に基づいて、前記被測定物の
３次元形状データを作成する形状データ作成部と、を備
えた３次元形状測定装置。
【請求項３】少なくとも、被測定物に対してスリット状の照射光を照射する照射部
と、２次元配列された複数の受光素子からなる２次元受
光センサを有する受光部であって、前記照射光による前
記被測定物からの反射光を前記２次元受光センサ上で受
光する受光部とを備えた光距離測定器と、前記光距離測定器と前記被測定物との間の相対位置を設
定及び変更する位置設定変更機構と、前記相対位置が所定の複数の相対位置となるように前記
位置設定変更機構を制御する第１の制御部と、前記光距離測定器の光学系に起因する歪曲収差を補正す
る式を求める演算部と、前記相対位置における前記２次元受光センサの出力信号
を用いて、被測定物からの反射光像の幅及び最大輝度が
所定範囲内にあるか否かを検知することにより、データ
作成用の出力信号を選択する信号選択部であり、データ
作成用の出力信号が選択できないときに、測定不能を示
す信号を出力する機能を有する信号選択部と、前記信号選択部から測定不能を示す信号が出力された相
対位置に対して位置の修正を行うと共に、修正した相対
位置となるように前記位置設定変更機構を制御する第２
の制御部と、前記信号選択部により選択された出力信号及び前記演算
部により求められた補正式に基づいて、前記被測定物の
３次元形状データを作成する形状データ作成部と、を備
えた３次元形状測定装置。
【請求項４】前記位置設定変更機構及び前記照射部の
動作を制御する制御部と前記位置設定変更機構の位置ま
たは駆動量を検出する位置検出機構とを更に備えたこと
を特徴とする請求項１〜３記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】前記スリット状の照射光は、半導体レー
ザー光をシリンドリカルレンズによりスリット状にした
照射光であることを特徴とする請求項１〜４記載の３次
元形状測定装置。