JPH0914935A - ３次元物体の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 三角測量法による測定の対象である３次元物
体の表面が粗面であるか鏡面であるかにかかわらず、光
学系に変更を要することなくこの物体を測定できるよう
にする。 【構成】 レーザ光源10からの二つの光19、20をそれぞ
れ異なる角度で２方向から測定対象物体22に向かわせ、
これらの光19、20をシリンドリカルレンズ21、24によっ
て物体22上にライン状に照射させる。一方の光19の照射
により物体22から散乱反射光が生じたときに、この散乱
反射光のみを一対の第１の受光系27、28によって受光さ
せる。他方の光20の照射により物体22から鏡面反射光が
生じたときに、この鏡面反射光のみを第２の受光系37に
よって受光させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、３次元物体の形状を三
角測量法にもとづいて測定するための、３次元物体の測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の３次元物体の測定装置を
図10および図11に例示する。図10の装置においては、光
源70からの光71が、ミラー72およびガルバノミラー73で
反射され、かつ固定ミラー74で反射されて測定対象物体
75を照射する。この物体75からの散乱反射光は、固定ミ
ラー76で反射され、ガルバノミラー73の裏ミラーで反射
されて、受光素子77にて感知される。この場合、ガルバ
ノモータ78で駆動されるガルバノミラー73が振れること
で、ｘ方向の走査が行われてその値が特定される。ｚ方
向の値は、受光素子77によって特定される。

【０００３】図11の装置においては、半導体レーザ81か
らの光82は、投光レンズ83を通った後にガルバノミラー
84で反射され、ハーフミラー85で透過光と反射光とに分
けられる。反射光がｘ方向検知素子86で受光されること
で、そのｘ方向の位置が検知される。ハーフミラー85を
透過した光は、測定対象物体87を照射する。測定対象物
体87で反射した光は、受光レンズ88を通って、ｚ方向検
知素子89で感知される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの従来
のものでは、測定対象物の表面が粗面であるか鏡面であ
るかによって光学系を変更しなければならず、一つの光
学系で両者を測定することはできないという問題点があ
る。また、測定深度が浅く、ある程度以上の奥行きを有
する測定対象物の測定が困難であるという問題点もあ
る。

【０００５】そこで本発明はこのような問題点を解決
し、測定対象物の表面が粗面であるか鏡面であるかにか
かわらず、光学系に変更を要することなく測定を行える
ようにし、しかもその測定深度を深く設定できるように
することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段および作用】この目的を達
成するため本発明は、光源からの二つの光をそれぞれ異
なる角度で２方向から測定対象物体に向かわせる手段
と、これら２方向からの光をそれぞれ測定対象物体上に
ライン状に照射させる手段と、一方のライン状の光の照
射により測定対象物体から散乱反射光が生じたときに、
この散乱反射光を、他方のライン状の光の照射にもとづ
く測定対象物体からの反射光から分離して受光する第１
の受光手段と、前記他方のライン状の光の照射により測
定対象物体から鏡面反射光が生じたときに、この鏡面反
射光を、前記一方のライン状の光の照射にもとづく測定
対象物体からの反射光から分離して受光する第２の受光
手段とを有する構成としたものである。

【０００７】このようなものであると、光源からの光を
２方向から測定対象物体に向かわせ、測定対象物体が粗
面である場合は、一方の光と散乱反射光を受光する第１
の受光手段とによってこの測定対象物が測定される。測
定対象物体が鏡面である場合には、他方の光と鏡面反射
光を受光する第２の受光素子とによって、測定対象物が
測定される。

【０００８】また本発明は、光源を構成する半導体レー
ザと、この半導体レーザから照射される楕円形の光から
楕円形のコリレート光を生成する手段と、このコリレー
ト光を円形断面に補正する手段と、この円形断面の光を
より断面積の大きな円形断面の光に変換する手段と、こ
の断面積の大きな円形断面の光を、測定対象物体上に照
射されたときに所要の計測深さを達成可能なように小さ
な角度で絞り込む長焦点レンズとを有する構成としたも
のである。

【０００９】すなわち、測定精度を高くして、しかも測
定深さを大きくとるためには、測定対象物へのビーム径
を小さくするとともに、その拡がり角を小さくする必要
がある。つまり、ビーム径ｗは、 ｗ＝λ／（２ＮＡ） …（１） で表される。ただし、 ｗ：ビーム径 λ：光源の波長 ＮＡ：レンズの開口数 である。本発明では、ＮＡを大きくするために、円形断
面の光をより断面積の大きな円形断面の光に変換する手
段を有した構成とする。

【００１０】また、ビームの拡がり角を小さくするため
に、長焦点レンズを有した構成とする。つまり、 ｗ〜４ｆθ …（２） で表され、 ｆ：焦点距離 θ：拡がり角 である。

【００１１】

【実施例】本発明の装置は、カメラ部（図１、２、３）
と、データ処理部（図４）とからなる。

【００１２】図１および図２において、半導体レーザ10
から出た光は、光束変換系11と絞り光学系12とを通る。
図３に示すように、光束変換系11は、３群コリメートレ
ンズ13と、アナモルフィークプリズムペア14と、ビーム
エキスパンダ15とを備えている。すなわち、半導体レー
ザ10から出た楕円断面の光が３群コリメートレンズ13を
通ることによってコリレート光が形成され、またアナモ
ルフィークプリズムペア14を通ることにより楕円が補正
されて円形断面の光が得られる。この円形断面の光は、
ビームエキスパンダ15を通ることによって、より大きな
円形断面にされる。この大きな円形断面の光は、長焦点
レンズ群にて構成された絞り光学系12に入れられ、この
絞り光学系12によって光ビームが絞られる。これによ
り、細い光ビームを極力同じ径で長く保つことができ、
その結果、高精度で、しかも測定深さを深くとった測定
が可能になる。

【００１３】絞り光学系12を通った光ビームは、次に四
分の一波長板17とビームスプリッタ18とを通ることで、
入射光に平行なＰ波19と、これに垂直なＳ波20とに分離
される。このうち、Ｐ波19は、シリンドリカルレンズ21
により扇形に形成されて光のラインとなったうえで、測
定対象物体22に対し垂直方向に照射される。一方、Ｓ波
は、反射鏡23で反射されて、Ｐ波19の光軸に対し斜め方
向に向けられる。そしてシリンドリカルレンズ24により
扇形に形成されて光のラインとなったうえで、測定対象
物体22に対し斜め方向に照射角度αで照射される。図５
は、Ｐ波の扇形の光25が光のライン26となって測定対象
物体22に照射される様子を例示する。

【００１４】図１において、Ｐ波19の光軸に対し線対称
な斜め方向の光軸に沿って、一対の第１の受光系27、28
が配置されている。これら第１の受光系27、28は、それ
ぞれＰ波19の光軸に対し角度βをなして配置され、Ｐ波
のみを通過させて他の雑音となる光を遮断する偏光フィ
ルタ29と、図中におけるｙ方向とｚ方向の光を吸収する
ように作用する一対のシリンドリカルレンズ30、31と、
これらシリンドリカルレンズ30、31によって焦点が結ば
れる位置に配置された２次元ＰＳＤ32とをそれぞれ備え
ている。

【００１５】図５、６、７に示すように、測定対象物体
22が凹部35を有する場合において、図６に示すように光
が斜めに照射する場合には、図示のような死角Ｅが発生
する。また図７に示すように光が垂直に照射する場合に
は、図示のように片側に死角Ｆ、Ｇが発生する。よっ
て、測定対象物体22の表面が粗面である場合には、この
ような死角の発生をなくすために、上述のように、Ｐ波
19を垂直照射するともに、斜め向きに配置された一対の
第１の受光系27、28によって、粗面からの散乱反射光を
２方向で観測する。このとき、三角測量の原理により、
図１に示すように測定対象物体22の表面の位置がＰ波19
の光軸方向に沿って異なると、２次元ＰＳＤ32における
光の位置がずれ、それによってライン状の２次元位置が
測定されることになる。

【００１６】図１において、斜め方向に照射されるＳ波
20は、鏡面に対するものとして使われ、対応して設けら
れる単一の第２の受光系37は、このＳ波20の照射角度α
と等しい角度αでもって配置されている。すなわち、Ｐ
波19の光軸に対しＳ波の照射方向とは反対側の線対称な
斜め方向の光軸に沿って配置されている。そして、この
第２の受光系37も、同様に、Ｓ波のみを通過させて他の
雑音となる光を遮断する偏光フィルタ39と、図中におけ
るｙ方向とｚ方向の光を吸収するように作用する一対の
シリンドリカルレンズ40、41と、これらシリンドリカル
レンズ40、41によって焦点が結ばれる位置に配置された
２次元ＰＳＤ42とを備えている。

【００１７】なお、シリンドリカルレンズ30、31、40、
41は、図示のように２枚配置するほかに、これらを１枚
の特殊レンズで構成することもできる。また、受光素子
としては、上述のような２次元ＰＳＤ32、42に代えて、
ＣＣＤなどの他の任意の素子を利用することもできる。

【００１８】このように粗面と鏡面との両方に対応で
き、また一つの半導体レーザ10を利用した光源からの光
をＰ波とＳ波とに分離するなど、構成が簡単であること
から、安価で、しかも上述のように死角を無くして高精
度にデータを得ることができる。また移動部を有しない
固定光学系を採用した点からも、高精度を確保すること
ができる。またシリンドリカルレンズ21、24によって扇
形の光25を形成したため、測定幅を大きくとることがで
きる。さらに受光素子としてＰＳＤ32、42を利用したた
め、高速処理を実現することができる。

【００１９】受光素子を構成する各２次元ＰＳＤ32、42
からの信号は、図４に示すようにそれぞれＡ／Ｄ変換器
44でデジタル信号に変換され、画像処理ボード45へ送ら
れる。この画像処理ボード45では、ＣＰＵ46からの指示
によって、ライン状の光からの重心位置計算や平均化処
理などが行われる。そのデータはメモリバッファ47に格
納され、またその結果はモニタ48の画面に表示される。

【００２０】上述のように、測定対象物体22の表面が粗
面である場合には、Ｐ波を受光可能な一対の２次元ＰＳ
Ｄ32によって２方向の観察を行っているため、データの
重み付けや平均化処理を行うことが可能である。特に平
均化処理を行うことによって、ｙ方向のラインでは、図
８に示されるような特異なピーク点50は取り除かれ、し
たがって測定対象物体22の表面粗さによる影響を無くし
てデータの信頼性を向上させることができる。

【００２１】測定対象物体22の表面が鏡面である場合に
は、ほとんど散乱反射光が発生しないので、２方向に配
置された２次元ＰＳＤ32からのデータはほとんど無く、
もっぱらＳ波を受光可能な２次元ＰＳＤ42からのデータ
にもとづいて測定が行われる。

【００２２】図１において、測定対象物体22が図示の位
置からｘ方向に動くか、あるいは光学系がｘ方向に動く
と、別のライン状のプロファイルが測定されることにな
る。各ライン状のプロファイルに対応するデータはそれ
ぞれメモリバッファ47に格納され、複数のラインに対応
するデータがリアルタイムにモニタ48に表示される。図
９は、その表示例を示す。

【００２３】図４に示すように、半導体レーザ10の発光
量を制御するための自動制御装置51が設けられており、
この自動制御装置51は、ＣＰＵ46からの指示によって、
自動／手動の切換えが可能である。自動で制御する際に
は、各Ａ／Ｄ変換器44の出力がこの自動制御装置51に入
力されることによって、反射光量にもとづき照射光量を
フィードバック制御することが可能である。なお、Ａ／
Ｄ変換器44の出力に代えて各画像処理ボード45の出力を
自動制御装置51に入力することによっても、同様のフィ
ードバック制御を行うことができる。

【００２４】たとえば測定対象物体22が黒色などの色彩
を有する場合には、照射した光が吸収して反射が起こり
にくく、データを採りにくいことがある。そのようなと
きには、自動制御装置51にて自動制御を行うなどによっ
て、半導体レーザ10の出力を増大させればよい。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、光源から
の光を２方向から測定対象物体に向かわせ、測定対象物
体が粗面である場合は、一方の光と、散乱反射光を受光
する第１の受光手段とによってこの測定対象物を測定可
能とし、また測定対象物が鏡面である場合には、他方の
光と、鏡面反射光を受光する第２の受光素子とによって
この測定対象物を測定可能としたため、測定対象物体が
粗面であると鏡面であるとにかかわらず、一つの光学装
置だけでこの測定対象物体を３次元的に測定することが
できる。

【００２６】また本発明によれば、光源を構成する半導
体レーザから照射される光を小さな角度で絞り込む長焦
点レンズを設けたため、その光を測定対象物体上に照射
したときに所要の計測深さを達成させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の３次元物体の測定装置のカ
メラ部の概略構成を示す正面図である。

【図２】図１のカメラ部の斜視図である。

【図３】図１のカメラ部における光束変換系の詳細図で
ある。

【図４】同装置におけるデータ処理部の概略構成図であ
る。

【図５】照射光と観測用の受光系との配置を説明するた
めの概略図である。

【図６】斜め照射により死角が生じていることを説明す
る図である。

【図７】垂直照射により死角が生じていることを説明す
る図である。

【図８】測定対象物体におけるライン状の光の例を示す
図である。

【図９】測定対象物体の形状を示すラインプロファイル
を例示する図である。

【図１０】従来の３次元物体の測定装置の一例の概略図
である。

【図１１】従来の３次元物体の測定装置の他の例の概略
図である。

【符号の説明】

10 半導体レーザ 12 絞り光学系 19 Ｐ波 20 Ｓ波 22 測定対象物体 27 第１の受光系 28 第１の受光系 32 ２次元ＰＳＤ 37 第２の受光系 42 ２次元ＰＳＤ

フロントページの続き (72)発明者 浜野 誠司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３次元物体を三角測量法にもとづいて測
   定する装置であって、光源からの二つの光をそれぞれ異
   なる角度で２方向から測定対象物体に向かわせる手段
   と、これら２方向からの光をそれぞれ測定対象物体上に
   ライン状に照射させる手段と、一方のライン状の光の照
   射により測定対象物体から散乱反射光が生じたときに、
   この散乱反射光を、他方のライン状の光の照射にもとづ
   く測定対象物体からの反射光から分離して受光する第１
   の受光手段と、前記他方のライン状の光の照射により測
   定対象物体から鏡面反射光が生じたときに、この鏡面反
   射光を、前記一方のライン状の光の照射にもとづく測定
   対象物体からの反射光から分離して受光する第２の受光
   手段とを有することを特徴とする３次元物体の測定装
   置。
2. 【請求項２】 レーザ光源からの光をＰ波とＳ波とに分
   離する手段と、測定対象物体の面に対しＰ波を垂直方向
   から照射させる手段と、測定対象物体の面に対しＳ波を
   斜め方向から照射させる手段と、垂直方向のＰ波の光軸
   に対し線対称な斜め方向の光軸に沿ってそれぞれ配置さ
   れるとともに、フィルタを介してＰ波のみを受光するよ
   うに構成されて、このＰ波の照射により測定対象物体か
   ら散乱反射光が生じたときにこの散乱反射光を受光可能
   な一対の第１の２次元受光素子と、垂直方向のＰ波の光
   軸に対しＳ波の照射方向とは反対側の線対称な斜め方向
   の光軸に沿って配置されるとともに、フィルタを介して
   Ｓ波のみを受光するように構成されて、このＳ波の照射
   により測定対象物体から鏡面反射光が生じたときにこの
   鏡面反射光を受光可能な第２の２次元受光素子とを有す
   ることを特徴とする請求項１記載の３次元物体の測定装
   置。
3. 【請求項３】 ３次元物体を三角測量法にもとづいて測
   定する装置であって、光源を構成する半導体レーザと、
   この半導体レーザから照射される楕円形の光から楕円形
   のコリレート光を生成する手段と、このコリレート光を
   円形断面に補正する手段と、この円形断面の光をより断
   面積の大きな円形断面の光に変換する手段と、この断面
   積の大きな円形断面の光を、測定対象物体上に照射され
   たときに所要の計測深さを達成可能なように小さな角度
   で絞り込む長焦点レンズとを有することを特徴とする３
   次元物体の測定装置。
4. 【請求項４】 長焦点レンズにて絞り込まれる光を扇形
   に広がる平面状の光束に変換して測定対象物体上にライ
   ン状に照射させるシリンドリカルレンズを有することを
   特徴とする請求項３記載の３次元物体の測定装置。