JPH10148512A - 形状計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光学系の位置合わせが容易な２次元受光系で
ありながら背景光ノイズの影響を削減する。 【解決手段】 投光手段と、回転方向に揺動し互いに揺
動周期が同期した２つの回転ミラーと、受光レンズと、
リレーレンズ系と、１次元スリットと、２次元受光素子
とを備え、光ビームを第１の回転ミラーにより計測対象
物体に導き、物体の光照射位置で形成される光スポット
を再び第１の回転ミラーを介して受光レンズで集光し、
受光レンズによるスポット像の結像位置に設けられた１
次元スリットによりスポット像形成光成分を選択透過
し、透過した光成分をリレーレンズ系及びその系の途中
に挿入された第２の回転ミラーにより２次元受光素子に
結像位置を変換して結像させ、これを２次元受光素子で
撮像してスポット像の軌跡画像を求め、偏向方向ごとの
計測対象物体の３次元位置座標を三角測量により算出す
る。また、前記２つの回転ミラーの代わりに両面回転ミ
ラーを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用のロボット
等で物体を操作する際に適用される物体の形状計測技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の同種技術としては、レーザ光を計
測対象物体に照射して反射光を得て、これに三角測量の
原理を当てはめて対象物体の位置を計算する光変位計が
ある。この光変位計においては、レーザ光の照射方向が
単一であるために多数の点の計測が必要な形状計測には
不適当であり、レーザ光の照射方向を連続的に変化させ
られるように改良したレンジファインダがある。レンジ
ファインダは、さらに、レーザ光をスリット状に拡げて
ＣＣＤ等の２次元受光素子で受光するものと、レーザビ
ームを回転ミラー等を用いて走査し、その走査によって
形成される光スポットを１次元受光素子で受光するもの
とがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来
技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。

【０００４】前記従来技術の前者の方法では、計測用レ
ーザ光の多重反射を含めた背景光のノイズに弱いという
問題があった。また、後者の方法では、受光素子が１次
元のために光学系の位置合わせが難しいという問題があ
った。

【０００５】本発明の目的は、光学系の位置合わせが容
易な２次元受光系でありながら背景光ノイズの影響を削
減することが可能な技術を提供することにある。

【０００６】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【０００８】（１）光ビームを投光する投光手段と、回
転方向に揺動し、互いに揺動周期が同期した第１，第２
の２つの回転ミラーと、受光レンズと、リレーレンズ系
と、１次元スリットと、２次元受光素子とを備えた形状
計測装置であって、前記投光手段からの光ビームを第１
の回転ミラーにより計測対象物体に導き、光ビームが計
測対象物体に照射された位置にて形成される光スポット
を再び前記第１の回転ミラーを介して前記受光レンズで
集光し、該受光レンズにより生ぜられるスポット像の結
像位置に設けられた１次元スリットによりスポット像形
成光成分を選択透過し、透過した光成分をリレーレンズ
系及びその系の途中に挿入された第２の回転ミラーによ
り２次元受光素子に結像位置を変換して結像させ、これ
を２次元受光素子で撮像してスポット像の軌跡画像を求
め、偏向方向ごとの計測対象物体の３次元位置座標を三
角測量により算出する構成にしたものである。

【０００９】（２）前記第１，第２の２つの回転ミラー
の代わりに回転方向に揺動す回転両面ミラーを用い、前
記投光手段からの光ビームを回転両面ミラーの一方の面
により計測対象物体に導き、前記光ビームが計測対象物
体に照射された位置にて形成される光スポットを再び当
該回転両面ミラーの同一の面を介して受光レンズで集光
し、該受光レンズにより生ぜられるスポット像の結像位
置に設けられた１次元スリットによりスポット像形成光
成分を選択透過し、透過した該光成分をリレーレンズ系
及び前記回転両面ミラーの他方の面を経て２次元受光素
子に結像位置を変換して結像させ、これを２次元受光素
子で撮像してスポット像の軌跡画像を求め、偏向方向ご
との計測対象物体の３次元位置座標を三角測量により算
出する構成にしたものである。

【００１０】前述した手段によれば、２次元受光素子を
用いているので、受光系の位置合わせが容易にできる。
また、１次元スリットを用いて信号光のみを選択的に透
過するようにしているので、背景ノイズ光の影響を削減
することができる。また、スリットは１次元であり位置
合わせの必要があるが、２次元受光素子と結像関係にあ
るので、２次元受光素子によって得られる画像をモニタ
しながら簡単に位置合わせを行なうことができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態を詳細に説明する。

【００１２】なお、実施形態を説明するための全図にお
いて、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰
り返しの説明は省略する。

【００１３】（実施形態１）図１は本発明の実施形態１
に係る光変位計の原理を説明するための図であり、１は
投光ビーム、２-１，２-２，２-３は計測対象物体、３
は受光レンズ、４は結像線、Ｑ-１,Ｑ-２,Ｑ-３はスポ
ット像である。

【００１４】本実施形態１に係る光変位計の原理は、図
１に示すように、まず、レーザ光源等を用いて得られる
投光ビーム１が計測対象物体に照射される。すると投光
ビーム１が計測対象物体に遮られた位置で光スポットＰ
が形成される。いま、計測対象物体がそれぞれ２-１，
２-２，２-３の位置にあるときに形成される光スポット
をＰ-１，Ｐ-２，Ｐ-３とすると（Ｐ-２は受光レンズ３
の光軸上に描かれている）、これらの各光スポットＰ-
１，Ｐ-２，Ｐ-３は、受光レンズ３によりそれぞれスポ
ット像Ｑ-１、Ｑ-２、Ｑ-３として結像される。スポッ
ト像Ｑ-１、Ｑ-２、Ｑ-３はある一つの直線上に並ぶ
が、ここでは仮りにこの直線を結像線４と称する。

【００１５】なお、結像線４と投光ビーム１の交点Ｃ
は、受光レンズ３のなす平面上にある、という性質を有
し、また、受光レンズ３の中心Ｏと光スポットＰ-２及
びスポット像Ｑ-２との距離をそれぞれａ、ｂとする
と、よく知られているように、受光レンズ３の焦点距離
ｆに対して数１の式で表される関係がある。

【００１６】

【数１】１／ｆ＝１／ａ＋１／ｂ また、投光ビーム１上の光スポットＰと点Ｃとの距離を
ｕとすると、光スポットＰに対応して受光レンズ３で結
像線４上に結像されるスポット像Ｑと点Ｃとの距離ｖ
は、数２の式で表される。

【００１７】

【数２】ｖ＝ｄ・ｕ・ｓｉｎα／｛ｕ・ｓｉｎ（α＋
β）−ｄ・ｓｉｎβ｝ 但し、α＝arctan（ａ／ｄ），β＝arctan（ｂ／ｄ），
ｄ＝ＯＣ（バーＯＣ） 三角測量ではこの距離ｖを視差とよんでいる。ここで前
記数２の式をｕについての式に変換すると、数３の式と
なる。

【００１８】

【数３】ｕ＝ｄ・ｖ・ｓｉｎβ／｛ｖ・ｓｉｎ（α＋
β）-ｄ・ｓｉｎα｝ 従って、結像線４上に１次元受光素子列を設け、該受光
素子列上のスポット像の位置を検出することにより、計
測対象物体上で投光ビームが照射された点の位置座標を
算出することが可能となる。これが三角測量による光変
位計の原理である。

【００１９】なお、光変位計においては、該光変位計の
姿勢に対して投光ビームの照射方向が固定されているの
で、計測対象物体上の複数の点の位置を知るためには、
変位計の位置・姿勢等を色々変化させて計測する必要が
ある。

【００２０】（実施形態２）図２は本発明の実施形態２
を説明するための図であり、図１の光変位計に回転方向
に揺動する偏向ミラーを組み合わせたビーム走査型レン
ジファインダの一構成例の原理である。本実施形態２の
構成の特徴は、図１の光変位計に対して、投光ビーム１
を計測空間内で走査して偏向することにより、計測対象
物体が偏向ビームにより形成される扇形面で切断される
断面の輪郭線上の各点の位置データを順次取得すること
にある。図２において、５は投光ビーム１の途中に設け
られたビーム偏向用の回転ミラーである。

【００２１】ここで、偏向された投光ビーム１'が計測
対象物体を照射して形成される光スポットが受光レンズ
３によって結像線４上に結像するのに足りるだけの幅と
長さを、前記ミラー５は有しているものとする。この動
作に際しては、回転ミラー５の回転に合わせて、結像線
４上に設けられた１次元受光素子列の出力を時系列的に
処理し、それぞれ三角測量の計算を実行することによ
り、計測対象物体上で投光ビームが移動してできた光ス
ポットの軌跡が３次元座標として出力される。

【００２２】（実施形態３）図３は本発明の実施形態３
を説明するための図であり、図２のビーム走査型レンジ
ファインダの拡張構成図である。本実施形態３の構成で
は、図１及び図２に設けた結像線４上の１次元受光素子
列を設けず、その一方でリレーレンズ系６を追加してい
る（図では１枚のレンズとしてリレーレンズ系を表して
いる）。本実施形態３の構成によれば、結像線４上に仮
想的に結像したスポット像Ｑ-１、Ｑ-２、Ｑ-３は、新
たなる結像線７上のスポット像Ｒ-１、Ｒ-２、Ｒ-３と
して再結像される。

【００２３】（実施形態４）図４は本発明の実施形態４
を説明するための図であり、図３に比べてさらに回転方
向に揺動するミラー８と１次元スリット９が追加されて
いる。また、受光素子は１次元ではなく２次元のものを
用いる。この動作を説明すると、投光ビーム１は回転ミ
ラー５により偏向されて投光ビーム１'となる。そし
て、例えば、投光ビーム１'の光路中で計測対象物体の
存在位置により光スポットＰ'-１、Ｐ'-２、Ｐ'-３等が
形成される。形成された該スポット像は、再び回転ミラ
ー５を介して、受光レンズ３により結像線４上に結像さ
れる。

【００２４】結像線４上に結像されたスポット像は、さ
らに、リレーレンズ系６により、リレーレンズ系６の後
ろ側の結像位置に再結像される。但し、ここでリレーレ
ンズ系６と結像位置の間には回転ミラー８が設けられて
おり、結像位置は新たなる結像線７'上となって、それ
ぞれスポット像Ｒ'-１、Ｒ'-２、Ｒ'-３を形成する。こ
こで回転ミラー５と回転ミラー８を同じ周期で同期させ
て揺動すると（振幅は同一でなくてよい）、投光ビーム
１'の偏向方向に応じて、結像線７'の位置が回転ミラー
８の回転軸と直交する方向に移動することになる。

【００２５】従って、結像線７'が移動する面に沿って
２次元受光素子１０を設ければ、投光ビーム１'の偏向
方向に応じた光スポットの軌跡が２次元受光素子１０に
よって撮像されることになる（実際には２次元受光素子
面の上部と下部の方向にそれぞれ結像線７'が位置する
ときには、そのスポット像形成光の光路が若干長くなり
焦点ボケを生ずるが、スポット像の中心位置を求める三
角測量の場合には、過大な問題とはならない）。

【００２６】そして、２次元受光素子１０によって撮像
されたスポットの軌跡画像において、一方の軸を投光ビ
ームの偏向方向にとり、もう一方の直交軸を三角測量を
行なうための視差を表す軸にとって、各偏向方向毎に三
角測量の演算を行えば、測定物体上の各計測点の位置座
標が算出できる。なお、計測にあたっては、測定対象物
体上での投光用ビームによる光スポット以外に、外乱光
や投光ビーム自身の測定対象物体での多重反射光を含め
て様々な背景光が、受光レンズ３にノイズ光として入射
する。そこで、これらのノイズ光がさらにリレーレンズ
系６に入射することを極力排除するために、結像線４上
に細い１次元スリット９を設けて、このスリットを透過
する光成分のみを２次元受光素子１０に導くこととす
る。

【００２７】（実施例１）図５は図４の実施形態４の原
理に基づいた実施例１の形状計測装置の概略構成を示す
正面図である。本実施例１の形状計測装置は、図５に示
すように、受光レンズ３、回転ミラー５及び８、リレー
レンズ系６、１次元スリット９、２次元受光素子１０、
ビーム投光手段１１、回転ミラーを回転するためのスキ
ャナ１２及び１３、スキャナ同期制御手段１４、画像読
み出し手段１５、及び三角測量演算手段１６で構成され
ている。なお、図５では図を簡単にするために、１次元
スリット９及び２次元受光素子１０を紙面に直交して描
いている。図５における動作は、図４の原理と同様のも
のであるので、その説明を省略する。

【００２８】（実施例２）図６は本発明の実施例２の形
状計測装置の概略構成を示す正面図である。本実施例２
における特徴は、図５における２つの回転ミラーの代わ
りに、一枚の回転ミラーの表裏を同時に用いることによ
って、ミラー間の外部からの同期制御を不要とした点に
ある。

【００２９】本実施例２の形状計測装置の動作を説明す
ると、ビーム投光手段１１によって射出された投光ビー
ム１が、固定ミラー１７及び回転ミラー５の一面を経由
して、計測対象物体上に照射される。計測対象物体上で
形成されたスポット像は、再び回転ミラー５及び固定ミ
ラー１７を経由して、受光レンズ３によりレンズの後ろ
側に結像される。この結像位置には１次元スリット９が
設けられており、スポット像の結像成分以外のノイズ光
を極力排除するようにして、スポット像形成光成分が固
定ミラー１８、１９及びリレーレンズ系６を順次経由す
る。

【００３０】リレーレンズ系としての構成はいくつか考
えられるが、図６では２枚のレンズ６-１及び６-２が固
定ミラー１９を挾んで系をなしている例を示している。
固定ミラー及びリレーレンズ系を経由した該光成分は、
さらに、回転ミラー５のもう一方の面及び固定ミラー２
０を経由して、２次元受光素子１０上に結像される（図
５におけると同様に、受光素子の結像位置によって若干
の焦点ボケを生ずる）。

【００３１】ここで、回転ミラー５をスキャナ１２で回
転することにより、投光ビームの照射方向を移動させ、
その移動と共に２次元受光素子１０上にスポット像の軌
跡が描かれる。２次元受光素子１０によって撮像された
該軌跡画像は画像読み出し手段１５によって読出され、
さらに、三角測量演算手段１６によって計測物体上の光
スポットの一連の位置が計算される。

【００３２】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００３３】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００３４】（１）２次元受光素子を用いているために
受光系の位置合わせが容易にできる。 （２）１次元スリットを用いて信号光のみを選択的に透
過するようにしているので、背景ノイズ光の影響を削減
することができる。

【００３５】（３）スリットは１次元であり位置合わせ
の必要があるが、２次元受光素子と結像関係にあるの
で、２次元受光素子によって得られる画像をモニタしな
がら簡単に位置合わせを行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１に係る光変位計の原理を説
明するための図である。

【図２】本発明の実施形態２に係る光変位計の原理を説
明するための図である。

【図３】本発明の実施形態３に係る光変位計の原理を説
明するための図である。

【図４】本発明の実施形態４に係る光変位計の原理を説
明するための図である。

【図５】本発明の実施形態４の原理に基づいた実施例１
の形状計測装置の概略構成を示す正面図である。

【図６】本発明の実施例２の形状計測装置の概略構成を
示す正面図である。

【符号の説明】

１…投光ビーム、１'…偏向された投光ビーム、２-１，
２-２，２-３…計測対象物体、３…受光レンズ、４…結
像線、５…回転ミラー、６，６-１，６-２…リレーレン
ズ系、７，７'…結像線、８…回転ミラー、９…１次元
スリット、１０…２次元受光素子、１１…ビーム投光手
段、１２，１３…スキャナ、１４…スキャナ同期制御手
段、１５…画像読み出し手段、１６…三角測量演算手
段、１７，１８，１９，２０…固定ミラー、Ｐ-１，Ｐ-
２，Ｐ-３…計測対象物体上の光スポット、Ｐ'-１，Ｐ'
-２，Ｐ'-３…計測対象物体上の光スポット、Ｑ-１，Ｑ
-２，Ｑ-３…スポット像、Ｒ-１，Ｒ-２，Ｒ-３…スポ
ット像、Ｒ'-１，Ｒ'-２，Ｒ'-３…スポット像、Ｃ…結
像線４と投光ビーム１の交点、Ｏ…受光レンズ３の中
心。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ビームを投光する投光手段と、回転方
   向に揺動し、互いに揺動周期が同期した第１，第２の２
   つの回転ミラーと、受光レンズと、リレーレンズ系と、
   １次元スリットと、２次元受光素子とを備えた形状計測
   装置であって、前記投光手段からの光ビームを第１の回
   転ミラーにより計測対象物体に導き、光ビームが計測対
   象物体に照射された位置にて形成される光スポットを再
   び前記第１の回転ミラーを介して前記受光レンズで集光
   し、該受光レンズにより生ぜられるスポット像の結像位
   置に設けられた１次元スリットによりスポット像形成光
   成分を選択透過し、透過した光成分をリレーレンズ系及
   びその系の途中に挿入された第２の回転ミラーにより２
   次元受光素子に結像位置を変換して結像させ、これを２
   次元受光素子で撮像してスポット像の軌跡画像を求め、
   偏向方向ごとの計測対象物体の３次元位置座標を三角測
   量により算出する構成になっていることを特徴とする形
   状計測装置。
2. 【請求項２】 光ビームを投光する投光手段と、回転方
   向に揺動す回転両面ミラーと、受光レンズと、リレーレ
   ンズ系と、１次元スリットと、２次元受光素子とを備え
   た形状計測装置であって、前記投光手段からの光ビーム
   を回転両面ミラーの一方の面により計測対象物体に導
   き、光ビームが計測対象物体に照射された位置にて形成
   される光スポットを再び前記回転両面ミラーの同一の面
   を介して受光レンズで集光し、該受光レンズにより生ぜ
   られるスポット像の結像位置に設けられた１次元スリッ
   トによりスポット像形成光成分を選択透過し、透過した
   該光成分をリレーレンズ系及び前記回転両面ミラーの他
   方の面を経て２次元受光素子に結像位置を変換して結像
   させ、これを２次元受光素子で撮像してスポット像の軌
   跡画像を求め、偏向方向ごとの計測対象物体の３次元位
   置座標を三角測量により算出する構成になっていること
   を特徴とする形状計測装置。