JPH11351858A - Noncontact three-dimensional measuring equipment - Google Patents

Noncontact three-dimensional measuring equipment

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JPH11351858A
JPH11351858A JP16109898A JP16109898A JPH11351858A JP H11351858 A JPH11351858 A JP H11351858A JP 16109898 A JP16109898 A JP 16109898A JP 16109898 A JP16109898 A JP 16109898A JP H11351858 A JPH11351858 A JP H11351858A
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Sadayuki Matsumiya
貞行 松宮
Yasushi Ichihara
保賜 市原
Toshio Kawasaki
俊雄 川崎
Takao Kawabe
隆夫 川辺
Koichi Komatsu
浩一 小松
Akira Sato
章 佐藤
Kazuhiro Kanbe
一浩 神戸
Soichi Kadowaki
聰一 門脇
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Mitsutoyo Kiko Co Ltd
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  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To three-dimensionally measure a work with high precision at a high speed. SOLUTION: Two kinds of measuring means, i.e., a CCD camera 34 used in image measuring equipment, and a laser probe 35 which measures displacement in a noncontact manner by using a laser beam are arranged together, and one imaging unit 17 is constituted. The imaging unit 17 is driven in XYZ directions on the basis of the respective measured values. A work 12 is imaged in a comparatively large range by using the CCD camera 34, and the shape is measured. Fine displacement of the work where judgement of focusing is difficult is measured with the laser probe 35. By using two-dimensional information obtained by the CCD camera 34, a measuring orbit can be easily set. The laser probe 35 measures displacement amount of the work 12 along the set measuring orbit.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、CCDカメラ等
の撮像手段でワークを撮像して得られた画像から被測定
対象の輪郭形状等を測定する非接触画像測定機能と、ワ
ークの測定面との距離を変位量として非接触に検出する
非接触変位検出機能とを備えた非接触三次元測定装置に
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a non-contact image measurement function for measuring a contour shape or the like of an object to be measured from an image obtained by imaging a work by an imaging means such as a CCD camera. And a non-contact three-dimensional measuring device having a non-contact displacement detecting function of detecting a distance of the non-contact as a displacement amount in a non-contact manner.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、精密部品の輪郭形状の測定等
に画像測定装置が使用されている。画像測定装置は、測
定すべきワークをCCDカメラを用いて任意の拡大率で
撮像し、得られた二次元画像からエッジを検出し、種々
の計測ツールを用いて必要な箇所の座標値を求めるもの
である。この画像測定装置でワークの高さ方向も含めた
三次元測定を行う場合には、測定面の画像のコントラス
トから合焦判定を行って、この合焦位置を高さ方向の位
置とする。
2. Description of the Related Art Conventionally, an image measuring device has been used for measuring a contour shape of a precision part. The image measuring device captures an image of a workpiece to be measured at an arbitrary magnification using a CCD camera, detects an edge from the obtained two-dimensional image, and obtains coordinate values of a necessary portion using various measurement tools. Things. When three-dimensional measurement including the height direction of the work is performed by the image measurement device, focus determination is performed based on the contrast of the image on the measurement surface, and the focus position is set as a position in the height direction.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】LSIパッケージのよ
うな微細構造の実装部品は、パッケージの製造品質が歩
留まりを決定する大きな要因となる。このため、パッケ
ージの各部を高精度に測定できる装置が望まれている。
従来の画像測定装置では、合焦判定によって高さ方向
(Z軸方向)の位置を測定するようにしているので、合
焦判定の精度を上げるには比較的大きな画面の画像が必
要であり、この結果、データ処理に時間がかかるという
問題がある。また、CCDカメラの焦点深度は、レンズ
にもよるが、通常1乃至数μmであり、この範囲内では
常に合焦点を判定してしまうため、測定誤差が大きいと
いう問題がある。
In the case of a mounted component having a fine structure such as an LSI package, the manufacturing quality of the package is a major factor that determines the yield. For this reason, a device that can measure each part of the package with high accuracy is desired.
In the conventional image measurement device, the position in the height direction (Z-axis direction) is measured by focusing determination, so that a relatively large screen image is required to improve the accuracy of focusing determination. As a result, there is a problem that data processing takes time. Further, the depth of focus of the CCD camera is usually 1 to several μm, depending on the lens, and within this range, the focal point is always determined, so that there is a problem that a measurement error is large.

【0004】本発明は、このような点に鑑みなされたも
ので、ワークを高速且つ高精度に三次元測定することが
できる非接触三次元測定装置を提供することを目的とす
る。
An object of the present invention is to provide a non-contact three-dimensional measuring device capable of three-dimensionally measuring a workpiece at high speed and with high accuracy.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明の第1の非接触三
次元測定装置は、ワークを撮像して画像測定用の二次元
画像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の所定の
測定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計
を備えた撮像ユニットと、この撮像ユニットを測定三次
元空間内の任意の位置に駆動する撮像ユニット駆動機構
と、前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三
次元座標値として出力する位置検出手段と、前記非接触
変位計が出力する変位量が常にゼロ又は所定の値を維持
するように所定の測定軌道に沿って前記ワーク上の測定
点を移動させるべく前記撮像ユニット駆動機構を制御し
て、前記位置検出手段からの三次元座標値を取り込むこ
とによりワークの倣い測定を実行する制御手段とを備え
たことを特徴とする。
A first non-contact three-dimensional measuring apparatus according to the present invention is an image pickup means for picking up an image of a workpiece and outputting two-dimensional image information for image measurement, and a predetermined measuring point on the workpiece. An imaging unit provided with a non-contact displacement meter capable of detecting a distance from the imaging unit as a displacement amount; an imaging unit driving mechanism for driving the imaging unit to an arbitrary position in a measurement three-dimensional space; Position detecting means for outputting a position in space as a three-dimensional coordinate value; and a displacement amount outputted by the non-contact displacement meter on the work along a predetermined measurement trajectory so that the displacement amount always maintains zero or a predetermined value. And control means for controlling the imaging unit drive mechanism to move the measurement point, and taking a three-dimensional coordinate value from the position detection means to execute scanning measurement of the workpiece. .

【0006】また、本発明の第2の非接触三次元測定装
置は、ワークを撮像して画像測定用の二次元画像情報を
出力する撮像手段及び前記ワーク上の所定の測定点との
距離を変位量として検出可能な非接触変位計を備えた撮
像ユニットと、この撮像ユニットを測定三次元空間内の
任意の位置に駆動する撮像ユニット駆動機構と、前記撮
像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元座標値
として出力する位置検出手段と、前記非接触変位計が検
出する変位方向の軸を固定しつつ所定の測定軌道に沿っ
て前記ワーク上の測定点を移動させるべく前記撮像ユニ
ット駆動機構を制御して、前記非接触変位計が検出した
変位量及び前記位置検出手段からの三次元座標値を取り
込むことによりワークの倣い測定を実行する制御手段と
を備えたことを特徴とする。
Further, a second non-contact three-dimensional measuring apparatus according to the present invention includes an image pickup means for picking up an image of a workpiece and outputting two-dimensional image information for image measurement, and a distance from a predetermined measurement point on the workpiece. An imaging unit having a non-contact displacement meter that can be detected as a displacement amount, an imaging unit driving mechanism for driving the imaging unit to an arbitrary position in the measurement three-dimensional space, and an imaging unit driving mechanism in the measurement three-dimensional space. Position detecting means for outputting a position as a three-dimensional coordinate value, and the imaging unit for moving a measurement point on the workpiece along a predetermined measurement trajectory while fixing an axis in a displacement direction detected by the non-contact displacement meter. Control means for controlling a drive mechanism to capture a displacement amount detected by the non-contact displacement meter and three-dimensional coordinate values from the position detecting means, thereby performing scanning measurement of a workpiece. To.

【0007】本発明によれば、2種類の測定手段、即ち
画像測定装置で使用される撮像手段と、レーザビーム等
を利用した非接触変位計とを併設して1つの撮像ユニッ
トを構成し、この撮像ユニットを各測定値に基づいて、
撮像ユニット駆動機構で駆動するようにしている。この
ため、撮像手段で比較的大きい範囲でワークの撮像を行
って形状測定する一方、合焦判定が難しいワークの微小
変位を非接触変位計で測定することが可能になる。本発
明によれば、撮像手段で得られた二次元画像情報を用い
て測定軌道を容易に設定することができ、且つ設定され
た測定軌道に沿って非接触変位計がワークの変位量を測
定していくので、高速で高精度のワークの倣い測定が可
能になる。
According to the present invention, one image pickup unit is constructed by combining two types of measuring means, ie, an image pickup means used in an image measuring device, and a non-contact displacement meter using a laser beam or the like. This imaging unit is based on each measurement value,
It is driven by an imaging unit driving mechanism. For this reason, it is possible to measure the shape by imaging the work in a relatively large range by the imaging means, and to measure the minute displacement of the work for which focusing determination is difficult by the non-contact displacement meter. According to the present invention, the measurement trajectory can be easily set using the two-dimensional image information obtained by the imaging means, and the non-contact displacement meter measures the displacement amount of the work along the set measurement trajectory. Therefore, high-speed and high-accuracy workpiece scanning measurement becomes possible.

【0008】倣い測定の方法として、非接触変位計の変
位量が常にゼロ又は所定の値を維持するように撮像ユニ
ット駆動機構を制御して、位置検出手段からの三次元座
標値を取り込むようにすると、非接触変位計の測定範囲
に制限されない広い範囲の変位測定が可能になる。ま
た、倣い測定の方法として、非接触変位形が検出する変
位方向の軸を固定して、非接触変位計が検出した変位量
及び位置検出手段からの三次元座標値を取り込むように
すると、非接触変位計の有する極めて高い測定精度によ
る測定が可能になる。
[0008] As a scanning measurement method, the imaging unit driving mechanism is controlled so that the displacement amount of the non-contact displacement meter always maintains zero or a predetermined value, and three-dimensional coordinate values from the position detecting means are taken in. Then, displacement measurement over a wide range that is not limited to the measurement range of the non-contact displacement meter becomes possible. Further, as a method of scanning measurement, if the axis in the displacement direction detected by the non-contact displacement type is fixed and the displacement detected by the non-contact displacement meter and the three-dimensional coordinate values from the position detecting means are taken in, the Measurement with extremely high measurement accuracy of the contact displacement meter becomes possible.

【0009】なお、倣い測定の際の測定軌道は、予め決
められた軌道、設計データ等を用いて自動設定する方法
等が考えられるが、例えば長方形、螺旋形のように予め
任意の形状を指定することも可能である。更に、非接触
変位計としては、例えばワーク上にレーザビームスポッ
トを照射してその反射光を受光することにより変位量を
検出するレーザ変位計を用いることができる。また、非
接触変位計は、例えばワーク上に光学系を介して光ビー
ムを照射してその合焦位置と測定点とのずれ量がゼロに
なる前記光学系の移動量を変位量として出力する合焦方
式の変位計を用いることができる。
A method of automatically setting the measurement trajectory at the time of scanning measurement using a predetermined trajectory, design data, and the like can be considered. For example, an arbitrary shape such as a rectangle or a spiral is designated. It is also possible. Further, as the non-contact displacement meter, for example, a laser displacement meter that irradiates a laser beam spot on a work and receives reflected light thereof to detect a displacement amount can be used. In addition, the non-contact displacement meter irradiates a light beam onto the work through an optical system, for example, and outputs a displacement amount of the optical system at which a shift amount between a focus position and a measurement point becomes zero as a displacement amount. A focusing type displacement meter can be used.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明の
好ましい実施の形態について説明する。図1は、この発
明の一実施例に係る非接触三次元測定装置の全体構成を
示す斜視図である。この装置は、非接触画像測定機能と
非接触変位測定機能とを備えた三次元測定機1と、この
三次元測定機1を駆動制御すると共に、必要なデータ処
理を実行するコンピュータシステム2とにより構成され
ている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an entire configuration of a non-contact three-dimensional measuring apparatus according to one embodiment of the present invention. This apparatus includes a coordinate measuring machine 1 having a non-contact image measuring function and a non-contact displacement measuring function, and a computer system 2 which drives and controls the coordinate measuring machine 1 and executes necessary data processing. It is configured.

【0011】三次元測定機1は、次のように構成されて
いる。即ち、架台11上には、被測定対象であるワーク
12を載置する測定テーブル13が装着されており、こ
の測定テーブル13は、図示しないY軸駆動機構によっ
てY軸方向に駆動される。架台11の両側縁中央部には
上方に延びる支持アーム14,15が固定されており、
この支持アーム14,15の両上端部を連結するように
X軸ガイド16が固定されている。このX軸ガイド16
には、撮像ユニット17が支持されている。撮像ユニッ
ト17は、図示しないX軸駆動機構によってX軸ガイド
16に沿って駆動される。コンピュータシステム2は、
計測情報処理及び各種制御を司るコンピュータ21と、
各種指示情報を入力するキーボード22、ジョイスティ
ックボックス23及びマウス24と、計測画面、指示画
面及び計測結果を表示するCRTディスプレイ25と、
計測結果をプリントアウトするプリンタ26とを備えて
構成されている。
The coordinate measuring machine 1 is configured as follows. That is, a measurement table 13 on which the work 12 to be measured is placed is mounted on the gantry 11, and the measurement table 13 is driven in the Y-axis direction by a Y-axis driving mechanism (not shown). Support arms 14 and 15 extending upward are fixed to the center of both sides of the gantry 11.
An X-axis guide 16 is fixed so as to connect both upper ends of the support arms 14 and 15. This X-axis guide 16
Supports an imaging unit 17. The imaging unit 17 is driven along the X-axis guide 16 by an X-axis driving mechanism (not shown). Computer system 2
A computer 21 for measuring information processing and various controls;
A keyboard 22, a joystick box 23, and a mouse 24 for inputting various instruction information; a CRT display 25 for displaying a measurement screen, an instruction screen, and a measurement result;
And a printer 26 for printing out the measurement results.

【0012】撮像ユニット17の内部は、図2に示すよ
うに構成されている。即ち、X軸ガイド16に沿って移
動可能にスライダ31が設けられ、スライダ31に一体
にZ軸ガイド32が固定されている。このZ軸ガイド3
2には、支持板33がZ軸方向に摺動自在に設けられ、
この支持板33に、画像測定用の撮像手段であるCCD
カメラ34と、非接触変位計であるレーザプローブ35
とが併設されている。これにより、CCDカメラ34と
レーザプローブ35とは、一定の位置関係を保ってX,
Y,Zの3軸方向に同時に移動できるようになってい
る。CCDカメラ34には、撮像範囲を照明するための
照明装置36が付加されている。レーザプローブ35の
近傍位置には、レーザプローブ35のレーザビームによ
る測定位置を確認するために、測定位置の周辺を撮像す
るCCDカメラ38と、レーザプローブ35の測定位置
を照明するための照明装置39とが設けられている。レ
ーザプローブ35は、撮像ユニット17の移動の際にレ
ーザプローブ35を退避するための上下動機構40と、
レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための
回転機構41とにより支持されている。
The inside of the image pickup unit 17 is configured as shown in FIG. That is, the slider 31 is provided so as to be movable along the X-axis guide 16, and the Z-axis guide 32 is fixed to the slider 31 integrally. This Z-axis guide 3
2, a support plate 33 is provided slidably in the Z-axis direction,
The support plate 33 is provided with a CCD as an image pickup device for image measurement.
A camera 34 and a laser probe 35 which is a non-contact displacement meter
And are attached. Accordingly, the CCD camera 34 and the laser probe 35 maintain a fixed positional relationship between X and X.
It can be moved simultaneously in three directions of Y and Z axes. An illumination device 36 for illuminating the imaging range is added to the CCD camera 34. In the vicinity of the laser probe 35, a CCD camera 38 for imaging the periphery of the measurement position to confirm the measurement position of the laser probe 35 by the laser beam, and an illumination device 39 for illuminating the measurement position of the laser probe 35 Are provided. A vertical movement mechanism 40 for retracting the laser probe 35 when the imaging unit 17 moves;
It is supported by a rotation mechanism 41 for adjusting the directionality of the laser beam to an optimal direction.

【0013】図3は、レーザプローブ35の詳細を示す
図である。半導体レーザ51から放射された光は、ビー
ムスプリッタ52及び1/4波長板53を介したのち、
コリメートレンズ54によって並行光線とされ、ミラー
55,56及び対物レンズ57を介してワーク12の測
定部に光スポットを形成する。ワーク12の測定部から
反射された光は、ミラー56,55、コリメートレンズ
54及び1/4波長板53の逆経路を辿ってビームスプ
リッタ52で反射され、エッジミラー58で上下に二分
割される。上下に分割された光は、上下に配置された2
分割受光素子59,60で検出される。検出回路61
は、2分割受光素子59,60からの出力信号をもとに
対物レンズ57の焦点位置からワーク12の測定面62
までのずれ量に応じた信号を出力する。サーボ回路63
は、検出回路61の検出出力に基づいて駆動機構64に
対物レンズ57の駆動のための駆動信号を出力する。対
物レンズ57が上下動すると、変位検出器66の可動部
材67が固定部材68に対して移動する。この移動量が
変位量として出力される。
FIG. 3 is a diagram showing details of the laser probe 35. As shown in FIG. The light emitted from the semiconductor laser 51 passes through a beam splitter 52 and a quarter-wave plate 53,
The light is collimated by the collimator lens 54 and forms a light spot on the measurement section of the work 12 via the mirrors 55 and 56 and the objective lens 57. The light reflected from the measurement section of the work 12 is reflected by the beam splitter 52 along the reverse path of the mirrors 56 and 55, the collimator lens 54 and the quarter-wave plate 53, and is vertically split by the edge mirror 58. . The light divided vertically is divided into two vertically arranged lights.
The light is detected by the divided light receiving elements 59 and 60. Detection circuit 61
Is based on the output signals from the two-divided light receiving elements 59 and 60, and from the focal position of the objective lens 57 to the measurement surface 62
And outputs a signal corresponding to the amount of deviation up to. Servo circuit 63
Outputs a drive signal for driving the objective lens 57 to the drive mechanism 64 based on the detection output of the detection circuit 61. When the objective lens 57 moves up and down, the movable member 67 of the displacement detector 66 moves with respect to the fixed member 68. This movement amount is output as a displacement amount.

【0014】図4には、三次元測定機1及びコンピュー
タシステム2の構成を更に詳細に示した装置全体のブロ
ック図が示されている。三次元測定機1において、画像
測定用のCCDカメラ34及びレーザプローブ35の測
定位置確認用のCCDカメラ35でワーク12を撮像し
て得られた画像信号は、それぞれA/D変換器71,7
2で多値画像データに変換されたのち、選択回路73に
よっていずれか一方が選択されてコンピュータ21に供
給される。CCDカメラ34,38の撮像に必要な照明
光は、コンピュータ21の制御に基づき、照明制御部7
4,75が照明装置36,39をそれぞれ制御すること
により与えられる。レーザプローブ35から得られた変
位量の信号は、A/D変換器76を介してコンピュータ
21に供給される。そして、これらを含む撮像ユニット
17が、コンピュータ21の制御に基づいて動作するX
YZ軸駆動部77によってXYZ軸方向に駆動される。
撮像ユニット17のXYZ軸方向の位置は、XYZ軸エ
ンコーダ78によって検出され、コンピュータ21に供
給される。
FIG. 4 is a block diagram of the entire apparatus showing the configuration of the coordinate measuring machine 1 and the computer system 2 in more detail. In the coordinate measuring machine 1, image signals obtained by imaging the work 12 with the CCD camera 34 for image measurement and the CCD camera 35 for confirming the measurement position of the laser probe 35 are converted into A / D converters 71 and 7, respectively.
After being converted into multi-valued image data in 2, one of them is selected by the selection circuit 73 and supplied to the computer 21. Illumination light necessary for imaging by the CCD cameras 34 and 38 is supplied to the illumination controller 7 based on the control of the computer 21.
4,75 are provided by controlling the lighting devices 36,39, respectively. The signal of the displacement amount obtained from the laser probe 35 is supplied to the computer 21 via the A / D converter 76. Then, the imaging unit 17 including these operates under the control of the computer 21.
It is driven in the XYZ-axis directions by the YZ-axis driving unit 77.
The position of the imaging unit 17 in the XYZ-axis direction is detected by the XYZ-axis encoder 78 and supplied to the computer 21.

【0015】一方、コンピュータ21は、制御の中心を
なすCPU81と、このCPU81に接続される多値画
像メモリ82、プログラム記憶部83、ワークメモリ8
4及びインタフェース85,86と、多値画像メモリ8
1に記憶された多値画像データをCRTディスプレイ2
5に表示するための表示制御部87とにより構成されて
いる。CPU81は、画像測定モードとレーザ測定モー
ドとで選択回路73を切り換える。選択回路73で選択
された画像測定用の多値画像データ又はレーザ測定用の
多値画像データは、多値画像メモリ82に格納される。
多値画像メモリ82に格納された多値画像データは、表
示制御部87の表示制御動作によってCRTディスプレ
イ25に表示される。一方、キーボード22,ジョイス
ティック23及びマウス24から入力されるオペレータ
の指示情報は、インタフェース85を介してCPU81
に入力される。また、CPU81には、レーザプローブ
35で検出された変位量やXYZ軸エンコーダ78から
のXYZ座標情報等を取り込む。CPU81は、これら
の入力情報、オペレータの指示及びプログラム記憶部8
3に格納されたプログラムに基づいて、XYZ軸駆動部
77によるステージ移動、測定値の演算処理等の各種の
処理を実行する。ワークメモリ84は、CPU81の各
種処理のための作業領域を提供する。測定値は、インタ
フェース86を介してプリンタ26に出力される。
On the other hand, the computer 21 comprises a CPU 81 which is the center of control, a multi-value image memory 82 connected to the CPU 81, a program storage unit 83, and a work memory 8
4 and interfaces 85 and 86, and multi-valued image memory 8
The multi-valued image data stored in the CRT display 1
And a display control section 87 for displaying the image on the display 5. The CPU 81 switches the selection circuit 73 between the image measurement mode and the laser measurement mode. The multivalued image data for image measurement or the multivalued image data for laser measurement selected by the selection circuit 73 is stored in the multivalued image memory 82.
The multivalued image data stored in the multivalued image memory 82 is displayed on the CRT display 25 by the display control operation of the display control unit 87. On the other hand, operator's instruction information input from the keyboard 22, the joystick 23 and the mouse 24 is transmitted to the CPU 81 via the interface 85.
Is input to Further, the CPU 81 captures the displacement amount detected by the laser probe 35, XYZ coordinate information from the XYZ axis encoder 78, and the like. The CPU 81 stores the input information, the operator's instructions, and the program storage unit 8.
Based on the program stored in 3, various processes such as stage movement by the XYZ axis driving unit 77 and calculation processing of measured values are executed. The work memory 84 provides a work area for various processes of the CPU 81. The measured value is output to the printer 26 via the interface 86.

【0016】次に、このように構成された本実施例に係
る非接触三次元測定装置の測定処理及びデータ処理につ
いて説明する。この装置では、画像測定モードとレーザ
測定モードとを備えている。画像測定モードでは、従来
の画像測定装置と同様の動作がなされるので、ここでば
レーザ測定モードについて説明する。
Next, the measurement processing and the data processing of the non-contact three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment configured as described above will be described. This device has an image measurement mode and a laser measurement mode. In the image measurement mode, the same operation as that of the conventional image measurement device is performed, and therefore, the laser measurement mode will be described here.

【0017】図5は、レーザ測定モードによる倣い測定
の手順を示すフローチャートである。まず、画像測定用
画像とレーザプローブ35の校正を行う(S1)。即
ち、三次元測定機1のステージ13上に、図6に示すよ
うなCCDカメラ34及びレーザプローブ35で測定可
能な並行でない2本の直線成分L1,L2を含む治具9
1を載置する。この治具91は、例えば基板92上に所
定幅hの台形パターン93を配置したようなものでよ
い。CCDカメラ34及びレーザプローブ35によりZ
軸方向の投影面内で直線L1,L2をそれぞれ測定して
これら直線の方程式をそれぞれ求め、得られた式を演算
処理することにより、CCDカメラ34及びレーザプロ
ーブ35の各座標軸間のオフセット値を求め、このオフ
セット値をCCDカメラ34及びレーザプローブ35の
位置校正データとして用いる。
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of scanning measurement in the laser measurement mode. First, the image for image measurement and the laser probe 35 are calibrated (S1). That is, a jig 9 including two non-parallel linear components L1 and L2 that can be measured by a CCD camera 34 and a laser probe 35 as shown in FIG.
1 is placed. The jig 91 may be, for example, such that a trapezoidal pattern 93 having a predetermined width h is arranged on a substrate 92. CCD camera 34 and laser probe 35
The straight lines L1 and L2 are measured in the projection plane in the axial direction, the equations of these straight lines are obtained, and the obtained equations are processed to calculate the offset value between the coordinate axes of the CCD camera 34 and the laser probe 35. This offset value is used as position calibration data for the CCD camera 34 and the laser probe 35.

【0018】校正処理が終了したら、次に、ワーク12
を画像測定してワーク12の位置を確認し、レーザプロ
ーブ35による測定点を測定開始点に移動する(S
2)。画像測定の際には、レーザプローブ35がワーク
12と干渉する可能性があるので、画像測定中は、上下
動機構40によってレーザプローブ35を上に退避させ
る。制御は例えばエアーシリンダにより行われる。次に
レーザ測定モードを選択すると(S3)、選択回路73
が切り替わり、CRTディスプレイ25の画面はCCD
カメラ34からレーザ測定用のCCDカメラ38の画面
となる。この画面により、レーザプローブ36からのレ
ーザビームスポットの位置(測定位置)を確認する(S
4)。ここで、ジョイスティック23やマウス24等を
使用してビームスポットの位置を微調整することもでき
る。なお、CCDカメラ38は、レーザビームスポット
が正しくワーク12上の目標位置に当たっているかどう
かを確認するためのものであるから、その画像データは
測定には使用しない。このため、画像測定用のCCDカ
メラ34のように高精細なものである必要はない。ま
た、レーザの光だけでは、レーザスポットの位置だけが
明るく見え、その周りは暗くなってきれいな画像が得ら
れないので、専用の照明装置39に切り換える。勿論、
CCDカメラ38及び照明装置39をCCDカメラ34
及び照明装置36と兼用することも可能である。
After the calibration process is completed, the work 12
Is image-measured to confirm the position of the work 12, and the measurement point by the laser probe 35 is moved to the measurement start point (S
2). At the time of image measurement, the laser probe 35 may interfere with the work 12. Therefore, during image measurement, the laser probe 35 is retracted upward by the vertical movement mechanism 40. The control is performed by, for example, an air cylinder. Next, when the laser measurement mode is selected (S3), the selection circuit 73
Is switched, and the screen of the CRT display 25 is CCD
The screen changes from the camera 34 to the CCD camera 38 for laser measurement. On this screen, the position (measurement position) of the laser beam spot from the laser probe 36 is confirmed (S
4). Here, the position of the beam spot can be finely adjusted using the joystick 23, the mouse 24, or the like. Since the CCD camera 38 is for confirming whether or not the laser beam spot is correctly hitting the target position on the work 12, the image data is not used for the measurement. For this reason, it is not necessary to have a high-definition camera like the CCD camera 34 for image measurement. In addition, only the position of the laser spot looks bright only with the laser light, and the surrounding area becomes dark and a clear image cannot be obtained. Of course,
The CCD camera 38 and the lighting device 39 are connected to the CCD camera 34
The lighting device 36 can also be used.

【0019】次に、倣い測定の経路を与えるため、測定
ツールを選択し、必要なパラメータを設定する(S
5)。測定ツールとしては、例えば図7に示すようなも
のが考えられる。 (a)点ツール 現在の測定点(黒丸)のX,Y,Z座標値を測定する。 (b)直線ツール 終点位置Peを与えて、現在の測定点から終点Peまで
の直線上を倣い測定す る。 (c)領域ツール 領域検索の幅W、高さH、ピッチPT1,PT2を与え
て、現在の測定点から指定領域内を指定ピッチで往復運
動しながら倣い測定する。 (d)円ツール 半径R、ピッチPT、開始角度θを与えて、現在の測定
点から同心円上を倣い測定する。 (e)長方形ツール 幅Wと高さHを与えて、長方形に沿って倣い測定する。 (f)クロスツール 互いに直交する2つの線分の長さL1,L2を与えて、
十字上を倣い測定する。 (g)螺旋ツール 最大半径R及びピッチRT(1回転で増加する半径値)
を与えて、螺旋状を倣い測定する。 (h)フォーカスツール 現在位置で単にフォーカスをとる。
Next, in order to provide a path for scanning measurement, a measurement tool is selected and necessary parameters are set (S
5). As the measurement tool, for example, the one shown in FIG. 7 can be considered. (A) Point tool The X, Y, and Z coordinate values of the current measurement point (black circle) are measured. (B) Straight line tool The end point position Pe is given, and scanning is performed along a straight line from the current measurement point to the end point Pe. (C) Area tool Given the width W, height H, and pitches PT1 and PT2 of the area search, perform scanning measurement while reciprocating within the specified area at the specified pitch from the current measurement point. (D) Circle tool The radius R, the pitch PT, and the start angle θ are given, and the concentric circle is measured from the current measurement point. (E) Rectangular tool Given a width W and a height H, perform scanning measurement along a rectangle. (F) Cross tool Given the lengths L1 and L2 of two line segments orthogonal to each other,
Follow the cross and measure. (G) Spiral tool Maximum radius R and pitch RT (radius value increased in one rotation)
To measure the helical shape. (H) Focus tool Simply focuses at the current position.

【0020】測定ツールが選択され、必要なパラメータ
が設定されたら、倣い測定を実行する(S6)。レーザ
プローブ35の変位検出精度には、若干の方向性があ
る。このため、軌道に沿って輪郭や表面粗さを測定する
ときは、この軌道の進む方向に対してレーザプローブ3
5が最適な方向を向くように、レーザプローブ35を回
転機構41によって回転させる。円軌道や螺旋軌道に沿
って測定する場合には、レーザプローブ35を回転させ
ながら測定するとより効果的である。
When a measurement tool is selected and necessary parameters are set, scanning measurement is executed (S6). The displacement detection accuracy of the laser probe 35 has some directionality. Therefore, when measuring the contour and surface roughness along the track, the laser probe 3
The laser probe 35 is rotated by the rotation mechanism 41 so that 5 is oriented in the optimal direction. In the case of measuring along a circular orbit or a spiral orbit, it is more effective to measure while rotating the laser probe 35.

【0021】倣い測定に際しては、レーザプローブ35
の測定範囲内、例えば±0.5mmの範囲を超えてZ軸
方向の座標値が得られるよう、例えば図8に示すよう
に、レーザプローブ35からの変位量に基づいてXYZ
軸駆動部77を駆動して、撮像ユニット17のZ軸方向
位置を上下させる。これにより、レーザプローブ35の
合焦位置が常に測定範囲の中心になるように制御する。
この場合、XYZ軸エンコーダ78で得られるZ軸座標
値がZ軸方向の変位量となる。Z軸方向の位置制御が間
に合わないような高速の測定を行うには、Z軸座標値を
レーザプローブ35の変位量で補正して正しい変位量を
算出すればよい。また、レーザプローブ35の測定範囲
内の微小な表面粗さを計測する場合には、図9に示すよ
うに、レーザプローブ35のZ軸方向位置を固定して、
レーザプローブ35内の対物レンズ57の駆動制御のみ
で対応することができ、この場合、更に高速な処理が可
能であると共に、Z軸駆動による分解能(例えば0.1
μm)よりも高分解能(例えば0.01μm)の測定が
可能になる。このような倣い測定により、指定された測
定軌道に沿って所定の間隔でZ軸方向の座標値がX,Y
軸座標値と共に点列データとして求められ、これがワー
クメモリ84に格納される。点列データが求められたら
点列データの解析処理を実行する(S7)。
In the scanning measurement, the laser probe 35 is used.
In order to obtain a coordinate value in the Z-axis direction within a measurement range of, for example, ± 0.5 mm, for example, as shown in FIG.
By driving the axis driving unit 77, the position of the imaging unit 17 in the Z-axis direction is moved up and down. Thus, control is performed such that the focus position of the laser probe 35 is always at the center of the measurement range.
In this case, the Z-axis coordinate value obtained by the XYZ-axis encoder 78 is the displacement amount in the Z-axis direction. In order to perform a high-speed measurement in which the position control in the Z-axis direction cannot be performed in time, it is only necessary to correct the Z-axis coordinate value with the displacement amount of the laser probe 35 and calculate a correct displacement amount. When measuring the minute surface roughness in the measurement range of the laser probe 35, as shown in FIG. 9, the position of the laser probe 35 in the Z-axis direction is fixed,
This can be dealt with only by controlling the driving of the objective lens 57 in the laser probe 35. In this case, further high-speed processing is possible, and the resolution (for example, 0.1
μm) can be measured with a higher resolution (eg, 0.01 μm). By such scanning measurement, the coordinate values in the Z-axis direction are X and Y at predetermined intervals along the designated measurement trajectory.
The data is obtained as point sequence data together with the axis coordinate values, and is stored in the work memory 84. When the point sequence data is obtained, an analysis process of the point sequence data is executed (S7).

【0022】次に、点列データの解析処理について説明
する。従来の輪郭形状測定機や表面粗さ測定機は、二次
元データであるのに対し、この非接触三次元測定装置で
得られる輪郭形状測定データは、三次元データである。
しかも、指定二次元軌道に沿った倣い測定を行うため、
データ処理はより複雑化する。そこで、データ処理を簡
単化するために、次のような点列データの解析処理を実
行する。図10のフローチャート及び図11の波形図に
基づいて、この点列データの解析処理について説明す
る。
Next, the analysis of the point sequence data will be described. Conventional contour shape measuring instruments and surface roughness measuring instruments are two-dimensional data, whereas contour shape measuring data obtained by this non-contact three-dimensional measuring device is three-dimensional data.
Moreover, since the scanning measurement is performed along the designated two-dimensional trajectory,
Data processing becomes more complex. Therefore, in order to simplify the data processing, the following point string data analysis processing is executed. The analysis process of this point sequence data will be described based on the flowchart of FIG. 10 and the waveform diagram of FIG.

【0023】まず、ワーク12自体が傾いている場合が
あるので、点列データから平均面(直線の場合は平均
線)を求めて、この面に対してデータのトレンド補正を
実行する(S11)。これにより図11(a)に示すよ
うな傾いた点列データから同図(b)に示すトレンド補
正された点列データが得られる。次に、測定軌道に沿っ
て進行方向を第1軸方向、上記平均面の法線方向を第2
軸方向として、三次元の点列データを二次元の点列デー
タに変換する(S12)。これにより、図11(c)の
ようなデータが得られる。この点列データは、測定軌道
に沿った加減速を伴う走査によって得られているので、
定ピッチではない。定ピッチでないとFFT(高速フー
リエ変換)や形状測定機などで通常使用されているガウ
シアン(Gaussian)フィルタ処理を実行することができ
ないので、ここでは定ピッチ化処理を実行する(S1
3:図11(d))。次に、ガウシアンフィルタ処理を
実行する(S14:図11(e))。そして、定ピッチ
化されたデータをもとの位置(不定ピッチの位置)に戻
す(S15:図11(f))。次に、ステップS12で
変換された二次元データをもとの測定軌道位置(XY位
置)上へ戻すための二次元→三次元変換を実行する(S
16:図11(g)。最後に、ステップS11のデータ
トレンド補正により処理された傾きの補正をもとに戻
し、本来ワーク12が傾いている方向へデータを変換す
る(S17:図11(h))。
First, since the work 12 itself may be inclined, an average plane (average line in the case of a straight line) is obtained from the point sequence data, and data trend correction is performed on this plane (S11). . Thus, the trend-corrected point sequence data shown in FIG. 11B is obtained from the inclined point sequence data as shown in FIG. Next, the traveling direction along the measurement trajectory is the first axis direction, and the normal direction of the average surface is the second axis direction.
As the axial direction, the three-dimensional point sequence data is converted into two-dimensional point sequence data (S12). As a result, data as shown in FIG. 11C is obtained. Since this point sequence data is obtained by scanning with acceleration / deceleration along the measurement trajectory,
Not a constant pitch. If the pitch is not constant, Gaussian filter processing generally used in an FFT (Fast Fourier Transform) or a shape measuring instrument cannot be executed. Therefore, constant pitch processing is executed here (S1).
3: FIG. 11 (d)). Next, Gaussian filter processing is executed (S14: FIG. 11E). Then, the fixed-pitch data is returned to the original position (position of an unfixed pitch) (S15: FIG. 11 (f)). Next, two-dimensional to three-dimensional conversion for returning the two-dimensional data converted in step S12 to the original measurement trajectory position (XY position) is executed (S12).
16: FIG. 11 (g). Lastly, the inclination correction performed by the data trend correction in step S11 is restored, and the data is converted in the direction in which the work 12 is originally inclined (S17: FIG. 11 (h)).

【0024】以上の処理により、三次元点列データのフ
ィルタリングを容易に行うことができる。また、ステッ
プS14の処理後のデータは、定ピッチでフィルタ処理
された二次元データであるから、通常の輪郭形状測定機
や表面粗さ測定機等で行われているような各種解析処理
が可能になる。
With the above processing, filtering of the three-dimensional point sequence data can be easily performed. Further, since the data after the processing in step S14 is two-dimensional data filtered at a constant pitch, various analysis processes such as those performed by a normal contour shape measuring device or a surface roughness measuring device can be performed. become.

【0025】[0025]

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、2
種類の測定手段、即ち画像測定装置で使用される撮像手
段と、レーザビーム等を利用した非接触変位計とを併設
して1つの撮像ユニットを構成し、この撮像ユニットを
各測定値に基づいて、撮像ユニット駆動機構で駆動する
ようにしているため、撮像手段で比較的大きい範囲でワ
ークの撮像を行って形状測定する一方、合焦判定が難し
いワークの微小変位を非接触変位計で測定することが可
能になる。このため、本発明によれば、撮像手段で得ら
れた二次元画像情報を用いて測定軌道を容易に設定する
ことができ、且つ設定された測定軌道に沿って非接触変
位計がワークの変位量を測定していくので、高速で高精
度のワークの倣い測定が可能になるという効果を奏す
る。
As described above, according to the present invention, 2
One type of measuring means, that is, an imaging means used in an image measuring device, and a non-contact displacement meter using a laser beam or the like are provided together to form one imaging unit, and the imaging unit is configured based on each measured value. Since the apparatus is driven by the image pickup unit driving mechanism, the image pickup means performs image pickup of the work in a relatively large range to measure the shape, and on the other hand, measures the minute displacement of the work, which is difficult to determine the focus, with a non-contact displacement meter. It becomes possible. Therefore, according to the present invention, the measurement trajectory can be easily set by using the two-dimensional image information obtained by the imaging means, and the non-contact displacement meter moves the workpiece along the set measurement trajectory. Since the amount is measured, it is possible to perform high-speed and high-accuracy workpiece copying measurement.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の一実施例に係る非接触三次元画像測
定装置の斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view of a non-contact three-dimensional image measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】 同装置における撮像ユニットの内部の斜視図
である。
FIG. 2 is a perspective view of the inside of an imaging unit in the apparatus.

【図3】 同装置におけるレーザプローブの構成を示す
図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a laser probe in the apparatus.

【図4】 同装置の全体ブロック図である。FIG. 4 is an overall block diagram of the same device.

【図5】 同装置によるレーザ測定の手順を示すフロー
チャートである。
FIG. 5 is a flowchart showing a procedure of laser measurement by the apparatus.

【図6】 同装置における画像とレーザプローブの校正
方法を説明するための図である。
FIG. 6 is a view for explaining a method of calibrating an image and a laser probe in the apparatus.

【図7】 同装置で使用される測定ツールの例を示す図
である。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a measurement tool used in the apparatus.

【図8】 同装置の倣い測定の一例を説明するための図
である。
FIG. 8 is a diagram for explaining an example of scanning measurement of the same apparatus.

【図9】 同装置の倣い測定の他の例を説明するための
図である。
FIG. 9 is a diagram for explaining another example of the scanning measurement of the same apparatus.

【図10】 同装置の点列データ解析処理のフローチャ
ートである。
FIG. 10 is a flowchart of a point sequence data analysis process of the apparatus.

【図11】 同解析処理を説明するための図である。FIG. 11 is a diagram for explaining the analysis processing.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…三次元測定機、2…コンピュータシステム、11…
架台、12…ワーク、13…測定テーブル、14,15
…支持アーム、16…X軸ガイド、17…撮像ユニッ
ト、21…コンピュータ、22…キーボード、23…ジ
ョイスティックボックス、24…マウス、25…CRT
ディスプレイ、26…プリンタ、34,38…CCDカ
メラ、35…レーザプローブ、36,39…照明装置。
1 ... three-dimensional measuring machine, 2 ... computer system, 11 ...
Stand, 12: Workpiece, 13: Measurement table, 14, 15
... Support arm, 16 ... X-axis guide, 17 ... Imaging unit, 21 ... Computer, 22 ... Keyboard, 23 ... Joystick box, 24 ... Mouse, 25 ... CRT
Display, 26 printer, 34, 38 CCD camera, 35 laser probe, 36, 39 lighting device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川辺 隆夫 神奈川県川崎市高津区坂戸1丁目20番1号 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 小松 浩一 神奈川県川崎市高津区坂戸1丁目20番1号 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 佐藤 章 神奈川県川崎市高津区坂戸1丁目20番1号 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 神戸 一浩 神奈川県川崎市高津区坂戸1丁目20番1号 株式会社ミツトヨ内 (72)発明者 門脇 聰一 神奈川県川崎市高津区坂戸1丁目20番1号 株式会社システムテクノロジーインステ ィテュート内 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Takao Kawabe 1-20-1 Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki, Kanagawa Prefecture Mitutoyo Corporation (72) Inventor Koichi Komatsu 1-1-20, Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa No. Mitutoyo Co., Ltd. (72) Akira Sato, Inventor 1-20-1 Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki, Kanagawa Prefecture Mitutoyo Co., Ltd. (72) Kazuhiro Kobe 1-1-20-1, Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki, Kanagawa Shares (72) Inventor Soichi Kadowaki 1-20-1 Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki City, Kanagawa Prefecture Inside System Technology Institute Co., Ltd.

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 ワークを撮像して画像測定用の二次元画
像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の所定の測
定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を
備えた撮像ユニットと、 この撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置に駆
動する撮像ユニット駆動機構と、 前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元
座標値として出力する位置検出手段と、 前記非接触変位計が出力する変位量が常にゼロ又は所定
の値を維持するように所定の測定軌道に沿って前記ワー
ク上の測定点を移動させるべく前記撮像ユニット駆動機
構を制御して、前記位置検出手段からの三次元座標値を
取り込むことによりワークの倣い測定を実行する制御手
段とを備えたことを特徴とする非接触三次元測定装置。
1. An image pickup device comprising: an image pickup means for picking up an image of a work and outputting two-dimensional image information for image measurement; and a non-contact displacement meter capable of detecting a distance from a predetermined measurement point on the work as a displacement amount. A unit, an imaging unit driving mechanism that drives the imaging unit to an arbitrary position in the measurement three-dimensional space, and a position detection unit that outputs a position of the imaging unit in the measurement three-dimensional space as a three-dimensional coordinate value, Controlling the imaging unit drive mechanism to move the measurement point on the work along a predetermined measurement trajectory so that the displacement amount output by the non-contact displacement meter always maintains zero or a predetermined value, A non-contact three-dimensional measuring device, comprising: a control unit that executes a scanning measurement of a workpiece by taking in three-dimensional coordinate values from a position detecting unit.
【請求項2】 ワークを撮像して画像測定用の二次元画
像情報を出力する撮像手段及び前記ワーク上の所定の測
定点との距離を変位量として検出可能な非接触変位計を
備えた撮像ユニットと、 この撮像ユニットを測定三次元空間内の任意の位置に駆
動する撮像ユニット駆動機構と、 前記撮像ユニットの測定三次元空間内での位置を三次元
座標値として出力する 位置検出手段と、 前記非接触変位計が検出する変位方向の軸を固定しつつ
所定の測定軌道に沿って前記ワーク上の測定点を移動さ
せるべく前記撮像ユニット駆動機構を制御して、前記非
接触変位計が検出した変位量及び前記位置検出手段から
の三次元座標値を取り込むことによりワークの倣い測定
を実行する制御手段とを備えたことを特徴とする非接触
三次元測定装置。
2. An image pickup apparatus comprising: an image pickup means for picking up an image of a work and outputting two-dimensional image information for image measurement; and a non-contact displacement meter capable of detecting a distance from a predetermined measurement point on the work as a displacement amount. A unit, an imaging unit driving mechanism that drives the imaging unit to an arbitrary position in the measurement three-dimensional space, and a position detection unit that outputs a position of the imaging unit in the measurement three-dimensional space as a three-dimensional coordinate value. The non-contact displacement meter detects the non-contact displacement meter by controlling the imaging unit drive mechanism to move a measurement point on the work along a predetermined measurement trajectory while fixing an axis in a displacement direction detected by the non-contact displacement meter. A non-contact three-dimensional measurement device, comprising: a control unit that executes a scanning measurement of a workpiece by taking in the displacement amount and the three-dimensional coordinate value from the position detection unit.
【請求項3】 前記制御手段は、予め指定された測定軌
道に沿ってワークの倣い測定を実行するものであること
を特徴とする請求項1又は2記載の非接触三次元測定装
置。
3. The non-contact three-dimensional measuring apparatus according to claim 1, wherein the control means executes a scanning measurement of the workpiece along a measurement trajectory specified in advance.
【請求項4】 前記指定される測定軌道は、長方形であ
ることを特徴とする請求項3記載の非接触三次元測定装
置。
4. The non-contact three-dimensional measuring apparatus according to claim 3, wherein the designated measurement trajectory is a rectangle.
【請求項5】 前記指定される測定軌道は、螺旋形であ
ることを特徴とする請求項3記載の非接触三次元測定装
置。
5. The non-contact three-dimensional measuring apparatus according to claim 3, wherein the designated measurement trajectory is spiral.
【請求項6】 前記非接触変位計は、ワーク上にレーザ
ビームスポットを照射してその反射光を受光することに
より変位量を検出するレーザ変位計であることを特徴と
する請求項1〜5のいずれか1項記載の非接触三次元測
定装置。
6. The non-contact displacement meter according to claim 1, wherein the non-contact displacement meter is a laser displacement meter that irradiates a laser beam spot on a workpiece and receives reflected light thereof to detect a displacement amount. The non-contact three-dimensional measuring device according to any one of the above.
【請求項7】 前記非接触変位計は、ワーク上に光学系
を介して光ビームを照射してその合焦位置と測定点との
ずれ量がゼロになる前記光学系の移動量を変位量として
出力する合焦方式の変位計であることを特徴とする請求
項1〜6のいずれか1項の非接触三次元測定装置。
7. The non-contact displacement meter irradiates a light beam onto a work through an optical system and calculates a displacement of the optical system, which makes a displacement between a focus position and a measurement point zero, to a displacement. The non-contact three-dimensional measuring apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein the non-contact three-dimensional measuring apparatus is a focusing type displacement meter which outputs the result as a focus.
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