JPS59154308A

JPS59154308A - 物体形状の自動測定方法

Info

Publication number: JPS59154308A
Application number: JP2761383A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Takagi; 勇輔高木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-02-23
Filing date: 1983-02-23
Publication date: 1984-09-03
Also published as: JPH0216965B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明はレーザー光等を利用した光学的変位計により、
非接触で物体形状を測定する方法に係り、特に、変位計
の駆動を改良した物体断面形状の自動測定法に関する。

〔゛従来技術〕

近時、オプトエレクトロニクスの発展に伴い、レーザー
光等の光学的手段により、非接触で物体形状を測定する
方法が開発されている。この方法の内、倣い計測方式の
一例を第１図により説明する。

被測定物体１の外部に配置された駆動テーブル２は駆動
機構３等によυ３次元的に駆動される。

駆動テーブル２に配置された光学系は、レーザー等の光
源４、半透鏡５、レンズ６．７、振動ピンホール８及び
受光器９から成っている。また、演算制御装＃は振動ピ
ンホール８の発振器１０、受光器９の出力の増巾器１１
、これら発振器１０及び増巾器１１の出力を演算して駆
動機構３を制御する演算制御回路１２よυ成る。今、物
体１とレンズ６との距離Ａが、レンズ６の焦点距離に等
しい場合は、反射光は第１図に示すように振動ピンホー
ルの振巾の中心で焦点を結ぶので、受光器９の出力は最
大となるが、距離Ａがレンズ６の焦点距離ｆ、の大小い
ずれの方向に偏っても、受光器９の出力は減少する。更
に、第２図に示すように周波数ｆで振動する振動ピンホ
ールの作用により、距離Ａがｆ、に等しい場合は受光器
９の出力の周波数は２ｆであるが、Ａ、２ｆ６の場合の
出力は周波数ｆとなり、その位相は振動ピンホールの位
相と夫々同相もしくは逆相となる。したがって、演算制
御回路１２により、出力の周波数及び位相の検出結果に
基づいで駆動機構３を駆動し、距離Ａをレンズ６の焦点
距離ｆ６に一致させれば、その駆動量によって物体１の
形状を倣い計測することができる。

本方式には次の問題がある。

（ａ）　　測定時間が長いこと。これは、第１図に示す
ように物体１のｘ　−ｙ断面の形状を測定する場合、Ｘ
軸方向の駆動にあわせて、常にｙ方向、すなわち、光軸
方向の駆動全行なう必要があるからである。

（ｂ）　　振動に弱いこと。これは、物体との距離の検
出に振動ビンホールを用いているため、外部からの加振
に対して、共振等の問題を起こし易いからである。

（Ｃ）物体表面の大きな傾斜角に対して測定不能なこと
。これは、第１図の物体表面の法線と照射光軸とのなす
角αが大きくなると、受光器に向かう反射光の光量が減
少するためである。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、測定時間が短かく、かつ、物体形状の
急激な変化にも自動的に追随し得る測定方法を提供する
にある。

〔発明の概要〕

本発明の測定方法の要点は次のとおりである。

（ａ）　　物体との距離の測定に、測定可能範囲が広く
かつ原理的に振動を用いない変位計を利用したこと。

（ｂ）　　変位計を３次元駆動装置に取付け、この取付
部に角度変化機構を付設したこと。

（Ｃ）　　変位計の距離と角度の測定限界内に制限範囲
を設定し、測定点で距離と角度のいずれかがこの制限範
囲を外れた場合には、次の点の測定値を得る前に上記制
限範囲内に戻す制御を行なうこと。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を引用して説明する。第３
図はその全体構成を示したもので、基台２０に置かれた
被測定物体１の上方には、変位計４０が角度変化機構２
１を介して、クロスヘッド２２に取付けられている。こ
のクロスヘッド２２は、三次元駆動装置のアーム２３と
滑合し、そのガイド部２４が横送りねじ２５に結合され
たモータ２６の回転により左右に駆動されるため、変位
計４０は図示のＸ軸方向に移動可能となっている。

また、ｙ軸方向の移動はモータ２７に結合された縦方向
送りねじ２８と、アーム２９に滑合されたギアボックス
３０により行なわれる。更に、モータ３１は基台３２に
載せられた装置全体をＸ軸方向に駆動する。したがって
、変位形４０はＸ＊Ｙ＊２の３軸方向に移動可能であり
、角度変化機構２１の駆動モータ３３（図示せず）によ
りｉ軸に垂直な断面内で回転可能である。

第４図は変位計の取付は状況を示す。以下の説明では簡
単のため照射光軸上に角度変化機構の回転中心りがある
ものとし、投射光軸と物体１０表面との交点をＰと呼び
、ＰＤの長さＬを変位形４０と物体との距離と定義する
。捷た、照射角αは、照射角θｄとＰ点における物体断
面の法線ｎの角度θ、とのなす角度により定義する。こ
こに、αは下式で表わされる。

α＝θ４−θ１　　・・・・・・・・・・・・・・・　
（Ｉ）第５図は本実施例で使用する変位計の構造を示す
。レーザー光等の光源４１よシ発射された光線は、照射
レンズ４２を通って物体表面上の測定点Ｐを照射するが
、この拡散反射光は照射光軸と一定角度をなす受光光軸
上に設けた集光レンズ４３により集光され、受光器４４
で検出される。距離測定の原理は、物体変位計との距離
が変化すると受光器４４上の受光面に対する反射光の入
射位置が連続的に変化する現象を用いたものであるが、
受光面の大きさ等の制約により、変位計で測定可能な距
離には自ずと限界があり、以下距離の測定限度の上限及
び下限を夫々Ｌ□８及びＬ　ｍ　＋　ｔｒと呼ぶ。

また、第６図ないし第８図は変位計の照射角αの測定限
度の説明図でるる。まず、第６図は反射光の光量が最大
値となる場合を示す。照射角αが照射光軸と受光光軸の
なす角βの２分の１であるため、受光光軸の方向が拡散
反射光の光計分布の最大値の方向と一致している。一方
、第７図及び第８図は、測定可能な照射角αの上限及び
下限を示す。これら両図から、αが過大もしくは過小に
なった場合は、受光光軸の方向が拡散反射の光量が小さ
い領域になるため、検出器４４で光量不足が起きること
がわかる。この照射角αの上限及び下限を夫々α。、ヨ
及びαｍ１ｍと呼ぶ。

第９図は本発明の演算制御機構を示したものである。変
位計４０から得られた距離りに関する情報は検出回路４
５を経て演算制御回路４６に入力される。また、Ｘ、ｙ
、ｚ軸の移動ｔを測定する磁気スケール４７からの位置
情報及び角度変化機構２１のロータリーエンコーダ４８
からの角度情報は、夫々の検出回路４９及び５０を経て
演算制御回路４６に入力される。演算制御回路４６では
、これらの情報に基づいて、物体１のＰ点の座標（ｘ、
ｙ、ｚ）を演算すると共に、その結果を表示装置５１に
表示する一０史に、距離り及び照射角αに関しては、後
述の比較演Ｘｔ行ない、その結果に基づいて駆動モータ
２６，２７．３１及び３３の駆動制御を行なう。

次に、本実施例における変位計の具体的な駆動制御方法
を説明する。第１０図は、変位計の駆動と距離りの測定
限度の関係を示す。図中のＡＨ１距離りに関して変位計
が検出限度のほぼ中央に位置しているので、何ら問題な
く測定できる場合を示す。しかし、変位計をＸ軸方向に
平行に駆動しながら測定を続けて、図中のＢに移動した
場合は、距離りが図中の（ロ）の曲線で示す検出限度Ｌ
□、を越えてしまうので、距離の測定が不可能となる。

したがって、ＡからＢに至る途中の段階で、この現象の
発生を未然に防止し、図中ＣＫ　ｆＨＪ示したように検
出限度内に戻す制御が必要である。同様の現象が第１１
図に示すように照射角αについても起こり得る。すなわ
ち、図中ＡからＢの過程でＸ軸及びｙ軸方向の駆動のみ
を行ない、物体１の断面形状の変化にあわせてαの値を
変更しないと、図中Ｂのような場合が起こり、測定不可
能となる。

したがって、ＡからＢＫ芋る途中の段階で、αについて
もＢの場合の起きることを未然に防止し、図中Ｃに例示
したように角度の検出限度内に戻す制御が必要となる。

一方、測定時間の短縮の観点からは、できる文位置及び
角度の駆動の回数を減少させ、可能ならば断面形状の測
定にあたって必要なＸ軸の駆動だけにじたいという便求
がある。

本発明では、この矛盾する要求を、次のように解決する
。すなわち、まず、距離り及び角度αの測定限度り１．
、〜Ｌ□８及びα１１１１！１〜α７．□内に、制限範
囲Ｌ　ｔ　＝　Ｌ−及びα１〜α１を設定する。いま、
ある測定点ＰＩで、Ｌないしαの測定値がこれら制限範
囲を外れた場合は、次の測定点Ｐ＋、１の測定をする前
に、ＰＬ及びそれ以前のデータに基づいてＬないしαを
制限範囲内の値り。及びα０に戻す制御を行なう。ここ
に、以下の関係式が成立する。

Ｌ　−＋　−（Ｌ　ｔ　≦Ｌ（１≦Ｌ、　＜Ｌ、、、、
　　−（Ｉｔ）αｍ１ｍ　＜α、≦α、≦α７くα１、
　・・・亜この場合、２１点よりも前のデータをも用い
るのは、照射角αの算定にはその点の法線の角度θ、が
必要なためである。第１２図に示すように、このθ、の
算定には図中のＰ＋−ｙ〜ＰＬ点の座標を用い、レリえ
ば多項式近似によりＰ＋点の接線の傾＠を求めればよい
。

第１３図は、この制御を採用した場合の、角度変化機構
の中心点ＤＪの軌跡を示す。第１０図と比較すると、本
制御の採用により距離りが測定限度を越える現象が、未
然に防止されていることがわかる。照射角αについても
同様の制御により、同様な効果が期待できる。

なお、これらの制御を行なう場合には、制御後のＤ＋の
座標（Ｘ’　、Ｙ’　）及び取付は角θ５が、第１２図
にみるように制御前のＤ＋点の座標（Ｘ。

Ｙ）、取付は角ｄ、及びＰ＋点の座標（ｘ、ｙ）金円い
れば下式により与えられるので、次元駆動装置のＸｒＹ
軸及び角度変化機構のθｄ軸を、これらの値になるよう
に駆動すればよい。

θ５＝α。＋０１　　　　　　　　・・・・・・　□□
□Ｘ’　＝Ｘ＋ＬＣＯ５θ、　　Ｉ、ｏＣＯ５Ｉ９　Ｓ
　　−（Ｖ）Ｙ　’　＝　Ｙ　＋　、Ｌｓｉｎθａ−Ｌ
ｏｓｉｎθ二・・・・・・■）ここに、ＩＪＯ＋α０は
（ＩＩ）及び０式で示す夫々の制限範囲内の適切な値で
おる。

第１４図に、この制御方法のフローチャートラ示す。上
述の制御方法でｕ、ｘ、ｙ軸及びθ軸の駆動の後、その
点で再度測定を行なっているが、これは必ずしも必要で
なく、図中の破線に示すように、次の点の測定に移行し
ても艮い。

なお、以上の説明ではＺ軸に垂直な断面の形状を得る場
合を取り扱っているが、任意の断面に対する測定を行な
う場合にも、計算式及び制御方法は複雑となるが、同様
の制御を行なうことができる。

本発明は、上述の実施例のみにその適用が限定されるの
ではなく、三次元駆動機構及び角度変化機構の構成及び
配置には、種々の変形例ないし応用例が考えられるが、
同様の制御方法を用いたものは全て本発明と同等とみな
される。

〔発明の効果〕

本発明によれば測定の途中で、変位計の距離り及び照射
角αが検出限度外となることが未然に防止でき、必要の
都度この制御を行なうのみであるから測定時間の短縮が
図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の形状測定装置の側面図、第２図は従来の
変位と出力の関係を示す説明図、第３図は本発明の実施
例の全体構成を示す側面図、第４図は変位計の取付は状
況の説明図、第５図は変位形の構造図、第６図ないし第
８図は変位計の照射角の測定限度を示す説明図、第９図
は演算制御機構の説明図、第１０図は検出器の駆動方法
と距離の測定限度との関係を示す説明図、第１１図は検
出器の駆動方法と照射角の測定限度との関係を示す説明
図、第１２図は照射角の計算方法を示す説明図、第１３
図は本発明の効果を示す説明図、第１４図は本発明によ
る制御方法のフローチャートである。１・・・被測定物体、２・・・駆動テーブル、３・・・
駆動機構、８・・・振動ピンホール、９・・・受光器、
】ｏ・・・発振器、１１・・・増巾器、１２・・・演算
制御回路、２１・・・角度変化機構、４ｏ・・・変位計
、４２・・・照射レンズ、４３・・・集光レンズ、４４
・・・受光器、４５・・・検出回路、４６・・・演算制
御回路４９．５０・・・検出回路。め（閃？寮２国窮３虐１窮４阻姉５閃 ρ 第ら閉植ｑ圀にｇｔｂ茅　　り　　目眉１０口第（１η 葵１２［Ｄ茅／４目

Claims

【特許請求の範囲】１、物体の表面に投射した光線の反射光を受光すること
で前記物体との距離を測定する、変位計とこの変位計を
取り付けてこれを三次元的に駆動する駆動テーブル“と
、前記変位計の取付角度を変える角度変化機構と、前記
変位計による距離の測定値と前記駆動テーブルの駆動量
及び前記変位計の取付角度とを入力して演算すると共に
、前記駆動テーブルと前記角度変化機構の動きを制御す
る演算制御機構とより構成され、被測定物体の断面形状
を測定点の集合として連続して測定する方法において、前記各測定点で求めた前記変位計と前記測定点との距離
及び前記測定点における物体断面の法線と照射光軸のな
す角が、前記変位計の測定距離限度及び測定角度限度範
囲内の限定距離範囲および限定角度範囲内にあるか否か
を判定し、ある・測定点でこれらの少くとも一方がこれ
ら限定範囲を外れた場合には、次の測定点の測定を行な
う前に、前記限定範囲内に戻す制御を行なうことを特徴
とする物体形状の自動測定方法。