JPS61191908A - 形状測定方法 - Google Patents
形状測定方法Info
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- JPS61191908A JPS61191908A JP3051885A JP3051885A JPS61191908A JP S61191908 A JPS61191908 A JP S61191908A JP 3051885 A JP3051885 A JP 3051885A JP 3051885 A JP3051885 A JP 3051885A JP S61191908 A JPS61191908 A JP S61191908A
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- light
- measured
- spot
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
本発明は、測定対象物体の２次元或は３次元の形状を光
学的に非接触測定する方法に関する。
学的に非接触測定する方法に関する。
機械工業に於ける寸法計測の技術は益々その重要性が高
くなっており、より高精度で高速かつ多様性が要求され
ている。 特に、測定対象物体の２次元或は３次元的な
寸法計測、すなわち形状測定については、機械加工の複
雑化にともない製品の検査や設計、製造の効率化の為に
極めて重要な課題となっている。 このような形状測定
のために従来は光学式の変位計を機械的に走査して測定
対象物体の形状を測定する方法や、触針式微小変位計を
機械的に測定対象物体表面に倣って形状を測定する方法
等があった。
くなっており、より高精度で高速かつ多様性が要求され
ている。 特に、測定対象物体の２次元或は３次元的な
寸法計測、すなわち形状測定については、機械加工の複
雑化にともない製品の検査や設計、製造の効率化の為に
極めて重要な課題となっている。 このような形状測定
のために従来は光学式の変位計を機械的に走査して測定
対象物体の形状を測定する方法や、触針式微小変位計を
機械的に測定対象物体表面に倣って形状を測定する方法
等があった。
大型の測定対象物体を詳細に測定するには極めて長時間
を必要としたり、触針式では剛体に対しては高精度測定
が可能でも、薄板プレス材等のように容易に変形する測
定対象物体では測定不能などの問題があった。
を必要としたり、触針式では剛体に対しては高精度測定
が可能でも、薄板プレス材等のように容易に変形する測
定対象物体では測定不能などの問題があった。
本発明は、このような従来の測定方法における問題点を
解決し、測定対象物体の２次元あるいは３次元形状を高
速、高精度、非接触で光学的に測定できるようにして、
機械工業およびその他の形状測定分野において画期的な
測定技術を提供しようとするものである。 しかして、
本発明の上記目的は光源部からのレーザービームを第１
のスキャニングミラーと第１の集光部材によりスキャニ
ングして、′ａ定対象物体表面上を微小なスポット光で
走査すると共に、レーザービームと一定の角をなす方向
から測定対象物体表面上のスポット光からの散乱光を第
２の集光部材で集光し、該第２の集光部材の焦点位置に
第２のスキャニングミラーを配置して、この第２のスキ
ャニングミラーを上記第１のスキャニングミラーと同期
して駆動すると共に、第２のスキャニングミラーの後に
配置された結像レンズと光点位置検出器によって測定対
象物体表面のスポット光の位置を検出し、測定対象物体
の上下位置を測定すると共に、上記第１及び第２のスキ
ャニングミラーの位置よりレーザースポットのスキャニ
ング方向の位置を検出して。 測定対象物体の表面形状を測定するようにした形状測定
方法により達成される。
解決し、測定対象物体の２次元あるいは３次元形状を高
速、高精度、非接触で光学的に測定できるようにして、
機械工業およびその他の形状測定分野において画期的な
測定技術を提供しようとするものである。 しかして、
本発明の上記目的は光源部からのレーザービームを第１
のスキャニングミラーと第１の集光部材によりスキャニ
ングして、′ａ定対象物体表面上を微小なスポット光で
走査すると共に、レーザービームと一定の角をなす方向
から測定対象物体表面上のスポット光からの散乱光を第
２の集光部材で集光し、該第２の集光部材の焦点位置に
第２のスキャニングミラーを配置して、この第２のスキ
ャニングミラーを上記第１のスキャニングミラーと同期
して駆動すると共に、第２のスキャニングミラーの後に
配置された結像レンズと光点位置検出器によって測定対
象物体表面のスポット光の位置を検出し、測定対象物体
の上下位置を測定すると共に、上記第１及び第２のスキ
ャニングミラーの位置よりレーザースポットのスキャニ
ング方向の位置を検出して。 測定対象物体の表面形状を測定するようにした形状測定
方法により達成される。
次に、本発明の一実施例を添付図面を参照しながら説明
する。 第１図は、本発明の形状測定方法を実施するために用い
る装置の概略構成図である。１は光源部（レーザー光源
）であって、Ｈｅ−Ｎｅ、 Ａｒ、ＨｅＣｄあるいは半
導体レーザー等が使用される。 光源部１からのレーザ
ービーム２は変調器３及びビームエキスパンダ（ビーム
拡大部）４を通って第１のスキャニングミラー６にレー
ザービーム５として入射する。 変調器３はレーザービ
ームの強度を高い周波数で変調し、受光に際して外乱光
の影響を除去して測定精度を高める目的のためであり。 外乱光等の問題が無い場合には不要となる。 ビームエ
キスパンダ４はレーザービームの径を太くして集光性を
高めるためのものであるが、本発明に不可欠の要素では
ない、 第１のスキャニングミラー６によって、レーザ
ービームは紙面に直角な方向にスキャニングされると共
に、そのスキャニング光７は第１の集光部材（放物面１
）８に当る。 第１のスキャニングミラー６としては、振動ミラーでも
ポリゴンでも良いことは言うまでもない。 第１のスキャニングミラー６は第１の集光部材８の焦点
位置にあるため、第１の集光部材８で反射したレーザー
ビーム９は平行にスキャニングされる。 第２図は、以上説明した部分を第１図の断面方向（紙面
に直角方向）から見た図で°ある。 平行スキャニング
されたレーザービーム９は測定対象物体３７の表面に鋭
いスポット光１０となって当たり、散乱反射光１１を発
生する。 散乱反射光１１の一部分の光１２は受光用の
第２の集光部材（放物面鏡）１３で集光され、第２のス
キャニングミラー１４によってスキャニングされる。
そして、このスキャニング光１５は結像レンズ１７によ
り第１の光点位置検出器１８の上に結像１９される。
なお、１６は干渉フィルタである。 第１及び第２のスキャニングミラー６．１４はミラーζ
度駆動制御装［３０によって同一の角度に制御されるた
め、測定対象物体３７上のレーザースポット光１０の影
像を常に第１の光点位置検出器上に結ばせることができ
る。 ここで、測定対象物体３７表面の上下方向位置が
移動してａ点あるいはｂ点にレーザースポット光が移動
すれば、散乱反射光はａ１〜ａ２或はｂ１〜ｂ２の経路
を取り、第１の光点位置検出器１８上の８３点或はｂ３
点に結像する。 従って、第１の光点位置検出器１８上
の結像されたスポット光の位置によって測定対象物体３
７表面上の上下方向位置を測定することができる。 こ
の上下方向位置の測定はスキャニングミラーによるスキ
ャン位置によらずにできるため、スキャニングの線上に
おける測定対象物体３７の変位分布を測定できることに
なる。 このような測定を可能にするためには、第１及び第２の
スキャニングミラー６．１４のミラー角度を精密に制御
して、測定対象物体３７上のレーザースポット光１０の
影像を常に光点位置検出器上に結像させることが必要で
ある。 このため、第１及び第２のスキャニングミラー
６．１４の角度誤差を検出して、誤差を最小にするよう
にスキャニングミラーの角度を制御することも有効であ
る。 この方法の一実施例を説明すると、受光部側の結
像レンズ１７を通った光の一部をハーフミラ−２０で取
り出し、第２の光点位置検出器２１上に結像させる。
第２の光点位置検出器２１は第１の光点位置検出器１８
とは異なり１紙面に直角の方向にのみ感度を有するもの
を使用する。 測定対象物体３７表面の上下方向変位に対しては。 前述したように点線で示されるように光線の位置が変わ
り、紙面に直角な方向の変化は生じないが。 第１及び第２のスキャニングミラー６．１４の角度に誤
差が生ずると、紙面に直角な方向における測定対象物体
３７表面上のスポット光の位置と受光部の光軸の位置が
ずれることになり、第２の光点位置検出器２１上の結像
光の位置も紙面に直角方向に移動することになる。 従
って、この光点移動に対する検出信号２７を演算装置２
８によってミラー角度補正信号２９に変換し、ミラー角
度駆動制御装置３０に入力してミラー角度の誤差を零に
すわばよい、 測定対象物体３７表面の上下方向変位を
検出するための第１の光点位置検出器１８及び第２の光
点位置検出器２１は、分布抵抗型ホトダイオード（ＰＳ
Ｄ素子）やＣＣＤ等のりニアアレイ素子、イメージディ
セクタあるいは２次元の撮像素子等、種々の光電変換素
子が使用できる。 また、２次元ＰＳＤ素子あるいは２
次元撮像素子等を使用した場合は、光点位置検出器１８
及び２１を同一の素子で兼用できることは言うまでもな
い、 また、光点位置検出器１８及び２１は、光軸に対
して適度に傾けて、測定対象物体３７表面の上下方向変
位に対して結像光が移動しても焦点がずれないようにす
ることも精度向上のため有効な方法である。 光学系の
製作精度には限界があり、スキャニング位置によって変
位検出の特性が変化することが考えられるため、本実施
例では、第１の光点位置検出器１８の出力信号２２を変
位演算装置２３により測定対象物体３７表面の上下方向
変位にリニアに対応する信号とした後。 変位補正装置２５によりスキャン位置信号３３を使って
補正し、スキャン位置の変化による変位検出特性の変化
がないようにしている。 このようにして、測定対象物体３７表面のスキャニング
方向における変位分布すなわち２次元形状が測定できる
訳であるが、更に、測定対象物体３７をスキャニング方
向と直角方向に移動させながら測定すれば、測定対象物
体３７の３次元的な形状を測定することができる。 即
ち、測定対象物体３７を移動台車３８に載せ、移動装置
３９により移動させると共に、移動位置信号４ｏとスキ
ャニング位置信号３４及び変位信号２６を信号処理装置
３５に取り込み記憶すれば、測定対象物体３７表面の３
次元的変位分布が測定できることになる。 この測定信
号３６はＣＲＴディスプレイやプロッター等により出力
することも可能であるし、他のコンピュータに結合して
種々の解析を実行することも可能となる。 次に、第３図はスキャニング方法に関する他の実施例に
ついて説明したものであって、集光部材である放物面鏡
４１とレーザービーム４２をスキャニングするスキャニ
ングミラー４３及び測定対象物体の基準位置４４をｆ−
θ条件に適合するように配置すると（図中４５はスポッ
ト光）、スキャニングは扇形になるが、スキャニングミ
ラー４３の角度とスキャニング位置が線形の関係になる
ことや、測定対象物体の大きさより小さい放物面鏡で良
いことなど利点が生じる。 なお、以上の説明は集光部
材として放物面鏡を前提に述べたが、放物面鏡の代りに
レンズを使用しても同様の光学的特性が得られるため、
図示説明は省略されているが、本発明は集光部材にレン
ズを用いて実施できることは言うまでもない。
する。 第１図は、本発明の形状測定方法を実施するために用い
る装置の概略構成図である。１は光源部（レーザー光源
）であって、Ｈｅ−Ｎｅ、 Ａｒ、ＨｅＣｄあるいは半
導体レーザー等が使用される。 光源部１からのレーザ
ービーム２は変調器３及びビームエキスパンダ（ビーム
拡大部）４を通って第１のスキャニングミラー６にレー
ザービーム５として入射する。 変調器３はレーザービ
ームの強度を高い周波数で変調し、受光に際して外乱光
の影響を除去して測定精度を高める目的のためであり。 外乱光等の問題が無い場合には不要となる。 ビームエ
キスパンダ４はレーザービームの径を太くして集光性を
高めるためのものであるが、本発明に不可欠の要素では
ない、 第１のスキャニングミラー６によって、レーザ
ービームは紙面に直角な方向にスキャニングされると共
に、そのスキャニング光７は第１の集光部材（放物面１
）８に当る。 第１のスキャニングミラー６としては、振動ミラーでも
ポリゴンでも良いことは言うまでもない。 第１のスキャニングミラー６は第１の集光部材８の焦点
位置にあるため、第１の集光部材８で反射したレーザー
ビーム９は平行にスキャニングされる。 第２図は、以上説明した部分を第１図の断面方向（紙面
に直角方向）から見た図で°ある。 平行スキャニング
されたレーザービーム９は測定対象物体３７の表面に鋭
いスポット光１０となって当たり、散乱反射光１１を発
生する。 散乱反射光１１の一部分の光１２は受光用の
第２の集光部材（放物面鏡）１３で集光され、第２のス
キャニングミラー１４によってスキャニングされる。
そして、このスキャニング光１５は結像レンズ１７によ
り第１の光点位置検出器１８の上に結像１９される。
なお、１６は干渉フィルタである。 第１及び第２のスキャニングミラー６．１４はミラーζ
度駆動制御装［３０によって同一の角度に制御されるた
め、測定対象物体３７上のレーザースポット光１０の影
像を常に第１の光点位置検出器上に結ばせることができ
る。 ここで、測定対象物体３７表面の上下方向位置が
移動してａ点あるいはｂ点にレーザースポット光が移動
すれば、散乱反射光はａ１〜ａ２或はｂ１〜ｂ２の経路
を取り、第１の光点位置検出器１８上の８３点或はｂ３
点に結像する。 従って、第１の光点位置検出器１８上
の結像されたスポット光の位置によって測定対象物体３
７表面上の上下方向位置を測定することができる。 こ
の上下方向位置の測定はスキャニングミラーによるスキ
ャン位置によらずにできるため、スキャニングの線上に
おける測定対象物体３７の変位分布を測定できることに
なる。 このような測定を可能にするためには、第１及び第２の
スキャニングミラー６．１４のミラー角度を精密に制御
して、測定対象物体３７上のレーザースポット光１０の
影像を常に光点位置検出器上に結像させることが必要で
ある。 このため、第１及び第２のスキャニングミラー
６．１４の角度誤差を検出して、誤差を最小にするよう
にスキャニングミラーの角度を制御することも有効であ
る。 この方法の一実施例を説明すると、受光部側の結
像レンズ１７を通った光の一部をハーフミラ−２０で取
り出し、第２の光点位置検出器２１上に結像させる。
第２の光点位置検出器２１は第１の光点位置検出器１８
とは異なり１紙面に直角の方向にのみ感度を有するもの
を使用する。 測定対象物体３７表面の上下方向変位に対しては。 前述したように点線で示されるように光線の位置が変わ
り、紙面に直角な方向の変化は生じないが。 第１及び第２のスキャニングミラー６．１４の角度に誤
差が生ずると、紙面に直角な方向における測定対象物体
３７表面上のスポット光の位置と受光部の光軸の位置が
ずれることになり、第２の光点位置検出器２１上の結像
光の位置も紙面に直角方向に移動することになる。 従
って、この光点移動に対する検出信号２７を演算装置２
８によってミラー角度補正信号２９に変換し、ミラー角
度駆動制御装置３０に入力してミラー角度の誤差を零に
すわばよい、 測定対象物体３７表面の上下方向変位を
検出するための第１の光点位置検出器１８及び第２の光
点位置検出器２１は、分布抵抗型ホトダイオード（ＰＳ
Ｄ素子）やＣＣＤ等のりニアアレイ素子、イメージディ
セクタあるいは２次元の撮像素子等、種々の光電変換素
子が使用できる。 また、２次元ＰＳＤ素子あるいは２
次元撮像素子等を使用した場合は、光点位置検出器１８
及び２１を同一の素子で兼用できることは言うまでもな
い、 また、光点位置検出器１８及び２１は、光軸に対
して適度に傾けて、測定対象物体３７表面の上下方向変
位に対して結像光が移動しても焦点がずれないようにす
ることも精度向上のため有効な方法である。 光学系の
製作精度には限界があり、スキャニング位置によって変
位検出の特性が変化することが考えられるため、本実施
例では、第１の光点位置検出器１８の出力信号２２を変
位演算装置２３により測定対象物体３７表面の上下方向
変位にリニアに対応する信号とした後。 変位補正装置２５によりスキャン位置信号３３を使って
補正し、スキャン位置の変化による変位検出特性の変化
がないようにしている。 このようにして、測定対象物体３７表面のスキャニング
方向における変位分布すなわち２次元形状が測定できる
訳であるが、更に、測定対象物体３７をスキャニング方
向と直角方向に移動させながら測定すれば、測定対象物
体３７の３次元的な形状を測定することができる。 即
ち、測定対象物体３７を移動台車３８に載せ、移動装置
３９により移動させると共に、移動位置信号４ｏとスキ
ャニング位置信号３４及び変位信号２６を信号処理装置
３５に取り込み記憶すれば、測定対象物体３７表面の３
次元的変位分布が測定できることになる。 この測定信
号３６はＣＲＴディスプレイやプロッター等により出力
することも可能であるし、他のコンピュータに結合して
種々の解析を実行することも可能となる。 次に、第３図はスキャニング方法に関する他の実施例に
ついて説明したものであって、集光部材である放物面鏡
４１とレーザービーム４２をスキャニングするスキャニ
ングミラー４３及び測定対象物体の基準位置４４をｆ−
θ条件に適合するように配置すると（図中４５はスポッ
ト光）、スキャニングは扇形になるが、スキャニングミ
ラー４３の角度とスキャニング位置が線形の関係になる
ことや、測定対象物体の大きさより小さい放物面鏡で良
いことなど利点が生じる。 なお、以上の説明は集光部
材として放物面鏡を前提に述べたが、放物面鏡の代りに
レンズを使用しても同様の光学的特性が得られるため、
図示説明は省略されているが、本発明は集光部材にレン
ズを用いて実施できることは言うまでもない。
本発明は上記の如くであって、複雑な形状をした物体の
２次元的或は３次元的形状を高精度、高速、非接触で光
学的に測定でき、被測定物体に対し種々の解析を実行す
る上に極めて有効であって、その実用的価値は極めて多
大である。
２次元的或は３次元的形状を高精度、高速、非接触で光
学的に測定でき、被測定物体に対し種々の解析を実行す
る上に極めて有効であって、その実用的価値は極めて多
大である。
図面は本発明の実施例を示すもので、第１図は形状測定
装置の概略構成図、第２図は第１図の要部断面図、第３
図はスキャニングに関する他の実施例を示す要部断面図
である。 図中、１は光源部、２はレーザービーム、３は変調器、
６は第１のスキャニングミラー、８は第１の集光部材、
１０はスポット光、１３は第２の集光部材、１４は第２
のスキャニングミラー、１７は結像レンズ、１８は第１
の光点位置検出器、２１は第２の光点位置検出器、３７
は測定対象物体である。
装置の概略構成図、第２図は第１図の要部断面図、第３
図はスキャニングに関する他の実施例を示す要部断面図
である。 図中、１は光源部、２はレーザービーム、３は変調器、
６は第１のスキャニングミラー、８は第１の集光部材、
１０はスポット光、１３は第２の集光部材、１４は第２
のスキャニングミラー、１７は結像レンズ、１８は第１
の光点位置検出器、２１は第２の光点位置検出器、３７
は測定対象物体である。
Claims (6)
- （１）光源部からのレーザービームを第１のスキャニン
グミラーと第１の集光部材によりスキャニングして、測
定対象物体表面上を微小なスポット光で走査すると共に
、レーザービームと一定の角をなす方向から測定対象物
体表面上のスポット光からの散乱光を第２の集光部材で
集光し、該第２の集光部材の焦点位置に第２のスキャニ
ングミラーを配置して、この第２のスキャニングミラー
を上記第１のスキャニングミラーと同期して駆動すると
共に、第２のスキャニングミラーの後に配置された結像
レンズと光点位置検出器によって測定対象物体表面のス
ポット光の位置を検出し、測定対象物体の上下位置を測
定すると共に、上記第１及び第２のスキャニングミラー
の位置よりレーザースポットのスキャニング方向の位置
を検出して、測定対象物体の表面形状を測定する事を特
徴とする形状測定方法。 - （２）測定対象物体をレーザービームのスキャニング方
向と直角の方向に移動させながら測定し、３次元の形状
を測定することを特徴とする前記特許請求の範囲第（１
）項に記載された形状測定方法。 - （３）第１及び第２のスキャニングミラーの配置位置及
び第１、第２の集光部材と測定対象物体までの距離を集
光部材のｆ−θ条件の位置にして、レーザービームを扇
形にスキャニングすることを特徴とする前記特許請求の
範囲第（１）項記載の形状測定方法。 - （４）第１及び第２のスキャニングミラーの角度誤差を
検出し、誤差を最小にするようにスキャニングミラーの
角度を制御することを特徴とする前記特許請求の範囲第
（１）項記載の形状測定方法。 - （５）集光部材として放物面鏡またはレンズを用いるこ
とを特徴とする前記特許請求の範囲第（１）項記載の形
状測定方法。 - （６）レーザービームを変調して精度を高めることを特
徴とする前記特許請求の範囲第（１）項記載の形状測定
方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3051885A JPS61191908A (ja) | 1985-02-20 | 1985-02-20 | 形状測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3051885A JPS61191908A (ja) | 1985-02-20 | 1985-02-20 | 形状測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61191908A true JPS61191908A (ja) | 1986-08-26 |
Family
ID=12306028
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3051885A Pending JPS61191908A (ja) | 1985-02-20 | 1985-02-20 | 形状測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61191908A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02186213A (ja) * | 1989-01-12 | 1990-07-20 | Matsushita Electric Works Ltd | 形状検出装置 |
| CN100385199C (zh) * | 2005-01-17 | 2008-04-30 | 弗兰霍菲尔运输应用研究公司 | 扫描仪和操作扫描仪的方法 |
| JP2019168235A (ja) * | 2018-03-22 | 2019-10-03 | パイオニア株式会社 | 走査装置及び測距装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS5629110A (en) * | 1979-08-16 | 1981-03-23 | Minolta Camera Co Ltd | Distance measurement unit |
| JPS56100306A (en) * | 1980-01-14 | 1981-08-12 | Fuji Photo Optical Co Ltd | Analyzer for sectional shape of substance |
| JPS59188615A (ja) * | 1983-04-08 | 1984-10-26 | Hitachi Koki Co Ltd | レ−ザ光走査装置 |
-
1985
- 1985-02-20 JP JP3051885A patent/JPS61191908A/ja active Pending
Patent Citations (3)
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