JPS62269005A

JPS62269005A - 三次元形状の非接触測定装置

Info

Publication number: JPS62269005A
Application number: JP61112849A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Akuta; 芥田　友彦
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1986-05-17
Filing date: 1986-05-17
Publication date: 1987-11-21
Also published as: JPH0543244B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、鋳鍛造、圧延、切削、電気加工、射出成形等
の金属、非金属の各種加工工程や岨み立て工程における
成品、中間成品の三次元形状測定検査装置や品質検査お
よび加工・組み立てプロセスの制御部用等に用いられ、
各種加工用の金型、木型等の形状測定に適用して倣い加
工の型の非接触化、柔軟型の使用を可能にすると共に、
高温や柔軟物体の形状測定、美術工芸品の複製、生体各
部や動植物体の形状測定などにも応用可能な三次元形状
の非接触測定装置に間する。

〔従来の技術〕

一般に三次元形状を測定するには、触針式のいわゆる三
次元座標測定機が広く使用されており、゛また、非接触
の先覚的な形状測定方式として光膜や光ビームによる光
切断方式、測定面への投光スポ−／　トの焦点を合わせ
る焦点合わせ法、測定面への投光スポットの視角を測定
する三角測量方式、対象物の稜線を自動追跡しながら測
定する稜線測定方式等がある。さらに、光波干渉法、モ
アレトポグラフィ法、ホログラフィ法等の波動光学的な
方法もある。

次に、上記従来の三次元形状測定方法のうち、代表的な
光学的方法である焦点合わせ法、三角測量方式について
説明する。

第６図は焦点合わせ法を説明するための図で、同図（Ａ
）は焦点合わせ法による測定装置の構成を示す図、同図
（Ｂ）は光電出力信号波形図、同図（Ｃ）は位相検波出
力特性を示す図である０図中、３０は測定面、３１はレ
ーザ光源、３２は対物レンズ、３３はハーフミラ−１３
４は集光レンズ、３５は振動ピンホール板、３６は光電
センサ、３７は発振器、３８は位相検波器、３９はサー
ボモータ、４０は倣いへラドである。

同図（Ａ）において、レーザ光源３１からの光ビームを
ハーフミラ−３３、対物レンズ３２を介して測定面３０
に照射する。測定面で拡散された光は、再び対物レンズ
３２、ハーフミラ−３３を介して集光レンズ３４の光軸
上に結像される。集光レンズ３４の焦点位Ｉにピンホー
ル板３５をセットし、焦点位置を中心に光軸方向に微小
振動させて通過光電光電センサ３６で検出する。

いま、ピンホール板３５を静止させ、測定面を対物レン
ズの焦点位置から前後に移動すると、測定面の移動距離
Ｘに対する光電センサ３６の出力は同図ＣＢ）における
曲線ａのようになる。ここでピンホール板３５を光軸方
向に振動させると、光電センサ出力は、Ｘ＞Ｏ＜前方向
移動）のときとンホールの振動波形と同相、同一周波数
となり、Ｘく０　（後方向移動）のときピンホールの振
動波形と逆相、同一周波数となり、ｘ−０においてはピ
ンホールの振動周波数の２倍の周波数の信号が現れる。

したがって、発振器３７からのピンホールの駆動信号を
参照信号として光電センサ出力を位相検波すると、同図
（Ｃ）に示すように、Ｘく０、Ｘ難Ｏ，Ｘ＞Ｏに応じて
正、Ｏ１負の直流電圧が得られる。この出力で、サーボ
モータ３９を制御して倣いヘッド４０を駆動制御すれば
、投光ビームの頂点すなわち対物レンズの焦点を常に測
定面上に合わすことができ、倣いヘッドの移動量により
測定対象物の形状を測定をすることができる。

第７図は三角測量法を示す図である。図中、５０は測定
面、５１はレーザ光源、５２はレーザビーム、５３は受
光軸、５４はレンズ、５５は結像面である。

図において、レーザ光源５１より光ビームをＺ軸方向す
なわち対象物の高さ測定方向と一致した方向から照射し
、その拡散光電レンズ５４により結像面５５上に結像す
る。

いま測定面の投光スポットが受光軸５３上に結像し、測
定面がその位置からＺ軸方向に移動したとすると、投光
スポット像も図の点線のように受光軸からずれる。この
対象物面上の投光スポットの移動量を光ビーム照射方向
と異なる一定の方向の結像面側から光電検出器等で検出
した午すると、実際に光電検出器で検出している置ｌは
、対象物の基準面に対する高さ変化量を２１、基準光軸
と測定面との角度をθとすると、次式で表される。

１−Ｚｔｃｏｓ　θ　　　　　　　　　　　　（１）従
って、結像面側からｌを測定することにより対象物の基
準面に対する変化ＷｋＺｉを求めることができる。

また、３次元形状の自動測定において、光学装置にコン
ピュータを組合わせて便用し、対象物断面高さを光ビー
ム走査による光切断法にて連続的に検出し、コンピュー
タによって対象物の断面形状の変曲点を検知して、変曲
点近傍の断面高さを特に精密に検出し、それ以外は粗く
検出することによって、高精度と高速度測定の性能を兼
ね備え、かつ大形の対象物にも適用される工業的３次元
形状の測定方法がｔｌ！されている（特開昭６０−１９
６６０８号）。

〔発明が解決すべき問題点〕

しかしながら、触針式の３次元座標測定機は、ｌＩＪｍ
あるいはそれ以内の高分解能・高精度が得られるが、対
象物に対してスタイラスの接、触（エアベアリングによ
る間接接触を含む）を必要とするため、複雑な形状や大
形の対象物など多点の測定が必要な場合には橿めて長時
間を要し、コンピュータ制御の自動測定システムによっ
ても測定時間はあまり短縮されない。

一方非接触の光電的な形状測定方式としての光膜や光ビ
ームによる光切断方式、測定面への投光スポットの視角
を測定する三角測量方式、対象物の稜線を自動追跡しな
がら測定する稜線測定方式等は、高速で形状測定するこ
とはできても測定精度はたかだか０．１ｍｍ程度と低い
０例えば、前述した三角測量方式の場合、（１）式にお
けるθは９０°以下でｃｏｓ　θは１より小さい値であ
るから、常に２座標値を縮小して検出していることとな
り、原理的に高精度の測定が困難である。また光ビーム
を円錐状としその頂点を常に対象物表面に位置させるよ
うにサーボ制御する焦点合わせ法は、５０μｍ程度とか
なりの高精度が得られるが、これは非接触とは云え、言
わば光学的な触針法であって、サーボ機構の応答性によ
り制限されて測定速度が遅く、また簿点を合わせるため
の構造が複雑になってしまう欠点がある。また、光波干
渉法、モアレトポグラフィ法、ホログラフィ法などの波
動光学的な方法の中には０．１μｍ以内の高分解能のも
のもあるが、装置が複雑・高価で、また温度・温度・振
動など環境条件の悪いオンライン的な測定にはあまり適
さなく、３次元測定では測定速度も遅い０以上のように
、従来の３次元形状測定方式は、測定精度と測定速度と
は相反的な関係にある。

また、光学装置にコンピュータを組合わせて使用し、対
象物断面高さを光ビーム走査による光切断法にて連続的
に検出し、コンピュータによって対象物の断面形状の変
曲点を検知して、変曲点近傍のみ断面高さを特に精密に
検出する３次元形状の測定方法は、対象物の筋さくＺ）
方向の前範囲を１個の光電検出器によって検出している
ため、測定の相対的な精度は一定（視野の１／２０００
〜１／４０００）であるから、高さが大きくなり視野が
増大すると、測定の絶対精度は悪化するという欠点があ
る。

本発明は上記問題点を解決するためのもので、測定精度
が良く、且つ測定速度が速く、構成の簡単な三次元形状
の非接触測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そのために本発明の三次元形状の非接触測定装置は、Ｘ
、Ｙ、Ｚを三次元直交座標として、対象物断面高さを、
Ｘ軸およびＹ軸方向に光ビーム走査を行うことによって
連続的に検出する三次元形状の非接触測定装置において
、Ｘ軸方向と異なる一定の方向から対象物へ光ビームを
照射する投光器と、投光器による対象物表面の投光スポ
ットのＸ軸方向に対する変位をＺ軸と平行な方向から検
出する光１検出器と、対象物表面上の投光スポットが常
にＸ軸方向に対して光ｉ検出器視野内の一定位置になる
ように投光器をＸ軸方向に位置制御するサーボ機構と、
投光器のＸ軸方向の変位を検出する第１の測長器と、対
象物を積載固定し、ＸおよびＹ方向に走査するＸ−Ｙス
テージと、Ｘ−ＹステージのＸ軸およびＹ軸方向の変位
を検出する第２の測長器と、第１、第２の測長器の検出
値から三次元座標値を算出する処理・記憶装置と、必要
に応じて測定された三次元座標値を数値表示または図形
表示する表示装置とを備えたこと、及びＸ、　Ｙ、　　
Ｚを三次元直交座標として、対象物断面高さを、Ｘ軸お
よびＹ軸方向に光ビーム走査を行うことによって連続的
に検出する三次元形状の非接触測定装置において、Ｘ軸
方向と異なる一定の方向から対象物へ光ビームを照射す
る投光器と、投光器による対象物表面の投光スポットの
Ｘ軸方向に対する変位をＺ軸と平行な方向から検出する
光電検出器と、対象物表面上の投光スポットが常にＸ軸
方向に対して光電検出器視野内の一定位置になるように
光電検出器又は投光器をＸ−Ｙステージに対しＸ軸と平
行な方向に移動させて制御するサーボ機構と、光電検出
器又は投光器のＸ軸と平行な方向の変位を検出する第１
の測長器と、対象物を積載固定し、Ｘ及びＹ方向に走査
するＸ−Ｙステージと、Ｘ−ＹステージのＸ軸及びＹ軸
方向の変位を検出する第２の測長器と、第１、第２の測
長器の検出値から三次元座標値を算出する処理・記憶装
置と、必要に応じて測定された三次元座標値を数値表示
または図形表示する表示整置とを備えたことを特徴とす
る。

〔作用〕

本発明は、ｘ、ｙ、ｚを三次元直交座標として、Ｘ−Ｙ
ステージによりＸ軸およびＹ軸方向に光ビーム走査を行
うことによって対象物断面高さを連続的に検出する三次
元形状の非接触測定装置において、投光器によりＺ軸方
向と異なる一定の方向から対象物へ光ビームを照射した
ときの対象物表面の投光スポットのＸ軸方向に対する変
位を、対象物表面上の投光スポットが常にＸ軸方向に対
して光電検出器視野内の一定位置になるように光電検出
器又は投光器をＺ軸或いはＸ軸方向にサーボ機構により
位置制御して光電検出器で２軸と平行な方向から検出し
、光電検出器又は投光器の変位とｘ−Ｙステージの変位
とから対象物の三次元座標値を測定するようにしている
。

〔実施例〕

以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明による三次元形状の非接触測定装置の一
実施例を示す図で、同図（Ａ）は全体構成を示す図、同
図（Ｂ）は高精度化を説明するための図である０図中、
１は被測定対象物、２＆よＸ−Ｙステージ、３，３゛は
投光器、４．４′は光ビーム、５はサーボ機構、６は光
電検出器、７は対物レンズ、８は一次元光電センサ、９
は処理・記憶装置、１０は表示器、１１は記録器である
。

第１図（Ａ）において、対象物１は、例えばステップ駆
動装置（図示せず）の設置されたＸ−Ｙステージ２の上
に磁力、真空吸着、簡易接着などの固定手段により固定
される。なお、Ｘ−Ｙステージ２は必要によりＸ、Ｙ方
向各変位を精密に検出するためのリニアエンコーダ等を
附設する。投光器３は、例えばレーザ等の光源からの光
電、光学系により対象物１上に微小な投光スポットＰ＋
とじて照射する。サーボ機構５は、投光スポットＰ！が
常に装置全体の基礎に固定された光電検出器６の例えば
視野中心のような一定位置Ｐｉ　　’に一致するように
Ｚ軸方向に位置制御する機能を持っている。−次元光電
センサ８は、投光スポットＰ１の光学像のＸ軸方向位置
を検出するための例えばディジタルイメージセンサまた
はアナログ光電位置検出器などで構成し、投光スポット
Ｐ、が正確に光電検出器６の視野中心位置Ｐ！　′に一
致するようサーボ機構５を制御するための動作信号を得
るよう投光スポットＰ！の位置偏差を検出する。

なお、サーボ機構５は、正確にＺ軸方向に移動するため
のガイド、移動量を検出するためのエンコーダ等の測長
器、サーボモータなどによる駆動機構および一次元光電
センサ８からの動作信号を人力し駆動機構を作動させる
ためのサニボ制御回路より構成される。ディジタルコン
ピュータ等を利用した処理・記憶装置９は、Ｘ−Ｙステ
ージ２および２軸サ一ボ機構５の各変位量の検出値を入
力し、必要により対象物Ｙ−Ｚ断面曲線の曲率演算や、
各座標検出値のスケールファクタ演算、Ｘ−Ｙステージ
２のｔＩ１１御機能、または場合により前述のサーボ機
構５の制御回路の機能も集約することもできる。また処
理・記憶装置９は最終的なＸ。

Ｙ、　　Ｚ座標測定値を記憶する。処理・記憶装置９は
場合によっては各機能別に独立した回路装置を組み合わ
せて構成させることもできる。１０は測定値を表示する
例えばＣＲＴ方式の表示器で数値表示や図形表示を行う
、１１は同様な目的のプロッタ、プリンタ等の記録器で
ある。

次に動作を説明する。

対象物ｌをＸ−Ｙステージ２上に固定し、投光器３を点
灯してレーザなどの細いビーム４をＸ−Ｙステージ２の
上面と角度θをもって照射する。

Ｘ−Ｙステージ２は、原点よりＸ座標を一定として順次
Ｙ方向にステップ送りをし、Ｙ送りが所定範囲に達した
ら次にＸ方向に１ステップ送り、次に逆方向にＹ送りを
行う矩形波状走査（ジグザグ）、またはＸ送りを連続し
て行う鋸歯状走査でもよい。

対象物１上に生ずる投光スポットを一般にＰ。

と表し、対象物ｌがない場合Ｘ−Ｙステージ２の上面に
生ずる投光スポットをＰ、とする、光ｉｔ検出器６はこ
れらｐＨ＋Ｐｉを対物レンズ７により一次元光電センサ
８上に結像して、そのＸ方向位置を検出する。Ｙ走査の
原点位置では投光スポットはＰ６となるからその位置を
光電検出器６の視野内のＸ軸方向の一定位置、例えば光
電検出器６の光学軸即ち視野中心に一致するよう予め設
定しておきその位１を記憶する。Ｙ走査が進んでＸ−Ｙ
走査が任意のステップ位置に到達したとして、その時の
投光スポットをＰ、とする。光電検出器６はＰｏを基準
位置として、これに対するＰムのＸ方向変位量Ａ、を検
出する。

変位量１１はサーボ機構５の動作信号として入力され、
サーボ機構５がＸ軸方向に（第１図（Ａ）では上方に）
駆動されるので、サーボ機構５に設置された投光器３、
したがって光ビーム４が上方に平行に移動し、次第に動
作信号及びオフセフ）値が夫々０に近付き投光スポツ１
−Ｐｉ　は最終的に光電検出器６の光軸上ＰＩ　　’に
位置するようになってサーボ機構５が整定される。Ｐｏ
に対応する投光器３の射出端位置をＲｅ、同Ｐｉ　　′
に対応するそれをＲ１とすると、サーボ機構５の移動量
Ｒ８Ｒｒ　はエンコーダなどによって検出されるが、こ
れはＺ方向と平行であるから、Ｐ、Ｐ、’即ち光電検出
器６の光軸線上の対象物１のＺ座標値（Ｚ＋　）を表す
、よって、この時のＸ−Ｙステージ２の送り位置すなわ
ちＸ、Ｙ座標値とともにＺ座標値が処理・記憶装置９に
人力され、必要によりスケールファクタ演算やＸ−Ｚ断
面の曲率演算を行い、処理・記憶装置９内に記憶される
。すなわち、次式で示すようなＰ、点の三次元座標値が
順次測定される。

ｘ、−０，１，２，・・・・・・・・・ｙ直−０，１，
２，・・・・・・・・・（２）ｚ、ｘＲｏ　Ｒ。

以上の動作はＸ−Ｙステージの各ステップ毎に繰り返し
行われるので、対象物１表面の各点はＸ−Ｙステージ２
の各送りステップのピッチに応じてｘ、　　ｙ、　　ｚ
座標値が測定され、処理・記憶装置９内に記憶される。

なお、光学装置にコンピュータを組合わせて使用し、連
続的に検出される対象物断面高さのデータからコンビニ
ーりによって対象物の断面形状の変曲点を検知し、変曲
点近傍のみ断面箭さを特に精密に検出するようにすれば
、Ｘ−Ｙステージの送りピンチが通常は比較的粗く、曲
率が大きく変化する輪郭、稜線部等は微細なピッチで自
動的に測定され、短時間に高精度の測定ができる。

以上は、Ｘ−Ｙステージの送りをステップ送りとした場
合について述べたが、連続送りであっても、例えばＸ、
Ｙ各送り装置に附設したエンコーダなどを利用したクロ
ック信号によって、所定ピッチでＸ、Ｙ、Ｚ各座標値を
処理・記憶装置９に入力することによって測定できる。

処理・記憶装置９に記憶された対象物１の各点の三次元
座標値は、ＣＲ７表示器１０に必要とする各点の三次元
座標数値として、または公知の技術を利用して等高線、
透視図または輪郭、稜線図などの立体グラフィック処理
をした図形として表示をし、また必要に応じて記録器１
１にプロットまたはプリントアウトする。

なお、光電検出器６はサーボ機構５とは別個にＸ−Ｙス
テージ２に対して一定位置に固定している例について述
べたが、この場合投光スポットＰ、と対物レンズ７との
距離が対象物１の高さによって変動するため、−次元光
電センサ８上のＰ。

の光学像のピントがずれることとなる。対物レンズ７と
対象物ｌとの距離に対して、対象物１の高さ変化の比率
が小さい場合はこのピントずれは無視し得るが、この影
響が無視し得ない場合には光電検出器６も投光器３と併
せてサーボ機構５の架台に設置することによって常に対
物レンズ７と投光スポットＰＩ　′との距離を一定にで
き、正確なピントを保つことができる。

また、必要により、サーボ機構５と同等の機能を持つが
サーボ機構５とは別個のサーボ機構に光電検出器６を設
置して夫々Ｘ軸方向に位置制御してもよい。これは、投
光器３の位置制御が、光電検出器６のそれよりも高性能
を要することから、三次元形状測定装置の実用設計上の
条件によっては必要となる場合もある。

本発明が在来の光学的な三次元形状測定方法に対して原
理的に優れた点を第１図（Ｂ）を参照して説明すると、
例えば、前述したように２．最も広く用いられている二
角測量方式では、常にＺ座標値を縮小して検出しおり、
原理的に高精度の測定が困難であるのに対して、本発明
の方法は第１図（Ａ）に示すように、光ビームを２軸と
異なる方向から照射し、投光スポットを２軸方向から検
出し、光電検出器によって検出される基準位置Ｐ０に対
する投光スポットＰ＋のＸ方向の変位Ｊ、は、ＰＬ点の
高さをＺ＋　　’とすると、次式で示される。

Ｌａ　ｎ　θ ｔａｎ　θは、θを４５°以下に設定すると常に１より
小さい値であり、たとえばθΦ値を２１°５０′にとっ
て製作した装置では１ｔはＺ、″の２゜５倍にも達した
。！ｐち、本発明の方式は、一般的に対象物の高さを数
倍に拡大して検出し得ることを示す、なお、最終的に測
定すべきＺ座標値ｚｉとＺ五　′とは一般的には値が異
なるが、その差（Ｚ＋−Ｚエ　′）はＺ！の値に比べて
僅小であるうえ、サーボ機構５の制御動作の進行に伴っ
てその差は次第に減少し、最終的な整定位置ではＺ。

′は２直と一致する。

実際の測定上はＹ走査の１ステツプごとにｌ。

が検出されるので、第１図（Ｂ）に示すように、いま対
象物がｈの位置にあった場合に投光スポットが−Ｐ１　
”にあったとし、Ｙ走査１ステップ後に対象物がＩ！、
１の位置に移り投光スポットがＰＬ。１に移動したとす
ると、光電検出器６はＰｉ　　″とＰｉｅｌの高さ変化
分ΔＺｔ　　’を次式の関係で示されるΔｌ！とじて検
出する。

ｔａｎ　θ サーボ機構５の制御動作は、このＰ　１６１点を光電検
出器６の光軸上の点Ｐ（＊Ｉ　’に一敗させるよう、即
ちΔｌ！の値を０に収斂するように光ビームをＺ軸方向
に平行移動するものである。なお、詳細に述べると、Ｐ
（＊１　’とＰｉ　′との高さ変化分ΔＺは、一般にば
ΔＺ＋　　′と僅かながら異なる値をもつが、Δ！籠が
Ｏに収斂するに従ってこの間の差も０に近付き、最終的
に次式で示されるようにΔＺとΔＺＩ　’とは一致する
。

１ｔｍ（ΔＺ−ΔＺｉ　　’）　−０（５）Δ１１−＊
０一般に精密サーボ位置制御には、位置誤差即ち動作信号
をできる限り拡大して検出することが極めて望ましい特
性とされるが、本発明の方式は該サーボ制御上の動作信
号を（４）式に示すように投射角θを小さくとれば数倍
に拡大して検出し得るため、原理的に高精度測定に適し
ているものである。

第２図は第１図におけるサーボ機構５の整定時間が長い
場合や、オフセットが残ったままでも座標測定を行って
、測定を高速化するための本発明の他の実施例を示す図
であり、構成は第１図と同様で、第１図と同一参照記号
は同一内容を示している。

動作を説明すると、第１図と同様に基準投光スポット位
置Ｐ、に対する任意の投光スポットＰｉ位置のＸ方向変
位量を光電検出器６により検出し、変位量を動作信号と
してサーボ機構５が図の例では上方に移動するが、サー
ボ機構５の応答特性によってはＰ、がＰｉ　　’に一致
して整定するまでに時間がかかる場合や、オフセット値
が残る場合がある。この時の投光スポット位置をＱｌと
すると、光電検出器６によりＰｏに対するＱ、のＸ方向
変位量ｅ、を検出してこれを処理・記憶装置９に入力し
、その時点におけるＰｏのＸ座標４ａ（Ｘ−Ｙステージ
のＸ方向送り量）からｅ、だけ滅じた値をもって０１点
のＸ座標値とする。

Ｘｉ　　＝Ｘｏ　　−ｅ　（ｙｌ蝙０．　１．　２．・・・・・・・・・　　　　　
（６）Ｘｉ　ｗＲ，Ｒ，’ 以上の動作をＸ−Ｙステージ送りの各ステップ毎に繰り
返すことによって、サーボ機構５の応答特性が遅い場合
も高速で三次元座標値を測定することができる。なお、
この場合の光電検出器６はサーボ機構５の動作信号であ
るＸ方向変位量を検出するのと同時に投光スポットＱｉ
のＸ方向絶対値をも測定するものであるから、所定の精
度を満足するような一次元光電センサ８を選定すべきこ
とは勿論である。

以上は投光器３が一台のみの場合について述べたが、投
光器３はＸ−Ｙステージと一定角度θをもって光ビーム
４を照射するため、対象物１の形状によっては蔭になっ
て投光スポットが希望位置に生じなくなることがある。

この場合は対象物１をＸ−Ｙステージに対して１８０’
回転することによって測定できるが、第２図に示すよう
に、投光器３と全く同様の投光器１２を光電検出器６の
光軸に対して投光器３と対称位置に設置し、投光器３に
よ°る投光スポットが検出できない場合はただちに投光
器１２による投光スポット検出に切り換えることによっ
て、対象物１を回転せずに短時間かつ精度よ（測定する
ことができる。また、投光器１２も勿論サーボ機構５と
同一架台または別個の架台でＺ軸方向にサーボ制御され
る。

第３図は、上述したＺ方向のサーボ機構を使用せず、よ
り製作容易なＸ方向のサーボ機構を用いた本発明の他の
実施例を示す図である０図中、第１図と同一参照記号は
同一内容を示しており、第１図の構成と異なる点は、サ
ーボ機構５ａに光電検出器６を設置して、投光スポット
Ｐ、が常に光ｉｔ検出器６の例えば視野中心のような一
定位置に一致するようにＸ軸と平行な方向に位置制御す
る機能をもつことである。

次に動作を説明すると、装置全体の基礎に固定した投光
器３によるＸ−Ｙステージ２の上面の投光スポットＰ・
が光電検出器６の視野中心となるよう設定してこの位置
を記憶させ、Ｘ−Ｙステージ２のＹ方向走査により光ビ
ーム４を対象物１上に投光して、投光スポットがＰｉ　
となった場合、ただちにサーボ機構５ａによって光′を
検出器６の視野中心をＰＬに一致するようＸ軸方向に制
御する。この移動量すなわちＰｏとＰ、のＸ方向の長さ
を！五とすると、次式で表されるようなＰ、点の三次元
座標値が順次測定される。

Ｘ五ｘｘ、−ＩｌＩ！＋　−０，１，２，３，・・・・・・・・・　　　　
（７）ｚｌ　！Ｊ！１　　奢ｔａｎ　θ ただし、Ｘ、は走査原点からのＸ送り量を表し、各Ｙ走
査について順次進められる。

以上の動作がＸ−Ｙステージの各ステップ毎に繰り返し
行われ、対象物１の表面の各点の三次元座標値が測定さ
れて処理・記憶装置９内に記憶される。

以上は、投光器３を装置全体の基礎に固定し、光電検出
器６をＸ−Ｙステージ２に対してＸ方向にサーボ制御す
る例について述べたが、別法として光電検出器６を装置
全体の基礎に固定し、投光器３をＸ方向駆動のサーボ機
構５ａ′に設置してＸ方向に位置制御すると同時に、Ｘ
−ＹステージのＸ送り機構を５ａ’と全く同期させてＸ
方向に位置制御することによって、上述したのと全く同
様の機能を得ることができる。すなわち、一定のＹ走査
の間は対象物１と投光器３との相対位置は固定され光ｔ
ｉｔ出器６に対して相対移動することとなる。どちらの
方式をとるかは設計条件によって定めればよい。

なお、第１図の場合と同様に、光学装置にコンピュータ
を組合わせて使用し、連続的に検出される対象物断面高
さのデータからコンピュータによって対象物の断面形状
の変曲点を検知し、変曲点近傍のみ断面高さを特に精密
に検出するようにすれば、Ｘ−Ｙステージの送りピッチ
が通常は比較的粗く、曲率が大きく変化する輪郭、稜線
部等は微細なピッチで自動的に測定され、短時間に高精
度の測定ができる。

また第２図の実施例で示したオフセット値検出方式は、
第３図のＸ方向サーボ制御方式の実施例についても同様
に適用できる。第３図でオフセット値６豪　′を光電検
出器６によって検出し、その時のサーボ５ａの移動量Ｉ
Ｉ　′とから１．＝１゜’＋Ｑ、’として１．を算出し
、（５）式によってＰ、点の三次元座標値を測定するよ
うにすればよい。

なお以上の実施例では、光電検出器６を１台使用する例
について述べたが、例えばサーボ１ｉＩ５の脱調などに
より投光スボフ）Ｐ、が主光１２出器の視野から外れた
場合などの異常時対策のために、別に広い視野をもつ副
光電検出器を設置することによって粗い精度のサーボ制
御を行い、まず投光スポットＰ、を主光電検出器の視野
内に入れた後に精密なサーボ制御を行うようにしてもよ
い。

本発明では投光スポット位置をＺ軸と平行な方向から検
出するため、例えば垂直に近い端面をもつ対象物等には
測定が困難である。この場合は第４図に示すようにＸ−
Ｙステージの上面に回転軸１４の周りに回転しうる傾斜
台１３を設置し、該傾斜台１３の上に対象物ｌを固定す
ることによって上述の各測定方法を実施しうる。ただし
傾斜台１３の傾斜角甲は、回転角センサ（例えばロータ
リエンコーダ）により正確に検出し、処理・記憶装置９
に各測定座標値とともに入力し、座標変換の演算補正を
して三次元座標値を得ることは勿論である。なお、傾斜
台１３の回転は必要により例えばステップモータなどに
よって駆動するようにしてもよい。

また、例えば歯車の歯形、タービン回転翼などの回転体
形状の測定に際しては、第５図に示すように、Ｘ−Ｙス
テージ２の上面に例えばステップモータ１６によって駆
動する回転軸１４に回転体形状の対象物１を固定し、光
電検出器が投光スポットを検出し易い角度だけ対象物１
を回転しつつ順次測定することによって、回転体の三次
元形状を正確に測定できる。なお、回転角は例えばロー
タリーエンコーダなどの回転角センサ１５によって検出
して前と同様に処理・記憶装置９に入力して演算補正す
ることはいうまでもない。

なお、必要によっては、第４図と第５回の両者の機能を
持つ傾斜・回転台をＸ−Ｙステージ２上に設置して、傾
斜しつつ回転して本発明の測定を実施することもできる
。

以上はいずれも投光器３による光ビーム４は、例えばレ
ーザー光電コリメートした細いビームとしたが、投光ス
ポットをできる限り微小にするために光ビーム４は光学
系によって絞られた円錐状の光束であってもよい、この
場合、投光器３と対象物１との距離が変化すると、投光
スポットの大きさが変わるが、光電センサ８が光点の重
心位置検出機能をもつものや輝度のピーク位置検知機能
を有するものを利用することによって、投光スポットの
大きさ変化の影響を避けることができる。

また、光ビーム４を斜角から照射するための投光スポッ
トの非対称形状や、半導体レーザを光源に使用する場合
の発光点の大きさの非対称性等の影響を補償するために
、必要により投光器３に非対称光学系を使用する。

なお、以上は２０点は光電検出器６の視野中心位置にな
るよう設定して、各Ｙ走査の基準位置とするよう述べた
が、必ずしも中心位置と限らず、光電検出器６の視野内
の一定位置として光電センサ８の出力を記憶しておき、
この位置を基準として判定してもよい。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、比較的簡単な構成の装
置により、原理上からも在来の光学式より１かに高精度
の三次元形状測定ができる。特にＸ−Ｙステージの各軸
変位量や２方向またはＸ方向のサーボ機構変位ｌ検出用
に精密エンコーダを設置することにより、数μｍの高精
度で容易に測定でき、在来法よりも１０倍以上の精度向
上が可能である。

また、Ｚ座標値を２方向またはＸ方向のサーボ機構の変
位によって検出するので在来の最も御所的な三角測量法
や、前述した特開昭６０−１９６６０８号のものに比べ
ても、対象物’Ｚ　（高さ）方向の測定範囲の制限が緩
和され、広範囲の測定ができる。

測定速度についても、対象物の断面形状の変曲点を検出
し、変曲点近傍の断面高さを特に精密に、それ以外は粗
く検出する方式を通用することによって精度を損なうこ
となく極めて高速度の測定ができる。

また、急斜面や複雑な回転体等、在来光学的には形状測
定困難であったものも高精度かつ高速に三次元形状測定
可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による三次元形状測定装置の一実施例を
示す図で、同図（Ａ）は全体構成を示す図、同図（Ｂ）
は高精度化を説明するための図、第２図は測定を高速化
するための本発明による三次元測定装置の他の実施例を
示す図、第３図はＸ方向のサーボ機構を用いた本発明に
よる三次元形状測定装置の他の実施例を示す図、第４図
は対象物を傾斜角度可変の台に載置するようにした本発
明の他の実施例を示す図、第５図は対象物を回転可能に
設置した本発明の他の実施例を示す図、第６図は従来の
焦点合わせ法による三次元形状測定方法を示す図で、同
図（Ａ）は構成を示す図、同図（Ｂ）は光電出力信号波
形図、同図（Ｃ）は位相検波出力信号を示す図、第７図
は従来の三角測量法による三次元形状測定方法を示す図
である。１・・・被測定対象物、２・・・Ｘ−Ｙステージ、３゜
３゛・・・投光器、４，４′・・・光ビーム、５・・・
サーボ機構、６・・・光電検出器、７・・・対物レンズ
、８・・・−次元光電センサ、９・・・処理・記憶装置
、１０・・・表示器、１１・・・記録器、１２・・・投
光器、１３・・・傾斜台、１４・・・回転軸、１５・・
・回転角センサ、１６・・・ステップモータ出　願　人　　　新技術開発事業団代理人弁理士　　蛭　川　昌　信第２図第３図Ｑ　　　　　− 第６図（Ａ）第６図（８）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）Ｘ、Ｙ、Ｚを三次元直交座標として、対象物断面
高さを、Ｘ軸およびＹ軸方向に光ビーム走査を行うこと
によって連続的に検出する三次元形状の非接触測定装置
において、Ｚ軸方向と異なる一定の方向から対象物へ光
ビームを照射する投光器と、投光器による対象物表面の
投光スポットのＸ軸方向に対する変位をＺ軸と平行な方
向から検出する光電検出器と、対象物表面上の投光スポ
ットが常にＸ軸方向に対して光電検出器視野内の一定位
置になるように投光器をＺ軸方向に位置制御するサーボ
機構と、投光器のＺ軸方向の変位を検出する第１の測長
器と、対象物を積載固定し、ＸおよびＹ方向に走査する
Ｘ−Ｙステージと、Ｘ−ＹステージのＸ軸およびＹ軸方
向の変位を検出する第２の測長器と、第１、第２の測長
器の検出値から三次元座標値を算出する処理・記憶装置
と、必要に応じて測定された三次元座標値を数値表示ま
たは図形表示する表示装置とを備えた三次元形状の非接
触測定装置。
（２）前記処理・記憶装置は、サーボ機構オフセット値
により修正した三次元座標値を算出することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の三次元形状の非接触測定
装置。
（３）前記サーボ機構に制御される投光器を設置した架
台に、投光スポットのＸ軸方向変位を検出する光電検出
器を設置することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載の三次元形状の非接触測定装置。
（４）前記投光スポットのＸ軸方向変位を検出する光電
検出器を、投光器とは別の架台に設置して別個のサーボ
機構によってＺ軸方向に位置制御することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載の三次元形状の非接触測定装
置。
（５）前記投光器は２台以上設置されることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の三次元形状の非接触測定
装置。
（６）前記光電検出器は、２台以上設置されることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の三次元形状の非接
触測定装置。
（７）前記対象物は、支持手段により傾斜およびまたは
回転させながら形状測定することを特徴とする特許請求
の範囲第１項記載の三次元形状の非接触測定装置。
（８）前記投光器に非対称光学系を使用することを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の三次元形状の非接触
測定装置。
（９）前記光ビームの走査は、断面形状変曲点の近傍に
おいて精密に行われることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の三次元形状の非接触測定装置。
（１０）Ｘ、Ｙ、Ｚを三次元直交座標として、対象物断
面高さを、Ｘ軸およびＹ軸方向に光ビーム走査を行うこ
とによって連続的に検出する三次元形状の非接触測定装
置において、Ｚ軸方向と異なる一定の方向から対象物へ
光ビームを照射する投光器と、投光器による対象物表面
の投光スポットのＸ軸方向に対する変位をＺ軸と平行な
方向から検出する光電検出器と、対象物表面上の投光ス
ポットが常にＸ軸方向に対して光電検出器視野内の一定
位置になるように光電検出器又は投光器をＸ−Ｙステー
ジに対しＸ軸と平行な方向に移動させて制御するサーボ
機構と、光電検出器又は投光器のＸ軸と平行な方向の変
位を検出する第１の測長器と、対象物を積載固定し、Ｘ
及びＹ方向に走査するＸ−Ｙステージと、Ｘ−Ｙステー
ジの台座のＸ軸及びＹ軸方向の変位を検出する第２の測
長器と、第１、第２の測長器の検出値から三次元座標値
を算出する処理・記憶装置と、必要に応じて測定された
三次元座標値を数値表示または図形表示する表示装置と
を備えた三次元形状の非接触測定装置。
（１１）前記処理・記憶装置は、サーボ機構オフセット
値により修正した三次元座標値を算出することを特徴と
する特許請求の範囲第１０項記載の三次元形状の非接触
測定装置。
（１２）前記投光器は２台以上設置されることを特徴と
する特許請求の範囲第１０項記載の三次元形状の非接触
測定装置。
（１３）前記光電検出器は、２台以上設置されることを
特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の三次元形状の
非接触測定装置。
（１４）前記対象物は、支持手段により傾斜およびまた
は回転させながら形状が測定されることを特徴とする特
許請求の範囲第１０項記載の三次元形状の非接触測定装
置。
（１５）前記投光器に非対称光学系を使用することを特
徴とする特許請求の範囲第１０項記載の三次元形状の非
接触測定装置。
（１６）前記光ビームの走査は、断面形状変曲点の近傍
において精密に行われることを特徴とする特許請求の範
囲第１０項記載の三次元形状の非接触測定装置。