JPS6246802B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は被測定物体の立体形状を光学的非接触
法で測定する立体形状測定装置に関するものであ
る。

従来、立体的形状を有する物体の形状を測定す
る方法として、トレーサデイスクを用いて被測定
物体の表面をトレースし、このトレーサデイスク
外形をペンによりプロツトし、プロツト図形の包
絡線から被測定物体の外形を求める方法があつ
た。この方法は接触方式であるという欠点の他
に、包絡線より求めるため測定精度は悪くなり、
測定時間も長くかかつた。

他方、従来光学的非接触方式としてレーザビー
ムを被測定物体に照射し、照射方向とは異なる方
向から位置検出器上に結像し、その信号値から立
体形状を求める方法、あるいは位置検出器の中心
に来るように測定系全体と被測定物体の相対距離
を変化させる方法等があつた。しかしこのような
光学的方式は、被測定物体の反射特性の影響を強
く受け、反射光の位置検出信号から正確な測定が
できなかつた。即ち、被測定物体の表面の反射特
性、表面の法線方向とレーザ照射方向、及び結像
方向の相対的な関係に応じて位置検出器上に受光
される光強度は２桁近い強度変化を生じ、このよ
うな光強度の変化からは正確な位置検出は困難で
あつた。

本発明は以上の諸点に鑑み発明されたもので、
その目的は、非接触法であつて、被測定物体の反
射特性の影響を受けにくい、高精度の立体形状測
定が可能な立体形状測定装置を提供するにある。

本発明の特徴は、被測定物体上に一定の角度Θ
で光を照射し、かつこの照射光の光軸上の一点Ａ
で所望の最小絞り込み直径にならしめる光ビーム
集光照射系を用い、更に上記のΘとは異なる角度
Φを光軸とし、この光軸上に上記Ａ点を含みかつ
Ａ点を一定開口を有する検出遮光板上のこの開口
上に結像する撮像光学系を用い、この開口の透過
光を検出する開口透過光検知器により透過光を検
出するようにしていること、更には、被測定物体
とＡ点との相対位置を変化させ、この時の開口透
過光検知器の受光信号の最大値近傍を検出し、こ
の最大値検出時の上記相対位置変化量を求めるよ
うにしていることである。最大値が検出される瞬
間はＡ点が物体表面と一致した時点であるから、
上記変化量から物体表面の空間的位置の検出が可
能となる。このような測定を、被測定物体の異な
る複数の箇所について行なえば、被測定物体の立
体形状を測定することが可能となり、また被測定
物体の反射特性の影響も受けにくくなる。

以下本発明を実施例により更に詳しく説明す
る。第１図は本発明の一実施例を示す図である。
２はレーザ光源１と、レーザスポツト投影レンズ
２０から構成される光ビーム集光照射系であり、
基準方向に対しΘの角度をなす光軸上のＡ点で最
小スポツト径Ｄ_Oになる様に絞り込まれる。Ａ点
に於ける絞り込み直径は被測定物体を如何なる精
度で測定するかにより適当に選ばれる。例えば立
体形状を20μｍの精度で測定するには最小絞り込
み位置となるＡ点で直径20μｍ程度となるように
レーザスポツト投影レンズが選択される。被測定
物体７が第１図に示すごとく実線で示される位置
にあり、Ａ点が被測定物体上にある時、被測定物
体で反射されたレーザ光は基準方向に対しΦの角
度をなす光軸をもつ撮像光学系４により、検出遮
光板５上の開口５１にＡ点の像A′が結像され
る。この開口は円又は第１図の紙面に垂直な方向
に長細いスリツトとなつており、その幅（円の場
合は直径）がＡ点の絞り込み直径に撮像光学系４
の倍率Ｍを掛けた値、即ちＡ点の結像スポツト径
Ｄ_Iと同程度になつている。この開口を透過した
光は開口透過光検知器６で受光され、透過光強度
が求められる。被測定物体が点線で示した７′や
７″にある時には照射ビームは被測定物体のＢ点
やＣ点を照射する。従つてこれらの点から反射す
る光が撮像光学系４により検出遮光板５上のB′点
もしくはC′点に来る。しかもB′点，C′点は正確
な結像位置でないため結像スポツト径はＤ_Iに比
べ十分大きくなる。しかも、このスポツトビーム
の広がりにより検出遮光板５の開口５１に入射す
る光の強度は被測定物体７の表面がＡ点にある場
合に比べ数桁小さくなる。この現象は、被測定物
体の表面がＡ点から僅かにずれただけで顕著に現
われ、光強度が急激に低下する。第２図はこの様
子を示した実験結果であり、20μｍの照射ビーム
スポツトＡが被測定物体面からΔＺずれた時に、
倍率１の撮像光学系により、30μｍのスリツト幅
から成る検出遮光板の開口付近に結像されるが、
開口を透過する光の強度検出値ＩがΔＺの変化と
ともにどのように変るかを示している。ΔＺ＝０
の時には、Ａ点の像は開口上に出来るため強度は
最大Imaxとなり、ΔＺが20μｍも変化するとこ
の最大値Imaxの約１／２に強度が低下する。更にΔＺ が40μｍになるとImaxの１／１０になり、ΔＺが60〜 70μｍとなると更に１／１００になり急激に強度が小さ くなる。

本発明はこのように、開口透過光検知信号強度
の鋭いピークを検出することにより、精度の高い
測定を行なうことができる。また最大値を検出す
るに当り、後述のＡ／Ｄコンバータを用い、デイ
ジタル値に変換された値から最大値を求めて行く
ことにより、信号レベルそのものが表面の光学的
反射特性の影響を大きく受けて被測定物体間、あ
るいは測定場所間で変化しても、正確な最大値検
出が可能となり、精度の高い測定が可能となる。
上述の方式により、立体形状を測定するには、例
えば第１図に示すごとく、検出位置変化手段３０
を用いて全光学系を一定方向、例えばＺ方向（被
測定物体の凹凸表面に概略直交する方向）に移動
させ、上記方法により開口透過光検知器の最大値
を検出し、この瞬間における上記検出位置変化手
段による移動量を、例えばこの手段に取付けられ
たマグネスケールやオプテイカルスケール等によ
り検出する。次に試料をＺ方向と直交する例えば
Ｘ方向に動かし、異なる場所の測定を上記の方法
により行ない、これを多数の点について繰返し、
全体的、あるいは所望の断面の立体形状を非接触
で測定して行く。

第３図は本発明の一実施例であり、第１図と同
一番号は同一物を表わしている。レーザ光源１を
出射した光はレーザスポツト投影レンズ２０を透
過し反射鏡８１，３１，８２，８２′で反射され
被測定物体７上に照射される。投影スポツト位置
調整反射鏡３１は移動テーブルから成る検出位置
変化手段３０に固定されているため、テーブルの
移動に伴ない最小絞り込み直径となるＡ点は移動
する。テーブルの移動方向に対し３１の反射鏡面
の法線が平行であり、反射鏡８２，８２′の法線
が直交していれば、テーブルの移動に伴ない変化
するＡ点の方向はテーブル移動方向と一致する。
３２は撮像スポツト位置調整直角反射鏡であり、
互に直交する２枚の平面鏡又は直角プリズムから
成つており、上記の移動テーブルに固定され、こ
の２つの反射面の法線を含む平面とテーブル移動
方向が平行であると、Ａ点は３２および８３の反
射鏡を介し撮像レンズ４によりテーブルの移動位
置に無関係に常に空間の固定された位置A′点に
結像される。従つてこの位置にピンホール又はス
リツト５を配置し、ピンホール透過光を６の光検
出器で受光し、前述したごとく最大値を検出する
と、被測定物体７の表面上にＡ点が来た瞬間を正
確に捉えることが可能となり、高精度の測定が可
能となる。またこの実施例では検出位置変化手段
のテーブル移動値ｚに対し、Ａ点は２ｚ変化
するため、可動範囲は第１図の実施例に比べ半分
で済み、移動物も３１と３２の反射鏡のみでよ
く、移動物体を軽量にすることが可能である。

第４図は本発明の一実施例であり、第３図と同
一番号は同一物を表わしている。第３図の撮像光
学系中にある反射鏡８４に代り、半透鏡８５を用
いている。この半透鏡８５を反射した光は第３図
と同じようにピンホール透過光から最大値を検出
するが、透過した光は光位置検出器６４で受光さ
れる。この光位置検出器６５は周知のごとく受光
位置にほぼ対応した電気信号レベルを出力するた
めＡ点がこの光位置検出器６５の中心に結像する
ように配置する。このようにすれば第５図に示す
ようにＡ点の像A″が物体表面の上方にある時に
は差動増幅回路６５１の出力Ｐとして例えば正の
信号が、又A″点が物体表面の下方にある時には
負の信号が得られる。従つてこの信号を300の検
出制御回路に送り30の検出位置変化手段を動かせ
ば、Ａ点と被測定物体の表面が近づくように制御
することが可能となる。しかしながらこの光位置
検出器６５の検出信号は受光信号強度のばらつ
き、増幅回路のドリフトや雑音の影響を受け、信
号レベルが０の時に必らずしもΔＺ＝０となつて
おらず第５図に示すようにZ₀となつている。従つ
て例えば現在の物体表面とＡ点がZ₁だけずれて信
号がP₁（負）の時には信号Ｐが０になる方向に検
出位置変化手段を駆動し、Ｐが０になつても更に
同一方向に一定量（Z₂―Z₀）移動させ停止する。
このようにすればZ₁からZ₂に移動する間に前述の
方法により光検出器６、増幅回路６５３により得
られる信号Ｉは最大値を検出することになる。こ
のようにすることにより、短時間のうちに最大値
が検出でき、測定時間の短縮が図れる。

第６図は本発明の一実施例であり、第４図に示
した検出制御回路３００の詳細な一例を示してい
る。第４図と同一番号は同一物である。第４図の
光位置検出器６５では受光信号の強度信号も同時
に測定できる。この信号を増幅回路６５２により
増幅した信号I₀は撮像レンズで受光された信号強
度に比例する。このI₀によりピンホール透過光の
光検出及び増幅信号Ｉを割り、このＩ／I₀の最大
値を検出すれば、更に高精度の測定が可能とな
る。

以下にその理由を説明する。被測定物体７は一
般に加工面であり、その面粗さは種々に異なる。
面粗さの細かいものに直径数＋μｍのレーザスポ
ツトを照射すると、いわゆる比較的変化周期の大
きなスペツクルパターンが生じる。レンズの開口
径に比べ、この変化周期が大きいと、被測定物体
の照射位置のわずかな違い（スポツト径程度）に
よりレンズの開口に受光されるレージ光量は大幅
に変化する。従つて検出遮光板の開口を透過する
光量も変化する。そこでＩ／I₀の最大値を取れば
このような影響は除去することができ効果は大き
い。第６図の６６１及び６６２はＩ及びI₀のアナ
ログ信号をデイジタル信号に変換するＡ／Ｄコン
バータである。デイジタル値に変換しておけばこ
の値の比較や記憶は正確に容易に行なわれるばか
りでなく、第６図の実施例のごとく割り算を行な
う場合についてはアナログ処理よりも十分に精度
良く演算を行なうことが可能となる。６６３はこ
のようなデイジタル信号の割り算回路であり、得
られた結果は最大値検出回路６６４により、検出
位置変化手段で、Ａ点を変化させている間の最大
値が求められる。６３０はテーブル移動制御回路
であり、前述したごとく光位置検出信号が０にな
る方向にテーブル駆動回路を用いテーブルを移動
し、０を検出してからある一定量更にテーブルを
移動するように制御し、テーブル移動を停止した
時点で一点の測定が終了したことを知らせる信号
を最大値テーブル位置ストア回路６８０に送る。
この回路では最大値を検出した時点で最大値検出
回路６６４から信号をもらい、テーブル位置検出
回路６３２のデータを取り込み、ストアされてい
るためこのストアされたテーブル位置信号Z₀が測
定値として出力される。なお３４は前述したマグ
ネスケール等の手段によるテーブル位置検出器で
ある。被測定物体の測定箇所の面の法線方向αは
測定箇所が変化すると変る。この方向αがΘとΦ
の二等分方向にある時には正反射光が撮像光学系
の光軸と一致し、受光強度は非常に大きくなり、
二等分方向からずれるに従い小さくなり、その強
度変化は２桁以上変化する。このような広い範囲
の強度を測定するには雑音の小さい受光器を用
い、増幅回路６５１，６５２で広い範囲の変化を
増幅し、例えば14ビツト程度のＡ／Ｄコンバータ
を用いてデイジタル信号に変換し、最大値を検出
する。

第６図の最大値検出手段として上述の最大値の
検出方法に加え、以下に示す条件を付加すること
により、更に信頼度の高い最大値検出が可能とな
る。第７図は被測定物体からＡ点までの距離ΔＺ
とＩ／I₀の関係を比較的広い範囲について示した
ものである。ΔＺ＝０以外の点にも多数極大値が
存在するため、ΔＺを変化させ最大値を検出して
いつた場合、設定したΔＺの変化範囲にΔＺ＝０
が存在しない事が発生すると、この範囲内での最
大値を被測定物体表面とＡ点が一致した点である
と判断してしまう。ところが被測定物体表面上に
Ａ点が有る場合には、撮像レンズ透過光の大略半
分以上は検出遮光板上の開口上に来るためＩ／I₀
が一定の閾値Ｔ以上にある時にのみＡ点が物体表
面にあると判定することが可能である。この条件
を入れれば上述のような極大値（擬似最大値）を
誤つて最大値と検出することなく、信頼性の高い
立体形状測定が可能となる。

第８図は本発明の一実施例であり、第４図と同
一番号は同一物を表わしている。第８図は第４図
で示した全体の光学系の一部分のみを示し、他の
部分は省略されている。第４図の実施例と異なる
点は半透鏡８５で反射された光の一部を半透鏡８
６で一部反射し、全光量検出器６６で受光し、こ
の増幅信号I₀を逆比例信号発生回路１６に入力し
I₀に逆比例する信号で照射光量変化手段１１を駆
動しフイードバツク制御を行なう。このようにす
れば撮像レンズに受光される全光量が常に一定に
なるようにでき、検出遮光板５の透過光の最大値
の真の最大値とすることにより測定の精度を高め
ることができる。

第１図、第３図、第４図に示した実施例で、例
えば5mW程度のHe―Neレーザを用いて研削面や
サンドシートで加工された面の立体形状を測定す
る場合、ΘとΦの二等分方向とαが30度以上角度
をなし、撮像光学系の実効的開口比が５〜10程度
であるとＩの最大値は数＋nWとなる。従つて本
装置を普通の明るさの部屋で用いると、室内の光
が被測定物体に当り、その反射光が撮像光学系に
入射し、測定に影響を及ぼす。そこでレーザを用
いる場合には、レーザの波長のみを選択的に透過
するフイルタを開口透過光検知器６、光位置検出
器６５および全光量検出手段で用いる検知器（第
４図の場合６５）の前面に設置すれば上記の雑音
光のほとんどを遮光することができ、精度の高い
測定を行なうことが可能となる。

第１図、第３図、第４図の実施例において一定
開口を有する検出遮光板を用い、その透過光を光
検出器で受光したが、本発明の目的を達成するに
は、上記の開口寸法と一致する微小な有効受光面
を有する検知器をＡ点の結像位置に配置してもよ
い。但しこの場合には装置光学系内にある迷光を
受光することになり、雑音成分が多くなることは
避けられない。第１図、第３図、第４図の検出遮
光板上の開口は円形、橢円形に近い形状、もしく
はスリツト状にするが、橢円又はスリツトを用い
る場合には開口の短い幅の方向が、Ａ点と被測定
物体のずれに伴ない生ずる被測定物体からの反射
光の検出遮光板上の位置変化（第１図B′点
C′点）方向と一致するように配置する。またこ
の幅（開口の幅）はＡ点での絞り込み直径に撮像
光学系の結像倍率Ｍを掛けた値の0.5倍以上２倍
以下にすると、正確な最大値検出が行なえる。以
下にその理由を説明する。ΘとΦの二等分線と被
測定物体の測定点における表面の法線αが一致し
ている場合には、Ａ点を中心に照射スポツト径Ｄ
_IのＭ倍が検出遮光板面上の像となる。従つてこ
の場合は開口幅はMD_Iの１倍が最適である。し
かしΘとΦの二等分線とαのなす角度が０度でな
い場合には最適開口幅はこの角度に応じて変る。
ΘとΦのなす角を45度とした場合、ΘとΦの二等
分線とαのなす角が±30度の間で変化すると、開
口幅は0.6倍から1.6倍程度の間に最適値がある。
更に±45度の間で変化させると、0.4倍から2.4倍
程度の間に最適値がある。照射スポツトＡの径Ｄ
_I内で一定強度分布をもつレーザビームを照射し
ても被測定物体表面のこのスポツト径内の凹凸に
より、結像されるスポツト径内は場所によるばら
つきの大きな強度分布を持つ。従つてスリツト幅
を結像スポツト径よりあまり細くすると、この分
布の影響を大きく受け、正確な検出ができなくな
るし、又逆にスリツト幅を結像スポツト径よりあ
まり広くすると、Ａ点の被測定物体表面からのわ
ずかなずれに対し、最大値が鋭い変化で検出でき
なくなり、やはり正確な測定を行う上で望ましく
ない。従つて上述の範囲にスリツト幅を設定する
ことが望ましい。

以上実施例により詳細に説明したごとく、本発
明によれば、非接触で、広範囲、高精度で、しか
も従来の光学的方法に比べ被測定物体の反射特性
の影響を受けにくい安定な立体形状の測定が可能
となる。具体的には、200mm以上の被測定物体を
0.02mm程度の精度で測定することが可能である。
又測定時間についても接触法等に比べ一桁近く速
く測定可能となり効果は大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例図、第２図は本発明
の検出方式の検出遮光板透過光がＡ点と被測定物
体表面とのずれにより変化する様子を実験データ
として示した図、第３図は反射鏡を用いてＡ点を
変化せしめる本発明の一実施例図、第４図は光位
置検出器を用いる本発明の一実施例図、第５図は
第４図の光位置検出器がＡ点と被測定物体表面と
のずれによりどのように変化するかを示した図、
第６図は検出制御回路の構成を示す本発明の一実
施例図、第７図は被測定物体面とＡ点とのずれに
応じた開口透過光の撮像レンズ透過光に対する相
対値変化を示す図、第８図は本発明の他の実施例
図である。 １……レーザ光源、２……光ビーム集光照射
系、４……撮像光学系、５……検出遮光板、６…
…開口透過光検出器、７……被測定物体、３０…
…検出位置変化手段、６５……光位置検出器、３
００……検出制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 被測定物体上に一定の角度Θで光を照射し、
   且つ該照射光の光軸の一点Ａで所望の最小絞り込
   み直径にならしめる光ビーム集光照射系と、該角
   度Θとは異なる角度Φを光軸とし、この光軸上に
   該Ａ点を含み、且つＡ点を実効的に一定開口を有
   する検出遮光板上の当該開口上に結像する手段を
   具備した撮像光学系と、該開口からの透過光を検
   出する開口透過光検知手段と、該被測定物体とＡ
   点との相対位置を変化せしめる検出位置変化手段
   と、該開口透過光検知手段によつて検知された受
   光信号の最大値近傍を検出する最大値検出手段と
   を有し、該最大値検出手段による最大値検出時
   の、該検出位置変化手段により生じた検出位置変
   化量を、被測定物体表面の複数点について順次測
   定し、立体形状を測定するようにしたことを特徴
   とする立体形状測定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の検出位置変化手
   段は、光ビーム集光照射系および撮像光学系に挿
   入された可動ミラーを用いて、Ａ点の撮像光学系
   による結像位置が開口と常に一致せしめるように
   していることを特徴とする立体形状測定装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の可動ミラーは、
   同一の駆動テーブル上に設置されていることを特
   徴とする立体形状測定装置。 ４ 撮像光学系と検出遮光板の間に、光路２分器
   を挿入し、当該光路２分器で分離された一方の光
   路に該検出遮光板を、他方の光路に光位置検出手
   段を、それぞれＡ点の撮像光学系による結像面に
   配置し、当該光位置検出手段の信号を用いて検出
   位置変化手段を駆動し、被測定物体表面とＡ点と
   の距離が短縮するごとく制御するようにしたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の立体形
   状測定装置。 ５ 撮像光学系を通過する撮像光の全光量値を検
   出する全光量検出手段を有し、最大値検出手段
   は、全光量検出手段によつて検出された全光量値
   で、開口透過光検知手段の検知信号を割算し、こ
   の最大値を真の最大値とするようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の立体形状測
   定装置。 ６ 光ビーム集光照射系の光源の光量を実効的に
   変化せしめる光量可変手段と撮像光学系を通過す
   る撮像光の全光量値を検出する全光量検出手段を
   有し、該全光量検出手段で検出された全光量値に
   ほぼ逆比例するごとく該光源の光量を実効的に変
   化せしめて、該全光量値をほぼ一定となるように
   制御することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の立体形状測定装置。 ７ 光ビーム集光照射系の光源としてスペクトル
   幅の狭い光源を用い、開口透過光検知手段の前面
   に、該光源と同一スペクトル光を選択的に透過せ
   しめるフイルタを設置したことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の立体形状測定装置。 ８ 光ビーム集光照射系の光源としてスペクトル
   幅の狭い光源を用い、光位置検出手段の前面に、
   該光源と同一スペクトル光を選択的に透過せしめ
   るフイルタを設置したことを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の立体形状測定装置。 ９ 光ビーム集光照射系の光源としてスペクトル
   幅の狭い光源を用い、全光量検出手段の全面に、
   該光源と同一スペクトル光を選択的に透過せしめ
   るフイルタを設置したことを特徴とする特許請求
   の範囲第５項および第６項記載の立体形状測定装
   置。 １０ 特許請求の範囲第１項記載の立体形状測定
   装置において、検出遮光板の開口の幅を、Ａ点で
   の最小絞り込み直径に撮像光学系の結像倍率を掛
   けた値の0.5倍以上２倍以下にしたことを特徴と
   する立体形状測定装置。 １１ 特許請求の範囲第１項記載の立体形状測定
   装置において、最大値検出手段として、開口透過
   光検知手段の受光信号をデイジタル信号に変換
   し、被測定物体とＡ点との相対位置変化に応じ
   た、該デイジタル信号の変化から最大値を検出す
   る回路手段を具備していることを特徴とする立体
   形状測定装置。 １２ 特許請求の範囲第５項記載の立体形状測定
   装置において、全光量検出手段で得られた光量値
   をデイジタル信号に変換し、かつ上記開口透過光
   検知手段の受光信号をデイジタル信号に変換し、
   後者のデイジタル信号を前者のデイジタル信号で
   デイジタル的に割り算し、最大値を求めることを
   特徴とする立体形状測定装置。 １３ 特許請求の範囲第５項記載の立体形状測定
   装置において、最大値検出手段は、開口透過光検
   知手段で検出された信号値を全光量検知手段で検
   出された上記全光量値で割つた値（Ｉ／I₀）が一
   定閾値以上であり、かつ当該値（Ｉ／I₀）が最大
   値となる場合を真の最大値とすることを特徴とす
   る立体形状測定装置。