JPS63187103A - 三次元形状の非接触計測方法 - Google Patents

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〕 本発明は三次元形状の非接触計測方法に係り、特に光点
位置検出センサを用いて物体形状の四部を計測するのに
好適な非接触計測方法に関するものである。

〔従来の技術〕

呪在、機械部品等の寸法計１１１１には触針式の三次元
計測器が用いられているが５面の傾斜に対して触針ｆ−
径の補正が必要になるため、自由曲面の計測に適用しに
くいこと１ｇＡ定物に変形や傷を与える恐れがあること
及び計測の高速化がはかりにくいなどの問題点があり、
近年、この触針その代りに光を照射し、非接触で物体ま
での距離を計測する光点位置検出センサを用いた三次元
計測器が開発されている。

この光点位に検出センサを用いた三次元計８１１器では
、センサを三次元的に駆動する機構の他に。

センサに計？１８ａｒ能な角度範囲があるため、計開面
に対してセンサを適当な姿勢にする角度変化機構が必要
であるが、計測精度は物体形状とこの角度変化機構によ
るセンサ姿勢の関係に大きく左右されるところがある。

センサの姿勢制御の方法については、特開昭６０−２０
５３０６号公報に記載しであるように、接触式三次元測
定器との比較において、計測面法線方向から計測するよ
うにセンサの姿勢を制御することが示しであるが、光点
位が検出センサの特有の現象。

例えば、凹形状物体の計測においては、センサから物体
に照射された光が反射されて直接センサに戻ってくる光
路（以下主光路と称す）の他に凹形状内で二次反射して
戻ってくる光路（以下副光路と祢す）が形成されるため
、これがノイズとなり。

計測精度が悪くなるという問題についての解決策につい
てはふれていなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記した従来技術による計測方法は、光点位ｎ検出セン
サの特有の現象１例えば、凹形状計測時の副光路が形成
される点についての解決策の配慮がされておらず、門形
状計測時計測誤差が大きくなるという問題があった。こ
こに、第８図を用いて光点位α検出センサによる門形状
計測時において計測！！％差が大きくなる原因について
説明する。

第８図は光点位置検出センサによる凹形状計測時の光路
を示したものであるが、凹形状計測では照射光軸８から
の光が計測点Ｐで反射し、直接光点位ｎ検出センサ１に
戻ってくる主光路９ａの他に一度計測点Ｐで反射した光
がさらに近傍の而Ｑで二次反射して戻ってくる副光路９
ｂが形成される。

この副光路９ｂは、主光路９ａを含む平面Ｒ内に形成さ
れるので、受光ｍ１ｌｌ上にはａ、ｂ点の２つの光点が
生じ、結果として受光位置は両者の合成となり、点Ｐま
での正しい計測値が得られなくなる。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をおぎない、
光点位置検出センサを用いた非接勉形状計開装灯におい
て、凹形状等のいかなる形状の測定物体の計測に対して
も高精度の計測結果を得ることができる三次元形状の非
接触計測方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために１本発明では、光点位置検出
センサを取り付け、その照射姿勢を変化させる角度変化
４！ｌ構を、上記光点位ｎ検出センサの照射光軸に直角
で、かつ、照射光軸と受光光軸を含む平面内にある第１
の回転軸とこの第１の回転軸と照射光軸の交点を通り、
かつ、これら二軸に直角な第２の回転軸の二軸で構成し
、これら２軸をそれぞれ回転可能なように構成して、凹
形状計測定鋳においては、上記第１．第２の回転軸を回
転駆動制御することにより、照射光軸と受光光軸を含む
面が凹形状の部位の溝方向と平行となる場合は、この溝
内の測定点に対してほぼ照射光軸が鉛直となるようにし
て、また、照射光軸と受光光軸を含む面が凹形状部位の
溝方向と直角方向（断面方向）となる場合においては、
溝内の計測点の垂線に対して受光光軸側に照射光軸が来
るようにしてそれぞれ計測するようにした。

Ｃ作用〕 角度変化機構の軸構成を光点位置検出センサの照射光軸
に直角で、かつ、照射光軸と受光光軸を含む平面内にあ
る回転軸と照射光軸の交点を通り。

これら二軸に直角な回転軸の二軸で構成することにより
、光点位置検出センサの照射光軸は、いかなるセンサ姿
勢に対しても２軸を中心として各軸間のオフセット（ず
れ）を生じなくなり１以上の計測方法の実行を可能なら
しめる。すなわち、計測方法として光点位置センサの姿
勢をその照射光軸を受光光軸を含む面が凹形状の部位の
溝方向と平行となり、かつ、溝内の計測点に対してほぼ
鉛直となるように角度変化機構を駆動制御する。これに
より、計測時の主光路を含む平面は凹形状の溝方向と平
行となるが、副光路を含む平面は、凹形状の溝の方向と
垂直になるため、副光路は光点位置検出センサ受光器に
受光されることがない。

また、光点位置検出センサの照射光軸と受光光軸を含む
而が、凹形状部位の溝方向と直角方向（断面方向）にあ
る場合においては、光貞位置検出センサの姿勢を溝内の
計測点の垂線に対して受光光軸側に照射光軸がくるよう
に角度変化機構を駆動制御する。これにより、副光路は
、光点位置検出センサ受光器外に形成される。

したがって、上記方法で凹形状部位の計測を行えば、副
光路の形成による影響を受けず高精度に凹形状の計測が
できる。

〔実施例〕

以下本発明の方法の一実施例を第１図〜第７図を用いて
詳細に説明する。

第１図は本発明の対象となる非接触形状計測装置の斜視
図である。第１図において、１は光点位置検出センサ、
２は本発明を実行するのに必須の角度変化機構、３は三
次元駆動機構で、図示しない３個のモータによりＸ、Ｙ
、Ｚ方向に移動される。このうち、Ｘ方向は測定物体を
乗せる移動テーブル４が移動する。

５は測定物体であり、形状計測は光点位置検出センサ１
を三次元駆動機構３により測定物体５のまわりに三次元
的（図中のＸ、Ｙ、Ｚ＠力方向に移動させるとともに、
角度変化機構２により測定物体５の形状に応じてその照
射姿勢を変化させて行う。

第２図は第１図の光点位置検出センサ１の計測原理図で
ある。レーザ光等の照射光は、光源６より照射され、レ
ンズ７を通って照射光軸８上を進み、測定物体５の表面
上のＰ点を照射する。Ｐ点からの乱反射光は、照射光軸
８と角度γをなす受光光軸９上に配置された受光レンズ
１０により集光され、受光器１１により検出される。計
測の原理は、　２１１１定物体５と光点位置検出センサ
１との距離が変化すると、受光器１１の受光面に入射す
る反射光の位置が変化するので、この変化を電気的に検
出することによっている。ただし、受光器１１の受光面
の大きさ等の制約から距離りの測定範囲には制限があり
、第２図において、Ｐ′からＰ＃の間（距離りはＬ　ｓ
ｉｎ≦Ｌ≦１−ａｘ）がその範囲となる。

第３図は第１図の角度変化機構２の構成説明図である。

第３図において、角度変化機構２は、光魚位随検出セン
サｌを光点位置検出センサ１の照射光軸８に直角で、か
つ、照射光軸８と受光光軸９を含む平面Ｒ内にある回転
軸ξに取り付け、また、回転軸ξと照射光軸８の交点を
通り、かつ。

これと直角となる回転軸θを有するように構成されてい
る。それぞれの回転にはモータ１２，１．３を取り付け
１回転可能なように構成しである。また、回転軸θは第
１図の三次元駆動機構３のＺ軸に一致するように構成し
である。このように構成することにより、光点位置検出
センサｌの照射光軸８は、以下に説明する本発明に係る
計測方法のいかなるセンサ姿勢に対しても、Ｚ軸を中心
として各軸間のオフセットなしに回転することができる
ようになる。すなわち、任意の光点位置検出センサ１の
姿勢に対して区頓と照射光軸８はずれを生じないで計測
■ｆ能となる。

次に、上記の如く角度変化機構２を構成した場合の門形
状の測定物体５を例にとり計測方法を説明する。いま、
第４図に示すように、測定物体５の凹形状の断面ｍ　−
ｍを計測するものとすると、計測動作を次のようにする
。

（１）第１図に示すように、凹形状部を上面にして測定
物体５を三次元駆動機構３の移動テーブル４上に設置す
る。

（２）第４図に示すように、断面ｍ−ｍの計測点Ｐでの
面法線方向の角度ξ及び凹形状の溝方向の角度θを演算
制御機構により計算するかあるいは人為的に決定し、以
上を断面ｍｍ内のすべての計測点について実施する。

上記によって求まった角度ξ、０をそれぞれ角度変化機
構２の回転軸ξ及び回転軸θの回転角とし、光点位置検
出センサ１の照射光が計測点を照射するように角度変化
機構２及び三次元駆動機構３を駆動させて断面ｍ−ｍの
計測を行う。

この場合、三次元駆動機構３及び角度変化機構２は、光
点位置検出センサ１の姿勢をその照射光軸８と受光光軸
９を含む面Ｒが凹形状の部位の溝方向に対し平行となる
ようにし、かつ、溝内の計測点に対してほぼ鉛直となる
ように駆動制御して門形状の計測を行う。

また、第４図に示す測定物体５の凹形状の断面ｎ−ｎの
測定のように光点位置検出センサ１の照射光軸８と受光
光軸９を含む而Ｒが凹形状部位の溝方向と直角方向にあ
る場合については、計測動作は次のようになる。

（イ）第５図に示すように、断面ｎ　−ｎの計８ＦＩ点
Ｐを面法線方向から計測するための角度θから受光光軸
９側に照射光軸８がθ′だけ来るようにした計測角度θ
１を演算制御機構により計算するか、人為的に決定し、
以上を断面ｎ　−ｎ内のすべての計測点について実施す
る。

（ロ）上記により求まった角度θ′を角度変化機構２の
回転軸θの回転用とし、光点位置検出センサ１の照射光
が計測点を照射するように角度変化機構２及び三次元駆
動機構３を駆動させて断面ｎ−ｎの計測を行う。

この場合、三次元駆動機構３及び角度変化機構２は、光
点位置検出センサ１の姿勢が溝内にある計測点の垂線に
対して受光光軸９側に照射光軸８がくるように駆動制御
して計測を行う。

第６図は凹形状を従来の計測方法によって計測した結果
を示す図で、第７図は本発明の方法の実施例によって計
測した結果を示す。これらより本発明の方法の実施例に
よれば、測定物体の門形状を高精度に計測できることが
わかる。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、８１ｇ定物体の
凹形状め計測において、凹形状による照射光の副光路が
光点位置検出センサに受光されないため、計測精度の向
上がはかれるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の三次元形状の非接触計測方法の一実施
例を説明するための非接触形状計測装置の一例を示す斜
視図、第２図は第１図の光点位置検出センサの測定原理
図、第３図は第１図の角度変化機構の構成説明図、第４
図、第５図はそれぞれ凹形状を有する測定物体及びその
計測方法を示す図、第６図は凹形状の従来の計測方法に
よる計測結果を示す図、第７図は凹形状の本発明の計測
方法の一実施例による計測結果を示す図、第８図は光点
位置検出センサの凹形状測定時の計測誤差を生ずる原因
を説明するための図である。 １・・・光点位置検出センサ、２・・・角度変化機構、
３・・・三次元駆動機構、４・・・移動テーブル、５・
・・測定物体、６・・・光源、７・・・集光レンズ、８
・・・照射光軸、９・・・受光光軸、１０・・・受光レ
ンズ、１１・・・受光器、１２．１３・・・モータ。 １１−−一使先呑 率４図 もＳ口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、光を物体に照射しその乱反射光を受光して前記物体
   との距離を測定する光点位置検出センサと、該光点位置
   検出センサの照射角度を変化させる角度変化機構と、該
   角度変化機構を取り付け、前記光点位置検出センサを三
   次元的に駆動する三次元駆動機構と、前記光点位置検出
   センサによる距離の測定値と前記光点位置検出センサの
   照射角度及び前記三次元駆動機構の駆動量により光を照
   射された点の座標を演算するとともに前記角度変化機構
   及び前記三次元駆動機構の動作を制御する演算制御機構
   とを備え、前記角度変化機構を、前記光点位置検出セン
   サの照射光軸に直角で、かつ、前記照射光軸と受光光軸
   を含む平面内にある第１の回転軸と、該第１の回転軸と
   前記照射光軸の交点を通り前記照射光軸と前記第１の回
   転軸との二軸に直角な第２の回転軸の二軸で構成し、こ
   れら二軸をそれぞれ回転可能なように構成して、前記物
   体の凹形状の部位計測時においては、前記第１、第２の
   回転軸を回転駆動制御することにより前記照射光軸と受
   光光軸を含む面が前記凹形状の部位の溝方向と平行とな
   る場合は、該溝内の測定点に対してほぼ前記照射光軸が
   鉛直となるようにし、前記照射光軸と受光光軸を含む面
   が前記凹形状の部位の溝方向と直角方向にある場合は、
   前記溝内の測定点の垂線に対して前記受光光軸側に前記
   照射光軸が来るようにしてそれぞれ計測するようにする
   ことを特徴とする三次元形状の非接触計測方法。