JPS63309809A

JPS63309809A - 非接触光学的距離検出プロ−ブの構成

Info

Publication number: JPS63309809A
Application number: JP14591687A
Authority: JP
Inventors: Masanori Idesawa; 正徳出澤
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1987-06-11
Filing date: 1987-06-11
Publication date: 1988-12-16
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPH0690031B2

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、光学的な非接触距離検出器の構成に係わり、
特に、３次元形状計測機器用の小型、軽量で物体の縁や
穴の計測、表面の追跡などに適した非接触光学的距離検
出プローブの構成に関する。

（従来技術）３次元形状計測機器用の計測プローブとしては、機械的
な接触型のものが広く用いられている。接触法では変形
してしまうような対象物の計測あるいは計測速度の向上
のため、対象物上に光ビームを投射し、輝点を生成し、
その像位置を検出し、３角測量の原理に基づいて、光ビ
ーム投射方向の距離を検出する光学的なプローブ触針の
開発が試みられている。

第５図にこの従来の一般的な光学的なプローブの構造の
概念図を示す。この従来の一般的な光学的非接触プロー
ブでは、光ビーム投射手段Ｂ、からの光ビーム已により
物体Ｏ上に生成された輝点Ｔの像位置を標点方位検出手
段り、内の像位置検出素子Ｓで検出し、３角測量の原理
により光ビームＢ投射方向に対する距離が１点ずつ検出
できる。

面の形状の計測や稜線などの検出に際しては、このプロ
ーブを機械的に移動し、１点ずつ対応した距離を検出す
る操作を多数回繰り返すことが必要とされ、特に、稜線
や縁（段差部分）の追跡などに際しては、計測速度が著
しく低下する。これを改善するために第６図にその概念
図を示した光切断法に基づいた非接触プローブが考案さ
れている。

光ビームの代わりにスリット光投射手段ＢＬＰにより帯
状光Ｂｔ　を投射し、物体０上に輝線ＴＬを生成し、そ
の輝線の像を標点方位検出手段り、内の画像検出素子Ｓ
、で検出して、３測量の原理により輝線に沿った点の距
離を取得できる。従って、稜線や段差部を交差するよう
に帯状光を投射して計測することにより、これをプロー
ブの機械的移動なしに容易に検出できるので、計測速度
の向上が図れる。ところが、稜線や段差の方向が変化す
ると、それに応じてプローブを機械的に回転することが
必要になる。また、輝線像の検出には、２次元的な画像
検出素子が必要とされ、一般に、２次元的な画像検出素
子の像位置検出精度は１次元的な画像検出素子のそれに
比べて数倍（４〜５倍程度）低いので距離検出精度を充
分に高められない。点計測のものに比べて、計測速度は
高給られているものの、まだ改善が不充分である。

（発明が解決しようとする問題点）上述した様に点計測型の光学的距離検出プローブは、１
点毎にプローブを機械的に移動することが必要とされ、
計測速度の向上、物体の稜線や縁、穴の外形などの検出
は困難である。

また、帯状光を用いる従来からの光切断法によるもので
は、上述したように装置の小型、軽量化が不十分である
こと、また、スリット像検出に用いる２次元画像検出素
子の分解能が低いため検出精度を高めることが困難であ
ること、更に、スリット光と交差する物体の縁や稜線な
どの検出は容易であるが、はぼ平行な物体の縁や稜線な
どの検出は困難であり、スリット光がこれら縁、稜線、
穴の外形などにほぼ垂直となるように機械的に装置を回
転することが必要とされた。

（問題点を解決するための手段）上記の問題点を解決するために、本発明においては、光
ビームを特定の２種以上の方向に、あるいは、２次元的
に偏向走査して物体表面上に投射し、物体表面上に輝点
を生成し、対象物と１次元標点方位検出器との間に配置
された鏡によって形成される輝点の鏡像を２次元像位置
検出素子よりも像位置検出精度の高い１次元像位置検出
素子を用いて構成された複数の１次元標点方位検出器を
用い検出し、対象物表面に生成された輝点の３次元的位
置を確定するようにしたことを特徴とする。

（作用および効果）対象物と１次元標点方位検出器との間に配置した鏡によ
り、あたかも１次元標点方位検出器がこの鏡に対して鏡
像の関係となる位置に配置されているのと同様の効果が
得られる。従って、３角測量における等偏向な基線長よ
りも、装置の幅を著しく狭くでき、装置全体を小型、軽
量化できる。

光ビームの偏向走査により、距離検出器の機械的移動な
しに一定領域内についての距離を検出可能となる。

従って、３次元形状計測機用の非接触プローブとして用
いる場合には、プローブの機械的移動を最小限にとどめ
、計測速度の向上を図れる。また、対象物の稜線、縁、
穴の外形などの検出が容易となり、従来の点計測用プロ
ーブでは実質上実現できなかった、稜線、縁、穴の外形
の追跡、物体表面の追跡などの自動化を容易ならしむる
。

像位置検出素子として１次元の像位置検出素子を使用し
た１次元標点方位検出器の採用により検出精度を向上で
きる。

（実施例）上記の欠点を改善し、更に性能を向上させようとするの
が本発明であり、第１ａ図および第１ｂ図に本発明に基
づいて構成した、非接触光学的距離検出プローブの概念
図を示した。装置の軸上に配置された光ビーム偏向投射
手段Ｂ、により対象表面上に光ビームＢが投射され、輝
点Ｔ　（Ｔ’　）が生成される。この光ビーム偏向投射
手段Ｂ、は光ビームを距離検出空間Ｒｓの全域を偏向走
査できるように構成される。輝点Ｔ　（Ｔ’　）からの
光は、装置軸の周囲に軸方向を向けて配置された鏡Ｍ１
、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４によって反射された後、光ビーム偏
向投射手段の周囲に配置されたそれぞれの鏡に対応した
１次元線点方位検出器ＤＳＩｓ　ＤＳ２、Ｄ　Ｓ　３、
ＤＳ４に入射し、１次元像位置検出素子Ｓにより、輝点
の像Ｉ（Ｉ’）の位置が検出される。

光ビーム偏向手段Ｂ、の周囲に配置された１次元線点方
位検出器は、あたかもそれが対応する鏡に対して鏡像の
関係にある位置に配置された仮想的な１次元線点方位検
出器Ｄ　＆　ｌ　Ｖ　％　Ｄ　”ａ　２　Ｖ　％　Ｄ　
Ｓ　３　Ｖ　％Ｄ　ｓ　４　ｖ　によって輝点Ｉ、　（
ＩＶ’　）を観測したのと全く同じ結像関係となり、結
局、これらの仮想１次元線点方位検出器による３角測量
を行っていることと全く等価となる。鏡Ｍ１、Ｍ２、Ｍ
３、Ｍ４　　により、これらの仮想１次元線点方位検出
器が、内側へ折り畳まれていることになり、３角測量の
等偏向基線長に対し、装置の幅を著しく狭くでき、非接
触光学的距離検出プローブの小型化に極めて有効である
。

本発明による非接触光学的距離検出プローブに用いる光
ビーム偏向投射手段の光ビームの偏向走査様式の典型的
なものを第２ａ図、第２ｂ図および第２Ｃ図に示した。

第２ａ図は、光ビームを十字状に走査するように構成し
たもので、レーザー光Ｂを光偏向器Ｂ５、（回転ミラー
、振動ミラーや超音波偏向器など）でＸ方向あるいはＸ
方向へと偏向して実現できる。この図でＬｆ　は、光学
系の軸に対して角度を持ち遠ざかる方向へ向かう光ビー
ムを光学系の軸に平行な方向へと投射されるようにする
ためのレンズである。光ビームの投射方向が光学系の軸
に対して角度を有しても支障はないが、物体に対する照
明の条件が一定となるので、光学系の軸に平行な方向へ
投射するほうがより望ましい。第２ｂ図は、光源として
、発光ダイオード・アレイのように輝点を走査できる光
源Ｅ、を用い、それにより１次元的走査を行い、その輝
点をイメージローチーターなどを含んだ投影手段Ｒ７に
より回転投射し、輝点の走査方向（角度）θを光学系の
軸を中心にして回転し、任意の方向の線走査ができるよ
うに構成したものである。走査方向の回転は、イメージ
ローテーションプリズム等の回転で行うとか、光源自体
を回転したり、あるいは光源に陰極線管や電子ビームに
よる発光制御のできるレーザーダイオードアレイを用い
て、電子ビームの走査方向を変化することによって行う
などの方法でも実現できる。第２ｃ図は、光ビームＢを
２次元的偏向手段（回転、振動ミラー、超音波偏向素子
など）Ｂ、２により、２次元的に走査する型のものであ
る。光源として、前述の第２ｂ図と同様、２次元的発光
ダイオードアレイ、陰極線によるものを用い、それを投
影する型のものも考えられる。第２ｂ図および第２ｃ図
のいずれの場合についても、第２ａ図の場合と同様、光
ビームＢの投射方向が、光学系の軸に平行とする手段を
組み合わせることが可能であり、その方が、照明条件を
一定にできるのでより望ましい。第２０図の２次元的に
自由に任意の位置へ光ビームを投射できるものが、もっ
とも柔軟性に富んだ計測を可能とするが、３次元形状計
測機用の距離検出プローブとしては、第２ａ図の２方向
（十字）走査あるいは、第２ｂ図の線走査の回転で十分
である。

すなわち、段差や稜線の追跡、穴の計測などにおいても
、その方向が変化しても、十字方向走査あるいは、線走
査と回転であれば充分に対応できる。

第３図は、本発明に使用する１次元線点方位検出器の構
成例である。円筒レンズＬと１次元像位置検出素子Ｓと
の組み合わせで構成されている。

円筒レンズＬにより輝点Ｔは、線像■として投影される
。この線像の位置を１次元像位置検出素子Ｓにより検出
することにより、輝点の存在する平面の角度θを確定で
きる。従って、この１次元線点方位検出器を３個以上用
いれば、それぞれで限定される平面の交点として輝点の
３次元位置を確定できる。もし、光ビーム投射方法が既
知であれば、１次元線点方位検出器で規定される平面と
、ビーム投射方向を示す直線の交点として、輝点の３次
元位置を確定できる。位置検出精度の高い１次元像位置
検出素子を用いることにより、２次元的なものに比べ検
出精度を向上できる。

第４ａ図および第４ｂ図は、本発明に用いる１次元標点
方位検出器を小型、軽量に構成するための光学系の構成
法である。円筒レンズＬと１次元像位置検出素子Ｓとの
間に向かい合わせに２枚の鏡Ｍ、、　Ｍ、が配置された
構造となっている。通常の構成（第３図の構成）では、
輝点Ｔが第４ａ図右よび第４ｂ図のｙ方向に移動すると
、線像Ｉｖが１次元像位置検出素子Ｓから外れ、検出不
能となることが生じ、これを回避するには、円筒レンズ
Ｌの幅を広くすることが必要とされ、１次元標点方位検
出器が大きくなってしまうよう欠点があった。第４ａ図
および第４ｂ図の構成とすることにより、円筒レンズＬ
に入射した光は、鏡Ｍ　＋　、　Ｍ　２で反射を繰り返
し、像位置検出素子Ｓ上に投射されるように構成されて
いるので、事実上、ｙ方向の検出可能範囲の制限がなく
なり、−次元標点方位検出器の幅を著しく狭くできる。

この方式の１次元標点方位検出器を採用することにより
、本発明に基づく非接触光学的距離検出プローブの一層
の小型、軽量化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図および第１ｂ図はそれぞれ本発明に基づいた光
学的非接触プローブの一実施例の側面図および平面図、第２ａ図、第２ｂ図および第２Ｃ図はそれぞれは本発明
において用いる光ビーム偏向走査様式の例を示す概念図
、第３図は本発明で言う１次元標点方位検出器の円筒レン
ズと１次元像位置検出素子による構成例の概念図、第４ａ図および第４ｂ図はそれぞれ平行鏡光学系による
１次元標点方位検出器を小型化する光学系構成の斜視図
および側面図、第５図は従来の一般的な光学的非接触プローブの概念図
、および第６図は従来の光切断法による光学的非接触プローブの
概念図。（符号の説明）Ｂ、・・・光ビーム投射手段、　Ｂ・・・光ビーム、Ｔ
、Ｔ’・・・輝点、　　　　０．０′・・・物体、Ｄ、
・・・標点方位検出手段、Ｓ・・・像位置検出素子、　　■、■′・・・輝点の像
、Ｅ３ｔｐ・・・スリット光投射手段、Ｂｔ　・・・スリット光、　Ｔ、・・・輝点、Ｄｌ　・
・・画像検出手段、　ＳＩ　・・・画像検出素子、■、
・・・輝線の像、Ｂ、・・・光ビーム偏向走査手段、Ｄ
ＳＩ、　　ＤＳ２．　　ＤＳ３１　　ＤＳ４−１次元標
点方位検出手段、Ｄｓ＋ｖ＋　　ＤＳ２Ｖ＋　　ＤＳ３ＶＩ　　ＤＳ４Ｖ
　−仮想１次元標点方位検出手段、Ｓ、・・・仮想像位置検出素子、Ｉｖ、　　Ｉｖ　’・・・輝点の仮想像、Ｒ３・・・検
出空間、Ｍｌ、　Ｍ２．　Ｍ、＋、　Ｍ−、・・・平面
鏡、Ｌｆ・・・レンズ、Ｂ　Ｓ　Ｉ・・・光ビーム偏向
投射手段、Ｅ、・・・発光ダイオードアレイ、Ｒ１・・・イメージ回転投影手段、Ｂ１０・・・光ビーム２次元的偏向投射手段。第５図Ｉ

Claims

【特許請求の範囲】

物体表面上を輝点で走査するための光ビーム偏向投射手
段、光ビーム投射により物体表面上に生成された輝点か
らの光を折り返し反射する鏡面、およびこの鏡面に反射
された光が入射する１次元標点方位検出手段を設けたこ
とを特徴とする非接触光学的距離検出プローブの構成。