JPH0543244B2

JPH0543244B2 -

Info

Publication number: JPH0543244B2
Application number: JP61112849A
Authority: JP
Inventors: Tomohiko Akuta
Original assignee: Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
Current assignee: Shingijutsu Kaihatsu Jigyodan
Priority date: 1986-05-17
Filing date: 1986-05-17
Publication date: 1993-07-01
Also published as: JPS62269005A

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組み立
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関する。

〔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、非接触の光電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
ポツトの焦点を合わせる焦点合わせ法、測定面へ
の投光スポツ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
ポグラフイ法、ホログラフイ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。図中、３０は測
定面、３１はレーザ光源、３２は対物レンズ、３
３はハーフミラー、３４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、４
０は倣いヘツドである。

同図Ａにおいて、レーザ光源３１からの光ビー
ムをハーフミラー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、ハーフミラー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の焦点位置にピンホール板３５をセツ
トし、焦点位置を中心に光軸方向に微小振動させ
て通過光を光電センサ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Ｂ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れると、光電
センサ出力は、Ｘ＞０（前方向移動）のときピン
ホールの振動波形と同相、同一周波数となり、Ｘ
＜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。したがつて、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＜０、Ｘ
＝０、Ｘ＞０に応じて正、０、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
て倣いヘツド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、倣いヘツドの移動量により
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、その拡散光をレンズ５４により
結像面５５上に結像する。

いま測定面の投光スポツトが受光軸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、投光スポツ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ツト
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とする
と、実際に光電検出器で検出している量ｌは、対
象物の基準面に対する高さ変化量をZ_i、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。

ｌ＝Z_icosθ (1) 従つて、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量Z_i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
置にコンピユ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、コンピユータによつて対象物の断面形
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
によつて、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提案されている（特開昭60−
196608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、
1μｍ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極めて長時間を要し、コンピ
ユータ制御の自動測定システムによつても測定時
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
スポツ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。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cosθは１より小さい値であるから、常にＺ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つて、サー
ボ機構の応答性により制限されて測定速度が遅
く、また焦点を合わせるための構造が複雑になつ
てしまう欠点がある。また、光波干渉法、モアレ
トポグラフイ法、ホログラフイ法などの波動光学
的な方法の中には0.1μｍ以内の高分解能のものが
あるが、装置が複雑・高価で、また温度・湿度・
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。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、光学装置にコンピユ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、コンピユータによつて
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、対象物の高さ(Z)方向の前範囲を１
個の光電検出器によつ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
査を行うことによつ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ツトの
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ツ
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
行うことによつ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ツトの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ツト
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
示装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つて対象物断面高さ
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
物表面の投光スポツトのＸ軸方向に対する変位
を、対象物表面上の投光スポツトが常に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Ｚ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、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。図中、１は被測定対象物、２は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、１
０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、例えばステツ
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を、光学系
により対象物１上に微小な投光スポツトP_iとして
照射する。サーボ機構５は、投光スポツトP_i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P_i′に一致するよ
うにＺ軸方向に位置制御する機能を持つている。
一次元光電センサ８は、投光スポツトP_iの光学像
のＸ軸方向位置を検出するための例えばデイジタ
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、投光スポツトP_iが正確に光電検出
器６の視野中心位置P_i′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
ポツトP_i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
入力し駆動機構を作動させるためのサーボ制御回
路より構成される。デイジタルコンピユータ等を
利用した処理・記憶装置９は、Ｘ−Ｙステージ２
およびＺ軸サーボ機構５は各変異位の検出値を入
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アクタ演算、Ｘ
−Ｙステージ２の制御機能、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は場合によつ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
プロツタ、プリンタ等の記録器である。

次に動作を説明する。

対象物１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をもつて照射する。
Ｘ−Ｙステージ２は、原点よりＸ座標を一定とし
て順次Ｙ方向にステツプ送りをし、Ｙ送りが所定
範囲に達したら次にＸ方向に１ステツプ送り、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ツトを一般にP_iと
表し、対象物１がない場合Ｘ−Ｙステージ２の上
面に生ずる投光スポツトをP₀とする。光電検出
器６はこれらP₀、P_i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ツトは
P₀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
きその位置を記憶する。Ｙ走査が進んでＸ−Ｙ走
査が任意のステツプ位置に到達したとして、その
時の投光スポツトをP_iとする。光電検出器６はP₀
を基準位置として、これに対するP_iのＸ方向変位
量l_iを検出する。

変位量l_i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Ｚ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、したがつて光ビーム４が上方に平
行に移動し、次第に動作信号及びオフセツト値が
夫々０に近付き投光スポツトP_iは最終的に光電検
出器６の光軸上P_i′に位置するようになつてサー
ボ機構５が整定される。P₀に対応する投光器３
の射出端位置をR₀、同P_i′に対応するそれをR_iと
すると、サーボ機構５の移動量R₀R_iはエンコー
ダなどによつて検出されるが、これはＺ方向と平
行であるから、P₀P_i′即ち光電検出器６の光軸線
上の対象物１のＺ座標値（Z_i）を表す。よつて、
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に入力され、必要によりスケールフアクタ演算
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_i′点の三次元座標値が順次測定される。

x_i＝０、１、２、… y_i＝０、１、２、… z_i＝₀ _i (2) 以上の動作はＸ−Ｙステージの各ステツプ毎に
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の各送りステツプのピツチに応じ
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、光学装置にコンピユ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
タからコンピユータによつ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
送りピツ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ツチで自動的に
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ツプ送り
とした場合について述べたが、連続送りであつて
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ツク信号によつて、所定ピ
ツチでＸ、Ｙ、Ｚ各座標値を処理・記憶装置９に
入力することによつて測定できる。

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、CRT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
などの立体グラフイツ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１１にプロツト
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、この場合投光スポツトP_i
と対物レンズ７との距離が対象物１の高さによつ
て変動するため、一次元光電センサ８上のP_i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１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
設置することによつて常に対物レンズ７と投光ス
ポツトP_i′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Ｚ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つて
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、最も広く用
いられている三角測量方式では、常にＺ座標値を
縮小して検出しており、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Ｚ軸と異なる方向から
照射し、投光スポツトをＺ軸方向から検出し、光
電検出器によつて検出される基準位置P₀に対す
る投光スポツトP_iのＸ方向の変位l_iは、P_i点の高
さをZ_i′とすると、次式で示される。

l_i＝Z_i′／tanθ (3) tanθ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θの値を21°50′にとつ
て製作した装置ではl_iはZ_i′の2.5倍にも達した。
即ち、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Z_iとZ_i′とは一般的に
は値が異なるが、その差（Z_i−Z_i′）はZ_i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
進行に伴つてその差は次第に減少し、最終的な整
定位置ではZ_i′はZ_iと一致する。

実際の測定上はＹ走査の１ステツプごとに1_iが
検出されるので、第１図Ｂに示すように、いま対
象物がl_iの位置にあつた場合に投光スポツトが
P_i′にあつたとし、Ｙ走査１ステツプ後には対象
物が1_i+1の位置に移り投光スポツトがP_i+1に移動
したとすると、光電検出器６はP_i′とP_i+1の高さ
変化分ΔZ_i′を次式の関係で示されるΔl_iとして検
出する。

Δl_i＝ΔZ_i／tanθ (4) サーボ機構５の制御動作は、このP_i+1点を光電
検出器６の光軸上の点P_i+1′に一致させるよう、
即ちΔl_i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_i+1′とP_i′との高さ変化分ΔZは、一般
にはΔZ_i′と僅かながら異なる値をもつが、Δl_iが
０に収斂するに従つてこの間の差も０に近付き、
最終的に次式で示されるようにΔZとΔZ_i′とは一
致する。

lim Δli→０（ΔZ−ΔZ_i′）＝０ (5) 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、オフセツトが残つたままでも座
標測定を行つて、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
ポツト位置P₀に対する任意の投光スポツトP_i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
つてはP_iがP_i′に一致して整定するまでに時間が
かかる場合や、オフセツト値が残る場合がある。
この時の投光スポツト位置をQ_iとすると、光電検
出器６によりP₀に対するQ_iのＸ方向変位量e_i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P₀のＸ座標値（Ｘ−ＹステージのＸ
方向送り量）からe_iだけ減じた値をもつてQ_iのＸ
座標値とする。

x_i＝x₀−e_i… y_i＝０、１、２、… z_i＝₀ _i (6) 以上の動作はＸ−Ｙステージの各ステツプ毎に
繰り返すことによつて、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ツトQ_i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
もつて光ビーム４を照射するため、対象物１の形
状によつては蔭になつて投光スポツトが希望位置
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
つて測定できるが、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
により投光スポツトが検出できない場合はただち
に投光器１２による投光スポツト検出に切り換え
ることによつて、対象物１を回転せずに短時間か
つ精度よく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。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、投光スポツトP_iが常に光電
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
光スポツトP₀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、投光スポツトがP_iとなつた場合、た
だちにサーボ機構５ａによつて光電検出器６の視
野中心をP_i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P₀とP_iのＸ方向の長さをl_iと
すると、次式で表されるようなP_i点の三次元座標
値が順次測定される。

x_i＝x₀−l_i… y_i＝０、１、２、３、… z_i＝l_i・tanθ (7) ただし、x₀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ステージの各ステツプ毎に
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
制御することによつて、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
され光電検出器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つて定
めればよい。

なお、第１図の場合と同様に、光学装置にコン
ピユ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ユータによ
つ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ステージの送りピツチが通常は比較
的粗く、曲率が大きく変化する輪郭、稜線部等は
微細なピツ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ツト値検出
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図でオフセツ
ト値e_i′を光電検出器６によつて検出し、その時
のサーボ５ａの移動量l_i′とからl_i＝l_i′＋e_i′として
l_iを算出し、(5)式によつてP_i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、例えばサーボ機構５
の脱調などにより投光スポツトP_iが主光電検出器
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
ことによつて粗い精度のサーボ制御を行い、まず
投光スポツトP_i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ツト位置を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１を固定することによつ
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Ψ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に角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
えばステツプモータなどによつて駆動するように
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ツプ
モータ１６によつて駆動する回転軸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
ツ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つて、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によつ
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、必要によつては、第４図と第５図の両者
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、
例えばレーザー光をコリメートした細いビームと
したが、投光スポツトをできる限り微小にするた
めに光ビーム４は光学系によつて絞られた円錐状
の光束であつてもよい。この場合、投光器３と対
象物１との距離が変化すると、投光スポツトの大
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つて、投光スポ
ツ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
光スポツトの非対称形状や、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整等の
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P₀点は光電検出器６の視野中心
位置になるように設定して、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
り遥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Ｚ方向またはＸ方
向のサーボ機構変位量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Ｚ方向またはＸ方向のサーボ
機構の変位によつて検出するので在来の最も一般
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適用すること
によつ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つ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……一次元光電センサ、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……ステツプモー
タ。

Claims

【特許請求の範囲】１Ｘ、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
を行うことによつ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ツトの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ツト
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、サーボ機構オフセツ
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、投光スポツトの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前記投光スポツトの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つて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。１０Ｘ、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
査を行うことによつ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ツトの
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ツ
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
ツ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。