JPS60196608A - 三次元形状の自動測定方法 - 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】 本発明は高速性と高精度を両立させた三次元形状の自動
測定方法に関する。

従来、三次元形状を正確に測定覆るには触針式測定機が
実用に供けられている例が多く、分解能１・△ｍＰｉ！
度の高精度が得られるが、接触方式のためにコンピュー
タと連動させても複雑な形状１ｂ大形対象物の全面測定
にはぎわめて長時間を必要とする。一方、光学的な非接
触方式のものとしては、光切断、焦点合せ、三角測量、
稜線測定などの幾何光学的な諸方式が試験的に試みられ
ているが、高速度で走査して測定できる方式のものは精
度が悪く、高精度のものは、言はば光学的な触＆１法と
なるので、測定速度が接触式と同様に遅い。波動光学的
な光波干渉法、モアレトポグラフィ法、ホログラフィ法
などは実験室内での高精度の測定には適りるが、装置が
複雑、高価でかつ操作上困難であったり、温度、２１ｉ
ｉ１度、振動、雰囲気などの影響を受（）易く、一般的
には工業的な測定には適さない。

以上のように現状では、高精度と高速の性能が両立して
いる工業的な三次元形状の測定方法の例は未だ見当らず
、また従来の方法では測定面を走査するには二次元送り
ステージや回転テーブルによっているので、対象物を大
形化することは経済的にも物理的にも制限されて極めて
困難である。

本発明は、三次元形状の自動測定において、光学装置に
］ンビ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、
変曲点近傍の断面高さを特に入念に検出覆ることによっ
て、高精度と高速度測定の性能を兼ねＨａえ、かつ人形
の対象物にも適用される工業的三次元形状の測定１ノ法
を提供することを目的としている。

本発明に係わる三次元形状の自動測定方法の実施例を図
面を参照して説明り−る。

第１図は二次元送りステージ（以下Ｘ−Ｙステージと称
づ゛る）を使用した第１実施例の説明図で、同図（ａ　
）は対象物をＹ８標方向より見た機器配置を示す図、同
図（ｂ）はＸ−Ｙステージ上の対象物の平面図、同図（
Ｃ）は対象物およびＸ−Ｙステージ上への光ビームの投
光スポットの軌跡を示す拡大説明図である。１は三次元
形状を測定すべき対象物である。第１図では二つの自由
曲面と平面である底面とから構成される例を示したが、
一般に平面または曲面の集まりから構成される任意の形
状であってもよい。１′　は底面と」一部曲面との交線
である輪郭線、１りは二つの曲面の交線をなす稜線であ
る。

２はステップモータまたはサーボモータ（図示せず）な
どによって送りねぢ機椛等を介して駆動される公知のＸ
−Ｙステージであり、固定された架台（図示Ｖず）に対
してＸ−Ｙステージ２がＸまたはＹ方向にステップ送り
され、その各方向の送り俗の信号が出力される。３はレ
ーザや発光ダイホードなどにより細い光ビーム４を発生
する投光器で架台（図示せず）に固定されている。５昏
よ光ビーム４のＹ方向走査による対象物１の表面または
Ｘ−Ｙステージ上への投光スポットの軌跡、５　はＹ方
向の粗いステップ送りによる各ステップの投光スポット
、５″は同細かいステップ送りによる各ステップの投光
スポット、６は投光スポットのＸ方向の位置を検出する
光電位置検出器であって架台（図示せず）に固定されて
いる。７は光電位置検出器６の対物レンズ、８は対物レ
ンズ７による投光スポットのＸ方向の光学像位置を検出
するだめの、例えばディジタルの光ダイオードアレイや
アナログの光電位置検出素子などの光電ヒンザである。

なお、ＰＬ　は光ビーム４の投光スポット、Ｐｏ　ば各
Ｙ方向走査の始点であるＸ−Ｙステージ上への投光スポ
ラ１〜を示す。投光器３と光電位置検出器６とはそれぞ
れ架台に固定されているから、Ｘ−Ｙステージ２のＹ方
向の走査を行なってもＸ−Ｙステージ２と共に対象物１
が移動するのみで、投光スポラｌ−Ｐ、；　のＹ方向の
位置は一定である。したがって、光電位置検出器６は投
光スポットＰ、のＸ方向のみの位置を検出づるものであ
り、光電センサ８は一次元の検出素子でよい。９はコン
ピュータで、光電センサ８とＸ−Ｙステージ２とからの
信号および各種設定値等を入力し、各種の演算処理とＸ
−Ｙステージ２を制御Ｉする動作を行なう。９′はコン
ピュータ９の一部である記憶部であり、対象物１の表面
の各点の三次元座標値その他を記憶する。１０は記憶部
９′に記憶された内容を数値または立体図形で表示する
だめの、例えばＣＲＴ方式の表示器であり、１１は記憶
部９′の内容を表示・記録するためのプロッタ・プリン
タ哲の記録器である。

次に本実施例の動作を説明Ｊ−る。

Ｘ−Ｙステージ２上に対象物１を設置し、投光器３を点
灯して、レー１ｆなどの■；い光ビームをＸ−Ｙステー
ジ２の上面と角度Ｏをもって投光する。この際に第１図
（ｂ）に示すようにＸ−Ｙステージ２上の最初の投光ス
ポットの位置Ｑｏ＠Ｘ、Ｙ座標の原点Ｏとし、この位置
からＸ−Ｙステージ２をＹ方向に送り、粗い例えば１ｍ
ｍのステップで高速にて走査し、Ｙ方向の全幅の走査を
終るとＸ−Ｙステージ２をＸ座標方向と逆に移動さけ−
てＸ方向に１ステップ送り、次に図示するようにＹ方向
に逆向きに走査し、同様の矩形波状走査を続ける。この
場合にＸ方向の走査はステップ送りをせずに連続送りと
して矩形波状走査ではなく銅山波状走査としたり、また
は逆向きの走査は全幅を一気に戻し、テレビジョン方式
の帰線走査方式としてもよい。投光スポットを一般的に
Ｐａ　（ｉ　＝０．１．２゜・・・）と表わすとＰＩ、
のＸ方向位置は光電位置検出器６で検出される。Ｘ−Ｙ
ステージ２のＸ方向の送りステップの原点からの値を×
。７とすると、光ビーム４が当初Ｘ−Ｙステージ２の上
面のみを走査して対象物１に投射していない間は、投光
スポットの位置Ｐ。と各直交座標値Ｘ７　、　ｙＩｅ、
　ＺＺ　は次のにうに表わされる。

Ｘ　／、”’　Ｘ　（）が Ｖ６　＝０．１．２．３．　・・・ ｚ、−＝Ｏ Ｙ方向の走査がＸ方向に進行すると、遂に光ビーム４が
対象物１に投射するようになるが、その際の状態を一般
的に第１図（ａ　）に示しである。そして、Ｙ方向の各
走査による対象物１への投光スポットの始点位ｆｆ１Ｐ
。（以下単に始点位置と称す）と対象物１への投光スポ
ットＰｔとはそれぞれ光電位置検出器６によって検出さ
れる。これらの検出値をコンピュータ９に入力して、該
始点位置Ｐ。ど投光スポラｌ−Ｐ、：　とのＸ方向の距
Ｍヱｔを算出する。すなはち該距離、ｆ２＝は光切断法
によって対象物１の断面の高さひあるＺ座標値がＸ方向
に変換されＩζものであり、投光スポットＰ、−の各直
交外４Ｍｌ＋Ｑ　Ｘ、；、／　、）’４７′ｌｌ　は次
のように表わされる。

もし０−４５°なら、ｚｐ　＝ｐ２　となる。

したがって、Ｙ方向の全幅の走査を終ると、次にＸ方向
に１ステップ送って同様のＹ方向高速走査を繰返し、対
象物１の全表面の投光スポットＰ７．の直交座標値が高
速度で（１）式に基づいてコンピュータ９によって算出
され、これらの値は記憶部９′に記憶される。ただし、
投光角度Ｏによっては対象物１の表面に陰になって投光
できない部分を生ずることがあるが、この場合には対象
物１を１８００回転するか、または投光器３をさらに１
台１８００逆向きの方向に設置して対象物１の全表面を
隈なく走査するようにする。

次に、対象物１の輪郭線１′　と、稜線１″の自動検知
機能について説明づる。

上述したＹ方向の粗いステップ、例えば１ｍｍの高速走
査において、各ステップ毎に算出される投光スポットＰ
、と始点位置ＰｏとのＸ方向の距ｌ１１１乏りを利用し
て、さらに各ステップ毎にコンビュータ９によって次の
演障を行なう。

〈２）式によって算出される△乏りの値はＹ方向ステッ
プに対するｐ＝の差分値であり、ムは（１）式より対象
物１断面の７方向高さに比例覆るから、△之の値は各投
光スポットＰｊ、におけるＹ−Ｚ断面形状の勾配を表し
ている。

△２１．．は同様に１．の２階差分値であるから、各投
光スポットＰムにおけるＹ−Ｚ断面形状の勾配変化率を
表わす。この△２１．の値を、外部からコンピュータ９
に任意の値で入力できるようにした設定値ｒと比較して
、Ｘ−Ｙステージ２のＹ方向走査を、次のように駆動モ
ータによって制御する。

（イ）１△２！ｚｌ　−ｒ　＜Ｏ（７）場合ＬＬ、勾配
変化率が設定値よりも小さいことを表すので、次のＹ方
向の粗いステップ、例えば１ｍｍの高速走査を続行する
。

（ロ）　１△’４＝Ｉ−ｒ≧Ｏの場合は、当該投光スポ
ット１つεが含まれる粗いステップの走査区間に勾配変
化率の大きい変曲点、すなはち、輪郭線１′か稜線１″
のあることを示すので、まづ、Ｙ方向の粗いステップ走
査を１ステップ分だけ逆方向に後退した後に、Ｙ方向を
細かいステップ、例えば０．１．ｍｍ、　０．０１ｍｍ
などのステップで精密走査し、この場合も各投光スポッ
トＰ９の（１）式で計算される各直交座標値を記憶部９
′　に記憶させる。この精密走査区間での投光スポット
Ｐｉ　と始点位ｆｉｆｆＰ。とのＸ方向の距離をＪ！ｆ
５（ｉ　＝ｏ、１，２．　・・・）と表わし、この１５
ｉの値を用いて前と同様にコンピュータ９によって次の
演算を行なう。

（３）式によって算出される２階差分値△２１予コは、
Ｙ−Ｚ断面形状の勾配変化率を（２）式の場合よりもさ
らに微細な範［ＩＪＩて表わづ−０この△２）ｆＬの値
を外部から可変設定する設定値り　と比較して、前と同
様にコンピュータ９によってＹ方向走査を次のように制
御する。

（ハ）　１Δ１２””ｆ　〈○”’１３合ハ、Ｙ方向の
細かいステップ、例えば０．１１１１ｍの走査を続番ノ
る。

（ニ）　１△２１　・＋　ｒｆ≧Ｏ（７）場合は、こり
し の細かいステップ区間に変曲点、すなはち輪郭線か稜線
のあることを示すので、そのときの（１）式で計算され
る投光スポラ１〜ＰＬの各直交座標値を記憶部９′に記
憶させる。そして、１△２ｋ　ｌ　ｒｆ＜　ｏ　に戻っ
たら（ハ）項と同様の細かいステップ走査を続行する。

細かいステップ走査の全合目長が、ちょうど粗いステッ
プの１ステップ分に達したら、細かいステップ送りを終
了して、再び粗いステップの高速走査に戻る。上述の動
作はＸ方向の各ステップ毎のＹ方向走査について行なわ
れるので、対象物１の全表面にわたって輪郭線１′　と
稜線１／′の自動検知が行なわれることとなる。

以上は、ｖ６１図に示すＸ−Ｙステージ２を図外のステ
ップモータによってデジタル送りし、各ステップの投光
スポットＰＬ　と始点位置Ｐ。

とのＸ方向の距離λ、をｌ１ｌｌｌｒ１１．的に検出す
る場合について説明し、光切断法によって走査・検出さ
れた対象物１のＹ−Ｚ断面曲線をＹ方向に微分する代り
にデジタル的に２階差分を行なうことにより断面ｄｌ＋
線の勾配変化点、すなはち対象物１の輪郭１１’　また
は稜線１″を自動検知する機能を述べた。この場合には
対象物１は、イの稜線１″がなるべく第１図のＸ軸方向
に平行かまたはこれと鋭角をなすような姿勢でＸ−Ｙス
テージ２上に設置されるのが自動検知上から好ましい。

次に、Ｘ−Ｙステージ２の送りをＹ方向のみ、またはＸ
、Ｙ両方向ともに一定回転数のザーボモータあるいは直
流モータなどによって連続的に等速度で走査する場合に
ついては、一定のザンブリング時間毎に上述のディジタ
ル方式を適用してもＪ：いが、別法として、（２）式お
よび〈３）式における２階差分値△２／！ｔおよび△２
１．ｊ。

の代りにそれぞれ２次微分値ｄ、’、Ｊ、およびｄ２ｋ
を用いることによっても全く同様に輪郭線１′または稜
線１″の自動検知機能をもつ。これらればよいので、光
電レンザ８の表わす粗いステップ走査時の投光スポット
Ｐｆｆ　と始点位置Ｐ。

とのＸ方向の距ＩＩＩＩＩ」ｔまたは細かいステップ走
査時の同値ノｉＬの検出値を公知の電子的な微分回路（
図示せず）を二回通過させることにょっても容易に（ｑ
られる。

以上の説明では、粗いステップ送りと細かいステップ送
りとでは走査速度を切替えるように説明したが、走査速
度は一定として、投光スポットＰｆｆ　を連続的に検出
し、（１）式による各座標値の篩用は通常の粗い周期で
実施し、〈２）式の代りの微分演算は電子回路等により
連続的に行ない、変曲点を検知した瞬間からＹ座標値、
づなはちＹ方向送り位置を細かい周期で精密に読取る方
式としても同様に高速かつ高精度測定の目的が達せられ
る。そのためにはＹ方向送り位置を精密に読取るｌζめ
の、例えば光学的または磁気的なりニヤエンコーダをＹ
方向送り装置に設置しておくものとするく図示せず）。

なＪ３この場合は（３）式の演算とそれに続く動作は省
略される。

以上のようにして、Ｘ−Ｙステージ２の二次元送りによ
り対象物１の全表面を光ビーム４で走査し、通常は、粗
いステップで表面上の各点の直交座標値が、Ｙ−Ｚ断面
曲線の変曲点すなはち輪郭線１′または稜線１″イリ近
は、細かいステップで同様に各点の直交座標値が、それ
ぞれ記憶部９′に記憶される。これらの記憶された各ｘ
、ｙ、ｚ座標値をコンピュータ９を利用して必要な処理
を施した後にＣＲＩ−表示器１０に必要とする各点のＥ
次元座標数値または等高線、透視図または輪郭稜線図な
どの立体グラフィック表示をし、または必要に応じて記
録器１１にプロットまたはプリントアウ１−する。なＪ
３、対象物１の表面形状の特性を調べるため等の必要に
応じて、各点のｘ、ｙ、ｚ座標値のほかに（２）式また
は（３）式で示される各点の断面高さの１階または２階
の差分値あるいは１次または２次の微分値をも記憶部９
′に貯えておき、これらの等高線表示をすることによっ
て、対象物１の表面曲面の等勾配曲線や等勾配変化率曲
線なども表示・記録しつる。また、ＣＲ７表示器１０と
記録器１１の公知の立体図表示機能を利用して、例えば
輪郭線・稜線等の変曲点近傍などを必要に応じて拡大表
示したり、表示図形の回転・記録などもできることは言
うまでもない。

第１実施例にあっては、上述の説明のように、Ｘ−Ｙス
テージを利用する光り断による形状測定方式において、
Ｙ、−Ｚ断面曲線の形状がゆるやかで勾配変化の少ない
部分では粗いステップで高速の走査を行ない、勾配変化
の大きい輪郭や稜線部を自動検知して、この付近のみを
細かいステップで精密走査する、言はばズーム検出機能
をもたせることににす、対象物の全表面に亘って三次元
形状を高速かつ精密に自動測定するものである。

次に本発明に係わる第２実施例を第２図を参照して説明
する。第２図は一方向のみの送りステージによりＸ方向
走査を行ない、Ｙ方向はレーザなどの光ビーム自体を走
査することによって第１実施例よりもＹ方向の走査速度
を高め、したがって全測定時間をさらに大幅に短縮する
第２実施例の説明図であり、第２図（ａ　）は一部を透
視図で示した機器配置図であり、第２図（ｂ）は動作説
明図で、第１図（ａ　）と同一符号は同一部分を示し、
同一機能をもつものである。１２は一方向くＸ方向）の
みの送りステージで、Ｙ方向走査が一回終る毎にＸ方向
に１スデツプ送るもので、ステップモータによるディジ
タル送りまたはサーボモータや直流モータによる連続送
りであってもよい（以下Ｘステージと称づる）。１３は
光ビーム４を回転走査させるための回転鏡であり、図上
では６而鏡によって１回転に６回のＹ方向走査を行なう
ようになっているが、再現性を向上覆るために多面鏡と
限らず１回転に１回たり走査するような構造のものでも
よい。１４は回転＆ｆ１１３を回転させるための駆動モ
ータで、ステップモータまたは等速の連続回転モータで
もよい。１５は一定の微小な回転角毎にパルスを発生す
るロークリエンコーダであり、駆動モータ１４によって
回転鏡１３と同期して回転されるが、駆動モータ１４が
ステップモータの場合は七−夕のステップパルスを代用
してロークリエンコーダを省略することもできる。１６
は回転鏡１３によって回転走査された光ビーム４をＸス
テージ１２の上面に対し常に一定角度をもってＹ方向に
揃えて走査し、投光スポットＰ＝の軌跡５が直線状とな
るようにづるための駆動円筒面状の平行走査鏡である。

６は第１図（ａ　）と同様な光電位置検出器であるが、
この場合はＹ方向には対象物１が固定されていて光ビー
ム４がＹ方向に走査されるため、投光スポットＰ己　の
Ｙ方向位置が移動することとなる。光電位置検出器６は
投光スポットＰＬのＸ方向の位置のみを検出するための
ものであるから、この場合には光電センサ８として、二
次元の光電変換素子を使用してそのＸ方向検出値のみを
取出すこともできるが、本出願人の出願になる特開昭５
８−１８６００６号「物体の座標投影成分の測定方法」
公報に記載の円筒レンズを光学系に適用することによっ
て、光電センサ８として一次元の光電センサを使用して
測定精度を向上できる。

次に第２実施例の動作を説明する。Ｙ方向の光ビーム４
の走査がＸステージ１２の表面上を一定間隔のステップ
または等速度連続の送りとなるように駆動モータ１４を
動作させれば、第１実施例の場合にＹ方向送りの信号が
Ｘ−Ｙステージ２から発ｌられた代りにロークリ１ンコ
ーダ１５から発せられるだけの違いで、基本的には全く
同様の動作が実施できる。ただし、Ｘ方向が等速度連続
送りの場合は第１図（ｂ）のような矩形波状の走査とな
らず、鋸歯波状の走査となるので、ＸＳ標値は連続的に
微少づつ変る。また、駆動モータ１４が一定回転角のス
テップモータまたは等速度の連続回転モータであっても
、もし回転鏡１３の一回走査当りの回転角を大きくとる
ように段重するど、投光スポットＰｉ　のＸステージ１
２の表面上でのＹ方向の走査軌跡５は必ずしも一定間隔
ステップまたは等速度の連続送りとならず、不等間隔ま
たは不等速度（以下これらを非線形と称する）の走査を
行なうようになる。この非線形走査はＹ座標値測定上の
誤差となるので、これを補正して誤差を消去するために
、あらかじめ第２図（ｂ）に示すような較正動作を行な
っておく。りなはち、図中（イ）は、駆動モータ１５に
ステップモータを使用した場合の回転鏡１３の一定回転
角ごとの各ステップ送りを表わし、この回転角はローリ
エンコーダ１５によって各走査毎に始点位置ＡＳ　から
の値が読取られ、該読取り値をｎ（１、Ｊ　、ｎ２　、
””とし、一般にｎ、−と表わす。同図中（ロ）は、回
転走査された光ビーム４が平行走査１１１６によって平
行走査され、Ｘステージ１２に対象物１がない場合のそ
の表面上での投光スポットのＹ方向位置を示し、ＰＯｏ
　＊　Ｐ（）１　、　Ｐｏ２　、・・・・とし、一般に
Ｐｏε　と表わす。該Ｐ。己　の値は、光電位置検出器
６を通常のＸ方向の位置検出の状態からＸ座標方向に対
して９０°回転して設置することによって、Ｙ方向の投
光スポットの位置としてＰ。Ｌ　が測定される。同図中
の（ハ）はこのＰｏｂ　の測定値をｉｆｏ、ｍｌ、ｍ２
　、−−−−とし一般にｍも　と表わす。Ｙ方向の投光
スポットの位ｆｆ１Ｐ。乙　の別の測定法として、Ｘス
テージ１２上に直接投光スポットを検出する例えばリニ
ヤエンコーダなどの光電検出素子をＹ方向に設置して測
定するか、または一定間隔に微細な反射性の細線を並べ
た反射素子をＹ方向に設置して投光スポットの反射光を
光電位置検出器６または別に設ける対物レンズと光タイ
オードなどによる光電検出器（図示せず）によって検出
し、検出光電パルスをＧ１数りる方法によってもＰ。、
が測定される。以上のような方法によって第２図（ｂ）
に示すｎＬ　値に対す゛るＰ。を値の真の値…乙　値が
得られるので、これらの対比関係をコンピュータ９に入
力しておいてＹ方向座標値を補正演算する。また、別法
として、回転鏡１３にＪ：る光ビーム４の回転半径と平
行走査鏡１６との光学系の路数値を用い、あらかじめ数
式によって投光スポットの不等間隔または不等速度の非
線形成分の補正値を算出しておき、この補正値をコンピ
ュータ９に入力しておいて検出値を演詐補正してもよい
。以上の処理によって補正されたＹ方向座標値をｙえ／
と表わずと、第２図（ａ　）に示す対象物１の投光スポ
ットＰ、の各直交座標値は（１）式の１　の代りにｙ４
′を用いて表わされる。

次に、第３図に第３実施例を示す。第３実施例は第２実
施例における平行走査鏡１６を省略して、ｉＣ１接に回
転鏡１３の回転のみによっ“Ｃ光ビーム４の走査を行な
うことにより、簡単な構造で走査範囲を拡大し、したが
って大形の対象物をも容易に測定し得る方法である。第
３図（ａ　）、（ｂ　）、（ｃ　）に示す符号で第２図
（ａ　）と同一符号は同一部分を示し、同一機能をもつ
ものである。第３図（ａ　）は一部を透視図で示した機
器配置図、第３図（ｂ）はＸステージ上の対象物を示す
平面図、第３図（Ｃ）は対象物をＹ座標方向より見た機
器配置を示す図、第３図（ｄ）は動作説明図である。

本実施例の場合は、投光スポットＰｃのＸステージ１２
表面上への走査軌跡は、第２実施例の場合のように直線
とはならず、第３図（ａ）。

（ｂ）に示づように非直線の扇形軌跡５αとなり、回転
鏡１３の回転走査角度が大きくなるほど、また回転鏡１
３と投光スポットＰＬ　との距離が近くなるほど扇形軌
跡の円弧の曲率が大きくなる。また、回転走査に伴なっ
て、Ｙ方向走査における不等間隔または不等速度を示ケ
非線形走査誤差も第２実施例と同様に生じ、また光ビー
ム４の投射角θｔも回転走査角度によって変化する。回
転走査ににるこれらの非直線性、非線形性および投射角
度変化による誤差は、以下に説明づる方法によって消去
する。

まず、非線形性誤差については、第２実施例で述べた方
法と全く同様に、あらかじめ微細ステップのロータリエ
ンコーダ１５のパルスを１回転毎に始点位置からム１数
しつつ送り、Ｘステージ１２上Ｙ方向の各投光スポット
位置Ｐ。乙と対比して較正するか、または光学諸室数か
ら演棹補正する方法によりコンピュータ９を利用して誤
差を消去する。この補正されたＹ方向座標値を、第２実
施例の場合と同様にｙＡ′と表わＪ５よび第３図（Ｃ）
に示づようにＹ方向に直線走査をしたと仮定しｌＣ場合
の投光スポットＰＬの軌跡Ｓ（第３図（ｂ）上に一点鎖
線で示１）と墳形軌跡５ａとの距離をεｔとづると、第
２図（ｂ）についで説明したように、あらかじめＸステ
ージ１２上に対象物１を置かない状態で前記の非線形性
誤差をロータリエンコーダ１５のパルスｆｉｌ数による
か、またはｉｆ　ｆＮによってパルス数ｎＣとＸステー
ジ１２上の投光スポラ１〜の位置Ｐ。乙　の対応をめて
較正動作を行なう際に、これどともに第３図（ｄ　）に
示すように各投光スポットの位置Ｐ　ｏ　Ｌ　に対応す
る光電位置検出器６のＸ方向位置測定値ｍ乙　を読取る
ことによって、扇形軌跡５ａ上の各投光スポットＰｏｔ
　に対応する該距離ε乙の値をコンピュータ９によって
めてＡ３　＜。第３図（ｂ）、（ｃ）中に示す名己は、
Ｙ方向走査にお【ノる始点位置ｐｏｏ　と各時点での対
象物１に対する投光スポットＰ６とのＸ方向に対する距
離で、ＷＳ２実施例の場合と同様に、光電位置検出器６
によって検出した信号からコンピュータ９によって算出
した値である。次に、光ビーム４の投射角を一般にＯＬ
と表わすと、Ｘステージ１２上の投光スポットの位置Ｐ
。乙　に対応する該投射角ｅＬは一定関係の値を有し、
これをあらかじめ訓算または実測でめてＪ５き、各投光
スポットの位置ＰｏＬ　に対Ｊる投射角Ｏεの値をコン
ピュータ９に入力しておく。かくして、対象物１に対す
る投光スポットＰ乙　の非線形性、非直線性および投射
角変化の誤差を修正した真のＸ、Ｙ。

Ｚ座標値ｘＪ、ｙｈ、７名　は、次式で表わされる値が
得られる。

以上説明したように、非線形性および非直線性の補正を
行なう以外は第１実施例とまったく同様に本発明を実施
できる。

次に第４実施例どして、ステージの送りに代えてｘ、７
両方向の走査をいずれも光ビームの走査によって行なう
ことによって、第３実施例よりもさらに走査範囲を拡大
して大形の対象物を高速に測定し得る方法を第４図（ａ
）、（ｂ）、（Ｃ）に基づいて説明する。第４図〈ａ）
は一部を透視図で示した機器配置図、第４図（ｂ）は対
象物をＹ座標方向より見た主要機器配置図、第４図（Ｃ
）は測定台上の対象物を示す平面図である。図中の符号
中第３図と同一符号は同一部分を表わし、同一機能を有
する。１６は上面が水平面をなづ一測定台で、床面また
は机上に固定され、対象物１をその上に設置する。１７
は光ビーム４のＸ方向走査を行なうための平面鏡、１８
は平面鏡１７の腕であり、駆動モータ１４′によって腕
１８が回転されるに伴なって平面鏡１７が回転し、Ｘ方
向に光ビーム４を走査Ｊる。

１５′はロータリエンコーダで、駆動モータ１４′の回
転、したがつって平面鏡１７の回転走査に同期してパル
スを発信する。

第４実施例の動作を説明する。投売品３からの光ビーム
４は駆動モータ１４にて駆動される回転鏡１３によって
回転走査され、平面鏡１７に反射して測定台１６の表面
上を、対象物１が設置されていない場合に第３実施例の
場合と同様に投光スポットｐＬ（ｒｂ）＜符号について
は後記する）の軌跡は、扇形軌跡５ａを画いてＹ方向走
査を行なう。１回のＹ方向走査を終るごとに駆動モータ
１４′によって平面鏡１７を１ステツプすなはち一定回
転角だけ回転させることによって、光ビーム４がＸ方向
に走査されることとなる。本実施例においてはＸ方向お
よびＹ方向の走査によって光ビーム４の投射角が変化す
るのでこれを一般的にθこ　と表わし、ｉはＹ方向走査
の１番目、（ｎ）はＸ方向走査のｎ番目を表わす。また
投光スポットの扇形軌跡５ａの半径も変化する。したが
って、第４実施例の場合は第３実施例について説明した
非線形性と非直線性の誤差が各Ｙ走査ごとに変化する。

これら誤差の較正動作は、第４図（ｂ）、（ｃ）に示す
Ｊこうに、あらかじめ各）／走査についての対象物１が
ない場合の測定台１６の投光スポットの軌跡５ａの始点
位置をＰ。。　＊　Ｐｏｏ　＊　Ｐｏｏ　。

・・・・、一般にＰ。０　とし、Ｘ方向にｎ番目の走査
にお１ノるＹ方向にｉ番目の投光スポッ１−ｐ　ｊ”’
の測定台１６上の位置をＰ。ｔＩｎ、）とし、始点位置
［、）。０　を通り直線走査をしたと仮定した場合の投
光スポットの軌跡Ｓと該位置Ｐ。、Ｃ１）との距離をε
ｔ　どするとく第４図（Ｃ）参照）、第２、第３実施例
で説明した方法と全く同様に非線形性誤差を修正すると
同時に該距離εｔ　の値をめておく、ずなはも、対象物
１がない状態でのパルス数ｎ、、　と投光スポットの測
定台１６上の位置Ｐ。、（７ｂ）との対応関係、および
該位置Ｆ〕。ＬＣｎ）に対応する投光スポットの軌跡Ｓ
ど該位置Ｐ。Ｌ（ｎ）との距離６戸および光ビーム４の
投射角ＯＬ　の伯を各Ｘ方向走査回数ｎおよびＹ方向走
査回数ｉについてずべてあらかじめ実測または光学系の
定数による計算値からめてコンピュータ９に入ツノして
おく。これらの値を用いて、対象物１を測定台１６上に
設置した場合の対象物１に対する各投光スポットＰＩ）
（ｒＬ）のＸ方向位置ｌ、を光電位置検出器６によって
検出した値から走査の非線形性Ｊ３よび非直線性ならび
に光ビーム投射角変化の誤差を修正した真の直交座標値
Ｘ”　、ｙ　、ｚ　が次式によってコン／　范　才 ピユータ９により算出される。

以上に説明した走査の非線形性、非直線性および光ビー
ム投射角変化の補正を行なう他は、第１実施例と全く同
様に本発明を実施できる。

なお、第２．第３．第４実施例においても、第１実施例
と同様に、対象物１はその稜線１″がＸ軸方向に平行か
またはこれと鋭角をなすことが好ましく、また光ビーム
の投射角θによっては対象物１の表面に陰になって投光
できない部分を生ずることがある場合には、対象物１を
１８００回転プるか、または投光器３をさらに１台１８
０°逆向きの方向に設置して、対象物１の全表面を隈な
く走査Ｊるようにづることは勿論である。

本発明になる三次元形状の自動測定方法は、１、Ｘ、Ｙ
、Ｚを三次元直交座標として、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する際に、 （イ）光ビーム走査方向たるＹ座標に対して粗いステッ
プで高速走査し、各ステップに対する対象物への光ビー
ムの投光スポットをＸ座標の変位として光電センサにＪ
：って検出し、各ステップにおりるＸ、Ｙ、Ｚ座標値を
コンピュータの記憶部に記憶し、 ＜１１１）Ｚ座標値を検出しつつ、これをＹ方向に対し
てディジタル的に２階差分またはアナログ２次微分し、
該２階差分値または２次微分値をあらかじめ設定した値
と比較してＹ方向に対づる断面形状の変曲点の有無を検
知し、（ハ）変曲点の検知に基づいて、その位置の変曲
点位置近傍のＸ、Ｙ、Ｚ座標値を記憶部に記憶し、 （ニ）前記精密走査完了後に粗いステップによる高速走
査に戻り、 （ホ）−Ｙ座標方向の走査完了後にＸ座標方向に１ステ
ップ送って次ざのＹ座標方向の走査を行なう、 前記（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、〈ホ）項を順次
にくりかえし行なって対象物の形状をめる方法であり、
また、 ２、Ｘ、Ｙ、Ｚを三次元直交座標として対象物断面高さ
を光ビーム走査による光切断法にて連続的に検出する際
に、 〈イ）光ビーム走査をＹ座標に対して等速連続送りとし
、対象物への光ビームの投光スポットをＸ座標の変位と
して光電センサによって検出し、Ｙ座標値を粗い周期で
読取ってＸ。

Ｙ、Ｚ座標値をコンピュータの記憶部に記憶【。

（ロ）Ｚ座標値を検出しつつ、これをＹ方向に対してデ
ィジタル的に２階差分またはアナログ２数機分し、該２
階差分１ｎまたは２数機分値をあらかじめ設定した値と
比較してＹ方向に対づる断面形状の変曲点の有無を検知
し、（ハ）変曲点検知に基づいて、Ｙ８標（１ηを細か
い周期−ＣｖＪ密に読取って変曲点位置近傍のｘ、ｙ、
ｚ座標値を記憶部に記憶し、 （ニ）前記細かい周期での読取り完了後に粗い周期での
読取りに戻り、 （ホ）（イ）、（ロ）、（ハ）、（二〉項によるＹ座標
方向の走査完了後に次ざのＹ座標方向の走査を行なう、 前記（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）２　（ホ）項を順
次にくりかえし行なって対象物の形状をめる方法である
。

したがって、対象物の断面形状変化が最も大きい変曲点
近傍の断面高さが高精度に測定でき、その他の部分は高
速測定され、さらには光ビーム走査を対象物を移動させ
ることなく光学的にのみ行ない、かつこの走査に基づく
非線形性、非直株性および光ビーム投射角の変化の補正
値をあらかじめ：Ｊンビュータに入力しておいて各座標
検出値を補正することによって、さらに高速測定を可能
どし、また人形対象物への適用を容易どすることができ
る。

また、コンビコータの記憶部にＣＲ丁表示器、記録器が
容易に接続できて、対象物の形状を数値または立体グラ
フィック表示あるいは印字・図形記録などがなされる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係わる第１実施例の説明図であり、
第１図＜８　）は、対象物をＹｓ！！標方向上方向た機
器配置図、第１図（ｂ）は、Ｘ−Ｙステージの対象物の
平面図、第１図（Ｃ）は、対象物およびＸ−Ｙステージ
上への光ビームの投光スポットの軌跡を示す拡大説明図
、第２図は、同第２実施例の説明図であり、第２図（ａ
　）は、一部を透視図で示した機器配置図、第２図（ｂ
）は、動作説明図、第３図は、同第３実施例の説明図で
あり、第３図（ａ　）は、一部を透視図で示した機器配
置図、第３図（ｂ）は、Ｘステージ」二の対象物を承り
平面図、第３図（ｍ）は、対象物をＹ座標方向より見た
機器配置図、第３図（ｄ　）は、動作説明図、第４図は
、同第４実施例の説明図であり、第４図（ａ’）は、一
部を透視図で示した機器配置図、第４図（ｂ）は、対象
物をＹ座標方向より見た主ＩＷＩｆｉ器配置図、第４図
（Ｃ）は、測定台上の対象物を示づ平面図である。 １：対象物 １′＝（変曲点を含む）輪郭線 １”：（変曲点を含む）稜線 ２：Ｘ−Ｙステージ ３：投光器 ４：光ビーム ５：投光スポットの軌跡 ５′：粗いステップ送りによる投光 スポット ５　：細かいステップ送りによる投 光スポット ５ａ：扇形軌跡 ６：光電位置検出器 ８：光電センサ ９：コンピュータ ９′：記憶部 １０　：　ＣＲＴ方式の表示器 １１：記録器 １２：（一方向送りの）Ｘステージ １３：回転鏡 １５：ロータリエンコーダ １６：平行走査鏡 １７：平面鏡 第３図（ｄ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ｉ、ｘ、ｙ、ｚを三次元直交座標として、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する
   際に、 （イ）光ビーム走査方向たるＹ座標に対して粗いステッ
   プで高速走査し、各ステップに対する対象物への光ビー
   ムの投光スボッ１〜をＸ座標の変位として光電レンザに
   よって検出し、各ステップにおけるＸ、Ｙ、Ｚ座標値を
   コンピュータの記憶部に記憶し、 （０）Ｚ座標値を検出しつつ、これをＹ方向に対してデ
   ィジタル的に２階外分またはアナログ２次微分し、該２
   階差分値または２次微分値をあらかじめ設定した１泊と
   比較してＹ方向に対する断面形状の変曲点の有無を検知
   し、（ハ）変曲点の検知に基づいて、その位置の近傍を
   Ｙ座標方向に細かいステップで精密走査し、変曲点位置
   近傍のｘ、ｙ、ｚ座標値を記憶部に記憶し、 （ニ）前記精密走査完了後に粗いステップによる高速走
   査に戻り、 （ホ）Ｙ座標方向の走査完了後にＸ座標方向に１ステッ
   プ送って次ぎのＹ座標方向の走査を行なう、 前記（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）項を順次
   にくりかえし行なって対象物の形状をめることを特徴と
   する三次元形状の自動測定方法。 ２、、Ｘ、Ｙ、Ｚを三次元直交座標として、対象物断面
   高さを光ビーム走査による光Ｉ、７Ｉ断法にて連続的に
   検出する際に、 （イ）光ビーム走査をＹ座標に対して等速連続送りとし
   、対象物への光ビームの投光スポットをＸ座標の変位と
   して光電センサによって検出し、Ｙ座標値を粗い周期で
   読取ってＸ。 Ｙ、Ｚ座標＋ｆｆをコンピュータの記憶部に記憶し、 （ロ）Ｚ座標１ｆ＋を検出しつつ、これをＹ方向に対し
   てディジタル的に２階差分またはアナログ２次微分し、
   該２階差分値または２次微分値をあらかじめ設定した値
   と比較してＹ方向に対づる断面形状の変曲点の有無を検
   知し、（ハ）変曲点検知に基づいて、Ｙ座標値を細かい
   周１１１Ｊで精密に読取って変曲点位置近傍のｘ、ｙ、
   ｚ座標値を記憶部に記憶し、 〈二）前記細かい周期での読取り完了後に粗い周期での
   読取りに戻り、 （ホ）〈イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）項によるＹ座標
   方向の走査完了後に次ぎのＹ座標方向の走査を行なう、 前記（イ）、（ロ）、（ハ）、（ニ）、（ホ）項を順次
   にくりかえし行なって対象物の形状をめることを特徴と
   する三次元形状の自動測定方法。 ３、光ビームの走査を対象物をＸ座標方向およびＹ座標
   方向に移動させて行なう特許請求の範囲第１項または第
   ２項記載の三次元形状の自動測定方法。 ４、光ビームの走査のＹ８標方向を回転鏡と平行走査鏡
   で行ない、Ｘ座標方向に対象物を移動させる特許請求の
   範囲第１項または第２項記載の三次元形状の自動測定方
   法。 ５、光ビームの走査のＹ座標方向を回転鏡で行ない、Ｘ
   座標方向に対象物を移動させる特許請求の範囲第１項ま
   たは第２項記載の三次元形状の自動測定方法。 ６、光ビームの走査を回転鏡と回転する平面鏡どで行な
   う特許請求の範囲第１項または第２項記載の三次元形状
   の自動測定方法。