JPS6355642B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は３次元形状物体の稜線を自動的に、非
接触で探り出し、追尾し、稜線の座標を、非接触
で測定できるようにした稜線座標自動測定用の稜
頂点検出装置および稜線座標測定装置に関する。

ある種の構築物、機械部品や型（プレス型、鋳
型）、モデル等の製作段階で検査、製作の規準と
して、それらの物体の複数の面が交差するエツジ
部、すなわち稜線の３次元座標値が形状をあらわ
すデータとして利用されることが多い。例えば自
動車等のボデイ廻りのモデル、型の製作段階の場
合には、面の形状は一般に自由曲面であり面の製
作規準、検査規準として稜線の３次元座標値を用
いることがほとんどである。また特にボデイ等の
外面のモデル、型の場合には稜線の大部分が完成
後の特徴線として外観を左右するために稜線座標
値は特に重要なデータとして測定、検査を行なう
必要がある。これら３次元形状物体の一般面、自
由曲面の測定には既に３次元座標測定機等により
自動化が行なわれているが、稜線の座標値の測定
は目視により計測針を稜頂点に合わせる作業によ
つているものが大部分で、加工や面測定が自動化
されている工程の中でこの稜線測定に費やされる
工数は著しく大きく、また測定精度のばらつきの
面からも自動測定法の開発が望まれている。

従来、稜線位置の測定法として、溶接線等の追
跡を目的としたレーザ光偏向走査を利用した測定
法が知られている。この従来の方法では光偏向器
に音叉等の振動素子に取りつけた鏡を利用し、投
光レンズを使用していない。このため稜等の位置
を検出する範囲は振動素子の振幅により制約を受
け、かつ扇形に拡散してゆく光偏向のため目的物
までの距離により投射光軸と稜線とのずれを検出
する感度が変化し高精度の測定と急峻な稜線の段
差の自動追尾が困難となる欠点があつた。またこ
の従来の方法は目的物までの距離を測定し自動補
償する機能を有さず、このため有効に稜線位置の
追跡を行なえる距離は検出スリツトの幅と受光軸
と投光軸の角度で決められる。一定の距離近傍
の、極くせまい範囲に限られた。この範囲を拡大
するため、この従来の方法では投光軸と受光軸の
角度を小さくしているが、この結果稜線の位置ず
れを測定する精度が低下し、大きな稜頂角をもつ
対象には適用が困難となる欠点があつた。

また、この従来の方法は前述のように距離を設
定する機能を具備しないためオフラインの人為的
な距離設定を必要とし、この測定法単独では任意
の複雑な３次元形状物体上の稜線を自動追尾しか
つ稜線の３次元座標値を精度よく測定することは
不可能であつた。

また別の方法として、３次元物体の位置や形状
を非接触で測定するため一方法として、物体表面
にスリツト状の光束を投影し、その稜線部で折曲
した光軌跡の像を別の角度からテレビカメラ（蓄
積型撮像装置）で観測し三角測量を行ない稜線を
求める方式がある。

このような方式の場合、必然的に距離変化にと
もなう像の「ぼけ」の対策が必要となる。すなわ
ち像がぼけて幾つかの画素にまたがる場合、精度
よく像位置を求めるために細め処理等の幾つかの
画像処理を必要とし処理時間のため低速となるき
らいがある。

また、このような蓄積型撮像装置を用いる場合
は、残像が問題となる。すなわち、高速に計測を
行なおうとしても、前の画像の残像のため精度が
あがらず、結局速度をある程度犠牲にしなくては
ならない点がある。さらに、被測定対象の全面の
形状を計測するために、対象か計測装置かのどち
らかを移動させねばならないが、構築物や、プレ
ス型、自動車外形造形用粘土モデル、移動が困難
な場合が多く、いきおい計測装置を動かさねばな
らないことになる。しかし撮像管を用いた場合、
その計測装置の形状寸法は大型で重く、かつ耐久
性、耐振動性、安定性が問題となり、前述の低速
であることも加えて３次元測定機等の計測プロー
ブとして、オンラインの計測に使用することは困
難である欠点があつた。

本発明は如上のごとき従来技術における欠点を
解決するとともに、変化に富んだ複雑な３次元形
状物体の稜線の３次元座標値を連続的にかつ容易
に測定することの出来る自動追尾測定装置を提供
することを目的とするものである。

本発明の構成は概略は次のとおりである。

先ず、本発明による稜線座標自動測定用の稜頂
点検出装置は、 細光線を一定幅に偏向走査して被測定対象物
の稜線を含む領域に投射する偏向細光線投射手
段と、前記細光線の偏向方向に垂直方向である
定められた角度で、前記被測定対象物からの反
射光を集束して結像させる受光手段と、前記受
光手段による結像を前記細光線の偏向方向に対
し垂直の方向に振動せしめる結像位置振動手段
と、前記細光線の偏向方向に所定の長さを有
し、垂直方向に微小幅を有した領域内に前記受
光手段の結像光があるか否かを検出する光点位
置検出手段とを有する検出系ヘツドと、 前記光点位置検出手段よりの信号を同期信号
として前記偏向細光線投射手段の偏向信号と前
記結像光振動手段の振動信号をサンプリングす
ることにより稜部断面線の２次元座標値を求
め、その２次元座標値の各々の２階差分を演算
し稜頂点座標を算出する稜線座標算出手段とを
備えたことを特徴としている。

さらにまた、本発明による稜線座標自動測定装
置は、 前記検出系ヘツドを稜線の伸びる方向に移動さ
せる３次元駆動機構と、 前記３次元駆動機構による検出系ヘツドの移動
量を測定する距離測定手段と、 前記稜線座標算出手段の出力と前記距離測定手
段の出力とから絶対座標系における稜線座標を算
出する絶対座標系稜線座標算出手段と、 その絶対座標系における稜線座標を記録する記
録手段と、 を備えたことを特徴としている。さらにまた、 以前に測定した稜頂点座標の変化の傾向から、
稜線の伸びる方向と前記検出系ヘツドの位置関係
を演算し、前記３次元駆動機構や前記２軸回転機
構の動きを制御して、前記検出系ヘツドを稜線に
追従させる主制御装置と、 を備えたことを特徴としている。

そして、本発明の一実施例によれば、前記セン
サ座標系稜線座標算出手段は、前記光点位置検出
手段の同期信号により前記偏向細光線投射手段の
偏向信号と、前記結像位置振動手段の振動信号を
サンプリングし蓄積するＸ軸サンプリング回路お
よびＹ軸サンプリング回路と、前記Ｙ軸サンプリ
ング回路の出力信号の変曲点を検出する変曲点検
出回路と、前記変曲点検出回路の出力同期信号に
より前記Ｘ軸サンプリング回路および前記Ｙ軸サ
ンプリング回路の出力信号をサンプリングし蓄積
するＸ座標サンプリング回路およびＹ座標サンプ
リング回路とを備えている。

また、前記３次元駆動機構は、前記Ｘ座標サン
プリング回路の出力信号が一定の範囲内になるよ
うに、前記検出光学系ヘツドを前記細光線の偏向
方向に移動するＸ軸サーボ手段と、前記Ｙ座標サ
ンプリング回路の出力信号が一定の範囲内になる
ように、前記検出光学系ヘツドと前記被測定対象
物との間隔を変化させるＹ軸サーボ手段と、前記
検出光学系ヘツドを前記細光線の偏向方向と直角
方向に所定の速度で移動させるＺ軸サーボ手段と
を備えている。

また、前記絶対座標系稜線座標算出手段は、前
記Ｘ軸サーボ手段による前記検出光学系ヘツドの
移動量に前記Ｘ座標サンプリング回路の出力信号
値分の補正を加えてＸ軸座標とし、前記Ｙ軸サー
ボ手段による前記検出光学系の移動量に、前記Ｙ
座標サンプリング回路の出力信号値分の補正を加
えてＹ軸座標とし、前記Ｚ軸サーボ手段による前
記検出光学系ヘツドの移動量をＺ軸座標として、
絶対座標系の稜線座標を算出する。

以下図面により詳細に実施例を説明する。

第１図は本発明の実施例を示したもので、１は
レーザ等の指向性のよい細光線源である。２ａの
光偏向部および２ｂの発振部によつて、光をｘ軸
方向に偏向走査する（以下単にｘ走査という）ｘ
軸光偏向器２を構成している。３はｘ軸光偏向器
２の偏向中心に焦点を一致させて配置される投光
レンズ、４は稜をもつた被測定対象、５は投光レ
ンズ３の光軸（以下投射光軸、即ちｙ軸）と０〜
90゜内の一定角を有し、ｘ走査方向と直交する光
軸（以下受光軸）を持ち、被測定対象４からの反
射光を集束し、結像せしめる受光レンズである。

６ａおよび６ｂの光偏向部および６ｃの発振部
とによりｙ軸光偏向器６が構成され、このｙ軸光
偏向器は被測定対象４と受光レンズ５による結像
面との間の受光軸上の所定の位置に配置され、被
測定対象４からの反射光をｘ走査方向と直交する
方向に偏向走査する（以下単にｙ走査という）。
７ａのｘ走査方向と平行に微小間隔７ｄを有する
光学スリツト、７ｂの光検出器および７ｃの微分
処理回路により光点位置検出器７が構成され、こ
の光点位置検出器は微小領域７ｄを光点が通過し
た瞬間に所定のトリガ信号を発生するものであ
る。

８は光点位置検出器７のトリガ信号が発生した
瞬間の、ｘ軸光偏向器２のｘ走査信号をサンプリ
ングし蓄積記憶するｘ軸サンプリング回路、９は
光点位置検出器７のトリガ信号が発生した瞬間
の、ｙ軸光偏向器６のｙ走査信号をサンプリング
し蓄積記憶するｙ軸サンプリング回路、１０はｙ
軸サンプリング回路９の出力信号の変曲点を検出
し、その瞬間に所定のトリガ信号を発生する変曲
点検出回路である。

１１はｘ軸サンプリング回路８の信号を、変曲
点検出回路１０のトリガ信号が発生した瞬間にサ
ンプリングし蓄積するｘ座標サンプリング回路、
１２はｙ軸サンプリング回路９の信号を、変曲点
検出回路１０のトリガ信号が発生した瞬間にサン
プリングし蓄積するｙ座標サンプリング回路、１
３はｘ座標サンプリング回路１１の出力信号値が
一定範囲からはずれると信号を発生するｘ軸比較
器、１４はｙ座標サンプリング回路１２の出力信
号値が一定範囲からはずれると信号を発生するｙ
軸比較器である。

１５はｘ軸比較器１３の信号により動作し、前
記光源１、ｘ軸光偏向器２、投光レンズ３、受光
レンズ５、ｙ軸光偏向器６、光点位置検出器７を
のせた検出光学系ヘツド２３をＸ，Ｙ，Ｚの３次
元に移動させる機能を有する３次元駆動機構２４
の３軸のうちｘ走査方向、すなわち第１図の例で
はｘ軸方向を駆動するＸ軸移動機構、１６は３次
元駆動機構２４の３軸のうち、投射光軸方向、す
なわち第１図の例ではｙ軸方向を駆動するＹ軸移
動機構、１７は主制御装置１８の指令を受け動作
するＺ軸移動機構である。

１９はＸ軸移動機構１５に取りつけられ、検出
光学系ヘツド２３のｘ軸方向の移動量を測定する
Ｘ軸距離測定器、２０はＹ軸移動機構１６に取り
つけられ、検出光学系ヘツド２３のｙ軸方向の移
動量を測定するＹ軸距離測定器、２１はＺ軸サー
ボ機構１７に取りつけられ、検出光学系ヘツド２
３のｚ軸方向の移動量を測定するＺ軸距離測定器
である。

１８は本発明による測定装置の主制御装置、２
２は表示記録装置、２５は被測定対象４上のｘ走
査光の軌跡である。

次に本実施例の動作原理を説明する。

まず、検出光学系ヘツドのもつ断面形状測定機
能の動作原理を説明する。

細光線源１は指向性のよい拡がりの少ない平行
光を輻射する光源で、点光源とレンズの組合せで
もよいが、代表的にはガスレーザ半導体レーザ等
をもちいるもので、この光源１より出た光はｘ軸
光偏向器２に入り、投射光軸と直交する１軸方
向、即ち投射光軸をｙ軸とするとｘ軸の方向に所
定の角度分、くり返し周波数₁で偏向走査され
る。ｘ軸光偏向器２としては、周知の電気光学効
果を用いたもの、音叉振動鏡、回転多面鏡などが
使用可能だが、第１図ではガルバノミラー２ａを
外部ｘ偏向発振器２ｂで駆動する例を示してあ
る。

偏向走査された光はｘ軸光偏向器２の偏向中心
と焦点O′が一致している投光レンズ３を通り、
被測定対象４の稜線部でこの稜線を直角に切断し
て稜線近傍を走査するように投射される。このよ
うに構成することによりこの投光レンズ３は偏向
中心より扇形に拡散する偏向光を投射光軸に平行
な帯状の偏向走査を行なう光線列とし、ｘ軸方向
の光点位置を距離に無関係にｘ軸光偏向器２の偏
向角から一義的に知ることが出来、かつ平行光線
を集束して被測定対象４上の光点径を微小なもの
とし、検出分解能を高めることができる。例とし
て光偏向器２の偏向角と0.1rad、投光レンズ３の
焦点距離を100mmとする偏向走査幅は距離に無関
係に10mmとなり、投光レンズ３の光偏向器２と反
対側の焦点Ｏ近傍の対象上で光点径は0.1mm程度
となる。

被測定対象４からの反射光は第１図のyz平面
上にあり、ｙ軸である投射光軸とある角度θをな
し、投光レンズ３の対象側焦点Ｏ（以下これを原
点Ｏとする）を通る光軸を有する受光レンズ５に
より集束される。θの値は典形的にはπ／６〜π／４ rad程度である。

受光レンズ３を通過した光は、ｙ軸光偏向器６
の偏向ミラー６ａで反射され、原点Ｏの受光レン
ズ３により結像点0″近傍に結像する。

ｙ軸光偏向器６としては前記ｘ軸光偏向器２と
同様に数種が使用可能であるが、第１図の例では
ガルバノミラー（コイル部６ｂ、反射鏡６ａ）を
外部ｙ偏向発振器６ｃで駆動する例を示してい
る。ｙ軸光偏向器６は、その偏向中心が原点Ｏ、
結像点O″を結ぶ直線上にあり、偏向軸がｘ走査
方向に平行に配置される。その位置は原点Ｏと結
像点O″の間で、受光レンズの前（物体空間側偏
向）後（像空間側偏向）を問わないが、第１図の
例では受光レンズ３と結像点O″の中間の所定の
位置に配置してある。

このような構成により、ｙ軸光偏向器６を、ｘ
軸光偏向器２の駆動周波数₁より、充分に高いく
り返し周波数₂で駆動すると、被測定対象４で反
射され、受光レンズ５で集束される結像光はｙ軸
に平行な方向に受光軸を中心として偏向される
（以下ｙ走査という）。

ｙ軸光偏向器６で偏向された光は、原点Ｏの受
光レンズ３による結像O″を含み、受光軸に直角
な検出面を持つ、光点位置検出器７の検出面７ａ
上に光点として結像する。

光点位置検出器７は、ｘ軸に平行で結像O″を
含む受光軸に直交する一つの軸を有し（以下x_i
軸）、この軸でわけられる２つの領域、第１図の
例では＋y_i領域、−y_i領域をもち、x_i軸上に光点、
あるいは拡がりもつた光点の場合は、その光重量
心が存在するとき所定の信号を発生するもので、
第２図に示すような差動スリツト、差動フオトダ
イオード、差動プリズム等のものでもよく、第１
図の例では、簡単にx_i軸に一致した開口を有する
光学スリツト７ａ、光検出器７ｂ、微分回路７ｃ
で構成してある。これらの光点位置検出手段は、
残像は全くなく、また、光点像のぼけがあつても
正確に光量重心を検出しうるものである。

この実施例の場合における光点位置検出の機能
を第３図により説明する。第３図ａは微小間隙７
ｄを有した光学スリツト７ａ上を大きさをもつた
光点がt₀→t₁→…→t₆の順に移動してゆく様子を
示す。それに対応して、第３図ｂに示すように光
点の中心が微小間隙７ｄに一致した時刻t₃におい
て微小間隙７ｄを通過する光量が最大となり、光
検出器７ｂの出力も最大となる。第３図ｃは光検
出器７ｂの出力を時間微分した信号波形を示し、
前記時刻t₃において0VOLTを横切る。微分処理
回路７ｃは第３図ｃの微分および零クロス検出を
おこない、第３図ｄに一例を示す信号を出力する
ものであり、第３図の例では信号の立ち上りエツ
ジが、光点中心が微小間隙７ｄの中心と一致した
ことを示している。

光点位置検出装置から発生した信号はｘ軸サン
プリング回路８とｙ軸サンプリング回路９を同時
に起動し、入力のサンプリングを行なわせる。ｘ
軸サンプリング回路８にはｘ軸光偏向器２のｘ偏
向発振器２ｂ出力が入力されており、またｙ軸サ
ンプリング回路９にはｙ軸光偏向器６の発振器６
ｃの出力が入力されている。

この構成により、光点位置検出装置７の信号に
よりｘ走査の１周期の間でｘ軸サンプリング回路
８とｙ軸サンプリング回路９の出力には、被測定
対象４のｘ軸走査光が照射されている部分の断面
形状が出力される。例えばｘ―ｙオシロスコープ
のｘ入力にｘ軸サンプリング回路８、ｙ―入力に
ｙ軸サンプリング回路９の各々の出力を接続すれ
ば、原点Ｏを原点とした被測定対象４のｘ―ｙ断
面が表示される。

ここまでの機能（断面測定機能）をさらに詳細
に説明する。

第４図は光学スリツト７ａ上の結像光点の軌跡
を示すものである。第４図中、x_i、±y_iは第１図
と同様に取つてある。ｘ走査とそれより充分に速
いｙ走査により結像光点は第４図中に示した黒点
から始まりｘ走査の半周期後、白点の位置に達
し、再び逆をたどり黒点にもどる。以下順次上記
の移動をくり返しているが、ｙ走査の周期はｘ走
査の周期より充分に短かくｙ走査の１周期程度に
かぎれば結像光点は光学スリツト７ａ上のx_i軸方
向にはほとんど動いていない。

以下この状態で行なわれる測距機能について第
５図により説明する。

説明を簡単にするため、ｘ軸光偏向器２が停止
し、光源１を出た光は投射光軸すなわちｙ軸と一
致した径路で、被測定対象４に投射されていると
する。第５図ａは被測定対象４のｙ軸との交点Ｐ
が原点Ｏと一致した状態を示す。当然投射光点も
Ｐと同位置である（以下簡単に投射光点Ｐとい
う）。第５図ｂおよびｃは第５図ａの状態から被
測定対象４が各々、検出光学系の方向におよび反
対方向に変位した状態を示している。第５図ｄ，
ｅ，ｆは光学スリツト７ａ上に結像した投射光点
Ｑの位置を、夫々第５図ａ，ｂ，ｃに対応してあ
らわしてある。

第５図ｄのように投射光点Ｐと原点Ｏが一致し
ている場合、各々の像Ｑ，O″も一致しており、
光学スリツト７ａの微小間隙７ｄ上にある。ここ
でｙ軸光偏向器６は受光軸を中心に光偏向走査を
行なつているため実際には結像ＱはQ′からQ″ま
での間をくり返し周波数₂で運動している。図中
に示すＱは偏向された結像光点の軌跡の中心を示
している。第５図ｇは、上段にｙ軸光偏向器６の
偏向角の時間径過を、中段に光学スリツト７ａを
通過し、光検出器７ｂで光学変換され、微分処理
器７ｃを通過した信号の時間経過を、下段にこの
信号で起動される、ｙ軸サンプリング回路９の出
力を時間軸原点をそろえて描いたものである。図
より明らかなように、第５図ａ，ｄに示す如く原
点Ｏと投射光点Ｐが一致している場合、第５図ｇ
の上段に示す偏向角がφの時刻に、Ｐの結像Ｑは
光学スリツト７ａを通過して、光点位置検出装置
７の信号として有効な出力を生じる。光点位置検
出装置７の信号により起動されるｙ軸サンプリン
グ回路９は入力に接続されているｙ偏向発振器６
ｃの出力をサンプリングし蓄積する。このｙ偏向
発振器６ｃの出力はｙ軸光偏向器の偏向角と１対
１の対応関係があるのでこの場合、ｙ軸サンプリ
ング回路９の出力は零である。

この状態に対して、第５図ｂおよびｅのように
被測定対象４がｙ軸の正方向に、あるいは第５図
ｃおよびｆのように被測定対象４がｙ軸の負方向
に変位した場合、図から明らかなように結像Ｑが
原点Ｏの像点O″と一致しない分だけ、ｙ軸光偏
向器６を偏向させないと結像Ｑは光学スリツト７
ａの微小間隙７ｄを通過しない。このため第５図
ｈおよび第５図ｉに示したようにｙ軸光偏向器６
の偏向角の零よりずれた時刻に結像Ｑが光学スリ
ツト７ａの微小間隙７ｄを通過して光点位置検出
装置７の出力パルスを生じ、この信号で起動され
るｙ軸サンプリング回路９も、ｙ軸光偏向器６の
偏向角と１対１の対応関係のあるｙ偏向発振器６
ｃの零でない出力値をサンプリングし出力する。
すなわち、第５図ｂ，ｅ，ｈのようにｙ軸の正方
向に被測定対象４が変位した場合は、ｙ偏向発振
器６ｃの正電圧部で光点位置検出装置７からサン
プリング信号が発生し、ｙ軸サンプリング回路は
正電圧をサンプリングし蓄積する。第５図ｅ，
ｆ，ｉのようにｙ軸の負方向の変位の場合にはそ
の逆が発生するだけなので説明を略する。このｙ
軸サンプリング回路の出力電圧は、結像Ｑを光学
スリツト７ａの縮小間隙７ｄに一致させるため
の、ｙ軸光偏向器６の偏向角に容易に換算でき、
ひいては被測定対象４表面上のｙ軸との交点Ｐと
原点Ｏとのｙ軸方向の距離あるいは、ｙ座標に換
算できるものであることは明らかである。また、
原点Ｏと検出光学系ヘツド２３との距離たとえば
投光レンズ３の中心Ｈとの距離OHなどは物理的
に定まつており、上記ｙ軸サンプリング回路９の
出力電圧は、被測定対象４上の点Ｐと検出光学系
ヘツド２３との距離にも容易に換算できることは
明らかである。

以上のようにして、最低ｙ走査の半周期におい
て、検出光学系ヘツド２３と被測定対象４との距
離は求まる。この状態から、第４図のようにｘ軸
光偏向器２をｙ軸光偏向器６より充分に遅いくり
返し周波数₁で駆動してゆくとx_i軸方向に投射光
点Ｐの結像Ｑがわずかに動く間にｙ走査の１周期
が完了し、結像Ｑが間隙７ｄを通過した時刻ｔに
光点位置検出装置７よりサンプリングパルスが発
生し、ｙ軸サンプリング回路９にその時刻ｔにお
ける検出光学系ヘツド２３と被測定対象４との距
離に関する電圧が保持される。

また光点検出装置７のサンプリングパルスはｘ
軸サンプリング回路８も起動し、その時刻ｔにお
けるｙ軸光偏向器２のｘ偏向発振器２ｂの出力電
圧をサンプリングし、蓄積する。このｘ軸サンプ
リング回路２の出力電圧もまた、ｙ軸サンプリン
グ回路６の場合と同様に、ｘ軸光偏向器２の偏向
角に容易に換算でき、ひいては被測定対象４上の
投射光点Ｐが投射光軸であるｙ軸からの距離、す
なわちｘ座標に換算できることは明らかである。

以上のようにして、第４図のようにｘ走査の１
周期の間に時系列で被測定対象４上を移動する投
射光点Ｐの軌跡の、Ｏを原点としｘ走査方向をｘ
軸、投射光軸方向をｙ軸としたｘ座標、ｙ座標が
ｙ走査の１周期毎に出力される。すなわちｘ走査
でできる面で被測定対象４を切断した断面形状が
出力される。以上が断面測定機能の詳細である。

なお以上の実施例における説明のため、xy軸
の発振器、サンプリング回路等を使用したが、ク
ロツク発振器とカウンタ、ラツチ回路あるいは、
Ａ／Ｄ変換器とラツチ回路等のように、光点位置
検出装置７のサンプリングパルスで起動し、ｘ軸
光偏向器２、ｙ軸光偏向器６の各々の偏向角に相
当する情報をサンプリングし蓄積するものであれ
ば良いことは当然である。この場合、ｘ座標、ｙ
座標はデイジタルデータとして、順次、記憶装置
に格納され、以降の処理はデイジタル計算機によ
るものになる。

つぎに以上の断面形状出力を使用して稜頂点の
座標を測定する機能について、第６図により説明
する。

第６図ａはｘ軸光偏向器２の偏向角の時間経過
を示した図で簡便には三角形波形による駆動の場
合を示してある。この場合、ｘ軸光偏向器２の偏
光角は時間に比例するのでｘについての微分操作
は時間微分におきかえることができ都合がよい。
Ｔはその半周期の期間をあらわす。第６図ｂ，ｃ
は各々、ｘ軸サンプリング回路８、ｙ軸サンプリ
ング回路９の出力の時間経過を第６図ａと時間原
点をそろえて描いてあり、以下のｄ〜ｇ図も同様
にそろえてある。第６図ｂ，ｃの対応する各時間
における出力値は、被測定対象４の断面形状にお
けるｘ座標、ｙ座標をあらわしていることは前述
のとおりである。第１図の配置において稜頂点の
位置は検出光学系ヘツド２３と被測定対象４との
距離の変化率が急しゆんな変化を示す点としてと
らえられ、第６図より明らかなようにｙ軸サンプ
リング回路９の２階微分値が有意の値を越えた時
点が稜頂点の位置を示すことは容易にわかる。変
曲点検出回路１０は２階微分回路、ゼロクロス検
出回路、ゲート回路を含んでおり、各々の出力を
第６図ｄ，ｅ，ｆに示す。第６図ｄは第６図ｃの
ｙ軸サンプリング回路９の出力の時間微分波形を
あらわし、第６図ｅはそのゼロクロス点を検出し
たパルス波形である。このままではｘ軸光偏向の
上死点、下死点で無意味なパルスを生じるので、
ｘ軸光偏向器２の偏向角の上死点、下死点に同期
した第６図ｆで示されるブランクパルスを発生す
るゲート回路を通過させて変曲点検出回路１０の
出力として取り出される。

第６図ｇは変曲点検出回路１０の出力をあらわ
したものである。変曲点検出回路１０の出力パル
スはｘ座標サンプリング回路１１、ｙ座標サンプ
リング回路１２を起動し、各々の入力に接続され
た。ｘ軸サンプリング回路８、ｙ軸サンプリング
回路９の出力の変曲点検出回路１０の出力パルス
が生じた瞬間の値をサンプリングし蓄積する。ｘ
座標サンプリング回路１１、ｙ座標サンプリング
回路１２の各々サンプリングされる値が被測定対
象４の稜頂点のｘ座標、ｙ座標に関する情報であ
ることは、第６図の時間対応から明らかである。

以上のようにしてｘ走査の半周期ごとに、光が
投射された部分の被測定対象４の稜頂点の座標が
測定される。

以上に述べた説明は凸稜、凹稜ともに成立する
ことは明らかである。また、以上の稜頂点の検出
方法については、実施例の説明のため微分処理回
路、サンプリング回路等を使用したが、一般には
ｙ座標に関する情報をｘ座標に関する情報に対し
て微分処理を行ない、微分出力の有意な変化を示
す位置のｘ座標に関する情報、ｙ座標に関する情
報を抽出、出力するものであれば良いことは当然
である。

他の実施例として、第７図にデイジタルデータ
がメモリ装置に保持されたｘ座標、ｙ座標から稜
頂点を検出する例を示す。第７図ａはｘ軸サンプ
リング回路８、ｙ軸サンプリング回路９に対応す
るｘ軸およびｙ軸のデイジタルメモリ装置に保持
記憶された内容をxy座標に丸印でプロツトした
断面形状測定の１例をあらわす。第７図ｂはその
微分、２階微分値の演算例を示すものである。変
曲点検出回路１０、ｘ座標サンプリング回路１
１、ｙ座標サンプリング回路１２に対応する機能
は以下のようにして実現される。

デイジタルメモリに記憶された、１点１点の２
次元座標データが（x_i、y_i）（ｉ＝１、…、ｍ）
とする。

いまこの配列に対して次のような演算を行な
う。

f″＝｛y_i+1＋y_i―₁―2y_i｝／｛x_i+1―x_i｝² この２階微分値がある所定の閾値を越えた点か
ら全データを領域と領域に分け、各々に含ま
れるデータ点を通過する近似直線l₁および近似直
線l₂を最小２乗法等で求め、その２直線l₁，l₂の
交点C₁の座標を稜頂点として出力することによ
つて前記の機能は実現される。

また別の場合として、現実の稜が頂点部で丸み
をもつている場合がある。このような場合、次の
ような演算を付加する。前記の領域、領域の
他に、前記２階微分値f″が所定の閾値を越えてい
る領域を曲線領域として設定し、その領域に含
まれるデータ点を通過する近似双直線（あるいは
近似放物線）等l₃を最小２乗法等で求める。この
近似曲線l₃と、前記の２直線l₁，l₂の交点C₁を通
り、直線l₁，l₂のなす角を２等分する直線l₄との
交点C₂の座標を稜頂点として出力することによ
り、稜頂点部の丸みを補正した前記の機能が実現
される。

次に第１図および第８図を用いて稜線測定動作
を説明する。

まず、被測定対象４上の測定する稜線を選択
し、検出光学系ヘツド２３を３次元に移動させる
３次元駆動機構２４の主制御装置１８に測定開始
点の概略座標と測定方向を記憶させる。主制御装
置１８は第８図に示すように、３次元駆動機構２
４を制御し、検出光学系ヘツド２３を測定点に移
動させ、測定を開始する。検出光学系ヘツド２３
は前述の断面線測定、稜頂点算出を行ない検出光
学系ヘツド２３に固定された座標系（以下センサ
座標系）における稜頂点座標x₀，y₀を出力する。
主制御装置１８は、３次元駆動機構２４に取りつ
けられたＸ軸距離測定器１９、Ｙ軸距離測定器２
０、Ｚ軸距離測定器２１の各々の値を入力し検出
光学系ヘツド２３の位置、たとえば第１図投光レ
ンズ主点Ｈの座標を算出し、さらに検出光学系ヘ
ツド２３から出力されたセンサ座標系における稜
頂点座標x₀，y₀を入力し、最終的に３次元駆動機
構に固定された座標系（以下、絶対座標系）にお
ける位置に座標変換し絶対座標系における稜頂点
座標X₀，Y₀，Z₀として表示記録装置２２に出力、
表示記録される。この座標変換は任意の座標系、
たとえば、被測定対象４に固定された座標系（以
下ワーク座標系）でもよいことはいうまでもな
い。次に主制御装置１８は指示された測定方向、
すなわち稜線ののびる方向に定ピツチ、等速度あ
るいはプログラムされた間隔で検出光学系ヘツド
２３を移動させ、再び稜頂点座標の測定をくり返
す。ここで稜頂点Ｐがセンサ座標系の原点Ｏと大
きくずれている場合、たとえばｘ軸正または負の
方向に大きくずれている場合、ｘ座標サンプリン
グ回路１１の出力は正または負の大きな値とな
る。この出力はｘ軸比較器に入力する。ｘ軸比較
器はウインドコンパレータの機能をもち、φを中
心に正負の所定の閾値を有し、入力がこの範囲内
にあるとき出力はφ、負の閾値を越えた場合は正
の所定値、正の閾値を越えた場合は負の所定の値
を一定時間の間、出力する。ｘ軸比較器１３の出
力はＸ軸駆動機構１５に入力され、それにしたが
いＸ軸駆動機構１５は一定時間、等速度で動作し
検出光学系ヘツド２３をＸ軸方向に一定の距離だ
け移動させ再び稜頂点Ｐはセンサ座標系原点Ｏの
近傍に位置するようになる。ｙ軸方向でずれてい
る場合も、ｙ座標サンプリング回路１２、ｙ軸比
較器１４、Ｙ軸駆動機構１６が同様に動作し、検
出光学系ヘツド２３を移動し稜頂点Ｐをセンサ座
標系原点Ｏの近傍に位置させる。

以上の説明で明らかなように本発明による装置
は、高度のサーボ動作を必要とせず、検出光学系
ヘツド２３の位置を段階的に調整することによつ
て稜を追尾することができ、一般に行なわれる親
サーボ、子サーボの２重サーボループを用いなく
とも充分な高速化をはかる点に特徴を有するもの
である。以上の説明において実施例の説明のた
め、ｘ軸比較器１３、ｙ軸比較器１４は独立した
もののごとく扱かつたが、主制御装置１８が直線
に稜頂点座標に関する情報を入力し、内部の判断
論理により、上記比較機能を実現し、Ｘ軸駆動機
構１５、Ｙ軸駆動機構１６を直接制御するもので
あつても良いことは当然である。以上の動作をく
り返すことにより検出光学系ヘツド２３は稜線に
追従し、稜線ののびる方向に移動してゆくことに
なる。主制御装置８は適時、Ｘ軸距離測定器１
９、Ｙ軸距離測定器２０、Ｚ軸距離測定器２１、
から各々の値を入力し、検出光学系ヘツド２３か
らはセンサ座標系における稜頂点座標x₀，y₀を入
力し、絶対座標系における稜頂点座標X₀，Y₀，
Z₀を算出し、記憶してゆき、適当な表示または記
録装置２２にプログラム等で人為的に指示された
Ｚ軸測定間隔ごとにデータを転送し、稜線３次元
座標値として記録される。

同時に、主制御装置１８は現実に稜線ののびる
方向が前述の説明のように３次元駆動機構２４の
Ｚ軸と一致せず、例えば、３次元駆動機構２４の
Ｘ軸およびＹ軸との合成方向で表現される場合は
適切な方向の駆動軸機構と同時に制御し、稜線の
のびる方向に検出光学系ヘツド２３を移動させれ
ば良い。

また主制御装置１８はｘ走査が稜線を直角に切
断されるごとく投射されない場合、あるいは投射
光軸と稜線部の法線が大きく傾むいて投射光が稜
の片側を照射しなくなつた場合等を以前に測定し
た稜頂点座標の変化の傾向から状態を判断し、検
出ヘツド２３をつけた２軸回転機構２６を駆動し
再び前記の機能をくり返してゆけばよい。

このように本発明は、任意の３次元形状物体の
稜線を非接触で探り出し、自動的に追従しながら
稜線の３次元座標値の非接触自動測定が可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す図、第２図は光
点位置検出器７の例を示すもので、同図ａは差動
スリツト、ｂは差動フオトダイオード、ｃは差動
プリズムである。第３図は光点位置検出の機能を
説明するための図で、同図ａは光学スリツト７ａ
上の光点の移動を示す図、同図ｂは光検出器７ｂ
の出力を示す図、同図ｃは光検出器７ｂの出力を
時間微分した波形を示す図、同図ｄは微分処理回
路７ｃの出力を示す図である。第４図は光学スリ
ツト７ａ上の結像光点の軌跡を示すものである。
第５図ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆは被測定対象の位
置による投射光点Ｑの位置の変化を示す図、同図
ｇ，ｈ，ｉは、それぞれ上記ａ，ｂ，ｃに対応す
るｙ軸光偏向器の偏向角、光点位置検出装置の出
力、ｙ軸サンプリング回路の出力等をそれぞれ示
すものである。第６図ａはｘ軸偏向器２の偏向
角、ｂはｘ軸サンプリング回路８の出力、ｃはｙ
軸サンプリング回路９の出力、ｄは上記ｃの時間
微分、ｅはゼロ・クロス回路の出力、ｆはゲート
回路の出力、ｇは変曲点検出回路１０の出力をそ
れぞれ示すものである。第７図ａはｘ軸およびｙ
軸のデイジタルメモリに保持記憶された内容を
xy座標にプロツトした形状データ、同図ｂは同
図ａのデータの微分および２階微分値をそれぞれ
示すものである。第８図は検出系ヘツドを稜線の
伸びる方向に移動させる３次元駆動機構を示すも
のである。 １…細光線源、２…ｘ軸光偏向器、３…投光レ
ンズ、４…被測定対象、５…受光レンズ、６…ｙ
軸光偏向器、７…光点位置検出器、７ａ…光学ス
リツト、７ｂ…光検出器、７ｃ…微分処理回路、
８…ｘ軸サンプリング回路、９…ｙ軸サンプリン
グ回路、１０…変曲点検出回路、１１…ｘ座標サ
ンプリング回路、１２…ｙ座標サンプリング回
路、１３…ｘ軸比較器、１４…ｙ軸比較器、１５
…Ｘ軸移動機構、１６…Ｙ軸移動機構、１７…Ｚ
軸移動機構、１８…主制御装置、１９…Ｘ軸距離
測定器、２０…Ｙ軸距離測定器、２１…Ｚ軸距離
測定器、２２…表示記録装置、２３…検出光学系
ヘツド、２４…３次元駆動機構、２５…走査光の
軌跡、２６…２軸回転機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 細光線を一定幅に偏向走査して被測定対象物
   の稜線を含む領域に投射する偏向細光線投射手段
   と、前記細光線の偏向方向に垂直方向である定め
   られた角度で、前記被測定対象物からの反射光を
   集束して結像させる受光手段と、前記受光手段に
   よる結像を前記細光線の偏向方向に対し垂直の方
   向に振動せしめる結像位置振動手段と、前記細光
   線の偏向方向に所定の長さを有し、垂直方向に微
   小幅を有した領域内に前記受光手段の結像光があ
   るか否かを検出する光点位置検出手段とを有する
   検出光学系ヘツドと、 前記光点位置検出手段よりの信号を同期信号と
   して前記偏向細光線投射手段の偏向信号と前記結
   像光振動手段の振動信号をサンプリングすること
   により稜部断面線の２次元座標値を求め、その２
   次元座標値の各々の２階差分を演算し稜頂点座標
   を算出する稜線座標算出手段と、 を特徴とする稜線座標自動測定用の稜頂点検出装
   置。 ２ 細光線を一定幅に偏向走査して被測定対象物
   の稜線を含む領域に投射する偏向細光線投射手段
   と、前記細光線の偏向方向に垂直方向である定め
   られた角度で、前記被測定対象物からの反射光を
   集束して結像させる受光手段と、前記受光手段に
   よる結像を前記細光線の偏向方向に対し垂直の方
   向に振動せしめる結像位置振動手段と、前記細光
   線の偏向方向に所定の長さを有し、垂直方向に微
   小幅を有した領域内に前記受光手段の結像光があ
   るか否かを検出する光点位置検出手段とを有する
   検出光学系ヘツドと、 前記光点位置検出手段よりの信号を同期信号と
   して前記偏向細光線投射手段の偏向信号と前記結
   像光振動手段の振動信号をサンプリングすること
   により稜部断面線の２次元座標値を求め、その２
   次元座標値の各々の２階差分を演算し稜頂点座標
   を算出するセンサ座標系稜線座標算出手段と、 前記検出系ヘツドを稜線の伸びる方向に移動さ
   せる３次元駆動機構と、 前記３次元駆動機構による検出光学系ヘツドの
   移動量を測定する距離測定手段と、 前記センサ座標系稜線座標算出手段の算出結果
   と前記距離測定手段の出力とから絶対座標系にお
   ける稜線座標を算出する絶対座標系稜線座標算出
   手段と、 その絶対座標系における稜線座標を記録する記
   録手段と、 を備えたことを特徴とする稜線座標自動測定装
   置。 ３ 細光線を一定幅に偏向走査して被測定対象物
   の稜線を含む領域に投射する偏向細光線投射手段
   と、前記細光線の偏向方向に垂直方向である定め
   られた角度で、前記被測定対象物からの反射光を
   集束して結像させる受光手段と、前記受光手段に
   よる結像を前記細光線の偏向方向に対し垂直の方
   向に振動せしめる結像位置振動手段と、前記細光
   線の偏向方向に所定の長さを有し、垂直方向に微
   小幅を有した領域内に前記受光手段の結像光があ
   るか否かを検出する光点位置検出手段とを有する
   検出光学系ヘツドと、 前記光点位置検出手段よりの信号を同期信号と
   して前記偏向細光線投射手段の偏向信号と前記結
   像光振動手段の振動信号をサンプリングすること
   により稜部断面線の２次元座標値を求め、その２
   次元座標値の各々の２階差分を演算し稜頂点座標
   を算出するセンサ座標系稜線座標算出手段と、 前記検出系ヘツドの姿勢を変化させるための、
   水平、垂直面内の回転可能な２軸回転機構と、 前記検出系ヘツドを稜線の伸びる方向に移動さ
   せる３次元駆動機構と、 前記３次元駆動機構による検出光学系ヘツドの
   移動量を測定する距離測定手段と、 前記センサ座標系稜線座標算出手段の算出結果
   と前記距離測定手段の出力とから絶対座標系にお
   ける稜線座標を算出する絶対座標系稜線座標算出
   手段と、 その絶対座標系における稜線座標を記録する記
   録手段と、 以前に測定した稜頂点座標の変化の傾向から、
   稜線の伸びる方向と前記検出系ヘツドの位置関係
   を演算し、前記３次元駆動機構や前記２軸回転機
   構の動きを制御して、前記検出系ヘツドを稜線に
   追従させる主制御装置と、 を備えたことを特徴とする稜線座標自動測定装
   置。