JP2001141429A - 基線長可動型表面形状測定装置 - Google Patents
基線長可動型表面形状測定装置Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高温、高放射線等の極限環境下で対象物の表
面形状を測定するための装置を提供する。 【解決手段】 投光光学系と観測光学系を備えたセンサ
ヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角測量方
式を用いる表面形状測定装置であって、投光光学系はレ
ーザビームの投光位置すなわち基線長を調節する駆動機
構を有し、投光位置から対象物に投下されたレーザスポ
ット光の観測面における結像点が観測面の中心に来たと
きの基線長を計測することにより、対象物までの距離を
算出する方式を用いるものであり、さらにこの測定装置
は、センサヘッドを横方向に移動させるとともに投光位
置を中心とする円弧上で上下方向に移動させる機構を有
し、これら横方向と上下方向への移動によって対象物上
の測定点を二次元的にレーザビームで走査し、測定対象
物の表面形状を測定する装置。
面形状を測定するための装置を提供する。 【解決手段】 投光光学系と観測光学系を備えたセンサ
ヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角測量方
式を用いる表面形状測定装置であって、投光光学系はレ
ーザビームの投光位置すなわち基線長を調節する駆動機
構を有し、投光位置から対象物に投下されたレーザスポ
ット光の観測面における結像点が観測面の中心に来たと
きの基線長を計測することにより、対象物までの距離を
算出する方式を用いるものであり、さらにこの測定装置
は、センサヘッドを横方向に移動させるとともに投光位
置を中心とする円弧上で上下方向に移動させる機構を有
し、これら横方向と上下方向への移動によって対象物上
の測定点を二次元的にレーザビームで走査し、測定対象
物の表面形状を測定する装置。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三角測量方式を用
いる距離測定方法によって測定対象物の表面形状を測定
する装置に関する。
いる距離測定方法によって測定対象物の表面形状を測定
する装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】従来の距離測定装置に
おいては、測定対象物上のある一点までの距離をスポッ
ト的に測定している。例えば、投光光学系の投光位置を
固定し、すなわち基線長を固定長とし、対象物との距離
によって移動する観測面上の結像スポット点の変位を位
置検出素子（ＰＳＤ）又はＣＣＤリニアセンサ等の光半
導体素子によって検出することによって、対象物までの
距離を測定している。
おいては、測定対象物上のある一点までの距離をスポッ
ト的に測定している。例えば、投光光学系の投光位置を
固定し、すなわち基線長を固定長とし、対象物との距離
によって移動する観測面上の結像スポット点の変位を位
置検出素子（ＰＳＤ）又はＣＣＤリニアセンサ等の光半
導体素子によって検出することによって、対象物までの
距離を測定している。
【０００３】しかし、このような装置をロボットアーム
等のセンシング・アイ（ロボットビジョン）として用い
る場合、対象物の凹凸すなわち表面形状（例えばハンド
リング用のフック穴の位置を知るための表面形状）を解
析することができず、ロボットアームの正確なハンドリ
ングができなかった。
等のセンシング・アイ（ロボットビジョン）として用い
る場合、対象物の凹凸すなわち表面形状（例えばハンド
リング用のフック穴の位置を知るための表面形状）を解
析することができず、ロボットアームの正確なハンドリ
ングができなかった。
【０００４】これに対して、本願発明者は、先に特願平
１１−２１１８７９号において、観測光学系のセンサヘ
ッドから対象物までの距離を計測する三角測量方式を用
いる距離測定装置であって、投光光学系の投光位置すな
わち基線長を調節することのできる駆動機構を設け、投
光位置から対象物に投下されたレーザスポット光の観測
面における結像点が観測面の中心に来たときの基線長を
計測することにより、対象物までの距離を算出すること
を特徴とする基線長可動型距離測定装置を提供してい
る。この装置は、センシング部分と制御解析部分とを分
離することを可能にする装置であり、極限環境下で作業
するためのロボットアームのセンシング・アイとして用
いることのできる可能性が示唆されている。
１１−２１１８７９号において、観測光学系のセンサヘ
ッドから対象物までの距離を計測する三角測量方式を用
いる距離測定装置であって、投光光学系の投光位置すな
わち基線長を調節することのできる駆動機構を設け、投
光位置から対象物に投下されたレーザスポット光の観測
面における結像点が観測面の中心に来たときの基線長を
計測することにより、対象物までの距離を算出すること
を特徴とする基線長可動型距離測定装置を提供してい
る。この装置は、センシング部分と制御解析部分とを分
離することを可能にする装置であり、極限環境下で作業
するためのロボットアームのセンシング・アイとして用
いることのできる可能性が示唆されている。
【０００５】一方、従来の表面形状測定装置には、上述
の測定対象物上のある一点までの距離をスポット的に測
定する装置を、二次元方向に移動できる装置（例えばＸ
ＹステージまたはＸＹロボット）に装着し、測定点を二
次元的に順次移動しながら表面形状を得る方法や、表面
の一次元方向の形状を測定する装置（例えば光切断法に
よる）を、もう一方の方向に平行移動できる装置（例え
ばリニアステージまたは直動ロボット）に装着し、断面
形状を順次取り込みながら表面形状を得るようなタイプ
のものがあった。
の測定対象物上のある一点までの距離をスポット的に測
定する装置を、二次元方向に移動できる装置（例えばＸ
ＹステージまたはＸＹロボット）に装着し、測定点を二
次元的に順次移動しながら表面形状を得る方法や、表面
の一次元方向の形状を測定する装置（例えば光切断法に
よる）を、もう一方の方向に平行移動できる装置（例え
ばリニアステージまたは直動ロボット）に装着し、断面
形状を順次取り込みながら表面形状を得るようなタイプ
のものがあった。
【０００６】しかし、これらの装置は、被測定面と同じ
範囲をセンシング部分が移動できるような機械的機構を
必要とするため、装置が大型化してしまうという欠点
や、センシング部分の投光部には半導体レーザまたはＬ
ＥＤ、受光部にはＰＳＤまたはＣＣＤ等の半導体素子が
用いられているため、熱や放射線に弱く、極限環境下で
の使用は困難である、という欠点があった。
範囲をセンシング部分が移動できるような機械的機構を
必要とするため、装置が大型化してしまうという欠点
や、センシング部分の投光部には半導体レーザまたはＬ
ＥＤ、受光部にはＰＳＤまたはＣＣＤ等の半導体素子が
用いられているため、熱や放射線に弱く、極限環境下で
の使用は困難である、という欠点があった。
【０００７】そこで本発明の目的は、先に提案した基線
長可動型距離測定装置を応用し、対象物の表面形状を測
定する装置を提供することである。本発明の目的は特
に、高温、高放射線等の極限環境下で対象物の表面形状
を測定することを可能にする装置を提供することであ
る。
長可動型距離測定装置を応用し、対象物の表面形状を測
定する装置を提供することである。本発明の目的は特
に、高温、高放射線等の極限環境下で対象物の表面形状
を測定することを可能にする装置を提供することであ
る。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するた
め、本発明によれば、投光光学系と観測光学系を備えた
センサヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角
測量方式を用いる表面形状測定装置であって、前記投光
光学系はレーザビームの投光位置すなわち基線長を調節
することのできる駆動機構を有し、前記距離を計測する
方式は、前記投光位置から前記測定対象物に投下された
レーザスポット光の観測光学系での観測面における結像
点が前記観測面の中心に来たときの基線長を計測するこ
とにより、前記測定対象物までの距離を算出する方式で
あり、さらにこの表面形状測定装置は、前記センサヘッ
ドまたは観測光学系を横方向に移動または旋回動作させ
る機構と、前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させ
る機構を有し、前記横方向と上下方向への移動または旋
回動作によって前記測定対象物上の測定点を二次元的に
レーザビームでスキャンニングし、前記測定対象物の凹
凸すなわち表面形状を測定する装置、が提供される。
め、本発明によれば、投光光学系と観測光学系を備えた
センサヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角
測量方式を用いる表面形状測定装置であって、前記投光
光学系はレーザビームの投光位置すなわち基線長を調節
することのできる駆動機構を有し、前記距離を計測する
方式は、前記投光位置から前記測定対象物に投下された
レーザスポット光の観測光学系での観測面における結像
点が前記観測面の中心に来たときの基線長を計測するこ
とにより、前記測定対象物までの距離を算出する方式で
あり、さらにこの表面形状測定装置は、前記センサヘッ
ドまたは観測光学系を横方向に移動または旋回動作させ
る機構と、前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させ
る機構を有し、前記横方向と上下方向への移動または旋
回動作によって前記測定対象物上の測定点を二次元的に
レーザビームでスキャンニングし、前記測定対象物の凹
凸すなわち表面形状を測定する装置、が提供される。
【０００９】センサヘッドの一部を構成する投光光学系
は投光用レーザヘッドとレーザビーム光路変換用のプリ
ズムまたはミラーとを有し、レーザヘッドからプリズム
またはミラー上の投光位置までの距離が基線長となる。
センサヘッド上でプリズムまたはミラーの位置を直線的
に移動させることによって基線長が調節される。センサ
ヘッドの他の部分を構成する観測光学系は集光レンズを
有し、レーザヘッドからプリズムまたはミラーを経て投
光されたレーザビームは測定対象物の表面で反射して集
光レンズに入る。
は投光用レーザヘッドとレーザビーム光路変換用のプリ
ズムまたはミラーとを有し、レーザヘッドからプリズム
またはミラー上の投光位置までの距離が基線長となる。
センサヘッド上でプリズムまたはミラーの位置を直線的
に移動させることによって基線長が調節される。センサ
ヘッドの他の部分を構成する観測光学系は集光レンズを
有し、レーザヘッドからプリズムまたはミラーを経て投
光されたレーザビームは測定対象物の表面で反射して集
光レンズに入る。
【００１０】センサヘッド全体をモータと直動システム
によって横方向に移動させるか、センサヘッド全体また
はその一部分である観測光学系をモータとゴニオステー
ジによって横方向に旋回動作させ、一方、センサヘッド
全体をモータとゴニオステージによって上下方向に旋回
動作させることによって、測定対象物の表面を二次元的
にレーザビームでスキャンニングし、対象物の表面形状
を測定する。投光光学系と観測光学系は共に、光ファイ
バーを介して制御解析装置に接続されている。
によって横方向に移動させるか、センサヘッド全体また
はその一部分である観測光学系をモータとゴニオステー
ジによって横方向に旋回動作させ、一方、センサヘッド
全体をモータとゴニオステージによって上下方向に旋回
動作させることによって、測定対象物の表面を二次元的
にレーザビームでスキャンニングし、対象物の表面形状
を測定する。投光光学系と観測光学系は共に、光ファイ
バーを介して制御解析装置に接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の好まし
い実施態様を説明する。図１は本発明に係る表面形状測
定装置の一実施例におけるセンサヘッドの構造を示す斜
視図である。図２はセンサヘッドと制御解析装置からな
る本発明の表面形状測定装置を示す模式図である。制御
解析装置（37）におけるレーザ光源（28）から出力され
たレーザビームは、投光光学系リレーレンズ（35）によ
ってビーム径を絞られ、投光光学系光ファイバー（27）
に伝送される。伝搬されたレーザビームは、コリメート
レンズ（26）によって直径１mm程度のレーザビームに再
びコリメートされる。このレーザビーム（19）はレーザ
ヘッド（40）からセンサヘッドの前面にある光路変換用
プリズム（21）（これはミラーであってもよい）に向け
て投下されて光路を変え、測定対象物（17）に斜め方向
から投下される。
い実施態様を説明する。図１は本発明に係る表面形状測
定装置の一実施例におけるセンサヘッドの構造を示す斜
視図である。図２はセンサヘッドと制御解析装置からな
る本発明の表面形状測定装置を示す模式図である。制御
解析装置（37）におけるレーザ光源（28）から出力され
たレーザビームは、投光光学系リレーレンズ（35）によ
ってビーム径を絞られ、投光光学系光ファイバー（27）
に伝送される。伝搬されたレーザビームは、コリメート
レンズ（26）によって直径１mm程度のレーザビームに再
びコリメートされる。このレーザビーム（19）はレーザ
ヘッド（40）からセンサヘッドの前面にある光路変換用
プリズム（21）（これはミラーであってもよい）に向け
て投下されて光路を変え、測定対象物（17）に斜め方向
から投下される。
【００１２】観測光学系では、測定対象物（17）で乱反
射されたレーザビーム（19）を集光レンズ（29）によっ
てレーザスポット像をつくる。このスポット像は、観測
光学系リレーレンズ（30）によって、観測光学系光ファ
イバー（31）中を伝送し、ＣＣＤカメラ（32）の撮像素
子上に再び結像される。ＣＣＤカメラ（32）でとらえら
れた画像は、画像処理装置（33）の画像記憶素子に送ら
れ、演算処理される。
射されたレーザビーム（19）を集光レンズ（29）によっ
てレーザスポット像をつくる。このスポット像は、観測
光学系リレーレンズ（30）によって、観測光学系光ファ
イバー（31）中を伝送し、ＣＣＤカメラ（32）の撮像素
子上に再び結像される。ＣＣＤカメラ（32）でとらえら
れた画像は、画像処理装置（33）の画像記憶素子に送ら
れ、演算処理される。
【００１３】プリズム（21）は基線長調節用ステージ
（41）に固定されていて、ステージ（41）はボールネジ
（44）に装着されている。カップリング（42）を介して
モータ（22）によってボールネジ（44）を回転させるこ
とによってプリズム（21）がリニアガイド（46）に沿っ
て横方向に移動する。レーザヘッド（40）からプリズム
（21）上の投光位置までの距離が基線長となり、プリズ
ム（21）の位置を直線的に移動させることによって基線
長が調節される。モータ（22）は制御解析装置（37）の
中に装備されているモータコントローラ（23）によって
制御される。
（41）に固定されていて、ステージ（41）はボールネジ
（44）に装着されている。カップリング（42）を介して
モータ（22）によってボールネジ（44）を回転させるこ
とによってプリズム（21）がリニアガイド（46）に沿っ
て横方向に移動する。レーザヘッド（40）からプリズム
（21）上の投光位置までの距離が基線長となり、プリズ
ム（21）の位置を直線的に移動させることによって基線
長が調節される。モータ（22）は制御解析装置（37）の
中に装備されているモータコントローラ（23）によって
制御される。
【００１４】ここで、センサヘッドすなわち集光レンズ
（29）における集光点から測定対象物（17）までの距離
を計測する方法の原理を説明する。図３において、対象
物上の測定点ｂ（2）の位置を距離計測の基準点、すな
わち観測光学系の集光点（8）からの距離と基線長長さ
が既知の点とし、対象物上の測定点ａ（1）までの距離
を計測しようとするシステムを考える。測定点ａ（1）
にレーザー光を投下し、そのスポット像ａ（11）を観測
面（7）の中心（10）に結像させるために、リニア駆動
システムによって投光光学系の投光位置を位置ｂ（4）
から位置ａ（3）へｘだけ移動させたとする。このと
き、基線長ｂ（6）とスポット像ｃ（13）でつくる三角
形と、基線長ａ（5）とスポット像a（11）でつくる三角
形は相似であるから、集光点（8）から測定点ｂ（2）ま
での距離をｌ’、基線長ｂ（6）の長さをｋ、測定点ａ
（1）までの距離をｌ、スポット像ａ（11）が観測面中
心（10）に結像したときの基線長ａ（5）の長さを（ｋ
＋ｘ）とすると、計測しようとする距離ｌは式［1］の
ように表される。 ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’ ［1］ 式［1］より、ｌとｘはリニアな関係にあり、これによ
って三角測量方式による高精度で高速な測定距離の算出
を行うことができる。
（29）における集光点から測定対象物（17）までの距離
を計測する方法の原理を説明する。図３において、対象
物上の測定点ｂ（2）の位置を距離計測の基準点、すな
わち観測光学系の集光点（8）からの距離と基線長長さ
が既知の点とし、対象物上の測定点ａ（1）までの距離
を計測しようとするシステムを考える。測定点ａ（1）
にレーザー光を投下し、そのスポット像ａ（11）を観測
面（7）の中心（10）に結像させるために、リニア駆動
システムによって投光光学系の投光位置を位置ｂ（4）
から位置ａ（3）へｘだけ移動させたとする。このと
き、基線長ｂ（6）とスポット像ｃ（13）でつくる三角
形と、基線長ａ（5）とスポット像a（11）でつくる三角
形は相似であるから、集光点（8）から測定点ｂ（2）ま
での距離をｌ’、基線長ｂ（6）の長さをｋ、測定点ａ
（1）までの距離をｌ、スポット像ａ（11）が観測面中
心（10）に結像したときの基線長ａ（5）の長さを（ｋ
＋ｘ）とすると、計測しようとする距離ｌは式［1］の
ように表される。 ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’ ［1］ 式［1］より、ｌとｘはリニアな関係にあり、これによ
って三角測量方式による高精度で高速な測定距離の算出
を行うことができる。
【００１５】図４を参照して画像処理と制御の流れにつ
いて説明すると、測定対象物（17）に投下されたレーザ
ビームは、画像処理装置（33）における画像処理画面
（80）上でスポット像（82）のようにほぼ真円に近い形
状で結像する。まずこの像の重心位置の座標を計算し、
画面の中心（84）からのズレ量（86）を算出する。この
ズレ量（86）から、スポット像（82）の重心を画面の中
心（84）へ移動させるためのプリズム（21）の位置補正
量ｘを算出することができる。
いて説明すると、測定対象物（17）に投下されたレーザ
ビームは、画像処理装置（33）における画像処理画面
（80）上でスポット像（82）のようにほぼ真円に近い形
状で結像する。まずこの像の重心位置の座標を計算し、
画面の中心（84）からのズレ量（86）を算出する。この
ズレ量（86）から、スポット像（82）の重心を画面の中
心（84）へ移動させるためのプリズム（21）の位置補正
量ｘを算出することができる。
【００１６】このように、スポット像（82）の重心位置
が常に画面の中心（84）に来るように、スポット像のズ
レ量（86）を基線長調節用モータ（22）を制御する演算
装置（24）にフィードバックし、プリズム（21）の位置
を補正してやることにより、観測光学系とプリズム（2
1）を含む投光光学系との間でフィードバックループを
形成することができる。
が常に画面の中心（84）に来るように、スポット像のズ
レ量（86）を基線長調節用モータ（22）を制御する演算
装置（24）にフィードバックし、プリズム（21）の位置
を補正してやることにより、観測光学系とプリズム（2
1）を含む投光光学系との間でフィードバックループを
形成することができる。
【００１７】このようなフィードバックループにより、
プリズム（21）は、スポット像（82）の重心位置が常に
画面の中心（84）に来るように、測定対象物（17）上の
測定点までの距離の変化に追従して常に動いていること
になる。また、プリズム（21）の移動量（基準基線長か
らのプリズム（21）の移動量ｘ）も、演算装置（24）が
常に把握していることになる。よって、式［1］におい
て、測定点までの距離ｌは、ｌ’とｋが既知であること
から、上記のｘの値から算出することができる。
プリズム（21）は、スポット像（82）の重心位置が常に
画面の中心（84）に来るように、測定対象物（17）上の
測定点までの距離の変化に追従して常に動いていること
になる。また、プリズム（21）の移動量（基準基線長か
らのプリズム（21）の移動量ｘ）も、演算装置（24）が
常に把握していることになる。よって、式［1］におい
て、測定点までの距離ｌは、ｌ’とｋが既知であること
から、上記のｘの値から算出することができる。
【００１８】ここで再び図１に戻ると、プリズム（2
1）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイド（4
6）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘッド
（40）、および光ファイバー（27）が一体となった投光
光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）を含
む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定されてい
る。台座（60）はモータ（58）によって駆動されるゴニ
オステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着され
ている。従って、投光光学系と観測光学系はプリズム
（21）上の投光位置と集光レンズ（29）における集光点
を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に同時に旋回
移動することができる。それによってレーザビームは上
下方向に円弧状に移動する。またゴニオステージ（56）
は横方向移動用ステージ（54）に固定されていて、移動
用ステージ（54）はボールネジ（48）に装着されてい
る。カップリング（51）を介してモータ（52）によって
ボールネジ（48）を回転させることによって移動用ステ
ージ（54）がリニアガイド（50）に沿って横方向に直線
的に移動する。従って、ゴニオステージ（56）ひいては
投光光学系と観測光学系からなるセンサヘッドは横方向
にも移動することができる。これによって測定対象物
（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャン
ニングし、対象物（17）の表面形状を測定する。
1）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイド（4
6）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘッド
（40）、および光ファイバー（27）が一体となった投光
光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）を含
む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定されてい
る。台座（60）はモータ（58）によって駆動されるゴニ
オステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着され
ている。従って、投光光学系と観測光学系はプリズム
（21）上の投光位置と集光レンズ（29）における集光点
を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に同時に旋回
移動することができる。それによってレーザビームは上
下方向に円弧状に移動する。またゴニオステージ（56）
は横方向移動用ステージ（54）に固定されていて、移動
用ステージ（54）はボールネジ（48）に装着されてい
る。カップリング（51）を介してモータ（52）によって
ボールネジ（48）を回転させることによって移動用ステ
ージ（54）がリニアガイド（50）に沿って横方向に直線
的に移動する。従って、ゴニオステージ（56）ひいては
投光光学系と観測光学系からなるセンサヘッドは横方向
にも移動することができる。これによって測定対象物
（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャン
ニングし、対象物（17）の表面形状を測定する。
【００１９】図５を参照して測定対象物（17）上のスキ
ャンニングポイントの軌跡を説明する。レーザビーム
（19）の対象物（17）上への投光は、初め測定エリア
（70）の左上隅からスタートし横方向に移動して右上隅
に到達する。以下の軌跡は、テレビの走査線の軌跡と同
じように、横方向のスキャンニングが順次下方向に移動
して、最後に右下隅でスキャンニングが終了する。
ャンニングポイントの軌跡を説明する。レーザビーム
（19）の対象物（17）上への投光は、初め測定エリア
（70）の左上隅からスタートし横方向に移動して右上隅
に到達する。以下の軌跡は、テレビの走査線の軌跡と同
じように、横方向のスキャンニングが順次下方向に移動
して、最後に右下隅でスキャンニングが終了する。
【００２０】本発明の装置におけるセンサヘッドの別の
実施例を図６に示す。これは、センサヘッドを観測光学
系の集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させ
る機構とセンサヘッドを投光位置と集光点を結ぶ直線を
中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構とに
よって、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビ
ーム(19)でスキャンニングするものである。
実施例を図６に示す。これは、センサヘッドを観測光学
系の集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させ
る機構とセンサヘッドを投光位置と集光点を結ぶ直線を
中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構とに
よって、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビ
ーム(19)でスキャンニングするものである。
【００２１】図１に示したセンサヘッドと同様に、プリ
ズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイ
ド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘ
ッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった
投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）
を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定され
ている。台座（60）はモータ（61）によって駆動される
ゴニオステージ（62）に横方向に旋回動作可能に装着さ
れている。従って、センサヘッドは集光レンズ（29）に
おける集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回移動す
ることができる。それによってレーザビーム（19）は横
方向に移動する。さらにゴニオステージ（62）はモータ
（58）によって駆動されるもう一つのゴニオステージ
（56）に上下方向に旋回動作可能に装着されている。従
って、センサヘッドはプリズム（21）上の投光位置と集
光レンズ（29）における集光点を結ぶ直線を中心とする
円弧上で上下方向にも旋回移動することができる。これ
によって測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビ
ーム(19)でスキャンニングし、対象物（17）の表面形状
を測定する。このような動作によって集光レンズ（29）
における集光点から測定対象物（17）までの距離を計測
する方法の原理は、図１に示したセンサヘッドについて
図２〜図５を参照して説明した原理と同様である。ただ
し、投光位置(4)と測定対象物（17）上のスキャンニン
グポイントの軌跡との関係は図７によって示される。
ズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイ
ド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘ
ッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった
投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）
を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定され
ている。台座（60）はモータ（61）によって駆動される
ゴニオステージ（62）に横方向に旋回動作可能に装着さ
れている。従って、センサヘッドは集光レンズ（29）に
おける集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回移動す
ることができる。それによってレーザビーム（19）は横
方向に移動する。さらにゴニオステージ（62）はモータ
（58）によって駆動されるもう一つのゴニオステージ
（56）に上下方向に旋回動作可能に装着されている。従
って、センサヘッドはプリズム（21）上の投光位置と集
光レンズ（29）における集光点を結ぶ直線を中心とする
円弧上で上下方向にも旋回移動することができる。これ
によって測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビ
ーム(19)でスキャンニングし、対象物（17）の表面形状
を測定する。このような動作によって集光レンズ（29）
における集光点から測定対象物（17）までの距離を計測
する方法の原理は、図１に示したセンサヘッドについて
図２〜図５を参照して説明した原理と同様である。ただ
し、投光位置(4)と測定対象物（17）上のスキャンニン
グポイントの軌跡との関係は図７によって示される。
【００２２】本発明の装置におけるセンサヘッドのさら
に別の実施例を図８に示す。これは、観測光学系をその
集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させる機
構とセンサヘッドを投光位置と集光点を結ぶ直線を中心
とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構とによっ
て、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム
(19)でスキャンニングするものである。
に別の実施例を図８に示す。これは、観測光学系をその
集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させる機
構とセンサヘッドを投光位置と集光点を結ぶ直線を中心
とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構とによっ
て、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム
(19)でスキャンニングするものである。
【００２３】図１に示したセンサヘッドと同様に、プリ
ズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイ
ド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘ
ッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった
投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）
を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定され
ている。台座（60）はモータ（58）によって駆動される
ゴニオステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着
されている。従って、センサヘッドはプリズム（21）上
の投光位置と集光レンズ（29）における集光点を結ぶ直
線を中心とする円弧上で上下方向に旋回移動することが
できる。それによってレーザビームは上下方向に円弧状
に移動する。また、集光レンズ（29）はモータ（61）に
よって駆動されるゴニオステージ（62）に横方向に旋回
動作可能に装着されている。従って、集光レンズ（29）
は集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回移動するこ
とができる。これによって、測定対象物（17）の表面を
集光レンズ（29）の視野の中心がスキャンニングし、そ
の視野の中心にレーザスポット光がくるように基線長調
節用ステージ（41）と基線長調節用モータ(22)によって
レーザビーム(19)を移動させることによって、測定対象
物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャ
ンニングし、対象物（17）の表面形状を測定することが
できる。
ズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイ
ド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘ
ッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった
投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）
を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定され
ている。台座（60）はモータ（58）によって駆動される
ゴニオステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着
されている。従って、センサヘッドはプリズム（21）上
の投光位置と集光レンズ（29）における集光点を結ぶ直
線を中心とする円弧上で上下方向に旋回移動することが
できる。それによってレーザビームは上下方向に円弧状
に移動する。また、集光レンズ（29）はモータ（61）に
よって駆動されるゴニオステージ（62）に横方向に旋回
動作可能に装着されている。従って、集光レンズ（29）
は集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回移動するこ
とができる。これによって、測定対象物（17）の表面を
集光レンズ（29）の視野の中心がスキャンニングし、そ
の視野の中心にレーザスポット光がくるように基線長調
節用ステージ（41）と基線長調節用モータ(22)によって
レーザビーム(19)を移動させることによって、測定対象
物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャ
ンニングし、対象物（17）の表面形状を測定することが
できる。
【００２４】図８に示すセンサヘッドによる動作によっ
て集光レンズ（29）における集光点から測定対象物（1
7）までの距離を計測する方法の原理を以下に説明す
る。
て集光レンズ（29）における集光点から測定対象物（1
7）までの距離を計測する方法の原理を以下に説明す
る。
【００２５】まず、集光レンズ（29）のみを横方向に旋
回動作させることによっても、対象物（17）の表面の横
方向のスキャンニングが可能なことを、図９を参照して
説明する。集光レンズ（29）が測定対象物（17）の表面
に垂直な方向から±αの角度で旋回動作をして、その視
野にある対象物（17）の表面をスキャンニングしたとす
る。例えば、＋α旋回動作をして対象物（17）上のスポ
ット光が結像面（図４における画像処理画面（80））の
中心（84）にきたときの基線長をｃ（70）、レーザビー
ムの投光位置（73）から反射位置（75）までの距離をLc
とすると、投光角θ（72）は固定されているので、三角
形の正弦定理から、 Lc／ｓｉｎ(90o−α）＝ｃ／ｓｉｎ(90o−θ＋α） よって、 Lc／ｃｏｓα＝ｃ／ｃｏｓ(α−θ） ［2］ 同様に、−α旋回動作したときの投光位置（74）から反
射位置（76）までの距離をLd、基線長をｄ（71）とする
と、 Ld／ｃｏｓα＝ｄ／ｃｏｓ(α−θ） ［3］ よって、一般的に集光レンズ（29）のスキャン角がαの
とき、対象物（17）上のスポット光が結像面の中心（8
4）にきたときの投光位置から反射位置までの距離を
Ｌ、そのときの基線長をＤとすると、 Ｌ＝Ｄ・ｃｏｓα／ｃｏｓ(α−θ） ［4］ となり、αとθが既知であれば、ＤによってＬは一意的
に決まる。従って、投光位置から対象物（17）までの距
離Ｌは、基線長Ｄを調節することによって求めることが
できる。
回動作させることによっても、対象物（17）の表面の横
方向のスキャンニングが可能なことを、図９を参照して
説明する。集光レンズ（29）が測定対象物（17）の表面
に垂直な方向から±αの角度で旋回動作をして、その視
野にある対象物（17）の表面をスキャンニングしたとす
る。例えば、＋α旋回動作をして対象物（17）上のスポ
ット光が結像面（図４における画像処理画面（80））の
中心（84）にきたときの基線長をｃ（70）、レーザビー
ムの投光位置（73）から反射位置（75）までの距離をLc
とすると、投光角θ（72）は固定されているので、三角
形の正弦定理から、 Lc／ｓｉｎ(90o−α）＝ｃ／ｓｉｎ(90o−θ＋α） よって、 Lc／ｃｏｓα＝ｃ／ｃｏｓ(α−θ） ［2］ 同様に、−α旋回動作したときの投光位置（74）から反
射位置（76）までの距離をLd、基線長をｄ（71）とする
と、 Ld／ｃｏｓα＝ｄ／ｃｏｓ(α−θ） ［3］ よって、一般的に集光レンズ（29）のスキャン角がαの
とき、対象物（17）上のスポット光が結像面の中心（8
4）にきたときの投光位置から反射位置までの距離を
Ｌ、そのときの基線長をＤとすると、 Ｌ＝Ｄ・ｃｏｓα／ｃｏｓ(α−θ） ［4］ となり、αとθが既知であれば、ＤによってＬは一意的
に決まる。従って、投光位置から対象物（17）までの距
離Ｌは、基線長Ｄを調節することによって求めることが
できる。
【００２６】次に、集光レンズ（29）のスキャン角がα
のときの集光点から対象物（17）までの距離を求める原
理を説明する。図１０において、対象物上の測定点ｂ
（2）の位置を距離計測の基準点、すなわち集光点（8）
からの距離と基線長長さが既知の点とし、対象物上の測
定点ａ（1）までの距離を計測しようとするシステムを
考える。図３と同様に、基線長ｂ（6）とスポット像ｃ
（13）でつくる三角形と、基線長ａ（5）とスポット像a
（11）でつくる三角形は相似であるから、集光点（8）
から測定点ａ（1）までの距離ａ（15）を計測しようと
する距離ｌ、測定点ｂ（2）までの距離ｂ（16）を基準
距離ｌ’、基線長ｂ（6）の長さをｋ、基線長ａ（5）の
長さを（ｋ＋ｘ）とすると、ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’
となり、式［1］と同じになる。よって、ｌとｘはリニ
アな関係にあり、これによって三角測量方式による高精
度な測定距離の算出を行うことができる。
のときの集光点から対象物（17）までの距離を求める原
理を説明する。図１０において、対象物上の測定点ｂ
（2）の位置を距離計測の基準点、すなわち集光点（8）
からの距離と基線長長さが既知の点とし、対象物上の測
定点ａ（1）までの距離を計測しようとするシステムを
考える。図３と同様に、基線長ｂ（6）とスポット像ｃ
（13）でつくる三角形と、基線長ａ（5）とスポット像a
（11）でつくる三角形は相似であるから、集光点（8）
から測定点ａ（1）までの距離ａ（15）を計測しようと
する距離ｌ、測定点ｂ（2）までの距離ｂ（16）を基準
距離ｌ’、基線長ｂ（6）の長さをｋ、基線長ａ（5）の
長さを（ｋ＋ｘ）とすると、ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’
となり、式［1］と同じになる。よって、ｌとｘはリニ
アな関係にあり、これによって三角測量方式による高精
度な測定距離の算出を行うことができる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の装置にお
いては、センサヘッドと制御解析装置が分離・延長され
ているので、センサヘッドを耐熱・耐放射線性材料で構
成し、制御解析装置を半導体素子を含む材料で構成した
場合、センサヘッドを高温、高放射線などの極限環境下
に設置することができ、これらの環境下で作業するロボ
ットのセンシング・アイ（ロボットビジョン）として用
いることができる。
いては、センサヘッドと制御解析装置が分離・延長され
ているので、センサヘッドを耐熱・耐放射線性材料で構
成し、制御解析装置を半導体素子を含む材料で構成した
場合、センサヘッドを高温、高放射線などの極限環境下
に設置することができ、これらの環境下で作業するロボ
ットのセンシング・アイ（ロボットビジョン）として用
いることができる。
【図１】本発明に係る表面形状測定装置におけるセンサ
ヘッドの一実施例の構造を示す斜視図である。
ヘッドの一実施例の構造を示す斜視図である。
【図２】センサヘッドと制御解析装置からなる本発明の
表面形状測定装置を示す模式図である。
表面形状測定装置を示す模式図である。
【図３】本発明においてセンサヘッドから測定対象物ま
での距離を計測する方法の原理を示す模式図である。
での距離を計測する方法の原理を示す模式図である。
【図４】本発明における画像処理画面の模式図である。
【図５】図１に示すセンサヘッドを用いるときの測定対
象物上のスキャンニングポイントの軌跡を説明する模式
図である。
象物上のスキャンニングポイントの軌跡を説明する模式
図である。
【図６】本発明の装置におけるセンサヘッドの別の実施
例の構造を示す斜視図である。
例の構造を示す斜視図である。
【図７】図６に示すセンサヘッドを用いるときの測定対
象物上のスキャンニングポイントの軌跡を説明する模式
図である。
象物上のスキャンニングポイントの軌跡を説明する模式
図である。
【図８】本発明の装置におけるセンサヘッドのさらに別
の実施例の構造を示す斜視図である。
の実施例の構造を示す斜視図である。
【図９】図８に示すセンサヘッドを用いることによって
測定対象物の表面のスキャンニングが可能なことを説明
する模式図である。
測定対象物の表面のスキャンニングが可能なことを説明
する模式図である。
【図１０】図８に示すセンサヘッドを用いるときのセン
サヘッドから測定対象物までの距離を計測する方法の原
理を示す模式図である。
サヘッドから測定対象物までの距離を計測する方法の原
理を示す模式図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡 潔 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 小原 建治郎 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 多田 栄介 茨城県那珂郡東海村白方字白根２番地の４ 日本原子力研究所東海研究所内 (72)発明者 高橋 悟 秋田県秋田市金足追分字海老穴197−１ 有限会社ライトステップ内 (72)発明者 田村 雅史 秋田県南秋田郡天王町天王字長沼64 アキ タ電子株式会社内 Ｆターム(参考） 2F065 AA49 DD02 DD17 FF09 FF23 GG04 GG07 GG12 HH04 HH18 JJ03 JJ26 KK02 LL02 LL12 MM02 MM14 MM15 PP22 QQ24 QQ28 UU01 2F112 AA02 BA10 BA20 CA04 DA40 FA20 FA50 GA10
Claims (7)
- 【請求項１】 投光光学系と観測光学系を備えたセンサ
ヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角測量方
式を用いる表面形状測定装置であって、前記投光光学系
はレーザビームの投光位置すなわち基線長を調節するこ
とのできる駆動機構を有し、前記距離を計測する方式
は、前記投光位置から前記測定対象物に投下されたレー
ザスポット光の観測光学系での観測面における結像点が
前記観測面の中心に来たときの基線長を計測することに
より、前記測定対象物までの距離を算出する方式であ
り、さらにこの表面形状測定装置は、前記センサヘッド
または観測光学系を横方向に移動または旋回動作させる
機構と、前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させる
機構を有し、前記横方向と上下方向への移動または旋回
動作によって前記測定対象物上の測定点を二次元的にレ
ーザビームでスキャンニングし、前記測定対象物の凹凸
すなわち表面形状を測定する装置。 - 【請求項２】 前記スキャンニングを行う機構は、前記
センサヘッドを横方向に直線的に移動させる機構と、前
記センサヘッドを前記投光位置と前記観測光学系におけ
る集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋
回動作させる機構からなることを特徴とする、請求項１
に記載の表面形状測定装置。 - 【請求項３】 前記スキャンニングを行う機構は、前記
センサヘッドを前記観測光学系の集光点を中心とする円
弧上で横方向に旋回動作させる機構と前記センサヘッド
を前記投光位置と前記集光点を結ぶ直線を中心とする円
弧上で上下方向に旋回動作させる機構からなることを特
徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。 - 【請求項４】 前記スキャンニングを行う機構は、前記
観測光学系をその集光点を中心とする円弧上で横方向に
旋回動作させる機構と前記センサヘッドを前記投光位置
と前記集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向
に旋回動作させる機構からなることを特徴とする、請求
項１に記載の表面形状測定装置。 - 【請求項５】 前記センサヘッドを横方向に移動させる
機構はモータと直動システムを含み、前記センサヘッド
またはその一部分を横方向に旋回動作させる機構および
前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させる機構はモ
ータとゴニオステージを含むことを特徴とする、請求項
１に記載の表面形状測定装置。 - 【請求項６】 前記投光光学系は投光用レーザヘッドと
レーザビーム光路変換用のプリズムまたはミラーとを有
し、前記観測光学系は集光レンズを有することを特徴と
する、請求項１に記載の表面形状測定装置。 - 【請求項７】 前記投光光学系と観測光学系は共に光フ
ァイバーを介して制御解析装置に接続されていることを
特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32817699A JP2001141429A (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 基線長可動型表面形状測定装置 |
| US09/713,207 US6529268B1 (en) | 1999-11-18 | 2000-11-16 | Baseline length variable surface geometry measuring apparatus and range finder |
| EP00250389A EP1102087B1 (en) | 1999-11-18 | 2000-11-17 | Baseline length variable surface geometry measuring apparatus and range finder |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32817699A JP2001141429A (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 基線長可動型表面形状測定装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001141429A true JP2001141429A (ja) | 2001-05-25 |
Family
ID=18207335
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32817699A Pending JP2001141429A (ja) | 1999-11-18 | 1999-11-18 | 基線長可動型表面形状測定装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6529268B1 (ja) |
| EP (1) | EP1102087B1 (ja) |
| JP (1) | JP2001141429A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016006419A (ja) * | 2014-05-30 | 2016-01-14 | 新日鐵住金株式会社 | 溶融金属処理容器の内張り耐火物の表面形状の検出方法及びシステム |
| JP7466399B2 (ja) | 2020-07-30 | 2024-04-12 | 三菱重工業株式会社 | 光測定装置およびロボット |
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|---|---|---|---|---|
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| US7379193B2 (en) * | 2002-02-09 | 2008-05-27 | Lang Liu | Sensing device for measuring the three-dimension shape and its measuring method |
| KR100722245B1 (ko) * | 2006-03-23 | 2007-05-29 | 주식회사 고영테크놀러지 | 3차원형상 측정장치 |
| US7755770B2 (en) * | 2006-03-24 | 2010-07-13 | Schlumberger Technology Corporation | Method for mapping geometrical features with opto-electronic arrays |
| CA2597891A1 (en) | 2007-08-20 | 2009-02-20 | Marc Miousset | Multi-beam optical probe and system for dimensional measurement |
| CN102003946B (zh) * | 2010-09-02 | 2012-06-20 | 北京航空航天大学 | 一种高温三维数字图像相关测量***及其测量方法 |
| US20140368642A1 (en) * | 2013-06-17 | 2014-12-18 | General Electric Company | Lighting audit docking station device and method thereof |
| CN103394973B (zh) * | 2013-08-06 | 2015-06-03 | 山东大学 | 数字图像相关法测量高速正交切削过程应变装置及方法 |
| CN104977940A (zh) * | 2014-04-10 | 2015-10-14 | 鞍钢股份有限公司 | 一种钢板表面质量检测像机位置随动控制装置及方法 |
| US10578094B2 (en) | 2016-05-04 | 2020-03-03 | Curium Us Llc | Pump for operation in radioactive environment |
| CN106197290B (zh) * | 2016-08-24 | 2019-01-18 | 北京振兴计量测试研究所 | 基于结构光和数字散斑测量高温物***移和形变的装置 |
| CN107144851A (zh) * | 2017-04-27 | 2017-09-08 | 杭州康奋威科技股份有限公司 | 环线小车位置检测装置及方法 |
| CN108489392B (zh) * | 2018-04-11 | 2019-10-08 | 上海交通大学 | 机械臂末端重复定位精度测量装置与方法 |
| CN111751838A (zh) * | 2019-03-28 | 2020-10-09 | 上海小瞳智能科技有限公司 | 一种微型固态激光雷达及其数据处理方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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