JP2002340533A

JP2002340533A - ３次元表面形状測定方法

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Publication number: JP2002340533A
Application number: JP2001149056A
Authority: JP
Inventors: Koji Funaoka; 幸治船岡; Hiroyuki Sasai; 浩之笹井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-05-18
Filing date: 2001-05-18
Publication date: 2002-11-27
Anticipated expiration: 2021-05-18
Also published as: JP3711892B2

Abstract

(57)【要約】【課題】裏面が平面の透明な被測定物の３次元表面形
状を安定して測定できる方法を提供する。【解決手段】レーザ変位計１と、透明な被測定物２の
裏面１７に平行な平面内において被測定物２とレーザ変
位計１との相対位置を変化させる移動機構２５とを用い
て、被測定物２の表面形状を測定する３次元表面形状測
定方法において、レーザ照射器２１からのレーザ光５が
被測定物２の裏面１７に垂直に入射するように被測定物
２を配置し、移動機構２５によって被測定物２とレーザ
変位計１の相対位置を変化させながら測定点を移動し、
各測定点においてレーザ照射器２１からのレーザ光を被
測定物２の裏面より入射させ、被測定物表面１６の被測
定物内部側の面で拡散反射する反射レーザ光７のピーク
位置の変位に基づき、被測定物表面の裏面に垂直な方向
の変位量を順次測定することにより、被測定物２の表面
形状を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザ変位計を用い
た３次元形状測定方法に関し、特に、裏面が平面の透明
体の３次元表面形状を測定する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ変位計を用いた３次元形状測定は
広く一般的に用いられる技術であり、図７は、例えば、
特開平７−１４６１１３号公報に示されたレーザ変位計
の測定原理を示す図である。レーザ変位計の構造は、図
７に示すようにレーザ光を使用した三角測距法によるも
のである。このレーザ変位計は、レーザ光を被測定物で
ある物体Ａに照射するためのレーザ照射器（レーザダイ
オードなどを有するもの）２１と、物体Ａからの反射レ
ーザ光をレンズ２２を通して受光するイメージセンサ
（例えば、ＣＣＤが使用される）２３とを有するもので
ある。

【０００３】レーザ照射器２１から照射されたレーザ光
は、物体Ａの表面で拡散反射し、この反射レーザ光がレ
ンズ２２を通して、イメージセンサ２３に捉えられる。
そして、物体Ａの表面がレーザ光の照射方向に対して移
動したとき、イメージセンサ２３上に受光されている反
射レーザ光の受光位置が移動するため、この受光位置の
移動距離を測定することにより、物体Ａ表面の変位量、
すなわち物体Ａの表面形状が測定されることになる。被
測定物の３次元表面形状を捉えるには、被測定物あるい
はレーザ変位計をｘｙ方向（即ち、所定の平面内）に必
要な範囲にわたって移動させ、各点におけるＺ方向（即
ち、所定の平面に垂直な方向）のデータを取り込むこと
になる。なお、図７において、Ｓは物体Ａとレンズ２２
までの距離、Ｂは照射レーザ光の中心位置とレンズ２２
の中心位置との距離、ｆはレンズ２２とイメージセンサ
２３との距離（即ち、レンス２２の焦点距離）、ｘはレ
ンズ２２の中心位置とイメージセンサ２３上の受光位置
との距離であり、三角距離法によると、次式の関係があ
る。Ｓ／Ｂ＝ｆ／ｘ

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図８は、上述した従来
の測定方法において、被測定物が透明体の場合に、被測
定物の裏面からの反射光外乱を説明するための図であ
る。図において、１はレーザ変位計、２は裏面が平面の
透明な被測定物、２１はレーザ照射器、５はレーザ照射
器２１から出射されるレーザ光、１６は被測定物２の表
面（測定面）、１７は被測定物２の裏面、６０はレーザ
照射器２１から出射されるレーザ光５が裏面１７の被測
定物２の内部側の面で拡散反射された反射レーザ光、７
０はレーザ照射器２１から出射されるレーザ光５が被測
定物２の表面（即ち、測定面）１６で拡散反射された反
射レーザ光、８は光強度波形、２２はレンズ、２３はイ
メージセンサである。一般的に、透明体（即ち、被測定
物２）の表面には微少な凹凸がある。そのため、レーザ
照射器２１から被測定物２の表面（測定面）１６に出射
されたレーザ光５は、被測定物２の表面１６の凹凸で拡
散反射し、反射レーザ光７０が発生する。

【０００５】しかし、レーザ照射器２１から出射された
レーザ光５の大部分は、被測定物２の表面（測定面）１
６を透過し、裏面１７に到達する。そして、裏面１７に
到達したレーザ光５の大部分は、そのまま被測定物２の
外部に透過してゆくが、一部は裏面１７の被測定物側内
面で拡散反射する。裏面１７の被測定物側内面で拡散反
射した反射レーザ光６０は、外乱光としてイメージセン
サ２３に検出される。裏面１７からの拡散反射光である
反射レーザ光６０の強度が測定面１６での反射レーザ光
７よりも強い場合、誤測定する問題がある。この発明は
上記のような問題点を解消するためになされたもので、
裏面が平面の透明な被測定物の３次元表面形状を安定し
て測定できる方法を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明に係る３次元表
面形状測定方法は、レーザ照射器から出射されるレーザ
光を裏面が平面の透明な被測定物に照射すると共に、そ
の反射レーザ光をレンズで集光し、イメージセンサで受
光し、その受光した反射レーザ光のピーク位置の変位に
基づき、被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量を測
定するレーザ変位計と、被測定物の裏面に平行な平面内
において被測定物とレーザ変位計との相対位置を変化さ
せる移動機構とを用いて、被測定物の表面の形状を測定
する３次元表面形状測定方法において、レーザ照射器か
らのレーザ光が被測定物の裏面に垂直に入射するように
被測定物を配置し、移動機構により被測定物とレーザ変
位計の相対位置を変化させながら測定点を移動し、各測
定点においてレーザ照射器からのレーザ光を被測定物の
裏面より入射させ、被測定物表面の被測定物内部側の面
で反射する反射レーザ光のピーク位置の変位に基づき、
被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量を順次測定す
ることにより、被測定物の表面形状を測定するものであ
る。

【０００７】また、この発明に係る３次元表面形状測定
方法は、被測定物を透過し、被測定物以外の物で反射し
たレーザ光が、イメージセンサの視野内に入らないよう
にしたものである。

【０００８】また、この発明に係る３次元表面形状測定
方法は、測定対象点における被測定物表面の裏面に垂直
な方向の変位量データを、測定対象点の近傍測定点にお
ける被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量データの
中央値に置き換える中央値フィルタ処理を行うものであ
る。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施の形態を
図面に基づいて説明する。なお、各図間において、同一
符号は同一あるいは相当のものであることを示す。実施の形態１．図１は、実施の形態１による３次元表面
形状測定方法を説明するための図である。図において、
１はレーザ変位計、２は被測定物、２１はレーザ照射
器、５はレーザ照射器２１から出射されたレーザ光、１
６は被測定物２の表面（測定面）、１７は被測定物２の
裏面、６はレーザ照射器２１から出射されたレーザ光５
が裏面１７で拡散反射された反射レーザ光、７はレーザ
光５が被測定物２の表面（測定面）１６の被測定物内部
側の面で拡散反射された反射レーザ光、８は光強度波
形、２２はレンズ、２３はイメージセンサである。

【００１０】また、２５はレーザ変位計１を所定の平面
内でｘｙ方向に移動させるための移動機構であるＸＹス
テージであり、３次元形状を測定する際に用いる。な
お、図１では、レーザ照射器２１、レンズ２２、イメー
ジセンサ２３などで構成されたレーザ変位計１を移動機
構（ＸＹステージ）２５側に取り付けて、被測定物２の
裏面１７に平行な平面内において被測定物に対してレー
ザ変位計１を移動させる場合の構成を概念的に示してい
るが、移動機構（ＸＹステージ）２５は被測定物２の裏
面１７に平行な平面内において被測定物２とレーザ変位
計１との相対位置を変化させればよく、レーザ変位計１
を所定の位置に固定し、被測定物２を移動機構（ＸＹス
テージ）２５に取り付けて移動させる構成としてもよい
ことは言うまでもない。

【００１１】本発明に適用される被測定物２は、アクリ
ル板などの透明な材料で形成されたものであり、かつ、
測定対象面（即ち、測定面）である表面１６と対向する
裏面１７は平面である。そして、本発明による３次元表
面形状測定方法では、従来の測定方法とは異なり、図１
に示すように、被測定物２の裏面１７側をレーザ変位計
１に向けると共に、照射器２１から出射されるレーザ光
５が被測定物２の裏面１７に垂直に入射するように配置
して、被測定物２の表面形状を測定することを特徴とす
る。レーザ照射器２１から出射されたレーザ光５は、大
部分が、裏面１７と測定対象面である表面１６を透過す
るが、裏面１７および表面１６の微少な凹凸で一部が拡
散反射し、裏面１７で拡散反射された反射レーザ光６と
表面１６の被測定物内部側の面で拡散反射された反射レ
ーザ光７が発生する。

【００１２】しかし、裏面１７と表面（測定面）１６と
では、屈折効果が異なる。レーザ照射器２１から出射さ
れたレーザ光５は、裏面１７では屈折率の低い空気側か
ら屈折率の高い被測定物２（例えば、アクリル材）側に
入射するが、表面（測定面）１６では、その反対で、入
射側（即ち、被測定物内部側）が高屈折率媒質である。
図２は、屈折率が異なる媒質の境界面に入射した光の反
射と屈折を説明する図であり、図２（ａ）は、入射側の
媒質の方が屈折率が小さい場合（ｎ１＜ｎ２）を、図２
（ｂ）はその逆の場合（ｎ１＞ｎ２）を示している。な
お、ｎ１は入射側の媒質の屈折率、ｎ２は出射側の媒質
の屈折率である。

【００１３】図２（ａ）の場合、入射角ｉで入射した光
９の大部分が境界面１２を透過し、ｓｉｎ（ｉ）／ｓｉ
ｎ（ｔ）＝ｎ２／ｎ１を満たす角度ｔ方向への透過光１
０となる。しかし、図２（ｂ）の場合、即ち、入射側の
媒質の方が屈折率が大きい場合、入射角ｉが臨界角θ
（ｓｉｎθ＝ｎ２／ｎ１）よりも大きいと、光が全く透
過せずに全反射する。例えば、空気とアクリル材の場
合、臨界角θは４２°である。

【００１４】次に、に微少な凹凸がある境界面１２に光
が入射した場合について、図３で説明する。図３（ａ）
は、入射側の方が屈折率が小さい場合で、図３（ｂ）
は、入射側の方が屈折率が大きい場合である。図３
（ａ）の場合、平面部分に入射した光１４も、凹凸部分
に入射した光１５も、大部分が透過するため、反射光が
極わずかである。しかし、図３（ｂ）の場合では、凹凸
部に臨界角θ以上で入射した光は全反射し、拡散反射光
１１となる。つまり、屈折率が大きい媒質側から光が入
射した方が、凹凸による拡散反射光が強くなる。

【００１５】従って、図１のようにレーザ光５を照射す
ると、被測定物２の裏面１７で拡散反射された反射レー
ザ光６よりも、被測定物表面（測定面）１６の被測定物
内部側の面で拡散反射された反射レーザ光７の方が強く
なる。その結果、イメージセンサ２３では、表面（測定
面）１６からの反射レーザ光７の方が強く検出されるの
で、裏面１７からの反射レーザ光６による誤測定を大幅
に軽減することが可能となり、安定して、測定面の形状
を測定することができる。

【００１６】なお、図４は、イメージセンサ２３が検出
する反射レーザ光７のピーク位置から、測定面である表
面１６の高さ（即ち、被測定物２の裏面１７から表面１
６までの距離）を算出する算出式を説明するための図で
ある。図４において、ｎ：周囲の媒質に対する被測定物の屈折率の比率ｘ：レンズの中心位置とイメージセンサで検出された拡
散光のピーク位置との距離ｆ：レンズとイメージセンサとの距離Ｂ：照射レーザ光の中心位置とのレンズ中心位置との距
離ｌ：レンズから被測定物裏面までの距離ｚ：被測定物の裏面から測定面までの距離ｔ：測定面からの拡散光が裏面を透過した光の出射角度ｉ：測定面からの拡散光の裏面への入射角度である。

【００１７】屈折の法則から下記の（１）式が得られ、
幾何学的関係から下記の（２）式と（３）式が得られ
る。そして、（１）〜（３）式からｉとｔを消去し、Ｚ
について解くと（４）式が得られる。（４）式で高さＺ
（即ち、被測定物の裏面から測定面までの距離）を算出
することができる。

【００１８】

【数１】

【００１９】上述したように、実施の形態１による３次
元表面形状測定方法では、裏面が平面の透明な被測定物
の裏面側からレーザ光を照射して表面（測定面）の形状
を測定するので、裏面では低屈折率媒質側から高屈折率
媒質側にレーザ光が入射し、測定面では、逆に、高屈折
媒質側からレーザ光が入射することになる。その結果、
屈折効果の違いにより、裏面よりも測定面での拡散反射
率の方が高くなるため、裏面からの反射光で誤測定する
ことがなくなり、安定した表面形状の測定が可能とな
る。

【００２０】実施の形態２．図５は、実施の形態２によ
る３次元表面形状測定方法を説明するための図である。
図において、１はレーザ変位計、２は被測定物、２１は
レーザ照射器、５はレーザ照射器２１から出射されたレ
ーザ光、１６は被測定物２の表面（測定面）、１７は被
測定物２の裏面、６はレーザ照射器２１から出射された
レーザ光５が裏面１７で拡散反射された反射レーザ光、
７はレーザ光５が被測定物２の表面（測定面）１６の被
測定物内部側の面で拡散反射された反射レーザ光、８は
光強度波形、２２はレンズ、２３はイメージセンサ、２
５はレーザ変位計１を所定の平面内でｘｙ方向に移動さ
せるための移動機構（ＸＹステージ）である。

【００２１】また、１８は被測定物２を透過したレーザ
光、１９は被測定物２を透過したレーザ光１８が被測定
物以外のもので反射された反射レーザ光、２０は被測定
物２を固定する固定用部材である。なお、図５では、レ
ーザ変位計１を移動機構（ＸＹステージ）２５側に取り
付けて、被測定物２の裏面１７に平行な平面内において
被測定物に対してレーザ変位計１を移動させる場合の構
成を概念的に示しているが、実施の形態１の場合と同様
に、移動機構（ＸＹステージ）２５は被測定物２の裏面
１７に平行な平面内において被測定物２とレーザ変位計
１との相対位置を変化させればよく、レーザ変位計１を
所定の位置に固定し、被測定物２を固定する固定用部材
２０を移動機構（ＸＹステージ）２５に取り付けて移動
させる構成としてもよいことは言うまでもない。

【００２２】本実施の形態による３次元表面形状測定方
法では、被測定物２を透過したレーザ光１８の被測定物
２以外のもの（例えば、固定用部材２０）で反射された
反射レーザ光１９が、イメージセンサの視野２４の中に
入らないように、被測定物２の表面（測定面）１６と固
定用部材２０などとの間に十分な空間を設けたことを特
徴とする。このように被測定物２を配置したことによ
り、被測定物２を透過したレーザ光１８が被測定物以外
のもの（例えば、固定用部材２０）で拡散反射し、外乱
光である反射レーザ光１９が発生しても、反射レーザ光
１９はイメージセンサ２３の視野２４の外にあり、反射
レーザ光１９はイメージセンサ２３によって検出される
ことはない。従って、被測定物２を透過したレーザ光１
８の反射光外乱の影響をによる誤測定を防止することが
可能となり、安定した表面形状の３次元計測が行える。

【００２３】実施の形態３．図６は、実施の形態３によ
る３次元表面形状測定方法に用いられる中央値フィルタ
（メディアンフィルタとも称す）のウィンドの一例を示
す図である。前述した実施の形態１あるいは２による３
次元表面形状測定方法では、移動機構（ＸＹステージ）
２５によって、被測定物２に対してレーザ変位計１を、
被測定物２の裏面１７に平行な平面内においてｘｙ方向
に相対的に移動できる構造になっている。従って、例え
ば、ｘｙ面に平行な面内においてｎ×ｍの碁盤の目状に
測定点を設定し、各測定点において、被測定物２の裏面
から表面（測定面）までの高さ（切り）を測定すること
で、３次元表面形状が測定できる。測定データの中に
は、被測定物の裏面に付着した異物等の影響で突発的に
誤測定したデータが含まれることがある。

【００２４】本実施の形態による３次元表面形状測定方
法では、測定データを中央値フィルタ処理することに
り、上述のような問題点を解決することを特徴としてい
る。図６の例では、中央値フィルタのウィンドは３×３
であり、対象測定点の値ｚ（ｉ，ｊ）は、その値とその
近傍８点の合計９点のデータを並べ替え、中央値を対象
点の値と置き換える。なお、対象測定点の値ｚ（ｉ，
ｊ）とは、ｘｙ平面（被測定物２の裏面１７に平行な
面）のｘ＝ｉ、ｙ＝ｊにおける被測定物２の裏面１７か
ら表面（測定面）１６までの距離である。このような中
央値フィルタ処理を行うことによって、被測定物２の裏
面１７に付着した異物等の影響で突発的に発生した異常
データについても、周囲の正常なデータで置き換えられ
るため、信頼性の高い３次元形状測定結果が得られる。

【００２５】本実施の形態では、３×３の中央値フィル
タを用いたが、さらに異常値除去効果が要求される場合
は、５×５のようにより大きなウィンドの中央値フィル
タを用いても良い。また、本実施例では、被測定物がア
クリルの場合について説明したが、例えばガラスについ
ても、屈折率が１．５程度と空気よりも大きいため、同
様に３次元形状測定が可能である。以上説明したよう
に、実施の形態３による３次元表面形状測定方法では、
実施の形態１あるいは２による３次元表面形状測定方法
により測定した結果データを、隣接あるいは近傍の測定
データの中央値に置き換える中央値フィルタ処理をする
ことによって、付着した異物等で突発的に誤測定したデ
ータを除去することが可能となり、より安定した３次元
表面形状測定を行うことができる。

【００２６】

【発明の効果】この発明による３次元表面形状測定方法
によれば、レーザ照射器から出射されるレーザ光を裏面
が平面の透明な被測定物に照射すると共に、その反射レ
ーザ光をレンズで集光し、イメージセンサで受光し、そ
の受光した反射レーザ光のピーク位置の変位に基づき、
被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量を測定するレ
ーザ変位計と、被測定物の裏面に平行な平面内において
被測定物とレーザ変位計との相対位置を変化させる移動
機構とを用いて、被測定物の表面の形状を測定する３次
元表面形状測定方法において、レーザ照射器からのレー
ザ光が被測定物の裏面に垂直に入射するように被測定物
を配置し、移動機構により被測定物とレーザ変位計の相
対位置を変化させながら測定点を移動し、各測定点にお
いてレーザ照射器からのレーザ光を被測定物の裏面より
入射させ、被測定物表面の被測定物内部側の面で反射す
る反射レーザ光のピーク位置の変位に基づき、被測定物
表面の裏面に垂直な方向の変位量を順次測定することに
より、被測定物の表面形状を測定するので、透明な被測
定物の裏面での拡散反射光よりも表面（即ち、測定面）
での拡散反射光の方が強くなり、裏面からの拡散反射光
で誤測定することを防止することが可能となり、透明な
被測定物の３次元表面形状を安定して測定するができ
る。

【００２７】また、この発明による３次元表面形状測定
方法によれば、被測定物を透過し、前記被測定物以外の
物で反射したレーザ光が、イメージセンサの視野内に入
らないようにしたので、被測定物を透過したレーザ光１
８の反射光外乱の影響をによる誤測定を防止することが
可能となり、透明な被測定物の３次元表面形状を安定し
て測定するができる。

【００２８】また、この発明による３次元表面形状測定
方法によれば、測定対象点における被測定物表面の裏面
に垂直な方向の変位量データを、測定対象点の近傍測定
点における被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量デ
ータの中央値に置き換える中央値フィルタ処理を行うの
で、被測定物の裏面に付着した異物等で突発的に誤測定
したデータを除去することが可能となり、より安定し
て、透明な被測定物の３次元表面形状を測定するができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１による３次元表面形状測定方法
を説明するための図である。

【図２】屈折率の異なる媒質の境界面に入射した光の
屈折と反射を説明するための図である。

【図３】微少凹凸を有した面に入射した光の反射を説
明する図である。

【図４】被測定物の裏面から測定面である表面までの
距離を算出する算出式を説明するための図である。

【図５】実施の形態２による３次元表面形状測定方法
を説明するための図である。

【図６】実施の形態２による３次元表面形状測定方法
で用いられる中央値フィルタを説明するための図であ
る。

【図７】レーザ変位計の測定原理を示す図である。

【図８】透明体の表面形状測定時の裏面からの反射光
外乱を説明するための図である。

【符号の説明】

１レーザ変位計２被測定物５レーザ照射器から出射されるレーザ光６被測定物裏面で反射された反射レーザ光７被測定物表面の被測定物内部側の面で反射された反
射レーザ光８光強度波形９入射光１０透過光１１反射光１２境界面１３凹凸１４平面部分に入射した光１５凹凸部分に
入射した光１６表面（測定面）１７裏面１８被測定物を透過したレーザ光１９被測定物以外のもので反射されたの反射レーザ光２０被測定物の固定用部材２１レーザ照射
器２２レンズ２３イメージセ
ンサ２４イメージセンサの視野２５移動機構
（ＸＹステージ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA04 AA55 BB22 DD03 FF23 FF41 GG04 HH04 HH13 JJ03 JJ09 JJ26 MM02 MM13 PP03 PP12 QQ04 QQ24 QQ31 2F112 AA08 BA20 CA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ照射器から出射されるレーザ光を
裏面が平面の透明な被測定物に照射すると共に、その反
射レーザ光をレンズで集光し、イメージセンサで受光
し、その受光した反射レーザ光のピーク位置の変位に基
づき、被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量を測定
するレーザ変位計と、前記被測定物の裏面に平行な平面
内において前記被測定物と前記レーザ変位計との相対位
置を変化させる移動機構とを用いて、前記被測定物の表
面の形状を測定する３次元表面形状測定方法において、前記レーザ照射器からのレーザ光が前記被測定物の裏面
に垂直に入射するように前記被測定物を配置し、前記移動機構により前記被測定物と前記レーザ変位計の
相対位置を変化させながら測定点を移動し、各測定点に
おいて前記レーザ照射器からのレーザ光を前記被測定物
の裏面より入射させ、前記被測定物表面の被測定物内部
側の面で反射する反射レーザ光のピーク位置の変位に基
づき、被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位量を順次
測定することにより、被測定物の表面形状を測定するこ
とを特徴とする３次元表面形状測定方法。
【請求項２】被測定物を透過し、前記被測定物以外の
物で反射したレーザ光が、イメージセンサの視野内に入
らないようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３
次元表面形状測定方法。
【請求項３】測定対象点における被測定物表面の裏面
に垂直な方向の変位量データを、前記測定対象点の近傍
測定点における被測定物表面の裏面に垂直な方向の変位
量データの中央値に置き換える中央値フィルタ処理を行
うことを特徴とする請求項１または２に記載の３次元表
面形状測定方法。