JP2680224B2 - 立体形状検出方法およびその装置 - Google Patents

立体形状検出方法およびその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、三角測量法に基づいて
被検出物までの距離を光学的に測定することによって、
被検出物の３次元形状を検出する立体形状検出方法およ
びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】被検出物の３次元形状を光学的に検出す
る従来技術として、図２３に示すように、被検出物１の
表面に多数の光点ＬＳよりなる光パターンが形成される
ように投光装置２により光ビームを投射するとともに、
光ビームの投射方向とは異なる方向から各光点ＬＳの像
をテレビカメラのように２次元の位置情報が得られる検
出装置３によって撮像し、各光点ＬＳの受光面での結像
位置と、既知の距離に設定した仮想平面上に形成される
基準の光点の受光面での結像位置との相対関係に基づい
て、被検出物の表面の形状を検出することが考えられて
いる（特公平４−７８０６号公報参照）。
【０００３】上述したような、被検出物１の表面に２次
元的に多数の光点ＬＳを形成する従来技術では、各光点
ＬＳを区別する情報が存在しないから、被検出物１が検
出装置３の一つの視線上に複数の光点ＬＳが並ぶような
表面形状を有しているときには、どの光点ＬＳの像であ
るのかを識別することができず、結果的に光点ＬＳまで
の距離が計測できないことになる。このような問題を解
決しようとすれば、隣接する光点ＬＳの間隔を大きくす
ることが考えられるが、光点ＬＳの間隔が大きくなるほ
ど被検出物１の表面上での単位面積当たりの測定点の数
が減少して形状の検出精度が低下することになる。ま
た、検出装置３としてテレビカメラを用いているから、
受光面の面積を大きくすることは技術的に限界があり、
目的に応じて受光面の大きさを変えることはできない。
すなわち、被測定物１の測定範囲に応じて受光面の大き
さを設定することができないから、被測定物１の測定範
囲が広くなるほど、被測定物１と仮想平面との距離差に
対する光点ＬＳの変位量の比が小さくなり、結果的に、
分解能や測定精度が低下することになる。
【０００４】一方、被検出物１の表面で点状の光パター
ン（光点）を走査することによって被検出物１の立体形
状を検出する従来技術もある。一つの光点を走査すれ
ば、検出装置３の視線上で複数の光点が重なるという問
題は発生しないから、形状の検出精度は高くなる。一つ
の光点を走査し、かつ、比較的広い測定面積に対応する
従来技術としては、図２４に示すように、被検出物１か
らの反射光を投光装置２から被検出物１に投射する光ビ
ームの走査に同期するように偏向させた後に検出装置３
に導入することが考えられている（米国特許第４，６２
７，７３４号）。光ビームと反射光とを同期させて偏向
する構成としては、固定的に配置された投射鏡Ｍ1 およ
び検出鏡Ｍ2 に多面体鏡Ｍ3 の異なる２面を対面させ、
多面体鏡Ｍ3 を回転させるものや、多面体鏡Ｍ3 を用い
ずに投射鏡Ｍ1 および検出鏡Ｍ2 を揺動させるものなど
が考えられている。
【０００５】しかしながら、上記技術を採用するには、
光学系に可動な反射鏡を設ける必要があり、かつ、投射
光および反射光を各反射鏡Ｍ1 〜Ｍ3 によって同期させ
て偏向する必要があるから、光学系の構成が複雑になる
という問題が生じる。また、被検出物１の測定面積に応
じて検出装置３の受光面の面積を容易に設計変更するこ
とができる構成として、図２５に示すように、光点の像
である受光パターンの移動方向の一直線上に検知エレメ
ント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hとして光ファイバ
３６の光導入面を２列に並べるとともに、各検知エレメ
ント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hを各列ごとに８群
に分割し、各群ごとに光合波器である出力エレメント３
４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hに光結合した構成もある
（特開昭６４−２０４０９号公報）。各出力エレメント
３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hは光電素子に結合さ
れ、光点の像である受光パターンが形成された検知エレ
メント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hの位置に対応す
る電気信号が得られるようになっている。
【０００６】この構成では、受光パターンの移動方向に
直交する方向の各行をそれぞれ区別できるように、各行
に属する検知エレメント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３
7Hに対応する出力エレメント３４0L〜３４7L，３４0H〜
３４7Hの組み合わせを各行ごとに異ならせている。たと
えば、図２５では左列と右列との各検知エレメント３３
0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hがそれぞれ８個の出力エレ
メント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hに光結合されて
いるのであって、各出力エレメント３４0L〜３４7L，３
４0H〜３４7Hに対応する各検知エレメント３３0L〜３３
7L，３３0H〜３３7Hにそれぞれ０〜７までのコードが付
与するとすれば、右列では０〜７のコードの検知エレメ
ント３３0L〜３３7Lが循環的に配列され、左列の各検知
エレメント３３0H〜３３7Hは、右列における０〜７の検
知エレメント３３0L〜３３7Lの一巡ごとにのコードが１
ずつ変わるように配列されるのである。したがって、受
光パターンの移動方向（図の上下方向）に直交する各行
は、００〜７７までの６４通りのコードが付与されるこ
とになり、各別に識別できることになる。
【０００７】要するに、右列と左列とにそれぞれ対応す
る出力エレメント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hのう
ち受光パターンを検出したものの組み合わせによって、
どの位置に受光パターンが形成されているかを特定でき
る。この構成では、６４位置を特定するために１６個の
出力エレメント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hがあれ
ばよく、また、被検出物１の測定面積に応じて検知エレ
メント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hおよび出力エレ
メント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hの個数を増減さ
せて設計を容易に変更することができるものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、検知エレメ
ント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hと出力エレメント
３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hとを用いた上記構成で
は、被検出物１の測定面積に応じて設計を容易に変更す
ることができるとはいうものの、測定面積が大きくなれ
ば出力エレメント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hの個
数が多くなるという問題がある。すなわち、被検出物１
の測定面積を広げるために受光パターンの移動方向の長
さを長くすると、コードの数を増やすことが必要になっ
て、出力エレメント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hの
個数も増加するという問題が生じるのである。
【０００９】本発明は上記問題点の解決を目的とするも
のであり、被検出物の測定面積が大きくても形状の検出
精度や測定精度を高くすることができる立体形状検出方
法を提供し、また、被検出物の測定面積が大きくても受
光素子の個数を増やすことなく対応することができるよ
うにした立体形状検出装置を提供しようとするものであ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、被検出物の表面に光ビームを投
射して被検出物の表面上で光パターンを移動させ、光パ
ターンを投射方向とは異なる方向から観測し光パターン
の像として受光面に形成した受光パターンの位置に基づ
いて被検出物の表面の立体形状を検出する方法におい
て、受光面を多数の検知域に分割し、各検知域を既定の
複数の出力群のいずれかに対応付けて、既定の基準面に
対する被検出物の表面の変位量に応じて受光パターンが
変位する方向に並ぶ検知域を、検知域に対応する出力群
が循環するように配列し、基準面への光ビームの各投射
位置に対応した各受光パターンが形成される検知域をそ
れぞれ基準域とし、被検出物の表面に同じ投射位置の光
ビームを投射したときに受光パターンが形成される検知
域の範囲を、基準域を含みかつ各出力群に対応付けた検
知域が一巡する範囲以内に制限し、この制限範囲内で受
光パターンが形成された検知域に対応する出力群を求め
ることによって、光ビームの投射位置と出力群とに基づ
いて受光パターンが形成されている検知域を特定し、特
定した検知域と基準域との相対位置に基づいて光ビーム
の各投射位置に対応した被検出物の表面の基準面からの
変位量を求めるのである。
【００１１】請求項２の発明は、被検出物の表面に光ビ
ームを投射して被検出物の表面上で光パターンを移動さ
せ、光パターンを投射方向とは異なる方向から観測し光
パターンの像として受光面に形成した受光パターンの位
置に基づいて被検出物の表面の立体形状を検出する方法
において、受光面を多数の検知域に分割して、基準面に
対する被検出物の表面の変位量に応じて受光パターンが
変位する方向の一直線上に多数の検知域を配列するとと
もに、その列方向に直交する方向でかつ互いに平行に複
数列の検知域を配列し、各検知域を各列ごとに既定した
出力群のいずれかに対応付けて列方向に直交する方向に
並ぶ各検知域に対応する出力群の組にコードを付与して
列方向において所定個数ずつ循環するように各列の検知
域を配列し、列方向に直交する方向に並ぶ検知域に跨が
るように受光パターンを形成するとともに、基準面への
光ビームの各投射位置に対応した各受光パターンが形成
される検知域の組をそれぞれ基準域とし、被検出物の表
面に同じ投射位置の光ビームを投射したときに受光パタ
ーンが形成される検知域の組の範囲を、基準域を含みか
つ各出力群の組に対応付けた検知域の組が一巡する範囲
以内に制限し、この制限範囲内で受光パターンが形成さ
れた検知域の組に対応する出力群の組を求めることによ
って、光ビームの投射位置と出力群の組とに基づいて受
光パターンが形成されている検知域の組を特定し、特定
した検知域の組と基準域との相対位置に基づいて光ビー
ムの各投射位置に対応した被検出物の表面の基準面から
の変位量を求めるのである。
【００１２】請求項３の発明は、請求項１または請求項
２の発明において、被検出物の表面の主要面に基準面を
設定し、被検出物の主要面に対する凹凸形状に基づい
て、基準域に対する検知域の制限範囲を決定することを
特徴としている。請求項４の発明は、請求項１または請
求項２の発明において、制限範囲に相当する検知域以外
の検知域への入射光を遮光することを特徴としている。
【００１３】請求項５の発明は、請求項１の発明におい
て、基準面に対する被検出物の表面の変位量に応じて受
光パターンが変位する方向の一直線上に多数の検知域を
列設するとともに、その列方向に交差する方向に多数列
の検知域を列設して、少なくとも列方向では対応する出
力群が循環するように配列し、点状の光パターンを被検
出物の表面上で互いに交差する２方向に走査することを
特徴としている。
【００１４】請求項６の発明は、請求項１記載の発明に
おいて、基準面に対する被検出物の表面の変位量に応じ
て受光パターンが変位する方向の一直線上に多数の検知
域を列設するとともに、その列方向に交差する方向に多
数列の検知域を列設して、少なくとも列方向では対応す
る出力群が循環するように配列し、被検出物の表面上で
スリット状の光パターンを走査してスリット状の受光パ
ターンを列方向に移動させることを特徴としている。
【００１５】請求項７の発明は、請求項５または請求項
６の発明において、各走査方向に対応する受光パターン
の移動方向にそれぞれ検知域を列設し、列方向に交差す
る方向に並ぶ検知域は対応する出力群を同一としたこと
を特徴とする。請求項８の発明は、請求項５または請求
項６の発明において、各走査方向に対応する受光パター
ンの移動方向にそれぞれ検知域を列設し、各検知域につ
いて列方向に交差する方向では列方向とは別に既定した
複数の出力群のいずれかに対応付けたことを特徴とす
る。
【００１６】請求項９の発明は、請求項５または請求項
６の発明において、各走査方向に対応する受光パターン
の移動方向にそれぞれ検知域を列設し、列方向の各一列
の検知域についてそれぞれ別の出力群を既定したことを
特徴とする。請求項１０の発明は、請求項６ないし請求
項９の発明において、受光パターンが形成されている検
知域を含む列方向の一つの直線上に並ぶ検知域以外への
入射光を遮光することを特徴とする。
【００１７】請求項１１の発明は、請求項１ないし請求
項１０の発明において、各投射位置における光ビームの
投射方向は互いに平行とされて成ることを特徴とする。
請求項１２の発明は、立体形状検出装置の発明であっ
て、被検出物の表面に光ビームを投射して被検出物の表
面上で互いに交差する２方向に点状の光パターンを走査
する投光装置と、光パターンを投射方向とは異なる方向
から受光レンズを通して観測し光パターンの像として受
光面に形成した受光パターンの位置を検出する位置検出
センサを備えた検出装置と、検出装置により検出した受
光パターンの位置に基づいて被検出物の表面の立体形状
を検出する演算処理部とを備える立体形状検出装置にお
いて、位置検出センサは既定の基準面に対する被検出物
の表面の変位量に応じて受光パターンが変位する方向の
一直線上に並ぶ多数の検知エレメントを備え、その方向
の各検知エレメントは配列方向に沿って複数の出力エレ
メントに順次循環的に対応付けられていて、受光パター
ンの形成された検知エレメントに対応する出力エレメン
トを通して受光パターンの位置情報を演算処理部に入力
し、演算処理部は、基準面への光ビームの各投射位置に
対応した各受光パターンが形成される検知エレメントを
それぞれ基準エレメントとして記憶する基準位置記憶部
と、被検出物の表面に同じ投射位置の光ビームを投射し
たときに受光パターンが形成される検知エレメントの範
囲を、基準エレメントを含みかつ各出力エレメントに対
応付けた検知エレメントが一巡する範囲以内に制限する
検出領域設定部と、この制限範囲内で受光パターンが形
成された検知エレメントに対応する出力エレメントを求
めて、光ビームの投射位置と出力エレメントとに基づい
て受光パターンが形成されている検知エレメントを特定
し、特定した検知エレメントと基準エレメントとの相対
位置に基づいて光ビームの各投射位置に対応した被検出
物の表面の基準面からの変位量を求める距離変換部とを
備えるのである。
【００１８】請求項１３の発明は、請求項１２の発明に
おいて、各検知エレメントは、受光面の面内において配
列方向に直交する方向の寸法が配列方向の寸法よりも大
きい細長形状に形成されていて、光パターンの全走査範
囲に亙って受光パターンが入射されることを特徴とする
のである。請求項１４の発明は、請求項１２の発明にお
いて、受光レンズは、検知エレメントの配列方向に沿っ
て湾曲する曲面を有したシリンドリカルレンズであるこ
とを特徴とする。
【００１９】請求項１５の発明は、請求項１２の発明に
おいて、位置検出センサの受光面の前方に配設した反射
鏡を通して受光パターンを受光面に形成するように、光
ビームの投射位置に連動して反射鏡を揺動させる受光用
偏向装置を設けたことを特徴とする。請求項１６の発明
は、基準面を受光レンズの光軸に直交するように設定
し、検知エレメントの配列方向における基準面の上での
視野の長さと受光レンズの倍率との積を、一巡当たりの
検知エレメントの個数と各検知エレメントの間の配列ピ
ッチとの積で除算して求めた循環回数で、検知エレメン
トを配列したことを特徴とする。
【００２０】
【作用】請求項１の方法では、受光面を多数の検知域に
分割し、各検知域を既定の複数の出力群のいずれかに対
応付けて、既定の基準面に対する被検出物の表面の変位
量に応じて受光パターンが変位する方向に並ぶ検知域
を、検知域に対応する出力群が循環するように配列した
ことによって、少数の出力群に多数の検知域を対応付け
ることが可能になる。この場合に、同じ出力群の検知域
を含まない範囲内に制限すれば、受光パターンが形成さ
れている検知域を特定することが可能である。すなわ
ち、基準面への光ビームの各投射位置に対応した各受光
パターンが形成される検知域をそれぞれ基準域とし、被
検出物の表面に同じ投射位置の光ビームを投射したとき
に受光パターンが形成される検知域の範囲を、基準域を
含みかつ各出力群に対応付けた検知域が一巡する範囲以
内に制限するのである。この方法を採用したことによっ
て、基準域に対して受光パターンが形成されている検知
域との相対位置を求めることができ、被検出物の表面の
基準面からの変位量を求めることができるのである。ま
た、被検出物の表面の基準面からの最大変位量に応じて
出力群が一巡する検知域の寸法を設定し、変位量に関す
る分解能に応じて単位長さ当たりの出力群の個数を設定
すれば、必要に応じて測定レンジや分解能を設定するこ
とができる。
【００２１】請求項２の方法によれば、受光パターンの
移動方向に直交する方向において検知域を互いに平行に
なるように複数列に配列するとともに、受光パターンを
検知域の複数列に跨がるように形成するから、受光パタ
ーンの移動方向に直交する方向に並ぶ検知域の組み合わ
せによって、検知域の位置が特定されることになる。す
なわち、循環的に配列されている検知域の一巡当たりの
個数を多くして、測定レンジや分解能を高くとることが
できるようにしながらも、出力群を組み合わせて用いる
ことによって、比較的少数の出力群に多数の検知域を対
応付けることが可能になる。
【００２２】請求項３の方法によれば、被検出物の表面
の主要面に基準面を設定し、被検出物の主要面に対する
凹凸形状に対応するように基準域に対する検知域の制限
範囲を決定しているから、被検出物の表面形状に応じた
最大の測定レンジで立体形状を検出することが可能にな
る。請求項４の方法によれば、制限範囲に相当する検知
域以外の検知域への入射光を遮光することによって、外
乱光の影響を除去することができ、誤測定の可能性を低
減できることになる。
【００２３】請求項５の方法によれば、検知域を面上に
配列し、かつ点状の光パターンを被検出物の表面上で互
いに交差する２方向に走査することによって、被検出物
の表面を面として検出し、この面についての立体形状を
検出できることになる。請求項６の方法によれば、検知
域を面上に配列し、かつスリット状の光パターンを被検
出物の表面上で走査することによって、点状の光パター
ンを走査する場合に比較して被検出物の表面の立体形状
を短時間で検出することが可能になるのである。
【００２４】請求項７の方法によれば、各走査方向に対
応する受光パターンの移動方向にそれぞれ検知域を列設
し、列方向に交差する方向に並ぶ検知域は対応する出力
群を同一としているから、面上に検知域を配列しながら
も、少数の出力群に対応付けることが可能になる。請求
項８の方法によれば、各走査方向に対応する受光パター
ンの移動方向にそれぞれ検知域を列設し、各検知域につ
いて列方向に交差する方向では列方向とは別に既定した
複数の出力群のいずれかに対応付けているから、検知域
の各配列方向について受光パターンの位置を特定するこ
とができ、請求項７に比較して受光パターンの位置を検
出する処理が簡単になる。
【００２５】請求項９の方法によれば、各走査方向に対
応する受光パターンの移動方向にそれぞれ検知域を列設
し、列方向の一列の検知域についてそれぞれ別の出力群
を設定しているから、列方向に交差する方向については
各並びごとに受光パターンの位置を特定でき、受光パタ
ーンの位置の特定が一層容易になる。また、列方向に交
差する方向については複数の検知域に跨がって受光パタ
ーンが形成されていても特定することができるから、請
求項６の方法と結合すれば、被検出物の表面の立体形状
をさらに短時間で検出できることになる。
【００２６】請求項１０の方法によれば、受光パターン
が形成されている検知域を含む列方向の一つの直線上に
並ぶ検知域以外への入射光を遮光することによって、外
乱光の影響を受けにくくすることができ、結果的に誤測
定の可能性を低減できるのである。請求項１１の方法に
よれば、各投射位置における光ビームの投射方向が互い
に平行になっているから、被検出物の表面への光ビーム
の入射角が投射位置にかかわらず一定になり、変位の演
算が容易になるのである。
【００２７】請求項１２の構成は、請求項１の方法に対
応する装置であって、多数の検知エレメントを用いて広
範囲かつ高精度に立体形状を検出しながらも、少数の出
力エレメントからの出力を処理するだけであるから、構
成が簡単になるとともに、演算処理も容易になるのであ
る。請求項１３の構成によれば、各検知エレメントを、
受光面の面内において配列方向に直交する方向の寸法が
配列方向の寸法よりも大きい細長形状に形成しているか
ら、点状の光パターンを被検出物の表面上で２方向に走
査する場合であっても、１列の検知エレメントのみによ
って受光パターンの位置を検出することができるのであ
る。
【００２８】請求項１４の構成によれば、検知エレメン
トの配列方向に沿って湾曲する曲面を有したシリンドリ
カルレンズを受光レンズとして用いるから、点状の光パ
ターンを被検出物の表面上で２方向に走査する場合であ
っても、１列の検知エレメントで対応することができ、
また、受光レンズとしてシリンドリカルレンズを用いる
だけであるから、被検出物の表面を面として検出しなが
らも、受光光学系の構成を簡単なものとすることができ
る。
【００２９】請求項１５の構成によれば、位置検出セン
サの受光面の前方に配設した反射鏡を光ビームの投射位
置に連動して揺動させることによって、検知エレメント
に受光パターンを形成するものであるから、点状の光パ
ターンを被検出物の表面上で２方向に走査する場合であ
っても、１列の検知エレメントで対応することができる
のである。
【００３０】請求項１６の構成では、検知エレメントの
配列方向における基準面の上での視野の長さと受光レン
ズの倍率との積を、一巡当たりの検知エレメントの個数
と各検知エレメントの間の配列ピッチとの積で除算して
検知エレメントの循環回数を求めるのであって、視野と
して要求される範囲と分解能とに基づいて位置検出セン
サの全長を決定することができる。すなわち、検知エレ
メントの個数を上述のように決定することによって、要
求されるた測定レンジや分解能を満たすように位置検出
センサを設計することが可能になる。
【００３１】
【実施例】以下に、図面を参照して本発明方法を適用し
た装置の実施例を例示的に説明する。ただし、以下の実
施例に記載されている装置の種類、形状などは、本発明
の範囲を限定する趣旨のものではない。 （実施例１）本実施例の基本構成を図１（ａ）に示す。
被検出物１の表面には投光装置２から光ビームが照射さ
れ点状の光パターン（光点）が走査される。また、被検
出物１の表面上の光点の位置は、投光装置２からの光ビ
ームの投射方向とは異なる方向から検出装置３によって
観測される。
【００３２】投光装置２は、光ビームを出力する光源２
１と、光ビームの投射方向を偏向して被検出物１の表面
上で光点を走査させる偏向装置２２とを備える。光源２
１としては、たとえばレーザ光源などが用いられる。ま
た、偏向装置２２としては、光ビームを反射する投射鏡
をパルスモータ等によって揺動させるものが用いられ
る。
【００３３】検出装置３は、位置検出センサ３１と、被
検出物１の表面上に形成される光点の像である受光パタ
ーンを位置検出センサ３１の受光面に結像させる受光レ
ンズ３２とを備える。位置検出センサ３１は、図１
（ｂ）に示すように、受光パターンの移動方向の一直線
上に多数個の検知エレメント３３0 〜３３7 を列設し、
各検知エレメント３３0 〜３３7 を複数群に分割して各
群ごとに１個の出力エレメント３４0 〜３４7 を対応付
けたものであり、各出力エレメント３４0 〜３４7には
それぞれ光電素子３７0 〜３７7 が光結合される。すな
わち、受光面を多数の検知域（検知エレメント３３0 〜
３３7 ）に分割し、各検知域を８個の出力群（出力エレ
メント３４0 〜３４7 ）に対応付けているのである。検
知エレメント３３0 〜３３7 は、光ファイバ３６の一端
面である光導入面であって、本実施例では検知域は点状
に形成される。各光ファイバ３６の他端面である光導出
面は、多数本の光ファイバ３６を１本の光ファイバにま
とめる光合波器である８個の出力エレメント３４0 〜３
４7 のうちのいずれかに光結合される。要するに、位置
検出センサ３１は、検知エレメント３３0 〜３３7 と出
力エレメント３４0 〜３４7 とを光回路を用いて結合
し、８本の光ファイバをそれぞれ光電素子３７0 〜３７
7 に光結合することによって、出力エレメント３４0 〜
３４7 に導入された光量に応じた電気信号を出力するよ
うに構成されるのである。各出力エレメント３４0 〜３
４7 に対応する検知エレメント３３0 〜３３7 は循環的
に配列されており、たとえば、各出力エレメント３４0
〜３４7 に対応する各検知エレメント３３0 〜３３7 に
対して０〜７のコードを対応付けるとすれば（図１
（ｂ）に０〜７の符号で示してある）、０〜７の検知エ
レメント３３0 〜３３7 が循環的に配列される。ここ
で、０〜７のコードの一巡に対応する検知エレメント３
３0 〜３３7 をセットと呼ぶことにする。図１（ｂ）に
は５つのセットＧ1 〜Ｇ5 が示されている。
【００３４】上述した位置検出センサ３１と光電素子３
７0 〜３７7 とは、図１（ａ）に示すように、出力エレ
メント３４0 〜３４7 に光結合された８本の光ファイバ
を結束した光ファイバケーブル１１を用いて結合され
る。光電素子３７0 〜３７7 の出力信号は、位置検出部
４１に入力され、各光電素子３７0 〜３７7 のうち入射
光量が最大である光電素子３７0 〜３７7 が検出され
る。したがって、位置検出部４１の出力によって光点に
対応する点状の受光パターンが形成されている検知エレ
メント３３0 〜３３7 のコードを知ることができる。し
かしながら、この情報のみでは、どのセットＧ1 〜Ｇ5
に属する検知エレメント３３0 〜３３7 であるのかを特
定することができない。そこで、投光装置２の偏向装置
２２の位置情報を合わせて利用し、以下の方法によっ
て、どのセットＧ1 〜Ｇ5 に属する検知エレメント３３
0 〜３３7 に対応して受光パターンが形成されているの
かを特定する。
【００３５】まず、距離が既知である基準面Ｐ0 （図１
（ａ）参照）では、基準面Ｐ0 の上の光点に対する受光
パターンの位置は既知であり、基準面Ｐ0 の上での光点
の位置は偏向装置２２の制御情報によって知ることがで
きるから、偏向装置２２の制御情報と基準面Ｐ0 に形成
される光点に対応する受光パターンの位置（すなわち、
検知エレメント３３0 〜３３7 のコード）との対応関係
は基準位置記憶部４２に格納されて既知になっている。
ここにおいて、基準面Ｐ0 の点ｐの位置に光点が形成さ
れたときに、図１（ｂ）のセットＧ4 の検知エレメント
３３0 に受光パターンＳp が形成されるものとする（以
下では、検知エレメント３３0 〜３３7が属するセット
Ｇ1 〜Ｇ5 を区別する必要があるときには、セットＧi
に属する検知エレメント３３j を検知エレメント３３
j-i として示す。したがって、セットＧ4 の検知エレメ
ント３３0 は、検知エレメント３３0-4 になる）。この
場合、基準位置記憶部４２には、偏向装置２２の制御情
報であるスキャンアドレスに対応付けて、検知エレメン
ト３３0 のコードである０が格納されている。このよう
にして基準面Ｐ0 に形成される光点に対応する受光パタ
ーンが形成される検知エレメント３３0 〜３３7 が基準
エレメント（基準域）になる。したがって、本実施例で
は基準域は点状に形成される。ところで、基準面Ｐ0 の
上で検知エレメント３３0-4 に受光パターンＳp が形成
されるように光ビームが照射されているとき、実際には
図１（ｂ）のように、検知エレメント３３6-3 に受光パ
ターンＳq が形成されたとすると、被検出物１の表面に
基準面Ｐ0 に対する変位があり、点ｑの位置に光点が形
成されていることがわかる。ここで、点ｐに対する受光
パターンＳp と点ｑに対する対する受光パターンＳq と
の相対距離が一つのセットＧ1 〜Ｇ5 の長さ（すなわ
ち、８個の検知エレメント３３0 〜３３7 を一列に並べ
た長さ）の範囲内であれば、点ｑに対する受光パターン
Ｓq が形成されている検知エレメント３３6-3 がセット
Ｇ3に属することを特定できることになる。したがっ
て、基準面Ｐ0 に対する被検出物１の表面の変位による
受光パターンＳq の受光パターンＳp に対する変位距離
が、一つのセットＧ1 〜Ｇ5 の長さを越えない範囲内に
収まるように制限しておけば（図１（ｂ）の範囲
Ｒp ）、検知エレメント３３0 〜３３7 を一意に特定で
きるのである。すなわち、検知エレメント（基準エレメ
ント）３３4-0 に対応して受光パターンＳp が形成され
る基準面Ｐ0 の点ｐに対しては、たとえば、検知エレメ
ント３３3-5 〜３３4-4 のいずれかだけ（図１（ｂ）の
範囲Ｒr ）に受光パターンＳq が形成されるように条件
付けて置けばよいのである。同様に、基準面Ｐ0 の点ｒ
に対する受光パターンＳr が検知エレメント３３2-3 に
形成されるのであれば、たとえば、検知エレメント３３
2-0 〜３３2-7 のいずれかだけに被検出物１に対応する
受光パターンが形成されるように条件付けておけばよ
い。ここにおいて、図１（ａ）と図１（ｂ）とでは左右
を逆にしてある。
【００３６】上述した制限条件の下で受光パターンＳq
を形成し、検出領域設定部４３では偏向装置２２の各位
置に対応して検知エレメント３３0 〜３３7 が属するセ
ットＧ1 〜Ｇ5 を決定する。このようにして、検知エレ
メント３３0 〜３３7 のコードおよびセットＧ1 〜Ｇ5
が決定されると、距離変換部４４において被検出物１の
表面までの距離が求められる。求めた距離は、光点を走
査する直線上での位置とともにデータメモリ４５に格納
される。データメモリ４５に格納されたデータは、必要
に応じて画像処理部４６により読み出されてモニタ４７
の画面に被検出物１の表面状態が表示される。上述した
位置検出部４１、基準位置記憶部、検出領域設定部４
３、距離変換部４４、データメモリ４５によって、演算
処理部が構成される。
【００３７】光電素子３７0 〜３７7 の出力に基づいて
距離を演算してデータメモリ４５に格納する処理には図
２のような構成を採用することができる。ここでは、距
離は３ビットで表されるものとする。被測定物１の表面
上で光点を走査しているときの偏向装置２２の制御情報
であるスキャンアドレスは、メモリよりなる基準位置記
憶部４２に９ビットのアドレスデータとして入力され、
基準位置記憶部４２に基準面Ｐ0 に対応して格納された
検知エレメント３３0 〜３３7 のコードが３ビットのデ
ータとして読み出される（すなわち、一つのセットＧ1
〜Ｇ5 は８個の検知エレメント３３0 〜３３7 によって
構成されるから３ビットで８個を識別するのである）。
基準位置記憶部４２の出力データは、メモリ（ＲＯＭ）
よりなる距離変換部４４に上位のアドレスデータとして
入力される。一方、位置検出部４１で検出された検知エ
レメント３３0 〜３３7 のコードである３ビットの測定
入力値は、距離変換部４４に下位のアドレスデータとし
て入力される。距離変換部４４は、上位アドレスと下位
アドレスとが指定されると、あらかじめ登録されている
距離が３ビットのデータとして出力され、スキャンアド
レスとともにデータメモリ４５に格納されるのである。
【００３８】上述したように、偏向装置２２の制御情報
に基づいて基準となる受光パターンＳp ，Ｓr の位置を
求め、実測した受光パターンＳq と基準位置との相対関
係に基づいて被検出物１の変位を測定して立体形状を検
出する処理手順は、図３および図４のようになる。すな
わち、図３に示すように基準となる受光パターンＳp，
Ｓr に関するデータを記憶する処理過程と、図４に示す
ように測定時の受光パターンＳq に基づいて被検出物１
の立体形状を検出する処理過程との２つの処理過程を有
する。
【００３９】基準となるデータを記憶する処理過程で
は、図３に示すように、偏向装置２２による光ビームの
走査を開始して（Ｓ１）、光点を基準面Ｐ0 の表面上で
移動させ（Ｓ２）、光点の各位置に対応する受光パター
ンが形成される検知エレメント３３0 〜３３7 に対応す
る出力エレメント３４0 〜３４7 （出力群）を検出し
（Ｓ３）、偏向装置２２の制御情報とステップＳ３にお
いて求めた出力群とを対応付けて記憶する（Ｓ４）。こ
こにおいて、調整後には投光装置２と検出装置３との位
置関係や、受光レンズ３２と受光部３５との位置関係は
既知であり、また、基準面Ｐ0 と受光レンズ３２との位
置関係も既知であるから、ステップＳ４で記憶した情報
には距離情報が含まれることになる。光点を基準面Ｐ0
の上の所定位置まで走査すれば、この処理過程を終了す
る（Ｓ５）。
【００４０】以上の準備を行った後に被検出物１を測定
する処理過程に移行することができる。この処理過程で
は、図４に示すように、偏向装置２２による光ビームの
走査を開始して（Ｓ１１）、光点を被検出物１の表面上
で移動させ（Ｓ１２）、光点の各位置に対応する受光パ
ターンが形成される検知エレメント３３0 〜３３7 に対
応する出力エレメント３４0 〜３４7 （出力群）を検出
する（Ｓ１３）。また同時に、偏向装置２２の位置情報
に対応させて記憶されている基準面Ｐ0 に対応した検知
エレメント３３0 〜３３7 に対応する出力群を求め（Ｓ
１４）、被検出物１の表面上の光点に対応する受光パタ
ーンが基準の受光パターンに対して設定した範囲内の検
知エレメント３３0 〜３３7 に対応して形成されるもの
とみなすように設定する（Ｓ１５）。その後、ステップ
Ｓ１５により設定した範囲内において、基準となる受光
パターンと測定した受光パターンとの相対距離を求め
（Ｓ１６）、三角測量法に基づく実測距離を求めて（Ｓ
１７）、モニタ４７などに出力する（Ｓ１８）。光点を
被検出物１の表面上の所定位置まで走査するまで、上記
処理を繰り返す（Ｓ１９）。
【００４１】ところで、上述したように、基準面Ｐ0 に
形成される各光点に対応する受光パターンに対して、一
つのセットＧ1 〜Ｇ5 の長さの範囲に制限して被検出物
１の上での光点に対する受光パターンの相対位置を求め
るから、変位量の測定レンジは、被検出物１の表面上の
どの位置でもほぼ一定になる。また、上記実施例では、
基準面Ｐ0 を中心として両方向に測定範囲を設定してい
るから、図５に示すように、基準面Ｐ0 に対して被検出
物１の表面の距離の変化方向を両方向で検出することが
できるが、図６に示すように基準面Ｐ0 が最大距離であ
る場合や、図７に示すように基準面Ｐ0 が最小距離であ
る場合には、基準面Ｐ0 の上の光点に対応した受光パタ
ーンに対して、被検出物１に対応する受光パターンの検
出範囲を一方向にのみ設定すればよい。たとえば、図６
（ａ）に示すように、基準面Ｐ0の上の点ｐに対応する
受光パターンＳp が検知エレメント３３0-4 に形成され
るとすれば、被検出物１については検知エレメント３３
1-3 〜３３0-4 の範囲で受光パターンＳq を検出し（す
なわち、基準の位置から左側に設定する）、あるいはま
た、図７（ａ）に示すように、基準面Ｐ0 の上の点ｐに
対応する受光パターンＳp が検知エレメント３３6-3 に
形成されるとすれば、被検出物１については検知エレメ
ント３３6-3 〜３３5-4 の範囲で受光パターンＳq を検
出するのである（すなわち、基準の位置から右側に設定
する）。以上のようにして、被検出物１の形状に応じて
基準面Ｐ0 を設定すれば、測定レンジをほぼ一定に保つ
ことができるのであって、高精度な測定が行えるのであ
る。
【００４２】ところで、循環するように配列された検知
エレメント３３0 〜３３7 の循環の回数Ｍは、次のよう
にして決定される。すなわち、図８に示すように、視野
として必要な長さをＬ、受光レンズ３２の倍率をｍ（す
なわち、図８のｂ／ａ）、一つのセットＧ1 〜Ｇ5 を構
成する検知エレメント３３0 〜３３7 の個数をｎ、各検
知エレメント３３0 〜３３7 の配列ピッチ（分解能）を
Ｒとすれば、 Ｍ＝Ｌ×ｍ／（Ｒ×ｎ） という関係が得られる。上式に基づいて、所望の分解能
が得られるように、検知エレメント３３0 〜３３7 の個
数ｎを決定すればよい。
【００４３】（実施例２）実施例１では、検出装置３を
受光レンズ３２の光軸が基準面Ｐ0 に対して略直交する
ように配置しているが、本実施例では、図９に示すよう
に、投光装置２における偏向装置２２による光ビームの
走査範囲における中央位置が基準面Ｐ0 に略直交するよ
うな位置に配置している。このような位置関係であって
も、実施例１と同様に動作する。他の構成は実施例１と
同様である。
【００４４】（実施例３）本実施例では、図１０に示す
ように、検知エレメント３３0 〜３３7 に光を導入する
面に、一つのセットＧ1 〜Ｇ5 の長さの範囲で光を透過
させるスリット３５ａを備える遮光部材３５を配設して
いる。遮光部材３５のスリット３５ａは、偏向装置２２
による光ビームの移動に同期して検知エレメント３３0
〜３３7 の配列方向に移動する。スリット３５ａの位置
は、実施例１と同様に、基準面Ｐ0の上での光点の位置
に対応した受光パターンの位置を基準として、被検出物
１の形状に応じて設定される。また、遮光部材３５とし
ては、スリット３５ａを機械的に移動させるものを用い
てもよいが、液晶シャッタを用いれば制御が容易にな
る。
【００４５】本実施例の構成では、偏向装置２２による
光ビームの照射位置に同期させて受光パターンが入射す
る検知エレメント３３0 〜３３7 を限定し、他の検知エ
レメント３３0 〜３３7 には光が入射しないようにして
いるから、基準面Ｐ0 に対して被検出物１の表面の変位
量が大きく測定範囲を越えるような場合に誤測定が発生
せず、また外乱光が生じているような環境では外乱光の
影響を受けにくくなるのである。他の構成および動作は
実施例１と同様である。
【００４６】（実施例４）ところで、実施例１の構成に
おいて、被検出物１の表面の基準面Ｐ0 からの変位量を
測定する測定レンジを大きくとるためには、一つのセッ
トＧ1 〜Ｇ5 を構成する検知エレメント３３0 〜３３7
の数を増やすことが必要である。たとえば、一つのセッ
トＧ1 〜Ｇ5 について、６４個の検知エレメント３３0
〜３３7 を設ける場合を考えると、検知エレメント３３
0 〜３３7 の個数に対応して出力エレメント３４0 〜３
４7 も６４個必要になるから、ファイバケーブル１１を
構成する光ファイバの本数が多くなって構成が複雑にな
るとともに、コストの増加につながるという問題が生じ
る。そこで、本実施例では、検知エレメント３３0L〜３
３7L，３３0H〜３３7Hの位置を２桁のコードで表すよう
にし、出力エレメント３４0L〜３４7L，３４0H〜３４7H
の個数が、一つのセットＧ1 〜Ｇ5 を構成する検知エレ
メント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hで示すことがで
きる位置の個数の平方根の２倍程度になるようにしてい
る。
【００４７】すなわち、本実施例は、図１１に示すよう
に、受光パターンの移動方向に２列の検知エレメント３
３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hを配列し、各列の検知エ
レメント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hをそれぞれ８
個の出力群に分割し、各出力群ごとに出力エレメント３
４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hに接続したものである。
また、図１１における右列の検知エレメント３３0L〜３
３7Lは各出力群の検知エレメント３３0L〜３３7Lが一つ
ずつ循環的に配列され、左列の検知エレメント３３ 0H 〜
３３ 7H は同じ出力群の８個が一つのまとまりになって、
まとまりごとに循環的に配列されている。すなわち、各
出力群ごとに０〜７までのコードを付与するとすれば、
００〜７７までの６４個の２桁コードによって上下の位
置が示されるのである。この６４個のコードに対応する
検知エレメント３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hを一つ
のセットとして、複数セット（図１１では３セットにな
る）を受光パターンＳの移動方向に配列する。この構成
では、一つのセットを構成する検知エレメント３３0L〜
３３7L，３３0H〜３３7Hを、１６個の出力エレメント３
４0L〜３４7L，３４0H〜３４7Hによって識別することが
できる。受光パターンＳは、左右２列に跨がるような形
状に形成することはいうまでもない。また、一つのセッ
トを構成する検知エレメント３３0L〜３３7L，３３0H〜
３３7Hの個数をさらに増やす場合には、検知エレメント
３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hを３列以上配列するこ
とも可能である。他の構成は実施例１と同様である。
【００４８】（実施例５）上記実施例では被検出物１の
表面で光点を線上で移動させる例を示したが、本実施例
では被検出物１の表面で光点を面上で移動させる例を示
す。光点を面上で移動させるために、投光装置２は、図
１２に示すように、２個の偏向装置２２ａ，２２ｂを備
える。各偏向装置２２ａ，２２ｂは、投射鏡をパルスモ
ータ等によって軸の回りに回動させる構成を有し、両偏
向装置２２ａ，２２ｂにおける軸が互いに直交するよう
に配置される。したがって、両偏向装置２２ａ，２２ｂ
により被検出物１の上で互いに直交する方向に光点を走
査することができ、結果的に、被検出物１の表面の面上
の任意の位置に光点を移動させることができる。以後、
被検出物１の表面上において、偏向装置２２ａにより光
点が移動する方向をＸ方向、偏向装置２２ｂにより光点
が移動する方向をＹ方向として説明する。
【００４９】一方、検出装置３の位置検出センサ３１の
検知エレメント３３0 〜３３7 は、受光レンズ３２の光
軸に直交する面内であって、偏向装置２２ａを用いて被
検出物１の表面上で光点を移動させたときに受光パター
ンＳ0 が移動する方向と、この方向に直交する方向とに
マトリクス状に配列されている。以後、偏向装置２２ａ
による光点の走査時に受光パターンＳ0 が移動する方向
を列方向（図１３の左右方向）と呼び、列方向に直交す
る方向を行方向（図１３の上下方向）と呼ぶ。列方向に
ついて配列された検知エレメント３３0 〜３３7 は、図
１３に示すように、８個の出力群に分割されて、各出力
群ごとに一つの出力エレメント３４0 〜３４7 に結合さ
れ、各出力群に対応する検知エレメント３３0 〜３３7
は循環的に配列される。すなわち、各出力群に対応する
検知エレメント３３0 〜３３7 にそれぞれ０〜７のコー
ドを付与すれば（図１３では各検知エレメント３３0 〜
３３7 に０〜７の数字で表している）、０〜７のコード
が列方向の一直線上で循環的に並ぶのである。また、行
方向の一直線上に配列された検知エレメント３３0〜３
３7 は、同じ出力エレメント３４0 〜３４7 に結合され
る。すなわち、行方向の一直線上の検知エレメント３３
0 〜３３7 には同一のコードが付与される。結局、すべ
ての検知エレメント３３0 〜３３7 は、８個の出力エレ
メント３４0〜３４7 のいずれかを通して光電素子に光
結合されることになる。この構成の位置検出センサ３１
は、行方向の一直線上に配列された検知エレメント３３
0 〜３３7 は区別がなく、実施例１の位置検出センサ３
１について、受光パターンＳ0の移動方向に直交する方
向の幅を広げた構成に相当することになる。
【００５０】上記構成によれば、偏向装置２２ａにより
被検出物１の表面上におけるＸ方向の略一直線上で光点
を走査することができ、偏向装置２２ｂによって光点を
走査する直線をＹ方向に移動させることができるのであ
る。すなわち、偏向装置２２ｂによって図１２に示す直
線Ｌ1 や直線Ｌ2 を選択し、偏向装置２２ａによって選
択した直線Ｌ1 ，Ｌ2 の上で光点を走査することができ
るのである。また、各直線Ｌ1 ，Ｌ2 の上で光点が移動
するときに、受光パターンＳ0 は列方向の略一直線上で
移動することになる。たとえば、直線Ｌ1 ，Ｌ2 の上の
光点に対する受光パターンは、位置検出センサ３１の列
方向の直線Ｋ1 ，Ｋ2 の上でそれぞれ移動することにな
る。いずれにせよ、偏向装置２２ｂの制御情報に基づい
て、被検出物１の表面上に設定したどの直線上Ｌ1 ，Ｌ
2 の上に光点が位置しているかを知ることができる。す
なわち、偏向装置２２ｂの制御情報を用いれば、どの直
線Ｌ1 ，Ｌ2 の上に光点が存在するかがわかり、偏向装
置２２ａの制御情報と位置検出センサ３１の出力情報と
によれば、各直線Ｌ1 ，Ｌ2 の上での各位置の変位量が
わかるのであって、被検出物１の表面の立体形状が検出
されることになる。被検出物１の表面の立体形状は、位
置検出部４１、基準位置記憶部、検出領域設定部４３、
距離変換部４４、データメモリ４５を備える演算処理部
４０により検出されるのである。他の構成は実施例１と
同様であるから説明を省略する。
【００５１】（実施例６）本実施例では、図１４に示す
ように、投光装置２にアナモルフィック光学系の投光レ
ンズ２３を設けた点が実施例５と相違している。すなわ
ち、投光レンズ２３はＸ方向に関する焦点位置が偏向装
置２２ａに一致し、Ｙ方向に関する焦点距離が偏向装置
２２ｂに一致するのであって、このような投光レンズ２
３を用いたことによって、投光装置２から被検出物１に
照射される光ビームは互いに平行になるのである。すな
わち、被検出物１の表面に対する光ビームの入射角度が
一定になり、光ビームの入射角度に応じた補正を行う必
要がないから、位置検出センサ３１の出力に基づいた距
離の演算が容易になるのである。投光レンズ２３は、図
１４では１個のレンズで構成しているが、２個のシリン
ドリカルレンズを用いて構成してもよい。また、本実施
例のように投光装置２から出力する光ビームを互いに平
行にするという技術思想は、実施例１のように被検出物
１の一直線上でのみ変位を検出する場合にも適用可能で
あって、その場合には、１個のシリンドリカルレンズを
用いればよい。他の構成は、実施例５と同様である。
【００５２】（実施例７）本実施例は、図１５に示すよ
うに、検知エレメント３３0 〜３３7 を受光パターンの
移動方向に直交する方向について長い細長形状に形成し
たものである。各検知エレメント３３0 〜３３7 は、列
方向については実施例５と同様の寸法を有し、行方向に
ついては実施例５において行方向に並ぶ全検知エレメン
ト３３0 〜３３7 を合計した寸法を有している。要する
に、実施例５において行方向に並ぶ検知エレメント３３
0 〜３３7 は互いに区別されないから、一括してまとめ
て一つの検知エレメント３３0 〜３３7 としているので
ある。この構成でも実施例５と同様に動作するのであっ
て、他の構成は実施例５と同様である。
【００５３】（実施例８）本実施例では、図１６に示す
ように、列方向に並ぶ検知エレメント３３0 〜３３7 を
それぞれ８個の出力エレメント３４0X〜３４7Xに対応付
けるとともに、行方向に並ぶ検知エレメント３３0 〜３
３7 についてもそれぞれ８個の出力エレメント３４0Y〜
３４7Yに接続したものである。したがって、いずれか一
つの検知エレメント３３0 〜３３7 に受光パターンが形
成されているとすれば、出力エレメント３４0X〜３４7X
と出力エレメント３４0Y〜３４7Yとから得られる出力の
組み合わせに基づいて、受光パターンが形成されている
位置を特定することができる。たとえば、図１６のよう
に受光パターンＳ0 が形成されているとすれば、出力エ
レメント３４7Xと出力エレメント３４6Yとから出力が得
られるから、受光パターンＳ0 の位置を特定することが
できるのである。また、列方向については、実施例１と
同様に、使用される検知エレメント３３0 〜３３7 の範
囲が制限されているのはもちろんのことである。ここに
おいて、１個の検知エレメント３３0 〜３３7 を２つの
出力エレメント３４0X〜３４7X，３４0Y〜３４7Yに対応
付けるから、図１７に示すように、１本の光ファイバの
光導出面について光分配器３９を用いて２分配する。図
１７では光分配器３９を簡略化して記載しているが、実
際には、各光ファイバごとに光分配器３９を設ける。こ
の種の光分配器３９は周知である。
【００５４】上述したように、受光パターンＳ0 の位置
を特定することができるから、偏向装置２２ｂの制御情
報を用いることなく、被検出物１の表面上での光点のＹ
方向の位置を特定することができることになる。他の構
成は実施例５と同様であるから説明を省略する。 （実施例９）本実施例は、図１８に示すように、列方向
の１行ずつ光を透過させるように、スリット３５ａを形
成した遮光部材３５を配設したものである。遮光部材３
５のスリット３５ａは、偏向装置２２ｂによる光ビーム
の移動に同期して行方向に移動する。遮光部材３５とし
ては液晶シャッタなどを用いる。
【００５５】この構成によれば、遮光部材３５によって
不要部分を遮光して１行ずつ受光パターンの位置を検出
することができるから、多重反射や外乱光などの影響を
受けにくく、誤測定が抑制されるのである。他の構成は
実施例５と同様である。 （実施例１０）本実施例は、図１９に示すように、実施
例５の構成に対して偏向装置２２ｂに代えて固定的に配
置した反射鏡２４を用いている。偏向装置２２ａは、光
源２１からの光ビームを走査方向とは直交する方向に拡
散反射するように構成されており、線状の光パターンを
投射する光ビームを形成する。光ビームは、反射鏡２４
により反射された後に被検出物１の表面に照射されて線
状の光パターンを形成する。また、偏向装置２２ｂを用
いていないから、投光装置２からは光点のＹ方向の位置
に関する情報が得られないが、位置検出センサ３１を、
図２０のような構成とすることによって、Ｙ方向の位置
情報が得られるようにしてある。すなわち、光点のＹ方
向の位置は、位置検出センサ３１の行方向の位置に対応
するから、列方向に並ぶ各行ごとに検知エレメント３３
0 〜３３7 を複数群に分割して各群ごとに出力エレメン
ト３４00〜３４7nに結合しているのである。要するに、
実施例５では行方向に並ぶ各列は同じ出力エレメント３
４0 〜３４7 に結合されていたが、本実施例では各列は
異なる出力エレメント３４00〜３４7nに結合されている
のであって、実施例１における位置検出センサ３１を複
数行設けた構成に相当するのである。たとえば、１行が
８個の出力群に分割され、３２行分の検知エレメント３
３0 〜３３7 を設けているとすれば、８×３２＝２５６
個の出力エレメント３４00〜３４7n（ｎ＝３１）を設け
ることになる。この構成では、位置検出センサ３１の各
行を識別することができるから、位置検出センサ３１の
どの出力エレメント３４00〜３４7nから出力が得られる
かによって、光点のＹ方向の位置を特定できることにな
る。他の構成は実施例５と同様である。
【００５６】（実施例１１）本実施例では、２次元の位
置検出センサ３１に代えて１次元の位置検出センサ３１
を用いながらも被検出物１の表面上でのＹ方向の位置を
検出できるようにしたものである。すなわち、投光装置
２は、図２１に示すように、２個の偏向装置２２ａ，２
２ｂを備え、被検出物１の表面上でＸ方向およびＹ方向
に光点を走査する。一方、検出装置３は、受光レンズ３
２としてアナモフィック光学系であるシリンドリカルレ
ンズを備えている。受光レンズ３２は、検知エレメント
３３0〜３３7 の配列方向において湾曲しており、被検
出物１の表面上で光点がＸ方向に移動すると光点の像で
ある受光パターンＳを検知エレメント３３0 〜３３7 の
配列方向に移動させる。また、検知エレメント３３0 〜
３３7 の配列方向に直交する方向については、受光パタ
ーンＳは細長くなる。したがって、被検出物１の上で光
点の位置がＹ方向にずれても、受光パターンＳを検知エ
レメント３３0 〜３３7 の上に形成することが可能にな
り、結果的に１次元の位置検出センサ３１によって、３
次元の形状を検出することが可能になるのである。他の
構成は実施例５と同様である。
【００５７】（実施例１２）本実施例は、実施例１１に
おける受光レンズ３２の代わりに、図２２に示すよう
に、受光用偏向装置３８を用いたものである。すなわ
ち、受光用偏向装置３８は、検知エレメント３３0 〜３
３7 の配列方向に平行な軸の回りに揺動する反射鏡を備
える。反射鏡の回転角度は、投光装置２における偏向装
置２２ｂに同期して制御され、受光パターンＳ0 がつね
に位置検出センサ３１の受光面上に形成されるように回
転角度が設定される。この構成でも実施例１０と同様
に、受光パターンＳ0 を１次元の位置検出センサ３１の
受光面に形成することができる。他の構成は実施例５と
同様である。
【００５８】上述した各実施例では 検知エレメント３
３0 〜３３7 ，３３0L〜３３7L，３３0H〜３３7Hおよび
出力エレメント３４0 〜３４7 ，３４0L〜３４7L，３４
0H〜３４7H，３４0X〜３４7X，３４0Y〜３４7Y，３４00
〜３４7nを光回路によって結合して、出力エレメント３
４0 〜３４7 ，３４0X〜３４7X，３４0Y〜３４7Y，３４
00〜３４7nの出力光を光電素子により変換しているが、
出力エレメント３４0〜３４7 ，３４0X〜３４7X，３４
0Y〜３４7Y，３４00〜３４7nとして光電素子を用いて光
回路を光電素子の受光面に光結合してもよい。また、検
知エレメント３３0 〜３３7 として光電素子を用いると
ともに電気回路によってコネクタのような出力エレメン
ト３４0 〜３４7 ，３４0X〜３４7X，３４0Y〜３４7Y，
３４00〜３４7nに検知エレメント３３0 〜３３7 を接続
する構成とした場合であっても、本発明の技術思想は適
用可能である。
【００５９】
【発明の効果】請求項１の発明は、受光面を多数の検知
域に分割し、各検知域を既定の複数の出力群のいずれか
に対応付けて、既定の基準面に対する被検出物の表面の
変位量に応じて受光パターンが変位する方向に並ぶ検知
域を、検知域に対応する出力群が循環するように配列し
ているので、少数の出力群に多数の検知域を対応付ける
ことが可能になるという効果がある。ここで、基準面へ
の光ビームの各投射位置に対応した各受光パターンが形
成される検知域をそれぞれ基準域とし、被検出物の表面
に同じ投射位置の光ビームを投射したときに受光パター
ンが形成される検知域の範囲を、基準域を含みかつ各出
力群に対応付けた検知域が一巡する範囲以内に制限する
ので、基準域に対して受光パターンが形成されている検
知域との相対位置を求めることができ、被検出物の表面
の基準面からの変位量を求めることができるのである。
また、被検出物の表面の基準面からの最大変位量に応じ
て出力群が一巡する検知域の寸法を設定し、変位量に関
する分解能に応じて単位長さ当たりの出力群の個数を設
定すれば、必要に応じて測定レンジや分解能を設定する
ことができるという利点もある。
【００６０】請求項２の発明は、受光パターンの移動方
向に直交する方向において検知域を互いに平行に複数列
に配列するとともに、受光パターンを検知域の複数列に
跨がるように形成するので、受光パターンの移動方向に
直交する方向に並ぶ検知域の組み合わせによって、検知
域の位置が特定されるのである。その結果、循環的に配
列されている検知域の一巡当たりの個数を多くして、測
定レンジや分解能を高くとることができるようにしなが
らも、出力群を組み合わせて用いることによって、比較
的少数の出力群に多数の検知域を対応付けることが可能
になるという利点がある。
【００６１】請求項３の発明は、被検出物の表面の主要
面に基準面を設定し、被検出物の主要面に対する凹凸形
状に対応するように基準域に対する検知域の制限範囲を
決定しているから、被検出物の表面形状に応じた最大の
測定レンジで立体形状を検出することが可能になるとい
う効果がある。請求項４の発明は、制限範囲に相当する
検知域以外の検知域への入射光を遮光するので、外乱光
の影響を除去することができ、誤測定の可能性を低減で
きるという効果がある。
【００６２】請求項５の発明は、検知域を面上に配列
し、かつ点状の光パターンを被検出物の表面上で互いに
交差する２方向に走査するので、被検出物の表面を面と
して検出し、この面についての立体形状を検出できると
いう利点がある。請求項６の発明は、検知域を面上に配
列し、かつスリット状の光パターンを被検出物の表面上
で走査するので、点状の光パターンを走査する場合に比
較して被検出物の表面の立体形状を短時間で検出するこ
とが可能になるという効果を奏する。
【００６３】請求項７の発明は、各走査方向に対応する
受光パターンの移動方向にそれぞれ検知域を列設し、列
方向に交差する方向に並ぶ検知域は対応する出力群を同
一としているので、面上に検知域を配列しながらも、少
数の出力群に対応付けることが可能になるという利点を
有する。請求項８の発明は、各走査方向に対応する受光
パターンの移動方向にそれぞれ検知域を列設し、各検知
域について列方向に交差する方向では列方向とは別に既
定した複数の出力群のいずれかに対応付けているから、
検知域の各配列方向について受光パターンの位置を特定
することができ、受光パターンの位置を検出する処理が
簡単になるという利点がある。
【００６４】請求項９の発明は、各走査方向に対応する
受光パターンの移動方向にそれぞれ検知域を列設し、列
方向の各一列の検知域についてそれぞれ別に出力群を設
定しているので、列方向に交差する方向については各並
びごとに受光パターンの位置を特定でき、受光パターン
の位置の特定が一層容易になるという利点がある。請求
項１０の発明は、受光パターンが形成されている検知域
を含む列方向の一つの直線上に並ぶ検知域以外への入射
光を遮光するので、外乱光の影響を受けにくくすること
ができ、結果的に誤測定の可能性を低減できるという効
果を奏するのである。
【００６５】請求項１１の発明は、各投射位置における
光ビームの投射方向が互いに平行になっているから、被
検出物の表面への光ビームの入射角が投射位置にかかわ
らず一定になり、変位の演算が容易になるという利点が
ある。請求項１２の発明は、多数の検知エレメントを用
いて広範囲かつ高精度に立体形状を検出しながらも、少
数の出力エレメントからの出力を処理するだけであるか
ら、構成が簡単になるとともに、演算処理も容易になる
という利点がある。
【００６６】請求項１３の発明は、各検知エレメント
を、受光面の面内において配列方向に直交する方向の寸
法が配列方向の寸法よりも大きい細長形状に形成してい
るので、点状の光パターンを被検出物の表面上で２方向
に走査する場合であっても、１列の検知エレメントのみ
によって受光パターンの位置を検出することができると
いう効果がある。
【００６７】請求項１４の発明は、検知エレメントの配
列方向に沿って湾曲する曲面を有したシリンドリカルレ
ンズを受光レンズとして用いるから、点状の光パターン
を被検出物の表面上で２方向に走査する場合であって
も、１列の検知エレメントで対応することができ、ま
た、受光レンズとしてシリンドリカルレンズを用いるだ
けであるから、被検出物の表面を面として検出するもの
でありながらも、受光光学系の構成を簡単なものとする
ことができるという利点がある。
【００６８】請求項１５の発明は、位置検出センサの受
光面の前方に配設した反射鏡を光ビームの投射位置に連
動して揺動させることによって、検知エレメントに受光
パターンを形成するものであるから、点状の光パターン
を被検出物の表面上で２方向に走査する場合であって
も、１列の検知エレメントで対応することができるとい
う利点を有する。
【００６９】請求項１６の発明は、検知エレメントの配
列方向における基準面の上での視野の長さと受光レンズ
の倍率との積を、一巡当たりの検知エレメントの個数と
各検知エレメントの間の配列ピッチとの積で除算して検
知エレメントの循環回数を求めるので、要求されるた測
定レンジや分解能を満たすように位置検出センサを設計
することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１を示し、（ａ）は概略構成図、（ｂ）
は動作説明図である。
【図２】実施例１の要部のブロック回路図である。
【図３】実施例１の動作説明図である。
【図４】実施例１の動作説明図である。
【図５】実施例１を示す動作説明図である。
【図６】実施例１を示す動作説明図である。
【図７】実施例１を示す動作説明図である。
【図８】実施例１における設計方法の概念を示す図であ
る。
【図９】実施例２を示す要部の概略構成図である。
【図１０】実施例３の動作説明図である。
【図１１】実施例４の要部の概略構成図である。
【図１２】実施例５の概略構成図である。
【図１３】実施例５に用いる位置検出センサの概略構成
図である。
【図１４】実施例６の概略構成図である。
【図１５】実施例７の概略構成図である。
【図１６】実施例８に用いる位置検出センサの概略構成
図である。
【図１７】実施例８に用いる光分配器の動作説明図であ
る。
【図１８】実施例９に用いる位置検出センサの概略構成
図である。
【図１９】実施例１０の概略構成図である。
【図２０】実施例１０に用いる位置検出センサの概略構
成図である。
【図２１】実施例１１の概略構成図である。
【図２２】実施例１２の概略構成図である。
【図２３】従来例の概略構成図である。
【図２４】他の従来例を示す概略構成図である。
【図２５】さらに他の従来例を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１ 被検出物 ２ 投光装置 ３ 検出装置 ２１ 光源 ２２ 偏向装置 ２３ 投光レンズ ３１ 位置検出センサ ３２ 受光レンズ ３３0 〜３３7 検知エレメント ３３0L〜３３7L 検知エレメント ３３0H〜３３7H 検知エレメント ３４0 〜３４7 出力エレメント ３４0L〜３４7L 出力エレメント ３４0H〜３４7H 出力エレメント ３４0X〜３４7X 出力エレメント ３４0Y〜３４7Y 出力エレメント ３４00〜３４7n 出力エレメント ３５ 遮光部材 ３７0 〜３７7 光電素子 ３８ 受光用偏向装置 ４０ 演算処理部 ４１ 位置検出部 ４２ 基準位置記憶部 ４３ 検出領域設定部 ４４ 距離変換部 ４５ データメモリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０６Ｆ 15/70 ４５５Ｂ (56)参考文献 特開 昭62−32312（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−249003（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−20409（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−72212（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−218707（ＪＰ，Ａ) 実開 昭58−65506（ＪＰ，Ｕ)

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被検出物の表面に光ビームを投射して被
    検出物の表面上で光パターンを移動させ、光パターンを
    投射方向とは異なる方向から観測し光パターンの像とし
    て受光面に形成した受光パターンの位置に基づいて被検
    出物の表面の立体形状を検出する方法において、受光面
    を多数の検知域に分割し、各検知域を既定の複数の出力
    群のいずれかに対応付けて、既定の基準面に対する被検
    出物の表面の変位量に応じて受光パターンが変位する方
    向に並ぶ検知域を、検知域に対応する出力群が循環する
    ように配列し、基準面への光ビームの各投射位置に対応
    した各受光パターンが形成される検知域をそれぞれ基準
    域とし、被検出物の表面に同じ投射位置の光ビームを投
    射したときに受光パターンが形成される検知域の範囲
    を、基準域を含みかつ各出力群に対応付けた検知域が一
    巡する範囲以内に制限し、この制限範囲内で受光パター
    ンが形成された検知域に対応する出力群を求めることに
    よって、光ビームの投射位置と出力群とに基づいて受光
    パターンが形成されている検知域を特定し、特定した検
    知域と基準域との相対位置に基づいて光ビームの各投射
    位置に対応した被検出物の表面の基準面からの変位量を
    求めることを特徴とする立体形状検出方法。
  2. 【請求項２】 被検出物の表面に光ビームを投射して被
    検出物の表面上で光パターンを移動させ、光パターンを
    投射方向とは異なる方向から観測し光パターンの像とし
    て受光面に形成した受光パターンの位置に基づいて被検
    出物の表面の立体形状を検出する方法において、受光面
    を多数の検知域に分割して、基準面に対する被検出物の
    表面の変位量に応じて受光パターンが変位する方向の一
    直線上に多数の検知域を配列するとともに、その列方向
    に直交する方向でかつ互いに平行に複数列の検知域を配
    列し、各検知域を各列ごとに既定した出力群のいずれか
    に対応付けて列方向に直交する方向に並ぶ各検知域に対
    応する出力群の組にコードを付与して列方向において所
    定個数ずつ循環するように各列の検知域を配列し、列方
    向に直交する方向に並ぶ検知域に跨がるように受光パタ
    ーンを形成するとともに、基準面への光ビームの各投射
    位置に対応した各受光パターンが形成される検知域の組
    をそれぞれ基準域とし、被検出物の表面に同じ投射位置
    の光ビームを投射したときに受光パターンが形成される
    検知域の組の範囲を、基準域を含みかつ各出力群の組に
    対応付けた検知域の組が一巡する範囲以内に制限し、こ
    の制限範囲内で受光パターンが形成された検知域の組に
    対応する出力群の組を求めることによって、光ビームの
    投射位置と出力群の組とに基づいて受光パターンが形成
    されている検知域の組を特定し、特定した検知域の組と
    基準域との相対位置に基づいて光ビームの各投射位置に
    対応した被検出物の表面の基準面からの変位量を求める
    ことを特徴とする立体形状検出方法。
  3. 【請求項３】 被検出物の表面の主要面に基準面を設定
    し、被検出物の主要面に対する凹凸形状に基づいて、基
    準域に対する検知域の制限範囲を決定することを特徴と
    する請求項１または請求項２記載の立体形状検出方法。
  4. 【請求項４】 上記制限範囲に相当する検知域以外の検
    知域への入射光を遮光することを特徴とする請求項１ま
    たは請求項２記載の立体形状検出方法。
  5. 【請求項５】 基準面に対する被検出物の表面の変位量
    に応じて受光パターンが変位する方向の一直線上に多数
    の検知域を列設するとともに、その列方向に交差する方
    向に多数列の検知域を列設して、少なくとも列方向では
    対応する出力群が循環するように配列し、点状の光パタ
    ーンを被検出物の表面上で互いに交差する２方向に走査
    することを特徴とする請求項１記載の立体形状検出方
    法。
  6. 【請求項６】 基準面に対する被検出物の表面の変位量
    に応じて受光パターンが変位する方向の一直線上に多数
    の検知域を列設するとともに、その列方向に交差する方
    向に多数列の検知域を列設して、少なくとも列方向では
    対応する出力群が循環するように配列し、被検出物の表
    面上でスリット状の光パターンを走査してスリット状の
    受光パターンを列方向に移動させることを特徴とする請
    求項１記載の立体形状検出方法。
  7. 【請求項７】 各走査方向に対応する受光パターンの移
    動方向にそれぞれ検知域を列設し、列方向に交差する方
    向に並ぶ検知域は対応する出力群を同一としたことを特
    徴とする請求項５または請求項６記載の立体形状検出方
    法。
  8. 【請求項８】 各走査方向に対応する受光パターンの移
    動方向にそれぞれ検知域を列設し、各検知域について列
    方向に交差する方向では列方向とは別に既定した複数の
    出力群のいずれかに対応付けたことを特徴とする請求項
    ５または請求項６記載の立体形状検出方法。
  9. 【請求項９】 各走査方向に対応する受光パターンの移
    動方向にそれぞれ検知域を列設し、列方向の各一列の検
    知域についてそれぞれ別の出力群を設定したことを特徴
    とする請求項５または請求項６記載の立体形状検出方
    法。
  10. 【請求項１０】 受光パターンが形成されている検知域
    を含む列方向の一つの直線上に並ぶ検知域以外への入射
    光を遮光することを特徴とする請求項６ないし請求項９
    のいずれかに記載の立体形状検出方法。
  11. 【請求項１１】 各投射位置における光ビームの投射方
    向は互いに平行とされて成ることを特徴とする請求項１
    ないし請求項１０のいずれかに記載の立体形状検出方
    法。
  12. 【請求項１２】 被検出物の表面に光ビームを投射して
    被検出物の表面上で互いに交差する２方向に点状の光パ
    ターンを走査する投光装置と、光パターンを投射方向と
    は異なる方向から受光レンズを通して観測し光パターン
    の像として受光面に形成した受光パターンの位置を検出
    する位置検出センサを備えた検出装置と、検出装置によ
    り検出した受光パターンの位置に基づいて被検出物の表
    面の立体形状を検出する演算処理部とを備える立体形状
    検出装置において、位置検出センサは既定の基準面に対
    する被検出物の表面の変位量に応じて受光パターンが変
    位する方向の一直線上に並ぶ多数の検知エレメントを備
    え、その方向の各検知エレメントは配列方向に沿って複
    数の出力エレメントに順次循環的に対応付けられてい
    て、受光パターンの形成された検知エレメントに対応す
    る出力エレメントを通して受光パターンの位置情報を演
    算処理部に入力し、演算処理部は、基準面への光ビーム
    の各投射位置に対応した各受光パターンが形成される検
    知エレメントをそれぞれ基準エレメントとして記憶する
    基準位置記憶部と、被検出物の表面に同じ投射位置の光
    ビームを投射したときに受光パターンが形成される検知
    エレメントの範囲を、基準エレメントを含みかつ各出力
    エレメントに対応付けた検知エレメントが一巡する範囲
    以内に制限する検出領域設定部と、この制限範囲内で受
    光パターンが形成された検知エレメントに対応する出力
    エレメントを求めて、光ビームの投射位置と出力エレメ
    ントとに基づいて受光パターンが形成されている検知エ
    レメントを特定し、特定した検知エレメントと基準エレ
    メントとの相対位置に基づいて光ビームの各投射位置に
    対応した被検出物の表面の基準面からの変位量を求める
    距離変換部とを備えることを特徴とする立体形状検出装
    置。
  13. 【請求項１３】 各検知エレメントは、受光面の面内に
    おいて配列方向に直交する方向の寸法が配列方向の寸法
    よりも大きい細長形状に形成されていて、光パターンの
    全走査範囲に亙って受光パターンが入射されることを特
    徴とする請求項１２記載の立体形状検出装置。
  14. 【請求項１４】 受光レンズは、検知エレメントの配列
    方向に沿って湾曲する曲面を有したシリンドリカルレン
    ズであることを特徴とする請求項１２記載の立体形状検
    出装置。
  15. 【請求項１５】 位置検出センサの受光面の前方に配設
    した反射鏡を通して受光パターンを受光面に形成するよ
    うに、光ビームの投射位置に連動して反射鏡を揺動させ
    る受光用偏向装置を設けたことを特徴とする請求項１２
    記載の立体形状検出装置。
  16. 【請求項１６】 基準面を受光レンズの光軸に直交する
    ように設定し、検知エレメントの配列方向における基準
    面の上での視野の長さと受光レンズの倍率との積を、一
    巡当たりの検知エレメントの個数と各検知エレメントの
    間の配列ピッチとの積で除算して求めた循環回数で、検
    知エレメントを配列したことを特徴とする請求項１２記
    載の立体形状検出装置。
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