JP3711892B2 - ３次元表面形状測定方法 - Google Patents

Description

【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、７０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）１６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、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）／ｓｉｎ（ｔ）＝ｎ２／ｎ１を満たす角度ｔ方向への透過光１０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１６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、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（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１８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１８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）

Claims (3)

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。
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。
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。

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