JPH01244303A - 非接触式３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ 〈産業上の利用分野〉 本発明は物体表面の３次元形状及び３次元座標を非接触
式に測定するための装置に関する。本発明はあらゆる用
途に適用可能であるが、特に金属の破面などを立体的に
計測したり直視するための３次元走査顕微鏡として用い
ることができる。

〈従来の技術〉 金属の破面の形状などを立体的に計測するための３次元
走査顕微鏡や、ロボットによる自動加工及び組立、製品
の形状或いは寸法の検査、高温又は低温環境下にある物
体の形状測定を行なう等の目的のために物体表面の３次
元形状及び寸法を非接触式に高速測定するための装置等
に対する需要が増している。このような目的のためには
、従来レーザなどのスポットビームを被測定対象物表面
に投射し、光干渉法や光変調法、三角側聞法等の種々の
手法により゛投射点までの距離を測定し、同時にスポッ
トビームを２次元的に走査する方法が用いられている。

この方法によれば、距離の測定方法を適当に選ぶことに
より距離測定精度を上げたり、測定範囲を広く取ること
ができるなど利点を有するが、ビーム径に制限があるた
めに２次元走査の分解能に限界があることや、２次元走
査と膨大なデータ処理のために測定に多大な時間を要す
るなどの欠点がある。また、光干渉法や光変調法を用い
た場合には、測定対象物表面の垂直方向がビームの投射
方向から著しく傾斜する場合には、距離の測定が困難に
なるなどの問題がある。

そこで、スリットを通過したフラットレーザビーム（線
状光源）を測定対象物に投射し、測定対象物をビームに
対して直角方向に走査し３角測量方式を用いて測定対象
物表面の形状を３次元的に測定することが提案されてい
る。これによると、走査が１次元的で済むため、高速で
安定な３次元座標の測定が可能となる利点を有するが、
前記同様にスリット幅に制限がおるため、２次元走査の
分解能に限界があり、現状では横送り方向の分解能を３
０μｍより高めることができない。

〈発明が解決しようとする課題〉 このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的
は、物体表面の３次元形状及び座標を高速かつ高い分解
能をもって測定するための装置を提供することにある。

［発明の構成］ 〈課題を解決するための手段〉 このような目的は、本発明によれば、測定対象物表面の
３次元形状及び座標を測定するための装置であって、前
記測定対象物に対して或る投射方向から平行光線を投射
するための手段と、前記平行光線の一部を遮光するナイ
フェツジ手段と、前記測定対象物表面からの反射光を前
記投射方向とは異なる方向から受光し、画像センサ上に
結像するための受光手段と、前記画像センサ上に結像さ
れた光の明暗部の境界として与えられる前記ナイフェツ
ジの像の、所定の基準線に対する偏差に基づき、前記測
定対象物表面の前記ナイフェツジの投射位置に対応する
部分の高さを求める信号処理手段と、前記光投射手段及
び受光手段と前記測定対象物とを横方向に相対的に走査
するための手段とを有することを特徴とする非接触式３
次元形状測定装置を提供することにより達成される。

〈作用〉 このようにして信号処理装置により得られた距離に関す
る情報と走査手段から得られる位置情報とを組合せるの
みで、３次元的形状を簡単にしかも高速で数値化するこ
とができる。しかも画像センサから得られる２次元座標
データの分解能は、スリット幅等の物理的寸法に依存し
ていないことから、画像センサの分解能に応じて任意に
向上させることができる。更に、受光したエツジ境界線
像をレンズ系を用いて拡大して結像させる場合には、画
像センサの分解能にも依存することなく測定分解能を一
層任意に向上させることができ、本発明に基づく装置を
走査顕微鏡として利用することができる。

〈実施例〉 以下、本発明の好適実施例を添付の図面について詳しく
説明する。

第１図は本発明に基づく３次元形状測定装置の原理を示
す。レーザダイオード等からなる光源１から、測定対象
物２の表面上の基準点Ｐ１となるべき点に光ビームを投
射すると、光ビームは同部分で乱反射し、散乱光を生じ
る。この散乱光をレンズ３により受光し、画像センサ４
上に基準結像点Ｑ１として結像きせる。この時、測定対
象物２の主面の法線５に対する入射光及び反射光の角度
Ａ、Ｂは任意であってよいが、測定対象物表面の凹凸に
応じて影となるような測定不可能領域ができないように
、或いは測定感度を高めるように適宜選択する。

いずれにせよ、測定対象物の投影点がＰ２及びＰ３に示
されるように、基準投影点Ｐ１に対して上下に変位した
場合には、対応する画像センサ４上の結像点は、Ｑ２及
びＱ３に示されるように基準結像点Ｑ１に対して左右に
変位する。この時、基準結像点Ｑ１に対する結像点Ｑ２
、Ｑ３の左右方向の変位ｉｈｌ　、ｈ２は基準投影点Ｐ
１に対する投影点Ｐ２　、Ｐ３の上下方向の変位ｌｚｌ
　、ｚ２に対して概ね比例している。特に画像センサ４
の受光面を、光源１から測定対象物２の表面へ向う投影
方向に対して平行に設置する場合には、ｈｌ、ｈ２は各
々ｚ１、ｚ２に正確に比例する。従って、結像点Ｑ２　
、Ｑ３の変位量を計測することにより、投影点Ｐ２　、
Ｐ３の上下位置を検出できることとなる。

第２図は本発明に基づく非接触式３次元形状測定装置の
好適実施例を示す。

測定対象物１１はテーブル１２上に載置され、テーブル
１２は可動レール１３上をＸ方向に変位可能であり、可
動レール１３は固定レール１４に対してＸ方向に変位可
能にされている。レーザダイオード等からなる光源１５
から発光される光ビームは、レンズ１６により平行ビー
ム束に変換され、ナイフェツジ１７ａを有する遮光板１
７によりその一部が遮光される。このようにして部分的
に遮光された平行ビーム束は測定対象物１１の表面に投
射され、その散乱反射光はレンズ１Ｂによ−り受光され
必要に応じて拡大されて画像センサ（フォトディテクタ
）１９上に結像される。

遮光板１７により平行ビーム束の一部が遮光されている
ことから、測定対象物１１の表面にはナイフェツジ１７
ａに対応する境界線２５により区分される明るい領域２
６及び暗い領域２７が形成される。従って、この明暗領
域の境界線２５の像が画像センサ１９上に結像される。

この境界線２５の像は、測定対象物の表面が水平である
場合には直線（基準線）として得られるが、第１図につ
いて前記した理由により、測定対象物表面上の境界線２
５に対応する部分の（２方向の）凹凸に応じて、基準線
に対して変位した曲線として画像センサ１９上に結像さ
れ、しかもこの変位は一義的に測定対象物１１の表面の
凹凸の度合を与えることとなる。

従って、可動レール１３及び固定レール１４に対してテ
ーブル１２を適宜微小量をもって移動させることにより
測定対象物の全表面を走査し、その表面形状に関する３
次元的座標情報を得ることができる。

即ち、画像センサ１９により得られた信号を信号処理装
置２０により数値化し、この処理結果を、制御装置２１
により走査情報とを組合わせることにより、所望に応じ
て３次元情報を表示装置２２に直接表示したり、出力装
置２３を介して記録装置２４によりハードコピーやデジ
タル信号などとして記録することが可能となる。

上記実施例に於ては距離測定ユニットと測定対象物との
間に於てｘｙＸ方向走査が行なわれるようにしたが、場
合によってはく例えば、測定されるべき表面領域の幅よ
りも同表面に投射された境界線２５の長さの方が大ぎい
場合等）、ナイフェツジ１７ａに直交する方向のみ、例
えばＸ方向にのみ走査が行われるようにしても好い。ま
た、本実施例の場合には測定対象物１１が走査されたが
、距離測定ユニット１５〜１９の側を走査するようにし
ても好く、或いは両者を互いに直交する方向に走査して
も好い。

［発明の効果］ 本発明によれば、金属の破面やその他の検査対象の３次
元形状および寸法が、画像センサ上の２次元情報及び走
査装置により与えられる座標上に於ける距離情報とを組
合わせることにより非接触で直接的に杷握されることか
ら、得られた３次元形状に関する情報が、容易にしかも
高速で、直視可能にしたり、直接数値解析に用い得るよ
うなデータとして得られるため、その効果は極めて大で
ある。

更に、本発明は測定対象物表面からの散乱光を受光する
ものであるため、測定対象物表面の傾斜の度合や色彩、
表面性状の影響を受けにくいという利点を有する。また
、従来の非接触式距離計測手段に比して分解能を向上さ
せしかもその計測時間を短縮さることが可能である。特
に本発明に基づく装置を走査顕微鏡として用いた場合に
は測定対象物の設定場所を特定する必要がなく、従って
真空容器等を必要とすることなく通常の雰囲気中で測定
を行なうことができるという利点がｊｑられる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に基づく装置の動作原理を説明するた
めの説明図でおる。 第２図は本発明に基づく装置の構成を示す模式的ブロッ
ク図である。 １・・・光源　　　　　　２・・・測定対象物３・・・
レンズ　　　　　４・・・画像センサ５・・・法線　　
　　　　１１・・・測定対象物１２・・・テーブル　　
　１３・・・可動レール１４・・・固定レール　　１５
・・・光源１６・・・レンズ　　　　１７・・・遮光板
１７ａ・・・ナイフェツジ１８・・・レンズ１９・・・
画像センサ　　２０・・・信号処理装置２１・・・制御
装置　　　２２・・・表示装置２３・・・出力装置　　
　２４・・・記録装置２５・・・境界線　　　　２６・
・・明るい領域２７・・・暗い領域 特　許　出　願　人　　千代田化工建設株式会社代　　
　理　　　人　　弁理士　大　島　陽　−第１図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）測定対象物表面の３次元形状及び座標を測定する
   ための装置であつて、 前記測定対象物に対して或る投射方向から平行光線を投
   射するための手段と、 前記平行光線の一部を遮光するナイフエッジ手段と、 前記測定対象物表面からの反射光を前記投射方向とは異
   なる方向から受光し、画像センサ上に結像するための受
   光手段と、 前記画像センサ上に結像された光の明暗部の境界として
   与えられる前記ナイフエッジの像の、所定の基準線に対
   する偏差に基づき、前記測定対象物表面の前記ナイフエ
   ッジの投射位置に対応する部分の高さを求める信号処理
   手段と、 前記光投射手段及び受光手段と前記測定対象物とを横方
   向に相対的に走査するための手段とを有することを特徴
   とする非接触式３次元形状測定装置。