JPH0755438A

JPH0755438A - 形状測定方法

Info

Publication number: JPH0755438A
Application number: JP20801293A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Fukuoka; 知浩福岡
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-08-23
Filing date: 1993-08-23
Publication date: 1995-03-03

Abstract

(57)【要約】【目的】高精度な形状測定を自動的に行える形状測定
方法を提供する。【構成】全測定点に対する三次元座標データ，相関値
λ及びピーク偏差δをメモリからＣＰＵへロードする
（ＳＢ１０）。つぎに、重複部分の測定点を選択し（Ｓ
Ｂ２０）、重複部分の座標データの中から相関値λの大
きい且つピーク偏差δの小さい三次元座標データを選択
することにより（ＳＢ３０）、基準強度分布に類似した
光強度分布Ｑｊを有する座標データを選択する。つぎ
に、重複部分の選択された測定点及び重複部分外の測定
点の三次元座標データすべてを繋ぎ合わせて被測定物５
０の形状データを作成しディスプレーやプリンター等の
外部出力機に出力する（ＳＢ４０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被測定物表面に照射し
た光の反射光を光センサで検出して物体の形状を測定す
る形状測定方法に係わり、特に検出した反射光の光強度
分布に対応した測定を行う形状測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光を被測定物に照射し、反射して回析し
た光のセンサ面上への入射位置よりこの被測定物の位置
ずれ量を検出するものとして特開平４−１２２０５号公
報に開示された位置検出装置が知られており、このよう
な位置検出技術を用いて例えば自動車ボディーの形状計
測等を行う非接触式の形状測定装置も知られている。こ
の種の形状測定装置は、図７のシステム構成図に示すよ
うに、光センサヘッド２０，定盤３０，ロボット６０，
コントローラ７０，ＣＰＵ８０等から主に構成される。
光センサヘッド２０はロボット６０のアーム１０の先端
に取り付けられ、図８に示すように投光レンズ１１０，
受光レンズ１２０，レーザ発振器１００（半導体レーザ
等）及び多数の画素を有するＣＣＤエリアセンサ１３０
（ＣＣＤ＝charge coupled device）を備えている。ま
た、被測定物５０は定盤３０に設けられた固定治具４０
に取り付けられている。

【０００３】被測定物５０の形状測定方法としては、図
７に示すように、予め当該形状を示す設計データに基づ
いて光センサヘッド２０の動きとなる軌跡ｌをＣＰＵ８
０上で作成しておき、この軌跡ｌに沿ってロボット６０
は光センサヘッド２０を移動させてレーザ光（可干渉性
の高いレーザ光）で被測定面を走査するようにしている
（図では便宜上、軌跡ｌと被測定物５０との間隔Ｄを拡
大して示している）。そして、被測定面で反射された光
を光センサヘッド２０で検出して照射点の座標位置をＣ
ＰＵ８０で演算を行うことにより座標位置計測を行い、
計測された多数の座標位置を接続して被測定物５０の形
状を測定するようにしている。

【０００４】上記座標位置計測方法を詳しく説明する
と、図８及び図９に示すように、投光レンズ１１０を介
してレーザ発振器１００から照射されたレーザ光は被測
定物５０表面に対して垂直に照射され、表面で反射され
たレーザ光線の回析光は受光レンズ１２０を介してＣＣ
Ｄエリアセンサ１３０で受光される（図では便宜上、照
射したレーザ光と回析光との角度αを拡大して示してい
る）。そして、回析光がＣＣＤエリアセンサ１３０の画
素で検出された後、インタフェース９０（増幅回路，Ａ
−Ｄコンバータ等）を介してデジタル化され、最終的に
はＣＰＵ８０で画素に対する回析光の光強度分布として
数値化される。ここで、レーザ発振器１００とＣＣＤエ
リアセンサ１３０の画素配置とは三角測量法に基づいた
対応関係にあり、ＣＣＤエリアセンサ１３０で検出され
た当該回析光の例えばピーク値等（回析光強度分布の立
ち上がり点と立ち下がり点との中間点でも良い。）を照
射点座標算出用特定点として検出した画素の座標位置に
基づいて、レーザ光の照射点の座標値が算出されるよう
になっている。さらに詳しく説明すると、レーザ発振器
１００から出力されたレーザ光を被測定物５０表面に対
し垂直に照射すると、その回析光は照射点を中心に放射
状に広がる明るいフレネル帯をなし、ＣＣＤエリアセン
サ１３０の画素はフレネル帯の外周縁及び回析光の進行
方向に対して垂直にフレネル帯の光強度を検出するよう
にしている。その結果、図１０に示す回析光を検出した
画素に対する光強度分布に示されるように、この光強度
分布の形状はそのピーク値を検出した画素（図中ｂ）に
関して対称な略山形をなし、このピーク値を検出した画
素の座標位置を照射点座標算出用特定点として、レーザ
光の照射点の座標値を算出する。

【０００５】ここで前述した形状測定時のレーザ光走査
方法にあっては、被測定物５０が自動車のワーク等のよ
うに比較的大きな物体である場合には、一度のレーザ光
走査範囲には限界があるため、図６に示すように、被測
定物５０の表面を相互に重複する（重複部分は図中斜線
部分、例えば点ｂ(0) ，ｂ(1) ，ｃ(0) ，ｃ(1) で囲ま
れた領域Ｃ(0) ，Ｃ(1) ，…等）複数の領域（図中Ａ
(0) ，Ａ(1) ，…，Ｂ(0) ，Ｂ(1) ，…等）に分割して
測定する。そして、分割領域各々に対して光センサヘッ
ド２０からスリットレーザ光を所定のピッチ（例えば２
[mm]）で照射していくようにしている。例えば、点ｂ
(0) ，ｂ(1) ，ｂ(2) 及びｂ(3) で囲まれた領域Ｂ(0)
に対してスリット光を照射していき（図中縦線）、被測
定物５０の形状を測定するようにしている。

【０００６】しかしながら、上述した形状測定方法にあ
っては、被測定面の起伏などの形状変化や分割領域Ａ
(0) ，Ａ(1) ，…，Ｂ(0) ，Ｂ(1) ，…毎の照射角度の
差等により、各照射点におけるレーザ光の反射角度にば
らつきが発生し、三角測量法に基づいた測定精度が低下
する。その結果、反射光強度分布に歪みが生じ、算出さ
れた座標位置に誤差が発生する。

【０００７】すなわち、反射光強度分布に歪みが発生し
ていても、そのまま、座標位置を算出してしまうため、
重複部分Ｃ(0) ，Ｃ(1) ，…において、分割領域Ａ(0)
，Ａ(1) ，…，Ｂ(0) ，Ｂ(1) ，…毎に照射された同
一の照射点に対して相異なる複数の座標位置が算出され
たり、また分割領域Ａ(0) ，Ａ(1) ，…，Ｂ(0) ，Ｂ
(1) ，…毎の相異なる照射点に対して同一の座標位置が
算出されたりする等、算出された座標位置には誤差が発
生していた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこで、上述した形状
測定方法にあっては、被測定物の設計データ（ＣＡＤデ
ータ等）に基づいて誤差の少ない座標データを人為的に
選択あるいは誤差の含んだ全ての座標データをつなぎ合
わせたりするなどして被測定物５０の形状を作成してい
た。

【０００９】そのため、座標データの選択といった煩雑
な作業により作業効率の低下、あるいは誤差を含んだ座
標データ全てを繋ぎ合わせることによる形状測定精度の
低下の発生を招いていた。

【００１０】この発明は前述した従来の問題点に鑑みな
されたもので、その目的は、高精度な形状測定を自動的
に行える形状測定方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】被測定物表面に光源から
光を照射すると共に、該照射点での反射光を該光源側方
の所定位置に配置した多数の画素を有する光センサで受
光し、該受光した反射光の強度分布特性から特定される
照射点座標算出用特定点の画素上の座標位置から前記照
射点の座標位置を算出し、該算出された多数の照射点の
座標位置データを相互に繋いで被測定物表面の形状を計
測するにあたって、前記被測定物表面を相互に重複する
部分を有する多数の領域に分割し、該各分割領域毎に先
ずその座標位置をデータを算出した後、該各分割領域毎
に算出された相互に重複する部分の座標位置データを取
捨選択し、該選択した座標位置データを繋ぎ合せて該重
複部分の形状を特定する形状測定方法において、前記被
測定物と同質な表面を有する平板に対して前記光源から
光を照射した場合に前記光センサで得られる反射光の強
度分布特性を基準強度分布特性として定め、前記重複部
分の座標位置データを取捨選択するに際して、該各座標
位置データを算出する基礎となった光強度分布特性と該
基準強度分布特性とを比較して、それらの相関関係が所
定条件を満たしている照射点の座標位置データを形状特
定用座標位置データとして取り込むことを特徴とする。

【００１２】

【作用】前記被測定物と同質な表面を有する平板に対し
て前記光源から光を照射した場合に前記光センサで得ら
れる反射光の強度分布特性を基準強度分布特性として定
め、前記重複部分の座標位置データを取捨選択するに際
して、該各座標位置データを算出する基礎となった光強
度分布特性と該基準強度分布特性とを比較して、それら
の相関関係が所定条件を満たしている照射点の座標位置
データを形状特定用座標位置データとして取り込むの
で、取り込まれた重複部分の該座標位置はすべて基準強
度分布特性に対し可及的に近い強度分布特性を有する反
射光に基づいて算出されたものとなる。したがって、反
射光強度分布特性のばらつきが一定条件内に収まった座
標位置が取捨選択され且つ繋ぎ合わされて前記被測定物
の形状となるので、測定された該形状はその座標位置毎
の測定精度のばらつきが可及的に低減されたものとな
り、以て被測定物の形状測定精度は可及的に向上する。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明に係る形状測定方法の好適な
一実施例を添付図面に基づき詳述する。ここで、本実施
例で使用する形状測定装置は、前述した従来の図７及び
図８に示す形状測定装置と同一のものであるため、この
形状測定装置についての説明は省略する。

【００１４】本実施例では図６に示すように従来と同
様、被測定物５０の表面を相互に重複する部分Ｃ(0) ，
Ｃ(1) ，…を有する多数の領域Ａ(0) ，Ａ(1) ，…，Ｂ
(0) ，Ｂ(1) ，…に分割し、各分割領域Ａ(0) ，Ａ(1)
，…，Ｂ(0) ，Ｂ(1) ，…毎に、レーザ光を走査して
その反射光強度分布のピーク値（光強度分布の立ち上が
り点と立ち下がり点との中点、あるいはこの中点とピー
ク値との中点でも良い。）を照射点座標算出用特定点と
して座標位置を算出し、測定された多数の座標位置を接
続して被測定物５０の形状を測定する。

【００１５】前述したように従来は、重複部分Ｃ(0) ，
Ｃ(1) ，…の座標データについては、被測定物５０の設
計データ（ＣＡＤデータ等）に基づいて誤差の少ない座
標データを人為的に取捨選択あるいは全ての座標データ
を繋ぎ合わせたりする等して被測定物５０の形状を作成
していた。

【００１６】これに対し、本実施例では、重複部分Ｃ
(0) ，Ｃ(1) ，…の照射点で反射した光の強度分布特性
と後述する基準強度分布特性とを比較して、これらの類
似性が後述する所定条件を満たしている照射点の座標位
置データを形状特定用座標位置データとして取り込むよ
うにしている。これを図１〜図６を用いて説明する。

【００１７】まず、上記基準強度分布特性を求める。図
３の破線Ｐに示すように、被測定物５０と同質な表面を
有する平板に対してレーザ発振器１００からレーザ光を
照射し、ＣＣＤエリアセンサ１３０で得られる反射光の
強度分布特性を基準強度分布特性とし、ＣＰＵ８０に付
随するメモリに保存する。

【００１８】つぎに、被測定物５０の座標位置測定及び
重複部分Ｃ(0) ，Ｃ(1) ，…の照射点で反射した光の強
度分布特性と基準強度分布特性との比較を行う。これを
図１のフローチャートを用いて説明する。まず、図６に
示すように被測定物５０の表面を複数の測定領域Ａ(0)
，Ａ(1) ，…，Ｂ(0) ，Ｂ(1) ，…に分割する（ＳＡ
１０）。そして、分割された測定領域（例えばＡ(0) ）
の一つにスリットレーザ光を照射し各測定点における反
射光強度分布を測定する（ＳＡ２０）。次に、各測定点
毎に反射光強度分布と基準強度分布との比較を行い、両
者の類似性を判定する（ＳＡ３０）。ここで、この類似
性比較について説明すると、図３に示すように、各測定
点ｊの反射光強度分布Ｑｊ（図中実線）と基準強度分布
Ｐ（図中破線）との相関値λとピーク偏差δとを算出す
る。また、この相関値λ及びピーク偏差δについて説明
すると、この相関値λとは、反射光強度分布と先に求め
た基準強度分布との間の比例関係の度合いを数値で表現
したもので、各画素に対する反射光強度分布及び基準強
度分布の値に基づいて、以下に示す式にしたがって算出
される。

【００１９】なお、ｎは画素数，ｘi は画素ｉに対する
反射光強度分布値及びｙi は画素ｉに対する基準強度分
布値を示す。

【００２０】

【数１】また、ピーク偏差δは反射光強度分布と基準強度分布と
のピーク値の偏差であり、図３中ではδ＝｜ａ−ｂ｜で
示される。

【００２１】つぎに、各測定点における反射光強度分布
のピーク値検出画素より三角測量法に基づいて三次元座
標を演算する（ＳＡ４０）。そして、各測定点に対する
三次元座標，相関値λ及びピーク偏差δをＣＰＵ８０に
付随するメモリに保存する（ＳＡ５０）。つぎに、一つ
の分割測定領域の座標測定が終了したか否かを判定し
（ＳＡ６０）、終了した場合にはＳＡ７０に制御が移
り、終了していない場合にはスリットレーザ光を所定の
照射ピッチ（例えば２[mm]）でずらしてＳＡ２０に戻
る。ＳＡ７０では、全ての分割測定領域の座標測定が終
了したか否かを判定し終了した場合には、被測定物５０
の座標測定を終了し、終了していない場合には、次の分
割測定領域へ光センサヘッドを移動させ（ＳＡ９０）、
ＳＡ２０へ制御が戻る。

【００２２】つぎに、得られた各測定点に対する座標デ
ータを繋ぎ合わせて被測定物５０の測定形状データを作
成する。これを図２のフローチャートを用いて説明す
る。まず、全測定点に対する三次元座標データ，相関値
λ及びピーク偏差δをメモリからＣＰＵ８０へロードす
る（ＳＢ１０）。つぎに、重複部分Ｃ(0) ，Ｃ(1) ，…
の測定点を選択し（ＳＢ２０）、重複部分の座標データ
の中から相関値λの大きい且つピーク偏差δの小さい三
次元座標データを選択することにより（ＳＢ３０）、基
準強度分布Ｐに類似した光強度分布Ｑｊを有する座標デ
ータを選択する。この選択方法を具体的に説明すると、
図４は被測定物５０の断面図であり、分割測定領域Ａ
(0) 及びＢ(0) 各々に対して、一本のスリット光が照射
された様子を示している（図６中IV-IV 線図）。図４に
おいて、Ａ(0) 及びＢ(0) の重複部分Ｃ(0) 座標データ
（Ａ (α) ，Ａ (β) ，Ｂ (α) 及びＢ (β) ）を繋ぎ
合わせるにあたり、これら４座標データの中から、基準
強度分布Ｐに類似した光強度分布を有する座標データを
選択する。ここで、類似基準としての相関値λの大きさ
及びピーク偏差δの小ささの基準は重複領域の座標デー
タを繋ぎ合わせるにあたって要求される測定精度に応じ
て決定される。図５は上記４データの中から基準強度分
布Ｐに対して類似性が高いとして選択された座標データ
（Ａ (α) 及びＢ(β) ）が接続されて分割測定領域Ａ
(0) 及びＢ(0) が繋ぎ合わされた様子を示している。

【００２３】つぎに、重複部分の選択された測定点及び
重複部分外の測定点の三次元座標データすべてを繋ぎ合
わせて被測定物５０の形状データを作成しディスプレー
やプリンター等の外部出力機に出力し（ＳＢ４０）、制
御フローが終了する。

【００２４】以上の説明から明らかなように、重複部分
の座標データを取捨選択するに際して、各三次元座標デ
ータを算出する基礎となった光強度分布Ｑｊと基準強度
分布Ｐとを比較して、両者が類似している照射点ｊの三
次元座標データを形状特定用座標位置データとして取り
込むので、取り込まれた重複部分の三次元座標データは
すべて基準強度分布Ｐに対し可及的に近い強度分布特性
Ｑｊを有する反射光に基づいて算出されたものとなる。
したがって、強度分布Ｑｊのばらつきが一定条件内に収
まった三次元座標データが取捨選択され且つ繋ぎ合わさ
れて被測定物５０の形状となるので、測定された形状は
その座標位置毎の測定精度のばらつきが可及的に低減さ
れたものとなり、被測定物の形状測定精度は向上する。

【００２５】なお、前記基準強度分布Ｐを求めるにあた
って、最も高い測定精度が得られるような条件下で形状
測定装置を用いた場合には、得られた基準強度分布Ｐは
最も高い測定精度が反映されたものとなり、座標データ
を取捨選択するに際してこの基準強度分布Ｐを用いた場
合には、信頼性の高い三次元座標データを選択すること
ができる。

【００２６】ここで、重複部分Ｃ(0) ，Ｃ(1) ，…の三
次元座標データを取捨選択する作業を人為的に行わずに
自動化でき作業効率の向上が図れ、自動車のボディ等の
外観検査自動化に適用できる。

【００２７】したがって、形状測定誤差を低減すること
ができるので、自動車のボディ等の製造にあたっては、
設計データ（ＣＡＤデータ等）との比較により製造誤差
を精度良く算出することができ、この製造誤差をボディ
金型製造ライン等にフィードバックすることにより、製
造行程の効率向上及び品質向上が図れる。

【００２８】

【発明の効果】被測定物と同質な表面を有する平板に対
して前記光源から光を照射した場合に光センサで得られ
る反射光の強度分布特性を基準強度分布特性として定
め、重複部分の座標位置データを取捨選択するに際し
て、該各座標位置データを算出する基礎となった光強度
分布特性と該基準強度分布特性とを比較して、それらの
相関関係が所定条件を満たしている照射点の座標位置デ
ータを形状特定用座標位置データとして取り込むので、
取り込まれた重複部分の該座標位置はすべて基準強度分
布特性に対し可及的に近い強度分布特性を有する反射光
に基づいて算出されたものとなる。したがって、反射光
強度分布特性のばらつきが一定条件内に収まった座標位
置が取捨選択され且つ繋ぎ合わされて前記被測定物の形
状となるので、座標位置毎の測定精度のばらつきを可及
的に低減することができ、被測定物の形状測定精度の向
上が図れる。

【００２９】また、重複部分の座標位置データを取捨選
択する作業を人為的に選択せずに自動化でき、作業効率
の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る形状測定方法の座標位置測定法を
示すフロチャートである。

【図２】本発明に係る形状測定方法の座標位置の繋ぎ合
わせを示すフロチャートである。

【図３】本発明に係る形状測定方法の基準強度分布と測
定光強度分布とを示すグラフである。

【図４】本発明に係る形状測定方法の分割領域毎の座標
位置を示す断面図である。

【図５】本発明に係る形状測定方法の座標位置の繋ぎ合
わせを示す断面図である。

【図６】従来及び本発明に係る形状測定方法の光照射形
状測定の原理を示す概念図である。

【図７】従来及び本発明に係る形状測定方法のシステム
構成図である。

【図８】従来及び本発明に係る形状測定方法のシステム
ブロック図である。

【図９】従来及び本発明に係る形状測定方法の光照射座
標測定の原理を示す概念図である。

【図１０】従来及び本発明に係る形状測定方法の光強度
分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１０アーム（ロボット６０の）２０光センサヘッド３０定盤４０固定治具（定盤３０の）５０被測定物６０ロボット７０コントローラ８０ＣＰＵ９０インタフェース１００レーザ発振器（光源）１１０投光レンズ（レーザ発振器１００側の）１２０受光レンズ（ＣＣＤエリアセンサ１３０側の）１３０ＣＣＤエリアセンサ（光センサ）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定物表面に光源から光を照射すると
共に、該照射点での反射光を該光源側方の所定位置に配
置した多数の画素を有する光センサで受光し、該受光し
た反射光の強度分布特性から特定される照射点座標算出
用特定点の画素上の座標位置から前記照射点の座標位置
を算出し、該算出された多数の照射点の座標位置データ
を相互に繋いで被測定物表面の形状を計測するにあたっ
て、前記被測定物表面を相互に重複する部分を有する多
数の領域に分割し、該各分割領域毎に先ずその座標位置
データを算出した後、該各分割領域毎に算出された相互
に重複する部分の座標位置データを取捨選択し、該選択
した座標位置データを繋ぎ合せて該重複部分の形状を特
定する形状測定方法において、前記被測定物と同質な表面を有する平板に対して前記光
源から光を照射した場合に前記光センサで得られる反射
光の強度分布特性を基準強度分布特性として定め、前記重複部分の座標位置データを取捨選択するに際し
て、該各座標位置データを算出する基礎となった光強度
分布特性と該基準強度分布特性とを比較して、それらの
相関関係が所定条件を満たしている照射点の座標位置デ
ータを形状特定用座標位置データとして取り込むことを
特徴とする形状測定方法。