JP2597711B2 - ３次元位置測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は、被検体の３次元形状を高精度に測定しうる
３次元位置測定装置に関する。

＜従来の技術＞ 例えば、建造物，備蓄タンク等の歪を高精度で測定す
る技術は、これらの保守の観点から重要である。ここで
歪は対象物の３次元形状の経時的な変化として把握され
るが、保守点検においては、測定精度として数mm程度の
分解能が必要なため、高精度な３次元形状計測技術が必
要とされる。

ところで、従来より、３次元の形状測定技術としてモ
アレ法及び光切断法が知られている。

ここで、モアレ法は、第５図に示すように、被検体と
しての物体50に対向して第１の基準格子51及び第２の基
準格子52を配し、光源53の出射光をレンズ54により第１
の基準格子51を透過させてその基準格子51の像をレンズ
55を介して物体50に投影すると共に、物体50の形状に従
って歪められた格子の像をレンズ56を介して第２の基準
格子52上に投影し、その際に生じるモアレ縞をレンズ57
を介して撮像素子58で観察するものであり、例えば図示
するようなパターン59が観測される。

一方、光切断法は、第６図に示すように、被測定物で
ある物体60の表面に細いスリット光61を投影し、物体60
の表面形状に応じて変形したスリット像62を解析するこ
とにより物体60の形状を測定するものである。

＜発明が解決しようとする課題＞ しかしながら、前述した従来法により被測定物の形状
を高精度に測定しようとした場合には次のような問題が
ある。

前述した方法では、被測定物に投影される像が格子
パターンあるいは線像であるので光源は比較的広い領域
を照射することになり、十分な照度が確保できない場合
がある。特に、被測定物の反射率が低い場合あるいは反
射面が傾いている場合には、観測系において十分な光量
が確保できなくなり、観測画像のS/N比の低下や測定精
度の低下を招く虞れがある。

被測定物に投影される格子若しくはスリットの投影
像は、視野の縁部において投影レンズの球面収差等によ
り歪む可能性があり、又、同様なことが撮像レンズに関
しても起こるので、高精度の測定ができない。

撮像系の撮像素子が分解能は測定精度に影響を与え
るが、撮像素子として２次元CCDカメラを用いた場合に
はその画素数は500×500程度であるので、これにより映
像分解能が制約される。

本発明はこのような事情に鑑み、高精度な３次元形状
計測が可能な３次元位置測定装置を提供することを目的
とする。

＜課題を解決するための手段＞ 前記目的を達成する本発明の３次元位置測定装置は、
平行光乃至収束光をプローブ光として被検体に照射する
と共にその照射方向が２本の回転軸回りの回動により可
変である光照射部と、撮像レンズ及び受光素子からなり
その光軸方向が２本の回転軸回りの回動により可変であ
り且つ上記被検体からの反射光をその反射点の像が当該
光軸に一致するよう回動調整して検出する光検出部と、
上記プローブ光の出射方向及び上記光検出部での受光方
向並びに当該光検出部と上記光照射部との相対的位置関
係より三角測量の原理で上記反射点の位置を検出する処
理部とを具えてなり、光照射部の一方の回転軸と光検出
部の一方の回転軸とが、該光照射部の回転中心と該光検
出部の回転中心とを結ぶ直線に一致し、且つ、受光素子
が一次元撮像素子であることを特徴とする。

＜作用＞ 光照射部より照射されたプローブ光は被検体により反
射され、その反射光を光検出部で検出する際、反射点の
像が光軸に一致するように光検出部を回動調整する。

ここで、光照射部の回動位置と光検出部の回動位置と
により出射方向及び受光方向を検知し、これと両者の相
対的位置関係とにより、三角測量の原理で上記反射点の
位置を処理部により検出する。

＜実 施 例＞ 以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図には一実施例に係る３次元位置測定装置の構成
を示す。

同図に示すように、光照射部Ａにおいては、He−Neレ
ーザ光源１からの出射光が、可変アッテネータ２を介
し、さらにレンズ3,4で構成されるビームエクスパンダ
５を介してミラー６で反射され、この出射光が被検体７
の表面ａに結像する。ここで、可変アッテネータ２は被
検体７の表面の傾き、反射率の影響により観測系の受光
レンズが変動するのを防止するためのものである。ま
た、エクスパンダ５はHe−Neレーザ光の拡り角を小さく
するためのものであり、レンズ４が搭載されているレン
ズ搭載ステージ８を動かすことにより表面ａにおけるビ
ーム径が最小となるように調整されている。一方、ミラ
ー６は回転ステージ９に搭載され、モータ10により駆動
されるようになっており、その回動位置は反射光の光軸
からの傾きである回転角θとしてロータリーエンコーダ
11により読取られる。

一方、被検体７からの反射光を検出する光検出部Ｂで
は、撮像光学系12が撮像レンズ13及び検出器14で構成さ
れ、レンズ13を搭載するレンズ搭載ステージ15を動かす
ことにより検出器13におけるスポット径が最小となるよ
うに調整されるようになっており、さらに撮像レンズ1
3,検出器14及びレンズ搭載ステージ15は回転ステージ16
に搭載されてモータ17により駆動され、その回転角は
ロータリーエンコーダ18により読取られるようになって
いる。

また、上述した光照射部Ａ及び光検出部Ｂは架台19上
に保持され、モータ20により駆動されるようになってお
り、その回転中心はHe−Neレーザ光の光軸に一致し、回
転角ωはロータリーエンコーダ21により読取られる。な
お、上記ミラー６及び受光器14の回転軸は平行であり、
それぞれHe−Neレーザ光の光軸と点b,cにおいて直角に
交差している。

ここで、光照射部Ａにおける可変アッテネータ２、レ
ンズ搭載ステージ８及びモータ10、光検出部Ｂにおける
レンズ搭載ステージ15及びモータ17並びにモータ20は、
ドライバ22及びコントローラ23により制御されており、
また、ロータリーエンコーダ11,18,21のデータは読取カ
ウンター24で読取られる。そして、これらの一連の制御
並びにデータによる被検体７の表面ａの位置の演算はCP
U25により行われている。

本実施例の装置においては、ビームエクスタパンダ５
及び回転ステージ９を制御することにより被検体７の測
定すべき表面ａにビーム径が最小となるように調整され
た像を形成し、この像が撮像光学系12の光軸中心になる
ように回転ステージ16を制御すると共に、レンズ搭載ス
テージ15を動かすことにより検出器14におけるスポット
径が最小となるように調整する。この際の回転角θ，
及び点a,b間の距離x_mを用い、三角測量の原理により表
面ａの位置を算出することができる。さらに、回転角
θ，ωを変化させて同様に順次測定することにより、被
検体７の反射点位置の３次元マッピングを行うことがで
きる。

このような装置においては、プローブ光としてHe−Ne
レーザの収束光を用いているため、測定点において十分
な照度が確保でき、また、レンズ3,4を除いても例えば6
mの距離で10mmφ、レンズ3,4を用いれば3mmφ以下とい
う比較的小さなスポット径が得られ、輝度レベルの向上
を図ることができる。

また、撮像光学系12の光軸中心に反射表面ａの像が位
置するようにしてその受光方向を読取るようにしている
ので、撮像光学系12においては常にレンズ13の中心に円
対称なビームが通過することになり、レンズ収差の影響
が除去されることになる。

また、このように反射光が撮像光学系12光軸中心に一
致するように回転制御されるので検出器14は２次元の撮
像素子である必要はなく、１次元のラインセンサ又はピ
ンホール付きの検出器でもよい。特に上記実施例では光
照射部Ａと光検出部Ｂとのそれぞれ一方の回転軸を一致
させているので１次元ラインセンサで十分である。な
お、１次元ラインセンサの場合は、２次元のCCDに比較
すると一方向の画素数が大きくとれるため、測定精度上
有利である。また、ピンホールはレーザのスペーシャル
フィルターとして１μｍφ程度のものが入手可能である
ため、後述するように、画素サイズで約13μｍとなるCC
Dに比較して高分解能化が可能になる。

さらに、本実施例では、光照射部Ａと光検出部Ｂとの
それぞれ一方の回転軸を一致させ、且つこれに他の回転
軸が直交するようにしているので、三角測量による表面
ａの位置の計算が簡易になるという効果を得ることがで
きる。また、光照射部Ａ及び光検出部Ｂの両者の一方向
の回動を、装置を複雑化させることなく同期して行うこ
とができる。光照射部Ａのθ走査面と光検出部Ｂの走
査面とが一致するので、例えば検出器14に一次元ライン
センサやピンホール付き検出器等の幅の狭いものを用い
ても、プローブ光のθ方向の走査に対して検出器14を
方向にのみスキャンして追従受光できることを確認する
だけで光学系のアライメントの確認ができる。

なお、光照射部Ａ及び光検出部Ｂの一方の回転軸は必
ずしも一致させる必要はなく、また、光照射部Ａ及び光
検出部Ｂのそれぞれの２本の回転軸は必ずしも直交する
必要はない。

また、上記実施例では、被検体７上のスポットサイズ
を最小とすると共に検出器14上のスポットサイズをそれ
ぞれ最小とするためにレンズ４及び13を最適位置に移動
する必要がある。この方法として、検出器14上のスポッ
トサイズをモニターしながら、レンズ４及び13にフォー
カスサーボを行う方法があるが、この場合、レンズ4,13
のフォーカスサーボのためにレンズ4,13を寸動させる必
要があり、調整時間を要する。この時間を短縮するため
には、まず、被検体７の表面ａの位置を仮に測定してそ
の位置とレンズ4,13との距離を概算し、この概算値に基
づいてレンズ4,13の位置を最適化するようにすればよ
く、その後、表面ａの位置を高精度に測定する。なお、
この場合、レンズ４及び13の位置と被検体７の焦点位置
（レンズ４については被検体７上に最小スポットが投影
される位置、レンズ13については被検体７の像が最もシ
ャープに検出器14上に結像するときの被検体７の位置）
との関係を予め求めておく必要があるが、容易に実現可
能である。

次に具体的に試験した結果について説明する。

第２図に示すように、出力10mWのHe−Neレーザ30（波
長0.6328μｍ）の前方に、レンズ31（×10の対物レン
ズ）及びレンズ32（焦点距離55mmのカメラ用レンズ）を
配し、レンズ31,32をビームエクスパンダとして機能さ
せてレーザ光を被検体33に集光する。このときの集光ビ
ームの径は約3mmφであった。なお、被検体33は約6mの
位置に配置しており、ビームエクスパンダを用いない場
合のビーム径は約10mmφであった。また、被検体33とし
ては黒灰色のゴムシートを用いた。

そして、被検体33からの反射光を撮像レンズ34を介し
て１次元CCDカメラ35で受光した。ここで、撮像レンズ3
4としては焦点距離55mmのカメラレンズを用い、一次元C
CDとしては2048素子のものを用いた。

このときのCCDカメラ35の受光信号は第３図に示すよ
うに、仮反射率の散乱性の大きな被検体33を用いたにも
かかわらず、十分な観測強度が得られた。

ここで、被検体33の反射点ａの位置座標（x,y,z）を
計算により求めると、 となる。なお、これは、ｂ点の座標を（−x_m/2,0,0）、
ｃ点の座標を（x_m/2,0,0）、ωの原点をｙ軸（xy平面が
ω＝０に対応）とした場合の座標である。

ここで、，，式よりその差分をとると を得る。，，式は反射点の位置座標（x,y,z）の
測定誤差（δx,δy,δｚ）へのω，θ，の測定誤差δ
ω，δθ，δの寄与を示している。

例えば第１図に示す装置ではω，θ，はロータリー
エンコーダ21,11,18で読取られるが、検出器14の分解能
が不十分だとの測定精度が低下することになる（δ
が大きくなる）。

しかしながら、本発明では、上述したように検出器14
として２次元撮像素子を用いる必要がなく、２次元撮像
素子の映像分解能による制約を除去することができるの
で、高分解能の１次元ラインセンサやピンホール付き検
出器を用いて測定精度を向上させることができる。

ここで、検出器14として好適に用いられる高分解能の
検出器の例を第４図（ａ），（ｂ）に示す。

第４図（ａ）の検出器は検出器40の前方にレンズ41及
びピンホール42を配したものであり、43はこれらの保持
するケースである。これによると、レンズ41で集光され
ピンホール42を通過した像が検出器40で検出され、ピン
ホール42により分解能が向上される。すなわち、ピンホ
ール42としては１μｍφ程度のものが入手可能であるの
で、CCDの画素サイズに比較すると一桁程度の分解能の
向上を図ることができる。なお、この場合の検出器40と
しては、例えばフォトマルチプライヤ等の検出感度の高
い検出器を用いるのが望ましい。

また、第４図（ｂ）の検出器は第４図（ａ）のものと
類似し、同一作用の部材には同一符号を付してあるが、
この場合には、レンズ41とピンホール42との間にハーフ
ミラー44を配設し、このハーフミラー44による反射光を
２次元撮像素子45によりモニターできるようになってい
る。

＜発明の効果＞ 以上説明したように、本発明に係る３次元位置測定装
置は、プローブ光としてビーム光を用い、そのビーム光
を被検体にフォーカスすることにより、測定対象領域を
微小領域に限定すると共に光検出部において十分な輝度
レベルが確保され、また、該光検出部を回転調整するこ
とによりその光軸に一致するように反射光を検出するこ
とによりレンズ収差による像歪の影響を除去することが
でき、さらに、検出器として２次元撮像素子を用いる必
要がないのでその映像分解能による測定誤差を排除する
ことができ、高精度の３次元位置測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は一実施例に係る３次元位置測定装置の構成図、
第２図は試験例の装置を示す説明図、第３図はその測定
データを示す説明図、第４図（ａ），（ｂ）はそれぞれ
検出器の一例を示す構成図、第５図及び第６図はそれぞ
れ従来技術に係る３次元位置測定方法を示す説明図であ
る。 図面中、 Ａは光照射部、 Ｂは光検出部、 １はHe−Neレーザ光源、 ２は可変アッテネータ、 ５はビームエクスパンダ、 ６はミラー、 ７は被検体、 ９は回転ステージ、 10はモータ、 11はロータリーエンコーダ、 13はレンズ、 14は検出器、 16は回転ステージ、 17はモータ、 18はロータリーエンコーダ、 19は架台、 20はモータ、 21はロータリーエンコーダ、 22はドライバ、 23はコントローラ、 24は読取カウンタ、 25はCPUである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−196608（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−81513（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−274204（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−116806（ＪＰ，Ｕ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平行光乃至収束光をプローブ光として被検
   体に照射すると共にその照射方向が２本の回転軸回りの
   回動により可変である光照射部と、撮像レンズ及び受光
   素子からなりその光軸方向が２本の回転軸回りの回動に
   より可変であり且つ上記光検体からの反射光をその反射
   点の像が当該光軸に一致するよう回動調整して検出する
   光検出部と、上記プローブ光の出射方向及び上記光検出
   部での受光方向並びに当該光検出部と上記光照射部との
   相対的位置関係より三角測量の原理で上記反射点の位置
   を検出する処理部とを具えてなり、光照射部の一方の回
   転軸と光検出部の一方の回転軸とが、該光照射部の回転
   中心と該光検出部の回転中心とを結ぶ直線に一致し、且
   つ、受光素子が一次元撮像素子であることを特徴とする
   ３次元位置測定装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の装置において、光照射部が
   光検体へのプローブ光のスポット径が最小となるよう調
   整するフォーカス手段を具えると共に光検出部が受光素
   子で観測されるスポット径が最小となるよう調整するフ
   ォーカス手段を具え、上記処理部が、両フォーカス手段
   によるフォーカス前に仮に求めた反射点の位置のデータ
   に基づいて両フォーカス手段を作動させた後正確な反射
   点の位置を求める処理を行うことを特徴とする３次元位
   置測定装置。
3. 【請求項３】請求項１又は２記載の装置において、光検
   出部の受光素子がピンホール付き検出部であり、当該光
   検出部はその受光パワーが最大となるよう回動して受光
   方向を求めることを特徴とする３次元位置測定装置。