(57)【要約】【課題】小型で低価格で、広範囲・高精度の非接触３次元測定を可能とする。【解決手段】合焦点型非接触変位計の受光素子を２次元イメージセンサに置換えて、測定対象位置の高さ（Ｚ軸）方向の１次元座標をオートフォーカスの合焦位置により検出し、測定対象位置の平面（ＸＹ軸）方向の２次元座標をスペックル画像相関により検出する。【選択図】      図２
2004212333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の形状や寸法を非接触で測定するための非接触３次元測定方法において、
測定対象位置の高さ方向の１次元座標をオートフォーカスの合焦位置により検出し、
測定対象位置の平面方向の２次元座標をスペックル画像相関により検出することを特徴とする非接触３次元測定方法。
【請求項２】
前記オートフォーカスの合焦位置を、ピンホール板を用いて検出することを特徴とする請求項１に記載の非接触３次元測定方法。
【請求項３】
前記オートフォーカスの合焦位置を、ナイフエッジを用いて検出することを特徴とする請求項１に記載の非接触３次元測定方法。
【請求項４】
測定対象物の形状や寸法を非接触で測定するための非接触３次元測定装置において、
測定対象位置の高さ方向の１次元座標をオートフォーカスの合焦位置により検出するための高さ方向位置検出手段と、
測定対象位置の平面方向の２次元座標をスペックル画像相関により検出するための平面方向位置検出手段と、
を備えたことを特徴とする非接触３次元測定装置。
【請求項５】
前記高さ方向位置検出手段と平面方向位置検出手段の光学系の少なくとも一部が共通化されていることを特徴とする請求項４に記載の非接触３次元測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワーク等の測定対象物の形状や寸法を非接触で測定するための非接触３次元測定方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、精密部品の輪郭形状の測定等に画像測定装置が使用されている。この画像測定装置は、測定すべきワークをＣＣＤカメラを用いて任意の拡大率で撮像し、得られた２次元画像からエッジを検出し、種々の計測ツールを用いて必要な箇所の座標値を求めるものである。この画像測定装置でワークの高さ方向も含めた３次元測定を行う場合には、測定面の画像のコントラストから合焦判定を行って、この合焦位置を高さ方向の位置とする。
【０００３】
出願人は、特許文献１で、ナイフエッジを用いた合焦判定による高さ方向の位置測定と、ＣＣＤカメラを用いて得た２次元画像からエッジを検出し、必要な箇所の平面座標値を求めるようにした非接触３次元測定方法を提案している。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−３５１８４０号公報
【０００５】
又、特許文献２で、ピンホール板を用いたオートフォーカス機構を提案している。
【０００６】
【特許文献２】
特開平７−４３１４８号公報
【０００７】
又、特許文献３には、レーザのようなコヒーレント光源で光学的に粗い面を照明することにより生成されるスペックル画像の相関を利用した変位測定機器が記載されている。
【０００８】
【特許文献３】
特開２００２−１３９４８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、測長範囲１０〜１００ｍｍ、精度１〜１００ｎｍクラスの高精度の非接触３次元検出方法は、これまで実用化されていなかった。
【００１０】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、小型で低価格な、広範囲・高精度の非接触３次元測定を可能とすることを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、測定対象物の形状や寸法を非接触で測定するための非接触３次元測定方法において、測定対象位置の高さ方向の１次元座標をオートフォーカスの合焦位置により検出し、測定対象位置の平面方向の２次元座標をスペックル画像相関により検出するようにして、前記課題を解決したものである。
【００１２】
又、前記オートフォーカスの合焦位置を、ピンホール板又はナイフエッジを用いて検出するようにしたものである。
【００１３】
本発明は、又、測定対象物の形状や寸法を非接触で測定するための非接触３次元測定装置において、測定対象位置の高さ方向の１次元座標をオートフォーカスの合焦位置により検出するための高さ方向位置検出手段と、測定対象位置の平面方向の２次元座標をスペックル画像相関により検出するための平面方向位置検出手段とを備えることにより、同じく前記課題を解決したものである。
【００１４】
又、前記高さ方向位置検出手段と平面方向位置検出手段の光学系の少なくとも一部を共通化して、構成を簡略化したものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１６】
本発明の第１実施形態は、特許文献２の図５及び実施例で示されているような、ピンホール板を用いた非接触の高さ（Ｚ軸）方向位置検出機構に、特許文献３の図７、図８で示されているような、スペックル画像相関を利用した平面（ＸＹ軸）方向の非接触変位検出機構を組み合わせたものである。
【００１７】
本実施形態の光学系は、図１に示す如く、プローブ本体１０と、該プローブ本体１０に対して対物レンズ１４を図の上下方向へ所定可動範囲移動自在に保持する対物レンズホルダ１２と、該対物レンズホルダ１２を上下方向へ駆動させる駆動機構としてのボイスコイル１６と、前記対物レンズホルダ１２の上下方向位置を検出するリニアエンコーダ２２とを含んで構成されている。
【００１８】
前記ボイスコイル１６は、前記プローブ本体１０に固定されたマグネット１８と、前記対物レンズホルダ１２に固定されたコイル２０とから構成されている。
【００１９】
前記リニアエンコーダ２２は、前記対物レンズホルダ１２に一端が固定されたスケール２４と、前記プローブ本体１０に、スケール２４に対向して固定された検出器２６とから構成されている。
【００２０】
前記プローブ本体１０には、半導体レーザ３０と、該半導体レーザ３０から放射された光を測定面８に向けて反射するビームスプリッタ３２と、該ビームスプリッタ３２により進行方向を変えられた光を平行ビームとして前記対物レンズ１４に向けるコリメータレンズ３４と、測定面８からの反射光を結像する結像レンズ４０と、該結像レンズ４０を通過した光を分割するビームスプリッタ４２と、該ビームスプリッタ４２により分割された各分割反射光の合焦位置よりも前及び後にそれぞれ配置されたピンホール板４４Ａ、４４Ｂと、各ピンホール板４４Ａ、４４Ｂを通過した分割反射光の光量をそれぞれ検出する、２次元配列型の光検出器４８Ａ、４８Ｂと、が設けられている。なお、ここでは、前記半導体レーザ３０、ビームスプリッタ３２、コリメータレンズ３４及び測定面８に光を集光させる対物レンズ１４を含んで照明用光学系が形成されている。
【００２１】
前記光検出器４８Ａ、４８Ｂとして、特許文献２では入射強度のみを検出する単純な光検出器が用いられていたが、本発明では、ＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサ等の２次元配列型光検出器を用いる。そして、該２次元配列型の光検出器４８Ａ、４８Ｂの少なくともどちらか一方の信号を用いて、特許文献３に示される如く、現画像と前画像のスペックル画像相関を演算して、Ｘ軸及びＹ軸方向の変位を検出する。
【００２２】
ここで、ピンホール板４４Ａ、４４Ｂを備えず、このピンホール板４４Ａ、４４Ｂの位置に、２次元型の光検出器４８Ａ、４８Ｂの受光面を配置して、画像のコントラスト値を求める、いわゆる画像コントラスト法を用いても、合焦位置検出が可能である。この場合、２次元型の光検出器４８Ａ、４８Ｂの一方の受光面を合焦位置から所定距離だけ前に配置して、且つ、他方の受光面を合焦位置から所定距離だけ後ろに配置する。これにより、それぞれの光検出器４８Ａ、４８Ｂから得られる、それぞれのコントラスト値は、合焦位置を挟んで前又は後ろに所定距離離れた位置にピークがある曲線、いわゆるコントラスト曲線を描く。この２つのコントラスト値より後述する信号処理回路で処理してフォーカスエラー信号を得てオートフォーカス制御が可能である。このフォーカス制御により合焦点に合った位置では、それぞれの光検出器４８Ａ、４８Ｂの受光面はフォーカス位置よりもずれてしまい、画像はわずかにピンぼけ状態となってしまうが、スペックル画像相関を演算してＸ軸及びＹ軸方向の変位を検出することは十分可能である。同様にＺ軸のサーボ能力を上回るような高速な送りや、大きなＺ軸変化があった場合も多少ピンぼけ状態となるが、スペックル画像相関の演算は十分可能である。
【００２３】
なお、Ｚ軸において、ピンホール板４４Ａ、４４Ｂの位置は、対物レンズ１４が所定可動範囲の中央に位置したときにレンズの焦点距離から所定距離だけ前及び後ろに配置される。従って、スペックル画像相関によるＸ軸及びＹ軸方向の変位検出にとっては、レンズの焦点距離の位置がコントラスト最大となって望ましいが、合焦点がある場合、レンズの焦点位置からずれた位置にピンホール板が配置されて、コントラストが多少下がっていても、ＸＹ軸の座標は検出可能である。
【００２４】
本実施形態における信号処理系の構成を図２に示す。本実施形態の信号処理回路５０は、前記２次元配列型光検出器４８Ａ、４８Ｂの各画素の出力をそれぞれ積算して、特許文献２の光検出器に対応する、図３に示すような強度信号を得るための積算演算器５２Ａ、５２Ｂと、該積算演算器５２Ａ、５２Ｂの和を求める加算器５４及び差を求める減算器５６と、前記減算器５６の出力を前記加算器５４の出力で割ることによって、図４に示すようなフォーカスエラー信号Ｓを得るための除算器５８と、該除算器５８の出力に応じて、ボイスコイル１６のサーボ制御に必要な演算を行い、ボイスコイル１６を駆動するサーボ演算器６０と、前記光検出器４８Ａ、４８Ｂの一方（図では４８Ａ）の出力に応じて、現在の画像及び前回の画像をそれぞれ記録する画像メモリ６２、６４、及び、該画像メモリ６２、６４に記録された現画像と前画像のスペックル相関演算を行って、Ｘ座標及びＹ座標を求める相関演算器６６からなる画像相関処理回路６１とを含んで、全てデジタル回路で構成されている。
【００２５】
Ｚ軸の算出に際しては、前記光検出器４８Ａ、４８Ｂの各画素の積算値を積算演算器５２Ａ、５２Ｂで演算する。次いで、該積算演算器５２Ａ、５２Ｂの和と差を加算器５４と減算器５６で演算する。次いで、除算器５８で、加算器５４出力の和により減算器５６出力の差を割ることによりフォーカスエラー信号Ｓを得る。そして、このフォーカスエラー信号Ｓに基づいて、サーボ演算器６０でボイスコイル１６を制御する。これらの処理を行い、その時のリニアエンコーダ２２の出力をＺ軸の値とする。
【００２６】
一方、ＸＹ軸の検出に際しては、例えば光検出器４８Ａの出力を読み込み、画像メモリ６２に現画像データとして格納する。次いで所定時間待ち、再び光検出器４８Ａの出力を読み込み、画像メモリ６２に新しい現画像データとして格納すると共に、それまで画像メモリ６２に記憶されていた現画像データを画像メモリ６４に移して前画像データとする。次いで相関演算器６６で、特許文献３に記載された方法でスペックル画像相関演算し、変位量を算出して、Ｘ軸、Ｙ軸の値とする。
【００２７】
なお、前記実施形態においては、ピンホール板を用いて合焦位置を検出するようにしていたが、合焦位置を検出する方法はこれに限定されず、図５に示す第２実施形態のように、出願人が特許第３２６１３３２号で提案したようなナイフエッジ法を用いた合焦位置検出を用いることも可能である。
【００２８】
本実施形態のプローブ７０において、半導体レーザ３０から放射された光は、ビームスプリッタ３２及び１／４波長板７２を介したのち、コリメートレンズ３４によって平行光線とされ、ハーフミラー７４、ミラー７６及び対物レンズ１４を介してワークの測定面８に光スポットを形成する。ワークの測定面８から反射された光は、ミラー７６、ハーフミラー７４、コリメートレンズ３４及び１／４波長板７２の逆経路を辿ってビームスプリッタ３２で反射され、エッジミラー７８で上下に２分割される。上下に分割された光は、上下に配置された２次元配列型の２分割受光素子８０Ａ、８０Ｂで検出される。検出回路８２は、２分割受光素子８０Ａ、８０Ｂからの出力信号をもとに、対物レンズ１４の焦点位置からワークの測定面８までのずれ量に応じた信号を出力する。サーボ回路８４は、検出回路８２の検出出力に基づいて、ボイスコイルのような駆動機構１７に対物レンズ１４の駆動のための駆動信号を出力する。対物レンズ１４が上下動すると、リニヤスケールのような変位検出器２３の可動部材２５が固定部材２７に対して移動する。この移動量がＺ軸方向の変位量として出力される。一方、ハーフミラー７４及び結像レンズ９０を介して画像センサ９２に入射する画像信号は、図２中に示したような画像相関処理回路６１に入力され、Ｘ軸及びＹ軸方向の変位が出力される。
【００２９】
他の点に関しては、特許文献１の図３に示される実施例又は第１実施形態と同じであるので、詳細な説明は省略する。
【００３０】
前記実施形態においては、対物レンズがボイスコイルにより駆動され、その変位がリニヤスケールによって検出されていたが、駆動機構や変位検出器は、これらに限定されない。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、光学系、受発光素子及び演算処理部がＺ軸とＸＹ軸で共通化できるため、小型で且つ安価、低消費電力にできる。又、測定対象物を載せたテーブルの精度に拘わらず、測定対象物の形状や寸法を非接触で高精度に測定することができる。従って、測定対象物を手で動かしたり、測定装置をラインに装着することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の光学系の構成を示す断面図
【図２】同じく信号処理系の構成を示すブロック図
【図３】第１実施形態における光検出器の積算強度を示す線図
【図４】同じくフォーカスエラー信号を示す線図
【図５】本発明の第２実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
８…測定面
１０、７０…プローブ（本体）
１２…対物レンズホルダ
１４…対物レンズ
１６…ボイスコイル
１７…駆動機構
２２…リニアエンコーダ
２３…変位検出器
３０…半導体レーザ
４４Ａ、４４Ｂ…ピンホール板
４８Ａ、４８Ｂ…２次元配列型光検出器
５０…信号処理回路
５２Ａ、５２Ｂ…積算演算器
５４…加算器
５６…減算器
５８…除算器
Ｓ…フォーカスエラー信号
６０…サーボ演算器
６１…画像相関処理回路
６２、６４…画像メモリ
６６…相関演算器
７２…１／４波長板
７８…エッジミラー
８０Ａ、８０Ｂ…２次元配列型２分割受光素子
８２…検出回路
８４…サーボ回路
９０…結像レンズ
９２…画像センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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