(57)【要約】【課題】強い外乱光が存在する環境下においても使用することができる３次元形状測定器を提供すること。【解決手段】３次元形状測定器の形状測定装置の光学系１は、レーザ光を出射するレーザダイオード２と、出射されたレーザ光を測定対象物へ照射するための第１光学系と、測定対象物からの反射光であるレーザ光を結像されるための第２光学系と、第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部１３と、第２光学系からのレーザ光の強度を測定するためのフォトセンサ１２とを有し、第２光学系のハーフミラー１１により分岐されたレーザ光はＣＣＤラインセンサ部１３とフォトセンサ１２へ分配され、フォトセンサ１２の表面にはスリット部材１２ａが設けられている。【選択図】図１
2009092479.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出射するレーザダイオードと、
前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、
測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像されるための第２光学系と、
前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部と、
前記第２光学系からのレーザ光の強度を測定するためのフォトセンサとを有し、
前記第２光学系はレーザ光の光路を分岐するための分岐部材を有し、前記分岐部材により分岐されたそれぞれのレーザ光は前記ＣＣＤラインセンサ部と前記フォトセンサへ分配され、
前記フォトセンサの表面にはスリットを形成するためのスリット部材が設けられていることを特徴とする３次元形状測定器。
【請求項２】
前記分岐部材はハーフミラーであることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定器。
【請求項３】
前記第２光学系は前記レーザダイオードの出射光の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを備えていることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は非接触センサを利用した３次元形状測定器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の非接触センサを利用した３次元形状測定器は、特許文献１に開示されているように非接触センサを利用して対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータ本体と、このコンピュータ本体により制御されて対象物の３次元画像を表示する表示装置とを有している。
【０００３】
図４は、上記形状測定装置の光学系の概略図である。レーザダイオード１１１から出射した出射光は、集光レンズ部１１２、第１ミラー１１３、第２ミラー１１４、第３ミラー１１５を経て測定対象物に照射される。測定対象物の表面によって反射された戻り光は、第３ミラー１１５、第２ミラー１１４、第４ミラー１１６、対物レンズ部１１７を経て非接触センサであるＣＣＤラインセンサ部１１８に入射する。なお、この形状測定装置は、図４に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動させ、また、第３ミラー１１５をＹ軸回りに回動させることにより測定対象物の表面の走査を行うことができる。
【０００４】
図５は、上記形状測定装置の光学系におけるレーザダイオード１１１からの出射光の出力調整をするための光学系を示す概念図である。この光学系は、主に、対物レンズ部１１７に設けられているバンドパスフィルタ１１７ｂと、ＣＣＤラインセンサ部１１８の表面に設けられているスリット部材１１８ｂと、ＣＣＤラインセンサ部１１８の表面ガラス１１８ｃに反射した反射光を受光することによりレーザ光の戻り光の強度を測定するためのフォトセンサ１１９とから構成されている。フォトセンサ１１９により検出されたレーザ光の強度が予め定めた強度となるようにフィードバック制御を行うことによってレーザダイオード１１１の出力が制御されている。
【０００５】
しかし、望ましくない外光（以下「外乱光」とする。）がＣＣＤラインセンサ部１１８の表面ガラス１１８ｃに非常に多く入射すると、フォトセンサ１１９がレーザ光の戻り光の強度を正確に測定することができなくなる。そして、フォトセンサ１１９はフォトセンサ１１９へ入射する外乱光とレーザ光との判別を行うことができないため、レーザダイオード１１１の出射光量が低下するように制御されてしまう。従って、レーザダイオード１１１からの出射光量が不足し、正常な計測が不可能となってしまう。
【０００６】
そこで、外乱光を減光させるために対物レンズ部１１７の対物レンズ１１７ａの外側にバンドパスフィルタ１１７ｂが設けられている。このバンドパスフィルタ１１７ｂは、レーザダイオード１１１から出射されるレーザ光の波長を有する戻り光のみを透過する光学フィルタである。さらに、ＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａに入射する外乱光の光量を低下させるためにＣＣＤラインセンサ部１１８の表面ガラス１１８ｃの外側にはスリット部材１１８ｂが設けられていた。このスリット部材１１８ｂにより、ＣＣＤラインセンサ部１１８の表面ガラス１１８ｃの中央にスリットが形成され、表面ガラス１１８ｃにおけるスリットを除く領域がスリット部材１１８ｂによって覆われる。このため、ＣＣＤラインセンサ部１１８の反射面が減少し、フォトセンサ１１９へ反射される外乱光の光量が低下する。このようにバンドパスフィルタ１１７ｂやスリット部材１１８ｂによって外乱光の光量を制限し、レーザダイオード１１１の出射光量が低下するように制御されてしまうことを防止していた。
【０００７】
【特許文献１】特許第３５５４２６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記のようなスリット部材１１８ｂによってＣＣＤラインセンサ部１１９の表面ガラス１１８ｃにスリットを形成する方法では、表面ガラス１１８ｃによって反射される外乱光の光量を十分に低減させることができないという問題点がある。これは、図６に示すように、ＣＣＤラインセンサ部１１８が備えている表面ガラス１１８ｃとラインセンサ１１８ａとの間には約２ｍｍ程度の距離があり、戻り光が対物レンズ１１７ａによって収束されるため、表面ガラス１１８ｃの表面位置において約０．６ｍｍ程度のレーザ光の収束幅を確保しなければならないからである。このため、スリット部材１１８ｂにより形成されるスリット幅は０．６ｍｍ以上（望ましくは０．８ｍｍ以上）の幅が必要となり、それ以下のスリット幅にするとレーザ光もスリット部材１１８ｂにより遮蔽されてしまい、ラインセンサ１１８ａに十分な光量のレーザ光が届かなくなる。従って、スリット幅を狭くすることには限界があり、上記のような光学系を用いた場合、約３０００ルクスから４０００ルクス以上の外光の光量がある場所では３次元形状測定器を使用することができなかった。
【０００９】
上記問題点に鑑み、本発明は、強い外乱光が存在する環境下においても使用することができる３次元形状測定器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】
【００１０】
本発明に係る３次元形状測定器は、レーザ光を出射するレーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像されるための第２光学系と、前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部と、前記第２光学系からのレーザ光の強度を測定するためのフォトセンサとを有し、前記第２光学系はレーザ光の光路を分岐するための分岐部材を有し、前記分岐部材により分岐されたそれぞれのレーザ光は前記ＣＣＤラインセンサ部と前記フォトセンサへ分配され、前記フォトセンサの表面にはスリットを形成するためのスリット部材が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
さらに、本発明に係る３次元形状測定器は、前記分岐部材がハーフミラーであることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明に係る３次元形状測定器は、前記第２光学系が前記レーザダイオードの出射光の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを備えていることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１記載の本発明に係る３次元形状測定器は、第２光学系がレーザ光の光路を分岐するための分岐部材を有し、この分岐部材により分岐されたそれぞれのレーザ光はＣＣＤラインセンサ部とフォトセンサへ分配され、フォトセンサの表面にはスリットを形成するためのスリット部材が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
ＣＣＤラインセンサ部へ分配される戻り光の強度と、フォトセンサへ分配される戻り光の強度は、分岐部材の特性によって決定することができる。このため、フォトセンサへ分配する戻り光の強度を自由に決定することができると共に、フォトセンサの表面に設けたスリット部材によって形成されたスリットの幅を十分に狭めることができる。従って、従来の３次元測定器よりもフォトセンサのスリット幅を狭めフォトセンサに入射する外乱光を十分に減光しても、ＣＣＤラインセンサ部へ分配される戻り光の光量が減少しない。故に、約３０００ルクスから４０００ルクス以上の外光の光量がある場所でも３次元測定器を使用することができる。
【００１５】
さらに、請求項２記載の本発明に係る３次元形状測定器は、分岐部材としてハーフミラーを使用している。ハーフミラーは比較的廉価であり、分岐部材を設けることによる３次元測定器の製造コストの上昇を防止することができる。
【００１６】
さらに、請求項３記載の本発明に係る３次元形状測定器は、第２光学系にレーザダイオードの出射光の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタを備えている。フォトセンサに入射する外乱光がバンドパスフィルタによって減光されるため、フォトセンサによってレーザダイオードの出射光の強度をより正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図１ないし図３を参照しつつ本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の３次元形状測定器の形状測定装置の光学系１は、レーザ光を出射するレーザダイオード２と、レーザダイオード２から出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像されるための第２光学系と、第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するためのＣＣＤラインセンサ部１３と、第２光学系からのレーザ光の強度を測定するためのフォトセンサ１２とを有し、第２光学系はレーザ光の光路を分岐するための分岐部材であるハーフミラー１１を有し、ハーフミラー１１により分岐されたそれぞれのレーザ光はＣＣＤラインセンサ部１３とフォトセンサ１２へ分配され、フォトセンサ１２の表面にはスリットを形成するためのスリット部材１２ａが設けられていることを特徴とする。なお、本実施形態において上記第１光学系は、ビームエキスパンダ３、第１鏡４、及び、第２鏡５とから構成されており、上記第２光学系は、第３鏡７、第４鏡８、第５鏡９、対物レンズ部１０、及び、ハーフミラー１１とから構成されている。
【００１８】
本実施形態の３次元形状測定器は、主にＣＣＤラインセンサ部１３を使用して測定対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータ本体と、このコンピュータ本体により制御されて測定対象物の３次元画像を表示する表示装置とを有している。
【００１９】
図３は、この３次元形状測定器の測定原理を示している。レーザダイオード２から出射したレーザ光が測定対象物の表面に照射され、この測定対象物の表面により反射された戻り光が対物レンズ部１０の対物レンズ１０ａにより収束されてＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａ上に結像する。このラインセンサ１３ａにより計測された戻り光の結像位置が測定データとして形状測定装置から出力される。この測定データに基づいて、コンピュータ本体は、距離計測に用いられている三角測量法を適用し、測定対象物の表面の３次元形状を算出する。
【００２０】
図１は、本実施形態の３次元形状測定器の形状測定装置の光学系を示す概略斜視図である。レーザダイオード２は、後述するフォトセンサ１２によって計測されたレーザ光の強度によってその出射光の強度がフィードバック制御されている。レーザダイオード２からの出射光は第１光学系を通じて測定対象物の表面へ照射される。第１光学系において、ビームエキスパンダ３はレーザビーム径を計測距離範囲内に渡り小スポットを維持する為の光学系であり、また、第１鏡４と第２鏡５はレーザ光の方向を変更するために設けられている。
【００２１】
第２鏡５は、揺動モータ６の回動軸の一端に設けられており、図１に示すＹ軸回りに回動するようになっている。この第２鏡５の回動により、測定対象物の表面へのレーザ光の照射範囲を図１における水平方向に移動することができる。また、後述する第３鏡７も揺動モータ６の回動軸の他端に設けられており、第２鏡５と同一の角度に回動するようになっている。なお、本実施形態における形状測定装置の上記光学系は、図１に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動することにより、測定対象物の表面の垂直方向における走査を行うことができる。
【００２２】
測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像されるための第２光学系において、第３鏡７、第４鏡８、及び第５鏡９は戻り光であるレーザ光の方向を変更するために設けられており、対物レンズ部１０は戻り光を集光しＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａに結像するように配設されている。第３鏡７は、上述したように、揺動モータ６により図１に示すＹ軸回りに回動するようになっており、また、第２鏡５と連動することにより、測定対象物の表面へのレーザ光の照射角度に応じて、同表面において反射されたレーザ光の戻り光の入射角度が第３鏡７に与えられる。
【００２３】
対物レンズ部１０は、対物レンズ１０ａとバンドパスフィルタ１０ｂとから構成されている。バンドパスフィルタ１０ｂは、レーザダイオード２から出射されるレーザ光の波長を有する戻り光のみを透過する光学フィルタである。
【００２４】
さらに、第２光学系はハーフミラー１１を有している。このハーフミラー１１は、対物レンズ部１０を通過した戻り光であるレーザ光を分岐するための分岐部材である。ハーフミラー１１により反射された反射光はＣＣＤラインセンサ部１３へ、また、透過光はフォトセンサ１２へ分配される。本実施形態におけるハーフミラー１１は９０％の反射率と１０％の透過率を有しているため、戻り光の９０％がＣＣＤラインセンサ部１３へ分配され、戻り光の１０％がフォトセンサ１２へ分配されることになる。
【００２５】
ＣＣＤラインセンサ部１３は、戻り光の結像位置を測定するためのラインセンサ１３ａを有している。また、ＣＣＤラインセンサ部１３は、ハーフミラー１１の側方に配置されており、ラインセンサ１３ａ上にハーフミラー１１からの反射光が結像するように配置されている。
【００２６】
フォトセンサ１２は、その表面に一対のスリット部材１２ａが設けられており、このスリット部材１２ａによってフォトセンサ１２の表面にスリットが形成されている。スリット部材１２ａは、スリットの延在方向がフォトセンサ１２への戻り光の移動方向に沿うように設けられている。レーザースポットがPD素子上に結像している為に、このスリットの幅は約０．１ｍｍ以下にする事ができ、従来のＣＣＤラインセンサ部の表面に形成されていたスリット幅の約１／６乃至１／８程度と極めて狭くなっている。
【００２７】
以下、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態の３次元形状測定器は、第２光学系がレーザ光の光路を分岐するための分岐部材であるハーフミラー１１を有し、ハーフミラー１１により分岐されたそれぞれのレーザ光はＣＣＤラインセンサ部１３とフォトセンサ１２へ分配され、フォトセンサ１２の表面にはスリットを形成するためのスリット部材１２ａが設けられていることを特徴とする。
【００２８】
ＣＣＤラインセンサ部１３へ分配される戻り光の強度と、フォトセンサ１２へ分配される戻り光の強度は、分岐部材であるハーフミラー１１の透過率及び反射率によって決定することができる。このため、フォトセンサ１２へ分配される戻り光の強度を自由に決定することができると共に、フォトセンサ１２の表面に設けたスリット部材１２ａによって形成されたスリットの幅を十分に狭めることができる。従って、従来の３次元測定器よりもフォトセンサ１２のスリット幅を狭め、フォトセンサ１２に入射する外乱光を十分に減光しても、ＣＣＤラインセンサ部１３へ分配される戻り光の光量が減少しない。故に、約３０００ルクスから４０００ルクス以上の外光の光量がある場所でも３次元測定器を使用することができる。
【００２９】
さらに、本実施形態の３次元形状測定器は、分岐部材としてハーフミラー１１を使用している。ハーフミラーは比較的廉価であり、分岐部材を設けることによる３次元測定器の製造コストの上昇を防止することができる。
【００３０】
さらに、本実施形態の３次元測定器は、第２光学系にレーザダイオード２の出射光の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタ１０ｂを備えている。フォトセンサ１２に入射する外乱光がバンドパスフィルタ１０ｂによって減光されるため、フォトセンサ１２によってレーザダイオード２の出射光の強度をより正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施形態に係る３次元形状測定器の形状測定装置の光学系の概略図である。
【図２】図１に示す形状測定装置の光学系におけるレーザダイオード２からの出射光の出力調整をするための光学系を示す概念図である。
【図３】図１に示す３次元形状測定器の測定原理を示す説明図である。
【図４】従来の３次元形状測定器の形状測定装置の光学系の概略図である。
【図５】図４に示す形状測定装置の光学系におけるレーザダイオード１１１からの出射光の出力調整をするための光学系を示す概念図である。
【図６】図４に示す形状測定装置の光学系におけるＣＣＤラインセンサ部１１８の拡大説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  形状測定装置の光学系
２、１１１  レーザダイオード
３  ビームエキスパンダ
４  第１鏡
５  第２鏡
６  揺動モータ
７  第３鏡
８  第４鏡
９  第５鏡
１０、１１７  対物レンズ部
１０ａ、１１７ａ  対物レンズ
１０ｂ、１１７ｂ  バンドパスフィルタ
１１  ハーフミラー
１２、１１９  フォトセンサ
１２ａ  スリット部材
１３、１１８  ＣＣＤラインセンサ部
１３ａ、１１８ａ  ラインセンサ
１１２  集光レンズ部
１１３  第１ミラー
１１４  第２ミラー
１１５  第３ミラー
１１６  第４ミラー
１１８ｂ  スリット部材
１１８ｃ  表面ガラス
【図１】
2009092479.tif 000003
【図２】
2009092479.tif 000004
【図３】
2009092479.tif 000005
【図４】
2009092479.tif 000006
【図５】
2009092479.tif 000007
【図６】
2009092479.tif 000008