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【発明の名称】 基線長可動型表面形状測定装置
【発明者】 【氏名】岡 潔

【氏名】小原 建治郎

【氏名】多田 栄介

【氏名】高橋 悟

【氏名】田村 雅史
【要約】 【課題】高温、高放射線等の極限環境下で対象物の表面形状を測定するための装置を提供する。

【解決手段】投光光学系と観測光学系を備えたセンサヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角測量方式を用いる表面形状測定装置であって、投光光学系はレーザビームの投光位置すなわち基線長を調節する駆動機構を有し、投光位置から対象物に投下されたレーザスポット光の観測面における結像点が観測面の中心に来たときの基線長を計測することにより、対象物までの距離を算出する方式を用いるものであり、さらにこの測定装置は、センサヘッドを横方向に移動させるとともに投光位置を中心とする円弧上で上下方向に移動させる機構を有し、これら横方向と上下方向への移動によって対象物上の測定点を二次元的にレーザビームで走査し、測定対象物の表面形状を測定する装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 投光光学系と観測光学系を備えたセンサヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角測量方式を用いる表面形状測定装置であって、前記投光光学系はレーザビームの投光位置すなわち基線長を調節することのできる駆動機構を有し、前記距離を計測する方式は、前記投光位置から前記測定対象物に投下されたレーザスポット光の観測光学系での観測面における結像点が前記観測面の中心に来たときの基線長を計測することにより、前記測定対象物までの距離を算出する方式であり、さらにこの表面形状測定装置は、前記センサヘッドまたは観測光学系を横方向に移動または旋回動作させる機構と、前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させる機構を有し、前記横方向と上下方向への移動または旋回動作によって前記測定対象物上の測定点を二次元的にレーザビームでスキャンニングし、前記測定対象物の凹凸すなわち表面形状を測定する装置。
【請求項２】 前記スキャンニングを行う機構は、前記センサヘッドを横方向に直線的に移動させる機構と、前記センサヘッドを前記投光位置と前記観測光学系における集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構からなることを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項３】 前記スキャンニングを行う機構は、前記センサヘッドを前記観測光学系の集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させる機構と前記センサヘッドを前記投光位置と前記集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構からなることを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項４】 前記スキャンニングを行う機構は、前記観測光学系をその集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させる機構と前記センサヘッドを前記投光位置と前記集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構からなることを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項５】 前記センサヘッドを横方向に移動させる機構はモータと直動システムを含み、前記センサヘッドまたはその一部分を横方向に旋回動作させる機構および前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させる機構はモータとゴニオステージを含むことを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項６】 前記投光光学系は投光用レーザヘッドとレーザビーム光路変換用のプリズムまたはミラーとを有し、前記観測光学系は集光レンズを有することを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【請求項７】 前記投光光学系と観測光学系は共に光ファイバーを介して制御解析装置に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の表面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、三角測量方式を用いる距離測定方法によって測定対象物の表面形状を測定する装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】従来の距離測定装置においては、測定対象物上のある一点までの距離をスポット的に測定している。例えば、投光光学系の投光位置を固定し、すなわち基線長を固定長とし、対象物との距離によって移動する観測面上の結像スポット点の変位を位置検出素子（ＰＳＤ）又はＣＣＤリニアセンサ等の光半導体素子によって検出することによって、対象物までの距離を測定している。
【０００３】しかし、このような装置をロボットアーム等のセンシング・アイ（ロボットビジョン）として用いる場合、対象物の凹凸すなわち表面形状（例えばハンドリング用のフック穴の位置を知るための表面形状）を解析することができず、ロボットアームの正確なハンドリングができなかった。
【０００４】これに対して、本願発明者は、先に特願平１１−２１１８７９号において、観測光学系のセンサヘッドから対象物までの距離を計測する三角測量方式を用いる距離測定装置であって、投光光学系の投光位置すなわち基線長を調節することのできる駆動機構を設け、投光位置から対象物に投下されたレーザスポット光の観測面における結像点が観測面の中心に来たときの基線長を計測することにより、対象物までの距離を算出することを特徴とする基線長可動型距離測定装置を提供している。この装置は、センシング部分と制御解析部分とを分離することを可能にする装置であり、極限環境下で作業するためのロボットアームのセンシング・アイとして用いることのできる可能性が示唆されている。
【０００５】一方、従来の表面形状測定装置には、上述の測定対象物上のある一点までの距離をスポット的に測定する装置を、二次元方向に移動できる装置（例えばＸＹステージまたはＸＹロボット）に装着し、測定点を二次元的に順次移動しながら表面形状を得る方法や、表面の一次元方向の形状を測定する装置（例えば光切断法による）を、もう一方の方向に平行移動できる装置（例えばリニアステージまたは直動ロボット）に装着し、断面形状を順次取り込みながら表面形状を得るようなタイプのものがあった。
【０００６】しかし、これらの装置は、被測定面と同じ範囲をセンシング部分が移動できるような機械的機構を必要とするため、装置が大型化してしまうという欠点や、センシング部分の投光部には半導体レーザまたはＬＥＤ、受光部にはＰＳＤまたはＣＣＤ等の半導体素子が用いられているため、熱や放射線に弱く、極限環境下での使用は困難である、という欠点があった。
【０００７】そこで本発明の目的は、先に提案した基線長可動型距離測定装置を応用し、対象物の表面形状を測定する装置を提供することである。本発明の目的は特に、高温、高放射線等の極限環境下で対象物の表面形状を測定することを可能にする装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため、本発明によれば、投光光学系と観測光学系を備えたセンサヘッドから測定対象物までの距離を計測する三角測量方式を用いる表面形状測定装置であって、前記投光光学系はレーザビームの投光位置すなわち基線長を調節することのできる駆動機構を有し、前記距離を計測する方式は、前記投光位置から前記測定対象物に投下されたレーザスポット光の観測光学系での観測面における結像点が前記観測面の中心に来たときの基線長を計測することにより、前記測定対象物までの距離を算出する方式であり、さらにこの表面形状測定装置は、前記センサヘッドまたは観測光学系を横方向に移動または旋回動作させる機構と、前記センサヘッドを上下方向に旋回動作させる機構を有し、前記横方向と上下方向への移動または旋回動作によって前記測定対象物上の測定点を二次元的にレーザビームでスキャンニングし、前記測定対象物の凹凸すなわち表面形状を測定する装置、が提供される。
【０００９】センサヘッドの一部を構成する投光光学系は投光用レーザヘッドとレーザビーム光路変換用のプリズムまたはミラーとを有し、レーザヘッドからプリズムまたはミラー上の投光位置までの距離が基線長となる。センサヘッド上でプリズムまたはミラーの位置を直線的に移動させることによって基線長が調節される。センサヘッドの他の部分を構成する観測光学系は集光レンズを有し、レーザヘッドからプリズムまたはミラーを経て投光されたレーザビームは測定対象物の表面で反射して集光レンズに入る。
【００１０】センサヘッド全体をモータと直動システムによって横方向に移動させるか、センサヘッド全体またはその一部分である観測光学系をモータとゴニオステージによって横方向に旋回動作させ、一方、センサヘッド全体をモータとゴニオステージによって上下方向に旋回動作させることによって、測定対象物の表面を二次元的にレーザビームでスキャンニングし、対象物の表面形状を測定する。投光光学系と観測光学系は共に、光ファイバーを介して制御解析装置に接続されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の好ましい実施態様を説明する。図１は本発明に係る表面形状測定装置の一実施例におけるセンサヘッドの構造を示す斜視図である。図２はセンサヘッドと制御解析装置からなる本発明の表面形状測定装置を示す模式図である。制御解析装置（37）におけるレーザ光源（28）から出力されたレーザビームは、投光光学系リレーレンズ（35）によってビーム径を絞られ、投光光学系光ファイバー（27）に伝送される。伝搬されたレーザビームは、コリメートレンズ（26）によって直径１mm程度のレーザビームに再びコリメートされる。このレーザビーム（19）はレーザヘッド（40）からセンサヘッドの前面にある光路変換用プリズム（21）（これはミラーであってもよい）に向けて投下されて光路を変え、測定対象物（17）に斜め方向から投下される。
【００１２】観測光学系では、測定対象物（17）で乱反射されたレーザビーム（19）を集光レンズ（29）によってレーザスポット像をつくる。このスポット像は、観測光学系リレーレンズ（30）によって、観測光学系光ファイバー（31）中を伝送し、ＣＣＤカメラ（32）の撮像素子上に再び結像される。ＣＣＤカメラ（32）でとらえられた画像は、画像処理装置（33）の画像記憶素子に送られ、演算処理される。
【００１３】プリズム（21）は基線長調節用ステージ（41）に固定されていて、ステージ（41）はボールネジ（44）に装着されている。カップリング（42）を介してモータ（22）によってボールネジ（44）を回転させることによってプリズム（21）がリニアガイド（46）に沿って横方向に移動する。レーザヘッド（40）からプリズム（21）上の投光位置までの距離が基線長となり、プリズム（21）の位置を直線的に移動させることによって基線長が調節される。モータ（22）は制御解析装置（37）の中に装備されているモータコントローラ（23）によって制御される。
【００１４】ここで、センサヘッドすなわち集光レンズ（29）における集光点から測定対象物（17）までの距離を計測する方法の原理を説明する。図３において、対象物上の測定点ｂ（2）の位置を距離計測の基準点、すなわち観測光学系の集光点（8）からの距離と基線長長さが既知の点とし、対象物上の測定点ａ（1）までの距離を計測しようとするシステムを考える。測定点ａ（1）にレーザー光を投下し、そのスポット像ａ（11）を観測面（7）の中心（10）に結像させるために、リニア駆動システムによって投光光学系の投光位置を位置ｂ（4）から位置ａ（3）へｘだけ移動させたとする。このとき、基線長ｂ（6）とスポット像ｃ（13）でつくる三角形と、基線長ａ（5）とスポット像a（11）でつくる三角形は相似であるから、集光点（8）から測定点ｂ（2）までの距離をｌ’、基線長ｂ（6）の長さをｋ、測定点ａ（1）までの距離をｌ、スポット像ａ（11）が観測面中心（10）に結像したときの基線長ａ（5）の長さを（ｋ＋ｘ）とすると、計測しようとする距離ｌは式［1］のように表される。
ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’ ［1］
式［1］より、ｌとｘはリニアな関係にあり、これによって三角測量方式による高精度で高速な測定距離の算出を行うことができる。
【００１５】図４を参照して画像処理と制御の流れについて説明すると、測定対象物（17）に投下されたレーザビームは、画像処理装置（33）における画像処理画面（80）上でスポット像（82）のようにほぼ真円に近い形状で結像する。まずこの像の重心位置の座標を計算し、画面の中心（84）からのズレ量（86）を算出する。このズレ量（86）から、スポット像（82）の重心を画面の中心（84）へ移動させるためのプリズム（21）の位置補正量ｘを算出することができる。
【００１６】このように、スポット像（82）の重心位置が常に画面の中心（84）に来るように、スポット像のズレ量（86）を基線長調節用モータ（22）を制御する演算装置（24）にフィードバックし、プリズム（21）の位置を補正してやることにより、観測光学系とプリズム（21）を含む投光光学系との間でフィードバックループを形成することができる。
【００１７】このようなフィードバックループにより、プリズム（21）は、スポット像（82）の重心位置が常に画面の中心（84）に来るように、測定対象物（17）上の測定点までの距離の変化に追従して常に動いていることになる。また、プリズム（21）の移動量（基準基線長からのプリズム（21）の移動量ｘ）も、演算装置（24）が常に把握していることになる。よって、式［1］において、測定点までの距離ｌは、ｌ’とｋが既知であることから、上記のｘの値から算出することができる。
【００１８】ここで再び図１に戻ると、プリズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定されている。台座（60）はモータ（58）によって駆動されるゴニオステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着されている。従って、投光光学系と観測光学系はプリズム（21）上の投光位置と集光レンズ（29）における集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に同時に旋回移動することができる。それによってレーザビームは上下方向に円弧状に移動する。またゴニオステージ（56）は横方向移動用ステージ（54）に固定されていて、移動用ステージ（54）はボールネジ（48）に装着されている。カップリング（51）を介してモータ（52）によってボールネジ（48）を回転させることによって移動用ステージ（54）がリニアガイド（50）に沿って横方向に直線的に移動する。従って、ゴニオステージ（56）ひいては投光光学系と観測光学系からなるセンサヘッドは横方向にも移動することができる。これによって測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャンニングし、対象物（17）の表面形状を測定する。
【００１９】図５を参照して測定対象物（17）上のスキャンニングポイントの軌跡を説明する。レーザビーム（19）の対象物（17）上への投光は、初め測定エリア（70）の左上隅からスタートし横方向に移動して右上隅に到達する。以下の軌跡は、テレビの走査線の軌跡と同じように、横方向のスキャンニングが順次下方向に移動して、最後に右下隅でスキャンニングが終了する。
【００２０】本発明の装置におけるセンサヘッドの別の実施例を図６に示す。これは、センサヘッドを観測光学系の集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させる機構とセンサヘッドを投光位置と集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構とによって、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャンニングするものである。
【００２１】図１に示したセンサヘッドと同様に、プリズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定されている。台座（60）はモータ（61）によって駆動されるゴニオステージ（62）に横方向に旋回動作可能に装着されている。従って、センサヘッドは集光レンズ（29）における集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回移動することができる。それによってレーザビーム（19）は横方向に移動する。さらにゴニオステージ（62）はモータ（58）によって駆動されるもう一つのゴニオステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着されている。従って、センサヘッドはプリズム（21）上の投光位置と集光レンズ（29）における集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向にも旋回移動することができる。これによって測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャンニングし、対象物（17）の表面形状を測定する。このような動作によって集光レンズ（29）における集光点から測定対象物（17）までの距離を計測する方法の原理は、図１に示したセンサヘッドについて図２〜図５を参照して説明した原理と同様である。ただし、投光位置(4)と測定対象物（17）上のスキャンニングポイントの軌跡との関係は図７によって示される。
【００２２】本発明の装置におけるセンサヘッドのさらに別の実施例を図８に示す。これは、観測光学系をその集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回動作させる機構とセンサヘッドを投光位置と集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋回動作させる機構とによって、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャンニングするものである。
【００２３】図１に示したセンサヘッドと同様に、プリズム（21）、基線長調節用ステージ（41）、リニアガイド（46）、ボールネジ（44）、モータ（22）、レーザヘッド（40）、および光ファイバー（27）が一体となった投光光学系と、集光レンズ（29）と光ファイバー（31）を含む観測光学系は、共に板状の台座（60）に固定されている。台座（60）はモータ（58）によって駆動されるゴニオステージ（56）に上下方向に旋回動作可能に装着されている。従って、センサヘッドはプリズム（21）上の投光位置と集光レンズ（29）における集光点を結ぶ直線を中心とする円弧上で上下方向に旋回移動することができる。それによってレーザビームは上下方向に円弧状に移動する。また、集光レンズ（29）はモータ（61）によって駆動されるゴニオステージ（62）に横方向に旋回動作可能に装着されている。従って、集光レンズ（29）は集光点を中心とする円弧上で横方向に旋回移動することができる。これによって、測定対象物（17）の表面を集光レンズ（29）の視野の中心がスキャンニングし、その視野の中心にレーザスポット光がくるように基線長調節用ステージ（41）と基線長調節用モータ(22)によってレーザビーム(19)を移動させることによって、測定対象物（17）の表面を二次元的にレーザビーム(19)でスキャンニングし、対象物（17）の表面形状を測定することができる。
【００２４】図８に示すセンサヘッドによる動作によって集光レンズ（29）における集光点から測定対象物（17）までの距離を計測する方法の原理を以下に説明する。
【００２５】まず、集光レンズ（29）のみを横方向に旋回動作させることによっても、対象物（17）の表面の横方向のスキャンニングが可能なことを、図９を参照して説明する。集光レンズ（29）が測定対象物（17）の表面に垂直な方向から±αの角度で旋回動作をして、その視野にある対象物（17）の表面をスキャンニングしたとする。例えば、＋α旋回動作をして対象物（17）上のスポット光が結像面（図４における画像処理画面（80））の中心（84）にきたときの基線長をｃ（70）、レーザビームの投光位置（73）から反射位置（75）までの距離をLcとすると、投光角θ（72）は固定されているので、三角形の正弦定理から、Lc／ｓｉｎ(90o−α）＝ｃ／ｓｉｎ(90o−θ＋α）
よって、 Lc／ｃｏｓα＝ｃ／ｃｏｓ(α−θ） ［2］
同様に、−α旋回動作したときの投光位置（74）から反射位置（76）までの距離をLd、基線長をｄ（71）とすると、Ld／ｃｏｓα＝ｄ／ｃｏｓ(α−θ） ［3］
よって、一般的に集光レンズ（29）のスキャン角がαのとき、対象物（17）上のスポット光が結像面の中心（84）にきたときの投光位置から反射位置までの距離をＬ、そのときの基線長をＤとすると、Ｌ＝Ｄ・ｃｏｓα／ｃｏｓ(α−θ） ［4］
となり、αとθが既知であれば、ＤによってＬは一意的に決まる。従って、投光位置から対象物（17）までの距離Ｌは、基線長Ｄを調節することによって求めることができる。
【００２６】次に、集光レンズ（29）のスキャン角がαのときの集光点から対象物（17）までの距離を求める原理を説明する。図１０において、対象物上の測定点ｂ（2）の位置を距離計測の基準点、すなわち集光点（8）からの距離と基線長長さが既知の点とし、対象物上の測定点ａ（1）までの距離を計測しようとするシステムを考える。図３と同様に、基線長ｂ（6）とスポット像ｃ（13）でつくる三角形と、基線長ａ（5）とスポット像a（11）でつくる三角形は相似であるから、集光点（8）から測定点ａ（1）までの距離ａ（15）を計測しようとする距離ｌ、測定点ｂ（2）までの距離ｂ（16）を基準距離ｌ’、基線長ｂ（6）の長さをｋ、基線長ａ（5）の長さを（ｋ＋ｘ）とすると、ｌ＝（１＋ｘ／ｋ）・ｌ’となり、式［1］と同じになる。よって、ｌとｘはリニアな関係にあり、これによって三角測量方式による高精度な測定距離の算出を行うことができる。
【００２７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の装置においては、センサヘッドと制御解析装置が分離・延長されているので、センサヘッドを耐熱・耐放射線性材料で構成し、制御解析装置を半導体素子を含む材料で構成した場合、センサヘッドを高温、高放射線などの極限環境下に設置することができ、これらの環境下で作業するロボットのセンシング・アイ（ロボットビジョン）として用いることができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４０９７
【氏名又は名称】日本原子力研究所
【識別番号】５９９１６２６５７
【氏名又は名称】有限会社ライトステップ
【識別番号】０００１００９９７
【氏名又は名称】アキタ電子株式会社
【出願日】 平成１１年１１月１８日（１９９９．１１．１８）
【代理人】 【識別番号】１０００８９７０５
【弁理士】
【氏名又は名称】社本 一夫 （外５名）
【公開番号】 特開２００１−１４１４２９（Ｐ２００１−１４１４２９Ａ）
【公開日】 平成１３年５月２５日（２００１．５．２５）
【出願番号】 特願平１１−３２８１７６