JP6774929B2 - Three-dimensional measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、測定対象物に光を照射し、測定対象物を撮像する事によって測定対象物の形状を測定する三次元測定装置に関する。 The present invention relates to a three-dimensional measuring device that measures the shape of a measurement object by irradiating the measurement object with light and imaging the measurement object.

従来、プローブによって測定対象物(以下「ワーク」と称する。)の表面を走査し、ワークの各部の位置座標等を取り込むことによってワークの表面形状を測定する形状測定装置が知られている。この様な形状測定装置として、ワーク表面に接触させる所謂測定子(スタイラス)を備えてワークの位置座標を測定するものや、光学系の手段によってワークの表面に測定子(スタイラス)を接触させずに測定を行う非接触型のものが知られている。 Conventionally, there is known a shape measuring device that measures the surface shape of a work by scanning the surface of an object to be measured (hereinafter referred to as "work") with a probe and capturing the position coordinates of each part of the work. As such a shape measuring device, a so-called stylus that is provided in contact with the surface of the work is provided to measure the position coordinates of the work, or a stylus is not brought into contact with the surface of the work by means of an optical system. A non-contact type that makes measurements is known.

この様な非接触型表面形状測定装置は、所定の照射方向からワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系と、ワークの表面に投射された投射光の形状を撮像する撮像装置からなる非接触式のプローブを備えている。前記照射光学系はワークに向けて直線状のレーザ光(ポイントレーザ)を照射する光源と、前記光源が出射したレーザ光を平面状(シート状)に調整する照射光調整手段を備える。この照射光学系により、ワーク表面に向けて所定の平面に沿った照射光(ラインレーザ、レーザシート、レーザライトシート等とも呼ばれる。)が照射され、前記照射光とワーク表面とが交差する位置には、その形状に応じた投射光、即ちワークの輪郭形状の光が投射されることとなる。前記撮像装置は、前記光源の照射方向と異なる所定の撮像方向からワーク(表面に投射された投射光)を撮像する。 Such a non-contact type surface shape measuring device is an irradiation optical system that irradiates a work with irradiation light along a predetermined plane from a predetermined irradiation direction, and an image pickup that captures the shape of the projected light projected on the surface of the work. It is equipped with a non-contact probe consisting of a device. The irradiation optical system includes a light source that irradiates a linear laser beam (point laser) toward the work, and an irradiation light adjusting means that adjusts the laser beam emitted by the light source into a flat surface (sheet shape). By this irradiation optical system, irradiation light (also called a line laser, a laser sheet, a laser light sheet, etc.) along a predetermined plane is irradiated toward the work surface at a position where the irradiation light and the work surface intersect. Is projected light according to its shape, that is, light having a contour shape of the work. The imaging device images a work (projected light projected on the surface) from a predetermined imaging direction different from the irradiation direction of the light source.

以上のように構成することにより、照射光学系の照射方向、撮像装置の撮像方向、照射光学系と撮像装置との距離及び撮像された画像に基づいて、三角測量法を用いてワーク表面に投射された投射光、即ちワークの輪郭形状の空間座標を算出することが可能である。 With the above configuration, projection is performed on the work surface using the triangulation method based on the irradiation direction of the irradiation optical system, the imaging direction of the imaging device, the distance between the irradiation optical system and the imaging device, and the captured image. It is possible to calculate the spatial coordinates of the projected light, that is, the contour shape of the work.

この様な非接触式表面形状測定装置においては、上述の通り、照射光学系の照射方向と撮像方向とが異なっている。従って、例えばプローブとワークとの距離が近付き過ぎてしまったり、離れ過ぎてしまった場合、ワーク表面に投射された投射光が撮像装置の撮像範囲内に入射せず、撮像を行うことが出来ない。プローブとワークとの距離が適切であるか否かはディスプレイ上から確認することも可能であるが、その場合オペレータはディスプレイ及び試料台の両方を視認しなければならず、操作性の低下を招いていた。 In such a non-contact type surface shape measuring device, as described above, the irradiation direction and the imaging direction of the irradiation optical system are different. Therefore, for example, if the distance between the probe and the work is too close or too far, the projected light projected on the surface of the work does not enter the imaging range of the imaging device, and imaging cannot be performed. .. It is possible to check from the display whether the distance between the probe and the workpiece is appropriate, but in that case, the operator must visually recognize both the display and the sample table, which leads to a decrease in operability. Was there.

従来は、このような問題を解決すべく、上記プローブの他にレーザの波長とは異なる波長の指示光を照射する指示光発光部を設け、レーザが測定可能な範囲を外れた場合には、指示光発光部を点灯させて指示光をワークに照射することによりレーザ光がワークの測定可能範囲内に位置しているかどうかを確認できるようにしている(特許文献1)。 Conventionally, in order to solve such a problem, in addition to the above probe, an instruction light emitting unit that irradiates an instruction light having a wavelength different from that of the laser is provided, and when the laser is out of the measurable range, By turning on the indicator light emitting unit and irradiating the workpiece with the indicator light, it is possible to confirm whether or not the laser beam is located within the measurable range of the workpiece (Patent Document 1).

特開2012−127805号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2012-127805

しかしながら、特許文献1に記載の方法においてはレーザ光がワークの撮像範囲内に位置しているかどうかの確認のために、レーザ光とは波長が異なる指示光発光部を別途設ける必要があり、装置の製造コストが増加するという問題がある。また、レーザ光とは別に指示光発光部を点灯させるため、消費電力が増加し、照明光発光部の発熱による熱ドリフトや誤作動を引き起こす恐れがあり、もし冷却ファンを取り付けたとしても冷却ファンによる振動がプローブに伝わってしまうので、測定精度が低下してしまう恐れがある。更に、この様な場合には測定用プローブに冷却のための空気穴を設ける必要があり、耐環境性の低下にもつながっていた。 However, in the method described in Patent Document 1, in order to confirm whether or not the laser beam is located within the imaging range of the work, it is necessary to separately provide an indicator light emitting unit having a wavelength different from that of the laser beam. There is a problem that the manufacturing cost of the laser increases. In addition, since the indicator light emitting part is turned on separately from the laser light, power consumption increases, which may cause heat drift or malfunction due to heat generation of the illumination light emitting part. Even if a cooling fan is attached, the cooling fan The vibration caused by the light is transmitted to the probe, which may reduce the measurement accuracy. Further, in such a case, it is necessary to provide an air hole for cooling in the measuring probe, which leads to a decrease in environmental resistance.

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、低コストで、操作性及び耐環境性に優れた三次元測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a three-dimensional measuring device having excellent operability and environmental resistance at low cost.

本発明に係る三次元測定装置は、ワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系と、撮像面に配置された複数の撮像素子を有し、上記所定の平面とは異なる位置からワークを撮像する撮像装置と、撮像装置の出力信号に応じて照射光学系を制御する制御部とを有する非接触式のプローブを備える。また、この制御部は、撮像面上の所定の撮像領域に配置された撮像素子が照射光学系からの照射光によって前記ワークの表面に投射された投射光を検出したかどうかを判別し、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出している場合には照射光学系から照射される光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合には照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。 The three-dimensional measuring device according to the present invention has an irradiation optical system that irradiates a work with irradiation light along a predetermined plane, and a plurality of image pickup elements arranged on an image pickup surface, and has a position different from the predetermined plane. It is provided with a non-contact probe having an image pickup device that images a work from the image sensor and a control unit that controls an irradiation optical system according to an output signal of the image pickup device. In addition, this control unit determines whether or not the image pickup element arranged in the predetermined image pickup region on the image pickup surface detects the projected light projected on the surface of the work by the irradiation light from the irradiation optical system, and performs imaging. When the image sensor arranged in the region detects the projected light, the light emitted from the irradiation optical system is turned on, and when the image sensor arranged in the imaging region does not detect the projected light. Blinks the irradiation light emitted from the irradiation optical system at a predetermined cycle.

また、上記制御部は、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値(撮像素子が受光と判定する最小の受光量のことを言う。以下、本明細書において、同じ。)を上回っている撮像素子が存在する場合には撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出していると判別し、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出していないと判別しても良い。 In addition, the control unit has a threshold value for the amount of light received among the image pickup elements arranged in the image pickup region (referred to as the minimum amount of light received by the image pickup element, which is the same in the present specification). If there is an image sensor that exceeds the threshold value, it is determined that the image sensor arranged in the image pickup area is detecting the projected light, and among the image sensor elements arranged in the image pickup area, the received light amount exceeds the threshold value. When the image sensor is not present, it may be determined that the image sensor arranged in the image pickup region does not detect the projected light.

即ち、本発明に係る三次元測定装置は、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出している場合には照射光学系から照射される照射光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合には照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。従って、上記プローブとワークとの距離が所定の距離範囲外となり、投射光が撮像装置受光面の撮像領域に配置された撮像素子において撮像されなくなった場合には、照射光学系から照射させる照射光を点滅させる。従って、オペレータはプローブ及びワークを視認するだけでプローブとワークとの距離が適切であるか否かを確認することが可能であり、操作性にすぐれた三次元測定装置を提供することが可能である。また、撮像装置の受光面の撮像領域に配置された撮像素子において受光量が閾値を下回っている場合には、ワークの形状を測定することが出来ない為、照射光学系から照射される光を点滅させても測定には影響を及ぼすことが無い。 That is, in the three-dimensional measuring device according to the present invention, when the image pickup device arranged in the image pickup region detects the projected light, the irradiation light emitted from the irradiation optical system is turned on and arranged in the image pickup region. When the image sensor does not detect the projected light, the irradiation light emitted from the irradiation optical system blinks at a predetermined cycle. Therefore, when the distance between the probe and the work is out of the predetermined distance range and the projected light is no longer imaged by the image pickup element arranged in the image pickup region of the light receiving surface of the image pickup device, the irradiation light emitted from the irradiation optical system. Flashes. Therefore, the operator can confirm whether or not the distance between the probe and the work is appropriate only by visually observing the probe and the work, and it is possible to provide a three-dimensional measuring device having excellent operability. is there. Further, when the amount of light received by the image sensor arranged in the image pickup region of the light receiving surface of the image pickup device is below the threshold value, the shape of the work cannot be measured, so that the light emitted from the irradiation optical system is emitted. Blinking does not affect the measurement.

また、本発明によればプローブに指示光発光部を設ける必要が無いため、上記発熱によって生じる種々の問題を抑制することが可能であり、また、部品点数の削減によってプローブの小型化及び低コスト化を図ることが可能である。 Further, according to the present invention, since it is not necessary to provide the probe with an indicator light emitting unit, it is possible to suppress various problems caused by the above heat generation, and the probe can be downsized and reduced in cost by reducing the number of parts. It is possible to make it.

本発明の一実施形態に係る三次元測定装置は、撮像面上の所定の撮像領域よりも広い所定の観察領域において投射光を検出した撮像素子の位置によって、プローブとワークとの距離を検出し、撮像領域に配置された撮像素子が投射光を検出していない場合には照射光学系から照射される照射光を検出された距離に応じた周期で点滅させる。このような実施形態に係る三次元測定装置においては、観察領域における撮像素子によってプローブとワークの距離を検出しているので、更に好適にプローブとワークとの距離を調整することが可能となる。 The three-dimensional measuring device according to the embodiment of the present invention detects the distance between the probe and the work by the position of the image sensor that detects the projected light in a predetermined observation area wider than the predetermined image pickup area on the image pickup surface. When the image sensor arranged in the image pickup region does not detect the projected light, the irradiation light emitted from the irradiation optical system blinks at a cycle corresponding to the detected distance. In the three-dimensional measuring device according to such an embodiment, since the distance between the probe and the work is detected by the image sensor in the observation region, the distance between the probe and the work can be adjusted more preferably.

本発明の他の実施形態に係る三次元測定装置は、第1の操作モード及び第2の操作モードによって選択的に動作可能であり、上記制御部は、撮像領域に配置された各撮像素子の受光量を検出し、第1の操作モードにおいては、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には照射光学系から照射される照射光を点灯させ、撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させる。また、上記制御部は、第2の操作モードにおいては、上記撮像領域中の各撮像素子の受光時に、受光量が飽和した撮像素子が存在する場合には、次の受光時における照射光学系から照射される照射光の光量を低下させ、受光量が飽和した撮像素子が存在しない場合には、次の受光時における照射光学系から照射される照射光の光量を増加させる。更に、この撮像素子の受光時に、照射光学系から照射される照射光の光量が最大光量に達し、且つ受光量が閾値を下回っている場合には、次の受光時における照射光学系から照射される照射光の光量を最小光量にする。 The three-dimensional measuring device according to another embodiment of the present invention can be selectively operated by the first operation mode and the second operation mode, and the control unit is a control unit of each image pickup device arranged in the image pickup region. The amount of light received is detected, and in the first operation mode, if there is an image sensor whose amount of light received exceeds the threshold value among the image sensors arranged in the image pickup region, the irradiation is irradiated from the irradiation optical system. The light is turned on, and when there is no image sensor whose light receiving amount exceeds the threshold value among the image sensors arranged in the image pickup region, the irradiation light emitted from the irradiation optical system is blinked at a predetermined cycle. In addition, in the second operation mode, when the light receiving amount of each image pickup element in the image pickup region is saturated, the control unit is subjected to the irradiation optical system at the time of the next light reception. The amount of irradiation light to be irradiated is reduced, and when there is no image sensor whose light reception amount is saturated, the light amount of irradiation light emitted from the irradiation optical system at the time of the next light reception is increased. Further, when the light amount of the irradiation light emitted from the irradiation optical system reaches the maximum light amount at the time of receiving light from the image pickup element and the light receiving amount is below the threshold value, the light is emitted from the irradiation optical system at the time of the next light receiving. The amount of irradiation light is set to the minimum amount.

このような実施形態に係る三次元測定装置においては、上記第1の操作モードを、プローブを手動で操作して測定を行う手動操作測定モードとし、上記第2の操作モードを、プローブを自動で操作して測定を行う自動操作測定モードとすることも可能である。例えば三次元測定装置をCNC操作によって駆動する場合、まず三次元測定装置に対してティーチングを行い、次に三次元測定装置を自動で操作することが考えられる。ここで、ティーチングを行う際、オペレータはプローブ及びワークを視認する必要があり、第1の操作モードを適用することによって容易にティーチングを行う事が可能である。一方、三次元測定装置をCNC操作によって駆動する場合には、プローブはティーチングの結果に応じて自動的に駆動されるため、プローブとワークとの距離を逐一オペレータが視認する必要は無い。また、この場合に第2の操作モードを適用し、照射光学系から照射される照射光の光量を自動で調整することにより、好適な測定を行う事が可能となる。また、例えば上記ティーチング等、オペレータによるプローブの操作の際に上記第1の操作モードと第2の操作モードとを切り替えることも可能である。 In the three-dimensional measuring device according to such an embodiment, the first operation mode is a manual operation measurement mode in which the probe is manually operated to perform measurement, and the second operation mode is the automatic probe. It is also possible to set the automatic operation measurement mode in which measurement is performed by operating. For example, when the three-dimensional measuring device is driven by CNC operation, it is conceivable to first teach the three-dimensional measuring device and then automatically operate the three-dimensional measuring device. Here, when teaching, the operator needs to visually recognize the probe and the work, and the teaching can be easily performed by applying the first operation mode. On the other hand, when the three-dimensional measuring device is driven by CNC operation, the probe is automatically driven according to the result of teaching, so that the operator does not need to visually check the distance between the probe and the work one by one. Further, in this case, by applying the second operation mode and automatically adjusting the amount of irradiation light emitted from the irradiation optical system, it is possible to perform suitable measurement. It is also possible to switch between the first operation mode and the second operation mode when the operator operates the probe, for example, such as teaching.

尚、本発明はソフトウェアやファームウェア等によって安価に実現することも可能であり、既存の三次元測定装置に適用することも可能である。また、例えば本発明をソフトウェア等によって実現し、当該ソフトウェア等によって既存の装置に搭載された指示光発光部をOFFにする様に構成した場合、既存の装置を用いた場合にも上記熱による問題を回避しつつ操作性を向上させることが可能である。 It should be noted that the present invention can be realized at low cost by software, firmware, or the like, and can also be applied to an existing three-dimensional measuring device. Further, for example, when the present invention is realized by software or the like and the instruction light emitting unit mounted on the existing device is turned off by the software or the like, the problem due to the above heat also occurs when the existing device is used. It is possible to improve the operability while avoiding the above.

本発明によれば、低コストで、操作性及び耐環境性に優れた三次元測定装置を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a three-dimensional measuring device having excellent operability and environmental resistance at low cost.

本発明の第1実施形態に係る三次元測定装置を構成するシステムの全体図である。It is an overall view of the system which comprises the 3D measuring apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 同装置における光学式プローブ17の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical probe 17 in this apparatus. 同装置の光学式プローブ17及びそれを用いて照射された照射光を示す概略図である。It is the schematic which shows the optical probe 17 of the apparatus and the irradiation light which irradiated using it. 同装置の照射光学系172及び撮像装置173の光学式プローブ17内の配置を示す概略図である。It is the schematic which shows the arrangement in the optical probe 17 of the irradiation optical system 172 and the image pickup apparatus 173 of the apparatus. 同装置のCMOSイメージセンサ1732を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the CMOS image sensor 1732 of the apparatus. 同CMOSイメージセンサ1732の撮像領域321及び観察領域322を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the image pickup area 321 and the observation area 322 of the CMOS image sensor 1732. 同装置の光学式プローブ17の制御系統を表すブロック図である。It is a block diagram which shows the control system of the optical probe 17 of this apparatus. 同装置の三次元測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the operation of the 3D measuring apparatus of this apparatus. 本発明の第2実施形態に係る三次元測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating the operation of the 3D measuring apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 同装置の動作を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the operation of this apparatus. 同装置の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation of this apparatus. 本発明の第3実施形態に係る三次元測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation of the 3D measuring apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施形態に係る三次元測定装置の照射光学系172′及び撮像装置173′の光学式プローブ17内の配置を示す概略図である。It is the schematic which shows the arrangement in the optical probe 17 of the irradiation optical system 172'and the image pickup apparatus 173' of the 3D measuring apparatus which concerns on 4th Embodiment of this invention.

[第1実施形態]
次に、本発明の第1実施形態に係る三次元測定装置について図面を参照して詳細に説明する。図1は、本施形態に係る三次元測定装置を構成するシステムの全体図である。この三次元測定装置は、三次元測定装置1の測定プローブとして本実施形態に係る非接触式の光学式プローブ17を装着する事により構成されている。この三次元測定装置には、三次元測定装置1を駆動制御すると共にこの三次元測定装置1から必要な測定座標値を取り込むための駆動制御装置2と、この駆動制御装置2を介してこの三次元測定装置1を手動操作するための操作盤3と、駆動制御装置2での測定手順を指示するパートプログラムを編集・実行すると共に、駆動制御装置2を介して取り込まれた測定座標値に幾何形状を当てはめるための計算を行ったり、パートプログラムを記録、送信したりする機能を備えたホストシステム4とから構成されている。
[First Embodiment]
Next, the three-dimensional measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall view of a system constituting the three-dimensional measuring device according to the present embodiment. This three-dimensional measuring device is configured by mounting the non-contact optical probe 17 according to the present embodiment as a measuring probe of the three-dimensional measuring device 1. The three-dimensional measuring device includes a drive control device 2 for driving and controlling the three-dimensional measuring device 1 and taking in necessary measurement coordinate values from the three-dimensional measuring device 1, and the tertiary via the drive control device 2. The operation panel 3 for manually operating the original measuring device 1 and the part program instructing the measurement procedure in the drive control device 2 are edited and executed, and the measured coordinate values captured via the drive control device 2 are geometrically obtained. It is composed of a host system 4 having a function of performing calculations for fitting shapes and recording and transmitting part programs.

三次元測定装置1は、次のように構成されている。即ち、除振台10の上には、定盤11がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤11の両側端から立設されたアーム支持体12a,12bの上端でX軸ガイド13を支持している。アーム支持体12aは、その下端がY軸駆動機構14によってY軸方向に駆動され、アーム支持体12bは、その下端がエアーベアリングによって定盤11上にY軸方向に移動可能に支持されている。X軸ガイド13は、垂直方向に延びるZ軸ガイド15をX軸方向に駆動する。Z軸ガイド15には、Z軸アーム16がZ軸ガイド15に沿って駆動されるように設けられ、Z軸アーム16の下端に非接触式の光学式プローブ17が装着されている。尚、光学式プローブ17は、水平面内で回転可能であっても良いし、当該水平面に対して垂直な面内で回転可能であっても良い。 The three-dimensional measuring device 1 is configured as follows. That is, the surface plate 11 is placed on the vibration isolation table 10 so as to coincide with the horizontal plane with the upper surface as the base surface, and the arm supports 12a and 12b erected from both side ends of the surface plate 11 The X-axis guide 13 is supported at the upper end. The lower end of the arm support 12a is driven in the Y-axis direction by the Y-axis drive mechanism 14, and the lower end of the arm support 12b is movably supported on the surface plate 11 in the Y-axis direction by an air bearing. .. The X-axis guide 13 drives the Z-axis guide 15 extending in the vertical direction in the X-axis direction. The Z-axis guide 15 is provided so that the Z-axis arm 16 is driven along the Z-axis guide 15, and a non-contact optical probe 17 is attached to the lower end of the Z-axis arm 16. The optical probe 17 may be rotatable in a horizontal plane or may be rotatable in a plane perpendicular to the horizontal plane.

図2は、本施形態に係る三次元測定装置の光学式プローブ17の構成を示す概略図、図3は同じく斜視図である。光学式プローブ17は、筐体171と、筐体171内に配置された照射光学系172と、ワークを撮像する撮像装置173と、撮像装置173の出力に応じて照射光学系172の発光量を調整する制御回路174とを備えて構成されている。 FIG. 2 is a schematic view showing the configuration of the optical probe 17 of the three-dimensional measuring device according to the present embodiment, and FIG. 3 is a perspective view as well. The optical probe 17 determines the amount of light emitted from the housing 171 and the irradiation optical system 172 arranged in the housing 171, the image pickup device 173 for imaging the work, and the irradiation optical system 172 according to the output of the image pickup device 173. It is configured to include a control circuit 174 for adjustment.

照射光学系172は、所定の平面(照射面)S3に沿った照射光をワーク5に向けて照射する。照射光学系172は、レーザ光源1721及びビームエキスパンダ1723を備えて構成される。レーザ光源1721から発せられたレーザは、ビームエキスパンダ1723にて紙面に直交する方向に拡幅されて上記所定の平面S3に沿った照射光となる。なお、ビームエキスパンダ1723は、例えばロッドレンズ、又はシリンドリカルレンズである。尚、本明細書において「照射光」と言った場合には、照射光学系172から照射された後、ワーク5表面に到達する前の光を意味することとする。尚、本実施形態においては、点光源にシリンドリカルレンズ等を組合せて所定の平面に沿った照射光を発生させているが、LEDを直線状に並べ、フロスト等の光学系と組み合わせることによって直線状の光を作り出したもの等、他の方法を用いても良い。 The irradiation optical system 172 irradiates the work 5 with irradiation light along a predetermined plane (irradiation surface) S3. The irradiation optical system 172 includes a laser light source 1721 and a beam expander 1723. The laser emitted from the laser light source 1721 is widened by the beam expander 1723 in the direction orthogonal to the paper surface to become the irradiation light along the predetermined plane S3. The beam expander 1723 is, for example, a rod lens or a cylindrical lens. In addition, when the term "irradiation light" is used in the present specification, it means the light after being irradiated from the irradiation optical system 172 and before reaching the surface of the work 5. In the present embodiment, a point light source is combined with a cylindrical lens or the like to generate irradiation light along a predetermined plane, but the LEDs are arranged linearly and combined with an optical system such as a frost to form a linear shape. Other methods may be used, such as those that produce the light of.

ワーク5の表面に投射された投射光は、所定の平面S3とワーク5表面との交点の集合からなる直線又は曲線に沿って直線状又は曲線状に広がる。換言すれば、所定の平面S3によってワーク5を切断した場合の切断面の輪郭に、投射光が投射される。本明細書において「投射光」と言った場合には、照射光がワーク5の表面に到達し、当該表面で反射された撮像可能な線状の光を意味することとする。 The projected light projected on the surface of the work 5 spreads linearly or curvedly along a straight line or a curve formed by a set of intersections of a predetermined plane S3 and the surface of the work 5. In other words, the projected light is projected onto the contour of the cut surface when the work 5 is cut by the predetermined plane S3. When the term "projected light" is used in the present specification, it means the linear light that can be imaged when the irradiation light reaches the surface of the work 5 and is reflected by the surface.

撮像装置173は、投射光の波長を通過させるバンドパスフィルタ1731aとレンズ1731bとを備えた光学系1731及び当該光学系1731を介してワーク5の画像を撮像するCMOSセンサ1732を備え、上記照射面S3とは異なる位置からワーク5を撮像する。即ち、ワーク5表面に投射され、ワーク5表面の形状に沿って反射された投射光を、撮像装置173によって所定の角度から受光する。尚、バンドパスフィルタ1731aは、投射光以外のノイズ光を遮蔽し、投射光のみを透過させて、測定精度を向上させるという点で有効であるが、必須のものではなく、省略することも可能である。 The image pickup apparatus 173 includes an optical system 1731 provided with a bandpass filter 1731a and a lens 1731b for passing the wavelength of the projected light, and a CMOS sensor 1732 that captures an image of the work 5 via the optical system 1731. The work 5 is imaged from a position different from that of S3. That is, the projected light projected on the surface of the work 5 and reflected along the shape of the surface of the work 5 is received by the image pickup apparatus 173 from a predetermined angle. The bandpass filter 1731a is effective in that it shields noise light other than the projected light and transmits only the projected light to improve the measurement accuracy, but it is not essential and can be omitted. Is.

図3には、光学式プローブ17を用いて照射された照射光及び投射光が示されている。図3(a)に示す通り、照射光学系172によってワーク5に投射光Lを投射すると、ワーク5表面の凹凸形状に沿って投射光が変形し、ワーク5を照射面S3で切断した時の輪郭が照らし出される。撮像装置173は、図3(b)に示すように、上記所定の照射面S3とは異なる位置からワーク5を撮像し、当該位置から見た投射光Lの画像を、L′として取得する。 FIG. 3 shows the irradiation light and the projected light irradiated by the optical probe 17. As shown in FIG. 3A, when the projected light L is projected onto the work 5 by the irradiation optical system 172, the projected light is deformed along the uneven shape of the surface of the work 5, and the work 5 is cut by the irradiation surface S3. The outline is illuminated. As shown in FIG. 3B, the image pickup apparatus 173 images the work 5 from a position different from the predetermined irradiation surface S3, and acquires an image of the projected light L seen from the position as L'.

図4は、照射光学系172及び撮像装置173の光学式プローブ17内の配置を示す概略図である。なお、図4において、バンドパスフィルタ1731aは省略している。 FIG. 4 is a schematic view showing the arrangement of the irradiation optical system 172 and the imaging device 173 in the optical probe 17. In FIG. 4, the bandpass filter 1731a is omitted.

本実施の形態に係る光学式プローブ17にはシャインプルーフの原理が利用されており、図4に示すように、CMOSセンサ1732の撮像面を含む面(以下、「撮像面S1」と呼ぶ。)、レンズ1731bの主点を含む主平面S2、ワーク5に照射される照射光の照射面S3は、点Pに位置し、紙面に直交する1本の線で交わる。本実施形態においては、このような配置によって、CMOSセンサ1732の撮像面S1上全体が照射面S3に対して合焦状態となる。ここで、照射光学系172と撮像装置173との距離は既知であり、撮像面S1と照射面S3との角度も既知である。更に、投射光が投射されたワーク5の表面の位置と照射光学系172との距離は、ワーク5の表面において反射された投射光を受光した撮像素子の位置から特定される。従って、上記照射光学系172と撮像装置173との距離、撮像面S1と照射面S3との角度及び照射光が照射されたワーク5の表面の位置と照射光学系172との距離から、光学式プローブ17とワーク5の投射光が投射された部分との位置関係を演算可能である。更に、光学式プローブ17と定盤11との位置関係はX軸ガイド13、Y軸駆動機構14及びZ軸ガイド15等の内部に搭載されたエンコーダ等によって特定される。従って、定盤11上における、ワーク5の投射光が投射された部分の位置を演算可能である。 The principle of Scheimpflug is used for the optical probe 17 according to the present embodiment, and as shown in FIG. 4, the surface including the imaging surface of the CMOS sensor 1732 (hereinafter, referred to as “imaging surface S1”). The main plane S2 including the main point of the lens 1731b and the irradiation surface S3 of the irradiation light irradiated to the work 5 are located at the point P and intersect with each other by one line orthogonal to the paper surface. In the present embodiment, with such an arrangement, the entire image plane S1 of the CMOS sensor 1732 is in focus with respect to the irradiation surface S3. Here, the distance between the irradiation optical system 172 and the image pickup apparatus 173 is known, and the angle between the image pickup surface S1 and the irradiation surface S3 is also known. Further, the distance between the position of the surface of the work 5 on which the projected light is projected and the irradiation optical system 172 is specified from the position of the image sensor that receives the projected light reflected on the surface of the work 5. Therefore, from the distance between the irradiation optical system 172 and the image pickup device 173, the angle between the image pickup surface S1 and the irradiation surface S3, the position of the surface of the work 5 irradiated with the irradiation light, and the distance between the irradiation optical system 172, the optical method is used. The positional relationship between the probe 17 and the portion of the work 5 on which the projected light is projected can be calculated. Further, the positional relationship between the optical probe 17 and the surface plate 11 is specified by an encoder or the like mounted inside the X-axis guide 13, the Y-axis drive mechanism 14, the Z-axis guide 15, and the like. Therefore, it is possible to calculate the position of the portion of the work 5 on which the projected light is projected on the surface plate 11.

図5は、本実施形態に係るCMOSイメージセンサ1732を示す模式図である。CMOSイメージセンサ1732は受光面に行列状に配置された複数の撮像素子を備えており、本実施形態においては照射光の広がる方向(図4における上記照射面S3と撮像面S1との交線が延びる方向)に、例えば1024個、これと直交する方向に、例えば1280個の撮像素子(CMOSセル)を有している。また、CMOSイメージセンサ1732は、ローリングシャッター機能を有している。ローリングシャッター機能とは、1つないし複数の行(または列)に配置されている撮像素子のみを同時に受光させ、この行単位(または列単位)の受光を列方向(または行方向)に順次行う方法である。例えば、図5においては、1列目に配置された撮像素子(太枠で強調されている撮像素子)の受光は、同時に行われる。この受光動作が終了すると、2列目、3列目と順次受光が行われる。 FIG. 5 is a schematic view showing the CMOS image sensor 1732 according to the present embodiment. The CMOS image sensor 1732 includes a plurality of image pickup elements arranged in a matrix on the light receiving surface, and in the present embodiment, the direction in which the irradiation light spreads (the line of intersection between the irradiation surface S3 and the image pickup surface S1 in FIG. 4 is It has, for example, 1024 image sensors (CMOS cells) in the extending direction, and 1280 image sensors (CMOS cells) in the direction orthogonal to the 1024 image sensors. Further, the CMOS image sensor 1732 has a rolling shutter function. The rolling shutter function simultaneously receives only the image sensors arranged in one or more rows (or columns), and sequentially receives the light in each row (or column) in the column direction (or row direction). The method. For example, in FIG. 5, the light receiving of the image sensor (the image sensor highlighted by the thick frame) arranged in the first row is performed at the same time. When this light receiving operation is completed, light reception is sequentially performed in the second row and the third row.

図6は、CMOSイメージセンサ1732の撮像領域321及び観察領域322について説明するための模式図である。本実施形態に係る三次元測定装置においては、CMOSイメージセンサ1732中、主としてワーク5の撮像に使用される所定の領域を撮像領域321、撮像領域321を含むCMOSイメージセンサ1732の全領域を観察領域322とし、詳細な測定を行う場合には撮像領域321に配置された撮像素子のみを用いて三次元測定を行う。これにより、CMOSイメージセンサ1732のフレームレートを高くする事が可能である。尚、これら撮像領域321及び観察領域322はCMOSイメージセンサ1732の撮像面上の領域である。 FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the imaging region 321 and the observation region 322 of the CMOS image sensor 1732. In the three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment, in the CMOS image sensor 1732, a predetermined area mainly used for imaging the work 5 is an imaging area 321 and the entire area of the CMOS image sensor 1732 including the imaging area 321 is an observation area. When the detailed measurement is performed with 322, the three-dimensional measurement is performed using only the image sensor arranged in the image pickup region 321. This makes it possible to increase the frame rate of the CMOS image sensor 1732. The imaging region 321 and the observation region 322 are regions on the imaging surface of the CMOS image sensor 1732.

図7は、本実施形態に係る光学式プローブ17の制御系統を表すブロック図である。制御回路174は、CPU1741と、CPU1741に接続されたプログラム記憶部1742、ワークメモリ1743、及び多値画像メモリ1744とを備えて構成されている。CMOSイメージセンサ1732で取得された画像情報は、多値画像メモリ1744に記憶される。CPU1741は、多値画像メモリ1744に記憶された画像情報を参照して、光量制御部1724を介して照射光学系172の光量を調整する。 FIG. 7 is a block diagram showing a control system of the optical probe 17 according to the present embodiment. The control circuit 174 includes a CPU 1741, a program storage unit 1742 connected to the CPU 1741, a work memory 1743, and a multi-valued image memory 1744. The image information acquired by the CMOS image sensor 1732 is stored in the multi-valued image memory 1744. The CPU 1741 adjusts the light amount of the irradiation optical system 172 via the light amount control unit 1724 with reference to the image information stored in the multi-valued image memory 1744.

次に、この様に構成された三次元測定装置の動作について説明する。図4に示す通り、本実施形態においては撮像装置173が上記照射面S3とは異なる位置に配置されている。従って、ワーク5表面のある部分へ向かう照射光の方向と、当該部分において反射された投射光のうち、撮像装置173に向かう部分との方向とが異なっている。従って、例えば光学式プローブ17とワーク5との距離が近付き過ぎてしまったり、離れ過ぎてしまった場合、ワーク5表面に照射された投射光が撮像装置173の撮像範囲外となってしまい、撮像を行うことが出来ない。投射光が撮像装置173の撮像領域321内において受光されているかどうかをホストシステム4のディスプレイ上から確認する場合、オペレータはディスプレイ及び定盤11上のワーク5の両方を視認しなければならず、操作性の低下を招いてしまう。 Next, the operation of the three-dimensional measuring device configured in this way will be described. As shown in FIG. 4, in the present embodiment, the image pickup apparatus 173 is arranged at a position different from the irradiation surface S3. Therefore, the direction of the irradiation light toward a certain portion of the surface of the work 5 and the direction of the projected light reflected at the portion toward the image pickup apparatus 173 are different. Therefore, for example, if the distance between the optical probe 17 and the work 5 is too close or too far apart, the projected light irradiated on the surface of the work 5 will be out of the imaging range of the imaging device 173, and imaging will be performed. Cannot be done. When confirming from the display of the host system 4 whether or not the projected light is received in the imaging region 321 of the imaging device 173, the operator must visually recognize both the display and the work 5 on the surface plate 11. It causes a decrease in operability.

図8は、本実施形態に係る三次元測定装置の動作を示すためのフローチャートである。本実施形態においては、投射光が撮像装置173の撮像領域321内において受光されているかどうかを、投射光の点滅状態によって示すことが可能である。即ち、本実施形態に係る三次元測定装置は、測定に際してワーク5に照射光を照射し、CMOSイメージセンサ1732の撮像面中、撮像領域321内において投射光が撮像されているか、例えば撮像領域321内に配置された撮像素子の受光量が閾値を上回っているか否かを確認し(ステップS101)、撮像領域321内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には照射光学系172から照射される光を点灯させ(ステップS102)、撮像領域内321に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には照射光学系172から照射される光を所定の周期で、オペレータが視認可能な光量(例えば0近傍の光量及び所定の光量)にて点滅させる(ステップS103)。なお、ステップS101では、撮像領域321内の全ての撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っているものが占める割合によって判定しても良い。 FIG. 8 is a flowchart for showing the operation of the three-dimensional measuring device according to the present embodiment. In the present embodiment, it is possible to indicate whether or not the projected light is received in the imaging region 321 of the imaging device 173 by the blinking state of the projected light. That is, in the three-dimensional measuring device according to the present embodiment, the work 5 is irradiated with the irradiation light at the time of measurement, and the projected light is imaged in the image pickup area 321 in the image pickup surface of the CMOS image sensor 1732, for example, the image pickup area 321. It is confirmed whether or not the light receiving amount of the image sensor arranged inside exceeds the threshold value (step S101), and among the image pickup elements arranged in the image pickup region 321, the image sensor whose light receiving amount exceeds the threshold value is If it exists, the light emitted from the irradiation optical system 172 is turned on (step S102), and among the image pickup elements arranged in the image pickup region 321 when there is no image pickup element whose light receiving amount exceeds the threshold value. Flashes the light emitted from the irradiation optical system 172 at a predetermined cycle at a light amount visible to the operator (for example, a light amount near 0 and a predetermined light amount) (step S103). In step S101, the determination may be made based on the ratio of all the image pickup elements in the image pickup region 321 whose light receiving amount exceeds the threshold value.

このような態様においては、光学式プローブ17とワーク5との距離が、撮像装置173によってワーク5表面に投射された投射光を撮像することが可能な距離範囲内である場合に投射光が点灯し、光学式プローブ17とワーク5との距離が、当該距離範囲を超えた場合には投射光が点滅する。従って、オペレータはワーク5表面に照射された投射光の状態を視認するだけで光学式プローブ17とワーク5との距離が適切であるか否かを確認することが可能であり、操作性にすぐれた三次元測定装置を提供することが可能である。また、光学式プローブ17とワーク5との距離が適切でない場合にはワーク5の形状を測定することが出来ない為、このようなタイミングで照射光学系172から照射される光を点滅させても測定には影響を及ぼすことが無い。 In such an embodiment, the projected light is turned on when the distance between the optical probe 17 and the work 5 is within a distance range in which the projected light projected on the surface of the work 5 by the imaging device 173 can be imaged. Then, when the distance between the optical probe 17 and the work 5 exceeds the distance range, the projected light blinks. Therefore, the operator can confirm whether or not the distance between the optical probe 17 and the work 5 is appropriate only by visually recognizing the state of the projected light applied to the surface of the work 5, and the operability is excellent. It is possible to provide a three-dimensional measuring device. Further, if the distance between the optical probe 17 and the work 5 is not appropriate, the shape of the work 5 cannot be measured. Therefore, even if the light emitted from the irradiation optical system 172 is blinked at such a timing. It does not affect the measurement.

尚、上記「点灯」とは、オペレータ等から見て照射光ないし投射光が連続的に発光している状態であり、上記「点滅」とは、オペレータ等から見て点滅している、と認められる状態である。従って、例えばPWM制御等によって照射光学系172が制御されている場合であっても、オペレータ等から見て連続的に発光していると判断可能である場合には、「点滅」では無く「点灯」しているものとする。 It should be noted that the above-mentioned "lighting" is a state in which the irradiation light or the projected light is continuously emitted from the viewpoint of the operator or the like, and the above-mentioned "blinking" is recognized as blinking when viewed from the operator or the like. It is in a state of being. Therefore, even when the irradiation optical system 172 is controlled by, for example, PWM control, if it can be determined from the operator or the like that the irradiation optical system is continuously emitting light, it is not "blinking" but "lighting". It is assumed that it is.

また、本発明によれば光学式プローブ17にレーザポインタや他の照明光源を設ける必要が無いため、上述した発熱によって生じる種々の問題を抑制することが可能であり、また、部品点数の削減によって光学式プローブ17の小型化及び低コスト化を図ることも可能である。更に、測定不能な状況で照射光学系が点滅するので、消費電力も抑えられる。 Further, according to the present invention, since it is not necessary to provide the optical probe 17 with a laser pointer or another illumination light source, it is possible to suppress various problems caused by the above-mentioned heat generation, and by reducing the number of parts. It is also possible to reduce the size and cost of the optical probe 17. Further, since the irradiation optical system blinks in a situation where measurement is impossible, power consumption can be suppressed.

更に、本実施形態に係る方法はソフトウェアやファームウェア等によって安価に実現することが可能であり、既存の三次元測定装置に適用することも可能である。また、例えば本発明をソフトウェア等によって実現し、当該ソフトウェア等によって既存の装置に搭載された指示光発光部をOFFにする様に構成した場合、既存の装置を用いた場合にも上記熱による問題を回避しつつ操作性を向上させることが可能である。 Further, the method according to the present embodiment can be realized at low cost by software, firmware, or the like, and can be applied to an existing three-dimensional measuring device. Further, for example, when the present invention is realized by software or the like and the instruction light emitting unit mounted on the existing device is turned off by the software or the like, the problem due to the above heat also occurs when the existing device is used. It is possible to improve the operability while avoiding the above.

[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る三次元測定装置について図面を参照して詳細に説明する。図9は、本実施形態に係る三次元測定方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係る三次元測定方法においては、まず操作モードの選択処理を行い(ステップS1)、選択操作に応じて第1の操作モード(ステップS2)又は第2の操作モード(ステップS3)を選択して上記照射光学系172の光量を調整する点において異なっている。第1の操作モードは、例えば、プローブを手動で操作して測定を行う手動操作測定モードであり、第2の操作モードは、例えば、プローブを自動で操作して測定を行う自動操作測定モードである。第1の操作モードにおいては、図8を用いて説明した照射光の光量の調整を行う。
[Second Embodiment]
Next, the three-dimensional measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 9 is a flowchart for explaining the three-dimensional measurement method according to the present embodiment. In the three-dimensional measurement method according to the present embodiment, the operation mode selection process is first performed (step S1), and the first operation mode (step S2) or the second operation mode (step S3) is set according to the selection operation. It differs in that it is selected to adjust the amount of light of the irradiation optical system 172. The first operation mode is, for example, a manual operation measurement mode in which the probe is manually operated to perform measurement, and the second operation mode is, for example, an automatic operation measurement mode in which the probe is automatically operated to perform measurement. is there. In the first operation mode, the amount of irradiation light described with reference to FIG. 8 is adjusted.

次に、第2の操作モードについて説明する。図10は、第2の操作モードを説明するための模式図である。図10の上図は、撮像装置173によって撮像された画像を、下図は照射光学系172の出力と、CMOSイメージセンサ1732の1フレーム分の撮像サイクルにおける時間との関係を図示している。また、当該上図及び下図は対応しており、上図内における一列分の画像は、下図に示した時間に、下図に示した照射光学系172の出力を用いて撮像されたことを示している。 Next, the second operation mode will be described. FIG. 10 is a schematic diagram for explaining the second operation mode. The upper figure of FIG. 10 shows the image captured by the image pickup apparatus 173, and the lower figure shows the relationship between the output of the irradiation optical system 172 and the time in the image pickup cycle for one frame of the CMOS image sensor 1732. In addition, the upper and lower figures correspond to each other, indicating that the images for one row in the upper figure were captured at the time shown in the lower figure using the output of the irradiation optical system 172 shown in the lower figure. There is.

三角測量法を用いた三次元測定装置においては、例えばワーク5表面の場所によって反射率等が異なる場合に、受光量の変動に伴う種々の問題を生じる場合がある。例えば、ワーク5表面の一部の反射率が極端に高い様な場合には、CMOSイメージセンサ1732に入射されるワーク5表面からの投射光の光量が、好適な撮像が可能な最大の光量を超えてしまい、サチレーションが生じて測定精度を損なう事がある。また、ワーク5表面の一部の反射率が極端に低い様な場合には、CMOSイメージセンサ1732に入射される投射光の受光量が閾値に達さず、受光が行われない事がある。しかしながら、第2の測定モードにおいては、図10右部分に示す通り、制御回路174が、CMOSイメージセンサ1732における受光量に応じて照射光学系172の出力を調整する。これにより、上記受光量の変動に伴う種々の問題を解消する。 In a three-dimensional measuring device using a triangulation method, for example, when the reflectance or the like differs depending on the location of the surface of the work 5, various problems may occur due to fluctuations in the amount of received light. For example, when the reflectance of a part of the surface of the work 5 is extremely high, the amount of light projected from the surface of the work 5 incident on the CMOS image sensor 1732 is the maximum amount of light capable of suitable imaging. If it exceeds the limit, saturation may occur and the measurement accuracy may be impaired. Further, when the reflectance of a part of the surface of the work 5 is extremely low, the received amount of the projected light incident on the CMOS image sensor 1732 may not reach the threshold value, and the light may not be received. However, in the second measurement mode, as shown in the right portion of FIG. 10, the control circuit 174 adjusts the output of the irradiation optical system 172 according to the amount of light received by the CMOS image sensor 1732. This solves various problems associated with the fluctuation of the amount of received light.

また、三角測量法を用いた三次元測定装置においては、例えばワーク5表面に所定以上の凹凸がある場合等、投射光の一部がそもそもCMOSイメージセンサ1732に入射しておらず、当該部分を受光できない場合がある。このような場合、制御回路174は、照射光学系172の出力不足によって受光が行われないものであると判定し、照射光学系172の出力を最大値まで上げ、この状態を保持し続ける恐れがあり、光源の劣化や消費電力の増大を招く恐れがある。しかしながら、第2の測定モードにおいては、照射光学系172の出力が最大であるのにもかかわらずCMOSイメージセンサ1732による受光が行われない場合には、図10左部分(上図の反射光の画像がない部分、下図のレーザ出力が“0”の部分)に示す通り、照射光学系172の出力を最小値にして、光源の長寿命化や低消費電力化等を実現する。 Further, in a three-dimensional measuring device using the triangulation method, for example, when the surface of the work 5 has irregularities of a predetermined value or more, a part of the projected light is not incident on the CMOS image sensor 1732 in the first place, and the portion is not incident on the CMOS image sensor 1732. It may not be able to receive light. In such a case, the control circuit 174 determines that light reception is not performed due to insufficient output of the irradiation optical system 172, raises the output of the irradiation optical system 172 to the maximum value, and may continue to maintain this state. Therefore, there is a risk of deterioration of the light source and increase of power consumption. However, in the second measurement mode, when the CMOS image sensor 1732 does not receive light even though the output of the irradiation optical system 172 is maximum, the left portion of FIG. 10 (the reflected light in the above figure). As shown in the portion where there is no image and the portion where the laser output in the figure below is “0”), the output of the irradiation optical system 172 is minimized to realize a longer life of the light source, lower power consumption, and the like.

図11は、当該操作モードを説明するためのフローチャートである。第2の操作モードにおいては、まずCMOSイメージセンサ1732の1列分(もしくは1行分)の受光を行い、一次元画像情報を取得し(S201)、サチレーションを生じた撮像素子があるのかどうかを確認する(S202)。サチレーションを生じた撮像素子がある場合には照射光学系172の出力を減少させる(S203)。ステップS202においてサチレーションが検出されなかった場合には照射光学系172の出力を確認し(S205)、照射光学系172の出力が最大でも最小でも無かった場合には、次回のスキャン時における該当位置での照射光学系172の出力を増加させる(S204)。照射光学系172の出力が最大だった場合には、更にCMOSイメージセンサ1732による受光量が閾値以下であるかどうかを確認する(S206)。ここで、閾値としては測定可能な最小受光量を設定しても良い。CMOSイメージセンサ1732による受光量が閾値以下である場合は次回のスキャン時における該当位置での照射光学系172の出力を最小にし(S207)、閾値以下でなかった場合には照射光学系172の出力を最大のままにしておく。以上の処理によって、ワーク5の非検出部の測定を行った際に照射光学系172の出力を最小値にすることが可能となり、発熱の抑制、低消費電力化、及び光源の長寿命化を図ることが可能である。また、ステップS205において照射光学系172の出力が最小だった場合には、次回のスキャン時における該当位置での照射光学系172の出力を最大にする(S208)。 FIG. 11 is a flowchart for explaining the operation mode. In the second operation mode, first, one row (or one row) of the CMOS image sensor 1732 receives light, and one-dimensional image information is acquired (S201), and whether or not there is a saturated image sensor is present. Confirm (S202). If there is an image sensor that has been saturated, the output of the irradiation optical system 172 is reduced (S203). If saturation is not detected in step S202, the output of the irradiation optical system 172 is confirmed (S205), and if the output of the irradiation optical system 172 is neither the maximum nor the minimum, at the corresponding position in the next scan. The output of the irradiation optical system 172 of the above is increased (S204). When the output of the irradiation optical system 172 is maximum, it is further confirmed whether or not the amount of light received by the CMOS image sensor 1732 is equal to or less than the threshold value (S206). Here, the minimum measurable light receiving amount may be set as the threshold value. When the amount of light received by the CMOS image sensor 1732 is below the threshold value, the output of the irradiation optical system 172 at the corresponding position at the next scan is minimized (S207), and when it is not below the threshold value, the output of the irradiation optical system 172 is minimized. Leave at maximum. By the above processing, it is possible to minimize the output of the irradiation optical system 172 when measuring the non-detection portion of the work 5, thereby suppressing heat generation, reducing power consumption, and extending the life of the light source. It is possible to plan. When the output of the irradiation optical system 172 is the minimum in step S205, the output of the irradiation optical system 172 at the corresponding position at the time of the next scan is maximized (S208).

以上の動作を、図5に示したCMOSイメージセンサ1732の各列に対して順次行う。尚、第2の動作モードにおいても主として撮像領域321に配置された撮像素子を使用することが考えられるが、観察領域322に配置された撮像素子を使用することも可能である。 The above operation is sequentially performed for each row of the CMOS image sensor 1732 shown in FIG. Although it is conceivable to mainly use the image sensor arranged in the image pickup area 321 in the second operation mode, it is also possible to use the image sensor arranged in the observation area 322.

なお、非検出部における照射光学系172の出力は、上記のようにスキャン毎に最大値と最小値を繰り返しても良いが、例えば照射光学系172の出力が最小のままn回分のスキャンが行われたような場合(nは任意の整数)に最大値に切り替えても良い。また、照射光学系172の出力最小値からの切り替えは、最大値とせずに最小値と最大値の間の中間値としても良い。 The output of the irradiation optical system 172 in the non-detection unit may repeat the maximum value and the minimum value for each scan as described above, but for example, n scans are performed while the output of the irradiation optical system 172 remains the minimum. In such a case (n is an arbitrary integer), the maximum value may be switched. Further, the switching from the output minimum value of the irradiation optical system 172 may be an intermediate value between the minimum value and the maximum value instead of the maximum value.

更に、CADデータ等を予め入力しておき、これによって測定開始位置、測定終了位置を設定しておく様にしても良い。この場合、CADデータを予めホストシステム4に入力しておき、駆動制御回路2を通じてプログラム記憶部1742等に記憶しても良いし、予めプログラム記憶部1742に記憶されている設定を呼び出しても良い。 Further, CAD data or the like may be input in advance, and the measurement start position and the measurement end position may be set accordingly. In this case, the CAD data may be input to the host system 4 in advance and stored in the program storage unit 1742 or the like through the drive control circuit 2, or the settings stored in the program storage unit 1742 in advance may be recalled. ..

本実施形態に係る三次元測定装置は、第1の操作モード及び第2の操作モードによって選択的に動作可能である。従って、例えば三次元測定装置をCNC操作によって駆動する場合、まず三次元測定装置に対してティーチングを行い、次に三次元測定装置を自動で操作することが考えられる。ここで、ティーチングを行う際、オペレータは光学式プローブ17及びワーク5を視認する必要があるが、第1の操作モードの適用によってホストシステム4のディスプレイを視認する必要が無くなる。従って、オペレータは光学式プローブ17及びワーク5のみを視認すれば良く、容易にティーチングを行う事が可能となる。一方、三次元測定装置をCNC操作によって駆動する場合には、光学式プローブ17はティーチングの結果に応じて自動的に駆動されるため、光学式プローブ17やワーク5等を逐一オペレータが視認する必要は無い。また、この場合に照射光の光量を自動で調整することにより、好適な測定を行う事が可能となる。また、例えば上記ティーチング等、オペレータによる光学式プローブ17の操作の際に上記第1の操作モードと第2の操作モードとを切り替えて選択的に使用することも可能である。 The three-dimensional measuring device according to the present embodiment can be selectively operated by the first operation mode and the second operation mode. Therefore, for example, when the three-dimensional measuring device is driven by CNC operation, it is conceivable to first teach the three-dimensional measuring device and then automatically operate the three-dimensional measuring device. Here, when teaching, the operator needs to visually recognize the optical probe 17 and the work 5, but the application of the first operation mode eliminates the need to visually recognize the display of the host system 4. Therefore, the operator only needs to visually recognize the optical probe 17 and the work 5, and teaching can be easily performed. On the other hand, when the three-dimensional measuring device is driven by CNC operation, the optical probe 17 is automatically driven according to the teaching result, so that the operator needs to visually recognize the optical probe 17, the work 5, and the like one by one. There is no. Further, in this case, by automatically adjusting the amount of irradiation light, it is possible to perform suitable measurement. Further, it is also possible to switch between the first operation mode and the second operation mode and selectively use the optical probe 17 when the operator operates the optical probe 17, for example, such as teaching.

[第3実施形態]
次に、本発明の第3実施形態に係る三次元測定装置について図面を参照して説明する。本発明に係る三次元測定装置は、基本的には第1の実施形態に係る三次元測定装置と同様に構成されているが、照射光学系172の光量の調整方法が異なっている。
[Third Embodiment]
Next, the three-dimensional measuring device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. The three-dimensional measuring device according to the present invention is basically configured in the same manner as the three-dimensional measuring device according to the first embodiment, but the method for adjusting the amount of light of the irradiation optical system 172 is different.

図12は、本実施形態に係る三次元測定装置について説明するためのフローチャートである。本実施形態においては、測定に際してワーク5に照射光を照射し、撮像領域321に配置された撮像素子において投射光が受光されているか否かを確認し(ステップS301)、投射光が受光されている場合には、撮像装置173を測定モードに設定し(ステップS302)、照射光学系172から照射される投射光を点灯状態とする(ステップS303)。尚、測定モードにおいては、撮像装置173のROI(イメージセンサから画像を読み出す領域)のサイズが撮像領域321に制限され、フレームレートが高速に設定される。 FIG. 12 is a flowchart for explaining the three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment. In the present embodiment, the work 5 is irradiated with the irradiation light at the time of measurement, it is confirmed whether or not the projected light is received by the image pickup element arranged in the image pickup region 321 (step S301), and the projected light is received. If so, the image sensor 173 is set to the measurement mode (step S302), and the projected light emitted from the irradiation optical system 172 is turned on (step S303). In the measurement mode, the size of the ROI (region for reading an image from the image sensor) of the imaging device 173 is limited to the imaging region 321 and the frame rate is set at high speed.

撮像領域321に配置された撮像素子において投射光が受光されていない場合には、撮像装置173を観察モードに設定する。(ステップS304)。観察モードにおいては、撮像装置173のROIのサイズが最大(観察領域322)に設定され、フレームレートが測定モードにおけるフレームレートと比較して遅く設定される。 When the projected light is not received by the image sensor arranged in the image pickup area 321, the image pickup device 173 is set to the observation mode. (Step S304). In the observation mode, the size of the ROI of the image pickup apparatus 173 is set to the maximum (observation area 322), and the frame rate is set to be slower than the frame rate in the measurement mode.

次に、観察領域322に配置された撮像素子において投射光が受光されているか否かを確認し(ステップS305)、観察領域322に配置されたいずれかの撮像素子において投射光が受光されている場合には、撮像領域321と投射光が受光された撮像素子との距離(撮像装置173の受光面上の距離)に応じた周期で投射光を点滅状態とする(ステップS306)。例えば、投射光が撮像領域321に近いほど点滅の周期を短く、投射光を受光した撮像素子が撮像領域321から遠ざかる程点滅の周期を長くすることも可能であるし、その逆も可能であり、オペレータが視認し得る種々の態様に設定することが可能である。 Next, it is confirmed whether or not the projected light is received by the image sensor arranged in the observation area 322 (step S305), and the projected light is received by any of the image pickup elements arranged in the observation area 322. In this case, the projected light is made to blink at a cycle corresponding to the distance between the image pickup region 321 and the image sensor on which the projected light is received (distance on the light receiving surface of the image pickup device 173) (step S306). For example, the closer the projected light is to the imaging region 321 the shorter the blinking cycle, and the farther the image sensor that receives the projected light is from the imaging region 321 is the longer the blinking cycle, and vice versa. , It can be set in various modes that can be visually recognized by the operator.

観察領域322においても投射光が受光されていない場合には、照射光学系172から照射される投射光を一定の周期で点滅させる(ステップS307)。 If the projected light is not received even in the observation area 322, the projected light emitted from the irradiation optical system 172 is blinked at a constant cycle (step S307).

即ち、本実施形態に係る三次元測定装置においては、撮像領域321と投射光を受光した撮像素子との撮像面における距離によって、投射光の点滅の周期を調整する。従って、オペレータは投射光の点滅の周期に応じて、より容易に光学式プローブ17とワーク5との距離を調整することが可能となる。 That is, in the three-dimensional measuring apparatus according to the present embodiment, the blinking cycle of the projected light is adjusted by the distance between the image pickup region 321 and the image pickup device that has received the projected light on the image pickup surface. Therefore, the operator can more easily adjust the distance between the optical probe 17 and the work 5 according to the blinking cycle of the projected light.

尚、上記撮像範囲321に投射光が受光されている場合には、CMOSによる撮像を高速のフレームレートで行うことにより、好適な測定を行う事が可能である。また、通常、撮像範囲321外の撮像素子を測定に使用しない場合には、上記撮像範囲321に投射光が受光されておらず、観察範囲322に投射光が受光されている場合にフレームレートを低くしても測定に影響を及ぼさない。 When the projected light is received in the imaging range 321, it is possible to perform suitable measurement by performing CMOS imaging at a high frame rate. Further, normally, when an image sensor outside the imaging range 321 is not used for measurement, the frame rate is set when the projected light is not received in the imaging range 321 and the projected light is received in the observation range 322. Lowering it does not affect the measurement.

[第4実施形態]
次に、本発明の第4実施形態に係る三次元測定装置について説明する。上記各実施形態に係る三次元測定装置には、シャインプルーフ光学系が採用されていた。しかしながら、必ずしもシャインプルーフ光学系を採用する必要は無い。本実施形態においては、テレセントリック光学系を用いている。例えば図13に示す通り、CMOSイメージセンサ1732又はCCDイメージセンサの撮像面S1′及びレンズ1731b′の主点を含む主平面S2′を平行に配置してなる撮像装置173′と、撮像装置173′の視野範囲(より好ましくは、撮像領域321に配置された受光素子の視野範囲)であって、且つレンズ173b′の合焦範囲である領域を通る平面S3′に沿って照射光を照射する様な照射光学系172′を採用することも可能である。尚、当該光学系を採用する場合、ワーク5表面に投射された投射光に焦点を合わせるために、図13におけるレンズ1731b′の焦点深度は、図4におけるレンズ1731bの焦点深度よりも大きくする事が考えられる。当該構成を用いた場合にも、三角測量の原理によって好適に三次元測定を行う事が可能である。
[Fourth Embodiment]
Next, the three-dimensional measuring device according to the fourth embodiment of the present invention will be described. A Scheimpflug optical system has been adopted for the three-dimensional measuring apparatus according to each of the above embodiments. However, it is not always necessary to adopt the Scheimpflug optical system. In this embodiment, a telecentric optical system is used. For example, as shown in FIG. 13, an image pickup device 173'a and an image pickup device 173' formed by arranging the main plane S2'including the main points of the image pickup surface S1'and the lens 1731b' of the CMOS image sensor 1732 or the CCD image sensor in parallel. (More preferably, the visual field range of the light receiving element arranged in the imaging region 321), and the irradiation light is irradiated along the plane S3'passing through the region which is the focusing range of the lens 173b'. It is also possible to adopt an irradiation optical system 172'. When the optical system is adopted, the depth of focus of the lens 1731b'in FIG. 13 should be larger than the depth of focus of the lens 1731b in FIG. 4 in order to focus on the projected light projected on the surface of the work 5. Can be considered. Even when this configuration is used, it is possible to preferably perform three-dimensional measurement by the principle of triangulation.

[その他の実施形態]
上記各実施形態において、撮像装置173はCMOSイメージセンサを使用していたが、CCDイメージセンサ等、他の撮像装置を採用することも可能である。また、第2実施形態における第2の操作モードと第1の操作モードとを併用することも可能である。この場合には、例えば照射光学系172の出力が最大であり、且つ全ての撮像素子について受光量が閾値以下であった場合に光学式プローブ17とワーク5の距離が不適切であると判定して照射光を点滅させることも考えられる。更に、例えば三次元測定装置が光学式プローブ17の位置を認識し得る他の構成(カメラ、センサ等)を有する場合には、当該他の構成によって光学式プローブ17とワーク5との距離を認識させることも可能である。
[Other Embodiments]
In each of the above embodiments, the imaging device 173 uses a CMOS image sensor, but other imaging devices such as a CCD image sensor can also be adopted. It is also possible to use the second operation mode and the first operation mode in the second embodiment together. In this case, for example, when the output of the irradiation optical system 172 is maximum and the amount of light received is equal to or less than the threshold value for all the image pickup elements, it is determined that the distance between the optical probe 17 and the work 5 is inappropriate. It is also conceivable to blink the irradiation light. Further, for example, when the three-dimensional measuring device has another configuration (camera, sensor, etc.) capable of recognizing the position of the optical probe 17, the distance between the optical probe 17 and the work 5 is recognized by the other configuration. It is also possible to let it.

更に、上記各実施形態においては、定盤11上にワーク5を配置し、アーム支持体12a,12b、X軸ガイド13、Y軸駆動機構14、Z軸ガイド15及びZ軸アーム16等によって光学式プローブ17の位置制御行っている。しかしながら、本発明はこのような態様に限られるものではなく、例えば多関節アームやロボットアーム等の先端に光学式プローブ17を取り付けてなる三次元測定装置や、光学式プローブ17の位置をカメラ等の他の構成によって取得する様な三次元測定装置等、三角測量法を用いて光学式プローブ17とワーク5との位置を取得する三次元沿測定装置であれば、種々の態様に適用可能である。 Further, in each of the above embodiments, the work 5 is arranged on the surface plate 11 and is optically operated by the arm supports 12a and 12b, the X-axis guide 13, the Y-axis drive mechanism 14, the Z-axis guide 15 and the Z-axis arm 16. The position of the formula probe 17 is controlled. However, the present invention is not limited to such an embodiment, for example, a three-dimensional measuring device in which an optical probe 17 is attached to the tip of an articulated arm, a robot arm, or the like, or a camera or the like that positions the optical probe 17. It can be applied to various aspects as long as it is a three-dimensional measuring device that acquires the positions of the optical probe 17 and the work 5 by using a triangulation method, such as a three-dimensional measuring device that is acquired by another configuration. is there.

また、上記各実施形態においては、光源から照射された光を、シリンドリカルレンズ等によって広げ、これによって所定の平面S3に沿った照射光を発生させているが、所定の平面S3に沿った照射光は、例えば光源からの光を走査ミラー(ガルバノミラー、ポリゴンミラー等)によって走査することによって生成することも可能である。尚、走査ミラーによって所定の平面S3に沿った照射光を生成する場合であって、且つ撮像装置173としてCMOSイメージセンサを採用する場合には、照射光の走査の周期とCMOSイメージセンサの撮像の周期とを同期させることが考えられる。 Further, in each of the above embodiments, the light emitted from the light source is spread by a cylindrical lens or the like to generate the irradiation light along the predetermined plane S3, but the irradiation light along the predetermined plane S3 is generated. Can also be generated, for example, by scanning the light from a light source with a scanning mirror (galvano mirror, polygon mirror, etc.). In the case where the scanning mirror generates the irradiation light along the predetermined plane S3 and the CMOS image sensor is adopted as the image pickup apparatus 173, the scanning cycle of the irradiation light and the imaging of the CMOS image sensor are performed. It is conceivable to synchronize with the cycle.

1…三次元測定装置、2…駆動制御装置、3…操作盤、4…ホストシステム、10…除振台、11…定盤、12a,b…アーム支持体、13…X軸ガイド、14…Y軸駆動機構、15…Z軸ガイド、16…Z軸アーム、17…光学式プローブ、171…筐体、172…照射光学系、173…撮像装置、174…制御回路、321…撮像領域、322…観察領域、1721…レーザ光源、1723…ビームエキスパンダ、1724…光量制御部、1731…光学系、1732…CMOSイメージセンサ、1741…CPU、1742…プログラム記憶部、1743…ワークメモリ、1744…多値画像メモリ、1731a…バンドパスフィルタ、1731b…レンズ。 1 ... 3D measuring device, 2 ... Drive control device, 3 ... Operation panel, 4 ... Host system, 10 ... Vibration isolation table, 11 ... Plate, 12a, b ... Arm support, 13 ... X-axis guide, 14 ... Y-axis drive mechanism, 15 ... Z-axis guide, 16 ... Z-axis arm, 17 ... optical probe, 171 ... housing, 172 ... irradiation optical system, 173 ... imaging device, 174 ... control circuit, 321 ... imaging area, 322 ... Observation area, 1721 ... Laser light source, 1723 ... Beam expander, 1724 ... Light amount control unit, 1731 ... Optical system, 1732 ... CMOS image sensor, 1741 ... CPU, 1742 ... Program storage unit, 1743 ... Work memory, 1744 ... Many Value image memory, 1731a ... bandpass filter, 1731b ... lens.

Claims (6)

非接触式のプローブによってワークの表面を走査することにより、このワークの表面形状を測定する三次元測定装置であって、
前記プローブは、
前記ワークに所定の平面に沿った照射光を照射する照射光学系と、
撮像面に配置された複数の撮像素子を有し、前記所定の平面上とは異なる位置から前記ワークを撮像する撮像装置と、
前記撮像装置の出力信号に応じて前記照射光学系を制御する制御部と
前記照射光学系及び前記撮像装置を収容する筐体と
を備え、
前記制御部は、
前記撮像面上の所定の撮像領域に配置された撮像素子が前記照射光学系からの照射光によって前記ワークの表面に投射された投射光を検出したかどうかを判別するステップと、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出している場合には前記照射光学系から照射される照射光を点灯させると共に前記ワークを測定するステップと、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には前記照射光学系から照射される照射光を所定の周期で点滅させるステップと
を繰り返し行う
ことを特徴とする三次元測定装置。
A three-dimensional measuring device that measures the surface shape of a work by scanning the surface of the work with a non-contact probe.
The probe
An irradiation optical system that irradiates the work with irradiation light along a predetermined plane,
An image pickup device that has a plurality of image pickup elements arranged on an image pickup surface and images the work from a position different from that on a predetermined plane.
A control unit for controlling the illumination optical system in accordance with an output signal of said imaging device,
The irradiation optical system and the housing for accommodating the imaging device are provided.
The control unit
A step of determining whether or not an image sensor arranged in a predetermined image pickup region on the image pickup surface has detected the projected light projected on the surface of the work by the irradiation light from the irradiation optical system.
When the image pickup element arranged in the image pickup region detects the projected light, the step of turning on the irradiation light emitted from the irradiation optical system and measuring the work.
When the image pickup device arranged in the image pickup region does not detect the projected light, the step of blinking the irradiation light emitted from the irradiation optical system at a predetermined cycle is repeated. measuring device.
前記制御部は、
前記撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在する場合には前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していると判別し、
前記撮像領域内に配置された撮像素子のうち、受光量が閾値を上回っている撮像素子が存在しない場合には前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していないと判別する
ことを特徴とする請求項1記載の三次元測定装置。
The control unit
When there is an image sensor whose light receiving amount exceeds the threshold value among the image sensors arranged in the image pickup region, it is determined that the image sensor arranged in the image pickup region detects the projected light. ,
If there is no image sensor whose light receiving amount exceeds the threshold value among the image sensors arranged in the image pickup area, it is determined that the image sensor arranged in the image pickup area does not detect the projected light. The three-dimensional measuring device according to claim 1, wherein the three-dimensional measuring device is characterized.
前記制御部は、
前記撮像面上の所定の撮像領域よりも広い所定の観察領域において前記投射光を検出した撮像素子の位置によって、前記プローブと前記ワークとの距離を検出し、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には前記照射光学系から照射される照射光を前記検出された距離に応じた周期で点滅させる
ことを特徴とする請求項1又は2記載の三次元測定装置。
The control unit
The distance between the probe and the work is detected by the position of the image sensor that detects the projected light in a predetermined observation region wider than the predetermined imaging region on the imaging surface.
When the image pickup device arranged in the image pickup region does not detect the projected light, the irradiation light emitted from the irradiation optical system is blinked at a cycle corresponding to the detected distance. Item 3. The three-dimensional measuring device according to item 1 or 2.
前記撮像素子の前記撮像面には、前記所定の撮像領域よりも広い観察領域が設けられ、
前記制御部は、前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には、前記投射光を検出した前記観察領域中の前記撮像素子から前記撮像領域までの距離を取得し、この距離に応じた周期で前記照射光学系から照射される照射光を点滅させる
ことを特徴とする請求項1又は2記載の三次元測定装置。
An observation area wider than the predetermined image pickup area is provided on the image pickup surface of the image pickup device.
When the image sensor arranged in the image pickup region does not detect the projected light, the control unit acquires the distance from the image sensor in the observation area where the projected light is detected to the image pickup region. The three-dimensional measuring device according to claim 1 or 2, wherein the irradiation light emitted from the irradiation optical system is blinked at a cycle corresponding to this distance.
前記撮像素子の前記撮像面には、前記所定の撮像領域よりも広い観察領域が設けられ、
前記制御部は、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出している場合には前記所定の撮像領域から画像を読み出し、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には前記観察領域から画像を読み出す
ことを特徴とする請求項1又は2記載の三次元測定装置。
An observation area wider than the predetermined image pickup area is provided on the image pickup surface of the image pickup device.
The control unit
When the image sensor arranged in the image pickup area detects the projected light, the image is read out from the predetermined image pickup area.
The three-dimensional measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein when the image pickup device arranged in the image pickup region does not detect the projected light, an image is read out from the observation region.
前記制御部は、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出している場合には前記撮像装置のフレームレートを第1のフレームレートに設定し、
前記撮像領域に配置された撮像素子が前記投射光を検出していない場合には前記撮像装置のフレームレートを前記第1のフレームレートよりも遅い第2のフレームレートに設定する
ことを特徴とする請求項5記載の三次元測定装置。
The control unit
When the image pickup device arranged in the image pickup region detects the projected light, the frame rate of the image pickup device is set to the first frame rate.
When the image sensor arranged in the image pickup region does not detect the projected light, the frame rate of the image pickup device is set to a second frame rate slower than the first frame rate. The three-dimensional measuring device according to claim 5.
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