JP2003279333A - 形状計測装置、外観検査装置、寸法検査装置、体積検査装置および変位・変形計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡便に、高精度に、非接触で測定できる形状
計測装置、外観検査装置、寸法検査装置、体積検査装置
および変位・変形計測装置を提供すること。 【解決手段】 被形状計測対象物にレーザー走査装置１
からパルスレーザー光を照射、走査して発生する被形状
計測対象物からの反射光を受光し光電変換して反射点デ
ータ収集手段２により反射点データを収集する。この反
射点データをポリゴン処理３して３次元形状データ生成
手段４で３次元形状データを生成し、予め定められた標
準の３次元ＣＡＤデータとを重ね合わせて合成して、ず
れ量を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、形状計測装置、外
観検査装置、寸法検査装置、体積検査装置および変位・
変形計測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】 製造された機器・設備類又は据付けら
れた構造物類の形状は、製造・建設・据付け作業（施
工）技術により、設計図面と比較して製造又は据付け施
工誤差が生じることが多い。さらに、プラントなどの運
転中、高温蒸気や高温溶融物などの搬送路となる配管
は、搬送物の温度差により膨張率が変化し、この膨張率
の変化に応じて配管の大きさが変化する。この配管の温
度差による膨張率の変化は、配管が金属であれば金属疲
労を呈し、事故の発生原因となる。これらの誤差や大き
さの変化は、現状、設計段階で規定されている許容値以
内に納まっていることの確認および検証が必要である。
従来この確認および検証作業は、人間系での手作業によ
る寸法計測であった。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、製造又は
据付け施工誤差やプラントなどの運転中、配管などの大
きさの変化は、人間系での作業であったため、多大な時
間を要し、部材形状により計測が困難なものも存在し、
広範囲に渉って高精度で測定することが困難であり、正
確な３次元座標値を取得するのは困難であった。製造又
は据付け施工者やプラント管理者からは、簡便に、高精
度に、非接触で測定できる計測、検査装置が望まれてい
た。

【０００４】本発明は、かかる従来の問題を解決すべく
なされたもので、簡便に、高精度に、非接触で測定でき
る形状計測装置、外観検査装置、寸法検査装置、体積検
査装置および変位・変形計測装置を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段は、対象物にレーザー光を照射し、反射光から作
成された３次元的形状データ又は３次元ＣＡＤデータと
予め定められた標準のデータとを重畳して合成すること
により、対象物と標準データとのずれ量を出力する装置
にある。

【０００６】上記目的を達成するため、次の構成からな
る形状計測装置、外観検査装置、寸法検査装置、体積検
査装置および変位・変形計測装置を提供するものであ
る。

【０００７】即ち、請求項１の形状計測装置は、被形状
計測対象物に反射ビームが干渉する照射ビームを照射す
る照射ビーム照射手段と、前記照射ビームに照射され前
記被形状計測対象物からの反射ビームを電気信号に変換
して反射点データを収集する反射点データ収集手段と、
前記反射点データをポリゴン処理して３次元形状データ
を生成する３次元形状データ生成手段と、前記３次元形
状データと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータと
を重ね合わせて合成する合成手段とを具備してなること
を特徴とする。

【０００８】請求項１の発明によれば、被形状計測対象
物に反射ビームが干渉する照射ビームを照射し、前記被
形状計測対象物からの反射点データをポリゴン処理して
得られた３次元形状データと予め定められた標準の３次
元ＣＡＤデータとを重ね合わせて合成するので、簡便
に、高精度に、非接触で計測することができる。請求項
２の形状計測装置は、被形状計測対象物にレーザー光を
照射するレーザー光照射手段と、前記レーザー光に照射
され前記被形状計測対象物からの反射光を受光し光電変
換して反射点データを収集する反射点データ収集手段
と、前記反射点データをポリゴン処理して３次元形状デ
ータを生成する３次元形状データ生成手段と、前記３次
元形状データと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデー
タとを重ね合わせて合成する合成手段とを具備してなる
ことを特徴とする。

【０００９】請求項２の発明によれば、被形状計測対象
物にパルスレーザー光を照射し、前記被形状計測対象物
からの反射光データをポリゴン処理して得られた３次元
形状データと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータ
とを重ね合わせて合成するので、簡便に、高精度に、非
接触で計測することができる。

【００１０】請求項３の外観検査装置は、被検査対象物
にパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光照射手
段と、前記パルスレーザー光に照射され前記被検査対象
物からの反射光を受光し光電変換して反射点データを収
集する反射点データ収集手段と、前記反射点データをポ
リゴン処理して３次元的形状データを生成する３次元的
形状データ生成手段と、前記３次元的形状データと予め
定められた標準の３次元的ＣＡＤデータとを重ね合わせ
て合成し形状の相違データを生成する形状相違データ生
成手段とを具備してなることを特徴とする。

【００１１】請求項３の発明によれば、被検査対象物に
パルスレーザー光を照射し、前記被検査対象物からの干
渉光データをポリゴン処理して得られた３次元形状デー
タと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータとを重ね
合わせて合成するので、簡便に、高精度に、非接触で計
測することができる。

【００１２】請求項４の寸法検査装置は、被検査対象物
にパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光照射手
段と、前記パルスレーザー光に照射され前記被検査対象
物からの反射光を受光し光電変換して反射点データを収
集する反射点データ収集手段と、前記反射点データをポ
リゴン処理して３次元形状データを生成する３次元形状
データ生成手段と、前記３次元形状データから演算処理
して３次元ＣＡＤデータを生成する３次元ＣＡＤデータ
生成手段と、前記３次元ＣＡＤデータから予め定められ
た２点間の距離データを算出する距離データ算出手段
と、前記２点間の距離データと予め定められた標準の３
次元ＣＡＤデータの２点間の距離データとを重ね合わせ
て合成する合成手段とを具備してなることを特徴とす
る。

【００１３】請求項４の発明によれば、前記３次元ＣＡ
Ｄデータから予め定められた２点間の距離データを算出
する距離データ算出手段と、前記２点間の距離データと
前記予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータの２点間
の距離データとを重ね合わせて合成するので、簡便に、
高精度に、非接触で計測することができる。

【００１４】請求項５の体積検査装置は、被検査対象物
にパルスレーザー光を照射するパルスレーザー光照射手
段と、前記パルスレーザー光に照射され前記被検査対象
物からの反射光を受光し光電変換して反射点データを収
集する反射点データ収集手段と、前記反射点データをポ
リゴン処理して３次元形状データを生成する３次元形状
データ生成手段と、前記３次元形状データから演算処理
して３次元ＣＡＤデータを生成する３次元ＣＡＤデータ
生成手段と、前記３次元ＣＡＤデータから予め定められ
た前記被検査対象物の体積データを算出する体積データ
算出手段と、前記体積データと予め定められた標準の３
次元ＣＡＤデータから求めた体積データとを合成する合
成手段とを具備してなることを特徴とする。

【００１５】請求項５の発明によれば、前記３次元ＣＡ
Ｄデータから予め定められた前記被検査対象物の体積デ
ータを算出する体積データ算出手段と、前記体積データ
と予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータから求めた
体積データとを合成するので、簡便に、高精度に、非接
触で計測することができる。

【００１６】請求項６の変位・変形計測装置は、被計測
対象物にレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
前記レーザー光に照射され前記被計測対象物からの反射
光を受光し光電変換して反射点データを収集する反射点
データ収集手段と、前記反射点データを演算処理して対
象物のホログラムを生成する対象物のホログラム生成手
段と、前記対象物のホログラムと予め定められた標準の
対象物のホログラムとを重ね合わせて合成する合成手段
と、前記対象物のホログラムの波面と予め定められた標
準の対象物のホログラムの波面とを干渉させる波面干渉
手段とを具備してなることを特徴とする。

【００１７】請求項６の発明によれば、対象物のホログ
ラムと予め定められた標準の対象物のホログラムとを重
ね合わせて合成し、対象物のホログラムの波面と予め定
められた標準の対象物のホログラムの波面とを干渉させ
て生ずる干渉縞により計測できるので、常時発生する配
管の変形や振動状態でのずれ量（変位量、振動値（変
位））を自動的にリアルタイムで把握することができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】次に、本発明の形状計測装置、外
観検査装置、寸法検査装置の実施形態を図１、図２を参
照して説明する。図１は、形状計測装置（外観検査装
置）を説明するための構成図である。図２は、寸法検査
装置を説明するための構成図である。

【００１９】形状計測装置および外観検査装置は、同様
な実施例装置、同様なプロセスで構成されているので纏
めて説明する。寸法検査装置は、形状計測装置および外
観検査装置の３次元的形状データ生成手段のプロセスま
で同様なプロセスであるため、同一符号を付与し、関連
付けて説明する。

【００２０】この実施形態は、既存の一般機器・構造物
等設備の形状を反射ビームが干渉する照射ビーム例えば
レーザー走査装置（レーザースキャニング装置）を用い
てレーザーの特性により生成された各反射点（点群）デ
ータを収集する。この各反射点（点群）データは、各レ
ーザー光照射後、反射光を受光するまでの期間を計測し
て、ポリゴン（点の濃淡）データを生成する。即ち、こ
の各反射点（点群）データは、ポリゴン処理されて３次
元的形状データが作成される。この作成された３次元的
形状データは、専用ＣＡＤデータ作成ソフトにより演算
処理されて汎用ＣＡＤで使える３次元ＣＡＤデータが作
成される。

【００２１】この作成された３次元ＣＡＤデータは、計
画値（設計値）段階で作成した標準の３次元ＣＡＤデー
タと合成することにより実在する構造物と計画段階間で
の生じた誤差（変位量）、寸法や大きさの変化等を形状
計測、外観・寸法・体積を検査することができる。即
ち、この装置は、レーザーの特性を生かした計測技術を
応用して検証することができる。

【００２２】次に、形状計測装置（外観検査装置）につ
いて図１を参照して説明する。形状計測装置（外観検査
装置）は、パルスレーザー光照射装置１と、反射点デー
タ収集装置２と、ポリゴン処理３と、３次元形状データ
生成手段４と、合成手段５、予め定められた標準の３次
元ＣＡＤデータ（計画値）６と、３次元座標測量手段７
とからなる。

【００２３】パルスレーザー光照射装置１は、レーザー
光発振器から被形状計測対象物（被外観検査対象物）に
パルスレーザー光を照射し、走査する。反射点データ収
集装置２は、パルスレーザー光に照射された前記被形状
計測対象物（被外観検査対象物）からの反射光を受光し
光電変換して反射点データを収集する。この各反射点
（点群）データは、各レーザー光照射後、反射光を受光
するまでの期間を計測して、ポリゴン（点の濃淡）デー
タを生成する。即ち、３次元的形状データ生成手段４
は、反射点データをポリゴン処理３して３次元的形状デ
ータを生成する。合成手段５は、３次元的形状データと
予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータ（計画値）６
とを重ね合わせて合成演算する。

【００２４】この合成手段５の結果、３次元的形状デー
タと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータ（計画
値）６とが、一致していれば形状（外観）が計画値通り
と判定する。

【００２５】この合成手段５の結果、３次元的形状デー
タと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータ（計画
値）６とが、相違していれば形状（外観）の誤差を算出
し、許容値以内であれば良品であり、許容値以外であれ
ば不良品と判定する。

【００２６】次に、寸法検査装置について図２を参照し
て説明する。寸法検査装置は、パルスレーザー光照射装
置１と、反射点データ収集装置２と、ポリゴン処理３
と、３次元的形状データ生成手段４と、３次元座標測量
手段１５と、ＣＡＤデータ作成のソフト処理手段１６
と、３次元的ＣＡＤデータ作成手段１７と、３次元座標
データ算出手段１８と、合成手段１９、予め定められた
標準の３次元ＣＡＤデータ（計画値）２０とからなる。

【００２７】パルスレーザー光照射装置１は、レーザー
装置から被寸法検査対象物にパルスレーザー光を照射す
る。反射点データ収集装置２は、パルスレーザー光に照
射された前記被寸法検査対象物からの反射光を受光し、
光電変換して反射点データを収集する。この各反射点
（点群）データは、各レーザー光照射後、反射光を受光
するまでの期間を計測して、ポリゴン（点の濃淡）デー
タを生成する。即ち、３次元的形状データ生成手段４
は、反射点データをポリゴン処理３して３次元的形状デ
ータを生成する。

【００２８】３次元的ＣＡＤデータ作成手段１７は、３
次元的形状データをＣＡＤデータ作成のソフト処理１６
することにより３次元的ＣＡＤデータを作成する。３次
元座標データ算出手段１８は、３次元ＣＡＤデータから
３次元座標での予め定められた２点間の距離データを算
出する。

【００２９】合成手段１９は、２点間の距離データと予
め定められた標準の３次元ＣＡＤデータ２０の２点間の
距離データ（計画値）とを重ね合わせて合成する。この
合成手段５の結果、２点間の距離データと予め定められ
た標準の３次元ＣＡＤデータ２０の２点間の距離データ
（計画値）とが、一致していれば寸法が計画値通りと判
定する。

【００３０】この合成手段５の結果、２点間の距離デー
タと予め定められた標準の３次元ＣＡＤデータ２０の２
点間の距離データ（計画値）とが、相違していれば寸法
の製造誤差を算出し、許容値以内であれば良品であり、
許容値以外であれば不良品と判定する。

【００３１】次に、パルスレーザー光照射装置１の実施
例に関し図３を参照して説明する。まず、この実施例の
レーザー光線の特性について述べる。レーザー光は、時
間的、空間的コヒーレント（干渉性）が極めて高く、連
波が非常に長く、波長幅が極めて狭いことからかなり長
い伝達距離にわたって規則性が保たれている。レーザー
光は、極めて平行性の高い光束を発射するので、これを
レンズで集光すると小さい光のスポツトとなり、ほぼ点
光源を実現する。レーザー計測およびレーザー走査によ
るイメージセンシングはこれらの特性を利用するもの
で、主に反射性が高い特性を利用し各々反射した点を利
用する。３次元ＣＡＤデータは、これら反射点の集合体
をＣＡＤデータ作成ソフトによる演算処理をすることに
より作成される。

【００３２】レーザーによる距離計測の基本的原理は、
対象物に対し照射されるレーザー光が一般に干渉現象を
起こしやすい光であるため、対象物からの反射光を受光
し、この反射光の２点間の往復する時間を測定して、そ
の時間から距離を算出するものである。また、レーザー
スキヤニング装置（レーザー走査装置）は、細かいパル
ス波レーザー光で所定の空間を走査することにより、対
象物からの反射光を受光して対象物の画像（干渉点／反
射率）データ（点の濃淡）を得るものである。この画像
（干渉点／反射率）データから物体までの距離は、算出
される。

【００３３】この得られた画像データは、個々の３次元
座標値を有している。なお、パルス波レーザー光は、光
エネルギーの波高値が大きいので反射鏡を用いなくて
も、対象物からの反射光を受光し、光電変換して検出す
ることによりＳＮ比のよい信号が得られ連続発信性が優
れている特徴がある。この実施例ではパルスレーザー光
を用いるため半導体レーザーを適用する。半導体レーザ
ーは、素子が小型で、電流の変調によって直接光変調が
行えること、消費電力が小さいことなどのため、光情報
処理、光通信、計測などの分野で適用されている。な
お、パルスレーザー光に替わるレーザー波としてはＦＭ
ＣＷ方式（周波数変調連続波レーダ）、三角測量方式な
どがあり、これら方式の原理も適用可能である。

【００３４】次に図３を参照してレーザー走査装置の内
部構造について説明する。このレーザー走査装置は通
常、照準２５、送信部２６、受信部２７の３つの光学チ
ヤンネルを有する。照準２５はレーザー光を対象物に対
して照射するためのもので通常は人間系にて定めるもの
である。送信部２６はレーザー光をパルス状に発信する
発信口であり、受信２はレーザー光が対象物で反射し、
その反射光を受信（受光）する受信口である。

【００３５】送信部２６には、レーザー発振器２８から
パルス状レーザー光を出射させるために電源２９、計測
開始スイッチ３０、コンデンサ３１の直列接続回路が設
けられている。計測開始スイッチ３０がオンされ、電源
２９がコンデンサ３１に接続されることによりコンデン
サ３１に充電された電圧は、フラッシュランプ３２に印
加され、フラッシュランプ３２が瞬時に発光する。この
フラッシュランプ３２が発光したときレーザー発振器２
８がポンピングされて、発振したレーザー光は、レンズ
などの光学系３３を介して送信される。レーザー発振器
２８からレーザー光が発信したときを検出するためにフ
ォトダイオード３４が設けられている。

【００３６】受信部２７は、対象物からの反射光を受信
（受光）する。受光した反射光は、レンズなどからなる
受信光学系３７、ゲート３８例えばシャッターを介して
光電変換素子からなる検出器３９に結像される。ゲート
３８には、レーザー光を発信したタイミングで出力する
フォトダイオード３４からスタートパルスが供給されて
いる。ゲート３８は、スタートパルスのタイミングで開
き、反射光を通過させる。

【００３７】検出器３９には、クロックパルス発振器４
０からクロックパルスが供給されている。検出器３９の
出力には、カウンタ４１を介して表示部４２が接続さ
れ、表示部４２から反射点データ４３、反射光データ４
４が出力される構成になっている。

【００３８】次に、レーザー光の送信部２６から受信部
２７までの手順を説明する。計測開始スイッチ３０が０
Ｎになるとコンデンサー３１は、電源２９から充電を始
め、所定の電圧に達するとフラッシユランプ３２が発光
する。遅れてコンデンサー３１内にあるスイッチ（Ｑス
イッチ）が作動し巨大なパルス状のレーザーがレーザー
発信器２８の内部で発生する。このパルス状のレーザー
はレンズやミラー等で構成された送信用の光学系３３か
ら対象物に向かって照射され、対象物から干渉光および
反射光が発生する。

【００３９】その一方で、レーザー発振器２８からのパ
ルス状のレーザーは、ハーフミラーなどで分岐され発振
信号としてフオトダイオード３４により電気信号に変換
され、フオトダイオード３４の出力が、スタートパルス
としてゲート３８を開く。ゲート３８が、スタートパル
スが到来したときのみ開くのは、反射光の信号対雑音比
を良くするためである。カウンタ４１は、対象物からの
反射光を受光した距離、座標および反射率等のデータの
各値を算出するものである。

【００４０】即ち、対象物によって反射された反射光
は、受信部２７から受信光学系３７によって収集受光さ
れ、この電気信号から背景雑音を除くために狭帯域フィ
ルターを通じ検出器３９に入力される。この検出器３９
は、光電変換素子であり、光電変換されてパルス状の電
気信号を出力する。この受信したパルス状の電気信号は
増幅され、立ち下がり時をストップパルスとしてゲート
３８を閉じる。ゲート３８の開閉時間内に計数、測定さ
れたクロックパルス発振器４０からのクロックパルスの
数が距離（３次元座標値）として表示部４２に表示され
る。表示部４２には、受信した反射点データ４３、反射
率データ４４も同様にメモリに保存される。

【００４１】次に、パルス状のレーザー光を対象物に向
けて照射し、対象物からの干渉光および反射光を受光す
る光学系について図４を参照して説明する。図４は図３
にて説明した送受信光学系の走査機構の実施例について
説明したものである。図３と同一部分については、同一
符号を付与し、その詳細な説明を省略する。レーザー発
振器２８からのパルスレーザー光Ｓは、レンズ５１を介
して回転式ポリゴンミラー５２で反射され、対象物５３
に向けて発信（照射）される。回転式ポリゴンミラー５
２は、回転式のため、回転軸５４を軸として任意の角度
に回転角を設定することが可能であり、連続回転させる
ことにより広角でのレーザー発信が可能となる。また、
対象物５３の受光面で干渉し反射光Ｒは、図３に示す受
信部２７により受信され処理装置内でデータ処理され
る。回転軸５４の回転角は、例えば３０度〜３６０度で
ある。

【００４２】回転式ポリゴンミラー５２の他の実施例
を、図５を参照して説明る。図４と対比して図５により
説明する。図４のレーザー発振器２８は、図５で半導体
レーザー５７であり、図４の回転式ポリゴンミラー５２
は、図５で回転プリズム５８であり、この回転プリズム
５８の回転によるレーザー光Ｓの走査状態は矢印５９で
示めされている。

【００４３】次に、図１、図２に示す反射点データ収集
装置２について図６、図７を参照して説明する。図１〜
図５と同一部分については、同一符号を付与し、その詳
細な説明を省略する。

【００４４】図６はパルスレーザー光照射装置１からの
パルス状のレーザー光Ｓにより照射された対象物５３上
のレーザー反射点（点群）６１をＸ印で示した図であ
る。図中に示す×印の反射点（点群）６１は、レーザ一
光Ｓが入射した位置であり、対象物５３上で反射した点
を意味している。これら反射点（点群）６１からの反射
光は、受光され、表示部にパルスレーザー光照射装置１
内に設定されたレーザー光Ｓの走査基準点（Ｘ＝０，Ｙ
＝０，Ｚ＝０）を軸とした固有の座標値で表示される。
即ち、この表示部には、上記反射点（点群）６１が上記
固有の座標値で表示される。同様にパルスレーザー光が
入射して照射された対象物５３の被照射点群は、光の反
射強度も各反射点に重畳して記録された点群のデータで
ある。

【００４５】３次元座標測量手段１５は、次のとおりで
ある。レーザー光Ｓの走査基準点（Ｘ＝０，Ｙ＝０，Ｚ
＝０）データは、対象物５３表面のレーザー光Ｓによる
走査範囲内に図７に示すマーカ６２ａ、６２ｂを設置例
えば貼って置き、レーザー光Ｓを走査させることによ
り、３次元座標基準点データとして得ることができる。
図７に示すマーカ６２を設置する目的は、３次元座標の
精度を高めるものである。このときのレーザー光Ｓの照
射角は、図６にαで示されている。目的に応じてマーカ
６２の設置は、不要である。

【００４６】３次元座標基準点として設定する基準点
（マーカ）は、対象物５３の健全性を評価をするため
に、図７に示すマーカをＸ、Ｙ、Ｚ軸に各１個で３個以
上設けることが望ましい。３次元座標値は、図７に示す
３次元座標基準点の３次元座標値を光波式又はレーザー
計測装置等（セオドライト又はトータルステーション）
により測量を行い取得する。マーカ６２ａ、６２ｂのパ
ターン例は、図７に（ａ）、（ｂ）２種図示されている
が、０点を示すパターンであればその他多種存在する。
図７において、黒色で塗られる部分は、斜線で示されて
いる。

【００４７】次に、ポリゴン処理による３次元的形状デ
ータの作成について、図８、図９を参照して説明する。
図８は、図６の対象物５３上で反射した各反射点６１の
データがポリゴン処理されて得られた３次元的形状デー
タ（点の濃淡）のイメージ図６５を示したものである。
レーザーが対象物５３に照射され生成された反射点群
は、ポリゴン処理されることにより点の濃淡となり多面
体として面６６が貼られ、３次元的な形状を持つ画像と
なる。この３次元的な形状を持つ画像は、３次元的形状
データである。図９は図６の反射点の集合体からポリゴ
ン処理されて面６６が貼られている状態を対象物５３の
イメージ上に重ねて示している。

【００４８】次に、合成手段について、図１０を参照し
て説明する。図１０は形状計測、外観検査状態を示すイ
メージ図である。このイメージ図は、レーザー光を照射
することにより生成された３次元的形状データ（ポリゴ
ン処埋されたデータ）７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ
と計画段階で作成済の標準の３次元ＣＡＤデータ（計画
値）７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄ、を合成した状態
を示す図である。３次元的形状データ７１と計画段階で
作成済の標準の３次元ＣＡＤデータ７２の合成は、標準
の３次元ＣＡＤデータ７２のデータに３次元的形状デー
タ７１を読み込むことにより行われ図１０に示すような
２枚の画像が重畳された状態の画像となる。図１０は、
計画段階で作成済みの３次元的形状データ７１と製造・
据付けベース間との差（Δ値）を可視状態で示す。

【００４９】理想状態では、一般構造物の計画値と製造
後の形状寸法は一致すべきものであるが、製造過程又は
工事の精度により若干の誤差が生ずることが多い。外観
検査装置は計画段階のデータ（計画値）と製造後のデー
タを合成し、画面上に表示して可視状態で誤差を確認す
ることができる。製造誤差が発生した部分７１ａ、７１
ｂ、７１ｃ、７１ｄの直線をカラー表示することもでき
る。ずれた部分即ち、ずれ量７３の面積は、求めること
ができる。

【００５０】これら誤差、ずれ量７３の許容量は、標準
辞書データとしてメモリに記憶しておき、検査時、計測
時に都度読出し、許容量内か、外かを確認し、評価する
ことができる。このようにして対象物の形状計測、外観
検査を行うことができる。

【００５１】次に、寸法検査について図１１を参照して
説明する。図１〜図１０と同一部分については、同一符
号を付与しその詳細な説明を省略する。上記実施形態の
形状計測、外観検査の図１、図２において３次元的形状
データ生成手段４までのプロセスは同一なので、次のプ
ロセスから説明する。

【００５２】図２に示す３次元的形状データ生成手段４
で生成された３次元的形状データは、３次元ＣＡＤデー
タ作成手段１７でＣＡＤデータ作成のソフト処理手段１
６されて３次元ＣＡＤデータが作成される。

【００５３】この３次元ＣＡＤデータが図１１に示めす
３次元ＣＡＤデータ７５として入力される。この３次元
ＣＡＤデータ７５と、計画段階で作成された標準の３次
元ＣＡＤデータ２０とは、合成手段１９に入力されて合
成演算され寸法が検査される。この合成演算した結果
は、各々任意の３次元座標値の算出が可能であり、寸法
確認したい評価位置の寸法検査が可能である。

【００５４】寸法検査の実施例は、対象物として有底筒
状容器７７の例が図１１に示されている。容器（対象
物）７７に対してレーザー走査法にて採取され標準の３
次元ＣＡＤデータ（計画値）２０と、製造された容器７
８に対してレーザー走査法にて採取された３次元ＣＡＤ
データ７５とを重畳して合成演算したときの寸法検査結
果が表７８に示されている。この表７８は、縦軸が容器
７７、７８の評価点であり、横軸が検査結果である。

【００５５】この検査結果において、項目７９は３次元
座標値、項目８０は双方寸法を検査することにより算出
された誤差（Δ値）である。項目８１はＨ方向の長さの
検査結果を示す例であり、項目７９、８０と同様に、実
測値と計画値の照合により算出された誤差（Δ値）を示
すものである。項目８２は判定結果を示す。表７８にお
いて、標準の容器７７の評価位置ＡについてＸ方向長さ
１０．０ｃｍ、Ｙ方向長さ５．０ｃｍ、Ｚ方向長さ１５
ｃｍである。これに対して製造された容器７８の計測値
は、評価点位置ＡａについてＸ方向長さ１０．２ｃｍ、
Ｙ方向長さ５．１ｃｍ、Ｚ方向長さ１４．６である。

【００５６】標準の容器７７の寸法と製造された容器７
８の製造誤差（Δ値）は、Ｘ方向長さが０．２ｃｍ、Ｙ
方向長さが０．１ｃｍ、Ｚ方向長さがー０．４と算出さ
れ表記される。同様に、容器７７の高さＨは、標準の容
器７７の寸法が５５．０ｃｍであり、製造された容器７
８の寸法Ｈｈが５６．１ｃｍで、製造誤差ΔＬが１．１
である。

【００５７】これらの判定結果は、予めコンピュータの
メモリに許容値として記憶しておくことにより自動的に
判定結果が表記される。ここでは、判定結果が○で良品
と判定されたことを示している。このような表７８は、
表示装置に自動的に表示される。

【００５８】次に、図２の実施例を図１２を参照して説
明する。図１２は、図２の構成をさらに具体的に示した
構成図である。入力部８３にはパルス状のレーザー光を
照射することにより得られる３次元座標データ、３次元
ＣＡＤデータ、反射点（干渉点）データなどのデータ８
４と、標準の３次元ＣＡＤデータ（計画値）８５が入力
される。これらの入力信号は、ＣＰＵの制御により演算
処理部８６に供給され、この演算処理部８６において、
反射点データは、３次元座標データによりポリゴン処理
されて３次元的形状データを出力して、保存部８７のメ
モリに記憶される。

【００５９】記憶された３次元的形状データは、ＣＰＵ
の制御により読み出されて演算処理部８６で標準の３次
元ＣＡＤデータ（計画値）と合成演算処理され重ね合わ
せされたデータが保存部８７のメモリに記憶される。合
成演算処理された図１０に示す画像が表示部８８に表示
される。保存部８７には、製造誤差の許容値が記憶され
ており、３次元的形状データと比較演算して自動的に評
価・判定される。この判定結果は、保存部８７のメモリ
に記憶されると、共に判定部８９に出力され、外観検査
９０される。

【００６０】さらに、ＣＰＵは、上記記憶された３次元
的形状データを読出し、演算処理部８６でＣＡＤデータ
作成ソフトにより演算処理することにより３次元ＣＡＤ
データを出力する。さらに、ＣＰＵは、この３次元ＣＡ
Ｄデータから３次元座標データを算出して図１１に示す
ような表７８のデータを出力する。この表７８は、表示
部８８に表示され、表示された寸法の検査結果９１は閲
覧される。このような外観検査や寸法検査は、製品の検
査ばかりでなくプラント設備、機器などの健全性評価装
置として構成することができる。

【００６１】このようにして寸法を計測できるので、製
造された対象物の製造誤差は、対象物の体積を検査して
体積値により良否を判定することができる。即ち、この
検査は、対象物として例えば立方体にレーザー光を照射
して、立方体の縦、横、高さを計測し、コンピュータに
より体積値を求め、設計図から求めた標準の体積値と合
成演算することにより、体積の誤差量を算出し、この誤
差量と許容値と比較して製品の検査を行うことができ
る。

【００６２】次に、ホログラフィー法による対象物の計
測、検査について説明する。図１３はホログラフィー法
の実施例を説明するための図であり、この図１３を参照
して一般原理を説明する。ホログラフィーは写真法の一
種であるが従来の写真法とは異なる。従来の写真法では
光波の振幅のみしか記録できなかったのに対し、ホログ
ラフィーでは光波の振幅と位相の両成分を干渉縞のコン
トラストができる位置（ホログラム）で記録することが
できる特徴がある。従って、写真法は位相の成分が記録
できないことから、見える画像に立体感を得ることがで
きない。これに対してホログラフィーは位相と光の振幅
の両成分を記録できるので、完全な立体感を得た３次元
的画像による再生が可能となる。

【００６３】レーザー装置９４から出射されたレーザー
光は、記録する対象物９５を照明するための物体光９６
と参照光９７の２光束にハーフミラー９８で分岐され
る。一方の物体光９６はレンズ９９、１００、ミラー１
０１を介して対象物９５を走査し、照明する。物体光９
６により照明され対象物９５に生じた干渉光は、ホログ
ラム１０２に入射する。

【００６４】他方、参照光９７は、ミラー１０３、レン
ズ１０４、１０５を介して物体光９６と異なる方向から
ホログラム１０２上に入射される。物体光９６と、異な
る角度から入射された参照光９７との干渉光は、ホログ
ラム１０２上において細かい干渉縞となる。このホログ
ラム１０２上には下記式で示されるような光強度Ｉが記
録されている。 ｌ＝｜Ｏ＋Ｒ^２｜＝｜Ｏ｜^２＋｜Ｒ｜^２＋ＯＲ^＊＋Ｏ^＊
Ｒ

【００６５】このようにして作られたホログラムをレー
ザー光（再生光）により照射すると、記録された元の対
象物９５の像が再生される。ここで再生光として参照光
と同じ光Ｒを使用した場合、上記に示す計算式による再
生光はＯ｜Ｒ｜^２となり物体光の振幅Ｏに比例した光が
得られる。これがホログラムによる３次元画像再生の原
理である。

【００６６】次に、上記ホログラフィーを利用した変
位、変形計測の実施例について図１４を参照して説明す
る。図１４はホログラフィー干渉による変位、変形計測
手順を示す図である。まず、この実施形態に一番適して
いると思われる干渉性の特性を利用した計算機ホログラ
ムについて説明する。レーザーやミラーのように幾何学
的にはっきりした形状の対象物においては、レーザー光
が対象物で干渉した場合、これから反射される光の波面
は正確に計算機で計算することができる。このことによ
り計算機によってホログラムを作り、原器ホログラムと
して保存し干渉計の参照波として用い、実際の検査対象
物（面）からの光と干渉させることにより、理想波面
（計画値又は変動前）との間のずれ（移動量）を等高線
干渉縞として計測することが可能となる。

【００６７】図１４は、変位、変形計測の手順を示す。
まず、標準のマスターデータを次のようにして作成す
る。標準のマスターデータは、変位、変形あるいは振動
等が発生する前の対象物に物体光のレーザー光を照射
し、対象物からの干渉光を受光して干渉光データを作成
する。この干渉光データは、演算処理されて対象物のホ
ログラム（３次元的形状データ）が作成される。作成さ
れた対象物のホログラム（３次元的形状データ）は、標
準のマスタデータとしてメモリに記憶される。

【００６８】次に、対象物の変位、変形データを観測す
る。対象物が動作状態において、変位、変形あるいは振
動等のデータを入手する。この変位、変形あるいは振動
等のデータは、対象物に物体光のレーザー光を照射し、
対象物からの干渉光を受光して干渉光データを作成す
る。この干渉光データは、演算処理されて対象物のホロ
グラムが作成される。この対象物のホログラムは、３次
元的形状データである。

【００６９】このようにして作成されたホログラムのデ
ータ１１０と標準のマスターデータ１１１は合成処理部
１１２に供給して重ね合わせた合成演算がされる。即
ち、ホログラムのデータ１１０と標準のマスターデータ
１１１とは、重畳されて同じ位置に配置させるように合
成演算される。合成演算されたデータは、波面干渉部１
１３に供給される。波面干渉部１１３は、常時、変位、
変形および振動時の波面と干渉されて、変位量、変形
量、振動値算出部１１４に供給される。

【００７０】変位量、変形量、振動値算出部１１４は、
変位、変形、振動状態でのずれ（変位量、変形量、振動
値）を自動的にリアルタイムで把握することができる。

【００７１】変位、変形の計測は、多種のプラントの監
視手段として利用することができる。例えばプラントに
設備された配管の変位、変形の計測であれば次のように
して配管の変位、変形の計測を行うことができる。プラ
ント運転が開始された配管に高温蒸気や高温度の溶融物
が流れた場合、配管は膨張したり、振動したりする。プ
ラントの運転状態（動的）にある状態で、配管（対象
物）にレーザー光を照射してホログラムのデータを収集
して配管の膨張や振動は、計測できる。

【００７２】即ち、標準のマスターデータは、プラント
に設備された運転前の配管にレーザー光を照射し、配管
からの干渉光を受光して干渉光データを作成し、この干
渉光データを演算処理して作成された配管のホログラム
である。このホログラムは、標準のマスターデータ（静
的）としてメモリに記憶される。

【００７３】次に、対象物の変位、変形データを観測す
る。プラントが運転を開始して、プラントの運転状態
（動的）にある状態で、上記配管に高温蒸気や高温度の
溶融物が流れた場合、配管は、膨張したり、振動したり
する。この配管の動的ホログラムは、配管にレーザー光
を照射し、配管からの干渉光を受光して干渉光データを
作成し、この干渉光データを演算処理して作成された配
管の３次元的形状データである。この配管の３次元的形
状データは、動的ホログラムとしてメモリに記憶され
る。

【００７４】動的ホログラムのデータ１１０と標準のマ
スターデータ１１１は合成処理部１１２に供給されて合
成演算される。即ち、配管の動的ホログラムのデータ１
１０と標準のマスターデータ１１１とは、重畳されて同
じ位置に配置されるように合成演算される。合成演算さ
れたデータは、波面干渉部１１３に供給される。波面干
渉部１１３は、常時、変位、変形および振動時の波面と
干渉させて、干渉データを変位量、変形量、振動値算出
部１１４に供給する。

【００７５】変位量、変形量、振動値算出部１１４は、
配管の変形、振動状態でのずれ量（変位量、変形量、振
動値（変位））を算出し、配管の変位量、変形量、振動
状態を出力する。この配管の変位、変形、振動状態での
ずれ量は、自動的にリアルタイムで表示される。算出さ
れた配管の変位、変形、振動状態でのずれ量は、評価装
置に保存され、予め記憶された許容値を読出し、許容値
内か、外かが、評価１１５される。この評価結果などか
ら判定結果１１６が決定される。さらに、配管の変位、
変形、振動状態は、配管の材料の金属疲労などの現象を
監視するのに有効である。

【００７６】上記実施形態では、プラントの配管の監視
について説明したが、常に変動値を所有する設備、例え
ぱエンジンによる振動測定などに有効である。

【００７７】また、本発明の適用可能分野は工業、建築
分野をはじめとして広範囲であり、用途は橋の荷重によ
る携み量、ビルの風カによる傾き測定、鋳物製構造物の
計画（設計）一製造後の検証・検査、飛行機の羽の寸法
検査・検証、車ボディーの形状確認、配管・設備類の変
位量測定、等様々である。なお、レーザー走査作業は対
象物に対して非接触である故、アクセスが困難なエリ
ア、通常時立ち入りの困難なエリア、高所においても遠
隔地で表示装置の画面に表示された画像べ一スでの寸法
検査などが可能となる。

【００７８】さらに、写真測量技術とレーザースキャニ
ング技術を用いて設計図のない構造物や建造物を３次元
ＣＡＤで実現することができる。老朽化したプラント・
工場や設計図が保存されていない歴史的建造物をリニュ
ーアル、改修する際に、低コストで短期間に設計図を復
元でき、効率的に改造、改築できる。ポリゴンミラーを
３６０度回転させ、レーザー光を照射することにより、
各種のパイプラインや製造設備が入り組んだ工場内部を
短時間に計測できるほか、人間が接近できない危険な場
所や計測できない高所建造物でもＣＡＤ化が可能であ
る。このＣＡＤ化が可能なことは、３次元模型の作製や
コンピューターグラフィックスによるシミュレーション
などの加工も可能となる。

【００７９】上記実施形態によれば次のような効果があ
る。レーザー光線を利用し、製造後、据え付け後等の形
状データが反映された３次元ＣＡＤ上から３次元座標値
および詳細な寸法確認・検査を行うことができる。

【００８０】これらの計測値から計画値（製造・据付け
前の計画座標値および寸法）との比較が可能となる。

【００８１】設備類の健全性を正確に評価することがで
き一般構造物およびプラント等設備類の品質を含めた信
頼性向上を図ることが可能となる。

【００８２】

【発明の効果】この発明によれば、簡便に、高精度に、
非接触で計測、検査することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の形状計測装置、外観検査装置の実施形
態を説明するための回路構成図。

【図２】本発明の寸法検査装置の実施形態を説明するた
めの回路構成図。

【図３】図１および図２のレーザー走査装置の実施例を
説明するための回路構成図。

【図４】図３の送受信光学系の走査機構の実施例を説明
するための図。

【図５】図４の他の実施例を説明するための図。

【図６】図１、図２の反射点データ収集の実施例を説明
するための図。

【図７】図１、図２の３次元座標の基準点の実施例を説
明するための図。

【図８】図１、図２のポリゴン処理を説明するための
図。

【図９】図６の反射点の集合体からポリゴン処理の状態
を説明するための図。

【図１０】図１の形状計測、外観検査の状態を示すイメ
ージ図。

【図１１】本発明の寸法検査装置の実施形態を説明する
ための回路構成図。

【図１２】図１、図２の形状計測装置、外観検査装置、
寸法検査装置をハード化した実施例を説明するための回
路構成図。

【図１３】本発明の変位計測装置の実施形態を説明する
ためのホログラフの原理説明図。

【図１４】図１３のホログラムを利用した変位計測装置
の実施形態を説明するための回路構成図。

【符号の説明】

１…パルスレーザー光照射装置、２…反射点データ収集
装置、３…ポリゴン処理、４…３次元形状データ生成手
段、５，１９…合成手段、６，２０，８５…３次元ＣＡ
Ｄデータ（計画値）、７，１５…３次元座標測量手段、
１６…ＣＡＤデータ作成のソフト処理手段、１７…３次
元ＣＡＤデータ作成手段、１８…３次元座標データ算出
手段、２５…照準、２６…送信部、２７…受信部、２８
…レーザー発振器，２９…電源、３０…スイッチ、３１
…コンデンサ、３２…フラッシュランプ、３３…光学
系、３４…フォトダイオード、３７…受信光学系、３８
…ゲート、３９…検出器、４０…クロックパルス発振
器、４１…カウンタ、４２…表示部、４３…反射点デー
タ、４４…反射光データ、５１…レンズ、５２…回転式
ポリゴンミラー、５３，９５…対象物、５４…回転軸、
５７…半導体レーザー、５８…回転プリズム、５９…矢
印、６１…反射点、６２…マーカ、６５…イメージ図、
６６…面、７１…３次元的形状データ、７２…３次元Ｃ
ＡＤデータ、７５…３次元ＣＡＤデータ、７７…容器、
７８…表、７９，８０，８１，８２…項目、８３…入力
部、８６…演算処理部、８７…保存部、８８…表示部、
８９…判定部、９０…外観検査、９１…検査結果、９４
…レーザー装置、９６…物体光、９７…参照光、９８…
ハーフミラー、９９，１００，１０４，１０５…レン
ズ、１０１，１０３…ミラー、１０２…ホログラム、１
１０…ホログラムのデータ、１１１…標準のマスターデ
ータ、１１２…合成処理部、１１３…波面干渉部、１１
４…変位量、変形量振動値算出部、１１５…評価、１１
６…判定結果。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA09 AA21 AA53 AA59 CC00 DD06 FF01 FF12 FF51 GG04 LL15 LL30 LL51 LL62 MM16 QQ00 QQ23 QQ25 QQ51 SS04 5B050 AA03 BA09 BA13 BA18 EA19 EA28

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被形状計測対象物に反射ビームが干渉す
   る照射ビームを照射する照射ビーム照射手段と、 前記照射ビームに照射され前記被形状計測対象物からの
   反射ビームを電気信号に変換して反射点データを収集す
   る反射点データ収集手段と、 前記反射点データをポリゴン処理して３次元形状データ
   を生成する３次元形状データ生成手段と、 前記３次元形状データと予め定められた標準の３次元Ｃ
   ＡＤデータとを重ね合わせて合成する合成手段とを具備
   してなることを特徴とする形状計測装置。
2. 【請求項２】 被形状計測対象物にレーザー光を照射す
   るレーザー光照射手段と、 前記レーザー光に照射され前記被形状計測対象物からの
   反射光を受光し光電変換して反射点データを収集する反
   射点データ収集手段と、 前記反射点データをポリゴン処理して３次元形状データ
   を生成する３次元形状データ生成手段と、 前記３次元形状データと予め定められた標準の３次元Ｃ
   ＡＤデータとを重ね合わせて合成する合成手段とを具備
   してなることを特徴とする形状計測装置。
3. 【請求項３】 被検査対象物にレーザー光を照射するレ
   ーザー光照射手段と、 前記レーザー光に照射され前記被検査対象物からの反射
   光を受光し光電変換して反射点データを収集する反射点
   データ収集手段と、 前記反射点データをポリゴン処理して３次元的形状デー
   タを生成する３次元的形状データ生成手段と、 前記３次元的形状データと予め定められた標準の３次元
   的ＣＡＤデータとを重ね合わせて合成し形状の相違デー
   タを生成する形状相違データ生成手段とを具備してなる
   ことを特徴とする外観検査装置。
4. 【請求項４】 被検査対象物にレーザー光を照射するレ
   ーザー光照射手段と、 前記レーザー光に照射され前記被検査対象物からの反射
   光を受光し光電変換して反射点データを収集する反射点
   データ収集手段と、 前記反射点データをポリゴン処理して３次元形状データ
   を生成する３次元形状データ生成手段と、 前記３次元形状データから演算処理して３次元ＣＡＤデ
   ータを生成する３次元ＣＡＤデータ生成手段と、 前記３次元ＣＡＤデータから予め定められた２点間の距
   離データを算出する距離データ算出手段と、 前記２点間の距離データと前記予め定められた標準の３
   次元ＣＡＤデータの２点間の距離データとを重ね合わせ
   て合成する合成手段とを具備してなることを特徴とする
   寸法検査装置。
5. 【請求項５】 被検査対象物にレーザー光を照射するレ
   ーザー光照射手段と、 前記レーザー光に照射され前記被検査対象物からの反射
   光を受光し光電変換して反射点データを収集する反射点
   データ収集手段と、 前記反射点データをポリゴン処理して３次元形状データ
   を生成する３次元形状データ生成手段と、 前記３次元形状データから演算処理して３次元ＣＡＤデ
   ータを生成する３次元ＣＡＤデータ生成手段と、 前記３次元ＣＡＤデータから予め定められた前記被検査
   対象物の体積データを算出する体積データ算出手段と、 前記体積データと前記予め定められた標準の３次元ＣＡ
   Ｄデータから求めた体積データとを合成する合成手段と
   を具備してなることを特徴とする体積検査装置。
6. 【請求項６】 被計測対象物にレーザー光を照射するレ
   ーザー光照射手段と、 前記レーザー光に照射され前記被計測対象物からの反射
   光を受光し光電変換して反射点データを収集する反射点
   データ収集手段と、 前記反射点データを演算処理して対象物のホログラムを
   生成する対象物のホログラム生成手段と、 前記対象物のホログラムと予め定められた標準の対象物
   のホログラムとを重ね合わせて合成する合成手段と、 前記対象物のホログラムの波面と予め定められた標準の
   対象物のホログラムの波面とを干渉させる波面干渉手段
   とを具備してなることを特徴とする変位・変形計測装
   置。