JP2004333369A - ３次元形状測定装置および３次元形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元形状測定装置において、対象物の形状を問わず、対象物の適切な測定位置を簡単に見つけることができるようにする。
【解決手段】レーザ光源３２からの測定用レーザ光は、ガルバノミラー３４によって反射されて対象物ＯＢの表面に照射スポットを形成する。照射スポットは、ガルバノミラー３４の回転により、対象物ＯＢの表面を直線状に走査する。照射スポットからの反射光はラインセンサ３６に導かれ、３角測量の原理を用いて対象物ＯＢの表面形状が測定される。ラインセンサ３６に入る反射光が結像レンズ３５の光軸上になる位置にて測定用レーザ光と交差するように出射された参照用レーザ光は、シリンドリカルレンズ３９により直線状に変換されて、対象物ＯＢの表面に直線状の照射跡を形成する。前記走査線と照射跡が重なるように３次元形状測定装置３０の測定位置を定める。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、対象物表面に測定用レーザ光を走査しながら照射し、対象物表面にて反射した測定用レーザ光を受光して、対象物表面の３次元形状を測定する３次元形状測定装置および３次元形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、図５（Ａ）の斜視図、図５（Ｂ）の側面図および図５（Ｃ）の平面図に示すように、３次元形状測定装置１０のハウジング１１内に設けたレーザ光源１２及びコリメートレンズ１３からなる測定用レーザ光照射器からの測定用レーザ光を対象物ＯＢに照射して同対象物ＯＢの表面に照射スポットを形成するとともに、同照射スポットを対象物ＯＢの表面で走査し、対象物ＯＢから反射される測定用レーザ光を結像レンズ１４およびＣＣＤを直線的に配列したラインセンサ１５からなる受光器にて受光し、この受光した反射光を用いて３角測量の原理に基づいて対象物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置１０はよく知られている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００３】
また、この３次元形状測定装置１０においては、対象物ＯＢからの反射光を結像レンズ１４の光軸に一致させる測定用レーザ光の対象物ＯＢの表面における反射位置、言い換えれば、ラインセンサ１５に形成される光スポットを最小にする測定用レーザ光の対象物ＯＢの表面における反射位置（以降、この反射位置を基準位置Ｐという）から、測定用レーザ光の反射位置がずれるほどラインセンサ１５に形成されるスポットの形状が円形から楕円に変形される。従って、測定用レーザ光照射器によって対象物ＯＢの表面に形成される照射スポットを左右方向に走査する場合、図５（Ｃ）の平面図において、基準位置Ｐを中心としたドットを付した領域が測定可能領域となるとともに、同領域内であっても基準位置Ｐに近いほど高精度の測定が可能となる。
【０００４】
このような測定領域の制限および測定精度の問題により、測定しようとする対象物ＯＢの部分の中心位置に基準位置Ｐを合わせることが望まれる。この要望のために、次のようにすることも知られている。すなわち、３次元形状測定装置１０のハウジング１１内に、測定用レーザ光照射器とは独立にレーザ光源１６および集光レンズ１７からなる参照用レーザ光出射器を設け、測定用レーザ光と基準位置Ｐにて交差する光路上に参照用レーザ光が出射されるようにしておく。そして、対象物ＯＢの表面形状の測定前に、測定用レーザ光照射器からのレーザ光による照射スポットを対象物ＯＢの表面上で走査させておき、図５（Ｂ）の側面図に示すように、参照用レーザ光による照射スポットＱが測定用照射スポットの走査線Ｒ上に重なる位置（好ましくは、走査線Ｒ上の中心位置）まで、３次元形状測定装置１０または対象物ＯＢを前後（図５における左右方向）に移動させ、その後に対象物ＯＢの表面形状の測定に移るようにする。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２１８０２０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の参照用レーザ光出射器を用いた方法でも、図６に示すように、測定用レーザ光および参照用レーザ光の照射方向に鋭角的形状をもつ対象物に対しては、参照用レーザ光によって対象物ＯＢの表面上に形成される照射スポットＱが見難くなる。したがって、この照射スポットＱを測定用レーザ光による走査線Ｒ上に合わせることは難しく、対象物ＯＢの表面形状を測定するための３次元形状測定装置１０の測定位置を適切な位置に定めることができない。
【０００７】
【発明の概要】
本発明は、上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、測定しようとする対象物の形状を問わず、３次元形状測定装置の対象物に対する適切な測定位置を簡単に見つけることができる３次元形状測定装置および３次元形状測定方法を提供することにある。
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の構成上の特徴は、受光位置に形成される光スポットを最小にする測定用レーザ光の対象物表面における反射位置で同測定用レーザ光と交差する光路上に、レーザ光の照射跡が線状になる参照用レーザ光を出射するようにしたことにある。この場合、線状の参照用レーザ光の延設方向を測定用レーザ光の走査方向と同じにしたことにある。また、この線状の参照用レーザ光を、シリンドリカルレンズを用いて形成するとよい。
【０００９】
これによれば、参照用レーザ光によって対象物ＯＢの表面上に形成される照射跡は線状になるので、図４に示すように、測定用レーザ光および参照用レーザ光の照射方向に鋭角的形状をもつ対象物に対しても、照射跡Ｓは鋭角の部分に跨って形成される。したがって、本発明によれば、照射跡Ｓを測定用レーザ光による走査線Ｒ上に簡単に合わせることができるようになり、３次元形状測定装置の対象物に対する適切な測定位置を簡単に定めることができる。
【００１０】
【実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明すると、図１は同実施形態に係る３次元形状測定装置３０を含む３次元形状測定システムを概略的に示している。
【００１１】
この３次元形状測定システムは、基台５０上に固定して先端部を測定対象空間内を自由に変位させる支持機構６０を備えている。支持機構６０は、固定ポール６１、回転ロッド６２、第１アーム６３、第２アーム６４および第３アーム６５からなる。第３アーム６５の先端部に、３次元形状測定装置３０が組み付けられる。
【００１２】
固定ポール６１は、円筒状に形成され、その下端にて基台５０上に垂直に立設固定されている。回転ロッド６２は、円柱状に形成され、その下端部にて固定ポール６１に軸線回りに回転可能に支持されて、固定ポール６１から上方に突出している。第１アーム６３は、その基端に設けた連結部６３ａにて、回転ロッド６２の先端に設けた連結部６２ａに、回転ロッド６２の軸線方向に直交する軸線回りに回転可能に組み付けられている。第２アーム６４は、その基端に設けた連結部６４ａにて、第１アーム６３の先端に設けた連結部６３ｂに、第１アーム６３の軸線方向に直交する軸線回りに回転可能に組み付けられている。第３アーム６５は、その基端に設けた連結部６５ａにて、第２アーム６４の先端に設けた連結部６４ｂに、第２アーム６４の軸線方向に直交する軸線回りに回転可能に組み付けられている。
【００１３】
３次元形状測定装置３０は、そのハウジング３１に固定した連結器３１ａにより、第３アーム６５の先端部に第３アーム６５の軸線回りに回転可能に取り付けられる。
【００１４】
また、支持機構６０内には、回転角センサ６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ，６６ｅが設けられている。回転角センサ６６ａは、固定ポール６１内に組み込まれて、固定ポール６１に対する回転ロッド６２の軸線回りの回転角を検出する。回転角センサ６６ｂは、第１アーム６３の連結部６３ａ内に組み込まれて、回転ロッド６２の連結部６２ａに対する第１アーム６３の連結部６３ａにおける一軸線回りの回転角を検出する。回転角センサ６６ｃは、第２アーム６４の連結部６４ａ内に組み込まれて、第１アーム６３の連結部６３ｂに対する第２アーム６４の連結部６４ａにおける一軸線回りの回転角を検出する。回転角センサ６６ｄは、第３アーム６５の連結部６５ａ内に組み込まれて、第２アーム６４の連結部６４ｂに対する第３アーム６５の連結部６５ａにおける一軸線回りの回転角を検出する。回転角センサ６６ｅは、第３アーム６５の先端部内に組み込まれて、第３アーム６５に対する３次元形状測定装置３０の第３アーム６５における一軸線回りの回転角、すなわち３次元形状測定装置３０の第３アーム６５の先端部に対する回転角を検出する。
【００１５】
３次元形状測定装置３０は、図２に示すように、そのハウジング３１内に、レーザ光源３２、コリメートレンズ３３、ガルバノミラー３４、結像レンズ３５、ラインセンサ３６、レーザ光源３７、コリメートレンズ３８およびシリンドリカルレンズ３９を収容している。
【００１６】
レーザ光源３２は、半導体レーザなどで構成されており、測定用レーザ光をコリメートレンズ３３に向けて出射する。コリメートレンズ３３は、レーザ光源３２からの出射レーザ光を平行光にする。これらのレーザ光源３２およびコリメートレンズ３３が測定用レーザ光照射器を構成する。
【００１７】
ガルバノミラー３４は、コリメートレンズ３３によって平行光にされた測定用レーザ光の進路を変更して対象物ＯＢへ出射するとともに、対象物ＯＢの表面にて反射されたレーザ光の進路を変更して結像レンズ３５に導く。また、このガルバノミラー３４は、対象物ＯＢの表面を照射スポットで走査するために、電動モータ４１により駆動されて、紙面上下方向の軸線回りに所定角度だけ回転する。この電動モータ４１には、同電動モータ４１の回転角すなわちガルバノミラー３４の回転角を検出する回転角センサ４２が組み付けられている。
【００１８】
結像レンズ３５は、対象物ＯＢからの反射光をラインセンサ３６上に結像する。ラインセンサ３６は、ＣＣＤなどの複数の受光素子を一列に配置して長尺状に構成されており、レーザ光源３２から対象物ＯＢの照射スポットまでの距離を、複数の受光素子のうちで対象物ＯＢからの反射光を受光した受光素子の位置により検出するものである。
【００１９】
レーザ光源３７は、半導体レーザなどで構成されており、コリメートレンズ３８を介して参照用レーザ光をシリンドリカルレンズ３９に向けて出射する。コリメートレンズ３８は、レーザ光源３７からの参照用レーザ光を平行光にする。シリンドリカルレンズ３９は、レーザ光源３７からコリメートレンズ３８を介して入射した円形ビームである参照用レーザ光を直線状ビームに変換して対象物ＯＢに向けて出射する。この参照用レーザ光は、対象物ＯＢからの反射光を結像レンズ３５の光軸に一致させる測定用レーザ光の対象物ＯＢの表面における反射位置（言い換えれば、ラインセンサ１５に形成される光スポットを最小にする測定用レーザ光の対象物ＯＢの表面における反射位置）で、測定用レーザ光と交差する光路上に出射される。また、直線状の参照レーザ光（すなわち直線状ビーム）の延設方向は、測定用レーザ光の対象物ＯＢ上における走査方向と同じである。これらのレーザ光源３７、コリメートレンズ３８およびシリンドリカルレンズ３９が、参照用レーザ光出射器を構成する。なお、この図２および後述する図３において、シリンドリカルレンズ３９は光軸回りに９０度回転して示している。
【００２０】
また、３次元形状測定装置３０は、電気制御装置４３も備えている。この電気制御装置４３は、外部からの指示によりレーザ光源３２，３７および電動モータ４１の作動を制御する。また、この電気制御装置４３は、ラインセンサ３６からの検出信号を入力し、３角測量の原理に基づいて、前記入力した検出信号を用いて３次元形状測定装置３０内の基準点（例えば、ガルバノミラー３４における測定用レーザ光の反射位置）から対象物ＯＢの照射スポットまでの距離を計算する。以下、この距離をＺ方向距離という。さらに、電気制御装置４３は、回転角センサ４２からの検出信号を入力し、前記基準点から延設された基準方向に対する測定用レーザ光の照射方向の傾き角を計算する。以下、この傾き角をＸ方向傾き角という。そして、電気制御装置４３は、照射スポットごとに、Ｚ方向距離およびＸ方向傾き角を対にして対象物ＯＢの表面形状情報として出力する。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、図２に示す座標軸に対応している。
【００２１】
ふたたび、図１の説明に戻ると、３次元形状測定装置３０には、コントローラ７１および画像処理装置７２が接続されている。コントローラ７１は、複数の操作子を含むキーボードなどからなる入力装置７３からの指示にしたがって、３次元形状測定装置３０の作動を制御する。また、コントローラ７１は、入力装置７３からの指示にしたがって画像処理装置７２の作動を制御するとともに、同入力装置７３にて入力されたデータを画像処理装置７２に供給する。
【００２２】
画像処理装置７２は、コンピュータ装置によって構成されていて、図示しないプログラムの実行により、３次元形状測定装置３０からのＺ方向距離およびＸ方向傾き角を対にした対象物ＯＢの表面形状情報および回転角センサ６６ａ〜６６ｅからの検出回転角を用いて対象物ＯＢの表面形状を表す３次元画像データを生成する機能を有する。この３次元画像データの生成においては、回転角センサ６６ａ〜６６ｅから検出回転角を入力するとともに、３次元形状測定装置３０からＺ方向距離およびＸ方向傾き角を対にした対象物ＯＢの表面形状情報を入力する。そして、画像処理装置７２は、照射スポットごとに前記入力した対象物ＯＢの表面形状情報を用いて、３次元形状測定装置３０の座標系における対象物ＯＢの３次元画像データを計算する。次に、この計算した３次元画像データを、予め記憶されている固定ポール６１および回転ロッド６２の高さ、第１〜第３アーム６３〜６５の長さおよび前記入力した検出回転角を用いて、基準座標（例えば、基台５０の予め決めた特定位置を基準にした座標）系における３次元画像データに座標変換する。
【００２３】
この画像処理装置７２には、表示装置７４も接続されている。表示装置７４は、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、ＣＲＴディスプレイなどを備えており、画像処理装置７２から３次元画像データに基づいて対象物ＯＢの３次元画像を表示する。
【００２４】
次に、上記のように構成した実施形態の動作を説明する。まず、対象物ＯＢを基台５０上に置き、３次元形状測定装置３０の適切な測定位置を定める。なお、対象物ＯＢを基台５０上に必ずしも置く必要はない。作業者は、この状態で入力装置７３を操作することにより、３次元形状測定システムを測定位置モードに設定する。この測定位置モードの設定操作に関しては、３次元形状測定装置３０に同モードを指定する操作スイッチを設けておけば、作業者が３次元形状測定装置３０を手で持ったままで、同操作スイッチを操作することにより、測定位置モードに設定することも可能である。
【００２５】
次に、作業者が、３次元形状測定装置３０を手で持って対象物ＯＢの測定させたい部分に向け、入力装置７３または３次元形状測定装置３０に設けた操作スイッチの操作により、３次元形状測定装置３０を動作させる。これにより、レーザ光源３２は測定用レーザ光を出射し、同出射された測定用レーザ光はコリメートレンズ３３およびガルバノミラー３４を介して対象物ＯＢの表面に照射スポットを形成する。この場合、電動モータ４１も作動してガルバノミラー３４は所定角度だけ回転しては往復動するので、図３に示すように、対象物ＯＢの表面に形成された測定用レーザ光による走査線Ｒが視覚的に観察される。
【００２６】
一方、この状態では、レーザ光源３７も作動しており、レーザ光源３７から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ３８を介してシリンドリカルレンズ３９に入射し、シリンドリカルレンズ３９によって直線状のレーザ光に変換されて、対象物ＯＢの表面に参照レーザ光による照射跡Ｓを形成する。この参照用レーザ光は、対象物ＯＢからの反射光を結像レンズ３５の光軸に一致させる測定用レーザ光の対象物ＯＢの表面における反射位置（言い換えれば、ラインセンサ１５に形成される光スポットを最小にする測定用レーザ光の対象物ＯＢの表面における反射位置）で、測定用レーザ光と交差する光路上に出射されるとともに、参照レーザ光（すなわち直線状ビーム）の延設方向は、測定用レーザ光の対象物ＯＢ上における走査方向と同じである。したがって、図３にて前記反射位置がＺ軸方向のＺ０位置にあるとすれば、３次元形状測定装置３０が適切な位置にあれば、照射跡Ｓは走査線Ｒに重なる。一方、３次元形状測定装置３０が対象物ＯＢの表面に近過ぎれば、照射跡Ｓと走査線Ｒは図示破線のようにずれる。一方、３次元形状測定装置３０が対象物ＯＢの表面から遠過ぎれば、照射跡Ｓと走査線Ｒは図示一点鎖線のようにずれる。
【００２７】
したがって、作業者は、３次元形状測定装置３０を前後に動かすことにより照射跡Ｓと走査線Ｒを重ねるようにすればよいので、３次元形状測定装置３０を適切な測定位置に簡単に配置させることできる。また、対象物ＯＢの鋭角的部分を測定する場合でも、図４に示すように、参照用レーザ光による照射跡Ｓは鋭角の部分に跨った形成される。したがって、この場合も、照射跡Ｓを測定用レーザ光による走査線Ｒ上に簡単に合わせることができるようになり、３次元形状測定装置３０の測定位置を適切な位置に簡単に定めることができる。
【００２８】
このような測定位置の設定後、入力装置７３または３次元形状測定装置３０に設けた操作スイッチを操作することにより、３次元形状測定システムを測定モードに設定する。この測定モードでも、ひきつづきレーザ光源３２が作動して測定用レーザ光を出射するとともに、ガルバノミラー３４も電動モータ４１によって往復動されて、対象物ＯＢの表面には測定レーザ光による走査線Ｒが形成、すなわち対象物ＯＢの表面が測定用レーザ光による照射スポットで走査される。
【００２９】
そして、作業者は、３次元形状測定装置３０を参照用レーザ光による照射跡Ｓが走査線Ｒと重なる位置に保っていれば、画像処理装置４２には、測定レーザ光の走査線方向の対象物ＯＢの表面形状を表すＺ方向距離およびＸ方向傾き角を対にした表面形状情報が３次元形状測定装置３０から順次供給される。そして、画像処理装置４２は、前記表面形状情報に加えて、回転角センサ６６ａ〜６６ｅからの検出回転角により対象物ＯＢの表面形状を表す３次元画像データを生成して表示装置７４に供給する。したがって、表示装置７４は、測定用レーザ光の走査線に沿った対象物ＯＢの表面形状を表示する。
【００３０】
また、作業者が、Ｚ軸方向の前記測定位置に３次元形状測定装置３０を保ったまま、３次元形状測定装置３０をＹ軸方向に移動させれば、対象物ＯＢにおける異なるＹ軸方向位置の測定用レーザ光の走査線に沿った表面形状情報も画像処理装置７２に入力される。したがって、これによれば、対象物ＯＢの所定面積の表面形状が表示装置７４に表示される。
【００３１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変形も可能である。
【００３２】
例えば、上記実施形態では、ガルバノミラー３４を回転させることにより、対象物ＯＢの表面を測定用レーザ光でＸ軸方向に走査するようにしたが、これに代えて、レーザ光源３２のレーザ光の出射方向を回転させるようにしてもよい。
【００３３】
また、Ｘ軸方向走査に加えて、対象物ＯＢの表面を測定用レーザ光でＹ軸方向にも走査することにより、対象物ＯＢの表面をＸ軸およびＹ軸両方向すなわちマトリクス状に走査するようにして、３次元形状測定装置３０をＹ軸方向に動かすことなく、対象物ＯＢのＸ軸およびＹ軸両方向の３次元表面形状を自動的に測定できるようにしてもよい。この場合、レーザ光源３２、コリメートレンズ３３、ガルバノミラー３４、結像レンズ３５、ラインセンサ３６、レーザ光源３７、コリメートレンズ３８およびシリンドリカルレンズ３９からなる光学系全体をハウジング３１内に可動可能に組み付けたケースに組み込んで、同ケース全体をハウジング３１に対してＹ軸方向に電動モータなどで回転させるようにするとよい。
【００３４】
また、上記実施形態では、３次元形状測定装置３０を対象物ＯＢに対して移動させて測定位置を定めるようにしたが、逆に、対象物ＯＢを移動させて３次元形状測定装置３０の測定位置を定めるようにしてもよい。また、３次元形状測定装置３０を手動で動かさなくても、移動装置に組み付けておいて、同移動装置によって３次元形状測定装置３０を移動させてもよい。
【００３５】
さらに、上記実施形態では、シリンドリカルレンズ３９を用いて参照レーザ光による照射跡を直線状にするようにしたが、これに代えて、測定用レーザ光の場合と同様に、電動モータによって回転するガルバノミラーにレーザ光源からのレーザ光を反射させて、視覚的に参照レーザ光による照射跡が直線状になるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る３次元形状測定装置を含む３次元形状測定システムの全体概略図である。
【図２】図１の３次元形状測定装置の構成を示す概略図である。
【図３】図１の３次元形状測定装置の測定用レーザ光による走査線と参照用レーザ光による照射跡を説明するための説明図である。
【図４】前記走査線および照射跡が鋭角的形状部分に形成された状態を示す状態図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、従来の３次元形状測定装置による測定用レーザ光および参照用レーザ光を対象物に照射した状態を説明するための説明図である。
【図６】前記従来の測定用レーザ光による走査線および参照用レーザ光による照射跡が鋭角的形状部分に形成された状態を示す状態図である。
【符号の説明】
ＯＢ…対象物、３０…３次元形状測定装置、３２…レーザ光源、３３，３８…コリメートレンズ、３４…ガルバノミラー、３５…結像レンズ、３６…ラインセンサ、３７…レーザ光源、３９…シリンドリカルレンズ、４１…電動モータ。

Claims (6)

1. 対象物表面に測定用レーザ光を走査しながら照射する測定用レーザ光照射器と、対象物表面にて反射した測定用レーザ光を受光する受光器とを備え、前記受光した測定用レーザ光により対象物表面の３次元形状を測定する３次元形状測定装置において、
   前記受光器に形成される光スポットを最小にする前記測定用レーザ光の対象物表面における反射位置で同測定用レーザ光と交差する光路上に、レーザ光の照射跡が線状になる参照用レーザ光を出射する参照用レーザ光出射器を設けたことを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 前記線状の参照用レーザ光の延設方向を前記測定用レーザ光の走査方向と同じにした請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 前記参照用レーザ光照射器を、レーザ光を出射するレーザ光源と、同レーザ光源から出射されたレーザ光を線状のレーザ光に変換するシリンドリカルレンズとで構成した請求項１または請求項２に記載の３次元形状測定装置。
4. 対象物表面に測定用レーザ光を走査しながら照射し、対象物表面にて反射した測定用レーザ光を受光して、同受光した測定用レーザ光により対象物表面の３次元形状を測定する３次元形状測定方法において、
   受光位置に形成される光スポットを最小にする前記測定用レーザ光の対象物表面における反射位置で同測定用レーザ光と交差する光路上に、レーザ光の照射跡が線状になる参照用レーザ光を出射するようにしたことを特徴とする３次元形状測定方法。
5. 前記線状の参照用レーザ光の延設方向を前記測定用レーザ光の走査方向と同じにした請求項４に記載の３次元形状測定方法。
6. 前記線状の参照用レーザ光を、シリンドリカルレンズを用いて形成する請求項４または５に記載の３次元形状測定方法。

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