JP2004347521A - 形状計測システム及び方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、測定対象物(S)の形状を測定する形状計測システム(1)であって、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定手段(2)と、測定対象物上の粗計測された所定数の点の位置に基づいて、補間又は補外計算により、測定対象物上の各点の位置を推定し、光学測定手段により本計測を行う際のフォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生成手段(14)と、このフォーカシング情報生成手段が生成したフォーカシング情報に基づいて、光学測定手段を作動させる制御手段(16)と、を有することを特徴としている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の形状計測システム及び方法に係わり、特に、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用した形状計測システム及び方法に係わる。
【0002】
【従来の技術】
測定対象物の三次元形状を測定する光学測定器には、周波数変調型レーザ測定器、振幅変調型レーザ測定器等のように、照射するレーザ光等の光を測定対象物表面の測定すべき点に合焦させ、測定対象物からの反射光に基づいて測定対象物までの距離を計測するものがある。このような測定器によって、測定対象物の表面上の多数の点の位置を測定することによって、測定対象物の三次元形状を測定することができる。
また、特許文献1には、三次元形状を測定すべき測定対象物にスリット光を照射し、スリット光が照射された測定対象物をCCDカメラによって撮像し、撮像された画像を解析することによって三次元形状を測定する三次元形状計測装置が記載されている。
【0003】
図4は、周波数変調型レーザ測定器の測定原理を示す図である。図4に示すように、周波数変調型レーザ測定器100は、レーザ源102と、ビームスプリッタ104と、ハーフミラー106と、対物レンズ108と、干渉器110と、を有する。レーザ源102から射出されたレーザ光は、図4に実線で示すように、ビームスプリッタ104、ハーフミラー106、及び、対物レンズ108を介して測定対象物Sの表面に合焦される。測定対象物Sによって反射されたレーザ光は、図4に破線で示すように、対物レンズ108、ハーフミラー106を介して、干渉器110に入射する。一方、レーザ源102から射出されたレーザ光の一部は、ビームスプリッタ104によって偏向され、干渉器110に入射する。
【0004】
図5(a)(b)は、レーザ源102から射出されるレーザ光の周波数変調を模式的に示すグラフである。図5(a)に示すように、レーザ源102から射出されるレーザ光は周波数変調されており、周波数が周期的に変化する。図5(b)に示すように、レーザ源102から射出されるレーザ光は、200THzから200.1THzの間で2msecの周期Tで周波数が変化する。ここで、レーザ源102から射出され、ビームスプリッタ104によって偏向されて干渉器110に入射した光の周波数の変化を、図5(b)の実線とすると、測定対象物Sによって反射されて干渉器110に入射したレーザ光の周波数の変化は、図5(b)の破線のように、時間Δtだけ遅れた波形となる。
【0005】
この遅れ時間Δtと、対物レンズ108から測定対象物Sまでの距離Δdとの間には、
Δt=Δd/c (数式1)
なる関係がある。なお、(数式1)中のcは光速である。また、この時間Δtと、ある時刻における照射光と反射光との周波数の差Δfとの間には、
Δt=ΔfT/F (数式2)
なる関係が成り立つ。なお、(数式2)中のFは、周波数の最大の変調幅(ここでは0.1THz)である。従って、周波数計数器である干渉器110は、入射した図5(b)に実線で示す照射光と、破線で示す反射光とを干渉させ、それらの間の周波数の差Δfをカウントする。次いで、カウントされた周波数の差Δfを(数式2)に代入してΔtを求め、求められたΔtを(数式1)に代入することによって対物レンズ108と測定対象物Sとの間の距離Δdを測定することができる。
以上、周波数変調型レーザ測定器の測定原理を説明したが、振幅変調型レーザ測定器も同様の原理で距離を測定している。なお、振幅変調型レーザ測定器においては、振幅変調されたレーザ光がレーザ源から射出され、上述した干渉器に代えて時間計測器又はタイマーが使用される。
【0006】
【特許文献1】
特開平10−300443号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、周波数変調型レーザ測定器や、振幅変調型レーザ測定器では、照射するレーザ光を測定対象物の表面上で合焦させる必要があるため、対物レンズと測定対象物との間の大体の距離を把握しておく必要がある。従って、例えば、測定対象物である機械部品の形状を測定するような場合には、通常、その機械部品のCADデータを、レーザ測定器のフォーカシング情報として使用して、照射するレーザ光を測定対象物の表面に合焦させている。
【0008】
しかしながら、レーザ測定器で形状を測定する全ての測定対象物に対して、フォーカシング情報として使用することができるCADデータ等の情報を予め入手できるとは限らないという問題がある。従って、CADデータが存在しない古い機械構造物や、機械加工の中間段階において部品の形状をチェックする必要がある場合、測定者は、レーザ測定器から照射されるレーザ光を各測定点毎に測定対象物の表面上に合焦させる操作をする必要がある。測定対象物の形状を測定するためには、一般に非常に多くの測定点を必要とするため、この操作には膨大な労力を要するという問題がある。
【0009】
従って、本発明は、CADデータ等のフォーカシング情報が存在しない場合にも、フォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用して容易に形状を計測することができる形状計測システム及び方法を提供することを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、測定対象物の形状を測定する形状計測システムであって、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定手段と、測定対象物上の粗計測された所定数の点の位置に基づいて、補間又は補外計算により、測定対象物上の各点の位置を推定し、光学測定手段により本計測を行う際のフォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生成手段と、このフォーカシング情報生成手段が生成したフォーカシング情報に基づいて、光学測定手段を作動させる制御手段と、を有することを特徴としている。
【0011】
このように構成された本発明においては、まず、測定対象物上の所定の数の点の位置が粗計測され、その位置のデータがフォーカシング情報生成手段に入力される。フォーカシング情報生成手段は、粗計測された点の位置に基づいて、補間又は補外計算を行い、測定対象物上に存在する多数の点の位置を推定する。推定された点の位置は、フォーカシング情報を必要とする光学測定手段に、フォーカシング情報として入力される。制御手段は、入力されたフォーカシング情報に基づいて光学測定手段を制御し、測定用の光を測定対象物上に合焦させ、測定対象物上の各点の位置を本計測する。
【0012】
本発明の形状計測システムによれば、本測定の前にフォーカシング情報が用意できない測定対象物についても、フォーカシング情報を必要とする光学測定手段によって形状を計測することができる。
【0013】
また、フォーカシング情報生成手段は、光学測定手段によって粗計測された所定数の点の位置に基づいて測定対象物上の各点の位置を推定するのが良い。
このように構成された本発明においては、フォーカシング情報を必要とする光学測定手段の合焦を手作業によって調整し、得られた測定値を粗計測による位置データとして使用し、フォーカシング情報生成手段によってフォーカシング情報を生成する。
これにより、粗計測を行う測定手段と、本計測を行う測定手段を兼用にすることができる。
【0014】
好ましくは、光学測定手段には、周波数変調型レーザ測定器又は振幅変調型レーザ測定器を使用する。
この構成によれば、高い精度で形状を計測することができる。
【0015】
また、本発明は、測定対象物の形状を、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定器で測定する形状計測方法であって、測定対象物上の所定の数の点の位置を、粗計測する粗計測ステップと、この粗計測ステップで測定された点の位置測定値に基づいて、補間又は補外計算により、測定対象物上の各点の位置を推定する推定ステップと、この推定ステップにおいて推定された各点の位置をフォーカシング情報として使用して、光学測定器によって測定対象物上の各点の位置を本計測する本計測ステップと、を有することを特徴としている。
【0016】
さらに、本発明は、測定対象物の形状を、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定器で測定するために使用するフォーカシング情報生成プログラムであって、粗計測された測定対象物上の所定の数の点の位置を入力する入力手順と、この入力手順において入力された点の位置測定値に基づいて、補間又は補外計算により、測定対象物上の各点の位置を推定する推定手順と、この推定手順において推定された各点の位置をフォーカシング情報として出力する出力手順と、をコンピュータに実行させることを特徴としている。
【0017】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。図1は、本発明の実施形態による形状計測システムの概略図である。図1に示すように、本発明の実施形態による形状計測システム1は、光学測定手段である周波数変調型レーザ測定器2と、この周波数変調型レーザ測定器2を駆動し、制御するコントロールユニット4とを有する。
【0018】
レーザ測定器2は、レーザ光線を測定対象物Sに照射し、その反射光を受光するヘッド部6と、このヘッド部6を支持するスタンド8と、ヘッド部6に取付けられた対物レンズ10と、を有する。レーザ測定器2のヘッド部6は、スタンド8に対して水平方向及び垂直方向に回動可能に支持されており、対物レンズ10から測定用のレーザ光を射出するように構成されている。また、対物レンズ10は、測定用のレーザ光を測定対象物Sの表面に合焦させるように構成されている。さらに、ヘッド部6は、測定用レーザが照射される位置を指示するためのポインティングレーザを射出するように構成されている。周波数変調型レーザ測定器2の作動原理は、前述したので説明を省略する。
【0019】
コントロールユニット4は、周波数変調型レーザ測定器2によって測定された点の位置を記憶するメモリ12と、このメモリ12に記憶された所定の数の点の位置に基づいて、測定対象物S上の各点の位置を推定し、フォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生成手段14と、このフォーカシング情報生成手段14によって生成されたフォーカシング情報に基づいてレーザ測定器2を制御する制御手段16と、最終的に測定された測定対象物Sの形状を出力する出力手段18とを有する。コントロールユニット4は、コンピュータ及びそれを作動させるためのソフトウェア等によって構成することができる。
【0020】
フォーカシング情報生成手段14は、粗計測によって測定され、メモリ12に記憶された所定の数の点の位置に基づいて、補間又は補外計算により、測定対象物S上の各点の位置を推定するように構成されている。粗計測によって測定された点の間にある点の位置を補間又は補外計算により推定する手法として、直線近似、多項式近似、スプライン関数近似等、任意の手法を用いることができる。
【0021】
なお、本明細書において、補間とは、既知の各点の間の点を、与えられた各点を通る所定の関数で近似し、推定することに加え、与えられた各点の近傍を通る関数で近似し、推定することを含むものとする。同様に、補外とは、既知の各点の外側にある点を、与えられた各点を通る所定の関数で近似し、推定することに加え、与えられた各点の近傍を通る関数で近似し、推定することを含むものとする。
【0022】
次に、図2及び図3を参照して、本発明の実施形態による形状計測システム1の作用を説明する。図2は、本実施形態の形状計測システム1による形状計測手順を示すフローチャートである。まず、ステップS1において、測定対象物S及び周波数変調型レーザ測定器2を所定の条件でセットする。本実施形態の形状計測システム1に含まれる周波数変調型レーザ測定器2は、測定用レーザ光を測定対象物Sの表面上に合焦させるためのフォーカシング情報を必要とする。通常、このフォーカシング情報として測定対象物SのCAD図面のデータ等が使用される。CAD図面データ等のフォーカシング情報を予め準備できる場合には、従来の周波数変調型レーザ測定器2によって測定対象物Sの形状を計測することができるので、ここでは、フォーカシング情報が準備できない場合について説明する。
【0023】
次に、フォーカシング情報を得るために、測定対象物Sの粗計測を行う。粗計測では、測定対象物S上の所定の数の点について手作業で位置を測定する。ステップS2においては、測定対象物S上の粗計測で位置を測定すべき点にマークを付ける。このマークとして、レーザー計測一般に使用されるターゲットシールを使用してもよい。図3に示すように、本実施形態では、測定対象物S上に縦5列、横5行の格子状に、合計25点のマークA11乃至A55を付けている。粗計測で位置を測定すべき点の数は、測定対象物Sの大きさや、形状の複雑さに応じて、適宜決定することができる。
【0024】
次に、ステップS2でマークを付けた点の位置を、レーザ測定器2を使用して、手作業で測定する。即ち、ステップS3では、レーザ測定器2からポインティングレーザを射出させ、このレーザ光が、位置を測定すべきマークに当たるようにレーザ測定器2のヘッド部6の向きを調整する。次に、レーザ測定器2の対物レンズ10から測定用レーザを射出し、対物レンズ10を手動で調整して、測定用レーザを測定対象物S上のマークに合焦させる。
【0025】
次に、ステップS4では、測定用レーザによって、測定用レーザを合焦させたマークの位置を測定する。測定されたマークの位置は、コントロールユニット4のメモリ12に記憶される。マークA11乃至A55全てについて、ステップS3、S4の操作を繰り返し、それらの位置をメモリ12に記憶させる。
【0026】
ステップS5では、フォーカシング情報生成手段14によって、粗計測において得られ、メモリ12に記憶された各マークの位置に基づいて、各マークの間の点の位置及び各マークの外側の点の位置が、補間及び補外計算によって推定される。最も単純には、例えば、マークA22とA23の間にある点の位置は、マークA22とA23とを結ぶ直線で近似して、推定することができる。或いは、マークA22、A23及びA33を頂点とする三角形の内部にある点の位置は、マークA22、A23及びA33を通る平面で近似して、推定することができる。同様に、測定対象物S上の各マークより外側にある点の位置も、直線又は平面に近似して推定することができる。好ましくは、各マークの間の点及び各マークの外側の点を、高次多項式等で表される曲線或いは曲面で近似して、推定する。
【0027】
次に、ステップS6では、フォーカシング情報生成手段14によって推定された測定対象物S上の各点の位置が、コントロールユニット4の制御手段16に送られる。制御手段16は、レーザ測定器2のヘッド部6がフォーカシング情報生成手段14によって位置が推定された点に向けられるように、ヘッド部6の向きを制御する。更に、ヘッド部6の対物レンズ10は、制御手段16によって、ヘッド部6が向けられた測定対象物S上の点に測定用レーザ光が合焦するように調整される。
【0028】
ステップS7では、ヘッド部6の対物レンズ10から測定用レーザ光を射出し、測定対象物S上の点の位置を本計測する。測定用レーザ光の合焦は、フォーカシング情報生成手段14によって推定された点の位置に誤差があったとしても、その誤差が所定の範囲内であれば自動的に調整される。ステップS6、S7の作用は、制御手段16によって、測定対象物S上の位置を測定すべき多数の点について繰り返され、測定対象物S上の各点の位置が本計測される。測定対象物S上で本計測を行う点の数は、測定対象物Sの寸法、形状、及び、形状計測に要求される精度に応じて適宜変更することができる。
ステップS8において、本計測された測定対象物Sの形状が、出力手段18によって表示される。
【0029】
本発明の実施形態による形状計測システムによれば、測定対象物SのCADデータ等のフォーカシング情報がない場合にも、フォーカシング情報を必要とするレーザ測定器によって、形状を計測することができる。また、本実施形態による形状計測システムでは、比較的少数の測定対象物上の点について手作業で位置を測定するだけで、測定対象物全体の多数の点について位置を測定することができるので、迅速に高精度な形状計測を行うことができる。
【0030】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、本実施形態では、レーザ測定器として、周波数変調型レーザ測定器を使用しているが、本発明の形状計測システムに、振幅変調型レーザ測定器等、フォーカシング情報を必要とする任意の光学的測定器を利用することもできる。また、本実施形態では、本計測を行うものと同じ周波数変調型レーザ測定器を使用して粗計測を行っているが、粗計測に使用する位置測定器は、本計測を行う測定器とは別の測定器であっても良く、光学式、接触式等、任意の位置測定器を使用することができる。
【0031】
【発明の効果】
本発明によれば、CADデータ等のフォーカシング情報が存在しない場合にも、フォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用して容易に形状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態による形状計測システムの概略図である
【図2】本発明の実施形態の形状計測システムによる形状計測手順を示すフローチャートである。
【図3】測定対象物上の粗計測を行う点の一例を示す図である。
【図4】従来の周波数変調型レーザ測定器の測定原理を示す図である。
【図5】従来の周波数変調型レーザ測定器のレーザ源から射出される周波数変調されたレーザ光を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
S 測定対象物
1 本発明の実施形態による形状計測システム
2 周波数変調型レーザ測定器
4 コントロールユニット
6 ヘッド部
8 スタンド
10 対物レンズ
12 メモリ
14 フォーカシング情報生成手段
16 制御手段
18 出力手段
Claims (5)
- 測定対象物の形状を測定する形状計測システムであって、
測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定手段と、
前記測定対象物上の粗計測された所定数の点の位置に基づいて、補間又は補外計算により、前記測定対象物上の各点の位置を推定し、前記光学測定手段により本計測を行う際のフォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生成手段と、
このフォーカシング情報生成手段が生成したフォーカシング情報に基づいて、前記光学測定手段を作動させる制御手段と、
を有することを特徴とする形状計測システム。 - 前記フォーカシング情報生成手段が、前記光学測定手段によって粗計測された所定数の点の位置に基づいて前記測定対象物上の各点の位置を推定する請求項1記載の形状計測システム。
- 前記光学測定手段が、周波数変調型レーザ測定器又は振幅変調型レーザ測定器である請求項1又は請求項2記載の形状計測システム。
- 測定対象物の形状を、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定器で測定する形状計測方法であって、
前記測定対象物上の所定の数の点の位置を、粗計測する粗計測ステップと、
この粗計測ステップで測定された点の位置測定値に基づいて、補間又は補外計算により、前記測定対象物上の各点の位置を推定する推定ステップと、
この推定ステップにおいて推定された各点の位置をフォーカシング情報として使用して、前記光学測定器によって前記測定対象物上の各点の位置を本計測する本計測ステップと、
を有することを特徴とする形状計測方法。 - 測定対象物の形状を、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定器で測定するために使用するフォーカシング情報生成プログラムであって、
粗計測された前記測定対象物上の所定の数の点の位置を入力する入力手順と、
この入力手順において入力された点の位置測定値に基づいて、補間又は補外計算により、前記測定対象物上の各点の位置を推定する推定手順と、
この推定手順において推定された各点の位置をフォーカシング情報として出力する出力手順と、
をコンピュータに実行させるためのフォーカシング情報生成プログラム。
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