JP2010122129A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】管状の被計測物の計測を容易に行うことができる計測装置を提供することを課題としている。
【解決手段】管状の被計測物２の内周面２ａ全周にわたって光を照射する照射手段４と、照射手段４により照射された光の反射光を投影する投影手段６と、投影手段６に投影された像を撮像する撮像手段７とを備え、照射手段４と撮像手段７とを対向して配置し、投影手段６を、照射手段４と撮像手段７との間に配置し、照射手段４を、前記内周面２ａの照射手段４と撮像手段７との間に線状のリング光Ｌを形成するように、光を円錐状に拡げて内周面２ａに照射する構成とし、投影手段６に前記リング光Ｌを投影し、投影手段に投影されたリング光を撮像手段７により撮像し、被計測物２の計測を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、管状の被計測物の計測を行う計測装置に関する。

従来管状の被計測物の内周面全周にわたって線状のリング光を照射し、内周面全周に形成された前記リング光を撮像することによって、被計測物の内面形状等を計測する計測装置が公知となっている（例えば特許文献１参照）。

一方管状の被計測物の内周面全周にわたって光を照射する照射手段と、該照射手段によって照射された光の反射光を被計測物の内周面全周に亘って投影する投影手段と、該投影手段に投影された光を撮像する撮像手段とを備え、該撮像手段による撮像情報に基づき前記被計測物の内面全周の検査等を行うことができる装置が公知となっている（例えば特許文献２参照）。
特開２００７−２８５８９１号公報 実開昭５９−６３３３０号公報

上記特許文献１において撮像手段は、被計測物の内周面のリング光が形成されている部分全体を撮像する必要があり、比較的大きな視野角が必要となる。このため１ピクセルあたりの撮像範囲が大きくなり、分解能を向上させることは容易ではない。ただし上記特許文献２に示されるように、内周面全周からの反射光を半球状の鏡体によって捉え、鏡体に形成された像を撮像する構造とすることによって、視野角を小さくすることができる。

しかし上記特許文献２の装置は、被計測物の内周面に照射される光が帯状のリング光となるため、特許文献１に示されるような被計測物に対する計測を行うことができない。また特許文献２の装置は、照射手段内に投影手段の像を捉えるイメージガイドが一体的に組み込まれているため、被計測物の内周面に線状のリング光を照射する照射手段を配置することは容易ではない。

上記課題を解決するための本発明の計測装置は、管状の被計測物２の内周面２ａ全周にわたって光を照射する照射手段４と、該照射手段４によって照射された光の反射光を前記内周面２ａの全周に亘って投影する投影手段６と、該投影手段６に投影された像を撮像する撮像手段７とを備え、該撮像手段７による撮像情報に基づき、被計測物２の計測を行う計測装置において、前記照射手段４と撮像手段７とを対向して配置し、前記照射手段４を、前記内周面２ａの照射手段４と撮像手段７との間に線状のリング光Ｌを形成するように、光を円錐状に拡げて前記内周面２ａに照射する構成とし、前記投影手段６を、前記リング光Ｌが投影されるように、照射手段４と撮像手段７との間に配置したことを第１の特徴としている。

第２に、前記照射手段４を、レーザ発光装置８とコーンレンズ９とを備え、該コーンレンズ９の円錐状に突出した頂部に、レーザ発光装置８からレーザ光を投光することによって、該レーザ光を円錐状に拡げて射出する構成としたことを特徴としている。

第３に、照射手段４と投影手段６とを、透明な筒状体からなる本体３に収容し、該本体３に撮像手段７を取り付けてなることを特徴としている。

以上のように構成される本発明の構造によると、撮像手段に対して対向して配置された照射手段が、被計測物の内周面の照射手段と撮像手段との間に線状のリング光を形成するため、照射手段と撮像手段との間に配置した投影手段に前記リング光を投影させ、投影手段に投影された前記リング光の像を撮像手段によって撮像することができる。

これにより撮像手段は、被計測物の内周面に形成されたリング光全体を撮像する必要がなく、投影手段に投影された像を撮像すれば済むため、撮像手段の視野角を、被計測物の内周面のリング光全体を撮像する場合に比較して小さくし、投影手段に投影された像に基づき被計測物の計測を高精度で行うことができるという効果がある。

特に光ファイバ等からなるイメージガイドを介して像の撮像を行う必要がないため、投影手段に投影された像を明瞭に撮像することができる。また撮像を行うためのパーツ等を照射手段と一体的に配置する必要がないため、計測装置自体を小型化することができ、比較的細い被計測物に対する計測を容易に且つ高精度で行うことができる。

なお照射手段は、例えばレーザ発光装置とコーンレンズとを備え、該コーンレンズの円錐状に突出した頂部に、レーザ発光装置からレーザ光を投光することにより、該レーザ光を円錐状に拡げて射出する構成とすることができる。

また照射手段と投影手段とを、透明な筒状体からなる本体に収容し、該本体に撮像手段を取り付けて本計測装置を構成することによって、照射手段と投影手段と撮像手段の軸心調整を容易に行うことができる他、照射手段から射出するレーザ光を全周に亘って同一の屈折状態で被計測物に向かって本体を通過させることができるという利点もある。

図１は、本発明の計測装置１の概要を示す断面図である。図１に示されるように、本計測装置１は、管状の被計測物２内に挿入され、被計測物２の計測を行う。

本計測装置１は筒状の本体３と、該本体３内に収容される照射手段４及び投影手段６と、本体３の端部に装着される撮像手段７とを備えてなる。前記本体３は、透明なガラスやプラスチック等からなり、光が透過する。

前記照射手段４は、レーザ発光装置８とコーンレンズ９と筒体１１とによって構成されている。前記コーンレンズ９は、一端側が円錐状に突出し、他端側が平面の端面をなしている。レーザ発光装置８とコーンレンズ９とは、コーンレンズ９の円錐部分の頂点を通る上記平面端面に垂直な軸線（中心軸線）と、レーザ光の投光軸線とが一致し、レーザ発光装置８からコーンレンズ９の頂点にレーザ光が投光されるように、筒体１１内に一体的に収容されている。

筒体１１のコーンレンズ９側は開口している。前記照射手段４は、レーザ発光装置８からコーンレンズ９の頂点に投光されたレーザ光が、コーンレンズ９により円錐状に拡がり、コーンレンズ９の平面端面より筒体１１の開口部分を介して射出する。照射手段４は、上記のようにユニット化され、前記筒体１１が、Ｏリング１２を介して本体３の一端側に挿入され、本体３に装着されている。

なお照射手段４のユニットは、筒体１１内にレーザ発光装置８とコーンレンズ９とを収容することによって構成されるため、レーザ光の投光軸線とコーンレンズ９の中心軸線とを容易に一致させることができ、ユニットの形成は容易である。照射手段４をユニット化
することによって、本体３側でレーザ光の投光軸線とコーンレンズ９の中心軸線とを一致させる等の調整を行う必要がない。

照射手段４のユニットを本体３に装着することによって、照射手段４により本体３内から簡単にレーザ光を円錐状に拡げて射出させることができる。照射手段４から射出した円錐状に拡がるレーザ光（円錐レーザ光）Ｒは本体３を透過し、被計測物２の内周面２ａに照射される。これにより被計測物２の内周面２ａには線状のリング光Ｌが形成される。本実施形態において、照射手段４（コーンレンズ９）は、円錐レーザ光Ｒが、側面視（図１）で、投光軸線を中心に６０度で拡がるように設定されている。

前記投影手段６は、周面が鏡面をなす球体１３と、該球体１３を支持する支持部材１４とからなる。前記支持部材１４がＯリング１６を介して本体３内に挿入されている。投影手段６は、前述のように被計測物２の内周面２ａに形成されるリング光Ｌが球体１３に投影されるように、照射手段４よりレーザ光の射出方向下流側に配置されている。投影手段６は、Ｏリング１６によって本体３とのシールを維持したまま、本体３内で容易にスライド移動させることができる。

前記撮像手段７はデジタルカメラ１７とレンズ１８とを備えてなる。該撮像手段７は、前記照射手段４との間に投影手段６を挟むように、照射手段４と対向して本体３の照射手段４の反対側の端部に装着されている。撮像手段７と前記投影手段６の球体１３とは対向している。撮像手段７（デジタルカメラ１７）の視野角は、概ね球体１３のみを撮影することができる程度に設定されている。

つまりデジタルカメラ１７の１ピクセルあたりの撮影範囲が、被計測物２の内周面２ａに形成されたリング光Ｌ全体を撮影する場合に比較して小さく設定され、撮像手段７によって、被計測物２の内周面２ａに形成されたリング光Ｌ全体を、投影手段６に投影することなく直接撮影することはできない。

前記撮像手段７の出力は、図示しない演算手段に入力される。本実施形態においては、演算手段は、被計測物２の内周面２ａに形成された線状のリング光に基づいて被計測物２の軸線を計測する従来公知の手段からなる。

図２に示されるように、レーザ光の投光軸線ＣＬが、被計測物２の軸線Ｃと一致している場合は、被計測物２の内周面２ａの全周方向において軸心方向の同一位置で、前記内周面２ａと円錐レーザ光Ｒとが接する。このため被計測物２の内周面２ａに形成されるリング光Ｌ及び該リング光Ｌが投影手段６（球体１３）に投影された投影リング光ＬＳは、側面視（図２）で、投光軸線ＣＬ（被計測物２の軸線Ｃ）に対して垂直となる。

これに対してレーザ光の投光軸線ＣＬと被計測物２’の軸線Ｃ’とがずれると、被計測物２’の内周面２ａ’と円錐レーザ光Ｒとは、前記内周面２ａ’の全周方向において異なる位置で接し、被計測物２’の内周面２ａ’に形成されるリング光Ｌ’は前記リング光Ｌに対して傾斜する。このため投影手段６（球体１３）に投影される投影リング光（図示しない）は、側面視で前記垂直な投影リング光ＬＳに対して傾斜する。

本実施形態において、レーザ光は側面視で６０度に拡がるため、例えばレーザ光の投光軸線ＣＬと被計測物２’の軸線Ｃ’とが平行に、該軸心Ｃ’及び投光軸線ＣＬと直交する方向に１ずれる場合、被計測物２’の内周面２ａ’と円錐レーザ光Ｒとの接する位置が、側面視で、レーザ光の投光軸線ＣＬと被計測物の軸線とが一致している際の位置に比較して軸心方向に√３ずれる。

つまり前記軸心Ｃ’と投光軸線ＣＬとが、軸心Ｃ’（投光軸線ＣＬ）に直交する方向にずれると、該ずれ量が円錐レーザ光Ｒの角度に応じて拡大され、被計測物２’の内周面２ａ’と円錐レーザ光Ｒとの接する位置の軸心方向のずれ量として現れる。被計測物２’の内周面２ａ’には、上記のように拡大されたずれ量に応じて傾斜等したリング光Ｌ’が形成される。該リング光Ｌ’が球体１３に投影され、撮像手段７に内蔵された撮像体７ａに撮像される。

本実施形態においては、被計測物２の内周面２ａに形成された線状のリング光の代わりに、投影手段６（球体１３）に投影された投影リング光の撮像データを演算手段に入力することによって、被計測物２の軸線を計測する。なお演算手段は、従来公知であるため、詳細な説明は割愛する。

本計測装置１は、撮像手段７の１ピクセルあたりの撮影範囲が前記のように小さいため、高精度で投影リング光を捕捉することができるが、被計測物２の内周面２ａに形成されるリング光が球体１３に縮小して投影される。しかし該リング光は、前述のように拡大されたずれ量に応じて傾斜等し、球体１３に投影されるため、被計測物２の軸心を高分解能で計測することができる。

なお本計測装置１は、上記のように照射手段４内に撮像を行うためのパーツ等を一体的に組み込む必要がないため、計測装置自体が小型化され、比較的細い被計測物に挿入して軸線の計測を行うことができる。特に光ファイバ等からなるイメージガイドを介して投影手段６の撮像を行う必要がないため、投影手段６に投影された投影リング光を明瞭に撮像することができる。

また照射手段４と投影手段６とを、透明な筒状体からなる本体３に収容し、該本体３に撮像手段７を取り付けて本計測装置が構成されるため、照射手段４と投影手段６と撮像手段７の軸心調整を本体３への取り付けによって容易に行うことができる他、照射手段４から射出するレーザ光を全周に亘って同一の屈折状態で被計測物２に向かって本体３を通過させることができ、リング光の形成時の歪のばらつき等を抑制することができる。さらに投影手段６の本体３内でのスライド移動及び撮像手段７の調整によって、球体１３を撮像手段７の撮影範囲内で、可及的に大きく且つ明瞭に撮像し、測定精度を向上させることができる。

計測装置の概要を示す側断面図である。 リング光の投影状態を示す側面概要図である。

符号の説明

２ 被計測物
２ａ 被計測物の内周面
４ 照射手段
６ 投影手段
７ 撮像手段
８ レーザ発光装置
９ コーンレンズ
Ｌ リング光

Claims (3)

1. 管状の被計測物（２）の内周面（２ａ）全周にわたって光を照射する照射手段（４）と、該照射手段（４）によって照射された光の反射光を前記内周面（２ａ）の全周に亘って投影する投影手段（６）と、該投影手段（６）に投影された像を撮像する撮像手段（７）とを備え、該撮像手段（７）による撮像情報に基づき、被計測物（２）の計測を行う計測装置において、前記照射手段（４）と撮像手段（７）とを対向して配置し、前記照射手段（４）を、前記内周面（２ａ）の照射手段（４）と撮像手段（７）との間に線状のリング光（Ｌ）を形成するように、光を円錐状に拡げて前記内周面（２ａ）に照射する構成とし、前記投影手段（６）を、前記リング光（Ｌ）が投影されるように、照射手段（４）と撮像手段（７）との間に配置した計測装置。
2. 前記照射手段（４）を、レーザ発光装置（８）とコーンレンズ（９）とを備え、該コーンレンズ（９）の円錐状に突出した頂部に、レーザ発光装置（８）からレーザ光を投光することによって、該レーザ光を円錐状に拡げて射出する構成とした請求項１の計測装置。
3. 照射手段（４）と投影手段（６）とを、透明な筒状体からなる本体（３）に収容し、該本体（３）に撮像手段（７）を取り付けてなる請求項１又は２の計測装置。

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