JP2010164334A - 内面形状測定装置および内面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡単な構成で高精度の内面形状測定ができると共に、測定対象の内面形状が複雑な形状であってもより確実に測定を行い得る内面形状測定装置および内面形状測定方法を提供する。
【解決手段】２台の撮像装置１５，１６により、ビーム発射手段（１１，１２）が発射する放射状光ビーム１８が被測定物４０の内面４１に照射されてできる光跡を撮像し、演算処理装置３０により、撮像装置１５，１６による光跡撮像画像と、ビーム発射手段および２台の撮像装置１５，１６の相対的位置関係とに基づき、ビーム発射手段の光学中心（基準位置）と被測定物４０の内面４１との距離を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は内面形状測定装置および内面形状測定方法に係り、特に、より簡単な構成で高精度の内面形状測定ができ、測定対象の内面形状が複雑な形状であってもより確実に測定を行う内面形状測定装置および内面形状測定方法に関する。

従来からレーザ光を用いて管の内面形状を測定する内面形状測定装置が知られている。例えば、特開２００４−１０１１９０号公報に開示の「管梁内面形状測定装置及び測定方法」では、管梁内面の断面位置に光ビームを周方向に所定速度でスキャンさせ、光ビームのスキャンにより得られる光跡を蓄積撮像し、該撮像画像から撮像系基準位置と壁面との距離を算出して管梁内面形状を測定する手法が提案されている。

また、特開２００６−６４６９０号公報に開示の「管内面形状測定装置」では、管内面に沿って光スポットを移動させ、照射された管内面の表面形状を撮影し、撮影画像から管内面形状を演算する手法が提案されている。

特開２００４−１０１１９０号公報 特開２００６−６４６９０号公報

しかしながら、上述した特許文献１および特許文献２に開示された技術においては、光ビームを周方向にスキャンさせる、或いは、光スポットを移動させるための回転手段を備える必要があり、装置コストの増大を招くと共に装置小型化の妨げとなっていた。また、光ビームをスキャンさせる手法では、回転機構における回転軸のぶれなどの機構的問題が測定の高精度化の妨げとなっていた。

また、特許文献１および特許文献２に開示された技術では、測定対象の内面形状が一様ではなく、段差や傾斜、或いは凹凸などを持つ複雑な形状である場合には、撮像手段からの視野に死角が生じて、該視野角内に光ビームのスキャンによってできる壁面の光跡が入らないケースが生じ、内面形状を測定できない部分が生じてしまうという事情があった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、より簡単な構成で高精度の内面形状測定ができると共に、測定対象の内面形状が複雑な形状であってもより確実に測定を行い得る内面形状測定装置および内面形状測定方法を提供することを目的としている。

上記目的を解決するため、請求項１に記載の発明は、内部に空間を有する被測定物の該空間内面形状を測定する内面形状測定装置であって、光ビームを放射状に発射するビーム発射手段と、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を有し、該２つの視点から、互いに異なる方向に向けて、前記放射状光ビームが前記被測定物の空間内面に照射されてできる光跡を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による２つの視点からの光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの視点の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の空間内面との距離を算出する演算手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、内部に空間を有する被測定物の該空間内面形状を測定する内面形状測定装置であって、光ビームを放射状に発射するビーム発射手段と、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームの略垂直方向に該放射状光ビームを挟む両側に設置され、前記放射状光ビームが被測定物の空間内面に照射されてできる光跡を互いに異なる方向から撮像する２つの撮像手段と、前記２つの撮像手段による光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの撮像手段の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の空間内面との距離を算出する演算手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２の何れか１項に記載の内面形状測定装置において、前記撮像手段が撮像する画像の中心は、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームの放射中心に一致していることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の内面形状測定装置において、前記ビーム発射手段および前記撮像手段間の距離を可変設定する位置制御手段を有することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、ビーム発射手段を備え、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を持つ内面形状測定装置により、内部に空間を有する被測定物の該空間内面形状を測定する内面形状測定方法であって、前記２つの視点から、互いに異なる方向に向けて、前記放射状光ビームが被測定物の空間内面に照射されてできる光跡を撮像する撮像ステップと、前記撮像ステップによる２つの視点からの光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの視点の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の内面との距離を算出する演算ステップと、を備えることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、ビーム発射手段と、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に設置された２つの撮像手段と、を備えた内面形状測定装置により、内部に空間を備えた被測定物の内面形状を測定する内面形状測定方法であって、前記２つの撮像手段により前記放射状光ビームが被測定物の内面に照射されてできる光跡を互いに異なる方向から撮像する撮像ステップと、前記撮像ステップによる光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの撮像手段の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の内面との距離を算出する演算ステップと、を備えることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項５または請求項６の何れか１項に記載の内面形状測定方法において、前記撮像ステップにおける画像中心は、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームの放射中心に一致していることを特徴とする。

さらに、請求項８に記載の発明は、請求項５〜請求項７の何れか１項に記載の内面形状測定方法において、前記ビーム発射手段および前記撮像手段間の距離を可変設定する位置制御ステップを有することを特徴とする。

本発明によれば、ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を持たせ、該２つの視点からの放射状光ビームが被測定物の内面に照射されてできる光跡を２つの視点で撮像する構成としたので、被測定物の内面形状が一様でなく複雑な形状である場合でも、撮像の死角を低減してより確実に測定を行い得る内面形状測定装置および内面形状測定方法を実現することができる。

本発明の実施例１に係る内面形状測定装置の構成図である。 実施例１の内面形状測定装置による管の内面形状測定を説明する説明図である。 実施例１の内面形状測定装置の測定原理を模式的に説明する説明図である。 従来例と対比して本実施例の効果を説明する説明図であり、（ａ）は本実施例の説明図、（ｂ）は従来の説明図である。 実施例２の内面形状測定装置の測定原理を模式的に説明する説明図である。

以下、本発明の内面形状測定装置および内面形状測定方法の実施例について、実施例１、実施例２、変形例の順に図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係る内面形状測定装置の構成図であり、また、図２は実施例１の内面形状測定装置による管の内面形状測定を説明する説明図である。

図１において、本実施例の内面形状測定装置は、測定ユニット１０と、ＰＣ等の演算処理装置（演算手段）３０と、測定ユニット１０および演算処理装置３０間を接続するケーブル２０と、を備えた構成である。また、測定ユニット１０は、基本的構成として、ユニット本体１４内にレーザ発振器１１、コーンミラー１２および撮像装置（撮像手段）１５，１６を備えており、図示しないその他の構成として、撮像装置１５，１６が撮像した撮像データを、ケーブル２０を介して演算処理装置３０に送信するためのインタフェースも備えている。

ここで、特許請求の範囲にいうビーム発射手段は、レーザ発振器１１およびコーンミラー１２が該当し、光ビームを放射状に発射するものである。レーザ発振器１１およびコーンミラー１２は、レーザ発振器１１から発せられるレーザ光の光軸にコーンミラー１２の円錐軸が一致するように調整して設置されている。したがって、レーザ発振器１１から発せられたレーザ光はコーンミラー１２の先端に当たって、図２に示すように放射状光ビーム１８が形成されることとなる。

また、撮像装置１５，１６は、ビーム発射手段が発射する放射状光ビーム１８に垂直方向で該放射状光ビーム１８を挟む両側にそれぞれ設置されており、本実施例の内面形状測定装置は、放射状光ビーム１８を挟む両側に２つの視点を持つ構成である。撮像装置１５，１６は、ビーム発射手段が発射する放射状光ビーム１８が被測定物４０の内面４１に照射されてできる光跡を互いに異なる方向から撮像する。被測定物４０が例えば管などの円筒形状を持つものであれば、撮像装置１５，１６は、それぞれ円形状の光跡を撮像することとなる。なお、撮像装置１５，１６は特に限定されないが、本実施例では、例えばＣＣＤ（固体撮像素子）を撮像センサとして持つＣＣＤカメラで実現されるものとする。

次に、以上の構成を備えた本実施例の内面形状測定装置による内面形状測定方法について説明する。まず、図３を参照して本実施例の内面形状測定装置の測定原理を簡単に説明する。図３は実施例１の内面形状測定装置の測定原理を模式的に説明する説明図である。同図では、内面形状測定装置の測定ユニット１０が被測定物の内部空間に設置されて、被測定物の内面５１に放射状光ビーム１８が照射されている様子を示している。

なお、図中、点Ｐは、レーザ発振器１１およびコーンミラー１２を備えるビーム発射手段１３の光学中心、すなわち、放射状光ビームの放射中心（レーザ発振器１１から発せられるレーザ光の光軸Ｇと放射状光ビーム１８が交差する点）であり、撮像装置１５，１６の撮像センサの撮像面は、それぞれ光学中心Ｐから距離ｌの位置にあり、また撮像装置１５，１６が撮像する撮像画像の画像中心は、それぞれレーザ光の光軸Ｇ上に位置しているものとする（図中、撮像面と光軸Ｇの交差する点をＣとし、画像中心Ｃと呼ぶこととする）。なお、撮像装置１５，１６の撮像画像の画像中心は、撮像センサが矩形状領域に格子配列されたＣＣＤカメラの場合に矩形状領域の対角線が交差する点としても良いし、また任意に設定しても良い。

また以下では、撮像装置１６側についてのみ説明するが、図３では撮像装置１５，１６の光学中心Ｐからの距離を同一距離としているので、撮像装置１５側についても同等の説明となる。

図３において、ビーム発射手段１３からレーザ光の光軸Ｇに対して垂直に放射状光ビーム１８が照射されると、被測定物の内面５１の点Ａに光跡が生じて、撮像装置１６によりこれを撮像することとなる。そのときに見込まれる角度φ0が得られ、該角度φ0、並びに、撮像装置１６および光学中心Ｐ間の距離ｌに基づき、光学中心Ｐおよび点Ａ間の距離ｒは、次の式（１）で算出される。

ここで、撮像装置１６および光学中心Ｐ間の距離ｌは既知であり、角度φ0は撮像画像から求められ、光学中心Ｐから被測定物の内面５１の点Ａまでの距離ｒが求められることとなる。

なお、角度φ0は、演算処理装置３０における撮像画像についての画像処理により求められる。撮像画像上で放射状光ビーム１８による内面５１の光跡は高輝度（画像処理上は高階調）の画素として現れることから、例えば、該輝度差（階調差）に基づき、公知のエッジ検出技法等を用いて光跡を形成する各画素の座標を求めることができる。また、予め撮像画像上の座標に応じた距離ｒのテーブルをメモリに用意しておき、該テーブルメモリを参照して距離ｒを求めるようにしても良い。

また、距離ｒの算出に用いる式（１）は、放射状光ビーム１８がレーザ光の光軸Ｇに対して垂直に照射されることを前提としており、実際の測定に当たっては、レーザ発振器１１およびコーンミラー１２間の位置を調整する手段が必要である。この調整手段としては、例えば、レーザ発振器１１をボルト等で３点指示する構成とし、レーザ発振器１１から発せられるレーザ光が円錐形状のコーンミラー１２の先端に確実に照射されるように微調整するものが考えられる。

また、撮像装置１５，１６についての光学中心Ｐからの距離を同一の距離ｌとしているが、これは演算処理装置３０における画像処理の演算をより簡単なものにするためのものであり、これに限定されるものではない。また、距離ｌは固定値ではなく可変設定可能である。具体的に、撮像装置１５，１６はユニット本体１４内でそれぞれ可動部材（特許請求の範囲にいう位置制御手段に該当する）に設置され、該可動部材を動かすことにより距離ｌを調整する。なお、撮像装置１５，１６のそれぞれの可動部材は独立に可動制御するものであっても良いし、或いは連動して可動制御するものであっても良い。

なお、距離ｌは被測定物の内面形状の複雑さ（段差や傾斜、或いは凹凸などの度合い）に応じて設定するのが望ましい。つまり、内面形状に大きな段差、急な傾斜、或いは深い凹部または高い凸部などがあり、複雑であればあるほど撮像装置１５，１６の視野角内に内部壁面の測定領域が撮像されない可能性が高くなることから、内面形状が複雑である場合には距離ｌを短くして、撮像装置１５，１６の視野角（画角）を拡げる設定が望ましいのである。

また、測定前にはキャリブレーションが必要となる。本実施例の内面形状測定装置では、次のようにしてキャリブレーションを実施する。まず、第１のリングゲージ（内径値が既知）を設置して、該第１のリングゲージの内面に放射状光ビームを照射し、その光跡を撮像装置１５，１６により撮像する。そして、画像処理上の光跡を形成する各画素の座標に第１のリングゲージの内径値を基準寸法として設定する。

次に、第１のリングゲージとは寸法（内径値）の異なる第２のリングゲージを設定し、同様にして第２のリングゲージの内面に放射状光ビームを照射し、その光跡を撮像装置１５，１６により撮像する。そして、上記画像処理により第２のリングゲージの内径を算出する。さらに、第２のリングゲージの規定の内径値と内径測定値とを比較して、その誤差が許容精度内でなければ、撮像装置１５，１６およびレーザ発振器１１を微調整（焦点距離、絞り等）して、第２のリングゲージの内径測定を繰り返し行い、規定内径値と内径測定値との誤差が許容精度内となるようにする。

以上のようなビーム発射手段１３の微調整、撮像装置１５，１６および光学中心Ｐ間の距離調整、並びに、キャリブレーションを行った後、測定ユニット１０を被測定物４０の内部空間に入れて、被測定物４０の内面形状を測定する。測定は、撮像装置１５，１６により放射状光ビーム１８が被測定物４０の内面４１に照射されてできる光跡を撮像し、演算処理装置３０により、光跡撮像画像から得られる角度φ0と、撮像装置１５，１６の光学中心Ｐからの距離ｌとに基づき、式（１）からビーム発射手段１３の光学中心Ｐと被測定物４０の内面との距離を算出することにより行われる。

次に、図４を参照して、１台の撮像装置を備えた構成の測定ユニットで内面形状測定を行う従来例と、２台の撮像装置を備えた構成の測定ユニットで内面形状測定を行う本実施例と、を対比して説明する。図４は、従来例と対比して本実施例の効果を説明する説明図であり、（ａ）は本実施例の説明図、（ｂ）は従来の説明図である。なお、図４では、段差および傾斜を持つ管を被測定物とする例を例示している。このような構造は、例えばジェットエンジンシャフトや配管等で見受けられるものである。

まず、従来例（図４（ｂ））の場合、測定ユニット２１０を同図に対して左から右へ移動させて測定する際、測定ユニット２１０が位置Ｐ１にあるときには、ビーム発射手段（レーザ発振器２１１およびコーンミラー２１２）から照射される放射状光ビーム２１８により管の内面６１に形成される光跡は、管の段差により撮像装置２１６の視野角に入らず撮像されないこととなる。つまり、段差近傍の測定領域Ｓ１については内面形状を測定できないこととなる。

また、測定ユニット２１０が位置Ｐ２にあるときには、ビーム発射手段から照射される放射状光ビーム２１８により管の内面６１（傾斜部分）に形成される光跡は、管の傾斜により撮像装置２１６の視野角に入らず撮像されないこととなる。また、測定ユニット２１０が位置Ｐ２より手前にあるときには、傾斜部分に形成される光跡は撮像装置２１６の視野角に入るが、管の壁面に対して撮像装置２１６からの角度が小さすぎるため、撮像画像上の光跡はぼやけて幅を持つ形状で現れることとなり、測定精度が落ちてしまう。つまり、傾斜部分の測定領域Ｓ２については内面形状を測定できないか、或いは高精度な測定ができないこととなる。

一方、本実施例（図４（ａ））の場合、測定ユニット１０を同図に対して左から右へ移動させて測定する際、測定ユニット１０が位置Ｐ１にあるときには、ビーム発射手段（レーザ発振器１１およびコーンミラー１２）から照射される放射状光ビーム１８により管の内面６１に形成される光跡は、管の段差により撮像装置１６の視野角に入らず撮像されないが、撮像装置１５によって撮像できるため、段差近傍の測定領域Ｓ１についても内面形状を測定可能となる。

また、測定ユニット１０が位置Ｐ２にあるときには、ビーム発射手段から照射される放射状光ビーム１８により管の内面６１（傾斜部分）に形成される光跡は、管の傾斜により撮像装置１６の視野角に入らず撮像されないが、撮像装置１５によって撮像できるため、内面形状が測定可能となる。また、測定ユニット１０が位置Ｐ２より手前にあるときにも、傾斜部分に形成される光跡を撮像装置１５により管の壁面に対して大きな角度で撮像できるため、測定精度が落ちることはない。したがって、傾斜部分の測定領域Ｓ２についても内面形状を高精度で測定可能となる。

なお、本実施例の内面形状測定方法では、２台の撮像装置１５，１６で撮像した撮像画像からそれぞれの光学中心から被測定物の内面までの距離が求められることとなり、２つの測定結果を得ることになるが、最終的な測定値をどのように求めるかは、装置構成、即ち、２台の撮像装置１５，１６に同等の解像度を持たせる構成、或いは一方を主として他方を補助的なものとして解像度に差を持たせる構成などにより、適宜算法を決定すれば良い。例えば、２台の撮像装置１５，１６に同等の解像度を持たせる構成では、２つの測定結果の平均値を最終的奈測定結果とすれば良い。

以上説明したように、本実施例の内面形状測定装置および内面形状測定方法では、２台の撮像装置１５，１６（撮像ステップ）により、ビーム発射手段（１１，１２）が発射する放射状光ビーム１８が被測定物４０の内面４１に照射されてできる光跡を撮像し、演算処理装置３０（演算ステップ）により、撮像装置１５，１６（撮像ステップ）による光跡撮像画像と、ビーム発射手段および２台の撮像装置１５，１６の相対的位置関係とに基づき、ビーム発射手段の光学中心（基準位置）と被測定物４０の内面４１との距離を算出する。

このように、ビーム発射手段（１１，１２）が発射する放射状光ビーム１８を挟む両側に２つの視点を持たせ、該２つの視点からの放射状光ビームが被測定物４０の内面４１に照射されてできる光跡を２台の撮像装置１５，１６で撮像する構成としたので、被測定物４０の内面形状が一様ではなく、段差や傾斜、或いは凹凸などを持つ複雑な形状である場合に、一方の撮像装置の視野角に光跡が入らない測定ポイントでも、他方の撮像装置の視野角には該光跡が入る構成としたので、撮像の死角を低減してより確実に測定を行い得る内面形状測定装置および内面形状測定方法を実現することができる。

また、ビーム発射手段の構成を、レーザ発振器１１から発せられたレーザ光をコーンミラー１２の先端に当てて放射状光ビーム１８を形成する構成としたので、光ビームを周方向にスキャンさせる、或いは、光スポットを移動させるための回転手段を備える必要があり、装置コストの増大を招くと共に装置小型化の妨げとなっていた。また、従来の光ビームをスキャンさせる手法と比較して、回転機構における回転軸のぶれなどの機構的問題がなく測定可能であるので高精度の測定が可能となる。なお、試作機によりジェットエンジンシャフトの内面形状を測定したところ、１０^−２［ｍｍ］オーダーの精度での測定が可能であることを確認できた。

また、本実施例の内面形状測定装置および内面形状測定方法では、２台の撮像装置１５，１６のそれぞれの画像中心がビーム発射手段（１１，１２）の光軸上にある構成としたので、光学中心から被測定物の内面までの距離を算出する式をより簡単なものとすることができ、演算処理装置３０における画像処理の演算量を低減することができ、処理の高速化を図ることができる。

また、ビーム発射手段および撮像手段間の距離、即ち、撮像装置１５，１６についての光学中心Ｐからの距離を可動部材（位置制御手段）により可変設定する構成としたので、被測定物の内面形状の複雑さ（段差や傾斜、或いは凹凸などの度合い）に応じて該距離を可変設定することにより、複雑な内面形状を持つ被測定物に対しても撮像装置１５，１６の撮像の死角をより低減することができ、結果として、より確実に測定を行うことができる。なお、撮像装置１５，１６について同一の距離とする場合には演算処理装置３０における画像処理の演算量は変わらないが、それぞれ独立して距離を可変制御する構成では演算処理装置３０における画像処理の演算量は幾分増えることとなる。

また、レーザ発振器１１およびコーンミラー１２間の位置を調整する調整手段によっても、放射状光ビーム１８がレーザ光の光軸Ｇに対して垂直に照射されず、図３に示すように、垂直から角度θだけ傾いて照射される場合には、被測定物の内面５１の点Ｂに光跡が現れることとなり、式（１）によっては正確な光学中心から被測定物の内面までの距離が求められないが、次の実施例２でも説明するように、角度θを予め測定しておくことにより、光学中心Ｐから被測定物の内面５１の点Ｂまでの距離ｒ＋Δｒを求めることができる。

上述した実施例１の内面形状測定装置の構成（図１〜図３参照）では、２台の撮像装置１５，１６のそれぞれの画像中心がビーム発射手段１３の光軸上にある構成としたが、ビーム発射手段１１３の光軸上から、２台の撮像装置１１５，１１６の画像中心をそれぞれ所定（既知）の距離だけずらした構成とすることもできる。図５は、実施例２の内面形状測定装置の測定原理を模式的に説明する説明図である。同図では、内面形状測定装置の測定ユニット１１０が被測定物の内部空間に設置されて、被測定物の内面５１に放射状光ビーム１１８が照射されている様子を示している。

なお、図中、点Ｐは、実施例１と同様に、レーザ発振器およびコーンミラーを備えるビーム発射手段１１３の光学中心、すなわち、放射状光ビームの放射中心（レーザ発振器から発せられるレーザ光の光軸Ｇと放射状光ビーム１１８が交差する点）であり、撮像装置１１５，１１６の撮像センサの撮像面は、それぞれ光学中心Ｐから距離ｌの位置にある。また、実施例１とは異なり、撮像装置１１６が撮像する撮像画像の画像中心を通る撮像軸Ｇ’は、レーザ光の光軸Ｇから所定距離Δｚだけ図において上方にずれた位置にある（図中、撮像面と撮像軸Ｇ’の交差する点をＣとし、画像中心Ｃと呼ぶこととする）。なお、撮像装置１１５の撮像画像の画像中心は、実施例１と同様にレーザ光の光軸Ｇ上に位置している。

また以下では、撮像装置１１６側についてのみ説明するが、撮像装置１１５については実施例１と同等の説明となる。なお、図５では、ビーム発射手段１１３の光軸上から撮像装置１１５の画像中心を所定距離だけずらした構成としているが、２台の撮像装置１１５，１１６の双方について画像中心をそれぞれ所定距離だけずらした構成としても良い。

図５において、ビーム発射手段１１３からレーザ光の光軸Ｇに対して垂直に放射状光ビーム１１８が照射されると、被測定物の内面５１の点Ａに光跡が生じて、撮像装置１１６によりこれを撮像することとなる。そのときに見込まれる角度φ0が得られ、該角度φ0、並びに、撮像装置１１６および光学中心Ｐ（撮像装置１１６の撮像軸Ｇ’と放射状光ビーム１１８が交差する点Ｑ）間の距離ｌに基づき、点Ｑおよび点Ａ間の距離ｒは、実施例１と同様に式（１）で算出され、光学中心Ｐから被測定物の内面５１の点Ａまでの距離はｒ＋Δｚで求められる。

また、実施例１でも触れたように、放射状光ビーム１１８がレーザ光の光軸Ｇに対して垂直に照射されず、図５に示すように、垂直から角度θだけ傾いて照射される場合には、被測定物の内面５１の点Ｂに光跡が現れることとなり、式（１）によっては正確な光学中心から被測定物の内面までの距離が求められない。

このとき、撮像装置１１６により被測定物の内面５１の点Ｂに対して見込まれる角度φが得られ、該角度φ、レーザ光の光軸Ｇから撮像装置１１６の撮像軸Ｇ’までの距離Δｚ、放射状光ビーム１１８の照射角θ、並びに、撮像装置１１６および光学中心Ｐ（撮像装置１１６の撮像軸Ｇ’と放射状光ビーム１１８が交差する点Ｑ）間の距離ｌに基づき、式（１）における距離ｌを（ｌ＋Δｌ）に置き換え、また、点Ｑおよび点Ａ間の距離ｒを点Ｑおよび点Ｂ間の距離（ｒ＋Δｒ）に置き換えて、（ｒ＋Δｒ）＝（ｌ＋Δｌ）ｔａｎφにより算出されることとなる。なお、光学中心Ｐから被測定物の内面５１の点Ｂまでの距離はｒ＋Δｒ＋Δｚで求められる。

ここで、放射状光ビーム１１８の照射角θにより光跡位置が点Ａから点Ｂにずれることによる垂直方向のずれ量Δｒおよび水平方向のずれ量Δｌは、それぞれ式（２）および式（３）となる。

また、放射状光ビーム１１８の照射角θを小さくすることにより、垂直方向のずれ量Δｒおよび水平方向のずれ量Δｌを、それぞれ式（４）および式（５）の近似式に置き換えることができる。

なお、各式の導出および詳しい説明については、特開２００７−２８５８９１号公報「内面形状の測定方法とこの方法による測定装置」に開示されているので、参照されたい。

また、本実施例の内面形状測定方法、特に演算処理装置３０における画像処理については、上記の式を用いること以外は実施例１と同様である。また、実施例１と同様に、撮像装置１５，１６についての光学中心Ｐからの距離を、可動部材（位置制御手段）により可変制御するようにしても良い。

以上説明したように、本実施例の内面形状測定装置および内面形状測定方法では、２台の撮像装置１１５，１１６（撮像ステップ）により、ビーム発射手段１１３が発射する放射状光ビーム１１８が被測定物の内面５１に照射されてできる光跡を撮像し、演算処理装置（演算ステップ）により、撮像装置１１５，１１６（撮像ステップ）による光跡撮像画像と、ビーム発射手段および２台の撮像装置１１５，１１６の相対的位置関係とに基づき、ビーム発射手段１１３の光学中心（基準位置）と被測定物の内面５１との距離を算出する。

これにより、実施例１と同様に、被測定物の内面形状が一様ではなく、段差や傾斜、或いは凹凸などを持つ複雑な形状である場合に、一方の撮像装置の視野角に光跡が入らない測定ポイントでも、他方の撮像装置の視野角には該光跡が入る構成としたので、撮像の死角を低減してより確実に測定を行い得る内面形状測定装置および内面形状測定方法を実現することができる。

また、本実施例では、ビーム発射手段１１３の光軸上から、撮像装置１１５，１１６の画像中心を所定距離だけずらした構成としているので、被測定物の内面５１の光跡に対して撮像装置１１５，１１６の撮像角度が互いに異なる構成となり、撮像装置１１５，１１６の撮像角度が同一であった実施例１と比較して、撮像の死角をさらに低減してより確実に測定を行うことができる。

〔変形例〕
以上説明した実施例１および実施例２の内面形状測定装置では、撮像手段として２台の撮像装置１５，１６を備えた構成としたが、撮像手段の死角となる測定域を低減して、測定対象の内面形状が複雑な形状であってもより確実に測定を行い得るという本発明の効果を奏するためには、ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を持つことが必要条件であり、他の構成であっても良い。例えば、実施例１および実施例２の構成において撮像装置１５，１６の一方を平板の反射鏡に置き換え、他方の撮像装置により光跡の実像および鏡像を撮像する構成が考えられる。

演算処理装置（演算手段）３０における画像処理をより簡単にするためには、例えば、撮像装置の光学中心Ｐからの距離ｌと同じ距離の位置に反射鏡を設置するのが望ましい。この場合、撮像装置が撮像する鏡像について、画像中心Ｃが光学中心Ｐから距離２×ｌの位置にあるとして、実施例１および実施例２の内面形状測定方法と同様の計算式に基づきより簡単な演算で処理することができる。

なお、本変形例の構成では１台の撮像装置で撮像するが、測定域の内面形状によっては該撮像装置により光跡の実像または鏡像の何れか一方のみしか撮像されないケースが考えられる。この場合、２つの視点（画像中心Ｃ）と光学中心Ｐとの距離が異なることから、撮像した光跡が実像または鏡像の何れであるかを判断して、それぞれに応じた演算を行う必要がある。この実像または鏡像の何れであるかの判断について、その測定域に至るまでの被測定物の内面形状から推定する手法が考えられる。

以上説明した本変形例の内面形状測定装置および内面形状測定方法では、ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に、それぞれ反射鏡と１台の撮像装置を備える構成として、撮像装置（撮像ステップ）により、ビーム発射手段が発射する放射状光ビームが被測定物の内面に照射されてできる光跡の実像および鏡像を撮像し、演算処理装置（演算ステップ）により、撮像装置（撮像ステップ）による光跡撮像画像と、ビーム発射手段と反射鏡および撮像装置との相対的位置関係とに基づき、ビーム発射手段の光学中心（基準位置）から被測定物の内面までの距離を算出する。

このように、ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を持たせ、該２つの視点からの放射状光ビームが被測定物の内面に照射されてできる光跡の実像および鏡像を互いに異なる方向から撮像する構成としたので、被測定物の内面形状が一様ではなく、段差や傾斜、或いは凹凸などを持つ複雑な形状である場合に、実像または鏡像の一方に光跡が写らない測定ポイントでも、他方の鏡像または実像には該光跡が写る構成としたので、撮像の死角を低減してより確実に測定を行い得る内面形状測定装置および内面形状測定方法を実現することができる。

また、実施例１、実施例２および変形例の構成では、測定ユニットおよび演算処理装置間をケーブルで接続する構成としたが、本発明の内面形状測定装置の構成はこれに限定されることなく、他の構成であっても良い。

例えば、測定ユニット内にＩＣメモリ等の記憶手段を搭載して、撮像装置による撮像画像を該記憶手段に蓄積するようにすれば、測定時のケーブルは不要であり、装置をより小型化することもできる。なお、この構成では、測定終了後にケーブル等で測定ユニットおよび演算処理装置間を接続して、記憶手段の蓄積データを演算処理装置が読み取り、画像処理して被測定物の内部形状を特定することとなる。

さらに、記憶手段に加えて、測定ユニット内に画像処理ＩＣを搭載した構成とし、該画像処理ＩＣで上述した画像処理を行うようにすれば、測定時にケーブルおよび演算処理装置は不要となる。この場合、測定終了後にケーブル等で測定ユニットから画像処理結果（被測定物の内面形状を特定するデータ）をＰＣ等で読み取り、モニタ等に表示出力して測定結果を確認することとなる。

１０ 測定ユニット
１１ レーザ発振器
１２ コーンミラー
１３ ビーム発射手段
１４ ユニット本体
１５，１６ 撮像装置（撮像手段）
１８ 放射状光ビーム
２０ ケーブル
３０ 演算処理装置（演算手段）
４０ 被測定物
５１，６１ 被測定物の内面

Claims (8)

1. 内部に空間を有する被測定物の該空間内面形状を測定する内面形状測定装置であって、
   光ビームを放射状に発射するビーム発射手段と、
   前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を有し、該２つの視点から、互いに異なる方向に向けて、前記放射状光ビームが前記被測定物の空間内面に照射されてできる光跡を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段による２つの視点からの光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの視点の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の空間内面との距離を算出する演算手段と、
   を有することを特徴とする内面形状測定装置。
2. 内部に空間を有する被測定物の該空間内面形状を測定する内面形状測定装置であって、
   光ビームを放射状に発射するビーム発射手段と、
   前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームの略垂直方向に該放射状光ビームを挟む両側に設置され、前記放射状光ビームが被測定物の空間内面に照射されてできる光跡を互いに異なる方向から撮像する２つの撮像手段と、
   前記２つの撮像手段による光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの撮像手段の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の空間内面との距離を算出する演算手段と、
   を有することを特徴とする内面形状測定装置。
3. 前記撮像手段が撮像する画像の中心は、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームの放射中心に一致していることを特徴とする請求項１または請求項２の何れか１項に記載の内面形状測定装置。
4. 前記ビーム発射手段および前記撮像手段間の距離を可変設定する位置制御手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の内面形状測定装置。
5. ビーム発射手段を備え、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に２つの視点を持つ内面形状測定装置により、内部に空間を有する被測定物の該空間内面形状を測定する内面形状測定方法であって、
   前記２つの視点から、互いに異なる方向に向けて、前記放射状光ビームが被測定物の空間内面に照射されてできる光跡を撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップによる２つの視点からの光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの視点の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の内面との距離を算出する演算ステップと、
   を有することを特徴とする内面形状測定方法。
6. ビーム発射手段と、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームを挟む両側に設置された２つの撮像手段と、を備えた内面形状測定装置により、内部に空間を備えた被測定物の内面形状を測定する内面形状測定方法であって、
   前記２つの撮像手段により前記放射状光ビームが被測定物の内面に照射されてできる光跡を互いに異なる方向から撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップによる光跡撮像画像と、前記ビーム発射手段および前記２つの撮像手段の相対的位置関係とに基づき、前記ビーム発射手段の基準位置と被測定物の内面との距離を算出する演算ステップと、
   を有することを特徴とする内面形状測定方法。
7. 前記撮像ステップにおける画像中心は、前記ビーム発射手段が発射する放射状光ビームの放射中心に一致していることを特徴とする請求項５または請求項６の何れか１項に記載の内面形状測定方法。
8. 前記ビーム発射手段および前記撮像手段間の距離を可変設定する位置制御ステップを有することを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の内面形状測定方法。

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