JP2016001131A - 計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】精度を低下させることなく高速に計測可能な計測装置を提供する。【解決手段】光切断法により被検体の形状を計測する計測装置において、被検体に光を照射し、光の集光位置を光軸方向に変更可能に構成される投光部１３と、複数の画素が配置された撮像素子２１を有し、投光部により照射された光の被検体からの反射光による像を撮る撮像部１４と、集光位置を光軸方向に変更させて、光軸方向における集光位置の変更に応じて、光軸方向における集光位置に対応する結像位置で露光される画素の位置を変える制御部１５を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光切断の原理に基づいて被検体の寸法や形状を計測する計測装置に関する。

被検体の寸法や形状を計測する測定装置として、三次元計測装置（Coordinate Measuring Machine: CMM）が知られている。近年、三次元計測装置のプローブには高密度な多点の測定データを一度に取得できる非接触式のプローブが多く利用されるようになってきている。

非接触式のプローブは種々の方式や構成のものがあるが、その一つとして三角測量法の原理に基づいた光切断プローブがある。光切断プローブは、投光部から射出されたライン状のレーザ光を被検体に照射し、被検体上に生成された光切断ラインを受光レンズでイメージセンサの上に結像させ、受光した光の強度に応じたデジタル画像データに変換する。その後、光切断線の結像位置から三角測量の原理で演算処理を行い被検体までの距離を測定する。

光切断プローブにおいて、被検体上に照射される投光ライン幅（ラインが伸びる方向と垂直方向の幅）が細い場合は、イメージセンサ上に結像された光切断ラインも細くなるため、結像位置の導出に誤差が生じにくく計測精度が向上する。しかし、投光ライン幅を細くなるよう集光して照射する場合は、ライン幅の細くなる位置から離れた位置で被検体を計測した場合にライン幅が太くなってしまうことから、高精度に計測できる距離レンジが限定されてしまう。

特許文献１では、投光系を光軸方向に移動させて、まず、ワークの凹凸形状の上底で光切断線の幅が最小となる状態でライン状の光を照射して光切断ライン画像（ａ）を得る。次に、投光系を光軸方向に移動させて、ワークの凹凸形状の下底で光切断線の幅が最小となる状態でライン状の光を照射して光切断ライン画像（ｂ）を得る。こうして得られた複数の画像を用いて、凹凸形状の高さを算出している。

特開２０１２−００７９６１号公報

しかし、特許文献１の技術で計測レンジ内の任意位置において十分細い投光ライン幅で計測しようとする場合は、投光系の位置を細かく設定する必要がある。このため、投光系の位置毎の画像枚数が多くなり、距離演算等の後処理に時間がかかってしまう。また、画像枚数を少なくする場合は、投光系の位置を細かく設定できないため計測レンジ内の全域にわたって十分細い投光ライン幅を実現することができない。

本発明は、精度を低下させることなく高速に計測可能な計測装置を提供する。

本発明の一側面によれば、光切断法により被検体の形状を計測する計測装置であって、前記被検体に光を照射する投光部であって、前記光の集光位置を光軸方向に変更可能に構成された投光部と、複数の画素が配置された撮像素子を有し、前記投光部により照射された光の前記被検体からの反射光による像を撮る撮像部と、前記集光位置を前記光軸方向に変更させて、前記光軸方向における前記集光位置の変更に応じて、前記光軸方向における前記集光位置に対応する結像位置で露光される前記画素の位置を変える制御部とを有することを特徴とする計測装置が提供される。

本発明によれば、多数の画像を取得することなく測定範囲内のあらゆる位置で十分細い投光ライン幅で計測することができる。これにより、精度を低下させることなく高速に計測可能な計測装置を提供することができる。

実施形態における計測装置の構成図。 実施形態における光切断プローブの構成図。 第１実施形態における計測方法を説明する図。 第１実施形態における計測状態の例を示す図。 第２実施形態における投光部の側面図。 第２実施形態における計測方法を説明する図。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の計測装置の一態様である三次元計測装置の全体図である。本実施形態における三次元計測装置１は、光切断法により被検体の形状の計測を行う。三次元計測装置１の３軸駆動ステージは、被検体であるワークを搭載するための定盤２、Ｙキャリッジ３、Ｘスライダー４、Ｚスピンドル５で構成される。Ｙキャリッジ３は門型構造に構成されており、一対の脚部の上端部にてＸビーム６で連結される。定盤２の両側に配置されたエアガイドが、Ｙキャリッジ３の一対の脚部の下端をＹ軸方向に移動自在に支持する。Ｙキャリッジ３の上端部を連結するＸビーム６には、エアガイドを介して、Ｘスライダー４がＸ軸方向に移動自在に支持される。Ｘスライダー４には、エアガイドを介して、Ｚスピンドル５がＺ軸方向に移動自在に支持される。以上のように、Ｚスピンドル５の下端部に設けられた計測ヘッドが、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向に移動自在となる３軸駆動ステージを構成する。

また、計測ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚの位置座標を読み取るためのエンコーダが設けられる。具体的には、Ｙ座標測定用のリニアエンコーダ７が、Ｙキャリッジの一方の脚部近傍に配置される。また、不図示のＸ座標測定用のリニアエンコーダがＸビーム６に、不図示のＺ座標測定用のリニアエンコーダがＺスピンドル５に配置される。

定盤２に設けられたＹシャフト３３とＹキャリッジ３に設けられたＹ可動部８は、Ｙキャリッジ３をＹ方向に移動するための駆動部を構成する。この駆動部で一方の脚部を移動して門型構造のＹキャリッジ３をＹ軸方向に移動する。Ｘスライダー４をＸ方向に移動するための駆動部は、Ｙキャリッジ３に設けられたＸシャフト３４とＸスライダー４に設けられたＸ可動部から成る。Ｚスピンドル５をＺ方向に移動するための駆動部は、Ｘスライダー４に設けられた不図示のＺシャフトとＺスピンドルに設けられた不図示のＺ可動部から成る。Ｚスピンドル５の先端には、計測ヘッドの姿勢を変えるための２軸回転ヘッド１０が設けられており、Ｚ軸周りの回転、及び水平軸周りの回転が可能となっている。さらに２軸回転ヘッド１０の先端には、光切断プローブ１１が設けられている。メインＰＣ１２は、各ＸＹＺ駆動機構、２軸回転ヘッド１０、及び光切断プローブ１１に制御指令を出し、各計測値を解析して被検体の形状を算出する。

図２は、光切断プローブ１１の構成図である。光切断プローブ１１において、投光部１３は、被検体にＹ軸方向（紙面垂直方向）に延びるライン状の光（ライン光）を照射する。撮像部１４は、投光部１３により被検体に照射されたライン光を撮像する。制御部１５は、投光部１３および撮像部１４を制御し、撮像部１４により撮像された画像データに基づいて計測値を算出する。本明細書において、ライン光の長手方向の大きさをライン長、短手方向の大きさをライン幅と呼ぶ。

投光部１３は、レーザ光源１６とコリメーターレンズ１７と可変焦点レンズ１８とシリンドリカルレンズ１９を含む。投光部１３では、レーザ光源１６から射出された光を可変焦点レンズ１８に透過させることにより、任意の高さ位置にライン幅方向に集光させる。そして、シリンドリカルレンズ１９に透過させることによりライン光（ラインの長手方向は、図２のＹ方向。）を生じさせる。可変焦点レンズ１８は、制御部１５からの入力信号をもとに焦点距離を変更することで、投光部の光軸方向（Ｚ方向）の集光位置を所定範囲内で変更することが可能となっている。図２のように、投光部１３に近い位置Ｚmaxから、遠い位置Ｚminまでが集光位置の変更可能範囲とする。上述の通り、シリンドリカルレンズ１９はレーザ光源１６から射出された光をライン状に整形するためのレンズである。シリンドリカルレンズ１９を用いる代わりに、スポット光をガルバノミラーやポリゴンミラーで直線走査して見かけ上のライン光とする構成としてもよい。

撮像部１４は、被検体からの反射光を受光する。撮像部１４は、結像レンズ２０と撮像素子２１を含む。結像レンズ２０は、被検体に照射されたライン光を撮像素子２１に結像するためのものである。撮像部１４は、計測レンジ内の全ての位置で結像関係を満足するよう、ライン光がなす平面、撮像素子２１、及び結像レンズ２０の主平面が、同一直線上で交わるシャインプルーフ光学系の条件を満足していることが望ましい。

撮像素子２１は、例えば、光電変換素子を持つ複数の画素がマトリクス状に配置されたＭＯＳ型センサである。撮像素子２１によって得られた画像から三角測量の原理に基づいて被検体表面の高さが制御部１５にて算出される。具体的には、図２に示すように、ＹＺ座標と共役な撮像素子２１上の座標をＹ’Ｚ’座標とする。被検体表面の高さに応じてライン像のピーク座標Ｚ’が変位するため、ライン像が延びる方向（Ｙ’）の画素列毎に重心検出などの手法によりライン光のピーク座標値Ｚ’を算出して、その座標値に基づいて被検体表面の高さ（Ｚ座標）を算出する。ここで、前述の通り被検体に照射されるライン幅が太い場合にはピーク座標値を求める工程で誤差が発生する。
また、撮像素子２１は制御部１５からの指示に従い、画素毎に露光タイミングを変更することが可能となっている。

第１実施形態における光切断プローブを用いた計測方法を、画素毎の露光タイミングと投光部の集光位置との関係に着目して、図３を用いて説明する。
本実施形態の光切断プローブを用いた計測方法において、制御部１５は、投光部の集光位置を、図３（ａ）に示すとおり、時刻ｔに対してＺ方向に直線的に変化させる。ここで、ＦＲは撮像素子２１に設定されたフレームレートとし、（１／ＦＲ）までの時間で集光位置の移動を行い、順次同様の動作を繰り返す。

また、撮像素子２１は、図３（ｂ）に示すとおり、二次元的に配列された複数の画素からなり、被検体表面に照射されたライン像を露光して画像を取得することができる。ここで、Ｙ’軸方向を“列”、Ｚ’軸方向を“行”とすると、撮像素子２１は、画素の行ごとに異なる露光タイミングを設定する。具体的には図３（ｃ）に示すとおり、１行目の露光期間Ｅ１の開始時刻に対し２行目の露光期間Ｅ２を遅らせて開始する。同様に、最終行であるＮ行目までの露光期間を順次遅らせて開始していき、（１／ＦＲ）までの時間内に１枚の画像を取得するための露光をすべて完了し、画像を制御部１５に転送する。連続的に計測を行う場合は次のフレーム以降でも同様の動作を繰り返して画像を取得していく。

ここで、制御部１５は、可変焦点レンズ１８を制御して、投光部１３の集光位置を光軸方向（Ｚ方向）に変更させて、その集光位置の変更に応じて、その集光位置に対応する結像位置で露光される画素の位置を変える。本実施形態では、集光位置の移動に同期して、当該集光位置に対応する画素行ごとに露光を実施する。上述のとおり、本実施形態では撮像素子にＭＯＳ型センサを採用するので、ライン露光順次読出しを行うローリングシャッター動作により上記画素行ごとの露光が可能である。具体的には、制御部１５は、ある時刻におけるラインのＺ方向集光位置と、その時刻に露光されている撮像素子２１の行番号に対応するＺ’座標が等しくなるように、投光部と撮像素子２１を制御する。すなわち、被検体表面のＺ位置によってライン幅が細くなるタイミングを変化させ、ライン幅が細くなるタイミングに合わせて画素の行ごとの露光タイミングを設定する。

ライン集光位置変化と露光タイミングは、光切断プローブに求められる計測精度に従って、制御精度が決定されうる。より高精度に計測するためには、集光位置でのライン幅をより細く投光部を設計する。その場合はある時刻の投光ラインのＺ方向深度が小さくなるため、高精度に同期制御することが望ましい。また、図３では１つの行の露光期間は前後の行の露光期間と重なるように設定したが、撮像素子２１への受光強度が十分大きい場合には１つの行の露光期間は短くすることが可能であり、他の行の露光期間と重なるよう設定する必要はない。また、露光期間の長さによらず、１つの行の露光期間の中心時刻がその行に対応するＺ方向位置が集光位置となる時刻と一致していることが好ましい。

続いて、本実施形態の効果を、図４を用いて説明する。図４は本実施形態の光切断プローブを用いて被検体２５を計測した場合の状態を示す。被検体２５はＺ方向に対して高さの異なる３つの面２５ａ、２５ｂ、２５ｃを持ち、図４のようにライン光が照射されることで各面にライン２６ａ、２６ｂ、２６ｃが生成される。また、ライン２６ａ、２６ｂ、２６ｃは結像レンズ２０を介して撮像素子２１上にライン像２６ａ’、２６ｂ’、２６ｃ’として結像される。

ここで、図３で説明したとおり、時間的に投光部の集光位置を変化させるため、ライン２６ａ、２６ｂ、２６ｃの幅が最小となる時刻が面２５ａ、２５ｂ、２５ｃの高さによってそれぞれ変化する。ライン２６ａ、２６ｂ、２６ｃの幅が最も細くなる時刻を、それぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とすると、時刻Ｔ１ではライン２６ａの幅が最も細くなり高精度に計測可能な状態となっているが、他のライン２６ｂ、２６ｃの幅が太くなり十分な精度が得られない。ここで、前述のとおり、撮像素子２１では画素行毎に露光タイミングが、ライン幅が細くなるタイミングに合わせて設定されている。すなわち、ライン像２６ａ’、２６ｂ’、２６ｃ’に相当する画素行が露光により取得されるのは、それぞれ時刻Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３である。前述のとおり、露光期間は時間的な幅を持っているため露光期間の中心時刻が時刻Ｔ１、Ｔ２，Ｔ３となるよう設定されることが好ましい。従って、２６ａ’、２６ｂ’、２６ｃ’はそれぞれライン幅が最小化された状態で取得されており、すべての高さ位置で高精度な計測が実現可能である。

また、被検体２５は３つの高さしか持っていないが、三次元計測装置では、より複雑な形状、すなわち様々な高さが混在した被検体も計測可能でなければならない。本実施形態の光切断プローブを使用する場合は、高さ方向に連続的に集光位置を変化させ、集光位置に応じた画素のみ露光を行うため、計測レンジ内に様々な高さが混在しても、常に高精度な計測が可能となる。また、本実施形態の光切断プローブは１フレームで、すなわち１つの画像しか取得することなく、レンジ内のどの位置においても十分細い投光ライン幅で計測することで、高速かつ高精度に計測可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の光切断プローブ１１について図２、図５および図６に基づいて説明する。第２実施形態の光切断プローブ１１は、ワーキングディスタンス（投光部の最終面から被検面までの距離）が短く、且つライン長を大きく取りたい場合に効果的である。装置構成自体は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。第１実施形態では撮像素子の画素行毎に露光タイミングを設定したのに対して、本実施形態では、投光部の像面湾曲に対応した特定の画素領域毎に露光タイミングを設定する。

ワーキングディスタンスが短く、且つライン長を大きく取りたい場合に発生する問題について述べる。投光部１３の側面図を図５に示す。前述した通り、ライン幅を細くするために可変焦点レンズ１８によってライン幅方向に集光し、シリンドリカルレンズ１９によってライン長方向へ発散させている。このとき、ライン長方向の発散角が大きいとライン幅方向の集光位置は、図５の破線が示すように発散角の頂点を中心として円弧状に位置するため、この像面湾曲によって同一面上でのライン幅が端に行くにつれて太くなってしまう。

例えば、可変焦点レンズ１８のNAを0.016、シリンドリカルレンズによる発散角を20°とする。このとき、ワーキングディスタンス65mmの像面ではライン長25mmのライン光の中心部のライン幅が16um、端部のライン幅が30umと約2倍に広がるため、端部での計測精度が悪化してしまう。

この点に関して対策された第２実施形態の光プローブを用いた計測方法を、図６を用いて説明する。第２実施形態の光プローブを用いた計測方法でも、第１実施形態と同様に投光部の集光位置は時刻ｔに対してＺ方向に直線的に変化させる。投光部の集光位置がＺminである時刻t1で、投光部の集光位置は円弧状に湾曲しているため、撮像素子２１上では図６の灰色に塗りつぶされた画素領域１に対応している。撮像素子２１は、投光部の像面湾曲に対応した画素領域毎に異なるタイミングを設定する。具体的には、図６に示す通り、時刻ｔ1の画素領域１から時刻ｔnの画素領域ｎまでＺ’方向へ順次ずらして露光させ、フレームレート内に１枚の画像を取得するための露光を完了し、画像を制御部１５に転送する。その後の処理は第１実施形態と同じため説明を省く。

第１および第２実施形態では、撮像素子２１を特定の画素領域のみを露光させるように制御することで空間フィルタとしての役割を果たしている。第２実施形態のように非直線的な画素領域を順次露光させていくには撮像素子２１の各画素の配線を工夫する必要がある。したがって、別の空間フィルタ手段として、投光部の像面湾曲に対応した湾曲形状の開口をもつメカニカルシャッターを撮像素子の前に配置し、集光位置の移動に同期してメカニカルシャッターをスキャンさせてもよい。さらに別の空間フィルタ手段として、投光部の像面湾曲に対応した画素領域毎に開閉可能な透過型液晶素子を撮像素子の前に配置することで像面湾曲形状にフレキシブルに対応するようにしてもよい。また、投光部がライン光を被検体に照射したが、点状の光を被検体上で線に沿って走査してライン状に照射してもよい。

以上の実施形態によれば、多数の画像を取得することなくレンジ内のあらゆる位置において十分細い投光ライン幅で計測することができる。これにより、高速かつ高精度に計測可能な光切断プローブを提供することができる。

１１：光切断プローブ、１３：投光部、１４：撮像部、１５：制御部、１６：レーザ光源、１８：可変焦点レンズ、１９：シリンドリカルレンズ、２０：結像レンズ、２１：撮像素子

Claims (9)

1. 光切断法により被検体の形状を計測する計測装置であって、
   前記被検体に光を照射する投光部であって、前記光の集光位置を光軸方向に変更可能に構成された投光部と、
   複数の画素が配置された撮像素子を有し、前記投光部により照射された光の前記被検体からの反射光による像を撮る撮像部と、
   前記集光位置を前記光軸方向に変更させて、前記光軸方向における前記集光位置の変更に応じて、前記光軸方向における前記集光位置に対応する結像位置で露光される前記画素の位置を変える制御部と、
   を有することを特徴とする計測装置。
2. 前記制御部は、前記集光位置を前記光軸方向に移動させながら、前記移動に同期して、当該集光位置に対応する画素行ごとに露光を実施することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記撮像素子はＭＯＳ型センサであり、ローリングシャッター動作によって前記移動に同期して当該集光位置に対応する画素行ごとに露光を実施することを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
4. 前記制御部は、前記集光位置を前記光軸方向に移動させながら、前記移動に同期して、当該集光位置に対応し、かつ、前記投光部の像面湾曲に対応する画素の露光を実施することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
5. 前記制御部は、前記集光位置を前記光軸方向の所定範囲内を移動させることと、前記移動に同期して当該集光位置に対応する画素の露光を実施することとを繰り返すことで、連続的に計測を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の計測装置。
6. 前記投光部は、
   光源と前記被検体との間に設けられ、前記集光位置を前記光軸方向へ移動させる可変焦点レンズを含む
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の計測装置。
7. 前記投光部は、前記被検体にライン状の光を照射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の計測装置。
8. 前記投光部は、光源から射出された光を前記ライン状の光に整形するシリンドリカルレンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
9. 前記撮像部は、
   前記被検体からの反射光を前記撮像素子に結像するための結像レンズを含み、
   計測レンジ内の全ての位置で結像関係を満足するように、前記ライン状の光がなす平面、前記撮像素子、及び前記結像レンズの主平面が、同一直線上で交わるシャインプルーフ光学系の条件を満足する
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の計測装置。

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