JP2017075880A - 形状測定装置および形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせて測定対象の３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる形状測定装置および該方法を提供する。
【解決手段】本発明の形状測定装置Ｄは、所定の測定範囲における画像を生成し、この生成した画像に基づいて測定対象における前記測定範囲での３次元形状を測定する、剛体支持部材で支持された複数の測定部１と、複数の測定部１の各測定結果をそれぞれ補正する補正部３２とを備え、補正部３２は、複数の測定点それぞれについて、当該測定点での位置ズレ量および傾斜角に基づく補正値で当該測定点での測定結果を補正し、前記位置ズレ量は、当該測定点が、所定の第１方向に沿って延びる基準線から、前記第１方向に直交する第２方向に沿ってずれたズレ量であり、前記傾斜角は、当該測定点における前記測定対象の表面の接平面と、前記第１および第２方向で形成される基準平面とのなす角である。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象の形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関し、特に、複数の画像に基づいて測定対象の３次元形状を測定する形状測定装置および形状測定方法に関する。

例えば断面形状等の、測定対象の３次元形状を一度に比較的広い範囲で測定する場合、例えば特許文献１に開示されているように、所定の測定範囲を持つ複数の測定装置を用い、各測定装置で測定された各測定範囲の各結果を互いに繋ぎ合わせることで、前記比較的広い範囲で前記測定対象の３次元形状が測定可能となる。また、前記測定対象が、例えばその一部がその他部表面に影を作るような入り組んだ複雑な形状である場合も、上述と同様に行うことで、前記測定対象の３次元形状が測定可能となる。

より具体的には、前記特許文献１に開示された３次元形状測定装置は、被計測物体をスリット光源で照射し、その反射光をビデオカメラで検出し、その検出信号を演算処理して上記ビデオカメラからの距離を求めることにより、上記スリット光源から照射した光線と上記被計測物体との交線の座標を求め、上記被計測物体を順次に移動または回転させることによって上記交線を被計測物体上で順次移動させることにより、上記ビデオカメラ側から見た上記被計測物体の３次元形状をいわゆるワイヤフレームモデルとして検出する３次元形状測定装置において、所定の平面に添って被計測物体の周囲を照射する複数個のスリット光源と、それぞれのスリット光源ごとに設けられ、該スリット光源とほぼ同じ軸で上記被計測物体からの反射光を検出する複数個のビデオカメラと、上記被計測物体を順次移動または回転させる駆動手段と、上記各ビデオカメラの画像を入力し、それぞれの画像からレーザ光の反射個所を検出し、距離画像を生成する距離画像生成手段と、上記の距離画像を座標変換して共通の実座標に変換する座標変換手段と、上記座標変換した信号から上記被計測物体のワイヤフレーム化手段とを備え、かつ、上記ワイヤフレーム化手段は、上記座標変換手段で求めた座標データを入力し、上記各スリット光源を照射する平面と上記被計測物体表面との交線における各座標データから、１つのカメラによるデータ１の始点および終点の座標と、他のカメラのデータ２の全ての座標との最小距離をそれぞれ求めることによってデータの重複区間を検出する重複区間検出手段と、該重複区間検出手段で求めたデータから、該重複区間はデータ１とデータ２の加重平均を求めて１つのデータを生成し、そのデータをデータ１とデータ２の重複区間のデータと置き換える置換手段とを含む。

特開平３−２０９１１２号公報

ところで、測定装置には、一般に、精度の高精度化が望まれる。上述のように、所定の測定範囲を持つ複数の測定装置それぞれで測定された各測定範囲の各結果を互いに繋ぎ合わせる場合、高精度化を実現するためには、繋ぎ目を相互に一致させる必要がある。前記特許文献１に開示された３次元形状測定装置は、重複区間のデータ１とデータ２との加重平均を求めて前記重複区間のデータを生成しているので、データ１とデータ２との繋ぎ目を相互に一致させているわけではなく、前記特許文献１に開示された３次元形状測定装置では、高精度化が難しい。

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、各測定範囲の各結果を互いに繋ぎ合わせて測定対象の３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる形状測定装置および形状測定方法を提供することである。

本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる形状測定装置は、所定の測定範囲における画像を生成し、前記生成した画像に基づいて測定対象における前記所定の測定範囲での３次元形状を測定する複数の測定部と、剛体で形成され、前記複数の測定部それぞれにおける各測定範囲の少なくとも一部が互いに重複しないように前記複数の測定部を支持する剛体支持部材と、前記複数の測定部それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正する補正部とを備え、前記補正部は、複数の測定点それぞれについて、当該測定点での位置ズレ量および傾斜角に基づく補正値で当該測定点での測定結果を補正し、前記位置ズレ量は、当該測定点が、所定の第１方向に沿って延びる基準線から、前記所定の第１方向に直交する第２方向に沿ってずれたズレ量であり、前記傾斜角は、当該測定点における前記測定対象の表面の接平面と、前記第１および第２方向で形成される基準平面とのなす角であることを特徴とする。好ましくは、剛体とは、前記複数の測定部それぞれで１つの各測定結果を得る間、前記複数の測定部における相互位置関係が維持されることである。好ましくは、上述の形状測定装置において、測定点Ｐでの位置ズレ量をＢ（Ｐ）とし、前記測定点Ｐでの傾斜角をθ（Ｐ）とし、前記測定点Ｐでの測定結果を（Ｘ（Ｐ）、Ｙ（Ｐ）、Ｚ（Ｐ））とした場合に、補正値Ｃ（Ｐ）は、Ｂ（Ｐ）×ｔａｎθ（Ｐ）であり、前記補正部は、補正後の測定結果を（Ｘ（Ｐ）、Ｙ（Ｐ）、Ｚ（Ｐ）−Ｂ（Ｐ）×ｔａｎθ（Ｐ））として求める。好ましくは、上述の形状測定装置において、前記複数の測定部それぞれで測定され前記補正部によって補正された補正後の各測定結果を互いに繋ぎ合わせる連結処理部をさらに備える。

このような形状測定装置は、前記複数の測定部それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正する補正部を備えるので、各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせて測定対象の３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる。

また、他の一態様では、上述の形状測定装置において、前記複数の測定点それぞれにおける各位置ズレ量を記憶する位置ズレ量情報記憶部をさらに備えることを特徴とする。好ましくは、上述の形状測定装置において、前記位置ズレ量は、所定の基準サンプルを測定することによって求められ、前記所定の基準サンプルは、前記第１方向と前記第１および第２方向それぞれに直交する第３方向とで形成される平面に平行な断面形状が前記測定対象と略同形状である。

このような形状測定装置は、位置ズレ量情報記憶部をさらに備えるので、予め用意された各位置ズレ量を用いてより迅速に各測定結果を補正できる。

また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記複数の測定点それぞれにおける各傾斜角を記憶する傾斜角情報記憶部をさらに備えることを特徴とする。好ましくは、上述の形状測定装置において、前記傾斜角は、前記測定対象の設計データから求められる。好ましくは、上述の形状測定装置において、前記傾斜角は、前記測定対象を測定（実測）することによって求められる。

このような形状測定装置は、傾斜角情報記憶部をさらに備えるので、予め用意された各傾斜角を用いてより迅速に各測定結果を補正できる。

また、他の一態様では、これら上述の形状測定装置において、前記複数の測定部それぞれは、光切断法によって３次元形状を測定することを特徴とする。

これによれば、光切断法によって３次元形状を測定する複数の測定部を備えた形状測定装置が提供できる。

そして、本発明の他の一態様にかかる形状測定方法は、複数の測定部それぞれにおける各測定範囲の少なくとも一部が互いに重複しないように前記複数の測定部を、剛体で形成された剛体支持部材で支持した形状測定装置で測定対象の３次元形状を測定する形状測定方法であって、前記複数の測定部によって前記各測定範囲における各画像をそれぞれ生成する画像生成工程と、前記画像生成工程で生成した各画像に基づいて前記測定対象における前記各測定範囲での各測定結果をそれぞれ求める形状演算工程と、前記形状演算工程で求めた前記各測定範囲での各測定結果をそれぞれ補正する補正工程とを備え、前記補正工程は、複数の測定点それぞれについて、当該測定点での位置ズレ量と傾斜角とに基づく補正値で当該測定点での測定結果を補正し、前記位置ズレ量は、当該測定点が、所定の第１方向に沿って延びる基準線から、前記所定の第１方向に直交する第２方向に沿ってずれたズレ量であり、前記傾斜角は、当該測定点における前記測定対象の表面の接平面と、前記第１および第２方向で形成される基準平面とのなす角であることを特徴とする。

このような形状測定方法は、前記各測定範囲での各測定結果をそれぞれ補正する補正工程を備えるので、各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせて測定対象の３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる。

本発明にかかる形状測定装置および形状測定方法は、各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせて測定対象の３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる。

実施形態における形状測定装置の構成を示すブロック図である。 実施形態の形状測定装置における測定部の構成を示すブロック図である。 実施形態の形状測定装置において、第１態様で剛体支持部材に支持された各測定部を示す概略正面図である。 実施形態の形状測定装置において、第２態様で剛体支持部材に支持された各測定部を示す概略正面図である。 実施形態の形状測定装置における補正値を説明するための図である。 実施形態の形状測定装置における位置ズレ量を説明するための図である。 実施形態の形状測定装置における位置ズレ量の算出方法を説明するための図である。 実施形態の形状測定装置における傾斜角の算出方法を説明するための図である。 実施形態における形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 実施形態の形状測定装置における各測定部で測定された各測定結果の連結方法を説明するための図である。

以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。

図１は、実施形態における形状測定装置の構成を示すブロック図である。図２は、実施形態の形状測定装置における測定部の構成を示すブロック図である。図３は、実施形態の形状測定装置において、第１態様で剛体支持部材に支持された各測定部を示す概略正面図である。図４は、実施形態の形状測定装置において、第２態様で剛体支持部材に支持された各測定部を示す概略正面図である。

実施形態における形状測定装置は、所定の測定範囲を持つ複数の測定部を用い、各測定部で測定された各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせることで、測定対象の３次元形状を測定する装置であり、そして、本実施形態では、前記各測定結果を互いに繋ぎ合わせる際に、前記各測定結果をそれぞれ補正する。前記測定対象は、任意の物体であってよいが、好適には、例えばスクリュー、プロペラおよびドリル等のような、球形、鞍形および螺旋形等の比較的複雑な形状であって連続的に滑らかに変化する測定面を持つ形状の物体である。

このような形状測定装置Ｄは、例えば、図１に示すように、複数の測定部１（１−１、１−２、１−３）と、図１に不図示の剛体支持部材２（図２および図３参照）と、制御処理部３と、記憶部４とを備え、図１に示す例では、さらに、入力部５と、出力部６と、インターフェース部（ＩＦ部）７とを備える。

複数の測定部１は、それぞれ、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って、所定の測定範囲における画像を生成し、この生成した画像に基づいて測定対象Ｏｂにおける前記所定の測定範囲での３次元形状を測定する装置である。複数の測定部１は、それぞれ、例えば、いわゆる光切断法によって測定対象Ｏｂの３次元形状を測定する。光切断法は、公知技術であり、概略、線状（ストライプ状、スリット状）の光（線状光）を測定対象Ｏｂに照射（投光）し、前記線状光の照射方向と角度を持つ撮像方向から、測定対象Ｏｂにおける前記線状光の照射された領域を撮像することで前記線状光の反射光を含む画像を生成し、この生成した画像における前記線状光の形状から三角測量の原理によって測定対象Ｏｂにおける前記線状光１本分の３次元形状を求める手法である。そして、この光切断法では、測定対象Ｏｂに対し、前記線状光を、その線状光の延びる方向に直交する方向に走査することで、前記測定対象全体の３次元形状が得られる。

このような光切断法を用いる複数の測定部１は、それぞれ、例えば、図２に示すように、線状光光源部１１と、撮像部１２と、３次元形状演算部１３とを備える。線状光光源部１１は、３次元形状演算部１３に接続され、３次元形状演算部１３の制御に従って線状光を照射する装置である。線状光光源部１１は、例えば、レーザ光を照射するレーザ光源と、前記レーザ光源から照射された前記レーザ光を線状に形成しこの形成した線状のレーザ光（線状レーザ光）を測定対象Ｏｂに照射する光学系とを備える。撮像部１２は、線状光光源部１１の照射方向（線状光光源部１１の光軸ＡＸ１）に所定の角度φで交差する撮像方向（撮像部１２の光軸ＡＸ２）から撮像するように配置され、３次元形状演算部１３に接続され、３次元形状演算部１３の制御に従って測定対象Ｏｂにおける前記線状レーザ光の照射された領域を撮像してその画像を生成する装置である。撮像部１２は、いわゆるカメラであり、例えば、結像光学系、イメージセンサおよび画像処理回路を備えて構成され、測定対象Ｏｂにおける前記領域の光学像を結像光学系によってイメージセンサの受光面に結像し、この結像した前記光学像をイメージセンサによって受光して前記光学像の受光信号を生成し、この生成した前記光学像の受光信号に対し公知の画像処理を施すことによって測定対象Ｏｂにおける前記領域の画像（画像データ）を生成する。照射方向（線状光光源部１１の光軸ＡＸ１）は、例えば垂直方向（０°）であり、撮像方向（撮像部１２の光軸ＡＸ２）は、前記所定の角度φである。３次元形状演算部１３は、線状光光源部１１および撮像部１２それぞれを当該機能に応じて制御し、撮像部１２で得られた測定対象Ｏｂにおける前記領域の画像から光切断法によって測定対象Ｏｂの３次元形状を求める装置である。３次元形状演算部１３は、例えば、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）（またはＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ Ｕｎｉｔ））、メモリおよびその周辺回路を備えて構成される。３次元形状演算部１３は、この求めた測定対象Ｏｂの３次元形状を制御処理部３へ出力する。

なお、上述では、複数の測定部１は、個別に、３次元形状演算部１３を備えたが、共通に１つの３次元形状演算部１３を備えて構成されて良く、あるいは、共通に１つの３次元形状演算部１３が制御処理部３に機能的に備えられて良い。

そして、これら複数の測定部１は、これら複数の測定部１それぞれにおける各測定範囲の少なくとも一部が互いに重複しないように、剛体で形成された剛体支持部材２によって固定的に支持される。剛体とは、複数の測定部１それぞれで１つの各測定結果を得る間、これら複数の測定部１における相互位置関係が維持されることである。剛体支持部材２は、例えば、鋼材やステンレス材等で形成される剛体台座（剛体板）である。

より具体的には、複数の測定部１は、３個の第１ないし第３測定部１−１〜１−３を備えて成る。そして、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、第１態様では、例えば、図３に示すように、所定の中心点ＣＰから等距離となるように、かつ、周方向に等間隔となるように、剛体支持部材２上に固定的に配設されている。より詳しくは、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３の各測定範囲が互いに重複すること無く順次に連続するように、そして、第２測定部１−２を中心に左右（前後）に周方向の等間隔で第１および第３測定部１−１、１−３が位置するように、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、剛体支持部材２上に配設され、締結部材（例えばネジやボルトとナット等）で剛体支持部材２に固定されている。このような第１態様で剛体支持部材２に固定的に配置される第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、図３に示すように、測定対象Ｏｂの曲面の形状を一度に測定する場合に好適な構成である。

また例えば、第２態様では、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、図４に示すように、測定面から等距離となるように、かつ、所定の一方向に沿って等間隔となるように、剛体支持部材２上に固定的に並設されている。より詳しくは、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３の各測定範囲が互いに重複すること無く順次に連続するように、そして、前記所定の一方向に沿って等間隔で第１および第３測定部１−１、１−３が順次に位置するように、これら第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、剛体支持部材２上に並設され、締結部材（例えばネジやボルトとナット等）で剛体支持部材２に固定されている。このような第２態様で剛体支持部材２に固定的に配置される第１ないし第３測定部１−１〜１−３は、図４に示すように、測定対象Ｏｂの平面の形状を比較的広く面積で一度に測定する場合に好適な構成である。

以下では、第１ないし第３測定部１−１〜１−３が上記第１態様で剛体支持部材２に固定的に配設されている場合について説明するが、第１ないし第３測定部１−１〜１−３が上記第２態様で剛体支持部材２に固定的に配設されている場合も同様に説明できる。

図１に戻って、入力部５は、制御処理部３に接続され、例えば、測定開始を指示するコマンド等の各種コマンド、および、例えば測定対象の名称等の測定する上で必要な各種データを形状測定装置Ｄに入力する機器であり、例えば、キーボードおよびマウス等である。出力部６は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って、入力部５から入力されたコマンドやデータ、および、形状測定装置Ｄによって求められた測定対象の３次元形状等を出力する機器であり、例えばＣＲＴディスプレイ、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）および有機ＥＬディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印刷装置等である。

なお、入力部５および出力部６からタッチパネルが構成されてもよい。このタッチパネルを構成する場合において、入力部５は、例えば抵抗膜方式や静電容量方式等の操作位置を検出して入力する位置入力装置であり、出力部６は、表示装置である。このタッチパネルでは、表示装置の表示面上に位置入力装置が設けられ、表示装置に入力可能な１または複数の入力内容の候補が表示され、ユーザが、入力したい入力内容を表示した表示位置を触れると、前記位置入力装置によってその位置が検出され、検出された位置に表示された表示内容がユーザの操作入力内容として形状測定装置Ｄに入力される。このようなタッチパネルでは、ユーザは、入力操作を直感的に理解し易いので、ユーザにとって取り扱い易い形状測定装置Ｄが提供される。

ＩＦ部７は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って外部機器との間でデータを入出力するためのインターフェース回路であり、例えば、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）規格を用いてデータを入出力するＢｌｕｅｔｏｏｔｈインターフェース回路、ＩｒＤＡ（Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｄａｔａ Ａｓｓｃｏｉａｔｉｏｎ）規格を用いてデータを入出力するＩｒＤＡインターフェース回路およびＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）規格を用いてデータを入出力するＵＳＢインターフェース回路等である。また、ＩＦ部７は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って有線または無線で通信するための通信回路（通信カード）であって良い。このようなＩＦ部７は、制御処理部３から入力された転送すべきデータを収容した通信信号を、通信ネットワークで用いられる通信プロトコルに従って生成し、この生成した通信信号を前記通信ネットワークを介して外部機器へ送信する。ＩＦ部７は、前記通信ネットワークを介して前記外部機器から通信信号を受信し、この受信した通信信号からデータを取り出し、この取り出したデータを制御処理部３が処理可能な形式のデータに変換して制御処理部３へ出力する。

記憶部４は、制御処理部３に接続され、制御処理部３の制御に従って、各種の所定のプログラムおよび各種の所定のデータを記憶する回路である。前記各種の所定のプログラムには、例えば、当該形状測定装置Ｄの各部を当該各部の機能に応じて制御する制御プログラムや、複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正する補正プログラムや、前記補正プログラムで補正された後の各測定結果を連結する連結処理プログラム等の制御処理プログラムが含まれる。前記各種の所定のデータには、例えば前記補正プログラムで使用される後述の位置ズレ量Ｂや傾斜角θ等の、測定対象の３次元形状を測定するために必要なデータが含まれる。このような記憶部４は、例えば不揮発性の記憶素子であるＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）や書き換え可能な不揮発性の記憶素子であるＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等を備える。そして、記憶部４は、前記所定のプログラムの実行中に生じるデータ等を記憶するいわゆる制御処理部３のワーキングメモリとなるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等を備える。また、記憶部４は、例えばハードディスク等の比較的大容量の記憶装置を備えて良い。

そして、記憶部４は、位置ズレ量Ｂおよび傾斜角θを記憶するために、位置ズレ量情報記憶部４１および傾斜角情報記憶部４２を機能的に備える。

位置ズレ量情報記憶部４１は、複数の測定点Ｐｎそれぞれにおける各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）を、測定対象Ｏｂの形状を測定する前に予め、記憶するものである。位置ズレ量Ｂ（Ｐ）は、測定点Ｐが、所定の第１方向に沿って延びる基準線から、前記所定の第１方向に直交する第２方向に沿ってずれたズレ量である。このような各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）は、好ましくは、後述するように、所定の基準サンプルＳＰを測定することによって求められる。

傾斜角情報記憶部４２は、複数の測定点Ｐｎそれぞれにおける各傾斜角θ（Ｐｎ）を、測定対象Ｏｂの形状を測定する前に予め、記憶するものである。傾斜角θ（Ｐ）は、測定点Ｐにおける測定対象Ｏｂの表面の接平面と、前記第１および第２方向で形成される基準平面ＳＦ−Ｒとのなす角である。このような各傾斜角θ（Ｐｎ）は、好ましくは、後述するように、測定対象Ｏｂの設計データから求められる。また好ましくは、各傾斜角θ（Ｐｎ）は、測定対象Ｏｂを測定（実測）することによって求められる。

これら各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および各傾斜角θ（Ｐｎ）については、後に詳述する。

制御処理部３は、形状測定装置Ｄの各部を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御し、測定対象の３次元形状を測定するための回路である。制御処理部３は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）およびその周辺回路を備えて構成される。制御処理部３には、制御処理プログラムが実行されることによって、制御部３１、補正部３２および連結処理部３３が機能的に構成される。

制御部３１は、形状測定装置Ｄの各部を当該各部の機能に応じてそれぞれ制御するものである。

補正部３２は、複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正するものである。より具体的には、補正部３２は、複数の測定点Ｐｎそれぞれについて、当該測定点Ｐｎでの位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）に基づく補正値Ｃ（Ｐｎ）で当該測定点Ｐｎでの測定結果（Ｘ（Ｐｎ）、Ｙ（Ｐｎ）、Ｚ（Ｐｎ））を補正する。より詳しくは、補正値Ｃ（Ｐｎ）は、Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ）であり、補正部３２は、補正後の測定結果を（Ｘ（Ｐｎ）、Ｙ（Ｐｎ）、Ｚ（Ｐｎ）−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））として求める。

連結処理部３３は、複数の測定部１それぞれで測定され補正部３２によって補正された補正後の各測定結果を互いに繋ぎ合わせる連結処理を実行するものである。本実施形態では、複数の測定部１は、それぞれ、ローカル直交座標系ＸＹＺで測定対象Ｏｂの３次元形状を測定し、これら複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果は、各ローカル座標系ＸＹＺ上で補正される。そして、当該形状測定装置Ｄは、ワールド直交座標系ｘｙｚを有し、連結処理部３３は、このワールド座標系ｘｙｚでの複数の測定部１それぞれの各配設位置に基づいて、各ローカル座標系ＸＹＺでの各補正後の各測定結果をワールド座標系ｘｙｚへ座標変換することによって前記連結処理を実行する。

次に、本実施形態の動作について説明する。図５は、実施形態の形状測定装置における補正値を説明するための図である。図５（Ａ）は、斜視図であり、図５（Ｂ）は、断面図である。図６は、実施形態の形状測定装置における位置ズレ量を説明するための図である。図６（Ａ）は、斜視図であり、図６（Ｂ）は、上面図である。図７は、実施形態の形状測定装置における位置ズレ量の算出方法を説明するための図である。図７（Ａ）は、要部全体図であり、図７（Ｂ）は、拡大断面図である。図８は、実施形態の形状測定装置における傾斜角の算出方法を説明するための図である。図８（Ａ）は、斜視図であり、図８（Ｂ）は、断面図である。図９は、実施形態における形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図１０は、実施形態の形状測定装置における各測定部で測定された各測定結果の連結方法を説明するための図である。図１０（Ａ）は、第１測定部１−１用の第１ローカル座標系での第１測定部１−１の測定結果を示し、図１０（Ｂ）は、第２測定部１−２用の第２ローカル座標系での第２測定部１−２の測定結果を示し、図１０（Ｃ）は、第３測定部１−３用の第３ローカル座標系での第３測定部１−３の測定結果を示し、図１０（Ｄ）は、ワールド座標系へ座標変換後の第１測定部１−１の測定結果を示し、図１０（Ｅ）は、前記ワールド座標系へ座標変換後の第２測定部１−２の測定結果を示し、図１０（Ｆ）は、前記ワールド座標系へ座標変換後の第３測定部１−３の測定結果を示し、図１０（Ｇ）は、図１０（Ｄ）ないし図１０（Ｆ）に示す各測定結果を連結した連結後の測定結果を示す。

上述のように複数の測定部１、本実施形態では、第１ないし第３測定部１−１〜１−３が、その設計位置に正確に剛体支持部材２に配置される場合には、補正の有用性は、少ない。しかしながら、現実の製品では、第１ないし第３測定部１−１〜１−３をその設計位置に正確に剛体支持部材２に配置することは、機械精度上、難しい。あるいは、測定部１個々の製品ばらつきもある。このため、例えば、図５（Ａ）に示すように、各測定部１−１〜１−３の各測定範囲、本実施形態では線状光ＳＳ−１〜ＳＳ−３は、各繋ぎ目が必ずしも一致せずにズレてしまう。このため、本実施形態では、図５（Ｂ）に示すように、測定点Ｐにおける位置ズレ量Ｂ（Ｐ）および傾斜角θ（Ｐ）が基準サンプルや設計データ等から予め求められ、高さの測定値Ｈ１に対し、補正値Ｃ（Ｐ）＝Ｂ（Ｐ）×ｔａｎθ（Ｐ）が求められ、補正後の高さＨ２＝Ｈ１−Ｂ（Ｐ）×ｔａｎθ（Ｐ）が求められている。このように光切断法によって求められる高さ（形状測定装置Ｄから測定対象Ｏｂの測定面ＳＦ−Ｏｂまでの距離）が補正される。以下、位置ズレ量Ｂ、傾斜角θおよび測定対象Ｏｂの測定動作を順に説明する。これらの説明において、第１ないし第３測定部１−１〜１−３それぞれには、各ローカル直交座標系ＸＹＺが図５に示すように設定される。より詳しくは、本実施形態では、光切断法が用いられるので、設計上の線状光の延びる方向に沿ってＸ軸（Ｘ方向）が設定され、これに直交する方向に沿ってＹ軸（Ｙ方向）が設定される。光切断法の走査方向は、このＹ方向に設定される。そして、これらＸ軸およびＹ軸それぞれに直交する方向に沿ってＺ軸（Ｚ方向）が設定される。すなわち、線状光の照射方向（線状光光源部１１の光軸ＡＸ１）に沿ってＺ軸（Ｚ方向）が設定される。

まず、位置ズレ量Ｂは、次のように求められ、位置ズレ量情報記憶部４１に記憶される。この位置ズレ量Ｂの設定では、図６に示すように、所定の基準サンプルＳＰが用意される。この基準サンプルＳＰは、図６に示すように、設計上の線状光の延びる方向に沿った前記Ｘ軸（Ｘ方向）と同方向のｘ軸（ｘ方向）、これに直交し、光切断法の走査方向に沿った前記Ｙ軸（Ｙ方向）と同方向のｙ軸（ｙ方向）、および、これらｘ軸およびｙ軸それぞれに直交するｚ軸から成るワールド座標系ｘｙｚを設定した場合に、ｘｚ平面に平行な断面形状が測定対象Ｏｂと略同形状である。この基準サンプルＳＰでは、ｙ方向には、測定対象と略同形状なｘｚ平面が連続する。この基準サンプルＳＰにおける測定面（線状光が照射され撮像される面）ＳＦ−ＳＰには、Ｘ軸（設計上の線状光の延びる方向、ｘ軸）に平行な直線である基準線ＳＳ０が設けられる。そして、形状測定装置Ｄにおける第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって各線状光ＳＳ−１〜ＳＳ−３が基準サンプルＳＰに照射されその各画像が撮像される。次に、各画像から基準線ＳＳ０の形状（基準線プロファイル）および各線状光ＳＳ１〜ＳＳ３の各形状（各レーザラインプロファイル）それぞれが求められる。次に、予め設定された所定の第１間隔ごとのＸ軸上の各点Ｘｎそれぞれにおける基準線ＳＳ０と各線状光ＳＳ１〜ＳＳ３との距離△Ｙ（Ｘｎ）が位置ズレ量Ｂ（Ｘｎ）として求められる（Ｂ（Ｘｎ）＝△Ｙ（Ｘｎ））。より具体的には、測定部１の撮像部１２は、図２および図７（Ａ）に示すように、前記所定の角度φで基準サンプルＳＰの測定面ＳＦ−ＳＰを見込んでいるので、画像上では、図７（Ｂ）に示すように、見かけの距離（見かけの位置ズレ量）Ｅが求められる。この見かけの距離Ｅは、実際の距離△Ｙ（実際の位置ズレ量Ｂ）を、撮像部１２の光軸ＡＸ２を法線とする平面に射影したものである。このため、実際の距離△Ｙは、Ｅ／ｃｏｓφとなる。したがって、位置ズレ量Ｂ（Ｘｎ）の演算では、１画素に写り込む被写体の実際の長さ（換算長）ｇが求められて記憶部４に予め記憶され、点Ｘｎにおける基準線ＳＳ０と線状光ＳＳ１〜ＳＳ３との間のＹ方向の画素数ｅｎが求められ、この求められた画素数ｅｎに前記換算長ｇが乗算され（ｅｎ×ｇ）、この乗算結果がｃｏｓφで除算され、距離△Ｙ（Ｘｎ）（＝位置ズレ量Ｂ（Ｘｎ）＝ｅｎ×ｇ／ｃｏｓφ）が求められる。これによって基準サンプルＳＰの測定面ＳＦ−ＳＰに対し、各点Ｐｎ（Ｘｎ）での位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ（Ｘｎ））が求められる。そして、これら求められた各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）が各点Ｐｎ（Ｘｎ）と対応付けられて位置ズレ量情報記憶部４１に記憶される。

次に、傾斜角θは、次のように求められ、傾斜角情報記憶部４２に記憶される。この傾斜角θの設定では、図８に示すように、形状測定装置Ｄにおける第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって、Ｙ方向に予め設定された第３間隔ｋだけ離間した２箇所それぞれに各線状光ｌ１、ｌ２が測定対象Ｏｂに照射され、それらの各画像が撮像され、前記２箇所での３次元形状が求められる。次に、これら前記２箇所での３次元形状から前記所定の第１間隔ごとのＸ軸上の各点Ｘｎそれぞれにおける高さの差ｍ（Ｘｎ）（＝ｍ１（Ｘｎ）−ｍ２（Ｘｎ））が求められ、この求められた高さの差（Ｘｎ）が前記第３間隔ｋで除算され、傾斜角θ（Ｘｎ）が求められる（θ（Ｘｎ）＝（ｍ１（Ｘｎ）−ｍ２（Ｘｎ））／ｋ）。傾斜角θ（Ｘｎ）は、言い換えれば、点Ｘｎにおける線状光ｌ１の接線と、前記基準平面ＳＦ−Ｒとのなす角である。前記第３間隔ｋは、ｔａｎθ＝（ｍ１（Ｘｎ）−ｍ２（Ｘｎ））／ｋ）＝θと近似できる範囲内で適宜に設定される。そして、このような傾斜角θ（Ｘｎ）の測定が前記所定の第２間隔ごとのＹ軸上の各点Ｙｎそれぞれで実施される。これによって測定対象Ｏｂの測定面ＳＦ−Ｏｂ全面に対し、各点Ｐｎ（Ｘｎ、Ｙｎ）での傾斜角θ（Ｐｎ（Ｘｎ、Ｙｎ））が求められる。そして、これら求められた各傾斜角θ（Ｐｎ）が各点Ｐｎ（Ｘｎ、Ｙｎ）と対応付けられて傾斜角情報記憶部４２に記憶される。

なお、上述では、２箇所で傾斜角θ（Ｘｎ）を求めたが、３箇所以上の複数箇所の測定結果から例えば最小二乗法等によって傾斜角θ（Ｘｎ）が求められても良い。また上述では、測定対象Ｏｂを用いて各点Ｐｎの傾斜角θ（Ｐｎ）が求められたが、測定対象Ｏｂの設計データを用いて各点Ｐｎの傾斜角θ（Ｐｎ）が求められても良い。例えば、前記第３間隔ｋだけ離間した２箇所の高さｍ１（Ｘｎ）、ｍ２（Ｘｎ＋ｋ）が設計データから求められ、それらの高さの差ｍ（Ｘｎ）が求められ、この求められた高さの差（Ｘｎ）が前記第３間隔ｋで除算され、傾斜角θ（Ｘｎ）が求められる。

このような準備（前処理）の実行後に、測定対象Ｏｂの測定が実施される。この測定対象Ｏｂの測定では、測定が開始されると、制御部３１の制御に従って、Ｙ方向における所定の走査位置Ｙｎの測定が実施可能となるように、第１ないし第３測定部１−１〜１−３と測定対象Ｏｂとが図略の移動機構によって相対的に移動される（Ｓ１）。例えば、形状測定装置Ｄは、剛体支持部材２をＹ方向に沿って移動させる図略の駆動部を備え、前記駆動部によって剛体支持部材を移動することで、この処理Ｓ１が実行される。また例えば、形状測定装置Ｄは、Ｙ方向に沿って移動する図略の載置台（ステージ）を備え、測定対象Ｏｂを載置した前記載置台を移動することで、この処理Ｓ１が実行される。

次に、当該走査位置Ｙｎにおいて、制御部３１の制御に従って第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって、各線状光１本分の各３次元形状（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）が測定され、その各測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）が記憶部４に記憶される（Ｓ２）。

次に、制御部３１によって全ての走査位置Ｙｎで測定が終了したか否かが判定される（Ｓ３）。この判定の結果、全ての走査位置Ｙｎで測定が終了していない場合（Ｎｏ）には、制御部３１は、次の走査位置Ｙｎでの測定を実施すべく、処理を処理Ｓ１に戻す。前記判定の結果、全ての走査位置Ｙｎで測定が終了している場合（Ｙｅｓ）には、制御部３１は、次の処理Ｓ４を実行する。

処理Ｓ４では、補正部３２によって補正処理が実行される。より具体的には、補正部３２は、記憶部４から測定点Ｐｎの測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を読み出し、この測定点Ｐｎに対応する位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）を読み出し、補正値Ｃ（Ｐｎ）としてＢ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ）を求め、この求めた補正値Ｃ（Ｐｎ）で測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）を補正して補正後の測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））を求め、この求めた補正後の測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））を記憶部４に記憶する。なお、上述では、補正処理Ｓ４で補正値Ｃ（Ｐｎ）が求められたが、補正値Ｃ（Ｐｎ）は、予め求められて測定点Ｐｎと対応付けて記憶部４に記憶され、補正処理Ｓ４で記憶部４から読み出されて用いられても良い。また、上述では、各測定点Ｐｎそれぞれにその測定結果を補正するための位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）が上述のように予め準備されたが、測定点Ｑに対応する位置ズレ量Ｂ（Ｑ）および傾斜角θ（Ｑ）が無い場合には、測定点Ｑの周辺に位置する点Ｐｎに与えられている位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）および傾斜角θ（Ｐｎ）から補間によって測定点Ｑに対応する位置ズレ量Ｂ（Ｑ）および傾斜角θ（Ｑ）が生成されても良い。

次に、第１ないし第３測定部１−１〜１−３によって測定され補正部３２によって補正された補正後の測定結果を互いに繋ぎ合わせる連結処理が連結処理部３３によって実行される（Ｓ５）。より具体的には、連結処理部３３は、ワールド座標系ｘｙｚでの複数の測定部１それぞれの各配設位置に基づいて、各ローカル座標系ＸＹＺでの各補正後の各測定結果（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ−Ｂ（Ｐｎ）×ｔａｎθ（Ｐｎ））をワールド座標系ｘｙｚへ座標変換する。

一例では、第１ないし第３測定部１−１〜１−３が図３に示す第１態様で剛体支持部材２に組み付けられている場合において、上述の処理Ｓないし処理Ｓ４の各処理を実行することによって、第１測定部１−１は、図１０（Ａ）に示すように、その第１ローカル座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１で測定対象Ｏｂを測定し、その補正後の測定結果ＰＦａ−１を求め、第２測定部１−２は、図１０（Ｂ）に示すように、その第２ローカル座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２で測定対象Ｏｂを測定し、その補正後の測定結果ＰＦａ−２を求め、第３測定部１−３は、図１０（Ｃ）に示すように、その第３ローカル座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３で測定対象Ｏｂを測定し、その補正後の測定結果ＰＦａ−３を求めている。ワールド座標系ｘｙｚでの第１測定部１−１は、図１０（Ｄ）に示すように、第１ローカル座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１の座標原点がワールド座標系では（ｘ１、ｙ１）であってＺ１軸が時計回りに角度（３６０−φ１）だけ回転しているように配置されている。このため、連結処理部３３は、図１０（Ｄ）に示すように、第１ローカル座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１での補正後の測定結果ＰＦａ−１をワールド座標系ｘｙｚの点（ｘ１、ｙ１）を中心に反時計回りに角度φ１だけ回転することで、第１ローカル座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１での補正後の測定結果ＰＦａ−１をワールド座標系ｘｙｚへ座標変換する。この結果、第１ローカル座標系Ｘ１Ｙ１Ｚ１での補正後の測定結果ＰＦａ−１は、ワールド座標系ｘｙｚでの補正後の測定結果ＰＦｂ−１となる。ワールド座標系ｘｙｚでの第２測定部１−２は、図１０（Ｅ）に示すように、第２ローカル座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２の座標原点がワールド座標系では（ｘ２、ｙ２）であってＺ２軸が時計回りに角度（３６０−φ２）だけ回転しているように配置されている。このため、連結処理部３３は、図１０（Ｅ）に示すように、第２ローカル座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２での補正後の測定結果ＰＦａ−２をワールド座標系ｘｙｚの点（ｘ２、ｙ２）を中心に反時計回りに角度φ２だけ回転することで、第２ローカル座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２での補正後の測定結果ＰＦａ−２をワールド座標系ｘｙｚへ座標変換する。この結果、第２ローカル座標系Ｘ２Ｙ２Ｚ２での補正後の測定結果ＰＦａ−２は、ワールド座標系ｘｙｚでの補正後の測定結果ＰＦｂ−２となる。そして、ワールド座標系ｘｙｚでの第３測定部１−３は、図１０（Ｆ）に示すように、第３ローカル座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３の座標原点がワールド座標系では（ｘ３、ｙ３）であってＺ３軸が時計回りに角度（３６０−φ３）だけ回転しているように配置されている。このため、連結処理部３３は、図１０（Ｆ）に示すように、第３ローカル座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３での補正後の測定結果ＰＦａ−３をワールド座標系ｘｙｚの点（ｘ３、ｙ３）を中心に反時計回りに角度φ３だけ回転することで、第３ローカル座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３での補正後の測定結果ＰＦａ−３をワールド座標系ｘｙｚへ座標変換する。この結果、第３ローカル座標系Ｘ３Ｙ３Ｚ３での補正後の測定結果ＰＦａ−３は、ワールド座標系ｘｙｚでの補正後の測定結果ＰＦｂ−３となる。この結果、図１０（Ｇ）に示すように、第１ないし第３測定部１−１〜１−３それぞれで測定された補正後の測定結果ＰＦａ−１〜ＰＦａ−３が連結され、測定対象Ｏｂの３次元形状ＰＦが得られる。

そして、制御部３１は、記憶部４に記憶された連結処理後における測定対象の３次元形状を出力部６に出力し（Ｓ６）、処理を終了する。なお、必要に応じて、制御部３１は、記憶部４に記憶された連結処理後における測定対象の３次元形状をＩＦ部７から外部へ出力する。

以上説明した通り、本実施形態における形状測定装置Ｄおよびこれに実装された形状測定方法は、複数の測定部１それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正するので、各測定範囲の各測定結果を互いに繋ぎ合わせて測定対象Ｏｂの３次元形状を測定する場合でも、より高精度に測定できる。

また、上記形状測定装置Ｄよび上記形状測定方法は、位置ズレ量情報記憶部４１をさらに備えるので、予め用意された各位置ズレ量Ｂ（Ｐｎ）を用いてより迅速に各測定結果を補正できる。

また、上記形状測定装置Ｄよび上記形状測定方法は、傾斜角情報記憶部４２をさらに備えるので、予め用意された各傾斜角θ（Ｐｎ）を用いてより迅速に各測定結果を補正できる。

本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。

Ｄ 形状測定装置
ＳＰ 基準サンプル
１ 測定部
１−１ 第１測定部
１−２ 第２測定部
１−３ 第３測定部
３ 制御処理部
４ 記憶部
３２ 補正部
４１ 位置ズレ量情報記憶部
４２ 傾斜角情報記憶部

Claims (5)

1. 所定の測定範囲における画像を生成し、前記生成した画像に基づいて測定対象における前記所定の測定範囲での３次元形状を測定する複数の測定部と、
   剛体で形成され、前記複数の測定部それぞれにおける各測定範囲の少なくとも一部が互いに重複しないように前記複数の測定部を支持する剛体支持部材と、
   前記複数の測定部それぞれで測定された各測定結果をそれぞれ補正する補正部とを備え、
   前記補正部は、複数の測定点それぞれについて、当該測定点での位置ズレ量および傾斜角に基づく補正値で当該測定点での測定結果を補正し、
   前記位置ズレ量は、当該測定点が、所定の第１方向に沿って延びる基準線から、前記所定の第１方向に直交する第２方向に沿ってずれたズレ量であり、
   前記傾斜角は、当該測定点における前記測定対象の表面の接平面と、前記第１および第２方向で形成される基準平面とのなす角であること
   を特徴とする形状測定装置。
2. 前記複数の測定点それぞれにおける各位置ズレ量を記憶する位置ズレ量情報記憶部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記複数の測定点それぞれにおける各傾斜角を記憶する傾斜角情報記憶部をさらに備えること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記複数の測定部それぞれは、光切断法によって３次元形状を測定すること
   を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の形状測定装置。
5. 複数の測定部それぞれにおける各測定範囲の少なくとも一部が互いに重複しないように前記複数の測定部を、剛体で形成された剛体支持部材で支持した形状測定装置で測定対象の３次元形状を測定する形状測定方法であって、
   前記複数の測定部によって前記各測定範囲における各画像をそれぞれ生成する画像生成工程と、
   前記画像生成工程で生成した各画像に基づいて前記測定対象における前記各測定範囲での各測定結果をそれぞれ求める形状演算工程と、
   前記形状演算工程で求めた前記各測定範囲での各測定結果をそれぞれ補正する補正工程とを備え、
   前記補正工程は、複数の測定点それぞれについて、当該測定点での位置ズレ量と傾斜角とに基づく補正値で当該測定点での測定結果を補正し、
   前記位置ズレ量は、当該測定点が、所定の第１方向に沿って延びる基準線から、前記所定の第１方向に直交する第２方向に沿ってずれたズレ量であり、
   前記傾斜角は、当該測定点における前記測定対象の表面の接平面と、前記第１および第２方向で形成される基準平面とのなす角であること
   を特徴とする形状測定方法。
   

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