JP2018087761A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を高重量化及び高額化することなく、被測定物の３次元形状をより正確に測定することのできる３次元形状測定装置を提供する。【解決手段】３次元形状測定装置１０は、被測定物Ｍの表面に第１のライン光Ｌ１を照射する第１の光照射部１２と、被測定物Ｍの表面に第２のライン光Ｌ２を照射する第２の光照射部１４と、被測定物Ｍの表面に照射された第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２の像をそれぞれ撮像する撮像部２０と、を備える。第１のライン光Ｌ１は、被測定物Ｍの表面に第１の方向Ｄ１に沿って照射され、第２のライン光Ｌ２は、被測定物Ｍの表面に第１の方向Ｄ１とは異なる第２の方向Ｄ２に沿って照射される。【選択図】図１

Description

本発明は、３次元形状測定装置に関する。

従来の非接触センサを利用した３次元形状測定装置は、特許文献１に開示されているように、非接触センサを利用して対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータ本体と、このコンピュータ本体により制御されて対象物の表面の３次元画像を表示する表示装置とを有している。

図６は、従来の３次元形状測定装置の光学系の概略図である。レーザダイオード１１１から出射した出射光は、ビームエキスパンダ１１２、第１ミラー１１３、第２ミラー１１４、第３ミラー１１５を経て被測定物に照射される。被測定物の表面によって反射された戻り光は、第３ミラー１１５、第２ミラー１１４、第４ミラー１１６、結像レンズ部１１７を経てＣＣＤラインセンサ部１１８に入射する。なお、この３次元形状測定装置は、図６に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動させ、また、第３ミラー１１５をＹ軸回りに回動させることにより被測定物の表面の走査を行うことができる。

図７は、上記３次元形状測定装置の測定原理を示している。レーザダイオード１１１から出射されたレーザ光が、被測定物の表面に照射される。被測定物の表面により反射された戻り光が、結像レンズ部１１７の結像レンズ１１７ａにより収束されてＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａ上に結像する。図７において、被測定物と形状測定装置との間の距離の遠近に応じて、ラインセンサ１１８ａ上の結像位置が変位している。

上記のようにラインセンサ１１８ａにより計測された戻り光の結像位置が測定データとして形状測定装置から出力される。この測定データに基づいて、コンピュータ本体は、距離計測に用いられている三角測量法を適用し、被測定物の表面の３次元形状を算出する。

また、従来、３次元形状測定装置に用いられる非接触センサとして、特許文献２に開示された非接触センサが知られている。図８に示すように、この非接触センサ１０１は、回転２軸ジョイント１０２の先端部にジョイント部１０３を介して固定されている。回転２軸ジョイント１０２はＡ軸とＢ軸の２軸の回転軸を有する。回転２軸ジョイント１０２のＡ軸とＢ軸を中心として非接触センサ１０１を回転させることによって、被測定物に対する非接触センサ１０１の姿勢を変更することができる。

特許第３５５４２６４号公報 特開２００９−５３１８４号公報

図８に示すように、非接触センサ１０１の回転前の状態では、非接触センサ１０１から照射されるレーザ光の照射範囲はＲ１となっている。非接触センサ１０１を回転２軸ジョイント１０２ｄのＢ軸を中心として回転させると、レーザ光の照射範囲はＲ１からＲ２になる。

しかし、図９に示すように、非接触センサ１０１を回転２軸ジョイント１０２のＡ軸を中心として９０度回転させた状態では、レーザ光の照射範囲をＲ３からＲ４へ変更することは不可能である。このように、非接触センサ１０１から照射されるレーザ光の照射範囲を自由に変更することができない場合、被測定物の３次元形状を正確に測定することが困難になる。

また、図１０に示すように、非接触センサから照射されるラインレーザ光は、原則として被測定物の断面方向に照射することが望ましい。すなわち、被測定物に対してラインレーザ光を照射する方式（ラインレーザ投光方式）の非接触センサの場合、被測定物の表面形状を正確に測定するためには、被測定物の断面方向に沿ってラインレーザ光を照射することが望ましい。しかし、例えば被測定物の形状が複雑である場合には、非接触センサの姿勢を自由に変更することができないことから、ラインレーザ光を被測定物の断面方向に沿って照射することができない場合がある。この場合においても、被測定物の３次元形状を正確に測定することが困難になる。

このような問題を解決するために、非接触センサ１０１と回転２軸ジョイント１０２の間に、非接触センサの姿勢を９０度変換する変換ジョイントを追加するという方策が考えられる。また、非接触センサ１０１を回転させるＡ軸及びＢ軸に加えて、Ａ軸及びＢ軸に垂直なＣ軸を備えた回転３軸ジョイントを採用するという方策も考えられる。

しかし、非接触センサの姿勢を９０度変換する変換ジョイントを追加した場合、３次元形状測定装置が重量化するとともに、装置の製造コストが高額になるという問題がある。また、回転３軸ジョイントを採用した場合にも、３次元形状測定装置が重量化するとともに、装置の製造コストが高額になるという問題がある。

そこで、本発明は、装置を高重量化及び高額化することなく、被測定物の３次元形状をより正確に測定することのできる３次元形状測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の発明である。
（１）被測定物の表面形状を測定するための３次元形状測定装置であって、
前記被測定物の表面に第１のライン光を照射する第１の光照射部と、
前記被測定物の表面に第２のライン光を照射する第２の光照射部と、
前記被測定物の表面に照射された前記第１のライン光及び前記第２のライン光の像をそれぞれ撮像する撮像部と、を備え、
前記第１のライン光は、前記被測定物の表面に第１の方向に沿って照射され、
前記第２のライン光は、前記被測定物の表面に前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って照射される、３次元形状測定装置。

（２）前記撮像部が１つである、上記（１）に記載の３次元形状測定装置。

（３）前記第１のライン光と前記第２のライン光が交差する角度が９０度である、上記（１）または（２）に記載の３次元形状測定装置。

（４）前記第１のライン光と前記第２のライン光が、前記被測定物の表面に異なった時間に照射される、上記（１）から（３）のうちいずれかに記載の３次元形状測定装置。

（５）前記第１のライン光と前記第２のライン光が、前記被測定物の表面に交互に照射される、上記（４）に記載の３次元形状測定装置。

（６）前記撮像部によって撮像された前記第１のライン光及び前記第２のライン光の像の画像データを処理することによって、前記被測定物の表面の３次元形状を計算する処理部を有する、上記（１）から（５）のうちいずれかに記載の３次元形状測定装置。

本発明によれば、装置を高重量化及び高額化することなく、被測定物の３次元形状をより正確に測定することのできる３次元形状測定装置を提供することができる。

３次元形状測定装置の概略図である。 ３次元形状測定装置の概略図である。 ３次元形状測定装置の概略図である。 表面に凸部を有する被測定物の斜視図である。 ３次元形状測定装置の測定原理を示す図である。 従来の３次元形状測定装置の概略図である。 ３次元形状測定装置の測定原理を示す図である。 従来の３次元形状測定装置に用いられる非接触センサの概略図である。 従来の３次元形状測定装置に用いられる非接触センサの概略図である。 被測定物の断面方向に照射されたラインレーザ光を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。Ｚ軸方向は、例えば鉛直方向に設定され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、例えば、水平方向に平行でかつ互いに直交する方向に設定される。

本発明の実施形態に係る３次元形状測定装置は、被測定物の表面に線状のライン光を照射し、そのライン光の像を撮像することによって、被測定物の表面の３次元形状を測定することのできる装置である。撮像されたライン光の画像データから３次元形状を算出するためには、例えば三角測量法や光切断法などの公知の手法を用いることができる。

図１〜３は、本発明の実施形態に係る３次元形状測定装置の一例を示す図である。
図１〜３に示すように、３次元形状測定装置１０は、第１の光照射部１２と、第２の光照射部１４と、ビームスプリッタ１６と、結像光学系１８と、撮像部２０とを備えている。これら第１の光照射部１２、第２の光照射部１４、ビームスプリッタ１６、結像光学系１８、及び撮像部２０は、互いの位置関係が変化しないように、不図示の筐体などに固定されてもよい。

図２に示すように、第１の光照射部１２は、被測定物Ｍの表面に対して、第１の方向Ｄ１に沿って第１のライン光Ｌ１を照射する。第１の方向Ｄ１は、被測定物Ｍが載置されている載置面（ＸＹ平面）と平行な方向である。

図１〜３に示すように、第１の光照射部１２は、光源１２ａと、コリメータレンズ１２ｂと、シリンドリカルレンズ１２ｃと、これら光源１２ａ、コリメータレンズ１２ｂ、及びシリンドリカルレンズ１２ｃを収容する鏡筒１２ｄによって構成されている。光源１２ａは、例えば単一波長または複数の波長のレーザ光を出射するレーザダイオードによって構成されている。光源１２ａから出射された光は、コリメータレンズ１２ｂによって平行光に変換された後、シリンドリカルレンズ１２ｃによって線状のライン光に変換される。なお、シリンドリカルレンズ１２ｃの代わりに、パウエルレンズを用いて光源１２ａからの光をライン光に変換してもよい。

また、図２に示すように、第２の光照射部１４は、被測定物Ｍの表面に対して、第２の方向Ｄ２に沿って第２のライン光Ｌ２を照射する。第２の方向Ｄ２は、被測定物Ｍが載置されている載置面（ＸＹ平面）と平行な方向であって、第１の方向Ｄ１とは異なる方向である。

図１〜３に示すように、第２の光照射部１４は、光源１４ａと、コリメータレンズ１４ｂと、シリンドリカルレンズ１４ｃと、これら光源１４ａ、コリメータレンズ１４ｂ、及びシリンドリカルレンズ１４ｃを収容する鏡筒１４ｄによって構成されている。光源１４ａは、例えば単一波長または複数の波長のレーザ光を出射するレーザダイオードによって構成されている。光源１４ａから出射された光は、コリメータレンズ１４ｂによって平行光に変換された後、シリンドリカルレンズ１４ｃによって線状のライン光に変換される。なお、シリンドリカルレンズ１４ｃの代わりに、パウエルレンズを用いて光源１４ａからの光をライン光に変換してもよい。

第１のライン光Ｌ１と第２のライン光Ｌ２が交差する角度は、特に制限するものではないが、４５度〜１３５度が好ましく、７０度〜１１０度がより好ましく、９０度が最も好ましい。第１のライン光Ｌ１と第２のライン光Ｌ２がこのような角度で交差することによって、被測定物Ｍの３次元形状をより正確に測定することができる。

第１の光照射部１２及び第２の光照射部１４は、被測定物Ｍの表面に対して、第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２を異なる時間に照射する。すなわち、ある時点では、被測定物Ｍの表面に第１のライン光Ｌ１が照射され、他の時点では、被測定物Ｍの表面に第２のライン光Ｌ２が照射される。好ましくは、第１の光照射部１２及び第２の光照射部１４は、被測定物Ｍの表面に対して、第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２を交互に照射する。

このように、被測定物Ｍの表面に第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２が異なる時間に照射されることによって、第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２の像をそれぞれ別々に撮像することができる。この結果、被測定物Ｍの表面形状をより正確に測定することができる。また、被測定物Ｍの表面に第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２が交互に照射されることによって、被測定物Ｍの表面形状をさらに正確に測定することができる。

図１〜３に示すように、第１の光照射部１２と被測定物Ｍの間の光路上には、ビームスプリッタ１６が配置されている。第２の光照射部１４と被測定物Ｍとの間の光路上にも、共通のビームスプリッタ１６が配置されている。ビームスプリッタ１６は、その入射面に入射した光の光束を分割面１６ａにおいて１つにまとめる光学素子の一種である。

第１の光照射部１２から照射された第１のライン光Ｌ１の一部は、ビームスプリッタ１６の分割面１６ａを透過する。ビームスプリッタ１６の分割面１６ａを透過した第１のライン光Ｌ１は、被測定物Ｍの表面に向かって進む。

第２の光照射部１４から照射された第２のライン光Ｌ２の一部は、ビームスプリッタ１６の分割面１６ａで反射される。ビームスプリッタ１６の分割面１６ａで反射された第２のライン光Ｌ２は、被測定物Ｍの表面に向かって進む。

このように、ビームスプリッタ１６を被測定物Ｍまでの光路上に配置することによって、第１の光照射部１２及び第２の光照射部１４を互いに９０度異なる向きで配置することができるため、第１の光照射部１２及び第２の光照射部１４が占めるスペースを小さくすることができる。その結果、３次元形状測定装置１０を小型化することができる。なお、ビームスプリッタ１６の代わりに、光束を２方向に分割する機能を有するハーフミラーを配置してもよい。

被測定物Ｍの表面で拡散反射された第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２は、１つ又は２つ以上のレンズで構成される結像光学系１８によって、撮像部２０の撮像面２２にそれぞれ結像する。これにより、撮像部２０は、被測定物Ｍに照射された第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２の像をそれぞれ撮像することができる。撮像部２０は、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサやＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどの固体撮像素子によって構成されている。撮像部２０は、図２に示すａ及びｂのどちらの向きに配置してもよい。

撮像部２０によって撮像された第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２の像の画像データは、パーソナルコンピュータ等によって構成される不図示の処理部に送信される。そして、処理部において画像データが処理され、被測定物Ｍの表面の３次元形状が計算される。計算された結果を用いて、被測定物Ｍの３次元形状をモニタ等に表示してもよい。

図３は、３次元形状測定装置の概略図である。図４は、表面に凸部Ｍ１を有する被測定物Ｍの斜視図である。図５は、３次元形状測定装置の測定原理を示す図である。
図３〜図５に示すように、表面に半球状の凸部Ｍ１を有する被測定物Ｍに第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２を照射した場合、被測定物Ｍの表面形状に応じた曲線状の像ＩＭＧ１及び像ＩＭＧ２がそれぞれ得られる。これらの像ＩＭＧ１、ＩＭＧ２は、撮像部２０によってそれぞれ撮像される。そして、これら第１のライン光Ｌ１の像ＩＭＧ１及び第２のライン光Ｌ２の像ＩＭＧ２のデータを計算処理することによって、被測定物Ｍの表面の３次元形状を得ることができる。必要に応じて、被測定物Ｍの表面の３次元形状を表すデータを、他の装置に送信することができる。また、被測定物Ｍの表面の３次元形状を表すデータを利用して、モニタ等に被測定物Ｍの３次元形状を表示することもできる。

本実施形態の３次元形状測定装置１０によれば、被測定物Ｍの表面に対して、第１の方向Ｄ１に沿って第１のライン光Ｌ１を照射し、第２の方向Ｄ２に沿って第２のライン光Ｌ２を照射することができる。これにより、被測定物Ｍの表面形状が複雑な場合であっても、その被測定物Ｍの断面方向に沿ってライン光を照射することができるため、被測定物Ｍの３次元形状をより正確に測定することができる。

本実施形態の３次元形状測定装置１０によれば、第１の光照射部１２及び第２の光照射部１４を９０度回転させるための変換ジョイントや、第１の光照射部１２及び第２の光照射部１４を自在に回転させるための回転３軸ジョイントが不要である。したがって、３次元形状測定装置１０の部品点数を少なくして軽量化が可能であるとともに、３次元形状測定装置１０の製造コストを低減することが可能である。

本実施形態の３次元形状測定装置１０によれば、ビームスプリッタ１６を用いることによって、被測定物Ｍの表面に照射された第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２の像を１つの撮像部２０で撮像することができる。これにより、第１のライン光Ｌ１及び第２のライン光Ｌ２の像を撮像するために２つの撮像部を準備することが不要になるため、３次元形状測定装置１０の部品点数を少なくして軽量化が可能であるとともに、３次元形状測定装置１０の製造コストを低減することが可能である。

１０ ３次元形状測定装置
１２ 第１の光照射部
１４ 第２の光照射部
１６ ビームスプリッタ
１８ 結像光学系
２０ 撮像部
２２ 撮像面
Ｌ１ 第１のライン光
Ｌ２ 第２のライン光
Ｍ 被測定物

Claims (6)

1. 被測定物の表面形状を測定するための３次元形状測定装置であって、
   前記被測定物の表面に第１のライン光を照射する第１の光照射部と、
   前記被測定物の表面に第２のライン光を照射する第２の光照射部と、
   前記被測定物の表面に照射された前記第１のライン光及び前記第２のライン光の像をそれぞれ撮像する撮像部と、を備え、
   前記第１のライン光は、前記被測定物の表面に第１の方向に沿って照射され、
   前記第２のライン光は、前記被測定物の表面に前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って照射される、３次元形状測定装置。
2. 前記撮像部が１つである、請求項１に記載の３次元形状測定装置。
3. 前記第１のライン光と前記第２のライン光が交差する角度が９０度である、請求項１または請求項２に記載の３次元形状測定装置。
4. 前記第１のライン光と前記第２のライン光が、前記被測定物の表面に異なった時間に照射される、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の３次元形状測定装置。
5. 前記第１のライン光と前記第２のライン光が、前記被測定物の表面に交互に照射される、請求項４に記載の３次元形状測定装置。
6. 前記撮像部によって撮像された前記第１のライン光及び前記第２のライン光の像の画像データを処理することによって、前記被測定物の表面の３次元形状を計算する処理部を有する、請求項１から請求項５のうちいずれか１項に記載の３次元形状測定装置。