JP3058643U

JP3058643U - 形状測定装置

Info

Publication number: JP3058643U
Application number: JP1998008332U
Authority: JP
Inventors: 克己酒井
Original assignee: Tokai Kyohan Co Ltd
Current assignee: Tokai Kyohan Co Ltd
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 1999-06-22
Anticipated expiration: 2004-10-22

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】深度方向の測定範囲を実用的な範囲にまで長く
することができ、非接触で高精度の形状測定が可能な形
状測定装置を提供する。【解決手段】レーザ光を発生させそれをスリット光とし
て出力するレーザユニット３と、スリット光を対象物の
表面に照射しながら偏向させて光走査を行うガルバノミ
ラー４と、スリット光を制御された周期で点滅させるレ
ーザスキャナコントローラと、スリット光を照射した対
象物の表面を撮影するＣＣＤカメラ２と、ＣＣＤカメラ
２から出力される画像データを取り込み記憶するフレー
ムメモリ、及びＭＰＵを有する。ＭＰＵは、画像データ
の明暗情報に基づき、対象物表面上の任意の点の偏向角
データを求め、さらに、偏向角データに基づき対象物表
面上の各点の軸線に対する角度を求め、その角度に基づ
き各点の三次元座標を算出する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、測定しようとする対象物の三次元形状を、非接触で光学的に測定する形状測定装置に関し、特に、三次元座標測定機のＺ軸の先端、ロボットアームの先端、マシニングセンター等工作機械のツールチェンジャ（ツールホルダー）に装着して使用可能な非接触の形状測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、対象物の三次元形状を非接触で光学的に測定する形状測定装置として、レーザ発振器から出力したレーザ光をスリット光として対象物に照射すると共に、そのスリット光を測定面上で回動・移動させて走査を行ないながら、対象物の画像をＣＣＤカメラにより撮影し、その画像データに基づき、三角測量の原理を用いて、物体外面形状の三次元座標を光切断法により求める形状測定装置が提案されている（特開平５−３３２７３７号公報等参照）。

【０００３】

【考案が解決しようとする課題】

この種の形状測定装置は、レーザ発振器から出力したレーザ光をスリット光として、先ず偏向照射装置のミラーに当て、そこで反射したスリット光を対象物に照射し、偏向照射装置のミラーの角度を変化させることにより、スリット光を走査させる。このとき、レーザ発振器はレーザ光を所定の周期で間欠的に出力し、スロット光は所定周期で点滅制御され、対象物の表面には、スリット光が照射された部分と照射されなかった部分とが縞模様状に生じ、その画像がＣＣＤカメラにより撮影される。スリット光の１回の走査はＣＣＤカメラの１フレーム分のデータ蓄積時間内に行われ、画像データは、その１フレーム内で、明暗の縞模様のデータとしてメモリに記憶される。

【０００４】このようなレーザスリット光による光走査は、スリット光の点滅周期を変化させながら、複数回にわたり行なわれ、複数フレームの画像データがメモリに取り込まれる。これらの画像データは空間コード化法によりコード化されて記憶され、偏向角識別部によってその画像データをデーコードすることにより、各画素がどの楔形空間に属するのかを識別し、これにより、偏向角識別部から偏向角情報が出力される。そして、各楔形空間内にあって、対象物表面上の各点の三次元座標を、各楔形空間の偏向各情報を用いて、三角測量に従って算出する。

【０００５】しかしながら、上記形状測定装置は、対象物の所定の視野範囲においてその三次元形状を高速で高精度に測定することができるものの、そのＺ軸（撮影点から対象物方向に延びる軸）の測定範囲が狭く、Ｚ軸の測定範囲を長くすると、測定精度が実用的でない程度まで低下する問題があった。

【０００６】即ち、空間コード化法により画像データを取り込む際の分解能は、８ビットでデータを取り込む場合、１／２５６であるから、Ｚ軸の測定範囲を２５０ｍｍとすれば、計測分解能は約１ｍｍであり、この分解能は余りに大きく、実用的ではない。そこで、分解能を例えば４０μｍと実用的な値にした場合、Ｚ軸の測定範囲は１０ｍｍと狭くなり、これでは、測定の際、測定装置を常に対象物の１０ｍｍの範囲内に置くことが必要となるため、使いにくく、実用的でないという問題があった。

【０００７】本考案は、上記の点に鑑みてなされたもので、深度方向の測定範囲を実用的な範囲にまで長くすることができ、非接触で高精度の形状測定が可能な形状測定装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本考案の形状測定装置は、レーザ光を発生させそれをスリット光として出力するレーザ光源と、スリット光を対象物の表面に照射しながら偏向させて光走査を行う偏向照射装置と、スリット光を照射した対象物の表面を撮影するＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラから出力される画像データを取り込み記憶する記憶装置と、画像データから対象物表面上の三次元座標を算出する演算処理部と、備え、を備え、少なくともレーザ光源、偏向照射装置、及びＣＣＤカメラが１つのケースに収納されて測定部をなし、測定部には測定部から対象物までの距離を検出する距離センサが設けられたことを特徴とする。

【０００９】

【考案の作用・効果】

このような構成の形状測定装置は、その測定部が、例えば三次元座標測定機のＺ軸の先端に、ＣＣＤカメラ、距離センサ側を対象物に向けるように装着される。対象物の表面形状を測定する場合、オペレータはまず、三次元座標測定機の各軸を動かしてＺ軸先端の測定部を対象物に近づける。この時、距離センサが動作し、測定部と対象物までの距離が予め決められた値となったとき、距離センサからの検出信号に基づきそれが表示或は報知され、オペレータは各軸を停止させる。このような測定準備動作は、オペレータの操作によらず、距離センサからの検出信号に基づき、三次元測定器の各軸駆動系を所定の距離位置で自動的に停止させることもできる。

【００１０】次に、形状測定装置を動作させ、対象物の表面の形状測定を以下のように行う。レーザ光源、偏向照射装置の動作により、レーザスリット光が所定の規則に従って、対象物の表面に偏向しながら照射され、光走査を行ないながら、対象物の表面をＣＣＤカメラにより撮影する。光走査は、ＣＣＤカメラの１フレーム蓄積時間内に行われ、スリット光の照射により生じた縞模様の画像データが記憶装置に記憶される。そして、演算処理部が、その画像データに基づき、対象物表面上の三次元座標を算出する。

【００１１】このように、本形状測定装置によれば、測定部から対象物までの距離を検出する距離センサが設けられ、その距離センサにより測定部を対象物に対し予め所定の距離まで近づけた状態で形状測定を行うため、形状測定装置の光走査によるＺ軸（深度方向）の測定範囲が例えば１０ｍｍ、作動距離が例えば１００ｍｍがあったとしても、距離センサによって１０５ｍｍの距離を検出して形状測定装置を動作させるようにすれば、その計測分解能を例えば２０〜４０μｍの高精度に維持して、三次元の形状測定を良好に行うことができる。

【００１２】

【考案の実施の形態】

以下、本考案の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は形状測定装置の測定部の断面図を示し、図２はその底面図を示している。１は測定部のケースで、ケース１内にはＣＣＤカメラ２が下向きに配設される。ＣＣＤカメラ２には、ＣＣＤ素子と共に、下方所定距離に位置する対象物の画像を素子上に結像させるためのレンズ光学系が設けられる。更に、ケース１内にはレーザ光源としてのレーザユニット３と、偏向照明装置としてガルバノミラー４が配設される。

【００１３】レーザユニット３には半導体レーザ発振器が使用され、発生したレーザ光を光学系によりスリット光として出力するように構成される。ガルバノミラー４は、高精度モータの回転軸にミラー部４ａを取り付け、その回転軸の回転角を高精度に検出する回転角検出器を設けて構成される。ガルバノミラー４は、そのミラー部４ａを上記スリット光の光路に配置し、ミラー部で反射したスリット光を、ケース１の下面の開口部から下方の対象物に向けて放射するように配設される。偏向照明装置としては、ガルバノミラー４の他に、ポリゴンミラー等を使用することができる。

【００１４】更に、ケース１内下部には、測定部から対象物までの距離を検出するための距離センサ５が配設される。距離センサ５には例えば超音波発振器と超音波センサを用いた超音波距離センサ、或はレーザ光を用いて三角測量により距離を検出する距離センサを使用することができるが、測定部と対象物間の概略距離を検出することが可能であれば良く、それほど高精度のものは必要としない。

【００１５】図４は形状測定装置の制御部のブロック図を示している。制御部は、マイクロコンピュータを主要部として構成され、ＭＰＵ１０、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２を備える。ＭＰＵ１０は、予めＲＯＭ１１に記載されたプログラムデータに基づき、レーザスリット光による光走査の制御処理、ＣＣＤカメラ２の画像データ取り込み処理、及び記憶装置としてのフレームメモリ１３に取り込まれた画像データを読み出し、その明暗情報に基づき、偏向角を識別する偏向角識別処理を行なう。また、ＭＰＵ１０は、その偏向角データに基づき対象物表面上の各点の軸線に対する角度を求め、その角度に基づき各点の三次元座標を算出する演算処理等を実行する。

【００１６】１４は、ＣＣＤカメラ２から出力された画像信号をＡ／Ｄ変換し、フレームメモリ１３に送出するＡ／Ｄ変換器、１５は各回路にクロック信号を供給するクロックジュネレータ、１６はレーザスキャナコントローラである。レーザスキャナコントローラ１６は、レーザユニット３及びガルバノミラー４を制御してレーザスリット光による光走査を行なうべく、制御信号をレーザドライバ１７、ミラードライバ１８に出力する。また、レーザスキャナコントローラ１６は点滅装置としても動作し、制御された周期でレーザユニット３を間欠動作させ、レーザ光を点滅させる。１９はＣＣＤカメラ２を制御するカメラコントローラである。

【００１７】次に、上記形状測定装置の動作を説明する。ケース１に収納された測定部は、例えば三次元座標測定機のＺ軸の先端に取り付けられ、定盤上に載置された対象物（被測定物）の表面形状を以下のように測定する。

【００１８】対象物の表面形状を測定する場合、オペレータはまず、三次元座標測定機の各軸を動かしてＺ軸先端の測定部を対象物に近づける。この時、距離センサ５が動作し、ケース１下端と対象物までの距離が予め決められた値となったとき、距離センサ５からの検出信号に基づきそれが表示或は報知され、オペレータは各軸を停止させる。このような測定準備動作は、オペレータの操作によらず、距離センサからの検出信号に基づき、三次元座標測定機の各軸駆動系を所定の距離位置で自動的に停止させることもできる。

【００１９】次に、形状測定装置を動作させ、レーザスキャナコントローラ１６とレーザドライバ１７の動作により、レーザユニット３からレーザスリット光を出力させる。このとき、スリット光は所定の周期で点滅しながら間欠的に対象物に照射され、ミラードライバ１８とガルバノミラー４の動作によりそのミラー部４ａが所定の周期で回動することにより、スリット光が偏向動作する。このときの対象物の表面がＣＣＤカメラ２により撮影され、１回の光走査はＣＣＤカメラの１フレーム蓄積時間内に行われ、スリット光の点滅により明暗として生じた縞模様の画像データがフレームメモリ１３に記憶される。

【００２０】このような光走査は、点滅周期を変えて複数回実施され、例えば、１回目が図５（ａ）のような所定周期で行なわれた場合、２回目は図５（ｂ）のように、点滅周期をその１／２として光走査を実行し、３回目は図５（ｃ）のように、点滅周期をその１／４として光走査を実行し、４回目は図５（ｄ）のように、点滅周期をその１／８として光走査を実行する。このとき、ＣＣＤカメラ２により撮影された画像は、図５のタイミングチャートの右側に示すように、各点滅周期に対応した明暗の縞模様パターンとなり、それらの各走査毎の画像データは二値化されてフレームメモリ１３内に記憶される。

【００２１】次に、ＭＰＵ１０は、フレームメモリ１３内に取り込まれた明暗情報に基づき、対象物表面上の任意の点の偏向角データを求める。例えば、対象物上の任意の点Ｒを考えた場合、図５に示すように、１回目の光走査時の画像データで、「暗」内にこの点Ｒ₁ があると仮定すると、２回目の光走査時の画像データでは、「明」内にこの点Ｒ₂ が存在し、３回目の光走査時の画像データでは、「暗」内にこの点Ｒ₃ が存在し、４回目の光走査時の画像データでは、「暗」内にこの点Ｒ ₄ が存在する。

【００２２】従って、点Ｒの各光走査時の画像データは、順に「暗・明・暗・暗」を示すことになる、点Ｒ₄ は４回目の光走査時の画像データの暗を含む楔形空間内に位置する。よって、ＭＰＵ１０は、このような空間コード化された画像データをデコードすることにより、点Ｒ₄ が位置する４回目の光走査時の画像データの暗を含む楔形空間の偏向角データを、容易に得ることができる。

【００２３】次に、ＭＰＵ１０は、上記偏向角データ等を用いて、対象物上の任意の点Ｒの三次元座標（Ｒ_x ，Ｒ_y ，Ｒ_z ）を算出する。即ち、ＣＣＤカメラ２のレンズ中心点Ｏの座標（０，０，０）とすると、撮影面Ｓの中心点Ｐの座標は、中心点ＯからＺ軸方向に焦点距離ｆの位置にあるから、Ｐ座標は（０，０，ｆ）となる。ガルバノミラー４の回転中心軸Ｍは、座標（Ｍ_x ，０，Ｍ_z ）を通り、Ｙ軸に平行であるから、上記偏向角データを用いて点Ｒを含む楔形空間とＺ軸との間の角度φを求めることができる。

【００２４】そして、ＭＰＵ１０は、上記角度φ、焦点距離ｆ、及び撮影面Ｓ上の点Ｒｓ（点Ｒに対応する点）の座標（Ｓ_x ，Ｓ_y ，Ｓ_z ）を用いて、以下の演算式により、対象物上の任意の点Ｒの三次元座標（Ｒ_x ，Ｒ_y ，Ｒ_z ）を算出する。

【００２５】Ｒ_x ＝ｆ・（Ｍ_x ＋Ｍ_z ・ｔａｎφ）／（Ｓ_x ＋ｆ・ｔａｎφ）Ｒ_y ＝Ｒ_x ・Ｓ_x ／ｆＲ_z ＝Ｒ_x ・Ｓ_y ／ｆこのように、本形状測定装置によれば、測定部から対象物までの距離を検出する距離センサ５が設けられ、その距離センサ５により測定部を対象物に対し予め所定の距離まで近づけた状態で形状測定を行うため、形状測定装置の光走査によるＺ軸の測定範囲が例えば１０ｍｍ、作動距離が例えば１００ｍｍがあったとしても、距離センサによって１０５ｍｍの距離を検出して形状測定装置を動作させるようにすれば、その計測分解能を例えば２０〜４０μｍの高精度に維持して、三次元の形状測定を良好に行うことができる。

【００２６】なお、上記実施例では、形状測定部において点滅する複数回の光走査によって縞模様を作り、撮影した画像データを時系列空間コード法により読み出し、そこから対象物の三次元座標を求めたが、例えば、機械的なパターンマスクを使用したり、液晶シャッタを使用してパターン化した画像データから三次元座標を求めることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す形状測定装置の測定
部の断面図である。

【図２】同測定部の底面図である。

【図３】スリット光の光走査を用いて対象物の形状を測
定する際の説明図である。

【図４】形状測定装置の制御部のブロック図である。

【図５】レーザ光の点滅のタイミングチャートと明暗画
像の説明図である。

【符号の説明】

１−ケース２ーＣＣＤカメラ３−レーザユニット４−ガルバノミラー５−距離センサ１０−ＭＰＵ１３−フレームメモリ

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を発生させそれをスリット光と
して出力するレーザ光源と、該スリット光を対象物の表面に照射しながら偏向させて
光走査を行う偏向照射装置と、該スリット光を照射した該対象物の表面を撮影するＣＣ
Ｄカメラと、該ＣＣＤカメラから出力される画像データを取り込み記
憶する記憶装置と、該画像データから被測定物表面の三次元座標を算出する
演算処理部と、を備え、少なくとも前記レーザ光源、偏向照射装置、及
びＣＣＤカメラが１つのケースに収納されて測定部をな
し、該測定部には該測定部から該対象物までの距離を検
出する距離センサが設けられたことを特徴とする形状測
定装置。
【請求項２】前記距離センサとして、超音波を出力し
対象物からの反射波を検出して距離を検出する超音波距
離センサが設けられた請求項１記載の形状測定装置。