JP3311787B2 - 測定物の先端出し機能を持った三次元形状計測装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、測定対象物に、たと
えばレーザ光などのスポット光やスリット光を照射し
て、その光像をＣＣＤカメラ等の撮像部で撮像すること
により、測定対象物の位置を求めて、その形状を非接触
で計測する三次元形状計測装置に関するもので、詳しく
は、計測に先立って、測定物の先端に移動させる機能を
持った三次元形状計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】非接触型の三次元形状計測装置として、
従来から知られているものに、測定対象物にレーザ光等
によるスポット光を投射してラインセンサでその反射光
を捕らえる、あるいは、光切断法と呼ばれるもので、測
定対象物にレーザスリット光を投射してＣＣＤカメラの
ような面センサでスリット光像を捕らえることにより、
三角測量の原理に基づいて測定対象物の位置および形状
を算出する方法を採用したものが一般的である。

【０００３】上記のような反射光を利用した三次元形状
計測装置においては、正確な測定上の原点出しを行うた
めと、測定対象物の存在する範囲のみを計測することに
より測定時間の短縮およびメモリの節約を行う上で、レ
ーザ光などの照射光が測定対象物の先端に照射される位
置から計測を開始する必要がある。そのために、計測の
開始に先立って、該計測装置における光源部と測定対象
物とを相対的に移動させて位置調整する、いわゆる測定
物の先端出し作業を必要とする。このような先端出し作
業を行なうにあたって、従来では、照射光が測定物の先
端に当たる手前まで作業者が目で見ながら、コンピュー
タからのキー入力を介してモータ等の駆動機構を作動さ
せていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
従来の先端出し作業は、あくまでも人手による作業であ
って、所定の先端出しに多大な手数および時間を要する
だけでなく、キー入力と照射光位置の視認とを同時に行
なわなければならないために、先端出し精度が低い。工
業製品は端部を基準面として寸法指示して加工するのが
常であるから、たとえば、同一の設計図面に基づいて加
工された複数の工業製品間の加工寸法の比較を行う場合
に、各製品の端部に測定上の原点を合わせる際の原点精
度が低いと、生成されたデータの再現性がなくなり、計
測の信頼性が損なわれる。また、モータ等の駆動機構に
頻繁にＯＮ・ＯＦＦ指令信号が入力されることから、過
負荷がかかり、その寿命などにも悪影響を与える。

【０００５】この発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、計測開始に先立つ測定物の先端出し作業を、この種
の装置が本来備えている構成を有効に利用して、自動的
に、かつ効率的に行なうことができるとともに、その先
端出し精度の向上を図ることができる三次元形状計測装
置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明に係る測定物の先端出し機能を持った三次
元形状計測装置は、所定領域に光を照射する光源部と、
上記所定領域を撮像してビデオ信号を生成する撮像部
と、上記ビデオ信号の中から光が照射された測定対象物
からの反射光を検出する光点検出部と、測定対象物と光
源部の少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させ
て、光の照射によって測定対象物上を走査させる移動機
構と、測定開始時点から上記光点検出部によって反射光
が検出される第１時点までは測定対象物を上記所定領域
に入れる順方向に上記移動機構を高速で作動させる第１
の制御手段と、上記第１時点から上記光点検出部によっ
て反射光が検出されなくなる第２時点まで上記移動機構
を高速で逆方向に作動させる第２の制御手段と、上記第
２時点から上記光点検出部によって再び反射光が検出さ
れる第３時点まで上記移動機構を低速で順方向に作動さ
せる第３の制御手段とを備えてなるものである。

【０００７】

【作用】この発明によれば、光源部から所定領域に向け
て光を照射して、その所定領域を撮像してビデオ信号を
生成するとともに、そのビデオ信号の中から光が照射さ
れた測定対象物からの反射光が光点検出部によって検出
される第１時点になるまで移動機構が高速で順方向に作
動される。この順方向への高速移動により、光源部から
照射される光が測定対象物の先端に対し少しオーバーラ
ンする。つぎに、上記第１時点から上記光点検出部によ
る反射光の検出がなくなる第２時点まで上記移動機構が
高速で逆方向に作動される。これによって、光源部から
照射される光が測定対象物の先端に対し接近した箇所
で、その先端よりも少しだけ逆方向にオーバーランした
箇所に位置することになる。

【０００８】最後に、上記第２時点から上記光点検出部
により再び反射光が検出される第３時点になるまで上記
移動機構が低速で順方向に作動される。この順方向への
低速移動により、光源部から照射される光が測定対象物
の先端に合致し、所定の先端出しが終了する。

【０００９】上記のように、順方向への高速移動および
逆方向への高速移動によって、照射される光の位置が測
定対象物の先端に対して大きくずれていようとも、その
光の位置と測定対象物の先端とのずれ量を速やかに微少
量に自動調整することができる。その上で、最後に順方
向への低速移動によって、微少量のずれを収束させて所
定の先端出しを精度よく行なうことができる。

【００１０】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面にもとづいて
説明する。図１は、この発明の一実施例による測定物の
先端出し機能を持った三次元形状計測装置のシステム構
成図であり、同図において、１は光源部を構成するレー
ザ光源であり、ポリゴンミラー（図示せず）を回転する
ことにより、スリット光を測定対象物３を含む所定領域
に照射する。２はスリット光像を撮像してビデオ信号を
生成する撮像部であり、本実施例では死角部分を減らす
ために２台のＣＣＤカメラ２Ａを設置しているが、１台
であってもよい。

【００１１】測定対象物３は、テーブル４の一端に設け
た回転テーブル４Ａに、回転軸４Ｂを介して固定され
る。そして、テーブル４をＸ方向に移動しながらスリッ
ト光を測定対象物３に対しスキャン（走査）させる。測
定対象物３の裏面を測定する際や、測定対象物３の形状
によりレーザ光の当たらない部分が発生した際には、テ
ーブル用ドライバー（駆動回路）１５から回転テーブル
４Ａに指令を出し、測定対象物３を回転させる。

【００１２】５は駆動系制御部で、上記テーブル４を単
位量ずつ順方向および逆方向に移動させるように、テー
ブル用ドライバー１５に正逆信号を出力する。この駆動
系制御部５、上記ドライバー１５およびモータ１８によ
り、測定対象物３をレーザ光源１に対して相対的に移動
させて、スリット光を測定対象物３に対しスキャンさせ
る移動機構１７を構成している。６は光源制御部で、上
記レーザ光源１をＯＮ，ＯＦＦ制御する。７は撮像系制
御部で、上記ＣＣＤカメラ２Ａのシャッター速度制御な
どを行なう。８は上記ＣＣＤカメラ２Ａが撮像したスリ
ット光像のビデオ信号を入力するビデオ入力部である。

【００１３】９はＡ／Ｄ変換部で、上記ビデオ入力部８
から出力されるビデオ信号を２値化する。１０はピーク
値検出部で、上記Ａ／Ｄ変換部９で２値化されたビデオ
信号の最輝度点を、カメラ座標上の座標点として、複数
のカメラ画面の各走査線ごとに検出するものであり、測
定精度の向上を図るために、実際にピーク値としてサン
プリングされたカメラ画素位置（アドレス）とその両隣
りの位置のサンプリング値を用いて真の最輝度点を求め
る。１１は同期信号発生部で、上記ビデオ信号から水平
同期信号および垂直同期信号を分離する同期分離部１１
Ａと、各走査線上のサンプリングクロックを発生する画
像クロック発生部１１Ｂとからなる。

【００１４】１２はアドレス生成部で、上記同期信号発
生部１１の同期分離部１１Ａで分離された水平同期信号
を基にしてＹ方向アドレスを生成する。１３はデータ生
成部で、上記ピーク値検出部１０で得られたカメラ座標
上の最輝度アドレスから測定対象物３の置かれた空間で
ある物体座標上の高さ（Ｚ座標）を求めるとともに、同
一撮像部分の三次元位置座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）データを作
成するもので、本システムにおいてはパーソナルコンピ
ュータ上で機能する主にソフトウェアの形で存在する。
以上のＡ／Ｄ変換部９、ピーク値検出部１０、同期信号
発生部１１、アドレス生成部１２およびデータ生成部１
３によってビデオ信号の中からスリット光の照射された
測定対象物３からの反射光を検出する光点検出部１４が
構成されている。

【００１５】１６はデータ判別手段で、上記データ生成
部１３で作成された三次元位置座標データを判別して、
その判別結果を上記駆動系制御部５へ入力するものであ
り、本実施例においては、測定対象物３がスリット光の
照射範囲に入ったときにスレッシュホールドレベルを越
えることで求められる最輝度点が、例えば１０点以上あ
ると、データ有りと判別し、５点以下になると、データ
無しと判別するように設定している。

【００１６】上記駆動系制御部５は、上記光点検出部１
４による検出結果および上記データ判別手段１６による
テータ判別結果に基づいて、上記移動機構１７における
ドライバー１５の作動を制御する第１、第２および第３
の制御手段５Ａ、５Ｂおよび５Ｃから構成されている。
そのうち、第１の制御手段５Ａは、図２のＡに示すよう
に、測定開始時点ｔ０から上記光点検出部１４によって
反射光が検出される第１時点ｔ１までの間にわたり、測
定対象物３がスリット光の照射範囲に入るように上記移
動機構１７のドライバー１５に正方向の信号を送出して
モータ１８を高速で順方向に作動させる。第２の制御手
段５Ｂは、図２のＢに示すように、上記第１時点ｔ１か
ら上記光点検出部１４によって反射光が検出されなくな
る第２時点ｔ２までの間にわたり、上記移動機構１７の
ドライバー１５に逆方向の信号を送出してモータ１８を
高速で逆方向に作動させる。また、第３の制御手段５Ｃ
は、図２のＣに示すように、上記第２時点ｔ２から上記
光点検出部１４によって再び反射光が検出される第３時
点ｔ３まで上記移動機構１７のドライバー１５に正方向
の信号を送出してモータ１８を低速で順方向に作動させ
る。

【００１７】図３は上記駆動系制御部５での処理フロー
を示す。レーザ光源１が光源制御部６によりＯＮ制御さ
れ、所定領域にスポット光が照射されて測定が開始され
ると（図２の時点ｔ０）、データ判別手段１６がデータ
無しの信号を駆動系制御部５に入力する。これに基づい
て、第１の制御手段５Ａからドライバー１５に正方向の
信号が送出されてモータ１８が高速で順方向に作動され
る（ステップＳ１〜Ｓ３）。

【００１８】このようなモータ１８の順方向への高速作
動にともなって、測定対象物３からの反射光が上記光点
検出部１４によって検出されると（図２の時点ｔ１）、
データ判別手段１６がデータ有りの信号を駆動系制御部
５に入力して、モータ１８の作動が停止される（ステッ
プＳ４，Ｓ５）。つづいて、第２の制御手段５Ａからド
ライバー１５に逆方向の信号が送出されてモータ１８が
高速で逆方向に作動し、この作動にともなって、測定対
象物３からの反射光が上記光点検出部１４によって検出
されなくなると（図２の時点ｔ２）、データ判別手段１
６がデータ無しの信号を駆動系制御部５に入力して、モ
ータ１８の作動が停止される（ステップＳ６〜Ｓ９）。

【００１９】ついで、第３の制御手段５Ｃからドライバ
ー１５に正方向の信号が送出されてモータ１８が低速で
順方向に作動する。この作動にともない、上記光点検出
部１４が再び測定対象物３からの反射光を検出すると
（図２の時点ｔ３）、モータ１８の作動が停止される
（ステップＳ１０〜Ｓ１３）。

【００２０】以上のようなステップ処理により、レーザ
源１から照射されるスポット光が測定対象物３の先端に
合致し、所定の先端出しが終了する。このように、順方
向への高速移動および逆方向への高速移動によって、照
射されるスポット光の位置が測定対象物３の先端に対し
て大きくずれていようとも、その光の位置と測定対象物
３の先端とのずれ量を速やかに微少量に自動調整でき、
その上で、最後に順方向への低速移動によって、微少量
のずれを収束させて所定の先端出しを精度よく行なうこ
とができる。

【００２１】実際、従来の目視による手作業の場合、測
定対象物の先端出し精度は２〜３mm程度であったが、こ
の発明では、上記低速移動の際のテーブル４の送りピッ
チをたとえば0.02mmに設定することにより、先端出し精
度を最高0.02mmまで高めることができる。

【００２２】また、上記テーブル４の上面は黒色とし
て、レーザ反射光が発生しにくくしたり、ＣＣＤカメラ
２Ａの視野範囲内にテーブル４からのレーザ反射光が入
らなくすることによって、より正確な先端出しができる
ことはいうまでもない。

【００２３】なお、上記の実施例では、測定対象物３側
をテーブル４を介して移動させるように構成したが、レ
ーザ光源１側を移動させるように構成してもよく、ま
た、測定対象物３およびレーザ光源１の双方を移動させ
るようにしてもよい。さらに、この発明は、測定対象物
３にスッポト光を投射して、ラインセンサでその反射光
を捕える三次元形状側装置にも適用できる。

【００２４】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、所定
の三次元形状の計測を行なう前に、光源部から所定領域
に向けて光を照射するとともに、その所定領域を撮像し
てビデオ信号を生成するだけで、該三次元形状測定装置
が本来的に備えているところの光点検出部による反射光
の検出機能を有効に利用して、光源部を測定対象物の先
端に自動的に移動させることができ、所定の先端出し作
業の省力化および効率化を図ることができる。

【００２５】しかも、その自動先端出し作業が、順方向
への高速移動および逆方向への高速移動と、その後の順
方向への低速移動との組合せによって行なわれるので、
光源部と測定対象物との初期の相対位置設定がラフで、
照射される光の位置が測定対象物の先端に対して大きく
ずれている場合でも、そのずれ量を速やかに微少量に自
動調整することができるとともに、その後の順方向への
低速移動によって、微少量のずれを収束させて所定の先
端出しを非常に精度よく行なうことができ、これによっ
て、正確な測定上の原点が求められる。

【００２６】また、このように測定対象物の先端に測定
上の原点を正確に合致させることができるので、測定対
象物の先端よりも手前を原点とする従来の場合と比較し
て、測定対象物の存在する範囲だけを測定できるので、
測定時間の短縮とデータ生成量の圧縮を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による測定物の先端出し機
能を持った三次元形状計測装置のシステム構成図であ
る。

【図２】測定物の先端出し作用工程の説明図である。

【図３】図１の要部の処理フローを説明する図である。

【符号の説明】

１…レーザ光源（光源部）、２…撮像部、２Ａ…ＣＣＤ
カメラ、３…測定対象物、５…駆動系制御部、５Ａ…第
１の制御部、５Ｂ…第２の制御部、５Ｃ…第３の制御
部、１０…ピーク値検出部、１４…光点検出部、１７…
移動機構、１８…モータ。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01B 21/00 - 21/32 G06T 7/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定領域に光を照射する光源部と、上記
   所定領域を撮像してビデオ信号を生成する撮像部と、上
   記ビデオ信号の中から光が照射された測定対象物からの
   反射光を検出する光点検出部と、測定対象物と光源部の
   少なくとも一方を他方に対して相対的に移動させて、光
   の照射によって測定対象物上を走査させる移動機構と、
   測定開始時点から上記光点検出部によって反射光が検出
   される第１時点までは測定対象物を上記所定領域に入れ
   る順方向に上記移動機構を高速で作動させる第１の制御
   手段と、上記第１時点から上記光点検出部によって反射
   光が検出されなくなる第２時点まで上記移動機構を高速
   で逆方向に作動させる第２の制御手段と、上記第２時点
   から上記光点検出部によって再び反射光が検出される第
   ３時点まで上記移動機構を低速で順方向に作動させる第
   ３の制御手段とを備えてなる測定物の先端出し機能を持
   った三次元形状計測装置。