JP4119788B2 - 形状計測システム及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、測定対象物の形状計測システム及び方法に係わり、特に、測定時にフォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用した形状計測システム及び方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象物の三次元形状を測定する光学測定器には、周波数変調型レーザ測定器、振幅変調型レーザ測定器等のように、照射するレーザ光等の光を測定対象物表面の測定すべき点に合焦させ、測定対象物からの反射光に基づいて測定対象物までの距離を計測するものがある。このような測定器によって、測定対象物の表面上の多数の点の位置を測定することによって、測定対象物の三次元形状を測定することができる。
また、特許文献１には、三次元形状を測定すべき測定対象物にスリット光を照射し、スリット光が照射された測定対象物をＣＣＤカメラによって撮像し、撮像された画像を解析することによって三次元形状を測定する三次元形状計測装置が記載されている。
【０００３】
図４は、周波数変調型レーザ測定器の測定原理を示す図である。図４に示すように、周波数変調型レーザ測定器１００は、レーザ源１０２と、ビームスプリッタ１０４と、ハーフミラー１０６と、対物レンズ１０８と、干渉器１１０と、を有する。レーザ源１０２から射出されたレーザ光は、図４に実線で示すように、ビームスプリッタ１０４、ハーフミラー１０６、及び、対物レンズ１０８を介して測定対象物Ｓの表面に合焦される。測定対象物Ｓによって反射されたレーザ光は、図４に破線で示すように、対物レンズ１０８、ハーフミラー１０６を介して、干渉器１１０に入射する。一方、レーザ源１０２から射出されたレーザ光の一部は、ビームスプリッタ１０４によって偏向され、干渉器１１０に入射する。
【０００４】
図５（ａ）（ｂ）は、レーザ源１０２から射出されるレーザ光の周波数変調を模式的に示すグラフである。図５（ａ）に示すように、レーザ源１０２から射出されるレーザ光は周波数変調されており、周波数が周期的に変化する。図５（ｂ）に示すように、レーザ源１０２から射出されるレーザ光は、２００ＴＨｚから２００．１ＴＨｚの間で２ｍｓｅｃの周期Ｔで周波数が変化する。ここで、レーザ源１０２から射出され、ビームスプリッタ１０４によって偏向されて干渉器１１０に入射した光の周波数の変化を、図５（ｂ）の実線とすると、測定対象物Ｓによって反射されて干渉器１１０に入射したレーザ光の周波数の変化は、図５（ｂ）の破線のように、時間Δｔだけ遅れた波形となる。
【０００５】
この遅れ時間Δｔと、対物レンズ１０８から測定対象物Ｓまでの距離Δｄとの間には、
Δｔ＝Δｄ／ｃ （数式１）
なる関係がある。なお、（数式１）中のｃは光速である。また、この時間Δｔと、ある時刻における照射光と反射光との周波数の差Δｆとの間には、
Δｔ＝ΔｆＴ／Ｆ （数式２）
なる関係が成り立つ。なお、（数式２）中のＦは、周波数の最大の変調幅（ここでは０．１ＴＨｚ）である。従って、周波数計数器である干渉器１１０は、入射した図５（ｂ）に実線で示す照射光と、破線で示す反射光とを干渉させ、それらの間の周波数の差Δｆをカウントする。次いで、カウントされた周波数の差Δｆを（数式２）に代入してΔｔを求め、求められたΔｔを（数式１）に代入することによって対物レンズ１０８と測定対象物Ｓとの間の距離Δｄを測定することができる。
以上、周波数変調型レーザ測定器の測定原理を説明したが、振幅変調型レーザ測定器も同様の原理で距離を測定している。なお、振幅変調型レーザ測定器においては、振幅変調されたレーザ光がレーザ源から射出され、上述した干渉器に代えて時間計測器又はタイマーが使用される。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−３００４４３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような、周波数変調型レーザ測定器や、振幅変調型レーザ測定器では、照射するレーザ光を測定対象物の表面上で合焦させる必要があるため、対物レンズと測定対象物との間の大体の距離を把握しておく必要がある。従って、例えば、測定対象物である機械部品の形状を測定するような場合には、通常、その機械部品のＣＡＤデータを、レーザ測定器のフォーカシング情報として使用して、照射するレーザ光を測定対象物の表面に合焦させている。
【０００８】
しかしながら、レーザ測定器で形状を測定する全ての測定対象物に対して、フォーカシング情報として使用することができるＣＡＤデータ等の情報を予め入手できるとは限らないという問題がある。従って、ＣＡＤデータが存在しない古い機械構造物や、機械加工の中間段階において部品の形状をチェックする必要がある場合、測定者は、レーザ測定器から照射されるレーザ光を各測定点毎に測定対象物の表面上に合焦させる操作をする必要がある。測定対象物の形状を測定するためには、一般に非常に多くの測定点を必要とするため、この操作には膨大な労力を要するという問題がある。
【０００９】
従って、本発明は、ＣＡＤデータ等のフォーカシング情報が存在しない場合にも、フォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用して容易に形状を計測することができる形状計測システム及び方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明は、測定時に測定用の光を合焦させるためのフォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用して、測定対象物の形状を測定する形状計測方法であって、測定対象物上の、粗計測で位置を測定すべき所定の数の点にマークを付けるステップと、このマークを付けるステップにおいてマークが付けられた点に、光学測定器からの光を手動で合焦させ、測定対象物上の所定の数の点の位置を、光学測定器によって粗計測する粗計測ステップと、この粗計測ステップで測定された点の位置測定値に基づいて、粗計測ステップにおいて位置が測定されていない測定対象物上の各点の位置を、補間又は補外計算を使用して推定する推定ステップと、この推定ステップにおいて位置が推定された各点に向けて測定用の光を射出して測定用の光が合焦されるように光学測定器を制御し、光学測定器によって測定対象物上の各点の位置を本計測する本計測ステップと、を有することを特徴としている。
【００１１】
このように構成された本発明においては、まず、測定対象物上の所定の数の点の位置が粗計測され、その位置のデータがフォーカシング情報生成手段に入力される。フォーカシング情報生成手段は、粗計測された点の位置に基づいて、補間又は補外計算を行い、測定対象物上に存在する多数の点の位置を推定する。推定された点の位置は、フォーカシング情報を必要とする光学測定手段に、フォーカシング情報として入力される。制御手段は、入力されたフォーカシング情報に基づいて光学測定手段を制御し、測定用の光を測定対象物上に合焦させ、測定対象物上の各点の位置を本計測する。
【００１２】
本発明の形状計測方法によれば、本測定の前にフォーカシング情報が用意できない測定対象物についても、フォーカシング情報を必要とする光学測定手段によって形状を計測することができる。
【００１４】
好ましくは、光学測定器には、周波数変調型レーザ測定器又は振幅変調型レーザ測定器を使用する。
この構成によれば、高い精度で形状を計測することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による形状計測システムの概略図である。図１に示すように、本発明の実施形態による形状計測システム１は、光学測定手段である周波数変調型レーザ測定器２と、この周波数変調型レーザ測定器２を駆動し、制御するコントロールユニット４とを有する。
【００１８】
レーザ測定器２は、レーザ光線を測定対象物Ｓに照射し、その反射光を受光するヘッド部６と、このヘッド部６を支持するスタンド８と、ヘッド部６に取付けられた対物レンズ１０と、を有する。レーザ測定器２のヘッド部６は、スタンド８に対して水平方向及び垂直方向に回動可能に支持されており、対物レンズ１０から測定用のレーザ光を射出するように構成されている。また、対物レンズ１０は、測定用のレーザ光を測定対象物Ｓの表面に合焦させるように構成されている。さらに、ヘッド部６は、測定用レーザが照射される位置を指示するためのポインティングレーザを射出するように構成されている。周波数変調型レーザ測定器２の作動原理は、前述したので説明を省略する。
【００１９】
コントロールユニット４は、周波数変調型レーザ測定器２によって測定された点の位置を記憶するメモリ１２と、このメモリ１２に記憶された所定の数の点の位置に基づいて、測定対象物Ｓ上の各点の位置を推定し、フォーカシング情報を生成するフォーカシング情報生成手段１４と、このフォーカシング情報生成手段１４によって生成されたフォーカシング情報に基づいてレーザ測定器２を制御する制御手段１６と、最終的に測定された測定対象物Ｓの形状を出力する出力手段１８とを有する。コントロールユニット４は、コンピュータ及びそれを作動させるためのソフトウェア等によって構成することができる。
【００２０】
フォーカシング情報生成手段１４は、粗計測によって測定され、メモリ１２に記憶された所定の数の点の位置に基づいて、補間又は補外計算により、測定対象物Ｓ上の各点の位置を推定するように構成されている。粗計測によって測定された点の間にある点の位置を補間又は補外計算により推定する手法として、直線近似、多項式近似、スプライン関数近似等、任意の手法を用いることができる。
【００２１】
なお、本明細書において、補間とは、既知の各点の間の点を、与えられた各点を通る所定の関数で近似し、推定することに加え、与えられた各点の近傍を通る関数で近似し、推定することを含むものとする。同様に、補外とは、既知の各点の外側にある点を、与えられた各点を通る所定の関数で近似し、推定することに加え、与えられた各点の近傍を通る関数で近似し、推定することを含むものとする。
【００２２】
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施形態による形状計測システム１の作用を説明する。図２は、本実施形態の形状計測システム１による形状計測手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１において、測定対象物Ｓ及び周波数変調型レーザ測定器２を所定の条件でセットする。本実施形態の形状計測システム１に含まれる周波数変調型レーザ測定器２は、測定用レーザ光を測定対象物Ｓの表面上に合焦させるためのフォーカシング情報を必要とする。通常、このフォーカシング情報として測定対象物ＳのＣＡＤ図面のデータ等が使用される。ＣＡＤ図面データ等のフォーカシング情報を予め準備できる場合には、従来の周波数変調型レーザ測定器２によって測定対象物Ｓの形状を計測することができるので、ここでは、フォーカシング情報が準備できない場合について説明する。
【００２３】
次に、フォーカシング情報を得るために、測定対象物Ｓの粗計測を行う。粗計測では、測定対象物Ｓ上の所定の数の点について手作業で位置を測定する。ステップＳ２においては、測定対象物Ｓ上の粗計測で位置を測定すべき点にマークを付ける。このマークとして、レーザー計測一般に使用されるターゲットシールを使用してもよい。図３に示すように、本実施形態では、測定対象物Ｓ上に縦５列、横５行の格子状に、合計２５点のマークＡ１１乃至Ａ５５を付けている。粗計測で位置を測定すべき点の数は、測定対象物Ｓの大きさや、形状の複雑さに応じて、適宜決定することができる。
【００２４】
次に、ステップＳ２でマークを付けた点の位置を、レーザ測定器２を使用して、手作業で測定する。即ち、ステップＳ３では、レーザ測定器２からポインティングレーザを射出させ、このレーザ光が、位置を測定すべきマークに当たるようにレーザ測定器２のヘッド部６の向きを調整する。次に、レーザ測定器２の対物レンズ１０から測定用レーザを射出し、対物レンズ１０を手動で調整して、測定用レーザを測定対象物Ｓ上のマークに合焦させる。
【００２５】
次に、ステップＳ４では、測定用レーザによって、測定用レーザを合焦させたマークの位置を測定する。測定されたマークの位置は、コントロールユニット４のメモリ１２に記憶される。マークＡ１１乃至Ａ５５全てについて、ステップＳ３、Ｓ４の操作を繰り返し、それらの位置をメモリ１２に記憶させる。
【００２６】
ステップＳ５では、フォーカシング情報生成手段１４によって、粗計測において得られ、メモリ１２に記憶された各マークの位置に基づいて、各マークの間の点の位置及び各マークの外側の点の位置が、補間及び補外計算によって推定される。最も単純には、例えば、マークＡ２２とＡ２３の間にある点の位置は、マークＡ２２とＡ２３とを結ぶ直線で近似して、推定することができる。或いは、マークＡ２２、Ａ２３及びＡ３３を頂点とする三角形の内部にある点の位置は、マークＡ２２、Ａ２３及びＡ３３を通る平面で近似して、推定することができる。同様に、測定対象物Ｓ上の各マークより外側にある点の位置も、直線又は平面に近似して推定することができる。好ましくは、各マークの間の点及び各マークの外側の点を、高次多項式等で表される曲線或いは曲面で近似して、推定する。
【００２７】
次に、ステップＳ６では、フォーカシング情報生成手段１４によって推定された測定対象物Ｓ上の各点の位置が、コントロールユニット４の制御手段１６に送られる。制御手段１６は、レーザ測定器２のヘッド部６がフォーカシング情報生成手段１４によって位置が推定された点に向けられるように、ヘッド部６の向きを制御する。更に、ヘッド部６の対物レンズ１０は、制御手段１６によって、ヘッド部６が向けられた測定対象物Ｓ上の点に測定用レーザ光が合焦するように調整される。
【００２８】
ステップＳ７では、ヘッド部６の対物レンズ１０から測定用レーザ光を射出し、測定対象物Ｓ上の点の位置を本計測する。測定用レーザ光の合焦は、フォーカシング情報生成手段１４によって推定された点の位置に誤差があったとしても、その誤差が所定の範囲内であれば自動的に調整される。ステップＳ６、Ｓ７の作用は、制御手段１６によって、測定対象物Ｓ上の位置を測定すべき多数の点について繰り返され、測定対象物Ｓ上の各点の位置が本計測される。測定対象物Ｓ上で本計測を行う点の数は、測定対象物Ｓの寸法、形状、及び、形状計測に要求される精度に応じて適宜変更することができる。
ステップＳ８において、本計測された測定対象物Ｓの形状が、出力手段１８によって表示される。
【００２９】
本発明の実施形態による形状計測システムによれば、測定対象物ＳのＣＡＤデータ等のフォーカシング情報がない場合にも、フォーカシング情報を必要とするレーザ測定器によって、形状を計測することができる。また、本実施形態による形状計測システムでは、比較的少数の測定対象物上の点について手作業で位置を測定するだけで、測定対象物全体の多数の点について位置を測定することができるので、迅速に高精度な形状計測を行うことができる。
【００３０】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、上述した実施形態に種々の変更を加えることができる。特に、本実施形態では、レーザ測定器として、周波数変調型レーザ測定器を使用しているが、本発明の形状計測システムに、振幅変調型レーザ測定器等、フォーカシング情報を必要とする任意の光学的測定器を利用することもできる。また、本実施形態では、本計測を行うものと同じ周波数変調型レーザ測定器を使用して粗計測を行っているが、粗計測に使用する位置測定器は、本計測を行う測定器とは別の測定器であっても良く、光学式、接触式等、任意の位置測定器を使用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、ＣＡＤデータ等のフォーカシング情報が存在しない場合にも、フォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用して容易に形状を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態による形状計測システムの概略図である
【図２】本発明の実施形態の形状計測システムによる形状計測手順を示すフローチャートである。
【図３】測定対象物上の粗計測を行う点の一例を示す図である。
【図４】従来の周波数変調型レーザ測定器の測定原理を示す図である。
【図５】従来の周波数変調型レーザ測定器のレーザ源から射出される周波数変調されたレーザ光を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
Ｓ 測定対象物
１ 本発明の実施形態による形状計測システム
２ 周波数変調型レーザ測定器
４ コントロールユニット
６ ヘッド部
８ スタンド
１０ 対物レンズ
１２ メモリ
１４ フォーカシング情報生成手段
１６ 制御手段
１８ 出力手段

Claims (2)

1. 測定時に測定用の光を合焦させるためのフォーカシング情報を必要とする光学測定器を使用して、測定対象物の形状を測定する形状計測方法であって、
   測定対象物上の、粗計測で位置を測定すべき所定の数の点にマークを付けるステップと、
   このマークを付けるステップにおいてマークが付けられた点に、前記光学測定器からの光を手動で合焦させ、前記測定対象物上の所定の数の点の位置を、前記光学測定器によって粗計測する粗計測ステップと、
   この粗計測ステップで測定された点の位置測定値に基づいて、粗計測ステップにおいて位置が測定されていない前記測定対象物上の各点の位置を、補間又は補外計算を使用して推定する推定ステップと、
   この推定ステップにおいて位置が推定された各点に向けて測定用の光を射出して測定用の光が合焦されるように前記光学測定器を制御し、前記光学測定器によって前記測定対象物上の前記各点の位置を本計測する本計測ステップと、
   を有することを特徴とする形状計測方法。
2. 前記光学測定器が、周波数変調型レーザ測定器又は振幅変調型レーザ測定器である請求項１記載の形状計測方法。

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