JP4340138B2

JP4340138B2 - 非接触式３次元形状測定装置

Info

Publication number: JP4340138B2
Application number: JP2003415280A
Authority: JP
Inventors: 秀光浅野; 剛八島
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2009-10-07
Anticipated expiration: 2023-12-12
Also published as: JP2005172695A

Description

本発明は、前記ワーク上の測定点に測定光を投影してその反射光を受光して前記測定点までの距離を変位量として検出する非接触変位計を備えた非接触式３次元形状測定装置に関するものである。

前記ワーク上の測定点に測定光を投影してその反射光を受光して前記測定点までの距離を変位量として検出する非接触変位計を備えた非接触式３次元形状測定装置が、例えば特許文献１により知られている。

この測定装置では、非接触式変位計としてのレーザプローブの他、ワークを撮像するためのＣＣＤカメラを備えており、オペレータはこのＣＣＤカメラで撮像されたワーク画像上で、レーザプローブが測定を実行するための測定経路を決定する。ＸＹＺ駆動機構が、この測定経路に沿ってレーザプローブを移動させることにより、測定経路に沿ったワークの形状データが得られる。

レーザプローブは、上述のように、レーザ等の光を測定光としてワーク上に投影し、その反射光を受光部で受光することによりワークまでの距離を測定するものである。このため、測定光が一定であると、ワーク表面の反射率によっては、反射光が強すぎて受光部の出力が飽和状態になったり、或いは反射光が弱すぎて受光部の出力が満足の行く測定を行うには十分でなかったりする。
このような問題に鑑みて、投影する測定光の光量を、ワーク表面の反射率に応じて変化させるようにした測定装置が、特許文献２により提案されている。この文献に開示の測定装置では、ワークを一定の光量の測定光で１度走査し、次の走査の際には、１走査前の各走査位置における受光光量に基づき、測定光であるレーザの出力を変化させている。これにより、ワークの反射率が場所によって異なる場合にも受光部での受光光量レベルをほぼ一定にすることができ、これにより高精度な測定結果を得ることができる。
特開平１１−３５１８４１号公報（第５頁、図１、図２、及び図７等）特開平５−２０９７１９号公報（第３頁右欄、図５等）

しかし、この特許文献２の測定装置では、１つのワークを測定するために少なくとも２度の走査が必要となり、測定に時間がかかるという問題がある。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、受光部での受光光量を常に適正に保って高精度な測定を実行することができると共に、短い測定時間で測定を完了することが可能な非接触式３次元測定装置を提供することを目的とする。

この発明に係る非接触式３次元形状測定装置は、ワークを撮像する撮像手段と、前記ワーク上の測定点に測定光を投影してその反射光を受光して前記測定点までの距離を変位量として検出する非接触式変位計と、前記非接触式変位計を測定３次元空間内で前記ワークに対し相対的に移動させる移動手段と、前記非接触式変位計を移動させる移動経路を決定する移動経路決定手段と、前記撮像手段により撮像された前記ワークの画像データを、前記移動経路決定手段により決定された前記移動経路のデータと照合し、前記移動経路に含まれる前記測定点における前記画像データの画素濃度データに基づき前記測定点における前記測定光の光量を制御する光量制御手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、撮像手段により撮像されたワークの画像に基づき測定点における測定光の光量が光量制御手段により制御される。１つのワークの画像には多数の測定点の画像が含まれ得るので、一つの撮影データにより、多数の測定点での適切な測定光の光量を設定することができる。このため、受光部での受光光量を常に適正に保って高精度な測定を実行することができると共に、一つの測定点に対し複数回測定を繰り返す必要がないため、測定時間の短縮を図ることができる。

以下、図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。
図１は、この発明の実施の形態に係る非接触式３次元測定装置の全体構成を示す斜視図である。この装置は、非接触画像測定機能と非接触変位測定機能とを備えた３次元測定機１と、この３次元測定機１を駆動制御すると共に、必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム２とにより構成されている。

３次元測定機１は、次のように構成されている。即ち、架台１１上には、ワーク１２を載置する測定テーブル１３が装着されており、この測定テーブル１３は、図示しないＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に駆動される。架台１１の両側縁中央部には上方に延びる支持アーム１４、１５が固定されており、この支持アーム１４、１５の両上端部を連結するようにＸ軸ガイド１６が固定されている。このＸ軸ガイド１６には、撮像ユニット１７が支持されている。撮像ユニット１７は、図示しないＸ軸駆動機構によってＸ軸ガイド１６に沿って駆動される。コンピュータシステム２は、計測情報処理及び各種制御を司るコンピュータ２１と、各種指示情報を入力するキーボード２２、ジョイスティックボックス２３及びマウス２４と、計測画面、指示画面及び計測結果を表示するＣＲＴディスプレイ２５と、計測結果をプリントアウトするプリンタ２６とを備えて構成されている。

撮像ユニット１７の内部は、図２に示すように構成されている。即ち、Ｘ軸ガイド１６に沿って移動可能にスライダ３１が設けられ、スライダ３１に一体にＺ軸ガイド３２が固定されている。このＺ軸ガイド３２には、支持板３３がＺ軸方向に摺動自在に設けられ、この支持板３３に、画像測定用の撮像手段であるＣＣＤカメラ３４と、非接触式変位計であるレーザプローブ３５とが併設されている。これにより、ＣＣＤカメラ３４とレーザプローブ３５とは、一定の位置関係を保ってＸ、Ｙ、Ｚの３軸方向に同時に移動できるようになっている。

ＣＣＤカメラ３４には、撮像範囲を照明するための照明装置３６が付加されている。レーザプローブ３５の近傍位置には、レーザプローブ３５のレーザビームによる測定位置を確認するために、測定位置の周辺を撮像するＣＣＤカメラ３８と、レーザプローブ３５の測定位置を照明するための照明装置３９とが設けられている。レーザプローブ３５は、撮像ユニット１７の移動の際にレーザプローブ３５を退避するための上下動機構４０と、レーザビームの方向性を最適な方向に適合させるための回転機構４１とにより支持されている。

図３は、レーザプローブ３５の詳細を示す図である。レーザプローブ３５は、半導体レーザ５１と、この半導体レーザ５１から放射される光の光量を制御する光量制御部５１ａとを備えている。半導体レーザ５１から放射された光は、ビームスプリッタ５２及び１／４波長板５３を介したのち、コリメートレンズ５４によって平行光線とされ、ミラー５５、５６及び対物レンズ５７を介してワーク１２の測定部に光スポットを形成する。ワーク１２の測定部から反射された光は、ミラー５６、５５、コリメートレンズ５４及び１／４波長板５３の逆経路を辿ってビームスプリッタ５２で反射され、エッジミラー５８で上下に二分割される。上下に分割された光は、上下に配置された２分割受光素子５９、６０で検出される。

検出回路６１は、２分割受光素子５９、６０からの出力信号をもとに対物レンズ５７の焦点位置からワーク１２の測定面６２までのずれ量に応じた信号を出力する。サーボ回路６３は、検出回路６１の検出出力に基づいて駆動機構６４に対物レンズ５７の駆動のための駆動信号を出力する。対物レンズ５７が上下動すると、変位検出器６６の可動部材６７が固定部材６８に対して移動する。この移動量が変位量として出力される。

図４には、３次元測定機１及びコンピュータシステム２の構成を更に詳細に示した装置全体のブロック図が示されている。３次元測定機１において、画像測定用のＣＣＤカメラ３４及びレーザプローブ３５の測定位置確認用のＣＣＤカメラ３８でワーク１２を撮像して得られた画像信号は、コンピュータ２１に供給される。この２種類の画像は、後述する選択回路Ｓｃによっていずれかが選択されてＣＲＴディスプレイ２５上に表示される。ＣＣＤカメラ３４、３８の撮像に必要な照明光は、コンピュータ２１の制御に基づき、照明制御部７４、７５が照明装置３６、３９をそれぞれ制御することにより与えられる。レーザプローブ３５から得られた変位量の信号は、Ａ／Ｄ変換器７６を介してコンピュータ２１に供給される。そして、これらを含む撮像ユニット１７が、コンピュータ２１の制御に基づいて動作するＸＹＺ軸駆動部７７によってＸＹＺ軸方向に駆動される。撮像ユニット１７のＸＹＺ軸方向の位置は、ＸＹＺ軸エンコーダ７８によって検出され、コンピュータ２１に供給される。
また、レーザプローブ３５中の半導体レーザ５１から放射されるレーザ光の光量を制御する光量制御部５１ａは、ＣＰＵ８１からの制御信号に基づき制御を実行する。

一方、コンピュータ２１は、制御の中心をなすＣＰＵ８１と、このＣＰＵ８１に接続される多値画像メモリ８２と、プログラム記憶部８３と、メモリ８４と、インタフェース８５、８６、８８と、多値画像メモリ８２に記憶された多値画像データ又はＣＣＤカメラ３８から供給される画像信号を選択する選択回路Ｓｃと、選択回路Ｓｃで選択された多値画像データをＣＲＴディスプレイ２５に表示するための表示制御部８７とにより構成されている。ＣＰＵ８１は、画像測定モードとレーザ測定モードとで選択回路Ｓｃを切り換える。多値画像メモリ８２に格納された多値画像データによる画像、又はＣＣＤカメラ３８から供給された画像信号による画像は、表示制御部８７の表示制御動作によってＣＲＴディスプレイ２５に表示される。

一方、キーボード２２、ジョイスティック２３及びマウス２４から入力されるオペレータの指示情報は、インタフェース８５を介してＣＰＵ８１に入力される。また、ＣＰＵ８１には、レーザプローブ３５で検出された変位量やＸＹＺ軸エンコーダ７８からのＸＹＺ座標情報等を取り込む。ＣＰＵ８１は、これらの入力情報、オペレータの指示及びプログラム記憶部８３に格納されたプログラム及びテーブル８３ｔ（詳しくは後述する）に基づいて、ＸＹＺ軸駆動部７７によるステージ移動、ワーク１２の画像の解析、測定値の演算処理及び半導体レーザ５１の出力レーザ光量の制御処理等の各種の処理を実行する。メモリ８４は、ＣＰＵ８１の各種処理のための作業領域を提供する。測定値は、インタフェース８６を介してプリンタ２６に出力される。また、インタフェース８８は、外部の図示しないＣＡＤシステム等より提供されるワーク１２のＣＡＤデータを、所定の形式に変換してコンピュータシステム２１に入力するためのものである。

次に、この非接触式３次元測定装置によるレーザプローブ３５を用いた３次元形状測定の手順を、図５に基づいて説明する。
はじめに、ＣＣＤカメラ３４により、ワーク１２の画像を撮像し、多値画像メモリ８２にこの画像をワーク画像データ１２´として格納させる。次に、図５（ａ）に示すように、この多値画像メモリ８２に格納されたワーク画像データ１２´をＣＲＴ２５上に表示させると共に、多数の測定点を結ぶ測定経路ＭＬを、オペレータに描画させる。測定経路ＭＬの描画は、例えばマウス２４等を操作することにより実行することができる。

この描画が終了したら、ＣＰＵ８１は、この測定経路ＭＬのデータをメモリ８４に記憶させ、その後、多値画像メモリ８２に格納されたワーク画像データ１２´を、この測定経路ＭＬのデータと照合する。そして、その測定経路ＭＬ上の測定点におけるワーク画像データ１２´の画素濃度データを抽出する。

ＣＰＵ８１は、その抽出された画素濃度データから、その測定点における反射率を推定し、プログラム記憶部８３に格納されたテーブル８３ｔを参照して、推定された反射率の測定点を測定するのに適正な半導体レーザ５１の出力レーザ光の光量（レーザ光量）を決定する。この決定結果はレーザ光量データとしてメモリ８４に記憶される。テーブル８３ｔは、測定点における反射率と、そのような反射率を有する測定点を測定するのに適正な半導体レーザ５１のレーザ光量とを対応付けて格納したものである。このテーブル８３ｔは、ワーク１２上の測定点の反射率と、その測定点を測定する際の適正なレーザ光量との関係を予め実験等により取得することにより作成されるものである。テーブル８３ｔを用意する代わりに、プログラム中に実験データに基づく演算式を用意しておき、この演算式に基づいてレーザ光量を決定してもよい。

半導体レーザ５１のレーザ光量の決定のしかたの一例を、図５（ｂ）に基づいて説明する。ワーク１２の画素濃度が、測定経路ＭＬに沿って図５（ｂ）に示すように変化する場合には、その画素濃度に応じてレーザ光量も図５（ｂ）に示すように変化させる。反射率が標準値より高いと推定される測定点では、レーザ光量を標準値より低く設定する。逆に、反射率が標準値よりも低いと推定される部分では、レーザ光量を標準値よりも高く設定する。

レーザ光量の決定がされると、ＣＰＵ８１は、描画された測定経路ＭＬのデータに基づき、ＸＹＺ軸駆動部７７に駆動信号を出力し、描画された測定経路ＭＬに沿ってレーザプローブ３５を移動させる。レーザプローブ３５は、この測定経路ＭＬ上の多数の測定点において測定を実行し、各点ごとに変位量データを取得する。このとき、ＣＰＵ８１は、メモリ８４に格納されたレーザ光量データを参照して制御信号を光量制御部５１ａに出力し、半導体レーザ５１のレーザ光量を調整する。これにより、反射率が高いと推定される測定点では半導体レーザ５１の出力レーザ光の光量が小さくされ、受光素子５９及び６０の検出信号が飽和状態となることが防止される。逆に、反射率が低いと推定される測定点では半導体レーザの出力レーザ光の光量が大きくされ、これにより、受光素子５９及び６０の検出信号を十分な大きさとし、レーザプローブ３５の検出精度が低下することが防止される。

以上の実施の形態においては、非接触式変位計としてレーザプローブを使用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ワーク上の測定点に測定光を投影してその反射光を受光するものであれば、他の様々な方式のものが適用可能である。

本発明の実施の形態に係る非接触式３次元画像測定装置の斜視図である。図１に示す装置における撮像ユニットの内部の斜視図である。図１に示す装置におけるレーザプローブの構成を示す図である。図１に示す装置の全体ブロック図である。図１に示す非接触式３次元測定装置のレーザプローブ３５を用いた３次元形状測定の手順を示す。

符号の説明

１・・・３次元測定機、２・・・コンピュータシステム、１１・・・架台、１２・・・ワーク、１３・・・測定テーブル、１４、１５・・・支持アーム、１６・・・Ｘ軸ガイド、１７・・・撮像ユニット、２１・・・コンピュータ、２２・・・キーボード、２３・・・ジョイスティックボックス、２４・・・マウス、２５・・・ＣＲＴディスプレイ、２６・・・プリンタ、３４、３８・・・ＣＣＤカメラ、３５・・・レーザプローブ、３６、３９・・・照明装置、４０・・・上下動機構、４１・・・回転機構、５１・・・半導体レーザ、５１ａ・・・光量制御部、５２・・・ビームスプリッタ、５３・・・１／４波長板、５４・・・コリメートレンズ、５５、５６・・・ミラー、５７・・・対物レンズ、５８・・・エッジミラー、５９、６０・・・２分割受光素子、６１・・・検出回路、６３・・・サーボ回路、６４・・・駆動機構、６６・・・変位検出器、６７・・・可動部材、６８・・・固定部材、７１・・・Ａ／Ｄ変換器、７３・・・選択回路、７４、７５・・・照明制御部、７６・・・Ａ／Ｄ変換器、７７・・・ＸＹＺ軸駆動部、７８・・・ＸＹＺ軸エンコーダ、８１・・・ＣＰＵ、８２・・・多値画像メモリ、８３・・・プログラム記憶部、８４・・・メモリ、８５、８６、８８・・・インタフェース、Ｓｃ・・・選択回路、８７・・・表示制御部。

Claims

ワークを撮像する撮像手段と、
前記ワーク上の測定点に測定光を投影してその反射光を受光して前記測定点までの距離を変位量として検出する非接触式変位計と、
前記非接触式変位計を測定３次元空間内で前記ワークに対し相対的に移動させる移動手段と、
前記非接触式変位計を移動させる移動経路を決定する移動経路決定手段と、
前記撮像手段により撮像された前記ワークの画像データを、前記移動経路決定手段により決定された前記移動経路のデータと照合し、前記移動経路に含まれる前記測定点における前記画像データの画素濃度データに基づき前記測定点における前記測定光の光量を制御する光量制御手段と
を備えたことを特徴とする非接触式３次元形状測定装置。