JP4345235B2

JP4345235B2 - 非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法

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Publication number: JP4345235B2
Application number: JP2001016742A
Authority: JP
Inventors: 正晴鈴; 久伊賀
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-01-25
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: JP2002221411A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法、特に、各種非接触式三次元形状測定器において、容易に計測精度保証を行うことのできる計測精度保証方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被測定物（以下、ワークという）の三次元形状を測定する装置として三次元形状測定器がある。この三次元形状測定器には、大別して接触式と非接触式とがある。接触式の三次元形状測定器は、先端細径のプローブをワークの表面に直接接触させ、ワーク形状に沿ってトレースすることにより、ワークの三次元座標データを順次取得し、ワークの三次元形状を認識するものである。また、非接触式の三次元形状測定器は、ワークに対してレーザ光等の光を投射し、ワークから反射してくる反射光によりワークまでの距離を測定し、ワークの三次元座標データを取得するタイプのものや、ステレオ撮影法により三次元座標を順次算出するタイプのものやワークにパターン縞を投射し、その縞をカメラ等で撮影し、撮影されたワーク表面における縞の歪みに基づきワークの三次元座標データを取得するタイプや特殊な光を投影せず、ワークをカメラ等で撮影し、その撮影した画像の特徴部分に関して画像処理手法を用いて、三次元座標データを取得するタイプのものがある。この他にも、様々な方式が提案されている。
【０００３】
これらの三次元形状測定器は、任意の物質の研究やそのデータ収集を目的としたり、工業製品の仕上がり精度の検査等、様々な分野で利用されている。なお、非接触式は接触式に比べ取得できるデータ量が多いため最近では、非接触式への移行が盛んに行われるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、測定を行う場合、その測定データには必ず測定誤差が含まれる。従って、信頼度の高い測定を行うためには、測定誤差に対する考慮、すなわち測定精度の保証を行わなければならない。例えば、接触式三次元形状測定器の場合、その精度保証方法は、ＪＩＳ等により定義されており、長さ標準器を活用し、測定距離（２次元）に対する保証を９５％信頼限界にて定義している。
【０００５】
しかし、非接触式三次元測定の場合、その測定エリア（例えば、約Ａ４サイズ）内の三次元形状が例えば３０万点以上測定され、接触式のように測定距離（二次元）に基づいた精度保証を行うことはできないという問題を有する。また、非接触式三次元測定の場合、その精度は、長さ、粗さ、材質、角度、真円度、ワークの色等による影響を受ける。従って、一つの測定精度のみで非接触式三次元形状測定器の精度を表すことができず、様々な精度が絡み合い、容易に測定精度保証を行うことができないという問題を有する。
【０００６】
さらに、現状の非接触式三次元形状測定器の精度保証は、各三次元形状測定器の製造メーカが表示する精度保証値をそのまま使用していることが多い。通常、精度保証値はセンサやカメラ単体の解像度のみの精度を用いて三次元形状測定器全体の精度保証を行ったり、長さに関する測定精度のみを用いて三次元形状測定器全体の精度保証を行う場合が多く、前述したような様々な精度変動要因を複合的に考慮した三次元形状測定器全体の精度保証は行われていないのが現状であり、精度保証の信頼性が十分でないという問題がある。また、各三次元形状測定器毎に精度保証方法が統一されておらず、同じ機能の非接触式三次元形状測定器であっても、三次元形状測定器毎に異なる基準に基づく測定精度の保証が行われているのが現状であり、三次元形状測定器間の互換的信頼度が低下すると共に、異なる基準で測定精度の保証が行われると三次元形状測定器毎のデータ管理が煩雑になるという問題を有する。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、各種非接触式三次元形状測定器において、精度変動要因を複合的に考慮し信頼性の高い精度保証を行うと共に、各種非接触式三次元形状測定器に対し容易に計測精度保証を統一された状態で行うことのできる計測精度保証方法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】
上記のような目的を達成するために、本発明は、被測定物表面の画像を複数の測定素子を有するセンサで取得して、前記被測定物の表面三次元形状を測定する非接触式三次元形状測定器における計測精度保証方法であって、平坦な斜面部を有する第一標準ゲージを用いて、斜面部のフォーカスが合った位置で各測定素子が取得する斜面部の測定点群データの間隔に基づいて、縦横高さ方向の測定分解能を検定するステップと、平坦な複数の平面部を階段状に配列した第二標準ゲージの平面部画像を複数回取得して、各測定素子が取得する測定毎の測定点群データの前記平面部の垂直方向の座標ばらつきに基づいて、同一平面ばらつき精度及び、異なる２平面部の高さ方向の測定精度を検定するステップと、円筒表面に少なくとも膨張色から収縮色まで段階的に変化する色彩を有する第三標準ゲージの円筒表面画像を取得して、各測定素子が取得する色の異なる位置における測定点群データが形成する円筒外形に基づいて形状膨縮精度及び曲面測定精度を検定するステップと、前記各ステップの結果に基づいて、センサの総合測定精度を含む総合測定精度を算出するステップと、を含み、前記総合測定精度に基づいて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことを特徴とする。
【０００９】
ここで、画像を取得するセンサとは、例えばＣＣＤ撮像装置（例えばＣＣＤカメラ）等であり、第一標準ゲージの縦横方向とは、センサの測定素子配列面と平行な面の縦横方向であり、高さとは、測定素子配列面と直交する方向である。また、第一標準ゲージ、第二標準ゲージ、第三標準ゲージは、例えば金属やセラミックス等で形成され、所定部分の平面度や真円度、角度等の寸法精度は、任意の計測装置により正確に測定され既知の値とされている。また、第三標準ゲージに付される色彩は、膨張色から収縮色が順に配列されたものであり、例えば、白、青緑、青紫、灰、青、緑、赤、黒等の順に配列されている。
【００１０】
この構成によれば、第一標準ゲージを用いた検定によりセンサの縦横高さ方向の分解能をまず確認し、さらに、第二標準ゲージを用いた検定を行うことにより、センサが高さ方向に関しどのくらいの精度で測定を行っているかを確認することができる。この第一標準ゲージ、第二標準ゲージによる検定を行うことにより、第三標準ゲージの円筒の円弧を所定精度で測定していることを保証すると共に、実際の曲面測定精度の保証を行うことができる。さらに、第三標準ゲージを用いた検定により、色の違いによるセンサの形状認識誤りの程度を確認している。そして、各検定のステップの結果を用いて、センサの総合測定精度を算出し、非接触式三次元形状測定器の精度保証を行っているので、容易に精度保証の信頼度を向上することができる。
【００１１】
上記のような目的を達成するために、本発明は、上記構成において、さらに、平面上に同一連続パターンが等ピッチで配列された第四標準ゲージの全体画像をセンサで分割取得して、その取得した分割データを貼り合わせてできた第四標準ゲージの全体画像から認識される全体寸法と第四標準ゲージの既知の全体寸法との一致度に基づいてデータ貼り合わせ精度を検定するステップと、を含み、データ貼り合わせ検定を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことを特徴とする。
【００１２】
ここで、第四標準ゲージは、例えば、広い面積を有する板状部材で構成され、同一連続パターンとは、任意形状でよいが、パターン同士が相互に関連づけられるものが好ましく、例えば、方形のパターンを配列したり、所定角度（例えば９０°）で交わる平行な複数の溝を板状部材の表面に形成し、残った部分を同一連続パターンとしてもよい。また、第四標準ゲージの全体画像を前記センサで分割取得するときには、例えば、第四標準ゲージを四分割し順次同一のセンサで画像取得を行う。この時、分割される画像は全体から欠落した部分が無ければよく、個々に重複部分が存在してもよい。
【００１３】
この構成によれば、計測対象（被測定物）が大きな面積を有する場合で、センサにより分割して形状データを取得しなければならないような場合に、実際の全体画像と張り合わせた合成画像との比較に基づいて、データ貼り合わせ処理時の精度を確認することができる。従って、データ貼り合わせ検定を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことにより、大きな被測定物を非接触式三次元形状測定器で測定する場合の精度保証の信頼度を容易に向上することができる。
【００１４】
上記のような目的を達成するために、本発明は、上記構成において、さらに、長尺部材上に同一連続立体パターンを等ピッチでアレイ配置した第五標準ゲージの全体画像をセンサで分割取得して、センサで取得した分割データを貼り合わせてできた第五標準ゲージの全体画像から認識される全体寸法と第五標準ゲージの既知の全体寸法との一致度に基づいて空間貼り合わせ精度を検定するステップと、を含み、空間貼り合わせ精度を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記第五標準ゲージに形成される同一連続立体パターンとは、例えば、個々の分離した球体を配置してもよし、錐体や直方体等を配置してもよい。また、半球形状の凹部形状としてもよい。
【００１６】
この構成によれば、計測対象（被測定物）が大きく、センサによりその測定対象が存在する大きな空間を分割して形状データを取得しなければならないような場合に、実際の全体立体画像と張り合わせた合成画像との比較に基づいて、データ貼り合わせ処理時の貼り合わせ空間精度を確認することができる。従って、データの空間貼り合わせ検定を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことにより、大きな被測定物を非接触式三次元形状測定器で測定する場合の精度保証の信頼度を容易に向上することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）を図面に基づき説明する。
【００１８】
図１には、本実施形態の非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法の精度保証概念を説明する説明図が示されている。
【００１９】
本実施形態においては、日本工業規格（ＪＩＳ）や国際標準化機構（ＩＳＯ）規格に従って精度保証された接触式三次元形状測定器１０により非接触式三次元形状測定器１２用の精度検定標準器（標準ゲージ）１４の検定を行い、精度保証が行われた前記標準ゲージ１４を用いて、非接触式三次元形状測定器１２の精度保証検定を行う。
【００２０】
まず、本実施形態の計測精度保証方法を実施する前準備として、前述したように、ＪＩＳやＩＳＯにより国家標準として定義された原器により、接触式三次元形状測定器１０の検定（精度保証）を行う。前記原器は、各メーカーよりＪＩＳやＩＳＯの規格に基づき基準ブロックとして提供されている。基準ブロックには、長さや表面粗さ、角度等の基準となるものがあり、接触式三次元形状測定器１０の基本精度の保証を行う。接触式三次元形状測定器１０は先端が細径のプローブを有し、直接基準ブロックの表面をトレースすることによりその測定を行う。そして、その測定結果と基準ブロックの予め有する寸法との比較を行うことにより、接触式三次元形状測定器１０の精度を算出し、精度保証を行う。
【００２１】
さらに、精度保証が行われた接触式三次元形状測定器１０により標準ゲージ１４の精度保証を行う。一般に、接触式三次元形状測定器１０の測定精度は１０μｍ以下なので、標準ゲージ１４の形状精度の検定を良好に行うことができる。
【００２２】
本実施形態の特徴的事項は、非接触式三次元形状測定器１２の十分な精度保証を行うために、複数種類の標準ゲージによる検定を行い、各検定の複合結果を非接触式三次元形状測定器１２の測定精度として保証するところである。
【００２３】
なお、図２には、本実施形態で用いる非接触式三次元形状測定器１２の概略構成が示されている。本実施形態で用いる非接触式三次元形状測定器１２は、例えば、縞パターン投光式の非接触式三次元形状測定器であり、被測定物（以下、ワークという）１６の表面に縞状のパターン光を縞投光器１８によって投光し、縞投光器１８とは異なる方向から複数の測定素子を有するセンサ、例えばＣＣＤ撮像装置（例えばＣＣＤカメラ）２０で縞パターン１８ａを捉えている。縞パターン１８ａを投光する位置とＣＣＤカメラ２０で投光された縞を捉える位置が異なるため投光した縞パターン１８ａはワーク１６の表面形状に沿って曲がって見えることになる。そして、ＣＣＤカメラ２０で捉えた縞パターン１８ａを三角測量の原理を用いて定量化することにより、それぞれの縞の奥行き寸法が計算可能になり、ワーク１６の立体形状を計測することができる。すなわち、ＣＣＤカメラ２０の複数の測定素子で測定した測定点群のＸ，Ｙ，Ｚ座標を算出し、その測定点群を解析することによりワーク１６の形状認識を行っている。
【００２４】
図２の構成の場合、ＣＣＤカメラ２０で捉えられた縞パターン１８ａは、三次元形状測定器本体２２の画像処理部２４のデータ処理部２６に供給され、測定点毎の座標計算等が行われる。そして、形状処理部２８において、取得した測定点データに基づきワーク１６の詳細な形状が認識され、表示部３０等に、例えば、三次元形状データとして、測定点群データ表示、断面線データ表示、シェーディング表示、及び各寸法表示等を行う。なお、ワーク１６の立体データを取得するためには、ワーク１６に対し複数の方向からデータを取得する必要がある。そのため、三次元形状測定器本体２２には、縞投光器１８やＣＣＤカメラ２０がワーク１６の周囲を移動する際の制御を行う機構制御部３２や縞投光器１８やＣＣＤカメラ２０の移動量や表示部３０の表示形態、画像処理部２８における処理形態を操作する操作部３４等も含んでいる。
【００２５】
前述したように、非接触式三次元形状測定器１２でワーク１６の三次元形状データを取得する場合、その測定精度を保証する必要がある。本実施形態においては、複数項目に関し精度保証を複合的に行うことにより、非接触式三次元形状測定器１２の精度保証の信頼度を向上している。
【００２６】
図３以降には、本実施形態でより信頼度の高い精度保証を行うために利用する標準ゲージの具体的な例を示している。なお、以下に示す各標準ゲージを用いて得たデータの処理は、図２における画像処理部２４等で行われる。
【００２７】
図３（ａ）には、非接触式三次元形状測定器１２で使用するＣＣＤカメラ２０の分解能に関する精度保証を行う場合に使用する第一標準ゲージ３６の一例が示されている。第一標準ゲージ３６は、平坦な斜面部を有する立体、例えば三角柱で構成されている。図３（ａ）の場合、異なる形状の三角柱３６ａ，３６ｂが底面部（上面部）で接続された例を示している。三角柱３６ａは、図３（ｂ）に示すように、水平面に対して例えば４５°と３０°の角度を有する斜面部３８ａ，３８ｂを有し、三角柱３６ｂは、水平面に対して例えば１５°と１０°の角度を有する斜面部４０ａ，４０ｂを有している。この第一標準ゲージ３６の各長さや表面粗さ、角度等は、前述したように、接触式三次元形状測定器１０により精度保証が行われているものとする。
【００２８】
このように精度保証が行われている第一標準ゲージ３６を用いて、非接触式三次元形状測定器１２の分解能に関する精度保証を行う。すなわち、通常の非接触式三次元形状測定器１２による形状測定手順と同様に縞投光器１８により第一標準ゲージ３６に縞パターン１８ａを投光し、ＣＣＤカメラ２０によりその画像を様々な方向から捉える。ＣＣＤカメラ２０で縞パターン１８ａを捉える場合、縞パターン１８ａは、斜面部３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂの角度に応じて、ＣＣＤカメラ２０と第一標準ゲージ３６の距離が変化するので、フォーカス状態が異なり、見え方が異なる。そして、フォーカスが合っている状態（縞パターン１８ａが鮮明に捉えられている状態）におけるＣＣＤカメラ２０の測定素子が取得した第一標準ゲージ３６の斜面部３８ａ，３８ｂ，４０ａ，４０ｂに投光された縞パターン１８ａ（フォーカスが合っている位置）の測定点群データ（Ｘ座標：横方向、Ｙ座標：縦方向、Ｚ座標：高さ方向）は、例えば図３（ｃ）のようになる。この時の測定点群データの横方向の最小の間隔が、ＣＣＤカメラ２０の横方向（Ｘ座標方向）の分解能（解像度）に関係する非接触式三次元形状測定器１２の横方向（Ｘ座標方向）の分解能になり、測定点群データの縦方向の最小の間隔が、ＣＣＤカメラ２０の縦方向（Ｙ座標方向）の分解能（解像度）に関係する非接触式三次元形状測定器１２の縦方向（Ｙ座標方向）の分解能になり、測定点群データの高さ方向の最小の間隔が、非接触式三次元形状測定器１２の高さ方向（Ｚ座標方向）の分解能になる。例えば、高さ方向を例にとると、１０°の斜面部４０ｂでフォーカスが合い、測定点群データの高さ方向の間隔が無い場合には、非接触式三次元形状測定器１２の高さ方向の分解能は『０』ということになる。また、測定点群データの高さ方向の間隔が１０μｍの場合、高さ方向の分解能は『１０μｍ』であると検定することができる。同様に、横方向、縦方向の分解能を検定することができる（分解能の検定に関するステップ）。
【００２９】
次に、前述した分解能に関する検定で各測定素子がどのくらいのばらつきを有して測定を行っているかの検定を行う。図４（ａ）には、非接触式三次元形状測定器１２で使用するＣＣＤカメラ２０の測定ばらつきに関する精度保証を行う場合に使用する第二標準ゲージ４２の一例が示されている。第二標準ゲージ４２は、平坦な複数の平面部４２ａを階段状に配列した形状を呈している。図４（ａ）の場合、ベース部材４２ｂ上に平面部４２ａが階段状に形成されている例を示している。この第二標準ゲージ４２の各長さや表面粗さ、角度等も前述したように、接触式三次元形状測定器１０により精度保証が行われているものとする。
【００３０】
このように精度保証が行われている第二標準ゲージ４２を用いて、非接触式三次元形状測定器１２の同一平面ばらつき精度及び、異なる２つの平面部４２ａの高さ方向の測定精度に関し、精度保証を行う。この場合も、図４（ｂ）に示すように、通常の非接触式三次元形状測定器１２による形状測定手順と同様に縞投光器１８により第二標準ゲージ４２に縞パターン１８ａを投光し、ＣＣＤカメラ２０によりその画像を複数の方向から捉える。この場合もＣＣＤカメラ２０で縞パターン１８ａを捉えることにより、測定点群データ（Ｘ座標：横方向、Ｙ座標：縦方向、Ｚ座標：高さ方向）を得ることができる。この時得られる測定点群データは、例えば図４（ｃ）のようになる。本来、ＣＣＤカメラ２０の各測定素子に測定ばらつきが無い場合、いかなる方向から測定を行っても測定点群データ（Ｘ，Ｙ，Ｚ座標）は同じである。しかし、各測定素子に測定ばらつきがある場合、測定毎の測定点群データを重畳させると、図４（ｃ）のように同一の平面部４２ａの測定精度にばらつきｍを生じたり、異なる２つの平面部４２ａの高さ方向のばらつきｎを生じたりする。この時のばらつきｍ，ｎに応じて、非接触式三次元形状測定器１２は同一平面の測定精度が、例えばｍ＝３μｍであるとか、高さ方向の測定精度が、例えばｎ＝５μｍであると検定することができる（平面に関する検定のステップ）。
【００３１】
ところで、立体形状をＣＣＤカメラ２０で捉える場合、その立体の表面が着色されている場合、その色によって立体の形状が膨張して見えたり、収縮して見えたりする。つまり、白等の光を反射する色が立体表面に着色されている場合、立体は、実際より膨張して見える。このような色を膨張色という。逆に黒等光を吸収する色で立体表面が着色されている場合、立体は、実際より収縮して見える。このような色を収縮色という。図５（ａ）に示す第三標準ゲージ４４は、ＣＣＤカメラ２０の測定素子が色の違いに対してどのくらいばらつきを有して測定を行うかを検定するために用いられる。
【００３２】
第三標準ゲージ４４は、真円度の高い（軸に沿った径が全部分で同じ）円筒で形成され、その表面に膨張色から収縮色まで段階的に変化する色彩が帯状に着色されている。ここで、膨張色から収縮色までの段階的変化とは、例えば、白、青緑、青紫、黄、灰、青、緑、赤、黒等である。この第三標準ゲージ４４の各長さや表面粗さ、真円度等も前述したように、接触式三次元形状測定器１０により精度保証が行われているものとする。
【００３３】
このように精度保証が行われている第三標準ゲージ４４を用いて、非接触式三次元形状測定器１２の表面色彩による形状膨縮精度を検定する。この場合も、図５（ｂ）に示すように、通常の非接触式三次元形状測定器１２による形状測定手順と同様に縞投光器１８により第三標準ゲージ４４に縞パターン１８ａを投光し、ＣＣＤカメラ２０によりその画像を表面の色毎に捉える。この場合もＣＣＤカメラ２０で縞パターン１８ａを捉えることにより、測定点群データ（Ｘ座標：横方向、Ｙ座標：縦方向、Ｚ座標：高さ方向）を得ることができる。この時得られる測定点群データは、例えば図５（ｃ）のようになる。この場合、各測定素子の色による測定ばらつきが無い場合、表面の色が異なっても同じ形状（径）の第三標準ゲージ４４の測定を行っているので、測定点群データは同じであるはずである。しかし、実際は、前述したように色彩による見かけ上の膨縮が起こるため、図５（ｃ）に示すように測定点群データは、例えば黒、赤、緑で異なる径の円筒として認識される。従って、各色彩における測定点群データを比較することにより、ＣＣＤカメラ２０の測定素子において色の違いに対する測定精度がどのくらいまで有るかを検定することができる（色に関する検定のステップ）。例えば、測定対象の表面色が黒、赤、緑等であれば、色の違いによる測定精度は、例えば３μｍであると示すことができる。また、この時、ＣＣＤカメラ２０の測定素子において、所定の精度を有して測定できる色彩がどれであるかの判定も行うことができる。また、この時、第三標準ゲージ４４の既知の寸法（特に真円度）と測定点群データ比較を行うことにより、ＣＣＤカメラ２０の測定素子の曲面測定精度に関する保証も併せて行うことができる（曲面測定精度に関する検定のステップ）。
【００３４】
上述したように、分解能に関する検定、平面に関する検定、色に関する検定、曲面測定精度に関する検定を行うことにより、非接触式三次元形状測定器１２において、測定精度の検定を複合的に行い、ＣＣＤカメラ２０の総合測定精度を算出する（精度算出に関するステップ）。例えば、分解能検定、平面検定、色検定、曲面測定精度検定の中で最も大きな値、精度１０μｍ等を算出し、非接触式三次元形状測定器１２の精度として表示する。この時、総合精度を一つ表示してもよし、各分解能検定、平面検定、色検定、曲面測定精度検定の結果を示し、さらに総合精度を示してもよい。各検定結果を利用することにより、精度変動要因を複合的に考慮し信頼性の高い精度保証を行うことが可能になる。また、各検定を行うことにより、各種非接触式三次元形状測定器毎の精度保証方法の統一を容易に行うことができる。また、精度保証方法の統一が行われることにより取得した三次元データの管理を容易に行うことができる。
【００３５】
ところで、非接触式三次元形状測定器１２の測定対象は、車両ボディ等のように大型である場合があるが、ＣＣＤカメラ２０のワンショットで取得できるデータ領域には限界がある。このような場合、全体のデータを取得するためには、ＣＣＤカメラ２０で取得可能な広さを順次分割して取得し、その分割して取得したデータをつなぎ合わせるという作業が必要になる。非接触式三次元形状測定器１２の測定信頼度を向上させるためには、このつなぎ合わせに関する検定も必要になる。
【００３６】
図６（ａ）には、貼り合わせ精度の検定に用いる第四標準ゲージ４６が示されている。本実施形態の第四標準ゲージ４６の場合、平面度の出ているベース４６ａの平面上に同一連続パターンが等ピッチで配列されている。図６（ａ）の場合、一部拡大して示しているように、ベース４６ａの表面に等ピッチでＶ溝４６ｂを縦横方向に形成することにより、同一の連続パターン（錐台）を形成している。もちろん、隣接するパターンが関連つけられれば、丸や三角等の任意のパターンでよい。この第四標準ゲージ４６の各長さや表面粗さ等も前述したように、接触式三次元形状測定器１０により精度保証が行われているものとする。
【００３７】
このように精度保証が行われている第四標準ゲージ４６を用いて、非接触式三次元形状測定器１２の分割データ取得時のデータ貼り合わせを検定する。この場合も、図６（ｂ）に示すように、通常の非接触式三次元形状測定器１２による形状測定手順と同様に縞投光器１８により第四標準ゲージ４６に縞パターン１８ａを投光し、ＣＣＤカメラ２０によりその画像を捉える。前述したように、測定対象（被測定物）が大きい場合、ＣＣＤカメラ２０のワンショットにより全データを取得することができないので、例えば、第四標準ゲージ４６を４つの領域に分割し、ＣＣＤカメラ２０または第四標準ゲージ４６のいずれかを移動させて各領域の画像をＣＣＤカメラ２０の測定素子により捉える。この時、分割される画像は第四標準ゲージ４６全体から欠落した部分が無ければよく、個々に重複部分が存在してもよい。この場合もＣＣＤカメラ２０で縞パターン１８ａを捉えることにより、測定点群データ（Ｘ座標：横方向、Ｙ座標：縦方向、Ｚ座標：高さ方向）を得ることができる。この時得られる測定点群データを例えば図６（ｃ）に示すように、第四標準ゲージ４６の全体画像を合成するように貼り合わせる。そして、貼り合わせしてできた全体画像で認識される全体寸法と第四標準ゲージ４６の既知の全体寸法との一致度を算出する。つまり、図６（ｃ）に示すようにデータの貼り合わせが完全に行われているか否かの検定を行う（貼り合わせ検定に関するステップ）。貼り合わせが完全に（ぴったりと）行われていない場合、縦方向の貼り合わせ精度が例えば２μｍ、横方向の貼り合わせ精度が例えば３μｍ等のように示される。
【００３８】
上述したように、分解能検定、平面検定、色検定、曲面測定精度検定を行い、さらに、貼り合わせ検定を行うことにより、計測対象が大きな面積を有する場合でＣＣＤカメラにより分割して形状データを取得しなければならないような場合に、実際の全体画像と張り合わせた合成画像との比較に基づいて、データ貼り合わせ処理時の精度を確認することができる。その結果、データ貼り合わせ検定を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことにより、大きな被測定物を非接触式三次元形状測定器で測定する場合の精度保証の信頼度を容易に向上することができる。
【００３９】
さらに、貼り合わせを行う場合、空間的な貼り合わせ精度に関しても考慮する必要がある。
【００４０】
図７（ａ）には、貼り合わせ空間精度の検定に用いる第五標準ゲージ４８が示されている。本実施形態の第五標準ゲージ４８の場合、平面度の出ている長尺部材４８ａ上に同一連続立体パターンが等ピッチでアレイ配置されている。図７（ａ）の場合、棒状のスタンド上に個々に固定された球体４８ｂが複数配列されている。この第五標準ゲージ４８の長さや表面粗さ、球体４８ｂの配列ピッチ等も前述したように、接触式三次元形状測定器１０により精度保証が行われているものとする。なお、この立体パターンも球体のみならず、錐体や直方体等任意の形状でもよい。また、半球形状の凹部形状としてもよい。
【００４１】
このように精度保証が行われている第五標準ゲージ４８を用いて、非接触式三次元形状測定器１２の分割データ取得時のデータ貼り合わせ空間精度を検定する。この場合も、図７（ａ）に示すように、通常の非接触式三次元形状測定器１２による形状測定手順と同様に縞投光器１８により第五標準ゲージ４８に縞パターン１８ａを投光し、ＣＣＤカメラ２０によりその画像を捉える。前述したように、測定対象が大きい場合、ＣＣＤカメラ２０のワンショットにより全データを取得することができないので、例えば、第五標準ゲージ４８を長尺方向に２つの領域に分割し、ＣＣＤカメラ２０または第五標準ゲージ４８のいずれかを移動させて各領域の画像をＣＣＤカメラ２０の測定素子により捉える。この場合もＣＣＤカメラ２０で縞パターン１８ａを捉えることにより、測定点群データ（Ｘ座標：横方向、Ｙ座標：縦方向、Ｚ座標：高さ方向）を得ることができる。この時得られる測定点群データを例えば図７（ｂ）に示すように、第五標準ゲージ４８の全体画像を合成するように貼り合わせ、貼り合わせしてできた全体画像で認識される全体寸法、球体４８ｂのピッチ距離とを第五標準ゲージ４８の既知の全体寸法及びピッチ距離と比較し、一致度を算出する。つまり、図７（ｂ）に示すようにデータの貼り合わせが空間的に完全に行われているか否かの検定を行う（空間貼り合わせ検定に関するステップ）。この場合、全体長さの貼り合わせ精度が例えば２μｍのように表示することができる。また、個々の球体４８ｂのピッチ比較も行うことができるので、長さ方向のデータを累積加算した場合の精度の検定も行うことができる。さらに、高さ方向の貼り合わせ精度（貼り合わせ部の垂直方向のずれ）の精度を例えば１μｍ等のように示すことができる。
【００４２】
上述したように、分解能検定、平面検定、色検定、曲面測定精度検定を行い、さらに、空間貼り合わせ検定を行うことにより、計測対象が大きな面積を有する場合でＣＣＤカメラにより分割して形状データを取得しなければならないような場合に、実際の全体画像と張り合わせた合成画像との比較に基づいて、データ貼り合わせ処理時の空間精度を確認することができる。その結果、データの空間貼り合わせ検定を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことにより、大きな被測定物を非接触式三次元形状測定器で測定する場合の精度保証の信頼度を容易に向上することができる。もちろん、前述した第四標準ゲージ４６による検定と併せて第五標準ゲージ４８による検定を行うことにより、さらに精度保証の信頼度を向上することができる。
【００４３】
上述した、各種検定を行った後、その結果を総合的に示す。この場合、第四標準ゲージ４６または第五標準ゲージ４８の検定結果は、第一標準ゲージ３６から第三標準ゲージ４４の検定の結果を含んでいるので、第四標準ゲージ４６または第五標準ゲージ４８の検定の結果を非接触式三次元形状測定器１２の精度として表示する。この時、総合精度を一つ表示してもよし、各分解能検定、平面検定、色検定、曲面測定精度検定、貼り合わせ検定、空間貼り合わせ検定の結果を示し、さらに総合精度を示してもよい。
【００４４】
なお、上述した実施形態において、第１〜第五標準ゲージ３６，４２，４４，４６，４８の形状は、一例であり、第１標準ゲージ３６は、平坦な斜面部を有していればよく、第二標準ゲージ４２は、平坦な複数の平面部を階段状に配列されていればよく、第三標準ゲージ４４は、円筒表面に少なくとも膨張色から収縮色まで段階的に変化する色彩が着色されていればよく、第四標準ゲージ４６は、平面上に同一連続パターンが等ピッチで配列されていればよく、第五標準ゲージ４８は長尺部材上に同一連続立体パターンが等ピッチでアレイ配置されていればよく、他の部分を適宜任意に変更しても本実施形態で説明した精度保証を行うことが可能であり、同様な効果を得ることができる。
【００４５】
また、上述したような複合的な精度保証を行っておくことにより、種々の非接触式三次元形状測定器の中から所望の測定精度を有する非接触式三次元形状測定器の選定をする必要が生じた場合でも、容易にその選択を行うことが可能になる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、精度変動要因を複合的に検定することにより、容易に、信頼性の高い精度保証を行うことができる。また、種々の非接触式三次元形状測定器に対し、複合的検定を行うことで非接触式三次元形状測定器の互換的信頼度の維持、相互の取得データの管理も容易に行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法の精度保証概念を説明する説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の概略構成を説明する説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法に用いる第一標準ゲージを説明する説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法に用いる第二標準ゲージを説明する説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法に用いる第三標準ゲージを説明する説明図である。
【図６】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法に用いる第四標準ゲージを説明する説明図である。
【図７】本発明の実施形態に係る非接触式三次元形状測定器の計測精度保証方法に用いる第五標準ゲージを説明する説明図である。
【符号の説明】
１０接触式三次元形状測定器、１２非接触式三次元形状測定器、１４精度検定標準器、１６被測定物、１８縞投光器、２０ＣＣＤカメラ、２２三次元形状測定器本体、２４画像処理部、２６データ処理部、２８形状処理部、３０表示部、３２機構制御部、３４操作部、３６第一標準ゲージ、４２第二標準ゲージ、４４第三標準ゲージ、４６第四標準ゲージ、４８第五標準ゲージ。

Claims

被測定物表面の画像を複数の測定素子を有するセンサで取得して、前記被測定物の表面三次元形状を測定する非接触式三次元形状測定器における計測精度保証方法であって、
平坦な斜面部を有する第一標準ゲージを用いて、斜面部のフォーカスが合った位置で各測定素子が取得する斜面部の測定点群データの間隔に基づいて、縦横高さ方向の測定分解能を検定するステップと、
平坦な複数の平面部を階段状に配列した第二標準ゲージの平面部画像を複数回取得して、各測定素子が取得する測定毎の測定点群データの前記平面部の垂直方向の座標ばらつきに基づいて、同一平面ばらつき精度及び、異なる２平面部の高さ方向の測定精度を検定するステップと、
円筒表面に少なくとも膨張色から収縮色まで段階的に変化する色彩を有する第三標準ゲージの円筒表面画像を取得して、各測定素子が取得する色の異なる位置における測定点群データが形成する円筒外形に基づいて形状膨縮精度及び曲面測定精度を検定するステップと、
前記各ステップの結果に基づいて、センサの総合測定精度を含む総合測定精度を算出するステップと、
を含み、前記総合測定精度に基づいて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことを特徴とする計測精度保証方法。
請求項１記載の方法において、
さらに、
平面上に同一連続パターンが等ピッチで配列された第四標準ゲージの全体画像を前記センサで分割取得して、その取得した分割データを貼り合わせてできた第四標準ゲージの全体画像から認識される全体寸法と第四標準ゲージの既知の全体寸法との一致度に基づいてデータ貼り合わせ精度を検定するステップと、
を含み、
前記データ貼り合わせ検定を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことを特徴とする計測精度保証方法。
請求項１または請求項２記載の方法において、
さらに、
長尺部材上に同一連続立体パターンを等ピッチでアレイ配置した第五標準ゲージの全体画像を前記センサで分割取得して、前記センサで取得した分割データを貼り合わせてできた第五標準ゲージの全体画像から認識される全体寸法と第五標準ゲージの既知の全体寸法との一致度に基づいて空間貼り合わせ精度を検定するステップと、
を含み、
前記空間貼り合わせ精度を含めて非接触式三次元形状測定器の計測精度保証を行うことを特徴とする計測精度保証方法。