JP4494189B2 - 非接触画像測定機の精度測定方法及び校正方法 - Google Patents

Description

本発明は、非接触画像測定機の精度測定方法及び校正方法に係り、特に、非接触３次元デジタイザに使用される、レーザビームによる光切断方式等の非接触プローブ（センサ）の３次元的な校正に用いるのに好適な、非接触画像測定機の精度測定方法、及び、これを適用した校正方法に関する。

特許文献１に記載されている如く、３次元入力装置として、図１に示すような非接触３次元画像測定機（以下、単に非接触測定機と称する）が知られている。この非接触測定機１０は、投光窓１１ａと走査光学系１１ｂを有する投光部１１と、受光窓１２ａと受光光学系１２ｂを有する受光部１２とを備えている。

前記走査光学系１１ｂは、レーザ光線源からのレーザ光を光束断面がスリット状（直線状）となるレーザ光（以下レーザスリット光と称する）Ｌ１に変換し、ガルバノミラー等の走査手段を用いてレーザスリット光Ｌ１を所定の走査方向ＳＣに走査させるように構成されている。

又、前記受光光学系１２ｂには、受光素子としてＣＣＤ撮像素子が配置され、投光部１１における走査光学系１１ｂと同期して受光光学系１２ｂが制御されることにより、レーザスリット光Ｌ１の走査位置に対応した測定データが得られる。

前記投光部１１と受光部１２とは、互いに所定の基線長を隔てて配置され、基線長方向はレーザスリット光Ｌ１の走査方向ＳＣに一致するように構成されているので、レーザスリット光Ｌ１の走査位置（照射位置）とＣＣＤ撮像素子で受光される反射光の位置とから、三角測量の原理によって測定対象物（図示省略）の表面形状に関する測定データが得られる。

又、特許文献２には、このような非接触測定機１０の校正に用いるための、図２（Ａ）（正面図）及び図２（Ｂ）（側面図）に示すような多面体構造の被測定部を有するデータ校正用対象物２０を設置し、多面体である台形２１の平面部を測定して、平面部の交点となる頂点２２〜２５の座標を求めて校正に用いることが記載されている。

又、特許文献３には、特許文献２に記載されたデータ校正用対象物２０を複数の方向から測定して、データ校正用対象物に関する測定データを３次元形状データに変換する方法が記載されている。

更に、複数の球が固定された治具も市販されている。

特開２０００−３０４５１４号公報 特開２００２−３２８０１３号公報（図２、図９及び図１０） 特開２００２−３２８０１４号公報（図２、図９及び図１０）

しかしながら、いずれにしても、従来の治具は自由度が少なく、特に三次元的な校正を行なう場合には、治具を移動する必要があり、移動の位置測定を精度良く行なうことが容易でないという問題点を有していた。

特に、特許文献２や３に記載されたような多面体構造の校正用対象物では、校正点の数が台形２１の４頂点２２〜２５に限られ、数が少ないだけでなく、相対関係が固定されているため、細かい校正ができない。更に、平面の精度が出し難く、高精度の校正が困難である。なお、校正用対象物の距離を変えて複数箇所で測定することで、台形２１の４頂点を実質増加することも考えられるが、相対関係が固定されているため、細かな校正ができず、自由度が無い。更に、他の治具と同様に、移動の位置測定を精度良く行なうことが容易でない、等の問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、校正点の数や相対関係を容易に調整でき、更に、場所による光学系の歪みの方向や程度も検査可能とすることを課題とする。

本発明は、非接触画像測定機の精度測定に際して、３次元座標測定機のヘッド部に基準球を取付けて、非接触画像測定機の測定範囲内で基準球を移動させ、各移動位置で非接触画像測定機により測定した基準球の中心座標値と直径値、及び、３次元座標測定機により測定した基準球の移動量に基づいて、非接触画像測定機の精度を測定するようにして、前記課題を解決したものである。

又、前記基準球の真球に対する歪みの状態に基づいて、非接触画像測定機の精度を測定するようにしたものである。

本発明は、更に、前記の精度測定結果に基づいて、非接触画像測定機を校正することを特徴とする非接触画像測定機の校正方法を提供するものである。

本発明によれば、データ校正用対象物として基準球を用いているので、台形等の多面体に比べて実際の測定対象に多い立体的な形状の評価に適している。更に、平面よりも球体の方が高精度の加工が可能である。又、基準球を移動することにより、任意の空間位置への配置が容易で、測定対象に合わせた校正点の増減や相対関係の調整が可能である。更に、場所による基準球の直径の違いを知ることで、光学系による全体の歪みを知ることができ、更に、例えば真球度を捉えることで、歪みの方向を検査することも可能となる。

なお、特許文献２には、球を校正に用いることの問題点として、外縁部分では球表面の一点の位置を適切に測定することが困難であることが記載されているが、これに関して、最近の測定機では、かなり改善されてきていて、「球表面の一部分の測定データのみを用いて中心座標を求めることになるため、正確に球の中心座標を求めることが困難になる。」という問題は解消されている。

即ち、測定機の検出特性（反射光をとらえる感度等）の向上、あるいは外縁部の誤差を多く含んだ信号は測定に用いない（光の反射具合によるノイズ成分を多く含んだ信号を除いて処理する）等を実施した結果、又、球の表面処理や材質を選択することにより、より外縁部まで測定することも可能となっている。例えばセラミック等の球では、適度な反射が行なわれることが好結果をもたらし、測定精度の低下が低減されている。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

本実施形態は、図３に示す如く、３次元座標測定機（以下ＣＭＭと称する）３０のヘッド部３２に基準球３４を取付けて、非接触測定機１０の測定範囲１４内で該基準球３４を移動させ、各移動位置（図では３箇所）で測定した基準球３４の中心座標値と直径値、及び、ＣＭＭ３０による基準球３４の移動量に基づいて、非接触測定機１０の精度を測定するようにしたものである。

前記基準球３４としては、例えば、セラミック球、鋼球、又は、鋼球に反射パウダーを付着した物等を用いることができる。

具体的な測定手順は、図４に示す如く、先ずステップ１００で、基準球位置決め装置（ここではＣＭＭ３０）を配置し、ステップ１１０で、非接触測定機１０を配置する。

次いでステップ１２０で、ＣＭＭ３０により基準球３４を非接触測定機１０の測定範囲１４内の測定位置へ移動する。次いでステップ１３０で、非接触測定機１０による基準球３４の測定を行なう。

次いでステップ１５０で、必要な位置のデータの測定が終了したか否か判定し、判定結果が否である場合にはステップ１２０に戻り、ＣＭＭ３０により次の測定位置への基準球３４の移動を行なって、ステップ１３０及び１４０を繰り返す。

ステップ１５０で必要な位置のデータ（例えば３点）の測定が終了したと判定されたときには、ステップ１６０に進み、測定データによる校正精度を確認する。ステップ１７０で判定される校正精度が限度内の場合には、そのまま校正を終了する。一方、校正精度に問題があるときには、ステップ１８０で校正計算を行なう。

具体的には、図５に示す如く、測定範囲１４の中心と隅部で測定を行なったときに、非接触測定機１０で測定した球中心位置ＡとＣＭＭ３０で測定した球中心位置Ｂがずれた場合は、非接触測定機１０で測定した球中心位置Ａが、ＣＭＭ３０で測定した球中心位置ＢとなるようにデータＡを補正する。

なお、図５は簡単のため２次元平面で説明しているが、実際には、例えば中心部分の球の中心のＣＭＭの座標を非接触測定機１０で測定した球中心位置の座標として、この点を基準点位置とし、左斜め上の球を非接触測定機１０で測定した球中心位置Ａが、ＣＭＭで測定した球中心位置ＢとなるようにデータＡを補正する。この場合、基準点から左斜め上の球の中心Ａまでは一定の傾斜でずれ量が発生しているものとして比例式（一次式で基準点ともう一方の基準球の球中心位置の間を補間）で校正をする。

非接触測定機は三次元の測定範囲を持っているので、基準球を三次元測定範囲において一定間隔に移動して測定することにより、三次元測定範囲全体にわたる比例式による校正を行なうことができる。

これらの各方向の傾斜を関数として持って、その都度計算して補正する方法、あるいは測定位置の球中心の真の値に補正する補正値を補正テーブルに格納しておき、その間の測定値を比例式で補間して測定値とすることができる。

その他、複数の測定位置のＣＭＭと非接触測定機の球中心位置をベストフィット処理して補正量を求めることも可能である。

又、図６に示す如く、隅部において、非接触測定機１０で測定した球径値Ｃと基準球の実際の球径Ｄがずれた場合は、非接触測定機１０で測定した球径値Ｃが、基準球の実際の球径ＤとなるようにデータＣを補正する。

この図６の球径値による補正は、図５において、基準球の移動を小さいピッチで行なえば、このような補正は不要とも思われるが、基準球の直径以上のピッチで測定するような場合は、非接触測定機で測定した球半径Ｃと基準球の実際の球径Ｄにより、基準球の半径の範囲をより細かく補正することが可能になる。このため、基準球の測定を少ない測定位置で行なっても、より高精度な校正（補正）が可能になる。

あるいは、測定範囲の違いによるもの以外に、非接触測定機の特性として方向に依存する誤差発生を校正（補正）する際に、有効である。

又、図７に示す如く、隅部において、理想的な球形状（真球）Ｆに対して歪んだ場合は、非接触測定機１０で測定した球形状Ｅが、理想的な球形状ＦとなるようにデータＥを補正する。

この図７の球形状が歪んだ場合の補正では、球中心から測定位置の角度により、補正を変えるという更に細かな補正を行なうことが可能になる。

本実施形態においては、ＣＭＭ３０のヘッド部３２に基準球３４を取付けて移動しているので、基準球３４の移動及び移動量の測定を簡単且つ高精度に行なうことができる。なお、基準球３４を移動させる手段はこれに限定されず、専用の基準球移動・位置決め装置を設けてもよい。又、校正対象も３次元画像測定機に限定されず、２次元であっても良い。

特許文献１乃至３に記載された従来の画像測定機の測定原理を示す斜視図 特許文献２及び３に記載された多面体構造のデータ校正用対象物を示す（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図 本発明の実施形態の配置を示す斜視図 前記実施形態の校正手順を示す流れ図 同じく中心位置ずれ補正の原理を示す平面図 同じく球径値ずれの補正の原理を示す平面図 同じく球径の歪みの補正の原理を示す平面図

符号の説明

１０…非接触画像測定機
１１…投光部
１２…受光部
１４…測定範囲
３０…３次元座標測定機（ＣＭＭ）
３２…ヘッド部
３４…基準球

Claims (3)

1. 非接触画像測定機の精度測定に際して、
   ３次元座標測定機のヘッド部に基準球を取付けて、非接触画像測定機の測定範囲内で基準球を移動させ、各移動位置で非接触画像測定機により測定した基準球の中心座標値と直径値、及び、３次元座標測定機により測定した基準球の移動量に基づいて、非接触画像測定機の精度を測定することを特徴とする非接触画像測定機の精度測定方法。
2. 前記基準球の真球に対する歪みの状態に基づいて、非接触画像測定機の精度を測定することを特徴とする請求項１に記載の非接触画像測定機の精度測定方法。
3. 請求項１又は２に記載の精度測定結果に基づいて、非接触画像測定機を校正することを特徴とする非接触画像測定機の校正方法。

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