JP5776282B2 - 形状測定装置、形状測定方法、及びそのプログラム - Google Patents
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図1は、本発明の一実施形態による形状測定装置100の構成の一例を示す斜視図である。本実施形態に係る形状測定装置100は、光切断方式を用いることで、被検物の表面に一本のライン光からなるライン状投影パターンを投影し、ライン状投影パターンを被検物表面の全域を走査させる毎に投影方向と異なる角度から被検物に投影されたライン状投影パターンを撮像する。そして、撮像された被検物表面の撮像画像よりライン状投影パターンの長手方向の画素毎に三角測量の原理等を用いて被検物表面の基準平面からの距離を算出し、被検物表面の三次元形状を測定する装置である。この実施形態の形状測定装置100は、中空状の穴を有する被検物200の表面(穴の内面)の形状を高速、且つ適切に測定することを特徴とする装置である。
図3は、プローブ部20の構成の一例を示す概略構成図である。この図は、プローブ部20及び被検物200の断面図であって、上記において規定したXYZ座標系におけるXZ平面による断面図である。なお、YZ平面による断面図とした場合も同様である。
光源55としては、LEDやレーザー光源・SLD(super luminescent diode)等を用いることができる。LEDを用いた場合は安価に光源を形成することができる。また、レーザー光源を用いた場合、点光源であるため収差の少ないライン光Laを作ることができ、波長安定性に優れ半値幅が小さいため、迷光カットに半値幅の小さいフィルターが使えるため、外乱の影響を少なくすることができる。また、SLD(super luminescent diode)を用いた場合は、レーザー光源の特性に加え可干渉性がレーザー光よりも低いため被検物面でのスペックルの発生を抑えることができる。
調整部25は、反射ミラー61の位置(受光部60の位置)を移動させる受光位置駆動部21(第1駆動部)と、反射ミラー61の位置(受光部60の位置)を検出する受光位置検出部22と、を備えており、光出力部50から出力された光が受光部60に受光されるまでに通過する光路長を調整する。
図4は、形状測定装置100の構成の一例を示す概略ブロック図である。図1から図3と同じ構成には、同じ符号を附す。
形状測定装置100は、測定装置本体110と制御部80とを備える。
測定装置本体110は、位置駆動部112(第2の駆動部)と、位置検出部113と、プローブ部20とを備えている。
位置駆動部112は、移動位置駆動部115と回転位置駆動部117とを備えている。
移動位置駆動部115は、移動部30の内部に設けられており、制御部80の制御に基づいて、門型フレーム15をY軸方向に駆動するY軸用モータ、ヘッド部16をX軸方向に駆動するX軸用モータ、およびZ軸ガイド17をZ軸方向に駆動するZ軸用モータを備えている。移動位置駆動部115は、後述の制御部80の駆動制御部83から供給される駆動信号を受け取る。そして、移動位置駆動部115は、この駆動信号に基づいて移動部30の位置、すなわちプローブ部20の位置を3方向(X、Y、Z軸方向)に移動させる。
移動位置検出部116は、移動部30の内部に設けられ、移動部30のX軸、Y軸、およびZ軸方向の位置をそれぞれ検出するX軸用エンコーダ、Y軸用エンコーダ、およびZ軸用エンコーダを備えている。移動位置検出部116は、これらのエンコーダによって移動部30の位置をそれぞれ検出し、移動部30の位置、すなわちプローブ部20の位置を示す信号を後述の制御部80の座標検出部84へ供給する。
プローブ部20は、光切断方式により被検物200の穴の内面形状を求めるために、前述の光出力部50と、受光部60と、受光位置駆動部21と、受光位置検出部22と、撮像部70とを備えている。
光出力部50は、後述の制御部80の測定指示部86から供給される測定タイミングを制御する制御信号に基づいて光源55から照射された照明光(ライン光La)により、Z軸方向に対して直角の方向にライン光Laを出力して被検物200の穴の内面に照射する。
制御部80は、画像入力部81、測定光位置判定部82(判定部)、駆動制御部83、座標検出部84、座標算出部85、測定指示部86、及び記憶部87を備えている。画像入力部81は、撮像部70により撮像された画像データが入力される。入力された画像データは、記憶部87に記憶されて制御部80により画像処理が実行される。
また、座標検出部84は、受光位置検出部22から供給される受光部60の位置を示す信号に基づいて、光出力部50からのライン光Laの出力位置と受光部60の位置との距離を検知する。そして、座標検出部84は、検知した光出力部50の出力位置と受光部60の位置との距離を示す情報(受光部60の位置情報)を座標算出部85へ供給する。
また、記憶部87は、予め定められた測定条件や測定手順に関する各種指示情報等、制御部80が所定の制御を実行するためのデータを備えている。例えば、被検物200の測定開始位置(最初の測定位置)の座標値、測定範囲を示す測定位置の座標値、測定位置の移動方向、測定位置の距離間隔(例えば、予め定められた一定間隔の測定ピッチ)、および測定終了位置(最後の測定位置)の座標値等、を示すデータを備えている。なお、記憶部87には、操作者により入力された測定条件や測定手順に関する各種指示情報を保持されてもよい。そして、制御部80は、入力された各種指示情報、予め定められた各種指示情報、またはその両方に基づいて測定を実行してもよい。
次に、形状測定装置100における測定手順及び測定動作について説明する。
図5は、被検物200aの穴形状を測定する場合のプローブ部20の動作を示す模式図である。この図は、プローブ部20及び被検物200aの断面図であって、上記において規定したXYZ座標系におけるXZ平面による断面図である。なお、YZ平面による断面図とした場合も同様である。
図6は、形状測定装置100が穴形状を測定する処理の手順を示すフローチャートである。
まず、操作者により、被検物200aが形状測定装置100の基台11の上面における測定有効範囲内の位置に設置される(ステップS1)。
穴の深さがL(mm)である被検物200aの穴の深さ方向(Z軸方向)をS(mm)ピッチの距離間隔で測定して座標値の点群データを生成する場合、撮像部70の撮像フレームレートをf(フレーム/sec)とすると、スキャン速度V(mm/sec)は、一例として数式1により示される値に設定される。
なお、この場合のZ軸方向の1回のスキャン時間Tは、数式3により示される。
穴の半径がR(mm)である被検物200aの穴の内面を全周測定して座標値の点群データを生成する場合、ライン光Laの有効幅をW(mm)とすると、スキャン角度単位Uは、一例として数式4により示される値に設定される。
まず、制御部80の駆動制御部83は、回転位置駆動部117に駆動信号を供給して回転機構40を駆動させることにより、プローブ部20の回転角度を設定されたスキャン開始角度に回転させて停止させる(ステップS5)。
これにより、形状測定装置100は、ライン光Laを測定光として用いる光切断方式により穴の内側の形状を測定するため、レーザスポット光を測定光として用いる場合に比較して高速に測定できる。また、形状測定装置100は、穴の内側にプローブ部20を挿入して光切断方式により形状を測定することにより、穴の内側の形状を精度よく適切に測定することができる。
また、形状測定装置100は、穴の内面の表面形状に連続性ある場合(例えば、穴の深さ方向の位置に応じて穴径の大きさが連続的に異なる場合)、Z軸方向の現在の測定位置において得られる穴の内面の位置情報に基づいて、次の測定位置における穴の内面の位置を予測し、予測した位置に基づいて受光部60を移動させてもよい。これにより、形状測定装置100は、Z軸方向にプローブ部20の位置を移動させて穴の内面の位置を検出するスキャン中に、撮像されたライン光Laの位置を有効領域内の位置に追従させることができる。
図7は、撮像系の補正を説明する説明図である。例えば、図7に示すように被検物の表面における光切断面210に基準格子Lcを設置し、この像を撮像部70が撮像した画像データにおける画素位置と、基準格子Lcの姿勢であるクロス点を含む面内の3次元座標が、補正式、または補正データによって関連付けられている。
例えば、ここでは簡略化して示すと、数式6に示す関係があり、スクリーン座標から基準格子面への変換を撮像系補正関数Fとして数式7に示すように定義する。
上記実施形態において、形状測定装置100が穴形状を測定する際に、穴径の大きさに応じて受光部60の位置をZ軸方向に移動させる制御について説明したが、形状測定装置100は、穴径の大きさに応じてプローブ部20の水平方向(X、Y軸方向)の位置を移動させる制御をしてもよい。
これにより、形状測定装置100は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
つまり、形状測定装置100は、被検物200の穴の中に光出力部50がライン光Laを照射し、光出力部50と隔てて設けられている受光部60の位置を調整して該ライン光Laを受光する。これにより、形状測定装置100は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
つまり、形状測定装置100は、光出力部50と隔てて設けられている受光部60の位置を受光位置駆動部21により穴の深さ方向に沿って上下に移動させることが可能である。そして、制御部80は、ライン光Laの受光される位置が適切な位置になるように、受光部60の位置を穴の深さ方向に沿って上下に移動させる。
これにより、形状測定装置100は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を測定する際に、穴の内面に照射したライン光Laを適切な位置により受光して検出することができる。
つまり、受光位置駆動部21は、光出力部50は、受光部60の位置を移動させる方向、すなわち穴の深さ方向(Z軸方向)に対して直角の方向にライン光Laを出力する。形状測定装置100は、Z軸方向に対して直角の方向に出力してライン光Laを穴の内面に照射し、照射したライン光Laを受光部60の有する反射ミラー61により穴の深さ方向に対して平行に穴から遠ざかる方向に反射する。そして、この反射されたライン光Laは、撮像部70により撮像され、測定光判定部81により撮像されたライン光Laによるラインの位置が判定される。
これにより、測定光判定部81は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を測定する際に、穴の内面に照射したライン光Laが受光された位置が適切な位置であるか否かを判定することができる。
なお、測定光判定部81が制御部80に備えられている例について説明したが、これに限られるものではない。測定光判定部81は、受光部60に備えられていてもよく、受光部60において受光されたライン光Laの位置を判定し、判定した結果を制御部80に供給してもよい。
例えば、測定光判定部81は、受光されたライン光Laによるラインの位置が、検出可能な有効領域内にあるか否かを判定する。これにより、測定光判定部81は、受光されたライン光Laによるラインの位置が検出可能な適切な位置に受光されているか否かを判定することができる。
つまり、定光判定部81は、受光されたライン光Laによるラインの位置が、撮像領域において予め定められた有効画素範囲の領域(有効領域)内にあるか否かを判定する。これにより、測定光判定部81は、撮像されたライン光Laによるラインの位置が検出可能な適切な位置に受光されているか否かを判定することができる。
つまり、光出力部50と受光部60とは、プローブ部20内の共通の筐体に設けられおり、光出力部50と受光部60との間の相対的な距離が保持されるような構造になっている。 これにより、形状測定装置100は、プローブ部20を穴の中に挿入、または穴の中で移動や回転をさせて測定を実行した場合に、光出力部50と受光部60との間の相対的な距離が保持される。
これにより、形状測定装置100は、位置駆動部112により、プローブ部20を穴の中に挿入、または穴の中で移動や回転をさせて測定を実行することができる。
これにより、形状測定装置100は、凹部又は貫通部を有する穴の形状を、光切断方式を用いて高速、且つ適切に測定することができる。
これにより、プローブ部20は、穴の中に挿入しやすく、且つ穴の中に挿入した状態で穴の内面に対してライン光Laを照射し、照射したライン光Laの散乱光を受光することができる。
つまり、形状測定装置100における形状測定方法は、被検物200の穴の中に光出力部50がライン光Laを照射し、光出力部50と隔てて設けられている受光部60の位置を調整して該ライン光Laを受光する方法である。この形状測定方法により、形状測定装置100は、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定することができる。
つまり、形状測定装置100が備えるコンピュータにおけるプログラムは、被検物200の穴の中に光出力部50がライン光Laを照射し、光出力部50と隔てて設けられている受光部60の位置を調整して該ライン光Laを受光する制御を実行させる。このプログラムにより、形状測定装置100が備えるコンピュータは、光切断方式を用いて穴の内側の形状を高速、且つ適切に測定する制御をすることができる。
また、プローブ部20を移動する代わりに、反射ミラー51の姿勢を制御してライン光Laの照射方向を調整することも可能である。この場合、撮像されるライン光Laを撮像部70の撮像範囲に入るように反射ミラー51の姿勢(角度)を調整する。また、この場合、距離計算には反射ミラー51の姿勢(基準位置に対する角度)とライン光Laとの位置を用いる。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
Claims (10)
- 中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定装置であって、
前記被検物に照射するライン状の測定光を出力する光出力部と、
前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像する撮像部と、
前記撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有し、前記測定光の散乱光を受光する受光部と、
前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させる第1駆動部を備え、前記受光部により前記散乱光が受光される位置を調整する調整部と、
前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出する検出部と、
前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記第1駆動部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整する
ことを特徴とする形状測定装置。 - 前記第1駆動部は、
前記光出力部から出力された光の出力位置に対し前記受光部の位置を相対的に移動させ、
前記光出力部は、
前記光学部材の位置を移動させる方向に対して直角方向に前記ライン状の光を出力し、
前記光学部材は、
前記受光した散乱光を前記第1駆動部が前記受光部の位置を移動させる方向に沿って反射する反射部、
であって、
前記検出部は、
前記反射された散乱光に基づいて、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出し
前記制御部は、
前記検出されたラインの位置を判定して判定結果を出力する判定部、
を有し、
前記判定部によるラインの位置の判定結果に応じて、前記光学部材の位置を調整する
ことを特徴とする請求項1に記載の形状測定装置。 - 前記判定部は、
前記検出されたラインの位置が、前記予め定められる所定の範囲内に治まるか否かを判定する
ことを特徴とする請求項2に記載の形状測定装置。 - 前記検出部は、
前記反射された散乱光を撮像して形成される画像内に示される前記反射された散乱光によるラインの位置を検出する
ことを特徴とする請求項3に記載の形状測定装置。 - 前記光出力部と前記受光部とは、
指令に基づいて、前記光出力部と前記受光部との間の相対的な距離が保持されるように形成された共通の筐体に設けられているプローブ部を形成する
ことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の形状測定装置。 - 前記プローブ部の位置を前記被検物に対して相対的に移動させる第2駆動部
を備えることを特徴とする請求項5に記載の形状測定装置。 - 前記制御部は、
前記プローブ部によって、前記被検物に設けられている凹部又は貫通部の形状に沿って走査して、前記凹部又は前記貫通部の形状を算出する
ことを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の形状測定装置。 - 前記光出力部と前記受光部とは、
前記中空状の深さ方向を長手方向とする棒状の前記筐体に設けられる
ことを特徴とする請求項5から請求項7の何れか1項に記載の形状測定装置。 - 中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定方法であって、
光出力部が、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力する光出力過程と、
撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有する受光部が、前記測定光の散乱光を受光する受光過程と、
前記撮像部が、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像する撮像過程と、
調整部が、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させることにより、前記受光部によって前記散乱光が受光される位置を調整する調整過程と、
検出部が、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出する検出過程と、
制御部が、前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定する制御過程と、
を有し、
前記制御過程において、
前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記調整部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整する
ことを特徴とする形状測定方法。 - 中空状の被検物の内面に測定光を照射するとともに、該被検物で散乱した散乱光を受光して、前記被検物の前記内面の形状を測定する形状測定装置が備えるコンピュータに、
光出力部に、前記被検物に照射するライン状の測定光を出力させるステップと、
撮像部に前記散乱光を導く光学部材を有する受光部に、前記測定光の散乱光を受光させるステップと、
前記撮像部に、前記測定光によって照射される前記内面の像を撮像させるステップと、
調整部に、前記中空状の深さ方向に前記受光部の位置を移動させることにより、前記受光部によって前記散乱光が受光される位置を調整させるステップと、
検出部に、前記受光された散乱光によって示されるラインの位置を検出させるステップと、
前記調整部による調整状態と前記検出部による検出位置とに基づいて前記被検物の形状を測定するとともに、前記検出部により検出されたラインの位置に応じて前記光学部材の位置を前記調整部によって移動させて、前記検出されたラインの位置が前記予め定められる所定の位置になるように、前記光学部材の位置を調整するステップと、
を実行させるためのプログラム。
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