JP6128902B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象に光を照射し、測定対象を撮像する事によって測定対象の形状を測定する形状測定装置に関する。

従来、プローブによってワークの表面を走査し、ワークの各部の位置座標等を取り込むことによってワークの表面形状を測定する形状測定装置が知られている。この様な形状測定装置として、特許文献１の様にワークの表面にプローブを接触させずに測定を行う非接触型のものが知られている。

特許文献１記載の非接触型表面形状測定装置においては、走査プローブでワーク表面に直線状のラインレーザを照射し、これをラインレーザの照射方向に対して所定の角度から撮像する事によってワークの表面形状を測定している。この様な非接触型の表面形状測定装置によれば、ワークの表面を傷つける恐れが無く、また、プローブの摩耗による測定精度への影響を考慮する必要が無い。

また、特許文献２記載の装置は、シャインプルーフの原理を用いてワークを撮像する。この原理を用いれば広範囲に亘って焦点を合わせることができる一方、光源とワークとの距離に応じて撮像素子上のラインレーザの照射面積が変化する。これによって、形状測定装置の測定精度が低下する。

特表２００９−５３４９６９号公報 特開２０１２−２２５７００号公報

本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、高精度な測定を可能とする形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る形状測定装置は、照射部、第１センサ、及びレンズを有する。照射部は、ワークに直線状のラインレーザを照射する。第１センサは、ワークにて反射したラインレーザを受光してワークの画像を撮像する。レンズは、ワークにて反射したラインレーザを第１センサの撮像面に結像させる。撮像面を延長した第１の面、レンズの主面を延長した第２の面、及びラインレーザの照射面を延長した第３の面は１か所で交わる。照射部は、光源、第１光学部材、及び第２光学部材を有する。光源は、レーザ光を生じさせる。第１光学部材は、光源からのレーザ光を直線状に拡散させて、ラインレーザを生成する。第２光学部材は、光源と第１光学部材との間に設けられ、ワーク上のラインレーザの照射面積を調整可能に構成されている。形状測定装置は、第２光学部材によるワーク上のラインレーザの照射面積の調整を制御する制御部を更に備える。

この発明によれば、高精度な測定を可能とする形状測定装置を提供できる。

第１実施の形態に係る形状測定装置を構成するシステムの全体図である。 第１の実施の形態に係る光学式プローブ１７の構成を示す図である。 光学式プローブ１７を用いて照射されたラインレーザを示す概略図である。 第１の実施の形態に係るレーザ光生成部１７２の構成、及び光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。 第１の実施の形態に係るＣＭＯＳセンサ１７３２を示す模式図である。 光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。 第１の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 第１の実施の形態に係るチューナブルレンズ１７２２による制御を示す概略図である。 第２の実施の形態に係るレーザ光生成部１７２の構成、及び光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。 第２の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る電動アパーチャ１７２５による制御を示す概略図である。 第３の実施の形態に係るレーザ光生成部１７２の構成、及び光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。 第３の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る可変スリット１７２６による制御を示す概略図である。 第４の実施の形態に係るレーザ光生成部１７２の構成、及び光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。 第４の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 他の実施の形態に係るレーザ光生成部１７２を示す概略図である。

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る形状測定装置について図面を参照して詳細に説明する。図１は、第１の実施の形態に係る形状測定装置を構成するシステムの全体図である。この形状測定装置は、図１に示すように、三次元測定装置１の測定プローブとして本実施の形態に係る光学式プローブ１７を装着する事により構成されている。この形状測定装置には、駆動制御装置２、操作盤３、及びホストシステム４から構成されている。駆動制御装置２は、三次元測定装置１を駆動制御すると共にこの三次元測定装置１から必要な測定座標値を取り込む。操作盤３は、この駆動制御装置２を介してこの三次元測定装置１を手動操作する。ホストシステム４は、駆動制御装置２での測定手順を指示するパートプログラムを編集・実行する。また、ホストシステム４は、駆動制御装置２を介して取り込まれた測定座標値に幾何形状を当てはめるための計算を行ったり、パートプログラムを記録、送信したりする機能を備える。

三次元測定装置１は、次のように構成されている。即ち、除振台１０の上には、定盤１１がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤１１の両側端から立設されたアーム支持体１２ａ，１２ｂの上端でＸ軸ガイド１３を支持している。アーム支持体１２ａは、その下端がＹ軸駆動機構１４によってＹ軸方向に駆動され、アーム支持体１２ｂは、その下端がエアーベアリングによって定盤１１上にＹ軸方向に移動可能に支持されている。Ｘ軸ガイド１３は、垂直方向に延びるＺ軸ガイド１５をＸ軸方向に駆動する。Ｚ軸ガイド１５には、Ｚ軸アーム１６がＺ軸ガイド１５に沿って駆動されるように設けられ、Ｚ軸アーム１６の下端に非接触式の光学式プローブ１７が装着されている。尚、光学式プローブ１７は、水平面内に回転可能であっても良いし、垂直面内に回転可能であっても良い。

図２は、本施形態に係る光学式プローブ１７の構成を示している。光学式プローブ１７は、図２に示すように、筐体１７１と、筐体１７１内に配置されたレーザ光生成部１７２と、ワークを撮像する撮像装置１７３と、レーザ光生成部１７２を調整する制御回路１７４とを有する。なお、レーザ光生成部１７２の詳しい構成及びそれらの構成の制御については後述する。

レーザ光生成部１７２は、後述するレーザ光生成部１７２の光軸（走査方向中央部における光軸）と撮像装置１７３の光軸とでなす平面に対して直行する方向に広がる直線状のラインレーザをワーク５に向けて照射し、ワーク５の表面を直線状に照らす。

撮像装置１７３は、バンドパスフィルタ１７３１ａ、レンズ１７３１ｂ、及びこれらを介してワーク５の画像を撮像するＣＭＯＳセンサ１７３２を有する。撮像装置１７３は、光源からワーク５への光の照射方向に対して所定の角度をなす方向から受光する様な向きに配置されている。即ち、ワーク５表面に照射され、ワーク５表面の形状に沿って反射されたラインレーザを、撮像装置１７３によって所定の角度から受光する。

図３は、光学式プローブ１７を用いて照射されたラインレーザを示す概略図である。図３（ａ）に示すように、レーザ光生成部１７２によってワーク５に直線状のラインレーザＬを照射すると、ワーク５の表面に沿ってラインレーザの反射光Ｌ’が変形し、ワーク５をある平面で切断した時の輪郭が照らし出される。撮像装置１７３は、図３（ｂ）に示すように、レーザ光生成部１７２のレーザ光照射方向から所定の角度でワーク５を撮像し、反射光Ｌ’の画像を撮像する。

図４は、レーザ光生成部１７２の構成、及び光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。なお、図４において、バンドパスフィルタ１７３１ａは省略している。図４に示すように、レーザ光生成部１７２は、光源１７２１、チューナブルレンズ１７２２、及びビームエキスパンダ１７２３にて構成される。光源１７２１から発せられたレーザは、チューナブルレンズ１７２２を通過し、ビームエキスパンダ１７２３にて散乱されてラインレーザとなる。すなわち、チューナブルレンズ１７２２は、光源１７２１とビームエキスパンダ１７２３との間に設けられる。チューナブルレンズ１７２２の曲率は、ＣＭＯＳセンサ１７３２にて撮像された画像に基づき制御回路１７４により調整可能に構成される。これにより、ラインレーザの焦点距離が調整される。なお、ビームエキスパンダ１７２３は、例えばロッドレンズ、又はシリンドリカルレンズである。

また、本実施の形態に係る光学式プローブ１７にはシャインプルーフの原理が利用されており、図４に示すように、ＣＭＯＳセンサ１７３２の撮像面Ｓ１、レンズ１７３１ｂの主点を含む主平面Ｓ２、ワーク５に照射されるラインレーザの照射面Ｓ３をそれぞれ延長した面Ｓ１〜Ｓ３は、１点Ｐで交わる。このような配置によって、ＣＭＯＳセンサ１７３２の撮像面上全体が合焦状態となる。

しかしながら、上記のように本実施の形態はシャインプルーフの原理を用いているため、ワーク５上のラインレーザの照射位置によって光学倍率が異なる。例えば、図４において、レーザ光生成部１７２に近い照射位置ａにおいて光学倍率が高く、レーザ光生成部１７２から遠い照射位置ｃにおいて光学倍率が低い。照射位置ａ、ｃの間の照射位置ｂにおいては、照射位置ａ、ｃの間の光学倍率となる。したがって、照射位置に応じてＣＭＯＳセンサ１７３２上のラインレーザの照射面積が変わってしまい、測定精度を低下させる原因となる。本実施の形態においては、後述するチューナブルレンズ１７２２の制御により、この問題を解消する。

図５は、第１の実施の形態に係るＣＭＯＳセンサ１７３２を示す模式図である。ＣＭＯＳセンサ１７３２は、図５に示すように、２次元的に行列状に配置された複数の撮像素子を有する。例えば、本実施の形態において、ＣＭＯＳセンサ１７３２は、直線状のラインレーザの伸びる方向に１０２４個、これと直交する方向に１２８０個の受光素子Ｅを有している。また、ＣＭＯＳセンサ１７３２は、ローリングシャッター機能を有している。ローリングシャッター機能とは、１つないし複数の行（または列）に配置されている受光素子Ｅのみを同時に受光させ、この行単位（または列単位）の受光を列方向（または行方向）に順次行う方法である。例えば、図５においては、１列目に配置された受光素子Ｅ（太枠で強調されている受光素子）の受光は、同時に行われる。この受光動作が終了すると、２列目、３列目と順次受光が行われる。

図６は、本実施の形態に係る光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。制御回路１７４は、図６に示すように、ＣＰＵ１７４１、ＣＰＵ１７４１に接続されたプログラム記憶部１７４２、ワークメモリ１７４３、及び多値画像メモリ１７４４を有する。ＣＭＯＳセンサ１７３２で取得された画像情報は、多値画像メモリ１７４４を介してＣＰＵ１７４１に入力される。ＣＰＵ１７４１は、ＣＭＯＳセンサ１７３２で取得された画像に基づきチューナブルレンズ１７２２を制御する。

次に、図７を参照して第１の実施の形態に係る形状測定装置の動作について説明する。図７は、第１の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図７に示すように、制御回路１７４は、ラインレーザをワーク５に照射する（Ｓ１０１）。次に、制御回路１７４は、ＣＭＯＳセンサ１７３２の各列において照射位置を検知する（Ｓ１０２）。この照射位置により、光源１７２１とワーク５上の照射位置との間の距離が検知される。次に、制御回路１７４は、ＣＭＯＳセンサ１７３２上の照射位置の平均値に基づきチューナブルレンズ１７２２の曲率を制御し、焦点位置を調整する（Ｓ１０３）。

ステップＳ１０３の調整は、図８に示すように行われる。なお、図８において、照射位置ｂは照射位置ｃよりもレーザ光生成部１７２に近く、照射位置ａは照射位置ｂよりもレーザ光生成部１７２に近い。

図８に示すように、ワーク５上のラインレーザの照射位置がレーザ光生成部１７２（光源１７２１）に近いほど、チューナブルレンズ１７２２の曲率は大きく調整され、焦点距離は短く調整される。具体的に、照射位置ｂに照射する場合のチューナブルレンズ１７２２の曲率は、照射位置ｃに照射する場合のチューナブルレンズ１７２２の曲率よりも大きく調整される。同様に、照射位置ａに照射する場合のチューナブルレンズ１７２２の曲率は、照射位置ｂに照射する場合のチューナブルレンズ１７２２の曲率よりも大き調整される。これにより、照射位置ｂに照射する場合の焦点距離Ｌｂは、照射位置ｃに照射する場合の焦点距離Ｌｃよりも短く調整される。同様に、照射位置ａに照射する場合の焦点距離Ｌａは、照射位置ｂに照射する場合の焦点距離Ｌｂよりも短く調整される。

以上のチューナブルレンズ１７２２の制御により、第１の実施の形態は、光源１７２１とワーク５の照射位置との間の距離に基づき、ワーク５上のラインレーザの照射面積を調整する。または、ＣＭＯＳセンサ１７３２上のラインレーザが撮像される座標位置（ピクセル位置）や撮像されるラインレーザの線幅や光強度などに基づいて調整してもよい。したがって、第１の実施の形態は、ワーク５上のどの照射位置においても、照射するラインレーザの線幅をレーザ光生成部１７２の光学系の能力の可能な限りで細く絞ることで、ＣＭＯＳセンサ１７３２上で撮像されるラインレーザの照射面積の変動を抑制し、測定精度を向上させることができる。例えば、第１の実施の形態は、ワーク５の表面の凹凸による測定精度を向上させることができる。

［第２の実施の形態］
次に、第２の実施の形態に係る形状測定装置を説明する。第２の実施の形態に係る形状測定装置においては、図９に示すように、第１の実施の形態のチューナブルレンズ１７２２の代わりにコリメータレンズ１７２４が設けられ、そのコリメータレンズ１７２４とビームエキスパンダ１７２３との間に電動アパーチャ１７２５が設けられる。電動アパーチャ１７２５の開口径は、ＣＭＯＳセンサ１７３２にて撮像された画像に基づき制御回路１７４により調整可能に構成される。

次に、図１０を参照して第２の実施の形態に係る形状測定装置の動作について説明する。図１０は、第２の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図１０に示すように、第１の実施の形態と同様のステップＳ１０１、Ｓ１０２が実行される。次に、制御回路１７４は、ＣＭＯＳセンサ１７３２上の照射位置の平均値に基づき電動アパーチャ１７２５の開口径を制御する（Ｓ１０３ａ）。

ステップＳ１０３ａの調整は、図１１に示すように行われる。なお、図１１において、照射位置ｂは照射位置ｃよりもレーザ光生成部１７２に近く、照射位置ａは照射位置ｂよりもレーザ光生成部１７２に近い。

図１１に示すように、ワーク５上のラインレーザの照射位置がレーザ光生成部１７２（光源１７２１）に近いほど、電動アパーチャ１７２５の開口径は小さく調整される。具体的に、照射位置ｂに照射する場合の電動アパーチャ１７２５の開口径Ｒｂは、照射位置ｃに照射する場合の電動アパーチャ１７２５の開口径Ｒｃよりも小さく調整される。同様に、照射位置ａに照射する場合の電動アパーチャ１７２５の開口径Ｒａは、照射位置ｂに照射する場合の電動アパーチャ１７２５の開口径Ｒｂよりも小さく調整される。

以上の電動アパーチャ１７２５の制御により、第２の実施の形態は、光源１７２１とワーク５の照射位置との間の距離に基づき、ワーク５上のラインレーザの照射面積を調整する。または、ＣＭＯＳセンサ１７３２上のラインレーザが撮像される座標位置（ピクセル位置）や撮像されるラインレーザの線幅や光強度などに基づいて調整してもよい。したがって、第２の実施の形態は、ワーク５上のどの照射位置においても、照射するラインレーザの線幅をレーザ光生成部１７２の光学系の能力の可能な限りで細く絞ることで、ＣＭＯＳセンサ１７３２上で撮像されるラインレーザの照射面積の変動を抑制し、測定精度を向上させることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る形状測定装置を説明する。第３の実施の形態に係る形状測定装置においては、図１２に示すように、第２の実施の形態の電動アパーチャ１７２５の代わりに可変スリット１７２６が設けられる。可変スリット１７２６の隙間は、ＣＭＯＳセンサ１７３２にて撮像された画像に基づき制御回路１７４により調整可能に構成される。

次に、図１３を参照して第３の実施の形態に係る形状測定装置の動作について説明する。図１３は、第３の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図１３に示すように、第１の実施の形態と同様のステップＳ１０１、Ｓ１０２が実行される。次に、制御回路１７４は、ＣＭＯＳセンサ１７３２上の照射位置の平均値に基づき可変スリット１７２６の隙間を制御する（Ｓ１０３ｂ）。

ステップＳ１０３ｂの調整は、図１４に示すように行われる。なお、図１４において、照射位置ｂは照射位置ｃよりもレーザ光生成部１７２に近く、照射位置ａは照射位置ｂよりもレーザ光生成部１７２に近い。

図１４に示すように、ワーク５上のラインレーザの照射位置がレーザ光生成部１７２（光源１７２１）に近いほど、可変スリット１７２６の隙間は小さく調整される。具体的に、照射位置ｂに照射する場合の可変スリット１７２６の隙間Ｗｂは、照射位置ｃに照射する場合の可変スリット１７２６の隙間Ｗｃよりも小さく調整される。同様に、照射位置ａに照射する場合の可変スリット１７２６の隙間Ｗａは、照射位置ｂに照射する場合の可変スリット１７２６の隙間Ｗｂよりも小さく調整される。

以上の可変スリット１７２６の制御により、第３の実施の形態は、光源１７２１とワーク５の照射位置との間の距離に基づき、ワーク５上のラインレーザの照射面積を調整する。または、ＣＭＯＳセンサ１７３２上のラインレーザが撮像される座標位置（ピクセル位置）や撮像されるラインレーザの線幅や光強度などに基づいて調整してもよい。したがって、第３の実施の形態は、ワーク５上のどの照射位置においても、照射するラインレーザの線幅をレーザ光生成部１７２の光学系の能力の可能な限りで細く絞ることで、ＣＭＯＳセンサ１７３２上で撮像されるラインレーザの照射面積の変動を抑制し、測定精度を向上させることができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態に係る形状測定装置を説明する。第４の実施の形態に係る形状測定装置は、図１５に示すように、第１の実施の形態の構成に加えて、集光レンズ１７５、及び光位置検出部１７６を有する。この光位置検出部１７６は、ラインセンサやＰＳＤ等の一次元の光センサにより構成できる。光位置検出部１７６は、ワーク５からの反射光を集光レンズ１７５を介して受光する。光位置検出部１７６は、一次元的にラインレーザの延びる方向と直交する方向における光の位置を検出する。チューナブルレンズ１７２２の曲率は、光位置検出部１７６にて検知された光に基づいて制御回路１７４により調整可能に構成される。これにより、ラインレーザの焦点距離が調整される。

次に、図１６を参照して第４の実施の形態に係る形状測定装置の動作について説明する。図１６は、第４の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図１６に示すように、第１の実施の形態と同様のステップＳ１０１が実行される。次に、制御回路１７４は、光位置検出部１７６上の照射位置を検知する（Ｓ１０２ｃ）。この照射位置により、光源１７２１とワーク５上の照射位置との間の距離が検知される。続いて、制御回路１７４は、光位置検出部１７６上の照射位置に基づきチューナブルレンズ１７２２の曲率を制御し、焦点距離を調整する（Ｓ１０３ｃ）。

上記制御により、第４の実施の形態は、第１の実施の形態と同様の効果を奏する。すなわち、第４の実施の形態は、ワーク５上のどの照射位置においても、照射するラインレーザの線幅をレーザ光生成部１７２の光学系の能力の可能な限りで細く絞ることで、ＣＭＯＳセンサ１７３２上で撮像されるラインレーザの照射面積の変動を抑制し、測定精度を向上させることができる。また、第４の実施の形態は、ＣＭＯＳセンサ１７３２とは別に、光位置検出部１７６を設け、これにより焦点距離を調整する。したがって、第４の実施の形態は、ＣＭＯＳセンサ１７３２への負荷を削減し、処理速度を向上させることができる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明に係る形状測定装置の一実施の形態を説明してきたが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。

例えば、図１７に示すように、レーザ光生成部１７２は、ビームエキスパンダ１７２３の代わりに、ミラー１７２７、及びガルバノミラー１７２８を有する構成であってもよい。ミラー１７２７は、光源１７２１からの照射光をガルバノミラー１７２８へ反射させる。ガルバノミラー１７２８は、ガルバノメータ１７２９により所定角度の範囲内において回転する。

また、第１〜第４の実施の形態は、ＣＭＯＳセンサ１７３２上のラインレーザの照射面積に基づいてワーク５上のラインレーザの照射面積を調整しても良い。また、第４の実施の形態に係る光位置検出部１７６を配置する構成は、第２及び第３の実施の形態にも適用可能である。

１…三次元測定装置、 ２…駆動制御装置、 ３…走査盤、 ４…ホストシステム、 ５…ワーク、 １１…定盤、 １２ａ，１２ｂ…アーム支持体、 １３，１５…軸ガイド、 １４…軸駆動機構、 １６…軸アーム、 １７…光学式プローブ、 １７１…筐体、 １７２…レーザ光生成部、 １７２１…光源、 １７２２…チューナブルレンズ、 １７２３…コリメータレンズ、 １７２３…ビームエキスパンダ、 １７２４…コリメータレンズ、 １７２５…電動アパーチャ、 １７２６…可変スリット、 １７３…撮像装置、 １７３１ａ…バンドパスフィルタ、 １７３１ｂ…レンズ、 １７４…制御回路、 １７５…集光レンズ、 １７６…光位置検出部、 １７４１…ＣＰＵ、 １７４２…プログラム記憶部、 １７４３…ワークメモリ、 １７４４…多値画像メモリ。

Claims (4)

1. ワークに直線状のラインレーザを照射する照射部と、
   前記ワークにて反射したラインレーザを受光して前記ワークの画像を撮像する第１センサと、
   前記ワークにて反射したラインレーザを前記第１センサの撮像面に結像させるレンズとを備え、
   前記撮像面を延長した第１の面、前記レンズの主面を延長した第２の面、及び前記ラインレーザの照射面を延長した第３の面は１か所で交わる形状測定装置であって、
   前記照射部は、
   レーザ光を生じさせる光源と、
   前記光源からの前記レーザ光を直線状に拡散させて、前記ラインレーザを生成する第１光学部材と、
   前記光源と前記第１光学部材との間に設けられ、前記ワーク上のラインレーザの照射面積を調整可能に構成された第２光学部材とを備え、
   前記第２光学部材による前記ワーク上のラインレーザの照射面積の調整を制御する制御部を更に備え、
   前記第２光学部材は、焦点距離を調整可能に構成されたレンズであり、
   前記制御部は、前記ラインレーザの照射位置の平均値に基づいて、前記焦点距離を調整する
   ことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記制御部は、前記ワーク上の前記ラインレーザの照射位置が前記光源に近いほど、前記焦点距離を短く調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
3. 前記第１センサは、第１方向及び第２方向に２次元行列状に配列された複数の撮像素子からなり、
   前記第１方向は前記ラインレーザの延びる方向であり、前記第２方向は前記第１方向に直交する方向であり、
   前記制御部は、前記第１センサの撮像面に撮像されたラインレーザに基づき前記第２光学部材を調整する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の形状測定装置。
4. 前記ワークにて反射したラインレーザを受光して前記ワークの画像を撮像する第２センサを更に備え、
   前記第２センサは、１次元的に第１方向における光の位置を検出し、
   前記第１方向は前記ラインレーザの延びる方向に直交する方向であり、
   前記制御回路は、前記第２センサの撮像面に撮像されたラインレーザに基づき前記第２光学部材を調整する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の形状測定装置。
   

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