WO2020170932A1 - 形状計測システム、及び形状計測方法 - Google Patents

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WO2020170932A1
WO2020170932A1 PCT/JP2020/005548 JP2020005548W WO2020170932A1 WO 2020170932 A1 WO2020170932 A1 WO 2020170932A1 JP 2020005548 W JP2020005548 W JP 2020005548W WO 2020170932 A1 WO2020170932 A1 WO 2020170932A1
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distance
shape measuring
measuring system
detection waveform
reliability
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PCT/JP2020/005548
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達雄 針山
渡辺　正浩
敦史 谷口
兼治 丸野
矢崎　秋夫
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株式会社日立製作所
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    • G01B9/0209—Low-coherence interferometers
    • G01B9/02091—Tomographic interferometers, e.g. based on optical coherence

Definitions

  • the present invention relates to a shape measuring system and a shape measuring method.
  • the present invention claims the priority of Japanese Patent Application No. 2019-026172 filed on February 18, 2019, and for the designated countries in which weaving by reference to documents is allowed, the contents described in the application are This application is incorporated by reference.
  • the measurement accuracy may deteriorate due to the noise caused by the positional relationship between the measuring device and the object and the measurement environment.
  • Patent Document 1 As a countermeasure against this, for example, in Patent Document 1, the same location is measured a plurality of times, locations with high measurement reproducibility are weighted as having high reliability, locations with low measurement reproducibility are weighted as having low reliability, and measurement is performed. A technique for improving the accuracy of measurement data by correcting data based on reliability weighting is disclosed.
  • Speckle occurs when irradiating a rough surface with laser light.
  • Speckle is a light interference phenomenon that occurs when a coherent light such as a laser light is emitted, and has a characteristic that it occurs at random timing in a statistically determinable place. As described above, the speckles are randomly generated, but the reflection intensity is often strong, and the repeatability is often high. Then, when the rough surface is inclined, a measurement error occurs depending on the beam diameter of the laser light and the inclination angle. Since the measurement error often has high reproducibility, it is difficult to improve the accuracy of the measurement data even if the measurement error is weighted based on the measurement reproducibility as in the technique described in Patent Document 1.
  • the present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to enable the shape of an object to be measured with high accuracy.
  • the present application includes a plurality of means for solving at least a part of the above problems, and the examples are as follows.
  • a shape measuring system provides a distance measuring head that irradiates an object with light and receives reflected light from the object, and distance detection based on the reflected light.
  • a distance measuring device that generates a waveform, and a control device that analyzes the distance detection waveform to calculate a measured distance value to the object, the control device calculating a feature amount of the distance detection waveform.
  • One of the features is that one is performed.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a shape measuring system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) system.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a distance detection waveform of the FMCW method.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of the distance measuring head.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of the scanning mechanism.
  • FIG. 6 is a diagram showing an example of a distance measurement result with respect to a smooth inclined surface.
  • FIG. 7 is a figure which shows an example of the distance measurement result with respect to a rough inclined surface.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a shape measuring system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) system.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a distance detection waveform of
  • FIG. 8 is a diagram showing an example of a distance measurement result obtained when a beam is scanned on a rough inclined surface for measurement.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a method of coping with an error in the measured distance value due to speckle 1.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining an example of a method of calculating a feature amount from a distance detection waveform based on a statistic.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining an example of a method of calculating a feature amount by waveform fitting.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a distance measurement result for a smooth curved surface.
  • FIG. 13 is a figure which shows an example of the distance measurement result with respect to a rough curved surface.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating an example of the first process performed by the control device.
  • FIG. 15 is a diagram illustrating a hardware configuration example of the distance measuring device.
  • FIG. 16 is a diagram showing a display example of a GUI (Graphical User Interface) screen corresponding to the first processing.
  • FIG. 17 is a flowchart illustrating a modified example of the first process.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining step S11 of FIG.
  • FIG. 19 is a diagram showing a display example of a GUI screen corresponding to the modification of FIG.
  • FIG. 20 is a flowchart illustrating an example of the second process performed by the control device.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining an example of a method of calculating the feature amount from the distance detection waveform when the inclination angle of the object is known.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining an example of a method of obtaining the tilt angle, curvature, and roughness of the object based on the CAD data.
  • FIG. 23 is a diagram showing a display example of a GUI screen corresponding to the second processing.
  • FIG. 24 is a flowchart for explaining the third processing by the control device.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining an example of a method of calculating the step position.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining the relationship between the speckle position and the distance detection waveform when measuring the rough surface/slope surface.
  • FIG. 27 is a diagram showing the concept of extracting highly reliable points using the continuity of detected waveform peak intensities.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining an optical disconnection method that can replace the FMCW method.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a shape measuring system 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the shape measuring system 1 adopts an FMCW (Frequency Modulated Continuous Wave) method as a distance measuring method.
  • the shape measuring system 1 includes a distance measuring device 100, a distance measuring head 117, a control device 119, a display device 120, and a scanning mechanism 500 (FIG. 5).
  • the distance measurement control unit 116 transmits a sweep waveform signal to the oscillator 102.
  • the oscillator 102 injects a triangular wave current into the laser light source 101 to modulate a drive current.
  • the laser light source 101 generates FM (Frequency Modulated) light whose frequency is swept with time at a constant modulation speed.
  • the laser light source 101 may be configured by a semiconductor laser device with an external resonator, and the resonance wavelength of the laser light source 101 may be changed by a triangular wave control signal from the oscillator 102. In this case, the laser light source 101 generates FM light whose frequency is swept in time.
  • FM light (hereinafter, simply referred to as light) generated by the laser light source 101 is guided to the optical fiber coupler 103.
  • the optical fiber coupler 103 splits the guided light into two.
  • the optical fiber couplers 103, 104, 106, 111 may be beam splitters.
  • the optical fiber coupler 104 further divides the light into two.
  • One of the light beams split by the optical fiber coupler 104 is provided with a constant optical path difference by the optical fiber 105, and then the other of the light beams split by the optical fiber coupler 104 by the optical fiber coupler 106.
  • the light is multiplexed and guided to the light receiver 107.
  • the light receiver 107 is composed of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the light receiver 107 detects a constant reference beat signal proportional to the optical path difference of the combined light, and outputs it to the distance measurement control unit 116.
  • the other half of the light split by the optical fiber coupler 103 passes through the circulator 108 and is branched by the optical fiber coupler 111.
  • One of the lights branched by the optical fiber coupler 111 is reflected by the reference mirror 112 and becomes reference light.
  • One of the lights branched by the optical fiber coupler 111 passes through the connection cable 118 as measurement light, is guided to the distance measuring head 117, is emitted into space by the optical fiber collimator 113, and is beam-scanned by the beam scanning mechanism 114. , The object 115 is irradiated.
  • the reflected light reflected by the object 115 passes through the beam scanning mechanism 114 and the optical fiber collimator 113 again, is combined with the reference light reflected by the reference mirror 112 by the optical fiber coupler 111, and is received by the circulator 108 as a light receiver. The light is guided to 109.
  • the light receiver 109 is composed of a Mach-Zehnder interferometer.
  • the light receiver 109 detects the measurement beat signal generated by the interference between the reference light and the reflected light, and outputs it to the distance measurement control unit 116.
  • the distance measurement control unit 116 A/D converts the measurement beat signal from the light receiver 109 using the reference beat signal from the light receiver 107 as a sampling clock.
  • the distance measurement control unit 116 samples the reference beat signal and the measurement beat signal with a constant sampling clock. That is, the reference beat signal can be generated as a signal with a 90-degree phase shift by performing the Hilbert transform, and the local phase of the signal can be obtained from the reference signals before and after the Hilbert transform. By interpolating the phase, the timing when the reference signal has a constant phase can be obtained. By interpolating and sampling the measurement beat signal at this timing, the measurement signal can be resampled with the reference signal as a reference.
  • the distance measurement control unit 116 has the same effect even when the AD/DA converter incorporated therein samples the measurement signal by using the reference beat signal as a sampling clock and performs A/D conversion.
  • the distance measurement control unit 116 analyzes the beat signal using the FMCW method as the distance measurement method, and transmits the distance measurement data obtained as a result to the control device 119.
  • the distance measuring head 117 may include the distance measuring device 100 and the control device 119. Further, the control device 119 may be included in the distance measuring device 100.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the FMCW method.
  • the photodetector 109 detects a beat signal having a beat frequency fb equal to this frequency difference. If the frequency sweep width is ⁇ and the time required to modulate by ⁇ is T, the following equation (1) holds.
  • the distance L to the object 115 is half the distance that light travels during the time difference ⁇ t. Therefore, the distance L can be calculated by the following equation (2) using the light velocity c in the atmosphere.
  • the distance L and the beat frequency fb have a linear relationship. Therefore, if the FFT (First Fourier Transform) is performed on the measurement signal obtained by the light receiver 109 and the peak position and the magnitude are obtained, the reflection position and the amount of reflected light of the object 115 can be obtained.
  • FFT First Fourier Transform
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a method for obtaining the reflection position on the surface of the object 115 from the reflection intensity profile, and shows an example of the distance detection waveform of the FMCW method.
  • the horizontal axis represents the FFT frequency axis and the vertical axis represents the reflection intensity.
  • the vicinity of the peak point of the distance detection waveform 301 is discrete data.
  • the peak width w is calculated by the distance resolution c/2 ⁇ .
  • a function such as a quadratic function or a Gaussian function is applied using data of three or more points near the peak point, and when the peak of the applied function is used, the position of the measurement target can be determined with accuracy higher than the distance resolution. It is possible to ask.
  • FFT is given as an example of the beat frequency analysis
  • the maximum entropy method may be used for the beat frequency analysis, for example.
  • the peak position can be detected with higher resolution than FFT.
  • the distance measurement control unit 116 uses the FMCW method as the distance measurement method, but adopts other light propagation time measurement methods such as OCT (Optical Coherence Tomography) and TOF (Time OF Flight). May be.
  • OCT Optical Coherence Tomography
  • TOF Time OF Flight
  • FIG. 4 shows a configuration example of the distance measuring head 117.
  • the distance measuring head 117 emits the measurement light supplied from the distance measuring device 100 via the connection cable 118 to the space by the optical fiber collimator 113, and deflects the emitted light by the optical path switching element 407 corresponding to the beam scanning mechanism 114. Then, the target object 115 is irradiated.
  • the optical path switching element 407 is held by the probe tip portion 406, and the probe tip portion 406 is held by the rotating mechanism 405.
  • the rotating mechanism 405 rotates
  • the optical path switching element 407 rotates and the object 115. It becomes possible to measure the cross-sectional shape of the.
  • the distance measurement data and the rotation angle information of the rotary motor are used.
  • the beam scanning mechanism 114 may scan a beam using a galvanometer mirror.
  • the measurement light can be scanned one-dimensionally
  • two galvanometer mirrors are used, the measurement light can be scanned two-dimensionally.
  • the beam scanning mechanism 114 another mechanism capable of deflecting light such as a MEMS mirror or a polygon mirror and capable of scanning may be used for scanning.
  • Information such as the length of the probe tip 406, the deflection angle of the beam, and the beam scanning angle is input to the distance measurement control unit 116 of the distance measurement device 100 from the distance measurement head 117. These pieces of information are used when the distance measurement control unit 116 generates the three-dimensional shape point cloud of the object 115.
  • FIG. 5 shows a configuration example of a scanning mechanism 500 for three-dimensionally scanning the distance measuring head 117.
  • the scanning mechanism 500 is for moving the distance measuring head 117 on a gantry stage to measure the shape of the object 115.
  • the gate-type scanning mechanism 500 has an X-axis moving mechanism 502 that moves in the X-axis direction mounted on a Y-axis moving mechanism 501 that moves in the Y-axis direction.
  • a Z-axis moving mechanism 503 that moves to is mounted. Accordingly, the scanning mechanism 500 can move the distance measuring head 117 three-dimensionally around the object 115.
  • the Y-axis moving mechanism 501, the X-axis moving mechanism 502, and the Z-axis moving mechanism 503 are driven under the control of the control device 119 to scan the distance measuring head 117 in three dimensions.
  • the distance measuring head 117 by scanning the distance measuring head 117 with the scanning mechanism 500, it is possible to realize highly functional non-contact shape measurement.
  • the object 115 is small and the shape can be measured only by moving in the Z-axis direction, the object 115 is positioned by a jig so that the position is uniquely determined, and only the Z-axis moving mechanism 503 is moved to perform measurement. You may.
  • the distance measuring head 117 may be scanned using a general 3-axis processing machine without using the scanning mechanism 500.
  • the Z-axis is often provided on the tool side and the X-axis and the Y-axis are provided on the object side in the three-axis processing machine. It becomes possible to realize on-machine measurement. Further, the multi-degree-of-freedom robot may hold and move the distance measuring head 117.
  • FIG. 6 shows an example of distance measurement results when the surface of the object 115 is a smooth inclined surface.
  • the intensity distribution of the laser 601 that irradiates the object 115 is a Gaussian distribution
  • the beam diameter at the object 115 is D.
  • the laser 601 is applied to the inclined surface 604 (inclination angle ⁇ ) of the object 115, a distance difference of D ⁇ sin ⁇ is generated in the beam irradiation region.
  • the detected distance detection waveform 602 has a Gaussian distribution shape with a foot width of D ⁇ sin ⁇ .
  • the distance detection waveform 602 obtained by convolving the distance resolution and the Gaussian distribution shown in FIG. 3 is obtained.
  • the peak point 603 of the distance detection waveform 602 becomes the center of the Gaussian distribution, and the value on the distance axis of the detected peak point 603 becomes the distance measurement value.
  • FIG. 7 shows an example of distance measurement results when the surface of the object 115 is a rough inclined surface.
  • speckle is a light interference phenomenon that occurs when irradiating coherent light such as a laser. The location where it occurs is statistically determined and occurs at random timing, with the characteristic that the reflection intensity is partially strong. Have.
  • the laser 601 strongly detects the speckle intensity 705 at the left end of the rough inclined surface 704 of the object 115.
  • the distance detection waveform 702 is detected and has a different shape from the distance detection waveform 602 of the Gaussian distribution shown in FIG.
  • the peak point 703 is the end of the width of the foot of the distance detection waveform 702 and deviates from the peak point 603 shown in FIG. 6, so that an error occurs in the distance measurement value.
  • FIG. 8 shows an example of the distance measurement result when the laser 601 scans the rough inclined surface 704 of the object 115.
  • the laser 601 irradiates the inclined surface 704 and the intensity of the reflected light due to speckles at a certain position is high, that position is detected as a peak point, and the peak point becomes the distance measurement value.
  • the laser 601 is scanned to measure the distance at the next position of the inclined surface 704. Since the laser 601 has the beam diameter D, the speckle detected earlier may be irradiated with the laser 601. , In that case, the reflected light intensity due to the speckle becomes strong again, and the point is detected again as the peak point, and the position at the peak point becomes the distance measurement value corresponding to the beam position after scanning. End up.
  • the distance measurement value of the previous time and the distance measurement value of this time should be different from each other, but a certain speckle is irradiated with the laser 601. During this period, a phenomenon occurs in which the distance measurement value does not change. Then, when the laser 601 deviates from the speckle, a peak point is detected for the next dominant speckle, and as a result, as shown in FIG. The distance measurement value of is obtained. However, since speckles are statistically generated, the distance measurement value is not always stepwise.
  • Fig. 9 shows the concept of how to deal with the error in the measured distance value due to speckle.
  • the error in the measured distance value due to the speckle occurs because the distance detection waveform is distorted depending on the position where the speckle occurs.
  • the error of the measured distance value increases as the distortion of the distance detection waveform increases. Therefore, the feature amount of the shape of the distance detection waveform is calculated, and based on the calculated feature amount, at least one of the correction process of the measured distance value and the reliability weighting process is performed.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the process of calculating the feature amount from the distance detection waveform.
  • a method of using the skewness as the feature amount of the distance detection waveform will be described.
  • the number of points constituting the distance detection waveform is n
  • the distance between the points is x i
  • the detection intensity is p i
  • the average distance is x a
  • the standard deviation is ⁇
  • the skewness S can be obtained by the following equation (3) (feature amount calculation equation).
  • the correction amount C can be obtained by multiplying the obtained cube root of the skewness S by the coefficient ⁇ .
  • the coefficient ⁇ may be determined based on experiments, or based on an optical simulation that models speckle generation.
  • Formula (4) is an example of a correction formula for obtaining the correction amount C, and a formula other than formula (4) may be used as the correction formula.
  • the reliability weighting amount w can be obtained by multiplying the obtained skewness S by the coefficient ⁇ .
  • the coefficient ⁇ may be determined based on an experiment, or may be determined based on an optical simulation that models speckle generation.
  • the expression (5) is an example of the reliability weighting expression, and a mathematical expression other than the expression (5) may be used as the reliability weighting expression.
  • the skewness S is calculated as the feature quantity of the distance detection waveform, but the feature quantity is not limited to the skewness S.
  • a statistical amount such as variance or kurtosis may be calculated as the feature amount.
  • waveform fitting may be used as another method of calculating the feature amount.
  • the reflection intensity at a certain position becomes strong, so that the distance detection waveform is distorted.
  • the shape of the detected waveform has a distribution in which reflected lights from a plurality of places are superposed. Therefore, by fitting using a plurality of waveforms, a waveform most similar to the distance detection waveform can be calculated.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a feature amount calculation method using waveform fitting.
  • two waveforms 1101 and 1102 represented by broken lines are fitted to the distance detection waveform 702 represented by a solid line, but the number of waveforms used for fitting is not limited to two, but two or more. Good.
  • the fitting parameters are the center coordinates of the waveforms 1101 and 1102, the peak value, the variance, and the phase.
  • the values of the parameters of the waveforms 1101 and 1102 are determined so as to best fit the distance detection waveform 702.
  • the determined parameter is used as a feature amount, and the correction amount or the reliability weighting amount is determined using this feature amount.
  • the coordinate x3 which is an intermediate value thereof may be used as the correction value.
  • the difference x3-x between the coordinate x3 and the coordinate x of the peak point 1103 of the distance detection waveform 702 may be used as the reliability weighting amount.
  • FIG. 12 shows an example of distance measurement results when the surface of the object 115 is a smooth curved surface.
  • the intensity of reflected light from the curved surface 1203 of the object 115 is uniform and the curved surface 1203 is irradiated with a laser 601 having a predetermined beam diameter.
  • the normal vector of the curved surface 1203 differs depending on the irradiation position of the laser 601
  • the normal vector 1201 of the curved surface on the left side of the laser 601 faces the beam irradiation direction
  • the normal vector 1202 of the curved surface on the right side of the laser 601. Has an inclination to the right with respect to the beam irradiation direction.
  • the distance detection waveform 1205 has a shape in which the Gaussian distribution is distorted, and the peak point 1206 is detected closer to the beam center position. Furthermore, when the laser 601 is scanned on the curved surface 1203 to measure the distance, a peak point is detected at each measurement position on the short distance side with respect to the beam center position. As a result, a curve (distance measurement value) 1204 having a larger radius of curvature than the actual curved surface 1203 will be measured.
  • FIG. 13 shows an example of distance measurement results when the surface of the object 115 is a rough curved surface.
  • a stepwise error due to speckle occurs as in the case shown in FIG. 7.
  • a curve (distance measurement value) 1302 having a larger radius of curvature than the actual curved surface 1301 and having a stepwise error is measured.
  • the distance error that occurs when the curved surface of the object 115 is measured is also due to the distortion of the shape of the distance detection waveform, similar to the distance error that occurs when measuring the inclined surface described above. Therefore, also for the correction or the reliability weighting for the curved surface, the parameter obtained by the correction or the reliability weighting using the skewness as the feature amount described with reference to FIG. 10 or the waveform fitting described with reference to FIG. It is possible to apply the correction or the reliability weighting with the feature amount as.
  • FIG. 14 shows an example of a first process performed by the control device 119 for coping with a distance measurement error caused by speckle.
  • the first process is to perform at least one of a correction process and a process of weighting the measurement point group with reliability as a measure against a distance measurement error caused by speckle.
  • the input information 1400 includes distance measurement information 1403, distance measurement head scanning mechanism information 1404, correction parameters 1405, and reliability weighting parameters 1406.
  • the distance measurement information 1403 is distance measurement data (distance detection waveform) measured by the distance measurement device 100 described with reference to FIG. 1, rotation angle data of the rotation mechanism 405 (FIG. 4), and the like.
  • the distance measurement data may be all the data of the FFT result with respect to the beat frequency, or when the data amount is large, the peak detected point and the data for n points before and after the point.
  • n is the number of points required to characterize the distance detection waveform, and is determined in advance by experiment or by optical simulation. n may be a fixed value or may be changeable as a parameter.
  • the correction parameter 1405 and the reliability weighting parameter 1406 are parameters necessary for performing the correction or reliability weighting described below.
  • the control device 119 acquires a distance detection waveform from the distance measurement device 100 (step S1), and then calculates a feature amount from the distance detection waveform (step S2).
  • the control device 119 performs at least one of a process of inputting and correcting the characteristic amount in the correction formula and a process of inputting the characteristic amount in the reliability weighting formula and weighting the reliability (step S3). At this time, it is possible to adjust the correction amount and the reliability weighting amount by using the correction parameter 1405 or the reliability weighting parameter 1406.
  • control device 119 causes the reliability weighted distance obtained in step S3, the scanning coordinates of the distance measuring head 117 as the distance measuring head scanning mechanism information 1404, and the rotation angle of the rotating mechanism 405 as the distance measuring information 1403. Reliability-weighted three-dimensional point group coordinates are calculated based on the data and the like (step S4). Then, the control device 119 outputs the reliability-weighted point group 1411 as the output information 1402.
  • FIG. 15 shows an example of the hardware configuration of the control device 119.
  • the control device 119 includes, for example, a general computer, and includes a CPU (Central Processing Unit) 1501, a memory 1502, and a storage device 1503.
  • the CPU 1501 executes the predetermined program loaded in the memory 1502 to execute the first process shown in FIG.
  • the memory 1502 holds the above-mentioned programs and data in the process of processing.
  • the storage device 1503 stores a feature amount calculation formula, a correction formula, a reliability weighting formula, and the like in the storage device 1503.
  • FIG. 16 shows a display example of the GUI screen 1600 displayed on the display device 120 by the first processing.
  • the GUI screen 1600 is provided with a distance measurement information display field 1601, a distance measurement head scanning mechanism information display field 1602, a correction parameter display field 1603, a reliability weighting parameter display field 1604, and a reliability weighted point group display field 1605. ing.
  • the identification information of the distance measuring head 117 is displayed in the distance measurement information display field 1601.
  • Identification information of the scanning mechanism 500 is displayed in the distance measurement head scanning mechanism information display field 1602.
  • the correction parameter display field 1603 allows the user to input and set correction parameters.
  • the reliability weighting parameter display field 1604 allows the user to input and set reliability weighting parameters.
  • the reliability weighted point group display field 1605 displays the reliability weighted point group.
  • the user can change the correction parameter or the reliability weighting parameter by looking at the reliability weighted point cloud displayed in the reliability weighted point cloud display field 1605.
  • FIG. 17 is a flowchart showing a modification of the first processing.
  • point cloud processing steps S11 and S12
  • FIG. 14 is added to the first processing (FIG. 14).
  • the noise removal parameter 1703 and the fitting parameter 1704 are input as the input information 1700 in addition to the reliability weighted point group 1411 which is the result of the first processing, and the control device 119 sets the reliability weighted Noise removal and fitting are performed on the point group 1411 (step S11).
  • the control device 119 outputs the three-dimensional shape data 1707 obtained as a result of step S11 as output information 1702 (step S12).
  • FIG. 18 illustrates a process of calculating the shape of the reliability weighted point group 1411 by noise removal and fitting in step S11.
  • step S11 points with low reliability in the reliability-weighted point group 1411 measured by the distance measuring head 117 are likely to be out of the true shape, and thus are determined to be noise and are removed. .. Then, the remaining points that have not been removed are fitted based on the reliability weighting amount.
  • fitting it is possible to use polygons to form a surface. By forming polygons according to the weight of reliability, the three-dimensional shape 1800 can be calculated accurately.
  • the polygon may be a triangle or a quadrangle, but may be a polygon having more than that.
  • FIG. 19 shows a display example of a GUI screen 1900 displayed on the display device 120 according to a modification of the first processing.
  • the GUI screen 1900 has a noise removal parameter setting field 1901, a fitting parameter setting field 1902, and a three-dimensional shape data display field 1903 added to the GUI screen 1600 (FIG. 16).
  • the user can input and set the noise removal parameter in the noise removal parameter setting field 1901.
  • the fitting parameter setting field 1902 allows the user to input and set fitting parameters.
  • the user can change the noise removal parameter or the fitting parameter by viewing the 3D shape data displayed in the 3D shape data display field 1903.
  • the distance is calculated from the interference beat frequency of the reference light and the measurement light.
  • the phase of the reference light and the measurement light is phase-adjusted due to the surface roughness. If the deviation occurs, the beat frequency may change, which may cause an error in the measurement distance. However, even if an error occurs, the continuity of the measurement points may reduce the error due to the roughness.
  • the irradiation angle and the radius of curvature of the target object 115 can be obtained from the position and orientation of the distance measuring head 117 with respect to the target object 115. Do at least one of the.
  • the irradiation angle and the radius of curvature of the object 115 are known, there is a possibility that the accuracy can be further improved and correction or reliability weighting can be performed. Further, by adding the roughness information of the surface of the object 115, it may be possible to perform the correction or the reliability weighting with higher accuracy. If the roughness information is attached to the CAD data, the information is used. If it is not attached to the CAD data, the user may input the roughness information on the GUI screen.
  • FIG. 20 is a flowchart illustrating an example of the second process performed by the control device 119.
  • the input information 2000 for the second processing is obtained by adding the object CAD information 2001, the object roughness information 2002, and the distance measurement head position/orientation information 2003 to the input information 1400 (FIG. 14).
  • the control device 119 determines the relative position between the object 115 and the distance measuring head 117 (step S21). Next, the control device 119 obtains the tilt angle, the radius of curvature, and the roughness of the object 115 with respect to the irradiation light from the object CAD information 2001 and the position/orientation information 2003 of the distance measuring head (step S22). Next, the control device 119 acquires the distance detection waveform from the distance measuring device 100 (step S23). Next, the control device 119 calculates a feature amount from the distance measurement waveform based on the tilt angle, the radius of curvature, and the roughness of the target object 115 obtained in step S22 (step S24).
  • control device 119 executes at least one of a process of inputting and correcting the characteristic amount in the correction formula and a process of inputting the characteristic amount in the reliability weighting formula and weighting the reliability (step S25).
  • control device 119 determines the reliability based on the distance measurement head scanning mechanism information 1404, the rotation angle of the rotation mechanism 405 as the distance measurement information 1403, and the reliability weighted distance obtained in step S25.
  • a weighted three-dimensional point group is calculated (step S26).
  • control device 119 outputs, as the output information 2004, the CAD information 2010 to which the information on the inclination angle, the radius of curvature, and the roughness of the object 115 with respect to the irradiation light is added, and the reliability-weighted point group 2011.
  • noise removal or fitting is performed by using the output point group 2011 with weighted reliability, and the shape is calculated with high accuracy. It can be modified as possible.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining an example of a correction or reliability weighting method when the inclination angle of the slope of the object 115 is known in advance based on the CAD data.
  • the distance difference D ⁇ sin ⁇ can be calculated from the beam diameter D.
  • the base width 2101 of the peak of the distance detection waveform 702 can be known, and the base width 2101 of the peak can be used as the feature amount, and for example, the central position 2100 can be corrected as the peak point.
  • the difference xc ⁇ x between the coordinate xc of the peak point and the peak coordinate x of the distance detection waveform 702 may be used as the reliability weighting amount.
  • the correction method or the reliability weighting method shown in FIG. 21 is an example, and another method may be used.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining a method for obtaining the inclination angle, the radius of curvature, and the roughness of the object 115 based on the CAD data and the relative position of the object 115 and the distance measuring head 117. is there.
  • the incident angle of the beam emitted from the distance measuring head 117 to the object 115 should be geometrically calculated by the control device 119 based on the CAD data of the object 115 and the position/orientation of the distance measuring head 117. It is possible to obtain the tilt angle and the radius of curvature of the measurement target with respect to the irradiation light.
  • the control device 119 adds the calculation results of the tilt angle, the radius of curvature, and the roughness to the object CAD information 2001.
  • FIG. 23 shows a display example of the GUI screen 2300 displayed on the display device 120 by the second processing.
  • the GUI screen 2300 is different from the GUI screen 1600 (FIG. 16) in the object CAD information display field 2301, the object roughness information display field 2302, the distance measurement head position/orientation display field 2303, and the object inclination angle.
  • a curvature radius and roughness display column 2304 is added.
  • the acquisition destination (file path) of the target CAD information is displayed.
  • the acquisition destination (file path) of the object roughness information is displayed.
  • the acquisition destination (file path) of the position/orientation information of the distance measuring head is displayed.
  • CAD data to which the tilt angle, the curvature radius, and the roughness of the target object 115 are added is displayed in the target object tilt angle, the curvature radius, and the roughness display field 2304.
  • the inclination angle, the curvature, and the roughness of the measurement area of the object 115 are obtained based on the continuity of the distance measurement data, and the accuracy is improved based on these. At least one of correction and reliability weighting is performed.
  • FIG. 24 is a flowchart illustrating an example of the third processing by the control device 119.
  • the input information 1400 for the third process is the same as the input information 1400 for the first process (FIG. 14).
  • the control device 119 acquires a distance detection waveform from the distance measurement information 1403 (step S31), and then calculates a feature amount from the distance detection waveform (step S32).
  • the control device 119 performs at least one of a process of inputting and correcting the characteristic amount in the correction formula and a process of inputting the characteristic amount in the reliability weighting formula and weighting the reliability (step S33). At this time, it is possible to adjust the correction amount and the reliability weighting amount by using the correction parameter 1405 or the reliability weighting parameter 1406.
  • control device 119 causes the scanning coordinates of the distance measuring head 117 as the distance measuring head scanning mechanism information 1404, the rotation angle data of the rotating mechanism 405 as the distance measuring information 1403, and the reliability weight obtained in step S33. Reliability-weighted three-dimensional point group coordinates are calculated based on the attached distance (step S34).
  • control device 119 calculates the tilt angle, the radius of curvature, and the roughness of the measurement target region from the continuity of the measurement point group (step S35).
  • control device 119 again calculates the feature amount from the distance detection waveform based on the information on the tilt angle, the radius of curvature, and the roughness calculated in step S35 (step S36).
  • control device 119 performs at least one of a process of inputting and correcting the feature amount in the correction formula and a process of inputting the feature amount in the reliability weighting formula and weighting the reliability (step S37). At this time, it is possible to adjust the correction amount and the reliability weighting amount by using the correction parameter 1405 or the reliability weighting parameter 1406.
  • control device 119 weights the reliability based on the scanning coordinates of the distance measuring head 117, the rotation angle data of the rotating mechanism 405 as the distance measurement information 1403, and the reliability-weighted distance obtained in step S37.
  • the calculated three-dimensional point group coordinates are calculated (step S38).
  • the control device 119 outputs the reliability-weighted point group 1411 as the output information 1402.
  • noise removal or fitting is performed by using the output point group 2011 with weighted reliability, and the shape is calculated with high accuracy. It can be modified as possible.
  • FIG. 25 is a diagram for explaining a method of accurately obtaining the step 2501 of the object 115.
  • the reflected light from the upper surface and the reflected light from the lower surface of the step 2501 are detected at the same time, so that two detection peaks are detected.
  • the edge of the step is obtained from the distance detection waveform obtained when the laser 601 is scanned.
  • the laser 601 is scanned to the right, and when the center of the laser 601 is at a step, the reflected light intensities 2502 and 2503 from the upper surface and the lower surface become equal.
  • the laser 601 is scanned rightward and the center of the laser 601 exceeds the step 2501, the reflected light intensity 2502 from the upper surface becomes weaker and the reflected light intensity 2503 from the lower surface becomes stronger.
  • the position of the step 2501 can be calculated with high accuracy.
  • the positions where the intensity ratios are equal to each other may be obtained by interpolation from the results of front and rear scanning.
  • the point where the reflected light intensity from the upper surface and the lower surface are equal does not become the step position.
  • the strength of the reflected light intensity of the upper surface is obtained from the reflected light intensity 2502 from the upper surface obtained when the entire laser 601 is in front of the step 2501, and obtained when the entire laser 601 exceeds the step 2501.
  • the intensity of the reflected light intensity of the lower surface is calculated from the reflected light intensity 2503 from the lower surface, the difference in reflectance is calculated from the ratio, and then the position of the step 2501 may be determined.
  • the height of the step 2501 is increased, a part of the reflected light from the lower surface is blocked by the step 2501, so that the amount of reflected light may be reduced.
  • the attenuation amount is geometrically determined by the incident angle of the laser 601 and the step distance. Therefore, the height of the step is calculated from the measured distance difference between the upper surface and the lower surface, and the attenuation value is calculated.
  • the position of the step 2501 may be calculated from the reflected light amount ratio of the upper surface and the lower surface in consideration.
  • the peak intensity information of the distance detection waveform may be used as the feature amount of the distance detection waveform.
  • FIG. 26 is a diagram for explaining the relationship between the speckle position and the distance detection waveform when measuring a rough surface/slope surface.
  • the irradiation beam 601 has a Gaussian distribution, and if speckle occurs at the end of the beam, the detected waveform is distorted as shown by 2701 and the detection intensity becomes weak.
  • the distortion is reduced and the detection intensity is increased as indicated by the detection waveform 2702.
  • the detected waveform is distorted again as shown by 2703 and the detected intensity is weakened. Therefore, by using the continuity of the detected waveform peak intensity, points with high reliability are extracted.
  • FIG. 27 shows the concept of extracting highly reliable points by using the continuity of the detected waveform peak intensities.
  • the distance measurement result obtained by scanning the beam on the rough surface / inclined surface is stepwise.
  • the staircase period depends on the beam spot size.
  • the detected waveform peak intensities obtained at this time are plotted, it has a distribution corresponding to the period of the stairs.
  • the speckle is at the edge of the beam, the intensity becomes weak, when the spec is located at the beam center, the intensity becomes a maximum value, and when the speckle deviates from the beam center, the intensity becomes weak. Therefore, by extracting the point where the intensity has the maximum value, it is possible to reduce the measurement error and obtain the actual shape with high accuracy.
  • the peak may be accurately obtained by Gaussian fitting.
  • the reliability may be weighted using intensity information.
  • the intensity maximum value and the intensity minimum value are obtained from the continuity of the peak intensity, the weight of the point corresponding to the maximum value is set to be the highest, and the weight of the point corresponding to the minimum value is set to the highest.
  • the weight is lightened, and the points in between are weighted between the maximum value and the minimum value by interpolation based on the peak intensity.
  • interpolation for example, linear interpolation is used.
  • the weighted point group can perform noise removal or fitting by using the output reliability weighted point group to calculate the shape with high accuracy, as in the modified example of the first processing (FIG. 17). it can.
  • the error can be further reduced. It is possible.
  • the feature amount of the distance detection waveform is detected using skewness, kurtosis, and fitting, but it may be detected using the center of gravity.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining an optical disconnection method that can replace the FMCW method.
  • the object 115 is irradiated with the linear beam 2601 from the light source 2600.
  • a light-section line 2604 along the shape of the target object 115 is formed in the obtained image.
  • the shape of the object 115 can be calculated from the light section line 2604.
  • the intensity profile of the line-shaped beam 2601 has a Gaussian distribution 2605, and normally, the intensity of the light cutting line 2604 also has a Gaussian distribution.
  • the distance detection waveform 2606 is distorted, and the peak point may be erroneously detected, causing an error in the measured distance.
  • the shape of the target object 115 is accurately calculated. It becomes possible to do.
  • the present invention is not limited to the examples of the above-described embodiments, and various modifications are included.
  • the above-described example of the embodiment is described in detail for making the present invention easy to understand, and the present invention is not limited to one including all the configurations described herein.
  • a part of the configuration of the example of each embodiment may be added, deleted, or replaced with another configuration.
  • control lines and information lines in the figure show those which are considered necessary for explanation, and not all of them are shown. It may be considered that almost all configurations are connected to each other.
  • the configuration of the above distance measurement system can be classified into more components according to the processing content. Also, one component can be classified so as to perform more processing.
  • Shape measuring system 100... Distance measuring device, 101... Laser light source, 102... Oscillator, 103... Optical fiber coupler, 104... Optical fiber coupler, 105... Optical Fiber, 106... Optical fiber coupler, 107... Optical receiver, 108... Circulator, 109... Optical receiver, 111... Optical fiber coupler, 112... Reference mirror, 113... Optical Fiber collimator, 114... Beam scanning mechanism, 115... Object, 116... Distance measurement control unit, 117... Distance measurement head, 118... Connection cable, 119... Control device, 120 ... Display device, 201... Reference light, 202... Measurement signal, 301... Distance detection waveform, 405...
  • Input information 1402... Output information, 1403... Distance measurement information, 1404...
  • Distance measurement head scanning mechanism information 1405... Correction parameter 1406... Reliability weighting parameter, 1411... Reliability weighted point group, 1501... CPU, 1502... Memory, 1503... Storage device, 1600... GUI screen, 1601... Distance measurement information display field, 1602... Distance measurement head scanning mechanism information display field, 1603... Correction parameter display field, 1604... Reliability weighting parameter display field, 1605... Reliability weighted point cloud Display column, 1700... Input information, 1702... Output information, 1703... Noise removal parameter, 1704... Fitting parameter, 1900... GUI screen, 1901... Noise removal parameter setting column, 1902 ... Fitting parameter setting field, 2000...
  • Input information 200 1... Target CAD information, 2002... Target roughness information, 2003... Distance measuring head position/posture information, 2004... Output information, 2010... CAD information, 2011... Reliability Degree-weighted point group, 2100... central position, 2101... foot width, 2300... GUI screen, 2301... object CAD information display column, 2302... object roughness information display column, 2303... Distance measurement head position/posture display field, 2304... Roughness display field, 2501... Step, 2502... Reflected light intensity, 2503... Reflected light intensity, 2600... Light source , 2601... Line beam, 2603... Camera, 2604... Light section line, 2605... Gaussian distribution, 2606... Distance detection waveform, c... Distance resolution

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

対象物の形状を高精度で計測する。　形状計測システムは、光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光する距離計測ヘッドと、前記反射光に基づいて距離検出波形を生成する距離計測装置と、前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする。

Description

形状計測システム、及び形状計測方法
　本発明は、形状計測システム、及び形状計測方法に関する。本発明は2019年2月18日に出願された日本国特許の出願番号2019-026172の優先権を主張し、文献の参照による織り込みが認められる指定国については、その出願に記載された内容は参照により本出願に織り込まれる。
　光を用いて非接触で対象物の形状を計測する従来手法では、計測装置と対象物との位置関係や計測環境に起因するノイズによって計測精度が劣化してしまうことがある。
　この対策として、例えば特許文献1には、同一箇所を複数回計測し、計測再現性が高い箇所は信頼度が高いと重み付けし、計測再現性が低い箇所は信頼度が低いと重み付けし、計測データに対して信頼度重み付けに基づき補正を行うことにより計測データの精度を高める技術が開示されている。
特開２０１８－３１６０４号公報
　粗い面に対してレーザ光を照射した場合、スペックルが生じる。スペックルはレーザ光等のコヒーレント光を照射した場合に生じる光の干渉現象であり、統計的に求めることができる箇所において、ランダムなタイミングで発生する特徴を有する。上述したように、スペックルの発生はランダムであるが、その反射強度は強い場合が多く、繰り返し再現性は高い場合が多い。そして、粗面が傾斜している場合、レーザ光のビーム径と傾斜角度に依存した計測誤差が生じる。計測誤差は繰り返し再現性が高い場合が多いため、特許文献１に記載の技術のように、計測再現性に基づいて重み付けしたとしても計測データの精度を高めることが困難である。
　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、対象物の形状を高精度で計測できるようにすることを目的とする。
　本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る形状計測システムは、光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光する距離計測ヘッドと、前記反射光に基づいて距離検出波形を生成する距離計測装置と、前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする。
　本発明の一態様によれば、対象物の形状を高精度で計測することが可能となる。
　上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本発明の一実施形態に係る形状計測システムの構成例を示す図である。 図２は、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式の原理を説明するための図である。 図３は、ＦＭＣＷ方式の距離検出波形の一例を示す図である。 図４は、距離計測ヘッドの構成例を示す図である。 図５は、走査機構の構成例を示す図である。 図６は、滑らかな傾斜面に対する距離計測結果の一例を示す図である。 図７は、粗い傾斜面に対する距離計測結果の一例を示す図である。 図８は、粗い傾斜面にビームを走査して計測した場合に得られる距離計測結果の一例を示す図である。 図９は、スペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法を説明するための図である１。 図１０は、距離検出波形から統計量に基づいて特徴量を算出する方法の一例を説明するための図である。 図１１は、波形フィッティングにより特徴量を算出する方法の一例を説明するための図である。 図１２は、滑らかな曲面に対する距離計測結果の一例を示す図である。 図１３は、粗い曲面に対する距離計測結果の一例を示す図である。 図１４は、制御装置による第１の処理の一例を説明するフローチャートである。 図１５は、距離計測装置のハードウェアの構成例を示す図である。 図１６は、第１の処理に対応するＧＵＩ(Graphical User Interface)画面の表示例を示す図である。 図１７は、第１の処理の変形例を説明するフローチャートである。 図１８は、図１７のステップＳ１１を説明するための図である。 図１９は、図１７の変形例に対応するＧＵＩ画面の表示例を示す図である。 図２０は、制御装置による第２の処理の一例を説明するフローチャートである。 図２１は、対象物の傾斜角度が分かっている場合に距離検出波形から特徴量を算出する方法の一例を説明するための図である。 図２２は、ＣＡＤデータに基づいて対象物の傾斜角度、曲率、及び粗さを求める方法の一例を説明するための図である。 図２３は、第２の処理に対応するＧＵＩ画面の表示例を示す図である。 図２４は、制御装置による第３の処理を説明するためのフローチャートである。 図２５は、段差位置を算出する方法の一例を説明するための図である。 図２６は、粗面・傾斜面測定時のスペックル位置と距離検出波形との関係を説明するための図である。 図２７は、検出波形ピーク強度の連続性を用いて信頼度の高い点を抽出する概念を示す図である。 図２８は、ＦＭＣＷ方式に代えることができる光切断方式について説明するための図である。
　以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Ａからなる」、「Ａより成る」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含むものとする。
　＜本発明の一実施の形態に係る形状計測システム１の構成例＞
　図１は、本発明の一実施の形態に係る形状計測システム１の構成例を示している。該形状計測システム１は、距離計測方式としてＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式を採用する。形状計測システム１は、距離計測装置１００、距離計測ヘッド１１７、制御装置１１９、表示装置１２０、及び走査機構５００（図５）を備える。
　距離計測装置１００において、距離計測制御部１１６は、発振器１０２に対して掃引波形信号を送信する。発振器１０２は、レーザ光源１０１に対して三角波電流を注入し、駆動電流を変調する。これにより、レーザ光源１０１は、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ(Frequency Modulated)光を発生する。
　なお、レーザ光源１０１を外部共振器付き半導体レーザ装置によって構成し、レーザ光源１０１の共振波長を発振器１０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。この場合、レーザ光源１０１からは時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。
　レーザ光源１０１が発生したＦＭ光（以下、単に光と称する）は、光ファイバカプラ１０３に導光される。光ファイバカプラ１０３は、導光された光を２分割する。なお、光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６，１１１は、ビームスプリッタであってもよい。
　光ファイバカプラ１０３によって２分割された光の一方は参照光学系の光ファイバカプラ１０４に導光される。光ファイバカプラ１０４は、さらに光を２分割する。光ファイバカプラ１０４にて２分割された光の一方は、光ファイバ１０５にて一定の光路差を設けた後、光ファイバカプラ１０６にて、光ファイバカプラ１０４にて２分割された光の他方と合波されて受光器１０７に導光される。受光器１０７は、マッハツェンダ干渉計からなる。受光器１０７は、合波された光の光路差に比例した一定の参照ビート信号を検出し、距離計測制御部１１６に出力する。
　光ファイバカプラ１０３よって２分割された光の他方はサーキュレータ１０８を通過し、光ファイバカプラ１１１によって分岐される。光ファイバカプラ１１１によって分岐された光の一方は参照ミラー１１２に反射して参照光となる。光ファイバカプラ１１１によって分岐された光の一方は、計測光として接続ケーブル１１８を通過して距離計測ヘッド１１７に導光され、光ファイバコリメータ１１３によって空間に出射し、ビーム走査機構１１４によってビーム走査され、対象物１１５に照射される。
　対象物１１５で反射した反射光は、再びビーム走査機構１１４、及び光ファイバコリメータ１１３を通過し、参照ミラー１１２に反射された参照光と光ファイバカプラ１１１にて合波され、サーキュレータ１０８により受光器１０９に導光される。
　受光器１０９は、受光器１０７と同様、マッハツェンダ干渉計からなる。受光器１０９は、参照光と反射光との干渉によって発生する計測ビート信号を検出し、距離計測制御部１１６に出力する。
　距離計測制御部１１６は、受光器１０７からの参照ビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１０９からの計測ビート信号をＡ／Ｄ変換する。
　または、距離計測制御部１１６は、参照ビート信号と計測ビート信号とを一定のサンプリングクロックでサンプリングする。すなわち、参照ビート信号は、ヒルベルト変換を行うことにより、９０度位相のずれた信号を作り出すことができ、ヒルベルト変換の前後の参照信号から、信号の局所位相を求めることが可能であるため、この位相を補間することで、参照信号が一定の位相となるタイミングを求めることができる。このタイミングに合わせて、計測ビート信号を補間サンプリングすることで、参照信号を基準として計測信号をリサンプリングすることが可能となる。
　または、距離計測制御部１１６は、内蔵するＡＤ／ＤＡ変換機により参照ビート信号をサンプリングクロックとして計測信号をサンプリングしてＡ／Ｄ変換しても、同様の効果を奏する。
　さらに、距離計測制御部１１６は、距離計測方式にＦＭＣＷ方式を用いてビート信号を解析し、その結果得られる距離計測データを制御装置１１９に送信する。
　なお、図１に示された構成例において、距離計測ヘッド１１７の内部に距離計測装置１００、及び制御装置１１９が含まれてもよい。また、距離計測装置１００の内部に制御装置１１９が含まれてもよい。
　次に、距離計測制御部１１６における、ＦＭＣＷ方式を用いてビート信号を解析して距離計測データを算出する方法について、図２及び図３を参照して説明する。
　図２は、ＦＭＣＷ方式の原理を説明するための図である。受光器１０９に対する参照光２０１と計測信号２０２とそれぞれの到達時間には時間差Δtがあるが、この間にレーザ光源１０１からのＦＭ光の周波数は変化している。よって、受光器１０９では、この周波数差に等しいビート周波数ｆｂのビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし、Δνだけ変調するのに要する時間をＴとすると、次式（１）の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　対象物１１５までの距離Ｌは、時間差Δｔの間に光が進む距離の半分である。よって、距離Ｌは、大気中の光速度ｃを用い、次式（２）によって算出できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　距離Ｌとビート周波数ｆｂは線形な関係にある。よって受光器１０９で得られた計測信号にＦＦＴ（First Fourier Transform：高速フーリエ変換）を行い、ピーク位置と大きさを求めれば、対象物１１５の反射位置と反射光量を求めることができる。
　次に、図３は、反射強度プロファイルから対象物１１５の表面における反射位置を求める方法を説明するための図であり、ＦＭＣＷ方式の距離検出波形の一例を示している。同図において、横軸はＦＦＴの周波数軸、縦軸は反射強度である。
　同図に示すように、距離検出波形３０１のピーク点付近は離散的なデータとなる。ここでピーク幅ｗは、距離分解能ｃ/２Δνによって計算される。具体的には、ピーク点付近の３点以上のデータを用いて、２次関数またはガウス関数といった関数を当てはめ、当てはめられた関数のピークを用いると、距離分解能以上の精度で計測対象の位置を求めることが可能となる。
　なお、ビート周波数の解析の一例としてＦＦＴを挙げたが、ビート周波数の解析には例えば最大エントロピー法を用いてもよい。この場合、ＦＦＴよりも高分解能にピーク位置を検出することができる。
　また、距離計測制御部１１６は、距離計測方式にＦＭＣＷ方式を用いるようにしたが、ＯＣＴ(Optical Coherence Tomography)、ＴＯＦ(Time OF Flight)のような他の光の伝搬時間の計測方式を採用してもよい。
　次に、図４は、距離計測ヘッド１１７の構成例を示している。距離計測ヘッド１１７は、距離計測装置１００から接続ケーブル１１８を介して供給される計測光を光ファイバコリメータ１１３によって空間に出射し、出射した光をビーム走査機構１１４に相当する光路切り替え素子４０７によって偏向して、対象物１１５に照射する。
　光路切り替え素子４０７は、プローブ先端部４０６によって保持されており、プローブ先端部４０６は回転機構４０５に保持されており、回転機構４０５が回転することで、光路切り替え素子４０７が回転し、対象物１１５の断面形状を計測することが可能となる。対象物１１５の断面形状を計測するためには距離計測データと回転モータの回転角度の情報が用いられる。
　なお、図４に示された構成例は一例であって、ビーム走査機構１１４として、ガルバノミラーを用いてビームを走査してもよい。ガルバノミラーを１つ用いた場合、測定光を１次元的に走査することが可能であり、２つ用いた場合、測定光を２元的に走査することができる。またビーム走査機構１１４として、ＭＥＭＳミラーやポリゴンミラー等のように光を偏向し、走査可能な他の機構を用いて走査してもよい。
　なお、距離計測装置１００の距離計測制御部１１６には、距離計測ヘッド１１７から、プローブ先端部４０６の長さ、ビームの偏向角度、ビーム走査角度等の情報が入力される。これらの情報は距離計測制御部１１６にて対象物１１５の３次元形状点群を生成する際に用いられる。
　次に、図５は、距離計測ヘッド１１７を３次元に走査するための走査機構５００の構成例を示している。走査機構５００は、距離計測ヘッド１１７をガントリーステージで移動させて対象物１１５の形状を計測するためのものである。
　門型の走査機構５００は、Ｙ軸方向に移動するＹ軸移動機構５０１の上に、Ｘ軸方向に移動するＸ軸移動機構５０２が搭載されており、さらにＸ軸移動機構５０２にＺ軸方向に移動するＺ軸移動機構５０３が搭載されている。これにより、走査機構５００は、距離計測ヘッド１１７を対象物１１５の周囲で３次元的に移動させることができる。
　なお、Ｙ軸移動機構５０１、Ｘ軸移動機構５０２、及びＺ軸移動機構５０３は、制御装置１１９からの制御に従って駆動し、距離計測ヘッド１１７を３次元に走査する。
　同図に示されるように、走査機構５００により距離計測ヘッド１１７を走査することにより、高機能な非接触形状計測を実現することが可能となる。なお、対象物１１５が小さく、Ｚ軸方向に対する移動のみで形状が計測できる場合は、対象物１１５の位置が一意に定まるように冶具で位置決めし、Ｚ軸移動機構５０３のみを移動させて、計測してもよい。
　なお、走査機構５００を用いずに、一般的な３軸加工機を用いて距離計測ヘッド１１７を走査させてもよい。その場合、３軸加工機では、Ｚ軸は工具側、Ｘ軸及びＹ軸は対象物側に設けることが多いので、工具の代わりに距離計測ヘッド１１７を把持させることで、３軸加工機によるオンマシン計測を実現することが可能となる。また、多自由度ロボットに距離計測ヘッド１１７を把持、移動させるようにしてもよい。
　＜対象物１１５の表面が傾斜面である場合の距離計測結果について＞
　次に、対象物１１５の表面が傾斜面である場合の距離計測結果について、図６～図８を参照して説明する。
　図６は、対象物１１５の表面が滑らかな傾斜面である場合の距離計測結果の一例を示している。同図に示されるように、対象物１１５に照射するレーザ６０１の強度分布はガウシアン分布であり、対象物１１５におけるビーム径をＤとする。ここでレーザ６０１が対象物１１５の傾斜面６０４（傾斜角度θ）に照射された場合、ビーム照射領域ではＤ・sinθの距離差が生じる。傾斜面６０４からの反射光強度が均一な場合、検出される距離検出波形６０２は、麓幅がＤ・sinθとなるガウシアン分布をした形状となる。ＦＭＣＷ方式に基づく距離計測の場合、図３に示された、距離分解能とガウシアン分布との畳み込みをした距離検出波形６０２が得られる。距離検出波形６０２のピーク点６０３は、ガウシアン分布の中心となり、検出されたピーク点６０３の距離軸の値が距離計測値となる。
　図７は、対象物１１５の表面が粗い傾斜面である場合の距離計測結果の一例を示している。粗い傾斜面７０４に対してレーザ６０１を照射した場合、スペックルが生じる。スペックルはレーザ等のようなコヒーレント光を照射した場合に生じる光の干渉現象であり、その発生箇所は統計的に求められ、ランダムなタイミングで発生し、部分的に反射強度が強くなる特徴を有する。
　例えば同図に示されるように、レーザ６０１が対象物１１５の粗い傾斜面７０４の左端でスペックル強度７０５が強く検出されたとする。この場合、距離検出波形７０２が検出されて、図６に示されたガウシアン分布の距離検出波形６０２とは異なる形状となる。この場合、ピーク点７０３は距離検出波形７０２の麓幅の端であって、図６に示されたピーク点６０３とずれるため、距離計測値に誤差を生じることになる。
　図８は、対象物１１５の粗い傾斜面７０４に対してレーザ６０１を走査した場合の距離計測結果の一例を示している。レーザ６０１が傾斜面７０４を照射している場合、ある位置のスペックル起因の反射光強度が強いときには、その位置をピーク点として検出するため、そのピーク点が距離計測値となる。次に、レーザ６０１を走査して、傾斜面７０４の次の位置の距離を計測するが、レーザ６０１はビーム径Ｄを有するので、先ほど検出されたスペックルにレーザ６０１が照射されることがあり、その場合、再び、そのスペックル起因の反射光強度が強くなり、その点をピーク点として再び検出してしまい、ピーク点での位置が走査後のビーム位置に対応する距離計測値になってしまう。
　いまの場合、傾斜面を走査して距離を計測しているので、本来であれば前回と今回の距離計測値は異なる値であるはずだが、あるスペックルに対してレーザ６０１が照射されている間は、距離計測値が変化しない現象が生じる。そして、そのスペックルからレーザ６０１が外れると、次に支配的なスペックルに対してピーク点が検出されるため、結果として、図８に示されたように、段差幅Ｄ・sinθの階段状の距離計測値が得られることになる。ただし、スペックルは統計的に発生するため、距離計測値は必ずしも階段状になるとは限らない。
　＜スペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法＞
　次に、対象物１１５の粗い傾斜面にて発生し得るスペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法について説明する。本実施形態では、該対処方法としては、測定距離値の補正処理、及び信頼性重み付け処理の少なくとも一方を行う。
　図９は、スペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法の概念を示している。図７を参照して上述したように、スペックル起因の計測距離値の誤差は、スペックルの発生位置によって、距離検出波形が歪むために発生する。計測距離値の誤差は距離検出波形の歪みが大きいほど大きくなる。そこで、距離検出波形の形状の特徴量を算出し、算出した特徴量に基づき、測定距離値の補正処理及び信頼度重み付け処理の少なくとも一方を行う。
　図１０は、距離検出波形から特徴量を算出する処理を説明するための図である。以下、距離検出波形の特徴量として、例えば、歪度を用いる方法について説明する。同図に示されるように、距離検出波形を構成する点の数をｎ個、各点間の距離をｘｉ、検出強度をｐｉ、平均距離をｘａ、標準偏差をσとした場合、歪度Ｓは次式（３）（特徴量算出式）によって求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　さらに、次式（４）（補正式）に示すように、求めた歪度Ｓの三乗根に対して係数αを乗算すれば、補正量Ｃを求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　係数αは、実験に基づいて決めてもよいし、スペックル発生をモデル化した光学シミュレーションに基づいて決めてもよい。なお、式（４）は、補正量Ｃを求めるための補正式の一例であり、補正式は式（４）以外の数式を用いてもよい。
　また、次式（５）（信頼度重み付け式）に示すように、求めた歪度Ｓに対して係数βを掛けることで、信頼度重み付け量ｗを求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　係数βは、実験に基づいて決めてもよいし、スペックル発生をモデル化した光学シミュレーションに基づいて決めてもよい。なお、式（５）は、信頼度重み付け式の一例であり、信頼度重み付け式は式（５）以外の数式を用いてもよい。
　なお、式（３）では、距離検出波形の特徴量として歪度Ｓを算出したが、特徴量は歪度Ｓに限られない。例えば、分散、尖度等の統計量を特徴量として算出してもよい。
　また、他の特徴量の算出方法として、波形フィッティングを用いてもよい。図７を参照して説明したように、スペックルによっては、ある位置での反射強度が強くなるため、距離検出波形に歪みが生じる。その検出波形の形状は、複数個所からの反射光を重ね合わせた分布となる。そこで、複数個の波形を用いてフィッティングすることで、距離検出波形に最も類似した波形を算出することができる。
　次に、図１１は、波形フィッティングを用いた特徴量算出方法について説明するための図である。同図の場合、実線で表す距離検出波形７０２に対して、破線で表す２本の波形１１０１，１１０２をフィッティングしているが、フィッティングに用いる波形は２本に限らず、２本以上であってもよい。
　フィッティングパラメータは、波形１１０１，１１０２の中心座標、ピーク値、分散、及び位相である。フィッティングにおいては、距離検出波形７０２に最も当てはまるように、波形１１０１，１１０２の各パラメータの値を決定する。決定したパラメータを特徴量とし、この特徴量を用いて補正量又は信頼度重み付け量を決定する。
　例えば、波形１１０１の中心座標としてｘ１、波形１１０２の中心座標としてｘ２が決定した場合、その中間値である座標ｘ３を補正値として用いてもよい。又は、座標ｘ３と距離検出波形７０２のピーク点１１０３の座標ｘとの差分ｘ３－ｘを信頼性重み付け量として用いてもよい。
　なお、図１１を参照して説明した波形フィッティングの方法と、それを利用した補正方法及び信頼度重み付け方法は一例であって、他の方法を用いてもよい。
　＜対象物１１５の表面が曲面である場合の距離計測結果について＞
　次に、対象物１１５の表面が曲面である場合の距離計測結果について、図１２及び図１３を参照して説明する。
　図１２は、対象物１１５の表面が滑らかな曲面である場合の距離計測結果の一例を示している。同図において対象物１１５の曲面１２０３からの反射光強度は均一であり、所定のビーム径を有するレーザ６０１が曲面１２０３に照射された場合を考える。この場合、レーザ６０１の照射位置によって、曲面１２０３の法線方向ベクトルが異なるので、レーザ６０１の左側における曲面の法線ベクトル１２０１はビーム照射方向を向き、レーザ６０１の右側における曲面の法線ベクトル１２０２はビーム照射方向に対して右側に傾きを持つ。
　この場合、ビーム照射方に向かう法線ベクトル１２０１の方向に反射する反射光の方が、法線ベクトル１２０２の方向に反射する反射光よりも反射光強度に比べて強くなる。よって、距離検出波形１２０５は、ガウシアン分布に歪みが生じた形状となり、ビーム中心位置に対してより近距離側にピーク点１２０６が検出される。さらに、この曲面１２０３に対してレーザ６０１を走査して距離計測を行った場合、各計測位置においてビーム中心位置に対して近距離側にピーク点が検出される。この結果、実際の曲面１２０３よりも曲率半径が大きい曲線（距離計測値）１２０４が計測されてしまうことになる。
　図１３は、対象物１１５の表面が粗い曲面である場合の距離計測結果の一例を示している。同図に示されるように、粗い曲面１３０１に対してレーザ６０１を照射した場合、図７に示された場合と同様、スペックル起因の階段状の誤差が生じる。この結果、実際の曲面１３０１よりも曲率半径が大きく、かつ、階段状の誤差が発生した曲線（距離計測値）１３０２が計測されてしまうことになる。
　対象物１１５の曲面を計測した場合に生じる距離誤差についても、上述した傾斜面を計測した場合に生じる距離誤差と同様、距離検出波形の形状の歪みが原因である。そこで、曲面に対する補正又は信頼性重み付けに対しても、図１０を参照して説明した歪度を特徴量として用いた補正又は信頼性重み付けや、図１１を参照して説明した波形フィッティングによって求まるパラメータを特徴量とする補正又は信頼性重み付けを適用することが可能である。
　＜制御装置１１９による第１の処理＞
　次に、図１４は、スペックル起因の距離計測誤差に対処するための制御装置１１９による第１の処理の一例を示している。該第１の処理は、スペックル起因の距離計測誤差への対処として、補正処理、及び計測点群に対して信頼度重み付けをする処理の少なくとも一方を行うものである。
　はじめに、第１の処理に対する入力情報１４００について説明する。入力情報１４００には、距離計測情報１４０３、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４、補正パラメータ１４０５、及び信頼度重み付けパラメータ１４０６を含む。
　距離計測情報１４０３は、図１を参照して説明した距離計測装置１００によって計測された距離計測データ（距離検出波形）や回転機構４０５（図４）の回転角度データ等である。
　距離計測データは、ビート周波数に対するFFT結果の全データでもよいし、データ量が多い場合はピーク検出された点とその前後のｎ点分のデータであってもよい。ここで、ｎは距離検出波形を特徴付けるために必要な点数であって、事前に実験にて決定するか、光学シミュレーションによって決定する。ｎは固定値としてもよいし、パラメータとして変更できるようにしてもよい。
　距離計測ヘッド走査機構情報１４０４では、距離計測ヘッド１１７の走査機構５００（図５）の３軸の走査座標である。
　補正パラメータ１４０５及び信頼度重み付けパラメータ１４０６は、以下に説明する補正又は信頼度重み付けを行う際に必要なパラメータである。
　第１の処理では、はじめに、制御装置１１９が、距離計測装置１００から距離検出波形を取得し(ステップＳ１)、次に、距離検出波形から特徴量を算出する(ステップＳ２)。次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う(ステップＳ３)。このときに補正パラメータ１４０５又は信頼度重み付けパラメータ１４０６を用いて、補正量や信頼度重み付け量を調整することが可能である。次に、制御装置１１９が、ステップＳ３で求めた信頼度重み付き距離と、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４としての距離計測ヘッド１１７の走査座標と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度データ等とに基づいて、信頼度重み付けされた３次元点群座標を算出する(ステップＳ４)。そして、制御装置１１９が、出力情報１４０２として、信頼度重み付き点群１４１１を出力する。
　次に、図１５は、制御装置１１９のハードウェアの構成例を示している。制御装置１１９は、例えば、一般的なコンピュータからなり、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１５０１、メモリ１５０２、及び記憶デバイス１５０３を備える。ＣＰＵ１５０１は、メモリ１５０２にロードされた所定のプログラムを実行することにより、図１４に示された第1の処理等を実行する。メモリ１５０２は、上述したプログラムや処理途中のデータを保持する。記憶デバイス１５０３は、記憶デバイス１５０３には特徴量算出式、補正式、信頼度重み付け式等を保存する。
　次に、図１６は、第１の処理によって表示装置１２０に表示されるＧＵＩ画面１６００の表示例を示している。
　ＧＵＩ画面１６００には、距離計測情報表示欄１６０１、距離計測ヘッド走査機構情報表示欄１６０２、補正パラメータ表示欄１６０３、信頼度重み付けパラメータ表示欄１６０４、及び信頼度重み付き点群表示欄１６０５が設けられている。
　距離計測情報表示欄１６０１には、距離計測ヘッド１１７の識別情報が表示される。距離計測ヘッド走査機構情報表示欄１６０２には、走査機構５００の識別情報が表示される。補正パラメータ表示欄１６０３には、ユーザが補正パラメータを入力、設定することができる。信頼度重み付けパラメータ表示欄１６０４には、ユーザが信頼度重み付けパラメータを入力、設定することができる。信頼度重み付き点群表示欄１６０５には、信頼度重み付き点群が表示される。
　例えばユーザは、信頼度重み付き点群表示欄１６０５に表示された信頼度重み付き点群を見て、補正パラメータや信頼度重み付けパラメータを変更することが可能である。
　＜第１の処理の変形例＞
　次に、図１７は、第１の処理の変形例を示すフローチャートである。該変形例は、第１の処理（図１４）に対して点群処理（ステップＳ１１，Ｓ１２）を追加したものである。
　点群処理では、第１の処理の結果である信頼度重み付き点群１４１１の他、入力情報１７００として、ノイズ除去パラメータ１７０３、及びフィッティングパラメータ１７０４が入力され、制御装置１１９が、信頼度重み付き点群１４１１に対してノイズ除去、及びフィッティングを行う（ステップＳ１１）。次に、制御装置１１９が、ステップＳ１１の結果得られる３次元形状データ１７０７を出力情報１７０２として出力する（ステップＳ１２）。
　図１８は、ステップＳ１１における、信頼性重み付き点群１４１１に対して、ノイズ除去及びフィッティングによって形状を算出する処理について説明する。
　ステップＳ１１では、距離計測ヘッド１１７によって計測された信頼度重み付き点群１４１１のうち、信頼度が低い点については、真の形状から外れている可能性が高いため、ノイズと判断して除去する。そして、除去せずに残った点群に対して、信頼度重み付け量に基づきフィッティングを行う。フィッティングの一例として、ポリゴンを用いて面を形成する場合が考えられる。信頼度の重みに応じてポリゴンを形成することで、精度良く３次元形状１８００を算出することが可能となる。ポリゴンとしては三角形や四角形が考えられるが、それ以上の多角形であってもよい。
　次に、図１９は、第１の処理の変形例によって表示装置１２０に表示されるＧＵＩ画面１９００の表示例を示している。ＧＵＩ画面１９００は、ＧＵＩ画面１６００（図１６）に対して、ノイズ除去パラメータ設定欄１９０１、フィッティングパラメータ設定欄１９０２、及び３次元形状データ表示欄１９０３を追加したものである。
　ノイズ除去パラメータ設定欄１９０１には、ユーザがノイズ除去パラメータを入力、設定することができる。フィッティングパラメータ設定欄１９０２には、ユーザがフィッティングパラメータを入力、設定することができる。
　例えば、ユーザは３次元形状データ表示欄１９０３に表示された３次元形状データを見て、ノイズ除去パラメータやフィッティングパラメータを変更することが可能である。
　以上の説明では、対象物１１５の傾斜面や曲面が粗い場合に生じ得る計測距離の誤差について説明した。しかしながら、ＦＭＣＷ方式においては、対象物１１５の表面が傾斜面や曲面でなくても粗い場合には計測距離の誤差が発生し得る。
　ＦＭＣＷ方式は、参照光と計測光との干渉ビート周波数から距離を算出するが、光の干渉を用いているため、面の粗さの影響で参照光と計測光との光の波長オーダで位相がずれるとビート周波数がずれてしまい計測距離に誤差を生じる可能性がある。ただし、誤差が生じた場合でも計測点の連続性から粗さ起因の誤差を低減できる可能性がある。
　＜制御装置１１９による第２の処理＞
　次に、対象物１１５のＣＡＤ(Computer Aided Design)データを制御装置１１９が取得できる場合に実行可能な第２の処理について説明する。
　対象物１１５のＣＡＤデータが取得できる場合、対象物１１５に対する距離計測ヘッド１１７の位置と姿勢から、対象物１１５の照射角度や曲率半径が求まるので、それを特徴量に用いて補正及び信頼度重み付けの少なくとも一方を行う。
　対象物１１５の照射角度や曲率半径が分かれば、さらに精度を高めて補正又は信頼度重み付けを行うことができる可能性がある。また、対象物１１５の表面の粗さ情報も追加することで、さらに精度よく補正又は信頼度重み付けを行うことができる可能性がある。粗さ情報は、ＣＡＤデータに付属している場合は、その情報を用い、ＣＡＤデータに付属していない場合は、ＧＵＩ画面にてユーザが粗さ情報を入力すればよい。
　図２０は、制御装置１１９による第２の処理の一例を説明するフローチャートである。第２の処理に対する入力情報２０００は、入力情報１４００（図１４）に対象物ＣＡＤ情報２００１、対象物粗さ情報２００２、及び距離計測ヘッド位置/姿勢情報２００３を追加したものである。
　第２の処理では、はじめに、制御装置１１９が、対象物１１５と距離計測ヘッド１１７との相対位置を決定する(ステップＳ２１)。次に、制御装置１１９が、対象物ＣＡＤ情報２００１と距離計測ヘッドの位置/姿勢情報２００３から照射光に対する対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを求める(ステップＳ２２)。次に、制御装置１１９が、距離計測装置１００から距離検出波形を取得する(ステップＳ２３)。次に、制御装置１１９が、ステップＳ２２で求めた対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さに基づき距離計測波形から特徴量を算出する（ステップＳ２４）。
　次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を実行する(ステップＳ２５)。次に、制御装置１１９が、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度等と、ステップＳ２５で求めた信頼度重み付き距離とに基づいて、信頼度が重み付けされた３次元点群を算出する(ステップＳ２６)。そして、制御装置１１９が、出力情報２００４として、照射光に対する対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さの情報を付加したＣＡＤ情報２０１０と、信頼度重み付き点群２０１１を出力する。
　なお、第２の処理については、第１の処理の変形例（図１７）と同様、出力された信頼度重み付き点群２０１１を利用してノイズ除去やフィッティングを行い、高精度に形状を算出できるように変形することができる。
　次に、図２１は、ＣＡＤデータに基づき対象物１１５の斜面の傾斜角度が事前に分かっている場合の補正又は信頼度重み付け方法の一例を説明するための図である。
　事前に傾斜角度θが分かっている場合、ビーム径Ｄから距離差Ｄ・ｓｉｎθを算出できる。この場合、距離検出波形７０２のピークの麓幅２１０１がわかり、ピークの麓幅２１０１を特徴量として、例えば、その中央位置２１００をピーク点として補正することが可能となる。又はピーク点の座標ｘｃと距離検出波形７０２のピーク座標ｘとの差分ｘｃ－ｘを信頼性重み付け量として用いてもよい。ただし、図２１で示した補正方法又は信頼度重み付け方法は一例であって、他の方法を用いてもよい。
　次に、図２２は、ＣＡＤデータ、及び対象物１１５と距離計測ヘッド１１７との相対位置に基づいて、対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを求める方法を説明するための図である。
　対象物１１５に対して距離計測ヘッド１１７から照射されるビームの入射角度は、対象物１１５のＣＡＤデータと、距離計測ヘッド１１７の位置/姿勢に基づき、幾何学的に制御装置１１９が算出することが可能であり、照射光に対する計測対象の傾斜角度、曲率半径を求めることができる。粗さ情報はＣＡＤデータに付加されている場合はレーザが照射される場所の粗さ情報を用い、付加されていない場合はＧＵＩ画面を用いてユーザが入力、設定した値を用いる。そして、制御装置１１９が傾斜角度、曲率半径、及び粗さの算出結果を対象物ＣＡＤ情報２００１に付加させる。
　次に、図２３は、第２の処理によって表示装置１２０に表示されるＧＵＩ画面２３００の表示例を示している。ＧＵＩ画面２３００は、ＧＵＩ画面１６００（図１６）に対して、対象物ＣＡＤ情報表示欄２３０１、対象物粗さ情報表示欄２３０２、距離計測ヘッドの位置／姿勢表示欄２３０３、及び対象物傾斜角度、曲率半径、及び粗さ表示欄２３０４を追加したものである。
　対象物ＣＡＤ情報表示欄２３０１には、対象物ＣＡＤ情報の取得先（ファイルパス）が表示される。対象物粗さ情報表示欄２３０２には、対象物粗さ情報の取得先（ファイルパス）が表示される。距離計測ヘッドの位置／姿勢表示欄２３０３には、距離計測ヘッドの位置／姿勢情報の取得先（ファイルパス）が表示される。対象物傾斜角度、曲率半径、及び粗さ表示欄２３０４には、対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを付加したＣＡＤデータが表示される。
　＜制御装置１１９による第３の処理＞
　次に、制御装置１１９による第３の処理について説明する。
　第３の処理では、対象物１１５のＣＡＤデータの代わりに、距離計測データの連続性に基づき、対象物１１５の計測領域の傾斜角度、曲率、及び粗さを求め、これらに基づき、精度を高めて補正及び信頼度重み付けの少なくとも一方を行う。
　図２４は、制御装置１１９による第３の処理の一例を説明するフローチャートである。第３の処理に対する入力情報１４００は、第１の処理（図１４）に対する入力情報１４００と同様である。
　第３の処理では、はじめに、制御装置１１９が、距離計測情報１４０３から距離検出波形を取得し(ステップＳ３１)、次に、距離検出波形から特徴量を算出する(ステップＳ３２)。次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う(ステップＳ３３)。このときに補正パラメータ１４０５又は信頼度重み付けパラメータ１４０６を用いて、補正量や信頼度重み付け量を調整することが可能である。次に、制御装置１１９が、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４としての距離計測ヘッド１１７の走査座標と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度データ等と、ステップＳ３３で求めた信頼度重み付き距離とに基づき、信頼度重み付けされた３次元点群座標を算出する(ステップＳ３４)。
　次に、制御装置１１９が、計測点群の連続性から計測対象領域の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを算出する(ステップＳ３５)。次に、制御装置１１９が、ステップＳ３５で算出した傾斜角度、曲率半径、及び粗さの情報に基づいて、再び距離検出波形から特徴量を算出する（ステップＳ３６)。次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う(ステップＳ３７)。このときに補正パラメータ１４０５又は信頼度重み付けパラメータ１４０６を用いて、補正量や信頼度重み付け量を調整することが可能である。次に、制御装置１１９が、距離計測ヘッド１１７の走査座標と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度データ等と、ステップＳ３７で求めた信頼度重み付き距離とに基づき、信頼度重み付けされた３次元点群座標を算出する(ステップＳ３８)。そして、制御装置１１９が、出力情報１４０２として、信頼度重み付き点群１４１１を出力する。
　なお、第３の処理については、第１の処理の変形例（図１７）と同様、出力された信頼度重み付き点群２０１１を利用してノイズ除去やフィッティングを行い、高精度に形状を算出できるように変形することができる。
　＜段差を有する対象物１１５の計測について＞
　次に、図２５は、対象物１１５が有する段差２５０１を精度良く求める方法について説明するための図である。対象物１１５の段差２５０１を計測する場合、段差２５０１の上面からの反射光と下面からの反射光とが同時に検出されるため、検出ピークが２箇所検出される。
　そこで、レーザ６０１を走査した際に得られる距離検出波形から段差のエッジを求める。同図の上段に示すように、レーザ６０１の中心が段差２５０１の手前にある場合は上面への照射面積が大きいため、上面からの反射光強度２５０２が強くなり、下面からの反射光強度２５０３は弱くなる。次に、レーザ６０１を右方向に走査し、レーザ６０１の中心が段差にある場合、上面と下面からの反射光強度２５０２，２５０３が等しくなる。さらに、レーザ６０１を右方向に走査し、レーザ６０１の中心が段差２５０１を超えると、上面からの反射光強度２５０２は弱くなり、下面からの反射光強度２５０３が強くなる。
　よって、上面と下面の反射光強度２５０２，２５０３が等しくなったときの距離計測ヘッド１１７の位置を段差２５０１の位置とみなせば、精度良く、段差２５０１の位置を求めることができる。なお、レーザ６０１の走査が離散的で上面と下面の強度が等しくならない場合は、前後の走査結果から補間によって、強度比が等しくなる位置を求めればよい。
　ただし、上面と下面との光の反射率が異なる場合は、上面と下面からの反射光強度が等しくなる点が段差の位置にはならない。その場合、レーザ６０１の全体が段差２５０１の手前にある場合に得られる上面からの反射光強度２５０２から上面の反射光強度の強さを求め、レーザ６０１の全体が段差２５０１を超えた場合に得られる下面からの反射光強度２５０３から下面の反射光強度の強さを求め、その比から反射率の違いを求めてから、段差２５０１の位置を求めればよい。
　また、段差２５０１の高さが大きくなると下面からの反射光の一部が段差２５０１に遮られるために反射光量が減少する可能性がある。減衰量はレーザ６０１の入射角度と段差距離によって幾何学的に決まるので、計測された上面と下面の距離差から段差の高さを求めて、さらに減衰量を算出して、求まった減衰量を考慮した上面と下面の反射光量比から段差２５０１の位置を求めればよい。
　＜変形例＞
　距離検出波形の特徴量として、距離検出波形のピーク強度情報を用いてもよい。
　図２６は、粗面・傾斜面測定時のスペックル位置と距離検出波形との関係を説明するための図である。
　照射ビーム６０１は、ガウシアン分布をしており、スペックルがビームの端で発生した場合、検出波形は２７０１に示すように歪むとともに検出強度が弱くなる。次にビーム走査し、スペックルがビーム中央で発生した場合、検出波形２７０２に示すように歪みが少なくなるとともに検出強度が強くなる。さらにビーム走査し、スペックルがビームの端で発生した場合、検出波形は２７０３に示すにように再び歪むとともに検出強度が弱くなる。そこで検出波形ピーク強度の連続性を用いることで、信頼度の高い点を抽出する。
　図２７は、検出波形ピーク強度の連続性を用いて信頼度の高い点を抽出する概念を示している。
　粗面・傾斜面に対してビーム走査して得られる距離計測結果は階段状になる。階段の周期はビームスポットサイズに依存する。このときに得られる検出波形ピーク強度をプロットすると、階段の周期に対応した分布を有する。スペックルがビームの端にあるときに強度は弱くなり、スペックがビーム中心に位置するときに強度が極大値となり、スペックルがビーム中心から外れると強度は弱くなる。よって強度が極大値となる点を抽出することで、計測誤差を低減して精度よく実形状を求めることが可能となる。
　極大値の算出方法としてはピーク点抽出後に、前後の点を用いて３点によるピーク補間により、精度を上げることが可能である。またはビームはガウシアン分布をしているので、ガウシアンフィッティングにより、ピークを精度良く求めてもよい。
　ここまで強度極大値のみを抽出することを述べたが、強度情報を用いて信頼度重み付けをしてもよい。具体的には、前記の方法で、ピーク強度の連続性から、強度極大値と強度極小値を求め、極大値に対応する点の重みを最も重くし、極小値に対応する点の重みを最も軽くし、その間の点はピーク強度に基づいて補間により、極大値と極小値の間の重み付けを行う。補間は例えば、線形補間を用いる。重み付けされた点群は、第1の処理の変形例(図１７)と同様、出力された信頼度重み付き点群を利用してノイズ除去やフィッティングを行い、高精度に形状を算出することができる。
　また、第1の処理にて説明した歪度や尖度などの特徴量を用いて誤差を補正して減少させた上で、ピーク強度に基づく重み付けを行うことで、さらに誤差を低減することが可能である。
　なお、上述した実施の形態では、距離検出波形の特徴量を、歪度、尖度、フィッティングを用いて検出したが、重心を用いて検出するようにしてもよい。
　＜ＦＭＣＷ方式に代えることができる光切断方式について＞
　次に、図２８は、ＦＭＣＷ方式に代えることができる光切断方式について説明するための図である。
　光切断方式は、光源２６００からライン状ビーム２６０１を対象物１１５に照射する。対象物１１５に照射されたライン状ビーム２６０１をカメラ２６０３で撮像すると、得られる画像には、対象物１１５の形状に沿った光切断線２６０４が形成される。光切断線２６０４から対象物１１５の形状を算出することが可能となる。ライン状ビーム２６０１の強度プロファイルは、ガウシアン分布２６０５をしており、通常、光切断線２６０４の強度もガウシアン分布となる。しかしながら、対象物１１５の表面が粗い場合、スペックルが生じ、距離検出波形２６０６に歪みが生じてしまい、ピーク点を誤って検出し、計測距離に誤差を生じ得る。そこで、図１０、１１を参照して説明した方式と同様、対象物１１５の形状の特徴量から計測距離の補正、及び信頼度重み付けの少なくとも一方を行えば、精度良く対象物１１５の形状を算出することが可能となる。
　以上、本発明に係る実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることもできる。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図中の制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、全てを示しているとは限らない。ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
　また、上記の距離計測システムの構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。
１・・・形状計測システム、１００・・・距離計測装置、１０１・・・レーザ光源、１０２・・・発振器、１０３・・・光ファイバカプラ、１０４・・・光ファイバカプラ、１０５・・・光ファイバ、１０６・・・光ファイバカプラ、１０７・・・受光器、１０８・・・サーキュレータ、１０９・・・受光器、１１１・・・光ファイバカプラ、１１２・・・参照ミラー、１１３・・・光ファイバコリメータ、１１４・・・ビーム走査機構、１１５・・・対象物、１１６・・・距離計測制御部、１１７・・・距離計測ヘッド、１１８・・・接続ケーブル、１１９・・・制御装置、１２０・・・表示装置、２０１・・・参照光、２０２・・・計測信号、３０１・・・距離検出波形、４０５・・・回転機構、４０６・・・プローブ先端部、４０７・・・光路切り替え素子、５００・・・走査機構、５０１・・・Ｙ軸移動機構、５０２・・・Ｘ軸移動機構、５０３・・・Ｚ軸移動機構、６０１・・・レーザ、６０２・・・距離検出波形、６０３・・・ピーク点、６０４・・・傾斜面、７０２・・・距離検出波形、７０３・・・ピーク点、７０４・・・傾斜面、７０５・・・スペックル強度、１１０１，１１０２・・・波形、１１０３・・・ピーク点、１２０１，１２０２・・・法線ベクトル、１２０３・・・曲面、１２０４・・・距離計測値、１２０５・・・距離検出波形、１２０６・・・ピーク点、１３０１・・・曲面、１３０２・・・距離計測値、１４００・・・入力情報、１４０２・・・出力情報、１４０３・・・距離計測情報、１４０４・・・距離計測ヘッド走査機構情報、１４０５・・・補正パラメータ、１４０６・・・信頼度重み付けパラメータ、１４１１・・・信頼度重み付き点群、１５０１・・・ＣＰＵ、１５０２・・・メモリ、１５０３・・・記憶デバイス、１６００・・・ＧＵＩ画面、１６０１・・・距離計測情報表示欄、１６０２・・・距離計測ヘッド走査機構情報表示欄、１６０３・・・補正パラメータ表示欄、１６０４・・・信頼度重み付けパラメータ表示欄、１６０５・・・信頼度重み付き点群表示欄、１７００・・・入力情報、１７０２・・・出力情報、１７０３・・・ノイズ除去パラメータ、１７０４・・・フィッティングパラメータ、１９００・・・ＧＵＩ画面、１９０１・・・ノイズ除去パラメータ設定欄、１９０２・・・フィッティングパラメータ設定欄、２０００・・・入力情報、２００１・・・対象物ＣＡＤ情報、２００２・・・対象物粗さ情報、２００３・・・距離計測ヘッド位置/姿勢情報、２００４・・・出力情報、２０１０・・・ＣＡＤ情報、２０１１・・・信頼度重み付き点群、２１００・・・中央位置、２１０１・・・麓幅、２３００・・・ＧＵＩ画面、２３０１・・・対象物ＣＡＤ情報表示欄、２３０２・・・対象物粗さ情報表示欄、２３０３・・・距離計測ヘッドの位置／姿勢表示欄、２３０４・・・粗さ表示欄、２５０１・・・段差、２５０２・・・反射光強度、２５０３・・・反射光強度、２６００・・・光源、２６０１・・・ライン状ビーム、２６０３・・・カメラ、２６０４・・・光切断線、２６０５・・・ガウシアン分布、２６０６・・・距離検出波形、ｃ・・・距離分解能

Claims (12)

  1. 　光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光する距離計測ヘッドと、
    　前記反射光に基づいて距離検出波形を生成する距離計測装置と、
    　前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出する制御装置と、
    　を備え、
    　前記制御装置は、前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  2. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記距離計測装置は、ＦＭＣＷ方式、ＯＣＴ方式、ＴＯＦ方式、または光切断方式を用いて前記反射光に基づいて前記距離検出波形を生成する
    の伝搬時間の測定による
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  3. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、前記距離検出波形の前記特徴量として、分散、歪度、尖度、または重心を算出する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  4. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、波形フィッティングに基づいて前記距離検出波形の前記特徴量を算出する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  5. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、前記距離検出波形のピーク強度と周囲の検出波形のピーク強度との相対値に基づいて前記距離検出波形の前記特徴量を算出する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  6. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記補正式、及び前記信頼度重み付け式の少なくとも一方のパラメータは、ユーザが変更可能である
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  7. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、信頼度重み付けされた測定点群を出力する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  8. 　請求項７に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、前記信頼度重み付けされた点群に対して、重み付け量に応じてノイズ除去し、フィッティングにより形状を算出する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  9. 　請求項1に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、段差を有する前記対象物を計測する場合、複数のピーク点を有する前記距離検出波形の特徴量に基づき、前記段差の位置を算出する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  10. 　請求項１に記載の形状計測システムであって、
    　前記制御装置は、前記対象物のＣＡＤデータ、及び前記光の照射方向に基づいて前記対象物の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを取得し、前記傾斜角度、前記曲率半径、及び前記粗さに基づいて、前記距離検出波形の前記特徴量を算出する
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  11. 　請求項１０に記載の形状計測システムであって、
    　前記対象物の前記粗さを表す情報が前記ＣＡＤデータに付加されていない場合、ユーザが前記粗さを表す情報を入力可能である
    　ことを特徴とする形状計測システム。
  12. 　形状計測システムによる形状計測方法であって、
    　光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光するステップと、
    　前記反射光に基づいて距離検出波形を生成するステップと、
    　前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出するステップと、
    　前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行うステップと、
    　を含むことを特徴とする形状計測方法。
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