JP2004294390A - 光学的三次元形状測定装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】揺動ミラーによりレーザスポット光を走査しながら計測対象の断面形状を測定する構成の形状測定装置において、光学系の誤差などに起因する計測値のずれを補正してオンライン測定を可能とする簡便な手法を提供する。
【解決手段】誤差演算部を付属して、較正作業によりレーザスポット光の走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として求めておいて、対象物の測定時に１次元光センサの出力をこの関数に基づいて補正する。誤差補正関数は、較正作業において算出された角度誤差を回帰分析により装置からの距離を変数とする３次式で近似して得た関数であってもよい。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザなどのビームスポット光を計測対象上に走査し反射光像を受光して三角測量の原理に基づき形状計測を行う光学式三次元形状測定装置および測定方法に関し、特に揺動タイプのミラーを使った測定装置の誤差を相殺して計測精度を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
組立ロボットや溶接ロボットに三次元形状測定装置を付属させてより高度にインテリジェント化し、対象物を直接リアルタイムで計測することにより、位置決めをしながら加工することによって、高精度加工を実現することができる。たとえば特許文献１に記載されているような、小型で安価なビームスキャン型レーザセンサを三次元形状測定装置として利用すると、比較的簡単に測定装置の組み込みができる。
【０００３】
ビームスキャン型レーザセンサは、レーザビームを放出するレーザ放射装置と、対象物で反射したレーザ光が入射する素子の位置が対象物までの距離に対応するように配置されたＣＣＤリニアセンサと、レーザ光路中に挿入され揺動することによりレーザ光を走査させるスキャニングミラーとを備えて、対象物を走査し、レーザが反射した点までの距離を三角測量法で求め、方向補正をして大地基準の座標系における位置に換算し、これらの算出位置を総合することにより輪郭計測、すなわち三次元形状計測をするようにしたものである。
【０００４】
ビームスポット光を走査して光反射点の位置から三次元形状を測定する装置では、図１０に説明するように、レンズの光学中心とレーザ放射装置から放射されるレーザビームの距離を基準として三角測量の原理に基づいてヘッダ（たとえばスキャニングミラー）から物体上の光反射点Ｐまでの距離ｌを測定し、ｙ軸方向に揺動するガルバノ式スキャニングミラーの反射方向すなわち光線の方向角θを測定する。ここで、方向角θは対象に照射するビームスポット光の傾きを測定装置の鉛直線を基準として測った角度である。
【０００５】
そして、図１１に示した関係図から直ちに分かるように、
ｙ＝ｌｓｉｎθ
ｚ＝ｌｃｏｓθ
という簡単な数式を使って、その測定装置の位置ｘにおける（ｙ，ｚ）面内の光反射点の位置を算定する。方向角θはスキャニングミラーの揺動につれて変化し、往復動の幅に亘って（ｙ，ｚ）値を算出することができる。そこで、測定装置をｘ方向に移動しながら上記算出を行うことにより、対象物体の三次元位置を求める。
【０００６】
しかし、現実には、レーザ光軸のずれ、ミラー取付け面や揺動軸のずれ、ミラー駆動部の誤差、ミラーを揺動するため生じる角速度変化、などに起因して測定結果にはいろいろな誤差が含まれる。
たとえば、図１２に示すように、点線で示す基準状態のスポット光軌跡に対して、レーザ光軸と揺動ミラーの揺動軸の間に平行ずれが存在すると、揺動ミラーから下ろした鉛直線を挟んだ両側のｙ軸長測定値に過大・過小の誤差が生じる。また、図１３に示すように、レーザの入射軸に角度誤差が含まれると、鉛直線の誤差とｙ軸方向距離の過大・過小誤差が生じる。
このように、測定装置に製造誤差が存在すると、ロボットの加工精度に直接影響を与えることになる。
これらの誤差要因をそれぞれ解析して評価し、個々に相殺することが理想であるが、実際上は各要因を分離して扱うことは困難である。
【０００７】
そこで、測定装置の誤差を全体的に観察して処理するため、数値制御を用いて正確に位置を設定できるステージを利用して校正を行い、校正データに基づいて測定の誤差を相殺するように検出出力を補正して正確な測定結果を得るようにしている。
校正は、先端の尖ったターゲット部材を数値制御で移動するステージに載置して、ターゲット先端を所定の距離ごとに停止しながら測定装置の測定面内すなわちｙｚ平面内を移動する間に位置計測を行って、設定位置と測定値を対比することにより行うことができる。この校正装置では、ターゲットの位置計測もステージの移動もコンピュータで行うため、校正確度を向上させるため測定点数を増大しても手間は変わらない。
【０００８】
こうして得られた校正データは、ｙ−ｚ座標面上のｙ偏差とｚ偏差として表すことができる。
そこで、この測定装置を用いて対象物を測定した結果に基づいて校正データ表を参照し、測定値近辺の４組あるいは３組のｙｚ偏差を抽出し内挿計算をして適正な校正値を算出し、測定値からこれを相殺して妥当な座標値を得る。
しかし、このような演算はステップ数が多いため、誤差を相殺した計測結果をリアルタイムで得て加工に直接利用するような場合には、高性能な演算装置が必要となり、せっかく経済的に構成したセンサ部の意義が没却される結果となる。
【０００９】
特許文献２に、光学式三次元形状測定装置における誤差補償方法が開示されている。この方法も、光学系の組み付け誤差、ポリゴンミラーの組み付け誤差、ミラー面の位置ずれなど要因ごとに誤差を評価して補正計算する代わりに、基準測定物表面を測定して表面形状算出式中の各パラメータごとの補正データを求めて形状算出テーブルとして記憶し、対象物を測定するときに形状算出テーブルを参照して補正値を得るものである。
【００１０】
特許文献２に開示された測定方法では、センサの受光位置出力ξに対応する距離λの補正算出値のテーブルを所定間隔のセンサ画素ごとに作成し、さらにレーザ光の偏向角φの補正値を適当間隔で算出してテーブル化しておいて、測定出力をテーブルのデータを用いた補間計算により補正して測定物の表面位置を算出している。形状算出テーブルは、測定範囲内における２乗平均誤差が最小になるように定めた補正値を算出して生成する。
計算負荷が小さくないのでリアルタイム計測は難しく、被測定物の所定範囲または全体についての表面位置データを取り込み、取り込んだデータを一旦ＲＡＭに記憶してから、三次元座標を算出する処理を行う。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００１−１８３１１７号公報
【特許文献２】
特開平０５−１８０６２８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、揺動ミラーによりレーザスポット光を走査しながら計測対象の断面形状を測定する構成の形状測定装置において、光学系の誤差などに起因する計測値のずれを補正してオンライン測定を可能とする簡便な手法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の光学的三次元形状測定装置および方法は、レーザスポット光の走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として求めておいて、１次元光センサの出力をこの関数に基づいて補正することを特徴とする。
誤差補正関数は、算出された角度誤差を回帰分析により装置からの距離を変数とする３次式で近似して得た関数であってもよい。
【００１４】
数値制御で精密に位置制御される直動テーブルを使って揺動ミラー式レーザスポット光走査型三次元形状測定装置の較正を行うと、ヘッダに対する垂直面を測定したときの計測値に含まれる誤差が揺動ミラーの揺動方向にほぼ一定の傾きを有する。この誤差は、揺動ミラーの方向角誤差と等価の現象と見なして把握することができ、検出位置算出式中の方向角θを補正することにより大きく修正できることが分かった。
この方向角誤差は、ヘッダからの距離によって変化し、しかも個々の測定装置によってその大きさや距離依存関数の形が異なる。
【００１５】
そこで、使用する測定装置について事前に数値制御直動テーブルにより較正をして、その装置特有の位置誤差を収集してヘッダからの距離ごとに角度誤差に換算し、さらにこの角度誤差を距離の関数として求めて記憶しておく。
なお、較正作業は、ヘッダからの距離Ｚを所定の間隔で設定して、その等間隔面上に揺動軸に垂直の方向ｙに所定の間隔で測定点を設定して、測定を行う。ヘッダからある距離Ｚだけ離れた面上に設定した設定点の数値制御装置の指定値とセンサを用いて得た測定値の間のｚ方向の距離偏差Δｚとｙ方向の位置ずれΔｙを調べる。これら情報を表にして記憶装置に誤差テーブルとして記憶させ、測定時にテーブルを参照して補正することもできる。
【００１６】
しかし、テーブルを参照する方法ではテーブル検索や内挿計算などで演算負荷が大きくなるため、オンライン計測が難しくなる。そこで本発明では、較正作業で得た距離偏差Δｚとｙ方向位置ずれΔｙを生成するような方位角偏差φを算出して用いる。距離偏差などは設定点ごとにばらつきがあるので、方位角偏差φは最小二乗誤差法などを用いて統計的に算出する。
方位角偏差φは、距離Ｚの関数になるので、Ｚを独立変数として偏差を近似する誤差方程式を作成しておいて、測定出力から測定対象の位置を算出するときに、この誤差方程式によって方位角偏差φを求めて方位角θを補正し、下式によって対象位置（ｙ，ｚ）を算出する。
ｙ＝ｌｓｉｎ（θ−φ）
ｚ＝ｌｃｏｓ（θ−φ）。
【００１７】
誤差方程式は、回帰分析法により３次方程式とすることが好ましい。高次の方程式にすれば近似水準が向上するが演算負荷が増大し、２次方程式では演算負荷は小さいが近似度が十分でない。３次方程式であれば、演算負荷がそれ程大きくない割に、式の信頼性を表すＲ^２値はおおむね０．９５を越えて良好な信頼性を確保することができる。
対象物について形状測定するときには、取得した位置データに対して上記のようにして求めた誤差関数を適用して補正し、より真正な三次元位置データを生成して、対象の表面の全体あるいは目的とする領域についてデータを集積することにより、より正確な三次元形状計測を行うことができる。
【００１８】
なお、較正作業は、数値制御式直動テーブルを利用して、測定装置制御パソコンと直動テーブル制御装置を通信線で結び、テーブルにセットしたターゲットを予め決めた点に順番に移動させながら位置計測すれば、ターゲットの位置計測もテーブルの移動も全てコンピュータによって自動的に行うことができ、計測点数が多くても手間はかからない。
【００１９】
さらに、本発明の光学的三次元形状測定装置および方法は、上記求めた方位角補正後の三次元位置データに対して、さらに残った走査方向の位置誤差とセンサとの間に発生する距離誤差をそれぞれ誤差方程式として求めて記憶しておいて、対象物の測定をするときに、角度誤差の補正をした三次元位置データをさらに誤差方程式を用いて誤差補償を行うことを特徴とするレーザスポット光の走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として求めておいて、１次元光センサの出力をこの関数に基づいて補正することを特徴とする。
【００２０】
先に測定装置ごとに較正作業により求めた方位角誤差φは、測定装置が発生する誤差を全て表すわけではなく、さらに残余の誤差を有する。このような残余のｙ方向誤差とｚ方向誤差を、それぞれ補正後のｙｚ平面上に求めておいて、これを用いて測定値をさらに補正することにより、さらに精度の高い三次元形状データを得ることができる。
なお、これら残余の誤差は適宜の近似方程式を求めておいて計測時に補正計算しながらほぼオンラインで計測結果を表示させるが、これら残余の誤差は絶対値が比較的小さいので、演算負荷を抑制するため、単純に平面近似しても演算結果に大きな影響を与えない。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施例に基づき図面を参照して詳細に説明する。
図１は本実施例の三次元形状測定装置のブロック図、図２は本実施例の較正に用いる較正システムの構成を示すブロック図、図３から図５は本実施例における較正結果の１例を示す図面、図６から図８は別の個体についての較正結果例を示す図面、図９は残余の誤差を説明するグラフである。なお、図１０は揺動ミラーを使用する形状測定装置の原理図、図１１はｙ軸方向の方位角と対象物座標の関係を説明する図面、図１２は測定値に含まれる誤差の原因を説明する図面、図１３は別の原因を説明する図面である。
【００２２】
本実施例の三次元形状測定装置は、図１に示すように、三角測量の原理に基づいてレーザスポット光反射点までの距離を求めるスポット光投光器と受光素子からなる距離測定部と、揺動ミラーを往復動させるミラースキャン機構とミラー角度検出機構からなるミラー駆動部と、それらの計測値を組み合わせて三次元位置計算を行う座標演算部と、計測値の補正を行う補正演算部を備えている。
【００２３】
対象物表面の計測ポイントＰの三次元位置は、図２に示すように、距離測定部で受光素子の受光位置に基づいてヘッダと計測ポイントＰの距離ｌを求め、ミラー角度検出機構の出力に基づいて鉛直線から計ったレーザビームの方位角θを求めて、揺動ミラーの回転中心を基準として、下式から計測ポイントＰの座標値（ｙ，ｚ）を求めることによって得られる。
ｙ＝ｌｓｉｎθ
ｚ＝ｌｃｏｓθ
ただし、ｘ座標は計測ポイントＰを測定する測定装置の位置から与えられる。
【００２４】
揺動ミラーが揺動するにつれてレーザスポット光が測定対象表面をｙ軸方向に走査してｙ−ｚ平面内の切断図形輪郭における座標値を提供する。したがって、ｙ軸に垂直なｘ軸方向に対象物と測定装置を相対的に移動させながらｙ方向走査により（ｙ，ｚ）座標値を収集して、これらを総合することによって対象物の三次元形状を計測して、結果をモニタなどに表示することができる。
しかし、こうして収集した測定値には、種々の要因に起因する誤差が含まれるので、正確な形状計測を行うためには適切な補正演算をしなければならない。
【００２５】
本実施例の三次元形状測定装置は、この補正をオンライン表示も可能な程度の簡単な演算により行うことを特徴とする。
本実施例の補正を行うために、計測に先立って、較正作業を行い補正データを取得する。
測定装置は、図２に示すように、測定データを処理して画像表示するパソコンと連結している。較正するときは、数値制御式直動テーブルを用意して尖点を有するターゲットを載置し、測定装置のヘッダを直動テーブルの直上にセットして、この直動テーブル制御装置と測定装置制御用パソコンを通信線で接続する。
パソコンは直動テーブルと測定装置を有機的に制御し、ターゲットを予め決められた点へ順次移動させて、その位置を測定装置により測定させる。このときのテーブルへの指令値と測定値を比較することにより、測定装置の誤差を評価することができる。
【００２６】
図３は、ある１基の測定装置について測定したＹ座標位置ずれΔｙをｙｚ平面上に表したグラフである。また、図４は、そのＺ座標位置ずれΔｚを表したグラフである。
これら２軸の偏差をｚ一定の面について総合し、最小２乗誤差法などの統計学的手法を使用して、指定した方位角θと比較した方位角誤差φの最尤値をｚ値の異なる各面について求める。
【００２７】
こうして求めた方位角誤差φはＺ座標に従って変化するので、ｚを独立変数として回帰分析により近似式を求める。図５は、算出された方位角誤差φをｚ軸に対してプロットしたグラフである。このグラフについて回帰分析して近似する回帰式を算出する。回帰式は受光素子から測定出力を得るたびに補正演算するのに利用するものなので、精度に問題がない限りできるだけ低次元であって演算量が小さいものであることが好ましい。
本実施例では、演算結果を３次方程式で近似する。
φ＝ｐａｒａｍ０×ｚ３＋ｐａｒａｍ１×ｚ２＋ｐａｒａｍ２×ｚ＋ｐａｒａｍ３
図５のグラフについて最小２乗法により求めた３次式はＲ^２値が０．９７２程度で十分な近似性を有する。なお、同じ手法で求めた２次近似式ではＲ^２値が０．９６５程度になる。
【００２８】
また、図６と図７はそれぞれ、別の測定装置について測定したＹ座標位置ずれΔｙとＺ座標位置ずれΔｚをｙｚ平面上に表したグラフである。
図８は、図６と図７に基づいて算出された方位角誤差φをｚ軸に対してプロットしたグラフである。図８のグラフについて求めた３次式はＲ^２値が０．９６４程度で十分な近似性を有する。同じ手法で求めた２次近似式ではＲ^２値が０．９０９程度になり信頼性が若干劣る。
誤差の傾向は各機台ごとに異なるので、誤差算出式も個別に求める必要がある。
【００２９】
こうして求めた方位角誤差近似式は、補正演算部に記憶しておいて、実際の計測に備える。対象物の測定は、求めた距離ｌと方位角θから、下式によって、補正前のｙ座標値ｙ０と，ｚ座標値ｚ０を求める。
ｙ０＝ｌｓｉｎθ
ｚ０＝ｌｃｏｓθ
【００３０】
次に、方位角誤差近似式によって（ｙ０，ｚ０）における方位角誤差φを算出して、下式に代入して測定ポイントＰの三次元座標値（ｋｙ，ｋｚ）を算出する。
ｋｙ＝ｌｓｉｎ（θ−φ）
ｋｚ＝ｌｃｏｓ（θ−φ）
こうして、方位角誤差と見なせる成分を差し引くことにより、三次元変換モデルで生じる誤差のうちで影響の大きい誤差を相殺することができる。
【００３１】
なお、方位角誤差近似式に基づいて算定される誤差を相殺しても、さらに誤差は残る。残った誤差は、初めの誤差と比較するとずいぶん小さくなり、ｙ軸方向（水平方向）とｚ軸方向（鉛直方向）の誤差として表される。
図９は、方位角誤差を差し引いた残余の誤差を概念的に表示した誤差分布図である。ｙ軸方向誤差とｚ軸方向誤差は、それぞれｙ−ｚ座標系上の連続的な曲面に乗った点として出現する。
【００３２】
したがって、実際の計測時には、先に求めたｋｙ、ｋｚに基づいて、残余の誤差に係る補正項ｈｙ（ｋｙ，ｋｚ）とｈｚ（ｋｙ，ｋｚ）を求め、下の式に代入して最終的な三次元座標値（ｙ，ｚ）を得る。
ｙ＝ｋｙ−ｈｙ（ｋｙ，ｋｚ）
ｚ＝ｋｚ−ｈｚ（ｋｙ，ｋｚ）
【００３３】
このような誤差分布を正確に反映するためには、誤差テーブルを利用することができるが、演算負荷が過重になるので、ここでも、回帰分析法により誤差の回帰方程式を求めて利用することが好ましい。
残余の誤差は、大きな方位角誤差を含まないので変換モデルに対する影響度が小さいため、下式のような平面近似式を用いれば十分である。
ｈｙ＝ｐａｒａｍ０ｙ×ｋｙ＋ｐａｒａｍ１ｙ×ｋｚ＋ｐａｒａｍ２ｙ
ｈｚ＝ｐａｒａｍ０ｚ×ｋｙ＋ｐａｒａｍ１ｚ×ｋｚ＋ｐａｒａｍ２ｚ
【００３４】
上記実施例では、誤差の近似式として３次方程式や平面方程式などを利用したが、演算能力や要求精度によってはさらに別の演算式を利用してもよいことはいうまでもない。
また、揺動ミラーを使用する距離センサを対象とした補正方法として説明したが、ポリゴンミラーを用いた計測装置も方位角誤差が発生するので本発明の技術的思想を適用することによって良好な効果が得られることはいうまでもない。
また、レーザスポット光を用いた計器を対象として説明したが、レーザに限らずビーム化した光を使って反射位置に基づいて表面の位置を測定する装置であれば、本発明の技術をそのまま適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の三次元形状測定装置は、光学系の誤差などに起因する計測値のずれを簡便高速に補正するので、リアルタイムで三次元形状を計測して溶接や組立などのロボット作業に利用したり、モニタに表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例における三次元形状測定装置のブロック図である。
【図２】本実施例に用いられる較正システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本実施例の三次元形状測定装置におけるｙ軸方向誤差を表す図面である。
【図４】図３と同じ測定装置におけるｚ軸方向誤差を表す図面である。
【図５】図３と図４から求めた方位角誤差を示すグラフである。
【図６】本実施例の他の測定装置における本実施例におけるｙ軸方向誤差を表す図面である。
【図７】図６と同じ測定装置におけるｚ軸方向誤差を表す図面である。
【図８】図６と図７から求めた方位角誤差を示すグラフである。
【図９】方位角誤差を差し引いた残余の誤差を説明する誤差分布図である。
【図１０】揺動ミラーを用いる形状測定装置の測定原理を説明する図面である。
【図１１】ｙ軸方向の方位角と対象物座標の関係を説明する概念図である。
【図１２】形状測定装置の測定値に含まれる誤差の原因を説明する図面である。
【図１３】形状測定装置の測定値に含まれる誤差の別の原因を説明する図面である。
【符号の説明】
なし

Claims (8)

1. レーザ放射装置と１次元光センサとスキャニング機構を備え、該スキャニング機構は揺動ミラーを備え前記レーザ放射装置からのレーザスポット光を対象に導いて走査し該対象から反射するレーザスポット光を前記１次元光センサに導く形状測定装置において、さらに補正演算装置を備えて、前記走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として記憶しておいて、対象物の測定をするときに前記１次元光センサの出力を該関数に基づいて補正することを特徴とする光学的三次元形状測定装置。
2. 前記関数は、検出された誤差を回帰分析により検出距離についての３次式で近似した関数であることを特徴とする請求項１記載の光学的三次元形状測定装置。
3. 前記補正演算装置が、前記走査方向に生じる角度誤差を補正したセンサ出力について、さらに残った走査方向の位置誤差とセンサとの間に発生する距離誤差をそれぞれ誤差関数として求めて記憶しておいて、対象物の測定をするときに、前記角度誤差の補正をしたセンサ出力をさらに前記誤差関数を用いて誤差補償を行うことを特徴とする請求項１または２記載の光学的三次元形状測定装置。
4. 前記誤差関数は、検出された走査方向に発生する前記位置誤差とセンサとの間に発生する前記距離誤差を１次平面近似した方程式で表した関数であることを特徴とする請求項３記載の光学的三次元形状測定装置。
5. 揺動ミラーによりレーザスポット光を走査しながら計測対象の断面形状を測定する構成の形状測定装置において、前記走査方向に生じる角度誤差を検出距離の関数として求めておいて、対象物の測定をするときに前記１次元光センサの出力を該関数に基づいて補正することを特徴とする光学的三次元形状測定方法。
6. 前記関数は、検出された誤差を回帰分析により検出距離についての３次式で近似した関数であることを特徴とする請求項５記載の光学的三次元形状測定方法。
7. 前記走査方向に生じる角度誤差を補正したセンサ出力について、さらに残った走査方向に発生する位置誤差とセンサとの間に発生する距離誤差をそれぞれ誤差関数として求めておいて、対象物の測定をするときに、前記角度誤差の補正をしたセンサ出力をさらに前記誤差関数を用いて誤差補償を行うことを特徴とする請求項５または６記載の光学的三次元形状測定方法。
8. 前記誤差関数は、検出された走査方向に発生する前記位置誤差とセンサとの間に発生する前記距離誤差を１次平面近似した方程式で表した関数であることを特徴とする請求項７記載の光学的三次元形状測定方法。

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