JP2009265005A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＣＤ本来の感度を得る事と、積分等の歪の無い生波形の後処理ができる事と、その例として測定対象物の角（エッジ）部分においても正確な距離情報を取得することができる３次元形状測定装置を提供すること。
【解決手段】本発明に係る３次元形状測定装置は、マッピングデータの処理を用いることにより、デジタル最高値を中心にして、デジタル最高値を示すＣＣＤから徐々に離れた位置に配設されているＣＣＤのデジタル値がこのデジタル最高値よりも徐々に低い値を示すという分布状態を把握することができ、これにより正確に測定対象物の表面に反射したレーザ光が本来収束すべきＣＣＤを特定する。アナログ回路が減る、部品点数が減る、発熱が減る、消費電力が減る、エコである。
【選択図】図４

Description

本発明は非接触センサを利用した３次元形状測定装置に関する。

従来の非接触センサを利用した３次元形状測定装置は、特許文献１に開示されているように非接触センサを利用して対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータ本体と、このコンピュータ本体により制御されて対象物の表面の３次元画像を表示する表示装置とを有している。

図６は、上記形状測定装置の光学系の概略図である。レーザダイオード１１１から出射した出射光は、ビームエキスパンダ１１２、第１ミラー１１３、第２ミラー１１４、第３ミラー１１５を経て測定対象物に照射される。測定対象物の表面によって反射された戻り光は、第３ミラー１１５、第２ミラー１１４、第４ミラー１１６、結像レンズ部１１７を経て非接触センサであるＣＣＤラインセンサ部１１８に入射する。なお、この形状測定装置は、図６に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動させ、また、第３ミラー１１５をＹ軸回りに回動させることにより測定対象物の表面の走査を行うことができる。

図７は、この３次元形状測定装置の測定原理を示している。レーザダイオード１１１から出射したレーザ光が測定対象物の表面に照射され、この測定対象物の表面により反射された戻り光が結像レンズ部１１７の結像レンズ１１７ａにより収束されてＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａ上に結像する。図７において、測定対象物と形状測定装置との間の距離の遠近に応じて、ラインセンサ１１８ａ上の結像位置が変位している。

上記のようにラインセンサ１１８ａにより計測された戻り光の結像位置が測定データとして形状測定装置から出力される。この測定データに基づいて、コンピュータ本体は、距離計測に用いられている三角測量法を適用し、測定対象物の表面の３次元形状を算出する。

ラインセンサ１１８ａに並べられている複数のＣＣＤ素子の各電圧値の波形は、図８に示すように各ＣＣＤ素子の波形が並んだ櫛歯状に現れる。このように各ＣＣＤ素子の電圧値が櫛歯状の波形となるのは、光の波の性質と結像レンズその他の光学系の性能によりＣＣＤに結像したスポットが面積を持ったものでありＣＣＤ素子を多く占有する。本来収束すべきＣＣＤ素子に隣接して配設されているＣＣＤ素子に受光されてしまうためである。この櫛歯状の波形のままでは、ラインセンサ１１８ａ上のどの位置に戻り光が結像しているかが正確には判断できない。そこで、このラインセンサ１１８ａからの測定データをアナログの積分回路によって積分することにより、図９のような一つの波形を得ることができる。また、この一つの波形は、図８に破線によって示されている。

積分回路によって得られた一つの波形において、予め定められている閾値（コンパレータレベル）を超えた位置を距離カウンタＰとし、また、前記閾値を超えた波形の幅を距離カウンタＷとすると、ラインセンサ１１８ａ上に戻り光が結像した位置は、距離カウンタＰに距離カウンタＷの半分の値を足し上げた位置になり、形状測定装置と測定対象物との表面との間の距離を求めることができる。

特許第３５５４２６４号公報

上記のように積分回路を用いて一つの波形を取得する場合、各ＣＣＤの波形は積分されてしまうため、図８に示すように、一の波形の電圧値は全体的に低下してしまう。このため、見かけ上の感度が低下してしまい、反射率の低い物の検出又は正反射により光が戻りにくい物の検出に十分なゲインを取得することができないという問題がある。光量のロスをしている状態である。また積分により本来の各ピクセルの波形分布の形も崩れる。

また、測定対象物の角の部分を走査する場合、各ＣＣＤの波形が急激に減衰する部分があるにもかかわらず、積分回路により一つの波形を取得すると、この各ＣＣＤの波形の急激な減衰が均されてしまうため、形状測定装置と測定対象物の角の部分との間の距離情報が不正確になってしまうという問題がある。この場合、角の部分の位置を正確に測定することができない。

上記問題点に鑑み、本発明は、十分な感度と生波形によるデジタル処理を可能にする（例として測定対象物の角部分においても正確な距離情報を取得することができる）３次元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３次元形状測定装置は、レーザ光を出射するレーザダイオードと、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、前記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段と、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するために複数のＣＣＤ素子を備えたＣＣＤラインセンサ部とを有し、前記各ＣＣＤ素子からの出力電圧をそれぞれＡ／Ｄコンバータによりデジタル変換し、前記各ＣＣＤのデジタル値を前記各ＣＣＤの配設位置に応じてマッピングし、前記マッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中からデジタル最高値又は光スポット像の中心を割り出して測定対象物との距離を算出することを特徴とする。

本発明に係る３次元形状測定装置は、デジタル後処理の例として前記各ＣＣＤのデジタル値を前記各ＣＣＤの配設位置に応じてマッピングした後、前記マッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中から、前記複数のデジタル値における変化率を予め定めた変化率と比較して、前記複数のデジタル値における変化率が前記予め定めた変化率と一致又は近似する場合、前記測定対象物の角部の存在を算出することが好ましい。
特徴とする。

請求項１記載の本発明に係る３次元形状測定装置は、マッピングデータの処理を用いることにより、デジタル最高値を中心にして、デジタル最高値を示すＣＣＤから徐々に離れた位置に配設されているＣＣＤのデジタル値がこのデジタル最高値よりも徐々に低い値を示すという分布状態を把握することができ、これにより正確に測定対象物の表面に反射したレーザ光が本来収束すべきＣＣＤを特定することができる。

また、デジタル最高値は、従来の積分回路を用いていないために、各波形の電圧値のレベルが低下しない。従って、見かけ上の感度の低下が防止され、ＣＣＤ本来のゲインを取得することができる。また積分が無いために本来の各ピクセルの波形分布の形も崩れず、戻り光が弱い場合でもＣＣＤの最高電圧値又は光スポット像の中心を正確に取得することができる。

請求項２記載の本発明に係る３次元形状測定装置は、上記の測定対象物の角部におけるパターン化した複数のデジタル値における変化率と実際の測定における複数のデジタル値における変化率が均されることなくそのまま比較されるため、極めて正確に角部の位置を算出することができる。

以下、図１ないし図５を参照しつつ本発明の実施形態について詳細に説明する。本実施形態の３次元形状測定装置は、レーザ光を出射するレーザダイオード２と、レーザダイオード２から出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、レーザダイオード２から出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段であるエンコーダと、測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するために複数のＣＣＤ素子を備えたＣＣＤラインセンサ部１３とを有し、前記各ＣＣＤ素子からの出力電圧をそれぞれＡ／Ｄコンバータによりデジタル変換し、前記各ＣＣＤのデジタル値を前記各ＣＣＤの配設位置に応じてマッピングし、前記マッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中からデジタル最高値又は光スポット像の中心を割り出して測定対象物との距離を算出することを特徴とする。

なお、本実施形態において上記第１光学系は、ビームエキスパンダ３、第１鏡４、及び、第２鏡５とから構成されており、上記第２光学系は、第３鏡７、第４鏡８、第５鏡９、結像レンズ部１０、及び、ハーフミラー１１とから構成されている。

本実施形態の３次元形状測定装置は、主にＣＣＤラインセンサ部１３を使用して測定対象物の表面の形状を測定し同測定データを出力する形状測定装置と、この形状測定装置から出力された測定データを処理するコンピュータと、このコンピュータにより制御されて測定対象物の３次元画像等を表示する表示装置（ディスプレイ、図示せず。）とを有している。

なお、上記形状測定装置は、一般的にはコーディネイトメジャリングマシン（Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅ）（以下、「ＣＭＭ」とする。図示せず。）の先端部に装着される。形状測定装置をＣＭＭに装着した場合には、ＣＭＭの先端部の位置を示すＸ、Ｙ、Ｚ、Ｘθ、Ｙθ、Ｚθ、をマトリクス演算されグローバル座標データが後述するコンピュータへ出力される。

図１は、本実施形態の３次元形状測定装置の形状測定装置の光学系１を示す概略斜視図である。レーザダイオード２からの出射光は、第１光学系を通じて測定対象物の表面へ照射される。第１光学系において、ビームエキスパンダ３はレーザビーム径を計測距離範囲内に渡り小スポットを維持する為の光学系であり、また、第１鏡４と第２鏡５はレーザ光の方向を変更するために設けられている。

第２鏡５は、揺動モータ６の回動軸の一端に設けられており、図１に示すＹ軸回りに回動するようになっている。この第２鏡５の回動により、測定対象物の表面へのレーザ光の照射範囲を図１における水平方向に移動することができる。また、後述する第３鏡７も揺動モータ６の回動軸の他端に設けられており、第２鏡５と同一の角度に回動するようになっている。なお、本実施形態における形状測定装置の上記光学系は、図１に示すＸ軸回りに当該光学系を収容したケース全体（図示せず）を回動することにより、測定対象物の表面の垂直方向における走査を行うことができる。このケース全体の回動角度データも後述するコンピュータへ出力される。

また、上記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段として、揺動モータ６にはエンコーダ（図示せず）が取り付けられている。このエンコーダは、揺動モータ６の回動位置を検知信号として出力する。そしてこの検知信号から、後述するＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）２４（図３参照）によって所定時間の間隔を有する複数のタイミング信号が生成される。

測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系において、第３鏡７、第４鏡８、第５鏡９、及びハーフミラー１１は、戻り光であるレーザ光の方向の変更やレーザ光を透過するために設けられており、結像レンズ部１０は戻り光を集光しＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａに結像するように配設されている。第３鏡７は、上述したように、揺動モータ６により図１に示すＹ軸回りに回動するようになっており、また、第２鏡５と連動することにより、測定対象物の表面へのレーザ光の照射角度に応じて、同表面において反射されたレーザ光の戻り光の入射角度が第３鏡７に与えられる。なお、結像レンズ部１０は、結像レンズ１０ａとバンドパスフィルター（図示せず）とを有している。また、ＣＣＤラインセンサ部１３は、戻り光の結像位置を測定するためのラインセンサ１３ａを有している。

さらに、上記ハーフミラー１１の表面に反射したレーザ光を受光するフォトダイオード１２が設けられており、このフォトダイオード１２によって戻り光の光量が検出される。

図２は、この３次元形状測定装置の測定原理を示している。レーザダイオード２から出射したレーザ光が測定対象物の表面に照射され、この測定対象物の表面により反射された戻り光が結像レンズ部１０の結像レンズ１０ａにより収束されてＣＣＤラインセンサ部１３のラインセンサ１３ａ上に結像する。このラインセンサ１３ａにより計測された戻り光の結像位置が測定データとして形状測定装置から出力される。この測定データに基づいて、コンピュータ本体は、距離計測に用いられている三角測量法を適用し、測定対象物の表面の３次元形状を算出する。

以下、図３を参照しつつ形状測定装置１の制御系に関して説明する。
ＣＣＤラインセンサ部１３において一列に交互に設けられている各ＣＣＤからのＯＤＤ信号とＥＶＥＮ信号のそれぞれの出力は、増幅器２０、２１により増幅された後、Ａ／Ｄコンバータ２２、２３によってデジタル信号化され、ＦＰＧＡ２４に入力される。

図４に示すように、上記Ａ／Ｄコンバータ２２、２３は、上記ＯＤＤ信号とＥＶＥＮ信号の櫛歯状の電圧波形をサンプリングしデジタル変換する。このデジタル変換された出力電圧のデジタル値は、各ＣＣＤの配設位置においてマッピングされる。そして、このマッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中からデジタル最高値又は光スポット像の中心を割り出して測定対象物との距離が算出される。

上記のマッピングデータにおけるデジタル最高値は、最も高いデジタル値を示すＣＣＤの出力電圧の最高値に対応しており、当該ＣＣＤから徐々に離れた位置に配設されているＣＣＤのデジタル値は、このデジタル最高値よりも徐々に低い値を示す。これは測定対象物の表面に投射された丸レーザスポットレーザ光が散乱反射され結像レンズにより映像としてＣＣＤ上へ結像した時にレンズＭＴＦその他の光学系のにじみ等により、本来収束すべきＣＣＤに隣接して配設されているＣＣＤに受光されてしまうためである。このにじみ（ボケ）の発生は測定対象物の表面が平坦面である場合でも生じる。

このように、マッピングデータの処理を用いることにより、上記デジタル最高値を中心にして、当該デジタル最高値を示すＣＣＤから徐々に離れた位置に配設されているＣＣＤのデジタル値がこのデジタル最高値よりも徐々に低い値を示すという分布状態を把握することができ、これにより初めて正確に測定対象物の表面に反射したレーザ光が本来収束すべきＣＣＤを特定することができる。

また、上記デジタル最高値は、従来の積分回路を用いていないために、各波形の電圧値のレベルが従来の積分回路により示される電圧値（図４において破線により示されているグラフ線）のように低下しない。従って、ＣＣＤ本来の感度を保つ事ができ十分なゲインを取得することができる。従って、戻り光が弱い場合でもＣＣＤの最高電圧値又は光スポット像の中心を正確に取得することができる。

次に、図５を参照しつつ、測定対象物の角部における各ＣＣＤ素子の電圧値の変化について説明する。

図５に示すように、櫛歯状に表れているＣＣＤの電圧値は、測定対象物の角部において急激に減衰するように表れる。即ち、角部の平坦面側においては、測定対象物の表面に発生する錯乱光が平坦面と同様に発生するため、図５において右側から順に各ＣＣＤの電圧値は高くなるが、測定対象物の角部においては丸レーザスポット光が欠けてしまうために、各ＣＣＤの電圧値は最高電圧値を示した後に急激に低下する。

従来の３次元形状測定装置では、積分回路を用いているため、この各ＣＣＤの波形の急激な減衰が均されてしまう。しかし、デジタル後処理の例として本実施形態においては、上記の測定対象物の角部における丸レーザスポット光が欠けてしまい隣接して配置されているＣＣＤの電圧値が最高電圧値を示した後に急激に低下するという変化率を予めパターン化し、これを複数のデジタル値における変化率として記憶させ、この複数のデジタル値における変化率と、実際に測定対象物の測定を行った際の複数のデジタル値の変化率と比較することにより測定対象物の角部を判別する。

具体的には、各ＣＣＤのデジタル値を各ＣＣＤの配設位置に応じてマッピングした後、マッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中から、複数のデジタル値における変化率を予め定めた変化率と比較して、複数のデジタル値における変化率が予め定めた変化率と一致又は近似する場合、測定対象物の角部の存在を算出することになる。

従来の３次元形状測定装置では、積分回路を用いているため、この各ＣＣＤの波形の急激な減衰が均されてしまい、形状測定装置と測定対象物の角の部分との間の距離情報が不正確になってしまうが、パターン化した複数のデジタル値における変化率と実際の測定における複数のデジタル値における変化率が均されることなくそのまま比較されるため、極めて正確に角部の位置を算出することができる。

本発明の第１実施形態に係る３次元形状測定装置の形状測定装置の光学系１の概略斜視図である。 図１に示す３次元形状測定装置の測定原理を示す説明図である。 図１に示す本実施形態の形状測定装置の制御系の構成を示すブロック図である。 図１に示す本実施形態の形状測定装置の各ＣＣＤの電圧値の変化等を示すグラフ図である。 図１に示す本実施形態の形状測定装置において、測定対象物の角部における各ＣＣＤの電圧値の変化等を示すグラフ図である。なお、比較するために、従来の積分回路によって生成される電圧値の変化を破線で示し、最高電圧値と異なる位置にコンパレータシグナルの中心が位置していることを示している。 従来の３次元形状測定装置の光学系の概略図である。 図６に示す形状測定装置の測定原理を示す説明図である。 図６に示す形状測定装置の各ＣＣＤの電圧値の変化等を示すグラフ図である。 図６に示す形状測定装置の積分回路による出力電圧と、距離カウンタＷ及び距離カウンタＰとの関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１ 形状測定装置の光学系
２、１１１ レーザダイオード
３、１１２ ビームエキスパンダ
４ 第１鏡
５ 第２鏡
６ 揺動モータ
７ 第３鏡
８ 第４鏡
９ 第５鏡
１０、１１７ 結像レンズ部
１０ａ、１１７ａ 結像レンズ
１１ ハーフミラー
１２ フォトダイオード
１３、１１８ ＣＣＤラインセンサ部
１３ａ、１１８ａ ラインセンサ
２０、２１ 増幅器
２２、２３ Ａ／Ｄコンバータ
２４ ＦＰＧＡ
１１３ 第１ミラー
１１４ 第２ミラー
１１５ 第３ミラー
１１６ 第４ミラー

Claims (2)

1. レーザ光を出射するレーザダイオードと、
   前記レーザダイオードから出射されたレーザ光を測定対象物の表面へ照射するための第１光学系と、
   前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の照射位置を移動させるための照射位置移動手段と、
   前記照射位置移動手段の移動状態を検知する検知手段と、
   測定対象物の表面からの反射光であるレーザ光を結像させるための第２光学系と、
   前記第２光学系からのレーザ光の結像位置を検出するために複数のＣＣＤ素子を備えたＣＣＤラインセンサ部とを有し、
   前記各ＣＣＤ素子からの出力電圧をそれぞれＡ／Ｄコンバータによりデジタル変換し、前記各ＣＣＤのデジタル値を前記各ＣＣＤの配設位置に応じてマッピングし、前記マッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中からデジタル最高値又は光スポット像の中心を割り出して測定対象物との距離を算出することを特徴とする３次元形状測定装置。
2. 前記各ＣＣＤのデジタル値を前記各ＣＣＤの配設位置に応じてマッピングした後、前記マッピングにより取得されたマッピングデータにおいて隣接して配置されているＣＣＤの複数のデジタル値の中から、前記複数のデジタル値における変化率を予め定めた変化率と比較して、前記複数のデジタル値における変化率が前記予め定めた変化率と一致又は近似する場合、前記測定対象物の角部の存在を算出することを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置。

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