JP6176957B2 - 形状測定装置 - Google Patents

Description

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

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

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

また、上記形状測定装置において、ワークの形状に応じてラインレーザを回転させる必要もある。この場合、特許文献２においては走査プローブ全体を回転させ、これによりラインレーザを回転させる。しかしながら、走査プローブ全体を回転させるため測定速度が低下する。

特表２００９−５３４９６９号公報 特開２０１１−１１０６７５号公報

本発明は、このような問題点に鑑みされたもので、測定速度を向上させた形状測定装置を提供することを目的とする。

本発明に係る形状測定装置は、照射部、及び撮像部を有する。照射部は、ワークに直線状のラインレーザを照射する。撮像部は、ワークにて反射したラインレーザを撮像する。照射部は、光源、及び光学素子を有する。光学素子は、光源からの光を直線状に散乱させてラインレーザを生成する。光学素子は、ラインレーザの光軸を中心に回転可能に構成されている。

この発明によれば、測定速度を向上させた形状測定装置を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る形状測定装置を構成するシステムの全体図である。 実施の形態に係る光学式プローブ１７の構成を示す図である。 光学式プローブ１７を用いて照射されたラインレーザを示す概略図である。 光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。 実施の形態に係るレーザ光生成部１７２を示す概略図である。 実施の形態に係るレーザ光生成部１７２の他の状態を示す概略図である。 実施の形態に係るＣＭＯＳセンサ１７３２を示す模式図である。 実施の形態に係るＣＭＯＳセンサ１７３２を示す模式図である。 光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。 実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。 他の実施の形態に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。

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

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

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

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

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

図３は、光学式プローブ１７を用いて照射されたラインレーザを示す概略図である。図３（ａ）に示すように、レーザ光生成部１７２によってワーク５に直線状のラインレーザＬ１を照射すると、ワーク５の表面に沿ってラインレーザの反射光Ｌ１’が変形し、ワーク５をある平面で切断した時の輪郭が照らし出される。撮像装置１７３は、図３（ｂ）に示すように、レーザ光生成部１７２のレーザ光照射方向から所定の角度でワーク５を撮像し、反射光Ｌ１’の画像を撮像する。

更に、本実施の形態において、図３（ａ）に示すように、レーザ光生成部１７２は、ラインレーザＬ１を光軸中心に回転させてラインレーザＬ２とすることができる。

図４は、光学式プローブ１７内の配置を示す概略図である。なお、図４において、バンドパスフィルタ１７３１ａは省略している。本実施の形態に係る光学式プローブ１７にはシャインプルーフの原理が利用されており、図４に示すように、ＣＭＯＳセンサ１７３２の撮像面、レンズ１７３１ｂの主点を含む主平面、ワーク５に照射されるラインレーザの照射面をそれぞれ延長した面Ｓ１〜Ｓ３は、１点Ｐで交わる。このような配置によって、ＣＭＯＳセンサ１７３２の撮像面上全体が合焦状態となる。

図５Ａは、本実施の形態に係るレーザ光生成部１７２を示す概略図である。レーザ光生成部１７２は、図５Ａに示すように、レーザ光を照射する光源１７２１、及びレーザ光を散乱させてラインレーザとするロッドレンズ１７２２を有する。ロッドレンズ１７２２は、歯車１７２３の開口１７２３ａの下方に嵌合されている。歯車１７２３は歯車１７２４と噛み合っており、歯車１７２４の中心はモータ１７２５の回転軸に接着されている。図５Ａに示すように、光源１７２１からのレーザ光は、歯車１７２３の開口１７２３ａを介してロッドレンズ１７２２に照射され、ラインレーザＬ１となる。

図５Ｂは、レーザ光生成部１７２の他の状態を示す概略図である。図５Ｂに示すように、モータ１７２５は、歯車１７２４、１７２３を介してロッドレンズ１７２２をレーザ光の光軸を中心に回転させる。これに伴い、図５Ｂに示すように、ラインレーザＬ１は回転し、ラインレーザＬ２となる。

図６は、本実施の形態に係るＣＭＯＳセンサ１７３２を示す模式図である。ＣＭＯＳセンサ１７３２は、図６に示すように、Ｘ方向及びＹ方向に２次元行列状に配置された複数の受光素子Ｅを有する。例えば、本実施形態において、ＣＭＯＳセンサ１７３２は、直線状のラインレーザの伸びる方向に１０２４個、これと直交する方向に１２８０個の受光素子Ｅを有している。

また、ＣＭＯＳセンサ１７３２は、電子シャッター（ローリングシャッター）を有する。ラインレーザの回転を止めないで連続的に電子シャッターを駆動させた場合は、多くの画像を短時間で取得できる。したがって、形状測定の時間を短縮させることができる。また、電子シャッターのシャッタースピードを速くすれば、ラインレーザの回転に基づく画像のぶれによる測定精度の劣化を防止できる。なお、ワーク５の形状を算出可能な画像を取得するために、必要な光量が確保できる範囲でシャッタースピードを制御すればよい。

例えば、ＣＭＯＳセンサ１７３２においては、図７に示すように、先ず、Ｙ方向の略中心となる領域Ａに一列に配置された受光素子の受光が同時に行われる。続いて、ラインレーザを角度θだけ回転させる。そして、領域Ａを角度θだけ回転させた領域Ｂに配置された受光素子の受光が同時に行われる。その後、同様にラインレーザを角度θだけ回転させ、領域Ｂを角度θだけ回転させた領域Ｃに配置された受光素子の受光が同時行われる。しかしながら、このような測定においてはロッドレンズ１７２２の回転に伴いＣＭＯＳセンサ１７３２上の焦点のずれが大きくなる。例えば、領域Ｂの両端の領域Ｂａの受光素子において焦点がずれ、領域Ｃの両端の領域Ｃａの受光素子において焦点がずれる。そして、領域Ｃａは領域Ｂａよりも大きくなる。そこで、図７に示すように、本実施の形態において制御回路１７４は、ＣＭＯＳセンサ１７３２上の楕円状の領域Ｚ以外に配列された受光素子にて受光した光を除外して、ワーク５の形状を演算し、焦点ずれの影響を小さくする。

図８は、本実施の形態に係る光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。制御回路１７４は、図８に示すように、ＣＰＵ１７４１、ＣＰＵ１７４１に接続されたプログラム記憶部１７４２、ワークメモリ１７４３、及び多値画像メモリ１７４４を有する。ＣＭＯＳセンサ１７３２で取得された画像情報は、多値画像メモリ１７４４を介してＣＰＵ１７４１に入力される。ＣＰＵ１７４１は、モータ１７２５の駆動状態を制御する。

次に、図９を参照して、実施の形態に係る形状測定装置の動作について説明する。図９は、形状測定装置の動作を示すフローチャートである。図９に示すように、先ず、制御回路１７４は、光源１７２１を駆動（ＯＮ）させる（Ｓ１０１）。これにより、ラインレーザがワーク５に照射される。次に、制御回路１７４は、ＣＭＯＳセンサ１７３２によりワーク５の画像を取得する（Ｓ１０２）。続いて、制御回路１７４は、光源１７２１を非駆動（ＯＦＦ）とする（Ｓ１０３）。

続いて、制御回路１７４は、終了コマンドを受け付けたか否かを判定する（Ｓ１０４）。終了コマンドを受け付けていない場合（Ｓ１０４、Ｎｏ）、制御回路１７４は、ロッドレンズ１７２２を所定角度回転させ（Ｓ１０５）、再びステップＳ１０１の処理を実行する。一方、終了コマンドを受け付けた場合（Ｓ１０４、Ｙｅｓ）、制御回路１７４は、取得したワーク５の画像に基づきワーク５の形状を算出する（Ｓ１０６）。

以上、本実施の形態において、図５Ａ及び図５Ｂに示したようにロッドレンズ１７２２はラインレーザの光軸を中心に回転する。これに伴い、図３に示したようにラインレーザも回転する。したがって、本実施の形態は、光学式プローブ１７を移動させることなく、レンズ状のワーク５の端部を測定できる。すなわち、本実施の形態は、光学式プローブ１７全体を回転させる場合と比較して、測定速度を向上させることができる。

［その他の実施の形態］
以上、本発明に係る形状測定装置の一実施の形態を説明してきたが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、追加、置換等が可能である。例えば、ロッドレンズ１７２２の代わりにシリンドリカルレンズを設けても良い。

また、図１０に示すように、ステップＳ１０２の後に、制御回路１７４は、終了コマンドを受け付けたか否かを判定しても良い（Ｓ１０３ａ）。ここで、終了コマンドを受け付けていない場合（Ｓ１０３ａ、Ｎｏ）、制御回路１７４は、ロッドレンズ１７２２を所定角度回転させ（Ｓ１０５）、再びステップＳ１０２の処理を実行する。一方、終了コマンドを受け付けた場合（Ｓ１０３ａ、Ｙｅｓ）、制御回路１７４は、光源１７２１を非駆動（ＯＦＦ）とし（Ｓ１０４ａ）、その後にステップＳ１０６を実行する。なお、図９及び図１０においては、一例としてワーク５の全ての画像を取得した後に、ワーク５の形状を算出している。しかしながら、ワーク５の形状は、それぞれのワーク５の画像を取得後に算出しても良い。

１…三次元測定装置、 ２…駆動制御装置、 ３…走査盤、 ４…ホストシステム、 ５…ワーク、 １１…定盤、 １２ａ，１２ｂ…アーム支持体、 １３，１５…軸ガイド、 １４…軸駆動機構、 １６…軸アーム、 １７…光学式プローブ、 １７１…筐体、 １７２…レーザ光生成部、 １７２１…光源、 １７２２…ロッドレンズ、 １７２３，１７２４…歯車、 １７２３ａ…開口、 １７２５…モータ、 １７３…撮像装置、 １７３１ａ…バンドパスフィルタ、 １７３１ｂ…レンズ、 １７４…制御回路、 １７４１…ＣＰＵ、 １７４２…プログラム記憶部、 １７４３…ワークメモリ、 １７４４…多値画像メモリ。

Claims (2)

1. ワークに直線状のラインレーザを照射する照射部と、
   前記ワークにて反射した前記ラインレーザを受光して前記ワークの画像を撮像すると共に２次元的に配列された複数の受光素子を備える撮像部と、
   前記照射部及び前記撮像部を制御する制御部と
   を備え、
   前記照射部は、
   光源と、
   前記光源からの光を直線状に散乱させて前記ラインレーザを生成する光学素子とを備え、
   前記光学素子は、前記ラインレーザの光軸を中心に回転可能に構成され、
   前記制御部は、前記光源を駆動させて前記ワークに前記ラインレーザを照射してから、前記光源を非駆動とするまでの間に、前記撮像部による前記ワークの画像の取得と、前記ラインレーザの光軸を中心とする回転と、を繰り返し行い、
   前記制御部は、前記撮像部の、前記ラインレーザが照射される範囲よりも狭い楕円状の領域以外に配列された受光素子にて受光した光を除外して、前記ワークの形状を演算する
   ことを特徴とする形状測定装置。
2. 前記光学素子は、ロッドレンズ又はシリンドリカルレンズである
   ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
   

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