JP2009098046A

JP2009098046A - ３次元形状測定器

Info

Publication number: JP2009098046A
Application number: JP2007270974A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Suzuki; 敏鈴木; Katsuhiro Sato; 克広佐藤; Yoichi Sano; 陽一佐野
Original assignee: Hexagon Metrology KK
Current assignee: Hexagon Metrology KK
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2007-10-18
Publication date: 2009-05-07
Anticipated expiration: 2027-10-18
Also published as: US20110075126A2; US8174682B2; EP2201327B1; EP2201327A1; US20100271616A1; WO2009049939A1; JP2011529563A; JP4970211B2

Abstract

【課題】メンテナンス作業を行わなくても光軸ずれを補正できる形状測定装置を有する３次元形状測定器を提供すること。
【解決手段】３次元形状測定器の光学系１は、レーザダイオード２と、レーザ光を測定対象物へ照射するための第１光学系と、測定対象物からの反射光を結像されるための第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のＣＣＤラインセンサ部１２とを有し、第１光学系はレーザ光の光路を変位される光路変位手段２０を有し、光路変位手段２０は光路の変位平面に垂直方向に延在する回動軸を中心にして回動するガラス板２１とガラス板２１の回動手段と回動手段制御部とを有し、回動手段制御部は回動手段の回動に伴うＣＣＤラインセンサ部１２の受光最大値が計測された際の回動手段の回動角度に回動手段の回動角度を一致させる。
【選択図】図１

Description

本発明は非接触センサを利用した３次元形状測定器に関する。

従来の非接触センサを利用した３次元形状測定器は、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３次元画像を表示する表示装置とを有している。

図８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８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９は、この３次元形状測定器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。このラインセンサ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。

特許第３５５４２６４号公報

上記形状測定装置では、ＣＣＤラインセンサ部１１８のラインセンサ１１８ａ上における戻り光の結像位置の変位量を測定することによって測定対象物の表面の位置が計測されるが、この戻り光の結像位置がラインセンサ１１８ａ上から外れた位置（ラインセンサ１１８ａの延在方向と９０度の角度をなす方向における位置）に結像すると、ラインセンサ１１８ａが受光できる光量が低下し、計測が不可能となってしまう。この戻り光の結像位置のずれは、上記形状測定装置の光学系の光軸ずれが原因となって生じる。

このような光軸ずれが生じた場合には、形状測定装置の光学系を構成する上述した各部材やＣＣＤラインセンサ部１１８の位置調整を行うメンテナンスが必要となる。しかし、このメンテナンス作業は熟練した作業員により精密に行わなければならないため、メンテナンス作業の費用と時間がかかってしまうという問題がある。

上記問題点に鑑み、本発明は、メンテナンス作業を行わなくても光軸ずれを補正できる形状測定装置を有する３次元形状測定器を提供することを目的とする。

本発明に係る３次元形状測定器は、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、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れるための第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のＣＣＤラインセンサ部とを有し、前記第１光学系は、前記第２光学系からのレーザ光が前記ＣＣＤラインセンサ部上に適正に結像するように、レーザ光の光路を変位される光路変位手段を有し、前記光路変位手段は、光路の変位平面に垂直方向に延在する回動軸を中心にして回動するガラス板と、前記ガラス板を回動させる回動手段と、前記回動手段を制御する回動手段制御部とを有し、前記回動手段制御部は、前記回動手段の回動に伴う前記ＣＣＤラインセンサ部の受光量の変化を計測し、前記ＣＣＤラインセンサ部の受光量の最大値が計測された際の前記回動手段の回動角度に前記回動手段の回動角度を一致させることを特徴とする。
ことを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定器。

さらに、本発明に係る３次元形状測定器は、前記回動手段が、超音波振動子により駆動されることが好ましい。

請求項１記載の本発明に係る３次元形状測定器は、第１光学系に光路変位手段を有し、回動手段制御部によって回動手段の回動に伴うＣＣＤラインセンサ部の受光量の変化を計測し、ＣＣＤラインセンサ部の受光量の最大値が計測された際の回動手段の回動角度に回動手段の回動角度を一致させる。従って、形状測定装置の光学系の光軸ずれを修正することができるため、従来行われてきたＣＣＤラインセンサ部の位置調整を行うメンテナンス作業が不要になる。

さらに、請求項２記載の本発明に係る３次元形状測定器は、回動手段が、超音波振動子により駆動されている。従って、超音波振動子の振動停止時において回動手段の停止状態を保持することができる。

以下、図１ないし図７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次元形状測定器の光学系１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、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れるための第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のＣＣＤラインセンサ部１２とを有し、第１光学系は、第２光学系からのレーザ光がＣＣＤラインセンサ部１２上に適正に結像するように、レーザ光の光路を変位される光路変位手段２０を有し、光路変位手段２０は、光路の変位平面に垂直方向に延在する回動軸を中心にして回動するガラス板２１と、ガラス板２１を回動させる回動手段と、回動手段を制御する回動手段制御部（図示せず）とを有し、この回動手段制御部は、回動手段の回動に伴うＣＣＤラインセンサ部１２の受光量の変化を計測し、ＣＣＤラインセンサ部１２の受光量の最大値が計測された際の回動手段の回動角度に回動手段の回動角度を一致させ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、光路変位手段２０、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、第６鏡１１とから構成されている。

本実施形態の３次元形状測定器は、主にＣＣＤラインセンサ部１２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本体と、このコンピュータ本体により制御されて測定対象物の３次元画像を表示する表示装置とを有している。なお、コンピュータ本体には、後述する回動手段制御部を構成するソフトウェアが内蔵されている。

図１は、本実施形態の３次元形状測定器の形状測定装置の光学系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、後述する光路変位手段２０のガラス板２１を通過した後、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。

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れるための第２光学系において、第３鏡７、第４鏡８、第５鏡９、及び第６鏡１１は戻り光であるレーザ光の方向を変更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１２のラインセンサ１２ａ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を有している。また、ＣＣＤラインセンサ部１２は、戻り光の結像位置を測定するためのラインセンサ１２ａを有している。

図２及び図３は、この３次元形状測定器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、レーザ光の光路を変位される光路変位手段２０のガラス板２１を通過した後、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１２のラインセンサ１２ａ上に結像する。このラインセンサ１２ａ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。

図６は、本実施形態の光路変位手段２０の構成を示す概略斜視図である。光路変位手段２０は、ガラス板２１と、ガラス板２１を支持すると共にガラス板２１の回転軸を構成する支点部２２と、支点部２２と一端において固定されているアーム２３と、アーム２３の他端に連結されている突起２４と、突起２４に固定されている摺動子２５と、摺動子２５を貫通すると共に摺動子２５を摺動させるための振動軸２６と、振動軸２６を振動させるための超音波振動子である振動子２７と、回動手段制御部とから構成されている。上記支点部２２、アーム２３、突起２４、摺動子２５、振動軸２６、及び、振動子２７は回動手段を構成している。また、摺動子２５、振動軸２６、及び、振動子２７は、超音波モータを構成しており、摺動子２５はロータ、振動軸２６及び振動子２７はステータとしての機能を有している。超音波モータであるため、振動子２５は振動軸２６に対して振動停止時において密着し、停止状態を保持することができる。

振動子２７に電流が供給されると振動子２７が振動する。この振動子２７の振動は振動軸２６を振動させ、この振動軸２６により摺動子２５が振動軸２６に沿って移動する。なお、振動子２７への電流供給が停止されると、摺動子２５の移動は停止し、その停止位置において振動軸２６に保持される。振動子２７への電流供給の制御は、後述する回動手段制御部によって行われる。

摺動子２５の移動に伴い突起２４によってアーム２３が支点部２２を回動させる。支点部２２の回動によりガラス板２１が支点部２２を回転軸として図６に示す矢印方向に回動する。

図４及び図５は、光路変位手段２０による光路と結像位置の変位を示す説明図である。この光路変位手段２０は、ＣＣＤラインセンサ部１２のラインセンサ１２ａ上から外れた位置（ラインセンサ１２ａの延在方向と９０度の角度をなす方向における位置）に結像することを防止するために設けられている。

図４に示すように、ガラス板２１が支点部２２の回動により支点部２２を回転軸として回動すると、レーザダイオード２から出射したレーザ光がレーザダイオード２の光軸と平行に変位する。このレーザ光の変位により、図５に示すように、レーザ光の結像位置がＣＣＤラインセンサ部１２のラインセンサ１２ａの延在方向と９０度の角度をなす方向に変位する。

図７は、ガラス板２１の回動によりレーザ光の結像位置が変位した場合のラインセンサ１２ａの受光量の変化を示すグラフ図である。各グラフは、図５に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各結像位置における受光量を示しており、ラインセンサ１２ａ上に位置するＣの結像位置における受光量が最大値を示していることが理解できる。

回動手段のガラス板２１の回動の制御は、回動手段制御部によって行われる。本実施形態においては、回動手段制御部は、３次元形状測定器を構成しているコンピュータ本体に内蔵されているソフトウェアである。このコンピュータ本体には主な作動モードを２つ有しており、一つは３次元形状測定を実行する３次元形状測定モードであり、他は光軸補正モードである。使用者がこのコンピュータ本体を操作し光軸補正モードを選択すると、回動手段制御部は、回動手段の回動に伴うＣＣＤラインセンサ部１２の受光量の変化を計測し、ＣＣＤラインセンサ部１２の受光量の最大値が計測された際の回動手段の回動角度に回動手段の回動角度を一致させる。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。
本実施形態の３次元形状測定器は、第１光学系に光路変位手段２０を有し、使用者がコンピュータ本体を操作し光軸補正モードを選択すると、回動手段制御部によって回動手段の回動に伴うＣＣＤラインセンサ部１２の受光量の変化を計測し、ＣＣＤラインセンサ部１２の受光量の最大値が計測された際の回動手段の回動角度に回動手段の回動角度を一致させる。従って、形状測定装置の光学系１の光軸ずれを修正することができるため、従来行われてきたＣＣＤラインセンサ部の位置調整を行うメンテナンス作業が不要になる。

さらに、本実施形態の３次元形状測定装置は、回動手段が、超音波振動子である振動子２７により駆動されている。従って、振動子２５は振動軸２６に対して振動停止時において密着し、停止状態を保持することができる。

本発明の実施形態に係る３次元形状測定器の形状測定装置の光学系の概略図である。図１に示す３次元形状測定器の測定原理を示す説明図である。図２に示す説明図を上方から見た説明図である。図１に示す３次元形状測定器における回動手段のガラス板２１の回動状態と光軸の変位を示す説明図である。図１に示す３次元形状測定器におけるラインセンサ１２ａにおける結像位置の変位を示す説明図である。図１に示す３次元形状測定器における回動手段の概略斜視図である。図１に示す３次元形状測定器におけるガラス板２１の回動によりレーザ光の結像位置が変位した場合のラインセンサ１２ａの受光量の変化を示すグラフ図である。従来の３次元形状測定器の形状測定装置の光学系の概略図である。図８に示す３次元形状測定器の測定原理を示す説明図である。

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第６鏡
１２、１１８ＣＣＤラインセンサ部
１２ａ、１１８ａラインセンサ
２０光路変位手段
２１ガラス板
２２支点部
２３アーム
２４突起
２５摺動子
２６振動軸
２７振動子
１１２ビームエキスパンダ
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

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、
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れるための第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のＣＣＤラインセンサ部とを有し、
前記第１光学系は、前記第２光学系からのレーザ光が前記ＣＣＤラインセンサ部上に適正に結像するように、レーザ光の光路を変位される光路変位手段を有し、
前記光路変位手段は、光路の変位平面に垂直方向に延在する回動軸を中心にして回動するガラス板と、前記ガラス板を回動させる回動手段と、前記回動手段を制御する回動手段制御部とを有し、
前記回動手段制御部は、前記回動手段の回動に伴う前記ＣＣＤラインセンサ部の受光量の変化を計測し、前記ＣＣＤラインセンサ部の受光量の最大値が計測された際の前記回動手段の回動角度に前記回動手段の回動角度を一致させることを特徴とする３次元形状測定器。
前記回動手段は、超音波振動子により駆動されることを特徴とする請求項１記載の３次元形状測定器。