JPH09178441A - ３次元形状測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 複雑な自由曲面形状を有する被測定物でも精
度良く測定できる３次元形状測定装置を提供する。 【解決手段】 被測定物５の各被測定点までの距離を測
定する光距離測定器６と、前記被測定物５と前記光距離
測定器６との間の相対位置が複数となるように設定可能
な位置設定変更部１〜３、７〜１０と、各相対位置を検
出する検出部と、光距離測定器６により測定された各被
測定点までの距離データのうち、同一被測定点に対する
距離データが一つのときには、そのデータを正規の距離
データとして抽出する第１機能と、同一被測定点に対す
る距離データが複数のときには複数の距離データを加重
平均した値を算出することにより被測定点の正規データ
として抽出する第２機能を有する演算処理部１５と、検
出部により検出した各相対位置のデータと、演算処理部
１５により抽出した各被測定点までの正規の距離データ
を用いて、被測定物の３次元形状データを作成する形状
データ作成部１６と、を備えた３次元形状測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光距離測定器（例
えば、レーザー変位計）を用いて、被測定物の３次元形
状を測定する３次元形状測定装置に関するものであり、
特に自由曲面等の複雑な形状を有する被測定物の測定に
用いて好適な３次元形状測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、３次元形状測定の対象は、従来の
高さ測定、長さ測定等の１次元測定を組み合わせたもの
だけでなく、自由曲面を有する３次元物体にも及んでき
ており、かかる測定対象を精度良く測定しようとする試
みも多くなされている。測定方法としては、接触式プロ
ーブを被測定物に接触させながら行う従来の接触式の測
定方法に加えて、最近めざましく発展しているレーザ変
位計等の光距離測定器を用いた非接触の測定方法があ
る。

【０００３】このような非接触の測定方法では、プロー
ブを被測定物に接触させる必要がないので、ゴム等の柔
らかい物でも精度よく測定を行うことが可能であり、ま
た従来の接触式の測定方法と比較して、測定時間が短縮
できるという利点を有する。これらの測定方法による被
測定物の測定は、被測定物と測定系の相対的な位置関係
を少しずつ変化させて（スキャンして）行うのが一般的
である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかるスキャンによる
測定において、被測定物の形状が単純な場合には、例え
ば一方向に所定ピッチで行うスキャンにより、即ち１種
類のスキャン方法により、被測定物の必要なすべての測
定データを得ることができるが、複雑な自由曲面形状を
有する被測定物の場合には、複数のスキャン方法をとっ
て測定を行わないと、被測定物の必要なすべての測定デ
ータを得ることができない。

【０００５】そして、この複数のスキャン方法による測
定では、被測定物全体の全体形状を求めるために、各ス
キャン方法により得られた測定データを接合する必要が
あるが、各スキャン方法による測定データの接合部分に
不連続面が発生することが多く、被測定物の実際の形状
に対応した正確な測定データを得ることが困難であると
いう問題点があった。

【０００６】本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてな
されたものであり、複雑な自由曲面形状を有する被測定
物でも精度良く測定できる３次元形状測定装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「少なくとも、被測定物の各被測定点に対して光を照
射する照射部と、前記照射された光による前記各被測定
点からの反射光を受光する受光部とを備え、前記各被測
定点までの距離を測定する光距離測定器と、前記被測定
物と前記光距離測定器との間の相対位置を設定・変更し
て前記被測定点を設定・変更する位置設定変更部であ
り、所定の同一被測定点を測定するときの前記光距離測
定器の相対位置が複数となるように設定可能な位置設定
変更部と、前記各相対位置を検出する検出部と、前記光
距離測定器により測定された各被測定点までの距離デー
タのうち、同一被測定点に対する距離データが一つのと
きには、そのデータを正規の距離データとして抽出する
第１機能と、同一被測定点に対する距離データが複数の
ときには該複数の距離データを加重平均した値を算出す
ることにより前記被測定点の正規データとして抽出する
第２機能を有する演算処理部と、前記検出部により検出
した各相対位置のデータと、前記演算処理部により抽出
した各被測定点までの正規の距離データを用いて、前記
被測定物の３次元形状データを作成する形状データ作成
部と、を備えた３次元形状測定装置（請求項１）」を提
供する。

【０００８】また、本発明は第二に「前記光距離測定
器、位置設定変更部、検出部、演算処理部、及び形状デ
ータ作成部の動作を制御する制御部をさらに備えたこと
を特徴とする請求項１記載の３次元形状測定装置（請求
項２）」を提供する。また、本発明は第三に「少なくと
も、被測定物の各被測定点に対して光を照射する照射部
と、前記照射された光による前記各被測定点からの反射
光を受光する受光部とを備え、前記各被測定点までの距
離を測定する光距離測定器と、前記被測定物と前記光距
離測定器との間の相対位置を設定・変更して前記被測定
点を設定・変更する位置設定変更部であり、所定の同一
被測定点を測定するときの前記光距離測定器の相対位置
が複数となるように設定可能な位置設定変更部と、前記
各相対位置を検出する検出部と、前記光距離測定器によ
り測定した各被測定点までの距離データを記憶する第１
機能、及び前記検出部により検出した各相対位置を記憶
する第２機能を有する記憶部と、前記記憶部に記憶され
た各被測定点までの距離データのうち、同一被測定点に
対する距離データが一つのときには、そのデータを正規
の距離データとして抽出する第１機能と、同一被測定点
に対する距離データが複数のときには該複数の距離デー
タを加重平均した値を算出することにより前記被測定点
の正規データとして抽出する第２機能を有する演算処理
部と、前記検出部により検出した各相対位置のデータ
と、前記演算処理部により抽出した各被測定点までの正
規の距離データを用いて、前記被測定物の３次元形状デ
ータを作成する形状データ作成部と、を備えた３次元形
状測定装置（請求項３）」を提供する。

【０００９】また、本発明は第四に「前記光距離測定
器、位置設定変更部、検出部、記憶部、演算処理部、及
び形状データ作成部の動作を制御する制御部をさらに備
えたことを特徴とする請求項３記載の３次元形状測定装
置（請求項４）」を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明では、複数のスキャン方法
により得られた測定（距離）データを接合したときに接
合部分において発生しやすい不連続面を解消するため
に、接合部分及びその近傍に位置する同一被測定点の測
定を複数のスキャン方法による測定それぞれにおいて行
うこととした。

【００１１】即ち、本発明では、前記接合部分及びその
近傍に位置する同一被測定点が複数のスキャン領域（の
重複領域）に含まれるように測定を行うことにより、前
記同一被測定点にかかる距離データを複数個取得して、
さらに該複数の距離データを加重平均することにより、
前記同一被測定点にかかる形状データ作成用の正規デー
タとして抽出することとした。

【００１２】加重平均の方法は、被測定物に応じて適宜
選択すればよいが、例えば、最も簡単なのは、スキャン
領域の重複領域にある２端Ｅ１，Ｅ２のうち各スキャン
領域の端Ｅ１に位置する被測定点にかかる距離データの
重みをゼロとし、もう一方の端Ｅ２に位置する被測定点
にかかる距離データの重みを１とし、さらにＥ１とＥ２
の間に位置する被測定点にかかる距離データの重みＷを
０＜Ｗ＜１の値に設定して行う方法である。この方法で
は、前記重複領域の中央部分では、各スキャン方法によ
り得られた距離データがそれぞれ均等な重みを有する
（図３参照）。

【００１３】前記接合部分及びその近傍に位置する同一
被測定点の測定を複数のスキャン方法による測定それぞ
れにおいて行うことができるように、本発明の３次元形
状測定装置には、被測定物と光距離測定器との間の相対
位置を設定・変更して被測定点を設定・変更する位置設
定変更部であり、所定の同一被測定点を測定するときの
前記光距離測定器の相対位置が複数となるように設定可
能な位置設定変更部を設けた。

【００１４】また、同様に本発明の３次元形状測定装置
には、光距離測定器により測定された各被測定点までの
距離データのうち、同一被測定点に対する距離データが
一つのときには、そのデータを正規の距離データとして
抽出する第１機能と、同一被測定点に対する距離データ
が複数のときには該複数の距離データを加重平均した値
を算出することにより前記同一被測定点の正規データと
して抽出する第２機能を有する演算処理部を設けた。

【００１５】本発明の一例である３次元形状測定装置
（図１参照）を用いて行う任意の自由曲面を有する被測
定物の形状測定の方法（一例）を以下に示す。まず、位
置設定変更部１〜３、７〜１０により任意の自由曲面を
有する被測定物５と光距離測定器６との間の相対位置を
設定した後、光距離測定器６を用いて被測定物５の被測
定点までの距離を測定する。そして、位置設定変更部に
より相対位置を変更しながら、即ち、位置設定変更部に
より被測定点を変更しながら、各被測定点までの距離を
測定する。

【００１６】この際、測定は複数のスキャン方法により
行い、前記接合部分及びその近傍に位置する同一被測定
点が複数のスキャン領域に含まれるように測定を行う。
測定した各距離データは、記憶部１４に出力して記憶さ
せる。また、測定の際には、検出部により前記の各相対
位置を検出する。検出した各位置データは、記憶部１４
に出力して記憶させる。

【００１７】次に、演算処理部１５を用いて、記憶部
に記憶された各被測定点までの距離データのうち、同一
被測定点に対する距離データが一つのときには、そのデ
ータを正規の距離データとして抽出する、同一被測定
点に対する距離データが複数のときには該複数の距離デ
ータを加重平均した値を算出することにより前記被測定
点の正規データとして抽出する、という各抽出処理を行
う。

【００１８】最後に、形状データ作成部１６により、前
記検出部により検出した各相対位置のデータと、前記演
算処理部１５に抽出した各被測定点までの正規の距離デ
ータを用いて、被測定物５の３次元形状データを作成す
る。また、３次元形状測定装置を構成する各機能部（光
距離測定器６、位置設定変更部１〜３、７〜１０、検出
部、記憶部１４、演算処理部１５、形状データ作成部１
６など）の制御は、制御部１７により行う。

【００１９】以上、本発明の一例である３次元形状測定
装置を用いて行う任意の自由曲面を有する被測定物の形
状測定の方法（一例）を示したが、このように本発明の
３次元形状測定装置によれば、複雑な自由曲面形状を有
する被測定物でも高精度な測定を行うことができる。以
下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発
明はこの例に限定されるものではない。

【００２０】

【実施例】図１は、本実施例の３次元形状測定装置の全
体構成を模式的に示す図である。本実施例の３次元形状
測定装置は図１に示すように、本体基板（不図示）の上
に取り付けられたθステージ１と、θステージ１上に取
り付けられたＸステージ２及びＹステージ３と、Ｙステ
ージ３上に取り付けられたホルダー４とを備えている。

【００２１】被測定物５は、ホルダー４により保持され
る。なお、図１に示した本実施例における被測定物５は
歯科石膏模型であるが、他のものでも構わない。以上の
構成により、被測定物５はＸ、Ｙの２方向への移動及び
回転運動が可能である。また、本実施例の３次元形状測
定装置は、アーム７に取り付けられたレーザ変位計（光
距離測定器の一例）６を備えている。アーム７は、回転
軸８を中心として自由に回動可能である。回転軸８は、
保持部材９により支えられており、保持部材９はＺステ
ージ１０により上下に平行移動可能である。Ｚステージ
１０は、本体基板（不図示）の上に取り付けられてい
る。

【００２２】本実施例では、前記の各ステージ１、２、
３、１０、アーム７、回転軸８、保持部材９がレーザー
変位計６と被測定物５との間の相対位置を設定・変更す
る位置設定変更部を構成している。本実施例の３次元形
状測定装置はさらに、図１に示すように、各ステージ
１、２、３、１０及び回転軸８の駆動モータ（不図示）
を駆動するモータ駆動回路１２と、レーザー変位計６を
駆動するセンサ駆動回路１１と、制御部１７と、測定者
が制御部１７に各種の指令を与えるための入力部（例え
ば、キーボード）１３と、各ステージ１、２、３、１０
及び回転軸８の位置または駆動量を検出する検出部（例
えばエンコーダ、不図示）と、を備えている。

【００２３】ここで、制御部１７は、ＣＰＵやメモリー
を内蔵したマイクロコンピュータ等により構成され、 レーザー変位計６により測定した各被測定点までの距
離を記憶する第１機能、及び前記検出部により検出した
各相対位置を記憶する第２機能を有する記憶部１４とし
ての機能、 記憶部１４に記憶された各被測定点までの距離データ
のうち、同一被測定点に対する距離データが一つのとき
には、そのデータを正規の距離データとして抽出する第
１機能、同一被測定点に対する距離データが複数のとき
には該複数の距離データを加重平均した値を算出するこ
とにより前記被測定点の正規データとして抽出する第２
機能を有する演算処理部１５としての機能、 前記検出部により検出した各相対位置のデータと、前
記演算処理部１５により抽出した各被測定点までの正規
の距離データを用いて、被測定物５の３次元形状データ
を作成する形状データ作成部１６としての機能、 レーザー変位計６、位置設定変更部１〜３、７〜１
０、検出部、記憶部１４、演算処理部１５、及び形状デ
ータ作成部１６の動作を制御する機能、 などの各種の機能を担う。

【００２４】なお、本実施例では、形状データ作成部１
６により作成された３次元形状データは、これを利用す
るＣＡＤ装置１８に供給されるようになっている。以
下、本実施例の３次元形状測定装置の動作の一例につい
て説明する。先ず、被測定物５である歯科石膏模型の測
定に必要な測定箇所は、歯の咬合面及び側面であるか
ら、測定不要な面が下になるように、被測定物５をホル
ダー４に固定する。なお、図１では、歯科石膏模型を構
成する１歯牙のみを被測定物５として図示している。

【００２５】次に、測定者は入力部１３から制御部１７
に指令を与えることにより初期設定を行う。即ち、制御
部１７は、入力部１３からの指令に従って、レーザー変
位計６からの照射光がＸＹ平面に垂直となるように、被
測定物５がレーザー変位計６の受光レンズの焦点深度の
中に収まるように、レーザー変位計６からの照射光が被
測定物５に照射される範囲にくるようにして、その後さ
らにレーザー変位計６からの照射光がＺ平面に垂直とな
るように、モータ駆動回路１２を介して位置設定変更部
１〜３、７〜１０を制御する。

【００２６】次に、測定者は、入力部１３から制御部１
７に測定開始指令を与えることにより測定を開始する。
第１のスキャン方法では、θステージ１を回転させなが
ら、被測定物５の側面測定を行う。θステージ１が１回
転し、１回転分の測定が終了すると、Ｚステージ１０を
所定量だけ上方（Ｚ軸方向）に動かした後、同様の測定
を行う。さらに、予め定められた範囲（Ｚステージの所
定移動範囲）まで同様の操作・測定を繰り返すことによ
り、被測定物５の側面の測定が完了する。

【００２７】第１のスキャン方法は、円筒状の被測定物
の測定に有効な方法であるので円筒スキャンと呼ぶこと
とする（図２参照）。次に、第２のスキャン方法では被
測定物５の肩の部分の測定を行う。即ち、アーム７が上
方に回動するように回転軸８を所定量だけ回転させた
後、θステージ１を回転させながら同様の測定を行う。
１回転分の計測が終了すると、回転軸８を所定量だけ回
転させた後、同様の測定を行う。さらに、予め定められ
た範囲（回転軸８の所定回転範囲）まで同様の操作・測
定を繰り返すことにより、被測定物５の肩の部分の測定
が完了する。

【００２８】第２のスキャン方法は、半球状の被測定物
の測定に有効な方法であるので半球スキャンと呼ぶこと
とする（図２参照）。最後に、第３のスキャン方法で
は、被測定物５の上面測定を行う。即ち、レーザー変位
計６からの照射光がＸＹ平面に垂直となるように回転軸
８を回転させ、その状態で測定を行う。測定はＸステー
ジ２及びＹステージ３を所定量ずつ動かしながら行い、
所定範囲（ＸＹステージの所定移動範囲）の測定が完了
するまで行う。

【００２９】第３のスキャン方法は、平面状の被測定物
の測定に有効な方法であるので平面スキャンと呼ぶこと
とする（図２参照）。なお、図２に示すように、円筒ス
キャン領域と半球スキャン領域、半球スキャン領域と平
面スキャン領域がそれぞれ重なるように、各スキャン領
域は設定してある。

【００３０】測定した各データは、記憶部１４に記憶さ
せる。また、各測定の際には、検出部によりレーザー変
位計６と被測定物５の各相対位置を検出する。検出した
各位置データは、記憶部１４に記憶させる。次に、演算
処理部１５を用いて、記憶部１４に記憶された各被測
定点までの距離データのうち、同一被測定点に対する距
離データが一つのときには、そのデータを正規の距離デ
ータとして抽出する、同一被測定点に対する距離デー
タが複数のときには該複数の距離データを加重平均した
値を算出することにより前記同一被測定点の正規データ
として抽出する、という各抽出処理を行う。

【００３１】加重平均は、各スキャン領域の重複領域に
ある２端Ｅ１，Ｅ２のうち各スキャン領域の端Ｅ１に位
置する被測定点にかかる距離データの重みをゼロとし、
もう一方の端Ｅ２に位置する被測定点にかかる距離デー
タの重みを１とし、Ｅ１とＥ２の間に位置する被測定点
にかかる距離データの重みＷを０＜Ｗ＜１の値に設定し
て行う。

【００３２】最後に、形状データ作成部１６により、前
記検出部により検出した各相対位置のデータと、前記演
算処理部１５により抽出した各被測定点までの正規の距
離データを用いて、被測定物５の３次元形状データを作
成する。なお、３次元形状測定装置を構成する各機能部
（レーザー変位計６、位置設定変更部１〜３、７〜１
０、検出部、記憶部１４、演算処理部１５、形状データ
作成部１６など）の制御は制御部１７により行う。

【００３３】本実施例の３次元形状測定装置によれば、
複雑な自由曲面形状を有する被測定物を高精度に測定す
ることができた。

【００３４】

【発明の効果】以上のように、本発明の３次元形状測定
装置によれば、複雑な自由曲面形状を有する被測定物で
も高精度な測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、実施例の３次元形状測定装置の全体構成を
模式的に示す図である。

【図２】は、本発明にかかる複数のスキャン方法を説明
するための概念図である。

【図３】は、本発明にかかる重複領域における距離デー
タの加重平均の方法を説明するための概念図である。

【符号の説明】

１・・θステージ ２・・Ｘステージ ３・・Ｙステージ ４・・ホルダー ５・・被測定物 ６・・レーザ変位計（光距離測定器の一例） ７・・アーム ８・・回転軸 ９・・保持部材 １０・・Ｚステージ １１・・センサ駆動回路 １２・・モータ駆動回路 １３・・入力部 １４・・記憶部 １５・・演算処理部 １６・・形状データ作成部 １７・・制御部 １８・・ＣＡＤ装置 以上

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも、 被測定物の各被測定点に対して光を照射する照射部と、
   前記照射された光による前記各被測定点からの反射光を
   受光する受光部とを備え、前記各被測定点までの距離を
   測定する光距離測定器と、 前記被測定物と前記光距離測定器との間の相対位置を設
   定・変更して前記被測定点を設定・変更する位置設定変
   更部であり、所定の同一被測定点を測定するときの前記
   光距離測定器の相対位置が複数となるように設定可能な
   位置設定変更部と、 前記各相対位置を検出する検出部と、 前記光距離測定器により測定された各被測定点までの距
   離データのうち、同一被測定点に対する距離データが一
   つのときには、そのデータを正規の距離データとして抽
   出する第１機能と、同一被測定点に対する距離データが
   複数のときには該複数の距離データを加重平均した値を
   算出することにより前記被測定点の正規データとして抽
   出する第２機能を有する演算処理部と、 前記検出部により検出した各相対位置のデータと、前記
   演算処理部により抽出した各被測定点までの正規の距離
   データを用いて、前記被測定物の３次元形状データを作
   成する形状データ作成部と、を備えた３次元形状測定装
   置。
2. 【請求項２】 前記光距離測定器、位置設定変更部、検
   出部、演算処理部、及び形状データ作成部の動作を制御
   する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１記
   載の３次元形状測定装置。
3. 【請求項３】 少なくとも、 被測定物の各被測定点に対して光を照射する照射部と、
   前記照射された光による前記各被測定点からの反射光を
   受光する受光部とを備え、前記各被測定点までの距離を
   測定する光距離測定器と、 前記被測定物と前記光距離測定器との間の相対位置を設
   定・変更して前記被測定点を設定・変更する位置設定変
   更部であり、所定の同一被測定点を測定するときの前記
   光距離測定器の相対位置が複数となるように設定可能な
   位置設定変更部と、 前記各相対位置を検出する検出部と、 前記光距離測定器により測定した各被測定点までの距離
   データを記憶する第１機能、及び前記検出部により検出
   した各相対位置を記憶する第２機能を有する記憶部と、 前記記憶部に記憶された各被測定点までの距離データの
   うち、同一被測定点に対する距離データが一つのときに
   は、そのデータを正規の距離データとして抽出する第１
   機能と、同一被測定点に対する距離データが複数のとき
   には該複数の距離データを加重平均した値を算出するこ
   とにより前記被測定点の正規データとして抽出する第２
   機能を有する演算処理部と、 前記検出部により検出した各相対位置のデータと、前記
   演算処理部により抽出した各被測定点までの正規の距離
   データを用いて、前記被測定物の３次元形状データを作
   成する形状データ作成部と、を備えた３次元形状測定装
   置。
4. 【請求項４】 前記光距離測定器、位置設定変更部、検
   出部、記憶部、演算処理部、及び形状データ作成部の動
   作を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請
   求項３記載の３次元形状測定装置。