(57)【要約】【課題】測定対象物の三次元形状を高速かつ高精度に測定する。【解決手段】測定対象物の三次元形状を測定する測定装置であって、投光部が、測定対象物に対して複数のライン光を投光し、撮像部が、複数のライン光が投光された測定対象物を撮像する。特定部は、測定対象物の造形情報に基づいて、複数のライン光の投光条件を特定し、計算部は、特定された投光条件に基づいて、撮像部が撮像した撮像画像から複数のライン状の形状を算出する。撮像画像から複数のライン状の形状を一括して算出できるため、測定対象物の三次元形状を高速かつ高精度に測定できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の三次元形状を測定する測定装置であって、
前記測定対象物に対して複数のライン光を投光する投光部と、
複数の前記ライン光が投光された前記測定対象物を撮像する撮像部と、
前記測定対象物の造形情報に基づいて、複数のライン光の投光条件を特定する特定部と、
前記投光条件に基づいて、前記撮像部が撮像した撮像画像から複数のライン状の形状を算出する計算部と
を有することを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記投光部として、複数の投光部を備え、各前記投光部は、前記測定対象物に対してそれぞれライン光を投光すること
を特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項３】
前記投光部として、複数の投光部を備え、各前記投光部は、前記測定対象物に対してそれぞれ複数のライン光を投光すること
を特徴とする請求項１に記載の測定装置。
【請求項４】
前記計算部は、光切断法を用いて、複数のライン状の形状を算出すること
を特徴とする請求項１から請求項３のうち、いずれか一項に記載の測定装置。
【請求項５】
造形情報に基づいて、測定対象物の三次元造形を行う造形部と、
前記測定対象物の三次元形状を測定する測定装置と、
を有する造形装置であって、
前記測定装置は、
前記測定対象物に対して複数のライン光を投光する投光部と、
複数の前記ライン光が投光された前記測定対象物を撮像する撮像部と、
前記測定対象物の造形情報に基づいて、複数のライン光の投光条件を特定する特定部と、
前記投光条件に基づいて、前記撮像部が撮像した撮像画像から複数のライン状の形状を算出する計算部と、を有すること
を特徴とする造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定装置及び造形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日において、入力されたデータに基づいて立体造形物を造形する造形装置（いわゆる「三次元プリンタ装置（３Ｄプリンタ装置）」）が知られている。また、造形中の造形物の形状を取得するために、三次元形状計測機能を備えた三次元プリンタ装置も知られている。三次元形状計測機能としては、造形プロセスに対する影響が少ないことから、非接触方式の三次元形状計測機能が多く用いられている。また、非接触方式の三次元形状計測機能としては、光切断方式又はパターン照射方式等が知られている。
【０００３】
特許文献１（特開２０１７−１５４５６号公報）には、測定対象物に複数のスリットレーザ光を同時に照射して、効率よく、高精度に三次元座標を計測可能とした計測システムが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１の計測システムは、造形中の造形物の形状を取得する場合、造形プロセスに影響が出ないように計測時間を短くする必要があった。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、測定対象物の三次元形状を高速かつ高精度に測定可能な測定装置及び造形装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、測定対象物の三次元形状を測定する測定装置であって、測定対象物に対して複数のライン光を投光する投光部と、複数のライン光が投光された測定対象物を撮像する撮像部と、測定対象物の造形情報に基づいて、複数のライン光の投光条件を特定する特定部と、投光条件に基づいて、撮像部が撮像した撮像画像から複数のライン状の形状を算出する計算部とを有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、測定対象物の三次元形状を高速かつ高精度に測定できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施の形態の立体造形システムのシステム構成図である。
【図２】図２は、第１の実施の形態の立体造形システムに設けられている情報処理端末のハードウェア構成図である。
【図３】図３は、情報処理端末のＣＰＵが造形制御プログラムを実行することで実現される各機能の機能ブロック図である。
【図４】図４は、撮像部で撮像された、複数のライン光が投光された測定対象物の撮像画像の一例を示す図である。
【図５】図５は、ライン光の投光条件の特定動作を説明するための図である。
【図６】図６は、第２の実施の形態の立体造形システムにおいて、複数のライン光を投光した測定対象物の撮像画像を示す図である。
【図７】図７は、第３の実施の形態の立体造形システムにおいて、複数のライン光を投光した測定対象物の撮像画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、測定装置及び造形装置を適用した実施の形態の立体造形システムの説明をする。
【００１０】
（システム構成）
まず、図１は、第１の実施の形態の立体造形システム１のシステム構成図である。なお、以下、説明の便宜上、立体造形物の高さ方向をｚ軸方向とし、ｚ軸に直交する面をｘｙ平面として説明を進める。以下、一例として造形材料としてフィラメントを用いる熱溶融積層法の立体造形システム１を説明するが、本発明はこの方式に限られず、種々の方式の立体造形システムに適用可能である。
【００１１】
図１（ａ）に示すように、立体造形システム１は、３次元の立体造形物を造形する造形装置１００と、情報処理端末１５０とを備えている。情報処理端末１５０は、造形する立体造形物の形状データを造形装置１００に対して送信する。造形装置１００は、情報処理端末１５０から受信した立体造形物の形状データに基づいて、立体造形物を造形する。
【００１２】
なお、情報処理端末１５０は、造形装置１００が実行する処理を制御する制御装置として動作させてもよいし、この情報処理端末１５０の機能を造形装置１００に組み込んで動作させてもよい。すなわち、造形装置１００及び情報処理端末１５０は、物理的に別の装置としてそれぞれ動作させてもよいし、造形装置１００として一体的に動作させてもよい。
【００１３】
図１（ｂ）に示すように、造形装置１００は、ｘｙ平面と平行に移動可能な造形部２１０と、造形プレート３３０とを備えている。造形装置１００は、造形部２１０から造形プレート３３０上に造形材料（フィラメント）１４０を吐出し、ｘｙ平面に層形状を造形する。造形装置１００は、１次元の線描を、同一平面内に描画することで、立体造形物のうち１層分の造形層を造形する。
【００１４】
造形装置１００は、１層目の造形層の造形が終了すると、造形プレート３３０をｚ軸に沿う方向に１層分の高さ（積層ピッチ）だけ下げる。その後、造形装置１００は、１層目と同様に造形部２１０を駆動して、２層目の造形層を造形する。造形装置１００は、これらの動作を繰り返すことで、造形層を積層し、立体造形物を造形する。
【００１５】
なお、造形装置１００は、ｘｙ平面において造形部２１０を移動させ、ｚ軸方向に造形プレート３３０を移動させる構成を例に説明したが、上述した構成は本実施形態を限定するものではなく、これ以外の構成であってもよい。
【００１６】
また、造形装置１００は、図１（ｃ）に示すように、造形中の造形層又は造形後の立体造形物の形状を測定するための測定装置として形状センサ３１０を備えている。形状センサ３１０は、立体造形物のｘ軸、ｙ軸およびｚ軸方向の寸法などを測定する。
【００１７】
形状センサ３１０としては、例えば赤外線センサ、カメラ装置又は３Ｄ計測センサ（例えば、光切断プロファイルセンサ）等を用いることができる。すなわち、造形装置１００は、読取装置としても機能する。第１の実施の形態においては、形状センサ３１０として３Ｄ計測センサ（例えば、光切断プロファイルセンサ）を用いた例を説明する。
【００１８】
図３を用いて後述するが、形状センサ３１０（光切断プロファイルセンサ）は、少なくとも投光部３００と撮像部３０１とを備える。投光部３００は、測定対象物に対して複数のライン光を投光する。より具体的には、投光部３００は、パターン光線を測定対象物に投光する。また、撮像部３０１は、投光部３００が投光した複数のライン光が投光された測定対象物を撮像する。より具体的にはパターン光線が投光された測定対象物の２Ｄ画像（カメラ画像）の画像データを取得する。
【００１９】
図１（ｃ）に示すように、形状センサ３１０は、例えば造形部２１０による造形動作に連動して、造形層の形状を測定してもよい。また、形状センサ３１０は、１層の造形層が造形されるごとに、造形層の形状を測定してもよい。なお、形状センサ３１０が、立体造形物の測定を行うタイミング及び範囲は、任意に設定可能である。
【００２０】
（情報処理端末のハードウェア構成）
図２は、情報処理端末１５０のハードウェア構成図である。この図２に示すように、情報処理端末１５０は、ＣＰＵ（Center  Processing  Unit）１５１、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）１５２、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）１５３、ＨＤＤ（ハードディスクドライブ）１５４、操作インタフェース（操作Ｉ／Ｆ）１５５及び通信部１５６を有している。ＨＤＤ１５４には、造形装置１００の造形制御を行うための造形制御プログラムが記憶されている。
【００２１】
（情報処理端末の機能）
ＣＰＵ１５１は、ＨＤＤ１５４に記憶されている造形制御プログラムを実行することで、図３に示すように、造形制御部２００、形状測定制御部２２０、及び、形状データ計算部２５０の各機能を実現する。
【００２２】
造形制御部２００は、造形データに基づいて造形装置１００の造形動作を制御する。具体的には、造形データに基づいて造形命令を生成し、造形装置１００の造形部２１０に供給する。造形命令は、造形部２１０により規定された命令であり、一般的には付加造形の造形プロセス情報を制御するコマンドとなる。
【００２３】
形状測定制御部２２０は、形状センサ３１０を制御する。具体的には、まず、複数ライン光を測定対象物に照射させるための照射命令を、形状センサ３１０の投光部３００に供給する。投光部３００は線状（ライン状）の光線を発生させて測定対象物に対して投光する。一例ではあるが、第１の実施の形態の立体造形システム１の場合、複数本のライン光を投光する。なお、一本のライン光の照射角度を変えて投光することで、複数のライン光を投光する投光形態でもよいし、１本のライン光を投光する光源を複数設けて、複数のライン光を発生させてもよい。また、平面プロジェクター機能を用いて複数のライン光を発生させてもよい。
【００２４】
また、形状測定制御部２２０は、ライン光が投光された測定対象物を撮像するための撮像命令を、形状センサ３１０の撮像部３０１に供給する。撮像部３０１は、複数のライン光が投光された測定対象物を撮像し、この撮像データを形状データ計算部２５０に供給する。投光された複数のライン光を一つの画像として撮像するため、形状測定制御部２２０は、投光部３００への投光命令に同期した撮像部３０１の撮像命令を生成する。
【００２５】
形状データ計算部２５０は、形状データを算出する。また、形状データ計算部２５０は、特定部及び計算部の一例である。特定部は、測定対象物の造形情報に基づいて、複数のライン光の投光条件を特定する。また、計算部は投光条件に基づいて、撮像部が撮像した撮像画像から複数のライン状の形状を算出する。造形データを利用して撮像データ中の複数ライン光のパターンを特定し、例えば光切断法により測定対象物の三次元データ（形状データ）を算出する。
【００２６】
（形状データの計算動作）
図４は、撮像部３０１で撮像された、複数のライン光が投光された測定対象物の撮像画像の一例を示す図である。このうち、図４（ａ）は、造形プレート３３０上に造形された測定対象物３２０の外観を示している。このような測定対象物３２０に対して、図４（ｂ）に示すように、投光部３００から複数のライン光３４０、３４１（一例として、２本のライン光）を測定対象物３２０に投光し、撮像部３１０で撮像する。投光部３００は、投光条件の異なる２つのライン光３４０及びライン光３４１を投光する。このライン光は同時に投光してもよいし、一つの条件ごとに時分割で投光してもよい。なお、投光部３００で投光するライン光の数は２本に限定されることはない。
【００２７】
撮像部３１０は、このように複数のライン光３４０、３４１が投光された測定対象物３２０を撮像することで、例えば図４（ｃ）に示すような撮像データ３５０を生成する。形状データ計算部２５０は、いわゆる光切断法に基づいて撮像データ３５０を距離データに変換する。一般には、光切断法を用いて距離計測を行う場合、一つのライン光を照射し、その画像データに基づいた距離計算処理を行う。
【００２８】
これに対して、第１の実施の形態の立体造形システム１は、複数のライン光３４０、３４１を投光した画像を取得して複数のライン光３４０、３４１の距離データを一括で計算する。このため、撮像データ３５０に含まれる複数のライン光の投光パターンからライン光の照射条件を特定する必要がある。形状データ計算部２５０は、測定対象物３２０に投光された複数のライン光３４０、３４１の投光条件を特定するために造形データを用いている。
【００２９】
すなわち、測定対象物３２０は、造形装置１００で造形された造形物であるため、形状データ計算部２５０では、その理想的な条件で得られる形状データを、測定前に予め取得できる。さらに、形状データ計算部２５０は、その理想形状に対してライン光を投光したときに得られる投光パターン画像（予測パターンデータ）を計算する。さらに、形状データ計算部２５０は、造形装置１００の造形性能で決定される誤差等の「想定し得る範囲の造形誤差」を加味して、予測パターンデータを算出する。
【００３０】
（ライン光の投光条件の特定動作）
次に、撮像データ３５０に含まれる複数のライン光の投光情報を分割整理して、ライン光の投光条件を特定する動作を説明する。図５は、ライン光の投光条件の特定動作を説明するための図である。上述のように、形状データ計算部２５０は、測定対象物３２０の理想的な形状データ及び想定し得る範囲の造形誤差により、ライン光が投光条件毎に投光によって観測される画像を予測した、例えば図５（ａ）に示すような予測パターンデータ３６０を生成する。
【００３１】
測定対象物３２０に２つのライン光３４０，３４１を投光することで、図５（ａ）に示すように、２つの投光条件の予測パターン３６１，３６２を得ることができる。予測パターン３６１，３６２は、上述のように想定し得る範囲の誤差を含んでいる。このため、観測されるライン光の幅よりも大きな幅を有する。
【００３２】
すなわち、第１の投光条件で測定対象物３２０に投光したライン光３４０は、図５（ａ）に示すエリア３６１で観測されることを、予測パターンに基づいて予測できる。具体的には、形状データ計算部２５０は、予測パターンデータと、図６（ｂ）に示す撮像データとを比較することで、ラインＬ２、ラインＬ４及びラインＬ６は、第１の投光条件で投光されたライン光３４０の投光結果であることを特定する。同様に、形状データ計算部２５０は、ラインＬ１、ラインＬ３及びラインＬ５は、第２の投光条件によって投光されたライン光３４１の投光結果であることを特定する。
【００３３】
このように、測定対象物３２０は、造形データに基づいて造形装置１００で造形されるものであるため、測定対象物３２０に投光された複数のライン光３４０、３４１の投光条件を、造形データを用いて分離することができる。このため、一回分の撮像データに基づいて、複数ラインの形状データ（Ｚ方向、高さデータ）をまとめて取得できる。
【００３４】
（第１の実施の形態の効果）
以上の説明から明らかなように、第１の実施の形態の立体造形システム１は、複数のライン光の投光条件の特定のために新たなハードウェアを設けることなく、複数のライン光３４０，３４１を用いて２本のライン状の計測を１枚の画像データで行うことができる。このため、高速な形状計測を安価に実現できる。また、形状データ計算部２５０が、複数のライン光３４０、３４１の距離データを一括で計算しているため、計測時間の短縮化（高速化）を図ることができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態の立体造形システムの説明をする。上述の第１の実施の形態の立体造形システム１の場合、一つの投光部３００から複数のライン光３４０，３４１を投光した例であった。これに対して、第２の実施の形態の立体造形システムは、複数の投光部から一つのライン光を投光する例である。上述の第１の実施の形態と、以下に説明する第２の実施の形態とでは、この点のみが異なる。このため、両者の差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。
【００３６】
図６は、第２の実施の形態の立体造形システムにおいて、複数のライン光を投光した測定対象物の撮像画像を示す図である。このうち、図６（ａ）は、造形プレート３３０上に造形された測定対象物３２０の外観を示している。第２の実施の形態の立体造形システムの場合、図６（ｂ）に示すように、例えば２つの投光部３３０を有している。そして、各投光部３３０から、それぞれ一つのライン光３４０，３４１を測定対象物３２０に投光し、撮像部３１０で撮像する。
【００３７】
形状データ計算部２５０は、上述の予測パターンデータと、図６（ｃ）に示す撮像データとを比較することで、ラインＬ２、ラインＬ４及びラインＬ６は、第１の投光条件で投光されたライン光３４０の投光結果であることを特定する。同様に、形状データ計算部２５０は、ラインＬ１、ラインＬ３及びラインＬ５は、第２の投光条件によって投光されたライン光３４１の投光結果であることを特定する。
【００３８】
このような第２の実施の形態の立体造形システムは、上述の第１の実施の形態と同様に、測定対象物３２０に投光された複数のライン光３４０、３４１の投光条件を、造形データを用いて分離することができる。このため、一回分の撮像データに基づいて、複数ラインの形状データ（Ｚ方向、高さデータ）をまとめて取得できる等、上述の第１の実施の形態と同じ効果を得ることができる。
【００３９】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態の立体造形システムの説明をする。上述の第２の実施の形態の立体造形システムの場合、複数の投光部からそれぞれライン光を投光する例であった。これに対して、第３の実施の形態の立体造形システムは、複数の投光部から、それぞれ複数のライン光を投光する例である。上述の第２の実施の形態と、以下に説明する第３の実施の形態とでは、この点のみが異なる。このため、両者の差異の説明のみ行い、重複説明は省略する。
【００４０】
図７は、第３の実施の形態の立体造形システムにおいて、複数のライン光を投光した測定対象物の撮像画像を示す図である。このうち、図７（ａ）は、造形プレート３３０上に造形された測定対象物３２０の外観を示している。第３の実施の形態の立体造形システムの場合、図７（ｂ）に示すように、例えば２つの投光部３３０を有している。一方の投光部３３０は、２つのライン光３４０，３４２を測定対象物３２０に投光し、他方の投光部３３０は、２つのライン光３４１，３４３を測定対象物３２０に投光する。そして、各ライン光３４０〜３４３が投光された測定対象物３２０を、撮像部３１０で撮像する。
【００４１】
形状データ計算部２５０は、上述の予測パターンデータと、図７（ｃ）に示す撮像データとを比較することで、ラインＬ４、ラインＬ８、ラインＬ１２は、第１の投光条件で投光されたライン光３４０の投光結果であることを特定する。また、形状データ計算部２５０は、ラインＬ３、ラインＬ７、ライン１１は、第１の投光条件で投光されたライン３４２の投光結果であることを特定する。
【００４２】
同様に、形状データ計算部２５０は、ラインＬ１、ラインＬ５、ラインＬ９は、第２の投光条件によって投光されたライン光３４１の投光結果であることを特定し、ラインＬ２、ラインＬ６、ライン１０は、第２の投光条件によって投光されたライン光３４３の投光結果であることを特定する。
【００４３】
このような第３の実施の形態の立体造形システムは、上述の第２の実施の形態と同様に、測定対象物３２０に投光された複数のライン光３４０〜３４３の投光条件を、造形データを用いて分離することができる。このため、一回分の撮像データに基づいて、複数ラインの形状データ（Ｚ方向、高さデータ）をまとめて取得できる等、上述の各実施の形態と同じ効果を得ることができる。
【００４４】
最後に、上述の各実施の形態は、一例として提示したものであり、本発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことも可能である。三次元造形方式としては、例えば熱溶融積層法（ＦＦＦ：Fused  Filament  Fabrication）、マテリアルジェッティング方式、バインダージェッティング方式、粉末焼結積層造形方式（ＳＬＳ：Selective  Laser  Sintering、又は、ＳＬＭ：Selective  Laser  Melting）、光造形方式（レーザ方式又はＤＬＰ（Digital  Light  Projector）方式）等の種々の三次元造形方式が知られているが、いずれの三次元造形方式に対しても本発明は適用可能であり、いずれの場合も上述と同じ効果を得ることができる。また、実施の形態及び実施の形態の変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１  立体造形システム
１００  造形装置
１４０  造形材料（フィラメント）
１５０  情報処理端末
２００  造形制御部
２１０  造形部
２２０  形状測定制御部
２３０  投光部
２４０  撮像部
２５０  形状データ計算部
３００  投光部
３０１  撮像部
３１０  形状センサ
３２０  測定対象物
３３０  造形プレート
３４０  ライン光（条件１）
３４１  ライン光（条件２）
３５０  撮像データ
Ｌ１〜Ｌ１２  輝線パターン
３６０  予測パターンデータ
３６１  第１の投光条件による予測パターン
３６２  第２の投光条件による予測パターン
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４６】
【特許文献１】特開２０１７−１５４５６号公報
【図１】
2020153718.tif 000003
【図２】
2020153718.tif 000004
【図３】
2020153718.tif 000005
【図４】
2020153718.tif 000006
【図５】
2020153718.tif 000007
【図６】
2020153718.tif 000008
【図７】
2020153718.tif 000009