(57)【要約】【課題】計測対象物の姿勢（傾斜方向、傾斜角度）の計測を、より簡素な構成で、より小型でより低コストで実現することができるレーザ計測システムを提供する。【解決手段】計測点までの距離を計測可能なレーザ計測手段とレーザ計測手段の方向と角度あるいは位置を変更可能な変位手段とを有するレーザ計測装置１０と、被計測面ＷＭを撮像した二次元画像の画像データを出力する撮像装置２０と、制御手段４０と、を備え、被計測面上には、多角形を形成するように少なくとも３つの計測点が設定され、制御手段は、計測点にレーザ光が照射されるように変位手段１１を制御してレーザ計測手段１２から計測点までの距離である実測距離を計測することを、それぞれの計測点ＷＰ１〜ＷＰ３に対して実行し、それぞれの計測点と実測距離に基づいて、予め設定した仮想基準面に対する被計測面ＷＭの傾斜方向及び傾斜角度を求める。【選択図】図１
2014163892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物の被計測面に向かってレーザ光を照射して照射したレーザ光が前記被計測面に当たったレーザスポットまでの距離を計測可能なレーザ計測手段と、前記レーザ計測手段から前記被計測面に向かう方向と角度を変更可能な旋回手段あるいは前記被計測面に対する前記レーザ計測手段の位置を移動させることが可能な移動手段の少なくとも一方を有する変位手段と、を有するレーザ計測装置と、
少なくとも前記計測対象物の前記被計測面を撮像した二次元画像の画像データを出力する撮像装置と、
前記撮像装置からの画像データを取り込み、前記レーザ計測手段と前記変位手段とを制御する制御手段と、を備え、
前記計測対象物の概略形状及び前記被計測面の概略形状は、予め前記制御手段に認識されており、
前記被計測面上には、多角形を形成するように少なくとも３つの計測点が設定され、
前記計測点は、前記制御手段にて設定され、あるいは利用者からの入力によって設定され、
前記制御手段は、
前記撮像装置からの画像データに基づいて前記計測対象物の前記被計測面を認識し、
設定された前記計測点にレーザ光が照射されるように前記変位手段を制御して前記レーザ計測手段からレーザ光を照射して前記レーザ計測手段から前記計測点までの距離である実測距離を計測することを、それぞれの前記計測点に対して実行し、
それぞれの前記計測点と前記実測距離に基づいて、予め設定した仮想基準面に対する前記被計測面の傾斜方向及び傾斜角度を求める、
レーザ計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ計測システムであって、
表示手段を備え、
前記計測点は、前記計測対象物の表面を走査するように前記計測対象物の表面に３つ以上が設定され、
前記制御手段は、
前記レーザ計測手段から各計測点までの前記実測距離を計測し、
各計測点を、所定径の円または多角形で表現して前記表示手段に表示し、
各計測点に対応する各円または各多角形の輝度または濃度を、前記実測距離または前記実測距離に基づいた距離が長くなるほど輝度を暗くまたは濃度を濃くして前記表示手段に表示する、
レーザ計測システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載のレーザ計測システムであって、
前記制御手段は、
前記撮像装置からの画像データに基づいて、設定した前記計測点の位置と、実際の前記被計測面上に照射されたレーザ光のレーザスポットの位置と、を一致させるように前記変位手段を制御する、
レーザ計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測対象物の被計測面までの距離を計測可能なレーザ計測装置と、撮像装置と、を備えて被計測面の傾斜状態を計測することが可能なレーザ計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高価なレーザセンサ等を用いて、計測対象物の全体の形状を非常に高速に走査して、計測対象物を短時間で三次元計測できる計測システムが実用化されているが、当該計測システムは、非常に複雑な構造を有してかつ大型であり、数百万円もするような非常に高価なシステムである。
例えば特許文献１に記載された従来技術には、微細構造を有するＬＳＩパッケージの各部を高精度に計測できるように、ＣＣＤカメラとレーザプローブ（レーザ計測装置）を併設した撮像ユニットをＸＹＺ方向に駆動して走査し、ワークの微小変位を高精度に計測可能な非接触三次元測定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−３５１８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば製造ラインにおいて、対象物の姿勢検出や水平出し等が必要な場合、対象となる被計測面の傾斜角度や水平出しを行えばよく、対象物全体の三次元形状の計測までは必要とならない場合がある。
このような場合では、特許文献１に記載された三次元測定装置では、用途に対して必要以上の性能を備えた過剰な設備となり、スペース、コスト、性能が無駄となり、好ましくない。
本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、計測対象物の姿勢（傾斜方向、傾斜角度）の計測を、より簡素な構成で、より小型でより低コストで実現することができるレーザ計測システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ計測システムは次の手段をとる。
まず、本発明の第１の発明は、計測対象物の被計測面に向かってレーザ光を照射して照射したレーザ光が前記被計測面に当たったレーザスポットまでの距離を計測可能なレーザ計測手段と、前記レーザ計測手段から前記被計測面に向かう方向と角度を変更可能な旋回手段あるいは前記被計測面に対する前記レーザ計測手段の位置を移動させることが可能な移動手段の少なくとも一方を有する変位手段と、を有するレーザ計測装置と、少なくとも前記計測対象物の前記被計測面を撮像した二次元画像の画像データを出力する撮像装置と、前記撮像装置からの画像データを取り込み、前記レーザ計測手段と前記変位手段とを制御する制御手段と、を備えたレーザ計測システムである。
前記計測対象物の概略形状及び前記被計測面の概略形状は、予め前記制御手段に認識されており、前記被計測面上には、多角形を形成するように少なくとも３つの計測点が設定され、前記計測点は、前記制御手段にて設定され、あるいは利用者からの入力によって設定されている。
そして、前記制御手段は、前記撮像装置からの画像データに基づいて前記計測対象物の前記被計測面を認識し、設定された前記計測点にレーザ光が照射されるように前記変位手段を制御して前記レーザ計測手段からレーザ光を照射して前記レーザ計測手段から前記計測点までの距離である実測距離を計測することを、それぞれの前記計測点に対して実行し、それぞれの前記計測点と前記実測距離に基づいて、予め設定した仮想基準面に対する前記被計測面の傾斜方向及び傾斜角度を求める。
【０００６】
この第１の発明によれば、被計測面上の少なくとも３点の計測点までの距離のそれぞれをレーザ計測装置にて計測するだけでよいので、比較的簡素なレーザ計測装置と変位装置と撮像装置でよい。従って、より簡素な構成で、より小型でより低コストで、対象物（被計測面）の姿勢（傾斜角度）の計測が可能なレーザ計測システムを実現できる。
【０００７】
次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係るレーザ計測システムであって、表示手段を備え、前記計測点は、前記計測対象物の表面を走査するように前記計測対象物の表面に３つ以上が設定され、前記制御手段は、前記レーザ計測手段から各計測点までの前記実測距離を計測し、各計測点を、所定径の円または多角形で表現して前記表示手段に表示し、各計測点に対応する各円または各多角形の輝度または濃度を、前記実測距離または前記実測距離に基づいた距離が長くなるほど輝度を暗くまたは濃度を濃くして前記表示手段に表示する。
【０００８】
この第２の発明によれば、比較的簡素な構成であるにもかかわらず、計測対象物を走査し、計測点の位置に対応させた円または多角形を、距離に応じて輝度または濃度を変更して表示することで、作業者が感覚的に計測対象物の形状を把握できることを支援することができる。
【０００９】
次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係るレーザ計測システムであって、前記制御手段は、前記撮像装置からの画像データに基づいて、設定した前記計測点の位置と、実際の前記被計測面上に照射されたレーザ光のレーザスポットの位置と、を一致させるように前記変位手段を制御する。
【００１０】
この第３の発明によれば、画像データに基づいて、実際の被計測面のレーザスポットの位置を確認しながらレーザスポットの位置を計測点へと移動させることで、レーザスポットを容易にかつ確実に計測点へと導くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明のレーザ計測システムの全体構成の例を説明する斜視図である。
【図２】変位装置の例を説明する図である。
【図３】制御手段の処理手順の例を説明するフローチャートである。
【図４】（Ａ）は計測対象物の表面を走査した状態の画像データの例を示しており、（Ｂ）は走査した各計測点を円（または多角形）で表現し、距離に応じて各円（または各多角形）の濃淡を変更した画像データの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明を実施するための形態を図面を用いて説明する。なおＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている図において、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸は互いに直交しており、Ｚ軸は鉛直上方を示しており、Ｘ軸とＹ軸は水平方向を示している。
●［レーザ計測システム１の全体構成（図１）］
図１に示すように、レーザ計測システム１は、レーザ計測装置１０、撮像装置２０、制御手段４０にて構成されており、レーザ計測装置１０、撮像装置２０は、テーブル２に載置されている。
【００１３】
レーザ計測装置１０は、テーブル２に固定された支持部材１３と、支持部材１３に保持された変位手段１１と、変位手段１１に取り付けられたレーザ計測手段１２にて構成されている。
レーザ計測手段１２は、レーザ光を計測点に向けて照射し、レーザ計測手段１２から計測点までの距離を計測可能である。
変位手段１１は、図２（Ａ）の例に示すようにレーザ計測手段１２の方向と角度を変更可能な旋回手段１１Ａ、あるいは図２（Ｂ）の例に示すように、レーザ計測手段１２の位置を移動させることが可能な移動手段１１Ｂ、の少なくとも一方である。
なお、図２（Ａ）に示す旋回手段１１Ａは、下方に向けたレーザ計測手段１２の向きを任意の方向に変更可能であり、図２（Ｂ）に示す移動手段１１Ｂは、例えばＸＹステージであり、下方に向けたレーザ計測手段１２におけるＸＹ平面内の位置を任意の位置に移動可能である。また図２（Ａ）及び（Ｂ）では、制御手段４０の記載を省略している。
図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）は、計測対象物Ｗの被計測面ＷＭ上の計測点ＷＰ１〜ＷＰ３のそれぞれに向けて、レーザ計測手段１２からレーザ光を照射した例を示している。
【００１４】
撮像装置２０は、テーブル２に固定された支持部材２３と、支持部材２３に保持された撮像手段２２（ＣＣＤカメラ等）にて構成されている。
また撮像手段２２の光軸２２Ｚは、少なくとも計測対象物Ｗの被計測面ＷＭが撮像される方向に向けられている。
なおテーブル２の色彩は、計測対象物Ｗとは異なる色彩であって画像データ中から背景として除去が容易な色彩であることが好ましい。
そして撮像装置２０は、撮像エリア内の被計測面ＷＭを撮像し、撮像にて得られた画像データ（この場合、二次元画像データ）を制御手段４０に出力する。
【００１５】
制御手段４０は、例えばパーソナルコンピュータであり、撮像装置２０からの画像データを取り込み、変位手段１１及びレーザ計測手段１２を制御可能である。
撮像装置２０は、制御手段４０からの画像要求信号を受信した場合に画像データを出力するようにしてもよいし、制御手段４０からの画像要求信号を受信することなく所定時間間隔で次々と画像データを出力してもよい。本実施の形態では、制御手段４０からの画像要求信号を受信した場合に画像データを出力する例にて説明する。
制御手段４０は、変位手段１１に駆動信号を出力してレーザ計測手段１２の方向及び角度、または位置を変位させ、レーザ計測手段１２に計測開始信号を出力し、レーザ計測手段１２からの検出信号を取り込み、レーザ計測手段１２から計測点までの距離を求めることができる。
【００１６】
本実施の形態の例では、計測対象物Ｗはテーブル２上に載置されている。そして計測対象物Ｗの被計測面ＷＭは、テーブル２に対して傾斜している。なお図１において二点鎖線にて示す傾斜方向ＶＴは、被計測面ＷＭに直交する直線であり、被計測面ＷＭの傾斜方向と傾斜角度を示している。
なお、レーザ計測システム１は、予め設定した仮想基準面に対する被計測面の傾斜方向及び傾斜角度を求めるが、本実施の形態の説明では、テーブル２の表面を仮想基準面に設定した例で説明する。
このように、本実施の形態のレーザ計測システム１は、計測点までの距離を測定する機能を有する程度の比較的安価なレーザ計測手段１２と、二次元画像データを得られる程度の比較的安価な撮像手段２２と、パーソナルコンピュータ等の制御手段４０と、一般的な変位手段１１と、にて非常に簡素な構成で実現されている。しかし、計測対象物Ｗの被計測面ＷＭの傾斜方向及び傾斜角度を求める程度の用途には充分な精度を有しており、特許文献１に記載されたシステムと比較して非常に小型で安価なシステムである。
【００１７】
●［制御手段４０の処理手順（図３）］
次に図３に示すフローチャートを用いて制御手段４０の処理手順を説明する。
ステップＳ１０にて、制御手段４０は、撮像手段２２に画像要求信号を出力し、撮像手段２２から画像データを取り込み、画像データ中に撮像されている計測対象物Ｗ及び被計測面ＷＭを認識し、ステップＳ２０に進む。なお制御手段４０は、計測対象物Ｗの概略形状及び被計測面ＷＭの概略形状を、予め記憶手段に記憶しており、画像データ中の計測対象物Ｗ及び被計測面ＷＭを認識することができる。
【００１８】
ステップＳ２０にて、制御手段４０は、認識した被計測面ＷＭ上に、多角形を形成するように少なくとも３つの計測点を設定し、ステップＳ３０に進む。図１は、被計測面ＷＭ上に三角形を形成するように３点の計測点ＷＰ１〜ＷＰ３を設定した例を示している。計測点は３点を設定することが好ましく、被計測面ＷＭが平面状でない場合であっても、この被計測面上の３点を含む平面の傾斜方向及び傾斜角度を求めることができる。なお本実施の形態の説明では被計測面ＷＭが平面状の場合であって計測点が３点の場合の例を説明する。
予め被計測面上における計測点の位置を記憶手段に記憶させておけば、上記のように被計測面ＷＭを認識した制御手段４０から自動的に実際の被計測面上に計測点を設定することができる。
なお計測点の設定は、作業者からの入力によって行ってもよい。作業者が、制御手段４０の表示手段に表示された被計測面ＷＭの画像を見ながら、マウス等の入力手段を用いて、所望する被計測面上の位置をクリックすることで、計測点を設定できるようにしてもよい。
【００１９】
ステップＳ３０では、制御手段４０は、変位手段１１及びレーザ計測手段１２を制御して、レーザ計測手段１２から各計測点までの距離である各実測距離を求め、ステップＳ４０に進む。
制御手段４０は、レーザ計測手段１２からのレーザ光が計測点ＷＰ１に照射されるように変位手段１１に駆動信号を出力してレーザ計測手段１２の向きあるいは位置を変更した後、レーザ計測手段１２に計測開始信号を出力して撮像手段２２に画像要求信号を出力する。そして制御手段４０は、レーザ計測手段１２から検出信号を取り込み、撮像手段２２から画像データを取り込み、画像データに撮像されているレーザスポットの位置が、設定した計測点ＷＰ１と一致しているか否かを判定する。
レーザスポットの位置が計測点ＷＰ１と一致していない場合は、レーザスポットの位置と計測点ＷＰ１の位置との差を求め、レーザスポットの位置と計測点ＷＰ１の位置とが一致するように再度変位手段１１に駆動信号を出力し、再度、レーザ計測手段１２から検出信号を取り込み、撮像手段２２から画像データを取り込む。
レーザスポットの位置が計測点ＷＰ１と一致している場合は、そのときのレーザ計測手段１２から検出信号に基づいて、計測点ＷＰ１に対する実測距離Ｌ１（レーザ計測手段からレーザスポットまでの距離）を求めて記憶する。
この作業を計測点ＷＰ２、ＷＰ３のそれぞれについても実行し、計測点ＷＰ２に対する実測距離Ｌ２、計測点ＷＰ３に対する実測距離Ｌ３のそれぞれを求めて記憶する。
【００２０】
ステップＳ４０では、求めたそれぞれの実測距離に基づいて、仮想基準面（この場合、テーブル２の表面）に対する被計測面ＷＭの傾斜方向及び傾斜角度（仮想基準面に対する傾斜方向ＶＴの傾斜方向及び傾斜角度）を求め、処理を終了する。
以上の説明では、計測対象物Ｗの形状までは求めずに、計測対象物Ｗの一部の面である被計測面ＷＭの傾斜方向及び傾斜角度を求めたが、以下に説明するように、計測対象物の表面を走査するように多数の計測点を設定すれば、計測対象物の形状を把握することもできる。
【００２１】
●［計測対象物の表面を走査して計測対象物の形状を把握する例（図４）］
例えば制御手段４０は、変位手段１１を制御してレーザ計測手段１２からのレーザ光が当たったレーザスポットの位置を所定方向（Ｘ軸方向やＹ軸方向等）に所定微小量だけ移動させてレーザ計測を行うことを繰り返し、計測対象物の表面を走査する。この場合、制御手段４０は、計測対象物の表面を走査するように３つ以上の多数の計測点を設定する（作業者が３つ以上の計測点を入力してもよい）。
そして制御手段４０は、各計測点ＷＰｎに対する各実測距離Ｌｎを求める。
なお図４（Ａ）に示す画像データの例は、２つの直方体を部分的に重ねた計測対象物の画像に、各計測点のレーザスポットを重ねて表示した例を示しており、走査の様子を示している。
このように、計測対象物の表面の計測点を増やしていけば、被計測面の傾斜方向及び傾斜角度だけでなく、被計測面とは別の面を含めて計測対象物の形状を把握することもできる。
【００２２】
なお図４（Ｂ）の画像の例は、図４（Ａ）に示す画像データから計測点のみを抽出し、各計測点を、所定径の円（または多角形）で表現した例を示している。
さらに、各円（または各多角形）の輝度（または濃度）を、各計測点に対応する実測距離、または実測距離に基づいた距離が長くなるほど暗く（または濃く）表現している。
なお実測距離は、レーザ計測手段１２から計測点までの距離であるが、実測距離に基づいた距離は、例えば光軸２２Ｚ上における撮像手段２２の先端部から各計測点までの距離となるように実測距離から換算した距離等である。
そして作業者は、制御手段の表示手段に表示されて所定径の円（または多角形）の明暗（または濃淡）にて表現された計測対象物の表面を見ることで、計測対象物の形状を感覚的に把握することができる。
【００２３】
以上、本実施の形態にて説明したレーザ計測システム１は、計測対象物の姿勢（傾斜方向、傾斜角度）の計測を、より簡素な構成で、より小型でより低コストで実現することができる。例えば計測対象物の姿勢（傾斜方向、傾斜角度）がわかると、後工程で正確な作業を行うことができる。
また計測対象物の表面を走査するように計測点を増やせば、計測対象物の形状を計測することもできる。
そして、走査した計測点を円（または多角形）で表現し、実測距離（または実測距離に基づいた距離）に応じて、円（または多角形）の輝度（または濃度）を変更して表示することで、計測対象物の形状の把握を容易に行うことができる画像を表示することができる。
【００２４】
本発明のレーザ計測システム１は、本実施の形態で説明した構成、構造、形状、処理手順等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。
また本実施の形態の説明では、変位手段１１として、図２（Ａ）にて旋回手段１１Ａの例を、図２（Ｂ）にて移動手段１１Ｂの例を示したが、旋回手段１１Ａと移動手段１１Ｂの双方を有していてもよい。すなわち変位手段１１は、旋回手段１１Ａと移動手段１１Ｂの少なくとも一方を有していればよい。
また本実施の形態の説明では、テーブル２の表面を仮想基準面としたが、仮想基準面は、任意の面を仮想的に設定することが可能であり、当該仮想基準面に対する傾斜方向、傾斜角度を求めることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１      レーザ計測システム
２      テーブル
１０    レーザ計測装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ    変位手段
１２    レーザ計測手段
２０    撮像装置
２２    撮像手段
２２Ｚ  光軸
４０    制御手段
Ｗ      計測対象物
ＷＭ    被計測面
ＷＰ１〜ＷＰ３    計測点
【図１】
2014163892.tif 000003
【図２】
2014163892.tif 000004
【図３】
2014163892.tif 000005
【図４】
2014163892.tif 000006