(57)【要約】【課題】測定者の位置や姿勢に関わらず、常に、被測定物体の測定結果を目視で確認することができる形状測定装置を提供する。【解決手段】被測定物体５１の形状を測定して測定情報を出力するプローブ１２と、アーム部１１ａ及び２以上の関節部１１ｂを有し、所定の空間内でプローブ１２を移動可能に支持する移動機構部と、関節部１１ｂに設けられ、当該関節部１１ｂが接続するアーム部１１ａ間、若しくは、アーム部１１ａとプローブ１２との角度情報を検出するエンコーダ２１と、表示部３０と、測定情報及び角度情報から、被測定物体５１の形状情報を算出するとともに、この形状情報を表示部３０に出力する制御部２０と、を有する形状測定装置１００において、表示部３０を、測定者の頭部に装着され、この測定者の少なくとも一方の眼前に形状情報を投影する投影部３５を有するヘッドマウントディスプレイで構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物体の形状を測定して測定情報を出力するプローブと、
アーム部、及び、前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとを回転可能に接続する２以上の接続部を有し、所定の空間内で前記プローブを移動可能に支持する移動機構部と、
前記接続部に設けられ、当該接続部が接続する前記アーム部間、若しくは、前記アーム部と前記プローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、
表示部と、
前記測定情報及び前記角度情報から、前記被測定物体の形状情報を算出するとともに、前記形状情報を前記表示部に出力する制御部と、を有し、
前記表示部は、測定者の頭部に装着され、前記測定者の少なくとも一方の眼前に前記形状情報を投影する投影部を有するヘッドマウントディスプレイで構成された形状測定装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記形状情報を表示するときに、当該形状情報を取得した面を正対した視点で表示するように構成された請求項１に記載の形状測定装置。
【請求項３】
前記ヘッドマウントディスプレイは、当該ヘッドマウントディスプレイを装着した測定者の視野方向と略同一方向の画像を取得可能なカメラを有し、
前記制御部は、前記カメラにより前記被測定物体を異なる方位から測定した３枚以上の画像を取得し、当該画像を用いて前記被測定物体の概略形状を生成する、請求項１または２に記載の形状測定装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記プローブの向けられている方向を前記画像の方位として取得し、前記方位を用いて前記画像から前記概略形状を生成する、請求項３に記載の形状測定装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記概略形状に位置整合させて前記形状情報を重ね合わせて前記表示部に表示するように構成された請求項３または４に記載の形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多関節型アームの先端に非接触センサを有するプローブを取り付けた形状測定装置であって、測定者が手動で操作することにより被検査物体の形状を測定するように構成された装置（以下、「マニュアル測定機」と呼ぶ）が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９２４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなマニュアル測定機で被検査物体の形状を測定する場合、特に、レーザスキャンによる非接触測定を行う場合には、被検査物体のどの領域のデータ取得が終了したかを確認するためには、制御装置に接続されたモニタ用の操作画面（表示部の画面）を目視する必要がある。この場合、被測定物体の大きさ、マニュアル測定機との位置関係、又は、被測定物体の測定箇所等により、測定領域と操作画面とを同時に目視することができず、これらの確認に時間がかかり測定効率が悪くなるという課題があった。
【０００５】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、測定者の位置や姿勢に関わらず、常に、被測定物体の測定結果を目視で確認することができる形状測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するために、本発明に係る形状測定装置は、被測定物体の形状を測定して測定情報を出力するプローブと、アーム部、及び、このアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとを回転可能に接続する２以上の接続部を有し、所定の空間内でプローブを移動可能に支持する移動機構部と、接続部に設けられ、当該接続部が接続するアーム部間、若しくは、アーム部とプローブとの角度情報を検出する角度情報検出部と、表示部と、測定情報及び角度情報から、被測定物体の形状情報を算出するとともに、この形状情報を表示部に出力する制御部と、を有し、表示部は、測定者の頭部に装着され、この測定者の少なくとも一方の眼前に形状情報を投影する投影部を有するヘッドマウントディスプレイで構成される。
【０００７】
このような形状測定装置において、制御部は、形状情報を表示するときに、当該形状情報を取得した面を正対した視点で表示するように構成されることが好ましい。
【０００８】
また、このような形状測定装置において、ヘッドマウントディスプレイは、当該ヘッドマウントディスプレイを装着した測定者の視野方向と略同一方向の画像を取得可能なカメラを有し、制御部は、このカメラにより被測定物体を異なる方位から測定した３枚以上の画像を取得し、当該画像を用いて被測定物体の概略形状を生成するように構成されることが好ましい。
【０００９】
このとき、制御部は、プローブの向けられている方向を画像の方位として取得し、この方位を用いて画像から概略形状を生成するように構成されることが好ましい。
【００１０】
またこのとき、制御部は、概略形状に位置整合させて形状情報を重ね合わせて表示部に表示するように構成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る形状測定装置を以上のように構成すると、測定者の位置や姿勢に関わらず、被測定物体の測定結果を目視で確認することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】形状測定装置の構成を示す説明図である。
【図２】形状測定装置の制御部の基本的な構成を示すブロック図である。
【図３】プローブに設けられた光学式センサの構成を示す説明図である。
【図４】形状測定装置による形状測定処理を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの構成を示す説明図である。
【図６】第２の実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの構成を示す説明図である。
【図７】第２の実施形態に係る制御部の構成を示すブロック図である。
【図８】概略形状取得処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１〜図３を用いて、本実施形態に係る形状測定装置の構成について説明する。この形状測定装置１００は、例えば、ステージ５０上に載置された被測定物体５１の形状を測定する形状測定部１０と、この形状測定部１０から出力される角度情報及び測定情報に基づいて被測定物体５１に関する形状情報を算出する制御部２０と、算出された形状情報を、例えば、３次元画像にして出力するための表示部３０と、を有して構成される。なお、被測定物体５１は、ステージ５０上に載置されていなくても測定可能である。また、この形状測定装置１００は、測定者が形状測定部１０を操作して被測定物体５１の形状情報を取得するように構成されたマニュアル測定機である。
【００１４】
形状測定部１０は、複数のアーム部１１ａを複数の関節部（接続部）１１ｂで接続した多関節構造の移動機構部１１と、この移動機構部１１の先端部（最も先端側に位置するアーム部１１ａの先端部）に対して取付部１４を介して着脱可能に構成されたプローブ１２と、移動機構部１１の基端部（最も基端側に位置するアーム部１１ａの基端部）が取り付けられた基台１３と、を有して構成される。なお、関節部１１ｂは、アーム部１１ａ同士を繋ぎ、一方のアーム部１１ａに対して他方のアーム部１１ａを回転させる（揺動させる）ものや、基台１３に対して基端側のアーム部１１ａを接地面に垂直方向の軸を中心に回転させるもの、若しくは、取付部１４に取り付けられたプローブ１２を、先端側のアーム部１１ａに対して揺動させたり、回転させたりするものがある。
【００１５】
関節部１１ｂの回転軸の各々には、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対して、この関節部１１ｂに接続された先端側に位置するアーム部１１ａ若しくはプローブ１２のなす角度を検出するためにこの回転軸の回転量を計測するエンコーダ（角度情報検出部）２１が取り付けられており、これらのエンコーダ２１による計測値（以下、「角度情報」と呼ぶ）は、図２に示すように、制御部２０に出力される。
【００１６】
一方、プローブ１２には、図３に示すように、レーザーダイオード等の光源４１と、この光源４１から放射された光をシリンドリカルレンズ等のトーリックレンズ光学系によりライン光としてステージ５０上の被測定物体５１に照射するライン光形成光学系４２と、被測定物体５１に投射されたライン光の像（以下、「ライン像」と呼ぶ）を結像する撮像光学系４３と、このライン像を検出する撮像素子４４と、からなる光学式センサ４０が設けられている。また、図１に示すように、このプローブ１２には、測定者が、被測定物体５１の形状測定の開始及び停止を制御部２０に指示するための操作スイッチ２５が設けられている。なお、光源４１から放射された光をライン光に変換するには、ガルバノスキャナ等によりライン光として照射する構成でも実現可能である。
【００１７】
また、制御部２０には、図２に示すように、この形状測定装置１００による被測定物体５１の形状測定の処理を制御する処理部２２と、エンコーダ２１の各々から出力される角度情報を用いてプローブ１２の空間座標（測定空間内の予め決められた点を原点とする座標であって、以下、「位置情報」と呼ぶ）を演算する位置演算部２３と、撮像素子４４から出力されるライン像（以下、「測定情報」と呼ぶ）及び位置演算部２３から出力される位置情報を用いて、被測定物体５１の形状情報を算出する形状演算部２４と、を有して構成されている。なお、操作スイッチ２５からの出力（操作信号）は処理部２２に入力され、光源４１の点灯・消灯動作は処理部２２により制御される。また、形状演算部２４から出力された形状情報は、例えば、制御部２０に設けられた記憶部２６に記憶され、さらに、この形状情報は処理部２２で処理されて表示部３０に３次元画像として出力される。ここで、測定空間とは、この形状測定装置１００により、プローブ１２を移動させて被測定物体５１の空間座標を取得できる範囲（空間）を指している。また、制御部２０は、例えばコンピュータで実現され、処理部２２、位置演算部２３及び形状演算部２４は、このコンピュータで実行されるプログラムとして実装される。
【００１８】
ここで、アーム部１１ａの長さ等の情報は既知であるため、制御部２０の位置演算部２３は、エンコーダ２１から出力された角度情報に基づいて、基台１３や基端側に位置するアーム部１１ａに対する、先端側に接続されたアーム部１１ａ若しくはプローブ１２の角度を算出することにより、プローブ１２の空間上の３次元座標（空間座標）及び姿勢（以降の説明では、３次元座標と姿勢をまとめて「空間座標」と称する）を求めることができる。また同様に、プローブ１２における光源４１、ライン光形成光学系４２、撮像光学系４３及び撮像素子４４の位置（座標）も既知であるため、形状演算部２４は、三角測量の原理に基づいて撮像素子４４で取得された測定情報（ライン像）を処理することにより、撮像素子４４で撮像できる範囲内にある被測定物体５１の形状（ライン光が投影されている被測定物体５１の形状（例えば、この範囲の離散的に表される測定空間内での座標群として表現される））を演算して求めることができる。
【００１９】
なお、プローブ１２による被測定物体５１の形状情報の取得方法は、上述の光切断による三角測量による方法だけでなく、明視野画像を取得してコンピュータ解析により形状を測定する方法や、ステレオ画像を用いた三角測量による方法等を適宜用いることができる。
【００２０】
次に、この形状測定装置１００を用いて被測定物体５１の形状を測定する方法について図４を用いて説明する。なお、上述の図３において、被測定物体５１をライン光により走査する方向をｘ軸とし、ライン光の長手方向をｙ軸とし、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向をｚ軸とする。操作者は、形状測定装置１００のプローブ１２を操作し、被測定物体５１の測定開始位置にこのプローブ１２を移動させる。そして、測定者は、被測定物体５１に対してプローブ１２を所定の距離及び角度に配置し、操作スイッチ２５をオン操作する。処理部２２は、操作スイッチ２５のオン操作を検知すると（ステップＳ１００）、光源４１を点灯させ、ライン光を被測定物体５０に照射する（ステップＳ１１０）。この状態で、測定者は、被測定物体５１の測定対象面に沿って（図３のｘ軸方向に）プローブ１２を移動させることにより、被測定物体５１の表面を走査する。処理部２２は、操作スイッチ２５がオン操作されると、所定の時間間隔で、位置演算部２３から位置情報を取得し（ステップＳ１２０）、さらに、撮像素子４４から測定情報（ライン像）を取得して形状演算部２４により被測定物体５１の形状情報を取得し（ステップＳ１３０）、その都度、この形状情報を記憶部２６に記憶する（ステップＳ１４０）。処理部２２は、操作スイッチ２５がオフ操作されるまで、この処理を繰り返すため、操作スイッチ２５がオン操作されている間にプローブ１２が走査した範囲の被測定物体５１の形状情報が記憶部２６に記憶される（ステップＳ１５０）。そして、操作スイッチ２５が測定者によりオフ操作されると、処理部２２は光源４１を消灯し（ステップＳ１６０）、それまでに取得した形状情報を記憶部２６から読み出して、被測定物体５１の走査範囲の３次元画像を生成し（ステップＳ１７０）、表示部３０に出力する（ステップＳ１８０）。このように、表示部３０に測定結果である３次元画像を表示することにより、形状情報を適切に取得できたか否かや、被測定物体５１のどの部分の形状情報を取得できたかなどを、測定者は、目視により、適宜確認することができる。
【００２１】
ところで、測定結果（３次元画像）を表示する表示部３０を据え置き型のディスプレイとした場合、被測定物体５１がこの表示部３０より大きい場合に、被測定物体５１と形状測定装置１００との位置により、この被測定物体５１に遮られて表示部３０を測定者が目視できないことがある。また、表示部３０に背を向けて被測定物体５１を測定しなければならない場合も発生する。このような場合、測定者は、被測定物体５１の測定時と表示部３０の目視時に、それぞれ姿勢を変えなければならず、測定効率が悪くなってしまう。そこで、本実施形態に係る形状測定装置１００においては、表示部３０として図５に示すようなヘッドマウントディスプレイを用いている。以下、このようなヘッドマウントディスプレイを用いた形状測定装置１００について説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
ヘッドマウントディスプレイ３０は、左右のヘッドホーン３１，３２が、連結部３３により連結されており、この連結部３３は弾性を有している。このヘッドマウントディスプレイ３０を装着するときには、ヘッドホーン３１，３２により両耳を挟んで連結部３３の弾性により押さえつける形で測定者の頭部に装着する。また、左ヘッドホーン３２には、支持アーム３４が装着時の左右方向を回動軸として上下方向に回動可能に取り付けられており、その先端部には、測定者の左眼（不図示）に画像を投影する投影部３５が取り付けられている。また、右ヘッドホーン３１の外面には、このヘッドマウントディスプレイ３０を操作するための操作部３６が設けられている。このように、形状測定装置１００の表示部３０としてヘッドマウントディスプレイを用いると、測定者は、右眼で被測定物体５１を目視するとともに、この被測定物体５１に重ね合わせて左眼で制御部２０からの出力画像、すなわち、被測定物体５１の測定結果である３次元画像を目視することができる。そのため、この測定者の姿勢に関わらず、常に被測定物体５１と測定結果とを同時に目視することができるので、測定作業の効率を向上させることができる。なお、このヘッドマウントディスプレイ３０と制御部２０との接続は、ケーブルを介した有線接続でも良いし、無線ＬＡＮを用いた無線接続でも良い。
【００２３】
このような表示部３０に表示される３次元画像は、いずれか一方の方向から当該被測定物体５１を見たときの画像である（この方向を以降の説明では「ビュー」と呼ぶ）。そのため、被測定物体５１をある方向から見た側面の形状測定をした後に、別の方向から見た側面の形状測定するときは、ビュー（被測定物体５１に対する視点）をその方向に切り替えて表示しなければ、例えば、既に測定している側面に遮られて表示部３０に表示されない場合がある。このような場合に対応するために、本実施形態に係る形状測定装置１００の制御部２０の処理部２２は、図４に示すように、ステップＳ１８０で、測定結果の３次元画像を表示すると、例えば、表示部３０にビューを切り替えるかどうかのメッセージを表示し、測定者の意志を確認する（ステップＳ１９０）。そして、プローブ１２に設けられた操作スイッチ２５が測定者により操作されてビューを切り替えると判断すると、処理部２２は、ステップＳ１２０〜Ｓ１５０で取得した３次元画像の面に正対する方向にビューを切り替え、このビューからの三次元画像を再度生成し（ステップＳ２００）、表示部３０に再表示する（ステップＳ２１０）。
【００２４】
このように、被測定物体５１の、測定した面に正対するようにビューを切り替えることにより、測定者は、現在測定している箇所を明確に視認することができる。そのため、例えば、現在測定している被測定物体５１の面のうち、既に測定が終了している領域とまだ測定が終了していない領域とを的確に把握することができる。なお、以上の説明では、一回の測定が終了して測定結果の３次元画像を表示する毎に、ビューを切り替えるか否かを測定者に確認しているが、処理部２２により、生成した三次元画像からビューを切り替えるか否かを判断し、自動的に切り替えるように構成することも可能である。また、ビューの切り替え指示は、図４に示す測定処理とは別に、測定者が任意のタイミングで行えるように構成することも可能である。さらに、以上の説明ではビューの切り替えをプローブ１２に設けられた操作スイッチ２５で行う場合について説明したが、ヘッドマウントディスプレイ３０に設けられた操作部３６を用いても良い。また、制御部２０は、形状測定操作の音声ガイダンスを、ヘッドマウントディスプレイ３０のヘッドホーン３１，３２から再生するように構成することも可能である。
【００２５】
［第２の実施形態］
第１の実施形態で説明した形状測定方法によると、測定者が被測定物体５１を測定した結果として、その３次元形状が表示部３０に表示される。そのため、被測定物体５１のどの部分を測定しているのかは、表示された測定結果の画像から測定者が判断しなければならない。そこで、この第２の実施形態に係る形状測定装置１００においては、まず、被測定物体５１の概略形状を取得して表示部３０に表示した状態で形状測定を行い、この概略形状に測定結果を重ね合わせて表示するように構成した場合について説明する。
【００２６】
図６に示すヘッドマントディスプレイ３０′は、第１の実施形態で説明したヘッドマントディスプレイ３０の右ヘッドホーン３１にカメラ３７が取り付けられている場合を示している。ここで、第１の実施形態と同じ構成部材については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。また、このカメラ３７は、測定者の頭部にヘッドマントディスプレイ３０′を装着したときに、測定者の視界と略同一方向を向くように取り付けられている。そして、このカメラ３７の視野は、測定空間内に配置された被測定物体５１の全体を撮影可能に設定されている。なお、図７に示すように、カメラ３７から出力される画像及び操作部３６の操作による操作信号は制御部２０の処理部２２に入力されるように構成されており、これらの画像等から概略形状を生成する処理は、概略形状生成部２７で行われる（この概略形状生成部２７も例えばコンピュータで実行されるプログラムとして実装される）。
【００２７】
それでは、図８を用いて、被測定物体５１の概略形状を取得するための処理について説明する。なお、制御部２０に対する測定者の操作は、ここでは、ヘッドマントディスプレイ３０′の操作部３６から行われるものとして説明するが、測定の開始・終了の指示のように、プローブ１２に設けた操作スイッチ２５から行うように構成することも可能である。
【００２８】
概略形状の取得処理が開始されると、処理部２２は、カメラ３７から出力される画像を表示部３０に表示する（ステップＳ３００）。そして、測定者は、カメラ３７を被測定物体５１に向け、表示部３０に被測定物体５１の画像が表示されるようにする。このとき、カメラ３７が、測定空間において、被測定物体５１をどの方向から見ているのかを検出するために、測定者は、プローブ１２をこの測定者側から被測定物体５１に向くように操作する。上述のように、制御部２０の位置演算部２３は、エンコーダ２１から出力される角度情報を用いてプローブ１２の空間座標を演算することができ、また、このプローブ１２が取り付けられているアーム１１の先端側の空間座標からプローブ１２の方位も演算することができる。そのため、カメラ３７と同じ方向にプローブ１２を向けることにより、処理部２２は、カメラ３７の画像が被測定物体５１をどの方位から撮影しているのかを判断することができる。そして、測定者は、表示部３０に表示される被測定物体５１の画像が、概略形状を取得するための画像として使用できると判断すると、操作部３６を操作して、画像の取得指示を行う。
【００２９】
処理部２２は、操作部３６が操作されて、画像取得の操作信号を検出すると（ステップＳ３１０）、カメラ画像を取得し（ステップＳ３２０）、さらに、上述のようにエンコーダ２１が出力する角度情報（若しくは、位置演算部２３が出力する位置情報）からプローブ１２が向いている方位（方位情報）を取得し（ステップＳ３３０）、これらの情報を記憶部２６に記憶する（ステップＳ３４０）。そして、処理部２２は、操作部３６から画像取得の終了指示がされたかを判定し、終了指示がされていない場合には、ステップＳ３００に戻って別の方位からの被測定物体５１の画像取得を行う（ステップＳ３５０）。一方、画像取得の終了が指示がされた場合には、異なる方位の画像が３枚以上撮影されているか否かを判断し、３枚以上ないときは、同様にステップＳ３００に戻る（ステップＳ３６０）。カメラ３７で撮影された被測定物体５１の画像からこの被測定物体５１の概略形状を算出するためには、少なくとも方位の異なる３枚以上の画像が必要だからである。
【００３０】
ステップＳ３６０で異なる方位の３枚以上の画像が取得されていると判断すると、処理部２２は、これらの画像及び方位情報を記憶部２６から読み出して被測定物体５１の概略形状を生成し（ステップＳ３７０）、これを記憶部２６に記憶し（ステップＳ３８０）、表示部３０に表示する（ステップＳ３９０）。なお、ここで、概略形状とは、例えば、カメラ３７で撮影した画像から被測定物体５１の外形の形状を抽出して３次元画像として合成したものである。
【００３１】
以上のような処理により、被測定物体５１の形状測定の前に、この被測定物体５１の概略形状を取得し、表示部３０に表示することで、測定した形状をこの概略形状と位置整合させて重ね合わせて表示部３０に表示することができるため、測定者は、被測定物体５１のどの領域の形状を取得したかを容易に判断することができ、作業効率を向上させることができる。なお、上記説明では操作部３６を使って各種の入力を行ったが、例えば投影部３５の周囲に視線検出センサを設け、表示部３０に表示される画面内に視線入力可能な表示型スイッチを設けて視線入力で各種入力を行ってもよい。また、カメラ３７は投影部３５に設けることもできる。カメラ３７を投影部３５に設ける場合、支持アーム３４の撓みによってブレが発生しやすくなるため、カメラ３７には所謂ブレ補正機能を備えることが望ましい。また、被測定物体５１に照射されるライン光はスリットを用いて作ることも可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１１  移動機構部    １１ａ  アーム部    １１ｂ  関節部（接続部）
１２  プローブ    ２０  制御部    ２１  エンコーダ（角度情報検出部）
３０，３０′  表示部（ヘッドマウントディスプレイ）
３５  投影部    ３７  カメラ    ５１  被測定物体    １００  形状測定装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
2011112579.tif 000005
【図４】
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【図５】
2011112579.tif 000007
【図６】
2011112579.tif 000008
【図７】
2011112579.tif 000009
【図８】
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