(57)【要約】【課題】  従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。【解決手段】  本発明に係る測定装置は、第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する軸を中心に被測定物と前記送光部とを相対的に回転させる回転部と、前記被測定物で反射した前記光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを設けた。【選択図】    図１
2008164571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、
第１の方向に光を送光する送光部と、
前記第１の方向と略直交する軸を中心に被測定物と前記送光部とを相対的に回転させる回転部と、
前記被測定物で反射した前記光を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部と
を備えることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の測定装置において、
前記被測定物と前記送光部とを前記第１の方向と略直交する方向に相対移動させる移動部をさらに備え、
前記形状測定部は、前記被測定物と前記送光部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の３次元形状を測定すること
を特徴とする測定装置。
【請求項３】
請求項２に記載の測定装置において、
前記回転部は、前記送光部を固定して、前記被測定物を回転すること
を特徴とする測定装置。
【請求項４】
請求項２に記載の測定装置において、
前記移動部は、前記被測定物を固定して、前記送光部を移動すること
を特徴とする測定装置。
【請求項５】
請求項２に記載の測定装置において、
前記移動部は、前記送光部を固定して、前記被測定物を移動すること
を特徴とする測定装置。
【請求項６】
請求項３に記載の測定装置において、
前記移動部は、前記被測定物を固定して、前記送光部を移動すること
を特徴とする測定装置。
【請求項７】
請求項３に記載の測定装置において、
前記移動部は、前記送光部を固定して、前記被測定物を移動すること
を特徴とする測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の三次元形状を測定する測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、等高線を利用して物体の三次元形状を測定する方法として、モアレ法が知られている。モアレ法は、照明装置から縞パターンを物体に投影し、さらに別の縞パターンを介して観測されるモアレパターンから、物体形状に沿った等高線を求め、物体の三次元形状を得る方法である（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−２０６１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来技術によるモアレ法は、モアレパターンから等高線を求めるために複雑な演算を行う必要があった。さらに、高低差のある物体の等高線を一度に求めるため、物体の高低差によって誤差が生じるという問題があった。
本発明の目的は、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な測定ができる測定装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に係る測定装置は、立体状の被測定物の形状を測定する測定装置であって、第１の方向に光を送光する送光部と、前記第１の方向と略直交する軸を中心に被測定物と前記送光部とを相対的に回転させる回転部と、前記被測定物で反射した前記光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の形状を測定する形状測定部とを備えることを特徴とする。
【０００５】
さらに、前記被測定物と前記送光部とを前記第１の方向と略直交する方向に相対移動させる移動部をさらに備え、前記形状測定部は、前記被測定物と前記送光部との相対位置を変化させた時の前記検出部の検出結果に基づいて、前記被測定物の３次元形状を測定することを特徴とする。
特に、前記回転部は、前記送光部を固定して、前記被測定物を回転することを特徴とする。
【０００６】
また、前記移動部は、前記被測定物を固定して、前記送光部を移動することを特徴とする。
或いは、前記移動部は、前記送光部を固定して、前記被測定物を移動することを特徴とする。
または、前記移動部は、前記被測定物を固定して、前記送光部を移動することを特徴とする。
【０００７】
或いは、前記移動部は、前記送光部を固定して、前記被測定物を移動することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、物体の三次元形状を高精度に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の各実施形態について詳しく説明する。
（第１の実施形態）
図１は第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１のブロック図である。三次元形状測定装置１０１は、立体状の物体の外側形状を所定の高さ毎に測定して等高線を求め、求めた等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築する装置で、投光部１０２と、投光移動部１０３と、投光固定部１０４と、回転ステージ１０５と、ステージ固定部１０６と、被測定物１０８を載せる測定台１０７と、撮像部１０９と、画像処理部１１０と、パソコン１１１とで構成される。
【００１０】
投光部１０２は、被測定物１０８に目印となる光の像を投影する。目印になればどんな形状の像を投影してもかまわないが、撮像部１０９で撮影した画像の中で認識し易い丸などの基本形状が好ましい。また、被測定物１０８の形状が様々であるため、被測定物１０８上の投影位置までの距離が変化しても、投影される像は可能な限り焦点が合っていることが望ましい。つまり、投影される像側の焦点深度が深い方が好ましく、光学系のＮＡ（Ｎumerical Ａperture：開口数)は小さい方が有利である。このような理由から、特別な光学系を準備する必要がないレーザビームの使用が好ましく、装置構成がコンパクトになる。
【００１１】
投光移動部１０３と投光固定部１０４は、画像処理部１１０からの制御に基づいて、投光移動部１０３の上端に固定された投光部１０２を上下に移動する。
回転ステージ１０５とステージ固定部１０６は、画像処理部１１０からの制御に基づいて、ステージ固定部１０６上の回転ステージ１０５を回転させる。つまり、回転ステージ１０５の上に固定されている投光固定部１０４および投光移動部１０３を介して、投光部１０２は測定台１０７の上に載せた被測定物１０８の周囲を同じ高さで回転する。
【００１２】
例えば、投光移動部１０３をある高さに移動した状態で、投光部１０２から照射された光１５１は、被測定物１０８に当たって点像を作る。被測定物１０８上に投影された点像は、撮像部１０９の受光面で結像される。尚、撮像部１０９の被測定物１０８側には、図面では省略されているが撮影用の光学系が配置され、被測定物１０８の移動範囲において、撮像部１０９の受光面に結像するように予め調整されている。
【００１３】
撮像部１０９の受光面に結像された光は画像データに変換され、ケーブル１１２を介して画像処理部１１０に出力される。
画像処理部１１０は、撮像部１０９から画像データを受け取ると共に、ケーブル１１３を介して接続されている投光固定部１０４に指令を送り、投光部１０２を載せた投光移動部１０３を撮像部１０９方向に所定ピッチで上下させる。つまり、被測定物１０８と投光部１０２との相対位置を変化させる。そして、投光移動部１０３を所定ピッチで上下させ、被測定物１０８の所定の高さ毎に撮像部１０９から画像データを入力する。この時、所定の高さ毎に、画像処理部１１０はケーブル１１４を介してステージ固定部１０６に指令を送り、回転ステージ１０５を所定の回転ピッチで１回転させる。画像処理部１１０は回転ステージ１０５の所定角度毎に撮像部１０９から画像データを入力する。つまり、回転ステージ１０５が１回転する間に、撮像部１０９は所定の角度毎に画像を撮影し、画像データを画像処理部１１０に出力する。画像処理部１１０は、入力した１回転分の画像データを処理して、所定の高さにおける被測定物１０８の外側形状を求める。尚、外側形状の求め方については、後で詳しく説明する。
【００１４】
ここで、被測定物１０８を載せている測定台１０７の上面と、回転ステージ１０５の上面と、投光部１０２が回転する面とは、互いに平行な面になるように設置されているので、投光部１０２が同じ高さで１回転して被測定物１０８に投光した光の軌跡は、被測定物１０８の等高線を示していることになる。
次に、三次元形状測定装置１０１の測定の流れについて、図２のフローチャートを用いて詳しく説明する。
（ステップＳ２０１）先ず、被測定物１０８を測定台１０７にセットする。
（ステップＳ２０２）次に、投光移動部１０３の測定レンジ（移動範囲）や測定ピッチ（移動ピッチ）などの測定仕様をパソコン１１１から入力する。パソコン１１１で入力された測定仕様は、ケーブル１１５を介して画像処理部１１０に出力され、画像処理部１１０はケーブル１１３を介して投光固定部１０４に投光移動部１０３を初期位置に移動するよう指令する。例えば、図３（ａ）の測定台１０７の上面からｈ１の高さに投光部１０２の光が投光される位置に投光移動部１０３を移動する。同時に、画像処理部１１０はステージ固定部１０６に回転ステージ１０５を初期位置に移動するよう指令する。以降、回転ステージ１０５は１回転する毎に初期位置に戻る。
（ステップＳ２０３）投光移動部１０３の現在位置で投光部１０２から被測定物１０８に光を投光する。
（ステップＳ２０４）被測定物１０８に投光された光の像を撮像部１０９で撮影し、画像処理部１１０に出力する。
（ステップＳ２０５）回転ステージ１０５を現在位置から所定角度だけ回転させる。
（ステップＳ２０６）回転ステージ１０５が１回転したか否か、つまり初期位置に戻ってきたか否かを判別する。回転ステージ１０５が１回転していない場合は、ステップＳ２０３に戻り、１回転終了した場合は、ステップＳ２０７へ進む。
（ステップＳ２０７）回転ステージ１０５が１回転したら、画像処理部１１０は１回転分の画像データからポインタの軌跡を合成して、その高さでの被測定物１０８の外側形状、つまり等高線を求める。例えば、図３（ｂ）は同図（ａ）のｈ１の高さにおいて、回転ステージ１０５を１回転した時の画像を合成した様子を示しており、各点は所定角度毎に撮影した投光部１０２の投光した光の点を示し、これらの点を結んだ線がその高さでの等高線ｇ１となる。
（ステップＳ２０８）測定仕様に従って、測定が完了したか否かを判断する。例えば、投光移動部１０３が移動範囲の終了位置に達していない場合はステップＳ２０９に進み、終了位置に達している場合はステップＳ２１０に進む。
（ステップＳ２０９）投光移動部１０３を設定された測定ピッチに従って、次の測定位置まで移動する。例えば、図３（ａ）の測定台１０７の上面からｈ２の高さに投光部１０２の光が投光される位置に投光移動部１０３を移動する。移動後、再び、ステップＳ２０３に戻り、その高さでの等高線を求める。例えば、図３（ｂ）で説明したように、同図（ｃ）では測定台１０７上に置かれた被測定物１０８の高さｈ２での等高線ｇ２が求められ、同図（ｄ）では高さｈ３での等高線ｇ３が求められる。
（ステップＳ２１０）移動ステージ１１０が移動範囲の終了位置に達して測定を終了した場合は、画像処理部１１０がステップＳ２０７で求めた高さ毎の等高線を合成して、三次元形状データを作成する。例えば、図３（ａ）に示すように、ステップＳ２０７において、測定台１０７上に置かれた被測定物１０８の高さｈ１，ｈ２およびｈ３の位置での各等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３が求められているので、これらの等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３を合成して、図３（ｅ）に示すような等高線画像が得られる。
（ステップＳ２１１）ステップＳ２１０で求めた等高線画像を高さ情報と合わせて三次元形状データを求める。これを三次元表示すると、例えば、図３（ｆ）に示すような被測定物１０８の三次元形状１０８ａがパソコン１１１の画面に表示される。尚、本フローチャートの説明では、分かり易いように、等高線ｇ１，ｇ２およびｇ３の３つの等高線だけで説明したが、実際には図３（ｆ）の点線で示したように、細かいピッチで投光移動部１０３を上下させて、各高さでの等高線を求めることによって、高精度な被測定物１０８の三次元形状１０８ａを構築することができる。
（ステップＳ２１２）必要に応じて、パソコン１１１では、キーボードやマウスを操作して、画面に表示されている被測定物１０８の任意の位置を指定して、画像処理部１１０から受け取った被測定物１０８の三次元形状データから各部の大きさや長さを求めて表示する。
（ステップＳ２１３）全ての計測を終了する。
【００１５】
このようにして、所定ピッチで投光移動部１０３を上下させ、同時に回転ステージ１０５を回転させて、被測定物１０８に光が当たっている部分の外側形状を抽出し、これらを所定位置毎の等高線として合成することによって、被測定物１０８の三次元形状データを測定することができる。測定した被測定物１０８の三次元形状データは、ケーブル１１５を介してパソコン１１１に送られ、パソコン１１１で被測定物１０８の三次元形状を表示することができる。
【００１６】
尚、本実施形態では、画像処理を行う画像処理部１１０と、三次元形状測定装置１０１全体の操作や測定結果の表示を行うパソコン１１１とを別々に設けたが、パソコン１１１に画像処理部１１０のハードウェアおよびソフトウェアを内蔵するようにしても構わない。或いは、逆に画像処理部１１０に操作部や表示部を設けて、三次元形状測定装置１０１専用の制御部としても構わない。
【００１７】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置１０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、高さを可変しながら測定した所定位置毎の等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築することができるので、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置およびその方法を提供することができる。特に、一度に全ての等高線を得るモアレ法は、物体の高低差によって誤差が大きくなるという問題があったが、本実施形態による三次元形状測定装置および測定方法では、等高線毎に画像を得ることができるので、物体の高低差に依らず高精度な測定が可能になる。
【００１８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る三次元形状測定装置２０１について図４を用いて説明する。三次元形状測定装置２０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、投光固定部１０４と投光移動部１０３がなく、回転ステージ１０５の所定の位置に投光部１０２を固定する固定部２０４が設けられている。さらに、被測定物１０８を載せる測定台１０７の代わりに移動測定台２０２と移動測定台２０２を画像処理部２０５の指令によって上下に移動させる固定測定台２０３が設けられている。
【００１９】
また、画像処理部２０５は、第１の実施形態の画像処理部１１０と基本的に同じ画像処理を行うが、図２のフローチャートにおいて、投光移動部１０３の処理が移動測定台２０２に置き換えられる。つまり、第１の実施形態では、投光移動部１０３の先端に取り付けられている投光部１０２を上下することによって、被測定物１０８に投光する光の高さを可変したが、本実施形態では、移動測定台２０２に載せられた被測定物１０８を上下することによって、被測定物１０８に投光する光の高さを可変する。
【００２０】
上記の点以外は、第１の実施形態と同様に、被測定物１０８に光が当たっている部分の外側形状を抽出し、これらを所定位置毎の等高線として合成することによって、被測定物１０８の三次元形状データを測定する。測定した被測定物１０８の三次元形状データは、ケーブル１１５を介してパソコン１１１に送られ、パソコン１１１で被測定物１０８の三次元形状を表示する。
【００２１】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置２０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、高さを可変しながら測定した所定位置毎の等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築することができるので、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置およびその方法を提供することができる。
【００２２】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係る三次元形状測定装置３０１について図５を用いて説明する。三次元形状測定装置３０１は、第１の実施形態の三次元形状測定装置１０１と基本的な構成は同じであるが、ステージ固定部１０６と回転ステージ１０５がなく、投光固定部１０４は固定ステージ３０２に取り付けられている。さらに、被測定物１０８を載せる測定台１０７は、測定回転ステージ３０３に固定され、測定回転ステージ３０３は画像処理部３０５の指令によって測定ステージ固定部３０４の上で回転するようになっている。
【００２３】
また、画像処理部３０５は、第１の実施形態の画像処理部１１０と基本的に同じ画像処理を行うが、図２のフローチャートにおいて、回転ステージ１０５の処理が測定回転ステージ３０３の処理に置き換えられる。つまり、第１の実施形態では、回転ステージ１０５に投光固定部１０４および投光移動部１０３を介して取り付けられている投光部１０２が被測定物１０８の周囲を回転することによって、被測定物１０８の等高線を求めたが、本実施形態では、測定台１０７に載せられた被測定物１０８を測定回転ステージ３０３で回転することによって、被測定物１０８の等高線を求める。
【００２４】
上記の点以外は、第１の実施形態と同様に、被測定物１０８に光が当たっている部分の外側形状を抽出し、これらを所定の高さ毎の等高線として合成することによって、被測定物１０８の三次元形状データを測定する。測定した被測定物１０８の三次元形状データは、ケーブル１１５を介してパソコン１１１に送られ、パソコン１１１で被測定物１０８の三次元形状を表示する。
【００２５】
このように、本実施形態に係る三次元形状測定装置３０１は、立体状の物体の所定の高さ毎に外側形状を測定して等高線を求め、高さを可変しながら測定した所定位置毎の等高線を合成することによって物体の三次元形状を構築することができるので、簡易な構成で複雑な演算を行うことなく、誤差の少ない高精度な三次元形状測定装置およびその方法を提供することができる。
【００２６】
尚、第１の実施形態では投光部１０２を上下に移動させると共に回転させる構造とし、第２の実施形態では投光部１０２の高さを固定にして回転させると共に被測定物１０８を上下に移動させる構造とした。また、第３の実施形態では投光部１０２を上下に移動させると共に被測定物１０８を回転させる構造とした。これ以外にも、第２および第３の実施形態を組み合わせて、投光部１０２の高さと回転位置を固定にして、被測定物１０８を上下に移動させると共に回転させる構造としても同様に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】第１の実施形態に係る三次元形状測定装置１０１の構成図である。
【図２】三次元形状測定装置１０１の測定手順を示すフローチャートである。
【図３】三次元形状の構築を説明するための補助図である。
【図４】第２の実施形態に係る三次元形状測定装置２０１の構成図である。
【図５】第３の実施形態に係る三次元形状測定装置３０１の構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１，２０１，３０１・・・三次元形状測定装置；１０２・・・投光部；１０３・・・投光移動部；１０４・・・投光固定部；１０５・・・回転ステージ；１０６・・・ステージ固定部；１０７・・・測定台；１０８・・・被測定物；１０９・・・撮像部；１１０，２０５，３０５・・・画像処理部；１１１・・・パソコン；２０２・・・移動測定台；２０３・・・固定測定台；２０４・・・固定部；３０２・・・固定ステージ；３０３・・・測定回転ステージ；３０４・・・測定ステージ固定部
【図１】
2008164571.tif 000003
【図２】
2008164571.tif 000004
【図３】
2008164571.tif 000005
【図４】
2008164571.tif 000006
【図５】
2008164571.tif 000007