(57)【要約】【課題】  光学的な手段を利用して対象物内面の形状を非接触で測定する方法とこの方法を用いた測定装置について提供すること。【解決手段】  各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品や人体の口腔などの生体器官の内部を測定対象としその対象内面３の断面形状を測定するに当り、測定する内面の所定位置に光ビームSbを円盤状に照射し、その照射光Sbによる内面形状を表わす光跡を撮像センサ２により撮影して前記光跡の画像データを蓄積し、蓄積した光跡画像のデータから前記撮像センサ２を含む撮影系の基準位置と測定対象内面３との距離を算出して当該内面３の形状Ipを測定すること。【選択図】図１
2007285891.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品や人体の口腔などの生体器官の内部を測定対象としその対象内面の断面形状を測定するに当り、測定する内面の所定位置に光ビームを円盤状に照射し、その照射光による内面形状を表わす光跡を撮像センサにより撮影して前記光跡の画像データを蓄積し、蓄積した光跡画像のデータから前記撮像センサを含む撮影系の基準位置と測定対象内面との距離を算出して当該内面の形状を測定することを特徴とする内面形状測定方法。
【請求項２】
各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品や人体の口腔などの生体器官の内部を測定対象としその内面形状を測定する装置において、測定対象の所定位置に光ビームを円盤状に広げて照射する手段と、照射した光ビームにより測定対象の内面をセクショニングすることによって得られる前記対象の断面光跡を撮影する撮影手段と、撮影した光跡画像の座標データから撮影光学系の基準位置と測定対象内面との距離を算出する距離算出手段とを備えたことを特徴とする内面形状測定装置。
【請求項３】
前記光跡撮影手段は、光源の光を円錐ミラー又は円錐プリズムにより光シート状に照射する光学系と撮像センサ型の撮影手段により構成し、前記光学系と撮影手段を一緒に移動させるようにしておき、対象内面に対しその内面形状の測定を一断面について行った後、前記光学系と撮影手段を逐次的に移動させ、各移動位置における内面形状を次々と測定するようにした請求項２に記載の内面形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品、或は、人体の口腔など生体器官の内部形状を非接触で測定する方法並びにその方法を用いた測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な物体の内部形状の測定は、各種パイプの内径測定をはじめとしてエンジンなどの内部形状の測定など多くの工業分野において高い需要がある。また、工業用に限らず、例えば医学や歯学の分野にあっても口腔内形状や胃の内部形状などについての測定要求がある。しかも、これらの測定では対象物の内面に接触しないで測定すること（非接触測定）が望まれている。
【０００３】
しかし乍ら、これまでには内部形状を非接触で測定したり観測する適切な測定手法が見つからないために、対象物の内面に触れながら計測する方式やファイバースコープなどにより観察して検査するなどの方法がとられてきた（特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００４−１０１１９０号公報
【特許文献２】特開平１１−２３２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで本発明は、光学的な手段を利用して対象物内面の形状を非接触で測定する方法とこの方法を用いた測定装置について提供することを課題とする。
即ち、シート状の光の帯によって対象物の内部を照明し、そのシート状の光によりいわゆる光切断された対象物の断面（内面）をCCDなどのイメージセンサ（以下、撮像センサともいう）によって捉え、これにより当該対象物の内径や内部形状を非接触で測定する方法と、この方法を用いた測定装置を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明による内部形状の測定方法の構成は、各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品や人体の口腔などの生体器官の内部を測定対象としその対象内面の断面形状を測定するに当り、測定する内面の所定位置に光ビームを円盤状に照射し、その照射光による内面形状を表わす光跡を撮像センサにより撮影して前記光跡の画像データを蓄積し、蓄積した光跡画像のデータから前記撮像センサを含む撮影系の基準位置と測定対象内面との距離を算出して当該内面の形状を測定することを特徴とするものである。
【０００６】
次に、上記課題を解決することができる本発明による内部形状の測定装置の構成は、各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品や人体の口腔などの生体器官の内部を測定対象としその内面形状を測定する装置において、測定対象の所定位置に光ビームを円盤状に広げて照射する手段と、照射した光ビームにより測定対象の内面をセクショニングすることによって得られる前記対象の断面光跡を撮影する撮影手段と、撮影した光跡画像の座標データから撮影光学系の基準位置と測定対象内面との距離を算出する距離算出手段とを備えたことを特徴とするものである。
【０００７】
上記の測定装置において光跡撮影手段は、光源の光を円錐ミラー又は円錐プリズムにより光シート状に照射する光学系と撮像センサ型の撮影手段により構成し、前記光学系と撮影手段を一緒に移動させるようにしておき、対象内面に対しその内面形状の測定を一断面について行った後、前記光学系と撮影手段を逐次的に移動させ、各移動位置における内面形状を次々と測定するようにした。本明細書では、光シート状の照射を光ビームの円盤状照射ともいう。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、対象物の内面（断面）形状の測定において、測定対象内面の所定位置に光ビームを円盤状に照射して光ビームを円周方向に走査させることなく撮影を行い、内面形状を表わす光跡を瞬時に捉えてその光跡の画像データを蓄積し、撮影した光跡画像のデータから撮影系の基準位置と測定対象内面との距離を算出して当該内面の形状を測定するようにしたから、物体の内面形状（内径を含む）を非接触方式で容易に測定することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に本発明の実施の形態例について添付した図を参照しつつ説明する。
添付図において、図１は本発明の内部形状測定における測定原理を説明するために模式的に表した側断面図、図２は同じく測定原理を説明するための側断面図、図３は本発明の内部形状測定装置の一例を説明するための側断面図、図４は本発明で使用する円盤状ビームの発生原理を説明するための側面図、図５は本発明により測定した内面形状の測定例を説明するための斜視図である。
【００１０】
図１，図２において、１はレーザ光などを光源としてシート状の光の帯（以下、シート光という）を生成するデバイス（以下、光源部１又は光源１という）であり、図４(a)に示す円錐ミラーeMや図４(b)に示す円錐プリズムePを用いて光源１の光ビームをシート状光Sb（又は円盤状の光Sb）に変換して出力する手段である。
【００１１】
２は、前記のシート状光Sbが対象物の内面に照射されて形成する線状の切断面、いわゆる光切断面を捉えるためのイメージセンサであり、CCDカメラやデジタルカメラなどの撮像センサを利用する。前記シート状光Sbは測定対象の内部３（又は内面３）に光のシート（帯）による断面線、つまり光切断面を形成する。
【００１２】
この光切断面を上記の撮像センサ（以下、カメラ２という）で捉え（撮影し）、対象内面上の点Ａ，Ｂ（図１，図２参照）などの座標を算出する場合について述べる。
【００１３】
図１において、いま、光源部１から対象内面３の上方へ向け照射されるシート状光Sbがその軸Ｇに直角であれば、対象内面３の点Ａに当たり、その一点Ａがカメラ２により捉えられ（撮影され）、そのときに見込まれる角度φが得られる。その結果、カメラ２と光源部１との間の距離がｌと設定されていれば、図１の点Qからの距離QA＝rが算出できる。
【００１４】
ここで、光源部１の代表位置をＰ、カメラ２の代表位置をＣで表すこととし、またカメラ２と光源部１の軸間距離はΔz離れているものとする。ここで、光源部１の光学素子（たとえば円錐型ミラーeMやプリズムeP）の精度が十分でなかったり、あるいは光学系の調整が厳密でない場合には、出射する光が光軸Ｇに直角でなく角度θ傾いて出射することとなって、光は点Ａではなくて点Ｂに至ることとなる。この結果、点Ａではなく点Ｂが測定されることとなる。すなわち図１に示すように点Ａではなくて、点ＡからΔr，Δlだけ離れた点Ｂを測定することとなる。
【００１５】
この場合，図１から次の関係式（１），（２）が成り立つ。
【００１６】
【数１】
2007285891.tif 000003
【００１７】
【数２】
2007285891.tif 000004
【００１８】
ここで、角度φは点Ｂをカメラ２から見込む角度である。本来ならばカメラ２からの角度φ0となる点Ａを測定したいのであるが、実際は点Ｂが測定されることとなる。
また、角度θは既知であり、カメラ２と光源部１の距離ｌ（QC）や光軸間距離Δz（(PQ)も設定値として既知である。しかし、角度θや光軸間距離Δzが存在するために点Aと点Bとの差Δr，Δlが生じてしまう。そこでこの場合に測定される点Ｂのカメラ軸からの距離r+Δrを求める。
これは上記の式（１）と式（2）とから簡単に次の式（３）により計算できる。
【００１９】
【数３】
2007285891.tif 000005
【００２０】
このことは光源部１のビーム出射角である角度θが大きく影響することを示しており，距離Δrと距離Δlの関係は未知なのでθが大きくなると点Ａとは離れた点Ｂが測定されてしまうことを示している。一方、図１からも容易に判るように、式（４）の関係があるので、式（３）と式（１）から次の式（５）と同（６）が得られる。
【００２１】
【数４】
2007285891.tif 000006
【００２２】
【数５】
2007285891.tif 000007
【００２３】
【数６】
2007285891.tif 000008
【００２４】
これは式（３）から判るように、角度θが0であれば、式（４）になり、このことは図２からも容易に判る。
【００２５】
ここで、もしも角度θが小さくできれば、式（５），（６）は次の式（７），（８）近似できる。
【００２６】
【数７】
2007285891.tif 000009
【００２７】
【数８】
2007285891.tif 000010
【００２８】
このことは、角度θが0、すなわち光ビームが光軸Ｇに直角に出射するようにすれば距離ΔlやΔrは０とみなせることとなって、正確な内面の径が測定できることを意味している。
【００２９】
以上のことから，実際的な応用のためにはビーム出射角θをできるだけ微小とすることが，距離Δlや距離Δrを生じさせないために大切である。またカメラ２の光軸と光源部１の光軸との軸間距離Δｚも小さくするような配置を行えば、内径が小さい場合にも測定装置を挿入し易くなるし、光源部１によって光切断面がケラレて観測できなくなることとも防ぐことができる。この場合には、測定装置の光学系は図２のようになる。
【００３０】
図２の場合は上記の式において距離Δｚが小さい場合に相当し、さらに光源部１の出射光の誤差角度θも小さくできれば、式（４）によって点Ａまでの距離，すなわち内径や内部形状を知ることができることを意味している。
【００３１】
実際には、光源部１からの光が光軸Ｇに可能な限り直角に出射するようにするとともに，光源部１とカメラ２の光軸も一致させるように配置することが望ましい。このときに距離Δlと距離Δrは0となるので正確に点Ａを特定することができるからである。
【００３２】
本発明では、図３に示すように測定装置を構成し、光ビーム（シート状光Sb）によって光切断された内面３上の複数点の座標データを次々に算出していけば、光切断ライン上の内面形状が得られる。そこで、さらこのカメラ２と光源部１を移動させれば、次々と内面３の断面形状を得ることができる。
【００３３】
なお、シート状光Sbを照射する光源部１に関しては，いくつかのリングビーム光源が知られている。そうした光源部１の原理を図４(a)と図４(b)に示す。
即ち、図４(a)，(b)はリングビームを発生させるための光源部１の原理を示している。いずれも円錐状のミラーeMあるいはプリズムePを利用しており、円錐部の頂点によって光ビームが反射されるとともにリング状（円盤状）に広がるように工夫されている。図４(a)は円錐状のミラーの頂点に光ビームが当たると、円盤状にビームが広がることを利用している。また図４(b)では円錐状に空隙があるプリズムが使われており、光は同様に円盤状（リング状）に広がる。なお、図４(b)の場合において、円錐状の空隙部の表面に反射コーティングを施せば図４(a)と同じ反射ミラーとなる。
【００３４】
実際に本発明方法により測定を行った場合の例を図５に示す。すなわち図３に示すように光源部１とカメラ部２とを図の矢印方向に移動し、かつ、内面の奥行方向に移動することによって、図５に示すように対象の測定した内面形状Ip（切断面形状Ipともいう）を次々と得ることが可能となる。以上によって物体の内面形状や内径を測定することが可能となるのである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は以上の通りであって、各種の管やエンジンブロックなどの内部空間を有する工業製品や人体の口腔などの生体器官の内部を測定対象としその対象内面の断面形状を測定するに当り、測定する内面の所定位置に光ビームを円盤状に照射し、その照射光による内面形状を表わす光跡を撮像センサにより撮影して前記光跡の画像データを蓄積し、蓄積した光跡画像のデータから撮影系の基準位置と測定対象内面との距離を算出して当該内面の形状を測定するようにしたので、工業分野，民生分野に限られず、様々な対象の内面（断面）形状を非接触で容易に測定することができるので、産業上きわめて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の内部形状測定における本発明の測定原理を説明するために模式的に表した側断面図。
【図２】図１と同じく本発明の測定原理を説明するための側断面図。
【図３】本発明の内部形状測定装置の一例を説明するための側断面図。
【図４】本発明で使用する円盤状ビームの発生原理を説明するための側面図。
【図５】本発明により測定した内面形状の測定例を説明するための斜視図。
【符号の説明】
【００３７】
１    光源部
２    カメラ
３    測定対象の内面
Sb    シート状光
Ip    測定した内面形状
Ｇ    光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007285891.tif 000015