(57)【要約】【課題】計測精度に優れた三次元計測装置を提供すること。【解決手段】対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、対象物へ向けて計測光を射出する光射出部と、計測光を発光する光源を有し、計測光を光射出部に供給する光供給部と、光源と光射出部とを相対移動させる移動部と、計測光が照射された対象物を撮像する撮像部と、撮像部による撮像結果及び移動部による移動結果に基づいて、対象物の三次元形状を求める演算部とを備える。【選択図】図１
2012149912.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、
前記対象物へ向けて計測光を射出する光射出部と、
前記計測光を発光する光源を有し、前記計測光を前記光射出部に供給する光供給部と、
前記光源と前記光射出部とが相対的に移動するように前記光源及び前記光射出部のうち少なくとも一方を移動させる移動部と、
前記計測光が照射された前記対象物を撮像する撮像部と、
前記撮像部による撮像結果及び前記移動部による移動結果に基づいて、前記対象物の三次元形状を求める演算部と
を備える三次元計測装置。
【請求項２】
前記移動部は、
基部及び当該基部に設置されるアーム部と、
前記基部及び前記アーム部のうち少なくとも一方を駆動する駆動部と、を有し、
前記光射出部は、前記アーム部に設けられる
請求項１に記載の三次元計測装置。
【請求項３】
前記光射出部は、前記アーム部の先端に設けられている
請求項２に記載の三次元計測装置。
【請求項４】
前記光源は、前記アーム部のうち前記光射出部が設けられた位置とは異なる位置、及び、前記基部のいずれか一方に設けられている
請求項２又は請求項３に記載の三次元計測装置。
【請求項５】
前記光供給部は、前記アーム部に設けられ前記計測光を導光する導光光学系を有する
請求項２から請求項４のうちいずれか一項に記載の三次元計測装置。
【請求項６】
前記アーム部は、中空部を有し、
前記導光光学系は、前記中空部に設けられている
請求項５に記載の三次元計測装置。
【請求項７】
前記アーム部は、関節部を介して連結された複数の節部を有し、
複数の前記節部は、前記関節部を中心に回動可能に設けられている
請求項２から請求項６のうちいずれか一項に記載の三次元計測装置。
【請求項８】
前記駆動部は、少なくとも１つの前記節部の回動量を検出するエンコーダを有し、
前記演算部は、前記移動結果として前記回動量を用いる
請求項７に記載の三次元計測装置。
【請求項９】
前記撮像部は、前記アーム部のうち前記光射出部が設けられた位置とは異なる位置、及び、前記基部のいずれか一方に設けられている
請求項２から請求項８のうちいずれか一項に記載の三次元計測装置。
【請求項１０】
前記光射出部は、スリット状に形成された光射出口を有する
請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の三次元計測装置。
【請求項１１】
前記光射出部は、前記計測光の射出方向を調整する調整部を有する
請求項１から請求項１０のうちいずれか一項に記載の三次元計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、三次元計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、被検物の形状を三次元で計測する三次元計測装置は、先端にレーザー光を発光する発光部及び反射されたレーザー光を受光する受光部が設けられた検出プローブを有している。このような三次元計測装置では、検出プローブの先端部を計測対象物の有効計測位置まで近づけることにより、任意の方向から計測対象物の計測を行うことができるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−２４３８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記構成においては、先端部に発光部及び受光部が配置される構成であるため検出プローブ自体が一定の大きさを有することになる。この場合、例えば入り組んだ形状の計測対象物を計測する場合や、円筒体の内部を計測する場合などには、検出プローブが計測対象物の一部によって阻まれてしまう場合がある。このため、有効計測位置に検出プローブの先端部を到達させることが困難となり、十分な計測結果が得られないという問題がある。
【０００５】
以上のような事情に鑑み、本発明は、計測精度に優れた三次元計測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】
本発明の第一の態様に従えば、対象物の三次元形状を計測する三次元計測装置であって、対象物へ向けて計測光を射出する光射出部と、計測光を発光する光源を有し、計測光を光射出部に供給する光供給部と、光源と光射出部とが相対的に移動するように光源及び光射出部のうち少なくとも一方を移動させる移動部と、計測光が照射された対象物を撮像する撮像部と、撮像部による撮像結果及び移動部による移動結果に基づいて、対象物の三次元形状を求める演算部とを備える三次元計測装置が提供される。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の態様によれば、計測精度に優れた三次元計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第一実施形態に係る三次元計測装置の全体構成を示す図。
【図２】本実施形態に係る三次元計測装置の一部の構成を示す図。
【図３】本実施形態に係る三次元計測装置の一部の構成を示す図。
【図４】本発明の第二実施形態に係る三次元計測装置の一部の構成を示す図。
【図５】本発明に係る三次元計測装置の他の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［第一実施形態］
以下、図面を参照して、本発明の第一実施形態を説明する。  
図１は、本発明を適用した三次元計測装置の一実施の形態の構成例を示す図である。  
図１に示すように、三次元計測装置１は、計測対象物Ｏへ向けて計測光Ｌを射出する光射出部１０と、計測光Ｌを発光する光源２１を有する光供給部２０と、光源２１と光射出部１０とが相対的に移動するように光射出部１０を移動させる移動部３０と、計測光Ｌが照射された計測対象物Ｏを撮像する撮像部４０と、当該撮像部４０による撮像結果及び移動部３０による移動結果に基づいて計測対象物の三次元形状を求める演算部５０を有する制御装置ＣＯＮＴと、を有している。
【００１０】
移動部３０は、例えば床部などに固定された基部３１と、当該基部３１に取り付けられたアーム部３２と、当該アーム部３２を駆動する駆動部３３とを有している。駆動部３３がアーム部３２を駆動することにより、当該アーム部３２が基部３１に対して相対的に移動することになる。
【００１１】
基部３１は、床面に載置される第一ステージ３１ａと、当該第一ステージ３１ａ上に設けられた第二ステージ３１ｂとを有している。第二ステージ３１ｂは、例えば中空に形成されている。第二ステージ３１ｂの内部には、計測光Ｌを発光する光源２１が設けられている。光源２１は、例えばレーザーダイオードなどの発光素子と、当該発光素子を駆動する駆動基板とを有している。
【００１２】
アーム部３２は、基部３１に連結された第一関節部３２ａを有している。以下、基部３１から先端側に向けて、当該第一関節部３２ａの先端側に連結された第一節部３２ｂと、当該第一節部３２ｂに連結された第二関節部３２ｃと、当該第二関節部３２ｃに連結された第二節部３２ｄと、当該第二節部３２ｄに連結された第三関節部３２ｅと、当該第三関節部３２ｅに連結された先端部３２ｆとを有している。先端部３３ｆには、先端面３２ｇが形成されている。
【００１３】
このように、アーム部３２は、第一関節部３２ａ、第二関節部３２ｃ及び第三関節部３２ｅの各関節部を介して連結された複数の節部（第一節部３２ｂ、第二節部３２ｄ及び先端部３２ｆ）を有する構成となっている。第一節部３２ｂ、第二節部３２ｄ及び先端部３２ｆは、第一関節部３２ａ、第二関節部３２ｃ及び第三関節部３２ｅを中心に回動可能に設けられている。
【００１４】
第一関節部３２ａ、第二関節部３２ｃ及び第三関節部３２ｅは、それぞれ異なる回動方向に第一節部３２ｂ、第二節部３２ｄ及び先端部３２ｆを回動可能に形成されている。したがって、第一関節部３２ａ、第二関節部３２ｃ及び第三関節部３２ｅの回動角度を調整することにより、先端部３２ｆを三次元空間の所望の位置に配置させることができるようになっている。
【００１５】
駆動部３３は、アーム部３２が基部３１に対して移動するように各部を個別に駆動可能である。駆動部３３は、第一節部３２ｂ、第二節部３２ｄ及び先端部３２ｆの回動量を検出するエンコーダ３３ａを有している。エンコーダ３３ａによる検出結果は、制御装置ＣＯＮＴに送信されるようになっている。演算部５０では、エンコーダ３３ａによる検出結果に基づいて、駆動部３３における駆動量（回動量）が算出される。
【００１６】
光射出部１０は、計測光Ｌを射出する光射出口１１を有している。光射出口１１は、上記先端面３２ｇに形成されている。光供給部２０は、光源２１から発光された計測光Ｌを導光する導光光学系として、光ファイバ２２を有している。光ファイバ２２は、光源２１と光射出口１１とを接続する。光ファイバ２２は、アーム部３２の内部に配置されている。
【００１７】
光ファイバ２２を配置させるため、例えばアーム部３２を構成する各部（第一関節部３２ａ、第二関節部３２ｃ、第三関節部３２ｅ、第一節部３２ｂ、第二節部３２ｄ及び先端部３２ｆ）には、それぞれ中空部３２ｈが形成されている。中空部３２ｈが設けられていることにより、光ファイバ２２を配置させやすくすることができるのに加えて、アーム部３２が軽量化されるため、駆動部３３の駆動における負担が軽減されることにもなる。
【００１８】
本実施形態では、基部３１に光源２１が配置され、光源２１からの計測光Ｌが光ファイバ２２によってアーム部３２の先端部３２ｆの光射出口１１まで導光されている。このように、先端部３２ｆに発光素子や駆動基板などを配置させる必要が無いため、先端部３２ｆの小型化が可能な構成となっている。
【００１９】
撮像部４０は、受光部４１を有している。受光部４１は、先端部３２ｆの先端面３２ｇに設けられている。受光部４１は、先端面３２ｇにおいて光射出口１１に隣接して配置されている。受光部４１は、計測対象物Ｏによって反射された反射光Ｒを受光して電気信号に変換する。受光部４１によって変換された電気信号は、制御装置ＣＯＮＴに送信されるようになっている。
【００２０】
図２は、アーム部３２の先端部３２ｆの構成を示す図である。図３は、先端面３２ｇの構成を示す図である。  
図２に示すように、先端部３２ｆには、光射出部１０の構成要素として、光射出口１１に加えて、第一ミラー１２、回動ミラー１３及びミラー駆動部１４が設けられている。光射出口１１は、図３に示すように、スリット状に形成されている。なお、図２は、図中左右方向が光射出口１１の短手方向に一致するように記載されている。
【００２１】
図２に示すように、第一ミラー１２は、光ファイバ２２によって導光される計測光Ｌを回動ミラー１３へと反射する。回動ミラー１３は、第一ミラー１２からの計測光Ｌを光射出口１１へと反射する。回動ミラー１３は、軸部１３ａによって回動可能に支持されている。回動ミラー１３を回動させることにより、当該回動ミラー１３によって反射される計測光Ｌの射出方向を調整できるようになっている。このように、回動ミラー１３及びミラー駆動部１４は、計測光Ｌの射出方向を調整する調整部１８として構成されている。ミラー駆動部１４は、回動ミラー１３を駆動させる。制御装置ＣＯＮＴは、ミラー駆動部１４による駆動（回動角度及び回動速度、回動のタイミングなど）を制御可能である。
【００２２】
受光部４１としては、不図示の撮像光学系とＣＣＤなどの光電変換素子などが用いられている。受光部４１は、先端面３２ｇに受光面４１ａを露出するように配置されている。図３に示すように、受光部４１は、光射出口１１と同様に、スリット状に形成されている。受光部４１の短手方向の寸法は、光射出口１１の短手方向の寸法に比べて、大きくなっている。受光部４１は、配線部４１ｂを介して制御装置ＣＯＮＴに接続されている。配線部４１ｂは、例えばアーム部３２の中空部３２ｈに配置される構成とすることができる。
【００２３】
次に、上記のように構成された三次元計測装置１の動作を説明する。  
まず、計測対象物Ｏを所定位置に配置させる。当該所定位置は、アーム部３２の先端部３２ｆが到達可能な位置に設定されている。計測対象物Ｏを所定位置に配置させた後、制御装置ＣＯＮＴは、駆動部３３を用いてアーム部３２の先端部３２ｆを計測対象物Ｏの計測位置に近接させる。
【００２４】
本実施形態では、先端部３２ｆが小型化されているため、例えば計測対象物Ｏの計測位置が入り組んだ形状であったり、円筒内部であったりする場合でも、先端部３２ｆを無理なく配置させることができる。制御装置ＣＯＮＴは、先端面３２ｇを計測対象物Ｏの計測位置に対向させた状態とし、光源２１から計測光Ｌを射出させる。計測光Ｌは、光ファイバ２２によって導光される。
【００２５】
光ファイバ２２によって導光された計測光Ｌは、先端部３２ｆに到達した後、第一ミラー１２によって反射され、回動ミラー１３に入射する。回動ミラー１３に入射した計測光Ｌは、回動ミラー１３によって反射され、光射出口１１から計測対象物Ｏへ向けて射出される。
【００２６】
このとき、制御装置ＣＯＮＴは、ミラー駆動部１４によって回動ミラー１３を回動させる。この動作により、図２に示すように、計測対象物Ｏに対して光射出口１１の図中右側端部を通過する第一射出方向Ｌ１から、光射出口１１の図中左側端部を通過する第二射出方向Ｌ２までの範囲で、計測光Ｌが射出されることになる。このように、回動ミラー１３及びミラー駆動部１４によって計測光の射出方向を調整することにより、計測対象物Ｏの表面でスリット状の計測光Ｌが一定の範囲で走査される。また、第三関節部３２ｅなどを駆動することで、スリット状の計測光Ｌを２次元に走査することができる。
【００２７】
計測対象物Ｏの表面で反射した計測光Ｌは、反射光Ｒとして受光部４１に入射する。受光部４１では、反射光Ｒが電気信号に光電変換され、当該電気信号が制御装置ＣＯＮＴに送信される。制御装置ＣＯＮＴの演算部５０では、当該電気信号の強度と、先端部３２ｆの位置情報とに基づいて、計測対象物Ｏの三次元形状が算出される。
【００２８】
このときの先端部３２ｆの位置情報としては、例えば第一関節部３２ａ、第二関節部３２ｃ及び第三関節部３２ｅに設けられた各エンコーダ３３ａの検出結果から算出された値を用いることができる。この値を用いることにより、例えば先端部３２ｆの三次元の位置座標を求めることができる。
【００２９】
以上のように、本実施形態によれば、計測対象物Ｏへ向けて計測光Ｌを射出する光射出部１０と、計測光Ｌを発光する光源２１を有する光供給部２０と、光源２１と光射出部１０とが相対的に移動するように光射出部１０を移動させる移動部３０と、計測光Ｌが照射された計測対象物Ｏを撮像する撮像部４０と、当該撮像部４０による撮像結果及び移動部３０による移動結果に基づいて計測対象物の三次元形状を求める演算部５０を有する制御装置ＣＯＮＴとを有しており、光射出部１０と光源２１とが別の位置に設けられているため、光射出部１０の構成を簡素化することができる。したがって、光射出部１０を小型化することができるため、有効計測位置に光射出部１０を問題なく配置させることができる。これにより、計測精度に優れた三次元計測装置１を提供することができる。
【００３０】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態を説明する。本実施形態では、アーム部３２の先端部３２ｆの構成が第一実施形態とは異なっているため、当該相違点を中心に説明する。図４は、本実施形態に係るアーム部３２の先端部３２ｆの構成を示す図である。
【００３１】
図４に示すように、先端部３２ｆには、第一ミラー１２と回動ミラー１３との間にシリンドリカルレンズ１００が設けられている。シリンドリカルレンズ１００は、第一ミラー１２によって反射された計測光Ｌをシート光ＳＬに変換して回動ミラー１３へ向けて射出する。回動ミラー１３は、シート光ＳＬが光射出口１１の短手方向に走査されるように回動可能に設けられている。
【００３２】
このような構成において、光ファイバ２２によって導光された計測光Ｌは、先端部３２ｆに到達した後、第一ミラー１２によって反射され、シリンドリカルレンズ１００によってシート光ＳＬに変換されて回動ミラー１３に入射する。回動ミラー１３に入射したシート光ＳＬは、回動ミラー１３によって反射され、光射出口１１から計測対象物Ｏへ向けて射出される。
【００３３】
制御装置ＣＯＮＴは、ミラー駆動部１４によって回動ミラー１３を回動させる。この動作により、図４に示すように、計測対象物Ｏに対して光射出口１１の短手方向の一端辺を通過する第一射出方向ＳＬ１から、光射出口１１の短手方向の他端辺を通過する第二射出方向ＳＬ２までの範囲で、シート光ＳＬが射出されることになる。
【００３４】
計測対象物Ｏの表面で反射したシート光ＳＬは、反射シート光ＳＲとして受光部４１に入射する。受光部４１では、反射シート光ＳＲが電気信号に光電変換され、当該電気信号が制御装置ＣＯＮＴに送信される。制御装置ＣＯＮＴの演算部５０では、当該電気信号の強度と、先端部３２ｆの位置情報とに基づいて、計測対象物Ｏの三次元形状が算出される。
【００３５】
このように、回動ミラー１３及びミラー駆動部１４によってシート光ＳＬの射出方向を調整することにより、計測対象物Ｏの表面でシートＳＬを二次元に走査することができる。アームに比べて軽量な回動ミラー１３を駆動することで二次元走査が可能となるため、アームを駆動する場合に比べて高速な計測を実現することが可能となる。
【００３６】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。  
例えば、上記実施形態では、移動部３０の構成として、基部３１を固定させ、駆動部３３が基部３１に対してアーム部３２が移動するように駆動する構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、基部３１とアーム部３２とが両方移動可能となるように、基部３１及びアーム部３２を駆動させる構成であっても構わない。
【００３７】
また、上記実施形態では、光源２１が基部３１に設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無く、例えばアーム部３２に設けられた構成であっても構わない。ただし、この場合、光源２１は、光射出部１０が設けられた位置（すなわち、アーム部３２の先端部３２ｆ）とは異なる位置に設けられることになる。具体的には、第一関節部３２ａから第三関節部３２ｅまでの間に配置されることになる。
【００３８】
また、上記実施形態においては、撮像部４０の受光部４１がアーム部３２の先端面３２ｇに設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、基部３１の第一ステージ３１ａや第二ステージ３１ｂなど、先端面３２ｇとは異なる位置に受光部４１を配置させておく構成であっても構わない。更に、例えば先端面３２ｇに光通過口を形成しておき、当該光通過口から光ファイバによって所望の位置に反射光Ｒを導光する構成であっても構わない。
【００３９】
また、上記実施形態では、調整部１８の構成として、回動ミラー１３及びミラー駆動部１４が設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば図５に示すように、調整部１８がシリンドリカルレンズ１５と、当該シリンドリカルレンズ１５を回動させるレンズ駆動部１６とを有する構成であっても構わない。この構成であっても、上記実施形態に記載の場合と同様に、計測光Ｌの射出方向を調整することができる。
【００４０】
また、上記実施形態では、光供給部２０の構成として、光ファイバ２２を用いて計測光Ｌを光源２１から光射出部１０へと導光する構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えばレンズやミラーなどを用いて、光ファイバ２２を用いて計測光Ｌを光源２１から光射出部１０へと導光する構成としても構わない。
【符号の説明】
【００４１】
１…三次元計測装置  １０…光射出部  １１…光射出口  １２…第一ミラー  １３…回動ミラー  １３ａ…軸部  １４…ミラー駆動部  １５…シリンドリカルレンズ  １６…レンズ駆動部  １８…調整部  ２０…光供給部  ２１…光源  ２２…光ファイバ  ３０…移動部  ３１…基部  ３１ａ…第一ステージ  ３１ｂ…第二ステージ  ３２…アーム部  ３２ａ…第一関節部  ３２ｂ…第一節部  ３２ｃ…第二関節部  ３２ｄ…第二節部  ３２ｅ…第三関節部  ３２ｆ…先端部  ３２ｇ…先端面  ３２ｈ…中空部  ３３…駆動部  ３３ｆ…先端部  ３３ａ…エンコーダ  ４０…撮像部  ４１…受光部  ４１ａ…受光面  ４１ｂ…配線部  ５０…演算部  Ｏ…計測対象物  Ｌ…計測光  ＣＯＮＴ…制御装置  Ｒ…反射光  ＳＬ…シート光  ＳＲ…反射シート光  １００…シリンドリカルレンズ
【図１】
2012149912.tif 000003
【図２】
2012149912.tif 000004
【図３】
2012149912.tif 000005
【図４】
2012149912.tif 000006
【図５】
2012149912.tif 000007