JP5293686B2 - 3D shape measuring device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、測定対象物にレーザ光を走査しながら照射し、その反射光である散乱光を受光器で受光して、レーザ光の照射位置又は照射方向と、反射光の受光位置との関係から、3角測量法の原理により、測定対象物の3次元形状を測定する3次元形状測定装置に関する。 The present invention irradiates an object to be measured while scanning with laser light, receives scattered light, which is reflected light, by a light receiver, and relationship between the irradiation position or irradiation direction of the laser light and the light receiving position of the reflected light. The present invention relates to a three-dimensional shape measuring apparatus that measures a three-dimensional shape of a measurement object according to the principle of a triangulation method.
従来から、例えば下記特許文献1に示されているように、測定対象物にレーザ光を走査しながら照射し、照射したレーザ光の照射位置又は照射方向と、測定対象物からの反射光(散乱光)の受光位置との関係から、3角測量法の原理により、測定対象物の3次元形状を測定する3次元形状測定装置は知られている。特許文献1で示される3次元形状測定装置においては、3次元形状測定装置を小型化するとともに、消費電力を抑制するため、微小電気機械システムミラー(Micro Electro Mechanical Systems Mirror、以下、この微小電気機械システムミラーをMEMSミラーという。)を用いてレーザ光を走査している。
Conventionally, for example, as shown in
MEMSミラーでレーザ光を走査して3次元形状測定する場合は、測定対象物からの反射光の受光位置データを取得するタイミングと略同じタイミングでMEMSミラーの回転角度データを取得し、これらのデータを用いて3次元座標データを計算している。MEMSミラーの回転角度は、MEMSミラーに供給する電気信号の強度(例えば、電圧、電流などの大きさ)で決まる。そこで、予めMEMSミラーに供給する電気信号の強度とミラーの回転角度との関係を調べておいて、目的の回転角度に対応した強度の電気信号を供給すれば、3次元座標データの計算に必要なMEMSミラーの回転角度データを取得することができるとも考えられる。しかし、MEMSミラーは、使用開始から長期間が経過すると、供給する電気信号の強度とミラーの回転角度との関係が変化するため、設定した強度の電気信号の供給では、精度のよいミラーの回転角度を取得することができず、3次元形状測定の精度を保つことができない。 When scanning a laser beam with a MEMS mirror to measure a three-dimensional shape, the rotational angle data of the MEMS mirror is acquired at substantially the same timing as the timing of acquiring the light receiving position data of the reflected light from the measurement object. Is used to calculate the three-dimensional coordinate data. The rotation angle of the MEMS mirror is determined by the intensity (for example, the magnitude of voltage, current, etc.) of the electric signal supplied to the MEMS mirror. Therefore, if the relationship between the intensity of the electrical signal supplied to the MEMS mirror and the rotation angle of the mirror is examined in advance and an electrical signal having an intensity corresponding to the target rotation angle is supplied, it is necessary to calculate the three-dimensional coordinate data. It is considered that rotation angle data of a simple MEMS mirror can be acquired. However, the MEMS mirror changes the relationship between the intensity of the electric signal to be supplied and the rotation angle of the mirror after a long period of time has elapsed since the start of use. The angle cannot be acquired, and the accuracy of the three-dimensional shape measurement cannot be maintained.
本発明は上記問題に対処するためになされたもので、その目的は、MEMSミラーを用いてレーザ光を走査する3次元形状測定装置において、使用開始から長期間が経過してもミラーの回転角度を精度よく制御でき、3次元形状測定の精度を保つことができるようにすることにある。なお、下記本発明の各構成要件の記載においては、本発明の理解を容易にするために、後述する実施形態の対応箇所の符号を括弧内に記載しているが、本発明の各構成要件は、実施形態の符号によって示された対応箇所の構成に限定解釈されるべきものではない。 The present invention has been made to cope with the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a rotation angle of a mirror in a three-dimensional shape measuring apparatus that scans laser light using a MEMS mirror even if a long period of time has passed since the start of use. It is possible to accurately control the three-dimensional shape measurement. In the description of each constituent element of the present invention below, in order to facilitate understanding of the present invention, reference numerals of corresponding portions of the embodiments described later are shown in parentheses, but each constituent element of the present invention is described. Should not be construed as being limited to the configurations of the corresponding portions indicated by the reference numerals of the embodiments.
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、測定対象物(OB)に向けてレーザ光を出射するレーザ光源(10)と、レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面をレーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段(14)と、レーザ光出射方向変更手段によるレーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段(22、24、26)と、測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサ(20)と、第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段(50)と、出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段(52)とを備えた3次元形状測定装置において、レーザ光出射方向変更手段は、レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部(14a)と、供給される電気信号に応じてミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置(14b)とが一体的に形成されたミラー(14)を備え、出射方向検出手段は、ミラーの第2反射面に向けて前記光ビームを出射する光ビーム出射手段(22)と、第2反射面からの前記光ビームの反射光を受光する第2受光センサ(26A)であって、それぞれ受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する複数の受光素子(26A1、26A2、・・・、26A9)を一列に配置して形成され、第2反射面からの反射光を複数の受光素子のうちのいずれか1つの受光素子によって受光する第2受光センサと、第2受光センサにおける前記反射光の受光位置に基づいて、前記ミラー部の回転角度を検出するミラー回転角度検出手段(42A)であって、複数の受光素子にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の受光素子から出力される受光信号をそれぞれ増幅して互いに異なる大きさの信号レベルに変換する複数の増幅器(42c1、42c2、・・・、42c9)と、複数の増幅器によって変換された受光信号を加算した加算信号を出力する加算器(42d)と、一定の時間間隔で前記加算信号の値を受光データとして記憶する記憶手段(42f1)に記憶させておき、記憶手段に記憶した受光データの値から第2反射面からの反射光を受光した受光素子を特定するとともに、前記受光素子の特定に用いた受光データと同じ値の受光データであって、前記受光素子の特定に用いた受光データを記憶する前後において連続して記憶した受光データのデータ数を用いて第2受光センサにおける第2反射面からの反射光の受光位置を算出して、前記算出した受光位置に基づいてミラー部の回転角度を算出する角度算出手段(42f)と、を有するミラー回転角度検出手段と、を備えたことにある。
In order to achieve the above object, the present invention is characterized in that the laser light source (10) that emits laser light toward the measurement object (OB) and the emission direction of the laser light emitted from the laser light source are changed. Laser light emission direction changing means (14) for scanning the surface of the measurement object with laser light, and emission direction detection means (22, 22) for detecting the emission direction of the laser light to the measurement object by the laser light emission direction changing means. 24, 26), a first light receiving sensor (20) for receiving the scattered light reflected by the surface of the measurement object, and a first light receiving position detecting means for detecting the light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor ( 50) and the surface of the object to be measured based on the principle of triangulation using the emission direction of the laser light detected by the emission direction detection means and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. In the three-dimensional shape measuring apparatus and a coordinate data calculating means (52) for calculating a three-dimensional coordinate data representing the shape, the laser beam emitting direction changing means is perpendicular to the optical axis of the laser beam emitted from the laser light source A mirror part (14a) having a first reflection surface that is supported rotatably around a rotation axis and reflects the laser beam, and a second reflection surface that reflects a light beam different from the laser beam, and an electric signal supplied And a mirror (14) integrally formed with a driving device (14b) for rotating and displacing the mirror portion around the rotation axis according to the direction, and the emission direction detecting means is directed toward the second reflecting surface of the mirror. A light beam emitting means (22) for emitting the light beam, and a second light receiving sensor ( 26A ) for receiving the reflected light of the light beam from the second reflecting surface , each corresponding to the amount of received light The A plurality of light receiving elements (26A1, 26A2,..., 26A9) that output a light reception signal with high intensity are arranged in a line, and reflected light from the second reflecting surface is any one of the plurality of light receiving elements. A second light receiving sensor for receiving light by two light receiving elements, and a mirror rotation angle detecting means ( 42A ) for detecting a rotation angle of the mirror unit based on a light receiving position of the reflected light in the second light receiving sensor , A plurality of amplifiers (42c1, 42c2,..., 42c9) provided corresponding to the light receiving elements, respectively, for amplifying the received light signals output from the plurality of light receiving elements and converting them to different signal levels. And an adder (42d) for outputting an addition signal obtained by adding the light reception signals converted by a plurality of amplifiers, and using the value of the addition signal as light reception data at a constant time interval. The light receiving element stored in the storage means (42f1) to be stored and the light receiving element receiving the reflected light from the second reflecting surface is specified from the value of the light receiving data stored in the storage means, and the light receiving used for specifying the light receiving element. The received light data having the same value as the data, and the number of received light data continuously stored before and after storing the received light data used to identify the light receiving element is used to determine whether the second light receiving sensor has received the data from the second reflecting surface. There is provided a mirror rotation angle detection means having an angle calculation means (42f) for calculating the light reception position of the reflected light and calculating the rotation angle of the mirror unit based on the calculated light reception position .
上記のように構成した3次元形状測定装置によれば、ミラー部の第2反射面に光を照射して第2反射面からの反射光の受光位置に基づいてミラー部の回転角度を算出しているので、使用開始から長期間が経過して、駆動装置に供給する電気信号の強度とミラー部の回転角度との関係が変化したとしても、取得する回転角度の精度は変化せず3次元形状測定の精度を保つことができる。 According to the three-dimensional shape measuring apparatus configured as described above, the rotation angle of the mirror unit is calculated based on the light receiving position of the reflected light from the second reflection surface by irradiating the second reflection surface of the mirror unit with light. Therefore, even if the relationship between the strength of the electric signal supplied to the driving device and the rotation angle of the mirror changes after a long period of time has elapsed since the start of use, the accuracy of the rotation angle to be acquired does not change and is three-dimensional. The accuracy of shape measurement can be maintained.
また、本発明の特徴は、測定対象物(OB)に向けてレーザ光を出射するレーザ光源(10)と、レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面をレーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段(14)と、レーザ光出射方向変更手段によるレーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段(22、24、26)と、測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサ(20)と、第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段(50)と、出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段(52)とを備えた3次元形状測定装置において、レーザ光出射方向変更手段は、レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部(14a)と、供給される電気信号に応じてミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置(14b)とが一体的に形成されたミラー(14)を備え、出射方向検出手段は、光源(22)と、前記光源から出射された光を線状のライン光に変換する変換器(58)とを有し、前記ライン光をミラーの第2反射面に向けて出射する光ビーム出射手段と、第2反射面からの前記ライン光の反射光を受光する第2受光センサ(26B)であって、受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する2つのセンサ(26B1、26B2)を並べて形成されて、第2反射面にて反射したライン光を前記2つのセンサで受光する第2受光センサと、前記2つのセンサが出力する信号の強度の差を用いて前記ミラー部の回転角度を算出する角度算出手段(42i)を有するミラー回転角度検出手段と、を備えたことにある。これによれば、前記2つのセンサの出力する信号の強度の差がミラーの回転角度に対応しており、第2受光センサにおける第2反射面からの反射光の受光位置を算出する必要がないので、ミラー部の回転角度を高速に算出できる。
Further, the present invention is characterized in that the laser light source (10) that emits laser light toward the measurement object (OB) and the emission direction of the laser light emitted from the laser light source are changed to change the surface of the measurement object. Laser beam emission direction changing means (14) for scanning the laser beam, emission direction detection means (22, 24, 26) for detecting the emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means, A first light receiving sensor (20) for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object, first light receiving position detecting means (50) for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor, and an emission direction A three-dimensional representation of the shape of the surface of the object to be measured based on the principle of triangulation using the emission direction of the laser light detected by the detection means and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. seat In the three-dimensional shape measuring apparatus provided with coordinate data calculation means (52) for calculating data, the laser light emission direction changing means is rotatable about a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source. And a mirror part (14a) having a first reflection surface that reflects the laser light and a second reflection surface that reflects a light beam different from the laser light, and a mirror part according to the supplied electrical signal. A mirror (14) integrally formed with a driving device (14b) that rotates and rotates around the rotation axis is provided, and the emission direction detection means includes a light source (22) and light emitted from the light source. A light beam emitting means for emitting the line light toward the second reflecting surface of the mirror, and reflection of the line light from the second reflecting surface. Second to receive light An optical sensor (26B), which is formed by arranging two sensors (26B1, 26B2) that output a received light signal having an intensity corresponding to the amount of received light, and reflects the line light reflected by the second reflecting surface. A second light receiving sensor for receiving light by the two sensors, and a mirror rotation angle detecting means having an angle calculating means (42i) for calculating a rotation angle of the mirror section using a difference in intensity of signals output from the two sensors. It is in having. According to this, the difference in the intensity of the signals output from the two sensors corresponds to the rotation angle of the mirror, and there is no need to calculate the light receiving position of the reflected light from the second reflecting surface in the second light receiving sensor. Therefore, the rotation angle of the mirror part can be calculated at high speed.
また、本発明の特徴は、測定対象物(OB)に向けてレーザ光を出射するレーザ光源(10)と、レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面をレーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段(14)と、レーザ光出射方向変更手段によるレーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段(22、24、26)と、測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサ(20)と、第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段(50)と、出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段(52)とを備えた3次元形状測定装置において、レーザ光出射方向変更手段は、レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部(14a)と、供給される電気信号に応じてミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置(14b)とが一体的に形成されたミラー(14)を備え、出射方向検出手段は、ミラーの第2反射面に向けて前記光ビームを出射する光ビーム出射手段(22)と、第2反射面からの前記光ビームの反射光を受光する第2受光センサ(26、26A、26B)と、第2受光センサにおける前記反射光の受光位置に基づいて、ミラー部の回転角度を検出するミラー回転角度検出手段(42、42A、42B)とを備え、第1受光位置検出手段は、前記ミラー回転角度検出手段によって検出した前記ミラー部の回転角度が所定の角度であるときに、第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出することにある。この場合、第2受光センサ(26)は、それぞれ受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する複数の受光素子を一列に配置して形成され、第2反射面からの反射光を複数の受光素子のうち隣り合う2つ以上の受光素子によって受光し、ミラー回転角度検出手段(42)は、複数の受光素子のうち受光した光量の最も大きな受光素子を特定して、前記特定した受光素子の第2受光センサにおける位置に基づいてミラー部の回転角度を算出する角度算出手段(42b)を備えるとよい。これによれば、座標データ算出手段は、ミラー部の回転角度が予め設定した角度になったときの座標データを算出することができる。したがって、測定対象物の測定範囲によって測定精度を変化させることができる。すなわち、形状の変化が大きく測定精度を高くしたい範囲においては、前記所定の角度の間隔を細かく設定しておき、逆にあまり形状の変化がなく測定精度が低くてもよい範囲においては、前記所定の角度の間隔を粗く設定しておけばよい。これにより、測定データのデータ量を必要最小限に抑えることができるので、全ての測定範囲を高精度に測定する場合に比べて高速に座標データを算出できる。
Further, the present invention is characterized in that the laser light source (10) that emits laser light toward the measurement object (OB) and the emission direction of the laser light emitted from the laser light source are changed to change the surface of the measurement object. Laser beam emission direction changing means (14) for scanning the laser beam, emission direction detection means (22, 24, 26) for detecting the emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means, A first light receiving sensor (20) for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object, first light receiving position detecting means (50) for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor, and an emission direction A three-dimensional representation of the shape of the surface of the object to be measured based on the principle of triangulation using the emission direction of the laser light detected by the detection means and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. seat In the three-dimensional shape measuring apparatus provided with coordinate data calculation means (52) for calculating data, the laser light emission direction changing means is rotatable about a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source. And a mirror part (14a) having a first reflection surface that reflects the laser light and a second reflection surface that reflects a light beam different from the laser light, and a mirror part according to the supplied electrical signal. A mirror (14) integrally formed with a driving device (14b) that rotates and rotates around the rotation axis is provided, and the emission direction detection means emits the light beam toward the second reflecting surface of the mirror. A light beam emitting means (22) for receiving, a second light receiving sensor (26, 26A, 26B) for receiving the reflected light of the light beam from the second reflecting surface, and a light receiving position of the reflected light in the second light receiving sensor. And a mirror rotation angle detection means (42, 42A, 42B) for detecting the rotation angle of the mirror section, wherein the first light receiving position detection means is the rotation angle of the mirror section detected by the mirror rotation angle detection means. Is to detect the light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor. In this case, the second light receiving sensor (26) is formed by arranging a plurality of light receiving elements that output a light receiving signal having an intensity corresponding to the amount of received light in a line, and reflects reflected light from the second reflecting surface. Light is received by two or more adjacent light receiving elements among the plurality of light receiving elements, and the mirror rotation angle detecting means (42) specifies the light receiving element having the largest received light amount among the plurality of light receiving elements, An angle calculating means (42b) for calculating the rotation angle of the mirror unit based on the position of the light receiving element in the second light receiving sensor may be provided. According to this, the coordinate data calculation means can calculate the coordinate data when the rotation angle of the mirror portion becomes a preset angle. Therefore, the measurement accuracy can be changed depending on the measurement range of the measurement object. That is, in the range where the change in shape is large and the measurement accuracy is desired to be high, the interval between the predetermined angles is set finely. Conversely, in the range where the measurement accuracy may be low without much change in shape, the predetermined angle is set. The interval of the angle should be set coarsely. Thereby, since the data amount of measurement data can be suppressed to the minimum necessary, coordinate data can be calculated at high speed compared with the case where the entire measurement range is measured with high accuracy.
また、本発明の特徴は、測定対象物(OB)に向けてレーザ光を出射するレーザ光源(10)と、レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面をレーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段(14)と、レーザ光出射方向変更手段によるレーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段(22、24,26)と、測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサ(20)と、第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段(50)と、出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段(52)とを備えた3次元形状測定装置において、レーザ光出射方向変更手段は、レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部(14a)と、供給される電気信号に応じてミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置(14b)とが一体的に形成されたミラー(14)を備え、出射方向検出手段は、ミラーの第2反射面に向けて前記光ビームを出射する光ビーム出射手段(22)と、第2反射面からの前記光ビームの反射光を受光する第2受光センサ(26、26A、26B)と、第2受光センサにおける前記反射光の受光位置に基づいて、ミラー部の回転角度を検出するミラー回転角度検出手段(42、42A、42B)とを備え、レーザ光出射方向変更手段は、ミラー回転角度検出手段によって検出したミラー部の回転角度が駆動装置に供給する電気信号に応じた所定の回転角度となるように、前記電気信号を変更する電気信号変更手段(40b、40c)をさらに備え、第1受光位置検出手段は、所定の時間間隔で、第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出することにある。この場合、第2受光センサ(26)は、それぞれ受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する複数の受光素子を一列に配置して形成され、第2反射面からの反射光を複数の受光素子のうち隣り合う2つ以上の受光素子によって受光し、ミラー回転角度検出手段(42)は、複数の受光素子のうち受光した光量の最も大きな受光素子を特定して、前記特定した受光素子の第2受光センサにおける位置に基づいてミラー部の回転角度を算出する角度算出手段(42b)を備えるとよい。これによれば、ミラー部の回転角度は駆動装置に供給する電気信号に応じた所定の回転角度になる。したがって、駆動装置に供給する電気信号が周期的な変化を繰り返す場合、第1受光センサによって所定の時間間隔で散乱光の受光位置を検出すれば、ミラー部の回転角度が所定の角度になるごとに第1受光センサにおける散乱光の受光位置を検出したことになる。すなわち、座標データ算出手段は、ミラー回転角度検出手段が検出したミラー部の回転角度を取得する必要がない。したがって、座標データ算出手段がミラー部の回転角度を取得する場合に発生する、ミラー部の回転角度を取得してから第1受光センサにおける散乱光の受光位置を取得するまでの間のタイミングのずれをなくすことができるので、測定精度を向上させることができる。また、駆動装置からミラー部に供給される電気信号の強度によって、すなわちミラー部の回転角度によって、第1受光位置検出手段が散乱光の受光位置を検出する時間間隔を変更すれば、前記の場合と同様、測定対象物の測定範囲によって測定精度を変化させることができる。
Further, the present invention is characterized in that the laser light source (10) that emits laser light toward the measurement object (OB) and the emission direction of the laser light emitted from the laser light source are changed to change the surface of the measurement object. Laser beam emission direction changing means (14) for scanning the laser beam, emission direction detection means (22, 24, 26) for detecting the emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means, A first light receiving sensor (20) for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object, first light receiving position detecting means (50) for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor, and an emission direction A three-dimensional representation of the shape of the surface of the object to be measured based on the principle of triangulation using the emission direction of the laser light detected by the detection means and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. seat In the three-dimensional shape measuring apparatus provided with coordinate data calculation means (52) for calculating data, the laser light emission direction changing means is rotatable about a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source. And a mirror part (14a) having a first reflection surface that reflects the laser light and a second reflection surface that reflects a light beam different from the laser light, and a mirror part according to the supplied electrical signal. A mirror (14) integrally formed with a driving device (14b) that rotates and rotates around the rotation axis is provided, and the emission direction detection means emits the light beam toward the second reflecting surface of the mirror. A light beam emitting means (22) for receiving, a second light receiving sensor (26, 26A, 26B) for receiving the reflected light of the light beam from the second reflecting surface, and a light receiving position of the reflected light in the second light receiving sensor. And a mirror rotation angle detection means (42, 42A, 42B) for detecting the rotation angle of the mirror section. The laser beam emission direction changing means is driven by the rotation angle of the mirror section detected by the mirror rotation angle detection means. The apparatus further comprises an electric signal changing means (40b, 40c) for changing the electric signal so as to have a predetermined rotation angle corresponding to the electric signal supplied to the apparatus, and the first light receiving position detecting means is arranged at a predetermined time interval. It is to detect the light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor. In this case, the second light receiving sensor (26) is formed by arranging a plurality of light receiving elements that output a light receiving signal having an intensity corresponding to the amount of received light in a line, and reflects reflected light from the second reflecting surface. Light is received by two or more adjacent light receiving elements among the plurality of light receiving elements, and the mirror rotation angle detecting means (42) specifies the light receiving element having the largest received light amount among the plurality of light receiving elements, An angle calculating means (42b) for calculating the rotation angle of the mirror unit based on the position of the light receiving element in the second light receiving sensor may be provided. According to this, the rotation angle of the mirror portion becomes a predetermined rotation angle corresponding to the electric signal supplied to the driving device. Therefore, when the electrical signal supplied to the driving device repeats a periodic change, if the light receiving position of the scattered light is detected at a predetermined time interval by the first light receiving sensor, the rotation angle of the mirror portion becomes a predetermined angle. In other words, the light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor is detected. That is, the coordinate data calculation means does not need to acquire the rotation angle of the mirror portion detected by the mirror rotation angle detection means. Accordingly, a timing shift between when the coordinate data calculation unit acquires the rotation angle of the mirror unit and when the scattered light reception position of the first light receiving sensor is acquired after the rotation angle of the mirror unit is acquired. Therefore, measurement accuracy can be improved. Further, if the time interval at which the first light receiving position detecting means detects the light receiving position of the scattered light is changed according to the intensity of the electric signal supplied from the driving device to the mirror part, that is, the rotation angle of the mirror part, Similarly to the above, the measurement accuracy can be changed depending on the measurement range of the measurement object.
a.第1実施形態
本発明の一実施形態に係る3次元形状測定装置について図面を用いて説明する。この3次元形状測定装置は、図1に示すように、レーザ光を走査しながら測定対象物OBに照射するとともに、同照射による測定対象物OBからの反射光(散乱光)を受光する3次元カメラCAを備えている。
a. First Embodiment A three-dimensional shape measuring apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, this three-dimensional shape measuring apparatus irradiates a measurement object OB while scanning a laser beam, and receives reflected light (scattered light) from the measurement object OB due to the irradiation. A camera CA is provided.
3次元カメラCAは、レーザ光源10、コリメートレンズ12、第1ミラー14、第2ミラー16、結像レンズ18及び受光センサ20を備えた筐体30を有する。レーザ光源10から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ12、第1ミラー14を介して測定対象物OBに照射される。そして、測定対象物OBからの反射光(散乱光)は、第2ミラー16及び結像レンズ18を介して、受光センサ20に導かれて受光される。また、筐体30は、レーザ光源22、コリメートレンズ24及び受光センサ26も備えている。レーザ光源22から出射されたレーザ光は、コリメートレンズ24を介して、第1ミラー14のコリメートレンズ12からのレーザ光を反射する面とは反対側の面(以下、裏面という。)に照射される。第1ミラー14の裏面もレーザ光を反射するミラー状に形成されていて、この裏面にて反射したレーザ光は、受光センサ26によって受光される。また、3次元カメラCAは、筐体30を回転させるモータ32及び減速装置34も有する。
The three-dimensional camera CA includes a
ここで、3次元カメラCAを構成する各部品の機能及び配置について、図2A及び図2Bを用いて説明する。図2Aは、筐体30の正面図であり、図2Bは、筐体30の平面図である。以下の説明においては、筐体30の上下方向及び左右方向を、図2Aの上下方向及び左右方向とする。また、筐体30の奥行き方向を、図2Bの上下方向とする。すなわち、図2Bの上側が筐体30の背面側であり、図2Bの下側が筐体30の正面側である。図2Aにおいては、測定対象物OBは、紙面の表面側に位置していて、図示されていない。また、図2A及び図2Bにおいては、奥行き方向及び上下方向に重なって配置される部品の図示を省略している。
Here, the function and arrangement of each component constituting the three-dimensional camera CA will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. FIG. 2A is a front view of the
レーザ光源10は、筐体30の上部の右奥に固定されていて、3次元カメラCAから測定対象物OBまでの距離を測定するためのレーザ光を図示左方向へ出射する。コリメートレンズ12は、レーザ光源10のレーザ出射口側にて筐体30に固定されていて、レーザ光源10からのレーザ光を平行光に変換する。第1ミラー14は、図3に示すように、回転軸14a1回りに回転可能に支持されたミラー14aとミラー14aを供給される電気信号の強度に応じた回転角度に変位させる駆動装置14bとが一体的に形成されたMEMSミラーである。第1ミラー14は、ミラー14aがコリメートレンズ12からのレーザ光の光軸上に位置し、かつミラー14aの回転軸とコリメートレンズ12からのレーザ光の光軸が直交するようにして筐体30に固定されている。コリメートレンズ12によって平行光とされたレーザ光は、ミラー14aによって反射され、筐体30の正面部に設けられた開口部30a及びフレームFRの正面部に設けられた開口部FRaから外側へ向けて出射されて、測定対象物OBに照射される。以下の説明においては、ミラー14aの回転軸をX軸と言い、レーザ光源10から出射されるレーザ光の光軸をY軸という。また、X軸及びY軸に直交する軸をZ軸と言う。
The
第2ミラー16は、第1ミラー14の下方にて筐体30に固定されていて、測定対象物OBからの反射光(散乱光)を図2Aにおいて右斜め下方へ反射する。結像レンズ18は、コリメートレンズ12の下方にて筐体30に固定されていて、第2ミラー16からの反射光を受光センサ20上に結像させる。受光センサ20は、レーザ光源10の下方にて筐体30に固定されていて、測定対象物OBからの反射光を第2ミラー16、結像レンズ18を介して受光する。受光センサ20は、受光量に応じた電気信号を出力する複数の受光素子を面状に配置したエリアセンサである。
The
また、レーザ光源22は、筐体30の上部の左奥に固定されていて、ミラー14aの回転角度を検出するためのレーザ光を、コリメートレンズ24を介して、ミラー14aの裏面に向けて出射する。コリメートレンズ24は、筐体30の上部の左奥であって、レーザ光源22と第1ミラー14の間にて筐体30に固定されていて、レーザ光源22から入射したレーザ光を平行光に変換する。ミラー14aの裏面にて反射したレーザ光は、受光センサ26によって受光される。受光センサ26は、筐体30の背面の上部に固定されていて、ミラー14aの裏面からの反射光を受光する。受光センサ26は、ミラー14aの回転角度に応じた位置にて反射光を受光して、受光量に応じた電気信号を出力する複数の受光素子を1列に配置したラインセンサである。各受光素子の受光部の面積は、反射光のスポットよりも小さい。
The
筐体30は、軸30bによってY軸周りに回転可能に3次元カメラCAのフレームFRに支持されている。軸30bは、減速装置34を介してモータ32の回転軸に組み付けられている。モータ32内には、モータ32の回転軸の回転を検出して、同回転を表す回転検出信号を出力するエンコーダ32aが組み込まれている。この回転検出信号は、モータ32の回転軸の回転位置が基準回転位置に来るごとに発生されるz相信号φZと、所定の微小な回転角度ずつハイレベルとローレベルを繰り返す互いにπ/2だけ位相のずれたA相信号φA及びB相信号φBからなるパルス列信号とからなる。
The
また、この3次元形状測定装置は、ミラー角度検出用レーザ駆動回路38、ミラー駆動回路40、ミラー角度検出回路42、筐体駆動回路44、筐体角度検出回路46、形状測定用レーザ駆動回路48、センサ信号取り込み回路50及びコントローラ52も備えている。
Further, this three-dimensional shape measuring apparatus includes a mirror angle detection
ミラー角度検出用レーザ駆動回路38は、コントローラ52から測定開始の指示を入力すると、一定強度のレーザ光がレーザ光源22から出射されるように駆動信号を制御してレーザ光源22に供給する。ミラー駆動回路40は、コントローラ52によって制御されて、第1ミラー14を駆動する信号を出力する。この第1ミラー14を駆動する信号の波形は、図4A又は図4Bに示すような三角波又は正弦波として、ミラー14aの回転角度を、三角波状又は正弦波状に変化させるものが望ましい。なお、ミラー14aの回転角度は、駆動信号波形の瞬時値に対応している。ミラー角度検出回路42は、図5に示すように、センサ信号取り込み回路42a及び回転角度計算回路42bからなる。センサ信号取り込み回路42aは、一定の時間間隔DTで受光センサ26の各受光素子から出力される信号の強度をデジタルデータに変換して、回転角度計算回路42bに供給する。上記のように、各受光素子の面積が反射光のスポットの面積よりも小さいので、反射光は、複数の受光素子にまたがって受光される。回転角度計算回路42bは、コントローラ52から回転角度θxを算出するよう指示されると、センサ信号取り込み回路42aから供給されたデジタルデータから各受光素子の位置と信号強度との関係を表す波形データを作成し、この波形データから信号強度が最大となっている受光素子の位置を求める。回転角度計算回路42bは、信号強度が最大となる受光素子の位置とミラー14aの回転角度との関係を表すテーブルを記憶していて、このテーブルを用いてミラー14aの回転角度θxを算出し、算出した回転角度θxを表すデジタルデータをコントローラ52に出力する。
When receiving a measurement start instruction from the
筐体駆動回路44は、モータ32を駆動するための駆動信号を出力する。筐体駆動回路44は、モータ32の回転速度が一定になるように駆動信号を制御する。モータ32は、筐体駆動回路44から駆動信号を供給されて一定の速度で回転し、減速装置34を介して筐体30を回転させる。筐体30は、3次元形状測定の開始から終了まで一定の回転速度で一定の方向へ回転する。筐体30の回転速度は、ミラー14aの回転速度よりも遅い。筐体角度検出回路46は、エンコーダ32aから回転検出信号を入力し、入力した回転検出信号のうちのパルス列信号を用いて、筐体30の回転方向及び回転速度を検出するとともに、筐体30の回転角度θyを算出する。筐体角度検出回路46は、コントローラ52から、筐体30の回転角度θyを算出するよう指示されると、前記算出した回転角度θyを表すデジタルデータをコントローラ52に出力する。また、前記検出した筐体30の回転方向及び回転速度並びに前記算出した回転角度θyを表すデジタルデータは、筐体駆動回路44にも出力され、筐体駆動回路44によるモータ32の回転駆動における回転速度の制御にも利用される。
The
形状測定用レーザ駆動回路48は、コントローラ52から測定開始の指示を入力すると、一定強度のレーザ光がレーザ光源10から出射されるように駆動信号を制御してレーザ光源10に供給する。センサ信号取り込み回路50は、受光センサ20に接続されていて、コントローラ52から取り込み指示を入力すると、受光センサ20の各受光素子が出力する信号を取り込んで、コントローラ52へ出力する。
When a measurement start instruction is input from the
コントローラ52は、CPU、ROM、RAM、ハードディスクなどからなるマイクロコンピュータによって構成されており、キーボード、マウスなどからなる入力装置54からの指示に従って図6の3次元測定処理プログラムを実行する。そしてコントローラ52は、前記プログラムの実行により、ミラー角度検出用レーザ駆動回路38、ミラー駆動回路40、ミラー角度検出回路42、筐体駆動回路44、筐体角度検出回路46、形状測定用レーザ駆動回路48及びセンサ信号取り込み回路50を制御するとともに、測定対象物OBの3次元画像データを作成して、測定対象物OBの3次元画像を表示装置56に表示する。
The
なお、受光センサ20をラインセンサにしてもよい。この場合、第2ミラー16の位置までミラー14aが及ぶ大型のものにして、第2ミラー16を省略すればよい。また、第2ミラー16を第1ミラー14よりミラー部分が測定対象物OBからの反射光の入射方向の直角方向に大きいMEMSミラーにしておき、第1ミラー14と同様に第2ミラー16を回転駆動してもよい。また、本実施形態では、筐体30を第1ミラー14によるレーザ光の走査方向に対して直角方向に回転させてレーザ光を2次元的に走査する構造にしているが、第1ミラー14によるレーザ光の走査方向とは直角方向にレーザ光を走査できれば、どのような構造を採用してもよい。例えば、Y軸方向を回転軸とする長尺のミラーを第1ミラー14の正面側に設け、第1ミラー14で反射したレーザ光をさらに下方へ反射させる。そして、筐体30及びフレームFRの下面側(図2Aにおいて下側)に開口部を設けておき、この長尺のミラーにて反射したレーザ光を測定対象物OBに照射する。そして、測定対象物OBからの反射光を、この長尺のミラー、第2ミラー16及び結像レンズ18を介して受光センサ20で受光してもよい。また、筐体30をY軸回りに回転させるのではなく、X軸方向に3次元カメラCAを平行移動させてもよい。
The
つぎに、上記のように構成した3次元形状測定装置の動作について図6を用いて説明する。作業者が、入力装置54を用いて測定開始を指示すると、コントローラ52は、ステップS10にて、3次元測定処理を開始する。つぎに、コントローラ52は、ステップS11にて、各測定ポイントの番号を表す測定ポイント番号nを「0」に初期化する。つぎに、コントローラ52は、ステップS12にて、第1ミラー14のミラー14a及び筐体30の回転角度を初期の回転角度にするよう、ミラー駆動回路40及び筐体駆動回路44に指示する。ミラー駆動回路40及び筐体駆動回路44は、前記指示に応答して、第1ミラー14のミラー14a及び筐体30を回転させて、それぞれの角度を初期の回転角度に設定する。
Next, the operation of the three-dimensional shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to FIG. When the operator instructs to start measurement using the
つぎに、ステップS13にて、ミラー角度検出用レーザ駆動回路38及び形状測定用レーザ駆動回路48にレーザ照射開始を指示する。ミラー角度検出用レーザ駆動回路38及び形状測定用レーザ駆動回路48は、レーザ照射開始の指示に応答して、それぞれレーザ光源22及びレーザ光源10に駆動信号を供給してレーザ光を出射させる。つぎに、コントローラ52は、ステップS14にて、ミラー駆動回路40にミラー14aの駆動開始を指示する。ミラー駆動回路40は、駆動開始の指示に応答して、ミラー14aの駆動信号を第1ミラー14に供給する。これにより、第1ミラー14がX軸回りに回転し始める。つぎに、コントローラ52は、ステップS15にて、筐体駆動回路44に筐体30の駆動開始を指示する。これにより、筐体30がY軸回りに回転し始める。つぎに、コントローラ52は、ステップS16にて時間計測を開始する。
In step S13, the mirror angle detection
つぎに、コントローラ52は、ステップS17にて、現在の時刻が測定ポイント番号nと所定の時間間隔Tとを乗算して算出される時刻を経過しているか否かを判定する。最初、測定ポイント番号nは「0」に初期化されているので、ステップS17においては、「Yes」と判定し、ステップS18に進む。つぎに、コントローラ52は、ステップS18にて、ミラー角度検出回路42に、ミラー14aの回転角度θxを算出するよう指示する。そして、コントローラ52は、ミラー角度検出回路42から出力される、ミラー14aの回転角度θxを表すデジタルデータを取り込む。
Next, in step S17, the
つぎに、コントローラ52は、ステップS19にて、筐体角度検出回路46に、筐体30の回転角度θyを算出するよう指示する。そして、コントローラ52は、筐体角度検出回路46から出力される、筐体30の回転角度θyを表すデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ52は、ステップS20にて、センサ信号取り込み回路50に、受光センサ20の出力信号の取り込みを指示する。そして、コントローラ52は、センサ信号取り込み回路50から出力される、受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度を表すデジタルデータを取り込む。
Next, the
つぎに、コントローラ52は、ステップS21にて、前記ステップS19において取り込んだ回転角度θyが、予め設定された限界角度よりも大きいか否かを判定する。限界角度とは、筐体30が回転可能な最大の角度よりもやや小さい角度である。回転角度θyが限界角度以下である場合は、ステップS22に進んで、測定ポイント番号nをインクリメントし、ステップS17に戻る。ステップS22の処理により、測定ポイント番号nは「1」となっているので、ステップS17において、現在の時刻がT(すなわち、1×T)を経過しているかを判定する。判定結果が「No」のときは、再びステップS17を実行する。すなわち、判定結果が「Yes」となるまでステップS17を繰り返し実行する。そして、ステップS17の判定結果が「Yes」となると、上記のステップS18乃至ステップS21を実行する。このように、コントローラ52は、回転角度θyが限界角度に達するまで、ステップS17乃至ステップS22を繰り返し実行する。上記の通り、筐体30の回転速度は、ミラー14aの回転速度よりも遅く、ミラー14aの回転角度θxは、入力される駆動波形に応じて、ほぼ三角波状又は正弦波状に変化する。したがって、筐体30の回転角度θyが限界角度に達するまで上記ステップS17乃至ステップS22を繰り返している間に、ミラー14aの回転方向は何度も反転する。このように、コントローラ52は、レーザ光を走査しながら測定対象物OBに照射して、ステップS17乃至ステップS22からなる処理を繰り返し実行し、一定の時間間隔Tでミラー14aの回転角度θxを表すデジタルデータ、筐体30の回転角度θyを表すデジタルデータ及び受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度を表すデジタルデータを取り込む。そして、取り込んだ各種デジタルデータを測定ポイント番号nごとにコントローラ52が備えるRAMに記憶する。
Next, in step S21, the
そして、筐体30の回転角度θyが限界角度に達すると、コントローラ52は、ステップS23にて、ミラー角度検出用レーザ駆動回路38及び形状測定用レーザ駆動回路48にレーザ照射停止を指示する。ミラー角度検出用レーザ駆動回路38及び形状測定用レーザ駆動回路48は、レーザ照射停止の指示に応答して、それぞれレーザ光源10及びレーザ光源22への駆動信号の供給を停止して、レーザ光の照射を停止させる。つぎに、コントローラ52は、ステップS24にて、ミラー駆動回路40にミラー14aの駆動停止を指示する。ミラー駆動回路40は、駆動停止の指示に応答して、第1ミラー14への駆動信号の供給を停止する。これにより、第1ミラー14の回転が停止する。つぎに、コントローラ52は、ステップS25にて、筐体駆動回路44に筐体30の駆動停止を指示する。筐体駆動回路44は、駆動停止の指示に応答して、モータ32への駆動信号の供給を停止する。これにより、筐体30の回転が停止する。
When the rotation angle θy of the
つぎに、コントローラ52は、ステップS26にて、各測定ポイントごとにRAMに記憶されている受光センサ20の各受光素子が出力した信号の強度を表すデジタルデータを用いて、3角測量法の原理に基づいて、各測定ポイントごとの3次元カメラCAから測定対象物OBまでの距離を表す距離データLを算出する。そして、各測定ポイントごとの距離データL、回転角度θx及び回転角度θyを用いて、測定対象物OBの表面形状を表す座標データ(x,y,z)群を算出する。コントローラ52は、一定の時間間隔Tで各種データを取り込んでいるため、各測定ポイントごとに算出される各座標データのx座標及びy座標が等間隔にならない場合がある。この場合、コントローラ52は、x座標及びy座標が等間隔になるように、前記算出した座標データを用いて補間演算を行う。そして、算出した座標データ群から測定対象物OBの3次元画像を表示装置56に表示するための3次元画像データを作成する。作成された3次元画像データは、表示装置56に供給され、表示装置56に測定対象物OBの3次元画像が表示される。そして、コントローラ52は、ステップS27にて、3次元測定を終了する。
Next, in step S26, the
上記のように構成した3次元形状測定装置においては、第1ミラー14に供給する信号強度からミラー14aの回転角度θxを算出するのではなく、ミラー14aの裏面にレーザ光を照射して、その反射光を受光センサ26によって受光し、受光センサ26における反射光の受光位置からミラー14aの回転角度θxを検出するようにした。したがって、使用開始から長期間が経過して、第1ミラー14に供給する電気信号の強度とミラー14aの回転角度との関係が変化したとしても、取得する回転角度の精度は変化せず3次元形状測定の精度を保つことができる。
In the three-dimensional shape measuring apparatus configured as described above, the rotation angle θx of the
b.第2実施形態
第2実施形態に係る3次元形状測定装置は、第1実施形態の受光センサ26に代えて、受光センサ26Aを備えている。受光センサ26Aは、図7に示すように、受光光量に相当する強度の電気信号を出力する複数のフォトディテクタ26A1〜26A9を一列に並べて形成されている。ただし、受光センサ26Aを構成するフォトディテクタの数は9個に限られず、さらに多くのフォトディテクタで受光センサ26Aを構成してもよい。第1実施形態の受光センサ26を構成する受光素子とは異なり、各フォトディテクタ26A1〜26A9の受光部の面積は、反射光のスポットの面積よりも大きい。また、第2実施形態においては、第1実施形態のミラー角度検出回路42に代えて、ミラー角度検出回路42Aを備えている。ミラー角度検出回路42Aは、増幅回路42c1〜42c9、加算器42d、A/D変換器42e及び回転角度計算回路42fからなる。各フォトディテクタ26A1〜26A9が出力する信号は、各フォトディテクタ26An(n=1,2・・・9)に対応して設けられた増幅回路42cn(n=1,2・・・9)によって増幅された後、加算器42dによって加算される。各増幅回路42c1〜42c9の増幅率は、この順に増加(又は減少)するように設定されていて、各増幅回路42c1〜42c9の出力レベルは、それぞれ出力レベルLV1〜出力レベルLV9で表される。これにより、加算器42dの出力レベルから、反射光を受光したフォトディテクタを特定することができる。ミラー14aが回転することにより、ミラー14aの裏面からの反射光のスポットが、フォトディテクタ26A1からフォトディテクタ26A9に向かって移動すると、加算器42dが出力する信号は、図8Aに示すようにステップ状に変化する。
b. Second Embodiment A three-dimensional shape measuring apparatus according to a second embodiment includes a
A/D変換器42eは、加算器42dが出力する信号の瞬時値を時間間隔DTをおいて繰り返しデジタルデータに変換して回転角度計算回路42fに出力する。この時間間隔DTは、コントローラ52が回転角度計算回路42fに回転角度θxを算出するよう指示する時間間隔Tより短い。回転角度計算回路42fは、A/D変換器42eが出力するデジタルデータを回転角度計算回路42fが備えるメモリ42f1に記憶する。メモリ42f1の記憶領域は、複数の記憶領域(第1領域,第2領域・・・第m領域)に分割されていて、回転角度計算回路42fは、コントローラ52からミラー14aの回転角度θxを算出する指示を入力するごとに、A/D変換器42eが出力するデジタルデータを記憶する記憶領域を隣の記憶領域に変更する。各記憶領域に記憶されるデジタルデータは、詳しくは後述するように、反射光の受光位置の算出に用いられる。したがって、受光位置の算出が終了した時点で、それらのデジタルデータを記憶していた記憶領域は開放されて、新たなデータを記憶できるようになる。
The A /
回転角度計算回路42fは、回転角度θxを算出する指示を入力した直後に反射光を受光したフォトディテクタを特定し、そのフォトディテクタにおける反射光の受光位置を算出する。メモリ42f1に記録されたデジタルデータの値は、フォトディテクタ26A1〜26A9のうちの1つに対応しているので、反射光がフォトディテクタ26A1〜26A9のうちのどのフォトディテクタによって受光されたかを特定することができる。上記のように、A/D変換器42eは、時間間隔DTごとに加算器42dからの出力をデジタルデータに変換して回転角度計算回路42fに供給している。したがって、第1ミラー14の駆動信号として三角波又は正弦波が入力されるとき、ミラー14aからの反射光の受光位置は、1つのフォトディテクタ上においては等速度で移動するとみなせば、前記特定したフォトディテクタによって受光されたことを表すデジタルデータのデータ数を用いて、受光位置が移動する移動速度(すなわち、A/D変換器42eが加算器42dの出力をデジタルデータに変換する所定の時間間隔DTの間に反射光が移動する移動量)を算出できる。そして、前記特定したフォトディテクタによって受光されるようになってから前記指示を入力するまでのデータ数と前記算出した移動速度を乗算すれば、前記特定したフォトディテクタにおける受光位置を算出できる。
The rotation
上記の受光位置の算出方法について図8B及び図9を用いて具体的に説明する。この具体例では、メモリ42f1の第8領域の最初に記録されたデータAに係る反射光の受光位置の算出方法について説明する。図8Bは、第1ミラー14の駆動信号として正弦波状の駆動信号を入力したとき、メモリ42f1の各記憶領域に記憶されたデータの内容を示すグラフである。また、図9においては、メモリ42f1に記憶した各データに係る反射光の受光位置を黒点で示しており、フォトディテクタ26A8及びフォトディテクタ26A9の破線で示した枠内がレーザ光を受光可能な受光部である。また、この例においては、反射光の受光位置が図9の左側から右側(すなわち、フォトディテクタ26A7側からフォトディテクタ26A9側)へ移動しているものとする。まず、回転角度計算回路42fは、データAの値(すなわち、加算器42dの出力レベル)が出力レベルLV8であることから、データAに係る反射光は、フォトディテクタ26A8によって受光されたと判断する。つぎに、回転角度計算回路42fは、データAの前後にデータAと同じ値(すなわち、出力レベルLV8)が連続していくつ記憶されているかをカウントする。この例においては、データAの前には5個のデータがあり、データAの後には2個のデータがある。したがって、データAを含めると、フォトディテクタ26A8によって受光されたことを表すデータが8個ある。ここで、この8個のデータのうちの最初のデータ及び最後のデータに係る受光位置がそれぞれフォトディテクタ26A8の受光部の左端及び右端であるとし、フォトディテクタ26A8上を反射光が移動する速度は一定であるとみなす。そして、1つのフォトディテクタの受光部の幅をLとすると、受光位置の移動速度はL/7と算出される。つぎに、回転角度計算回路42fは、前記カウントしたデータ数のうちデータAの前に記録されたデータのデータ数と前記算出した移動速度とを乗算して、フォトディテクタ26A8の受光部の左端からデータAに係る反射光の受光位置までの距離を算出する。この例においては、前記カウントしたデータ数のうちデータAの前に記録されたデータのデータ数は5個であり、移動速度はL/7であるから、これらを乗算すると5L/7(=5×L/7)となる。したがって、回転角度計算回路42fは、データAに係る反射光の受光位置は、フォトディテクタ26A8の受光部の左端から5L/7だけフォトディテクタ26A8側に進入した位置にあると算出する。
The method for calculating the light receiving position will be specifically described with reference to FIGS. 8B and 9. In this specific example, a calculation method of the light receiving position of the reflected light related to the data A recorded at the beginning of the eighth area of the memory 42f1 will be described. FIG. 8B is a graph showing the content of data stored in each storage area of the memory 42f1 when a sinusoidal drive signal is input as the drive signal for the
ただし、前記特定したフォトディテクタが受光センサ26Aの両端に位置するフォトディテクタ(すなわち、フォトディテクタ26A1又はフォトディテクタ26A9)であるときは、ミラー14aの回転方向が切り替わり、反射光の受光位置の移動方向が反転するので、前記特定したフォトディテクタによって受光されたことを表すデジタルデータのデータ数によっては反射光の受光位置の移動速度を算出することができない。この場合、前記指示の入力前又は入力後に、前記特定したフォトディテクタの隣のフォトディテクタ(すなわち、フォトディテクタ26A2又はフォトディテクタ26A8)によって受光されたことを表すデジタルデータのデータ数を用いて移動速度を算出する。そして、前記指示の入力前又は入力後に前記特定したフォトディテクタによって受光されたことを表すデジタルデータのデータ数と、前記算出した移動速度を乗算すれば、前記特定したフォトディテクタにおける受光位置を算出することができる。
However, when the specified photodetector is a photodetector located at both ends of the
つぎに、移動方向が反転したときの受光位置の算出方法について図8B及び図9を用いて具体的に説明する。この具体例においては、第9領域の最初に記録されたデータBに係る反射光の受光位置の算出方法について説明する。また、この具体例においては、反射光の受光位置は、最初、図9の左側から右側(すなわち、フォトディテクタ26A7側からフォトディテクタ26A9側)へ移動し、次に、フォトディテクタ26A9上で移動方向が反転して、図9の右側から左側へ移動しているものとする。まず、回転角度計算回路42fは、データBの値が出力レベルLV9であることから、データBに係る反射光は、フォトディテクタ26A9によって受光されたと判断する。つぎに、反射光の移動速度を算出する。データBを記録する前にフォトディテクタ26A9の隣に位置するフォトディテクタ26A8によって受光されたことを表すデジタルデータの数をカウントする。すなわち、値が出力レベルLV8であるデータが連続していくつ記録されているかをカウントする。すると、この条件に該当するデータが8個ある。ここで、フォトディテクタ26A8及びフォトディテクタ26A9上を反射光が移動する速度が一定とみなし、1つのフォトディテクタの受光部の幅をLとすると、移動速度はL/7となる。
Next, a method for calculating the light receiving position when the moving direction is reversed will be specifically described with reference to FIGS. 8B and 9. In this specific example, a method of calculating the light receiving position of reflected light related to data B recorded at the beginning of the ninth area will be described. In this specific example, the light receiving position of the reflected light first moves from the left side of FIG. 9 to the right side (that is, from the photo detector 26A7 side to the photo detector 26A9 side), and then the moving direction is reversed on the photo detector 26A9. It is assumed that the right side of FIG. First, since the value of the data B is the output level LV9, the rotation
つぎに、回転角度計算回路42fは、反射光の移動方向が既に反転したか否かを判断する。具体的には、データBの前後にデータBと同じ値(すなわち、出力レベルLV9)が連続していくつ記憶されているかをカウントする。そして、前記カウントしたデータ数のうち、データBの前に記憶されたデータのデータ数とデータBの後に記憶されたデータのデータ数とを比較して、前者の方が多ければ、移動方向は反転したと判断し、後者の方が多ければ、未だ移動方向は反転していないと判断する。反射光の受光位置の移動方向が反転した場合、データBの後に記録されたデータのデータ数と前記算出した移動速度とを乗算して得た値が、フォトディテクタ26A9の受光部の左端からデータBに係る反射光の受光位置までの距離である。一方、反射光の受光位置の移動方向が未だ反転していない場合は、前記カウントしたデータ数のうち、データBの前に記憶されたデータのデータ数と前記算出した移動速度とを乗算して得た値が、フォトディテクタ26A8とフォトディテクタ26A9の境界からデータBに係る反射光の受光位置までの距離である。この例においては、前者が4個で後者が1個であるから、反射光の移動方向は反転したと判断する。また、上記のように、データBの後には、値が出力レベルLV9であるデータが1個記録されていて、移動速度はL/7であるから、これらを乗算するとL/7(=1×L/7)となる。したがって、データBに係る反射光の受光位置は、フォトディテクタ26A9の受光部の左端からL/7だけフォトディテクタ26A9側に進入した位置にあると算出できる。
Next, the rotation
そして、回転角度計算回路42fは、受光センサ26Aにおける反射光の受光位置と回転角度θxとの関係を表すテーブルを用いて、ミラー14aの回転角度θxを算出し、ミラー14aの回転角度θxを表すデジタルデータをコントローラ52に出力する。第2実施形態の構成は、受光センサ26A及びミラー角度検出回路42Aを除き、上記第1実施形態と同様であり、この第2実施形態によっても、上記第1実施形態と同様の効果が得られる。なお、上記説明では、説明を簡単にして理解し易くするために、1つのフォトディテクタ上に反射光の受光位置があるとき記憶されるデータ数を8個程度にした。しかし、実際はさらに多くのデータを記憶するのが好ましく、これによれば、検出する受光位置の精度を高くでき、算出する回転角度θxの精度を高くすることができる。
Then, the rotation
c.第3実施形態
第3実施形態においては、図10に示すように、第1実施形態のコリメートレンズ24と第1ミラー14の間にシリンドリカルレンズ58を設けている。レーザ光源22から出射されコリメートレンズ24を透過して平行光となったレーザ光は、シリンドリカルレンズ58を透過することにより、ライン光となる。また、第1実施形態の受光センサ26に代えて、受光センサ26Bを備えている。受光センサ26Bは、受光する光量に相当する強度の電気信号を出力するフォトディテクタを2つ並べて形成されている。シリンドリカルレンズ58を透過してライン光となったレーザ光は、ミラー14aの裏面で反射し、図11A乃至図11Cに示すように、2つのフォトディテクタ26B1,26B2の境界にまたがって受光される。受光センサ26Bにおける受光位置の移動方向が反対方向に変わるときにおいても、反射光は2つのフォトディテクタ26B1,26B2の境界にまたがって受光される。また、ミラー角度検出回路42に代えて、ミラー角度検出回路42Bを備えている。ミラー角度検出回路42Bは、差動増幅回路42g、A/D変換器42h及び回転角度計算回路42iからなる。差動増幅回路42gは、2つのフォトディテクタ26B1,26B2が出力する信号の強度の差を増幅してA/D変換器42hに出力する。A/D変換器42hは、差動増幅回路42gが出力する信号の瞬時値を時間間隔DTでデジタルデータに変換して回転角度計算回路42iに出力する。回転角度計算回路42iは、2つのフォトディテクタ26B1,26B2が出力する信号の強度の差を増幅した値とミラー14aの回転角度との関係を表すテーブルを記憶していて、このテーブルを用いてミラー14aの回転角度θxを算出し、回転角度θxを表すデジタルデータをコントローラ52に出力する。第3実施形態の構成は、シリンドリカルレンズ58、受光センサ26B及びミラー角度検出回路42Bを除き、上記第1実施形態と同様である。
c. Third Embodiment In the third embodiment, as shown in FIG. 10, a
上記のように構成した第3実施形態によれば、第1実施形態のようにピーク位置を求める必要がない。また、第2実施形態のように、データ数をカウントして受光位置を算出する必要がない。そのため、第1実施形態及び第2実施形態に比べて回転角度θxを高速に算出できる。なお、差動増幅回路42gは、フォトディテクタ26B1,26B2が出力する信号の強度の差をフォトディテクタ26B1,26B2が出力する信号の強度の加算値で除した信号を出力するようにしてもよい。この場合、回転角度計算回路42iは、フォトディテクタ26B1,26B2が出力する信号の強度の比と回転角度θxとの関係を表すテーブルを記憶しておけばよい。これによれば、回転角度計算回路42iは、フォトディテクタ26B1,26B2が出力する信号の強度の比を用いてミラー14aの回転角度θxを求めることができるので、レーザ光源22が出射するレーザ光の強度を常に一定にしておく必要がない。したがって、レーザ光源22の回路構成を簡略化できる。
According to the third embodiment configured as described above, it is not necessary to obtain the peak position as in the first embodiment. Further, unlike the second embodiment, it is not necessary to calculate the light receiving position by counting the number of data. Therefore, the rotation angle θx can be calculated at a higher speed than in the first and second embodiments. Note that the
さらに、本発明の実施にあたっては、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。 Furthermore, in carrying out the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the object of the present invention.
上記実施形態においては、コントローラ52は、一定の時間間隔Tで、受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度に対応するデジタルデータ、第1ミラー14の回転角度θxを表すデジタルデータ及び筐体30の回転角度θyを表すデジタルデータを取り込むようにした。しかし、第1ミラー14の回転角度が予め設定された設定角度θx(n)になるごとに、各種デジタルデータを取り込むようにしてもよい。ただし、パラメータnは、「1」から「N」まで順次「1」ずつ増加する変数である。また、パラメータnの値が大きくなるに従って、設定角度θx(n)の値が順次大きくなるようにしておく。
In the above-described embodiment, the
この場合、コントローラ52は、ミラー角度検出回路42が出力するミラー14aの回転角度θxを表すデジタルデータを逐次入力し続け、入力した回転角度θxが予め設定された設定角度θx(n)になったとき、受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度に対応するデジタルデータ、及び筐体角度検出回路46が出力する筐体30の回転角度θyを取り込むようにすればよい。この場合、回転角度θxのデジタルデータが高速で得られる第3実施形態のように構成するとよい。
In this case, the
上記のように構成した3次元形状測定装置の動作について、図13を用いて説明する。作業者が入力装置54を用いて測定開始を指示すると、コントローラ52は、ステップS100にて、3次元測定処理を開始する。つぎに、コントローラ52は、ステップS101にて、パラメータnを「1」に初期化する。つぎに、コントローラ52は、ステップS102にて、筐体駆動回路44に、筐体30の回転角度θyを初期の回転角度にするよう指示する。つぎに、コントローラ52は、ステップS103にて、ミラー角度検出用レーザ駆動回路38及び形状測定用レーザ駆動回路48にレーザ照射開始を指示する。つぎに、コントローラ52は、ステップS104にて、ミラー駆動回路40にミラー14aの駆動開始を指示する。これにより、ミラー14aがX軸回りに回転し始める。つぎに、コントローラ52は、ステップS105にて、ミラー角度検出回路42Bに、ミラー14aの回転角度θxを計算するよう指示する。そして、コントローラ52は、回転角度計算回路42iから出力されるミラー14aの回転角度θxを表すデジタルデータを取り込む。そして、コントローラ52は、ステップS106にて、回転角度θxが設定角度θx(1)よりも小さいか否かを判定する。回転角度θxが設定角度θx(1)よりも大きいと判定した場合、ステップS105に戻り、ミラー14aの回転角度θxを再び取り込む。このように、ミラー14aの回転角度θxが所定の設定角度θx(1)よりも小さくなるまでステップS105及びステップS106を繰り返す。
The operation of the three-dimensional shape measuring apparatus configured as described above will be described with reference to FIG. When the operator instructs to start measurement using the
そして、ミラー14aの回転角度θxが設定角度θx(1)より小さくなると、コントローラ52は、ステップS107にて、筐体駆動回路44に筐体30の駆動開始を指示する。これにより、筐体30がY軸回りに回転し始める。つぎに、ステップS108にて、前記ステップS105と同様にミラー14aの回転角度θxを表すデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ52は、ステップS109にて、前記ステップS108において取り込んだ回転角度θxが設定角度θx(n)より大きいか否かを判定する。最初、パラメータnの値は「1」となっているため、回転角度θxが設定角度θx(1)より大きいか否かを判定する。前記ステップS108において取り込んだ回転角度θxが設定角度θx(1)よりも小さいと判定した場合、コントローラ52は、ステップS108に戻り、ミラー14aの回転角度θxを再度取り込む。このように、コントローラ52は、ミラー14aの回転角度θxが、設定角度θx(1)より大きくなるまでステップS108及びS109を繰り返す。
When the rotation angle θx of the
そして、第1ミラー14の回転角度θxが設定角度θx(1)より大きくなると、コントローラ52は、ステップS110にて、筐体角度検出回路46に、筐体30の回転角度θyを算出するよう指示する。そして、コントローラ52は、筐体角度検出回路46から出力される筐体30の回転角度θyを表すデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ52は、ステップS111にて、センサ信号取り込み回路50に、受光センサ20の出力信号を取り込むよう指示する。そして、コントローラ52は、センサ信号取り込み回路50から出力される受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度に相当するデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ52は、ステップS112にて、パラメータnの値が「N」となっているか否かを判定する。最初、パラメータnの値は「1」であるので、ステップS112においては、「No」と判定し、ステップS113に進み、パラメータnをインクリメントする。これにより、パラメータnの値が「2」となる。つぎに、コントローラ52は、ステップS114にて、筐体30の回転角度θyがその限界角度に達したか否かを判定する。筐体30の回転角度θyが限界角度に達していないとき、ステップS114においては、「No」と判定し、ステップS108に戻る。筐体30の回転速度は、第1ミラー14の回転速度に比べて遅いので、コントローラ52は、パラメータnを「1」ずつ増加させながらステップS108乃至ステップS114からなる処理を繰り返し実行する。そして、筐体30の回転角度θyがその限界角度に達する前に、パラメータnの値が「N」に達する。このとき、コントローラ52は、ステップS112にて「Yes」と判定し、ステップS115に進む。
When the rotation angle θx of the
つぎに、コントローラ52は、ステップS115にて、筐体30の回転角度θyが限界角度に達したか否かを判定する。ステップS115において、筐体30の回転角度θyが限界角度に達しておらず、「No」と判定すると、コントローラ52は、ステップS116にて、前記ステップS105と同様に、ミラー14aの現在の回転角度θxを取り込む。そして、コントローラ52は、ステップS117にて、前記ステップS116において取り込んだ回転角度θxが設定角度θx(N)以下であるか否かを判定する。上記のように、ミラー14aの回転方向は、駆動波形に応じて反転する。すなわち、ミラー14aの回転角度θxは、設定角度θx(N)よりも若干大きくなった後、再び小さくなっていく。そこで、コントローラ52は、ステップS116及びステップS117からなる処理を繰り返して、ミラー14aの回転角度θxが、設定角度θx(N)以下になるまで待機する。
Next, the
そして、ミラー14aの回転角度θxが設定角度θx(N)以下になると、コントローラ52は、ステップS118にて、前記ステップS110と同様に、筐体角度検出回路46から筐体30の回転角度θyを表すデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ52は、ステップS119にて、前記ステップS111と同様に、センサ信号取り込み回路50から受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度に相当するデジタルデータを取り込む。つぎに、コントローラ52は、ステップS120にて、パラメータnの値が「1」となっているか否かを判定する。現在のパラメータnの値は「N」であるので、コントローラ52は、ステップS120においては、「No」と判定し、ステップS121に進み、パラメータnの値をデクリメントする。これにより、パラメータnの値は「N−1」となる。
When the rotation angle θx of the
つぎに、コントローラ52は、ステップS115にて、筐体30の回転角度θyがその限界角度に達したか否かを判定し、限界角度に達していなければ、再びステップS116に進む。上記のように、ミラー14aの回転角度θxが増加している間は、ステップS108乃至ステップS113からなる処理を繰り返し実行して各種データを取り込み、ミラー14aの回転角度θxが減少している間は、ステップS116乃至ステップS121からなる処理を繰り返し実行して各種データを取り込む。
Next, in step S115, the
そして、筐体30の回転角度θyが限界角度に達し、ステップS114又はステップS115において、「Yes」と判定すると、コントローラ52は、上記第1実施形態のステップS21乃至ステップS27と同様の処理を実行する。すなわち、コントローラ52は、ステップS122にて、レーザ光源10及びレーザ光源22からのレーザ照射を停止させる。つぎに、ステップS123にて、第1ミラー14の駆動を停止させる。そして、ステップS124にて、筐体30の駆動を停止させる。つぎに、コントローラ52は、ステップS125にて、前記ステップS111及びステップS119において取り込んだ各測定ポイントにおける受光センサ20の各受光素子が出力する信号の強度に相当するデジタルデータを用いて、3次元カメラCAから測定対象物OBまでの距離を表す距離データLを算出し、距離データL、回転角度θx及び回転角度θyから測定対象物OBの形状を表す座標データを算出する。さらに、前記算出した座標データから測定対象物OBの3次元画像を表示装置56に表示するための3次元画像データを作成する。そして、ステップS126にて測定を終了する。
When the rotation angle θy of the
上記のように構成した3次元形状測定装置によれば、ミラー14aの回転角度θxが、予め設定した設定角度θx(n)(ただし、n=1,2,・・・N)になるごとに、筐体30の回転角度θy及び3次元カメラCAから測定対象物までの距離データLを計算するためのデータを取り込み、これらを用いて座標データを算出できる。したがって、測定対象物OBの測定範囲によって測定精度を変化させることができる。すなわち、形状の変化が大きく測定精度を高くしたい範囲においては、設定角度θx(n)の間隔を細かく設定しておき、逆にあまり形状の変化がなく測定精度が低くてもよい範囲においては、設定角度θx(n)の間隔を粗く設定しておけばよい。これにより、測定データのデータ量を必要最小限に抑えることができるので、全ての測定範囲を高精度に測定する場合に比べて高速に座標データを算出できる。
According to the three-dimensional shape measuring apparatus configured as described above, every time the rotation angle θx of the
また、上記実施形態及びその変形例においては、ミラー駆動回路40は、第1ミラー14に、三角波又は正弦波状の駆動信号を供給するようにした。しかし、受光センサによって取得した現在のミラー14aの回転角度θxを用いて駆動信号を補正することにより、ミラー14aの回転角度θxを、振幅及び周波数が常に一定の理想状態の波形(例えば、三角波又は正弦波)で変化させるようにしておき、所定の時間間隔をおいて各種デジタルデータを取り込むようにしてもよい。
In the above-described embodiment and its modification, the
この場合、例えば、図14に示すように、上記第3実施形態と同様のレーザ光源22、コリメートレンズ24、シリンドリカルレンズ58、受光センサ26B、ミラー角度検出用レーザ駆動回路38、ミラー駆動回路40及び差動増幅回路42gを設ける。さらに、ミラー駆動回路40を、ミラー駆動信号生成回路40a、ずれ分補正信号生成回路40b、加算器40c及び駆動回路40dを備えたミラー駆動回路40Aとする。ミラー駆動信号生成回路40aは、ミラー14aを駆動する信号に相当する信号を生成して出力する。ずれ分補正信号生成回路40bは、差動増幅回路42gが出力する信号をミラー14aの現在の回転角度θxに対応する駆動信号に相当する信号に変換するとともに前記変換した信号とミラー駆動信号生成回路40aが出力する信号との差が「0」になるような補正信号を生成して出力する。加算器40cは、ミラー駆動信号生成回路40aからの信号とずれ分補正信号生成回路40bからの信号を加算して出力する。駆動回路40dは、加算器40cからの信号に基づいてミラー14aを駆動するための駆動信号を生成して第1ミラー14に供給する。なお、ずれ分補正信号生成回路40bにミラー14aの現在の回転角度θxとして供給する信号は、上記第1実施形態又は第2実施形態の構成においてミラー角度検出回路42,42Aが出力する回転角度θxのデジタルデータをアナログ信号に変換した信号であってもよい。ただし、この場合は、回転角度θxの取得及びアナログ信号への変換を高速で行う必要がある。
In this case, for example, as shown in FIG. 14, the
これによれば、ミラー14aの回転角度θxの変化の波形が常に理想状態となるので、所定の時間間隔で筐体30の回転角度θy及びセンサ信号取り込み回路50の出力を取り込めば、所定の回転角度θxになるごとに筐体30の回転角度θy及びセンサ信号取り込み回路50の出力を取り込んだことになる。したがって、図6のステップS18を省略できるので、ミラー14aの回転角度θxを取り込む場合に発生する、回転角度θxを取り込んでからその他のデータを取り込むまでのタイミングのずれを無くすことができる。これにより、3次元形状測定の精度をさらに向上させることができる。また、ミラー駆動信号生成回路40aが出力する信号の強度によって、すなわちミラー14aの回転角度によって、筐体30の回転角度θy及び3次元カメラCAから測定対象物OBまでの距離データLを算出するためのデータを取り込む時間間隔を変更すれば、前記の場合と同様、測定対象物OBの測定範囲によって測定精度を変化させることができる。
According to this, since the waveform of the change in the rotation angle θx of the
また、上記実施形態及びその変形例においては、ミラー14aの裏面にレーザ光を照射して反射光を受光センサ26,26A,26Bで受光したが、ランプ、LEDなどの光を、スリット、レンズなどを用いて微小スポット又はライン光にして、ミラー14aの裏面にて反射させ、この反射光を受光センサで受光してもよい。
In the above embodiment and its modification, the back surface of the
10…レーザ光源、12…コリメートレンズ、14…第1ミラー、20…受光センサ、22…レーザ光源、24…コリメートレンズ、26,26A,26B…受光センサ、30…筐体、32…モータ、32a…エンコーダ、34…減速装置、38…ミラー角度検出用レーザ駆動回路、40…ミラー駆動回路、42,42A,42B…ミラー角度検出回路、44…筐体駆動回路、46…筐体角度検出回路、48…形状測定用レーザ駆動回路、52…コントローラ、58…シリンドリカルレンズ、OB…測定対象物
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面を前記レーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段と、
前記レーザ光出射方向変更手段による前記レーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段と、
前記測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサと、
前記第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段と、
前記出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び前記第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて前記測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段とを備えた3次元形状測定装置において、
前記レーザ光出射方向変更手段は、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部と、供給される電気信号に応じて前記ミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置とが一体的に形成されたミラーを備え、
前記出射方向検出手段は、
前記ミラーの第2反射面に向けて前記光ビームを出射する光ビーム出射手段と、
前記第2反射面からの前記光ビームの反射光を受光する第2受光センサであって、
それぞれ受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する複数の受光素子を一列に配置して形成され、前記第2反射面からの反射光を前記複数の受光素子のうちのいずれか1つの受光素子によって受光する第2受光センサと、
前記第2受光センサにおける前記反射光の受光位置に基づいて、前記ミラー部の回転角度を検出するミラー回転角度検出手段であって、
前記複数の受光素子にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の受光素子から出力される受光信号をそれぞれ増幅して互いに異なる大きさの信号レベルに変換する複数の増幅器と、
前記複数の増幅器によって変換された受光信号を加算した加算信号を出力する加算器と、
一定の時間間隔で前記加算信号の値を受光データとして記憶する記憶手段に記憶させておき、前記記憶手段に記憶した受光データの値から前記第2反射面からの反射光を受光した受光素子を特定するとともに、前記受光素子の特定に用いた受光データと同じ値の受光データであって、前記受光素子の特定に用いた受光データを記憶する前後において連続して記憶した受光データのデータ数を用いて前記第2受光センサにおける前記第2反射面からの反射光の受光位置を算出して、前記算出した受光位置に基づいて前記ミラー部の回転角度を算出する角度算出手段と、を有するミラー回転角度検出手段と、を備えたことを特徴とする3次元形状測定装置。 A laser light source that emits laser light toward the measurement object;
Laser beam emission direction changing means for changing the emission direction of the laser beam emitted from the laser light source and causing the laser beam to scan the surface of the measurement object;
An emission direction detecting means for detecting an emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means;
A first light receiving sensor for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object;
First light receiving position detecting means for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor;
Based on the principle of triangulation, the surface of the measurement object is measured using the emission direction of the laser beam detected by the emission direction detection unit and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. In a three-dimensional shape measuring apparatus comprising coordinate data calculating means for calculating three-dimensional coordinate data representing a shape,
The laser beam emission direction changing means is
A first reflection surface that is rotatably supported around a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source, and a second reflection that reflects a light beam different from the laser light. A mirror unit having a surface, and a mirror integrally formed with a driving device that rotates and displaces the mirror unit around the rotation axis according to an electric signal supplied;
The emission direction detecting means includes
Light beam emitting means for emitting the light beam toward the second reflecting surface of the mirror;
A second light receiving sensor for receiving reflected light of the light beam from the second reflecting surface ;
A plurality of light receiving elements that output light receiving signals having an intensity corresponding to the amount of received light are arranged in a line, and reflected light from the second reflecting surface is any one of the plurality of light receiving elements. A second light receiving sensor for receiving light by two light receiving elements;
Mirror rotation angle detection means for detecting a rotation angle of the mirror unit based on a light receiving position of the reflected light in the second light receiving sensor ;
A plurality of amplifiers provided corresponding to the plurality of light receiving elements, respectively, for amplifying the received light signals output from the plurality of light receiving elements and converting them to signal levels of different magnitudes;
An adder that outputs an addition signal obtained by adding the received light signals converted by the plurality of amplifiers;
A light receiving element that receives the reflected light from the second reflecting surface from the value of the light reception data stored in the storage means is stored in a storage means that stores the value of the addition signal as light reception data at a constant time interval. And the number of received light data continuously stored before and after storing the received light data used for specifying the light receiving element. And a mirror having angle calculation means for calculating a light receiving position of reflected light from the second reflecting surface in the second light receiving sensor and calculating a rotation angle of the mirror unit based on the calculated light receiving position. A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: a rotation angle detecting unit ;
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面を前記レーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段と、
前記レーザ光出射方向変更手段による前記レーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段と、
前記測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサと、
前記第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段と、
前記出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び前記第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて前記測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段とを備えた3次元形状測定装置において、
前記レーザ光出射方向変更手段は、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部と、供給される電気信号に応じて前記ミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置とが一体的に形成されたミラーを備え、
前記出射方向検出手段は、
光源と、前記光源から出射された光を線状のライン光に変換する変換器とを有し、前記ライン光を前記ミラーの第2反射面に向けて出射する光ビーム出射手段と、
前記第2反射面からの前記ライン光の反射光を受光する第2受光センサであって、受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する2つのセンサを並べて形成されて、前記第2反射面にて反射した前記ライン光を前記2つのセンサで受光する第2受光センサと、
前記2つのセンサが出力する信号の強度の差を用いて前記ミラー部の回転角度を算出する角度算出手段を有するミラー回転角度検出手段と、を備えたことを特徴とする3次元形状測定装置。 A laser light source that emits laser light toward the measurement object;
Laser beam emission direction changing means for changing the emission direction of the laser beam emitted from the laser light source and causing the laser beam to scan the surface of the measurement object;
An emission direction detecting means for detecting an emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means;
A first light receiving sensor for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object;
First light receiving position detecting means for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor;
Based on the principle of triangulation, the surface of the measurement object is measured using the emission direction of the laser beam detected by the emission direction detection unit and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. In a three-dimensional shape measuring apparatus comprising coordinate data calculating means for calculating three-dimensional coordinate data representing a shape,
The laser beam emission direction changing means is
A first reflection surface that is rotatably supported around a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source, and a second reflection that reflects a light beam different from the laser light. A mirror unit having a surface, and a mirror integrally formed with a driving device that rotates and displaces the mirror unit around the rotation axis according to an electric signal supplied;
The emission direction detecting means includes
A light source, and a light beam emitting means that emits the line light toward the second reflecting surface of the mirror, and a converter that converts light emitted from the light source into linear line light;
A second light receiving sensor for receiving the reflected light of the line light from the second reflecting surface, wherein two sensors for outputting a light receiving signal having an intensity corresponding to the amount of the received light are arranged side by side; A second light receiving sensor that receives the line light reflected by the two reflecting surfaces by the two sensors;
A three-dimensional shape measuring apparatus comprising: a mirror rotation angle detection unit having an angle calculation unit that calculates a rotation angle of the mirror unit using a difference in intensity between signals output from the two sensors .
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面を前記レーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段と、
前記レーザ光出射方向変更手段による前記レーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段と、
前記測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサと、
前記第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段と、
前記出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び前記第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて前記測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段とを備えた3次元形状測定装置において、
前記レーザ光出射方向変更手段は、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部と、供給される電気信号に応じて前記ミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置とが一体的に形成されたミラーを備え、
前記出射方向検出手段は、
前記ミラーの第2反射面に向けて前記光ビームを出射する光ビーム出射手段と、
前記第2反射面からの前記光ビームの反射光を受光する第2受光センサと、
前記第2受光センサにおける前記反射光の受光位置に基づいて、前記ミラー部の回転角度を検出するミラー回転角度検出手段とを備え、
前記第1受光位置検出手段は、前記ミラー回転角度検出手段によって検出した前記ミラー部の回転角度が所定の角度であるときに、前記第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出することを特徴とする3次元形状測定装置。 A laser light source that emits laser light toward the measurement object;
Laser beam emission direction changing means for changing the emission direction of the laser beam emitted from the laser light source and causing the laser beam to scan the surface of the measurement object;
An emission direction detecting means for detecting an emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means;
A first light receiving sensor for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object;
First light receiving position detecting means for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor;
Based on the principle of triangulation, the surface of the measurement object is measured using the emission direction of the laser beam detected by the emission direction detection unit and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. In a three-dimensional shape measuring apparatus comprising coordinate data calculating means for calculating three-dimensional coordinate data representing a shape,
The laser beam emission direction changing means is
A first reflection surface that is rotatably supported around a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source, and a second reflection that reflects a light beam different from the laser light. A mirror unit having a surface, and a mirror integrally formed with a driving device that rotates and displaces the mirror unit around the rotation axis according to an electric signal supplied;
The emission direction detecting means includes
Light beam emitting means for emitting the light beam toward the second reflecting surface of the mirror;
A second light receiving sensor for receiving reflected light of the light beam from the second reflecting surface;
Mirror rotation angle detecting means for detecting a rotation angle of the mirror unit based on a light receiving position of the reflected light in the second light receiving sensor ;
The first light receiving position detecting means detects the light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor when the rotation angle of the mirror portion detected by the mirror rotation angle detecting means is a predetermined angle. A characteristic three-dimensional shape measuring apparatus.
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の出射方向を変更して前記測定対象物の表面を前記レーザ光に走査させるレーザ光出射方向変更手段と、
前記レーザ光出射方向変更手段による前記レーザ光の測定対象物への出射方向を検出する出射方向検出手段と、
前記測定対象物の表面にて反射する散乱光を受光する第1受光センサと、
前記第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出する第1受光位置検出手段と、
前記出射方向検出手段によって検出された前記レーザ光の出射方向及び前記第1受光センサによって検出された前記散乱光の受光位置を用いて、3角測量の原理に基づいて前記測定対象物の表面の形状を表す3次元座標データを算出する座標データ算出手段とを備えた3次元形状測定装置において、
前記レーザ光出射方向変更手段は、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光の光軸に垂直な回転軸回りに回転可能に支持されて前記レーザ光を反射する第1反射面及び前記レーザ光とは異なる光ビームを反射する第2反射面を有するミラー部と、供給される電気信号に応じて前記ミラー部を前記回転軸周りに回転させて変位させる駆動装置とが一体的に形成されたミラーを備え、
前記出射方向検出手段は、
前記ミラーの第2反射面に向けて前記光ビームを出射する光ビーム出射手段と、
前記第2反射面からの前記光ビームの反射光を受光する第2受光センサと、
前記第2受光センサにおける前記反射光の受光位置に基づいて、前記ミラー部の回転角度を検出するミラー回転角度検出手段とを備え、
前記レーザ光出射方向変更手段は、前記ミラー回転角度検出手段によって検出した前記ミラー部の回転角度が前記駆動装置に供給する電気信号に応じた所定の回転角度となるように、前記電気信号を変更する電気信号変更手段をさらに備え、
前記第1受光位置検出手段は、所定の時間間隔で、前記第1受光センサにおける前記散乱光の受光位置を検出することを特徴とする3次元形状測定装置。 A laser light source that emits laser light toward the measurement object;
Laser beam emission direction changing means for changing the emission direction of the laser beam emitted from the laser light source and causing the laser beam to scan the surface of the measurement object;
An emission direction detecting means for detecting an emission direction of the laser beam to the measurement object by the laser beam emission direction changing means;
A first light receiving sensor for receiving scattered light reflected by the surface of the measurement object;
First light receiving position detecting means for detecting a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor;
Based on the principle of triangulation, the surface of the measurement object is measured using the emission direction of the laser beam detected by the emission direction detection unit and the light receiving position of the scattered light detected by the first light receiving sensor. In a three-dimensional shape measuring apparatus comprising coordinate data calculating means for calculating three-dimensional coordinate data representing a shape,
The laser beam emission direction changing means is
A first reflection surface that is rotatably supported around a rotation axis perpendicular to the optical axis of the laser light emitted from the laser light source, and a second reflection that reflects a light beam different from the laser light. A mirror unit having a surface, and a mirror integrally formed with a driving device that rotates and displaces the mirror unit around the rotation axis according to an electric signal supplied ;
The emission direction detecting means includes
Light beam emitting means for emitting the light beam toward the second reflecting surface of the mirror;
A second light receiving sensor for receiving reflected light of the light beam from the second reflecting surface;
Mirror rotation angle detecting means for detecting a rotation angle of the mirror unit based on a light receiving position of the reflected light in the second light receiving sensor ;
The laser beam emission direction changing unit changes the electric signal so that the rotation angle of the mirror portion detected by the mirror rotation angle detecting unit becomes a predetermined rotation angle corresponding to the electric signal supplied to the driving device. Further comprising an electric signal changing means
The three-dimensional shape measuring apparatus , wherein the first light receiving position detecting means detects a light receiving position of the scattered light in the first light receiving sensor at a predetermined time interval .
前記第2受光センサは、それぞれ受光した光の光量に応じた強度の受光信号を出力する複数の受光素子を一列に配置して形成され、前記第2反射面からの反射光を前記複数の受光素子のうち隣り合う2つ以上の受光素子によって受光し、
前記ミラー回転角度検出手段は、前記複数の受光素子のうち受光した光量の最も大きな受光素子を特定して、前記特定した受光素子の前記第2受光センサにおける位置に基づいて前記ミラー部の回転角度を算出する角度算出手段を備えたことを特徴とする3次元形状測定装置。 In the three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 3 or 4 ,
The second light receiving sensor is formed by arranging a plurality of light receiving elements that output a light receiving signal having an intensity corresponding to the amount of received light in a line, and receives reflected light from the second reflecting surface. Light is received by two or more light receiving elements adjacent to each other,
The mirror rotation angle detection unit identifies a light receiving element having the largest received light amount among the plurality of light receiving elements, and rotates the mirror unit based on a position of the identified light receiving element in the second light receiving sensor. A three-dimensional shape measuring apparatus comprising an angle calculating means for calculating.
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