特開 2024-29719 形状計測装置および形状計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024029719

(43)【公開日】2024-03-06

(54)【発明の名称】形状計測装置および形状計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/26 20060101AFI20240228BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20240228BHJP

【ＦＩ】

G01B11/26 Z

G01B11/24 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022132139

(22)【出願日】2022-08-22

(71)【出願人】

【識別番号】000135254

【氏名又は名称】株式会社ニレコ

(74)【代理人】

【識別番号】110002653

【氏名又は名称】弁理士法人アズテックＩＰ

(72)【発明者】

【氏名】松本 幸一

(72)【発明者】

【氏名】月崎 雄

【テーマコード（参考）】

2F065

【Ｆターム（参考）】

2F065AA04

2F065AA06

2F065AA31

2F065AA53

2F065BB01

2F065DD03

2F065FF09

2F065FF10

2F065FF11

2F065GG04

2F065GG24

2F065HH04

2F065JJ01

2F065LL67

2F065PP22

2F065QQ03

2F065QQ21

2F065QQ28

2F065UU06

(57)【要約】      （修正有）

【課題】被検査物の３次元的な傾きを計測する機能を備えた同軸光学系の形状計測装置および形状計測方法を提供する。
【解決手段】形状計測装置１は、被検査物５の測定面に対して光線を照射する照射手段と、被検査物５に照射された該光線の反射光を検出する検出手段と、被検査物５の複数の走査点で検出した該反射光に基づいて、照射手段から被検査物までの距離を算出し、被検査物５の形状を特定する算出手段を備え、照射手段は、第１，第２，第３の照射部からなり、光線は、第１，第２，第３それぞれの照射部からそれぞれ放出される第１，第２，第３の光線６ａ，光線６ｂ，光線６ｃからなり、各光線は互いに平行であり、光線６ａと光線６ｂを含む平面は、光線６ａと光線６ｃを含む平面に対して垂直であり、検出手段は、第１の光線６ａを検出する第１の検出部、第２の光線６ｂを検出する第２の検出部および第３の光線６ｃを検出する第３の検出部からなる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被検査物の測定面に対して光線を照射する照射手段と、
前記被検査物に照射された該光線の反射光を検出する検出手段と、
前記被検査物の複数の走査点で検出した該反射光に基づいて、前記照射手段から前記被検査物までの距離を算出し、前記被検査物の形状を特定する算出手段を備える形状計測装置において、
前記照射手段は、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部からなり、
前記光線は、前記第１の照射部から放出される第１の光線、前記第２の照射部から放出される第２の光線および前記第３の照射部から放出される第３の光線からなり、
前記第１の光線、前記第２の光線および前記第３の光線は互いに平行であり、
前記第１の光線と前記第２の光線を含む平面は、前記第１の光線と前記第３の光線を含む平面に対して垂直であり、
前記検出手段は、前記第１の光線を検出する第１の検出部、前記第２の光線を検出する第２の検出部および前記第３の光線を検出する第３の検出部からなる
ことを特徴とする形状計測装置。

【請求項2】

前記被検査物の測定面は、平面又は曲面であることを特徴とする請求項１に記載の形状計測装置。

【請求項3】

前記算出手段は、前記第１の検出部において検出された第１の距離、前記第２の検出部において検出された第２の距離および前記第３の検出部において検出された第３の距離に基づいて、前記被検査物の測定面の傾きを算出することを特徴とする請求項１または２に記載の形状計測装置。

【請求項4】

被検査物の測定面に対して光線を照射する照射ステップと、
前記被検査物に照射された該光線の反射光を検出する検出ステップと、
前記被検査物の複数の走査点で検出した該反射光に基づいて、前記照射手段から前記被検査物までの距離を算出し、前記被検査物の形状を特定する算出ステップを備える形状計測装置において、
前記照射ステップは、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部からなり、
前記光線は、前記第１の照射部から放出される第１の光線、前記第２の照射部から放出される第２の光線および前記第３の照射部から放出される第３の光線からなり、
前記第１の光線、前記第２の光線および前記第３の光線は互いに平行であり、
前記第１の光線と前記第２の光線を含む平面は、前記第１の光線と前記第３の光線を含む平面に対して垂直であり、
前記検出ステップは、前記第１の光線を検出する第１の検出部、前記第２の光線を検出する第２の検出部および前記第３の光線を検出する第３の検出部からなる
ことを特徴とする形状計測方法。

【請求項5】

前記被検査物の測定面は、平面又は曲面であることを特徴とする請求項４に記載の形状計測方法。

【請求項6】

前記算出ステップは、前記第１の検出部において検出された第１の距離、前記第２の検出部において検出された第２の距離および前記第３の検出部において検出された第３の距離に基づいて、前記被検査物の測定面の傾きを算出することを特徴とする請求項４または５に記載の形状計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学的手段によって被検査物の傾きを測定する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

光学的手段の使用によって光学機器から被検査物までの距離を測定する技術は、従来から開示されている。単純には、光学機器から照射される光の反射光が最も強く検出されるときに、光が被検査物に垂直に照射されているといえる。しかしながら、被検査物の照射面が粗面である場合は、測定誤差が生じ、被検査物の照射面が鏡面である場合は、傾きが許容値を超えると測定できないことになり、複雑な角度補正が必要である。

【0003】

被検査物の傾きの角度を算出する場合は、三角法を利用することができる。被検査物の測定対象面が平面であるものとして、その測定対象面の２点までの距離を計測すれば、測定対象面の２次元的な傾きを算出することができる。例えばレーザー測長機であれば、測長機をスライドして被検査物との距離を２点で測り、被検査物の傾きを計測する。

【0004】

特許文献１は、圧延材の通板領域の両側に一対のみ設置されたレーザー距離計により、圧延材の測定板幅と斜行角度とを同時測定することで、斜行角度を補正しながら真の板幅を高精度に測定することができる圧延材の板幅測定装置及び板幅測定方法を提供するものであり、１つの光源から３点スポット光を照射して、二次元検出器によって検出された反射光による画像を用いて、被検査物である圧延材の傾きを三角法から算出するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００１－２８０９１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の測定は、圧延材に３点スポット光が一直線上に並ぶように照射することによって行われる。しかしながら、特許文献１の測定方法では、一直線上の３点スポット光が並んだ直線方向を軸とした回転による傾き、いわゆるあおり方向の傾きを計測することは困難である。また、照射部と検出部が分離しているので装置自体が大型化する。

【0007】

本発明は、被検査物の３次元的な傾きを計測する機能を備えた同軸光学系の形状計測装置および形状計測方法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】

【0008】

本発明の形状計測装置は、被検査物の測定面に対して光線を照射する照射手段と、前記被検査物に照射された該光線の反射光を検出する検出手段と、前記被検査物の複数の走査点で検出した該反射光に基づいて、前記照射手段から前記被検査物までの距離を算出し、前記被検査物の形状を特定する算出手段を備える形状計測装置において、前記照射手段は、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部からなり、前記光線は、前記第１の照射部から放出される第１の光線、前記第２の照射部から放出される第２の光線および前記第３の照射部から放出される第３の光線からなり、前記第１の光線、前記第２の光線および前記第３の光線は互いに平行であり、前記第１の光線と前記第２の光線を含む平面は、前記第１の光線と前記第３の光線を含む平面に対して垂直であり、前記検出手段は、前記第１の光線を検出する第１の検出部、前記第２の光線を検出する第２の検出部および前記第３の光線を検出する第３の検出部からなることを特徴とする。

【0009】

また、前記被検査物の測定面は、平面又は曲面であることを特徴とする。

【0010】

また、前記算出手段は、前記第１の検出部において検出された第１の距離、前記第２の検出部において検出された第２の距離および前記第３の検出部において検出された第３の距離に基づいて、前記被検査物の測定面の傾きを算出することを特徴とする。

【0011】

また、本発明の形状計測方法は、被検査物の測定面に対して光線を照射する照射ステップと、前記被検査物に照射された該光線の反射光を検出する検出ステップと、前記被検査物の複数の走査点で検出した該反射光に基づいて、前記照射手段から前記被検査物までの距離を算出し、前記被検査物の形状を特定する算出ステップを備える形状計測装置において、前記照射ステップは、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部からなり、前記光線は、前記第１の照射部から放出される第１の光線、前記第２の照射部から放出される第２の光線および前記第３の照射部から放出される第３の光線からなり、前記第１の光線、前記第２の光線および前記第３の光線は互いに平行であり、前記第１の光線と前記第２の光線を含む平面は、前記第１の光線と前記第３の光線を含む平面に対して垂直であり、前記検出ステップは、前記第１の光線を検出する第１の検出部、前記第２の光線を検出する第２の検出部および前記第３の光線を検出する第３の検出部からなることを特徴とする。

【0012】

また、前記被検査物の測定面は、平面又は曲面であることを特徴とする。

【0013】

また、前記算出ステップは、前記第１の検出部において検出された第１の距離、前記第２の検出部において検出された第２の距離および前記第３の検出部において検出された第３の距離に基づいて、前記被検査物の測定面の傾きを算出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明の形状計測装置および形状計測方法は、被検査物の３点を測定するため、光線をミラーで屈曲させることが可能であり、照射部４及び検出部を小型化することができる。また、被検査物の測定面の形状が平面であっても曲面であっても傾きを検出可能である。本発明の構成は同軸測量方式のレーザー距離計による測定に好適であるが、ミラーのサイズと配置を適宜選択して三角測量方式等の測定方式とすることもできる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の形状計測装置の全体のブロック図である。

【図2】本発明の形状計測装置の光線の照射を２方向から見たブロック図である。

【図3】本発明の形状計測装置の照射部から見た被検査物の照射位置を表す図である。

【図4】本発明の形状計測装置の被検査物が円筒状である場合に、光線の照射を２方向から見たブロック図である。

【図5】本発明の形状計測装置の全体図である。

【図6】本発明の形状計測方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例0016】

図１は、本発明の形状計測装置１の全体のブロック図である。本発明の形状計測装置１は、制御部２、光源部３、照射部４および検出部を備える。検出部は図示を省略する。制御部２は、コンピュータおよび記憶装置などから構成される。記憶装置には測定対象となる被検査物５の位置情報を含む測定情報が格納される。コンピュータは測定情報に従って照射部４と被検査物５の初期配置を定め、光源部３で生成した光線６を照射部４から放出させ、検出部に入光した被検査物５からの反射光を記憶装置に記録する。

【0017】

光源部３では、３条のレーザー光が生成される。また、照射部４は照射手段を備え、各レーザー光は照射部４から同軸で放出される。具体的には、照射部４は、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部からなる。各レーザー光は光線６として被検査物５の測定面に対して照射される。

【0018】

図２は３条の光線６の照射を２方向から見たブロック図である。光線６は、第１の照射部から放出される第１の光線６ａ、第２の照射部から放出される第２の光線６ｂおよび前記第３の照射部から放出される第３の光線６ｃからなる。以下、光線６の照射方向をｘ軸、ｘ軸に直交しｘ軸から第２の光線６ｂの方向をｙ軸、ｘ軸およびｙ軸に直交しｘ軸から第３の光線６ｃの方向をｚ軸とする。図２（ａ）は、照射部４をｚ軸方向から見た図であり、第１の光線６ａおよび第２の光線６ｂが被検査物５に平行に照射されている。また、図２（ｂ）は、照射部４をｙ軸方向から見た図であり、第１の光線６ａおよび第３の光線６ｃが被検査物５に平行に照射されている。ここで、第１の光線６ａ、第２の光線６ｂおよび第３の光線６ｃは互いに平行であって、第１の光線６ａと第２の光線６ｂを含む平面は、第１の光線６ａと第３の光線６ｃを含む平面に対して垂直である。

【0019】

図３は、照射部４から見た被検査物５の照射位置を表す図である。５ａは第１の光線６ａが当たる第１の照射部位、５ｂは第２の光線６ｂが当たる第２の照射部位、５ｃは第３の光線６ｃが当たる第３の照射部位である。第２の照射部位５ｂ、第１の照射部位５ａおよび第３の照射部位５ｃはｘ軸方向から見たときに直角をなす。

【0020】

ここで、本発明の形状計測装置１の検出部は、第１の照射部と同軸に配置される第１の検出部、第２の照射部と同軸に配置される第２の検出部および第３の照射部と同軸に配置される第３の検出部からなり、被検査物５に照射された第１の光線６ａ、第２の光線６ｂおよび第３の光線６ｃの各反射光を検出する検出手段を備える。具体的には、検出手段は、第１の光線６ａを検出する第１の検出部、第２の光線６ｂを検出する第２の検出部および第３の光線６ｃを検出する第３の検出部からなる。第１の検出部、第２の検出部および第３の検出部の配置は、検出方法による。第１の検出部、第２の検出部および第３の検出部を、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部と同軸に配置して同軸測量としてもよいし、三角測量、ＴｏＦ方式、マルチカラー共焦点方式等の距離計測が可能なセンサを配置してもよい。

【0021】

また、本発明の形状計測装置１は、照射部４から各照射部位までの距離ｌ、ｍおよびｎを同時に算出する算出手段を備える。ここで、第１の距離ｌは第１の照射部から第１の照射部位５ａまでの距離、第２の距離ｍは第２の照射部から第２の照射部位５ｂまでの距離、第３の距離ｎは第３の照射部から第３の照射部位５ｃまでの距離を表す。距離は、検出部の配置が同軸測量またはＴｏＦ方式であれば、反射光と参照光の周波数差に基づいて時間を計測して算出し、三角測量またはマルチカラー共焦点方式であれば検出部の位置で距離を算出する。

【0022】

さらに、本発明の形状計測装置１は、第１の検出部において検出された第１の距離ｌ、第２の検出部において検出された第２の距離ｍおよび第３の検出部において検出された第３の距離ｎに基づいて、被検査物５の測定面の傾きを算出する算出手段を備える。具体的には、被検査物５のｙ軸に対する角度θは、第１の光線６ａと第２の光線６ｂの間隔ｓおよび、第１の距離ｌと第２の距離ｍの差から逆正接を算出して求めることができる（下式１）。同様に、被検査物５のｚ軸に対する角度φは、第１の光線６ａと第３の光線６ｃの間隔ｔおよび、第１の距離ｌと第３の距離ｎの差から逆正接を算出して求めることができる（下式２）。

【0023】

【数1】

【0024】

【数2】

【0025】

本発明の形状計測装置１は、算出した角度θおよびφを基準としながら、他の走査点について第１の距離ｌ、第２の距離ｍおよび第３の距離ｎを計測し、角度θおよびφを用いて補正しながら基準点と他の走査点との傾きの差を算出することができる。

【0026】

本発明の形状計測装置１は、測定面が平面である場合のみならず、曲面状であっても傾きを算出することができる。図４は、３つの光線６の照射を２方向から見たブロック図である。また、図４（ａ）は、照射部４をｚ軸方向から見た図であり、図４（ｂ）は、照射部４をｙ軸方向から見た図である。即ち、断面が正円である円筒状の被検査物７の測定面に対し、第１の距離ｌ、第２の距離ｍおよび第３の距離ｎが全て等しくなれば、光線６が測定面に対して垂直に照射されているといえる。

【0027】

図４は円筒状の被検査物７の内部から照射した状態を表しているが、円筒状の被検査物７の外部からの照射でも同様である。第１の距離ｌ、第２の距離ｍおよび第３の距離ｎが全て等しくなった状態を傾きが０である基準点とし、被検査物７を円筒の中心軸として回転させたり、被検査物７または照射部４を円筒の中心軸に沿って移動させたりして、基準点と他の走査点との傾きの差を測定することができる。

【0028】

図５（ａ）は本発明の形状計測装置１の斜視図である。また、図５（ｂ）は形状計測装置１の概略断面図であり、図５（ｃ）は形状計測装置１の使用状態を表す斜視図である。形状計測装置１は基台部１１、筒部１２、先端部１３、および支持部１４に大別される。

【0029】

図５の形状計測装置１は一例であり、基台部１１、筒部１２等は他の構成であっても良い。本例では、筒部１２には光ファイバー１２ａが接続され、照射器１２ｂから発出した光線６が筒部１２を通過し、先端部１３に取り付けられたミラー１３ａで屈曲し、被検査物７の測定面を照射する。図５（ｃ）に示す例は、被検査物７の内面に光線６が照射され、支持部１４が被検査物７の上面７ａに載置されるが、支持部１４が被検査物７の底面を支える配置でもよい。また、筒部１２は、制御部２によって、回動や昇降といった動作が可能となっていてもよい。筒部１２の回動や昇降によって、被検査物７の広範な走査点に光線６が照射される。

【0030】

図６は、本発明の形状計測方法のフロー図である。まず、制御部２は照射部４と被検査物５の初期配置を定め（ステップ１）、被検査物５の測定面に対して光線６を照射し（ステップ２）、被検査物５に照射された光線６の反射光を検出し（ステップ３）、照射部４から被検査物５までの距離を算出する（ステップ４）。

【0031】

ステップ２においては、第１の照射部、第２の照射部および第３の照射部から光線６を照射し、ステップ３においては、第１の検出部、第２の検出部および第３の検出部が、第１の光線６ａ、第２の光線６ｂおよび第３の光線６ｃの反射光を検出し、ステップ４においては、第１の距離ｌ、第２の距離ｍおよび第３の距離ｎを算出することは、先述の本発明の形状計測装置１における説明の通りである。このとき、第１の光線６ａ、第２の光線６ｂおよび第３の光線６ｃは互いに平行であり、第１の光線６ａと第２の光線６ｂを含む平面は、第１の光線６ａと第３の光線６ｃを含む平面に対して垂直であることも、先述の本発明の形状計測装置１における説明の通りである。

【0032】

また、ステップ４において、第１の距離ｌ、第２の距離ｍおよび第３の距離ｎに基づいて、前記被検査物の測定面の傾きを算出することも先述の本発明の形状計測装置１における説明の通りである。

【0033】

所定の走査点において計測を繰り返し、全ての走査点を計測した場合は終了となる（ステップ５）。他の走査点がある場合は、計測のために制御部２が照射部４を移動させることができる（ステップ６）。本発明の形状計測方法においては、初期配置において算出した角度θおよびφを基準とし、他の走査点について第１の距離ｌ、第２の距離ｍおよび第３の距離ｎを計測し、角度θおよびφを用いて補正しながら基準点と他の走査点との傾きの差を算出することができることも、先述の本発明の形状計測装置１における説明の通りである。

【0034】

本発明の形状計測装置１および形状計測方法は、同軸で３点を測定するレーザー距離計であれば光線をミラーで屈曲させることが可能であり、照射部４及び検出部を小型化することができ、小型の筒状の内寸の測定に好適である。

【0035】

本発明の形状計測装置１および形状計測方法に用いる光源部３は、照射部４が対応する様々なレーザー光を利用することができる。例えば、マルチカラー共焦点方式やホログラフィ方式などの同軸測量に使用されるレーザー光源が使用できる。ただし、照射器や折り返しミラーが大きくなることを許容できるのであれば三角測量センサやToFなどの既存レーザー距離計を使用することも可能である。

【0036】

本発明の形状計測装置１および形状計測方法に対応する測定面の形状は、例示した平面状、曲面状に適しており、特に円筒状であって、測定者が入れない内径の筒状の物体の内側の測定に好適である。

【符号の説明】

【0037】

１： 形状計測装置
２： 制御部
３： 光源部
４： 照射部
５： 被検査物
６： 光線
７： 被検査物
１１：基台部
１２：筒部
１３：先端部
１４：支持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】