CN107121058B

CN107121058B - 测量方法

Info

Publication number: CN107121058B
Application number: CN201710088418.6A
Authority: CN
Inventors: 酒井裕志; 渡边裕; 高滨康弘; 伊藤明正; 工藤雄治
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2017-02-17
Publication date: 2020-09-15
Anticipated expiration: 2037-02-17
Also published as: CN107121058A; US20170248410A1; US10274313B2; DE102017001757A1

Abstract

本发明公开了对有弯曲形状的目标物体测量距测量头的距离而测量所述目标物体的表面的方法，特征在于包括以下步骤：设定目标物体的测量范围和凹凸的阈值的步骤；获取包含目标物体的弯曲形状的形状基准数据的步骤；测量在测量范围中的目标物体和测量头之间的距离，获取目标物体的表面的三维数据的步骤；从三维数据除去形状基准数据来获取弯曲除去数据的步骤；基于弯曲除去数据求第1基准数据，求将对于第1基准数据超过阈值的数据从弯曲除去数据除外进行平均的第2基准数据的步骤；以及提取对于第2基准数据超过阈值的数据，求凹凸的形状数据的步骤。

Description

测量方法

技术领域

本发明涉及测量方法和测量程序，更详细地说，涉及用于高精度测量弯曲的目标物体的表面高度的测量方法和测量程序。

背景技术

作为测量目标物体的表面高度、表面粗糙度、三维形状等的测量方法之一，已知利用由光的干涉产生的干涉条纹的亮度信息的光干涉法。在光干涉法中，利用参照光路的光路长度和测量光路的光路长度一致的焦点位置中各波长的干涉条纹的峰值被重叠合成，干涉条纹的亮度变大。因此，在光干涉法中，一面使参照光路或测量光路的光路长度变化，一面由CCD摄像机等的摄像元件拍摄表示干涉光强度的二维分布的干涉图像。然后，通过在拍摄视野内的各测量位置检测干涉光的强度为峰值的焦点位置，测量在各测量位置中的测量面的高度，对测量目标物体的三维形状等进行测量(例如，参照日本特开2011－191118号公报、日本特开2015－045575号公报、以及日本特开2015－118076号公报)。

发明内容

可是，在测量的目标物体的表面弯曲的情况下，测量值中会包含表面的弯曲的状态，所以难以高精度测量表面的凹凸状态和表面粗糙度等。特别地，在测量的目标物体为圆筒状的内壁面(例如，汽缸内壁面)的情况下，在以往，将内壁面的一部分转印在复制剂中，用激光显微镜等人工分析转印的形状。在这样的人工分析中，检查的可靠性和检查者造成的偏差很大。

本发明的目的在于，提供能够自动地高精度测量弯曲的目标物体的表面的测量方法和测量程序。

为了解决上述课题，本发明是对有弯曲形状的目标物体测量距测量头的距离而测量目标物体的表面的方法，特征在于包括以下步骤：设定目标物体的测量范围和凹凸的阈值的步骤；获取包含目标物体的弯曲形状的形状基准数据的步骤；测量在测量范围中的目标物体和测量头之间的距离，获取目标物体的表面的三维数据的步骤；从三维数据除去形状基准数据而获取弯曲除去数据的步骤；基于弯曲除去数据求第1基准数据，求将对于第1基准数据超过阈值的数据从弯曲除去数据除外进行平均的第2基准数据的步骤；以及从弯曲除去数据提取对于第2基准数据超过阈值的数据，求凹凸的形状数据的步骤。

根据这样的结构，从对有弯曲形状的目标物体的表面获取的三维数据除去包含弯曲形状的形状基准数据，所以能够获取除去了目标物体的表面中的弯曲的状态的数据(弯曲除去数据)。通过将对于基于该弯曲除去数据的第1基准数据超过阈值的数据除外，能够得到将表面的凹凸形状除外的第2基准数据。然后，通过对于第2基准数据再次进行阈值判定，能够进行包含了凹凸形状的判定的精度高的测量。

在本发明的测量方法中，也可以还包括使用将对于第2基准数据超过阈值的数据从弯曲除去数据除外的数据来求目标物体的表面粗糙度的步骤。由此，能够求不包含弯曲形状和凹凸形状的表面的粗糙度。

在本发明的测量方法中，凹凸的形状数据也可以包含凹凸的面积、面积率、体积、开口的最大值、开口的最小值和开口的平均值的至少一个。此外，目标物体的表面也可以是圆筒、圆锥、椭圆筒和椭圆锤之中的其中一个的内面。此外，测量头也可以通过光干涉法测量距离。

本发明是对有弯曲形状的目标物体测量距测量头的距离而测量目标物体的表面状态的测量程序，使计算机具有作为以下装置的功能：设定目标物体的测量范围和凹凸的阈值的装置；获取包含目标物体的弯曲形状的形状基准数据的装置；测量在测量范围中的目标物体和测量头之间的距离，获取目标物体的表面的三维数据的装置；从三维数据除去形状基准数据而获取弯曲除去数据的装置；求基于弯曲除去数据的第1基准数据，并求将从第1基准数据超过阈值的数据从弯曲除去数据除外进行平均的第2基准数据的装置；以及将从第2基准数据超过阈值的数据从弯曲除去数据提取抽出而求凹凸的形状数据的装置。

根据这样的结构，通过计算机，获取从对目标物体的表面获取的三维数据除去了弯曲形状的数据(弯曲除去数据)，进行将对于基于该弯曲除去数据的第1基准数据超过阈值的数据除外的处理。由此，得到将表面的凹凸形状除外的第2基准数据。然后，通过对于第2基准数据再次进行阈值判定，能够计算包含了凹凸形状的判定的精度高的测量结果。

附图说明

图1是表示本实施方式的图像测量装置的整体结构的图。

图2是例示光干涉光学头的结构的示意图。

图3是物镜单元的主要部分放大图。

图4的(a)是表示有弯曲形状的目标物体W的例子的示意立体图，图4的(b)是例示测量区域的示意图，图4的(c)是表示三维数据和剖面的例子的示意图。

图5是例示计算机的结构的框图。

图6是例示本实施方式的测量程序的流程的流程图。

图7的(a)示意地表示圆筒内壁的测量区域R，图7的(b)示意地表示圆筒内壁中的测量区域R和多个局部数据之间的对应。

图8的(a)和(b)是例示对基准数据的示意图。

图9的(a)和(b)是例示从基准数据对坑的判定的示意图。

具体实施方式

以下，基于附图说明本发明的实施方式。再有，在以下的说明中，对同一构件附加同一标号，对说明过一次的构件适当省略其说明。

〔测量装置的整体结构〕

图1是表示本实施方式的测量装置、更具体地为图像测量装置的整体结构的图。

如图1所示，本实施方式的图像测量装置1包括：测量目标物体W的形状的装置本体10；以及控制装置本体10，同时执行必要的数据处理的计算机***20。再有，图像测量装置1除了这些以外，也可以适当包括将测量结果等打印输出的打印机等。本实施方式的图像测量装置1适用于例如汽缸的内壁那样的、有弯曲形状的目标物体W的测量。

装置本体10包括架台11、载物台12、X轴导轨14和摄像单元15。在本实施方式中，X轴方向(沿X轴的方向)是沿载物台12的表面的一方向。Y轴方向(沿Y轴的方向)是在沿载物台12的表面的方向与X轴方向正交的方向。Z轴方向(沿Z轴的方向)是与X轴方向和Y轴方向正交的方向。Z轴方向也称为上下方向。此外，X轴方向和Y轴方向也称为水平方向。

架台11例如配置在防振台3之上，抑制外部的振动向架台11之上的载物台12和摄像单元15传送。载物台12配置在架台11之上。载物台12是放置测量的目标物体W的台。载物台12设为通过未图示的Y轴驱动机构相对架台11在Y轴方向可移动。

在架台11的两侧部设有支承部13a和13b。支承部13a和13b各自设为从架台11的侧部向上方延伸。X轴导轨14设在该支承部13a和13b之上，以便横跨它们。在X轴导轨14上安装摄像单元15。

摄像单元15设为通过未图示的X轴驱动机构沿X轴导轨14在X轴方向上可移动，并设为通过Z轴驱动机构在Z轴方向上可移动。通过这样的驱动机构，可设定载物台12上的目标物体W与沿摄像单元15的X轴、Y轴及Z轴各自的相对位置关系。即，通过调整该位置关系，能够使摄像单元15的拍摄区域与目标物体W的测量区域匹配。

摄像单元15可拆装地包括拍摄目标物体W的二维图像的图像光学头151和通过光干涉测量来测量目标物体W的三维形状的光干涉光学头152，使用其中一个头，在计算机***20设定的测量位置测量目标物体W。

图像光学头151的测量视野通常设定得比光干涉光学头152的测量视野宽，通过计算机***20的控制，能够切换两头来使用。图像光学头151和光干涉光学头152由共同的支承板支承，使得保持固定的位置关系，并被预先校准，使得在切换的前后测量的坐标轴不变化。

图像光学头151包括CCD摄像机、照明装置、对焦机构等，拍摄目标物体W的二维图像。拍摄的二维图像的数据被取入到计算机***20中。

光干涉光学头152通过例如白色光干涉法进行目标物体W的形状测量。在本实施方式中，光干涉光学头152是测量头的一例。有关光干涉光学头152的细节，将后述。

计算机***20包括计算机本体201、键盘202、鼠标204和显示器205。计算机本体201进行装置本体10的动作等的控制。计算机本体201通过控制板等的电路(硬件)和由CPU所执行的程序(软件)进行装置本体10的动作的控制。此外，计算机本体201基于从装置本体10输出的信号运算目标物体W的信息，将运算结果显示在显示器205上。

操纵杆203在设定拍摄目标物体W的位置时被使用。即，用户通过对操纵杆203进行操作，目标物体W和摄像单元15之间的相对位置关系变化，能够调整在显示器205上所显示的拍摄区域的位置。

图2是例示光干涉光学头的结构的示意图。

如图2所示，光干涉光学头152包括光射出单元200、光干涉光学头单元21、物镜单元22、参照反射镜单元23、成像透镜24、拍摄单元25、以及驱动机构单元26。

光射出单元200包括输出在整个宽频带中有多个波长成分的相干性低的宽频带光的光源，例如，使用卤素或LED(Light Emitting Diode；发光二极管)等的白色光源。

光干涉光学头单元21包括分光镜211和准直透镜212。从光射出单元200射出的光从与物镜单元22的光轴为直角的方向通过准直透镜212平行地照射到分光镜211，从分光镜211沿光轴的光被射出，相对物镜单元22从上方被照射平行光束。

物镜单元22包括物镜221、分光镜222等而构成。在物镜单元22中，平行光束从上方入射到物镜221中的情况下，入射光由物镜221聚光，入射到分光镜222内部的反射面222a中。这里，入射光被分割为在具有参照反射镜231的参照光路(图中虚线)中前进的透射光(参照光)和在配置了目标物体W的测量光路(图中实线)中前进的反射光(测量光)。透射光会聚并由参照反射镜231反射，进而透射分光镜222的反射面222a。另一方面，反射光会聚并由目标物体W反射，通过分光镜222的反射面222a被反射。来自参照反射镜231的反射光和来自目标物体W的反射光由分光镜222的反射面222a合成而成为合成波。

在分光镜222的反射面222a的位置合成的合成波通过物镜221成为平行光束进入上方，穿过光干涉光学头单元21，入射到成像透镜24中(图2中点划线)。成像透镜24使合成波会聚，在拍摄单元25上成像干涉图像。

参照反射镜单元23保持将在由上述分光镜222分支的参照光路上前进的透射光(参照光)反射的参照反射镜231。在目标物体W为汽缸的内壁的情况下，内壁面相对载物台12大致垂直地配置。因此，将物镜221的聚光通过分光镜222直角地(在水平方向)反射，对垂直地配置的汽缸的内壁面照射测量光。

拍摄单元25是用于构成摄像装置的二维的摄像元件组成的CCD摄像机等，拍摄从物镜单元22输出的合成波(来自目标物体W的反射光和来自参照反射镜231的反射光)的干涉图像。拍摄的图像的数据被取入到计算机***20中。

驱动机构单元26根据来自计算机***20的移动指令，使光干涉光学头152在光轴方向上移动。这里，在图3所示的物镜单元22的主要部分放大图中，在参照光路(光路1+光路2)和测量光路(光路3+光路4)的光路长度相等时光路长度差为0。因此，驱动机构单元26在测量时，通过使光干涉光学头152在由分光镜222反射的光线的光轴方向上水平地移动，使得光路长度差为0，来调整测量光路的长度。再有，上述中例示说明了使光干涉光学头152移动的情况，但也可以设为通过使载物台12移动来调整测量光路的长度的结构。这样，在光干涉光学头152中，参照光路或测量光路的其中一方的光路长度是可变的。再有，在目标物体W的测量面被配置为水平方向的情况下，使分光镜222的参照光和测量光的透射和反射相反，也可以适用使得测量光在垂直方向上透射的光学***。

光干涉光学头152在计算机***20的控制之下，一面通过驱动机构单元26移动扫描光轴方向的位置，一面反复进行拍摄单元25的拍摄。由拍摄单元25拍摄的各移动扫描位置中的干涉图像的图像数据被取入到计算机***20中，对测量视野内的各位置，检测产生干涉条纹的峰值的移动扫描位置，求目标物体W的测量面的各位置中的高度。

图4的(a)～(c)是说明目标物体和测量区域的示意图。

在本实施方式中，进行图4的(a)所示的汽缸内壁那样的有弯曲形状的目标物体W的形状测量。光干涉光学头152将内壁面S的规定的区域设为测量区域R，测量相对内壁面S垂直方向的距离。在图4的(b)中示意地表示一个测量区域R。

如图4的(c)所示，在内壁面S的三维数据中，对与测量区域R的拍摄单元25对应的各像素的每一个，包含相对内壁面S垂直方向(深度方向)的距离的数据。若在内壁面S中例如有坑(凹陷)，则相对基准面成为较低的值的数据。在该数据比阈值低的情况下判断为是坑。

〔测量方法和测量程序〕

本实施方式的测量方法，是使用例如上述的图像测量装置1，对有图4的(a)所示的弯曲形状的目标物体W进行表面的测量的方法。

测量方法有以下的步骤。

(1)设定目标物体W的测量区域R和凹凸的阈值的步骤。

(2)获取包含目标物体W的弯曲形状的形状基准数据的步骤。

(3)对测量区域R中的目标物体W和测量头(光干涉光学头152)之间的距离进行测量，获取目标物体W的表面的三维数据的步骤。

(4)从三维数据除去形状基准数据，获取弯曲除去数据的步骤。

(5)求基于弯曲除去数据的第1基准数据，求将对于第1基准数据超过阈值的数据从弯曲除去数据中除外进行平均的第2基准数据的步骤。

(6)对于第2基准数据，提取超过阈值的数据来求凹凸的形状数据的步骤。

上述(1)～(6)的各步骤，例如，通过由图像测量装置1的计算机***20、和由读入了在装置本体10中获取的三维数据的计算机执行的程序(测量程序)来执行。计算机也可以包含在计算机***20中。

图5是例示计算机的结构的框图。计算机包括：CPU(Central Processing Unit；中央处理单元)311、接口312、输出单元313、输入单元314、主存储单元315及副存储单元316。

CPU311通过执行各种程序来控制各单元。接口312是与外部设备进行信息输入输出的部分。在本实施方式中，将从装置本体10传送的信息通过接口312取入到计算机中。此外，从计算机通过接口312将信息向装置本体10传送。接口312还是将计算机连接到LAN(Local Area Network；局域网)或WAN(Wide Area Network；广域网)的部分。

输出单元313是将计算机中处理的结果输出的部分。在输出单元313中，例如，使用图1所示的显示器205和打印机等。输入单元314是从用户接受信息的部分。在输入单元314中，使用键盘和鼠标等。此外，输入单元314包含读取在记录介质MM中记录的信息的功能。

在主存储单元315中，例如使用RAM(Random Access Memory；随机存取存储器)。作为主存储单元315的一部分，也可以使用副存储单元316的一部分。在副存储单元316中，例如使用HDD(Hard disk drive；硬盘驱动器)和SSD(Solid State Drive；固态硬盘)。副存储单元316也可以是通过网络连接的外部存储装置。

图6是例示本实施方式的测量程序的流程的流程图。

本实施方式的测量程序使计算机具有作为与上述(1)～(6)的步骤对应的装置的功能。图6所示的步骤S101～S106的处理对应于上述(1)～(6)的步骤。

首先，如步骤S101所示，设定测量范围和阈值。图7的(a)中，示意地表示圆筒内壁的测量区域R。作为圆筒内壁的测量区域R，通过指定圆筒轴的角度和圆筒轴方向的深度的位置来设定。此外，作为圆筒内壁的凹凸中的阈值的设定，例如设定坑的深度的阈值。

再有，当测量区域R超过测量头(例如光干涉光学头152)的1次扫描中可测量的范围的情况下，为了覆盖测量区域R的整个区域而计算多个局部数据的测量位置。在图7的(b)中，示意地表示圆筒内壁中的测量区域R和多个局部数据之间的对应。

接着，如步骤S102所示，获取形状基准数据。形状基准数据是表示包含目标物体W的弯曲形状的数据。例如，如图8的(a)所示，在目标物体W为圆筒内壁的情况下，形状基准数据是用于表示圆筒形状要素(圆筒轴的倾斜、圆筒的直径)的数据。在本实施方式中，在拍摄单元15中安装图像光学头151，通过图像光学头151拍摄目标物体W，获取形状基准数据。在圆筒内壁的情况下，通过测量圆筒边缘的3点来求圆的数据，计算圆筒的直径。此外，在深度方向中求2个圆的数据，通过连结各圆的中心的线来求圆筒轴的倾斜。再有，要获取形状基准数据，也可以在图像光学头151以外使用接触探头(touch probe)。

接着，如步骤S103所示，获取三维数据。在本实施方式中，从拍摄单元15中安装的图像光学头151切换为光干涉光学头152，通过光干涉光学头152对测量区域R中的各测量点和测量头之间的距离进行测量，获取测量区域R的三维数据。

接着，如步骤S104所示，获取弯曲除去数据。即，从在先前的步骤S103中获取的测量区域R的三维数据，通过除去在步骤S102中获取的形状基准数据来得到弯曲除去数据。由此，测量区域R的曲率成分从三维数据被除去。在图8的(b)中示意地表示弯曲除去数据的获取方法。在三维数据中也包含测量区域R的曲率成分。形状基准数据可称为测量范围的理想的三维形状数据。通过从测量出的三维数据减去形状基准数据，得到从测量值除去了曲率成分的数据(弯曲除去数据)。弯曲除去数据是将包含弯曲形状的目标物体的三维数据在表观上进行了平坦的数据。

再有，在测量区域R由多个局部数据构成的情况下，将对每个局部数据求得的弯曲除去数据进行结合(拼接(stitching))。在结合之时，在邻接的局部数据中产生重复的区域的情况下，除去重复。由此，构成测量区域R的全部弯曲除去数据。

接着，如步骤S105所示，计算基准数据。首先，求基于在步骤S104中求得的弯曲除去数据的第1基准数据。第1基准数据是弯曲除去数据的全部测量点群的平均深度。此外，第1基准数据也可以对于弯曲除去数据施加规定的滤波处理，使用从滤波处理后的数据求得的近似平面。在图9的(a)中,示意地表示从测量区域R的弯曲除去数据求得的第1基准数据。在测量区域R中第1基准数据为平面的数据。与第1基准数据的面正交的方向是深度方向。

算出第1基准数据后，将从第1基准数据超过阈值(步骤S101中设定的凹凸的阈值)的数据从弯曲除去数据中除外，计算求得平均的值即第2基准数据。第2基准数据是将从第1基准数据判断为有凹凸的数据除外后的平均值。

在图9的(b)中，示意地表示从第1基准数据除外的坑的范围。这里，在有从第1基准数据超过阈值的数据的点(图中为黑圈)之中，将面方向上闭合的范围(超过阈值的点在面方向上连续的范围)判定作为坑。然后，将判定为是坑的区域的数据作为从弯曲除去数据除外的对象。将坑的数据除外而求平均的第2基准数据，成为表示不受坑的影响的基准面的数据。

接着，如步骤S106所示，计算形状数据。即，从弯曲除去数据提取从第2基准数据超过阈值的数据而求凹凸的形状数据。例如，在判定坑的情况下，与前述的坑的判定同样，在有从第2基准数据超过阈值的数据的点之中，将面方向上闭合的范围判定作为坑。通过进行坑的判定，能够计算坑的面积、面积率、体积、开口(开口的最大值、最小值、平均值等)。此外，通过使用坑以外的区域的数据，能够计算表面粗糙度。

这样，在本实施方式的测量程序中，除步骤S101所示的测量区域R和阈值的设定以外(步骤S102～S106)能够自动地进行。因此，无论操作者的熟练性如何，都可自动地得到稳定的测量结果。

这样，根据本实施方式，在测量弯曲的目标物体W的表面时，抑制弯曲形状和表面的凹凸的影响，可自动高精度地进行表面测量。

这里，上述说明的本实施方式的测量程序，也可记录在计算机可读取的记录介质MM中。即，也可以将图6所示的步骤S101～步骤S106的一部分或全部以在计算机中可读取的形式记录在记录介质MM中。此外，本实施方式的测量程序也可以通过网络发布。

再有，上述中说明了本实施方式，但本发明并不限定于这些例子。例如，用利用白色光干涉法的光干涉光学头152作为测量头，但即使是图像探针或激光探针也可适用。此外，作为测量头，也可适通过用将图像光学头151在对目标物体W照射的光的光轴方向上扫描，从连续地获取的图像检测CCD的各像素中的对比度的峰值，得到目标物体W的三维形状的PFF(Points From Focus；来自焦点的点)。

此外，在上述实施方式中对于测量的目标物体W，以有凹部(坑)的弯曲表面为例进行了说明，但本发明可适用的目标物体不限定于此。例如，在将通过研磨加工形成了网纹(网状的槽)的汽缸的内壁面设为目标物体W的情况下，本发明也可适用。而且，作为目标物体W，即使是圆筒以外，也可与圆锥、椭圆筒和椭圆锤等各种弯曲形状的表面及没有弯曲形状的平面形状的测量对应。此外，对于前述的各实施方式，本领域技术人员进行适当的、构成要素的追加、删除、设计变更、或将各实施方式的特征适当组合，只要包括本发明的宗旨，就包含在本发明的范围中。

Claims

1.一种测量方法，对有弯曲形状的目标物体测量距测量头的距离而测量所述目标物体的表面，其特征在于，包括以下步骤：

设定所述目标物体的测量范围和凹凸的阈值的步骤；

获取包含所述目标物体的弯曲形状的形状基准数据的步骤；

测量在所述测量范围中的所述目标物体和所述测量头之间的距离，获取所述目标物体的表面的三维数据的步骤；

从所述三维数据除去所述形状基准数据而获取弯曲除去数据的步骤；

基于所述弯曲除去数据求第1基准数据，求将对于所述第1基准数据超过所述阈值的数据从所述弯曲除去数据除外进行平均的第2基准数据的步骤；以及

从所述弯曲除去数据提取对于所述第2基准数据超过所述阈值的数据，求凹凸的形状数据的步骤，

其中，基于包含在目标物体的凹面或凸面中的每个数据点的深度信息来执行数据的除去。

2.如权利要求1所述的测量方法，还包括：

使用将对于所述第2基准数据超过所述阈值的数据从所述弯曲除去数据除外后的数据，求所述目标物体的表面粗糙度的步骤。

3.如权利要求1或2所述的测量方法，

所述凹凸的形状数据包含所述凹凸的面积、面积率、体积、开口的最大值、开口的最小值和开口的平均值的至少一个。

4.如权利要求1或2所述的测量方法，

所述目标物体的表面是圆筒、圆锥、椭圆筒和椭圆锥之中的其中一个的内面。

5.如权利要求1或2所述的测量方法，

所述测量头通过光干涉法测量所述距离。