JP2000230814A - レーザ光を利用した形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定物の表面状態にかかわらず非接触三次元
形状測定を行うことを可能にする。 【解決手段】本発明は、被測定物の表面の同じ位置に対
して、レーザ光の強度を変化させて複数回照射し、被測
定物の表面状態に応じて最適な強度のレーザ光に対する
反射光の画像を撮像し、それらの合成画像によって被測
定物の表面の形状線を求めて表面形状を測定することを
特徴とする。このようにすることで、被測定物の全ての
表面に対して精度の高い画像を取得することができ、全
ての表面の形状を精度よく測定することができる。ま
た、本発明は、被測定物の表面がレーザ光の反射の散乱
が少ない鏡面の場合は、その表面上に有機物または無機
物の微粒子を分布させ、表面の反射光の散乱を多くして
測定することを特徴とする。例えば、電子印刷などで利
用される黄色のトナーなどの粒径が例えば０．１μｍ程
度の微粒子を表面に一様に分散させ、そこにレーザ光を
照射する。その結果、表面が鏡面であってもその表面か
らの反射光は適度に散乱するので、十分な光量を有する
画像をカメラから撮像することが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定物の表面に
レーザ光を照射し、その反射光の画像をカメラで撮像し
て被測定物の表面形状を非接触で測定する光切断法に基
づく表面形状測定法に関し、被測定物の表面状態にかか
わらず精度の高い反射光画像を撮像することができる形
状測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定物に非接触でその三次元形状を測
定する非接触三次元形状測定方法は、被測定物の表面に
プレート状のレーザ光を照射し、その反射光の画像をカ
メラで撮像し、取得した反射光の画像を処理して被測定
物の表面形状を測定する。プレート状のレーザ光の照射
位置を所定のピッチでずらして上記の測定を繰り返すこ
とにより、被測定物の三次元形状を測定することができ
る。

【０００３】図１は、従来の非接触三次元形状測定方法
の原理図である。図示される凹凸形状を有する被測定物
１の表面に対し、鉛直上方からレーザ２により発光され
るプレート状のレーザスリット光３を照射する。そのレ
ーザスリット光３が被測定物１の表面で反射または散乱
し、表面上にレーザ光の線４を生成する。この線４は、
被測定物の表面形状、即ち断面形状を示す。従って、こ
の断面形状を示す線４を斜め上方に設置したカメラ５で
撮影し、その撮像した線４を示す反射光の画像を利用す
ることで、被接触で断面形状を測定することができる。

【０００４】図１に示される通り、レーザ２とカメラ５
は保持部材６により一体に固定され、複数の位置に静止
して対応する位置の断面形状を次々に測定し、それらの
複数の断面形状から被測定物１の表面の三次元形状を測
定することができる。カメラ５により撮像された線４の
画像は、多値化装置７によってその輝度に基づいて多値
化され、多値化画像に変換される。そして、多値化され
た画像に対して、細線化装置８は、例えば輝度が最も高
い位置を線４の位置とする細線化処理により線４の細線
化された画像を生成する。この細線化された画像が形状
線である。最後にこの画像に従って形状測定が行われ、
表示装置１３にその画像及び測定結果が表示される。

【０００５】図２は、レーザ光により形成される線４の
画像例を示す図である。図１，図２の例では、被測定物
１の表面は、凹凸の凸部分では反射光の強度が弱く、凹
部分では反射光の強度が強くかつ拡がるような状態であ
る。そのため、図２の画像１１は、光強度が弱い部分１
１ａと、光強度がやや強い部分１１ｂと、光強度がより
強い部分１１ｃとで構成される。そして、凸部分では弱
い光強度領域１１ａのみで画像１１が構成され、凹部分
では光強度が強い部分から弱い部分を含んで画像１１が
構成される。

【０００６】かかる画像１１に対して、図中の円１２で
拡大された様に、画素毎に輝度の応じて多値化し、細線
化処理により、輝度が最も高い位置を形状代表位置（円
内の×で示された位置）とし、それらの形状代表位置を
結んで図２中の一点鎖線で示した細線１０を求める。こ
の一点鎖線１０が細線化画像として、被測定物の形状を
表す形状線の画像として利用される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では、一定の強度のレーザ光を照射して形状に対応
する反射光の画像を撮像しているので、被測定物の色、
表面状態、レーザ光やカメラに対する表面の角度などに
よって、レーザ光３が表面で強く反射してその反射光が
カメラ内に入射する部分と、あまり反射しないか反射光
がカメラ内に入射しない部分とが存在する。例えば、被
測定物の表面が黒い部分はあまり反射せず、白い部分は
反射が大きく、また、鏡面は散乱する反射が少なく、ざ
らついた表面は反射光が散乱してカメラに入射するなど
である。

【０００８】従って、一定の強度のレーザ光を照射する
と、反射光の画像内にほとんど認識できないほど光量の
少ない領域が発生したり、反射光が強すぎて画像が太く
なりすぎる領域が発生したりする。レーザ光の強度を上
げると、太すぎる画像が取得され細線化による形状線の
検出の精度が落ち、レーザ光の強度を下げると画像自体
がなくなり形状線を検出できない。更に、反射光が強い
部分では、二次反射などの影響で虚像が発生し、画像ノ
イズとなって正しい形状線を検出できなくなる。

【０００９】また、別の問題として、被測定物の表面が
照射されたレーザ光をほとんど反射せずに、レーザ光の
強度を上げても画像をカメラから取得することができな
い場合もある。図３は、被測定対象物が印刷ロール２１
の場合の表面形状測定を示す図である。液晶表示パネル
の基板表面の配向膜印刷に利用される印刷ロール２１
は、Ｓ部拡大図に示される通り、その表面に台錐形状の
複数の穴２２が形成される。この穴２２の体積が液晶の
配向膜に関係があり、穴２２の体積を検査することによ
り、印刷ロール２１の良否検査が行われる。

【００１０】その場合、図中のＡ−Ａに示される方向
に、図１に示したようなシート状のレーザ光３を照射
し、その反射光の画像をカメラで捉えて、画像処理によ
り形状を示す画像を取得することで、被接触の表面形状
測定を行う。しかし、かかる印刷ロール２１表面の穴２
２は、ロール表面の図示しないニッケルメッキ膜に台錐
状の工具を打ち込んで形成されるので、いわゆるバニッ
シュ効果により穴の表面の一部が鏡面になる。かかる鏡
面では、レーザ光の散乱が発生せず、カメラで撮像した
画像から得られる形状線には一部欠落する部分が含まれ
る。鏡面に対しては、レーザ光の強度を上げたとして
も、反射光が一定方向に集中して反射するだけであり、
カメラでとらえることは困難である。

【００１１】そこで、本発明の目的は、被測定物の表面
状態にかかわらず反射光の画像を取得することができ、
正確な被測定物の表面形状を検出することができる非接
触の形状測定方法を提供することにある。

【００１２】更に、本発明の目的は、被測定物の表面が
レーザ光をほとんど反射しない場合でも、レーザ光を照
射してその反射光の画像から表面形状を測定することが
できる形状測定方法を提供することのある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、被測定物の表面の同じ位置に対して、
レーザ光の強度を変化させて複数回照射し、被測定物の
表面状態に応じて最適な強度のレーザ光に対する反射光
の画像を撮像し、それらの合成画像によって被測定物の
表面の形状線を求めて表面形状を測定することを特徴と
する。このようにすることで、被測定物の全ての表面に
対して精度の高い画像を取得することができ、全ての表
面の形状を精度よく測定することができる。

【００１４】また、上記の目的を達成するために、本発
明は、被測定物の表面がレーザ光の反射の散乱が少ない
鏡面の場合は、その表面上に有機物または無機物の微粒
子を分布させ、表面の反射光の散乱を多くして測定する
ことを特徴とする。例えば、電子印刷などで利用される
黄色のトナーなどの粒径が例えば０．１μｍ程度の微粒
子を表面に一様に分散させ、そこにレーザ光を照射す
る。その結果、表面が鏡面であってもその表面からの反
射光は適度に散乱するので、十分な光量を有する画像を
カメラから撮像することが可能になる。

【００１５】上記の目的を達成するために、本発明は、
被測定物の表面にレーザ光を照射し、その反射光の画像
をカメラで撮像して被測定物の表面形状を測定する形状
測定方法において、第１の強度のレーザ光を前記被測定
物の表面に照射した時の前記反射光による第１の画像を
取得する工程と、前記第１の画像で前記反射光の画像が
不十分な領域において、前記第１の強度よりも大きい第
２の強度のレーザ光を前記被測定物の表面に照射した時
の前記反射光による第２の画像を取得する工程と、前記
第１の画像に、前記第２の画像を補間して合成した合成
画像に従って、前記被測定物の表面形状を測定する工程
とを有することを特徴とする。

【００１６】また、上記の目的を達成するために、本発
明は、被測定物の表面にレーザ光を照射し、その反射光
の画像をカメラで撮像して被測定物の表面形状を測定す
る形状測定方法において、前記被測定物の表面に有機物
または無機物からなる超微粒子を分散させ、当該表面に
前記レーザ光を照射してその反射光の画像を撮像し、当
該画像に従って前記被測定物の表面形状を測定すること
を特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態例を説明する。しかしながら、かかる実施の形
態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【００１８】図４は、第１の実施の形態例における形状
測定装置の構成図である。第１の実施の形態例は、レー
ザ光の強度（光量）を「強」と「弱」の２段階に変化さ
せる例である。従来例と同様に、レーザ光を発光するレ
ーザ２と、反射光の画像を撮像するカメラ５と、細線化
装置８と、形状測定装置９と、表示装置１３とが設けら
れる。レーザ２に対して強度大にしたり強度弱にしたり
するスイッチＳＷ１と、それに対応してカメラの撮像さ
れた画像信号を２つの多値化装置７ａ，７ｂに供給する
スイッチＳＷ２とが設けられる。更に、レーザ光の光量
が大きい（強度大）時の画像Ｘ２と、光量が少ない（強
度小）時の画像Ｘ１とを合成する画像合成部１２を有す
る。

【００１９】図５は、第１の実施の形態例における形状
測定方法のフローチャート図である。図６は、第１の実
施の形態例における画像を示す図である。この例では、
図１及び図２に示した様に、凹凸を有する被測定物１の
表面形状を測定する例であり、被測定物１の凸部は、例
えば鏡面仕上げされレーザ光の反射の散乱が少ない、或
いは黒色で反射光自体が少ない表面状態であり、凹部
は、例えばレーザ光の反射、散乱が適度にありその反射
率が高い表面状態である。

【００２０】図５のフローチャートに示される通り、ス
イッチＳＷ１を「弱」側に設定して、レーザ光３の強度
（光量）を小さくして被測定物１の表面に照射し、その
時の反射光の画像をカメラ５から撮像し、第１の画像Ｘ
１を求める（Ｓ１）。この第１の画像Ｘ１は、図６
（１）に示される通り、比較的反射が大きい領域Ｒ１，
Ｒ３，Ｒ５の領域において、一定の輝度値を有する比較
的細い画像として求められる。反射が少ない領域Ｒ２、
Ｒ４では、反射される光の強さが弱いため、多値化装置
の最低輝度範囲でも捉えられることができず、図６
（１）に示される通り、画像が存在しない。従って、レ
ーザ光の強度を小さくした場合に取得される第１の画像
Ｘ１は、飛び飛びになった断続線になる。第１の画像Ｘ
１が断続線になっているか否かは、領域判定部３１によ
り検出され、スイッチＳＷ１，２の切り換えが行われ
る。

【００２１】スイッチＳＷ１を「強」側に切り換えて、
レーザ光３の強度（光量）を大きくして被測定物１の表
面に照射し、反射光について第２の画像Ｘ２を取得する
（Ｓ２）。この時に得られる第２の画像Ｘ２は、図６
（２）に示す通り、領域Ｒ２，Ｒ４でも多値化装置の最
低輝度範囲以上の輝度を有し、その領域においても画像
を取得することができる。但し、領域Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５
では、レーザ光の強度（光量）が強すぎて、多値化され
た画像は、輝度の高い領域から低い領域までを有する太
い画像として取得される。

【００２２】領域判定部３１は、第１の画像Ｘ１から、
画像が存在する領域Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５と存在しない領域
Ｒ２，Ｒ４とを判別する。この判別結果が画像合成部１
２に供給され、その判別結果に従って、画像合成部１２
で第１の画像Ｘ１の領域Ｒ１，Ｒ３，Ｒ５の部分と、第
２の画像Ｘ２の領域Ｒ２，Ｒ４の部分とが合成される。
即ち、第１の画像Ｘ１に対して、画像が存在しない領域
Ｒ２，Ｒ４での画像Ｘ２が補間合成される。この合成さ
れた画像Ｘ１＋Ｘ２は、図６（３）に示される通り、全
ての領域において、最適な輝度分布あるいは線幅を有す
る画像になる。そこで、合成された画像が従来と同様に
細線化装置８に供給され、合成画像から形状線が抽出さ
れる。この抽出された形状線が、形状測定部９に供給さ
れ、被測定物の表面の形状として測定され、その形状及
び測定結果が表示装置１３に表示される（Ｓ３）。

【００２３】以上の通り、第１の実施の形態例では、被
測定物の表面が反射率大の領域と小の領域を混在してい
るなどの場合でも、最適のレーザ光の強度に対応して線
幅が細く適切な輝度分布を有する合成画像を取得するこ
とができるので、より正確な形状線を求めることがで
き、正確な表面形状の測定を行うことができる。

【００２４】図７は、更に、第１の実施の形態例におけ
る改良例の形状測定方法のフローチャート図である。こ
の例では、被測定物の同じ位置にレーザ光を、その強度
（光量）を第１の強度から第ｎの強度まで徐々に強くな
るように変化させて照射し、それぞれの画像を取得する
（Ｓ１０〜Ｓ１３）。そして、レーザ光のそれぞれの強
度に対応する画像を適宜合成する。

【００２５】具体的には、第１のレーザ光強度に対応す
る第１の画像と、第１の画像取得領域以外の領域におけ
る第２のレーザ光強度に対応する第２の画像を合成し、
更に、第１及び第２の画像取得領域以外の領域における
第３のレーザ光強度に対応する第３の画像を補間合成す
る（Ｓ１５）。かかる合成を、第ｎのレーザ光強度に対
応する第ｎの画像まで行うか、或いは全ての領域で画像
を取得できるまで行う（Ｓ１６）。その結果、各領域の
表面状態に最適なレーザ光強度に対応する画像を取得し
て、合成することができる。従って、その合成された画
像を利用して、精度高く形状線を取得することができ、
精度の高い形状測定を行うことができる。

【００２６】図８は、第２の実施の形態例を説明するた
めの図である。また、図９は、第２の実施の形態例にお
ける形状測定方法のフローチャート図である。

【００２７】第２の実施の形態例は、従来例で示した液
晶表示パネルの配向膜形成に使用される印刷ロール２１
の表面の形状検査を例にして説明する。図８に示される
通り、印刷ロール２１の表面にプレート状のレーザ光３
を照射し、その表面に形成される形状線に沿った反射光
の画像を撮像カメラ５により撮像し、画像を取得する
（Ｓ２０）。この場合、図中（ａ）に示す表面の形状に
対して、表面の穴２２の一部がバニッシュ効果により鏡
面状態になっていて、反射光が散乱せずカメラ５が反射
光を検出することができない。その結果、得られた画像
は図中（ｂ）の如く一部の領域で画像が欠落したものに
なる。

【００２８】この画像の欠落が検出される場合は（Ｓ２
１）、被測定物の表面に超微粒子を一様に分布させレー
ザ光が散乱可能な表面状態にし（Ｓ２２）、再度レーザ
光を照射して反射光の画像を求める（Ｓ２３）。図１０
の被測定物の断面図に示される通り、被測定物２１の表
面に微粒子２７を一様に分布させることにより、その表
面に一様に微粒子２７が付着し、鏡面状態の穴２２内の
表面を、レーザ光の反射光が散乱される状態に変えるこ
とができる。

【００２９】その結果、再度レーザ光を照射して反射光
の画像を取得すると、例えば、図８中の（ｃ）に示され
るような欠落していた形状線の輪郭をあらわす点群が画
像に追加される。そこで、画像処理装置８において、画
像の断線した部分を補間処理して継続する画像にする
（Ｓ２４）。そして、最後に、従来例と同様に細線化処
理を行って細線からなる形状線を抽出し、形状測定に利
用する（Ｓ２５）。

【００３０】ここで、被測定物の表面に分布させる超微
粒子は、例えば電子印刷で用いられる黄色のトナーの有
機物微粒子が好ましい。この電子印刷用の有機物の超微
粒子は、平均粒径が約０．１μｍであり、被測定物の表
面形状を変化させることはない。かかる電子印刷用の有
機物超微粒子を、アルコールやトルエンなどの揮発性溶
剤または石油系の乾燥可能な溶剤に混入し、十分微粒子
を拡散させる。その後、微粒子が拡散された溶剤を印刷
ロール２１の表面上に滴下し、空気圧で拡散させ溶剤を
揮発または乾燥させると、被測定物の表面上に微粒子の
一様な分布を形成することができる。そのように微粒子
が一様に分布した表面にレーザ光が照射されると、表面
が鏡面状に仕上げられていても、超微粒子によりレーザ
光が散乱され、カメラにより何らかの画像をとらえるこ
とが可能になる。

【００３１】被測定物の表面に分布させる微粒子とし
て、黄色のトナーの他には、無機物であるアルミニウム
の微粒子、アルミナや窒化珪素などのセラミックの微粒
子なども利用可能である。但し、電子印刷に利用される
黄色のトナーなどの有機物の場合は、被測定物の形状を
測定した後に洗浄除去が比較的簡単に行えるので、無機
物よりも好ましい。

【００３２】上記した第１の実施の形態例と第２の実施
の形態例とを組み合わせることも可能である。即ち、図
７において示した形状測定方法によっても、被測定物の
表面における反射光の画像を取得できない領域が存在す
る場合は、上記第２の実施の形態例により被測定物の表
面に微粒子を分布させて最高の強度（光量）のレーザ光
を照射することにより、かかる領域の画像を取得するこ
とができる。従って、第１及び第２の実施の形態例を組
み合わせることにより、より柔軟性のある形状測定方法
を提供することができる。

【００３３】

【発明の効果】以上、本発明によれば、被測定物の表面
にレーザ光を照射し、その反射光の画像を取得し、画像
処理により表面形状線を求める方法において、レーザ光
の強度（光量）を変化させてそれぞれの画像を取得し、
それらを合成した画像から形状線を求めるようにしたの
で、種々の表面状態の被測定物に対してより精度の高い
形状測定を行うことが可能になる。

【００３４】また、被測定物の表面が鏡面状態で反射光
の画像を撮像することができない場合でも、微粒子を表
面上に分布させることで画像を取得することができ、よ
り広い範囲の被測定物の表面形状を測定することが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の非接触三次元形状測定方法の原理図であ
る。

【図２】レーザ光により形成される線４の画像例を示す
図である。

【図３】被測定対象物が印刷ロール２１の場合の表面形
状測定を示す図である。

【図４】第１の実施の形態例における形状測定装置の構
成図である。

【図５】第１の実施の形態例における形状測定方法のフ
ローチャート図である。

【図６】第１の実施の形態例における画像を示す図であ
る。

【図７】第１の実施の形態例における改良例の形状測定
方法のフローチャート図である。

【図８】第２の実施の形態例を説明するための図であ
る。

【図９】第２の実施の形態例における形状測定方法のフ
ローチャート図である。

【図１０】被測定物の表面に微粒子を分布させた時の断
面図である。

【符号の説明】

１ 被測定物 ２ レーザ ３ レーザ光 ４ 形状線、反射光の画像 ５ カメラ Ｘ１，Ｘ２ 第１及び第２の画像 ２７ 微粒子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中山 善博 広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号 三菱重工業株式会社広島研究所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 BB05 CC00 DD09 FF01 FF02 FF04 FF09 GG04 HH05 JJ03 JJ19 JJ26 NN02 QQ03 QQ31 QQ32 SS02 SS13

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の表面にレーザ光を照射し、その
   反射光の画像をカメラで撮像して被測定物の表面形状を
   測定する形状測定方法において、第１の強度のレーザ光
   を前記被測定物の表面に照射した時の前記反射光による
   第１の画像を取得する工程と、 前記第１の画像で前記反射光の画像が不十分な領域にお
   いて、前記第１の強度よりも大きい第２の強度のレーザ
   光を前記被測定物の表面に照射した時の前記反射光によ
   る第２の画像を取得する工程と、 前記第１の画像に、前記第２の画像を補間して合成した
   合成画像に従って、前記被測定物の表面形状を測定する
   工程とを有することを特徴とする形状測定方法。
2. 【請求項２】被測定物の表面にレーザ光を照射し、その
   反射光の画像をカメラで撮像して被測定物の表面形状を
   測定する形状測定方法において、 前記被測定物の表面に有機物または無機物からなる超微
   粒子を分散させ、当該表面に前記レーザ光を照射してそ
   の反射光の画像を撮像し、当該画像に従って前記被測定
   物の表面形状を測定することを特徴とする形状測定方
   法。