JP2005009897A

JP2005009897A - 表面状態計測装置の位置決め装置

Info

Publication number: JP2005009897A
Application number: JP2003171270A
Authority: JP
Inventors: Fumio Sato; 文雄佐藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-01-13

Abstract

【課題】被検体に照射された線状レーザ光の反射光と参照光との干渉画像から被検体の表面の状態を計測する表面状態計測装置の位置決め装置において、被検体上のレーザ光の照射位置とラインカメラによる撮影位置との位置合わせをより迅速に精度良く行う。
【解決手段】照射方向調整機構は、照射光学系機構１６からの照射光の照射方向を変化させることにより被検体１８上の照射位置を変化させる。強度検出部２６は、ラインカメラ２０で取得された画像から各照射位置での反射光強度を取得する。この反射光強度は、ラインカメラ２０の撮影領域が照射領域に一致するときに最大となる。よって、アライメント制御部２８は、反射光強度が最大となるように、照射方向調整機構を制御する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検体に照射された線状レーザ光の反射光をラインカメラで取得し、その反射光と参照光との干渉画像から被検体の表面の状態を計測する表面状態計測装置の位置決め装置であって、特に、被検体表面上で計測位置を移動させる場合に好適な装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被検体表面に線状のレーザ光を照射し、その反射光を含む二つの光の干渉（例えば反射光と照射光から分光した参照光との干渉）によって生じたパターンや模様から、被検体表面の振動や変形などを計測する手法がある。特許文献１には、干渉縞を観察することにより、レンズその他の光学系精密製品の表面状態を検査する干渉計が開示されている。そして、この種の計測法では、被検体表面上のレーザ光の照射位置と、被検体表面上でのラインセンサによる撮影位置とを、精度良く位置合わせする必要がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−８３６０９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、被検体表面上のレーザ光の照射位置と被検体表面上でのラインセンサによる撮影位置との位置合わせは、従来は、作業者による手作業によって行われており、高い精度で位置合わせするには非常に手間がかかるという問題があった。また、測定対象や測定実施場所によって条件が変わるので、そのたびに当該位置合わせ作業をやり直しする必要があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、より迅速にかつ精度良く位置合わせできる表面状態計測装置の位置決め装置を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる表面状態計測装置の位置決め装置は、被検体に照射された線状レーザ光の反射光をラインカメラで取得し、その反射光と参照光との干渉画像から該被検体の表面の状態を計測する表面状態計測装置の位置決め装置であって、被検体に対するレーザ光の照射位置およびラインカメラによる被検体の撮影位置のうち少なくともいずれか一方を移動させる位置調整手段と、各照射位置または各撮影位置でラインカメラによって取得された反射光の強度を検出する強度検出手段と、上記強度検出手段の検出結果に基づいて上記照射位置と上記撮影位置とが強度についての所定の基準を満たす位置関係となるように上記位置調整手段を制御するアライメント制御手段と、を備える。
【０００７】
また、上記本発明にかかる表面状態計測装置の位置決め装置では、被検体の検査面を撮影するエリアカメラで取得された画像から上記照射位置を計測位置として検出する計測位置検出手段と、上記位置調整手段とは別個に設けられる計測位置調整手段であって上記照射位置と上記撮影位置とが上記基準を満たす位置関係でロックされた状態で上記計測位置を移動させる計測位置調整手段と、上記計測位置検出手段の検出結果に基づいて計測位置を指示された計測要求位置に移動させるべく上記計測位置調整手段を制御する計測位置制御手段と、を備えるのが好適である。
【０００８】
また、上記本発明にかかる表面状態計測装置の位置決め装置では、被検体にレーザ光を照射する照射光学系機構とラインカメラとが、被検体に対して相対的に移動自在な可動ベースに設けられ、上記計測位置調整手段は、上記可動ベースを移動させるものであるのが好適である。
【０００９】
また、上記本発明にかかる表面状態計測装置の位置決め装置では、上記位置調整手段は、上記照射光学系機構から被検体に対するレーザ光の照射方向を変更するものであるのが好適である。
【００１０】
また、上記本発明にかかる表面状態計測装置の位置決め装置では、上記位置調整手段は、上記可動ベースに対するラインカメラの位置を変更するものであるのが好適である。
【００１１】
また、上記本発明にかかる表面状態計測装置の位置決め装置では、上記可動ベース外に設けられた光源からのレーザ光を、上記照射光学系機構のレーザ光入射部に向けて、該可動ベースの移動方向またはその逆方向に出射する伝達光学系機構を備えるのが好適である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態につき、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかる位置決め装置を含む表面状態計測装置１０の要部の概略構成を示す上面図、図２は、図１の一部の側面図である（ただし図１および図２は、計測対象たる被検体１８も含む）。
【００１３】
図１および図２に示すように、光源１２から出力されたスポット状のレーザ光は、伝達光学系機構１４を介して照射光学系機構１６に入射される。照射光学系機構１６は、複数のミラー１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｅおよびシリンドリカルレンズ１６ｄを有している。このうち、シリンドリカルレンズ１６ｄは、スポット状のレーザ光を線状のレーザ光に変換する。そして、経路の最後のミラー１６ｅで反射されたレーザ光が被検体１８の表面上に照射される。
【００１４】
ラインカメラ２０は、被検体１８に照射された線状のレーザ光の画像を取得する。すなわち、ラインカメラ２０には、照射された線状レーザ光が被検体１８で反射された光（すなわち反射光）が入力される。一方、本実施形態では、ミラー１６ｂはハーフミラーとして構成されており、このハーフミラー１６ｂによって分光された光が、例えば光ファイバ１６ｆを経由して、参照光としてラインカメラ２０に入力される。そして、このラインカメラ２０において、反射光と参照光との干渉によって生じた干渉パターン（例えばスペックルパターン）が取得される。干渉パターンは表面状態計測部２１に送られ、ここで被検体１８の振動や変位等の表面状態が計測される。前記光源１２、伝達光学系機構１４、照射光学系機構１６、ラインカメラ２０、表面状態計測部２１により、表面状態計測装置１０が構成されている。
【００１５】
さて、上述したように、ラインカメラ２０には被検体１８からのレーザ光の反射光が入力される。ところが、ここでラインカメラ２０による被検体１８の撮影位置と、照射光学系機構１６からの被検体１８への照射位置と、がずれていると、精度の高い測定を行うことができなくなる。そこで、本実施形態では、それらを自動的に位置合わせするための機構が設けられている。具体的には、照射光学系機構１６から被検体１８に照射するレーザ光の照射方向を変化させる照射方向調整機構２２（図３）、ラインカメラ２０の位置または姿勢を変えるラインカメラ位置調整機構２４（図４）、ラインカメラ２０で取得された反射光からその強度を検出する強度検出部２６（図１，図３，図４）、および検出された反射光の強度に基づいて照射方向調整機構２２および／またはラインカメラ位置調整機構２４を制御するアライメント制御部２８（図１，図３，図４）が設けられている。
【００１６】
このうち照射方向調整機構２２は、例えば、ミラー１６ｅの角度を変化させる機構として構成することができる。図３は、ミラー１６ｅを水平軸周りに回動（または揺動）することで、その照射方向を上下に変化させ、被検体１８表面における照射位置を上下に移動させる照射方向調整機構２２の一構成例を示す側面図である。ここで、ミラー１６ｅの一端側は、支持部材３１（図示しない脚部を介して可動ベース３８に固定されている）に、水平軸周りに回動自在となるように支持されている。またミラー１６ｅの他端側は、ボールナット３２に接続されている。このボールナット３２は、シャフト３４に螺合されており、シャフト３４の回転によってシャフト３４の軸方向に進退するようになっている。そしてモータ３６は、アライメント制御部２８からの制御信号に基づいてシャフト３４を回動する。このような構成により、アライメント制御部２８によってミラー１６ｅの角度が適切に調整されて、適切な照射位置を得ることができる。なお、ここで示したのはあくまで一例であって、照射位置の上下方向の移動はこれ以外の機構によってももちろん可能である。また、ここでは照射位置を上下させる場合についてのみ示したが、水平方向やその他の方向にも移動させられることは、容易に理解できよう。
【００１７】
ラインカメラ位置調整機構２４は、例えば、ラインカメラ２０の位置を変化させる機構として構成することができる。図４は、ラインカメラ２０の上下方向の位置（すなわち可動ベース３８からの距離）を変化させることにより被検体１８表面の撮影位置を上下に移動させるラインカメラ位置調整機構２４の一構成例を示す図である。ラインカメラ位置調整機構２４は、ラインカメラ２０を支持する可動脚４０の他、図３とほぼ同様に構成されたボールナット４２、シャフト４４およびモータ４６を含む。可動脚４０は、一つの回動支持点で交叉する二つの脚部材からなり、その交叉角度に応じて可動脚４０の高さが変化するようになっている。ここで、脚部材の一方にはボールナット４２が接続されている。このため、モータ４６の回動によりボールナット４２が水平方向に進退すると、二つの脚部材の交叉角度が変化し、可動脚４０の高さが変化する。したがって、アライメント制御部２８によってモータ４６の回転を制御することで、可動脚４０の高さすなわちラインカメラ２０の上下方向の位置を調整し、適切な撮影位置に位置合わせすることができる。なお、ここで示したのはあくまで一例であって、撮影位置の上下方向の移動はこれ以外の機構によってももちろん可能である。また、ここでは撮影位置を上下させる場合についてのみ示したが、水平方向やその他の方向にも移動させられることは、容易に理解できよう。
【００１８】
アライメント制御部２８は、強度検出部２６の検出結果に基づいて、照射方向調整機構２２およびラインカメラ位置調整機構２４のうち少なくともいずれか一方を制御して、被検体１８上の照射位置と撮影位置とを位置合わせする。ここで、アライメント制御部２８による位置合わせについて説明する。図５（ａ）〜（ｃ）は、被検体１８の検査面上の照射領域Ｒと撮影領域Ａとをその正面側から見た模式図である。なお、ここでは、照射方向調整機構２２を制御することにより照射領域Ｒの位置（すなわち照射位置）を上下方向に移動させるケースを例にあげて説明する。まず、アライメント制御部２８は、照射方向調整機構２２を制御し、所定範囲内（例えば被検体１８の計測表面の上端から下端まで）で、照射領域Ｒを上下させる。強度検出部２６は、各照射位置（すなわち各照射方向）で、ラインカメラ２０で撮影された画像の輝度値の合計値（または平均値）等として反射光の強度を取得する。ここで取得された強度は、その照射方向（角度）に対応付けて記憶装置（例えばメモリ、ハードディスク等；図示せず）に記憶される。そして、アライメント制御部２８は、所定範囲内で取得した各照射方向の反射光強度のうち、その最大値および最大値となる照射方向を検出し、その照射方向となるように照射方向調整機構２２を制御する。図５の例では、（ａ）〜（ｃ）の中では、撮影領域Ａと照射領域Ｒとの重なり合う面積が最も大きい（ｂ）のとき、反射光の強度は最大になる。したがって、アライメント制御部２８は、照射方向調整機構２２を制御して、（ａ）の状態のときは照射領域Ｒを下向きに移動し、また（ｃ）の状態のときは照射領域Ｒを上向きに移動して、最終的に照射領域Ｒと撮影領域Ａとが（ｂ）の状態になるようにする。
【００１９】
このように、本実施形態によれば、手作業によらず、より迅速にかつ精度良く、照射位置と撮影位置とを位置合わせすることができる。
【００２０】
ところで、図２に示すように、本実施形態では、照射光学系機構１６およびラインカメラ２０は、いずれも可動ベース３８上に設けられており、本発明の位置調整手段としての照射方向調整機構２２およびラインカメラ位置調整機構２４は、いずれも、この可動ベース３８上で、照射光の方向またはラインカメラ２０の位置（または姿勢）を制御して、照射位置と撮影位置との位置合わせを行う。そして、本実施形態では、その可動ベース３８の位置を制御して、被検体１８の計測位置すなわち被検体１８に対するレーザ光の照射位置を移動させる。かかる構成とすることで、照射位置と撮影位置とが位置合わせされた状態を維持しながら、換言すれば、照射位置と撮影位置との位置合わせに影響を与えることなく、計測位置を被検体１８上の任意の位置に移動させることができる。
【００２１】
次に、本実施形態における計測位置の調整について説明する。この計測位置の調整のために、本実施形態では、被検体１８の検査面を撮影するエリアカメラ５０、所定の演算処理を実行しかつ他の構成要素を制御する演算処理部５２、被検体１８の画像を出力する出力部（例えばディスプレイ）５４、出力部５４に出力された画像に対応して計測要求位置を入力するための入力部（例えばマウス、キーボード等）５６、および可動ベース３８を移動させることにより計測位置を移動させる計測位置調整機構５８が、設けられる。
【００２２】
ここで、エリアカメラ５０は、照射領域Ｒを含む被検体１８の検査面の画像を取得することができるように構成および配置される。本来、ラインカメラ２０による計測位置は上記撮影領域Ａであるが、上述したようにして撮影領域Ａと照射領域Ｒとが位置合わせされた後であれば、照射領域Ｒを計測位置とみなすことができる。このため、既に位置合わせが終了したことを前提として、演算処理部５２は、エリアカメラ５０で取得した画像情報に所定の画像処理（例えば、二値化、フィルタリング、ラベリング、グルーピング等）を施し、輝度値の高い照射領域Ｒの位置として計測位置を取得する。
【００２３】
また、演算処理部５２は、オペレータに計測位置を選択指示させるべく、出力部５４の画面に被検体１８の画像を表示させる。図６は、出力部５４で表示された被検体１８の検査面の画像（画像処理済み）の一例を模式的に示す図である。演算処理部５２によって制御される出力部５４は、図６に示すように、被検体１８の検査面、照射領域Ｒ、および計測要求位置を指定させるためのカーソル６２を表示する。オペレータは、入力部５６を操作して画面上で計測要求位置までカーソル６２を移動させ、その位置が計測要求位置であることを示すための入力操作（例えばダブルクリック等）を行う。演算処理部５２は、その入力操作に対応した信号を受け取ると、その時点におけるカーソル６２の画面上の座標から、実座標における計測要求位置を取得し、さらに、その計測要求位置に現在の計測位置を移動させるための制御信号を生成して、これを計測位置調整機構５８に入力する。
【００２４】
計測位置調整機構５８は、上述したように、可動ベース３８を移動させる機構として構成される。具体的な構成例を図２を参照して説明すると、計測位置調整機構５８は、可動ベース３８を支持する可動脚６４の他、図４とほぼ同様に構成されたボールナット６６、シャフト６８およびモータ７０を含む。そして、可動脚６４は、一つの回動支持点で交叉する二つの脚部材からなり、その交叉角度に応じて可動脚６４の高さが変化するようになっている。ここで、脚部材の一方にはボールナット６６が接続されている。このため、モータ７０の回動によりボールナット６６が水平方向に進退すると、二つの脚部材の交叉角度が変化し、可動脚６４の高さが変化する。したがって、演算処理部５２によってモータ７０の回転を制御することで、可動脚６４の高さすなわち可動ベース３８の上下方向の位置を調整し、計測位置（照射領域Ｒ）を計測要求位置に移動することができる。なお、ここで示したのはあくまで一例であって、計測位置の上下方向の移動はこれ以外の機構によってももちろん可能である。また、ここでは撮影位置を上下させる場合についてのみ示したが、水平方向やその他の方向にも移動させられることは、容易に理解できよう。
【００２５】
ところで、光源１２からの照射レーザ光の出力を大きくしようとすると、光源１２は大きくかつ重くなる。このため高出力の光源１２を可動ベース３８上に設けると、計測位置調整機構５８によって動かされる部分（可動ベース３８とそれに設置される装置構成）が大きくかつ重くなって装置全体が大型化し、またその移動に要するエネルギ消費が増大するという問題が生じる。かと言って、可動ベース３８上に光源１２を搭載するために照射レーザ光の出力を下げると、測定精度が低下したり、被検体の大きさや測定条件（例えば被検体と照射光学系機構との距離等）に制限が生じる場合がある。そこで、本実施形態では、光源１２を可動ベース３８外の移動しない部分（例えば基台３０）に固定し、光源１２からのレーザ光を、伝達光学系機構１４を介して照射光学系機構１６に入射するようにしている。具体的には、図２に示すように、光源１２から出射されたレーザ光を照射光学系機構１６に向けて反射するミラー１４ａを基台３０に設置し、ミラー１４ａから出射されて照射光学系機構１６の入射部となるミラー１６ａに向かうレーザ光の進行方向が、可動ベース３８の移動方向と一致する（平行になる）ようにする。こうすることで、可動ベース３８がどの位置に移動しても、ミラー１４ａからのレーザ光はミラー１６ａに入射し、照射光学系機構１６に入力されることになる。このような構成により、光源１２を可動ベース３８外に設置することができるので、高出力の光源１２を容易に採用することができるようになる。また、光源１２を可動ベース３８上に設置した場合に比べて計測位置調整機構５８による被駆動部分が軽量化される。なお、図２の例では、伝達光学系機構１４から照射光学系機構１６に入力されるレーザ光は下から上に向かうが、これを上から下に向かうようにしてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、照射位置と撮影位置との位置合わせをより迅速にかつ精度良く行うことができるとともに、それらの位置合わせに影響を及ぼすことなく、計測位置を計測要求位置により容易にかつより迅速に移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる位置決め装置を含む表面状態計測装置の要部の一例を示す上面図である。
【図２】図１の表面状態計測装置（の一部）の側面図である。
【図３】本発明の実施形態にかかる位置決め装置を含む表面状態計測装置の照射方向調整機構の一構成例を示す図である。
【図４】本発明の実施形態にかかる位置決め装置を含む表面状態計測装置のラインカメラ位置調整機構の一構成例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態にかかる位置決め装置を含む表面状態計測装置における被検体の検査面上の照射領域Ｒと撮影領域Ａとを照射元側から見た模式図である。
【図６】本発明の実施形態にかかる位置決め装置を含む表面状態計測装置の出力部で表示される被検体の検査面の画像の一例を模式的に示す図である。
【符号の説明】
１０表面状態計測装置、１２光源、１４伝達光学系機構、１６照射光学系機構、１６ａ，１６ｃ，１６ｅミラー、１６ｂハーフミラー（ミラー）、１６ｄシリンドリカルレンズ、１８被検体、２０ラインカメラ、２１表面状態計測部、２２照射方向調整機構、２４ラインカメラ位置調整機構、２６強度検出部、２８アライメント制御部、３０基台、３１支持部材、３２ボールナット、３４シャフト、３６モータ、３８可動ベース、４０可動脚、４２ボールナット、４４シャフト、４６モータ、５０エリアカメラ、５２演算処理部、５４出力部、５６入力部、５８計測位置調整機構、６２カーソル、６４可動脚、６６ボールナット、６８シャフト、７０モータ。

Claims

被検体に照射された線状レーザ光の反射光をラインカメラで取得し、その反射光と参照光との干渉画像から該被検体の表面の状態を計測する表面状態計測装置の位置決め装置であって、
被検体に対するレーザ光の照射位置およびラインカメラによる被検体の撮影位置のうち少なくともいずれか一方を移動させる位置調整手段と、
各照射位置または各撮影位置でラインカメラによって取得された反射光の強度を検出する強度検出手段と、
前記強度検出手段の検出結果に基づいて前記照射位置と前記撮影位置とが強度についての所定の基準を満たす位置関係となるように前記位置調整手段を制御するアライメント制御手段と、
を備えることを特徴とする表面状態計測装置の位置決め装置。
請求項１に記載の表面状態計測装置の位置決め装置において、
被検体の検査面を撮影するエリアカメラで取得された画像から前記照射位置を計測位置として検出する計測位置検出手段と、
前記位置調整手段とは別個に設けられる計測位置調整手段であって前記照射位置と前記撮影位置とが前記基準を満たす位置関係でロックされた状態で前記計測位置を移動させる計測位置調整手段と、
前記計測位置検出手段の検出結果に基づいて計測位置を指示された計測要求位置に移動させるべく前記計測位置調整手段を制御する計測位置制御手段と、
を備えることを特徴とする表面状態計測装置の位置決め装置。
被検体にレーザ光を照射する照射光学系機構とラインカメラとが、被検体に対して相対的に移動自在な可動ベースに設けられ、
前記計測位置調整手段は、前記可動ベースを移動させるものであることを特徴とする請求項２に記載の表面状態計測装置の位置決め装置。
前記位置調整手段は、前記照射光学系機構から被検体に対するレーザ光の照射方向を変更するものであることを特徴とする請求項３に記載の表面状態計測装置の位置決め装置。
前記位置調整手段は、前記可動ベースに対するラインカメラの位置を変更するものであることを特徴とする請求項３または４に記載の表面状態計測装置の位置決め装置。
前記可動ベース外に設けられた光源からのレーザ光を、前記照射光学系機構のレーザ光入射部に向けて、該可動ベースの移動方向またはその逆方向に出射する伝達光学系機構を備えることを特徴とする請求項３〜５のうちいずれか一つに記載の表面状態計測装置の位置決め装置。