JP2005241570A - 表面形状検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 外乱光などによる影響を排除して正確に表面形状の検出が可能な表面形状検出器を提供する。
【解決手段】 二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａを分割してなる各区画領域Ｅ１〜Ｅ３単位で、各区画領域Ｅ１〜Ｅ３内に位置する各走査線Ｌ１〜Ｌ７，Ｌ８〜Ｌ１４，Ｌ１５〜Ｌ２１上の受光レベルピーク位置Ｐを検出し、その検出された各走査線上の受光レベルピーク位置データに基づき、最も多くの受光レベルピーク位置Ｐが集中する基準クラス（または走査方向基準範囲）を特定する。そして、この特定動作にて特定された基準クラスから２クラス以上離れた受光レベルピーク位置データ以外の受光レベルピーク位置Ｐ’の受光レベルピーク位置データに基づき対象物体Ｗの表面形状検出を行う構成とした。
【選択図】 図３

Description

本発明は、表面形状検出器に関する。

変位センサ（表面形状検出器）は、例えば図２に示すように、例えばスリット板を介して出射した光を対象物体（被測定物体）の表面に照射させ、その反射光を二次元撮像素子にて受光するようになっている。反射光が二次元撮像素子上に形成する照射像は、対象物体の表面（被照射面）が平坦であれば、上記スリットの開口形と同じ形状（例えば直線状）をなす。一方、対象物体の表面が凸凹である場合には、その凸凹に応じた形状をなす。従って、二次元撮像素子での照射像に基づいて対象物体の表面形状を検出することができる。具体的には、二次元撮像素子の各画素からの受光信号を、上記照射像の厚み方向に沿った走査線毎に読み込み、所定の閾値と比較し、この閾値以上のレベルの受光信号に基づいて各走査線上における受光レベルピーク位置を検出する。そして、これら走査線毎の受光レベルピーク位置から対象物体のうち光を照射した部位の表面形状を検出でき、対象物体と表面測定装置とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、対象物体全体の表面形状を検出するようになっている。
特開２００２−２８６４２５公報

ところで、二次元撮像素子の撮像面上には、反射光以外に周囲からの光強度の高い外乱光が入光することがある。そうすると、この外乱光を受けた画素からの受光信号レベルも上記閾値を超えてしまい、反射光による本来の位置とは異なる位置が受光レベルピーク位置として検出されるおそれがあり、正確な表面形状の検出が行えなくなるといった問題があった。

本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、外乱光などによる影響を排除して正確に表面形状の検出が可能な表面形状検出器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、対象物体の表面上に線状に光を照射する投光手段と、前記投光手段から照射され前記対象物体表面で反射した反射光を受光する二次元撮像素子と、前記二次元撮像素子の撮像面上の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記投光手段からの光による線状の照射像に直交する方向に沿った走査線毎に取り出し、前記各走査線上の受光レベルピーク位置を検出する受光位置検出手段と、前記受光位置検出手段にて検出された各走査線上の受光レベルピーク位置に基づいて前記対象物体の表面形状を検出する表面形状検出手段とを備えた表面形状検出器において、前記二次元撮像素子の撮像面を、前記走査線と直交する方向において複数に分割してなる複数の区画領域が定められ、前記受光位置検出手段は、次の（ａ）から（ｄ）の手段を備え、当該（ａ）から（ｄ）の手段による一連の動作を、前記各区画領域単位で順次行わせる構成とされ、
（ａ）前記各区画領域内に位置する各走査線上の受光レベルピーク位置を検出する検出手段
（ｂ）前回の前記一連の動作が終了した前回の区画領域の受光レベルピーク位置情報を削除するととに、今回、前記検出手段で検出された受光レベルピーク位置情報を記憶する記憶手段
（ｃ）前記記憶手段に記憶された前記各走査線上の受光レベルピーク位置情報に基づき、それらの各受光レベルピーク位置の前記走査方向における位置のうち最も多く集中する位置または範囲を、走査方向基準位置または走査方向基準範囲として特定する特定手段
（ｄ）前記記憶手段に記憶された前記各走査線毎の受光レベルピーク位置情報のうち、前記特定手段にて特定された走査方向基準位置または走査方向基準範囲との前記走査方向における位置偏差が所定値以内であった受光レベルピーク位置情報だけを抽出する抽出手段
前記表面形状検出手段は、前記抽出手段にて抽出された受光レベルピーク位置情報に基づき前記対象物体の表面形状を検出することを特徴とする。

なお、投光手段としては、例えばスリット板または細長状（帯状）のレンズ（拡散光を平行光にするレンズであってもよい）を介して断面線状（断面細長状、断面帯状））の光にして板状の光を、対象物体に照射する構成であってもよい。また、対象物体の表面の一点に光を照射させ、そこから照射方向を変えずに照射位置を所定の方向（例えば照射方向と直交する方向）に平行移動させることで対象物体の表面上に光を線状に照射させる構成であってもよい。
また、上記「走査方向基準位置または走査方向基準範囲」は、１点であってもよいが、ある程度幅をもった範囲であってもよい。例えば、受光レベルピーク位置が最も集中する分布範囲内を基準範囲としてもよい。
また、上記（ｂ）の記憶手段における削除動作は、前回の一連動作の抽出手段による抽出動作の後に実行する構成であっても、また、今回の受光レベルピーク位置情報の記憶時に削除または上書きする構成であってもよい。
また、「各区画領域」は、その区画領域内での反射光による正規の各受光レベルピーク位置の走査方向における位置のバラツキが所定範囲になるように対象物体の表面形状に応じて定めることが望ましい。
また、上記投光手段による「線状の光」は、対象物体について所定の一方向における表面形状を検出したい場合、その所定の一方向に沿った線状の光をいう。

請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、前記撮像面の分割数を変更する分割数変更手段が設けられていることを特徴する。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、前記各区画領域間の区画位置を変更する区画位置変更手段が設けられていることを特徴とする。

＜請求項１の発明＞
二次元撮像素子の撮像面を走査線と直交する方向において複数に分割してなる各区画領域毎に見た場合、対象物体からの反射光による走査方向における本来の受光位置の分布は、ある程度一定の値に集中すると考えられる。従って、この本来の受光位置の分布の最頻値から大きく外れた位置が受光レベルピーク位置として検出された場合、これは本来の受光位置ではなく外乱光によるものであると考えられる。そして、このように上記最頻値から大きく外れた位置に入光する外乱光が表面形状検出に大きく影響するため排除する必要がある。

そこで、本構成によれば、二次元撮像素子の撮像面を、走査線と直交する方向において複数に分割してなる各区画領域単位で、各区画領域内に位置する各走査線上の受光レベルピーク位置を検出し、その検出された各走査線上の受光レベルピーク位置情報に基づき、最も多くの受光レベルピーク位置が集中する走査方向基準位置または走査方向基準範囲を特定し、この特定動作にて特定された走査方向基準位置または走査方向基準範囲との走査方向における位置偏差が所定値以内であった受光レベルピーク位置情報だけを抽出する一連の動作が順次実行される。そして、ここで抽出された受光レベルピーク位置情報に基づき前記対象物体の表面形状検出が行われる。

このように、走査方向基準位置または走査方向基準範囲との位置偏差が所定値以内の受光レベルピーク位置だけを抽出して表面形状検出を行う構成とした。従って、対象物体からの反射光による本来の受光位置から大きく外れた位置に入光し表面形状検出の精度を低下させる外乱光の影響を排除することができる。

なお、撮像面全体における全ての走査線上の受光レベルピーク位置に基づき走査方向における走査方向基準位置または走査方向基準範囲を特定し、その走査方向基準位置または走査方向基準範囲との走査方向における位置偏差が所定値内の受光レベルピーク位置だけを抽出し、所定値内の受光レベルピーク位置に基づき表面形状検出を行う構成も考えられる。しかし、このような構成では、走査方向基準位置または走査方向基準範囲の特定動作及び抽出動作時に撮像面全体の画素からの受光信号を全て取り込んで格納するために多大なメモリ容量が必要となるという問題が生じる。
これに対して、本構成では、二次元撮像素子の撮像面を走査線と直交する方向において複数に分割してなる各区画領域単位で、走査方向基準位置または走査方向基準範囲の特定動作及び抽出動作を順次行う構成なので、一区画領域内の画素の受光信号を格納可能なメモリ容量で対処できる。

＜請求項２の発明＞
例えば、表面形状の変化が比較的大きい対象物体の場合、各区画領域内での受光レベルピーク位置の走査方向における位置がはらついて走査方向基準位置または走査方向基準範囲が定まらず、外乱光による影響を確実に排除できない可能性がある。
そこで、本構成によれば、分割数変更手段によって、撮像面の分割数を変更できる構成とした。従って、表面形状の変化が比較的大きい対象物体に対しては、分割数を多く設定することで、各区画領域内での走査方向基準位置または走査方向基準範囲を定め易くし、確実に外乱光による影響を排除することが可能になる。

＜請求項３の発明＞
対象物体からの反射光による撮像面上の受光位置がある程度予測できる場合には、各区画領域内での受光レベルピーク位置の走査方向における位置にバラツキがなるべくないように各区画領域間の区画位置を調整することで、より明確に走査方向基準位置または走査方向基準範囲を定めて、確実に外乱光による影響を排除することができる。
そこで、本構成では、区画位置変更手段によって各区画領域間の区画位置を変更できる構成とした。

本発明の一実施形態１を図１ないし図４によって説明する。
１．表面形状検出器の全体構成
図１には、本実施形態に係る表面形状検出器１０の全体構成図が示されている。符号１１はレーザ光源で、ここからレーザ光Ｒ１（平行光）が対象物体Ｗの表面に向けて出射される。このレーザ光源１１の前方には、所定方向（本実施形態では図１の紙面奥行き方向）に長く延びた開口断面を有するスリット板１２が配されている。従って、対象物体Ｗの表面に向けて、スリット板１２の開口形状に対応した板状のレーザ光Ｒ１が照射されることになる。なお、スリット板１２の開口部形状は長手方向の幅（対象物体Ｗに照射されるレーザ光の横幅寸法）が約１０ｍｍ、短手方向の幅（対象物体Ｗに照射されるレーザ光の厚さ寸法）は約２００μｍに設定されている。
レーザ光源１１からスリット板１２を介して対象物体Ｗに照射され当該対象物体Ｗ表面で反射した反射光（以下、「レーザ反射光Ｒ２」という）は、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにて受光される。

ここで、上記レーザ反射光Ｒ２が二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａ上に形成する照射像１６は、対象物体Ｗの表面（照射範囲）が平坦であれば、上記スリット板１２の開口形状に対応して一直線状をなす。一方、図２及び図３にも示すように、対象物体Ｗの表面に例えば凸部が形成されている場合には、この凸部形状に応じた凸状の照射像１６となる。従って、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにおける照射像１６を捉えることで対象物体Ｗの表面形状を検出することが可能になる。

ＣＣＤ駆動回路１４は、制御部１５からの駆動信号に基づいて二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａの各画素からの受光信号を走査線Ｌ（例えばＬ１〜Ｌ２１）毎に順次読み取る。本実施形態では、走査線Ｌの方向（画素のスキャン方向）は、スリット板１２を通過したレーザ光の厚さ方向に直交する方向、換言すれば、スリット板１２の開口部の延長方向に直交する方向（レーザ反射光Ｒ２による撮像面１３Ａ上の照射像１６の厚さ方向）に沿っている。図３では紙面上下方向が走査線Ｌの方向である。

２．制御部による制御動作
本実施形態では、図３（ａ）に示すように、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａを、上記走査線Ｌ（走査方向）と直交する方向において例えば３分割してなる、第１区画領域Ｅ１、第２区画領域Ｅ２、第３区画領域Ｅ３が予め定義付けられている。ここでは、各区画領域Ｅ１〜Ｅ３は、上記直交する方向において７つの画素を含むよう均等分割された領域としている。制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与えて発光させ、これに同期してＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて二次元ＣＣＤ１３からの受光信号を例えば１〜２１本の各走査線Ｌ毎に読み込みつつ、各区画領域Ｅ１〜Ｅ３毎に、次に示す処理を実行する。

以下、具体的制御について図４を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、例えば図３（ａ）に示すように、符号Ｇの示す網掛け領域に、レーザ反射光Ｒ２よりも強い光強度の外乱光が入光するものとする。
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与え、これに同期して図４のフローチャートに示す制御を実行する。まず、ステップＳ１で区画領域番号Ｋを初期値１に設定し、ステップＳ２で、ＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて第１区画領域Ｅ１に含まれる各走査線Ｌ１〜Ｌ７毎の画素からの受光信号が連なってなる信号を順次受け、各走査線Ｌ１〜Ｌ７について受光レベルピーク位置Ｐ，Ｐ’をそれぞれ検出する。具体的には、各走査線Ｌ１〜Ｌ７について最大受光量を示す画素の位置を特定するのである。

ここで、本実施形態では、図３（ｂ）に示すように、撮像面１３Ａが走査方向において複数（本実施形態では７つ）のクラス領域１〜７に均等分割されて定義付けられている。なお、このクラス分割数は、例えば図示しないコンソールでの操作に基づき変更できる構成としてもよい。

そして、ステップＳ３で、上記走査線Ｌ１〜Ｌ７の各受光レベルピーク位置Ｐ，Ｐ’が最も集中する基準クラス（または走査方向基準範囲）を特定する。具体的には、７つの受光レベルピーク位置Ｐ，Ｐ’のうち例えば過半数が位置するクラス領域を基準クラスとしている。図３（ｂ）の例では、第１区画領域Ｅ１内において６つの受光レベルピーク位置Ｐがクラス４に位置しており、このクラス４が基準クラスとなる。そして、ステップＳ４で例えば基準クラスであるクラス４から例えば２クラス以上離れた走査線Ｌ７上の受光レベルピーク位置Ｐ’の受光レベルピーク位置データは外乱光によるものとみなして排除され、これ以外の走査線Ｌ１〜Ｌ６の正規の受光レベルピーク位置Ｐの受光レベルピーク位置データだけが記憶部としてのメモリ１７に記憶される。

その後、ステップＳ５で現在処理した区画領域Ｅが最終区画領域かどうかが判断され、最終区画領域でなければ（ステップＳ５で「Ｎ」）、ステップＳ６で区画領域番号Ｋに１加算し、次の第２区画領域Ｅ２についてステップＳ２〜Ｓ４の処理を行う。この第２区画領域Ｅ２では、５つの受光レベルピーク位置Ｐが位置するクラス５が基準クラスとされ、ここから２クラス以上離れた位置にある走査線Ｌ８，Ｌ９の２つの受光レベルピーク位置Ｐ’の受光レベルピーク位置データが外乱光によるものとして排除され、それら以外の走査線Ｌ１０〜Ｌ１４の５つの正規の受光レベルピーク位置Ｐの受光レベルピーク位置データがメモリ１７に記憶されることになる。第３区画領域Ｅ３については、クラス４が基準クラスとされ、そこに位置する走査線Ｌ１５〜Ｌ２１の全ての正規の受光レベルピーク位置Ｐの受光レベルピーク位置データがメモリ１７に記憶されることになる。

そして、全区画領域Ｅ１〜Ｅ３についてステップＳ２〜Ｓ４の処理が終了したとき（ステップＳ５で「Ｙ」）、メモリ１７に記憶された走査線Ｌ１〜Ｌ６，Ｌ１０〜Ｌ２１の受光中心データに基づいて対象物体Ｗの表面形状検出処理が実行される。

３．本実施形態の効果
本構成によれば、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａを分割してなる各区画領域Ｅ１〜Ｅ３単位で、各区画領域Ｅ１〜Ｅ３内に位置する各走査線Ｌ１〜Ｌ７，Ｌ８〜Ｌ１４，Ｌ１５〜Ｌ２１上の正規の受光レベルピーク位置Ｐを検出し、その検出された各走査線上の受光レベルピーク位置データに基づき、最も多くの受光レベルピーク位置Ｐが集中する基準クラス（または走査方向基準範囲）を特定する。そして、この特定動作にて特定された基準クラスから２クラス以上離れた受光レベルピーク位置データ以外の受光レベルピーク位置Ｐ’の受光レベルピーク位置データに基づき対象物体Ｗの表面形状検出を行う構成とした。これにより、対象物体Ｗからのレーザ反射光Ｒ２による本来の受光位置から大きく外れた位置に入光し表面形状検出の精度を低下させる外乱光の影響を排除することができる。

なお、撮像面１３Ａ全体における全ての走査線Ｌ１〜Ｌ２１上の受光レベルピーク位置Ｐ，Ｐ’に基づき基準クラスを特定し、この基準クラスからの距離が所定範囲内にある受光レベルピーク位置データだけを抽出して表面形状検出を行う構成も考えられる。しかし、このような構成では、上記基準クラスの特定動作及び抽出動作時に撮像面１３Ａ全体の画素からの受光信号を全て取り込んで格納するために多大なメモリ容量が必要となるという問題が生じる。
これに対して、本実施形態では、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａを走査線Ｌと直交する方向において分割してなる各区画領域Ｅ１〜Ｅ３単位で、基準クラスの特定動作及び抽出動作を順次行う構成なので、一区画領域Ｅ内の画素の受光信号を格納可能なメモリ容量で対処できる。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、スリット板を介して板状のレーザビームを出射することで、対象物体表面に（直）線状に光を照射させる構成としたが、これに限らず、例えば、比較的細い光芒の光を対象物体の表面に照射させつつ、その照射点を所定方向に移動させることで対象物体表面に（直）線状に光を照射させる構成としても対象物体の表面形状の検出が可能であり、本発明の適用も可能である。

（２）例えば、対象物体Ｗの表面形状の変化が比較的大きい場合、各区画領域内での受光レベルピーク位置Ｐ，Ｐ’の走査方向における位置がはらついて基準クラスが定まらず、外乱光による影響を確実に排除できない可能性がある。そこで、上記実施形態１において、図示しないコンソールでの操作に基づき制御部１５によって撮像面１３Ａの分割数を３つから例えば４つ、５つ、或いは２つと増減できる構成としてもよい。これにより、表面形状の変化が比較的大きい対象物体Ｗに対しては、分割数を多く設定することで、各区画領域内での基準クラスを定め易くし、確実に外乱光による影響を排除することが可能になる。

（３）更に、対象物体Ｗからのレーザ反射光Ｒ２による撮像面１３Ａ上の受光位置がある程度予測できる場合には、各区画領域Ｅ内での受光レベルピーク位置Ｐ，Ｐ’の走査方向における位置にバラツキがなるべくないように各区画領域Ｅ１〜Ｅ３間の区画位置（図３で符号Ｘ）を調整することで、より明確に基準クラスを定めて、確実に外乱光による影響を排除することができる。そこで、上記実施形態１において、コンソールの操作に基づき制御部１５によって各区画領域Ｅ１〜Ｅ３間の区画位置Ｘを変更できる構成としてもよい。

（４）上記実施形態では、二次元撮像素子として二次元ＣＣＤ１３としたが、これに限らず、例えばＣ−ＭＯＳで構成された二次元撮像素子であってもよい。

本発明の一実施形態に係る表面形状検出器の全体構成図 レーザ光、対象物体、二次元ＣＣＤの位置関係を示した斜視図 二次元ＣＣＤの撮像面を示した模式図 制御部の制御を示すフローチャート

符号の説明

１０…表面形状検出器
１１…レーザ光源（投光手段）
１２…スリット板（投光手段）
１３…二次元ＣＣＤ（二次元撮像素子）
１３Ａ…撮像面
１５…制御部（受光位置検出手段、検出手段、特定手段、抽出手段、表面形状検出手段）
１６…照射像
Ｅ（Ｅ１〜Ｅ３）…区画領域
Ｌ（Ｌ１〜Ｌ２１）…走査線
Ｐ，Ｐ’…受光レベルピーク位置
Ｒ１…レーザ光
Ｒ２…レーザ反射光
Ｗ…対象物体
Ｘ…区画位置

Claims (3)

1. 対象物体の表面上に線状に光を照射する投光手段と、
   前記投光手段から照射され前記対象物体表面で反射した反射光を受光する二次元撮像素子と、
   前記二次元撮像素子の撮像面上の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記投光手段からの光による線状の照射像に直交する方向に沿った走査線毎に取り出し、前記各走査線上の受光レベルピーク位置を検出する受光位置検出手段と、
   前記受光位置検出手段にて検出された各走査線上の受光レベルピーク位置に基づいて前記対象物体の表面形状を検出する表面形状検出手段とを備えた表面形状検出器において、
   前記二次元撮像素子の撮像面を、前記走査線と直交する方向において複数に分割してなる複数の区画領域が定められ、
   前記受光位置検出手段は、次の（ａ）から（ｄ）の手段を備え、当該（ａ）から（ｄ）の手段による一連の動作を、前記各区画領域単位で順次行わせる構成とされ、
   （ａ）前記各区画領域内に位置する各走査線上の受光レベルピーク位置を検出する検出手段
   （ｂ）前回の前記一連の動作が終了した前回の区画領域の受光レベルピーク位置情報を削除するととに、今回、前記検出手段で検出された受光レベルピーク位置情報を記憶する記憶手段
   （ｃ）前記記憶手段に記憶された前記各走査線上の受光レベルピーク位置情報に基づき、それらの各受光レベルピーク位置の前記走査方向における位置のうち最も多く集中する位置又は範囲を、走査方向基準位置または走査方向基準範囲として特定する特定手段
   （ｄ）前記記憶手段に記憶された前記各走査線毎の受光レベルピーク位置情報のうち、前記特定手段にて特定された走査方向基準位置または走査方向基準範囲との前記走査方向における位置偏差が所定値以内であった受光レベルピーク位置情報だけを抽出する抽出手段
   前記表面形状検出手段は、前記抽出手段にて抽出された受光レベルピーク位置情報に基づき前記対象物体の表面形状を検出することを特徴とする表面形状検出器。
2. 前記撮像面の分割数を変更する分割数変更手段が設けられていることを特徴する請求項１に記載の表面形状検出器。
3. 前記各区画領域間の区画位置を変更する区画位置変更手段が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に表面形状検出器。

Images