JP2009128084A - 被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像方法とその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 照射レーザ光の反射光である粒状斑点模様を撮像すると共にレーザ照射部位の表面も同時に撮像する方法ならびにその装置を提供する。
【解決手段】 被計測物１表面にレーザ光４を照射し、被計測物１表面の粗面の状態に基づいて照射レーザ光が乱反射し空間に粒状斑点模様が発生し、ＣＣＤ素子７前方に外来光を遮蔽する暗視筒８と共に規定の位置に凸レンズ９を装着することにより、被計測物１表面にレーザ光が照射した映像と共に、粒状斑点模様も同時に撮し込むことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ反射光を利用し、非接触により被計測物の表面ならびに粒状斑点模様を同時撮像する方法およびその装置に関する。

ミクロ的不均一な被計測物の表面に、非常に干渉性の高いレーザ光を照射すると、被計測物の粗面に基づいてレーザ光が乱反射し、粒状斑点模様が発生することが知られている。この粒状斑点模様は被計測物の変化と同一性があり、この性質を利用して各種の計測に応用されている。
粒状斑点模様は、被計測物の変化に比例して３次元的な現象が生じる。例えば、被計測物が左右に移動すると粒状斑点模様も移動量に比例して左右に移動し、被計測物が計測系に対して前後移動すると、粒状斑点模様も移動量に比例して縮小拡大する。
従来、粒状斑点模様を撮像する方法として、結像用レンズを取り外し外来光を遮蔽する暗視筒をＣＣＤ素子あるいは感光紙の前方に取り付けて直接撮像する方法が知られている（例えば、特許文献１，２）。
特開２００１−３０４８１６ 特開２００２−１６２３５５

上記特許文献１，２の先行例は、レーザ反射光による粒状斑点模様を直接撮像する方法として、結像用レンズを取り外している為に粒状斑点模様のみ撮像し、被計測物にレーザ光が照射した計測位置の認識ができなかった。この為、被計測物の計測位置は、例えば赤色レーザを使用した場合には被計測物表面の赤色部位を他のカメラあるいは視認により特定する必要があった。また、人間の目で視認できない赤外光や紫外光による発光波長のレーザ光を使用した場合、特別な計測器を必要とし、レーザ照射位置に基づく計測位置の特定が困難であるという課題がある。
本発明は、この課題を解決する為に、照射レーザ光の反射光である粒状斑点模様を撮像すると共にレーザ照射部位の表面も同時に撮像する方法ならびにその装置を提供するものである。

本発明は、上記課題を解決する為に、被計測物表面にレーザ光を照射し、被計測物表面の粗面の状態に基づいて照射レーザ光が乱反射し空間に粒状斑点模様が発生し、ＣＣＤ素子前方に外来光を遮蔽する暗視筒と共に規定の位置に凸レンズを装着することにより、被計測物表面にレーザ光が照射した映像と共に、粒状斑点模様も同時に撮し込むことを特徴とする。

本発明は、凸レンズの規定の位置について、図１に示す計測構成に基づく次の関係式が成立する。
１／ａ＋１／ｂ＝ｆ
ｍ＝ｂ／ａ
ａ ： 被計測物と凸レンズまでの距離
ｂ ： 凸レンズからＣＣＤ素子（電荷結合素子）までの距離
ｍ ： 倍率
ｆ : 凸レンズの焦点距離

本発明は、被計測物表面にレーザ光を照射し、被計測物表面の粗面の状態に基づいて照射レーザ光が乱反射し空間に粒状斑点模様が発生し、ＣＣＤ素子前方に外来光を遮蔽する暗視筒と共に規定の位置に凸レンズを装着することにより、被計測物表面にレーザ光が照射した映像と共に、粒状斑点模様も同時に撮し込むことを特徴とするから、照射レーザ光の被計測物の反射光である粒状斑点模様を撮像すると共に被計測物のレーザ照射部位の表面を同時に撮像することができる効果を有する。

本発明は、次の関係式
１/ａ＋１/ｂ＝ｆ
ｍ＝ｂ／ａ
ａ ： 被計測物と凸レンズまでの距離
ｂ ： 凸レンズからＣＣＤ素子（電荷結合素子）までの距離
ｍ ： 倍率
ｆ : 凸レンズの焦点距離
が成立する上記請求項１に記載の被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像方法であるから、倍率 ｍ＝ｂ／ａを高くすることにより、被計測物の移動に伴う粒状斑点模様の移動も大きく変化し、計測精度の向上を図ることができる効果がある。

図面に示した実施例により、本発明の詳細を説明する。
図１に本発明方法及び装置の実施例である計測機構を示してある。
図中符号１が被計測物であり、ＸＹ方向に移動可能としたＸＹステージ２上に載置してある。レーザ投光機３から投光されるレーザ光４を、上記被計測物１の被計測部位５に照射し、図２にレーザ照射状態を楕円状に示してある。
図中符号６がＣＣＤ素子（電荷結合素子）を内臓する撮像機で、ＣＣＤ素子前方に外来光を遮蔽する暗視筒８を設けてあり、この暗視筒８内に凸レンズ９を装着してある。この凸レンズ９は規定の位置に配置され、被計測部位５の表面並びにレーザ光の照射によりこの被計測部位５で乱反射し空間に発生した粒状斑点模様をＣＣＤ素子に撮し込む。その像をこのＣＣＤ素子に接続する信号分岐装置１０及び画像処理装置１１の表示装置１２に図３に示すように表示される。

上記凸レンズ９の規定の位置であるが、図１に示す計測機構に基づき、次の関係式により成立する。
１/ａ＋１/ｂ＝ｆ
ｍ＝ｂ／ａ
ａ ： 被計測物と凸レンズまでの距離
ｂ ： 凸レンズからＣＣＤ素子（電荷結合素子）までの距離
ｍ ： 倍率
ｆ : 凸レンズの焦点距離
上記の関係式が成立する位置に、被計測物、凸レンズおよびＣＣＤ素子を設置した場合のデータを図４及び図５の表に示す。
図４の表に、レンズの焦点距離５０ｍｍ（倍率ｍ＝０．５，１，２，３）による計測精度データを示す。同表より、倍率を高くすることにより被計測物の移動に伴う粒状斑点模様の移動も大きく変化し、計測精度の向上を図ることができる。
図５の表に、レンズの焦点距離１００ｍｍ（倍率ｍ＝０．５，１，２）による計測精度データを示す。同表より、倍率を高くすることにより被計測物の移動に伴う粒状斑点模様の移動も大きく変化し、計測精度の向上を図ることができる。
なお、倍率を上げることにより被計測物も拡大しレーザ照射位置がより明確化する特徴がある。

実験結果によると、レンズの焦点距離に基づく計測精度の向上は見られないが、被計測物（金属板）の裏面から１５０℃程度に加熱すると、従前の撮像方式（結像用ンズを取り外し、外来光を遮蔽する暗視筒の装着）では粒状斑点模様にゆらぎが生じたが、本発明に基づく方法では、粒状斑点模様のゆらぎが見らなかった。

本発明方法及び装置の計測機構図である。 被計測物にレーザ光が照射した状態の正面図である。 表示装置に、被計測物にレーザ光の照射と共に粒状斑点模様が撮像された状態の正面図である。 レンズの焦点距離５０ｍｍ（倍率：ｍ）による計測精度データの表を示す図である。 レンズの焦点距離１００ｍｍ（倍率：ｍ）による計測精度データの表を示す図である。

符号の説明

１ 被計測物
２ ＸＹステージ
３ レーザ投光機
４ レーザ光
５ 被計測部位
６ 撮像機
７ ＣＣＤ素子
８ 暗視筒
９ 凸レンズ
１０ 信号分岐装置
１１ 画像処理装置
１２ 表示装置

Claims (4)

1. 被計測物表面にレーザ光を照射し、被計測物表面の粗面の状態に基づいて照射レーザ光が乱反射し空間に粒状斑点模様が発生し、ＣＣＤ素子前方に外来光を遮蔽する暗視筒と共に規定の位置に凸レンズを装着することにより、被計測物表面にレーザ光が照射した映像と共に、粒状斑点模様も同時に撮し込むことを特長とする被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像方法。
2. 次の関係式
   １/ａ＋１/ｂ＝ｆ
   ｍ＝ｂ／ａ
   ａ ： 被計測物と凸レンズまでの距離
   ｂ ： 凸レンズからＣＣＤ素子（電荷結合素子）までの距離
   ｍ ： 倍率
   ｆ : 凸レンズの焦点距離
   が成立する上記請求項１に記載の被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像方法。
3. 被計測物表面にレーザ光を照射し、被計測物表面の粗面の状態に基づいて照射レーザ光が乱反射し空間に粒状斑点模様が発生し、ＣＣＤ素子前方に外来光を遮蔽する暗視筒と共に規定の位置に凸レンズを装着することにより、被計測物表面にレーザ光が照射した映像と共に、粒状斑点模様も同時に撮し込むことを特長とする被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像装置。
4. 次の関係式
   １/ａ＋１/ｂ＝ｆ
   ｍ＝ｂ／ａ
   ａ ： 被計測物と凸レンズまでの距離
   ｂ ： 凸レンズからＣＣＤ素子（電荷結合素子）までの距離
   ｍ ： 倍率
   ｆ : 凸レンズの焦点距離
   が成立する上記請求項３に記載の被計測物の表面ならびにレーザ反射光による粒状斑点模様の同時撮像装置。
   
   

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