JP2015152585A - 金属表面の形状測定装置及び形状検査装置 - Google Patents
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Abstract
Description
プレス板金を成型する金型はメーカが製造した後、金型ユーザに引き渡され、ユーザがその金型を使用して成型品を量産する。使用中、金型には変形や磨耗が発生し、製品が規格外になるので、ユーザは、変化をいち早く検出して、規格外品の生産を予防し、金型を修正するか更新しなければならない。
金属反射性表面を有する物体の形状測定には、従来、接触子を用いる接触式技術が多用されてきた。接触式は、物体との接触信号を受けて装置自体の3次元座標を報告する測定原理のゆえに、装置精度が測定精度に直結する。そのため、専用の土台を建設して装置を定盤に固定するなど、計画的な準備と高コストを要する技術であった。また、立体の全外面にいちいち接触する測定は長時間を要するので、使用者は、どうしても使用せざるを得ない業種、例えば金型メーカなどに限定されていた。
いっぽう成型品の生産を本来の業務とする金型ユーザから見れば、金型の変化の検出という用途には接触式測定機は余りにも不適であり、これまでは、金型エージング検査を熟練職人に依存してきた。この官能検査は特殊技能に属し、職人が捉えた金型の変化はしばしば、他人には感知し難いという一種の“アンタッチャブル”なブラック技術の様相を呈し、科学的なアプローチからかけ離れた世界を形成していた。そのうえ技能の承継者が急速に減少しつつあり、成型工場は程なく製品の変形を検出する手段をまったく失いかねないという、大きな課題をかかえることになった。
比較的最近、非接触方式の形状測定技術が開発され、接触式よりもコストや使い勝手性が改善された。
これは、センサまでの基準面と物体からの距離の差を光学的に検出して奥行を逆算する距離測定原理に基づく。この範疇の技術としては、パタン投光法、フェーズシフト法、白色光干渉法、レーザ変位法などの測定法が実用化されており、特許文献1は、パタン投影法の適用を開示した1例である。
非接触式技術にはこのほか、物体の表面法線測定に基づく技術があり、特許文献2はその1開示例である。この文献の技術は、対象に点状光束を投光し、対象からの反射光量と方向を、直交2軸上に配置した8個のセンサで検出して、物体までの距離と表面法線を逆算する技術である。
しかしながら、これらの非接触式光学技術はいずれも、物体の表面が拡散反射性であることが前提であるため、金属には適用できない(非特許文献9)。
それらは、視点を変えずに拡散光を発する光源の位置を変える方法(非特許文献1)や、半球の内側に方位角方向と仰角方向に敷き詰めるように配置した多数の点光源を時系列的に点灯して鏡面を照らし、トップカメラで撮像し、はんだ面を検査する方法(非特許文献2、3)や、平面、円筒、円錐などの鏡面体をモデルとして、これを多方向から見た外観に基づき、形状認識を行う提案(非特許文献4)や、鏡面体とそこに映るものを固定し、カメラを動かす方法(非特許文献5)などである。
これらはいずれも、金属表面の法線を構成する傾斜角成分と方位角成分を共に測定するという基本概念に基づいているが、実用に耐える技術にはなり得なかった。例えば、非特許文献3によれば、2000個のはんだ接合部が搭載されたプリント配線板の検査に18分を要した。電子製品組立ラインの生産スピードからすれば、この程度のプリント配線板の検査は、長くても数十秒で完了する必要がある。
2000年以降、金属の形状測定に関する研究は、実用上評価できる進展をほとんど示していないと言っても過言ではない。
(1)従来の接触式形状測定機は、金属製品の測定ができるものの、金型ユーザを含む一般ユーザが広く使用するには、使い勝手性やコストにおいて、たいへん非現実的な測定機であった。
(2)いっぽう従来の光学的形状測定機は、測定時間や使い勝手性においてよりましではあるが、金属の測定がきなかった。
また請求項2の発明にかかる金属表面の形状検査装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する1平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の3次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの3次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、近接プローブを本装置の3次元座標空間における投光・撮像の3次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ(単位領域)の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と、演算手段が作成した表面形状データに基づいて、品質異常を検出する検出手段とを備え、近接プローブが、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成して、品質異常を検出することを特徴とする。
また請求項3の発明にかかる金属表面の形状検査装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する1平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の3次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの3次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、近接プローブを本装置の3次元座標空間における投光・撮像の3次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが投光と撮像を行って獲得した対象面の色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出する検出手段とを備え、近接プローブが、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出することを特徴とする。
また、本発明にかかる形状検査装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像から、対象の外形を再構成し、基準外形と比較するので、金属反射性表面を有する対象の3次元形状検査を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
また、本発明にかかる形状検査装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像を良品画像と比較するので、金属反射性表面を有する対象の3次元画像検査を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
従来の表面角度測定法には、下記の問題点があった。
(A)光源とセンサの方向に関する表面パッチ画像の明度から、表面法線ベクトルの方位角成分と天頂角成分を測定しようとした。
(B)立体の画像生成における撮像光学系の透視変形効果をまったく見落とした。
(A)方位角測定の誤り
方位角は法線ベクトルの水平方向を決める成分であって、立体の高さには何ら寄与しない。にも拘らず方位角成分を測定した理由は、方位角成分と天頂角成分だけで形状を表記しようとする強い意図に基づいたものと推定される。これにより余分な方位角成分を測定したせいで、測定装置が煩瑣となったうえに、データ演算の時間が長大化し、実用性を失った。その実力については、後に詳述する。
(B)測定点を測定空間において位置づけない
立体は、構成エレメントの3次元位置によって再構成されるが、従来法は幾何学的な距離測定をしないから、測定空間における測定点の位置情報がなく、再構成ができない。3次元測定法として致命的な欠陥である。因みに、光切断法等の距離計測法に基づく3次元測定技術は、画像と対象の3次元位置が関係づけられるから、再構成ができる。この技術を学んでいない。
(C)光学系による透視変形を無視している。
従来の表面角度測定法は、正射投影を前提として(非特許文献3)測定原理を説明した。この前提はまったく恣意的である。カメラで対象を撮像すると、その像はカメラ光学系による透視変形を受けて受光面に投影される。そのメカニズムはまったくシンプルであり、誰も勝手に無視できない。
以上を要約すると、従来の表面角度測定法は入射光量や反射光量という物理光学の概念だけに基づき、凸型多面体だけを対象として提案され、測量の基本である幾何光学にぜんぜん依拠しなかったから、一般的な形状への適用が不可能であることは、その前提条件からして明らかなのであった。
このマッピングは、物体形状に関する位置と寸法の情報をまったく伴わないから、マッピングしたガウス球では物体の構造情報が失われている。従って、ガウス球から、元の物体の形状を再構成することはできない(非特許文献6)。この問題は、ガウス球のせいではなく、法線ベクトルに属する情報のうち、方位角成分と天頂角成分しか採用しないコンセプトそのものの欠陥に存する。ガウス球は単に、その問題点を分かりやすく露呈しただけである。
図13は、コンセプトの欠陥を明示した1モデル例を示す。3円筒部から成るダンベルの表面法線をガウス球にマッピングすると、3円筒部の外周(a,b,c)は同一の円周にマッピングされるから、マッピングされた1つの円周から元の3円筒部は復元できない。また、2組のそれぞれ同じ表面法線を有する異なる2平面(dとf及びeとg)は、それぞれ同一の表面パッチにマッピングされてしまい、2組の異なる平面は復元できない。
(1)表面法線ベクトルを構成する成分のうち、表面の高さに寄与する成分は天頂角成分(水平面からの傾斜という表現では、傾斜角成分)だけであるから、この成分だけを専ら(exclusively)測定しなければならない。
(2)表面法線ベクトルにおいて、方位角成分は表面パッチ(単位領域)の水平成分に過ぎないから、方位角成分を測定してはいけない。高い測定精度を実現するためには、方位角成分の混入を排除する技術が必要である。
(3)上項の天頂角(傾斜角)成分測定は、既知の世界座標系の中で、基準面において位置づけられた表面に対して、行わなければならない。この測定の原則は、光切断法測定等の距離測定法における原則とまったく同じである。
(注記:以降の本発明の説明においては、表面の角度について「表面傾斜角」を適用し、光源とカメラの幾何光学構成に関しては、垂直軸となす「天頂角」を適用する。)
非特許文献3は、表題が明示する通り、前述したガウス球のコンセプトに基づき、はんだ面法線ベクトルの方位角成分と天頂角成分を共にセンシングした技術の開発を報じている。即ち、下向き半球内面の全方位角方向と全天頂角方向に計127個の点光源を配置し、これらを時系列的に点灯してはんだ面に照射し、そのハイライト反射面を上方のカメラで撮像することにより、はんだの表面角度をセンシングする技術を開示した。その技術は、2000個のはんだ面の自動検査に18分を要し、開発者は自ら、処理時間の短縮が課題として残ったことを認めている。
いっぽう、本発明者はちょうど同時期に、入射角が異なるリング状カラー光源によって、はんだ面の傾斜角のみを特異的にセンシングする技術を開発し(非特許文献7)、はんだ面の自動検査に適用している(図14;特許文献3から引用)。この技術は、非特許文献3の発表時点において既に、35ミリ秒/はんだ面の処理速度を示していたから、2000個のはんだ面検査時間は70秒であった。
この技術(特許文献3及び非特許文献7)はその後、開示より20年以上を経過して工業所有権が解禁となった現在、大多数のプリント配線板はんだ検査機に採用され、はんだ面センシングの世界標準技術になっている。その現状能力は、1秒/LSI(ピン数に依存しない)程度である(非特許文献8)から、100ピンLSIを20個搭載した基板のタクトタイムはおよそ20秒である。
実用上の上記大差は、表面の傾斜角成分だけをセンシングするか、傾斜角成分と方位角成分を同時にセンシングするかのみの相違から生じたものである。この結果は、形状測定における誤った表面角度の認識が、実用性を著しく阻害した歴史的証拠と言うことができる。
本発明の形状測定法は、表面法線ベクトルの傾斜角成分だけを専ら測定するものであり、画像信号に方位角成分が混入すると、測定精度が低下する。
そのため、本発明は、特異な幾何光学的構成を考案して、表面傾斜角の特異的センシングを実現している。
即ち、対象面と投光光軸と撮像光軸をすべて単一の平面上に配列し、この平面を、対象を置いた3次元測定空間の基準面に垂直な姿勢に維持したうえに、平面を既知の方位角に位置づけて投光と撮像を行うことにより、金属反射性表面の反射光に方位角成分が混入しないようにしている。
また、対象を置いた3次元測定空間の基準面における、対象表面パッチの2次元座標は既知である。対象空間における表面パッチの位置データは、対象を3次元測定空間の基準面に置いたときの誤差を補正することによって、3次元測定空間座標に転換される。この転換は、距離計側法において、ありふれた方法であって、特殊な方法ではない。
図1は、表面傾斜角だけを特異的にセンシングする、近接プローブ8の幾何光学構成を示す説明図である。
近接プローブ8は、3個のカラー光源1.1、1.2、及び1.3と1台のカラーカメラ2とを、近接プローブ8自体の直交3次元[x,y,z]空間(図示せず)の[x−z]平面において対象面4の中心点を光学的共役点に予定する原点(0,0,0)の上方に、それぞれ、原点を中心として放射状に配置したので、この近接プローブ8の[x−z]平面を、対象を置いた装置の直交3次元[X,Y,Z]測定空間において垂直姿勢に保持し、原点を対象面4の中心に幾何光学的に共役させると、対象面4の傾斜角が、いずれかのカラー光源1とカラーカメラ2がなす角度の1/2に等しい場合だけ、その光源からの光束を反射した対象面4の鏡面反射光束がカラーカメラ2に入射する。
図1は、実施例1の近接プローブ8における光源1の色相及び配置とカラーカメラ2の具体的な配置例を示している。天頂角0°の光源1.1を赤色色相、天頂角60°の光源1.2を緑色色相、天頂角90°の光源1.3を青色色相とすると、天頂角30°のカラーカメラ2が撮像した画像のうち、赤色のカラーハイライト領域は、図1の天頂角3.1に対応する表面傾斜角15°の対象面4.1の画像であり、以下同様に、緑色のカラーハイライト領域は、図1の天頂角3.2に対応する表面傾斜角45°の対象面4.2の画像であり、青色のカラーハイライト領域は、図1の天頂角3.3に対応する表面傾斜角60°の対象面4.3の画像である。
即ち、図1のカラーカメラ2が獲得した対象面4の画像中のハイライト画像の色相から、ハイライト画像を与えたそれぞれの対象表面パッチの傾斜角を知ることができる。
図2に示した近接プローブ8’は、近接プローブ8(図1)の天頂角を、近接プローブ8のy軸周りに−15°だけ回転した姿勢である。この回転によって光源1’.1、1’.2、及び1’.3は、天頂角がそれぞれ、−15°、45°、及び75°に位置するので、天頂角15°のカラーカメラ2’は、それぞれ、傾斜角が0°、30°、及び45°の対象面4’.1、4’.2、及び4’.3のカラーハイライト画像を獲得できる。
また、図3に示した近接プローブ8”は、近接プローブ8(図1)の天頂角を、近接プローブ8のy軸周りに+30°だけ回転した姿勢である。この回転によって光源1”.1、1”.2、及び1”.3は、天頂角がそれぞれ、30°、90°、120°に位置するので、天頂角60°のカラーカメラ2”は、それぞれ、傾斜角が45°、75°、及び90°の対象面4”.1、4”.2、及び4”.3のカラーハイライト画像を獲得できる。
上記の説明は、対象面4が鏡面である場合の光源及びカメラの天頂角について述べたものであるが、大多数の金属は先述のように、鏡面反射が不完全な金属反射性表面である。
例えばプレス板金の表面も金属反射性面であり、その画像は、鏡面反射角を中心としたカラーハイライト画像となる。
本発明の実施例1では、図1に示した近接プローブ8において、カラーカメラ2が獲得するカラーハイライト画像には、それぞれの光源1に対する、傾斜角15°、45°、及び60°の鏡面反射領域のみならず、その前後の傾斜角を有する表面パッチ(単位領域)のハイライト画像が含まれる。
従って、金属反射性表面においては、近接プローブ8を図1の基本姿勢に維持したままで、傾斜角0°乃至90°の表面から有意なカラーハイライト画像が得られるので、あえて図2や図3の回転姿勢をとる必要がない場合が多い。
また実施例1では、光源の数を3個としているが、本発明における光源数は、3個に限定されないことは、言うまでもない。
更に、実施例1では、光源の配置の天頂角範囲を0°乃至90°としているが、本発明における光源配置の天頂角がこの範囲に限定されるものではないことは、言うまでもない。
表面が鏡面の場合と不完全鏡面の場合では、カメラレンズの透視図効果によって、生成するハイライト画像はまったく異なる。しかし、従来の表面形状測定法においては、この透視図効果をまったく見落としたために、誤った基盤の上に測定法を構築していた。
例えば発光面が直径10mmの円形の光源が100mm離れた平面を照明するとき、完全な鏡面の平面上には直径100μmの円形光源像が映る。この平面を傾斜させ、斜め上からカメラで撮像すると、その撮像面には、距離効果によって縮小した楕円形の光源像A’が投影される。図中のAは、光源から平面での反射を経て撮像面に達する光束である。
いっぽう、平面が金属反射性表面の場合は、光源から出た円錐状に広がる放射光束Bの直径が平面が存在するレベルにおいて平面より大であれば、平面全面がハイライト面となる。この平面を傾斜させ、斜め上からカメラで撮像すると、その撮像面には、カメラの天頂角による余弦短縮を受けた長方形の平面ハイライト像B’が投影される。この明度は、楕円形の光源像A’の明度よりも低いが、ハイライト像であることにおいては、同類である。
理論的には、縮小した高明度の光源像A’が長方形B’の中心に映るはずである。しかし、このハイライト円は光源との距離に反比例して微小化するから、距離が一定以上になると、光学系及び撮像系の解像度以下のサイズとなり、長方形像B’の中に埋没して不可視になる。
図5は、平面の傾斜角度に対する反射光強度(明度)の直線的な比例を示している。この比例は、±10°以内の傾斜角範囲では、対象面面積(a)からの反射光量(Iab)と表面傾斜角(σ)の正弦との比例であって、カメラへの入射天頂角(θ)の余弦短縮に応じた反射光強度の減少によるものである(数1)。
直線の勾配は、金属面の反射係数によって異なり、金属の材質や表面処理に依存する。
本発明においては、後述のように、測定の前作業として、あらかじめ金属ワークごとに反射係数を測定して得られる反射関数を用いて、反射光強度から傾斜角を逆算している。
光源のハイライト円直径は、対象が鏡面の場合には、球面であると、曲率半径に比例して縮小する。また、円筒面であると、曲率半径に比例した幅の直線状ハイライト帯域を呈する。
いっぽう、対象が金属面の場合には、球面であると、周辺の明度が漸減する円形のハイライト像が見られ、円筒面であると、高明度直線の両サイドに明度が漸減するハイライト帯域が見られる。
本発明においては、後述するように、装置の直交3次元[X,Y,Z]測定空間における、対象面の3次元位置と対象面の代表表面角度が既知であって、近接プローブ8を対象面に近接させて、所定の空間位置に定位し、所定の姿勢に維持して投光と撮像を行い、得られた対象面のハイライト画像の各画素の反射光強度を用いて、数1の反射係数bを当該ワークの反射係数に修正して得られた関数関係(反射関数)から、画素に対応する対象表面パッチの傾斜角を算出する。
画素サイズは一定であり、画素に対応する対象表面パッチのサイズは、カラーカメラ2の撮像面と対象面の対向角度によって算出できるから、傾斜角の正接値に表面パッチのサイズを乗算して、表面パッチの高さを算出する。次に、画素配列即ち対象面の表面パッチ配列に沿って、表面パッチの高さを配列し、個々の対象面の等高線マップを作成する。
測定空間においてワークがセットされた基準面からの対象面の絶対高さは、教示されていた対象面の絶対高さを修正するプロセスによって得られる。あるいは、ワークが接地する外縁の対象面からの積分値の算出によって得てもよい。
本発明は、このことにより、金属面の実用的形状測定を実現したものである。
この形状測定装置の機構部100においては、機構部100の3次元[X,Y,Z]測定空間において、XY平面を成す載置台2にセットされた測定対象1に対して、近接プローブ8が投光と撮像を行う。この機構部100は、相互に直交するX軸動作機構3、Y軸動作機構4、及びZ軸動作機構5と、Z軸周りのφ角度回転機構6及びθ角度傾斜機構7を備え、θ角度傾斜機構7の先端で近接プローブ8を保持している。
この多軸動作機構には、多関節アーム型ロボットでも、門型多軸機構でも適用できる。
多軸動作機構は、教示したデータに従って、近接プローブ8を、対象面に近接させたうえ、その直交3次元[x,y,z]空間の原点が、対象面の中心に幾何光学的に共役する位置において、垂直姿勢に維持し、近接プローブ8の垂直[y−z]面をz軸周りに方位角回転し、更に/あるいは、水平[x−y]面をy軸周りに天頂角回転して、所定の投光・撮像姿勢とする。
また、制御部9には、入力ユニット16と、出力ユニット17と、通信ユニット18と、表示ユニット19が接続されている。
図7において、(A)は教示のステップを、また(B)は測定のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示においてはまず、対象の形状データを教示する(ST1)。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、得られた測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ8の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する(ST2)。この中心点は、対象面長方形の縦横中軸の交点であり、近接プローブ8が対象面に投光して撮像を行う時に、近接プローブ8の3次元[x,y,z]空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ8の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する(ST3)。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の3次元座標軸を装置の3次元[X,Y,Z]測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ8が装置の3次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する(ST4)。この近接位置は、近接プローブ8の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ST2で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する(ST5)。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ8の姿勢調節に要する回転動作時間が節約できる。
最後に、対象表面の反射係数を測定し、反射関数を決定して保存する(ST6)。これは、これから測定する対象の金属反射性表面の、表面傾斜角度と反射光強度の関係式における係数(数1のb)を入手するステップであって、対象ワークの既知の表面傾斜角のパッチに関して、実際の測定を行う。
まず対象を載置台2にセットし(ST7)、近接プローブ8を教示した対象面に近接させ、近接プローブ8の3次元[x,y,z]空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、対象面を撮像する(ST8)。
次に、上記の項[0024]において説明した原理に従って、対象面のハイライト画像明度値から、表面パッチの傾斜角を算出し(ST9)、その高さを算出する(ST10)。
次に、各対象面について、表面パッチにそれぞれの高さをあてはめて、対象面の等高線マップを作成し(ST11)、対象面中心の絶対高さをベースとして、対象面の絶対等高線マップを作成する(ST12)。最後に、全対象面の等高線マップをST2で分割したそれぞれの位置座標に貼り付けて、対象の外形を再構成する(ST13)。
実施例2は、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして物体形状の品質良否を判定する第1の検査装置である。
図8は、実施例2の構成を示した説明図である。
また、制御部9には、入力ユニット16と、出力ユニット17と、通信ユニット18と、表示ユニット19が接続されている。
図9において、(A)は教示のステップを、また(B)は検査のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示にはまず、基準対象の形状データを教示する(ST21)。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ8の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する(ST22)。この中心点は、対象面の縦横中軸の交点であり、近接プローブ8が対象面を投光及び撮像を行う時に、近接プローブ8の3次元[x,y,z]空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ8の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する(ST23)。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の3次元座標軸を装置の3次元[X,Y,Z]測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ8が装置の3次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する(ST24)。この近接位置は、近接プローブ8の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ST22で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する(ST25)。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ8の姿勢調節に要する動作時間が節約できる。
最後に、対象表面の反射係数を測定し、反射関数を決定して保存する(ST26)。これは、これから測定する対象の金属反射性表面における、表面傾斜角度と反射光強度の関数関係を入手するステップであって、対象ワークの既知の表面傾斜角のパッチに関して、実際の測定を行う。
まず検査対象を載置台2にセットし(ST27)、近接プローブ8を教示した検査対象面に近接させ、近接プローブ8の3次元[x,y,z]空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、対象面を撮像する(ST28)。
次に、上記の項[0024]において説明した原理に従って、対象面のハイライト画像明度値から、表面パッチの傾斜角を算出し、その高さを算出する(ST29)。
次に、各対象面について、表面パッチにそれぞれの高さをあてはめて、対象面の等高線マップを作成し、対象面中心の絶対高さをベースとして、対象面の絶対等高線マップを作成し、最後に、全対象面の等高線マップをST22で分割したそれぞれの位置座標に貼り付けて、対象の外形を再構成し、保存する(ST30)。
次に、ST21で教示した基準対象の対象面ごとに比較演算を行い(ST31)、比較演算の結果について良否判定ユニット14が品質の良否判定を行って(ST32)、不良箇所と検査対象の総合品質を報告する(ST33)。
実施例3は、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして物体形状の品質良否を判定する第2の検査装置である。
図10は、実施例3の構成を示した説明図である。
また、制御部9には、入力ユニット16と、出力ユニット17と、通信ユニット18と、表示ユニット19が接続されている。
図11において、(A)は教示のステップを、また(B)は検査のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示にはまず、対象の形状データを教示する(ST41)。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ8の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する(ST42)。この中心点は、対象面の縦横中軸の交点であり、近接プローブ8が対象面を投光及び撮像を行う時に、近接プローブ8の3次元[x,y,z]空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ8の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する(ST43)。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の3次元座標軸を装置の3次元[X,Y,Z]測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ8が装置の3次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する(ST44)。この近接位置は、近接プローブ8の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ST22で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する(ST45)。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ8の姿勢調節に要する動作時間が節約できる。
次に、装置の載置台に良品対象をセットし(ST46)、近接プローブ8を各対象面に近接して、投光と撮像を行い(ST47)、教示した全対象面の良品画像を保存する(ST48)。
まず検査対象を載置台2にセットし(ST49)、近接プローブ8を教示した対象面に近接させ、近接プローブ8の3次元[x,y,z]空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、検査対象面を撮像し(ST50)、獲得した画像を保存する(ST51)。
次に、ST48で保存した良品対象の対応対象面画像と比較演算を行い(ST52)、比較演算の結果について良否判定ユニット13が品質の良否判定を行って(ST53)、不良箇所と検査対象の総合品質を報告する(ST54)。
2 カラーカメラ
3 複数の光源とカラーカメラによって検出される表面法線天頂角
4 金属反射性対象面
8 近接プローブ
Claims (3)
- それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する1平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、
対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の3次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、
投光と撮像を行うために、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる前記近接プローブの3次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、
前記プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の3次元座標空間における投光・撮像の3次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、
前記近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ(単位領域)の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と
を備え、
前記近接プローブが、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成することを特徴とする金属表面の形状測定装置。 - それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する1平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、
対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の3次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、
投光と撮像を行うために、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる前記近接プローブの3次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、
前記プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の3次元座標空間における投光・撮像の3次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、
前記近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ(単位領域)の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と、
前記演算手段が作成した表面形状データに基づいて、品質異常を検出する検出手段と
を備え、
前記近接プローブが、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成して、品質異常を検出することを特徴とする金属表面の形状検査装置。 - それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する1平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、
対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の3次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、
投光と撮像を行うために、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる前記近接プローブの3次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、
前記プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の3次元座標空間における投光・撮像の3次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、
前記近接プローブが投光と撮像を行って獲得した対象面の色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出する検出手段と
を備え、
前記近接プローブが、本装置の3次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出することを特徴とする金属表面の形状検査装置。
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