JP2020071103A - 高さ分布計測装置及び高さ分布計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被計測物の周囲に、被計測物以外の部材が配置されている場合であっても、照射位置への光の入射角を大きくして、高さ方向の分解能を向上させる。【解決手段】高さ分布計測装置１２は、被計測物（計測対象ロール１４）の表面の高さ分布を計測するための光を照射する光照射部材１８と、光が照射された照射位置ＬＡで被計測物を撮像する撮像部材２０と、光を反射させることで、光照射部材２８の出射点から照射位置ＬＡへ光が直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で照射位置ＬＡへ入射させる反射部材２２と、撮像部材２０で撮像された画像から高さ分布を導出する導出装置（制御装置３２）と、を有する。【選択図】図２

Description

本願は、高さ分布計測装置及び高さ分布計測方法に関する。

特許文献１には、光切断法により測定対象物ＯＢの３次元形状を測定するためにライン光を測定対象物ＯＢに照射するとともに、測定対象物ＯＢに照射したライン光の反射光を受光して受光信号を出力する検出装置が記載されている。特許文献１に記載の検出装置では、進行方向に垂直な断面形状がライン状であるライン光を出射するレーザー照射器と、受光カメラとを備えている。そして、レーザー照射器から略鉛直下方に向けて出射したライン光は第１ミラーによって反射されて、レーザー照射器の移動方向に垂直な方向に進行方向を変更する。測定対象物に照射したライン光は測定対象物の表面で散乱し、散乱光の一部の反射光が第１ミラーに入射し、入射した反射光の進行方向が、受光カメラに向かう方向である略上向き方向に変更される。このように進行方向が変更された反射光は第１ミラーの上部に位置する受光カメラにて受光される。

特許文献２には、円筒状物体を溶接して作るタンクの内面の溶接痕形状を光により測定して検査するタンク内溶接痕検査装置が記載されている。特許文献２に記載のタンク内溶接痕検査装置では、半導体レーザユニットから出た光は、内蔵のレンズで測定対象上に焦点をもつ光束となり、シリンドリカルレンズに入射する。シリンドリカルレンズを出射した光はライン状に一方向のみ伸ばされる。その後折り返しミラーで方向をタンク内面に垂直な方向に変換され、タンク溶接痕に照射されてレーザーラインとなる。そして、タンク内面に照射されたレーザーラインはそこで拡散反射し、拡散反射した光の一部は折り返しミラーを介して２つの結像レンズを経て、２つのカメラに像を結び、画像化される。

特開２００８−２０３０９１号公報 特開２０１８−９８０７号公報

被計測物の表面の高さ分布を、照射した光の画像から計測する場合において、照射位置への光の入射角を大きくすることが、高さ方向の分解能を向上させる点で好ましい。しかしながら、照射位置の周囲に、被計測物以外の部材が配置されている場合等では、光源を配置できる範囲に制限が生じるため、照射位置への光の入射角を大きくすることが難しい場合がある。

本発明では、被計測物の周囲に、被計測物以外の部材が配置されている場合であっても、照射位置への光の入射角を大きくして、高さ方向の分解能を向上させることが目的である。

第一態様では、被計測物の表面の高さ分布を計測するための光を照射する光照射部材と、前記光が照射された照射位置で前記被計測物を撮像する撮像部材と、前記光を反射させることで、前記光照射部材の出射点から前記照射位置へ前記光が直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で前記照射位置へ入射させる反射部材と、前記撮像部材で撮像された前記照射位置における前記被計測物の画像から前記高さ分布を導出する導出装置と、を有する。

この高さ分布計測装置では、光照射部材からの光が被計測物の照射位置に照射され、撮像装置が照射位置で被計測物を撮像する。そして、撮像部材で撮像された照射位置における被計測物の画像から、被計測物の表面の高さ分布を導出装置が導出する。

光照射部材で照射された光は、反射部材により反射される。この反射により、光は、光照射部材の出射点から照射位置へ直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で、照射位置へ入射する。このように、照射位置への光の入射角を大きくすることで、高さ方向の分解能を向上させることができる。

しかも、この高さ分布計測装置では、反射部材で光を反射させることで照射位置への光の入射角を大きくしており、光が光照射部材の出射点から照射位置へ直接的に入射する構成ではない。照射位置への直接的な入射光の入射角を大きくする必要がないので、照射位置の周囲に被計測物以外の部材が配置されていても、これらの部材の影響を受けることなく、照射位置への光の入射角を大きくできる。

第二態様では、第一態様において、前記光が、進行方向と直交する軸直方向にライン状に広がるライン光であり、前記反射部材が、前記軸直方向に延在する反射面で前記ライン光の全体を反射させる。

ライン光を用いることで、広がりのある範囲に光を照射できる。反射部材は、反射面によってライン光の全体を反射させるので、ライン光の全体で入射角を大きくすることが可能である。

第三態様では、第一又は第二態様において、前記表面が前記撮像部材に向かって凸に湾曲している前記被計測物に対し、前記反射部材が、前記照射位置での前記表面の接平面に交差して配置される。

すなわち、反射部材は、接平面よりも光照射部材に近い位置に配置される構成と比較して、照射位置への光の入射角をより大きくできる。また、反射部材の一部が、接平面よりも被計測物側に入り込むように配置できるので、配置の自由度が高い。

第四態様では、第一〜第三のいずれか１つの態様において、前記被計測物の外部で前記照射位置の両側に間隔をあけて２つの外部部材が配置されている前記被計測物に対し、前記反射部材が、２つの前記外部部材の間に配置されている。

このように、被計測物の外部で照射位置の両側に間隔をあけて２つの外部部材が配置されていても、２つの外部部材の間に反射部材を配置することで、照射位置への光の入射角を大きくする構造を実現できる。

第五態様では、被計測物の表面の高さ分布を計測するための光を照射し、前記光を反射させることで、前記光の出射点から照射位置へ前記光が直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で前記照射位置へ入射させ、前記照射位置で前記被計測物を撮像し、撮像された前記照射位置における前記被計測物の画像から前記高さ分布を導出する。

この高さ分布計測方法では、光照射部材からの光が被計測物の照射位置に照射され、照射位置で被計測物を撮像する。そして、撮像された照射位置における被計測物の画像から、被計測物の表面の高さ分布を導出する。

被計測物の表面の高さ分布を計測するための光は反射されて照射位置に照射される。この反射により、光は、出射点から照射位置へ直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で、照射位置へ入射する。このように、照射位置への光の入射角を大きくすることで、高さ方向の分解能を向上させることができる。

しかも、この高さ分布計測方法では、光を反射させることで照射位置への光の入射角を大きくしており、光が出射点から照射位置へ直接的に入射する構成ではない。照射位置への直接的な入射光の入射角を大きくする必要がないので、照射位置の周囲に被計測物以外の部材が配置されていても、これらの部材の影響を受けることなく、照射位置への光の入射角を大きくできる。

本願では、被計測物の周囲に、被計測物以外の部材が配置されている場合であっても、照射位置への光の入射角を大きくして、高さ方向の分解能を向上させることができる。

図１は第一実施形態の高さ分布計測装置の斜視図である。 図２は第一実施形態の高さ分布計測装置の側面図である。 図３は第一実施形態の高さ分布計測装置を部分的に拡大して示す側面図である。 図４は第一比較例の高さ分布計測装置の側面図である。 図５は第二実施形態の高さ分布計測装置の側面図である。 図６は第三実施形態の高さ分布計測装置の側面図である。 図７は第二比較例の高さ分布計測装置の側面図である。

以下、図面を参照して第一実施形態の高さ分布計測装置１２を説明する。

図１及び図２には、第一実施形態の高さ分布計測装置１２が、被計測物である計測対象ロール１４と共に示されている。

高さ分布計測装置１２は、表面の高さ分布を計測する対象である計測対象ロール１４と、この計測対象ロール１４に接触配置された２つの外部ロール１６Ａ、１６Ｂを有している。計測対象ロール１４及び外部ロール１６Ａ、１６Ｂは、円筒状の部材である。そして、計測対象ロール１４及び２つの外部ロール１６Ａ、１６Ｂはいずれも、計測対象ロール１４とそれぞれの回転軸が平行になるように配置されている。

計測対象ロール１４の外周には、たとえば、リチウムイオン二次電池を構成する電極層が箔状に形成されており、この箔の表面に生じた微小な凹凸の高さ分布を高さ分布計測装置１２で計測する。

高さ分布計測装置１２は、光照射部材１８、撮像部材２０及び反射部材２２を有している。光照射部材１８は、計測対象ロール１４の表面の高さ分布を計測するためのライン光ＬＬを照射する。ライン光ＬＬは、反射部材２２を経由して、計測対象ロール１４の表面に設定された照射位置ＬＡに達する。図１及び図２に示した例では、光照射部材１８は、光源２４と、この光源２４の出射点ＬＰから出射された光をライン状に広げてライン光ＬＬとする照射レンズ２６を有している。ライン光ＬＬのライン方向（広がり方向）は、計測対象ロール１４の軸方向と平行である。

撮像部材２０は、照射位置ＬＡを動画又は静止画で撮像可能な撮像カメラ２８と、この撮像カメラ２８に像を結ぶための撮像レンズ３０とを有している。図２に示すように、撮像部材２０は制御装置３２と接続されており、撮像データを制御装置３２に送ることができる。制御装置３２では、受信した撮像データの画像から、照射位置ＬＡにおける高さ分布を、たとえば光切断法に基づく所定の計算式によって算出することができる。あるいは、制御装置３２に、撮像データの各種値と計測対象ロール１４の表面の高さを関連づける対応テーブルが記憶され、この対応テーブルに基づいて高さ分布を求める構成でもよい。いずれの構成であっても、本実施形態においては、制御装置３２は計測対象ロール１４の表面の高さ分布を導出する導出装置を兼ねている。

上記したように、本実施形態における被計測物は、円筒状の計測対象ロール１４である。計測対象ロール１４の表面は、撮像部材２０に向かって凸に湾曲している。

また、本実施形態では、撮像部材２０の光軸Ａ−１（照射位置ＬＡから撮像部材２０までの光路）が、照射位置ＬＡにおける計測対象ロール１４の法線ＮＬの方向と一致しており、撮像部材２０はいわゆる垂直配置とされている。この法線ＮＬは、計測対象ロール１４の表面の僅かな凹凸（計測しようとしている高さ分布）を均した場合の、円弧面における法線である。

２つの外部ロール１６Ａ、１６Ｂの間には、反射部材２２が配置されている。光照射部材１８から照射されたライン光ＬＬは、反射部材２２で反射され、照射位置ＬＡ（図３参照）に照射される。光照射部材１８からのライン光ＬＬが反射部材２２で反射されることなく直接的に光照射部材１８に照射される構成と比較して、本実施形態ではライン光ＬＬが反射部材２２で反射されるので、照射位置ＬＡへのライン光ＬＬの入射角βが大きくなっている。この入射角βは、照射位置ＬＡの法線ＮＬと入射光（ライン光ＬＬ）の成す角である。

反射部材２２は、このように光を反射することができれば、具体的構成は限定されず、たとえば、プリズムやミラーを用いることができる。

なお、本実施形態では、光照射部材１８で照射されて反射部材２２で反射されるまでのライン光ＬＬの光軸Ａ−２と、撮像部材２０の光軸Ａ−１とが平行である。

図３に詳細に示すように、本実施形態の反射部材２２は、その一部が、照射位置ＬＡにおける計測対象ロール１４の接平面ＴＰに重なる位置に配置されている。

次に、本実施形態の作用、及び高さ分布計測方法を説明する。

計測対象ロール１４の表面の高さ分布を計測するには、図２に示すように、光照射部材１８からライン光ＬＬを照射する。このライン光ＬＬは、反射部材２２で反射され、計測対象ロール１４の照射位置ＬＡに入射角βで照射される。撮像部材２０は、照射位置ＬＡの画像を撮像する。この撮像された画像から、導出装置を兼ねる制御装置３２が、表面の高さ分布を導出する。

本実施形態では、光照射部材１８で照射されたライン光ＬＬが、反射部材２２で反射されて、所定の入射角βで照射位置ＬＡに入射する。

ここで、第一比較例として、図４に示すように、反射部材２２で反射されることなく、光照射部材１８から照射位置ＬＡに直接的にライン光が照射される構成の高さ分布計測装置８２を考える。第一比較例の高さ分布計測装置８２では、光照射部材１８の出射点ＬＰから照射位置ＬＡまで直線的な光路となるので、入射角βが小さい。これに対し、本実施形態では、光照射部材１８で照射された光が反射部材２２で反射されるので、第一比較例よりも、入射角βが大きい。そして、本実施形態では、このように入射角βが大きいことで、第一比較例よりも高い分解能で、計測対象ロール１４の表面の高さ分布を計測することができる。

なお、計測対象ロール１４の照射位置ＬＡへの入射角βを大きくするには、光照射部材１８の位置を変更することも考えられる。しかし、本実施形態では、計測対象ロール１４の外側に、２つの外部ロール１６Ａ、１６Ｂが接触配置されている。したがって、例えば図２に二点鎖線で示す位置に光照射部材１８を配置する（反射部材２２は用いない）構成を採ると、光照射部材１８の出射点ＬＰから照射位置ＬＡまでの光軸Ａ−３に外部ロール１６Ａが被ってしまう。すなわち、照射位置ＬＡを光照射部材１８で照射することができない。

これに対し、本実施形態では、光照射部材１８から照射位置ＬＡへの直接的な入射光の入射角を大きくする必要がない。このため、計測対象ロール１４の外部で、照射位置ＬＡの近傍に外部ロール１６Ａが配置されていても、この外部ロール１６Ａの影響を受けることなく、入射角を大きくできる。

しかも、反射部材２２を用いて、照射位置ＬＡへのライン光ＬＬの入射角βを大きくしており、光照射部材１８と撮像部材２０の相対的な位置関係の制約が少ない。このため、光照射部材１８と撮像部材２０の相対位置の調整も容易である。

次に、第二実施形態について説明する。第二実施形態において、第一実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図５に示すように、第二実施形態の高さ分布計測装置４２では、撮像部材２０の光軸Ａ−１が、照射位置ＬＡにおける計測対象ロール１４の法線ＮＬに対し、所定の傾斜角αで傾斜している。ただし、第一実施形態と同様に、光照射部材１８の出射点ＬＰから反射部材２２までの光軸Ａ−２と、撮像部材２０の光軸Ａ−１とは平行である。

この第二実施形態のように、撮像部材２０の光軸Ａ−１が傾斜している構造では、法線ＮＬに対し、照射されたライン光ＬＬが入射する側と反対側、すなわち正反射方向に近い方向から照射位置ＬＡを撮像する。したがって、たとえば光照射部材１８からの光量が少ない場合であっても、照射位置ＬＡを確実に撮像して高さ分布を計測できる。

第一実施形態及び第二実施形態では、被計測物の一例として、計測対象ロール１４を挙げている。計測対象ロール１４は円筒状なので、照射位置ＬＡの両側部分（周方向の両側部分）は、接平面ＴＰよりも、撮像部材２０から遠い位置にある。接平面ＴＰと計測対象ロール１４との間に空間ＧＰが生じているので、反射部材２２を配置できる範囲が広くなっている。たとえば図３に示した例では、反射部材２２は接平面ＴＰに交差して配置され、一部が接平面ＴＰよりも計測対象ロール１４側に入り込むように配置されている。このように、反射部材２２を計測対象ロール１４の表面に近接して配置することで、入射角βをより大きくすることが可能な構造である。なお、反射部材２２は、接平面ＴＰに交差することなく、接平面ＴＰよりも光照射部材１８側に配置される構成であっても、接平面ＴＰと計測対象ロール１４との間に空間ＧＰが生じていれば、反射部材２２を配置しやすい。

次に、第三実施形態について説明する。第三実施形態において、第一実施形態又は第二実施形態と同様の要素、部材等については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示すように、第三実施形態の高さ分布計測装置５２では、被計測物が、平坦な表面を有する平面部材５４である。この平面部材５４は、図示しない移動機構により、所定方向（たとえば矢印Ｍ１方向）に移動されるようになっている。

平面部材５４の照射位置ＬＡの両側には、２つの外部部材５６Ａ、５６Ｂが配置されている。第三実施形態における外部部材５６Ａ、５６Ｂの一例としては、平面部材５４における高さ分布以外の性状や形状を計測する計測装置を挙げることができるが、これに限定されない。

第三実施形態では、第二実施形態と同様に、撮像部材２０の光軸Ａ−１が、法線ＮＬに対し所定の傾斜角α（第二実施形態と異なる値でもよい）で傾斜している。

このような構成とされた第三実施形態においても、光照射部材１８から照射されたライン光ＬＬは、反射部材２２で反射されて照射位置ＬＡに照射される。

ここで、図７には、第二比較例の高さ分布計測装置９２が示されている。第二比較例の高さ分布計測装置９２では、第一比較例の高さ分布計測装置８２と同様に、光照射部材１８の出射点ＬＰから照射位置ＬＡまで、直接的にライン光ＬＬが照射される。反射部材２２によってライン光ＬＬを反射しないので、外部部材５６Ａ、５６Ｂの間の空間が狭い場合には、入射角βが小さくなる。

これに対し、第三実施形態の高さ分布計測装置５２では、外部部材５６Ａ、５６Ｂの間が狭い場合でも、光照射部材１８からのライン光ＬＬを反射部材２２で反射させることで、照射位置ＬＡに大きな入射角βで入射させることができる。そして、第二比較例よりも高い分解能で、平面部材５４の表面の高さ分布を計測することができる。

上記では、光照射部材１８から照射されるライン光ＬＬの光軸Ａ−２と、撮像部材２０の光軸Ａ−１とが平行である構造を例示した。このように、光軸Ａ−２と光軸Ａ−１とが平行であると、たとえば、光照射部材１８と撮像部材２０とを、接近させて配置することができ、設置スペースの点で有利である。また、光照射部材１８と撮像部材２０とを、相対位置が一定となるように保持具で保持することが可能であり、取り扱いが容易である。特に、光照射部材１８と撮像部材２０とを一体で設置する場合に、少ない設置治具で設置することが可能であり、また、設置時の調整や、メンテナンス時の交換等の各種作業も容易である。なお、ここでいう「平行」すなわち、光照射部材１８から照射されるライン光ＬＬの光軸Ａ−２と、撮像部材２０の光軸Ａ−１との「平行」には、厳密に平行である構成の他に、実質的に平行であるとみなすことができる程度の構成を含む。

また、被計測物の表面の高さ分布を計測するための光として、上記ではライン光ＬＬを挙げているが、この光はライン光に限定されず、たとえばスポット光であってもよい。ただし、ライン光ＬＬを用いると、ライン状に広がりがある範囲で同時に光を照射でき、効率的な高さ分布計測が可能である。ライン光ＬＬを用いた構成であっても、反射部材２２として、ライン光ＬＬの広がり範囲に対応した幅広の反射面を有する形状とすれば、ライン光ＬＬの全体を反射させる、照射位置ＬＡへの入射角βを大きくすることが可能である。

上記各実施形態における計測対象は、リチウムイオン二次電池の電極層に限定されない。たとえば、反射防止フィルムの表面層や、粘着テープの粘着層、太陽電池（光電池）の表面、各種ディスプレイの表面等を挙げることができる。

１２ 高さ分布計測装置
１４ 計測対象ロール（被計測物の一例）
１６Ａ、１６Ｂ 外部ロール（外部部材の一例）
１８ 光照射部材
２０ 撮像部材
２２ 反射部材
２４ 光源
２６ 照射レンズ
２８ 撮像カメラ
３０ 撮像レンズ
３２ 制御装置（導出装置の一例）
４２ 高さ分布計測装置
５２ 高さ分布計測装置
５４ 平面部材（被計測物の一例）
５６Ａ 外部部材

Claims (5)

1. 被計測物の表面の高さ分布を計測するための光を照射する光照射部材と、
   前記光が照射された照射位置で前記被計測物を撮像する撮像部材と、
   前記光を反射させることで、前記光照射部材の出射点から前記照射位置へ前記光が直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で前記照射位置へ入射させる反射部材と、
   前記撮像部材で撮像された前記照射位置における前記被計測物の画像から前記高さ分布を導出する導出装置と、
   を有する高さ分布計測装置。
2. 前記光が、進行方向と直交する軸直方向にライン状に広がるライン光であり、
   前記反射部材が、前記軸直方向に延在する反射面で前記ライン光の全体を反射させる請求項１に記載の高さ分布計測装置。
3. 前記表面が前記撮像部材に向かって凸に湾曲している前記被計測物に対し、
   前記反射部材が、前記照射位置での前記表面の接平面に交差して配置される請求項１又は請求項２に記載の高さ分布計測装置。
4. 前記被計測物の外部で前記照射位置の両側に間隔をあけて２つの外部部材が配置されている前記被計測物に対し、
   前記反射部材が、２つの前記外部部材の間に配置されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の高さ分布計測装置。
5. 被計測物の表面の高さ分布を計測するための光を照射し、
   前記光を反射させることで、前記光の出射点から照射位置へ前記光が直接的に入射する入射角よりも大きな入射角で前記照射位置へ入射させ、
   前記照射位置で前記被計測物を撮像し、
   撮像された前記照射位置における前記被計測物の画像から前記高さ分布を導出する、
   高さ分布計測方法。