JP5120625B2

JP5120625B2 - 内面測定装置

Info

Publication number: JP5120625B2
Application number: JP2008058215A
Authority: JP
Inventors: 聡彦吉川; 耕嗣久野; 孝洋林
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: JP2009216453A

Description

本発明は、スリット光を照射するスリット光源と、前記スリット光を照射された被測定物の内面を撮像する撮像手段とを備えた内面測定装置に関する。

従来、シリンダ内面などの筒体内面の欠陥や形状の検査として、コーンミラー等の円錐状の反射鏡を検査部位に挿入し、反射鏡を上下に動かしたり、回したりすることで広い範囲の検査部位を目視で検査するやり方が知られている。目視による検査では、検査者のスキルによって欠陥基準のばらつきや見逃しが発生する。また、このような目視では内面形状の測定は不可能であり、別に形状測定の作業工程が必要となる。

被測定物の側面や底面などを測定する装置として、被検物体の側面画像を得るための側面画像取得用プリズム系、もしくは底面画像を得るための底面画像取得用プリズム系の少なくともいずれかを有している多方向同時観察光学系を用いた寸法測定装置がある（例えば、特許文献１）。この寸法測定装置では、側面画像取得用プリズム系及び底面画像取得用プリズム系は、光路方向転換用プリズムまたは光路方向転換用プリズム機能を有し、かつ光路長補正機能を有している。各プリズム系は、それぞれにより出される光の光路が被検物体の上方へ向うように、もしくは相互に平行かつ同一方向となるように、かつ他のプリズム系により光路を遮られないように配置されている。側面画像取得用プリズム系及び底面画像取得用プリズム系の光出力方向に設けられたレンズは被検物体側をテレセントリックとするテレセントリックレンズであり、取得された画像情報に基づき、測定手段が被検物体の所望の寸法を測定する。この寸法測定装置では、被測定物の側面画像や底面画像を同時に撮像面に結像させるために工夫されているが、被測定物に対する照明に関する工夫はされていない。筒体内部の測定などでは、深い位置の測定領域を確実に照射する照明光が要求される。

スリット光を照明光として用いて被測定物の内部を測定する装置として、シリンダブロックなどの測定対象の筒体内部へ挿入自在としたスリット光用反射鏡によってスリット光源から照射されるスリット光を被測定部位に照射すると共に、スリット光が照射された被測定部位を、筒体内部へ挿入自在とした撮像装置用反射鏡を介して撮像装置によって撮像する内部寸法測定装置がある（例えば、特許文献２参照）。この内部寸法測定装置では、スリット光の照射光軸と撮像装置の撮像光軸とは交差するように方向付けられている。また、撮像装置によって取得された画像データから三角測量法に基づく演算を通じて３次元の内部寸法を算出して良否判定を行うことができる。

特開２００７−１０４４７号公報（段落番号０００１５、図２）特開２００４−２０３４０号公報（段落番号０００４−００１１、図１）

特許文献２に開示された内部寸法測定装置は、筒体などの内面を測定するためには有効な装置であるが、撮像装置のレンズを高倍率にして高精度測定を行う場合にレンズの合焦点エリアまでの距離が短くなり、深い筒体内部の測定が不可能となる欠点がある。また、１つの測定ポイントにおいて、その測定領域にレンズのもつ被写界深度を超える距離差のある部分が散在すると、低い測定精度を容認するか、測定ポイントをずらせながら測定をしていくといった対策が必要となる。さらに、円筒の内面測定などの場合、測定ポイントにおけるスリット光の光軸と撮像光軸とのなす角度によっては、内面の特定曲率においてスリット光の正反射成分が撮像装置に入射し、スミアの発生、像形状膨張による測定精度低下や測定不可といった問題も生じうる。
本発明の目的は、上述した実情に鑑み、スリット光を用いて被測定物の内面を測定するにあたって、測定可能な内面条件を広く確保し、より高精度な測定結果が得られる内面測定装置を提供することである。

スリット光を照射するスリット光源と、前記スリット光を照射された被測定物の円筒内面を撮像する撮像手段と、前記スリット光を前記円筒内面へ偏向させるスリット光偏向手段と、前記円筒内面のうち前記スリット光が照射されたスリット光照射内面へ前記撮像手段の撮像光軸を偏向させる撮像プリズムと、を備え、前記スリット光源は、前記円筒内面の軸方向に沿う方向にスリット光が照射されるように前記円筒内面の外方に配置され、前記撮像手段は、前記撮像光軸に沿って入射する光線を受ける受光素子を有するとともに、前記撮像光軸が前記円筒内面の軸方向に沿うように前記円筒内面の外方に配置され、前記スリット光偏向手段は、入射したスリット光を、前記円筒内面の軸方向に延びるスリット光の形態で前記スリット光照射内面へ照射し、前記スリット光照射内面でのスリット光の反射光量が全測定範囲において前記受光素子の最小感度光量以上でかつ飽和光量内となるように前記スリット光偏向手段から照射されるスリット光の照射方向と前記撮像プリズムの配置位置とが調整されており、前記スリット光照射内面に対する前記スリット光の照射角度と前記撮像光軸の撮像角度とに応じて、前記スリット光照射内面における合焦範囲を拡大するために、前記受光素子の撮像面が前記撮像光軸に対して傾けられており、前記撮像プリズムと前記スリット光照射内面との間に形成される前記撮像光軸と、前記スリット光偏向手段と前記スリット光照射内面との間に形成される光軸とが、前記円筒内面の軸方向に直交する同一平面上に配置される。

本発明では、撮像光軸を前記スリット光照射内面に偏向するために偏向ミラーではなく撮像プリズムが用いられている。従って、屈折率１.０を超える材料でこの撮像プリズムを製作すると、プリズム内での光軸の長さに応じて光路長が延長されることになる。従って、撮像手段のレンズ単体では、物体側焦点距離が足りず、組み込めない場合でも、この撮像プリズムの材料として屈折率１.０を超える適切な屈折率を有するものを用いることで光路長を適切に調整でき、撮像手段の組み込みが可能となる。従って、レンズの選択可能性が広くなる。
また、撮像手段の撮像面を構成する受光素子の最小感度光量以上でかつ飽和光量内となるように前記スリット光の照射方向と前記撮像プリズムの配置位置とが調整されている。この特徴により、撮像手段は安定した画像を取得することができ、結果的に測定精度が向上する。
さらに、撮像手段の撮像面を撮像光軸に対して傾斜させているという特徴により、つまりあおり撮影の原理で被写界深度を稼ぐことにより、レンズのもつ被写界深度以上の測定範囲を確保することができる。このことも、高精度な測定に貢献する。

また、本発明に係る内面測定装置は、さらに、前記円筒内面は、周溝を有し、前記周溝を含む前記円筒内面に照射されるスリット光の照射方向に対して、前記撮像プリズムを、前記周溝の底面に相当する最大円および前記周溝の開口面に相当する最小円に取捨されたスリット光の正反射光軸よりも内側となるように、前記スリット光偏向手段に隣接して配置していることを特徴とする。この特徴によれば、スリット光偏向手段によってスリット光を測定すべき内面の測定ポイントに対して鉛直方向にスリット光を照射することができる。また、スリット光偏向手段と撮像プリズムと隣接させて配置することにより、スリット光のスリット光の正反射成分が撮像プリズムに入射する可能性が低下する。特に、測定対象が円筒内面である場合、スリット光偏向手段と撮像プリズムと隣接させるとともにこれらを円筒中心よりスリット光偏向手段側に偏心させた配置を採用することで、スリット光の正反射成分が撮像プリズムに入射する可能性が極めて小さくなる。その結果、内径の小さな円筒内面、あるいは測定深さ範囲が大きな内面といったように内面条件が厳しくても、高精度な測定結果が得られる。

以下に、本発明に係る内面測定装置を組み込んだ筒体内面検査システムの実施形態について図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る筒体内面検査システムの構成を模式的に示す斜視図である。この実施形態では、検査対象物は周壁に形断面の周溝が形成された円筒体１０であり、特にその周溝１１に異物が混在していないかどうかが検査される。

筒体内面検査システムは、内面測定装置１と、この内面測定装置１に対する制御及びその測定結果に対する評価を行うコントローラ１００を備えている。内面測定装置１は、測定系の主な構成要素として、スリット光を発生させるレーザタイプのスリット光源２、スリット光偏向手段としてのスリット光プリズム３、撮像プリズム４、撮像手段５などを備えている。また内面測定装置１は、機構系の主な構成要素として、上記測定系の構成要素を一体的に支持する一体化フレーム６、この一体化フレーム６を垂直方向の回転軸周りに回転させる回転駆動機構６０、一体化フレーム６を垂直方向に直線移動させる垂直移動機構６１などを備えている。図示されていないが、検査対象物である円筒体１０と一体化フレーム６との間のＸ−Ｙ面上の相対的な位置関係を変更させるＸ−Ｙ移動機構も備えられている。

スリット光プリズム３は、スリット光源２から垂直方向に放射されたスリット光を入射させて、その下端部でほぼ直角に偏向させ、端面を下に載置された円筒体１０の内周面（以下、単に内面と称する）を軸方向に延びるスリット光の形態で照射させている。従って、このスリット光による光切断線Ｓは、図１から理解できるように、円筒体１０の軸方向に延びている。

撮像プリズム４は、円筒体１０の内面で反射したスリット光を撮像手段５に導くものである。言い換えると、撮像手段５の垂直方向を向いた撮像光軸をほぼ直角に偏向させ、光切断線Ｓを含む撮像領域を撮像視野として撮像手段５に導いている。撮像プリズム４は、撮影プリズム内における撮影光の通過距離を長くするため、長尺形状を有している。この長尺形状と、撮像プリズム４を１.０を超える屈折率をもつ材料製とすることとから、実際の光学的な光路長を延長させており、撮像手段５の焦点位置を撮像手段５から遠く離れた円筒体１０の内面に合わせることを可能としている。同様に、スリット光プリズム３においても、所望のスリット光を円筒体１０の内面に照射できるようにその長さと材料とを適切に選択されている。

ここでは、測定箇所に向けてスリット光を照射するスリット光プリズム３と、スリット光の反射光を撮像光として入射させる撮像プリズム４とを合わせて測定ヘッドと称し、この測定ヘッドを円筒体１０の内部に挿入して、内面測定を行う。

撮像手段５は、レンズユニット５０と、面状に配置された多数の受光素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ）からなる撮像ユニット５１を備えている。スリット光によって照射された円筒体１０の内面（スリット光照射内面）を撮像する撮像手段５の撮像光軸（スリット光の反射光軸）と、スリット光軸の関係が展開図の形で模式的に図２に示されている。スリット光の照射光軸と撮像光軸とのなす角度αは４５度以下の狭角となっている。図２から理解できるように、スリット光軸方向に沿った測定の深さ（光伝播距離）の違いがレンズユニット５０の被写界深度を超えているとピントの合わない領域が生じる。これを回避するため、撮像ユニット５１の撮像面５１ａを撮像光軸に対して傾け、あおり撮影の原理で被写界深度を稼いでいる。これにより、レンズユニット５０のもつ被写界深度以上の測定範囲でもピンボケのない撮影画像が取得できる。

スリット光プリズム３と撮像プリズム４とを近づけて配置することで、スリット光の照射光軸と撮像光軸とのなす角度αは４５度以下の狭角となっている。このスリット光プリズム３と撮像プリズム４との隣接配置は、撮影プリズム４にスリット光の正反射光が入射することを避けるためにも有効である。図３に示すように、スリット光を照射しながら円筒体１０の内面を撮像する場合、照射されたスリット光が円筒体１０の内面で反射し、撮像プリズム４に入射する。その際、正反射光は強い光強度を有するので、正反射光軸が撮像プリズム４に入射して撮像ユニット５１の受光素子を飽和させてしまう可能性を防止しなければならない。そのためには、撮像プリズム４を正反射光軸の内側に位置させるとよい。図３で示すように、測定すべき範囲は所定の値をもっているので、つまりスリット光による光断面線を生じさせる測定ポイントはスリット光の照射方向の変動幅を持っている。従って、最内円（測定最短距離）での正反射光軸と最大円（測定最長距離）での正反射光軸との両者の内側に、撮像プリズム４が配置される。もちろん、最内円での正反射光軸と最大円での正反射光軸との両者の外側に撮像プリズム４を配置させてもよいが、その場合には、撮像プリズム４とスリット光プリズム３の間隔が大きくなり、小さな内径を有する円筒体に挿入することが不可能となる。なお、図３から理解できるように、撮像プリズム４を測定ポイントからより遠ざかる方向に偏位させることで、最内円での正反射光軸と最大円での正反射光軸との両者からより離れることができる。そのため、撮像プリズム４をスリット光プリズム３の後方にずらせるとともに可能な限りスリット光プリズム３に隣接させて、撮像プリズム４とスリット光プリズム３からなる測定ヘッドをスリム化することも好適な形態である。測定ヘッドがスリム化するほど、小さな内径をもつ円筒体１０に挿入してその内面を測定することが可能となる。また、図３から理解できるように、正反射光軸を撮像プリズム４から離す目的のためには、正反射光軸の反射角を大きくするように撮像プリズム４とスリット光プリズム３からなる測定ヘッドをスリット光プリズム３側の内面に寄せる配置を行うことも好適である。

コントローラ１００は、実質的にはコンピュータユニットとして形成されており、本発明に関係するものとして、光源制御部８０、画像メモリ８１、画像処理部８２、評価部８３、回転駆動制御部８４、垂直移動制御部８５、Ｘ−Ｙ移動制御部８６を備えている。Ｘ−Ｙ移動制御部８６は、図示されていないＸ−Ｙ移動機構の動作を制御して、測定対象物である円筒体１０を内面測定装置１に対する最適位置に設定する。垂直移動制御部８５は、撮像プリズム４とスリット光プリズム３からなる測定ヘッドがそのホームポジションから円筒体１０の測定すべき高さの内面位置にくるように、垂直移動機構６１の動作を制御する。回転駆動制御部８４は、回転駆動機構６０の動作を制御して、測定高さ位置に設定された測定ヘッドを円筒体１０の軸心に実質的に等しい垂直軸周りで３６０度回転させる。これにより、測定ヘッドは、特定の測定高さ領域、例えば周溝１１の領域を全周にわたって走査することができる。

撮像手段５は、光源制御部８０による制御によってスリット光源２から発せられたスリット光によって照射された円筒体１０の内面、つまり光切断線領域を撮像する。撮像手段５からコントローラ１００に送られてきた画像データは、画像メモリに展開される。さらに、必要に応じて、画像処理部８２によって座標変換やレベル補正、エッジ検出などの画像処理を施され、スリット光による光切断線Ｓが検出される。評価部８３は、スリット光の照射点や照射角度、スリット光軸と撮像光軸とのなす角度が既知なので、画像処理部８２で検出された光切断線Ｓの座標値から三角測量法に基づいて演算することで、光切断線Ｓつまり円筒体内面の３次元位置を得ることができる。なお、三角測量法に基づく演算に代えて、その演算結果を格納したテーブルを用いる方法を採用しても良い。例えば、図４に示すような測定対象物としての円筒体１０の内面に形成された周溝１１の検査をする場合、この周溝１１にスリット光を照射して取得された撮像画像データから、模式的表示である図５に示すような光切断線Ｓが検出される。なお、図５（ａ）は正常箇所における光切断線Ｓの検出形態であり、図５（b）は異物が存在している箇所における光切断線Ｓの検出形態である。測定ヘッドを３６０度回転させながら測定走査することで、周溝１１を全周にわたる測定が実現する。全周走査で得られた全ての光切断線Ｓの３次元位置を用いて３６０度展開検査図を作成することができる。例えば、図６は、周溝１１の底面を基準面としてその深さ方向の距離を濃淡（基準面が白）で示した展開検査図である。この検査図と、予め用意した検査対象領域の形状寸法図を比較することで、容易に、異物や凹みなどの存在をチェックすることができる。

上述したように構成された筒体内面検査システムを用いた、円筒体１０の周溝１１の検査の手順を図７に示されたフローチャートを用いて以下に説明する。
ここでは、検査対象物は円筒体１０であり、検査対象領域は円筒体１０の内面に形成された周溝１１である。まず、円筒体１０をその端面を載置面として、内面測定装置１のＸ・Ｙ移動機構付きの測定台に載置する（＃０１）。Ｘ・Ｙ移動制御装置８６によってＸ・Ｙ移動機構を制御するとともに、垂直移動制御部８５によって垂直移動機構６１を制御して測定ヘッドを円筒体１０の筒内に挿入させスリット光が周溝１１を照射する位置を測定開始位置として設定する（＃０２）。光源制御部８０がスリット光源２のレーザを発振制御して、スリット光をスリット光プリズム３を介して周溝１１に照射して、輝度差による光切断線Ｓを作り出す（＃０３）。コントローラ１００は、この光切断線Ｓを含む周溝１１の測定領域を撮影領域として撮像手段５が取得した撮像画像を画像データとして画像メモリ８１に展開する（＃０４）。画像処理部８２が、画像データを処理して、光切断線Ｓを検出する（＃０５）。検出された光切断線Ｓの画素位置に基づいて、評価部８３がその３次元寸法（周溝１１の断面形状）を算出して、記憶する（＃０６）。回転駆動制御部８４が回転駆動部６０を制御して、所定の測定角度ピッチ分だけ測定ヘッドを回転させる（＃０７）。全周にわたる周溝１１の測定が完了したかどうか、つまり測定ヘッドを３６０度回転させたかどうかをチェックする（＃０８）。測定完了でない場合（＃０８No分岐）、ステップ＃０４から＃０７の処理を測定角度ピッチ毎に繰り返す。測定完了となった場合（＃０８Yes分岐）、測定ヘッドをホームポジションまで復帰させ、次の検査に備える（＃０９）。評価部８３は、記憶されている全周にわたる光切断線Ｓ（（周溝１１の断面）の３次元寸法を読み出し、例えば、図５に模式的に示されているような検査面の形状データを構築する（＃１０）。さらに、構築された検査面の形状データと正常な形状データを比較して、欠陥の形状を抽出する（＃１１）。次いで、抽出された欠陥形状の大きさから、検査対象物の良否判定を行う（＃１２）。

上述したように、その本発明による内面測定装置１では、円筒体１０の外方に位置するスリット光源２から円筒体１０の筒内に挿入されたスリット光プリズム３を介して導入されたスリット光を用いて円筒体内面を照射する。そして、照射された内面は、円筒体１０の外方に位置する撮像手段５が、同様に円筒体１０の筒内に挿入された撮像プリズム４を介して導入される撮像光を用いて撮像する。取得された撮像画像データがコントローラ１００によって処理されることで、円筒体１０の内面形状の３次元寸法の算出、および算出された３次元寸法に基づく欠陥検出が高速かつ高精度で実現する。

本発明による内面測定装置を組み込んだ筒体内面検査システムの構成を模式的に示す斜視図スリット光軸と撮像光軸との関係及び撮像光軸と撮像面との関係を模式的に示す展開図スリット光プリズムからのスリット光軸と撮像プリズムに向かうその反射光軸との関係を説明する平面図検査対象物としての周溝付き円筒体の斜視図周溝における光切断線を示す説明図周溝断面形状を濃淡表示した３６０度展開検査図筒体内面検査システムにおける検査手順をしめすフローチャート

符号の説明

１：内面測定装置
２：スリット光源
３：スリット光プリズム（スリット光偏向手段）
４：撮像プリズム
５：撮像手段
５０：レンズユニット
５１：撮像ユニット
５１ａ：撮像面
６０：回転駆動機構
８２：画像処理部
８３：評価部
１００：コントローラ

Claims

スリット光を照射するスリット光源と、
前記スリット光を照射された被測定物の円筒内面を撮像する撮像手段と、
前記スリット光を前記円筒内面へ偏向させるスリット光偏向手段と、
前記円筒内面のうち前記スリット光が照射されたスリット光照射内面へ前記撮像手段の撮像光軸を偏向させる撮像プリズムと、を備え、
前記スリット光源は、前記円筒内面の軸方向に沿う方向にスリット光が照射されるように前記円筒内面の外方に配置され、
前記撮像手段は、前記撮像光軸に沿って入射する光線を受ける受光素子を有するとともに、前記撮像光軸が前記円筒内面の軸方向に沿うように前記円筒内面の外方に配置され、
前記スリット光偏向手段は、入射したスリット光を、前記円筒内面の軸方向に延びるスリット光の形態で前記スリット光照射内面へ照射し、
前記スリット光照射内面でのスリット光の反射光量が全測定範囲において前記受光素子の最小感度光量以上でかつ飽和光量内となるように前記スリット光偏向手段から照射されるスリット光の照射方向と前記撮像プリズムの配置位置とが調整されており、
前記スリット光照射内面に対する前記スリット光の照射角度と前記撮像光軸の撮像角度とに応じて、前記スリット光照射内面における合焦範囲を拡大するために、前記受光素子の撮像面が前記撮像光軸に対して傾けられており、
前記撮像プリズムと前記スリット光照射内面との間に形成される前記撮像光軸と、前記スリット光偏向手段と前記スリット光照射内面との間に形成される光軸とが、前記円筒内面の軸方向に直交する同一平面上に配置される内面測定装置。
前記円筒内面は、周溝を有し、
前記周溝を含む前記円筒内面に照射されるスリット光の照射方向に対して、前記撮像プリズムを、前記周溝の底面に相当する最大円および前記周溝の開口面に相当する最小円に照射されたスリット光の正反射光軸よりも内側となるように、前記スリット光偏向手段に隣接して配置している請求項１に記載の内面測定装置。