JP7296313B2 - 高さ分布計測装置および高さ分布計測方法 - Google Patents

Description

本明細書の技術分野は、高さ分布計測装置および高さ分布計測方法に関する。

製品や部品の形状を測定するために光学測定装置が開発されてきている。それらの光学測定装置の多くは、計測対象物に光を照射し、その反射光を計測する。計測対象物には、反射光強度の強いものと弱いものとがある。受光部で受光した光が弱ければ十分な精度で測定することが困難である。受光部で受光した光が強ければ受光部に問題を引き起こすおそれがある。例えば、ＣＣＤではスミアやブルーミングを引き起こす。撮像管や光電子増倍管では焼き付け等を引き起こす。

そのため、種々の反射率の計測対象物を測定するための光学測定装置が開発されてきている。例えば、特許文献１には、ＴＶカメラ５６の出力信号に応じて照射光の光量分布を制御する透過型液晶板５２を有する測定装置が開示されている（特許文献１の段落［００３０］等参照）。これにより、計測対象物において反射光強度が高い部分と低い部分との双方を測定することができる旨が開示されている。

特開平１０－３８５１１号公報

ところで、反射率の異なる２以上の部材を備える計測対象物がある。例えば、金属部品と樹脂部品とが組み合わされた製品が挙げられる。特許文献１の測定装置においてはフィードバック制御を用いる。そのため、反射光強度が強い部分と弱い部分とを含む計測対象物が移動する場合に、計測が困難である。つまり、計測対象物をインラインで計測することが困難である。

このように反射率が高い部分と反射率が低い部分とを有する計測対象物が移動する場合に、反射光強度が高い部分と低い部分とを同時に高精度で測定することは決して容易ではない。

本明細書の技術が解決しようとする課題は、反射率が高い部分と反射率が低い部分とを有する計測対象物が移動する場合に反射光強度が高い部分と低い部分とを同時に高精度で測定することのできる高さ分布計測装置および高さ分布計測方法を提供することである。

第１の態様における高さ分布計測装置は、計測対象物に光を照射する光照射部と、計測対象物からの反射光を撮像する撮像部と、撮像部に入射する前の光を分岐させる光分岐部と、制御部と、を有する。光分岐部は、光照射部から照射された光の計測対象物からの反射光を強度の異なる２以上の光に分岐させる。撮像部は、光分岐部により分岐された光を受光する。制御部は、撮像部が取得した画像の画像領域を分割する画像領域分割部と、画像領域分割部により分割された画像領域ごとに光分岐部により分岐された２以上の光のうち一つの光を選択する光選択部と、を含む。

この高さ分布計測装置は、反射率が高い部分と反射率が低い部分とを有する計測対象物が移動する場合に反射光強度が高い部分と低い部分とを同時に高精度で測定することができる。

本明細書では、反射率が高い部分と反射率が低い部分とを有する計測対象物が移動する場合に反射光強度が高い部分と低い部分とを同時に高精度で測定することのできる高さ分布計測装置および高さ分布計測方法が提供されている。

第１の実施形態の高さ分布計測装置の概略構成図である。 第１の実施形態の高さ分布計測装置の制御系を示すブロック図である。 第１の実施形態で用いる光切断法を説明するための斜視図である。 第１の実施形態で用いる光切断法における光切断線の画像を例示する図である。 第１の実施形態の高さ分布計測装置が取得する画像を例示する図である。 第１の実施形態の高さ分布計測装置の画像合成部が第１領域および第２領域から光を選択して合成した画像を示している。 第２の実施形態の高さ分布計測装置の概略構成図である。 第３の実施形態の高さ分布計測装置が計測する計測対象物からの光切断線の像を例示する図である。 第３の実施形態の高さ分布計測装置が計測する計測対象物での光の反射状態を示す概念図である。

以下、具体的な実施形態について、高さ分布計測装置および高さ分布計測方法を例に挙げて説明する。しかし、本明細書の技術はこれらの実施形態に限定されるものではない。

（第１の実施形態）
１．高さ分布計測装置
図１は、第１の実施形態の高さ分布計測装置１００の概略構成図である。図１に示すように、高さ分布計測装置１００は、計測対象物Ｍ１の高さ分布を計測する。計測対象物Ｍ１は、基準面Ｓ１の上を矢印Ｊ１の向きに一定の速度で搬送される。そのため、高さ分布計測装置１００は、計測対象物Ｍ１をインラインでモニタリングすることができる。

高さ分布計測装置１００は、光照射部１１０と、撮像部１２０と、回折格子１３０と、制御部１４０と、搬送部Ｃ１と、を有する。

光照射部１１０は、計測対象物Ｍ１に向けて光を照射する。光照射部１１０は、ライン状の光源である。光照射部１１０が照射する光は単色光であるとよい。光照射部１１０が照射する光は白色光であってもよいが、単色光のほうが望ましい。また、光は可視光であってもよいし、赤外線であってもよい。光照射部１１０は、ライン状のレーザー光を照射するとよい。

撮像部１２０は、計測対象物Ｍ１の表面で反射した光を受光する受光部である。撮像部１２０は、例えば、カメラである。そのため、撮像部１２０は、計測対象物Ｍ１からの光を撮像することができる。撮像部１２０は、カメラレンズ１２１を有する。撮像部１２０は、後述する回折格子１３０により分岐された光を受光することができる。撮像部１２０は、受光した光を電気信号に変換するとともに制御部１４０に送信する。

回折格子１３０は、撮像部１２０に入射する前の光を分岐させる光分岐部である。回折格子１３０は、計測対象物Ｍ１と撮像部１２０との間に位置している。回折格子１３０は、計測対象物Ｍ１からの反射光を強度の異なる２つの光に分岐させる。例えば、０次光と１次光とに分岐させる。ここで、０次光は、１次光よりも明るい。例えば、１次光の強度は０次光の強度の１／１０程度である。このように回折格子１３０は、計測対象物Ｍ１からの光を比較的明るい０次光と比較的暗い１次光との２つの光に分岐させる。

制御部１４０は、光照射部１１０および撮像部１２０を制御する。また、撮像部１２０が受光した光を電気信号として受信する。そして、その画像情報を処理する。制御部１４０はまた、その他の制御を実行してもよい。

搬送部Ｃ１は、計測対象物Ｍ１を搬送する。搬送部Ｃ１は、高さ分布計測装置１００の外部の装置であってもよい。

２．制御系
図２は、第１の実施形態の高さ分布計測装置１００の制御系を示すブロック図である。図２に示すように、制御部１４０は、画像情報取得部１４１と、画像領域分割部１４２と、光選択部１４３と、画像合成部１４４と、高さ分布算出部１４５と、その他の制御部１４６と、を有する。

画像情報取得部１４１は、撮像部１２０が撮影した映像の情報を取得する。この映像の情報は、画像と映像とを含む。下記の処理においては、画像を用いることとして説明する。画像情報取得部１４１は、映像または画像の情報を画像領域分割部１４２に送信する。

画像領域分割部１４２は、撮像部１２０が取得した画像の画像領域を分割する。画像領域分割部１４２は、分割した画像領域を光選択部１４３に送信する。具体的には後述する。

光選択部１４３は、画像領域分割部１４２により分割された画像領域ごとに回折格子１３０により分岐された２つの光のうち一つの光を選択する。光選択部１４３は、選択した光の情報を画像合成部１４４に送信する。具体的には後述する。

画像合成部１４４は、画像領域ごとに光選択部１４３により選択された一つの光を合成する。画像合成部１４４は、合成した画像の情報を高さ分布算出部１４５に送信する。具体的には後述する。

高さ分布算出部１４５は、画像合成部１４４が合成した画像の情報から計測対象物Ｍ１の高さ分布を算出する。

その他の制御部１４６は、高さ分布計測装置１００のその他の制御を行う。

３．光切断法
ここで、第１の実施形態の高さ分布計測装置１００が高さ分布を計測するための原理について説明する。第１の実施形態では、反射率が高い部分と反射率が低い部分とを有する計測対象物Ｍ１の高さ分布を計測するが、まずは反射率の差がない計測対象物Ｍ０を計測する場合について説明する。そのために、回折格子１３０が存在しない場合について説明する。

図３は、第１の実施形態で用いる光切断法を説明するための斜視図である。計測対象物Ｍ０は、矢印Ｊ１の向きに移動すると仮定する。図３に示すように、光照射部１１０が、計測対象物Ｍ０に対して線状に拡散する光を照射する。このとき、線状の光は、光切断線を描く。障害物である計測対象物Ｍ０については計測対象物Ｍ０の形状に応じた光切断線が計測対象物Ｍ０の上に投影される。計測対象物Ｍ０がないところでは、基準面の上に光切断線が投影される。計測対象物Ｍ０の表面により散乱された光は撮像部１２０に入射する。

図４は、第１の実施形態で用いる光切断法における光切断線の画像を例示する図である。図４の横軸は、計測対象物Ｍ０の搬送方向に対して垂直な方向を示している。図４の縦軸は、基準面からの高さを示している。このように、撮像部１２０は、光切断線を映像として取得する。

４．画像処理
次に、回折格子１３０が存在する場合について説明する。

図５は、第１の実施形態の高さ分布計測装置１００が取得する画像を例示する図である。図５に示すように、撮像部１２０は、光切断線の０次光の像Ｌ０と１次光の像Ｌ１とを受光する。０次光の像Ｌ０と１次光の像Ｌ１との間の間隔Ｈ１は撮像領域にわたって一定である。

図５に示すように、この計測対象物Ｍ１は中央部分で光の反射率が高く、両端部で光の反射率が低い。そのため、撮像部１２０が撮影した映像のうち中央部分では受光量が多く、両端部では受光量が少ない。

０次光の像Ｌ０を採用する場合には、中央部分で受光量が過剰になっている。そのため、中央部分でブルーミングが生じている。その結果、計測対象物Ｍ１の形状を表す線が中央部分で不明瞭になっている。

一方、１次光の像Ｌ１を採用する場合には、両端部で受光量が不足している。そのため、このままでは、両端部の形状を計測することは困難である。

そこで、画像領域分割部１４２は、仮想的に、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを設定する。第１領域Ｒ１は、０次光の像Ｌ０の輝度値が過剰に大きく１次光の像Ｌ１の輝度値が適度な大きさである領域である。第２領域Ｒ２は、０次光の像Ｌ０の輝度値が適度な大きさであり１次光の像Ｌ１の輝度値の大きさが小さすぎる領域である。

光選択部１４３は、第１領域Ｒ１から１次光の像Ｌ１を選択するとともに第２領域Ｒ２から０次光の像Ｌ０を選択する。そして、画像合成部１４４は、これらの画像領域ごとに選択された光切断線の像を合成する。

図６は、第１の実施形態の高さ分布計測装置１００の画像合成部１４４が第１領域Ｒ１および第２領域Ｒ２の光切断線の像を合成した画像を示している。このように、合成後の画像では、ブルーミングや光の不足が生じていない。

このため高さ分布算出部１４５は、計測対象物Ｍ１の高さ分布を高精度で算出することができる。

このように第１の実施形態では、計測対象物Ｍ１に光を照射し、計測対象物Ｍ１からの光切断線を強度の異なる２以上の光切断線に分岐させ、分岐させた２以上の光切断線の像を少なくとも画像として撮像する。そして、取得した画像の画像領域を分割し、分割された画像領域ごとに分岐された２以上の光切断線の像のうちの一つを選択し、選択された一つの光切断線の像を合成し、高さ分布を算出する。

５．第１の実施形態の効果
第１の実施形態の高さ分布計測装置１００は、反射率の高い部分と低い部分とを含む計測対象物Ｍ１を移動させながら、反射光強度の高い部分および低い部分の高さ分布を同時に高精度で計測することができる。

６．変形例
６－１．高さ分布情報合成部
制御部は、画像合成部１４３の代わりに、算出された高さ分布情報を合成する高さ分布情報合成部を有していてもよい。つまり、高さ分布情報合成部は、画像として合成する代わりに、０次光の像Ｌ０と１次光の像Ｌ１の位置および形状などの情報をそれぞれ数値化し、数値化した後のそれぞれの高さ分布情報を合成する。

６－２．数値および画像
画像合成部１４３は、図６に示すような合成画像を生成する。しかし、画像として生成する代わりに、受光の強さを数値として用いてもよい。つまり、受光データを画像として用いてもよいし、数値として用いてもよい。

６－３．光分岐部における光の分岐
第１の実施形態では、回折格子１３０は、撮像部１２０に入射する光を０次光の像Ｌ０と１次光の像Ｌ１とに分離する。しかし、撮像部１２０に入射する光を３つ以上に分離してもよい。つまり、光分岐部は、撮像部１２０に入射する前の光を２以上に分岐させてもよい。

６－４．光分岐部の種類
第１の実施形態の光分岐部は回折格子１３０である。しかし、その他の光学素子を用いてもよい。光分岐部として例えば、ウォラストンプリズムやノマルスキープリズム等の複屈折素子が挙げられる。

６－５．組み合わせ
上記の変形例を自由に組み合わせてよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。

１．高さ分布計測装置
図７は、第２の実施形態の高さ分布計測装置２００の概略構成図である。図７に示すように、高さ分布計測装置２００は、光照射部１１０と、第１撮像部２２１と、第２撮像部２２２と、ハーフミラー２３０と、制御部２４０と、を有する。

ハーフミラー２３０は、計測対象物Ｍ１からの反射光を２つに分岐させるための光分岐部である。ハーフミラー２３０は、光を第１撮像部２２１と第２撮像部２２２とに入射させる。ハーフミラー２３０は、強度の高い光を第１撮像部２２１に入射させ、強度の低い光を第２撮像部２２２に入射させる。ハーフミラー２３０は、例えば、受光した光の９０％を透過させ１０％を反射させる。

制御部２４０は、このように強度の高い透過光の映像と強度の低い反射光の映像とを得ることができる。このため、第１の実施形態と同様に、制御部２４０は、図６の合成画像を生成し、高さ分布を計測することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。高さ分布計測装置の機械的構成は、第１の実施形態と同様である。

１．計測対象物
第３の実施形態の計測対象物は、金属光沢面と拡散面との中間的な反射特性を持つとともに平板状に広がる形状を有する。

図８は、第３の実施形態の高さ分布計測装置が計測する計測対象物からの光切断線の像を例示する図である。図８に示すように、中央部分の第１領域Ｒ１では光切断線の像の輝度値は十分大きいが、両端部の第２領域Ｒ２では光切断線の像の輝度値は不足している。

図９は、第３の実施形態の高さ分布計測装置が計測する計測対象物での光の反射状態を示す概念図である。図９に示すように、光照射部１１０から拡散したレーザー光は計測対象物の表面で反射するとともに拡散する。そして、計測対象物の端部付近では、光が撮像部１２０に入射しない方向に拡散してしまう割合が多い。その結果、図８に示すように、計測対象物の両端部で光切断線の輝度値が不足する。

このような場合であっても、第１の実施形態のように０次光の像Ｌ０と１次光の像Ｌ１とを受光し、第１領域Ｒ１から１次光の像Ｌ１を取り出し、第２領域Ｒ２から０次光の像Ｌ０を取り出すことにより、計測に適した画像を生成することができる。

（付記）
第１の態様における高さ分布計測装置は、計測対象物に光を照射する光照射部と、計測対象物からの反射光を撮像する撮像部と、撮像部に入射する前の光を分岐させる光分岐部と、を有する。光分岐部は、入射光を強度の異なる２以上の光に分岐させる。撮像部は、光分岐部により分岐された光を受光する。

第２の態様における高さ分布計測装置は、制御部を有する。制御部は、撮像部が取得した画像の画像領域を分割する画像領域分割部と、画像領域分割部により分割された画像領域ごとに光分岐部により分岐された２以上の光のうち一つの光を選択する光選択部と、を有する。

第３の態様における高さ分布計測装置においては、制御部は、光選択部により選択された一つの光を合成する画像合成部を有する。

第４の態様における高さ分布計測装置においては、制御部は、算出された高さ分布情報を合成する高さ分布情報合成部を有する。

第５の態様における高さ分布計測装置においては、光分岐部は、計測対象物と撮像部との間に位置する。

第６の態様における高さ分布計測装置においては、光分岐部は、回折格子である。

第７の態様における高さ分布計測装置においては、光分岐部は、ハーフミラーである。

第８の態様における高さ分布計測装置においては、光分岐部は、ウォラストンプリズムである。

第９の態様における高さ分布計測方法は、計測対象物に光を照射し、計測対象物からの光を強度の異なる２以上の光に分岐させ、分岐させた２以上の光を少なくとも画像として撮像する。そして、取得した画像の画像領域を分割し、分割された画像領域ごとに分岐された２以上の光のうちの一つを選択し、選択された一つの光または算出された高さ分布情報を合成する。

１００…高さ分布計測装置
１１０…光照射部
１２０…撮像部
１３０…回折格子
１４０…制御部

Claims (7)

1. 計測対象物に光を照射する光照射部と、
   前記計測対象物からの反射光を撮像する撮像部と、
   前記撮像部に入射する前の光を分岐させる光分岐部と、
   制御部と、
   を有し、
   前記光分岐部は、
   前記光照射部から照射された光の前記計測対象物からの反射光を強度の異なる２以上の光に分岐させ、
   前記撮像部は、
   前記光分岐部により分岐された光を受光すること
   を含み、
   前記制御部は、
   前記撮像部が取得した画像の画像領域を分割する画像領域分割部と、
   前記画像領域分割部により分割された前記画像領域ごとに前記光分岐部により分岐さ
   れた２以上の光のうち一つの光を選択する光選択部と、
   を含む高さ分布計測装置。
2. 請求項１に記載の高さ分布計測装置において、
   前記制御部は、
   前記光選択部により選択された一つの光を合成する画像合成部と、
   を含む高さ分布計測装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高さ分布計測装置において、
   前記光分岐部は、
   前記計測対象物と前記撮像部との間に位置すること
   を含む高さ分布計測装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の高さ分布計測装置において、
   前記光分岐部は、
   回折格子であること
   を含む高さ分布計測装置。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の高さ分布計測装置において、
   前記光分岐部は、
   ハーフミラーであること
   を含む高さ分布計測装置。
6. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の高さ分布計測装置において、
   前記光分岐部は、
   ウォラストンプリズムであること
   を含む高さ分布計測装置。
7. 光照射部から計測対象物に光を照射し、
   前記光照射部から照射された光の前記計測対象物からの反射光を強度の異なる２以上の光に分岐させ、
   分岐させた２以上の光を少なくとも画像として撮像し、
   取得した画像の画像領域を分割し、
   分割された前記画像領域ごとに分岐された２以上の光のうちの一つを選択し、
   選択された一つの光を合成すること
   を含む高さ分布計測方法。

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