JP2006003168A - 表面形状の測定方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで、かつ短時間で、微細な凹凸まで正確に計測する。
【解決手段】 輝度の方向特性がなだらかに変化する配光特性を、面内の所定の領域において略均一に有し、かつ被検査体に光を照射ための再帰型反射スクリーン１と、被検査体６表面で反射する光を撮像して撮像画像を得るエリアセンサカメラ２と、撮像画像の濃度分布に基づいて被検査体の表面形状を測定する画像処理装置３とを含む。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プラスチックフィルムの熱収シワなどの被検査体の表面形状を測定するための方法および装置に関する。

従来から、被検査体の表面形状を測定するための装置として、レーザー変位計、光干渉式高さ測定器、光切断法を利用する測定器などが提案されている。

また、図２０に示すように、ストライプパターンを有する照明装置からの光を被検査体としてのシートの表面に斜めに照射し、反射光をカメラで受光し、受光信号が図２１に示す状態である場合にシートの表面に凹凸がなく、逆に、受光信号が図２２に示す状態である場合にシートの表面に凹凸があると判定する装置および方法が提案されている（特許文献１参照）。

さらに、図２３に示すように、照明装置からの光を被検査体としてのシートの表面に斜めに照射し、反射光を受けるスクリーンをカメラで撮影し、撮影画像が図２４に示す状態である場合にシートの表面に凹凸がなく、逆に、撮影画像が図２５に示す状態である場合にシートの表面に凹凸があると判定する方法が提案されている（特許文献２参照）。

また、被検査体表面の凹凸欠点の有無を検査するために、再帰型反射スクリーンを用いた表面検査方法が、特許文献３および特許文献４に開示されているが、いずれも被検査体表面の凹凸欠点の有無を検査するための技術であり、凹凸欠点の高さを測定することはできない。

また、特許文献５には、再帰型反射スクリーンを用い、測定用照明光の製品表面による反射光から製品の表面形状に応じた輝度情報を得て、凹凸の中央部で輝度が最も小さくなるという構成において、輝度情報を２回積分して得られる情報に基づいて製品表面の凹凸形状を測定するという発明が開示されている。しかしながら、この発明は、再帰型反射スクリーンを用いてどのように構成すれば凹凸の中央部で輝度が最も小さくなるのか判然とせず、実際に輝度情報を２回積分した場合に表面の形状を求めることができるとは考えられない。
特開２０００−１１６０１５号公報 特開昭６２−６２２０５号公報 特開平６−１４８０８２号公報 特開平７−３０６１５０号公報 特許第３０２０４２９号公報

レーザー変位計、光干渉式高さ測定器はスポット（例えば、φ数百μｍ）の測定を行うものであるから、ライン、面での表面形状を測定するためには複数の測定器を配置することが必要になるのみならず、測定器／被検査体を移動させることが必要になり、この結果、著しく多大のコスト／時間がかかってしまう。

光切断法を利用する測定器は、測定器／被検査体を移動させることが必要になるのみならず、著しく高性能なデータ処理装置が必要になり、この結果、著しく多大のコスト／時間がかかってしまう。

特許文献１、特許文献２の何れも、表面における凹凸の有無を検出することは可能であるが、凹凸の大きさを測定することはできない。また、高さが数十μｍ程度の微細な凹凸を検出することは困難である。

この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、低コストで、かつ短時間で、微細な凹凸まで正確に計測することができる表面形状の測定方法およびその装置を提供することを目的としている。

第１の発明の表面形状の測定方法は、輝度の方向特性が最大値から最小値までなだらかに変化する配光特性を、面内の所定の領域において略均一に有する面発光照明手段により被検査体に前記配光特性中の変化領域にある光を照射し、被検査体表面で反射する光を撮像手段により撮像して撮像画像を得、撮像画像の濃度分布に基づいて被検査体の表面形状を測定する方法である。

この方法であれば、被検査体の表面に凹凸がある場合に、面発光照明手段の配光特性によって撮像画像中に濃度分布を与えることができるので、この濃度分布から被検査体の表面形状を測定することができる。そして、輝度の方向特性の変化がより急峻なものを採用することによって、より小さな凹凸を含む形状を測定することができる。

この場合において、撮像画像の各部の濃淡値から被検査体の表面の対応する位置の斜度を求め、斜度を積分して被検査体の表面形状を定量することが好ましく、被検査体の表面形状を測定することができる。

第２の発明の表面形状の測定装置は、輝度の方向特性が最大値から最小値までなだらかに変化する配光特性を、面内の所定の領域において略均一に有し、かつ被検査体に前記配光特性中の変化領域にある光を照射する面発光照明手段と、被検査体表面で反射する光を撮像して撮像画像を得る撮像手段と、撮像画像の濃度分布の位置に関する一次積分に基づいて被検査体の表面形状を測定する測定手段とを含むものである。

この装置であれば、被検査体の表面に凹凸がある場合に、面発光照明手段の配光特性によって撮像画像中に濃度分布を与えることができるので、この濃度分布から被検査体の表面形状を測定することができる。そして、輝度の方向特性の変化がより急峻なものを採用することによって、測定可能な凹凸の限界を下方に拡張することができる。

この場合において、前記面発光照明手段として、前記撮像手段の近傍から被検査体に光を照射する投光手段と、被検査体表面での投光手段からの照射光の反射光が向かう方向の所定位置に配置された再帰型反射スクリーンとを含むものを採用することが好ましく、所望の特性を有する面発光照明手段を簡単に実現することができる。

また、前記測定手段として、撮像画像の各部の濃淡値から被検査体の表面の対応する位置の斜度を求め、斜度を位置に関して一次積分して被検査体の表面形状を定量するものを採用することが好ましく、被検査体の表面形状を測定することができる。

また、前記測定手段として、被検査体の種別に対応する濃淡値―斜度のテーブルをさらに含むものを採用することが好ましく、斜度を求める処理を簡単化することができる。

なお、撮像手段としては、一度に２次元の画像を撮像できるエリアセンサカメラを用いると、レーザ変位計等を用いる場合のように、装置の大がかりな走査が不要なので、高速で測定でき、好ましい。

第１の発明は被検査体の表面に凹凸がある場合に、面発光照明手段の配光特性によって撮像画像中に濃度分布を与えることができるので、この濃度分布から被検査体の表面形状を測定することができるという特有の効果を奏する。

第２の発明も被検査体の表面に凹凸がある場合に、面発光照明手段の配光特性によって撮像画像中に濃度分布を与えることができるので、この濃度分布から被検査体の表面形状を測定することができるという特有の効果を奏する。

以下、添付図面を参照して、この発明の表面形状の測定方法およびその装置の実施の形態を詳細に説明する。

図１はこの発明の表面形状の測定装置の一実施形態を示す概略図である。

この測定装置は、再帰型反射スクリーン１と、検査用のエリアセンサカメラ２と、画像処理装置３と、ハロゲン光源４と、照明部５とを有している。

前記照明部５は、ハロゲン光源４からの光を受けて被検査体６に向けて照射するものであり、エリアセンサカメラ２の近傍に配置されている。

前記エリアセンサカメラ２は、再帰型反射スクリーン１により反射され、かつ被検査体６により反射された光を受光するものである。

前記画像処理装置３は、エリアセンサカメラ２により撮像された撮像画像の各画素の濃淡値から被検査体の表面の対応する位置の斜度を求め、斜度を積分して被検査体の表面形状を定量するものである。

前記再帰型反射スクリーン１は、例えば、図２に示す反射特性を有するものである。（破線と実線の説明を下さい。）なお、この反射特性は、図３に示すように、ゴニオステージ７で平面鏡８の角度を０°（水平）±３°に変化させてエリアセンサカメラ２で反射光を受光することにより得られる。ここで、エリアセンサカメラ２から見て下り斜面を−で表している。

この反射特性から、再帰型反射スクリーン１の配光特性は、図４に示すようにたとえば、光軸が輝度の中心軸から１°ずれると反射光量が約５％変化するように、なだらかに変化する特性である。その配光特性の変化領域では、図２のような反射方向に対して輝度が単調減少または単調増加する特性が得られる。

図１の測定装置によれば、照明部５からの光が被検査体６の表面により反射されて再帰型反射スクリーン１に導かれる。再帰型反射スクリーン１では、光の入射方向に最も強く光が反射され、光の入射方向からずれるにしたがって反射光の強度が弱くなる。このような、光の入射方向から少しずれた方向の領域（配光特性の変化領域）における再帰型反射スクリーン１からの反射光は被検査体６の表面により反射されてエリアセンサカメラ２に導かれる。

したがって、被検査体６の表面に凹凸がある場合には、エリアセンサカメラ２により撮像される撮像画像は図５に示すように、凹凸に対応する模様を有する画像になる。その後、画像処理装置３においては、エリアセンサカメラ２により撮像された撮像画像の各画素の濃淡値から被検査体の表面の対応する位置の斜度を求め、斜度を積分して被検査体の表面形状を定量することができる。ここで、被検査体６の表面の凹凸としては、被検査体６が離型用フィルムなどのシート材である場合には、シワが例示できる。

さらに説明する。

被検査体６の表面に凹凸がない場合には、照明部５からの光路とエリアセンサカメラ２への光路とが、図６に示す関係になり、最大反射光量よりやや弱い反射光量がエリアセンサカメラ２に導かれる。

被検査体６の表面に凹凸がある場合には、照明部５からの光路とエリアセンサカメラ２への光路とが、図７または図８に示す関係になり、エリアセンサカメラ２に導かれる反射光量が図３の反射光量と異なることになる。具体的には、被検査体６の表面がエリアセンサカメラ２から見て上り斜面である場合には、照明部５からの光路とエリアセンサカメラ２への光路とが、図７に示す関係になり、エリアセンサカメラ２に導かれる反射光量が図３の反射光量よりも小さくなる。逆に、被検査体６の表面がエリアセンサカメラ２から見て下り斜面である場合には、照明部５からの光路とエリアセンサカメラ２への光路とが、図８に示す関係になり、エリアセンサカメラ２に導かれる反射光量が図３の反射光量よりも大きくなる。

ただし被検査体６の表面の斜度が所定の値を超えると、カメラから見て図８の構成では上り斜面の場合はカメラに光が入射しなくなる。逆に下り斜面の場合、配光特性の最大値を超えると逆に斜きが小さいものと判断され正確な測定はできなくなる。従って測定したい斜度の範囲に応じて照明手段の輝度の方向特性を設定する必要がある。図２に示す配光特性を有する再帰型反射スクリーンを用いるときは、斜度１°で反射光量が５％変化するので、±約１０°の斜度を測定できる。

そして、撮像画像の各画素の濃淡値と被検査体６の表面の対応する位置の斜度との関係は予め被検査対象の種類ごとに既知の条件での実験をすることなどで例えば図９に示すように与えられるので、撮像画像の各画素の濃淡値から被検査体６の表面の対応する位置の斜度を求めることができる。その後、斜度を積分して被検査体の表面形状を定量することができる。

例えば、図１０に示すように撮像画像が得られた場合には、図１０の破線部の濃淡値プロファイルが図１１に示すとおりになり、表面形状が図１２に示すように定量できる。

以上から分かるように、配光特性として光量変化が大きい方が測定精度を高めることができるので、光軸が１°ずれると反射光量が約５％以上変化するように配光特性を設定することが好ましい。

図１３はこの発明の表面形状の測定方法の一実施形態を説明するフローチャートである。
ステップSP1において、凹凸（シワ）の長手方向が再帰型反射スクリーン１とエリアセンサカメラ２とを結ぶ直線に対して垂直になるように被検査体６をセットする。次いで、ステップSP2において、照明部５からの光を被検査体６に照射し、反射光を再帰型反射スクリーン１で反射させ、さらに被検査体６で反射させてエリアセンサカメラ２により被検査体６の表面の画像を撮像する。次いで、ステップSP3において、撮像画像の各画素毎に濃度値（濃淡値）を斜度に変換する。次いで、ステップSP4において、斜度を積分して凹凸の高さを算出する。

なお、ステップSP3の処理において、予め撮像位置による濃淡値の差を補正することが好ましい。また、被検査体６の種類に応じて変えられる変換テーブルを用いて濃淡値を斜度に変換することが好ましい。

具体的には、図１４に示す撮像画像の位置（ｘ，ｙ）における濃淡値をｇ（ｘ，ｙ）とし、濃淡値ｇ（）と斜度ｄとの関係をｄ＝ｆ（ｇ（ｘ，ｙ））とすれば、位置（ｘ，ｙ）における凹凸の高さｈは、ｈ＝Σｄ（ｙ＝１、・・、M）となり、ｘ＝１、・・、Nまで実行することにより、被検査体６の全表面の形状を測定することができる。（M、Nは、エリアセンサカメラの縦横の画素数であり、典型的にはM=480、N=640であるが、もちろんこれに限定されない。）
また、ステップSP4の処理は、撮像画像の１列について行ってもよいが、撮像画像の全列について行ってもよい。

以上の実施形態においては、ハロゲン光源４、照明部５および再帰型反射スクリーン１で、面発光照明手段を構成しているが、図１５に示すように、出射角度に応じて出力光強度がなだらかに変化する配光特性を有する発光素子を面状に配列してなるものを採用することが可能である。

この場合において、図１６に示すように、全ての発光素子が同じ方向を向いていると、視野位置によって明るさが異なる。したがって、このような不都合を未然に防止するためには、図１７に示すように、全ての発光素子がエリアセンサカメラ２を向くようにすることが好ましい。ただし、画像処理において補正処理を行うようにすることも可能である。
また、再帰型反射スクリーン１を採用する場合であっても、実際には、スクリーンへの入射角によって反射特性が異なる（具体的には、入射角が大きくなると、反射率が下がる）。また、スクリーンに光を均一に照射することは殆ど不可能である。

これらの結果、被検査体６の表面に凹凸が無い場合であっても、全体的に均一な明るさの画像が得られるとは限らない。

したがって、これらの不都合を未然に防止するためには、再帰型反射スクリーン１を曲面にし、配光特性の最大値方向がエリアセンサカメラ２を向くようにすることが好ましい。ただし、画像処理において補正処理を行うようにすることも可能である。

エリアセンサカメラ２として分解能が１００μｍのものを使用し、再帰型反射スクリーン１として出射角度１°で反射光強度が５％変化するものを採用して離型用フィルムのシワの測定を行った。

この場合に、被検査体６の表面の斜度が１°変化すると濃淡値が１０変化する。したがって、濃淡値が１変化すると、斜度が０．１°変化する。そして、エリアセンサカメラ２の分解能が１００μｍであるから、隣り合う画素の濃淡値が１異なると、高さの差は、０．１７μｍ（＝ｔａｎ０．１×１００）となる。

したがって、図１８の撮像画像から、図１９に示すように、シワの高さが測定された。なお、図中において、MDは移動方向、TDは幅方向（移動方向と直交する方向）を表している。

この発明の表面形状の測定装置の一実施形態を示す概略図である。 平面鏡斜度に対する濃淡値の変化を示す図である。 図２のデータを得るための装置の構成を示す概略図である。 配光特性を示す概略図である。 撮像画像の一例を示す図である。 被検査体の表面に凹凸がない場合における、照明部からの光路とエリアセンサカメラへの光路との関係を示す図である。 被検査体の表面がエリアセンサカメラから見て上り斜面である場合における、照明部からの光路とエリアセンサカメラへの光路との関係を示す図である。 被検査体の表面がエリアセンサカメラから見て下り斜面である場合における、照明部からの光路とエリアセンサカメラへの光路との関係を示す図である。 斜度と濃淡値との関係を示す図である。 撮像画像の一例を示す図である。 図１０の破線部の濃淡値プロファイルを示す図である。 図１０の破線部の凹凸高さプロファイルを示す図である。 この発明の表面形状の測定方法の一実施形態を説明するフローチャートである。 撮像画像の一例を示す図である。 面発光照明手段の他の例を示す概略図である。 図１５の面発光照明手段の不都合を説明する概略図である。 面発光照明手段の好ましい変形を説明する概略図である。 この発明の実施例による撮像画像を示す図である。 この発明の実施例によるシワ高さを示す図である。 従来装置の一例を示す概略図である。 凹凸がない状態を示す図である。 凹凸がある状態を示す図である。 従来装置の他の例を示す概略図である。 凹凸がない状態を示す図である。 凹凸がある状態を示す図である。

符号の説明

１ 再帰型反射スクリーン
２ エリアセンサカメラ
３ 画像処理装置
４ ハロゲン光源
５ 照明部
６ 被検査体

Claims (6)

1. 輝度の方向特性が最大値から最小値までなだらかに変化する配光特性を、面内の所定の領域において略均一に有する面発光照明手段（４）（５）（１）により被検査体（６）に前記配光特性中の変化領域にある光を照射し、被検査体（６）表面で反射する光を撮像手段（２）により撮像して撮像画像を得、撮像画像の濃度分布に基づいて被検査体（６）の表面形状を測定することを特徴とする表面形状の測定方法。
2. 撮像画像の各部の濃淡値から被検査体（６）の表面の対応する位置の斜度を求め、斜度を積分して被検査体（６）の表面形状を定量する請求項１に記載の表面形状の測定方法。
3. 輝度の方向特性が最大値から最小値までなだらかに変化する配光特性を、面内の所定の領域において略均一に有し、かつ被検査体（６）に光を照射する面発光照明手段（４）（５）（１）と、被検査体（６）表面で反射する光を撮像して撮像画像を得る撮像手段（２）と、撮像画像の濃度分布の位置に関する一次積分に基づいて被検査体（６）の表面形状を測定する測定手段（３）とを含むことを特徴とする表面形状の測定装置。
4. 前記面発光照明手段（４）（５）（１）は、前記撮像手段（２）の近傍から被検査体（６）に光を照射する投光手段（５）と、被検査体（６）表面での投光手段（５）からの照射光の反射光が向かう方向の所定位置に配置された再帰型反射スクリーン（１）とを含む請求項３に記載の表面形状の測定装置。
5. 前記測定手段（３）は、撮像画像の各部の濃淡値から被検査体（６）の表面の対応する位置の斜度を求め、斜度を位置に関して一次積分して被検査体（６）の表面形状を定量する請求項１に記載の表面形状の測定方法。
6. 前記測定手段（３）は、被検査体（６）の種別に対応する濃淡値―斜度のテーブルをさらに含む請求項５に記載の表面形状の測定装置。
   
   
   
   

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