JP2009097940A - 形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面と拡散面とが混在するような被検物においても、精度良く表面形状を測定する。
【解決手段】投光板２は、異なる配光特性の光源１−１乃至１−３の光を、凸部２ａで拡散させて被検物４に投光する。角度測定部５ｂは、配光特性毎に、撮像部３により撮像された被検物４に映り込んだ投光部２の凸部２ａにより反射されてくる光の強度比に基づいて、投光角θＬを算出する。三角法測定部５ｃは、基線長Ｌｂ、撮像角θｃ、および投光角θＬで、三角法により被検物４の表面形状を測定する。本発明は、形状測定装置に適用することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、形状測定装置に関し、特に、表面が鏡面の被検物の表面形状を測定できるようにした形状測定装置に関する。

被検物の表面形状を測定する技術が一般に普及しつつある。

被検物の物体表面については、拡散面と鏡面との場合で測定の方法が異なる。拡散面においては、光切断法に代表される測定法により、スリット光を被検物に照射し、物体表面に現れるスリット光パタンの形状から表面形状を測定する方法が提案されている。

一方、鏡面の場合、被検物に対して被検物を撮像する方向に対して、所定角度だけずらした位置にパターン板を配置し、被検物の表面に映り込むパターンを撮像することにより、被検物表面における反射角θを測定し、そのθ／２を被検物の表面の法線の角度として測定することにより、表面の角度を順次測定することで、その連続性から表面形状を測定する方法が提案されている（特許文献１，２、および非特許文献１参照）。

特許３５５３６５２号公報 特開２００６−２１４９１４号公報 豊田中央研究所R&DレビューVol.31，No.3

しかしながら、上述した鏡面における表面形状の測定については、被検物の表面の変化が十分に小さいことが前提となった測定方法であるため、表面の変化が大きいと、精度よく測定することができないことがあった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、特に、表面が鏡面の被検物においても、精度良く表面形状を測定できるようにするものである。

本発明の形状測定装置は、複数の異なる配光特性に切り替えられると共に、前記配光特性に傾斜を持たせたパタンを生成し、被検物に投影するパタン生成手段と、前記パタン生成手段からのパタンが投影された前記被検物を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像データを基に、前記被検物の表面に映り込んだパタンに対応するパタン生成手段上の位置を特定し、前記特定された前記パタン手段上の位置と撮像手段で撮像された位置に応じて、被検物表面の位置を特定する算出手段と、前記複数の異なる配光特性の各々で、前記撮像手段により撮像された複数の画像データを基に、前記被検物の表面の傾斜方向を測定する測定手段とを備えることを特徴とする。

本発明の一側面によれば、表面が鏡面の被検物においても、精度良く表面形状を測定することが可能となる。

図１は、本発明を適用した一実施の形態の構成例を示す形状測定装置である。

図１の形状測定装置は、ステージ６上に載置された被検物４の表面形状を非接触で測定するものである。

光源１−１乃至１−３は、それぞれ発光部１ａ−１乃至１ａ−３を備えており、フィルタ１ｂ−１乃至１ｂ−３により、投光板２に対して異なる方向から発光する。

投光板２は、被検物４が載置されたステージ６の上面の所定の位置に載置されている。また、投光板２は、ステージ６と対向する面に半球状の拡散面に形成された凸部２ａ−１乃至２ａ−ｎが配されたパタンを備えており、それぞれ光源１−１乃至１−３により発せられる光を完全拡散反射させる。凸部２ａ−１乃至２ａ−ｎは、例えば、表面に個別に色が施されるなどして、個別に識別することができ、したがって、投光板２における位置を外観により個別に認識することができる。

尚、凸部２ａ−１乃至２ａ−ｎについては、それぞれを特に区別して説明する必要がない場合、単に凸部２ａと称するものとする。また、図１においては、図中に１６個の凸部２ａが記載されているが、凸部２ａを構成する半球の直径は数mm以下程度の大きさのものであるため、当然のことながら、それ以上の数であってもよいものである。

撮像部３は、CCD（Charge Coupled Devices）またはCMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）などの撮像素子３ａおよびレンズ３ｂなどから構成され、ステージ６に載置された被検物４を固定された位置で、固定された角度から撮像し、撮像した画像を形状測定部５に供給する。

形状測定部５は、光源制御部５ａ、角度測定部５ｂ、および三角法測定部５ｃを備えている。形状測定部５は、光源１−１乃至１−３の発光タイミングと、撮像部３により撮像された画像の情報とを対応付けて管理し、撮像された画像から被検物４の表面形状の各位置を演算により求める。また、形状測定部５は、ステージ６を図中のｘ，ｙ方向、ｘ，θ方向、または、ｙ，θ方向のいずれかの組み合わせで動作させることにより、カメラ３の撮像方向を変えずに、被検物４の全体を撮像できる。尚、ステージ６は、当然のことながら、ｘ，ｙ，ｚ，θのいずれにも動作できるように構成し、使用者が動作方向を切替えるようにしても良い。また、図１においては、形状測定部５についてのみ、機能ブロック図として記載されているが、形状測定部５は、例えば、いわゆる制御基板などにより構成されるものであり、図１においては、その制御基板により実現される形状測定部５の機能を機能ブロック図として表現している。

光源制御部５ａは、光源１−１乃至１−３の発光タイミングを制御する。角度測定部５ｂは、後述する投光角θＬを測定する。三角法測定部５ｃは、撮像部３により撮像された画像に基づいて、被検物４の表面との距離を三角法により測定し、その情報に基づいて被検物の表面形状の情報を生成する。

また、図１の形状測定装置は、光源１−１乃至１−３により発せられる光以外の外光を遮光するため、暗箱１１により全体が覆われている。

次に、図２のフローチャートを参照して、形状測定処理について説明する。

ステップＳ１において、形状測定部５の光源制御部５ａは、光源１−１を制御して、発光させる。この処理により、投光板２は光源１−１によりななめから照明させるので、光源１−１の照明方向と撮像部３の撮像素子３ａ上における各凸部２ａ内の各位置における明るさが変わる。例えば、図３の最上段で示されるように、各凸部２ａの図中の左下部が明るく、右上部が暗く照明され、配光特性が傾斜した拡散光分布からなるパタンを得ることができる。

このような配光パタンが出来る理由は、以下の通りである。一つの凸部２ａの断面を図４に示した。凸部２ａに対して実線１０１で示した方向から例えば平行光が入射した場合、平行光の一部が凸部２ａの斜面によって遮られる為、照明されるのは領域Ａ０である。そのように照明された凸部２ａを点線１０２で示した方向の反対方向から見渡したときに、照明された領域として見える範囲は両矢印線Ａ１の範囲で、影として見える範囲は両矢印線Ｂ１の範囲になる。また、見渡す角度を変えて、一点差線１０３で示した方向の反対方向から見渡したときには、照明された領域として見える範囲は両矢印線Ａ２の範囲で、影として見える範囲は両矢印線Ｂ２の範囲となる。このように見渡す角度が変わると、共に照明された範囲である両矢印線Ａ１と影として見える範囲である両矢印線Ｂ１の比率と、両矢印線Ａ２と両矢印線Ｂ２の比率が変わる。このように凸部２ａの見渡す角度が変わると照明された領域として見える範囲も変わることが分かる。一方、見渡す角度が一定で照射角度が変わっても同様な変化が起こる。その変化の様子が図３で表されている。したがって、投光板２に照明する方向を変えることにより、投光板２の配光特性を変化させることができる。

一方、本形状測定装置では、このような明るさの分布を持った投光板２の像が、表面が鏡面である被検物に映りこむ。したがって、投光板２は、図１で示される例においては、反射により投光しているが、同様の光を投光できればよいので、例えば、図中の上部に光源を設けるようにして、透過により同様の分布からなる拡散光を被検物４に対して投光するようにしても良い。

ステップＳ２において、撮像部３は、光源１−１が発光した状態において、被検物４の表面に映り込んだ、投光板２の凸部２ａのそれぞれを含む第１画像を撮像する。撮像部３のレンズ３ｂが調整されることにより、撮像素子３ａで撮像される合焦位置は、投光板２の表面とされている。このため、撮像部３は、被検物４を含む画像を撮像すると共に、被検物４の表面に映り込んだ投光板２を撮像する。

ステップＳ３において、形状測定部５の光源制御部５ａは、光源１−２を制御して、光源１−１とは異なる位置から平行光を発光させる。この処理により、例えば、図３の中段で示されるように、各凸部２ａの図中の右上部が明るく、左下部が暗く反射することにより、各凸部２ａについて、配光特性が傾斜されたように投光板２が光を発する。

ステップＳ４において、撮像部３は、光源１−２が発光した状態において、被検物４の表面に映り込んだ、投光板２の凸部２ａを含む第２画像を撮像する。

ステップＳ５において、形状測定部５の光源制御部５ａは、光源１−３を制御して、光源１−１，１−２とは異なる位置から平行光を発光させる。この処理により、例えば、図３の最下段で示されるように、各凸部２ａの図中の右下部が明るく、左上部が暗く反射することにより、各凸部２ａについて、配光特性が傾斜されたように投光板２が光を発する。

ステップＳ６において、撮像部３は、光源１−３が発光した状態において、被検物４の表面に映り込んだ、投光板２の凸部２ａのそれぞれを含む第３画像を撮像する。

ステップＳ７において、形状測定部５は、先のステップで取得した３つの画像各々に、被検物４が映っている領域を設定し、被検物４の映っている領域を更に細分化して、被検物４の表面の位置を測定する領域を設定する。なお、本発明の実施の形態においては、被検物４の撮影領域を端から順次測定領域として決定する。

ステップＳ８において、角度測定部５ｂは、第１画像乃至第３画像を基に、投光板２のどの凸部２ａが測定領域に写り込んでいるかを判断する。具体的には、予め形状測定部５の図示していない記憶部に記憶された各凸部２ａの特徴量と、測定領域に該当する画像情報とを基に参照しながら、どの凸部２ａが映り込んでいるか特定する。次に、特定された凸部２ａの位置情報を形状測定部５に設けられた記憶部から取得する。なお、この位置情報も予め記憶部に記憶されている。そして、図１に示す基線長Ｌｂの長さと方向について、取得された位置情報を基に算出する。また、対象測定領域の画素と光軸上の画素との距離とレンズ３ｂの焦点距離に基づいて、θｃを算出する。このθｃの角度は対象測定領域の画素と対象測定領域とをレンズ３ｂによる屈折を無視して直線で結ぶ線ａｘと基線長Ｌｂとのなす角度と同じである。更に、対象測定領域の対応画素とステージ６の位置情報を取得して、レンズ３ｂの光軸を法線にした平面における測定領域の２次元座標値を取得する。

一方、角度測定部５ｂでは、対象測定領域の面の方向を算出する。算出方法としては、第１画像乃至第３画像の対応画素の受光光量に基づいて、計算する。例えば、第１画像を取得時における投光板２を反射した散乱光が対象測定領域で正反射してレンズ３ｂに入射する場合には、最も対象画素の受光光量が大きく、反対に正反射条件から外れてゆくと受光光量が減少してゆく。そこで、本発明の実施の形態では、同一直線上に配置されていない３つの光源１−１、１−２、１−３を用いて、投光板２に照明して異なる配光特性を再現させ、その配光特性が映り込んだ被検物４を撮影することで、対象測定領域の立体的な面の方向を算出している。よって、得られた３つの画像における対象測定領域の画素の受光光量を取得し、対象測定領域の面方向を特定した。

例えば、対象測定領域の法線方向のX-Y平面上における角度をθx-y、Y-Z平面上での角度をθy-zとしたときに、投光板２の配光特性が光源１−１で照明した場合の配光特性をf1(θx-y，θy-z)とする。同様に、光源１−２で照明した場合の配光特性をf2(θx-y，θy-z)とし、光源１−３で照明した場合の配光特性をf3(θx-y，θy-z)とする。一方、３つの光源１−１乃至１−３で投光板２を照明したときの撮像部３による受光光量が、それぞれRp1乃至Rp3であるとすると、次の式（１）乃至式（３）のように未知数が２つある３つの連立方程式が得られる。
Rp1＝f1(θx-y，θy-z)
・・・（１）
Rp2＝f2(θx-y，θy-z)
・・・（２）
Rp3＝f3(θx-y，θy-z)
・・・（３）

尚、未知数が２つであるのに、３つの連立方程式が必要となるのは、２つの配光特性しかないとすると、投光軸（２つの光源で投光板２を照明した際に、投光板２による正反射方向のなす角度の丁度中間の角度方向と同じ方向の軸）周りに配光パタンが回転対象になるため、角度θx-y，θy-zの正負を判別することができないためである。

また、投光板２の配光特性が投光軸に対する角度に対してリニアに変化するものであれば、次のように捉えて、対象測定領域の面の角度を出すことができる。

ある光源で得られた受光光量と投光軸を含む１つの平面上における対象測定領域の法線方向の角度θ_aとの関係をRp1=θ_aと捉え、他の光源で得られた受光光量と投光軸と直交した平面上における対象測定領域の法線方向の角度θ_bとの関係をRp2＝θ_a・θ_bと捉える。この２つの式からθ_aおよびθ_bが求められることになるが、角度θ_a，θ_bは、共に90°を越える場合に解が２つ以上現れることになる。このため、このいずれかを確定させるためにもう１つの配光パタンを用意する必要がある。

実際には、回転楕円体に近い配光特性となり、以下の式（４）とこれに回転変換とを加えたもので導くことができる。

r²＝a²sin²θ_b・cos²θ_a＋b²sin²θ_b・sin²θ_a＋c²cos²θ_b
・・・（４）

尚、このように解を解析的に求めるのではなく、予め作成されたルックアップテーブルを用意して、それぞれの受光光量から対象測定領域の面の方向を求めるようにしても良い。

そして、この対象測定領域の面方向と写り込んだ凸部２ａの位置情報を基に、対象測定領域Ｑに対して撮像部３の方向と写り込んだ凸部２ａ−ｘの方向とのなす角度θ_Oを取得する。

ステップＳ９において、ステップＳ８の処理で求められた角度θｃと角度θ_Oでもって、対象測定領域と対象測定領域に映り込んでいる凸部２ａとを結ぶ線と基線長Ｌｂとのなす角度θＬを取得する。

ステップＳ１０において、先のステップＳ８やステップＳ９で取得したθＬ、θｃ及び基線長Ｌｂに基づき、三角法に基づき、光軸ａｘと平行な方向における座標位置を取得し、測定対象領域の空間的な座標値を取得することができる。

ステップＳ１１において、形状測定部５は、各画像内の被検物４が撮像された範囲のうち、処理対象としていない領域が残されているか否かを判定する。例えば、処理対象としていない領域が残されている場合、処理は、ステップＳ７に戻る。すなわち、処理対象としていない領域がなくなるまで、ステップＳ７乃至Ｓ１１の処理が繰り返され、処理対象としていない、未処理の領域がなくなったとき、処理は、終了する。

また、投光板２の凸部２ａについては、半球状である例について説明してきたが、光源１からの光を投光板２に対して垂直な軸に対して対称に反射できるものであればよいので、その他の軸対称な凸部、または凹部により構成するようにしてもよい。

以上の処理により、撮像部３により撮像される被検物４の表面が鏡面でも、三角法により表面形状として、被検物４の位置Ｑにおけるステージ６の表面からの高さを表面形状の情報として求めるようにした。

結果として、被検物が鏡面であっても、三角法により高速で、かつ、高い精度で表面形状を計測することが可能となる。

なお、本実施の形態における投光板２は、対称形状を有した凸部２ａにそれぞれ異なる方向から照明することで、異なる配光特性を有する複数種パタンを形成している。特に、凸部２ａが軸対称である回転対称形状であれば、投光板２を照明する照明手段の位置を厳密に位置決めしなくとも良く、３つの照明手段が一直線上に並ばなければ、被検物の面の傾斜方向を算出することが可能である。

また、投光板２以外にも配光傾向が異なるパタンが少なくとも３種類生成できるものであれば、一向に構わない。

例えば、図５に図示した形状測定装置であっても構わない。この形状測定装置は、投光板２として、透明な材料から形成された投光板２を用いても良い。もちろん、投光板２の各凸部２ａが形成された面は拡散面であり、一方反対側の面はなめらかな面である。そして、投光板２の滑らかな面から光源の光を入射させるように、光源１を設置した。この光源１は光源位置移動機構７を介して、本体に支持されている。光源位置移動機構７は、少なくとも３箇所の位置に光源を移動させることができる。なお、光源を移動させることのできる位置は、同一直線上に並ばない位置になっている。このような構成を有した形状測定装置では、光源１の位置を適宜変えることで、投光板２の配光特性を変化させることが可能である。また、被検物の面の傾斜方向に関する測定精度に応じて、光源の位置の変化量を変えて、光源の位置を変化しても良い。

尚、本明細書において、処理を記述するステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理は、もちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理を含むものである。

本発明を適用した形状測定装置の一実施の形態の構成例を示すブロック図である。 形状測定処理を説明するフローチャートである。 光源により発光された光を反射することにより被検物に投光する投光板を説明する図である。 配光特性を説明する図である。 本発明を適用した形状測定装置の変形例を示す構成図である。

符号の説明

１−１乃至１−３ 光源， ２ 投光板， ２ａ，２ａ−１乃至２ａ−ｎ 凸部， ３ 撮像部， ４ 被検物， ５ 形状測定部， ５ａ 光源制御部， ５ｂ 角度測定部， ５ｃ 三角法測定部

Claims (5)

1. 複数の異なる配光特性に切り替えられると共に、前記配光特性に傾斜を持たせたパタンを生成し、被検物に投影するパタン生成手段と、
   前記パタン生成手段からのパタンが投影された前記被検物を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により撮像された画像データを基に、前記被検物の表面に映り込んだパタンに対応するパタン生成手段上の位置を特定し、
   前記特定された前記パタン手段上の位置と撮像手段で撮像された位置に応じて、被検物表面の位置を特定する算出手段と、
   前記複数の異なる配光特性の各々で、前記撮像手段により撮像された複数の画像データを基に、前記被検物の表面の傾斜方向を測定する測定手段と
   を備えることを特徴とする形状測定装置。
2. 前記パタン生成手段により投影される光以外の光を遮光する遮光手段をさらに備えることを特徴とする
   請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記パタン生成手段は、拡散面に凹部または凸部の立体形状を複数有した投光板と、前記投光板を照明する照明手段とを備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の形状測定装置。
4. 前記投光板は、前記凹部または凸部の立体形状が形成された拡散面とは反対側の面が滑らかな面であり、かつ前記滑らかな面に前記照明手段からの光と入射した
   ことを特徴とする請求項３に記載の形状測定装置。
5. 前記投光板の凹部または凸部の立体形状は、軸対称形状であることを特徴とする
   請求項３に記載の形状測定装置。

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