JPH11125508A - 断面形状測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面各部の反射率が大きく異なる対象物に対
して、光切断法による断面形状の測定を良好に行う。 【解決手段】 対象物４にセンサヘッド３内のスリット
光源からスリット光Ｌを投射する。センサヘッド３内の
ＴＶカメラで、対象物４からのスリット光Ｌの反射光画
像を異なるシャッタスピードでそれぞれ得て、これら反
射光画像をデータ処理装置５内で合成し、合成した画像
より対象物４の断面形状を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は断面形状測定方法に
関し、特に、光切断法を利用して対象物の断面形状を測
定する測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】断面形状の測定方法として光切断法が知
られており、これは、対象物に直線状のスリット光を照
射し、当該対象物の外形に応じて屈曲させられるスリッ
ト光の反射光画像より、三角測量の原理で対象物の断面
形状を知るものである。ところで、実際の測定対象物は
表面の光反射率が通常一様ではなく、対象物各部の相対
光反射率が４０倍〜２００倍程度となることも珍しくな
い。

【０００３】例えば図９に示すように、一定幅の帯状の
色テープ７１〜７５を平面上で隣接させて５種類並べた
対象物を用意する。図中の数字はｍｍの単位で、テープ
色はそれぞれ「白」「赤」「青」「黒」「光沢のある
黒」であり、これらの間の相対反射率は図１０に示すよ
うに、「光沢のある黒」を基準にして２００％の広がり
を有している。このような対象物に対してＹ方向へ直線
的に延びるスリット光を投射し、その反射光画像を、光
反射率の高い「白」に露光時間を合わせて従来の単一の
露光時間で撮像すると、図１１に示すように、光反射率
が「白」の１／４０以下になる「黒」および「光沢のあ
る黒」の部分は画像から欠落してしまい、これらの部分
では断面形状の測定ができない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来の問
題点を解決するもので、表面各部の相対反射率が４０倍
以上あるような対象物に対して、光切断法による断面形
状の測定を良好に行うことができる断面形状測定方法を
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、対象物（４）からのスリット光（Ｌ）
の反射光画像（６１，６２）を異なる露光量でそれぞれ
得て（ステップ１０２，１０３）、これら反射光画像
（６１，６２）のうち良好な画像部分を合成した画像
（６３）より対象物（４）の断面形状を得る（ステップ
１０５，１０８）。ここで、異なる露光量を得るには、
露光時間あるいは絞りを変更することにより行う。

【０００６】本発明においては、対象物の各部の光反射
率に大きな差異がある場合、光反射率の高い部分の反射
光画像は露光量を小さくしてハレーションを生じること
なく良好に得る。一方、光反射率の低い部分の反射光画
像は露光量を大きくして露光不足を生じることなく良好
に得る。このようにして得た反射光画像のうち良好な画
像部分を合成すれば、光反射率が各部で大きく異なる対
象物全体について良好な反射光画像が得られ、これに基
づき光切断法によって正確な対象物の断面形状を得るこ
とができる。反射光画像の画像部の良否は、この画像部
で例えば反射光の線幅が所定範囲内にあるか否かで判断
する。

【０００７】合成した画像（６３）中で反射光の線に欠
落部が生じた場合には、投射するスリット光（Ｌ）の強
度を変更した後、再度、対象物（４）からのスリット光
（Ｌ）の反射光画像（６１，６２）を異なる露光量でそ
れぞれ得る。これにより、対象物の各部の光反射率にさ
らに大きな差異がある場合でも、良好な反射光画像を得
ることができる。

【０００８】本発明は装置としても実現することがで
き、断面形状測定装置は、スリット光（Ｌ）を対象物
（４）に投射する手段（３２）と、対象物（４）からの
スリット光（Ｌ）の反射光画像（６１，６２）を異なる
露光量でそれぞれ得る撮像手段（３３）と、これら反射
光画像（６１，６２）のうち良好な画像部分を合成した
画像（６３）を得る画像合成手段（５，ステップ１０
５）と、合成された画像（６３）より対象物（４）の断
面形状を得る断面形状算出手段（５，ステップ１０８）
を有している。

【０００９】なお、上記カッコ内の符号は、後述する実
施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１には本発明方法を適用した断
面形状測定装置の外観を示す。図において、基盤１上に
はＸステージ２１とＹステージ２２よりなる移動テーブ
ル２が設けられ、移動テーブル２上に治具２３で固定さ
れ載置された対象物４は、Ｘ−Ｙ二次元水平面内の任意
位置に位置決め可能である。基盤１上にはまたＺステー
ジ３１が立設されて、これより水平にセンサヘッド３が
突出し、センサヘッド３は垂直方向で位置調節が可能で
ある。センサヘッド３内には、下方の対象物４へ向けて
スリット光Ｌを発するスリット光源と、スリット光の反
射光画像を得るＴＶカメラが内蔵されている。スリット
光源としては中心波長が近赤外（８３０ｎｍ）にある半
導体レーザを使用し、ＴＶカメラには可視光遮蔽用の光
学フィルタを付設してある。装置の測定諸元の一例とし
ては、ＴＶカメラ下の７０ｍｍの位置でＹ方向へ３２ｍ
ｍの長さで延びるスリット光を使用し、Ｚ方向の±１０
ｍｍ内の凹凸の測定が可能である。測定精度は±０．２
ｍｍであり、Ｙ方向で４８４点を測定し、これに要する
時間は２１０ｍｓである。

【００１１】移動テーブル２、センサヘッド３等はパー
ソナルコンピュータを主体としたデータ処理装置５に接
続されている。データ処理装置５の構成を図２に示し、
共通バス５０５で接続されたＣＰＵ５０１、メモリ５０
２、出力インターフェース５０３および入力インターフ
ェース５０４を有している。移動テーブル２はＣＰＵ５
０１からの指令信号により移動テーブル駆動回路５０６
を介して制御され、対象物４を逐次必要位置に移動させ
る。スリット光源３２は投射光強度制御回路５０７に接
続され、ＣＰＵ５０１からの指令信号によって出力光の
強度を変更する。対象物４上に投射されたスリット光Ｌ
はその反射光画像がＴＶカメラ３３で捉えられてＡ／Ｄ
変換回路５０９を経てフレームメモリ５１０に記憶さ
れ、必要時にＣＰＵ５０１に読み出されて処理される。
シャッタ制御回路５０８が設けられ、この回路５０８は
ＣＰＵ５０１からの指令信号によってＴＶカメラ３３の
フレームシャッタのスピードを変更する。本実施形態で
は、シャッタスピードは１／６０秒と１／５００秒の二
種としてある。

【００１２】上記構成の断面形状測定装置によって、図
３に示す対象物４の断面形状を測定し、この断面形状に
基づいて上記対象物４の三次元形状を得る場合の手順と
その結果について以下に説明する。対象物は径の異なる
方形錐台を三層に積み重ねたもので、下層４１は
「白」、中間層４２は「黒」、上層４３は「光沢のある
黒」にそれぞれ着色されている。「白」と「光沢のある
黒」の反射率は前者が後者の２００倍程度である。この
ような対象物４に対して、図４に示すように、これを横
断するようにセンサヘッド３内のスリット光源３２から
スリット光Ｌを投射する。そして、その反射光画像をセ
ンサヘッド３内のＴＶカメラ３３で捉える。

【００１３】図５にはＣＰＵ５０１における３次元形状
測定の手順を示す。ステップ１０１ではスリット光源３
２から対象物４に向けてスリット光Ｌを投射する。続く
ステップ１０２では短時間露光によりＴＶカメラ３３で
上記スリット光Ｌの反射光画像を得る。短時間露光はＴ
Ｖカメラ３３のシャッタスピードを１／５００秒に設定
して行う。ステップ１０３では長時間露光によりＴＶカ
メラ３３でスリット光Ｌの反射光画像を得る。長時間露
光はＴＶカメラ３３のシャッタスピードを１／６０秒に
設定して行う。このようにして得られた反射光画像６
１，６２を図６に示す。短時間露光の反射光画像６１で
は、対象物４の「白」の下層４１に対応する部分の画像
が得られるだけで、「黒」の中間層４２と「「光沢のあ
る黒」の上層４３に対応する部分の画像は露光不足で得
られない。一方、長時間露光の反射光画像６２では、対
象物４の「黒」の中間層４２と「光沢のある黒」の上層
４３に対応する部分の画像は適正露光で得られるが、
「白」の下層４１に対応する部分の画像は露光過多でハ
レーションを生じる。

【００１４】図５のステップ１０４では線幅の計測を行
う。これは上記各反射光画像６１，６２についてその画
面内を、図６の破線で示すように反射光と交差する方向
から走査し、図７に示すように画像輝度が閾値Ｔｈを越
える幅を反射光の線幅とするものである。閾値Ｔｈとし
ては例えば、輝度範囲を８ビットで２値化した場合（２
５６階調）には５ビット程度（３２階調）とする。本実
施形態では、両反射光画像６１，６２の中で線幅が０．
４ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲にある部分を正常な画像とし
て選択し、図５の続くステップ１０５で、選択された反
射光画像部分を合成する。なお、両反射光画像６１，６
２のいずれでも正常な画像部分が得られている場合に
は、反射光画像６１のものを優先的に選択する。合成さ
れた反射光画像６３では、図６に示すように、対象物４
の「白」の下層４１から「光沢のある黒」の上層４３に
至るまで、露光不足やハレーションを生じることなく良
好な反射光画像が得られる。

【００１５】図６のステップ１０６では、合成された反
射光画像６３に欠落が無いか評価する。すなわち、いず
れの反射光画像６１，６２においても適正な線幅の画像
が得られなかった部分では合成後の反射光画像６３中に
欠落を生じる。そこで欠落を生じた場合には、ステップ
１０７でスリット光の出力強度を変更して、ステツプ１
０１以下を再度繰り返す。このようにすると、「白」の
下層４１から「光沢のある黒」の上層４３に至るまでの
完全な反射光画像６３が常に得られる。

【００１６】ステップ１０８では公知の方法で、スリッ
ト光Ｌが横断している部分（図４参照）での対象物４の
Ｙ方向における三次元座標、すなわち断面形状を上記反
射光画像６３から算出する。なお、この三次元座標演算
は加重平均処理を施すことにより高精度化されるが、Ｃ
ＰＵの処理負担になる場合には、外部の専用ハードウエ
アを使用すると良い。続くステップ１０９，１１０で
は、Ｘステージ２１により対象物４を逐次Ｘ方向へ移動
させて、ステップ１０１以下を繰り返し、各Ｘ位置にお
ける対象物４のＹ方向断面を得る。そして、ステップ１
１１で、全てのＹ方向断面を合成して対象物４の三次元
形状を再構成する。再構成された三次元形状を図８
（Ａ）に示す。図より明らかなように、対象物における
「白」の下層４１、「黒」の中間層４２、「光沢のある
黒」の上層４３の全てが良好に再現されている。実験で
は、三次元座標値の検出精度は標準偏差σの２倍区間で
±０．２ｍｍであった。これに対して、従来の単一露光
の下でその露光値を「白」の下層４１に合わせたもので
は、図８（Ｂ）に示すように、再構成された三次元形状
は「黒」の中間層４２と「光沢のある黒」の上層４３が
露光不足で欠落する。

【００１７】なお、本実施形態において、対象物がＹ方
向へも大きく延びている場合には、Ｙステージ２２によ
り対象物４を逐次Ｙ方向へ移動させるステップを図５の
ステップ１１０とステップ１１１の間に入れる。

【００１８】また、対象物４の反射率変化が「白」と
「黒」の間の４０倍程度の範囲内であれば、図５のステ
ップ１０７におけるスリット光強度の変更再設定は不要
である。

【００１９】本発明方法を実現するプログラムは媒体に
記録された状態で提供することができる。プログラムを
記憶した媒体としては、例えばフレキシブルディスク、
ＣＤ−ＲＯＭ、メモリカード等を用いることができる。
媒体に記録されたプログラムは、ハードウエアシステム
に組み込まれているメモリにインストールされ、このプ
ログラムをコンピュータで実行して本発明方法が遂行さ
れる。

【００２０】上記実施形態では、シャッタスピードによ
る露光時間の変更によってＴＶカメラの露光量を調節し
たが、絞りの開口度を変更することで露光量を調節して
も良い。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明の断面形状測定方
法によれば、表面各部の反射率が大きく異なる対象物に
対して、光切断法による断面形状の測定を良好に行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】断面形状測定装置の全体斜視図である。

【図２】データ処理装置のブロック構成図である。

【図３】対象物の斜視図である。

【図４】対象物とセンサヘッドの斜視図である。

【図５】ＣＰＵにおける断面形状測定の処理手順を示す
プログラムフローチャートである。

【図６】画像合成過程を示す概念図である。

【図７】線幅測定における画像の輝度変化を示す図であ
る。

【図８】三次元形状測定の結果を示す線図である。

【図９】対象物の斜視図である。

【図１０】対象物各部の相対反射率を示す図である。

【図１１】従来の方法による測定結果を示す図である。

【符号の説明】

１…基盤、２…移動テーブル、３…センサヘッド、３２
…スリット光源、３３…ＴＶカメラ、４…対象物、５…
データ処理装置、６１，６２…反射光画像、６３…合成
画像、Ｌ…スリット光。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対象物からのスリット光の反射光画像を
   異なる露光量でそれぞれ得て、これら反射光画像を合成
   した画像より対象物の断面形状を得ることを特徴とする
   断面形状測定方法。