JP2006189390A

JP2006189390A - 光学式変位測定方法および装置

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Publication number: JP2006189390A
Application number: JP2005002924A
Authority: JP
Inventors: Makoto Okuno; 眞奥野; Akio Nagamune; 章生長棟
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2006-07-20

Abstract

【課題】測定精度が高く、シャドウ効果が生じにくい光学式変位測定方法および装置を提供することを目的とする。
【解決手段】２つの投光器1a、1bから被測定面20aに向けて、相異なる方向から光ビーム2、2’をそれぞれ互いに交差するように照射し、この反射光をレンズ３を介してイメージセンサ4上に結像させる。このときイメージセンサ上に現れる、光ビーム2および2’に対応した２つの受光スポット5、5’の間隔ΔXを計測する。あらかじめ被測定面20aの変位とΔＸの関係を校正試験片などによって求めておけば、ΔＸを計測することにより被測定面の変位を求めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、材料の変位を非接触で測定するための光学式変位測定方法および装置に関するものである。

材料の変位を非接触で測定する装置として、三角測量法の原理に基づく装置がよく知られており、例えば特許第３５５２８６２号公報（特許文献１）に開示された技術がある。三角測量法による光学変位計の原理を、図２に示す。投光手段１から光ビーム２を被測定物20の表面20aに照射し、被測定面20aで反射された光ビームを、レンズ3を介してイメージセンサ4上に結像し、その結像した受光スポット５の位置を画像処理手段６で計測する。被測定面20aの変位と受光スポット位置５の関係をあらかじめ求めておけば、演算手段７によって、受光スポット位置から被測定面20aの図２の上下方向の変位を計測することができる。
特許第３５５２８６２号公報

上記の三角測量法に基づく光学式変位計の測定精度は、投光軸と受光軸の交差角φ（図４(a)参照）を大きくするほど向上する。しかしながら、φを大きくしすぎると、（１）被測定面の凸部により受信光が遮蔽される、いわゆるシャドウ効果が問題になる、（２）被測定面が比較的鏡面性の強い表面の場合、イメージセンサの受光強度が著しく低下する、（３）変位計の寸法が大きくなる、といった問題が生じてくるため、実用的にはφを数十度以上にはできない。このため、一般に、三角測量法による変位計の測定精度は、測定範囲の0.05%程度が限界である。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、測定精度が高く、シャドウ効果が生じにくい光学式変位測定方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射し、被測定面上の２つの光スポットを１つのイメージセンサで撮像し、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸを計測し、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出することを特徴とする光学式変位測定方法である。

また本発明の請求項２に係る発明は、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射し、被測定面上の２つの光スポットを１つのイメージセンサで撮像し、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸと２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測し、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出するとともに、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出することを特徴とする光学式変位測定方法である。

また本発明の請求項３に係る発明は、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸを計測する画像処理手段と、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出する演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式変位測定装置である。

また本発明の請求項４に係る発明は、被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸおよび２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測する画像処理手段と、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出するとともに、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出する演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式変位測定装置である。

さらに本発明の請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の光学式変位測定装置において、前記投光手段が、単一の光源と、該光源から照射された光ビームを２つに分岐する光分岐手段と、分岐された２つの光ビームを被測定面に相異なる方向から交差するように照射する投光光学系とによって構成されることを特徴とする光学式変位測定装置である。

本発明は、２つの光ビームを交差して照射し、その受光スポット間隔に基づいて被測定物の変位を検出するようにしたので、従来の三角測量法を用いた光学式変位計よりも測定感度を高くすることが可能になった。また、投光ビームの光軸とイメージセンサの受光軸のなす角度を比較的小さくすることができるので、シャドウ効果が生じにくく、鏡面性の強い被測定面に対しても十分な受光強度が得られるため、投光手段の出力を比較的小さくすることができ、安全面および経済面で有利である。

また、イメージセンサ上の２つの受光スポットの相対的間隔と受光スポット中点位置を計測することにより、被測定面の変位だけでなく、被測定面の傾きも同時に計測できる利点を有するので、たとえば、変位計を走査して、被測定面の形状を測定する場合には、走査に伴う傾き変動を補正することが可能になる。

さらに本発明は、イメージセンサ上の受光スポットの絶対位置ではなく、２つの受光スポットの相対的間隔に基づいて距離を計測するため、単一の光源から出射された光ビームを２つに分岐し、これらを互いに交差するように被測定面に照射する装置構成にすることにより、光源からの光ビームの出射角度の変動などによるイメージセンサ上での受光スポット位置の変動を相殺でき、この結果、測定精度を向上させることができるという効果もある。

本発明の変位測定装置の構成例を図１に、本発明を実施する上でのフローチャート例を図３にそれぞれ示す。以下、図１および図３に基づいて本発明の変位測定方法および装置について説明する。

本発明の光学式変位計10は、２つの投光器1aおよび1bを備えた投光手段1と、被測定物20の表面20aからの反射光を受光するイメージセンサ4、画像処理手段6、および演算手段7によって構成される。２つの投光器1a、1bから被測定面20aに向けて、相異なる方向から光ビーム2、2’をそれぞれ互いに交差するように照射し（Step100）、この反射光をレンズ３などを介してイメージセンサ4上に結像させて受光する（Step101）。このとき、イメージセンサ4上には光ビーム2および2’に対応した２つの受光スポット5、5’が現れる。

ここで、投光する光の種類としては、直進性および強度に優れたレーザを用いるのが好ましいが、ＬＥＤ、あるいはハロゲンランプのような白色光であっても構わない。また、変位測定精度を上げるためには被測定面上のビーム径を小さくするのが好ましいので、各投光器には照射ビーム径を絞るためのレンズ系を備えるのが望ましい。また、２つの光ビームの強度、波長、ビーム径、および被測定面に対する入射角は、後の画像処理の煩雑さをなくすためには、ほぼ同等とするのが好ましい。さらに、イメージセンサ4としては、CCDラインセンサカメラやCMOSラインセンサカメラなどが好適である。２つの光ビーム2と2’、およびイメージセンサ4は同一平面上になるように設置する。

画像処理手段6は、イメージセンサ4の出力画像から２つの受光スポット5および5’の間隔ΔXを計測する（Step102）。図１において、被測定面20aが上下方向に変位すると、幾何学的に容易にわかるように、イメージセンサ4上に結像された２つの受光スポット5および5’の間隔ΔＸが変化する。すなわち、被測定面20aが変位計10に近づく方向に変位すると、ΔＸは大きくなり、逆に変位計10から遠去かる方向に変位すると、ΔＸは小さくなる。したがって、あらかじめ被測定面20aの変位とΔＸの関係を校正試験片などによって求めておけば、ΔＸを計測することにより被測定面の変位を求めることができる。演算手段7は、画像処理手段6で計測したΔXの値を、このような方法により、被測定面20aの変位に換算する（Step103）。

従来の三角測量式変位計と本発明による光学式変位計の測定感度について比較した計算結果例を図４に示す。一般に両方式とも、図４(a)に示す変位計寸法Ｌを大きくするほど測定感度は高くなる。本計算例では変位計寸法Ｌおよびイメージセンサの画角βを同条件（Ｌ＝300mm、β＝7.8°）にして，測定距離350〜450ｍｍの範囲の被測定面20aの変位を測定した場合の、それぞれの変位計の測定感度、すなわち、イメージセンサ上における受光スポット位置あるいは間隔の変化量を図４(b)に示す。本例からわかるように、両変位計とも測定距離（変位計と被測定面との距離）が短くなるほど測定感度は向上するが、本発明の変位計の方が感度が高くなることがわかる。したがって本発明の変位計は、従来の三角測量式変位計に比べ、微小変位の検出能に優れ、高精度の変位測定が可能である。

次に、本発明の変位計によって、変位だけではなく被測定面の傾きも同時に測定する方法について説明する。図５は、本発明における傾き検出原理を示す模式図であり、（ａ）は幾何学的配置を、（ｂ）はイメージセンサの受光信号の変化をそれぞれ表している。本発明の光学式変位計においては、イメージセンサ4上の受光波形には、（ｂ）の(i)に示すように２つの受光スポットが現れる。簡単のため、２つの投光器から出射される２つの光ビームの入射角が等しい場合、すなわちイメージセンサに対して２つの光ビームが幾何学的に対称な場合を考える。被測定面20aが変位すると、この２つの受光スポットの間隔ΔＸが変化するが、この２つの受光スポットの中点の位置Xcに着目すると、被測定面20aの傾きθ＝0のときは、被測定面20aの変位の大小に関わらず、左右の対称性から、Xcの位置は不変である。ところが被測定面20aが角度θ（＞0）だけ傾くと、イメージセンサ4上の受光波形には（ｂ）の(ii)のようになり、イメージセンサ4上のXcの位置は変化する。また被測定面20aが逆向きに傾いた場合（θ＜0）は、イメージセンサ4上のXcの位置は（ｂ）の(iii)のように逆向きに変化する。Xcの値はθが大きくなるにつれて単調に変化するため、Xcの変化量を計測することによって被測定面の傾き方向と傾き角度を検出することができる。

実際には、Xcの変化量と傾きθの関係は、被測定面20aの変位にも依存するので、あらかじめ被測定面20aの傾きと、ΔＸおよびＸcの関係を校正試験片などによって求めておく必要がある。図６は、4096素子のイメージセンサを用いた場合の、被測定面の傾きθとΔＸおよびＸcの関係を例示したものであり、ΔＸおよびＸcを、イメージセンサ上の画素（pixel）数で表している。たとえば今、ΔＸ＝2926画素で、Ｘc＝2057.5画素であったとすると、図中に記した矢印から、被測定面の傾きθが1.95°であることがわかる。画像処理手段6で、ΔXに加えXcを計測し、演算手段7において、図６に示すような関係をテーブルとして、あるいは近似多項式などの形で記憶させておけば、図１と同一の装置構成によって、被測定面の変位と傾きを同時に測定することができる。

２つの投光器から出射される２つの光ビームの入射角が等しくない場合は、被測定面の傾きがない（θ=0）ときでも、受光スポットの中点位置Xcは被測定面の変位によって変化するが、この場合でも、あらかじめΔＸとＸcとθの関係を求めておけば、上記と同様にしてθを算出することができる。

図７に、本発明による変位と傾きの同時測定のフローチャートを示す。本フローチャートは、Step202においてΔXに加えXcも計測すること、Step203においてΔXとXｃから変位に加え傾きを求めること、を除いて、前述の図３と同一である。

本発明の光学式変位計では、このように、被測定面20aの変位に加え傾きも同時に測定できるため、たとえば、変位計を走査して被測定面の形状を測定する場合には、走査に伴う傾き変動を検出し、この影響を補正することが可能になる。また、測定ポイントごとに変位と傾きの両方を検出できるので、走査中の測定ポイントを減らしても空間分解能の高い形状測定データを得ることができる。

なお、上記の説明では被測定面20aが傾く場合について述べたが、光学式変位計10が傾いた場合も同様にして、その傾きの方向と傾き角度を検出することができる。

本発明の光学式変位計で用いる２つの投光器は、相異なる光源で構成するようにしてもよいが、同一の光源から出射された光ビームを２分して投光するようにしてもよい。すなわち図８に示すように、単一の光源1から出射された光ビームを光分岐手段31で２つに分岐し、その各々のビームを２つの投光光学系32、32’により適当なビーム径および入射角に調整して被測定面20a上に交差させるように照射するものであってもよい。この場合、光分岐手段としてはビームスプリッタなどを、投光光学系としてはレンズ光学系を用いる。また、光源から出射される光ビームを光ファイバーで伝送し、光分岐手段としてファイバーカプラーを用いる構成としてもよい。

このように同一の光源から出射された光ビームを2分して被測定面に照射すると、光源からの光ビーム出射角度の変動などに起因してイメージセンサ上で受光スポット位置のずれが生じた場合でも、２つの受光スポット間隔に基づいて変位を計測することによりこのずれが相殺でき、この結果、測定精度を向上させることができる利点がある。これに対し、従来の三角測量式変位計では、イメージセンサ上の受光スポットの絶対位置に基づいて変位を計測するため、このようなスポットの位置ずれが直接測定誤差になる。

図９は、本発明の一実施例を示す装置構成図である。本実施例の被測定物は鋼板であり、投光手段として２つの半導体レーザ（波長640nm、出力10mW）、イメージセンサとして4096画素のCCDラインセンサカメラを用いた。各半導体レーザから出射された光ビームはレンズで集光させることにより、鋼板上でビーム径0.3mm程度になるようにした。またCCDカメラには、４群５枚のレンズ系（焦点距離105mm）を装着した。CCDラインセンサカメラの撮像タイミングの制御および撮像データの採取は、パソコン内に組み込んだ画像処理ボードで行った。CCDラインセンサカメラからの撮像データから各受光スポット位置の計測、受光スポット間隔ΔXの計測、ΔXから変位への換算は、すべてパソコン内のソフトウェア処理によって行った。

本発明による変位測定の測定精度を検証するため、高精度直線ステージにより鋼板を図９の上下方向に10μmピッチで±50mm範囲を移動させて変位を測定した。また、従来法と比較するため、上記の半導体レーザ１個とCCDラインセンサカメラで構成した三角測量式変位計を用いて、上記と同条件で変位測定を実施した。測定にあたってはレーザスペックルの影響を抑制するため、鋼板を図９の左右方向に走査させながらイメージセンサで64回画像データを採取してそれらの波形を平均処理した後に受光スポット位置を計測するようにした。両変位計による鋼板の変位測定結果を、表１に示す。１万点におよぶ測定データの測定誤差の標準偏差は、従来の変位計の場合は23.9μm、本発明の変位計の場合は15.2μmであり、本発明の変位計は従来の変位計よりも高精度で測定が可能なことが確認された。

本発明の変位測定装置の構成例を示す模式図である。従来の光学式変位計の原理を示す模式図である。本発明の変位測定方法におけるフローチャートである。本発明および従来の光学式変位計の測定感度を示す特性図である。本発明における傾き検出原理を示す模式図である。測定パラメータと被測定面の傾きの関係を示す特性図である。本発明の変位測定方法における別の実施形態のフローチャートである。本発明の変位測定装置の別の実施形態を示す模式図である。本発明の変位測定装置の一実施例を示す模式図である。

符号の説明

１投光手段
１ａ、１ｂ投光器
２、２’ 光ビーム
３レンズ
４イメージセンサ
５、５’ 受光スポット
６画像処理手段
７演算手段
１０光学式変位計
２０被測定物
２０ａ被測定面
３１光分岐手段
３２、３２’ 投光光学系

Claims

被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射し、被測定面上の２つの光スポットを１つのイメージセンサで撮像し、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸを計測し、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出することを特徴とする光学式変位測定方法。
被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射し、被測定面上の２つの光スポットを１つのイメージセンサで撮像し、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸと２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測し、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出するとともに、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出することを特徴とする光学式変位測定方法。
被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸを計測する画像処理手段と、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出する演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式変位測定装置。
被測定面に相異なる方向から２つの光ビームを交差させるように照射する投光手段と、被測定面上の２つの光スポットを撮像するイメージセンサと、イメージセンサ上における２つの光スポットの間隔ΔＸおよび２つの光スポットの中点位置Ｘcを計測する画像処理手段と、あらかじめ求めておいたΔＸと被測定面変位との関係に基づいて、ΔＸの値から被測定面の変位を算出するとともに、あらかじめ求めておいたΔＸおよびXcと被測定面の傾きとの関係に基づいて、ΔＸおよびXcの値から被測定面の傾きを算出する演算手段とによって構成されることを特徴とする光学式変位測定装置。
請求項３または請求項４に記載の光学式変位測定装置において、
前記投光手段が、単一の光源と、該光源から照射された光ビームを２つに分岐する光分岐手段と、分岐された２つの光ビームを被測定面に相異なる方向から交差するように照射する投光光学系とによって構成されることを特徴とする光学式変位測定装置。