JP2007071756A

JP2007071756A - 寸法測定方法

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Publication number: JP2007071756A
Application number: JP2005260585A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Horiguchi; 口幸弘堀
Original assignee: Moritex Corp
Current assignee: Moritex Corp
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】
測定対象物の寸法を測定するたびごとに、スケールを置いて長さ較正値を測定することなく、光切断線の長さを正確に測定できるようにする。
【解決手段】
測定対象物（Ｗ）に照射されたスリット光による光切断線（３）をその照射方向と異なる方向から撮像することにより、測定対象物（Ｗ）と載置面（Ｂ）との段差で偏位した光切断線（３）の画像上の段差（Ｐ）及び長さ（Ｑ）と、予め設定された高さ較正値（α）及び長さ較正値（β）に基づいて、測定対象物（Ｗ）の高さ（Ｈ）及び長さ（Ｌ）を測定する寸法測定方法において、前記長さ較正値（β）を高さの関数として設定し、前記高さ較正値（α）に基づいて測定対象物（Ｗ）の高さ（Ｈ）が測定されたときに、その高さにおける長さ較正値（β_Ｈ）を前記関数に基づいて算出し、算出された長さ較正値（β_Ｈ）に基づいて光切断線（３）の長さ（Ｌ）を測定するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定対象物に照射されたスリット光による光切断線をその照射方向と異なる方向から撮像することにより、測定対象物と載置面との段差で偏位した光切断線の段差及び長さに基づいて測定対象物の高さ及び長さを測定する光切断法による寸法測定方法に関する。

光切断法を用いて寸法測定を行う場合、測定対象物にスリット光を照射したときに測定対象物の形状に応じて形成される光切断線をその照射方向と異なる方向から撮像カメラで撮像し、画像上の光切断線の段差及び長さにより測定対象物の高さ及び長さを測定することとしている。
特開平８−４３０４５号公報

具体的には、図８に示すように、レーザ装置３１から測定対象物３２に照射されたラインレーザ（スリット光）による光切断線３３を、その照射方向と異なる方向から撮像カメラ３４で撮像し、画像上の光切断線３３の段差Ｐ及び長さＱにより測定対象物の高さ及び長さを測定することとしている。
ここで、光切断線３３の長手方向をＸ、これに直交する水平方向をＹ、これらに直交する高さ方向をＺとする空間座標を想定すると、光切断法では、光切断線３３の画像上のピクセル数で表わされる段差Ｐ及び長さＱに基づきＺ方向の高さ及びＸ方向の長さを測定する場合、１ピクセルあたりの高さ及び長さを較正値α、βとして予め設定しておく必要がある。

高さ較正値αは、基準面３５に高さｈ_０が既知の較正用ブロック３６を置き、スリット光を照射したときに、基準面３５に形成される光切断線３３ａと、較正用ブロック３６の上面に形成される光切断線３３ｂの段差の画像上のピクセル数Ｐ_０より、次式で求められる。
α＝ｈ_０／Ｐ_０
したがって、高さｈが未知の測定対象物３２にスリット光を照射したときに、基準面３５に形成される光切断線３３ａと、測定対象物３２の上面に形成される光切断線３３ｂの段差の画像上のピクセル数がＰだったときに、その高さｈは次式で求められる。
ｈ＝α×Ｐ

また、長さ較正値βは、測定対象物３２を載置する基準面３５に置かれたスケール３７を撮像カメラ３４で撮像し、スケール３７の単位長Ｌ_０と、これに対応する画像上のピクセル数Ｑ_０から次式で求められる。
β＝Ｌ_０／Ｑ_０
したがって、測定対象物３２上に形成される光切断線３３ｂのピクセル数がＱであったときに、その長さＬは次式で求められる。
Ｌ＝β×Ｑ

しかしながら、実際に測定対象物３２を置いて、その高さ及び長さを測定すると、高さ方向の誤差はほとんどないものの、長さ方向の誤差が大きいという問題があった。
これは、高さ較正値αは高さ方向に関係なく一定であるのに対し、長さ較正値βは高さ方向に対して変動するのにも関わらず特定の高さにおける値を用いているからである。
すなわち、任意の高さＨ_１とＨ_２にスケール３７を置いて撮像した場合、スケール３７の単位長Ｌ_０に対する画像上のピクセル数Ｑは、スケール３７が撮像カメラ３４に近づくほど大きくなるにもかかわらず、スケール３７を基準面３５に置いたとき、すなわち高さｈ＝０のときの長さ較正値をすべての高さにおける長さ較正値βとして用いているため、誤差が生じる。

測定対象物３２の寸法を測定するたびごとに、その上面にスケール３７を置いて長さ較正値βを求めれば誤差をなくすことができるが、寸法測定のたびごとにキャリブレーションし直さなければならないとなると極めて面倒であり、作業能率も低い。

そこで本発明は、測定対象物の寸法を測定するたびごとに、スケールを置いて長さ較正値を測定することなく、光切断線の長さを正確に測定できるようにすることを技術的課題としている。

この課題を解決するために、本発明は、測定対象物に照射されたスリット光による光切断線をその照射方向と異なる方向から撮像することにより、測定対象物と載置面との段差で偏位した光切断線の画像上の段差及び長さと、予め設定された高さ較正値及び長さ較正値に基づいて、測定対象物の高さ及び長さを測定する寸法測定方法において、前記長さ較正値を高さの関数として設定し、前記高さ較正値に基づいて測定対象物の高さが測定されたときに、その高さにおける長さ較正値を前記関数に基づいて算出し、算出された長さ較正値に基づいて光切断線の長さを測定することを特徴としている。

本発明の寸法測定方法によれば、長さ較正値が高さの関数として設定され、測定対象物の高さが測定されるたびに、その高さにおける正確な長さ較正値が算出されるので、光切断線に基づいて長さを測定するたびにスケールを用いてキャリブレーションしなくても、誤差なく正確に長さを測定することができるという効果を有する。

本例では、測定対象物の寸法を測定するたびごとに、スケールを置いて長さ較正値を測定することなく、光切断線の長さを正確に測定できるようにするという目的を達成するために、従来、高さに関係なく一定であった長さ較正値を、高さの関数として設定することとした。

図１は本発明に係る寸法測定方法を示す説明図、図２はその測定光学系を示す説明図、図３は較正値を設定する処理手順を示すフローチャート、図４は寸法測定の処理手順を示すフローチャート、図５〜図７は他の測定光学系を示す説明図である。

本発明の寸法測定方法で用いる測定光学系１を示し、載置面Ｂに置かれた測定対象物Ｗにスリット光となるラインレーザを照射するレーザ装置２と、ラインレーザによる光切断線３をその照射方向と異なる方向から撮像する撮像カメラ４と、撮像された画像に基づいて長さ及び高さを測定する画像処理装置５を備えている。

画像処理装置５では、載置面Ｂと測定対象物Ｗとの段差で偏位した光切断線３の画像上の段差Ｐ及び偏位部分３ｂの長さＱと、予め設定された高さ較正値α及び長さ較正値βに基づいて測定対象物Ｗの高さ及び長さを測定する。

この場合、寸法測定する前に、画像処理装置５で、予め高さ較正値α及び長さ較正値βを以下のように設定しておく。
まず、高さが異なる既知の第一基準面Ｓ_１及び第二基準面Ｓ_２に照射されたラインレーザの照射位置で、既知の高さｈ_２に対応する光切断線３の段差Ｐ_０と、光切断線３の形成位置（スリット光の照射位置）における既知の長さＬ_０に対応する光切断線３の長さを画像上のピクセル数で測定する。
本例では、測定対象物Ｗの載置面Ｂを第一基準面Ｓ_１とし、高さｈ_２の較正用ブロック６を第一基準面Ｓ_１に置くことによりその上面を第二基準面Ｓ_２とする。

この状態で、ラインレーザを照射させて光切断線３を撮像し、第一基準面Ｓ_１上の光切断線３ａと、第二基準面Ｓ_２上の光切断線３ｂの画像上の段差Ｐ_０をピクセル数で測定する。
また、第一基準面Ｓ_１に単位長Ｌ_０の目盛を設けたスケール（単位長スケール）８を置いて、ラインレーザの照射位置における単位長Ｌ_０に応じた画像上の長さＱ_１をピクセル数で測定し、第二基準面Ｓ_２となる較正用ブロック６の上面に同様のスケール（単位長スケール）７を形成してその単位長Ｌ_０に応じた画像上の長さＱ_２をピクセル数で測定しておく。
なお、スケール８としては、長さ較正値βの測定に影響を与えない厚さ（例えば本例では０.５ｍｍ程度）のスケールを用いる。

そして、これらのデータに基づき、高さ較正値αは次式により求められる。
α＝ｈ_２／Ｐ_０
これより、画像上で測定された段差Ｐに対する高さＨは次式で求められる。
Ｈ＝α×Ｐ

また、長さ較正値βを、高さｈの一次関数（直線近似式）として、次式のように設定する。
β＝ｆ（ｈ）＝ａｈ＋ｂ………………（１）
ａ，ｂ：定数
ここで、まず、第一基準面Ｓ_１上で測定した光切断線３の画像上の長さＱ_１、第二基準面Ｓ_２上で測定した光切断線３の画像上の長さＱ_２に基づいて、
β_１＝ｆ（ｈ_１）＝Ｌ_０／Ｑ_１……………（２）
β_２＝ｆ（ｈ_２）＝Ｌ_０／Ｑ_２……………（３）
とする。

式（１）〜（３）より、定数ａ、ｂを求めると式（１）は式（４）となる。
β＝［（β_２−β_１）／（ｈ_２−ｈ_１）］ｈ
＋［（ｈ_２−ｈ_１）β_２−（β_２−β_１）ｈ_２］／（ｈ_２−ｈ_１）……………（４）
ここで、第一基準面Ｓ_１の高さｈ_１を０と置けば、式（４）は次式で表される。
なお、ラインレーザの照射光軸ＯＡ_１と撮像光軸ＯＡ_２を第一基準面Ｓ_１上で交差させれば、画像上の中央水平線の高さを０と見なすことができるので高さ観察がしやくなる。
β＝［（β_２−β_１）／（ｈ_２）］ｈ＋β_１ ……………（５）
そして、高さＨにおける長さ較正値β_Ｈは、ｈ＝Ｈを代入して、次式で求められる。
β_Ｈ＝［（β_２−β_１）／（ｈ_２）］Ｈ＋β_１
これより、高さＨにおける光切断線３ｂの画像上の長さＱのときに測定対象物Ｗの長さＬは、
Ｌ＝β_Ｈ×Ｑ
で求められる。

以上が本発明の一例構成であって、次にその作用について説明する。
まず、高さｈの較正用ブロック６を用いて、高さ較正値α及び長さ較正値βの設定をおこなう。
図３は画像処理装置５における較正値α及びβの設定処理手順を示す。
まず、ステップＳＴＰ１では、載置面Ｂ（第一基準面Ｓ_１）に置かれたスケール８を撮像カメラ４で撮像し、その画像に基づいて高さｈ＝０のときのラインレーザ光照射位置におけるスケール８の単位長Ｌ_０に対応するピクセル数Ｑ_１を測定する。
次いで、ステップＳＴＰ２で、載置面Ｂに較正用ブロック６を置いて、その上面に形成されたスケール７を撮像し、高さｈ＝ｈ_２のときのラインレーザ光照射位置におけるスケール７の単位長Ｌ_０に対応するピクセル数Ｑ_２を測定する。
また、載置面Ｂと較正用ブロック６との高さｈ_２の段差で生ずる光切断線３ａ及び３ｂの段差Ｐ_０を測定する。
ステップＳＴＰ３ではこれらのデータに基づいて、高さ較正値αを設定すると共に、長さ較正値βを高さの関数として設定しておく。

図４は計測対象物Ｗについて高さ及び長さを測定する測定処理手順を示す。
まず、載置面Ｂに計測対象物Ｗを置き、ステップＳＴＰ１１でレーザ装置２からラインレーザを照射して、ステップＳＴＰ１２で撮像カメラ４により光切断線３を撮像する。
このとき、載置面Ｂと計測対象物Ｗの段差により光切断線３ａ及び３ｂが偏位して形成されるので、ステップＳＴＰ１３ではその段差Ｐ及び長さＱを画像上のピクセル数で測定する。

次いで、ステップＳＴＰ１４では、段差Ｐと高さ較正値αに基づき、計測対象物Ｗの高さＨ＝α×Ｐを算出し、これを所定の記憶領域に記憶する。
また、ステップＳＴＰ１５では、算出された高さに基づき長さ較正値β_Ｈを算出し、ステップＳＴＰ１６では、長さＱと算出された長さ較正値β_Ｈに基づき、計測対象物Ｗの長さＬ＝β_Ｈ×Ｑを算出し、これを所定の記憶領域に記憶する。
そして最後に、ステップＳＴＰ１７に移行し、記憶された高さＨ及び長さＬを表示させて測定が終了する。

本例の測定光学系１１は、図５に示すように、スリット光を照射するレーザ装置２及び光切断線を撮像する撮像カメラ４を固定したベース１２を任意の昇降機構１３で第一基準面Ｓ_１に対して所定量昇降可能に配し、あるいは、載置面Ｂを所定量昇降可能とすることにより、レーザ装置２及び撮像カメラ４が高さ方向に一体的に所定量相対移動できるように配されている。

そして、第一基準面Ｓ_１に対して、ベース１２を所定量降下させることにより、レーザ装置２と撮像カメラ４が一体的に降下するので、移動後の第一基準面Ｓ_１を第二基準面Ｓ_２とすれば、同様に長さ較正値βを高さの関数として設定することができる。
なお、高さ較正値αを設定する際に第一基準面Ｓ_１上に段差がないので、この場合は、第一基準面Ｓ_１に照射されたラインレーザの光切断線１４ａと、移動後の第二基準面Ｓ_２に照射されたラインレーザの光切断線１４ｂの画像を記憶して、二つの画像から段差Ｐ_０を読み取るようにすればよい。
また、具体的な処理手順については実施例１と同様である。

本例の測定光学系２１は、図６に示すように、撮像カメラ４の撮像光軸ＯＡ_２が測定対象物Ｗの載置面Ｂに対して傾斜している場合において、撮像光軸ＯＡ_２に直交する第一基準面Ｓ_１を形成した傾斜ブロック２２に、高さ（厚さ）Ｔの平行面２３を有する較正用ブロック２４を重ねてその上面を第二基準面Ｓ_２として長さ較正値βを設定する。

この場合、第一基準面Ｓ_１と及び第二基準面Ｓ_２にスケール２５を置いて撮像すると、スケール２５は撮像光軸ＯＡ_２に直交しているので、撮像カメラ４のピント合わせが容易であり、かつ、ラインレーザの照射位置に関係なく長さ較正値βが設定できるというメリットがある。

なお、ラインレーザの照射光軸ＯＡ_１及び撮像カメラ４の撮像光軸ＯＡ_２が載置面Ｂの垂線（Ｚ軸）に対して成す角を夫々θ_１、θ_２とすると、第一基準面Ｓ_１に対する第二基準面Ｓ_２の高さｈ_２は、次式で表わされる。
ｈ_２＝［ｃｏｓθ_１／ｃｏｓ（θ_１＋θ_２）］Ｔ

したがって、第一基準面Ｓ_１と第二基準面Ｓ_２の段差で生ずる偏位部分３ａの画像上の段差Ｐ_０とすると、高さ較正値αは、次式により求められる。
α＝ｈ_２／Ｐ_０
＝［ｃｏｓθ_１／ｃｏｓ（θ_１＋θ_２）］Ｔ／Ｐ_０
これより、画像上で測定された任意の段差Ｐにおける高さＨは次式で求められる。
Ｈ＝α×Ｐ
＝［ｃｏｓθ_１／ｃｏｓ（θ_１＋θ_２）］ＴＰ／Ｐ_０

本例の測定光学系３１は、図７に示すように、撮像カメラ４の撮像光軸ＯＡ_２が測定対象物Ｗの載置面Ｂに対して傾斜している場合において、撮像光軸ＯＡ_２に直交する第一基準面Ｓ_１を形成した傾斜ブロック３２を水平方向（Ｙ方向）に平行移動させることにより得られる斜面を第二基準面Ｓ_２としている。
この場合に、平行移動量ｄとすると、第一基準面Ｓ_１に対する第二基準面Ｓ_２の高さｈ_２’は、次式で表わされる。
ｈ_２’＝ｄ・ｓｉｎθ_２・ｃｏｓθ_１／ｃｏｓ（θ_１＋θ_２）

したがって、第一基準面Ｓ_１と第二基準面Ｓ_２の高さ変化で生ずる光切断線３の画像上の段差Ｐ_０とすると、高さ較正値αは、次式により求められる。
α＝ｈ_２’／Ｐ_０
＝（ｄ／Ｐ_０）ｓｉｎθ_２・ｃｏｓθ_１／ｃｏｓ（θ_１＋θ_２）
なお、この場合、第一基準面Ｓ_１上に段差がないので、第一基準面Ｓ_１に照射されたラインレーザの光切断線３と、移動後の第二基準面Ｓ_２に照射されたラインレーザの光切断線３の画像を記憶して、二つ画像から段差Ｐ_０を読み取るようにすればよい。
そして、任意の計測対象物Ｗを載置面Ｂに置いたときに計測された段差がＰだったときに、計測対象物Ｗの高さＨは次式で求められる。
Ｈ＝α×Ｐ
＝（ｄ・Ｐ／Ｐ_０）ｓｉｎθ_２・ｃｏｓθ_１／ｃｏｓ（θ_１＋θ_２）
また、長さ較正値βの算出方法及びその他の具体的な処理手順については実施例１と同様である。

なお、上述の実施例の説明では、二つの基準面Ｓ_１及びＳ_２の画像に基づいて測定された二つの長さ較正値β_１及びβ_２により高さｈをパラメータとする長さ較正値の関数β＝ｆ（ｈ）を設定する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、３以上の基準面の画像に基づいて測定された３以上の長さ較正値により高さをパラメータとする関数を設定する場合であっても良く、この場合、直線近似する場合に限らず曲線近似する場合であっても良い。

以上述べたように、本発明は、測定対象物に照射されたスリット光による光切断線をその照射方向と異なる方向から撮像することにより、測定対象物の高さ及び長さを測定する用途に適用することができる。

本発明に用いる寸法測定方法を示す説明図。その光線図を示す説明図。較正値を設定する処理手順を示すフローチャート。寸法測定の処理手順を示すフローチャート。他の測定光学系を示す説明図。他の測定光学系を示す説明図。他の測定光学系を示す説明図。従来の測定方法を示す説明図。

符号の説明

１、１１、２１、３１測定光学系
２レーザ装置
３光切断線
４撮像カメラ
５画像処理装置
Ｗ測定対象物
Ｂ載置面５
Ｓ_１第一基準面
Ｓ_２第二基準面
Ｐ段差
Ｑ長さ
α 高さ較正値
β 長さ較正値

Claims

測定対象物に照射されたスリット光による光切断線をその照射方向と異なる方向から撮像することにより、測定対象物と載置面との段差で偏位した光切断線の画像上の段差及び長さと、予め設定された高さ較正値及び長さ較正値に基づいて、測定対象物の高さ及び長さを測定する寸法測定方法において、
前記長さ較正値を高さの関数として設定し、前記高さ較正値に基づいて測定対象物の高さが測定されたときに、その高さにおける長さ較正値を前記関数に基づいて算出し、算出された長さ較正値に基づいて光切断線の長さを測定することを特徴とする寸法測定方法。
長さ較正値を高さの関数として設定する際に、高さが異なる複数の基準面のスリット光の照射位置における単位長スケールに対する画像上の長さに基づき、夫々の高さに対応した長さ較正値を測定し、各基準面の高さと各較正値に基づき高さをパラメータとする長さ較正値の関数を設定する請求項１記載の寸法測定方法。
長さ較正値を高さの関数として設定する際に、高さが異なる既知の第一及び第二基準面のスリット光の照射位置における単位長スケールに対する画像上の長さに基づき、夫々の高さに対応した長さ較正値を測定し、第一及び第二基準面の高さと各較正値に基づき高さをパラメータとする長さ較正値の直線近似式を設定する請求項２記載の寸法測定方法。
長さ較正値を高さの関数として設定する際に、測定対象物が載置される面を第一基準面とし、高さが既知の較正用ブロックを第一基準面に置くことによりその上面を第二基準面として、長さ較正値を求める請求項３記載の寸法測定方法。
上面に単位長スケールが形成された較正用ブロックを用いる請求項４記載の寸法測定方法。
撮像光軸が測定対象物を載置する面に対して傾斜している場合において、長さ較正値を高さの関数として設定する際に、撮像光軸に直交する第一基準面と、その第一基準面から上方へ既知の高さだけ平行移動した位置に配された第二基準面のスリット光の照射位置における単位長スケールに対する画像上の長さに基づき、夫々の高さに対応した長さ較正値を測定し、第一及び第二基準面の高さと各較正値に基づき高さをパラメータとする長さ較正値の直線近似式を設定する請求項２記載の寸法測定方法。
長さ較正値を高さの関数として設定する際に、撮像光軸に直交する前記第一基準面を形成した傾斜ブロックに、平行面を有する較正用ブロックを重ねてその上面を第二基準面とする請求項６記載の寸法測定方法。
長さ較正値を高さの関数として設定する際に、前記第一基準面が形成された傾斜ブロックを水平方向に平行移動させることにより得られる斜面を第二基準面とする請求項６記載の寸法測定方法。
長さ較正値を高さの関数として設定する際に、前記第一基準面に対して、スリット光を照射するレーザ装置と光切断線を撮像する撮像カメラとを高さ方向に一体的に所定量相対移動させたときの第一基準面を第二基準面とし、前記第一及び第二基準面のスリット光の照射位置における単位長スケールに対する画像上の長さに基づき、夫々の高さに対応した長さ較正値を測定し、第一及び第二基準面の高さと各較正値に基づき高さをパラメータとする長さ較正値の直線近似式を設定する請求項２記載の寸法測定方法。