JP2007147587A - 面歪の測定装置及び方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上の、観察可能なあらゆる点での面歪分布を、定量的に、また高速・高精度に測定および評価できる、面歪の測定装置及び方法を提供することを課題とする。
【解決手段】複数種の明暗パタン５を切替えて表示することが可能なパタン表示手段２と
、鏡面乃至半鏡面状の測定対象１表面上に写る、前記パタン表示手段に表示された複数の
明暗パタンの鏡像を、撮影する撮影手段３と、撮影された、複数の明暗パタンの鏡像画像
を画像処理して、測定対象表面の面歪分布を演算する面歪分布演算手段１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、面歪の測定装置及び方法に関し、詳しくは、鏡面乃至半鏡面の測定対象表面上の、観察可能なあらゆる場所における、面歪の分布を、光学的手段を用いて定量的に測定および評価する、面歪の測定装置及び方法に関するものである。
プレス成形・塗装後の自動車外板や塗装された建築用壁面パネル、あるいは平面ガラス鏡など、その表面が鏡面乃至半鏡面をなす工業製品は、表面に所謂「面歪」と呼ばれる波打ち状の歪みがあると、その歪量がたとえ微小であっても、写る背景像が「光てこ」の原理で大きく歪んで見えることにより、外観を著しく損い、品質上大きなダメージとなる。
上述の歪は、金属板をプレス成形‐組み立て‐塗装する等、一連の処理を行う途中のあらゆる段階で発生する。プレス成形においては、離型後の弾性変形によりプレス成形の対象となった成品の表面が変形し、歪が発生する危険性がある。また、プレス金型に鉄粉等の異物が付着した場合にも、プレス成形の対象となった成品に歪が発生する。また、プレス成形の途中でプレス成形の対象となった成品の一部に亀裂やシワが発生すると、同成品の張りが変化するため、歪が誘発される。組み立てにおいては、カシメや溶接により歪が発生する場合がある。塗装においては、焼付けによる熱変形や塗装ムラ、異物付着により、歪が発生する場合がある。
したがって、これら工業製品の材料の評価・品質作りこみ・品質検査など製品開発・製造の現場では、かねてより面歪分布の定量測定技術が望まれていた。
しかしながら、数100mmから数mのサイズの対象表面上の10μmから100μm程度の凹凸を、対象表面全面に亘って定量的に形状測定することは極めて難しい。敢えて言えば、従来、レーザ変位計に代表される非接触距離計を用いて、対象表面上をxy走査して微小な形状歪み分布を求める方法が知られてはいるが、あまりに測定時間がかかりすぎ、実用的な方法とはなりえていない。
これに対して、面歪を定性的にパタン観察する方法としては、従来より、対象表面上に写る、背景のストライプパタンやチェッカボードパタンの鏡像が、面歪によって歪んで見える現象を利用して、その歪みの程度から面歪を評価する方法が知られていた。
特許文献１に開示されている方法は、主に表面が鏡面塗装された建築用の大型パネルを対象とした定性的な面歪観察方法の一つであり、パネルに写った、線幅及び線間隔の異なる数種類のストライプパタンの内、所定の線幅・線間隔の閾値に対しての大小から、面歪の大小を判定しようとするものである。
また、特許文献２、特許文献３、特許文献４、または特許文献５などに開示された方法は、主にガラスの表面や内部の歪の観察方法として提案されたものであり、ストライプパタン乃至は格子パタンの、測定対象ガラス表面の反射像乃至はガラス内部の透過像を観察し、その歪み量・曲率・線幅・線間隔から歪を評価しようとするものである。
一方、特許文献６、特許文献７、または特許文献８では、上記の観察方法を一歩推し進めて、これを定量化しようとする試みが開示されている。これらの方式は、ストライプパタンやチェッカボードパタンのコントラストや位相ずれ乃至は生成されたモアレ縞が歪量によって変化することに着目して、これを定量化しようとするものである。
そして、特許文献９には、面歪測定とは多少目的を異にはするが、自動車ボディの半鏡面性の塗装面上の凹凸状の微小欠陥を感度良く検出する方法が開示されている。この方式は、スリット状の拡散照明光を走査し、測定対象表面に写ったスリットの鏡像が、対象表面上の各点を通過するタイミングを画像合成によって求め、その凹凸微小欠陥に起因するタイミングパタンの部分的な歪から、欠陥を検出しようとするものである。この方式は、面歪の観察にもトランスファ可能であり、対象の形状に対してロバストな観察方式を提供する。
特許文献１０には、点光源から、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを順次投影して、それを撮影し、画像処理して、粗い凹凸分布を求めるとともに、先のストライプ配列パタンのうちの、１つのストライプ配列パタンの中の、１組のストライプの明暗のカバーする範囲について、その１組のストライプと平行なスリットを、ストライプの延びる方向と直交する方向に走査させる処理を、全組のストライプについて同時に行って、しかも、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおけるそのスリット走査方向位置の座標の値を、画像全体にわたって捉え、最終的に、先述のストライプ配列パタンを順次表示して求めた粗い凹凸分布を、スリットを走査して求めた精細な凹凸分布で補完し、全体として精細な凹凸分布を求める方法が開示されている。
ここで、２値コードパタン投影法とは、図１５に示すように、複数種のストライプ配列パタン、例えば、全体を２のｎ乗等分して明暗交互に配列したストライプ配列パタンを順次投影し、位置に応じた、明暗の反転するパタンから、その位置を、対応する２進数として一時的に認識し、それを最終的に十進数に換算して認識する、位置認識法のことである。
例えば、図１５では、点光源１５から基準面２０へ、３次パタンまで順次投影したときのようすを示しているが、一番下の区分の左からｎ番目に対応した１０進数位置のうち、一番左の「７」に対応するものは、その上に表示されている明暗パタンのうち、１次パタンでは明「１」、２次パタンでは明「１」、３次パタンでも明「１」と対応する２進数として認識し、２２×１＋２２−１×１＋２２−２×１＝７、同様に、一番下の区分に対応した１０進数位置のうち、一番左から２番目の「６」に対応するものは、その上に表示されている明暗パタンのうち、１次パタンでは明「１」、２次パタンでも明「１」、３次パタンでは暗「０」と対応する２進数として認識し、２２×１＋２２−１×１＋２２−２×０＝６、同様に、一番下の区分に対応した１０進数位置のうち、一番左から３番目の「５」に対応するものは、その上に表示されている明暗パタンのうち、１次パタンでは明「１」、２次パタンでは暗「０」、３次パタンでは明「１」と対応する２進数として認識し、２２×１＋２２−１×０＋２２−２×１＝５、‥‥という具合である。
特開平11-153420号公報 特開昭60-119404号公報 特開平1-165907号公報 特開平3-135704号公報 特開平3-199946号公報 特開平7-20059号公報 特開平8-220021号公報 特開2004-251878号公報 特開2002-22665号公報 特開2005-3409号公報
しかしながら、特許文献２〜５に開示の技術では、歪の可視化がやっとであり、測定の定量性は保証されていなかった。
また、特許文献６〜８に開示の技術では、その測定結果は、投影したストライプパタンやチェッカボードパタンの明暗の影響を受けやすく、また観察可能領域がパタンの明暗のエッジ近傍に限定されていたり、平均化によって空間分解能の限界があったりと、その性能には自ずと限界があった。
そして、特許文献９に開示の技術では、１本のスリットの鏡像の走査であるために、測定時間が長く、また、タイミングのずれと面歪量との定量評価式が確立していないという点において、課題を残していた。
さらに、特許文献１０に開示の技術では、最大輝度を示すタイミングにおけるスリット走査方向の座標の値を、図１５中に示す角度θ内のどこか、をとらえて割り出すようにしているので、角度θの分解能の限界上、例えば人の顔面の起伏のような数mm程度以上の凹凸の定量的測定は容易に行い得るものの、例えば自動車の外板表面のような鏡面乃至半鏡面の数十μm程度のわずかな凹凸に相当する面歪分布の定量的測定は不可能であった。
しかも、プレス成形、部品取付、組み立て、塗装、熱処理、完成品検査のいずれか少なくとも一つを行う金属板の各処理において、面歪に由来した表面品質不具合の検査を行う場合、製造ラインを流れる成品を高速で検査する必要があるが、従来の技術では製造ラインを流れる成品の速度に対応できず、インラインでの検査が不可能であった。
本発明では、これら従来技術の問題点に鑑み、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上の、観察可能なあらゆる点での面歪分布を、定量的に、また高速・高精度に測定および評価できる、面歪の測定装置及び方法を提供することを課題とする。
本発明の請求項１に係る発明は、複数種の明暗パタンを切替えて表示することが可能なパタン表示手段と、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上に写る、前記パタン表示手段に表示された複数の明暗パタンの鏡像を、撮影する撮影手段と、撮影された、複数の明暗パタンの、鏡像画像を、画像処理して、測定対象表面の面歪分布を演算する面歪分布演算手段と、を備えたことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記撮影手段により撮影された、鏡像画像を、画像として表示可能な画像表示手段を備えたことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、画像処理の途中段階或いは最終段階における処理結果及び／又は面歪演算結果を表示可能な測定演算結果表示手段を備えることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記パタン表示手段は、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンと、最小ストライプ幅以上の範囲を走査する、１本のスリット複数本と、で明暗パタンを表示できるものであることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項５に係る発明は、請求項４に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記複数種のストライプ配列パタンは、ストライプ配列パタン全体を２のｎ乗等分して明暗交互に配列したものであることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項６に係る発明は、請求項４又は請求項５に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記複数本のスリットは、スリットの延びる方向と直交する方向に走査されることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項７に係る発明は、請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記複数種のストライプ配列パタン及び前記複数本のスリットに替えて、延びる方向が前記複数種のストライプパタン及び前記複数本のスリットと直交する方向の複数種のストライプパタン及び複数本のスリットを用いることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記パタン表示手段は、任意のパタンを投影可能なプロジェクタとスクリーンとからなることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項９に係る発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記パタン表示手段は、任意のパタンを表示可能なフラットディスプレイからなることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項１０に係る発明は、請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの鏡像画像から面歪分布を演算する面歪の測定装置であって、複数種のストライプ配列パタンの切替え表示中、前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、各画素に対応する測定対象表面上の座標の値を求め、前記各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、前記各画素に対応する測定対象表面上の座標の値と、から、測定対象表面全体の粗い面歪分布を求めることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、複数本のスリットを走査して得られる複数の鏡像画像から面歪分布を演算する面歪の測定装置であって、各画素ごとに、スリットの走査中、前記撮影手段の各画素が最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布を求め、該精細な面歪分布を画像表示することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項１２に係る発明は、請求項１１に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、２値コードパタン投影法用の、複数種のストライプ配列パタンの鏡像画像から求めた、測定対象表面全体の粗い面歪分布の演算結果を、複数本のスリットを走査して得られる複数の鏡像画像から求めた、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布で補完するとともに、測定対象表面全体の精細な面歪分布を求めることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項１３に係る発明は、請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、前記面歪分布演算手段が行う画像処理乃至面歪分布演算は、複数種のストライプ配列パタンの切替え表示中、前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるステップと、各画素ごとに、スリットの走査中、前記撮影手段の各画素が最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるステップと、それらを合成して、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値を求めるステップと、全画素に亘り、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、面歪分布を演算するステップと、前記ステップのうち１又は２以上のステップでの実行結果を画像表示するステップとを有することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項１４に係る発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、測定対象表面の傾きを2次微分処理することで表面傾きの変化率を算出し、面ひずみ発生位置および発生量を定量的に評価することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置である。
また本発明の請求項１５に係る発明は、任意のパタンが表示可能なパタン表示手段上に、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを表示する処理と、複数本のスリットをスリットの延びる方向と直交する方向に走査して表示する処理と、前記表示された複数種のストライプ配列パタンの、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上での鏡像を、撮影手段で撮影する処理と、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの、測定対象に写る鏡像画像を捉える前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、各画素に対応する測定対象表面上の座標の値を求め、前記各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、前記各画素に対応する測定対象表面上の座標の値と、から、測定対象表面全体の粗い面歪分布を求める処理と、各画素ごとに、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおける前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、あるいはさらに該データを画像表示するとともに、全画素について、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布を求める処理と、前記全体の粗い面歪分布の演算結果を、前記精細な面歪分布の演算結果で、補完することで、測定対象表面全体の精細な面歪分布を演算する処理と、を行うことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法である。
また本発明の請求項１６に係る発明は、任意のパタンが表示可能なパタン表示手段上に、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを表示する処理と、複数本のスリットをスリットの延びる方向と直交する方向に走査して表示する処理と、前記表示された複数種のストライプ配列パタンの、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上での鏡像を、撮影手段で撮影する処理と、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの、測定対象に写る鏡像画像を捉える前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求める処理と、各画素ごとに、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおけるスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求める処理と、それらを合成し、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値を求める処理と、全画素に亘り、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、測定対象表面全体の面歪分布を演算する処理と、前記各処理の途中段階及び／又は最終段階の実行結果を画像表示する処理と、を行うことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法である。
また本発明の請求項１７に係る発明は、請求項１５又は請求項１６に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法において、測定対象表面の傾きを2次微分処理することで表面傾きの変化率を算出し、面ひずみ発生位置および発生量を定量的に評価することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法である。
また本発明の請求項１８に係る発明は、金属板のプレス成形方法において、プレス成形後の金属板の面歪分布を、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置及び／又は請求項１５乃至請求項１７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法を用いて測定することを特徴とする金属板のプレス成形方法である。
さらに本発明の請求項１９に係る発明は、プレス成形、部品取付、組み立て、塗装、熱処理、完成品検査のいずれか少なくとも１つの金属板の処理による面歪に由来した表面品質不具合を、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置及び／又は請求項１５乃至請求項１７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法を用いて検査することを特徴とする金属成品の表面品質検査方法である。
本発明によれば、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上の、観察可能なあらゆる点での面歪分布を、定量的に、また高速・高精度に測定することが可能となり、プレス加工に供する素材金属板の開発などにおいて、素材金属板の加工性の評価、プレス成形用金型の劣化状況の評価、製品金属板の検査などを精度よく行うことができ、例えば、高性能の素材金属板や、その加工法の開発を行う上で、効率が上がるとともに、製品金属板の歩留り、品質の向上にも寄与する。
本発明は、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面に写った明暗パタンが面歪によって歪む現象を利用し、パタン表示手段（例えばスクリーン）に表示した複数の明暗パタンが測定対象表面で正反射したパタン、すなわち測定対象表面上に写った前記複数の明暗パタンの鏡像を、撮影手段（例えばテレビカメラ）を用いて撮影し、撮影した画像を画像処理して、測定対象表面の各点に対応するパタン表示手段（の表示面）上の点の座標を求め、以下に述べる測定原理に基いて面歪量を演算する。さらに、この演算を測定対象表面の、観察可能なあらゆる点について行うことにより、面歪分布を求めるものである。
図１は、本発明の測定原理を説明するための図である。先ずこの図を用いて本発明の測定原理を説明する。
本発明では、測定対象１の鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面に対し、片側に明暗パタンを表示可能なパタン表示手段として例えばスクリーン２を配置し、もう片側に、スクリーン２上の明暗パタンの、測定対象表面上の鏡像を観察可能な位置に、撮影手段として、例えばテレビカメラ３を配置して、その鏡像を観察する。
図１において、測定対象１の座標系を(x,y,z)とする。スクリーン２は、測定対象１の基準点Oから−y方向に距離l（Lの小文字）だけ離れた位置に垂直に立っているものとする。テレビカメラ３は、基準点Oに対して＋y方向に、投影距離にしてL離して配置されている。X−y面を水平面とみなして基準点Oからテレビカメラ３を見上げた仰角をαとし、基準点Oをテレビカメラ３で見たときのスクリーン２上の対応点をPとする。スクリーン２上の座標系は、P点を原点として(X,Z)で表すものとする。
このとき、測定対象表面上のA点の座標を(x,y,z)とし、A点における面歪の方向を示す単位ベクトル（正確には、面歪を生じている測定対象表面の法線方向の単位ベクトル、以下、面歪単位ベクトルという）Ｕを、図１内の［A点拡大図］に示すようにとったy軸に対する角度φ及びz軸に対する角度ξを用いて、Ｕ(sinξsinφ,sinξcosφ,cosξ)とすると、A点をテレビカメラ３で観察したときのスクリーン２上の対応点B点の座標(X,Z)は、幾何学的関係から、近似的に(1),(2)式の形に求まる。
測定対象表面上の各点について、その点のスクリーン上の対応点の座標が求められれば、(1),(2)式を変形して、面歪単位ベクトルのx方向の傾き（正確には、面歪単位ベクトルのx−z面への正射影がz軸となす角のタンジェント）sinφtanξ及びy方向の傾き（正確には、面歪単位ベクトルのy−z面への正射影がz軸となす角のタンジェント）cosφtanξは、それぞれ(3),(4)式の形で求められる。
(3),(4)式の計算にあたっては、(4)式右辺にzが含まれるから、測定対象表面上の各点の座標（x,y）に加えて、その点の凹凸形状の情報が必要である。この凹凸形状の情報（zの値）は、例えば特許文献１０に記載される方法により得ることができる。
ただし、図１において、M＝l／L＝1、すなわち、基準点O‐スクリーン間距離（l）＝基準点O‐テレビカメラ間投影距離（L）、となる配置形態を採用すると、(4)式右辺に含まれるzの係数(1−M)が０となって、測定対象表面の凹凸形状の影響がキャンセルされ、より簡略化された面歪演算式(5),(6)式が得られる。
上述の測定原理を実際に適用して測定対象表面上の面歪分布を求めるためには、テレビカメラで撮影可能な測定対象表面上の各点について、その点のスクリーン上の対応点の座標を求める手段が必要である。
この手段は、複数種の明暗パタンを切替えて表示することが可能なパタン表示手段と、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上に写る、前記パタン表示手段に表示された複数の明暗パタンの鏡像を、撮影する撮影手段と、撮影された、複数の明暗パタンの、鏡像画像を、画像処理して、測定対象表面の面歪分布を演算する面歪分布演算手段と、を備えた測定装置（本発明の請求項１に係る発明）により実現される。
図２は、本発明の実施の形態（その１）を示す図である。パタン表示手段は、プロジェクタ６からスクリーン２へ明暗パタン５を投影するよう構成されている（本発明の請求項8に係る発明）。スクリーン２上に投影された明暗パタン５は、そこから発して測定対象１の鏡面又は半鏡面状の表面で正反射することによって、その鏡像が測定対象１の表面に写される。この鏡像は、これを観察可能な位置に配置された撮影手段としてのテレビカメラ３で撮影される。プロジェクタ６及びテレビカメラ３は、パソコン（パーソナルコンピュータ）１０と接続されている。パソコン１０は、プロジェクタ６に複数種の明暗パタンを順次送るパタン投影部１０４と、テレビカメラ３による撮影画像を一時記憶する画像バッファ部１０３と、画像バッファ部１０３に一時記憶された撮影画像を画像処理して面歪分布を演算する面歪演算部１０２と、パタン投影部１０４、画像バッファ部１０３及び面歪演算部１０２の動作順序乃至動作時間を制御するシーケンスコントロール部１０１とを有する。よって、シーケンスコントロール部１０１の制御動作により、プロジェクタ６はスクリーン２へ複数種の明暗パタンを切替えて投影し、表示することが可能であり、また、面歪演算部１０２が面歪分布演算手段として動作することが可能である。
なお、プロジェクタ及びテレビカメラについては、前者は液晶やDLP(Digital Light Processing)、後者はCCD素子等を用いた機器により容易に実現できる。なお、DLPプロジェクタは、微小な鏡面DMD(Digital Micromirror Device)の反射角度制御により投影を行うもので、投影される明暗パタンの高速制御が可能である。これらの素子の画素数は、目的とする測定精度に応じて適宜選択することができる。例えば、プロジェクタは1024×768、テレビカメラは600×480等とすれば、本発明の目的には十分である。また、双方の精度のバランスの観点から、テレビカメラの画素数に対してプロジェクタの画素数を縦横それぞれ１〜２倍程度とすればよい。
図３は、本発明の実施の形態（その２）を示す図である。これは、実施の形態（その１）において、パタン表示手段として、プロジェクタ６及びスクリーン２に代えて、フラットディスプレイ４を用いたものである（本発明の請求項９に係る発明）。フラットディスプレイ４は、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等からなり、パタン投影部１０４から順次送られてくる複数種の明暗パタンを、自身のディスプレイ画面に順次表示することができる。
テレビカメラ３には、モニタテレビ（図示を省略した）を接続してもよく、これは、撮影された鏡像画像を画像として表示する画像表示手段として使用できる（本発明の請求項２に係る発明に対応）。また、パソコン１０に、専用ディスプレイ（図示を省略した）を接続してもよく、これは、前記モニタテレビと同様、前記鏡像画像を画像として表示する画像表示手段として使用できる（本発明の請求項２に係る発明に対応）と共に、画像処理の途中段階或いは最終段階における処理結果及び／又は面歪演算結果を表示する測定演算結果表示手段として使用できる（本発明の請求項３に係る発明に対応）。
なお、図１〜図３では、パタン表示手段の表示面をy軸に対して直交させた配置形態とした場合を例に挙げて説明したが、前記表示面は必ずしもy軸に対して直交させる必要はなく、例えば図１４に本発明の実施の形態（その３）として示すような、テレビカメラ３の光軸が測定対象１の表面で正反射したと考えた場合の仮想的な光軸に対し、フラットディスプレイ４の表示画面を直交させる配置形態とした場合や、あるいはこれら以外の適宜の配置形態とした場合においても、それぞれの配置形態に対応した幾何学的関係から、前記(1)〜(6)式と類似した形の面歪演算式（画像表示手段、撮影手段、測定対象を置く基準面、の幾何学的関係式）を導くことができ、それらを用いて面歪を演算することが可能である。
パタン表示手段で表示する明暗パタンとしては、例えば前述の簡略化された(5),(6)式による面歪分布演算を可能とするために、スクリーン上（あるいはフラットディスプレイ画面上）の原像位置座標(X,Z)と、測定対象表面上の座標(x,y,z)と、テレビカメラで撮影した鏡像位置座標(x',y')との対応付けが幾何学的関係から可能なようにコード化されたものであれば何でもよい。
例えば、図４に示すような、スポットパタンのラスタ走査により形成される明暗パタンでもよい。鏡像位置座標は、該鏡像を表示する画面の画素アドレスと対応するから、この場合、スポットパタン走査中、ある画素アドレスの画素の輝度が最大となった時点の当該スポットパタンの表示位置を、その画素アドレスの画素のもつデータとすることにより、原像位置座標(X,Z)と鏡像位置座標(x',y')との対応付けが可能である。
また、例えば、図５（ａ）に示すような、横（X方向）に延びるスリット７（横スリット）の縦方向走査と、図５（ｂ）に示すような、縦（Z方向）に延びるスリット７（縦スリット）の横方向走査との、組合せにより形成される明暗パタンでもよい。この場合、横スリットの縦方向走査中、ある画素アドレスの画素の輝度が最大となった時点の当該横スリットの原像位置座標Zを、その画素アドレスの画素のもつデータとすることにより、原像位置座標Zと鏡像位置座標y'との対応付けが可能である。一方、縦スリットの横方向走査中、ある画素アドレスの画素の輝度が最大となった時点の当該縦スリットの原像位置座標X、をその画素アドレスの画素のもつデータとすることにより、原像位置座標Xと鏡像位置座標x'との対応付けが可能である。
もっとも、図４、図５の明暗パタンは、パタン表示手段の表示領域全体を走査するのに時間がかかる。
そこで、複数本のスリットを平行かつ等間隔に配列したいわゆるマルチスリットを用いると、走査時間を短縮できる。しかし、ここで一つ問題があり、マルチスリットでは、複数本のスリット同士の区別をつけるのが難しい。特に、面歪が大きい場合、鏡像は大きく歪むため、マルチスリットだと、鏡像上のどのスリット像が、原像上のどのスリットに対応するのか、わからなくなってしまうことも少なくない。そうなると、原像位置座標(X,Z)と鏡像位置座標(x',y')との対応付けは、スリットで区分された範囲内でしか、信頼性が保証されない。
そういう場合にも対処できるようにするため、前述の、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを、本発明における明暗パタンとして用いるようにすることもできる。これによれば、表示領域全体にわたって順次切替え表示される異なる複数種のストライプ配列パタンの種類と表示順序との組合せにより、その表示領域内のストライプ延長方向と直交する方向の最小ストライプ幅区間上のどの区間内にある位置かがわかるように２値コード化された、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを用いるが、該２値コードは、異なる複数種のストライプ配列パタンの順次切替え表示中の、各画素アドレスの画素における「明」（１）と「暗」（０）の現出順序に対応するので、前記順次切り替え中、各画素アドレスの画素における「明」（１）と「暗」（０）の現出順序を記憶しておき、この記憶結果を２値コード化し、これをその画素のデータとする画像処理を、ストライプ延長方向に直交する方向をX方向とした場合とZ方向とした場合との両方について実行することにより、原像位置座標(X,Z)と鏡像位置座標(x',y')との粗い対応付けが可能である。
ここで粗い対応付けと述べたのは、上記２値コードパタン投影法では、複数種のストライプ配列パタンうちの最小ストライプ幅が原像位置座標(X,Z)の最小単位となり、また、ストライプ境界部が明暗いずれに属するかの判定が難しいことから最小ストライプ幅をさほど小さくできないため、分解能が低いという欠点があるためである。
ここで、ストライプ幅とは、ストライプの明暗１組のうちの片方の領域の幅を指すものとし、最小ストライプ幅とは、明暗片方の領域の幅のうち、狭い方を指すことを意味する。
一方、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを、前記マルチスリット走査と組み合わせた明暗パタンも知られている（特許文献１０参照）。これによれば、複数種のストライプ配列パタンのうちの最小ストライプ幅の各区分を、マルチスリット内のスリットの１本ずつで同時に走査することにより、各区分内でのさらに精細な位置を短時間で認識することができ、原像位置座標(X,Z)と鏡像位置座標(x',y')とのさらに精細な対応付けが可能である。
そこで、本発明では、複数種の明暗パタンとして、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンと、最小ストライプ幅以上の範囲を走査する複数本のスリットとを用いることが好ましい（本発明の請求項４に係る発明に対応）。
この場合、画像処理の簡便さの観点から、複数種のストライプ配列パタンは、ストライプ配列パタン全体を２ｎ等分して明暗交互に配列したものが好ましい（本発明の請求項５に係る発明に対応）。また、複数本のスリット（マルチスリット）は、スリットの延びる方向と直交する方向に走査されることが好ましい（本発明の請求項６に係る発明に対応）。
このような明暗パタンの一例として、左右方向（X方向）に延びる、５種類のストライプ配列パタン及び１種類のマルチスリットを、図６に示す。ストライプ配列パタンは、ストライプ配列パタン全体を２ｎ等分して明暗交互に配列したものであり、この例ではｎ＝１〜５としている。すなわち、ｎ＝１，２，３，４，５がそれぞれ図６中の左側の1/2,1/4,1/8,1/16,1/32と記した５種類のパタンに対応する。これら５種類のストライプ配列パタンは順次切替えて表示されるので、鏡像画像上のy座標（鏡像位置座標y）とパタン表示手段上のZ座標（原像位置座標Z）との粗い対応付け（２値コード区分間での対応付け）が可能である。
一方、マルチスリットは、図６中の右端に示されるように、複数本のスリットが、そのスリット間隔を前記最小ストライプ幅（1/32のストライプ配列パタンのストライプ幅）のピッチで配列されてなる。なお、1/32のストライプ配列パタンまでを投影するのは、一義的なものではなく、面歪が大きい場合、それ以前に鏡像上のどのストライプが原像上のどのストライプに対応するのかわからなくなってしまう場合もあるので、何処まで最小ストライプ幅を小さくしたものを表示して投影するかは、人為判断などで適宜調整してよい。
このマルチスリットは、スリットの延びる方向と直交する方向に最小ストライプ幅のピッチを維持しつつ、最小ストライプ幅以上、好ましくは最小ストライプ幅よりもやや大きく、最小ストライプ幅の１．３倍以下、で走査する。最小ストライプ幅よりもやや大きく走査するのが好ましい理由は、境界が確実に走査され、同部の面歪の測定が確実に行えるからである。この例では、スリットの１本ずつが前記最小ストライプ幅の各区分を走査するので、前記最小ストライプ幅の各区分に対応する同一２値コード区分内での、鏡像位置座標yと原像位置座標Zとの精細な対応付けが可能である。
また、面歪分布の測定方向を、互いに直交する二方向にとる場合、後で行う一方向の測定では、先に行った他方向の測定に用いた複数種のストライプ配列パタン、及びマルチスリットに替えて、延びる方向が前記複数種のストライプパタン及び前記複数本のスリットと直交する方向の複数種のストライプパタン及び複数本のスリットを用いると好ましい（本発明の請求項７に係る発明に対応）。
その一例として、図１０には、図６に示した各ストライプ配列パタン及びマルチスリットに替えて、上下方向に延びるストライプ配列パタンとマルチスリットを示した。これによれば、図６の説明において、yに替えてxとし、Zに替えてXとした説明が成り立つから、鏡像位置座標xと原像位置座標Xとの粗い対応付けが可能であり、かつ、最小ストライプ幅の各区分に対応する同一２値コード区分内での、鏡像位置座標xと原像位置座標Xとの精細な対応付けが可能である。
なお、図６のものに替えて図１０のものを用いる場合は、替える前と後のストライプ配列パタン種類数及びスリット本数は同じであるが、これに限らず、替える前と後のストライプ配列パタン種類数及び／又はスリット本数は相異してもかまわない。
複数の明暗パタンとして、例えば図６、図１０のような、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタン、並びに、最小ストライプ幅以上の範囲を走査する複数本のスリットを用いる場合、面歪分布測定手段による画像処理乃至面歪分布演算の仕方は、例えば、次のように設定するのが好ましい。
(A1) 複数種のストライプ配列パタンの切替え表示中、前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、各画素に対応する測定対象表面上の座標の値を求め、前記各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、前記各画素に対応する測定対象表面上の座標の値と、から、測定対象表面全体の（２値コード区分間の）粗い面歪分布を求める（本発明の請求項１０に係る発明に対応）。
(A2) 複数本のスリットを走査して得られる複数の鏡像画像から面歪分布を演算する面歪の測定装置であって、各画素ごとに、スリットの走査中、前記撮影手段の各画素が最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、最小ストライプ幅以上の範囲（２値コード区分内、ただし区分間の区別は、先述(A1)の複数種のストライプ配列パタンの切替え表示以降の一連の処理にて得られた結果に基づいてつけるのが好ましい）の精細な面歪分布を求め、該精細な面歪分布を画像表示する（本発明の請求項１１に係る発明に対応）。
(A3) (A1)で求めた測定対象表面全体の粗い面歪分布の演算結果を、(A2)で求めた精細な面歪分布で補完するとともに、測定対象表面全体の精細な面歪分布を求める（本発明の請求項１２に係る発明に対応）。最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるのは、例えば、次に述べる本発明の請求項１３に係る発明とも関係するが、パタン表示手段上、横方向の画素数が1024であったとし、撮影手段のある画素において、最大輝度を示したのがパタン表示手段上の第512番目の画素であったとした場合、これを、面歪の状態を白黒画像で示すのに、白黒の階調の丁度中間である灰色で示せる、など、場所によって最大輝度を示す走査方向位置が異なることを利用して、各場所における面歪の測定対象表面全体での相対的な大きさなどを求めるのに好都合である、などの利点がある。
また、最終的な、測定対象表面全体の精細な面歪分布のみを求めたい場合、(A1)及び(A2)での面歪分布演算ステップを省略することも可能であり、画像処理乃至面歪分布演算の仕方を、例えば次のように設定してもよい。
(B)前記面歪分布演算手段が行う画像処理乃至面歪分布演算は、複数種のストライプ配列パタンの切替え表示中、前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるステップと、各画素ごとに、スリットの走査中、前記撮影手段の各画素が最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるステップと、それらを合成して、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値を求めるステップと、全画素に亘り、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、面歪分布を演算するステップと、前記ステップのうち１又は２以上のステップでの実行結果を画像表示するステップとを有する（本発明の請求項１３に係る発明に対応）。
面歪分布測定手段による画像処理乃至面歪分布演算の仕方を前記(A1)〜(A3)に設定した測定装置を用いる場合、面歪の測定方法は、下記の一連の処理(AS1〜AS6)を行うものとすればよい（本発明の請求項１５に係る発明に対応）。
(AS1) 任意のパタンが表示可能なパタン表示手段上に、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを表示する処理。
(AS2) 複数本のスリットをスリットの延びる方向と直交する方向に走査して表示する処理。
(AS3) 前記表示された複数種のストライプ配列パタンの、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上での鏡像を、撮影手段で撮影する処理。
(AS4) ２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの、測定対象に写る鏡像画像を捉える前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、各画素に対応する測定対象表面上の座標の値を求め、前記各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、前記各画素に対応する測定対象表面上の座標の値と、から、測定対象表面全体の粗い面歪分布を求める処理。
(AS5) 各画素ごとに、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおける前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、あるいはさらに該データを画像表示するとともに、全画素について、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布を求める処理。
(AS6) 前記全体の粗い面歪分布の演算結果を、前記精細な面歪分布の演算結果で、補完することで、測定対象全体の精細な面歪分布を演算する処理。
また、面歪分布測定手段による画像処理乃至面歪分布演算の仕方を前記(B)に設定した測定装置を用いる場合、面歪の測定方法は、下記の処理を行うものとすればよい（本発明の請求項１６に係る発明に対応）。
(BS1) 任意のパタンが表示可能なパタン表示手段上に、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを表示する処理。
(BS2) 複数本のスリットをスリットの延びる方向と直交する方向に走査して表示する処理。
(BS3) 前記表示された複数種のストライプ配列パタンの、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上での鏡像を、撮影手段で撮影する処理。
(BS4) ２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの、測定対象に写る鏡像画像を捉える前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求める処理。
(BS5) 各画素ごとに、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおけるスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求める処理。
(BS6) (BS4)で求めた座標の値と(BS5)で求めた座標の値を合成し、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値を求める処理と、全画素に亘り、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、測定対象表面全体の面歪分布を演算する処理。
(BS7) 前記各処理の途中段階及び／又は最終段階の実行結果を画像表示する処理。
また、測定対象表面の傾きを2次微分処理することで表面傾きの変化率を算出し、面ひずみ発生位置および発生量を定量的に評価する（本発明の請求項１４または１７に係る発明に対応）。
具体的には、断面形状の一次微分値、すなわち面の傾きを前記(５),(６)式にて求め、それらを曲線近似する。さらに、近似した曲線を微分し、傾き変化値(二次微分値)を算出する。二次微分値算出を断面すべてに繰り返し、面全体の二次微分値分布を得る。図１６は、断面形状と二次微分値を対応させた例を示す図である。二次微分値が負の値で極小値になっている部分(図中、実線の丸で囲った位置)では、断面形状が凸曲面であり、反対に、二次微分値が正の値で極大値になっている部分(図中、破線の丸で囲った位置)では、断面形状が凹曲面であることが判る。このように二次微分値を求めることによって、面の凹凸変化すなわち面歪発生位置および発生量を定量的に評価できる。なお、近似曲線を用いるのは、デジタル値をそのまま用いてデジタル微分を行うことも可能であるが、その際生ずるデジタルノイズの低減を図るためである。
また、金属板のプレス成形方法において、上述の本発明に係る測定装置及び／又は測定方法を用いて、プレス成形後の金属板の面歪分布を測定する金属板のプレス成形方法によれば、本発明の効果が最もよく顕現するので、当該プレス成形方法も本発明範囲内とする（本発明の請求項１８に係る発明に対応）。
また、プレス成形、部品取付、組み立て、塗装、熱処理、完成品検査のいずれか少なくとも一つの金属板の処理による面歪に由来した表面品質不具合を、上述の本発明に係る測定装置及び／又は測定方法を用いて検査する金属成品の表面品質検査方法によれば、従来の技術では対応できなかった、製造ラインを流れる成品の速度にも十分対応でき、インラインでの検査が可能となると共に、検査精度及び検査能率を飛躍的に向上させることができるので、当該表面品質検査方法も本発明範囲内とする（本発明の請求項１９に係る発明に対応）。
上記各本発明によれば、特許文献１０のように、角度θの分解能の限界からくる制約が解消され、パタン表示手段と撮影手段の画素の精細さ次第で、例えば自動車の外板表面のような鏡面乃至反鏡面の数十μm程度のわずかな凹凸に相当する面歪分布の定量的測定および評価が可能になる。
以下、本発明の実施例の一つを実施例１として開示する。本実施例１では、図２に示した測定装置を用い、自動車用鋼板をプレス成形後、塗装したサンプルを測定対象として、本発明の請求項１６に係る発明の測定方法により、面歪分布を測定した。測定方向は、y方向及びx方向（図１参照）の二方向とした。y方向の測定には図６、x方向の測定には図１０の明暗パタンを用いた。測定装置は図１においてl＝Lになる配置形態とし、面歪演算式は、x方向には(5)式、y方向には(6)式を用いた。プロジェクタは画素数1024×768のDLPプロジェクタ、テレビカメラは画素数600×480のCCDテレビカメラを用いた。
はじめにy方向の測定を行った。まず、図６のストライプパタン切替え（コードパタン投影）を行い、次いでマルチスリット走査を行い、スクリーン上に表示した明暗パタンが測定対象表面上に写った鏡像を、テレビカメラで撮影した（前記(BS1),(BS2),(BS3)の処理）。撮影された鏡像画像を、図７に示す。
コードパタン投影及びその鏡像撮影時に(BS4),(BS7)の処理を行い、マルチスリット走査及びその鏡像撮影時に(BS5),(BS7)の処理を行った。(BS4)の処理で求められた、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値（Z方向の粗い位置座標に対応）を全画素について明暗で表した表示画像を、図８（ａ）に示す。(BS5)の処理で求められた、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値（Z方向の粗い位置座標の区分内での精細な位置座標に対応）を全画素について明暗で表した表示画像を、図８（ｂ）に示す。
さらに、(BS6),(BS7)の処理を行った。(BS4)の処理で求められた、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、(BS5)の処理で求められた、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値とを合成したもの（Z方向の精細な位置座標に対応）を全画素について明暗で表した表示画像を、図８（ｃ）に示す。なお、この合成時にノイズ処理（ノイズを除去する処理）を行った。このようなノイズ処理を行う場合も本発明に含まれる。かくして精細に対応付けられたyとZの値の組を(6)式に適用し、測定対象表面全体に亘りy方向の面歪（cosφtanξ）分布を演算した。その結果を明暗で表した表示画像を、図９に示す。
次にx方向の測定を行った。まず、図１０のストライプパタン切替え（コードパタン投影）を行い、次いでマルチスリット走査を行い、スクリーン上に表示した明暗パタンが測定対象表面上に写った鏡像を、テレビカメラで撮影した（(BS1),(BS2),(BS3)の処理）。撮影された鏡像画像を、図１１に示す。
コードパタン投影及びその鏡像撮影時に(BS4)の処理を行い、マルチスリット走査及びその鏡像撮影時に(BS5)の処理を行い、さらに、(BS6),(BS7)の処理を行った。(BS4)の処理で求められた、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、(BS6)の処理で求められた、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値とを合成したもの（X方向の精細な位置座標に対応）を全画素について明暗で表した表示画像を、図１２に示す。
なお、この合成時にノイズ処理（ノイズを除去する処理）を行った。かくして精細に対応付けられたxとXの値の組を(5)式に適用し、測定対象表面全体に亘りx方向の面歪（sinφtanξ）分布を演算した。その結果を明暗で表した表示画像を、図１３に示す。
以上の実施例１からもわかるように、本発明によれば、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上の、観察可能なあらゆる点での面歪分布を、定量的に、また、高速・高精度に測定することが可能である。
次に、本発明の実施例の一つを実施例２として開示する。本実施例２では、図２に示した測定装置を用い、自動車用鋼板をプレス成形後、塗装したサンプルを測定対象として、本発明の請求項１４に係る発明の測定方法により、２次微分処理することで表面傾きの変化率(＝曲率)を算出し、面歪発生位置および発生量を定量的に評価した。
図１７は、本実施例２における全体処理フローを示す図である。図中、一点鎖線より上の処理は上記実施例１と同じであり、一点鎖線より下の処理(Step115〜Step117)が、新たに加わっている。
Step101〜Step106の処理は前述の粗い対応付けを、Step107〜Step112の処理は前述の精細な対応付けをそれぞれ行い、Step113およびStep114により、面の傾きすなわち断面形状の一次微分値(以下、TRiDY値とも称する)を算出する。
そして、Step115にて、断面ごとに面の傾き分布を曲線近似する。図１８は、断面形状の一次微分値についての近似曲線の例を示す図である。(a)は、ドア取手部周辺の面傾き分布を、(b)は、断面Ａ−ＡＡでのTRiDY値と近似曲線を示す図である。
この例では、TRiDY値の近似曲線f’(x)として、以下の(7)式を最小２乗法を用いて求めている。近似範囲を、面ひずみ官能評価結果と最も合う50mmにとれば、図１８(b)に示すように良い近似ができていることが分る。なお、近似曲線の例として、最小２乗法を用いた多項式の例を示したが、本発明はこれに限られるものでない。
Step116では、(7)式で求めたTRiDY値の近似曲線f’(x)をさらに、以下の(8)式のように微分して、２次微分値(曲率) f''(x)を求める。この処理をすべての断面に対して繰り返し、面の２次微分値分布を求める。
そして、最終的に２次微分値のカラー(または濃淡)マップを表示(Step117)して処理を終了する。図１９は、実験と本発明による面ひずみ評価結果の比較を示す図である。図は、材質の異なる２種の鋼板について、それぞれ左側に実験によるゼブラ表示と、右側に本発明を適用した結果を、対比できるように示している。
ゼブラ観察では、白と黒の直線状ストライプをもった光源を塗装したプレス品に写し込む（ゼブラ表示）ことにより、面ひずみによる外観不良を評価するものである。写り込んだ平行線が歪んで見える場合、面ひずみが発生していると判断でき、ドア取手部との境界の丸く囲んだ部分に歪が確認できる。
これに対して、本発明では、２次微分値のカラー(または濃淡)マップにより、面歪発生位置および発生量を定量的に評価できるが、ゼブラ観察で面ひずみが発生していると観察された部分と同じ個所に面ひずみが発生しているとその濃淡マップから確認できる。
以上の実施例２からもわかるように、本発明によれば、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上の、観察可能なあらゆる点での面歪分布を、定量的に、また、高速・高精度に測定することができるとともに、測定対象表面の傾きを2次微分処理することで表面傾きの変化率を算出し、面ひずみ発生位置および発生量を定量的に評価することが可能である。
本発明の測定原理を説明するための図である。 本発明の実施の形態（その１）を示す図である。 本発明の実施の形態（その２）を示す図である。 明暗パタンの一種であるスポットパタンラスタ走査について説明するための図である。 明暗パタンの一種である１本のスリット走査について説明するための図である。 本発明に用いられる明暗パタンのうち、左右方向に延びるストライプ配列パタン切替及びマルチスリット走査を示す図である。 図６の明暗パタンを用いたストライプ配列パタン切替に対応するコードパタン投影の各段階、及びマルチスリット走査の各段階での、測定対象表面上に写った明暗パタンの鏡像の撮影画像を示す図である。 （ａ）は図７のコードパタン投影の各段階での撮影画像を画像処理して得られた画素のもつデータ（Z方向の粗い位置座標に対応）を明暗で表した表示画像を示す図、（ｂ）は図７のマルチスリット走査の各段階での撮影画像を画像処理して得られた画素のもつデータ（Z方向の粗い位置座標の区分内での精細な位置座標に対応）を明暗で表した表示画像を示す図、（ｃ）は（ａ）及び（ｂ）の画素のもつデータを合成してなる画素のもつデータ（Z方向の精細な位置に対応）を明暗で表した表示画像を示す図である。 図８（ｃ）からy方向の面歪分布を演算した結果を明暗で表した表示画像を示す図である。 本発明に用いられる明暗パタンのうち、上下方向に延びるストライプ配列パタン切替及びマルチスリット走査を示す図である。 図１０の明暗パタンを用いたストライプ配列パタン切替に対応するコードパタン投影の各段階、及びマルチスリット走査の各段階での、測定対象表面上に写った明暗パタンの鏡像の撮影画像を示す図である。 図１１のコードパタン投影の各段階での撮影画像を画像処理して得られた画素のデータ（X方向の粗い位置に対応）及び図１１のマルチスリット走査の各段階での撮影画像を画像処理して得られた画素のもつデータ（X方向の粗い位置の区分内での精細な位置に対応）を合成してなる画素のもつデータ（X方向の精細な位置に対応）を明暗で表した表示画像を示す図である。 図１２の画素のもつデータからx方向の面歪分布を演算した結果を明暗で表した表示画像を示す図である。 本発明の実施の形態（その３）を示す図である。 ２値コードパタン投影法の原理を説明するための図である。 断面形状と二次微分値を対応させた例を示す図である。 実施例２における全体処理フローを示す図である。 断面形状の一次微分値についての近似曲線の例を示す図である。 実験と本発明による面ひずみ評価結果の比較を示す図である。
符号の説明
１ 測定対象
２ スクリーン（パタン表示手段；プロジェクタと併用される）
３ テレビカメラ（撮影手段）
４ フラットディスプレイ（パタン表示手段）
５ ストライプ配列パタン（明暗パタン）
６ プロジェクタ（パタン表示手段；スクリーンと併用される）
７ スリット（明暗パタンの明部）
１０ パソコン（面歪分布演算手段）
１５ 点光源
２０ 基準面
１０１ シーケンスコントロール部
１０２ 面歪演算部
１０３ 画像バッファ部
１０４ パタン投影部

Claims (19)

  1. 複数種の明暗パタンを切替えて表示することが可能なパタン表示手段と、
    鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上に写る、前記パタン表示手段に表示された複数の明暗パタンの鏡像を、撮影する撮影手段と、
    撮影された、複数の明暗パタンの、鏡像画像を、画像処理して、測定対象表面の面歪分布を演算する面歪分布演算手段と、
    を備えたことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  2. 請求項１に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記撮影手段により撮影された、鏡像画像を、画像として表示可能な画像表示手段を備えたことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    画像処理の途中段階或いは最終段階における処理結果及び／又は面歪演算結果を表示可能な測定演算結果表示手段を備えることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記パタン表示手段は、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンと、最小ストライプ幅以上の範囲を走査する、１本のスリット複数本と、で明暗パタンを表示できるものであることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  5. 請求項４に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記複数種のストライプ配列パタンは、ストライプ配列パタン全体を２のｎ乗等分して明暗交互に配列したものであることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  6. 請求項４又は請求項５に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記複数本のスリットは、スリットの延びる方向と直交する方向に走査されることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  7. 請求項４乃至請求項６のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記複数種のストライプ配列パタン及び前記複数本のスリットに替えて、延びる方向が前記複数種のストライプパタン及び前記複数本のスリットと直交する方向の複数種のストライプパタン及び複数本のスリットを用いることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記パタン表示手段は、任意のパタンを投影可能なプロジェクタとスクリーンとからなることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記パタン表示手段は、任意のパタンを表示可能なフラットディスプレイからなることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  10. 請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    ２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの鏡像画像から面歪分布を演算する面歪の測定装置であって、複数種のストライプ配列パタンの切替え表示中、前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、各画素に対応する測定対象表面上の座標の値を求め、前記各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、前記各画素に対応する測定対象表面上の座標の値と、から、測定対象表面全体の粗い面歪分布を求めることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  11. 請求項１０に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    複数本のスリットを走査して得られる複数の鏡像画像から面歪分布を演算する面歪の測定装置であって、各画素ごとに、スリットの走査中、前記撮影手段の各画素が最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布を求め、該精細な面歪分布を画像表示することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  12. 請求項１１に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    ２値コードパタン投影法用の、複数種のストライプ配列パタンの鏡像画像から求めた、測定対象表面全体の粗い面歪分布の演算結果を、複数本のスリットを走査して得られる複数の鏡像画像から求めた、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布で補完するとともに、測定対象表面全体の精細な面歪分布を求めることを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  13. 請求項４乃至請求項９のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    前記面歪分布演算手段が行う画像処理乃至面歪分布演算は、複数種のストライプ配列パタンの切替え表示中、前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるステップと、各画素ごとに、スリットの走査中、前記撮影手段の各画素が最大輝度を示すタイミングにおける、前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求めるステップと、それらを合成して、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値を求めるステップと、全画素に亘り、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、面歪分布を演算するステップと、前記ステップのうち１又は２以上のステップでの実行結果を画像表示するステップとを有することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置において、
    測定対象表面の傾きを2次微分処理することで表面傾きの変化率を算出し、面ひずみ発生位置および発生量を定量的に評価することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置。
  15. 任意のパタンが表示可能なパタン表示手段上に、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを表示する処理と、
    複数本のスリットをスリットの延びる方向と直交する方向に走査して表示する処理と、
    前記表示された複数種のストライプ配列パタンの、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上での鏡像を、撮影手段で撮影する処理と、
    ２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの、測定対象に写る鏡像画像を捉える前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、各画素に対応する測定対象表面上の座標の値を求め、前記各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値と、前記各画素に対応する測定対象表面上の座標の値と、から、測定対象表面全体の粗い面歪分布を求める処理と、
    各画素ごとに、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおける前記パタン表示手段上のスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求め、あるいはさらに該データを画像表示するとともに、全画素について、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、最小ストライプ幅以上の範囲の精細な面歪分布を求める処理と、
    前記全体の粗い面歪分布の演算結果を、前記精細な面歪分布の演算結果で、補完することで、測定対象表面全体の精細な面歪分布を演算する処理と、を行うことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法。
  16. 任意のパタンが表示可能なパタン表示手段上に、２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンを表示する処理と、
    複数本のスリットをスリットの延びる方向と直交する方向に走査して表示する処理と、
    前記表示された複数種のストライプ配列パタンの、鏡面乃至半鏡面状の測定対象表面上での鏡像を、撮影手段で撮影する処理と、
    ２値コードパタン投影法用の複数種のストライプ配列パタンの、測定対象に写る鏡像画像を捉える前記撮影手段の各画素ごとに、その画素における明と暗の現出順序を記憶し、該現出順序の記憶結果に対応する前記パタン表示手段上の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求める処理と、
    各画素ごとに、スリットの走査中、各画素が最大輝度を示すタイミングにおけるスリットの走査方向位置の座標の値を、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値として求める処理と、
    それらを合成し、各画素に対応するパタン表示手段上の座標の値を求める処理と、全画素に亘り、求めた座標の値、各画素のアドレス、画像表示手段と撮影手段と測定対象との幾何学的関係から、測定対象表面全体の面歪分布を演算する処理と、
    前記各処理の途中段階及び／又は最終段階の実行結果を画像表示する処理と、を行うことを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法。
  17. 請求項１５又は請求項１６に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法において、
    測定対象表面の傾きを2次微分処理することで表面傾きの変化率を算出し、面ひずみ発生位置および発生量を定量的に評価することを特徴とする鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法。
  18. 金属板のプレス成形方法において、プレス成形後の金属板の面歪分布を、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置及び／又は請求項１５乃至請求項１７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法を用いて測定することを特徴とする金属板のプレス成形方法。
  19. プレス成形、部品取付、組み立て、塗装、熱処理、完成品検査のいずれか少なくとも１つの金属板の処理による面歪に由来した表面品質不具合を、請求項１乃至請求項１４のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定装置及び／又は請求項１５乃至請求項１７のいずれか１項に記載の鏡面乃至半鏡面上の面歪の測定方法を用いて検査することを特徴とする金属成品の表面品質検査方法。
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