JP2014020919A - 三次元測定装置の校正装置及び校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サンプル板の表面性状の影響を低減させることが可能な校正装置及び校正方法を提供する。
【解決手段】複数のスリットが並列に設けられた校正用のサンプル板を載置する載置台と、前記載置台に載置された前記サンプル板にレーザーを照射し、前記サンプル板の各スリットを横断走査するレーザー照射手段と、前記レーザーが照射されたサンプル板を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向の画素位置から、校正位置を設定する設定手段と、前記撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向に直交する方向の画素位置を波高値として取得する取得手段と、前記波高値を平滑化した校正値を算出する校正値算出手段と、前記校正値算出手段で算出された校正値を、当該校正値の算出に係る軌跡部分の校正位置と関連付け、校正データとして出力する出力手段と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、三次元測定装置の校正装置及び校正方法に関する。

従来、被検査物に照射したレーザー光の反射光を撮像し、この反射光に基づいて光切断法で被検査物の高さ等の形状を測定する三次元形状測定装置がある。係る三次元測定装置では、撮像画像中の反射光の各位置と、実際の位置関係とを対応付けるため、校正用のサンプル板等を用いることでキャリブレーションが行われている。

特開２０１２−１３５９３

ところで、レーザーの反射光は、サンプル板の表面性状の影響を受けることが分かっている。そのため、サンプル板の表面性状が均一でなく粗さや歪み等がある場合、その反射光から得られるデータ値にばらつきが生じるため、キャリブレーションの精度が低下するという問題がある。

実施の形態の校正装置は、光切断法により被測定物の表面形状を測定する三次元測定装置の校正装置であって、載置台と、レーザー照射手段と、撮像手段と、設定手段と、取得手段と、校正値算出手段と、出力手段とを備える。載置台は、複数のスリットが並列に設けられた校正用のサンプル板を載置する。レーザー照射手段は、前記載置台に載置された前記サンプル板にレーザーを照射し、前記サンプル板の各スリットを横断走査する。撮像手段は、前記レーザーが照射されたサンプル板を撮像する。設定手段は、前記撮像手段の撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向の画素位置から、校正位置を設定する。取得手段は、前記撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向に直交する方向の画素位置を波高値として取得する。校正値算出手段は、前記波高値を平滑化した校正値を算出する。出力手段は、前記校正値算出手段で算出された校正値を、当該校正値の算出に係る軌跡部分の校正位置と関連付け、校正データとして出力する。

図１は、実施形態に係る三次元測定装置の側面図である。 図２は、実施形態に係る三次元測定装置の上面図である。 図３は、実施形態に係る校正サンプル板の一例を示す図である。 図４は、実施形態に係る校正データ生成部の構成を模式的に示す図である。 図５は、図４に示した校正位置設定部の動作を説明するための図である。 図６は、図４に示した校正位置設定部の動作を説明するための図である。 図７は、図４に示した校正位置設定部の動作を説明するための図である。 図８は、図４に示した波高値取得部により取得される波高値の一例を示す図である。 図９は、図４に示した校正テーブルのデータ構造の一例を示す図である。 図１０は、実施形態の校正データ生成部が行う校正データ生成処理の手順を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る校正装置及び校正方法の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る三次元測定装置１の側面図である。また、図２は、本実施形態に係る三次元測定装置１の上面図である。ここで、三次元測定装置１は、後述する光切断部３０を用いた光切断法により被測定物の高さ等の表面形状を測定する三次元測定装置である。なお、三次元測定装置１は、自装置のキャリブレーションを行う校正装置としての機能を備えている。

三次元測定装置１は、自装置の土台となるベース部１０と、ベース部１０上に設けられるサンプル載置部２０と、サンプル載置部２０の上部に設けられる光切断部３０とを備える。

ベース部１０は、支持台１１と、支持脚１２と、支持部１３と、架台１４とを有する。支持台１１は、箱型に構成されており、当該支持台１１の底部に固定された支持脚１２により支持されている。支持脚１２は、例えばアジャスタボルト等であって、支持台１１が水平となるよう高さ調節が行われている。また、支持台１１の上面には、支持部１３が垂直に固定されている。架台１４は、支持部１３により支持台１１と平行となるよう支持されており、その上面にサンプル載置部２０が設けられている。

サンプル載置部２０は、一軸テーブル２１と、垂直支持板２２と、載置台２３と、校正サンプル板２４とを有する。一軸テーブル２１は、垂直支持板２２に支持されることで、架台１４の上面に対し垂直に立設されている。また、一軸テーブル２１は、載置台２３をＺ軸方向（図１参照）に移動可能に支持する。この載置台２３の上面には、後述する校正データを生成するための校正サンプル板２４が載置される。

図３は、校正サンプル板２４の一例を示す図である。同図に示すように、校正サンプル板２４は、長方形状の板状体で形成されており、当該板状体の面上に矩形状のスリット２４１が所定間隔で設けられている。同図では、校正サンプル板２４上においてレーザーが走査される方向（Ｘ軸方向）の略中央を基準位置“０”としており、この基準位置から正方向及び負方向に２０ｍｍ間隔で幅１０ｍｍのスリット２４１を設けた例を示している。なお、同図では、基準位置を識別するため、＋２０ｍｍの位置でのスリット幅を他のスリット幅と異なる値（５ｍｍ）としている。以下、校正サンプル板２４でのＸ軸方向の位置を幅位置という。

図１に戻り、光切断部３０は、レーザー光源３１と、撮像部３２とを備える。

レーザー光源３１は、半導体レーザーやコリメーションレンズ等を有したレーザー照射装置であって、校正サンプル板２４の上面をＸ軸方向（図２参照）に走査することで、当該校正サンプル板２４の各スリット２４１上を走査するよう設定されている。なお、走査方法は特に問わないものとする。例えば、プリズム等を用いることで、Ｘ軸方向に集光させた線状（又は帯状）のレーザーにより、スリット２４１を一度に横断走査する形態としてもよい。また、ポリゴンミラー等を用いることで点状のレーザーにより、各スリット２４１をある一方向に横断走査する形態としてもよい。

撮像部３２は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等のイメージセンサを有している。撮像部３２は、校正サンプル板２４の上面を撮像する。なお、撮像部３２の種類や個数は特に問わず、例えば、校正サンプル板２４上の特定位置を撮像範囲とする一次元の撮像装置としてもよいし、校正サンプル板２４のスリット２４１部分を撮像範囲とする二次元の撮像装置としてもよい。

また、図１では、校正サンプル板２４の真上からレーザーＬを照射し、このレーザーＬの入射方向とは異なる撮像方向Ｒで校正サンプル板２４を撮像する構成としているが、レーザー光源３１及び撮像部３２の設置位置（高さ）や設置角度は、図１の例に限らないものとする。

また、三次元測定装置１は、光切断部３０で取得された撮像画像から、校正データを生成する校正データ生成部４０を装置内部又は装置の外部に備える。

図４は、校正データ生成部４０の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、校正データ生成部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１、ＲＯＭ（Read Only Memory）４２及びＲＡＭ（Random Access Memory）４３及び記憶部４４等のコンピュータ構成を備える。

ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２や記憶部４４に記憶された各種プログラムを実行することにより、校正データ生成部４０を統括的に制御する。ＲＯＭ４２は、基本動作を行うためのプログラムを記憶している。ＲＡＭ４３は、校正データ生成部４０の主記憶装置であって、ＣＰＵ４１のワークエリアとして機能する。記憶部４４は、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等の記憶装置であって、各種プログラムや後述する校正テーブル４４１（図８参照）を記憶する。

また、ＣＰＵ４１は、ＲＯＭ４２や記憶部４４に記憶されたプログラムとの協働により、画像取得部４１１、校正位置設定部４１２、波高値取得部４１３、校正値算出部４１４及び格納処理部４１５を実現させる。

画像取得部４１１は、撮像部３２で撮像された画像データ（以下、撮像画像という）を取得する。なお、撮像画像の取得方法は特に問わず、例えば、画像取得部４１１と撮像部３２との間に接続された接続線（図示せず）を介して取得する形態としてもよいし、撮像画像が保持された記憶媒体（例えば、メモリカード等）を介して取得する形態としてもよい。

校正位置設定部４１２は、画像取得部４１１で取得された撮像画像に含まれるレーザー（反射光）の各軌跡のＸ軸方向の画素位置から、校正データの生成に係る校正位置を設定する。以下、図５〜図７を参照して、校正位置設定部４１２の動作について説明する。

まず、校正テーブル情報の生成に際し、レーザー光源３１により校正サンプル板２４が走査されると、図５に示すようにレーザーＬ１は各スリット２４１を横断する形で照射される。このとき、撮像部３２により、校正サンプル板２４の上面が撮像されると、画像取得部４１１は、図６に示すようにレーザーＬ１の軌跡Ｌ２を表す撮像画像Ｇを取得する。撮像画像Ｇに含まれる軌跡Ｌ２は、スリット２４１に対応する部分が欠けた断破線状となる。なお、図６では、撮像画像の解像度を１３１２画素×４００画素とした例を示しているが、これに限らないものとする。

校正位置設定部４１２は、スリット２４１により分断された各軌跡Ｌ２の一端に対応するＸ軸方向の画素位置をそれぞれ検出し、この画素位置を校正位置に設定する。また、校正位置設定部４１２は、図６に示した各軌跡Ｌ２のＸ軸方向の長さに基づき、図３に示した基準位置（Ｘ＝０の位置）に対応する校正位置を特定する。そして、校正位置設定部４１２は、特定した校正位置に基づいて、他の校正位置を図３に示した校正サンプル板２４上での対応するＸ軸方向での幅位置（−４００ｍｍ〜＋４００ｍｍ）と関連付ける。

なお、画素位置の検出に際し、例えば、撮像画像中の各画素を所定の閾値に基づき二値化することで軌跡Ｌ２部分を際立たせ、この二値化したデータを用いて各軌跡の画素位置を検出する形態としてもよい。

図７は、図６に示す撮像画像を二値化した結果の一例を示す図である。図７では、閾値ＴＨを基準に、この閾値ＴＨ未満の画素値を階調“０”とし、閾値ＴＨ以上の画素値を階調“２５５”とした例を示している。縦軸は階調を表し、横軸は図６に示したＸ軸方向の画素位置に対応する。

ここで、閾値ＴＨをレーザーＬの輝度値に応じて定めることで、レーザーＬの軌跡部分を階調“２５５”で表すことができる。この場合、校正位置設定部４１２は、例えば図７に示すパルスＰの立ち上がり位置（ｘ１〜ｘ９）をそれぞれ検出し、この検出位置に対応するＸ軸方向の画素位置を校正位置とする。なお、本実施形態では、Ｘ軸方向の画素位置“１”から画素位置“１３１２”に向けて検出処理を行う例を想定しているため、図６に示した各軌跡の左端に対応する画素位置が校正位置となる。また、校正サンプル板２４の縁部の軌跡Ｌ２については、校正位置に含めてもよいし、校正位置から除外してもよい。

図４に戻り、波高値取得部４１３は、画像取得部４１１で取得された撮像画像に含まれるレーザーの各軌跡について、当該軌跡部分を構成するＹ軸方向（図２参照）の画素位置を波高値として取得する。

校正値算出部４１４は、波高値取得部４１３で取得された各軌跡部分の波高値のばらつきを平滑化し、その平滑化した波高値を校正値として出力する。以下、図６及び図８を参照して、波高値取得部４１３及び校正値算出部４１４の動作について説明する。

波高値取得部４１３は、図６に示した各軌跡Ｌ２について、その軌跡部分を構成するＹ軸方向の画素位置を波高値として取得する。ここで、波高値は校正サンプル板２４の表面性状の影響を受けるため、例えば表面の“粗さ”や“うねり”に応じて、図８に示すようにその値にばらつきが生じる。ここで、図８は、波高値取得部４１３により取得される波高値の一例を示す図であって、図６に示した撮像画像の一部を拡大したものである。なお、縦軸がＹ軸方向の画素位置、横軸がＸ軸方向の画素位置を意味する。

そこで、校正値算出部４１４は、波高値のばらつき、つまり校正サンプル板２４の表面性状の影響を低減するための校正値を校正位置単位で導出し、この校正位置と校正値とを関連付けた校正データを生成する。

具体的に、校正値算出部４１４は、波高値取得部４１３で取得された波高値を所定の方式で平均化することで平均値を算出し、算出したその平均値を校正値として導出する。なお、平均値の算出方法は特に問わず、例えば、軌跡Ｌ２毎にその軌跡Ｌ２部分から得られた波高値の平均値を算出する形態としてもよいし、軌跡Ｌ２全体から得られた波高値から一の平均値を算出する形態としてもよい。また、平均値の算出対象から、波高値の最大値や最小値を除外する形態としてもよい。

図４に戻り、格納処理部４１５は、校正値算出部４１４が生成した校正データを、その校正データに含まれた校正位置に対応する校正サンプル板２４の幅位置と、その校正データを生成した際の載置台２３のＺ軸方向の高さ位置と関連付けて校正テーブル４４１に格納する。

ここで、図９は、校正テーブル４４１のデータ構造の一例を示す図である。同図に示すように、校正テーブル４４１は、Ｚ軸方向の高さ位置毎に、Ｘ軸方向の各幅位置に対応する校正データを関連付けて管理している。ここでは、校正データを構成する校正位置と校正値との組を“（ｘ，ｙ）”の座標形式で表している。軌跡Ｌ２全体の平均値を校正値とした場合、同一高さ位置での校正値は全て同値となる。

このように生成された校正テーブル４４１は、校正サンプル板２４を用いたキャリブレーションの実行時に、ＣＰＵ４１により載置台２３の高さ位置及びレーザーが捉えられた幅位置（画素位置）を元に参照され、該当する幅位置での校正データに基づいてキャリブレーションが実行される。なお、キャリブレーションの方法は、特に問わず、公知の技術を用いることが可能であるとする。

以下、図１０を参照して、校正データ生成部４０の動作について説明する。ここで、図１０は、校正データ生成部４０が行う校正データ生成処理の手順を示すフローチャートである。なお、本処理の前提として、レーザー光源３１が校正サンプル板２４上を走査した際の状態が、撮像部３２により撮像されているものとする。

まず、画像取得部４１１は、撮像部３２で撮像された撮像画像を取得する（ステップＳ１１）。続いて、校正位置設定部４１２は、画像取得部４１１で取得された撮像画像に含まれるレーザー（反射光）の各軌跡部分のＸ軸方向の画素位置から、校正データの生成に係る校正位置を設定する（ステップＳ１２）。なお、校正位置設定部４１２は、校正位置の設定時に、これら校正位置の各々を校正サンプル板２４上での対応する幅位置と関連付けるものとする。

波高値取得部４１３は、画像取得部４１１で取得された撮像画像に含まれるレーザーの各軌跡について、当該軌跡部分を構成するＹ軸方向の画素位置を波高値として取得する（ステップＳ１３）。校正値算出部４１４は、波高値取得部４１３で取得された各軌跡部分の波高値を平滑化し、その平滑化した波高値を校正値として導出する（ステップＳ１４）。続いて、校正値算出部４１４は、導出した校正値と、当該校正値の算出に係る軌跡部分の校正位置とを関連付け、それを校正データとして生成する（ステップＳ１５）。

次いで、格納処理部４１５は、ステップＳ１５で生成された校正データを、当該校正データに含まれた校正位置に対応する校正サンプル板２４の幅位置と、その校正データを生成した際の載置台２３の高さ位置と関連付け、校正テーブル４４１に格納する（ステップＳ１６）。

そして、上記の校正データ生成処理は、一軸テーブル２１のＺ軸方向の高さ位置毎に実行されることで、図８に示した二次元配列状の校正テーブル４４１が生成される。

以上のように、本実施形態の三次元測定装置１によれば、複数のスリット２４１が所定間隔で並列に設けられた校正サンプル板２４をレーザーで横断走査し、このときの撮像画像に含まれる各軌跡の、レーザー走査方向（Ｘ軸方向）の画素位置から、校正データの生成に係る校正位置を設定する。また、撮像画像に含まれる各軌跡の、レーザー走査方向に直行する方向（Ｙ軸方向）の画素位置を波高値として取得し、当該波高値を平滑化することで校正値を導出する。そして、出力された校正値を、その校正値の算出に係る軌跡部分の校正位置と関連付けた校正データを、当該校正位置に対応する校正サンプル板２４の幅位置と、その校正データを生成した際の載置台２３の高さ位置と関連付け、校正テーブル４４１に格納する。

これにより、校正サンプル板２４の表面性状に応じて、そのばらつきを平滑化させるための校正データを簡易な構成で生成することができる。また、当該校正データを用いることでサンプル板の表面性状の影響を低減させた状態で三次元測定装置１のキャリブレーションを行うことができるため、キャリブレーションの精度を向上させることができ、その結果として被測定物の測定精度を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、追加等を行うことができる。また、上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、上記実施形態では、載置台２３の各高さ位置において、同一の校正サンプル板２４を用いて校正データを生成することを想定しているが、これに限らず、載置台２３の各高さ位置に応じて、スリット２４１の設置位置や設置間隔、スリット間隔等が異なる校正サンプル板２４を使い分ける形態としてもよい。

また、上記実施形態では、校正サンプル板２４のＹ軸方向の一つの位置でレーザーを走査（照射）する形態としたが、これに限らず、Ｙ軸方向の複数の位置（但しスリット２４１を横断走査する位置）でレーザーを走査する形態としてもよい。この場合、校正データは、Ｘ軸方向の各位置（幅位置）とＹ軸方向の各位置について取得されることになるため、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の各位置に対応する校正データを格納した校正テーブル４４１が、載置台２３の高さ位置毎に設けられることになる。

また、上記実施形態では、三次元測定装置１が有する機能の一部として校正装置が実現される構成について説明したが、これに限らず、三次元測定装置１を校正データの生成に特化させることで、単体の校正装置とする形態としてもよい。

また、載置台２３の高さ位置を校正データ生成部４０が調整する形態としてもよい。例えば、画像取得部４１１が、一軸テーブル２１が有する載置台２３の高さ位置の移動に係るアクチュエータ（図示せず）を制御することで、載置台２３の高さ位置を所定間隔（例えば、１０ｍｍ間隔）毎に移動させ、その移動毎に撮像部３２で撮像された撮像画像を取得する。なお、校正データ生成部４０が、レーザー光源３１及び撮像部３２の駆動制御を行う形態としてもよく、例えば、画像取得部４１１がレーザー光源３１の照射タイミングと撮像部３２の撮像タイミングとを同期させて、撮像画像を取得する形態としてもよい。

１ 三次元測定装置
１０ ベース部
１１ 支持台
１２ 支持脚
１３ 支持部
１４ 架台
２０ サンプル載置部
２１ 一軸テーブル
２２ 垂直支持板
２３ 載置台
２４ 校正サンプル板
２４１ スリット
３０ 光切断部
３１ レーザー光源
３２ 撮像部
４０ 校正データ生成部
４１ ＣＰＵ
４１１ 画像取得部
４１２ 校正位置設定部
４１３ 波高値取得部
４１４ 校正値算出部
４１５ 格納処理部
４２ ＲＯＭ
４３ ＲＡＭ
４４ 記憶部
４４１ 校正テーブル

Claims (9)

1. 光切断法により被測定物の表面形状を測定する三次元測定装置の校正装置であって、
   複数のスリットが並列に設けられた校正用のサンプル板を載置する載置台と、
   前記載置台に載置された前記サンプル板にレーザーを照射し、前記サンプル板の各スリットを横断走査するレーザー照射手段と、
   前記レーザーが照射されたサンプル板を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段の撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向の画素位置から、校正位置を設定する設定手段と、
   前記撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向に直交する方向の画素位置を波高値として取得する取得手段と、
   前記波高値を平滑化した校正値を算出する校正値算出手段と、
   前記校正値算出手段で算出された校正値を、当該校正値の算出に係る軌跡部分の校正位置と関連付け、校正データとして出力する出力手段と、
   を備える校正装置。
2. 前記校正値算出手段は、前記波高値を平均化することで前記校正値を算出する請求項１に記載の校正装置。
3. 前記校正値算出手段は、前記レーザーの軌跡部分毎に前記校正値を算出する請求項１又は２に記載の校正装置。
4. 前記校正値算出手段は、前記レーザーの全ての軌跡部分から前記校正値を算出する請求項１又は２に記載の校正装置。
5. 前記校正データを、当該校正データに含まれた前記校正位置に対応する、前記サンプル板での位置と関連付けて管理する管理手段を更に備える請求項１〜４の何れか一項に記載の校正装置。
6. 前記載置台の高さ位置を移動させることが可能な一軸テーブルを更に備え、
   前記出力手段は、前記載置台の高さ位置毎に前記校正データを出力し、
   前記管理手段は、前記校正データを、当該校正データが生成された際の前記載置台の高さ位置と関連付けて管理する請求項５に記載の校正装置。
7. 前記レーザー照射手段は、線状又は点状のレーザーにより、前記スリットを横断走査する請求項１に記載の校正装置。
8. 前記撮像手段は、一次元又は二次元の撮像装置である請求項１に記載の校正装置。
9. 光切断法により被測定物の表面形状を測定する三次元測定装置の校正方法であって、
   設定手段が、複数のスリットが並列に設けられた校正用のサンプル板の各スリットをレーザーで横断走査した際の前記サンプル板の撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向の画素位置から、校正位置を設定する設定工程と、
   取得手段が、前記撮像画像に含まれる前記レーザーの軌跡部分の前記走査方向に直交する方向の画素位置を波高値として取得する取得工程と、
   校正値算出手段が、前記波高値を平滑化した校正値を算出する校正値算出工程と、
   出力手段が、前記校正値算出工程で算出された校正値を、当該校正値の算出に係る軌跡部分の校正位置と関連付け、校正データとして出力する出力工程と、
   を含む校正方法。

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