JP2014235066A - 表面形状測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光切断法を用いて、視野全体でピントの合ったスリット像を得ることができる表面形状測定装置を提供する。
【解決手段】測定対象物５０の表面にスリット光Ｓを照射する照射手段１４と、レンズと受光素子とを備え撮影軸の方向がスリット光Ｓの延長方向と所定の角度だけ傾くように設置されてスリット像を撮影する撮影手段１５と、測定対象物５０を照射手段１４及び撮影手段１５に対して相対的に移動させる移動手段１１、１２とスリット像の輝度データから測定対象物５０の表面形状を検出する画像処理手段１９とを備えるとともに、受光素子の、測定対象物５０とレンズとの距離が近い側である側の撮影面がレンズに近く、測定対象物とレンズとの距離が遠い側である側の撮影面がレンズから遠くなるように、受光素子を配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、光切断法を用いて測定定対象物の表面形状を測定する装置に関する。

従来、タイヤ形状の良否を検査する方法として、光切断法を用いた検査方法が知られている。この検査方法は、検査するタイヤを回転させるとともに、タイヤ表面の検査対象部にスリット光を照射してスリット像を撮影した後、このスリット像の画像データ（輝度データ）から検査対象部の形状を求め、これを予め求めておいた検査対象部の基準画像と比較してその形状の良否を判定する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２４９０１２号公報

しかしながら、光切断法においては、通常、視野範囲の中心にピントを合わせて撮影するため、撮影軸の方向がスリット光の延長方向に対して傾いている場合には、測定対象物とレンズとの距離が近い側ではレンズの近くに画像が収束し、遠い側ではではレンズの遠くに画像が収束するため、視野全体でピントがあった画像を得ることが困難であるといった問題点があった。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、光切断法を用いた表面形状測定装置において、視野全体でピントの合ったスリット像を得ることを目的とする。

本願発明は、測定対象物の表面にスリット光を照射する照射手段と、対物レンズと受光素子とを備え撮影軸の方向が前記スリット光の光軸と所定の角度だけ傾くように設置されて前記スリット光の照射部の画像であるスリット像を撮影する撮影手段と、前記測定対象物を前記照射手段及び前記撮影手段に対して相対的に移動させる移動手段と、前記撮影手段で撮影されたスリット像の輝度データを用いて前記測定対象物の表面形状を検出する画像処理手段とを備えた表面形状測定装置であって、前記受光素子は、前記測定対象物と前記レンズとの距離が近い側の撮影面が前記レンズに近く、前記測定対象物と前記レンズとの距離が遠い側の撮影面が前記レンズから遠くなるように、前記レンズの光軸に対して傾いて配置されていることを特徴とする。
このように、受光素子の撮影面を、レンズから測定対象物までの距離に合わせて撮影軸となるレンズの光軸に対して傾けて配置したので、レンズを通過し収束したスリット像の視野（表面形状を検出する範囲）の近い側、遠い側のいずれにおいてもピントを合わせることができる。したがって、視野全体でピントの合ったスリット像を得ることができるので、測定対象物の表面形状を精度よく測定することができる。

本発明の実施の形態に係る表面形状測定装置の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る表面形状測定装置の光学系を示す図である。 あおり調整機構の一例を示す図である。 従来の表面形状測定装置の光学系を示す図である。

図１は、本実施の形態に係る光切断法を用いた表面形状測定装置１０を示す図で、（ａ図２はその光学系（あおり光学系）を示す図である。ここでは、略円筒形の測定対象物５０の周面の表面形状を測定する場合について説明する。
表面形状測定装置１０は、測定対象物５０を搭載する回転テーブル１１と、回転テーブル１１を回転させる移動手段としての回転装置１２と、回転テーブル１１の近傍に配置されて回転テーブル１１の回転角を検出する回転角検出手段１３と、測定対象物５０の表面にスリット光を照射する照射手段としてのスリットレーザー１４と、測定対象物５０のスリット光の照射された部分の画像であるスリット像を撮影する撮影手段としてのＣＣＤカメラ１５と、ＣＣＤカメラ１５で撮影された画像の各画素の輝度データを求めるとともに、これら輝度データからスリット像の二次元座標を求める座標検出手段１６と、ＣＣＤカメラ１５の位置座標と前記回転角と前記スリット像の二次元座標とから、測定対象物５０の表面の三次元座標を演算する三次元座標演算手段１７と、形状画像構成手段１８と、ＣＣＤカメラ１５をあおり光学系を備えた撮影装置とするためのあおり調整機構２０と備える。
座標検出手段１６と三次元座標演算手段１７と形状画像構成手段１８とが、本発明による画像処理手段１９を構成する。画像処理手段１９は、例えば、コンピュータのソフトウェアから構成される。

回転装置１２は、回転テーブル１１に連結されて回転テーブル１１を回転させるモータ１２ａと、モータ制御手段１２ｂとを備え、モータ制御手段１２ｂからの駆動・制御信号により、測定対象物５０が載置された回転テーブル１１を所定の回転速度で回転させる。
測定対象物５０は、円筒の軸方向が搭載面に垂直になるように回転テーブル１１に搭載される。また、後述するスリット光の位置である回転テーブル１１の回転角のデータは、回転角検出手段１３により検出されて三次元座標演算手段１７に送られる。

スリットレーザー１４は半導体レーザーから成り、例えば、中心波長が約６８０ｎｍのスリット状のレーザー光（赤色光）を検出対象面である測定対象物５０の周面５０Ｋに照射する。なお、スリットレーザー１４の光源としては、中心波長が約５５０ｎｍのレーザー光（緑色光）や中心波長が約４５０ｎｍのレーザー光（青色光）を用いてもよいし、白色レーザー光を用いてもよい。また、スリットレーザー１４に代えて、ハロゲンランプ等の白色の光源とスリットとから成る照射手段を用いてもよい。
上記のスリット状のレーザー光を、以下、スリット光という。
本例では、スリット光の延長方向（図１及び図２の太い実線Ｓの延長方向）を、測定対象物５０の軸方向Ｌに平行な方向とした。

ＣＣＤカメラ１５は、対物レンズや接眼レンズの組み合わせから成るレンズ１５ａと複数の画素が平面上に配列された受光素子１５ｂとを備え、レンズ１５ａの光軸がスリット光の延長方向と所定の角度だけ傾くように設置される。
あおり調整機構２０は、ＣＣＤカメラ１５に設けられて、受光素子１５ｂの撮影面（画素が配列されている側の面）をレンズ１５ａの光軸に対して傾ける。図３（ａ），（ｂ）は、あおり調整機構２０の一構成例を示す図で、あおり調整機構２０は、受光素子１５ｂを撮影面とは反対側から支持する素子支持板２１と、素子支持板２１の中心から撮影面とは反対側に突設されたブロック状の回転軸支持板２２と、回転軸支持板２２に取付けられる回転軸２３と、回転軸２３の両端を回転可能に支持する支持体２４と、回転軸２３の一端側に取付けられた固定ネジ２５とを備え、固定ネジ２５を回転させることにより、受光素子１５ｂの撮影面をレンズ１５ａの光軸に対して傾けることができる。これにより、図２に示すように、視野の中心ｃにピントを合わせるとともに、視野範囲のうちの撮影距離が短い側（同図の点ａ側）の撮影面がレンズ１５ａに近く、撮影距離が長い側（同図の点ｂ側）の撮影面がレンズ１５ａから遠くなるように、受光素子１５ｂを回転させることができる。

座標検出手段１６は、ＣＣＤカメラ１５で撮影されたスリット像の各画素の輝度データを求めるとともに、得られた輝度データから所定輝度以上の輝度を有する画素の重心位置を算出することで、スリット像の各位置の二次元座標を求める。
三次元座標演算手段１７は、ＣＣＤカメラ１５の位置座標と、スリット像の二次元座標と、回転角検出手段１３により検出された回転角とから、スリット像の三次元座標を演算する。
形状画像構成手段１８は、回転角毎のスリット像の三次元座標をから、測定対象物５０の周面５０Ｋの形状を求める。

次に、表面形状測定装置１０の動作について説明する。
まず、測定対象物５０を回転テーブル１１上に搭載し、測定対象物５０の周面５０Ｋの正面にスリットレーザー１４を配置するとともに、ＣＣＤカメラ１５を、撮影軸の方向がスリット光の延長方向と所定の角度だけ傾くように配置する。
次に、モータ１２ａを駆動・制御して回転テーブル１１を回転駆動して測定対象物５０を所定の回転速度で回転させながら、スリット光を測定対象物５０の周面に照射し、ＣＣＤカメラ１５により、スリット光が照射された照射部のスリット像を撮影する。
図４に示すように、従来の非あおり光学系を備えたＣＣＤカメラ１５Ｚでは、視野の中心ｃにピントが合うように設計されているため、視野範囲のうちの撮影距離が短い側（同図の点ａ側）では被写界深度（合焦点の位置）が浅く、逆に、撮影距離が長い側（同図の点ｂ側）では被写界深度が深くなる。その結果、撮影距離が短い側と長い側とではピントが合わなくなる。
これに対して、本願発明のＣＣＤカメラ１５は、図２に示すように、被写界深度が浅い側の撮影面がレンズ１５ａに近く、撮影距離が長い側の撮影面がレンズ１５ａから遠くなるように、受光素子１５ｂを配置したあおり光学系を備えているので、被写界深度が浅い側でも遠い側のいずれにおいてもピントを合わせることができる。したがって、視野全体でピントの合ったスリット像を得ることができるので、このスリット像を、画像処理手段１９によりの画像処理することで、測定対象物５０の正確な表面形状を求めることができる。具体的には、座標検出手段１６により、前記スリット像の各画素の輝度データを求めるとともに、得られた輝度データからスリット像の二次元座標を求め、三次元演算手段１７と形状画像構成手段１８とにより、測定対象物５０の周面５０Ｋの表面形状を測定する。
本例では、このように、あおり光学系を有する撮影手段を用いて、視野全体でピントの合った画像を用いて測定対象物５０の表面形状を求めるようにしたので、測定対象物５０の表面形状の測定精度を大幅に向上させることができる。

なお、前記実施の形態では、測定対象物５０を略円筒形とし、その周面５０Ｋの表面形状を測定したが、測定対象物５０はこれに限定されるものではなく、タイヤ表面などの他の形状を有するものであってもよい。
また、前記例では、測定対象物５０の周面５０Ｋの正面からレーザー光を照射したが、周面５０Ｋの斜め前から照射してもよい。
また、前記例では、固定ネジ２５を回転させる構成のあおり調整機構２０により受光素子１５ｂを回転させたが、固定ネジ２５に代えて、素子支持板２１を裏面から押して受光素子１５ｂを回転させる構成などの、他のあおり調整機構を用いてもよい。

１０ 表面形状測定装置、１１ 回転テーブル、１２ 回転装置、
１３ 回転角検出手段、１４ スリットレーザー、１５ ＣＣＤカメラ、
１５ａ レンズ、１５ｂ 受光素子、１６ 座標検出手段、１７ 三次元座標演算手段、１８ 形状画像構成手段、１９ 画像処理手段、２０ あおり調整機構、
５０ 測定対象物。

Claims (1)

1. 測定対象物の表面にスリット光を照射する照射手段と、レンズと受光素子とを備え撮影軸の方向が前記スリット光の延長方向と所定の角度だけ傾くように設置されて前記スリット光の照射部の画像であるスリット像を撮影する撮影手段と、前記測定対象物を前記照射手段及び前記撮影手段に対して相対的に移動させる移動手段と、前記撮影手段で撮影されたスリット像の輝度データを用いて前記測定対象物の表面形状を検出する画像処理手段とを備えた表面形状測定装置であって、
   前記受光素子の撮影面が、前記受光素子の撮影面の前記測定対象物と前記レンズとの距離が近い側が前記レンズに近く前記測定対象物と前記レンズとの距離が遠い側が前記レンズから遠くなるように、前記レンズの光軸に対して傾いて配置されていることを特徴とする表面形状測定装置。

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