JP2015152585A - 金属表面の形状測定装置及び形状検査装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】金属の形状測定及び検査を行うための、実用性のある技術が存在しなかった。【解決手段】それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブを、対象面ごとに、本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、教示されたセンシング姿勢において投光と撮像を行い、対象面の傾斜角依存性色相別ハイライト画像を獲得し、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する形状測定と、品質検査と、画像による形状検査を行う。【選択図】図１
Description
本発明は、金属の表面傾斜角をセンシングして形状測定及び形状検査を行う装置に関する。
大多数の金属製品は、研磨やつや消しなどの処理を特に施したものを除くと、鏡面反射と鏡面性反射が混在する金属反射性表面を有する。ここで、金属製品の代表例として述べるプレス板金は、鏡面反射の比率が相対的に高い金属反射性表面である。
プレス板金を成型する金型はメーカが製造した後、金型ユーザに引き渡され、ユーザがその金型を使用して成型品を量産する。使用中、金型には変形や磨耗が発生し、製品が規格外になるので、ユーザは、変化をいち早く検出して、規格外品の生産を予防し、金型を修正するか更新しなければならない。
金属反射性表面を有する物体の形状測定には、従来、接触子を用いる接触式技術が多用されてきた。接触式は、物体との接触信号を受けて装置自体の３次元座標を報告する測定原理のゆえに、装置精度が測定精度に直結する。そのため、専用の土台を建設して装置を定盤に固定するなど、計画的な準備と高コストを要する技術であった。また、立体の全外面にいちいち接触する測定は長時間を要するので、使用者は、どうしても使用せざるを得ない業種、例えば金型メーカなどに限定されていた。
いっぽう成型品の生産を本来の業務とする金型ユーザから見れば、金型の変化の検出という用途には接触式測定機は余りにも不適であり、これまでは、金型エージング検査を熟練職人に依存してきた。この官能検査は特殊技能に属し、職人が捉えた金型の変化はしばしば、他人には感知し難いという一種の“アンタッチャブル”なブラック技術の様相を呈し、科学的なアプローチからかけ離れた世界を形成していた。そのうえ技能の承継者が急速に減少しつつあり、成型工場は程なく製品の変形を検出する手段をまったく失いかねないという、大きな課題をかかえることになった。
比較的最近、非接触方式の形状測定技術が開発され、接触式よりもコストや使い勝手性が改善された。
これは、センサまでの基準面と物体からの距離の差を光学的に検出して奥行を逆算する距離測定原理に基づく。この範疇の技術としては、パタン投光法、フェーズシフト法、白色光干渉法、レーザ変位法などの測定法が実用化されており、特許文献１は、パタン投影法の適用を開示した１例である。
非接触式技術にはこのほか、物体の表面法線測定に基づく技術があり、特許文献２はその１開示例である。この文献の技術は、対象に点状光束を投光し、対象からの反射光量と方向を、直交２軸上に配置した８個のセンサで検出して、物体までの距離と表面法線を逆算する技術である。
しかしながら、これらの非接触式光学技術はいずれも、物体の表面が拡散反射性であることが前提であるため、金属には適用できない（非特許文献９）。
プレス板金を成型する金型はメーカが製造した後、金型ユーザに引き渡され、ユーザがその金型を使用して成型品を量産する。使用中、金型には変形や磨耗が発生し、製品が規格外になるので、ユーザは、変化をいち早く検出して、規格外品の生産を予防し、金型を修正するか更新しなければならない。
金属反射性表面を有する物体の形状測定には、従来、接触子を用いる接触式技術が多用されてきた。接触式は、物体との接触信号を受けて装置自体の３次元座標を報告する測定原理のゆえに、装置精度が測定精度に直結する。そのため、専用の土台を建設して装置を定盤に固定するなど、計画的な準備と高コストを要する技術であった。また、立体の全外面にいちいち接触する測定は長時間を要するので、使用者は、どうしても使用せざるを得ない業種、例えば金型メーカなどに限定されていた。
いっぽう成型品の生産を本来の業務とする金型ユーザから見れば、金型の変化の検出という用途には接触式測定機は余りにも不適であり、これまでは、金型エージング検査を熟練職人に依存してきた。この官能検査は特殊技能に属し、職人が捉えた金型の変化はしばしば、他人には感知し難いという一種の“アンタッチャブル”なブラック技術の様相を呈し、科学的なアプローチからかけ離れた世界を形成していた。そのうえ技能の承継者が急速に減少しつつあり、成型工場は程なく製品の変形を検出する手段をまったく失いかねないという、大きな課題をかかえることになった。
比較的最近、非接触方式の形状測定技術が開発され、接触式よりもコストや使い勝手性が改善された。
これは、センサまでの基準面と物体からの距離の差を光学的に検出して奥行を逆算する距離測定原理に基づく。この範疇の技術としては、パタン投光法、フェーズシフト法、白色光干渉法、レーザ変位法などの測定法が実用化されており、特許文献１は、パタン投影法の適用を開示した１例である。
非接触式技術にはこのほか、物体の表面法線測定に基づく技術があり、特許文献２はその１開示例である。この文献の技術は、対象に点状光束を投光し、対象からの反射光量と方向を、直交２軸上に配置した８個のセンサで検出して、物体までの距離と表面法線を逆算する技術である。
しかしながら、これらの非接触式光学技術はいずれも、物体の表面が拡散反射性であることが前提であるため、金属には適用できない（非特許文献９）。
金属は、光学的な形状測定が極めて困難であるため、長い間、光学的な実用化技術開発への挑発課題になっていた。そこで、主として１９９０年代までに、非特許文献１乃至５に代表的される多くの挑戦的研究がなされた。
それらは、視点を変えずに拡散光を発する光源の位置を変える方法（非特許文献１）や、半球の内側に方位角方向と仰角方向に敷き詰めるように配置した多数の点光源を時系列的に点灯して鏡面を照らし、トップカメラで撮像し、はんだ面を検査する方法（非特許文献２、３）や、平面、円筒、円錐などの鏡面体をモデルとして、これを多方向から見た外観に基づき、形状認識を行う提案（非特許文献４）や、鏡面体とそこに映るものを固定し、カメラを動かす方法（非特許文献５）などである。
これらはいずれも、金属表面の法線を構成する傾斜角成分と方位角成分を共に測定するという基本概念に基づいているが、実用に耐える技術にはなり得なかった。例えば、非特許文献３によれば、２０００個のはんだ接合部が搭載されたプリント配線板の検査に１８分を要した。電子製品組立ラインの生産スピードからすれば、この程度のプリント配線板の検査は、長くても数十秒で完了する必要がある。
２０００年以降、金属の形状測定に関する研究は、実用上評価できる進展をほとんど示していないと言っても過言ではない。
それらは、視点を変えずに拡散光を発する光源の位置を変える方法（非特許文献１）や、半球の内側に方位角方向と仰角方向に敷き詰めるように配置した多数の点光源を時系列的に点灯して鏡面を照らし、トップカメラで撮像し、はんだ面を検査する方法（非特許文献２、３）や、平面、円筒、円錐などの鏡面体をモデルとして、これを多方向から見た外観に基づき、形状認識を行う提案（非特許文献４）や、鏡面体とそこに映るものを固定し、カメラを動かす方法（非特許文献５）などである。
これらはいずれも、金属表面の法線を構成する傾斜角成分と方位角成分を共に測定するという基本概念に基づいているが、実用に耐える技術にはなり得なかった。例えば、非特許文献３によれば、２０００個のはんだ接合部が搭載されたプリント配線板の検査に１８分を要した。電子製品組立ラインの生産スピードからすれば、この程度のプリント配線板の検査は、長くても数十秒で完了する必要がある。
２０００年以降、金属の形状測定に関する研究は、実用上評価できる進展をほとんど示していないと言っても過言ではない。
以上述べたところを要約すると、
（１）従来の接触式形状測定機は、金属製品の測定ができるものの、金型ユーザを含む一般ユーザが広く使用するには、使い勝手性やコストにおいて、たいへん非現実的な測定機であった。
（２）いっぽう従来の光学的形状測定機は、測定時間や使い勝手性においてよりましではあるが、金属の測定がきなかった。
（１）従来の接触式形状測定機は、金属製品の測定ができるものの、金型ユーザを含む一般ユーザが広く使用するには、使い勝手性やコストにおいて、たいへん非現実的な測定機であった。
（２）いっぽう従来の光学的形状測定機は、測定時間や使い勝手性においてよりましではあるが、金属の測定がきなかった。
Ｋ．Ｉｋｅｕｃｈｉ， Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｅｃｕｌａｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｍｅｔｒｉｃ ｓｔｅｒｅｏ ｍｅｔｈｏｄ， ＩＥＥＥ ＰＡＭＩ， ＰＡＭＩ−３（６）， ６６１−６６９， １９８１．
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Ｓ．Ｋ．Ｎａｙａｒ， Ａ．Ｃ．Ｓａｎｄｅｒｓｏｎ， Ｌ．Ｅ．Ｗｅｉｓｓ， ａｎｄ Ｄ．Ａ．Ｓｉｍｏｎ， Ｓｐｅｃｕｌａｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ ａｎｄ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｉｍａｇｅｓ， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， ６（２）， ２０８−２１８， １９９０．
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オムロン株式会社ウェブサイト、http://www.fa.omron.co.jp/products/family/2981/
村岡芳和、接触／非接触座標計測の動向と素形材の計測事例、素形材， ５１（５）， ２７−３４， ２０１０．
解決しようとする問題点は、金属の形状測定及び形状検査を行うための、実用的な技術が存在しなかった点である。
請求項１の発明にかかる金属表面の形状測定装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に光学的に共役させる近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段とを備え、近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成することを特徴とする。
また請求項２の発明にかかる金属表面の形状検査装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と、演算手段が作成した表面形状データに基づいて、品質異常を検出する検出手段とを備え、近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成して、品質異常を検出することを特徴とする。
また請求項３の発明にかかる金属表面の形状検査装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが投光と撮像を行って獲得した対象面の色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出する検出手段とを備え、近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出することを特徴とする。
また請求項２の発明にかかる金属表面の形状検査装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と、演算手段が作成した表面形状データに基づいて、品質異常を検出する検出手段とを備え、近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成して、品質異常を検出することを特徴とする。
また請求項３の発明にかかる金属表面の形状検査装置は、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが投光と撮像を行って獲得した対象面の色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出する検出手段とを備え、近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出することを特徴とする。
本発明にかかる形状測定装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像から、対象の外形を再構成するので、金属反射性表面を有する対象の３次元測定を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
また、本発明にかかる形状検査装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像から、対象の外形を再構成し、基準外形と比較するので、金属反射性表面を有する対象の３次元形状検査を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
また、本発明にかかる形状検査装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像を良品画像と比較するので、金属反射性表面を有する対象の３次元画像検査を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
また、本発明にかかる形状検査装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像から、対象の外形を再構成し、基準外形と比較するので、金属反射性表面を有する対象の３次元形状検査を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
また、本発明にかかる形状検査装置は、金属反射性対象面の表面傾斜角のみをセンシングして、獲得した表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像を良品画像と比較するので、金属反射性表面を有する対象の３次元画像検査を、低コストで容易に行うことができるという利点がある。
金属反射性表面を有する対象の３次元測定を低コストで容易に行うという目的を、それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段とを備え、近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成することを特徴とする金属表面の形状測定装置によって実現した。
本発明にかかる実施例１は、従来の表面角度測定法とはまったく異なるコンセプトに基づき、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして、金属の形状を測定する装置である。そこでまず、本発明の形状測定法と従来法との相違について説明する。
従来の表面角度測定法には、下記の問題点があった。
（Ａ）光源とセンサの方向に関する表面パッチ画像の明度から、表面法線ベクトルの方位角成分と天頂角成分を測定しようとした。
（Ｂ）立体の画像生成における撮像光学系の透視変形効果をまったく見落とした。
従来の表面角度測定法には、下記の問題点があった。
（Ａ）光源とセンサの方向に関する表面パッチ画像の明度から、表面法線ベクトルの方位角成分と天頂角成分を測定しようとした。
（Ｂ）立体の画像生成における撮像光学系の透視変形効果をまったく見落とした。
その結果、以下の問題点が生じていた。
（Ａ）方位角測定の誤り
方位角は法線ベクトルの水平方向を決める成分であって、立体の高さには何ら寄与しない。にも拘らず方位角成分を測定した理由は、方位角成分と天頂角成分だけで形状を表記しようとする強い意図に基づいたものと推定される。これにより余分な方位角成分を測定したせいで、測定装置が煩瑣となったうえに、データ演算の時間が長大化し、実用性を失った。その実力については、後に詳述する。
（Ｂ）測定点を測定空間において位置づけない
立体は、構成エレメントの３次元位置によって再構成されるが、従来法は幾何学的な距離測定をしないから、測定空間における測定点の位置情報がなく、再構成ができない。３次元測定法として致命的な欠陥である。因みに、光切断法等の距離計測法に基づく３次元測定技術は、画像と対象の３次元位置が関係づけられるから、再構成ができる。この技術を学んでいない。
（Ｃ）光学系による透視変形を無視している。
従来の表面角度測定法は、正射投影を前提として（非特許文献３）測定原理を説明した。この前提はまったく恣意的である。カメラで対象を撮像すると、その像はカメラ光学系による透視変形を受けて受光面に投影される。そのメカニズムはまったくシンプルであり、誰も勝手に無視できない。
以上を要約すると、従来の表面角度測定法は入射光量や反射光量という物理光学の概念だけに基づき、凸型多面体だけを対象として提案され、測量の基本である幾何光学にぜんぜん依拠しなかったから、一般的な形状への適用が不可能であることは、その前提条件からして明らかなのであった。
（Ａ）方位角測定の誤り
方位角は法線ベクトルの水平方向を決める成分であって、立体の高さには何ら寄与しない。にも拘らず方位角成分を測定した理由は、方位角成分と天頂角成分だけで形状を表記しようとする強い意図に基づいたものと推定される。これにより余分な方位角成分を測定したせいで、測定装置が煩瑣となったうえに、データ演算の時間が長大化し、実用性を失った。その実力については、後に詳述する。
（Ｂ）測定点を測定空間において位置づけない
立体は、構成エレメントの３次元位置によって再構成されるが、従来法は幾何学的な距離測定をしないから、測定空間における測定点の位置情報がなく、再構成ができない。３次元測定法として致命的な欠陥である。因みに、光切断法等の距離計測法に基づく３次元測定技術は、画像と対象の３次元位置が関係づけられるから、再構成ができる。この技術を学んでいない。
（Ｃ）光学系による透視変形を無視している。
従来の表面角度測定法は、正射投影を前提として（非特許文献３）測定原理を説明した。この前提はまったく恣意的である。カメラで対象を撮像すると、その像はカメラ光学系による透視変形を受けて受光面に投影される。そのメカニズムはまったくシンプルであり、誰も勝手に無視できない。
以上を要約すると、従来の表面角度測定法は入射光量や反射光量という物理光学の概念だけに基づき、凸型多面体だけを対象として提案され、測量の基本である幾何光学にぜんぜん依拠しなかったから、一般的な形状への適用が不可能であることは、その前提条件からして明らかなのであった。
上述したように、従来の表面角度測定法は、表面法線ベクトルを方位角成分と天頂角成分から合成されるベクトルと決めつけ、両成分を共に測定する。このコンセプトによれば、物体の表面法線ベクトルはすべて、自ずと世界座標系の原点に収斂する方向ベクトルになるため（非特許文献３及び６）、合理的に、「ガウス球」モデルの表面法線にマッピングできたのである（図１２、非特許文献６から引用）。言い換えると、法線ベクトルの方位角と天頂角への分割は、ガウス球へのマッピングと等価である。ガウス球の全法線ベクトルは言うまでもなく、球の中心に収斂する。
このマッピングは、物体形状に関する位置と寸法の情報をまったく伴わないから、マッピングしたガウス球では物体の構造情報が失われている。従って、ガウス球から、元の物体の形状を再構成することはできない（非特許文献６）。この問題は、ガウス球のせいではなく、法線ベクトルに属する情報のうち、方位角成分と天頂角成分しか採用しないコンセプトそのものの欠陥に存する。ガウス球は単に、その問題点を分かりやすく露呈しただけである。
図１３は、コンセプトの欠陥を明示した１モデル例を示す。３円筒部から成るダンベルの表面法線をガウス球にマッピングすると、３円筒部の外周（ａ，ｂ，ｃ）は同一の円周にマッピングされるから、マッピングされた１つの円周から元の３円筒部は復元できない。また、２組のそれぞれ同じ表面法線を有する異なる２平面（ｄとｆ及びｅとｇ）は、それぞれ同一の表面パッチにマッピングされてしまい、２組の異なる平面は復元できない。
このマッピングは、物体形状に関する位置と寸法の情報をまったく伴わないから、マッピングしたガウス球では物体の構造情報が失われている。従って、ガウス球から、元の物体の形状を再構成することはできない（非特許文献６）。この問題は、ガウス球のせいではなく、法線ベクトルに属する情報のうち、方位角成分と天頂角成分しか採用しないコンセプトそのものの欠陥に存する。ガウス球は単に、その問題点を分かりやすく露呈しただけである。
図１３は、コンセプトの欠陥を明示した１モデル例を示す。３円筒部から成るダンベルの表面法線をガウス球にマッピングすると、３円筒部の外周（ａ，ｂ，ｃ）は同一の円周にマッピングされるから、マッピングされた１つの円周から元の３円筒部は復元できない。また、２組のそれぞれ同じ表面法線を有する異なる２平面（ｄとｆ及びｅとｇ）は、それぞれ同一の表面パッチにマッピングされてしまい、２組の異なる平面は復元できない。
本発明は、以下述べるように、従来の表面角度測定法の誤れるコンセプトを匡すことによってなされたものである。
本発明に適用した発明者のコンセプトは、従来の表面角度に基づく形状測定法と異なるものであって、それは下記の通りである。
（１）表面法線ベクトルを構成する成分のうち、表面の高さに寄与する成分は天頂角成分（水平面からの傾斜という表現では、傾斜角成分）だけであるから、この成分だけを専ら（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅｌｙ）測定しなければならない。
（２）表面法線ベクトルにおいて、方位角成分は表面パッチ（単位領域）の水平成分に過ぎないから、方位角成分を測定してはいけない。高い測定精度を実現するためには、方位角成分の混入を排除する技術が必要である。
（３）上項の天頂角（傾斜角）成分測定は、既知の世界座標系の中で、基準面において位置づけられた表面に対して、行わなければならない。この測定の原則は、光切断法測定等の距離測定法における原則とまったく同じである。
（注記：以降の本発明の説明においては、表面の角度について「表面傾斜角」を適用し、光源とカメラの幾何光学構成に関しては、垂直軸となす「天頂角」を適用する。）
（１）表面法線ベクトルを構成する成分のうち、表面の高さに寄与する成分は天頂角成分（水平面からの傾斜という表現では、傾斜角成分）だけであるから、この成分だけを専ら（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅｌｙ）測定しなければならない。
（２）表面法線ベクトルにおいて、方位角成分は表面パッチ（単位領域）の水平成分に過ぎないから、方位角成分を測定してはいけない。高い測定精度を実現するためには、方位角成分の混入を排除する技術が必要である。
（３）上項の天頂角（傾斜角）成分測定は、既知の世界座標系の中で、基準面において位置づけられた表面に対して、行わなければならない。この測定の原則は、光切断法測定等の距離測定法における原則とまったく同じである。
（注記：以降の本発明の説明においては、表面の角度について「表面傾斜角」を適用し、光源とカメラの幾何光学構成に関しては、垂直軸となす「天頂角」を適用する。）
実のところ、既知の世界座標系の中で位置づけられた対象の傾斜角成分のみのセンシングが、表面形状の正しい検出法であることは、プリント配線板上のはんだ接合部の検査において既に実証されていたのである。
非特許文献３は、表題が明示する通り、前述したガウス球のコンセプトに基づき、はんだ面法線ベクトルの方位角成分と天頂角成分を共にセンシングした技術の開発を報じている。即ち、下向き半球内面の全方位角方向と全天頂角方向に計１２７個の点光源を配置し、これらを時系列的に点灯してはんだ面に照射し、そのハイライト反射面を上方のカメラで撮像することにより、はんだの表面角度をセンシングする技術を開示した。その技術は、２０００個のはんだ面の自動検査に１８分を要し、開発者は自ら、処理時間の短縮が課題として残ったことを認めている。
いっぽう、本発明者はちょうど同時期に、入射角が異なるリング状カラー光源によって、はんだ面の傾斜角のみを特異的にセンシングする技術を開発し（非特許文献７）、はんだ面の自動検査に適用している（図１４；特許文献３から引用）。この技術は、非特許文献３の発表時点において既に、３５ミリ秒／はんだ面の処理速度を示していたから、２０００個のはんだ面検査時間は７０秒であった。
この技術（特許文献３及び非特許文献７）はその後、開示より２０年以上を経過して工業所有権が解禁となった現在、大多数のプリント配線板はんだ検査機に採用され、はんだ面センシングの世界標準技術になっている。その現状能力は、１秒／ＬＳＩ（ピン数に依存しない）程度である（非特許文献８）から、１００ピンＬＳＩを２０個搭載した基板のタクトタイムはおよそ２０秒である。
実用上の上記大差は、表面の傾斜角成分だけをセンシングするか、傾斜角成分と方位角成分を同時にセンシングするかのみの相違から生じたものである。この結果は、形状測定における誤った表面角度の認識が、実用性を著しく阻害した歴史的証拠と言うことができる。
非特許文献３は、表題が明示する通り、前述したガウス球のコンセプトに基づき、はんだ面法線ベクトルの方位角成分と天頂角成分を共にセンシングした技術の開発を報じている。即ち、下向き半球内面の全方位角方向と全天頂角方向に計１２７個の点光源を配置し、これらを時系列的に点灯してはんだ面に照射し、そのハイライト反射面を上方のカメラで撮像することにより、はんだの表面角度をセンシングする技術を開示した。その技術は、２０００個のはんだ面の自動検査に１８分を要し、開発者は自ら、処理時間の短縮が課題として残ったことを認めている。
いっぽう、本発明者はちょうど同時期に、入射角が異なるリング状カラー光源によって、はんだ面の傾斜角のみを特異的にセンシングする技術を開発し（非特許文献７）、はんだ面の自動検査に適用している（図１４；特許文献３から引用）。この技術は、非特許文献３の発表時点において既に、３５ミリ秒／はんだ面の処理速度を示していたから、２０００個のはんだ面検査時間は７０秒であった。
この技術（特許文献３及び非特許文献７）はその後、開示より２０年以上を経過して工業所有権が解禁となった現在、大多数のプリント配線板はんだ検査機に採用され、はんだ面センシングの世界標準技術になっている。その現状能力は、１秒／ＬＳＩ（ピン数に依存しない）程度である（非特許文献８）から、１００ピンＬＳＩを２０個搭載した基板のタクトタイムはおよそ２０秒である。
実用上の上記大差は、表面の傾斜角成分だけをセンシングするか、傾斜角成分と方位角成分を同時にセンシングするかのみの相違から生じたものである。この結果は、形状測定における誤った表面角度の認識が、実用性を著しく阻害した歴史的証拠と言うことができる。
本発明は、発明者が新たに提案した上述のコンセプトに基づき、表面角度測定において、対象の高さに無関係な方位角成分のコンタミネーションを排除し、高さに関与する傾斜角成分だけを純粋にセンシングする近接プローブを開発し、プレス板金のような、大きなサイズの金属反射性表面の形状測定を行う方法を確立したものである。
次に、本発明における表面傾斜角センシングの原理を説明する。
本発明の形状測定法は、表面法線ベクトルの傾斜角成分だけを専ら測定するものであり、画像信号に方位角成分が混入すると、測定精度が低下する。
そのため、本発明は、特異な幾何光学的構成を考案して、表面傾斜角の特異的センシングを実現している。
即ち、対象面と投光光軸と撮像光軸をすべて単一の平面上に配列し、この平面を、対象を置いた３次元測定空間の基準面に垂直な姿勢に維持したうえに、平面を既知の方位角に位置づけて投光と撮像を行うことにより、金属反射性表面の反射光に方位角成分が混入しないようにしている。
また、対象を置いた３次元測定空間の基準面における、対象表面パッチの２次元座標は既知である。対象空間における表面パッチの位置データは、対象を３次元測定空間の基準面に置いたときの誤差を補正することによって、３次元測定空間座標に転換される。この転換は、距離計側法において、ありふれた方法であって、特殊な方法ではない。
本発明の形状測定法は、表面法線ベクトルの傾斜角成分だけを専ら測定するものであり、画像信号に方位角成分が混入すると、測定精度が低下する。
そのため、本発明は、特異な幾何光学的構成を考案して、表面傾斜角の特異的センシングを実現している。
即ち、対象面と投光光軸と撮像光軸をすべて単一の平面上に配列し、この平面を、対象を置いた３次元測定空間の基準面に垂直な姿勢に維持したうえに、平面を既知の方位角に位置づけて投光と撮像を行うことにより、金属反射性表面の反射光に方位角成分が混入しないようにしている。
また、対象を置いた３次元測定空間の基準面における、対象表面パッチの２次元座標は既知である。対象空間における表面パッチの位置データは、対象を３次元測定空間の基準面に置いたときの誤差を補正することによって、３次元測定空間座標に転換される。この転換は、距離計側法において、ありふれた方法であって、特殊な方法ではない。
以下、本発明にかかる実施例１の形状測定装置を説明する。
図１は、表面傾斜角だけを特異的にセンシングする、近接プローブ８の幾何光学構成を示す説明図である。
近接プローブ８は、３個のカラー光源１．１、１．２、及び１．３と１台のカラーカメラ２とを、近接プローブ８自体の直交３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間（図示せず）の［ｘ−ｚ］平面において対象面４の中心点を光学的共役点に予定する原点（０，０，０）の上方に、それぞれ、原点を中心として放射状に配置したので、この近接プローブ８の［ｘ−ｚ］平面を、対象を置いた装置の直交３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間において垂直姿勢に保持し、原点を対象面４の中心に幾何光学的に共役させると、対象面４の傾斜角が、いずれかのカラー光源１とカラーカメラ２がなす角度の１／２に等しい場合だけ、その光源からの光束を反射した対象面４の鏡面反射光束がカラーカメラ２に入射する。
図１は、実施例１の近接プローブ８における光源１の色相及び配置とカラーカメラ２の具体的な配置例を示している。天頂角０°の光源１．１を赤色色相、天頂角６０°の光源１．２を緑色色相、天頂角９０°の光源１．３を青色色相とすると、天頂角３０°のカラーカメラ２が撮像した画像のうち、赤色のカラーハイライト領域は、図１の天頂角３．１に対応する表面傾斜角１５°の対象面４．１の画像であり、以下同様に、緑色のカラーハイライト領域は、図１の天頂角３．２に対応する表面傾斜角４５°の対象面４．２の画像であり、青色のカラーハイライト領域は、図１の天頂角３．３に対応する表面傾斜角６０°の対象面４．３の画像である。
即ち、図１のカラーカメラ２が獲得した対象面４の画像中のハイライト画像の色相から、ハイライト画像を与えたそれぞれの対象表面パッチの傾斜角を知ることができる。
図１は、表面傾斜角だけを特異的にセンシングする、近接プローブ８の幾何光学構成を示す説明図である。
近接プローブ８は、３個のカラー光源１．１、１．２、及び１．３と１台のカラーカメラ２とを、近接プローブ８自体の直交３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間（図示せず）の［ｘ−ｚ］平面において対象面４の中心点を光学的共役点に予定する原点（０，０，０）の上方に、それぞれ、原点を中心として放射状に配置したので、この近接プローブ８の［ｘ−ｚ］平面を、対象を置いた装置の直交３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間において垂直姿勢に保持し、原点を対象面４の中心に幾何光学的に共役させると、対象面４の傾斜角が、いずれかのカラー光源１とカラーカメラ２がなす角度の１／２に等しい場合だけ、その光源からの光束を反射した対象面４の鏡面反射光束がカラーカメラ２に入射する。
図１は、実施例１の近接プローブ８における光源１の色相及び配置とカラーカメラ２の具体的な配置例を示している。天頂角０°の光源１．１を赤色色相、天頂角６０°の光源１．２を緑色色相、天頂角９０°の光源１．３を青色色相とすると、天頂角３０°のカラーカメラ２が撮像した画像のうち、赤色のカラーハイライト領域は、図１の天頂角３．１に対応する表面傾斜角１５°の対象面４．１の画像であり、以下同様に、緑色のカラーハイライト領域は、図１の天頂角３．２に対応する表面傾斜角４５°の対象面４．２の画像であり、青色のカラーハイライト領域は、図１の天頂角３．３に対応する表面傾斜角６０°の対象面４．３の画像である。
即ち、図１のカラーカメラ２が獲得した対象面４の画像中のハイライト画像の色相から、ハイライト画像を与えたそれぞれの対象表面パッチの傾斜角を知ることができる。
実施例１の形状測定装置においては、近接プローブ８を、装置の直交３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間の垂直面において、近接プローブ８自体の直交３次元空間のｙ軸周りに天頂角回転して、０°から９０°までの傾斜角を有する表面の測定を可能にしている。
図２に示した近接プローブ８’は、近接プローブ８（図１）の天頂角を、近接プローブ８のｙ軸周りに−１５°だけ回転した姿勢である。この回転によって光源１’．１、１’．２、及び１’．３は、天頂角がそれぞれ、−１５°、４５°、及び７５°に位置するので、天頂角１５°のカラーカメラ２’は、それぞれ、傾斜角が０°、３０°、及び４５°の対象面４’．１、４’．２、及び４’．３のカラーハイライト画像を獲得できる。
また、図３に示した近接プローブ８”は、近接プローブ８（図１）の天頂角を、近接プローブ８のｙ軸周りに＋３０°だけ回転した姿勢である。この回転によって光源１”．１、１”．２、及び１”．３は、天頂角がそれぞれ、３０°、９０°、１２０°に位置するので、天頂角６０°のカラーカメラ２”は、それぞれ、傾斜角が４５°、７５°、及び９０°の対象面４”．１、４”．２、及び４”．３のカラーハイライト画像を獲得できる。
図２に示した近接プローブ８’は、近接プローブ８（図１）の天頂角を、近接プローブ８のｙ軸周りに−１５°だけ回転した姿勢である。この回転によって光源１’．１、１’．２、及び１’．３は、天頂角がそれぞれ、−１５°、４５°、及び７５°に位置するので、天頂角１５°のカラーカメラ２’は、それぞれ、傾斜角が０°、３０°、及び４５°の対象面４’．１、４’．２、及び４’．３のカラーハイライト画像を獲得できる。
また、図３に示した近接プローブ８”は、近接プローブ８（図１）の天頂角を、近接プローブ８のｙ軸周りに＋３０°だけ回転した姿勢である。この回転によって光源１”．１、１”．２、及び１”．３は、天頂角がそれぞれ、３０°、９０°、１２０°に位置するので、天頂角６０°のカラーカメラ２”は、それぞれ、傾斜角が４５°、７５°、及び９０°の対象面４”．１、４”．２、及び４”．３のカラーハイライト画像を獲得できる。
次に、この近接プローブ８によって得られる画像と、対象面４の反射特性との関係について説明する。
上記の説明は、対象面４が鏡面である場合の光源及びカメラの天頂角について述べたものであるが、大多数の金属は先述のように、鏡面反射が不完全な金属反射性表面である。
例えばプレス板金の表面も金属反射性面であり、その画像は、鏡面反射角を中心としたカラーハイライト画像となる。
本発明の実施例１では、図１に示した近接プローブ８において、カラーカメラ２が獲得するカラーハイライト画像には、それぞれの光源１に対する、傾斜角１５°、４５°、及び６０°の鏡面反射領域のみならず、その前後の傾斜角を有する表面パッチ（単位領域）のハイライト画像が含まれる。
従って、金属反射性表面においては、近接プローブ８を図１の基本姿勢に維持したままで、傾斜角０°乃至９０°の表面から有意なカラーハイライト画像が得られるので、あえて図２や図３の回転姿勢をとる必要がない場合が多い。
上記の説明は、対象面４が鏡面である場合の光源及びカメラの天頂角について述べたものであるが、大多数の金属は先述のように、鏡面反射が不完全な金属反射性表面である。
例えばプレス板金の表面も金属反射性面であり、その画像は、鏡面反射角を中心としたカラーハイライト画像となる。
本発明の実施例１では、図１に示した近接プローブ８において、カラーカメラ２が獲得するカラーハイライト画像には、それぞれの光源１に対する、傾斜角１５°、４５°、及び６０°の鏡面反射領域のみならず、その前後の傾斜角を有する表面パッチ（単位領域）のハイライト画像が含まれる。
従って、金属反射性表面においては、近接プローブ８を図１の基本姿勢に維持したままで、傾斜角０°乃至９０°の表面から有意なカラーハイライト画像が得られるので、あえて図２や図３の回転姿勢をとる必要がない場合が多い。
以上の説明では、近接プローブ８において、３個の光源１．１、１．２、及び１．３の色相をそれぞれ、赤色、緑色、及び青色とした例を説明したが、それらの色相は、相互に異なる波長帯域であれば、どんなカラーであっても構わないことは言うまでもない。
また実施例１では、光源の数を３個としているが、本発明における光源数は、３個に限定されないことは、言うまでもない。
更に、実施例１では、光源の配置の天頂角範囲を０°乃至９０°としているが、本発明における光源配置の天頂角がこの範囲に限定されるものではないことは、言うまでもない。
また実施例１では、光源の数を３個としているが、本発明における光源数は、３個に限定されないことは、言うまでもない。
更に、実施例１では、光源の配置の天頂角範囲を０°乃至９０°としているが、本発明における光源配置の天頂角がこの範囲に限定されるものではないことは、言うまでもない。
次に、図１の近接プローブ８によって得られる金属面のハイライト画像について、図４を用いて説明する。
表面が鏡面の場合と不完全鏡面の場合では、カメラレンズの透視図効果によって、生成するハイライト画像はまったく異なる。しかし、従来の表面形状測定法においては、この透視図効果をまったく見落としたために、誤った基盤の上に測定法を構築していた。
例えば発光面が直径１０ｍｍの円形の光源が１００ｍｍ離れた平面を照明するとき、完全な鏡面の平面上には直径１００μｍの円形光源像が映る。この平面を傾斜させ、斜め上からカメラで撮像すると、その撮像面には、距離効果によって縮小した楕円形の光源像Ａ’が投影される。図中のＡは、光源から平面での反射を経て撮像面に達する光束である。
いっぽう、平面が金属反射性表面の場合は、光源から出た円錐状に広がる放射光束Ｂの直径が平面が存在するレベルにおいて平面より大であれば、平面全面がハイライト面となる。この平面を傾斜させ、斜め上からカメラで撮像すると、その撮像面には、カメラの天頂角による余弦短縮を受けた長方形の平面ハイライト像Ｂ’が投影される。この明度は、楕円形の光源像Ａ’の明度よりも低いが、ハイライト像であることにおいては、同類である。
理論的には、縮小した高明度の光源像Ａ’が長方形Ｂ’の中心に映るはずである。しかし、このハイライト円は光源との距離に反比例して微小化するから、距離が一定以上になると、光学系及び撮像系の解像度以下のサイズとなり、長方形像Ｂ’の中に埋没して不可視になる。
表面が鏡面の場合と不完全鏡面の場合では、カメラレンズの透視図効果によって、生成するハイライト画像はまったく異なる。しかし、従来の表面形状測定法においては、この透視図効果をまったく見落としたために、誤った基盤の上に測定法を構築していた。
例えば発光面が直径１０ｍｍの円形の光源が１００ｍｍ離れた平面を照明するとき、完全な鏡面の平面上には直径１００μｍの円形光源像が映る。この平面を傾斜させ、斜め上からカメラで撮像すると、その撮像面には、距離効果によって縮小した楕円形の光源像Ａ’が投影される。図中のＡは、光源から平面での反射を経て撮像面に達する光束である。
いっぽう、平面が金属反射性表面の場合は、光源から出た円錐状に広がる放射光束Ｂの直径が平面が存在するレベルにおいて平面より大であれば、平面全面がハイライト面となる。この平面を傾斜させ、斜め上からカメラで撮像すると、その撮像面には、カメラの天頂角による余弦短縮を受けた長方形の平面ハイライト像Ｂ’が投影される。この明度は、楕円形の光源像Ａ’の明度よりも低いが、ハイライト像であることにおいては、同類である。
理論的には、縮小した高明度の光源像Ａ’が長方形Ｂ’の中心に映るはずである。しかし、このハイライト円は光源との距離に反比例して微小化するから、距離が一定以上になると、光学系及び撮像系の解像度以下のサイズとなり、長方形像Ｂ’の中に埋没して不可視になる。
近接プローブ８は、光源とセンサの位置が固定であって、光軸平面を既知の方位角において垂直に保持すれば、金属平面からの反射光強度は、表面傾斜角だけに依存する。図５は、表面傾斜角に対する反射光強度の実測データである。反射光強度は、天頂角０°に位置する光源で照射した金メッキ平面を傾斜させ、天頂角３０°に位置するカメラによって撮像し、その表面画像を構成する画素の８ビット明度レベルのヒストグラム平均値を示している（●印）。
図５は、平面の傾斜角度に対する反射光強度（明度）の直線的な比例を示している。この比例は、±１０°以内の傾斜角範囲では、対象面面積（a）からの反射光量（Iab）と表面傾斜角（σ）の正弦との比例であって、カメラへの入射天頂角（θ）の余弦短縮に応じた反射光強度の減少によるものである（数１）。
このデータにおいて、傾斜角と反射光強度の相関係数は、０．９９３であった。なお、図中、■印の直線は、統計的予測値を示す。
直線の勾配は、金属面の反射係数によって異なり、金属の材質や表面処理に依存する。
本発明においては、後述のように、測定の前作業として、あらかじめ金属ワークごとに反射係数を測定して得られる反射関数を用いて、反射光強度から傾斜角を逆算している。
光源のハイライト円直径は、対象が鏡面の場合には、球面であると、曲率半径に比例して縮小する。また、円筒面であると、曲率半径に比例した幅の直線状ハイライト帯域を呈する。
いっぽう、対象が金属面の場合には、球面であると、周辺の明度が漸減する円形のハイライト像が見られ、円筒面であると、高明度直線の両サイドに明度が漸減するハイライト帯域が見られる。
図５は、平面の傾斜角度に対する反射光強度（明度）の直線的な比例を示している。この比例は、±１０°以内の傾斜角範囲では、対象面面積（a）からの反射光量（Iab）と表面傾斜角（σ）の正弦との比例であって、カメラへの入射天頂角（θ）の余弦短縮に応じた反射光強度の減少によるものである（数１）。
直線の勾配は、金属面の反射係数によって異なり、金属の材質や表面処理に依存する。
本発明においては、後述のように、測定の前作業として、あらかじめ金属ワークごとに反射係数を測定して得られる反射関数を用いて、反射光強度から傾斜角を逆算している。
光源のハイライト円直径は、対象が鏡面の場合には、球面であると、曲率半径に比例して縮小する。また、円筒面であると、曲率半径に比例した幅の直線状ハイライト帯域を呈する。
いっぽう、対象が金属面の場合には、球面であると、周辺の明度が漸減する円形のハイライト像が見られ、円筒面であると、高明度直線の両サイドに明度が漸減するハイライト帯域が見られる。
次に、実施例１における、表面パッチ高さ算出法について説明する。
本発明においては、後述するように、装置の直交３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間における、対象面の３次元位置と対象面の代表表面角度が既知であって、近接プローブ８を対象面に近接させて、所定の空間位置に定位し、所定の姿勢に維持して投光と撮像を行い、得られた対象面のハイライト画像の各画素の反射光強度を用いて、数１の反射係数ｂを当該ワークの反射係数に修正して得られた関数関係（反射関数）から、画素に対応する対象表面パッチの傾斜角を算出する。
画素サイズは一定であり、画素に対応する対象表面パッチのサイズは、カラーカメラ２の撮像面と対象面の対向角度によって算出できるから、傾斜角の正接値に表面パッチのサイズを乗算して、表面パッチの高さを算出する。次に、画素配列即ち対象面の表面パッチ配列に沿って、表面パッチの高さを配列し、個々の対象面の等高線マップを作成する。
測定空間においてワークがセットされた基準面からの対象面の絶対高さは、教示されていた対象面の絶対高さを修正するプロセスによって得られる。あるいは、ワークが接地する外縁の対象面からの積分値の算出によって得てもよい。
本発明においては、後述するように、装置の直交３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間における、対象面の３次元位置と対象面の代表表面角度が既知であって、近接プローブ８を対象面に近接させて、所定の空間位置に定位し、所定の姿勢に維持して投光と撮像を行い、得られた対象面のハイライト画像の各画素の反射光強度を用いて、数１の反射係数ｂを当該ワークの反射係数に修正して得られた関数関係（反射関数）から、画素に対応する対象表面パッチの傾斜角を算出する。
画素サイズは一定であり、画素に対応する対象表面パッチのサイズは、カラーカメラ２の撮像面と対象面の対向角度によって算出できるから、傾斜角の正接値に表面パッチのサイズを乗算して、表面パッチの高さを算出する。次に、画素配列即ち対象面の表面パッチ配列に沿って、表面パッチの高さを配列し、個々の対象面の等高線マップを作成する。
測定空間においてワークがセットされた基準面からの対象面の絶対高さは、教示されていた対象面の絶対高さを修正するプロセスによって得られる。あるいは、ワークが接地する外縁の対象面からの積分値の算出によって得てもよい。
本発明の形状測定原理は、以上述べたように、３次元位置が既知である対象面に関して、その表面パッチの傾斜角のみを測定し、表面パッチの高さを直接的に算出することに最大の特徴がある。
本発明は、このことにより、金属面の実用的形状測定を実現したものである。
本発明は、このことにより、金属面の実用的形状測定を実現したものである。
次に、本発明にかかる実施例１の形状測定装置の全体構成を図６を用いて説明する。
この形状測定装置の機構部１００においては、機構部１００の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間において、ＸＹ平面を成す載置台２にセットされた測定対象１に対して、近接プローブ８が投光と撮像を行う。この機構部１００は、相互に直交するＸ軸動作機構３、Ｙ軸動作機構４、及びＺ軸動作機構５と、Ｚ軸周りのφ角度回転機構６及びθ角度傾斜機構７を備え、θ角度傾斜機構７の先端で近接プローブ８を保持している。
この多軸動作機構には、多関節アーム型ロボットでも、門型多軸機構でも適用できる。
多軸動作機構は、教示したデータに従って、近接プローブ８を、対象面に近接させたうえ、その直交３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が、対象面の中心に幾何光学的に共役する位置において、垂直姿勢に維持し、近接プローブ８の垂直［ｙ−z］面をｚ軸周りに方位角回転し、更に／あるいは、水平［ｘ−ｙ］面をｙ軸周りに天頂角回転して、所定の投光・撮像姿勢とする。
この形状測定装置の機構部１００においては、機構部１００の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間において、ＸＹ平面を成す載置台２にセットされた測定対象１に対して、近接プローブ８が投光と撮像を行う。この機構部１００は、相互に直交するＸ軸動作機構３、Ｙ軸動作機構４、及びＺ軸動作機構５と、Ｚ軸周りのφ角度回転機構６及びθ角度傾斜機構７を備え、θ角度傾斜機構７の先端で近接プローブ８を保持している。
この多軸動作機構には、多関節アーム型ロボットでも、門型多軸機構でも適用できる。
多軸動作機構は、教示したデータに従って、近接プローブ８を、対象面に近接させたうえ、その直交３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が、対象面の中心に幾何光学的に共役する位置において、垂直姿勢に維持し、近接プローブ８の垂直［ｙ−z］面をｚ軸周りに方位角回転し、更に／あるいは、水平［ｘ−ｙ］面をｙ軸周りに天頂角回転して、所定の投光・撮像姿勢とする。
なお、本発明においては、対象１の下面を測定する必要がある場合は、対象を回転して上面同様に測定するために、機構部１００に対象回転機構を補設すればよい。その機能は本発明にとって副次的であるので、図示及び説明を省略する。
機構部１００は、制御部９に接続され、制御部９は、プローブデータ演算ユニット１０、画像演算ユニット１１、データ保存ユニット１２、外形復再構成ユニット１３、動作制御ユニット１４、およびシステム制御ユニット１５を有し、各ユニット１０乃至１５は、バス２０を通じてデータの交換を行う。
また、制御部９には、入力ユニット１６と、出力ユニット１７と、通信ユニット１８と、表示ユニット１９が接続されている。
また、制御部９には、入力ユニット１６と、出力ユニット１７と、通信ユニット１８と、表示ユニット１９が接続されている。
次に図７に従って、本発明にかかる実施例１の動作フローについて説明する。
図７において、（Ａ）は教示のステップを、また（Ｂ）は測定のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示においてはまず、対象の形状データを教示する（ＳＴ１）。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、得られた測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ８の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する（ＳＴ２）。この中心点は、対象面長方形の縦横中軸の交点であり、近接プローブ８が対象面に投光して撮像を行う時に、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ８の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する（ＳＴ３）。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の３次元座標軸を装置の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ８が装置の３次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する（ＳＴ４）。この近接位置は、近接プローブ８の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ＳＴ２で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する（ＳＴ５）。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ８の姿勢調節に要する回転動作時間が節約できる。
最後に、対象表面の反射係数を測定し、反射関数を決定して保存する（ＳＴ６）。これは、これから測定する対象の金属反射性表面の、表面傾斜角度と反射光強度の関係式における係数（数１のｂ）を入手するステップであって、対象ワークの既知の表面傾斜角のパッチに関して、実際の測定を行う。
図７において、（Ａ）は教示のステップを、また（Ｂ）は測定のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示においてはまず、対象の形状データを教示する（ＳＴ１）。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、得られた測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ８の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する（ＳＴ２）。この中心点は、対象面長方形の縦横中軸の交点であり、近接プローブ８が対象面に投光して撮像を行う時に、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ８の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する（ＳＴ３）。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の３次元座標軸を装置の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ８が装置の３次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する（ＳＴ４）。この近接位置は、近接プローブ８の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ＳＴ２で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する（ＳＴ５）。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ８の姿勢調節に要する回転動作時間が節約できる。
最後に、対象表面の反射係数を測定し、反射関数を決定して保存する（ＳＴ６）。これは、これから測定する対象の金属反射性表面の、表面傾斜角度と反射光強度の関係式における係数（数１のｂ）を入手するステップであって、対象ワークの既知の表面傾斜角のパッチに関して、実際の測定を行う。
次に、図７（Ｂ）のフロー図に沿って、実施例１の測定ステップを説明する。
まず対象を載置台２にセットし（ＳＴ７）、近接プローブ８を教示した対象面に近接させ、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、対象面を撮像する（ＳＴ８）。
次に、上記の項［００２４］において説明した原理に従って、対象面のハイライト画像明度値から、表面パッチの傾斜角を算出し（ＳＴ９）、その高さを算出する（ＳＴ１０）。
次に、各対象面について、表面パッチにそれぞれの高さをあてはめて、対象面の等高線マップを作成し（ＳＴ１１）、対象面中心の絶対高さをベースとして、対象面の絶対等高線マップを作成する（ＳＴ１２）。最後に、全対象面の等高線マップをＳＴ２で分割したそれぞれの位置座標に貼り付けて、対象の外形を再構成する（ＳＴ１３）。
まず対象を載置台２にセットし（ＳＴ７）、近接プローブ８を教示した対象面に近接させ、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、対象面を撮像する（ＳＴ８）。
次に、上記の項［００２４］において説明した原理に従って、対象面のハイライト画像明度値から、表面パッチの傾斜角を算出し（ＳＴ９）、その高さを算出する（ＳＴ１０）。
次に、各対象面について、表面パッチにそれぞれの高さをあてはめて、対象面の等高線マップを作成し（ＳＴ１１）、対象面中心の絶対高さをベースとして、対象面の絶対等高線マップを作成する（ＳＴ１２）。最後に、全対象面の等高線マップをＳＴ２で分割したそれぞれの位置座標に貼り付けて、対象の外形を再構成する（ＳＴ１３）。
次に、この発明にかかる実施例２を説明する。
実施例２は、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして物体形状の品質良否を判定する第１の検査装置である。
図８は、実施例２の構成を示した説明図である。
実施例２は、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして物体形状の品質良否を判定する第１の検査装置である。
図８は、実施例２の構成を示した説明図である。
実施例２の機構部２００は、図示のとおり、実施例１の機構部１００と同一であるため、説明を割愛する。
実施例２の機構部２００は、制御部９に接続され、制御部９は、プローブデータ演算ユニット１０、画像演算ユニット１１、データ保存ユニット１２、外形再構成ユニット１３、良否判定ユニット１４、および動作／システム制御ユニット１５を有し、各ユニット１０乃至１５は、バス２０を通じてデータの交換を行う。
また、制御部９には、入力ユニット１６と、出力ユニット１７と、通信ユニット１８と、表示ユニット１９が接続されている。
また、制御部９には、入力ユニット１６と、出力ユニット１７と、通信ユニット１８と、表示ユニット１９が接続されている。
次に図９に従って、本発明にかかる実施例２の動作フローについて説明する。
図９において、（Ａ）は教示のステップを、また（Ｂ）は検査のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示にはまず、基準対象の形状データを教示する（ＳＴ２１）。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ８の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する（ＳＴ２２）。この中心点は、対象面の縦横中軸の交点であり、近接プローブ８が対象面を投光及び撮像を行う時に、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ８の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する（ＳＴ２３）。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の３次元座標軸を装置の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ８が装置の３次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する（ＳＴ２４）。この近接位置は、近接プローブ８の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ＳＴ２２で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する（ＳＴ２５）。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ８の姿勢調節に要する動作時間が節約できる。
最後に、対象表面の反射係数を測定し、反射関数を決定して保存する（ＳＴ２６）。これは、これから測定する対象の金属反射性表面における、表面傾斜角度と反射光強度の関数関係を入手するステップであって、対象ワークの既知の表面傾斜角のパッチに関して、実際の測定を行う。
図９において、（Ａ）は教示のステップを、また（Ｂ）は検査のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示にはまず、基準対象の形状データを教示する（ＳＴ２１）。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ８の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する（ＳＴ２２）。この中心点は、対象面の縦横中軸の交点であり、近接プローブ８が対象面を投光及び撮像を行う時に、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ８の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する（ＳＴ２３）。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の３次元座標軸を装置の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ８が装置の３次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する（ＳＴ２４）。この近接位置は、近接プローブ８の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ＳＴ２２で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する（ＳＴ２５）。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ８の姿勢調節に要する動作時間が節約できる。
最後に、対象表面の反射係数を測定し、反射関数を決定して保存する（ＳＴ２６）。これは、これから測定する対象の金属反射性表面における、表面傾斜角度と反射光強度の関数関係を入手するステップであって、対象ワークの既知の表面傾斜角のパッチに関して、実際の測定を行う。
次に、図９（Ｂ）のフロー図に沿って、実施例２の検査ステップを説明する。
まず検査対象を載置台２にセットし（ＳＴ２７）、近接プローブ８を教示した検査対象面に近接させ、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、対象面を撮像する（ＳＴ２８）。
次に、上記の項［００２４］において説明した原理に従って、対象面のハイライト画像明度値から、表面パッチの傾斜角を算出し、その高さを算出する（ＳＴ２９）。
次に、各対象面について、表面パッチにそれぞれの高さをあてはめて、対象面の等高線マップを作成し、対象面中心の絶対高さをベースとして、対象面の絶対等高線マップを作成し、最後に、全対象面の等高線マップをＳＴ２２で分割したそれぞれの位置座標に貼り付けて、対象の外形を再構成し、保存する（ＳＴ３０）。
次に、ＳＴ２１で教示した基準対象の対象面ごとに比較演算を行い（ＳＴ３１）、比較演算の結果について良否判定ユニット１４が品質の良否判定を行って（ＳＴ３２）、不良箇所と検査対象の総合品質を報告する（ＳＴ３３）。
まず検査対象を載置台２にセットし（ＳＴ２７）、近接プローブ８を教示した検査対象面に近接させ、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、対象面を撮像する（ＳＴ２８）。
次に、上記の項［００２４］において説明した原理に従って、対象面のハイライト画像明度値から、表面パッチの傾斜角を算出し、その高さを算出する（ＳＴ２９）。
次に、各対象面について、表面パッチにそれぞれの高さをあてはめて、対象面の等高線マップを作成し、対象面中心の絶対高さをベースとして、対象面の絶対等高線マップを作成し、最後に、全対象面の等高線マップをＳＴ２２で分割したそれぞれの位置座標に貼り付けて、対象の外形を再構成し、保存する（ＳＴ３０）。
次に、ＳＴ２１で教示した基準対象の対象面ごとに比較演算を行い（ＳＴ３１）、比較演算の結果について良否判定ユニット１４が品質の良否判定を行って（ＳＴ３２）、不良箇所と検査対象の総合品質を報告する（ＳＴ３３）。
次に、この発明にかかる実施例３を説明する。
実施例３は、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして物体形状の品質良否を判定する第２の検査装置である。
図１０は、実施例３の構成を示した説明図である。
実施例３は、金属反射性表面の傾斜角のみを特異的にセンシングして物体形状の品質良否を判定する第２の検査装置である。
図１０は、実施例３の構成を示した説明図である。
実施例３の機構部３００は、図示のとおり、実施例１の機構部１００と同一であるため、説明を割愛する。
実施例３の機構部３００は、制御部９に接続され、制御部９は、投光撮像ユニット１０、データ保存ユニット１１、演算ユニット１２、良否判定ユニット１３、機構制御ユニット１４、およびシステム制御ユニット１５を有し、各ユニット１０乃至１５は、バス２０を通じてデータの交換を行う。
また、制御部９には、入力ユニット１６と、出力ユニット１７と、通信ユニット１８と、表示ユニット１９が接続されている。
また、制御部９には、入力ユニット１６と、出力ユニット１７と、通信ユニット１８と、表示ユニット１９が接続されている。
次に図１１に従って、本発明にかかる実施例３の動作フローについて説明する。
図１１において、（Ａ）は教示のステップを、また（Ｂ）は検査のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示にはまず、対象の形状データを教示する（ＳＴ４１）。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ８の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する（ＳＴ４２）。この中心点は、対象面の縦横中軸の交点であり、近接プローブ８が対象面を投光及び撮像を行う時に、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ８の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する（ＳＴ４３）。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の３次元座標軸を装置の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ８が装置の３次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する（ＳＴ４４）。この近接位置は、近接プローブ８の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ＳＴ２２で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する（ＳＴ４５）。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ８の姿勢調節に要する動作時間が節約できる。
次に、装置の載置台に良品対象をセットし（ＳＴ４６）、近接プローブ８を各対象面に近接して、投光と撮像を行い（ＳＴ４７）、教示した全対象面の良品画像を保存する（ＳＴ４８）。
図１１において、（Ａ）は教示のステップを、また（Ｂ）は検査のステップをそれぞれ示すフロー図である。
教示にはまず、対象の形状データを教示する（ＳＴ４１）。形状データの教示には、対象の設計データを利用する。設計データが利用できない場合は、この測定装置を使って正常な対象をマニュアル測定し、測定データを教示に利用する。
次に、対象の表面を、近接プローブ８の撮像視野に相当するエリアの対象面に分割し、各対象面の中心点座標を教示する（ＳＴ４２）。この中心点は、対象面の縦横中軸の交点であり、近接プローブ８が対象面を投光及び撮像を行う時に、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点を幾何光学的に共役させて、近接プローブ８の位置決めを行う、基準点である。
次に、各対象面の代表表面角度を設定する（ＳＴ４３）。ここで対象面の表面角度は、測定時において、測定対象自体の３次元座標軸を装置の３次元［Ｘ，Ｙ，Ｚ］測定空間座標軸に合致させた場合の、対象面中心点を基点とする法線ベクトルの角度であって、方位角成分と傾斜角成分の合成角である。代表表面角度には、対象面を構成する表面パッチの表面角度の平均値を適用しているが、そのほか、中央値など、他のパラメータを適用することもできる。
次に、近接プローブ８が装置の３次元空間において、対象面に近接して投光・撮像を行う位置座標と、その姿勢を算出する（ＳＴ４４）。この近接位置は、近接プローブ８の平面原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる位置である。
次に、ＳＴ２２で対象表面に割り付けられたすべての対象面の投光・撮像動作をもっとも効率的に行う撮像順序を決定する（ＳＴ４５）。このステップを撮像順序の最適化と称する。例えば、近似の表面角度を有する対象面が帯域として連続している場合、この帯域を連続して撮像すれば、近接プローブ８の姿勢調節に要する動作時間が節約できる。
次に、装置の載置台に良品対象をセットし（ＳＴ４６）、近接プローブ８を各対象面に近接して、投光と撮像を行い（ＳＴ４７）、教示した全対象面の良品画像を保存する（ＳＴ４８）。
次に、図１１（Ｂ）のフロー図に沿って、実施例３の検査ステップを説明する。
まず検査対象を載置台２にセットし（ＳＴ４９）、近接プローブ８を教示した対象面に近接させ、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、検査対象面を撮像し（ＳＴ５０）、獲得した画像を保存する（ＳＴ５１）。
次に、ＳＴ４８で保存した良品対象の対応対象面画像と比較演算を行い（ＳＴ５２）、比較演算の結果について良否判定ユニット１３が品質の良否判定を行って（ＳＴ５３）、不良箇所と検査対象の総合品質を報告する（ＳＴ５４）。
まず検査対象を載置台２にセットし（ＳＴ４９）、近接プローブ８を教示した対象面に近接させ、近接プローブ８の３次元［ｘ，ｙ，ｚ］空間の原点が対象面中心位置に幾何光学的に共役する空間位置にもたらし、教示された投光・撮像姿勢をとらせ、検査対象面を撮像し（ＳＴ５０）、獲得した画像を保存する（ＳＴ５１）。
次に、ＳＴ４８で保存した良品対象の対応対象面画像と比較演算を行い（ＳＴ５２）、比較演算の結果について良否判定ユニット１３が品質の良否判定を行って（ＳＴ５３）、不良箇所と検査対象の総合品質を報告する（ＳＴ５４）。
それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブによって、対象面の傾斜角依存性色相別ハイライト画像を獲得するので、どのようなディメンションの金属製品に対しても、表面傾斜角から高さを算出する形状測定と、形状測定結果に基づく品質検査と、色相別ハイライト画像による形状検査が適用できる。
１ 固有の色相光を投光する複数の光源
２ カラーカメラ
３ 複数の光源とカラーカメラによって検出される表面法線天頂角
４ 金属反射性対象面
８ 近接プローブ
２ カラーカメラ
３ 複数の光源とカラーカメラによって検出される表面法線天頂角
４ 金属反射性対象面
８ 近接プローブ
Claims (3)
- それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、
対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、
投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる前記近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、
前記プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、
前記近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と
を備え、
前記近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成することを特徴とする金属表面の形状測定装置。 - それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、
対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、
投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる前記近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、
前記プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、
前記近接プローブが獲得した対象面の色相別ハイライト画像から、表面パッチ（単位領域）の傾斜角と高さを算出し、対象の表面形状データを作成する画像演算手段と、
前記演算手段が作成した表面形状データに基づいて、品質異常を検出する検出手段と
を備え、
前記近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の色相別ハイライト画像を表面傾斜角依存性となし、対象の表面形状データを作成して、品質異常を検出することを特徴とする金属表面の形状検査装置。 - それぞれ固有の色相光を発する複数の光源を、それらが投射する光束の光軸が近接プローブに属する１平面を通って相異なる入射角で前記平面上に定めた原点に収束するように、配置して成る投光手段と、カラーカメラを、撮像光軸が前記の平面を通って原点に達するように配置して成る撮像手段とが、一体に構成されて成る近接プローブと、
対象表面を測定単位である対象面に分割し、対象の３次元座標空間における各対象面中心点の位置座標と、各対象面の代表表面角度を教示する教示手段と、
投光と撮像を行うために、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させる前記近接プローブの３次元位置と、対象面中心点の周りに方位角及び天頂角回転させたセンシング姿勢を算出するプローブデータ演算手段と、
前記プローブデータ演算手段が算出したデータに従って、対象面ごとに、前記近接プローブを本装置の３次元座標空間における投光・撮像の３次元位置にもたらし、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、かつ対象面中心点の周りに所定の方位角だけ回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転して、教示されたセンシング姿勢とする多軸動作機構と、
前記近接プローブが投光と撮像を行って獲得した対象面の色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出する検出手段と
を備え、
前記近接プローブが、本装置の３次元座標空間において、対象面ごとに、前記平面の原点を対象面中心点に幾何光学的に共役させ、この装置の基準面に対して前記平面を垂直に維持し、所定の方位角に回転し、必要な場合には更に所定の天頂角だけ回転したセンシング姿勢において投光と撮像を行うことにより、獲得した対象面の表面傾斜角依存性色相別ハイライト画像に基づいて、品質異常を検出することを特徴とする金属表面の形状検査装置。
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