JP2017020876A - Shape measurement device and shape measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置及び形状測定方法に関する。 The present invention relates to a shape measuring device and a shape measuring method.
被測定物の表面に対して照射されている線状光を撮像して、いわゆる光切断法に基づいて被測定物の表面形状を測定する形状測定技術が、鉄鋼業のみならず様々な分野で広く用いられている。例えば、以下の特許文献1には、線状のレーザ光と遅延積分型カメラとを用いた光切断法による形状測定装置が開示されており、以下の特許文献2には、線状のレーザ光とエリアカメラとを用いた光切断法による形状測定装置が開示されている。
Shape measurement technology that measures the surface shape of the object to be measured based on the so-called light cutting method by imaging the linear light irradiated on the surface of the object to be measured is not only in the steel industry but also in various fields. Widely used. For example, the following
このような光切断法による形状測定技術を鉄鋼半製品であるスラブ等のような赤熱している物体に対して適用する場合には、主に赤色波長帯域に分布する自発光が、信号雑音比(Signal−Noise ratio)の点で問題となる。また、上記のような光切断法による形状測定技術を屋外で利用する場合には、太陽光がSN比の点で問題となる。このような場合、外乱光対策として、赤熱する物体に対する青色光源のように、波長帯域が外乱光と重複しないような光源を選択するか、レーザのような狭帯域光源を用いて、干渉フィルタにより光源の波長のみを選択的に透過させるようにすることが行われる。 When applying such light-cutting shape measurement technology to red-hot objects such as slabs, which are semi-finished steel products, the self-luminescence mainly distributed in the red wavelength band is the signal-to-noise ratio. This is a problem in terms of (Signal-Noise ratio). In addition, when the shape measuring technique based on the light cutting method as described above is used outdoors, sunlight becomes a problem in terms of the SN ratio. In such a case, as a countermeasure against disturbance light, select a light source whose wavelength band does not overlap with disturbance light, such as a blue light source for a red-hot object, or use a narrow-band light source such as a laser and use an interference filter. Only the wavelength of the light source is selectively transmitted.
光源の波長を選択する際に、青色光源では一般的にカメラ感度が低下してしまうという問題や、太陽光などのように外乱光のスペクトルが広い場合には、外乱光と波長帯域が重複しない光源が見つからないという問題がある。そのため、外乱光の波長に依らず適用可能な外乱光対策としては、光学バンドパスフィルタ(いわゆる、干渉フィルタ)を利用する方が簡便である。 When selecting the wavelength of the light source, the problem is that the camera sensitivity generally decreases with a blue light source, and if the disturbance light spectrum is wide, such as sunlight, the disturbance light and the wavelength band do not overlap. There is a problem that the light source cannot be found. For this reason, it is easier to use an optical bandpass filter (so-called interference filter) as a countermeasure against disturbance light that can be applied regardless of the wavelength of disturbance light.
ここで、干渉フィルタを用いる際に、光切断線の波長選択性を高めるために狭帯域の干渉フィルタを用いることが多いが、干渉フィルタに光が斜入射すると光の透過帯域にズレが生じるため、視野の周囲で光切断線が見えなくなるという問題がある。この場合、得られる光切断画像のSN比は低下してしまい、ひいては、形状測定結果の精度低下につながる。このような斜入射に起因する視野の問題は、例えば鉄鋼業における各種ラインのように、形状測定装置を設置可能な場所に制限があり、測定対象物までの距離を可能な限り短くする(すなわち、形状測定装置の小型化を図る)ために、広角レンズを用いざるを得ないような状況で顕著である。 Here, when an interference filter is used, a narrow-band interference filter is often used in order to improve the wavelength selectivity of the optical cutting line. However, when light is incident obliquely on the interference filter, a shift occurs in the light transmission band. , There is a problem that the optical cutting line becomes invisible around the visual field. In this case, the signal-to-noise ratio of the obtained light section image is lowered, which leads to a decrease in accuracy of the shape measurement result. The problem of visual field due to such oblique incidence is that there is a limit to where the shape measuring device can be installed, such as various lines in the steel industry, and the distance to the measurement object is as short as possible (ie This is remarkable in a situation where a wide-angle lens must be used to reduce the size of the shape measuring apparatus.
上記のような斜入射に伴う透過帯域のズレの問題に対応するために、以下の特許文献3では、球状の干渉フィルタを用いる方法が提案されており、以下の特許文献4では、場所によって異なる透過特性を有する干渉フィルタを用いる方法が提案されている。
In order to cope with the above-described problem of transmission band shift due to oblique incidence, the following
しかしながら、上記特許文献3及び特許文献4に開示されているような干渉フィルタは、汎用的なものではなく、このような干渉フィルタを製作するのは、困難かつ高価であるという問題があった。そのため、外乱光が問題となるような状況下であっても、良好な信号雑音比を有する光切断画像を生成することが可能な、実施が容易で安価な技術が希求されていた。
However, the interference filters disclosed in
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、外乱光が問題となるような状況下であっても、良好な信号雑音比を有する光切断画像を、実施が容易かつ安価に生成することが可能な、形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an optical cutting device having a good signal-to-noise ratio even under circumstances where disturbance light is a problem. It is an object of the present invention to provide a shape measuring apparatus and a shape measuring method capable of generating an image easily and inexpensively.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、光を反射又は放射している被測定物の表面に対して、線状のレーザ光を照射するレーザ光源と、当該被測定物の表面での前記レーザ光による光切断線を撮像して、光切断画像を生成する撮像装置と、を有する測定装置と、前記測定装置により生成された前記光切断画像に対して画像処理を実施して、前記被測定物の形状を算出する演算処理装置と、を備え、前記撮像装置は、前記光切断線の像を撮像素子へと結像させる像側テレセントリックレンズと、前記像側テレセントリックレンズと前記撮像素子との間に配設される、所定のバンド幅を有する光学バンドパスフィルタと、を有する、形状測定装置が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to an aspect of the present invention, a laser light source that irradiates a surface of a measurement object that reflects or emits light with a linear laser beam, and the measurement object An imaging device that captures an optical cutting line by the laser beam on the surface of the image and generates an optical cutting image, and performs image processing on the optical cutting image generated by the measuring device And an arithmetic processing unit that calculates the shape of the object to be measured, wherein the imaging device includes an image-side telecentric lens that forms an image of the optical cutting line on an imaging device, and the image-side telecentric lens. And an optical band-pass filter having a predetermined bandwidth disposed between the image sensor and the image sensor.
前記線状のレーザ光のレーザパワー密度、及び、前記光学バンドパスフィルタのバンド幅は、前記光切断線を撮像するのに要する撮像面での照度、及び、被測定物が反射又は放射している前記光である外乱光に対して要求される信号雑音比に基づき決定されることが好ましい。 The laser power density of the linear laser beam and the bandwidth of the optical bandpass filter are the illuminance on the imaging surface required for imaging the optical cutting line, and the object to be measured is reflected or emitted. Preferably, it is determined based on the signal-to-noise ratio required for the ambient light that is the light.
前記光学バンドパスフィルタの前記バンド幅による開口数は、前記撮像装置のF値で決まる開口数よりも小さく設定されることが好ましい。 The numerical aperture according to the bandwidth of the optical bandpass filter is preferably set smaller than the numerical aperture determined by the F value of the imaging device.
前記被測定物の表面でのレーザパワー密度は、縦軸に前記線状のレーザ光のレーザパワー密度をとり、横軸に前記光学バンドパスフィルタの前記バンド幅をとった平面座標系において、外乱光に対する信号雑音比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線と、像面での前記光切断線の像の明るさが一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線と、の交点に対応するレーザパワー密度以上の値に設定されることが好ましい。 The laser power density at the surface of the object to be measured is a disturbance in a plane coordinate system in which the vertical axis represents the laser power density of the linear laser beam and the horizontal axis represents the bandwidth of the optical bandpass filter. The curve representing the relationship between the laser power density and the bandwidth with a constant signal-to-noise ratio with respect to the light, and the relationship between the laser power density and the bandwidth with a constant brightness of the image of the light section line on the image plane. It is preferably set to a value equal to or higher than the laser power density corresponding to the intersection of the curve to be represented.
前記外乱光に対する信号雑音比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線は、直線であってもよい。 The curve representing the relationship between the laser power density and the bandwidth at which the signal-to-noise ratio with respect to the disturbance light is constant may be a straight line.
前記光学バンドパスフィルタのバンド幅の大きさは、5nm以上10nm以下であることが好ましい。 The bandwidth of the optical bandpass filter is preferably 5 nm or more and 10 nm or less.
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、被測定物の表面に対して線状のレーザ光を照射するレーザ光源、及び、当該被測定物の表面での前記レーザ光による光切断線を撮像して、光切断画像を生成するものであり、前記光切断線の像を撮像素子へと結像させる像側テレセントリックレンズと、前記像側テレセントリックレンズと前記撮像素子との間に配設される、所定のバンド幅を有する光学バンドパスフィルタとを有する撮像装置、を備える測定装置により、光を反射又は放射している被測定物に関する光切断画像を生成するステップと、前記測定装置により生成された前記光切断画像に対して画像処理を実施して、前記被測定物の形状を算出するステップと、を含む、形状測定方法が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, a laser light source that irradiates a surface of the object to be measured with a linear laser beam, and the surface of the object to be measured. An image-side telecentric lens for imaging a light-cutting line by laser light to generate a light-cutting image, and forming an image of the light-cutting line on an image pickup device, the image-side telecentric lens, and the image pickup device Generating a light-cutting image relating to an object to be measured that reflects or emits light by a measuring device including an imaging device having an optical bandpass filter having a predetermined bandwidth disposed between And a step of calculating the shape of the object to be measured by performing image processing on the light section image generated by the measuring device.
以上説明したように本発明によれば、実施が容易で安価な像側テレセントリックレンズと、かかる像側テレセントリックレンズの後段に設けられた所定のバンド幅の光学バンドパスフィルタと、を用いることで、外乱光が問題となるような状況下であっても、良好な信号雑音比を有する光切断画像を生成することが可能となる。 As described above, according to the present invention, by using an image-side telecentric lens that is easy to implement and inexpensive, and an optical bandpass filter having a predetermined bandwidth provided at the subsequent stage of the image-side telecentric lens, Even under circumstances where ambient light becomes a problem, it is possible to generate a light-cut image having a good signal-to-noise ratio.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
(形状測定装置について)
以下では、図1〜図8を参照しながら、本発明の第1の実施形態に係る形状測定装置について、詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る形状測定装置の構成の一例を示したブロック図である。図2は、本実施形態に係る測定装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。図3A及び図3Bは、光学バンドパスフィルタについて説明するための説明図である。図4は、本実施形態に係る撮像装置の構成の一例を模式的に示した説明図である。図5は、光線の広がり角と波長シフト量との関係を示したグラフ図である。図6A及び図6Bは、レーザパワー密度とバンド幅との関係を模式的に示した説明図である。図7は、レーザパワー密度とバンド幅との関係を模式的に示した説明図である。図8は、本実施形態に係る演算処理装置が備える画像処理部の構成の一例を示したブロック図である。
(About shape measuring device)
Hereinafter, the shape measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the shape measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is an explanatory diagram schematically showing an example of the configuration of the measuring apparatus according to the present embodiment. 3A and 3B are explanatory diagrams for describing the optical bandpass filter. FIG. 4 is an explanatory diagram schematically illustrating an example of the configuration of the imaging apparatus according to the present embodiment. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the light spread angle and the wavelength shift amount. 6A and 6B are explanatory diagrams schematically showing the relationship between the laser power density and the bandwidth. FIG. 7 is an explanatory diagram schematically showing the relationship between the laser power density and the bandwidth. FIG. 8 is a block diagram illustrating an example of a configuration of an image processing unit included in the arithmetic processing device according to the present embodiment.
<形状測定装置の全体構成について>
本実施形態に係る形状測定装置は、光を反射又は放射している被測定物の表面の形状を、いわゆる光切断法を利用して測定する装置である。
ここで、本実施形態に係る形状測定装置が測定対象物とする、光を反射又は放射している被測定物としては、特に限定されるものではなく、例えば赤熱している各種の金属等のように、それ自身が所定波長の光を放射しているものであってもよいし、例えば屋外に設置されて、それ自身の表面で太陽光を反射している金属等であってもよい。
<Overall configuration of shape measuring device>
The shape measuring device according to the present embodiment is a device that measures the shape of the surface of a measurement object that reflects or emits light using a so-called light cutting method.
Here, the object to be measured, which is the object to be measured by the shape measuring apparatus according to the present embodiment and that reflects or emits light, is not particularly limited, and examples thereof include various metals that are red hot. As such, it may be one that emits light of a predetermined wavelength, or a metal that is installed outdoors and reflects sunlight on its own surface.
このような形状測定装置1は、図1に模式的に示したように、測定装置10と、演算処理装置20と、を主に備える。
Such a
測定装置10は、測定対象物Sに対して、線状のレーザ光を照射し、測定対象物Sの表面での線状のレーザ光による光切断線を撮像することで、測定対象物Sに関する光切断画像を生成する装置である。なお、本実施形態に係る形状測定装置1では、所定波長の光を反射又は放射する物体を測定対象物Sとするため、かかる測定装置10には、測定対象物Sの表面における光切断線の像のみならず、測定対象物Sが反射又は放射している光が、外乱光として入射する。
The
この測定装置10は、図2に模式的に示したように、測定対象物Sに対して線状のレーザ光を照射するレーザ光源11と、測定対象物Sの表面での光切断線を撮像する撮像装置13と、から構成されている。
As schematically shown in FIG. 2, the
レーザ光源11は、例えば、可視光帯域等のように所定波長のレーザ光を射出する光源ユニットと、光源ユニットから射出されたレーザ光を長さ方向に拡げながら線幅方向に集光して線状光にするためのレンズ(例えば、シリンドリカルレンズやロッドレンズやパウエルレンズ等)と、から構成される。
The
また、撮像装置13は、後述するような特定の光学系を有するレンズと、かかるレンズによって測定対象物Sの光切断線の像が結像される、CCD(Charge Coupled Device)又は、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等の撮像素子と、後述するような光学系バンドパスフィルタと、を有している。
The
レーザ光源11と、撮像装置13と、の間の位置関係については、特に限定されるものではないが、図2に模式的に示したように、撮像装置13の光軸と測定対象物Sの表面の法線方向とが略平行となるように、撮像装置13が設けられることが好ましい。また、レーザ光源11は、レーザ光源11の光軸と撮像装置13の光軸とが所定の角度をなすように、測定対象物Sの表面に対して斜め方向に設けられることが好ましい。
The positional relationship between the
かかる撮像装置13の詳細な構成については、以下で改めて説明する。
The detailed configuration of the
かかる測定装置10は、後述する演算処理装置20による制御のもとで、線状のレーザ光の照射処理や光切断線の撮像処理等を所定の時間間隔で実施して、複数の光切断画像を生成すると、得られた光切断画像を演算処理装置20へと出力する。
The measuring
演算処理装置20は、測定装置10により生成される光切断画像を取得し、取得した光切断画像に対して、上記特許文献1や特許文献2に開示されているような公知の処理を実施することで、輝度画像及び凹凸画像を生成する。その後、演算処理装置20は、生成した輝度画像及び凹凸画像に対して所定の画像処理を実施することで、測定対象物Sの表面形状を表わす情報を生成する。また、かかる演算処理装置20は、測定装置10における撮像処理(換言すれば、光切断画像の生成処理)を制御する制御部としても機能する。
The
かかる演算処理装置20の詳細な構成については、以下で改めて説明する。
The detailed configuration of the
<撮像装置13の構成について>
次に、図3A〜図4を参照しながら、本実施形態に係る測定装置10が備える撮像装置13の構成について、詳細に説明する。
<About Configuration of
Next, the configuration of the
先だって言及したように、形状測定装置1では、外乱光の影響を取り除くために、光学バンドパスフィルタとして、狭帯域の干渉フィルタが用いられることが多い。このような干渉フィルタは、光が干渉フィルタの表面に対して垂直に入射することを想定して設計されているものである。
As previously mentioned, in the
図3Aに示したように、干渉フィルタに対して光が垂直に入射した場合は、上側の面で反射した光(反射波b)は、干渉フィルタの屈折率がn>1であることから位相が反転しており、下側の面で反射した光(反射波a)は位相が変わらない。そのため、光路長差(干渉フィルタの厚みをdとして、2ndとなる。)が波長の整数倍であるときに、反射光強度はゼロとなり、フィルタを透過する光量は最大となる。一方、図3Bに示したように、干渉フィルタに対して光が斜めに入射する場合を考える。図3Bにおいて、点線は等位相線でありACとBDの光路長は等しいので、光路長差はCEDとなる。CEDの長さは干渉フィルタ内での入射角をθとすると2ndcosθであり、θが大きくなると光路長差は小さくなる。従って、透過波長が短波長にシフトしてしまう。このような斜入射に伴う透過波長の短波長シフトは、撮像装置13と測定対象物Sとの間の離隔距離を短くするために、広角レンズ(短焦点レンズ)を用いる場合に顕著となる。
As shown in FIG. 3A, when light is incident on the interference filter perpendicularly, the light reflected by the upper surface (reflected wave b) is in phase because the refractive index of the interference filter is n> 1. Is inverted, and the phase of the light reflected by the lower surface (reflected wave a) does not change. Therefore, when the optical path length difference (the thickness of the interference filter is d, which is 2nd) is an integral multiple of the wavelength, the reflected light intensity is zero and the amount of light transmitted through the filter is maximum. On the other hand, as shown in FIG. 3B, consider a case where light is incident on the interference filter obliquely. In FIG. 3B, the dotted line is an equiphase line, and the optical path lengths of AC and BD are equal, so the optical path length difference is CED. The length of the CED is 2nd cos θ when the incident angle in the interference filter is θ, and the optical path length difference decreases as θ increases. Therefore, the transmission wavelength is shifted to a short wavelength. Such a short wavelength shift of the transmission wavelength due to oblique incidence becomes significant when a wide-angle lens (short focus lens) is used in order to shorten the separation distance between the
いま、図3A及び図3Bに示したような干渉フィルタの集光半角(図3Bにおける干渉フィルタ内での入射角と同じである。)をθ[度]とし、干渉フィルタの実効屈折率をnとし、垂直入射時の光の中心波長をλ0[nm]とし、入射角をθ度傾けたときの光の中心波長をλθ[nm]とすると、これらのパラメータには、以下の式101に示す関係が成立する。
Now, the condensing half angle of the interference filter as shown in FIGS. 3A and 3B (the same as the incident angle in the interference filter in FIG. 3B) is θ [degree], and the effective refractive index of the interference filter is n. and then, the center wavelength of light during normal incidence and lambda 0 [nm], when the center wavelength of the light when tilting the incident angle theta degrees and lambda theta [nm], these parameters, the following
このような斜入射による短波長シフトを抑制するために、本実施形態に係る撮像装置13では、図4に模式的に示したように、カメラ本体101に装着されるレンズ103として、像側テレセントリックレンズが用いられる。像側テレセントリックレンズは、図4に模式的に示したように、開口絞りが光学系の前側焦点面上(換言すれば、光学系の物面側の焦点面上)に設けられている。このような像側テレセントリック光学系では、射出瞳は像側の無限遠にでき、像空間の主光線は、光軸に対して平行となる。このような像側テレセントリックレンズは、特に限定されるものではなく、レンズ103に求める焦点距離fに応じて、公知のものを利用することが可能である。
In order to suppress such a short wavelength shift due to oblique incidence, in the
本実施形態に係る撮像装置13では、図4に示したように、像側テレセントリックレンズと、カメラ本体101に設けられた撮像素子105と、の間に、所望の中心波長の光を透過させる、所定のバンド幅の光学バンドパスフィルタ(干渉フィルタ)107を配設する。像側テレセントリックレンズによって、レンズ103に入射した光の主光線は光軸に対して平行となるため、図3に示したような、光学バンドパスフィルタ107への斜入射が抑制される。これにより、レンズ103として広角レンズを用いた場合であっても、光学バンドパスフィルタ107への斜入射に起因して光切断線の像に非透過部分が生じることを、防止することができる。
In the
なお、光学バンドパスフィルタ107の配設位置については、像側テレセントリックレンズの光学系と、撮像素子105との間に位置していれば特に限定されるものではなく、レンズ103の内部に設けられていても良いし、カメラ本体101の内部に設けられていても良いし、レンズ103とカメラ本体101との接続部分に設けられていても良い。
The arrangement position of the
以上、本実施形態に係る撮像装置13の構成について、詳細に説明した。
The configuration of the
<光学バンドパスフィルタのバンド幅の制約>
次に、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅に関する制約について、図5を参照しながら説明する。
<Restriction of bandwidth of optical bandpass filter>
Next, restrictions on the bandwidth of the
図4に示したような撮像装置13において、像面からみた光線の広がり角θが小さいと、像面における被写体の像(すなわち、光切断線の像)が暗くなってしまう。光学バンドパスフィルタの場合、広がり角の大きい部分の光線は斜入射となり透過しないため、実質的に広がり角を制限した(すなわち、絞りを絞った)ことと等価である。そのため、開口数NA=sinθは、フィルタのバンド幅によって決まる。例えば、波長640nmの光が、実効屈折率n=1.5である光学バンドパスフィルタに入射した場合には、波長シフト量と入射角の関係は、上記式101に基づいて、図5に示したようになる。
In the
例えば、図4に示した広がり角θ=10度である場合、空気中に設けられた光学バンドパスフィルタの開口数NA=sinθ=0.1736となる。一方で、F値と開口数NAとの間には、F=1/(2×NA)で表わされる関係が成立するため、広がり角θ=10度に対応するF値は、1/(2×0.1736)=2.9となる。いま、図5に示したグラフ図において、広がり角θ=10度に対応する波長シフト量は、4nmであることがわかる。従って、いま例に挙げたような光学バンドパスフィルタは、バンド幅が4nmであるときに、F2.9の絞りと等価な作用を有することとなる。このような光学バンドパスフィルタの等価F値が、レンズ103のF値よりも大きいときには、得られる像の明るさは、光学バンドパスフィルタのバンド幅によって制約を受けるようになる。
For example, when the divergence angle θ = 10 degrees shown in FIG. 4, the numerical aperture NA of the optical bandpass filter provided in the air is sin = θ = 0.1736. On the other hand, since the relationship represented by F = 1 / (2 × NA) is established between the F value and the numerical aperture NA, the F value corresponding to the spread angle θ = 10 degrees is 1 / (2 × 0.1736) = 2.9. Now, in the graph shown in FIG. 5, it can be seen that the amount of wavelength shift corresponding to the spread angle θ = 10 degrees is 4 nm. Therefore, the optical bandpass filter as exemplified in the present example has an action equivalent to that of the F2.9 stop when the bandwidth is 4 nm. When the equivalent F value of such an optical bandpass filter is larger than the F value of the
像の明るさは、F値の2乗に反比例するため、開口数NAの2乗に比例する。本実施形態に係る光バンドパスフィルタ107は、垂直入射の際の中心波長λ0から、広がり角θでの斜入射の際の中心波長λθまでの波長を透過することが求められるため、バンド幅は、最低限、波長シフト量Δλ=λ0−λθだけ必要となる。いま、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅をΔλとすると、バンド幅Δλは、上記式101を利用して、以下の式103で表わされる。
Since the brightness of the image is inversely proportional to the square of the F value, it is proportional to the square of the numerical aperture NA.
上記式103を、開口数NAについて解くと、以下の式105が得られる。
Solving the
従って、光学バンドパスフィルタ107の等価F値と、バンド幅Δλとの関係は、F=1/(2×NA)より、以下の式107で表わされる。
Therefore, the relationship between the equivalent F value of the
以上、本実施形態に係る光学バンドパスフィルタ107のバンド幅に関する制約について、詳細に説明した。
In the above, the restrictions regarding the bandwidth of the
<レーザパワー密度に関する制約>
次に、本実施形態に係る測定装置10における、レーザ光源11から出射される線状のレーザ光のレーザパワー密度に関する制約について、図6A〜図7を参照しながら詳細に説明する。
<Restrictions on laser power density>
Next, restrictions on the laser power density of the linear laser light emitted from the
[SN比による制約について]
良好なSN比の光切断画像を得るためには、SN比に関する制約を考慮することが重要である。いま、図4に示したような撮像装置13での像面において、光源の強度/外乱光の強度で表わされるSN比を検討する。
[Restriction by SN ratio]
In order to obtain a light-cut image with a good S / N ratio, it is important to consider restrictions on the S / N ratio. Now, on the image plane of the
レーザ波長付近での外乱光のスペクトル分布(横軸を波長[nm]とし、縦軸を波長あたりのパワー密度[mW/cm2/nm]とした際のスペクトル)を考えた場合に、かかるスペクトル分布が平坦とみなすことができる場合には、SN比(SNR)は、バンド幅の逆数とレーザパワー密度との積に比例する。すなわち、「SNR∝(1/バンド幅)×レーザパワー密度」という関係が成立する。この場合、縦軸にレーザパワー密度をとり、横軸にバンド幅をとった平面座標系を考えると、SN比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係は、直線で表わされる。 When considering the spectrum distribution of disturbance light near the laser wavelength (the spectrum when the horizontal axis is wavelength [nm] and the vertical axis is the power density per wavelength [mW / cm 2 / nm]), this spectrum If the distribution can be considered flat, the signal-to-noise ratio (SNR) is proportional to the product of the inverse of the bandwidth and the laser power density. That is, the relationship “SNR∝ (1 / bandwidth) × laser power density” is established. In this case, considering a planar coordinate system in which the vertical axis indicates the laser power density and the horizontal axis indicates the bandwidth, the relationship between the laser power density and the bandwidth at which the SN ratio is constant is represented by a straight line.
一方、レーザ波長付近での外乱光のスペクトル分布が平坦とみなすことができない場合には、外乱光の強度は、波長λθから波長λ0まで、外乱光のスペクトル分布Ld(λ)を積分した値となる。いま、光源の強度をLpと表わすとすると、この際のSN比(SNR)は、以下の式111で表わされる値となる。この場合、縦軸にレーザパワー密度をとり、横軸にバンド幅をとった平面座標系を考えると、SN比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係は、直線ではなく曲線となる。 On the other hand, when the spectral distribution of disturbance light in the vicinity of the laser wavelength cannot be regarded as flat, the intensity of the disturbance light is integrated from the spectral distribution L d (λ) of the disturbance light from the wavelength λ θ to the wavelength λ 0. It becomes the value. If the intensity of the light source is represented as L p , the SN ratio (SNR) at this time is a value represented by the following formula 111. In this case, considering a planar coordinate system in which the vertical axis indicates the laser power density and the horizontal axis indicates the bandwidth, the relationship between the laser power density and the bandwidth at which the SN ratio is constant is not a straight line but a curve. .
なお、実際には、光学バンドパスフィルタ107として、バンド幅が5〜10nm程度の狭帯域の光学バンドパスフィルタが利用されることが多いため、レーザ波長付近での外乱光のスペクトル分布は、平坦とみなせることが多い。
In practice, a narrow-band optical bandpass filter having a bandwidth of about 5 to 10 nm is often used as the
[像面での明るさ制約について]
外乱光が無い場合でも、所望の露光時間やレンズ絞りの元で撮像を行うためには、光切断線の像が像面において一定以上の明るさであることが重要である。以下では、外乱光が無い場合に一定の明るさを得るための条件について、検討する。
[Brightness constraint on the image plane]
Even in the absence of ambient light, in order to capture an image with a desired exposure time and lens aperture, it is important that the image of the light section line has a certain brightness or more on the image plane. In the following, the conditions for obtaining a constant brightness when there is no ambient light will be considered.
ここで、光学バンドパスフィルタ107での等価絞り効果による明るさの制約を考えると、図4に示したような撮像装置13において、像面での像の明るさは、開口数の2乗とレーザパワー密度との積に比例する。すなわち、「像面での像の明るさ∝(開口数2)×レーザパワー密度」という関係が成立する。この場合に、開口数を、式105により光学バンドパスフィルタ107のバンド幅に置き換えて考えてみると、縦軸にレーザパワー密度をとり、横軸にバンド幅をとった平面座標系において、像の明るさが一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係は、曲線で表わされる。
Here, considering the brightness limitation due to the equivalent aperture effect in the
従って、SN比が所定の値以上となり、かつ、像面での像の明るさも所定の値以上となるのは、縦軸にレーザパワー密度をとり、横軸にバンド幅をとった平面座標系において、外乱光に対するSN比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線(又は直線)L1の上側、かつ、像面での明るさが一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線L2の上側で表わされる領域となる。 Accordingly, the S / N ratio becomes a predetermined value or more and the brightness of the image on the image plane also becomes a predetermined value or more is a plane coordinate system in which the vertical axis indicates the laser power density and the horizontal axis indicates the bandwidth. In FIG. 5, the laser power density and the bandwidth at which the brightness on the image plane is constant above the curve (or straight line) L1 representing the relationship between the laser power density and the bandwidth at which the SN ratio with respect to disturbance light is constant. This is a region represented on the upper side of the curve L2 representing the relationship.
この関係を模式的に示したものが、図6A及び図6Bである。図6Aは、外乱光に対するSN比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係が、曲線L1で表わせる場合に対応し、図6Bは、外乱光に対するSN比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係が、直線L1で表わせる場合に対応している。 6A and 6B schematically show this relationship. 6A corresponds to the case where the relationship between the laser power density at which the SN ratio with respect to disturbance light is constant and the bandwidth can be represented by the curve L1, and FIG. 6B is the laser power density at which the SN ratio with respect to disturbance light is constant. This corresponds to the case where the relationship between and the bandwidth can be represented by a straight line L1.
図6A及び図6Bを参照すると、SN比が所定の値以上となり、かつ、像面での像の明るさも所定の値以上となるには、レーザ光源11から照射される線状のレーザ光のレーザパワー密度に下限値があることがわかる。すなわち、SN比が所定の値以上となり、かつ、像面での像の明るさも所定の値以上となるには、レーザ光源11から照射される線状のレーザ光のレーザパワー密度が、曲線L1と曲線L2との交点に対応するレーザパワー密度以上であることが必要となる。
Referring to FIGS. 6A and 6B, the laser power of the linear laser light emitted from the
また、先だって説明したように、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅は、レンズ103のF値に対応するバンド幅以下であることが必要となる。光学バンドパスフィルタのバンド幅が、レンズ103のF値に対応するバンド幅超過である場合には、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅を広げた場合であっても光切断線は明るくならず、外乱光だけが増加していく。
Further, as described above, the bandwidth of the
従って、これらの制約を考慮すると、SN比が所定の値以上となり、かつ、像面での像の明るさも所定の値以上となるのは、図6A及び図6Bに示した平面座標系において、斜線で表わされる領域であることがわかる。 Therefore, in consideration of these restrictions, the SN ratio is not less than a predetermined value and the brightness of the image on the image plane is not less than the predetermined value in the plane coordinate system shown in FIGS. 6A and 6B. It can be seen that this is a region represented by diagonal lines.
図7は、撮像装置13のカメラ感度に応じて、求められるレーザパワー密度がどのように変化するかを示した模式図である。図7から明らかなように、曲線L2と、レンズ103のF値に対応するバンド幅を表わす直線との交点に対応するレーザパワー密度が、外乱光が無いときに撮像処理が可能となるための最低限必要な明るさ(レーザパワー密度)となる。一方で、上記のように、SN比が所定の値以上となり、かつ、像面での像の明るさも所定の値以上となるには、曲線L1と曲線L2との交点に対応するレーザパワー密度以上のレーザパワー密度が必要となる。
FIG. 7 is a schematic diagram showing how the required laser power density changes in accordance with the camera sensitivity of the
従って、撮像装置13のカメラ感度が高い場合には、外乱光が無いときの撮像処理は低いレーザパワー密度で実現可能であるものの、外乱光が存在する場合には、図7に示したように、最低限必要なかさ上げ量は、大きくなる。一方で、撮像装置13のカメラ感度が低い場合には、外乱光が無いときの撮像処理は相対的に高いレーザパワー密度となるものの、外乱光が存在する場合における最低限必要なかさ上げ量は、比較的小さくなる。
Therefore, when the camera sensitivity of the
また、図7から明らかなように、レーザパワー密度が大きければ、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅を狭くすることが可能となる。
As can be seen from FIG. 7, if the laser power density is large, the bandwidth of the
本実施形態に係る測定装置10では、以上説明したような制約に基づき、レーザ光源11から照射される線状のレーザ光のレーザパワー密度と、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅とが設定される。
In the
実際には、撮像装置13に設けられる光学バンドパスフィルタ107のバンド幅は、装置に利用可能な狭帯域の光学バンドパスフィルタが有している性能(例えば、バンド幅=5nm以上10nm以下)に設定されることが多くなる。従って、本実施形態に係る形状測定装置1では、後述する演算処理装置20によって、用いる光学バンドパスフィルタ107のバンド幅である5nm以上10nm以下に応じて、上記の関係を満足するように、レーザ光源11から照射される線状のレーザ光のレーザパワー密度が制御される。
Actually, the bandwidth of the
[曲線L1及び曲線L2の特定方法について]
次に、以上説明したような曲線L1及び曲線L2の特定方法について、簡単に説明する。
[Regarding Method for Specifying Curve L1 and Curve L2]
Next, a method for specifying the curve L1 and the curve L2 as described above will be briefly described.
まず、SN比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線L1の特定方法について説明する。
この場合に、かかる曲線L1を特定するためには、まず、着目する外乱光のスペクトル分布及び測定対象物S上での外乱光のパワー密度を実際に測定するとともに、測定対象物Sとする物体の表面特性(例えば、放射率や反射率等)を特定する。その上で、得られた外乱光のスペクトル分布を利用し、生成される光切断画像に求めるSN比や、測定対象物Sの表面特性を考慮して、外乱光のパワー密度を表わす曲線又は直線L1を算出すればよい。
First, a method for specifying the curve L1 representing the relationship between the laser power density at which the SN ratio is constant and the bandwidth will be described.
In this case, in order to specify the curve L1, first, the spectral distribution of the disturbing light of interest and the power density of the disturbing light on the measuring object S are actually measured, and the object to be measured S Specific surface characteristics (e.g., emissivity, reflectivity, etc.). In addition, a curve or a straight line representing the power density of the disturbance light in consideration of the S / N ratio obtained from the generated light section image and the surface characteristics of the measuring object S using the obtained spectrum distribution of the disturbance light. What is necessary is just to calculate L1.
あるいは、着目する外乱光のスペクトル分布が一定と見なせる場合は、バンドパスフィルタのバンド幅及びレーザパワー密度を固定して、外乱光の存在下で実験を行い、図6A及び図6Bに示した平面座標上の1点のSN比を実験的に得る。原点とその点を通る直線がSN比一定の直線となるため、所望のSN比となるように傾きを調整した直線を、上記のL1とすればよい。例えば、測定したSN比が3であり、必要なSN比が12である場合には、傾きを4倍とすればよい。 Alternatively, when the spectral distribution of the disturbance light of interest can be regarded as constant, the band width of the bandpass filter and the laser power density are fixed, the experiment is performed in the presence of disturbance light, and the plane shown in FIGS. 6A and 6B is obtained. The SN ratio of one point on the coordinates is obtained experimentally. Since the straight line passing through the origin and the point is a straight line with a constant S / N ratio, the straight line whose slope is adjusted so as to have a desired S / N ratio may be set as L1. For example, when the measured S / N ratio is 3 and the required S / N ratio is 12, the slope may be quadrupled.
次に、像面での明るさが一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線L2の特定方法について説明する。 Next, a method for specifying the curve L2 representing the relationship between the laser power density at which the brightness on the image plane is constant and the bandwidth will be described.
まず、撮像に必要な露光時間及びF値において、外乱光が無い場合に光切断線が所望の明るさで撮像できるようなレーザパワー密度を、実験などにより求める。次に、式107を利用して、利用する像側テレセントリックレンズのF値に対応するバンド幅を算出する。続いて、(外乱光が存在しない場合に撮像処理を実施することができる最低限のパワー密度、レンズのF値に対応するバンド幅)で表わされる点を通過するように、「(開口数2)×レーザパワー密度=定数」で表わされる曲線の定数部分を、公知の方法により特定する。これにより、曲線L2を特定することができる。
First, in the exposure time and F value required for imaging, a laser power density is obtained through experiments or the like so that the light section line can be imaged with a desired brightness when there is no ambient light. Next, the bandwidth corresponding to the F value of the image-side telecentric lens to be used is calculated using
なお、このような曲線の特定方法の流れについては、以下で改めて説明するとともに、以下の実施例で具体例を挙げながら詳細に説明する。 The flow of such a curve specifying method will be described again below, and will be described in detail with specific examples in the following examples.
以上、図2〜図7を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置1が備える測定装置10について、詳細に説明した。
The
<演算処理装置20の構成について>
次に、再び図1に戻って、演算処理装置20の構成について詳細に説明する。
本実施形態に係る形状測定装置1が備える演算処理装置20は、測定装置10における光切断線の撮像処理(すなわち、光切断画像の生成処理)を統括して制御するとともに、測定装置10により生成された光切断画像に対して画像処理を実施して、物体の形状を算出する装置である。
<About the configuration of the
Next, returning to FIG. 1 again, the configuration of the
The
かかる演算処理装置20は、図1に模式的に示したように、例えば、撮像制御部21と、画像処理部23と、表示制御部25と、記憶部27と、を有している。
As schematically illustrated in FIG. 1, the
撮像制御部21は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、通信装置等により実現される。撮像制御部21は、測定装置10による測定対象物Sの撮像制御を実施する。より詳細には、撮像制御部21は、測定対象物Sが所定の位置に設置されると、測定装置10のレーザ光源11に対して、以上説明したような条件を満足するレーザパワー密度を有している線状レーザ光の照射を開始させるためのトリガ信号を送出するとともに、撮像装置13に対して、光切断線の撮像画像(すなわち、光切断画像)の撮像処理を開始させるためのトリガ信号を送出する。
The
画像処理部23は、例えば、CPU、ROM、RAM、通信装置等により実現される。画像処理部23は、測定装置10の撮像装置13から取得した、光切断画像を利用して、各種の画像処理を実施する。
The
より詳細には、画像処理部23は、測定装置10から出力された光切断画像を利用して、上記特許文献1や特許文献2に開示されているような、凹凸画像及び輝度画像を生成する。その後、画像処理部23は、生成した凹凸画像及び輝度画像を利用して、測定対象物Sの表面形状を算出する。
More specifically, the
画像処理部23は、測定対象物Sの表面の形状測定処理を終了すると、得られた測定結果に関する情報を、表示制御部25に伝送する。
When the
表示制御部25は、例えば、CPU、ROM、RAM、出力装置等により実現される。表示制御部25は、画像処理部23から伝送された、測定対象物Sの測定結果を、演算処理装置20が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理装置20の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、形状測定装置1の利用者は、測定対象物Sの表面形状に関する各種の測定結果を、その場で把握することが可能となる。
The
記憶部27は、例えば本実施形態に係る演算処理装置20が備えるRAMやストレージ装置等により実現される。記憶部27には、本実施形態に係る演算処理装置20が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、又は、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部27は、撮像制御部21、画像処理部23、表示制御部25等が、データのリード/ライト処理を自由に行うことが可能である。
The
[画像処理部23の構成について]
続いて、図8を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置20が備える画像処理部23の構成について、簡単に説明する。
[Configuration of Image Processing Unit 23]
Next, the configuration of the
本実施形態に係る画像処理部23は、図8に示したように、データ取得部201と、形状算出部203と、結果出力部205と、を主に備える。
As shown in FIG. 8, the
データ取得部201は、例えば、CPU、ROM、RAM、通信装置等により実現される。データ取得部201は、測定装置10から、当該測定装置10によって生成された光切断画像の画像データを取得する。データ取得部201は、取得した光切断画像の画像データを、後述する形状算出部203に出力する。
The
本実施形態に係る形状算出部203は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。形状算出部203は、光切断線を用いて生成された光切断画像を利用して、測定対象物Sの表面形状を算出する。
The
より詳細には、形状算出部203は、光切断線を用いて生成された光切断画像を利用して、上記特許文献1及び特許文献2に開示されているような、凹凸画像及び輝度画像を生成する。その後、形状算出部203は、生成した凹凸画像及び輝度画像を利用して、測定対象物Sの表面形状を算出する。
More specifically, the
ここで、形状算出部203が、測定対象物Sの表面形状を算出する方法については、特に限定されるものではなく、光切断法に基づく公知の方法を適宜利用することが可能である。
Here, the method by which the
形状算出部203によって実施された形状算出処理の結果を表わす情報は、結果出力部205へと出力される。
Information representing the result of the shape calculation process performed by the
結果出力部205は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。結果出力部205は、形状算出部203から出力された形状算出結果に関する情報等を表示制御部25に出力する。これにより、上記のような各種の情報が、表示部(図示せず。)に出力されることとなる。また、結果出力部205は、得られた結果を、製造管理用プロコン等の外部の装置に出力してもよく、得られた結果を利用して、各種の帳票を作成してもよい。また、結果出力部205は、上記のような様々な情報を、当該情報を算出した日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部27等に履歴情報として格納してもよい。
The
以上、本実施形態に係る演算処理装置20の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、CPU等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
Heretofore, an example of the function of the
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。 A computer program for realizing each function of the arithmetic processing apparatus according to the present embodiment as described above can be produced and installed in a personal computer or the like. In addition, a computer-readable recording medium storing such a computer program can be provided. The recording medium is, for example, a magnetic disk, an optical disk, a magneto-optical disk, a flash memory, or the like. Further, the above computer program may be distributed via a network, for example, without using a recording medium.
(レーザパワー密度及びバンド幅の設定方法について)
次に、図9を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置1におけるレーザパワー密度及びバンド幅の設定方法の流れについて、簡単に説明する。
(About laser power density and bandwidth setting method)
Next, the flow of the laser power density and bandwidth setting method in the
レーザパワー密度及びバンド幅の設定方法では、まず、外乱光のスペクトル分布及び測定対象物S上での外乱光のパワー密度を測定することで得られる、外乱光のパワー密度に関する知見を利用し、測定対象物Sの放射率や反射率といった表面特性と、光切断画像に求めるSN比とを考慮して、SN比に関する曲線(又は直線)L1を算出する(ステップS101)。 In the setting method of the laser power density and the bandwidth, first, using the knowledge about the power density of the disturbance light obtained by measuring the spectrum distribution of the disturbance light and the power density of the disturbance light on the measurement object S, A curve (or straight line) L1 relating to the S / N ratio is calculated in consideration of surface characteristics such as emissivity and reflectance of the measuring object S and the S / N ratio obtained from the light-cut image (step S101).
あるいは、着目する外乱光のスペクトル分布が一定と見なせる場合は、バンドパスフィルタのバンド幅及びレーザパワー密度を固定して、外乱光の存在下で実験を行い、図6A及び図6Bに示した平面座標上の1点のSN比を実験的に得て、原点とその点を結ぶ直線を引きSN比一定の直線を得る。次に、測定したSN比と必要なSN比との比Kを求めて、上記のSN比一定の直線の傾きをK倍して、直線L1を算出する。(ステップS101)。 Alternatively, when the spectral distribution of the disturbance light of interest can be regarded as constant, the band width of the bandpass filter and the laser power density are fixed, the experiment is performed in the presence of disturbance light, and the plane shown in FIGS. 6A and 6B is obtained. An SN ratio of one point on the coordinates is experimentally obtained, and a straight line connecting the origin and the point is drawn to obtain a straight line having a constant SN ratio. Next, the ratio K between the measured S / N ratio and the necessary S / N ratio is obtained, and the slope of the straight line having the constant S / N ratio is multiplied by K to calculate the straight line L1. (Step S101).
次に、外乱光が無い場合に光切断線が所望の明るさで撮像できるようなレーザパワー密度を、実験などにより特定する。(ステップS103) Next, a laser power density that can capture an image of the light cutting line with a desired brightness when there is no disturbance light is specified by an experiment or the like. (Step S103)
続いて、撮像装置13として用いる像側テレセントリックレンズのF値に基づいて、かかるF値に対応するバンド幅の大きさを、F=1/(2×NA)の関係、及び、上記式105に基づいて算出する(ステップS105)。
Subsequently, based on the F value of the image side telecentric lens used as the
続いて、図6A〜図7に示したような平面座標系において、レンズのF値に対応するバンド幅の位置で、ステップS103で求めた撮像処理に必要なパワー密度の値をとる点を通過する曲線L2を算出する(ステップS107)。 Subsequently, in the plane coordinate system as shown in FIGS. 6A to 7, a point at which the power density value necessary for the imaging process obtained in step S <b> 103 is obtained at the position of the bandwidth corresponding to the F value of the lens is passed. The curve L2 to be calculated is calculated (step S107).
その上で、求めた曲線L1及びL2と、レンズのF値に対応するバンド幅とで定まる領域(図6A及び図6Bにおいて、斜線で表わした領域)の中から、レーザパワー密度とバンド幅の組み合わせを選択する(ステップS109)。 In addition, the laser power density and the bandwidth are determined from the regions determined by the obtained curves L1 and L2 and the bandwidth corresponding to the F value of the lens (the regions represented by hatching in FIGS. 6A and 6B). A combination is selected (step S109).
以上のような流れで処理を行うことで、本実施形態に係る形状測定装置1におけるレーザパワー密度及びバンド幅を設定することができる。なお、かかる設定方法については、以下で実施例を挙げながら具体的に説明する。
By performing the processing in the flow as described above, the laser power density and the bandwidth in the
(形状測定方法について)
続いて、図10を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置1で実施される形状測定方法の流れについて、簡単に説明する。
(About shape measurement method)
Next, the flow of the shape measuring method performed by the
本実施形態に係る形状測定方法では、まず、像側テレセントリックレンズと、かかるレンズと撮像素子との間に設けられた光学バンドパスフィルタと、を有する撮像装置13を利用した測定装置10について、レーザ光源11のレーザパワー密度と、光学バンドパスフィルタのバンド幅と、が設定される(ステップS151)。かかるレーザパワー密度とバンド幅との設定方法は、図9を参照しながら説明した通りである。
In the shape measuring method according to the present embodiment, first, a laser is applied to a measuring
次に、上記のような、像側テレセントリックレンズを有し、その後段にバンド幅の設定された光学バンドパスフィルタが設けられた撮像装置13を利用して、演算処理装置20の撮像制御部21の制御のもとで、所定のレーザパワー密度の光切断線が撮像される(ステップS153)。これにより、測定対象物Sの光切断画像が生成される。生成された光切断画像は、撮像装置13から演算処理装置20へと出力される。
Next, the
演算処理装置20の画像処理部23は、生成された光切断画像に対して画像処理を実施して、形状算出用画像として、凹凸画像及び輝度画像を生成する(ステップS155)。その後、画像処理部23は、生成したこれらの形状算出用画像に基づいて、測定対象物Sの表面形状を算出する(ステップS157)。続いて、演算処理装置20の画像処理部23は、得られた結果を出力する(ステップS159)。
The
これにより、本実施形態に係る形状測定装置1の利用者は、測定対象物Sの表面形状に関する測定結果を、その場で把握することが可能となる。
Thereby, the user of the
以上、本実施形態に係る形状測定方法の流れの一例を、図10を参照しながら簡単に説明した。 The example of the flow of the shape measuring method according to the present embodiment has been briefly described above with reference to FIG.
(ハードウェア構成について)
次に、図11を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理装置20のハードウェア構成について、詳細に説明する。図11は、本発明の実施形態に係る演算処理装置20のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
(About hardware configuration)
Next, a hardware configuration of the
演算処理装置20は、主に、CPU901と、ROM903と、RAM905と、を備える。また、演算処理装置20は、更に、バス907と、入力装置909と、出力装置911と、ストレージ装置913と、ドライブ915と、接続ポート917と、通信装置919とを備える。
The
CPU901は、演算処理装置および制御装置として機能し、ROM903、RAM905、ストレージ装置913、又はリムーバブル記録媒体921に記録された各種プログラムに従って、演算処理装置20内の動作全般またはその一部を制御する。ROM903は、CPU901が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。RAM905は、CPU901が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはCPUバス等の内部バスにより構成されるバス907により相互に接続されている。
The
バス907は、ブリッジを介して、PCI(Peripheral Component Interconnect/Interface)バスなどの外部バスに接続されている。
The
入力装置909は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置909は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段(いわゆる、リモコン)であってもよいし、演算処理装置20の操作に対応したPDA等の外部接続機器923であってもよい。更に、入力装置909は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、CPU901に出力する入力制御回路などから構成されている。形状測定装置1のユーザは、この入力装置909を操作することにより、演算処理装置20に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
The
出力装置911は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、CRTディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ELディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置911は、例えば、演算処理装置20が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理装置20が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
The
ストレージ装置913は、演算処理装置20の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置913は、例えば、HDD(Hard Disk Drive)等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置913は、CPU901が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種のデータなどを格納する。
The
ドライブ915は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理装置20に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録されている情報を読み出して、RAM905に出力する。また、ドライブ915は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体921に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体921は、例えば、CDメディア、DVDメディア、Blu−ray(登録商標)メディア等である。また、リムーバブル記録媒体921は、コンパクトフラッシュ(登録商標)(CompactFlash:CF)、フラッシュメモリ、又は、SDメモリカード(Secure Digital memory card)等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体921は、例えば、非接触型ICチップを搭載したICカード(Integrated Circuit card)又は電子機器等であってもよい。
The
接続ポート917は、機器を演算処理装置20に直接接続するためのポートである。接続ポート917の一例として、USB(Universal Serial Bus)ポート、IEEE1394ポート、SCSI(Small Computer System Interface)ポート、RS−232Cポート等がある。この接続ポート917に外部接続機器923を接続することで、演算処理装置20は、外部接続機器923から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器923に各種のデータを提供したりする。
The
通信装置919は、例えば、通信網925に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置919は、例えば、有線もしくは無線LAN(Local Area Network)、Bluetooth(登録商標)、又はWUSB(Wireless USB)用の通信カード等である。また、通信装置919は、光通信用のルータ、ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置919は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばTCP/IP等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置919に接続される通信網925は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内LAN、社内LAN、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
The
以上、本発明の実施形態に係る演算処理装置20の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
Heretofore, an example of the hardware configuration capable of realizing the function of the
以下では、実施例及び比較例を示しながら、本発明に係る形状測定装置及び形状測定方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、あくまでも本発明に係る形状測定装置及び形状測定方法の一例にすぎず、本発明に係る形状測定装置及び形状測定方法が、下記の例に限定されるものではない。 Hereinafter, the shape measuring apparatus and the shape measuring method according to the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. In addition, the Example shown below is only an example of the shape measuring apparatus and the shape measuring method which concern on this invention, and the shape measuring apparatus and the shape measuring method which concern on this invention are not limited to the following example. .
(実施例1)
まず、波長660nmの赤色光を出射するレーザ光源を用いて、線状のレーザ光を生成し、かかる線状のレーザ光を、屋内に設けられた赤熱していない鋼板に照射して、光切断画像を像側テレセントリックレンズが設けられた撮像装置で撮像した。ここで、レンズの焦点距離fは7mmであり、画角63度にて撮像を行った。この際、像側テレセントリックレンズの前段(物面側)又は後段(像面側)に対して、バンド幅10nmの光学バンドパスフィルタ(多層型の干渉フィルタ、透過中心波長:660nm)を設置し、得られた画像の比較を行った。
Example 1
First, a linear laser beam is generated using a laser light source that emits red light having a wavelength of 660 nm, and the linear laser beam is irradiated to a non-red-hot steel plate provided indoors, thereby performing optical cutting. Images were taken with an imaging device provided with an image side telecentric lens. Here, the focal length f of the lens was 7 mm, and imaging was performed at an angle of view of 63 degrees. At this time, an optical bandpass filter having a bandwidth of 10 nm (multilayer interference filter, transmission center wavelength: 660 nm) is installed on the front stage (object side) or the rear stage (image plane side) of the image side telecentric lens, The obtained images were compared.
図12に得られた結果を示した。
図12から明らかなように、像側テレセントリックレンズの後段に光学バンドパスフィルタを設置した場合には、画像の幅方向の全域にわたって線状のレーザ光が写っている一方で、像側テレセントリックレンズの前面に光学バンドパスフィルタを設置した場合には、画像の幅方向の中央部分しか線状のレーザ光が写っていないことがわかる。
FIG. 12 shows the results obtained.
As is clear from FIG. 12, when an optical bandpass filter is installed at the subsequent stage of the image side telecentric lens, linear laser light is reflected over the entire area in the width direction of the image, while the image side telecentric lens When an optical bandpass filter is installed on the front surface, it can be seen that the linear laser beam is reflected only in the central portion in the width direction of the image.
このように、本発明に係る撮像装置13を用いることで、短焦点レンズ(すなわち、広角レンズ)しか利用できないような状況(すなわち、測定対象物Sまでの距離が十分に取れない状況)であっても、適切な光切断画像を得ることが可能となる。
As described above, by using the
(実施例2)
本実施例では、温度が900℃であり、放射率が0.9(換言すれば、反射率が0.1)である赤熱している鋼板を測定対象物Sとした。また、レーザ光源11の波長は640nmとし、目標とする光切断画像のSN比は、20以上とした。また、像側テレセントリックレンズの後段に設けられる光学バンドパスフィルタとして、多層型の干渉フィルタ(透過中心波長:640nm)を利用し、かかる干渉フィルタの等価屈折率nは、1.5であった。更に、利用した撮像装置13について、外乱光が無い状態で、所定の露光時間で撮像処理を実施するために最低限必要な明るさは、撮像装置13(より詳細には、レンズ)のF値が1.4であるときに、レーザパワー密度で、0.8mW/cm2であった。
(Example 2)
In this example, the measurement object S was a red-hot steel plate having a temperature of 900 ° C. and an emissivity of 0.9 (in other words, a reflectance of 0.1). The wavelength of the
図13は、波長640nm付近での黒体放射スペクトルの分布を図示したものである。図13において、縦軸は、バンド幅1nm当たりの黒体放射強度(パワー密度、対数表示)であり、横軸は、波長である。 FIG. 13 illustrates the distribution of the blackbody radiation spectrum near the wavelength of 640 nm. In FIG. 13, the vertical axis represents the black body radiation intensity (power density, logarithmic display) per 1 nm bandwidth, and the horizontal axis represents the wavelength.
図13より、波長640nmにおける黒体放射強度は、バンド幅1nmあたり約1.6×10−3mW/cm2であることがわかる。従って、放射率が0.9であることから、かかる鋼板の自発光強度(mW/cm2)は、「0.9×バンド幅(nm)×1.6×10−3」で表わされる。 FIG. 13 shows that the black body radiation intensity at a wavelength of 640 nm is about 1.6 × 10 −3 mW / cm 2 per 1 nm bandwidth. Therefore, since the emissivity is 0.9, the self-luminous intensity (mW / cm 2 ) of the steel sheet is represented by “0.9 × bandwidth (nm) × 1.6 × 10 −3 ”.
一方で、SN比が20以上という要請から、光切断線に求められるレーザパワー密度は、外乱光の強度の20倍ということで、「20×0.9×バンド幅(nm)×1.6×10−3」となる。ここで、着目している鋼板は反射率が0.1であることから、レンズへの入射パワーは10倍必要となるため、「10×20×0.9×バンド幅(nm)×1.6×10−3=0.29×バンド幅(nm)」が、SN比から必要なレーザパワー密度(mW/cm2)となる。この「レーザパワー密度=0.29×バンド幅」という関係が、上記の直線L1となる。 On the other hand, from the request that the SN ratio is 20 or more, the laser power density required for the optical cutting line is 20 times the intensity of disturbance light, so that “20 × 0.9 × bandwidth (nm) × 1.6. × 10 −3 ”. Here, since the steel sheet of interest has a reflectance of 0.1, the incident power to the lens needs to be 10 times, so that “10 × 20 × 0.9 × bandwidth (nm) × 1. “6 × 10 −3 = 0.29 × bandwidth (nm)” is the necessary laser power density (mW / cm 2 ) from the SN ratio. The relationship “laser power density = 0.29 × bandwidth” is the straight line L1.
また、F=1/(2×NA)の関係、及び、上記式105から、F値とバンド幅との関係を算出すると、図14のようになる。かかる図14から、レンズのF値=1.4に対応するバンド幅を求めると、F1.4は、バンド幅18nmに対応することが明らかとなった。
Further, when the relationship between F value and bandwidth is calculated from the relationship of F = 1 / (2 × NA) and the
そこで、バンド幅18nmの位置で、0.8mW/cm2の位置を通過するような曲線L2を求めると、図15に示したようになった。なお、図15には、上記の直線L1もあわせて図示している。図15から、直線L1と曲線L2との交点の位置は、(バンド幅、レーザパワー密度)=(7nm、2mW/cm2)であることが明らかとなった。この図15から明らかなように、上記のような撮像条件では、レーザ光源11のレーザパワー密度は、2mW/cm2以上であることが必要であり、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅の上限値は、18nmとなることがわかる。
Accordingly, when a curve L2 that passes through a position of 0.8 mW / cm 2 at a position of a bandwidth of 18 nm is obtained, it is as shown in FIG. In FIG. 15, the straight line L1 is also shown. FIG. 15 reveals that the position of the intersection of the straight line L1 and the curved line L2 is (band width, laser power density) = (7 nm, 2 mW / cm 2 ). As is apparent from FIG. 15, under the imaging conditions as described above, the laser power density of the
そこで、レーザ光源11のレーザパワー密度を5mW/cm2に固定し、光学バンドパスフィルタ107のバンド幅を7nmとした条件Aと、バンド幅を30nmとした条件Bと、のそれぞれについて、光切断画像を撮像した。図15から明らかなように、条件Aは、図6Bに示したような領域内に含まれる条件であり、条件Bは、かかる領域に含まれない条件である。
Therefore, optical cutting is performed for each of the condition A in which the laser power density of the
得られた光切断画像を、図16に示し、かかる光切断画像における光切断線の太さ方向の断面輝度プロファイルの一例を、図17にまとめて示した。なお、図17において、縦軸は、光切断画像の輝度値であり、横軸は、光切断線の太さ方向の位置(図16における光切断画像の縦方向の位置)に対応している。 The obtained light section image is shown in FIG. 16, and examples of cross-sectional luminance profiles in the thickness direction of the light section line in the light section image are collectively shown in FIG. In FIG. 17, the vertical axis represents the luminance value of the light section image, and the horizontal axis corresponds to the position in the thickness direction of the light section line (the position in the vertical direction of the light section image in FIG. 16). .
図16及び図17から明らかなように、条件Aでは、図16に示した光切断画像のコントラストは良好であり、図17に示した断面輝度プロファイルでも、光切断線に対応する部分に輝度が集中していることがわかる。条件Aについて、光切断画像のSN比を算出したところ、50超過となった。 As apparent from FIGS. 16 and 17, under the condition A, the contrast of the light section image shown in FIG. 16 is good, and the brightness corresponding to the light section line is also present in the cross-sectional brightness profile shown in FIG. 17. You can see that they are concentrated. When the SN ratio of the light section image was calculated for condition A, it exceeded 50.
一方、条件Bでは、図16に示した光切断画像のコントラストは良好ではなく、図17に示した断面輝度プロファイルでも、輝度値は、光切断線の太さ方向にわたって広く分布していることがわかる。条件Bについて、光切断画像のSN比を算出したところ、3.5程度となった。 On the other hand, under the condition B, the contrast of the light section image shown in FIG. 16 is not good, and the brightness value is widely distributed over the thickness direction of the light section line in the cross-sectional brightness profile shown in FIG. Recognize. When the SN ratio of the light-cut image was calculated for condition B, it was about 3.5.
一般的に用いられる光切断法では、光切断画像から凹凸画像や輝度画像を生成する際に、光切断線の位置を求めるために、輝線位置の重心演算を行うことが多い。そのため、図17に示したような条件Bでは、バックグラウンド成分までもが重心演算に混入してしまうため、光切断線の位置に誤差が重畳してしまう。一方で、条件Aでは、輝度値は中央部分に集中しており、バックグラウンド成分はほとんど輝度値を有していない。そのため、条件Aでは、光切断線の位置を正確に算出することが可能となり、形状算出処理の演算精度を更に向上させることが可能となる。 In a generally used light cutting method, when generating a concavo-convex image or a luminance image from a light cut image, the center of gravity of the bright line position is often calculated in order to obtain the position of the light cut line. Therefore, under the condition B as shown in FIG. 17, even the background component is mixed in the centroid calculation, so that an error is superimposed on the position of the light cutting line. On the other hand, under the condition A, the luminance value is concentrated in the central portion, and the background component has almost no luminance value. Therefore, under the condition A, it is possible to accurately calculate the position of the light cutting line, and it is possible to further improve the calculation accuracy of the shape calculation process.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
1 形状測定装置
10 測定装置
11 レーザ光源
13 撮像装置
20 演算処理装置
21 撮像制御部
23 画像処理部
25 表示制御部
27 記憶部
101 カメラ本体
103 レンズ
105 撮像素子
107 光学バンドパスフィルタ
201 データ取得部
203 形状算出部
205 結果出力部
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記測定装置により生成された前記光切断画像に対して画像処理を実施して、前記被測定物の形状を算出する演算処理装置と、
を備え、
前記撮像装置は、
前記光切断線の像を撮像素子へと結像させる像側テレセントリックレンズと、
前記像側テレセントリックレンズと前記撮像素子との間に配設される、所定のバンド幅を有する光学バンドパスフィルタと、
を有する、形状測定装置。 A laser light source for irradiating the surface of the object to be measured reflecting or radiating light with a linear laser beam and a light cutting line by the laser light on the surface of the object to be measured A measuring device having an imaging device for generating a cut image;
An arithmetic processing device that performs image processing on the light section image generated by the measuring device and calculates the shape of the object to be measured;
With
The imaging device
An image-side telecentric lens that forms an image of the light section line on an image sensor;
An optical bandpass filter having a predetermined bandwidth, disposed between the image side telecentric lens and the image sensor;
A shape measuring device.
縦軸に前記線状のレーザ光のレーザパワー密度をとり、横軸に前記光学バンドパスフィルタの前記バンド幅をとった平面座標系において、
外乱光に対する信号雑音比が一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線と、像面での前記光切断線の像の明るさが一定となるレーザパワー密度とバンド幅との関係を表わす曲線と、の交点に対応するレーザパワー密度以上の値に設定される、請求項2又は3に記載の形状測定装置。 The laser power density on the surface of the object to be measured is
In a plane coordinate system in which the vertical axis represents the laser power density of the linear laser beam and the horizontal axis represents the bandwidth of the optical bandpass filter,
A curve representing the relationship between the laser power density and the bandwidth with a constant signal-to-noise ratio to ambient light, and the relationship between the laser power density and the bandwidth at which the brightness of the image of the light section line on the image plane is constant The shape measuring device according to claim 2, wherein the shape measuring device is set to a value equal to or higher than a laser power density corresponding to an intersection of the curve representing the curve.
前記測定装置により生成された前記光切断画像に対して画像処理を実施して、前記被測定物の形状を算出するステップと、
を含む、形状測定方法。
A laser light source for irradiating the surface of the object to be measured with a linear laser beam and a light cutting line by the laser light on the surface of the object to be measured are imaged to generate a light section image. An image-side telecentric lens that forms an image of the light-section line on an image sensor, and an optical bandpass filter having a predetermined bandwidth disposed between the image-side telecentric lens and the image sensor. Generating a light-cutting image relating to an object to be measured that reflects or emits light by a measuring device including an imaging device having:
Performing image processing on the light-cut image generated by the measuring device to calculate the shape of the object to be measured;
A shape measuring method.
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