JP2024000912A - Calibration method for shape measurement device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、形状測定装置の校正方法に関する。 The present invention relates to a method for calibrating a shape measuring device.
従来より、測定対象物の表面の凹凸や粗度といった表面形状を測定する際には、測定対象物の表面に線状光を照射し、当該線状光の基準位置からの変位を検出することで測定対象物の表面形状を検出する、光切断法を利用した測定方法が用いられていた。光切断法は、比較的簡単な装置を用いることで、微小な表面形状を高精度に測定することができるため有用である。 Conventionally, when measuring the surface shape such as unevenness and roughness of the surface of a measurement target, it is necessary to irradiate the surface of the measurement target with linear light and detect the displacement of the linear light from a reference position. A measurement method using optical cutting was used to detect the surface shape of the object to be measured. The optical cutting method is useful because it can measure minute surface shapes with high precision using a relatively simple device.
一方で、光切断法を用いて更に小さな表面形状を検出しようとすると、原理的に線状光の線幅を小さくする必要があり、分解能の向上には限界があった。 On the other hand, if an attempt is made to detect even smaller surface shapes using the optical cutting method, the line width of the linear light must be reduced in principle, and there is a limit to the improvement of resolution.
そのため、そのような場合には、線状光を測定対象物の表面に照射して、測定対象物の表面で反射させた反射光を遠方のスクリーンに投影し、スクリーン上に投影された反射光像の変位を検出することで測定対象物の表面形状を測定する、光てこ法を利用した測定方法が用いられていた(例えば、特許文献1および特許文献2参照)。
Therefore, in such cases, linear light is irradiated onto the surface of the measurement target, the reflected light reflected from the surface of the measurement target is projected onto a distant screen, and the reflected light projected onto the screen is A measurement method using an optical lever method has been used in which the surface shape of a measurement target is measured by detecting the displacement of an image (see, for example,
光てこ法を用いることで、測定対象物の表面における線状光の変位を、スクリーン上の反射光像の変位として拡大することができるため、光切断法を用いる場合に比べてより分解能の高い測定が可能となる。 By using the optical lever method, the displacement of the linear light on the surface of the measurement target can be magnified as the displacement of the reflected light image on the screen, resulting in higher resolution than when using the optical section method. Measurement becomes possible.
しかしながら、光てこ法を用いる場合には、線状光を照射する照明装置や、反射光像が投影されるスクリーン、スクリーンに投影された反射光像を撮像する撮像装置等といった各要素間の関係を規定する種々のパラメータが、予め好適に校正されていなければ、そうした校正の不具合に起因する誤差も、変位と同様に拡大されてしまうことになる。 However, when using the optical lever method, the relationship between each element such as a lighting device that irradiates linear light, a screen on which a reflected light image is projected, an imaging device that captures the reflected light image projected on the screen, etc. If the various parameters that define the displacement are not suitably calibrated in advance, errors caused by such calibration failures will be magnified in the same way as the displacement.
そのため、光てこ法を利用して測定対象物の表面形状を正確に測定するためには、照明装置やスクリーン等の各要素間の関係を規定する種々のパラメータについて、光切断法を利用する場合以上に、精度良く校正する必要があった。 Therefore, in order to accurately measure the surface shape of the object to be measured using the optical lever method, it is necessary to use the optical section method to determine the various parameters that define the relationships between each element such as lighting equipment and screens. In addition to the above, it was necessary to calibrate with high accuracy.
また、光てこ法を利用した際に校正すべきパラメータは、光てこ法に必要となる各要素自体が持つ精度の他にも、照明装置から照射される線状光の測定対象物への入射角度や、スクリーン上での反射光像の投影位置、照明装置と測定対象物の検査位置(照明装置から線状光が照射される、測定対象物の表面上の位置)との間の距離といったように数多くあり、また、そうしたパラメータの中には、一つのパラメータを調整すると他のパラメータが影響を受けるといったように、個別独立した調整が難しいものも数多く存在している。 In addition to the accuracy of each element required for the optical lever method, the parameters that need to be calibrated when using the optical lever method include the accuracy of the linear light irradiated from the illumination device on the measurement target such as the angle, the projection position of the reflected light image on the screen, and the distance between the illumination device and the inspection position of the measurement object (the position on the surface of the measurement object where the linear light is irradiated from the illumination device). There are many such parameters, and among these parameters, there are many that are difficult to adjust individually, such as when adjusting one parameter affects other parameters.
光てこ法の校正に係るパラメータの多くは、各要素間の距離や各要素が設けられる角度といったように、幾何学的に決まる値であるため、机上の計算により設計値として求めることができるはずである。
しかしながら、実際には、意図しない各要素の配置上のずれや、各要素が有する機械誤差等に起因して、設計値からの誤差が発生し、期待される精度で表面形状を測定できないことがあった。
Many of the parameters involved in the calibration of the optical lever method are geometrically determined values, such as the distance between each element and the angle at which each element is installed, so it should be possible to obtain them as design values through theoretical calculations. It is.
However, in reality, errors from the design values occur due to unintended placement deviations of each element, mechanical errors in each element, etc., and the surface shape may not be measured with the expected accuracy. there were.
特許文献1および特許文献2には、光てこ法を利用して測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置について開示されているが、光てこ法において、こうした多数のパラメータを好適に校正する手法については開示されてない。そのため、光てこ法を利用した形状測定装置において各種パラメータを校正する際には試行錯誤に頼らざるを得ず、校正時における負担は極めて大きかった。
そのため、光てこ法に係る多数のパラメータを、パラメータ毎に個別に決めていくのではなく、現実の測定精度を損なわない範囲で、一定の手順に基づいて決定しておき、測定対象物の表面形状の測定を高精度に行うことが求められていた。 Therefore, instead of determining the many parameters related to the optical lever method individually for each parameter, it is necessary to determine them based on a certain procedure within a range that does not impair actual measurement accuracy, and to determine the surface of the object to be measured. There was a need to measure shapes with high precision.
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、測定対象物の表面形状を高精度に測定することができる、形状測定装置の校正方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method for calibrating a shape measuring device that can measure the surface shape of an object to be measured with high precision.
本発明に係る形状測定装置の校正方法は、搬送方向に搬送される測定対象物の表面形状を前記搬送方向と直交した幅方向に延在する検査位置において測定する形状測定装置の校正方法であって、前記検査位置に向けて、前記搬送方向と直交した幅方向に延在する線状光を照射する照明装置と、前記測定対象物の表面で反射した前記線状光の反射光像が投影されるスクリーンと、前記反射光像が投影された前記スクリーンを撮像し、撮像画像を生成する撮像装置と、前記撮像画像に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する演算処理装置と、を有する形状測定装置を用い、前記照明装置の位置と、前記線状光の延在方向から見た前記測定対象物の表面へ前記線状光が照射される角度とを、前記反射光像が前記スクリーンに投影される幾何学的配置に調整する入射側仮調整ステップと、表面に直線状のマーカを有する校正板を、前記マーカが前記検査位置と合うように配置する校正板配置ステップと、前記照明装置から前記校正板に前記線状光を照射する照明ステップと、前記測定対象物の法線方向から見た、前記搬送方向に対する前記照明装置の角度を、前記線状光と前記マーカとに基づいて調整する、角度調整ステップと、前記測定対象物の法線方向から見た、前記照明装置の前記搬送方向の位置を、前記線状光と前記マーカとに基づいて調整する、位置調整ステップと、前記校正板を前記検査位置から取り外す、校正板排除ステップと、を有する。 A method for calibrating a shape measuring device according to the present invention is a method for calibrating a shape measuring device that measures the surface shape of an object to be measured that is transported in a transport direction at an inspection position extending in a width direction perpendicular to the transport direction. an illumination device that irradiates linear light extending in a width direction perpendicular to the conveying direction toward the inspection position; and a reflected light image of the linear light reflected on the surface of the measurement object is projected. an imaging device that captures the screen on which the reflected light image is projected and generates a captured image, and an arithmetic processing device that measures the surface shape of the measurement target based on the captured image; Using a shape measuring device having an entrance-side temporary adjustment step of adjusting the geometric arrangement projected on the screen; a calibration plate placement step of arranging a calibration plate having a linear marker on its surface so that the marker matches the inspection position; an illumination step of irradiating the linear light from the illumination device to the calibration plate; and determining an angle of the illumination device with respect to the conveying direction as seen from the normal direction of the measurement object, between the linear light and the marker. and a position adjustment step of adjusting the position of the illumination device in the transport direction, as viewed from the normal direction of the measurement target, based on the linear light and the marker. and a calibration plate removal step of removing the calibration plate from the inspection position.
本発明によれば、測定対象物の表面形状を高精度に測定するために必要となる多数のパラメータの校正を、現実の測定精度を損なわない範囲で、一定の手順に基づいて行うことができるので、測定対象物の表面形状を高精度に測定することができる。 According to the present invention, it is possible to calibrate a large number of parameters required for highly accurate measurement of the surface shape of an object to be measured based on a fixed procedure without impairing actual measurement accuracy. Therefore, the surface shape of the object to be measured can be measured with high precision.
以下に添付図面を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置の校正方法について詳細に説明する。 The method for calibrating the shape measuring device according to the present embodiment will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
<照明装置の校正方法>
始めに、本実施形態に係る形状測定装置に設置される照明装置の校正方法の原理について以下説明する。照明装置の光軸や、照明装置での光の出射位置が、設計上の本来あるべき理想的な光軸や出射位置からずれてしまうと、照明装置を単体で形状測定装置として用いる場合には、使い勝手が悪いものとなり、また、光てこ法を利用して測定対象物の表面形状を測定する形状測定装置の一部に照明装置が組み込まれている場合には、本来の測定精度を得ることができないといった問題を生じることになる。そのため、照明装置を用いる前に、予め照明装置の光の出射位置や光軸のずれを校正しておくことは、照明装置を使用する上で極めて重要である。
<How to calibrate lighting equipment>
First, the principle of a method for calibrating a lighting device installed in a shape measuring device according to this embodiment will be described below. If the optical axis of the lighting device or the light emission position of the lighting device deviates from the ideal optical axis or emission position that should be in the design, it may cause problems when using the lighting device alone as a shape measuring device. In addition, if an illumination device is incorporated as part of a shape measuring device that measures the surface shape of the object to be measured using the optical lever method, it may be difficult to obtain the original measurement accuracy. This will cause problems such as not being able to do so. Therefore, it is extremely important to calibrate the light emission position and optical axis deviation of the lighting device before using the lighting device.
そのため、上記課題に鑑みて、本実施形態に係る形状測定装置の校正方法では、予め照明装置の光軸や出射位置を最適な状態に校正することが望ましい。 Therefore, in view of the above problems, in the method for calibrating a shape measuring device according to the present embodiment, it is desirable to calibrate the optical axis and output position of the illumination device to an optimal state in advance.
本実施形態に係る照明装置の校正方法を実施する際に用いられる構成について、図1を用いて説明する。図1に、本実施形態に係る照明装置の校正方法を実施する際に用いられる構成を示す。本実施形態に係る照明装置の校正方法においては、照明装置510と撮像装置520と演算処理装置530と試験面560とが用いられる。
The configuration used when implementing the lighting device calibration method according to this embodiment will be described using FIG. 1. FIG. 1 shows a configuration used when implementing the method for calibrating a lighting device according to this embodiment. In the method for calibrating a lighting device according to this embodiment, a
なお、本実施形態に係る照明装置510の校正方法では、撮像装置520と演算処理装置530とを用いて、照明装置510の光の出射位置や光軸のずれ量を算出する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。例えば、照明装置510の他の校正方法としては、撮像装置520と演算処理装置530とを用いずに、これら撮像装置520と演算処理装置530で実行される処理を、校正作業者自身が測定、記録する等して実行し、照明装置510の光の出射位置や光軸のずれ量を算出するようにしてもよい。
Note that in the method for calibrating the
照明装置510は、光てこ法を利用した形状測定装置に組み込まれて用いられる、光を照射する機能を持った照明装置である。照明装置510は、その内部に、光源や、レンズ等の光学系を有しており、照明装置510の前面に設けられたレンズ(図示せず)上の出射位置から、照明装置510をなす筐体の外部に対して光を照射する。照明装置510に設けられた光源や光学系としては、公知のものを適宜組み合わせて用いることができる。
The
照明装置510は、照明装置510の設計に鑑みて、所定の出射位置から、ある一定の方向に光を照射することが期待されており、この方向が照明装置510の理想的な設計上の光軸の方向であり、この照明装置510に設計されている光軸を、以下では、設計上の光軸ILと称するものとする。また、照明装置510の製造誤差や経年劣化等により、照明装置510から実際に光が出射(照射)されるレンズ上の出射位置が、設計上の出射位置からずれたり、照明装置510から照射される実際の光の光軸の方向が、設計上の光軸ILの方向からずれることが考えられる。この設計上の光軸ILからずれた、誤差のある理想的ではない光軸を、以下では、現実の光軸(或いは、実際の光軸)RILと称するものとする。
Considering the design of the
試験面560は、本実施形態に係る照明装置510の校正方法において用いられる校正用の平面(例えば、平面板)である。試験面560には、後述するように照明装置510から照射された光が当たることになるが、光の当たる面が略平面となっている。なお、試験面560は、照明装置510からの光が照射されている位置が特定できるのであれば、当該光が当たる面以外の面の形状は特に限定されるものではない。試験面560の粗度が低すぎると、鏡面反射の性質が高くなり、照明装置510から試験面560に照射される光によって当該試験面560上に現れる光像が見えなくなってしまう。また、試験面560の粗度が高すぎると、試験面560上に現れる光像の形状がぼやけることで、当該試験面560上での光像の位置が特定しづらくなる。そのため、試験面560は、ある程度の粗度を持った素材で形成されることが好ましいが、素材の種類自体は限定されない。
The
撮像装置520は、照明装置510から試験面560に照射される光によって当該試験面560上に現れた光像を撮像するカメラである。撮像装置520は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等のエリアカメラが採用される。撮像装置520は、試験面560の光が当たる面を撮像視野とし、試験面560上の光像を撮像することで撮像画像を生成し、生成された撮像画像を演算処理装置530に出力する。
The
演算処理装置530は、照明装置510の設計上の光軸ILからずれた現実の光軸RILのずれ量を算出するものである。演算処理装置530は、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)などを有するコンピュータ装置として構成されている。図2に、本実施形態に係る演算処理装置530の構造を示す。図2に示すように、演算処理装置530は、画像取得部531、距離取得部532、及び、ずれ量算出部533を備える。演算処理装置530は、読み取り可能な照明装置校正プログラムを読み出して展開することにより、画像取得部531、距離取得部532、及び、ずれ量算出部533を備えた校正装置として機能させることができる。
The
画像取得部531は、撮像装置520により生成された撮像画像を取得する。この場合、画像取得部531は、撮像装置520により生成された撮像画像をリアルタイムで取得するが、過去に撮像装置520により生成された撮像画像を取得するようにしてもよい。
The
距離取得部532は、撮像装置520により撮像画像が撮像された際に、照明装置510と試験面560との間の距離の値を距離情報として取得する。照明装置510及び試験面560間の距離とは、例えば、試験面560の光の当たる面の法線方向に沿った、照明装置510の光の出射位置と、試験面560の位置との間の距離である。距離取得部532による距離の値は、例えば、レーザー測定機等を使用して測定してもよく、また、校正作業者が測定可能な定規等を用いて目視で測定してもよい。距離取得部532には、測定結果である距離の値が距離情報として入力される。
The
ずれ量算出部533は、照明装置510と試験面560との間の距離を試験面560の法線方向に沿って変えながら、距離ごとに撮像装置520で試験面560上の光像を撮像した複数の撮像画像に基づいて、照明装置510の設計上の光軸ILと、現実の光軸RILとのずれ量を算出する。詳しくは後述するが、ずれ量算出部533は、距離取得部532により取得された照明装置510と試験面560との間の距離(距離情報)と、距離ごとに撮像した撮像画像との関係に基づいて、設計上の光軸ILと、現実の光軸RILとのずれ量を演算する。
The deviation
次に、本実施形態に係る照明装置の校正方法における処理について、図1から図3を用いて説明する。図3に、本実施形態に係る照明装置の校正方法における処理を説明するためのフローチャートを示す。 Next, processing in the method for calibrating a lighting device according to this embodiment will be described using FIGS. 1 to 3. FIG. 3 shows a flowchart for explaining the processing in the lighting device calibration method according to the present embodiment.
(ステップS501)
本実施形態に係る照明装置510の校正方法を開始すると、ステップS501の処理を行う。ステップS501では、照明装置510の設計上の光軸ILと、試験面560の法線方向とが同じ方向となるように、照明装置510と試験面560とを対向させて配置する(配置ステップ)。
(Step S501)
When the method for calibrating the
この場合、試験面560は、照明装置510の設計上の光軸ILの方向(第1方向)と直交する方向(第2方向)に平行な面を有する。第1方向は、照明装置510を校正するに当たって、照明装置510の光軸を観察するのに都合が良い方向から選択された任意の方向であり、第2方向は、試験面560の面方向において第1方向と直交する方向である。
In this case, the
例えば、図1に示すように、照明装置510が、平坦な底面を有する筐体で構成され、照明装置510の設計上の光軸ILが筐体の底面に平行な方向を向くように設計されているとする。また、照明装置510から光が出射するレンズ上の位置である出射位置を原点Oとし、原点Oを通り第1方向(照明装置510の設計上の光軸ILの方向)に平行な方向にp軸、原点Oを通り第1方向と直交する第2方向(試験面560の面方向)にq軸を取るものとする。
For example, as shown in FIG. 1, the
ここで、例えば、後述する形状測定装置から取り外した照明装置510を、基準となるp軸に水平な面である基準面561上に載置して試験面560に向けて光を照射すると、照明装置510の設計上、原点Oから第1方向に平行に光が照射され、試験面560上の点Aに到達することになり、設計上の光軸ILは原点Oと点Aとを結ぶ直線となる。また、照明装置510において光の出射位置や照射方向(実際の光軸の方向)が設計からずれている場合には、照明装置510のレンズ上の位置のうち、原点Oではなく、原点Oからずれた点Cから光が出射され、試験面560上の点Bに到達することになり、現実の光軸RILは、点Cと点Bとを結ぶ直線となる。
Here, for example, if an
なお、説明を簡単にするために、ここでは、第1方向が水平方向であり、第2方向が高さ方向である場合を例にして説明するが、第1方向と第2方向は、互いに直交する位置関係にあれば、この場合に限定されるものではない。また、設計上の光軸ILは、照明装置510の筐体の形状に依存するものではなく、照明装置510の設計上の光が照射される方向に依存するものである。
In order to simplify the explanation, here we will explain the case where the first direction is the horizontal direction and the second direction is the height direction, but the first direction and the second direction are As long as the positions are perpendicular to each other, the present invention is not limited to this case. Further, the designed optical axis IL does not depend on the shape of the casing of the
ステップS501において、照明装置510と試験面560とを上記のように配置すると、ステップS503に進む。
In step S501, when the
(ステップS503)
ステップS503では、照明装置510から試験面560までの距離を試験面560の法線方向に沿って変えながら、照明装置510から照射された光によって距離に応じて試験面560に現れる光像を測定する。即ち、測定のインデックスをiとして、照明装置510から試験面560までの距離diを第1方向(例えば水平方向)に沿って変えながら、照明装置510から照射された光によって試験面560に現れた光像の位置yi
b(例えば第2方向とした高さ方向での位置)を測定する(光像測定ステップ)。
(Step S503)
In step S503, while changing the distance from the
照明装置510から照射された光は、試験面560上に光像を生じさせるため、照射された光が試験面560上のどの位置に到達したのかを、容易に観察することができる。
Since the light emitted from the
もし仮に、照明装置510から設計上の光軸IL(例えば水平方向)で光が照射されているとすると、照明装置510と試験面560との間の距離を変えたとしても、試験面560が光の方向に対して垂直であるため、試験面560上に光が照射されて生じる光像の位置は、第2方向(ここでは高さ方向)には変化しない。一方で、照明装置510の現実の光軸RILが設計上の光軸ILからずれていると、照明装置510と試験面560との間の距離を第1方向に沿って変えるにつれて、試験面560上に光が照射されて生じる光像の位置が第2方向(高さ方向)に沿って変化することになる。そのため、試験面560上の光像の第2方向の変化を測定すれば、照明装置510から照射される現実の光軸RILが、設計上の光軸ILからどの程度、出射位置や照射角度がずれているのかを知ることができる。
If light is emitted from the
ここでは、照明装置510と試験面560との間の距離diを複数回(iは測定回に対応するインデックスである)変えながら、距離diの値とともに、試験面560上の光像の第2方向の位置yi
b(図1の場合であれば原点Oからの高さ)を測定する。
Here, while changing the distance d i between the
本実施形態では、距離diの値を距離取得部532が取得し、距離diごとに光像を撮像した撮像画像を画像取得部531が取得し、撮像画像中における光像の位置に基づいて、試験面560上に現れた光像の第2方向の位置yi
bを取得する。そして、ずれ量算出部533は、距離diごとに光像を撮像した撮像画像を解析し、撮像画像内での試験面560上の光像の第2方向の位置yi
bを距離diごとに測定する。なお、上述したように、これらの処理は、演算処理装置530上で行う必要は必ずしもなく、校正作業者自身が人力で測定し、記録を行ってもよい。
適当な測定回数分のデータが得られれば、ステップS505に進む。
In this embodiment, the
If data for an appropriate number of measurements is obtained, the process advances to step S505.
(ステップS505)
ステップS505では、照明装置510から試験面560までの距離diと、距離diごとの試験面560に現れる光像の位置とに基づいて、照明装置510の設計上の光軸ILに対する光像のずれ量を、照明装置510と試験面560との距離diに応じて算出する。例えば、照明装置510から試験面560までの第1方向の距離diと、光像の第2方向での位置yi
bとの関係を、最小二乗法を用いて近似することで、照明装置510の現実の光軸RILと設計上の光軸ILとの角度の差θに対応する照明装置510の傾きずれと、照明装置510の現実の光軸RILの照射開始位置(現実の出射位置)と設計上の光軸ILの照射開始位置(設計上の出射位置)との第2方向の位置の差に対応する照明装置510の変位ずれとを、ずれ量として算出する(ずれ量算出ステップ)。
(Step S505)
In step S505, based on the distance d i from the
上述した図1の例でいえば、原点Oと点Cとの第2方向への位置のずれが変位ずれに相当し、設計上の光軸ILと現実の光軸RILとの成す角度θが傾きずれに相当する。 In the example of FIG. 1 described above, the positional deviation between the origin O and the point C in the second direction corresponds to the displacement deviation, and the angle θ formed by the designed optical axis IL and the actual optical axis RIL is Corresponds to tilt deviation.
より具体的には、図1に示すように、照明装置510から試験面560までの第1方向の距離を変化させて行う測定の回数に対応するインデックスをiとし、試験面560が(原点Oに出射位置を有する)照明装置510から距離diだけ離れた位置にあるとする。設計上の光軸ILに沿って照射される光は、原点O(0、0)から試験面560上の点A(di、0)に設計上到達するはずである。しかしながら、現実の光軸RILに沿って照射される光が、原点Oから鉛直方向にyaだけずれた出射位置であるq軸上の点C(0、ya)から照射されるとともに、設計上の光軸ILから角度θだけずれた角度に照射されることで、試験面560上の点B(di、yi
b)に到達したものとすると、照明装置510と試験面560との幾何学的な位置関係から、下記の式(1)の関係が得られる。
距離diの値と、試験面560上の光像の第2方向の位置yi
bの値とは、ステップS503において、試験面560の位置や試験面560上の光像の位置を実際に測定することにより知ることができる。
The value of the distance d i and the value of the position y i b of the light image on the
そのため、例えば、試験面560の位置を第1方向に沿って変えることで距離diを変化させ、それぞれの距離diと、試験面560上での光像の第2方向の位置yi
bの値とを求めることで、未知の値である変位ずれyaと傾きずれθとを算出することができる。更に、より精度を高めるため、変位ずれyaと傾きずれθの算出には、最小二乗法を用いることが好適であり、その場合には、変位ずれyaと傾きずれθは、実際に測定することによって得られたデータの総数をnとして、下記の式(2)及び式(3)を用いて算出することができる。
なお、変位ずれyaは、照明装置510の現実の光軸RILにおける光の出射位置と、設計上の光軸ILにおける光の出射位置との第2方向の距離のずれ(オフセット)である。また、傾きずれθは、照明装置510の現実の光軸RILと設計上の光軸ILとの方向の違いに対応する角度のずれである。
Note that the displacement shift ya is a distance shift (offset) in the second direction between the light output position on the actual optical axis RIL of the
こうして、ずれ量として変位ずれyaと傾きずれθとを知ることができれば、変位ずれyaと傾きずれθとに基づいて照明装置510を校正し(校正ステップ)、本実施形態に係る照明装置510の校正方法を終了する。
In this way, if the displacement deviation y a and the tilt deviation θ can be known as the deviation amount, the
以上で説明したように、本実施形態によれば、照明装置510の持つ誤差に応じた変位ずれyaと傾きずれθとを知ることができるので、照明装置510を用いる際に、照明装置510に変位ずれyaや傾きずれθに応じたオフセットを与えたり傾けたりしたうえで、照明装置510を使用することができるので、照明装置510が持つ誤差によらずに、正確な位置から正確な方向に向けて光を照射することができるようになる。そのため、光てこ法を利用した形状測定装置に照明装置510を用いた際、照明装置510の誤差に起因する不都合が生じることを防止することができる。
As explained above, according to the present embodiment, since it is possible to know the displacement deviation y a and the tilt deviation θ according to the error of the
以上で説明したように、本実施形態では、測定対象物の表面形状を高精度に測定するために必要となる変位ずれyaや傾きずれθの校正を、現実の測定精度を損なわない範囲で、一定の手順に基づいて行うことができるので、測定対象物の表面形状を高精度に測定することができる。 As explained above, in this embodiment, the displacement deviation ya and the tilt deviation θ, which are necessary for highly accurate measurement of the surface shape of the object to be measured, are calibrated within a range that does not impair the actual measurement accuracy. , can be performed based on a fixed procedure, so the surface shape of the object to be measured can be measured with high precision.
なお、上述したように、本実施形態では、ずれ量の算出に最小二乗法を採用して、変位ずれyaと、傾きずれθを算出していたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、ずれ量の算出に際し、照明装置510と試験面560との間の距離と、その際に取得されたずれ量とを対応させたLUT(Look Up Table)を作成しておき、設計上の光軸ILに沿った照明装置510と試験面560との間の距離から、対応するずれ量を参照して、照明装置510の校正を行ってもよい。なお、LUT上に照明装置510の配置位置に合致するずれ量がない場合には、配置位置における距離を挟むLUT上の前後の距離におけるずれ量を参照し、比例配分によってずれ量を演算すればよい。
As described above, in this embodiment, the displacement deviation y a and the tilt deviation θ are calculated by employing the least squares method to calculate the deviation amount, but the present invention is not limited to this. do not have. For example, when calculating the amount of deviation, an LUT (Look Up Table) is created that correlates the distance between the
<形状測定装置の校正方法>
次に、上述した照明装置の校正方法により校正した照明装置を用いて、光てこ法を利用して測定対象物の表面形状を測定可能な形状測定装置に関する校正方法について以下説明する。以下に添付図面を参照しながら、本実施形態に係る、光てこ法を利用した形状測定装置の校正方法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、上述した構成要素と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する説明を省略する場合がある。
<Calibration method of shape measuring device>
Next, a method for calibrating a shape measuring device capable of measuring the surface shape of a measurement object using an optical lever method using a lighting device calibrated by the method for calibrating a lighting device described above will be described below. A method for calibrating a shape measuring device using an optical lever method according to this embodiment will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. Note that, in this specification and the drawings, components having substantially the same functional configuration as those described above may be designated by the same reference numerals, thereby omitting redundant explanations.
ここで、照明装置から測定対象物の表面に所定の入射角度で線状光を照射し、測定対象物の表面からの反射光をスクリーンで投影して、スクリーン上の反射光像に基づいて測定対象物の表面形状を測定する、光てこ法を利用した測定方法では、形状測定装置を構成する照明装置やスクリーン等といった各要素を、設計通りに配置したとしても、現実には各要素の位置や角度等に意図しない微妙なずれがあったり、各要素自体が誤差を含んでいるおそれがある。 Here, linear light is irradiated from the illumination device onto the surface of the object to be measured at a predetermined incident angle, the reflected light from the surface of the object to be measured is projected on a screen, and measurements are taken based on the reflected light image on the screen. In the measurement method that uses the optical lever method to measure the surface shape of an object, even if the elements such as the lighting device and screen that make up the shape measurement device are arranged as designed, the actual position of each element is There is a possibility that there may be unintended slight deviations in the direction, angle, etc., or that each element itself may contain errors.
また、光てこ法を利用した形状測定装置において校正が不十分である(精度が良くない)場合には、スクリーン上に投影された反射光像(輝線)を通じて、測定対象物の表面形状を測定する際、表面形状に応じた変位ばかりでなく、校正が不十分であることに基づく誤差も拡大されて表示されてしまうため、精度の高い測定を行うことが困難であった。さらに、光てこ法を利用した形状測定装置では校正すべきパラメータが多岐にわたるため、校正が煩雑であり、一つのパラメータを調整すると他のパラメータに影響を与えてしまうことで、他のパラメータが変化してしまうといった問題が起こる場合があることから、校正を行うに当たっての手順を規定しておくことが望まれていた。 In addition, if the calibration of the shape measuring device using the optical lever method is insufficient (accuracy is poor), the surface shape of the object to be measured can be measured through the reflected light image (bright line) projected on the screen. When doing so, not only displacements depending on the surface shape but also errors due to insufficient calibration are magnified and displayed, making it difficult to perform highly accurate measurements. Furthermore, calibration is complicated because shape measuring devices that use the optical lever method have a wide variety of parameters to calibrate, and adjusting one parameter may affect other parameters, causing changes in other parameters. Since problems such as calibration may occur, it has been desired to define procedures for performing calibration.
そのため、上記課題に鑑みて、本実施形態に係る光てこ法を利用した形状測定装置の校正方法では、光てこ法を利用した測定方法に係る多数のパラメータの校正を、現実の測定精度を損なわない範囲で、一定の手順に基づいて行うことができる方法を提供する。 Therefore, in view of the above-mentioned problems, in the method for calibrating a shape measuring device using the optical lever method according to the present embodiment, the calibration of a large number of parameters related to the measurement method using the optical lever method is performed without compromising the accuracy of actual measurement. Provides a method that can be carried out based on certain procedures to the extent that the
本実施形態に係る形状測定装置の校正方法に用いられる構成について、図4~図6を用いて説明する。図4に、本実施形態に係る形状測定装置100の構成を示す。図5に、本実施形態に係る形状測定装置100の、線状光の延在方向から見たときの構成を示す。図6に、本実施形態に係る形状測定装置100の、測定対象物1の表面の法線方向から見たときの構成を示す。
The configuration used in the method for calibrating the shape measuring device according to this embodiment will be explained using FIGS. 4 to 6. FIG. 4 shows the configuration of the
形状測定装置100は、測定対象物1の表面において搬送方向に直交した幅方向に沿って延在する所定の検査位置LBで、搬送方向に移動する測定対象物1の表面形状を検出する装置であり、以下の説明に反しない限りにおいて、公知の光てこ法を利用した形状測定装置を用いることができる。光てこ法を利用した形状測定装置100は、照明装置10、スクリーン20、撮像装置30、及び演算処理装置40を有している。なお、照明装置10は、上述した照明装置510と同一構成を有するものであり、上述した照明装置510の校正方法に従って、実際の光軸が校正されていることが望ましい。
The
測定対象物1は、形状測定装置100で、その表面に存在する凹凸等の欠陥や粗度ムラ等といった表面形状を測定する際の、測定対象(検査対象)となる物体である。
The
測定対象物1としては、例えば、平板状の厚板や薄板といった各種の鋼板を用いることができるが、これに限定されるものではなく、光てこ法を利用した測定方法を用いて表面形状を測定できる物であれば、種々の物を測定対象物として用いることができる。 The object to be measured 1 can be, for example, various types of steel plates such as flat thick plates or thin plates, but is not limited thereto, and the surface shape can be measured using a measurement method using an optical lever method. Various objects can be used as measurement objects as long as they can be measured.
測定対象物1は、図示しない搬送装置によって、所定の搬送方向に沿って、形状測定装置100に対して相対的に搬送される。即ち、形状測定装置100が固定された状態で測定対象物1側が移動してもよく、測定対象物1が固定された状態で形状測定装置100側が移動してもよく、測定対象物1と形状測定装置100の両方が移動してもよい。測定対象物1が搬送される際には、極力、振動やたわみ等が発生しないように、測定対象物1の両端から張力を印加した状態で搬送してもよい。
The object to be measured 1 is transported relative to the
照明装置10は、測定対象物1や測定対象物1があるべき位置に向けて、より詳細には後述する検査位置LBに向けて、測定対象物1の表面の面内方向において搬送方向に直行した幅方向に延在する線状光15を照射する機能を持った照明装置である。
The
照明装置10は、筐体の内部に、光源や、レンズ等の光学系を有しており、測定対象物1の搬送方向に直交した幅方向に長く延び、かつ搬送方向に細い幅を有する線状の光である線状光15を生成して、測定対象物1の表面に向けて線状光15を照射する。線状光15は測定対象物1の略全幅を覆うように延在している。照明装置10に設けられた光源や光学系としては、公知のものを適宜組み合わせて用いることができる。
The
照明装置10から照射される光の中心波長は、測定対象物1の検査位置LBでの鏡面反射性と、撮像装置30の波長感度特性を考慮して設計される。光の性質上、波長の長い光であればあるほど測定対象物1の表面上で鏡面反射しやすくなるため、スクリーン20上に結像される反射光像(輝線)RIの明るさが上昇し、S/N比が上昇する。一方で、照明装置10の中心波長が後述する撮像装置30の撮像可能な波長範囲を超えると、撮像画像PH内において反射光像RIの明るさが低下し、S/N比が低下する。したがって照明装置10の中心波長は、測定対象物1の鏡面反射性を考慮した波長を下限値とし、撮像装置30の波長感度特性を考慮した波長を上限値として設計される。
The center wavelength of the light emitted from the
照明装置10から照射される光のスペクトル幅は、反射光像RI上で観測されるスペックルノイズを考慮して設計される。レーザー光に代表されるようなスペクトル幅の小さい光を形状測定装置100に使用した場合、撮像画像PH内の反射光像RIにコントラストの高い細かい斑点模様状のスペックルノイズが生じ、S/N比が低下する。そのため、照明装置10のスペクトル幅は広く、干渉性の低い光が採用される。
The spectral width of the light emitted from the
照明装置10から照射された線状光15は、測定対象物1の表面に向けて、図4~図6に破線15aで示す範囲に照射され、後述する検査位置LBにおいて、測定対象物1の表面に線状に当たって(線状光15)、反射する。測定対象物1の表面の検査位置LBで反射した線状光15の反射光は、図4~図6に破線15bで示す範囲を通り、後述するスクリーン20に照射、投影されて、反射光像RIとして現れる。
The linear light 15 irradiated from the
光切断法を利用した測定方法の原理から明らかなように、測定対象物1の表面の線状光15が照射された位置における表面形状によって、当該線状光15が変位することから、当該線状光15の変位に基づいて、測定対象物1の線状光15が照射された位置の表面形状を測定することができる。即ち、光てこ法を利用した形状測定装置100は、測定対象物1の表面の形状を、測定対象物1の表面の線状光15が照射された位置で測定することになるため、測定対象物1の表面の線状光15が照射された位置(及び、測定対象物1が存在しない場合等には測定対象物1の表面の線状光15が照射される位置に対応する位置)が、表面形状を測定する際に用いられる位置となる。
As is clear from the principle of the measurement method using the light cutting method, the
そのため、測定対象物1の表面の線状光15が照射された位置(及び、測定対象物1が存在しない場合等には測定対象物1の表面の線状光15が照射される位置に対応する位置)を、形状測定装置100が欠陥を測定する際に用いられる検査位置LBと称するものとする。検査位置LBは、搬送方向に直交した幅方向に延びる直線状の位置(又は領域)となる。
Therefore, it corresponds to the position on the surface of the
照明装置10は、表面形状の測定精度を向上させるため、筐体内部に有する光学系によって、最も焦点を絞った状態(即ち、線状光15の線幅が最も狭くなった状態)の線状光15が、検査位置LBにおいて、測定対象物1の表面に当たるようにしておくことが好ましい。
In order to improve the measurement accuracy of the surface shape, the
図4に示すように、ここでは、照明装置10が測定対象物1に照射する線状光15の、測定対象物1の表面における延在方向の中心位置を原点O1とし、原点O1を通り測定対象物1の搬送方向に向かう軸をy軸とし、原点O1を通り測定対象物1の搬送方向に直交した幅方向に向かう軸をx軸とし、原点O1を通り測定対象物1の表面の法線方向に向かう軸をz軸とする。この場合、図5に示すように、照明装置10から照射された線状光15は、x軸方向から見て、測定対象物1の表面に対してz軸となす角で規定される入射角θ1で照射される。そして、線状光15は、測定対象物1の表面の検査位置LBにおいて、x軸方向から見て、z軸となす角で規定される反射角θ1で反射して、反射光がスクリーン20に向かい、反射光像RIとして投影される。
As shown in FIG. 4, here, the center position of the linear light 15 irradiated onto the
なお、照明装置10は、z軸方向から見て、測定対象物1の搬送方向に向けて線状光15を照射するように配置されるが、形状測定装置100を初期的に設置した段階(校正前の段階)では、図6に示すように、意図せず照明装置10の配置(即ち、測定対象物1の法線方向から見た、搬送方向に対する照明装置10から照射される線状光の照射方向)がずれるおそれもある。この場合、照明装置10は、z軸方向から見て、搬送方向に対し角度Φ(以下、首振り角度Φとも称する)を持った二点鎖線10aの方向に向けて、線状光15を照射してしまっている場合があり得る。
Note that the
また、照明装置10は、照明装置10自体の設計に鑑みて、設計上は、所定の出射位置から、ある一定の方向に線状光15を照射することが期待されているが、照明装置10の製造誤差や経年劣化等により、照明装置10から線状光15が出射されるレンズ上の位置が設計上の出射位置からずれたり、照明装置10から照射される線状光15の照射方向が理想的な方向からずれたりすることも考えられる。そのため、照明装置10の使用に当たっては、適宜、照明装置10自体を校正する必要が生じる場合もあり得る。
Further, in consideration of the design of the
照明装置10は図示しない支持部に保持されており、支持部ごと移動させることで、搬送方向に沿って照明装置10の配置される位置を変えることができる。また、照明装置10は支持部にx軸方向から見たときの保持角度と、z軸方向から見たときの保持角度とを、それぞれ独立に変えられる機構によって保持されるのが好ましい。
The
スクリーン20は、測定対象物1の表面で反射した線状光15の反射光が反射光像RIとして投影される映写膜として機能する物体である。スクリーン20は、検査位置LBから予め決められた一定の距離の位置に、例えば、測定対象物1の表面とスクリーン20の表面が垂直となるように、照明装置10に対向して配置されている。より具体的には、スクリーン20は、図4で示されるxyz座標系において、スクリーン20の投影面の法線ベクトルがx成分を持たない(x成分の値がゼロとなる)ように配置される。
The
スクリーン20は、照明装置10から照射された線状光15が、測定対象物1の表面の検査位置LBで反射することでスクリーン20上に生じた反射光像RIの全て(全長、全幅)が、写り込めるだけの充分な大きさを有しており、反射光像RIがスクリーン20上のどこに当たっているのかを判別できるようになっている。スクリーン20の粗度が低すぎると、鏡面反射の性質が高くなり、スクリーン20上の反射光像RIが見えなくなってしまう。また、粗度が高すぎると反射光像RIの形状がぼやけることで位置が特定しづらくなる。そのため、スクリーン20は、ある程度の粗度を持った素材で形成されることが好ましいが、素材の種類自体は限定されない。
The
スクリーン20は、検査位置LBからの距離が大きいほど、検査位置LBの測定対象物1の表面形状を拡大させて検知することができるようになるが、線状光15の明るさの減衰も大きくなり、S/N比が悪化する。そのため、検査位置LBからスクリーン20までの距離は、予め実際に測定を行い、ある程度の距離の相場を把握しておくことが好ましい。
The larger the distance from the inspection position LB, the
撮像装置30は、線状光15の反射光が反射光像RIとして投影されたスクリーン20を撮像し、撮像画像を生成するカメラとして機能するものである。即ち、撮像装置30は、図4~図6に一点鎖線で示すように、少なくともスクリーン20の表面に投影された反射光像RIの全てを含む、スクリーン20上の領域を撮像視野として撮像することで、撮像画像PHを生成する。従って、撮像画像PHには、スクリーン20に投影された反射光像RIが写り込んでいる。
The
なお、本実施形態において、照明装置510の校正方法に従って照明装置10の実際の光軸を校正する場合には、図1に示した撮像装置520として、撮像装置30を適用するようにしてもよく、また、照明装置10を校正する際に用いる撮像装置520を、形状測定装置100の撮像装置30とは別に設けるようにしてもよい。
Note that in this embodiment, when the actual optical axis of the
撮像画像PHは、2次元画像からなる2次元撮像画像であることが好ましく、撮像装置30は、2次元撮像画像を生成するエリアカメラであることが好ましい。撮像装置30は白黒カメラであってもカラーカメラであってもよく、撮像画像PHも白黒画像であってもカラー画像であってもよい。
The captured image PH is preferably a two-dimensional captured image consisting of a two-dimensional image, and the
演算処理装置40は、撮像装置30で撮像された撮像画像PHに基づいて、測定対象物1の表面形状を測定するためのデータ処理や演算を行う。演算処理装置40は、例えば、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。演算処理装置40は、図4に示すように(図5及び図6では図示を省略している)、撮像装置30に有線又は無線を用いて接続されており、撮像装置30で生成した撮像画像PHを取得することができる。
The
演算処理装置40は、取得した撮像画像PHに基づいて、公知の光てこ法を利用した測定手法を用いて、撮像画像PH中に写り込んだ線状光15の変位から、測定対象物1の表面の検査位置LBにおける表面形状を測定することができる。
Based on the acquired captured image PH, the
なお、本実施形態において、照明装置510の校正方法に従って、照明装置10の実際の光軸を校正する場合には、演算処理装置40に、図2に示した画像取得部531、距離取得部532及びずれ量算出部533を設けた構成としてもよい。また、照明装置10を校正する演算処理装置530を、演算処理装置40とは別に設けるようにしてもよい。
In this embodiment, when calibrating the actual optical axis of the
図7に、本発明に係る撮像装置30で生成される撮像画像PHの一例を示す。検査位置LB(図6)において、測定対象物1の表面に凹凸が存在した場合には、撮像画像PHに写り込んだ反射光像RIに、検査位置LBの測定対象物1の表面が平坦である場合の反射光像RIを基準線として、反射光像RIに凹形状又は凸形状の変位CDが発生する。
FIG. 7 shows an example of a captured image PH generated by the
この反射光像RIの変位CDは、測定対象物1の表面の凹凸に対応しているため、演算処理装置40で変位CDに基づく演算を行うことで、検査位置LBにおける測定対象物1の表面形状を判定することができる。また、測定対象物1は搬送されており、検査位置LBを測定対象物1が通過することから、検査位置LBにある測定対象物1の表面上の位置が変化し、測定対象物1の表面の搬送方向に沿った各位置において、表面形状を測定することができる。
Since the displacement CD of this reflected light image RI corresponds to the unevenness of the surface of the object to be measured 1, the surface of the object to be measured 1 at the inspection position LB is Shape can be determined. In addition, since the
また、後述するように、形状測定装置100はその校正を行う際に、校正板50を用いることになる。
Further, as will be described later, the
校正板50は、図8に示すような、例えば、表面に直線状に延びたマーカCLが描画された平板であり、後述するように、校正板50は照明装置10の首振り角度Φと照明装置10の位置とを調整するために使用される。
The
校正板50に描画されたマーカCLは、校正板50に印刷されたものであってもよく、校正板50にシール等で貼付されたものであってもよく、校正板50の表面に浅い凹部等を形成したものであってもよく、また、マーカCL自体は、実線であっても、点線等であってもよい。
The marker CL drawn on the
形状測定装置100を校正する際には、後述するように、検査位置LBとマーカCLとを比較することになるため、校正板50は、検査位置LBの位置に正確に配置することができ、検査位置LBとマーカCLとを対比できるような、大きさや形状であることが好ましい。
When calibrating the
校正板50は、任意の位置に配置しても撓まないだけの剛性を有している。校正板50の粗度が低すぎると、鏡面反射の性質が高くなり、検査位置LBにおいて線状光15が見えなくなり、マーカCLと線状光15との比較ができなくなってしまうおそれがある。また、粗度が高すぎると線状光15の形状がぼやけることで位置が特定しづらくなるおそれがある。そのため、校正板50は、ある程度の粗度を持った素材で形成されることが好ましいが、素材の種類自体は限定されない。
The
次に、本実施形態に係る形状測定装置100の校正方法における処理について、図9を用いて説明する。図9に、本実施形態に係る形状測定装置100の校正方法における処理を説明するためのフローチャートを示す。
Next, processing in the method for calibrating the
(ステップS101)
本実施形態に係る形状測定装置100の校正方法を開始すると、ステップS101の処理を行う。ステップS101では、照明装置10の設計上の光軸に沿った方向と線状光15の延在方向との両方に直交する方向において、照明装置10の設計上の光軸に対する実際の光軸を校正することで、照明装置10自体を校正する(照明装置校正ステップ)。
(Step S101)
When the method for calibrating the
照明装置10は、上述した通り、照明装置10自体の製造誤差や経年劣化等により、照明装置10から照射される線状光15の出射位置や、現実の光軸の方向が、照明装置10の設計上決められた理想的な出射位置や光軸の方向からずれている可能性がある。そのため、ステップS101では、照明装置10から照射される線状光15の出射位置や、現実の光軸の方向について校正を行う。
As described above, the emission position of the linear light 15 irradiated from the
照明装置10自体の校正方法としては、公知の照明装置の校正方法を適宜用いることができるが、例えば、本実施形態に係る照明装置510の校正方法を用いることが望ましい。この場合、照明装置校正ステップでは、図3に示したフローチャートに従って、照明装置10の校正が行われる。具体的には、例えば、本実施形態に係る照明装置510の校正方法を利用して、照明装置10の設計上の光軸に沿った方向と、線状光15の延在方向との両方に直交する方向(すなわち、試験面560上での第2方向(図1))における、照明装置10の設計上の光軸に対する実際の線状光15のずれ量を校正する。
ステップS101における照明装置10の校正が終わると、ステップS103に進む。
As a method for calibrating the
When the calibration of the
(ステップS103)
ステップS103では、ステップS101で校正された照明装置10の位置と、線状光15の延在方向から見た測定対象物1の表面へ線状光15が照射される角度とを、反射光像RIがスクリーン10の所定位置に投影される幾何学的配置に調整する。即ち、線状光15の延在方向から見たときの照明装置10の測定対象物1に対する俯角(線状光15の延在方向から見た照明装置10の光軸の角度)を、線状光15の反射光像RIがスクリーン20の所定位置(例えば、スクリーン20の中央部)に投影されるような幾何学的な配置となる幾何学的配置に調整する(入射側仮調整ステップ)。
(Step S103)
In step S103, the position of the
光てこ法を利用した測定方法では、スクリーン20に投影された反射光像RIの変位に基づいて、測定対象物1の表面の検査位置LBにおける表面形状を測定するため、表面形状の程度によってある程度変位があったとしても、反射光像RIがスクリーン20内(及び撮像装置30の撮像視野)から外れないように、位置的な余裕をもって、スクリーン20上に投影されている必要がある。そのため、極力大きな余裕を確保するために、スクリーン20の略中央に反射光像RIが配置されるように、照明装置10を調整する。
In the measurement method using the optical lever method, the surface shape at the inspection position LB of the surface of the object to be measured 1 is measured based on the displacement of the reflected light image RI projected on the
スクリーン20と検査位置LBとの距離は一定であるため、照明装置10が配置される高さを任意に決めれば、幾何学的な関係から、線状光15の反射光像RIがスクリーン20の中央部に投影される場合の、照明装置10の位置、及び、検査位置LBに対する照明装置10の角度が一意に求められる。そのため、そうした幾何学的な関係から決まる距離や角度となるように、照明装置10を調整する。
Since the distance between the
但し、こうした幾何学的な調整をしただけでは、照明装置10が最大限正しい位置や角度となるように努めたとしても、現実的には、形状測定装置100の精度からすれば、測定結果に影響を与えるずれが潜在的に存在し、幾何学的な関係通りに反射光像RIがスクリーン20の中央部に投影されない場合が多いが、ステップS103では、反射光像RIの現実の投影位置によらずに、あくまで幾何学的に求まる位置と角度に合わせて照明装置10の調整を行う。そのため、ステップS103では、校正の際に意図せず生じる配置からのずれ等は考慮されない。
ステップS103における照明装置10の調整が終わると、ステップS105に進む。
However, even if the
When the adjustment of the
(ステップS105)
ステップS105では、表面に直線状のマーカCLが描画された校正板50を、校正板50に描画されたマーカCLが、検査位置LBに合うように配置する(校正板配置ステップ)。
(Step S105)
In step S105, the
ステップS105では、測定対象物1を除き校正板50を単独で、検査位置LBとマーカCLの位置が重なり合うように、校正板50を配置する。
In step S105, the
図10に、本実施形態に係る形状測定装置100に校正板50を配置する手法を説明するための図を示す。図10では、説明のために、測定対象物1が配置されていた場所に、測定対象物1を破線で表示してある。図10に示すように、検査位置LBは測定対象物1の搬送方向と直交する幅方向に延びた直線状の領域であるため、校正板50に描画された直線状のマーカCLを、検査位置LBの位置と合致するように(マーカCLの直線と、検査位置LBの延在方向をそろえるように)配置することができる。
ステップS105における校正板50の配置が終わると、ステップS107に進む。
FIG. 10 shows a diagram for explaining a method of arranging the
When the arrangement of the
(ステップS107)
ステップS107では、照明装置10を用いて、線状光15を照射する(照明ステップ)。ステップS105において、校正板50のマーカCLが検査位置LBと重なり合うように配置されているため、照明装置10から線状光15を照射すると、もし仮に、照明装置10から検査位置LBまでの距離や照明装置10からの線状光15の照射角度に、誤差がないのであれば、照明装置10から照射される線状光15が、校正板50に描画された直線CLに重なるように照射されることが期待される。ステップS107で照明装置10から線状光15の照射が開始されると、ステップS109に進む。
(Step S107)
In step S107, the
(ステップS109)
ステップS109では、測定対象物1の法線方向から見た、搬送方向に対する照明装置10の角度Φ(首振り角度Φ)を、線状光15と校正板50のマーカCLとに基づいて調整する。即ち、測定対象物1の法線方向から見たときの照明装置10の首振り角度Φを、線状光15の延在方向と、校正板50に描画されたマーカCLの延在方向とが平行となるように調整する(角度調整ステップ)。
(Step S109)
In step S109, the angle Φ (oscillation angle Φ) of the
図11(a)及び図11(b)に、測定対象物1の法線方向から見たときの、搬送方向に対する照明装置10の首振り角度Φを、線状光15の延在方向と、校正板50に描画されたマーカCLの延在方向とが平行となるように調整する処理を説明するための図を示す。
FIGS. 11(a) and 11(b) show the swing angle Φ of the
図6に二点鎖線10aで示したように、照明装置10が、z軸方向から見て(即ち、測定対象物1の法線方向から見て)、搬送方向であるy軸方向に対する、照明装置10の現実の光軸の首振り角度Φを持っているとすると、線状光15の延在方向は首振り角度Φに垂直な方向であるため、図11(a)に示すように、マーカCLと線状光15とは平行にはならない。
As shown by the two-
そのため、ステップS109では、線状光15とマーカCLとを目視等で確認しながら、ステップS101で校正した照明装置10の位置と角度(線状光15の延在方向から見た測定対象物1の表面に線状光15が照射される角度)を変えないように注意しつつ、z軸方向から見たときのy軸方向に対する照明装置10の首振り角度Φを調整し、図11(b)に示すように、線状光15の延在方向とマーカCLの延在方向とが平行となるようにする。
ステップS109で線状光15の延在方向とマーカCLの延在方向とが平行になるように照明装置10の首振り角度Φを調整し終わると、ステップS111に進む。
Therefore, in step S109, while visually checking the
After adjusting the swing angle Φ of the
(ステップS111)
ステップS111では、測定対象物1の法線方向から見た、照明装置10の搬送方向の位置を、線状光15と校正板50のマーカCLとに基づいて調整する。即ち、測定対象物1の法線方向から見たときの照明装置10の搬送方向の位置を、線状光15と、校正板50に描画されたマーカCLとが重なるように調整する(位置調整ステップ)。
(Step S111)
In step S111, the position of the
図12(a)及び図12(b)に、測定対象物1の法線方向から見たときの照明装置10の搬送方向での位置を、線状光15と、校正板50に描画されたマーカCLとが重なるように調整する処理を説明するための図を示す。
12(a) and 12(b) show the position of the
図12(a)に示すように、z軸方向から見た(測定対象物1の法線方向から見た)場合に、ステップS109で線状光15の延在方向と、校正板50に描画されたマーカCLの延在方向とは、平行となるように調整されてはいるものの、線状光15と、校正板50に描画されたマーカCLとの間には、搬送方向(y軸方向)において位置のずれが存在している。
As shown in FIG. 12(a), when viewed from the z-axis direction (viewed from the normal direction of the measurement target 1), the extending direction of the
そのため、ステップS111では、線状光15とマーカCLとを目視等で確認しながら、ステップS101で校正した照明装置10の位置と角度(線状光15の延在方向から見た測定対象物1の表面に線状光15が照射される角度)とを変えないように注意しつつ、照明装置10の位置を、搬送方向に沿って調整し、図12(b)に示すように、線状光15とマーカCLとが重なるようにする。
ステップS111で線状光15と校正板50に描画されたマーカCLとが重なるように調整し終わると、ステップS113に進む。
Therefore, in step S111, while visually checking the
When the adjustment is completed in step S111 so that the
(ステップS113)
ステップS113では、校正板50を検査位置LBから取り外す(校正板排除ステップ)。
形状測定装置100の検査位置LBから、校正板50を取り除くことで、表面形状の検査対象となる測定対象物1を形状測定装置100に向けて搬送し、形状測定装置100で、測定対象物1の表面形状を測定できるようになる。
(Step S113)
In step S113, the
By removing the
こうして、形状測定装置100の校正が終わり、表面形状を測定できるようになれば、本実施形態に係る形状測定装置100の校正方法を終了する。
In this way, when the calibration of the
以上で説明したように、本実施形態によれば、調整すべきパラメータが多岐にわたり、自由に調整できないパラメータが存在し得る、光てこ法を利用した形状測定装置100について、一定の指針に基づいて校正を行うことができるようになる。
As explained above, according to the present embodiment, the
こうした校正を行うことで、多数のパラメータを無秩序に試行錯誤することなく、最低限の試行錯誤を行うだけで、形状測定装置100の校正を行うことができる。
By performing such calibration, it is possible to calibrate the
また、こうした校正を行うことで、校正作業者が、形状測定装置100の照明装置10やスクリーン20等の各要素を幾何学的に正しい配置や角度に合わせこんだと思っているなかで、各要素に関する校正作業者が認識できない誤差があるような場合であっても、実用上問題となるような誤差が出ないように、形状測定装置100を校正することができる。
In addition, by performing such calibration, the calibration operator may think that each element of the
以上、本実施形態に係る形状測定装置100の校正方法では、測定対象物1の表面形状を高精度に測定するために必要となる多数のパラメータの校正を、現実の測定精度を損なわない範囲で、一定の手順に基づいて行うことができるので、測定対象物1の表面形状を高精度に測定することができる。
As described above, the method for calibrating the
<他の実施形態>
なお、図9におけるステップS101の照明装置校正ステップで照明装置10を校正する際に用いられる試験面560には、後述するように照明装置10から照射された光(線状光15)が当たることになるが、光が当たる面が略平面であり、光が照射されている位置が特定できるのであれば、試験面560で光が当たる面以外の面の形状は特に限定されるものではない。試験面560の素材としては、比較的光の拡散性が小さいものを用いた方が、試験面560上の光のなす外縁形状が特定し易いため好ましい。照明装置10を校正するにあたっては、照明装置10を形状測定装置100から取り外して行ってもよく、照明装置10を形状測定装置100の所定の位置に取り付けた状態のまま行ってもよい。
<Other embodiments>
Note that the light (linear light 15) irradiated from the
また、上述した実施形態においては、ずれ量として、変位ずれyaと傾きずれθとの両方をずれ量として算出した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、変位ずれya又は傾きずれθのいずれか一方のみをずれ量として算出するようにしてもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, a case has been described in which both the displacement deviation y a and the tilt deviation θ are calculated as the deviation amount, but the present invention is not limited to this . Only one of the deviations θ may be calculated as the deviation amount.
また、上述した実施形態においては、試験面の面内方向における照明装置の設計上の照射開始位置と、照明装置の現実の照射開始位置との差でなる変位ずれとして、例えば、試験面560の面内方向において、試験面560の法線方向(第1方向)と直交する高さ方向(第2方向)での変位ずれyaを算出する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、試験面560の面内方向において、試験面560の法線方向と直交する幅方向等、種々の第2方向での変位ずれを算出するようにしてもよい。
In the above-described embodiment, for example, the displacement of the
また、上述した実施形態においては、照明装置の設計上の光軸に沿った方向と直交する面内方向での、照明装置の設計上の光軸と、照明装置の実際の光軸とのずれ量に基づいて、照明装置の現実の光軸を校正する照明装置校正ステップとして、照明装置510から試験面560までの距離を試験面560の法線方向に沿って変えながら、照明装置510から照射された光によって距離ごとに試験面560の面内方向(照明装置510の設計上の光軸に沿った方向と直交する面内方向)に現れる光像の位置を測定して設計上の光軸に対するずれ量を算出し、当該ずれ量に基づいて実際の光軸を校正する照明装置校正ステップを適用したが、本発明はこれに限らない。例えば、試験面560を用いずに測定対象物1との距離を変えるように照明装置10を移動し、照明装置10の設計上の光軸に沿った方向と直交する面内方向において測定対象物1に投影された光像の位置を測定して実際の光軸を校正する等、その他種々の校正方法を適用してもよい。
In addition, in the above-described embodiment, the deviation between the designed optical axis of the lighting device and the actual optical axis of the lighting device in the in-plane direction orthogonal to the direction along the designed optical axis of the lighting device. As a lighting device calibration step of calibrating the actual optical axis of the lighting device based on the amount of light emitted from the
なお、上述した実施形態において、撮像画像には、ディスプレイなどの表示部に表示される具体的な画像としての形態だけでなく、表示部に画像として生成される前のデータも当然に含まれるものである。 Note that in the embodiments described above, the captured image naturally includes not only the form of a specific image displayed on a display unit such as a display, but also data before being generated as an image on the display unit. It is.
図13に、本実施形態において、照明装置510から試験面560までの距離diを試験面560の法線方向(第1方向)に沿って変えてゆき、距離ごとに試験面560上の光像の第2方向の位置yiを調べて、当該光像の位置yiの変化を記録したグラフを示す。
FIG. 13 shows that in this embodiment, the distance d i from the
図13の横軸は、照明装置510から試験面560までの第1方向(例えば水平方向)の距離diであり、縦軸は試験面560上の光像の第2方向の位置yiである。
The horizontal axis in FIG. 13 is the distance d i in the first direction (for example, horizontal direction) from the
図13に示すように、距離diを10パターン変化させて(iを10通り用いて)、距離diごとに試験面560上での光像の位置を測定し、10点のプロットを得た。
As shown in FIG. 13, the distance d i is changed in 10 patterns (i is used in 10 ways), the position of the optical image on the
取得した10点のデータを用いて、最小二乗法により直線近似した近似曲線を、図13中に黒の破線で示している。 An approximated curve obtained by linear approximation using the least squares method using the acquired data at 10 points is shown by a black dashed line in FIG.
上記の式(2)から傾きずれθ、上記の式(3)から変位ずれyaを算出したところ、傾きずれθ=2.2°、変位ずれya=12.3mmとなった。 When the inclination deviation θ was calculated from the above equation (2) and the displacement deviation ya was calculated from the above equation (3), the inclination deviation θ=2.2° and the displacement deviation y a =12.3 mm.
最小二乗法を用いて直線近似を実施する場合には、一般に、下記の式(4)で示される決定係数R2を用いて最小二乗法による近似が妥当か評価することができることが知られている。この決定係数R2が1に近い値であれば、距離diと、位置yiとは強い線形関係があり、最小二乗法による直線近似が妥当であると判断することができる。
そのため、測定で得られた傾きずれθと変位ずれyaに基づいて、決定係数R2を算出したところ、R2=0.996となり、R2が1.0の値に非常に近い値となることが分かった。 Therefore, when the coefficient of determination R 2 was calculated based on the tilt deviation θ and the displacement deviation y a obtained through measurement, R 2 =0.996, which indicates that R 2 is a value very close to the value of 1.0. I found out that it will happen.
そのため、本実施形態で導出される傾きずれθと変位ずれyaに基づいてなされた最小二乗法による直線近似は、妥当なものであり、傾きずれθ=2.2°、変位ずれya=12.3mmは、照明装置510の校正に用いることができる妥当な値であるということが分かる。
Therefore, the linear approximation by the least squares method based on the inclination deviation θ and the displacement deviation y a derived in this embodiment is appropriate, and the inclination deviation θ = 2.2° and the displacement deviation y a = It can be seen that 12.3 mm is a reasonable value that can be used to calibrate the
1 測定対象物
10、510 照明装置
15 線状光
20 スクリーン
30、520 撮像装置
40、530 演算処理装置
50 校正板
560 試験面
100 形状測定装置
1
Claims (5)
前記検査位置に向けて、前記搬送方向と直交した幅方向に延在する線状光を照射する照明装置と、
前記測定対象物の表面で反射した前記線状光の反射光像が投影されるスクリーンと、
前記反射光像が投影された前記スクリーンを撮像し、撮像画像を生成する撮像装置と、
前記撮像画像に基づいて、前記測定対象物の表面形状を測定する演算処理装置と、
を有する形状測定装置を用い、
前記照明装置の位置と、前記線状光の延在方向から見た前記測定対象物の表面へ前記線状光が照射される角度とを、前記反射光像が前記スクリーンに投影される幾何学的配置に調整する入射側仮調整ステップと、
表面に直線状のマーカを有する校正板を、前記マーカが前記検査位置と合うように配置する校正板配置ステップと、
前記照明装置から前記校正板に前記線状光を照射する照明ステップと、
前記測定対象物の法線方向から見た、前記搬送方向に対する前記照明装置の角度を、前記線状光と前記マーカとに基づいて調整する、角度調整ステップと、
前記測定対象物の法線方向から見た、前記照明装置の前記搬送方向の位置を、前記線状光と前記マーカとに基づいて調整する、位置調整ステップと、
前記校正板を前記検査位置から取り外す、校正板排除ステップと、
を有する、形状測定装置の校正方法。 A method for calibrating a shape measuring device that measures the surface shape of a measurement target being transported in a transport direction at an inspection position extending in a width direction perpendicular to the transport direction, the method comprising:
an illumination device that irradiates linear light extending in a width direction perpendicular to the conveyance direction toward the inspection position;
a screen on which a reflected light image of the linear light reflected on the surface of the measurement object is projected;
an imaging device that captures an image of the screen on which the reflected light image is projected and generates a captured image;
an arithmetic processing device that measures the surface shape of the object to be measured based on the captured image;
Using a shape measuring device with
The position of the illumination device and the angle at which the linear light is irradiated onto the surface of the measurement object viewed from the extending direction of the linear light are determined by the geometry at which the reflected light image is projected onto the screen. an entrance side provisional adjustment step for adjusting to the desired arrangement;
a calibration plate arranging step of arranging a calibration plate having a linear marker on its surface so that the marker matches the inspection position;
an illumination step of irradiating the linear light from the illumination device to the calibration plate;
An angle adjustment step of adjusting the angle of the illumination device with respect to the conveyance direction as seen from the normal direction of the measurement target based on the linear light and the marker;
a position adjustment step of adjusting the position of the illumination device in the transport direction as viewed from the normal direction of the measurement target based on the linear light and the marker;
a calibration plate removal step of removing the calibration plate from the inspection position;
A method for calibrating a shape measuring device.
前記照明装置の設計上の光軸に沿った方向と直交する面内方向での、前記照明装置の設計上の光軸と、前記照明装置の実際の光軸とのずれ量に基づいて、前記照明装置の現実の光軸を校正する照明装置校正ステップを備える、請求項1に記載の形状測定装置の校正方法。 Before the input side temporary adjustment step,
Based on the amount of deviation between the designed optical axis of the lighting device and the actual optical axis of the lighting device in an in-plane direction perpendicular to the direction along the designed optical axis of the lighting device, The method for calibrating a shape measuring device according to claim 1, comprising a lighting device calibration step of calibrating an actual optical axis of the lighting device.
前記照明装置の設計上の光軸と試験面の法線方向とが同じ方向となるように、前記試験面と前記照明装置とを対向させて配置する配置ステップと、
前記照明装置から前記試験面までの距離を前記試験面の法線方向に沿って変えながら、前記照明装置から照射された光によって前記試験面に現れる光像を測定する光像測定ステップと、
前記照明装置から前記試験面までの距離と、前記試験面に現れる光像の位置とに基づいて、前記照明装置の設計上の光軸に対する前記光像のずれ量を算出するずれ量算出ステップと、
前記ずれ量算出ステップで算出したずれ量に基づいて、前記照明装置の現実の光軸を校正する校正ステップと、
を有する、請求項2に記載の形状測定装置の校正方法。 The lighting device calibration step includes:
arranging the test surface and the illumination device so as to face each other so that the designed optical axis of the illumination device and the normal direction of the test surface are in the same direction;
a light image measuring step of measuring a light image appearing on the test surface by the light irradiated from the illumination device while changing the distance from the illumination device to the test surface along the normal direction of the test surface;
a shift amount calculating step of calculating a shift amount of the light image with respect to a designed optical axis of the lighting device based on a distance from the lighting device to the test surface and a position of the light image appearing on the test surface; ,
a calibration step of calibrating the actual optical axis of the lighting device based on the amount of deviation calculated in the amount of deviation calculation step;
The method for calibrating a shape measuring device according to claim 2, comprising:
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