JP4133657B2

JP4133657B2 - 精密計測用ｘ線透視装置

Info

Publication number: JP4133657B2
Application number: JP2003270746A
Authority: JP
Inventors: 雅行光原
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP2005024506A

Description

本発明は、工業計測や、物品内部の欠陥の検査並びに内部構造の調査などの非破壊検査等に用いられるＸ線透視装置に関し、特に、透視像から精密な寸法計測が可能な精密計測用Ｘ線透視装置に関する。

Ｘ線透視装置においては、一般に、Ｘ線管球とＸ線検出器の間に３次元方向に移動可能な試料テーブルを配置し、その試料テーブル上に透視対象物を載せた状態でＸ線を照射することにより、透視対象物を透過したＸ線をＸ線検出器で検出して、そのＸ線検出器の出力を用いて透視対象物のＸ線透視像を表示器の画面上に表示する。

この種の透視装置においては、通常、Ｘ線管球の焦点とＸ線検出器（受像面）とのなす距離と、Ｘ線管球の焦点と透視対象物とのなす距離によって幾何学的な透視倍率、換言すればＸ線検出器の受像面上への透視対象物の結像倍率が定まる。表示器の画面上に表示されたＸ線透視像の大きさと、透視対象物の実物の大きさとの比である透視拡大率（撮像倍率）は、上記した結像倍率に、Ｘ線検出器の画素と表示器の画素との関係、更にはＸ線検出器にレンズ等の光学系が組み込まれている場合にはその光学系による像の拡大率などを考慮して決定されなければならない。

そこで、従来、これらの全ての要素を含んだ透視拡大率を求めるために、試料テーブル上に、例えばミクロチャート等と称される寸法既知の参照試料を配置し、その参照試料のＸ線透視像を表示器に表示することにより、表示器の１画素当たりの実寸法、つまり空間校正値を求めることが行われる。この空間校正値を求めておけば、マウス等の操作によって移動並びに伸縮自在の測定バーツール等と称されるバーを表示器の画面上に表示して、画面上の任意の２点間にそのバーを指し渡すように移動・伸縮させることにより、その２点間の実寸法を自動的に算出して数値で表示できるようなソフトが多用されている。

以上のような空間校正値を用いてＸ線透視像上の任意の２点間の実寸法を正確に表示するためには、当然のことながら、空間校正値を求めたときと同じ透視拡大率のもとにＸ線透視像を表示している必要がある。そのため、ある拡大率のもとに空間校正を行った後、観察したい場所に視野を移動させて任意の部位の寸法を知ろうとするとき、拡大率を変更すると、先の校正により求めた空間校正値を用いた寸法計測は不可能となるため、再度その拡大率で空間校正を行わなければならない。また、再度空間校正を行うに際しても、校正基準に決めていた参照試料の寸法がその拡大率では小さすぎたり、あるいは大きすぎたりするなどで不適当である場合もある。

更に、従来のこの種の透視装置においては、透視対象物の内部の注目部位と試料テーブル表面とのＸ線光軸方向への寸法が不明であるため、試料テーブルやＸ線検出器あるいはＸ線管球をＸ線光軸方向に全く移動させずに、従って見かけ上の透視拡大率を空間校正時から変化させなくとも、厳密には、注目部位の実寸法を高精度に計測することはできない。

すなわち、空間校正値は、Ｘ線管球の焦点位置とＸ線検出器の受像面との距離と、Ｘ線管球の焦点位置と参照試料とのなす距離によって定まる、前記した幾何学的倍率である結像倍率が一定である場合に有効に機能するものであって、この結像倍率が相違すると正確な実寸法を求めることができない。透視対象物の内部の注目部位は、透視対象物を試料テーブル上に載せたとき、通常、試料テーブルの表面からＸ線光軸方向への距離が不明であるが故に、Ｘ線管球の焦点位置からの距離が不明であり、従って、見かけ上の透視拡大率を変化させなくとも、結像倍率が参照試料を用いた空間校正時とは相違する。

透視対象物内部の注目部位の正確な透視拡大率を求める方法として、従来、試料テーブル上に透視対象物を載せてＸ線透視像を表示している状態で注目部位を指定した後、試料テーブルをＸ線光軸に直交する方向に所定量δだけ移動させ、その移動により表示器の画面上で注目部位の像が移動した量Δを画像処理によって求め、その画面上での注目部位の移動量Δと、試料テーブルの移動量δとから、透視拡大率をΔ／δによって算出するＸ線透視装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２４３６６３号公報

しかしながら、以上の提案技術を採用して、注目部位の透視拡大率を正確に知ることができても、この技術と、前記した参照試料の撮像による空間校正値並びに測定バーツールを用いて、画面上で指定した任意の２点間の実寸法を自動的に算出して表示するソフトとは無関係に機能するため、そのソフトを用いて透視像上の任意の２点間の実寸法を簡単かつ高精度に計測することはできない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、参照試料を用いて空間校正をした後、透視拡大率を変更しても、あるいは透視対象物内部の試料テーブル表面からの距離が不明な注目部位についても、画面上から空間校正値を用いて簡単かつ高精度に実寸法を自動的に計算して表示することのできる精密計測用Ｘ線透視装置の提供を目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の精密計測用Ｘ線透視装置は、Ｘ線管球と、３次元方向への移動機能を備えた試料テーブルと、その試料テーブルを挟んでＸ線管球に対向配置されたＸ線検出器と、そのＸ線検出器を上記Ｘ線管球の焦点を中心として傾動させる傾動機構と、上記Ｘ線検出器からの画素情報に基づくＸ線透視像を表示器に表示する画像形成手段と、上記試料テーブルの表面に対するＸ線光軸方向への距離が既知の位置に置かれた既知寸法の参照試料のＸ線透視像から空間校正値を算出する空間校正値算出手段を備えた精密計測用Ｘ線透視装置において、上記空間校正値を、当該空間校正値の算出に用いた参照試料のＸ線透視像の透視拡大率と併せて記憶する記憶手段と、上記試料テーブルの表面からの距離が道の位置に存在する透視対象物の注目部位の透視拡大率を算出する注目部位透視拡大率算出手段を備え、その注目部位透視拡大率算出手段により注目部位の透視拡大率を算出したとき、その算出値と上記記憶手段に記憶されている透視拡大率との比に基づいて上記空間校正値を自動的に変更し、その変更後の空間校正値と、算出された注目部位の透視拡大率によって、上記記憶手段の内容を更新する空間校正値・透視拡大率更新手段を備えているとともに、上記注目部位透視拡大率算出手段は、上記傾動機構によりＸ線検出器を所定角度だけ傾動させたとき、その傾動前後においてＸ線検出器の視野中での注目部位の位置を変化させないために必要な試料テーブルの移動量ｘと、上記傾動機構による傾動角度θから、Ｘ線管球の焦点に対する注目部位の距離を算出する工程を含むことによって特徴づけられる。

本発明によれば、参照試料を用いて任意の透視拡大率のもとに空間校正値を求めたとき、その空間校正値が透視拡大率と併せて記憶されるとともに、透視対象物内部の試料テーブル表面からの距離が不明な注目部位の透視拡大率を、傾動機構によりＸ線検出器を傾動させ、その傾動前後においてＸ線検出器の視野中で注目部位の位置を変化させないために必要な試料テーブルの移動量と傾動角度とから正確に求める手段を備えているので、任意の透視拡大率のもとに一旦空間校正を行っておけば、透視対象物内の任意の高さに存在する注目部位の透視拡大率を正確に求めることにより、その透視拡大率に併せて空間校正値が自動的に更新されて、測定バーツール等を用いて画面上からその注目部位の実寸法を簡単かつ正確に計測することが可能となる。

Ｘ線検出器の傾動機構を備えたＸ線透視装置に本発明を適用し、傾動機構によるＸ線検出器を傾動させるとともに、その傾動により画面上で注目部位の移動を相殺するように試料テーブルを移動させ、Ｘ線検出器の傾動角度と試料テーブルの移動量とから、透視対象物内部の注目部位のＸ線管球の焦点からの距離を算出する装置を実現した。

図１は本発明の実施例の要部構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。

Ｘ線管球１は、Ｘ線の光軸Ｌが鉛直方向上方に向かうように配置され、その上方に水平面に沿った試料テーブル２が設けられている。試料テーブル２の上方には、空隙を開けてＸ線カメラ３が配置されており、透視対象物Ｗ（以下、試料Ｗと称する）は試料テーブル２の上に載せられた状態でその下方からＸ線が照射され、試料Ｗを透過したＸ線がＸ線カメラ３に入射する。Ｘ線カメラ３は例えばイメージインテンシファイアとＣＣＤとを組み合わせた公知のものであり、その刻々の出力は、キャプチャーボードがインストールされたコンピュータ４に取り込まれ、表示器５に試料ＷのＸ線透視像が表示されるようになっている。

Ｘ線カメラ３は、傾動機構６によってＸ線光軸Ｌに対して任意の角度θで傾動させることができるようになっている。この傾動は、図示のように鉛直方向にｚ軸を、水平面上で互いに直交する方向にｘ，ｙ軸を取ったとき、ｘ−ｚ平面上において、Ｘ線カメラ３がＸ線管球１の焦点１ａを中心とした円弧状の動作によって行われる。

試料テーブル２は、ｘ軸駆動機構２ａ，ｙ軸駆動機構２ｂおよびｚ軸駆動機構２ｃにより、ｘ，ｙ，ｚ軸方向に移動させることができる。これらのｘ軸駆動機構２ａ，ｙ軸駆動機構２ｂ、ｚ軸駆動機構２ｃ、および傾動機構６は、それぞれに対応するモータを駆動源とし、これらのモータはそれぞれのドライバを含む軸制御装置７から供給される駆動信号によって駆動制御される。この軸制御装置７は前記したコンピュータ４に接続されており、コンピュータ４のキーボード４ａやジョイスティック（図示せず）などを操作することによって、試料テーブル２を任意の３次元方向に移動させることができる。また、試料テーブル２のｘ，ｙおよびｚ軸方向への刻々の座標は、例えば各軸ごとに設けられているエンコーダ等の出力によってコンピュータ４が認識できるようになっている。

コンピュータ４には、空間校正のための校正プログラムと、表示器５に表示された試料ＷのＸ線透視像上で任意の注目部位Ｖを指定することによって、注目部位Ｖの試料テーブル２の表面からの距離を自動的に算出してその正確な透視拡大率を算出し、その算出時に自動的に空間校正値を更新して、更新後の空間校正値を用いて透視画像上の任意の２点間の距離を求める計測プログラムが書き込まれている。

校正プログラムにおいては、図２にその手順を表すフローチャートを示すように、ミクロチャート等の所要の参照試料を試料テーブル２上の定められた位置にセットし、試料テーブル２を移動させてその参照試料をＸ線カメラ３の視野内に入れ、表示器５の画面上にその透視像を表示させ、空間校正を行う旨の指令をキーボード４ａ等から入力する。これにより、測定バーツールが画面上に表示される。オペレータがマウス４ｂを操作して、その測定バーツールを参照試料の実寸法既知の２点間に指し渡すように移動並びに伸縮させた後、その実寸法をキーボード４ｂから入力することにより、画面上の測定バーツールの長さと実寸法とから、画面の１画素当たりの実寸法を空間校正値Ｃとして算出し、コンピュータ４のメモリに記憶する。

また、このとき、参照試料は、試料テーブルの定められた位置にセットすることによって、試料テーブル２の表面からの距離が一定となるようになっており、また、Ｘ線カメラ３の受像面とＸ線管球１の焦点１ａとの距離が既知となっているため、空間校正時における試料テーブル２のｚ方向位置、並びに装置定数であるＸ線カメラ３の受像面への結像倍率と表示器５の画面上に表示される透視像の大きさとの関係とを併せて、正確な透視拡大率（総合倍率）Ｍを算出することができ、その透視拡大率Ｍを上記した空間校正値Ｃとともにコンピュータ４のメモリに記憶する。

一方、計測プログラムにおいては、図３にその手順を表すフローチャートを示すように、Ｘ線カメラ３を傾動させずに（傾動角度θ＝０）透視対象物Ｗをその視野内に入れて、透視対象物Ｗの透視像を表示器５に表示させている状態で、その画面上で任意の注目部位Ｖを指定する。この状態におけるＸ線管球１と試料テーブル２およびＸ線カメラ３の相互の関係は図４（Ａ）に示す通りである。

以上の指定を行うことにより、傾動機構６があらかじめ設定された角速度であらかじめ設定された角度だけ傾動する。この傾動により、Ｘ線カメラ３の視野が移動し、注目部位Ｖの画面上での位置が変化していくことになるが、このプログラムにおいては、その注目部位Ｖが画面上の当初位置に位置するように試料テーブル２を自動的にｘ軸方向に移動させて追尾する。図４（Ｂ）に示すように、傾動角度θがあらかじめ設定されたθ_cに達した時点で、試料テーブル２がｘ_cだけ移動していたとすると、そのθ_cとｘ_cを用いて、注目部位Ｖの試料テーブル２の表面からの距離ｈを以下の式に基づいて算出する。
ｈ＝ｘ_c／ｔａｎθ_c ・・・・（１）

前記したように、Ｘ線カメラ３の受像面とＸ線管球１の焦点１ａとの距離が既知であり、また、試料テーブル２の表面とＸ線管球１の焦点１ａとの距離もエンコーダ等の出力から知ることができるため、ｈが判明することによって、参照試料を用いた空間校正時と同様に、その注目部位Ｖの正確な透視拡大率（総合倍率）ｍを算出することができる。

そして、このように注目部位Ｖの透視拡大率ｍを算出した時点で、空間校正時に記憶している透視拡大率Ｍをｍに更新すると同時に、空間校正時に求めた透視拡大率Ｍと注目部位Ｖの透視拡大率ｍとを比較し、両者の比ｍ／Ｍを用いて、その時点で記憶している空間校正値Ｃを、以下の式によって新たな空間校正値Ｃｒに更新する。
Ｃｒ＝Ｃ・ｍ／Ｍ・・・・（２）

以上の更新動作を完了した後、測定バーツールを表示し、従来と同等の手順により注目部位Ｖの任意の２点間に測定バーツールを移動・伸縮させることによって、その２点間の実寸法が更新後の空間校正値Ｃｒを用いて計測され、その計測結果が表示器５に表示される。

以上の動作により、試料テーブル２の表面からのｚ方向への距離が不明な注目部位Ｖ中の任意の２点間の距離を、簡単かつ高精度に求めることができる。

本発明の実施例の要部構成図であり、機械的構成を表す模式図と電気的構成を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施例における校正プログラムの内容を示すフローチャートである。本発明の実施例における計測プログラムの内容を示すフローチャートである。本発明の実施例における計測プログラムで注目部位Ｖの透視拡大率を算出する際の説明図である。

符号の説明

１Ｘ線管球
２試料テーブル
３Ｘ線カメラ
４コンピュータ
５表示器
６傾動機構
７軸制御装置
Ｗ試料
Ｖ注目部位

Claims

Ｘ線管球と、３次元方向への移動機能を備えた試料テーブルと、その試料テーブルを挟んでＸ線管球に対向配置されたＸ線検出器と、そのＸ線検出器を上記Ｘ線管球の焦点を中心として傾動させる傾動機構と、上記Ｘ線検出器からの画素情報に基づくＸ線透視像を表示器に表示する画像形成手段と、上記試料テーブルの表面に対するＸ線光軸方向への距離が既知の位置に置かれた既知寸法の参照試料のＸ線透視像から空間校正値を算出する空間校正値算出手段を備えた精密計測用Ｘ線透視装置において、
上記空間校正値を、当該空間校正値の算出に用いた参照試料のＸ線透視像の透視拡大率と併せて記憶する記憶手段と、上記試料テーブルの表面からの距離が未知の位置に存在する透視対象物の注目部位の透視拡大率を算出する注目部位透視拡大率算出手段を備え、その注目部位透視拡大率算出手段により注目部位の透視拡大率を算出したとき、その算出値と上記記憶手段に記憶されている透視拡大率との比に基づいて上記空間校正値を自動的に変更し、その変更後の空間校正値と、算出された注目部位の透視拡大率によって、上記記憶手段の内容を更新する空間校正値・透視拡大率更新手段を備えているとともに、上記注目部位透視拡大率算出手段は、上記傾動機構によりＸ線検出器を所定角度だけ傾動させたとき、その傾動前後においてＸ線検出器の視野中での注目部位の位置を変化させないために必要な試料テーブルの移動量ｘと、上記傾動機構による傾動角度θから、Ｘ線管球の焦点に対する注目部位の距離を算出する工程を含むことを特徴とする精密計測用Ｘ線透視装置。