JP5515039B2 - 画像測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象に光を照射し、測定対象を撮像する事によって測定対象の形状を測定する画像測定装置に関する。

従来、プローブによってワークの表面を走査し、ワークの各部の位置座標等を取り込むことによってワークの表面形状を測定する形状測定装置が知られている。この様な形状測定装置として、特許文献１の様に光学系の手段によってワークの表面にプローブを接触させずに測定を行う非接触型のものが知られている。

特許文献１記載の非接触型表面形状測定装置においては、走査プローブでワーク表面に直線状のレーザを照射し、これをレーザの照射方向に対して所定の角度から撮像する事によってワークの表面形状を測定している。この様な非接触型の表面形状測定装置によれば、ワークの表面を傷つける恐れが無く、また、プローブの摩耗による測定精度への影響を考慮する必要が無い。

特表２００９−５３４９６９号公報

この様な非接触型表面形状測定装置において、ワーク表面の反射率や光学プローブとワーク表面との相対角度等が細かく変化するような場合に、ワーク表面を撮像すると光量不足や光量過多を生じてしまうという問題があった。即ち、反射率の低い部分では照射されたレーザ光がほとんど反射されず、受光素子による観察が困難となり、反射率の高い部分ではサチレーション（光量過多）を生じてしまっていた。

かかる課題を解決すべく、特許文献１記載の発明においては次のような措置を講じている。即ち、ワーク表面を撮像する際、直線状のレーザ光に対して直角な方向の一次元画像を、レーザ光に沿って順次撮像し、同時に一次元画像中の最大輝度に応じてレーザ装置の出力を調整する様にした。この様な方法によれば、レーザの照射されたワーク表面を適切な光量で撮像する事が可能となる。

しかしながら上記の様な方法では、レーザ光が反射されない部分（例えば測定範囲にワークの存在しない部分や、凹凸によって隠れている部分等）を撮像した際に反射光が検出されないことから、レーザ装置が常に最大出力で稼働する事となる。この様な場合、レーザの発熱によって熱ドリフトや誤作動を引き起こす恐れがあり、もし冷却ファンを取り付けたとしても冷却ファンによる振動がプローブに伝わってしまうので、測定精度が低下してしまう恐れがある。また、この様な場合には測定用プローブに冷却のための空気穴を設ける必要があり、耐環境性の低下にもつながる。更に、レーザ光源の劣化が早まり、かつ消費電力が高くなると言う問題もある。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、発熱の抑制、低消費電力化、及び光源の長寿命化を目的としている。

本発明に係る画像測定装置は、ワークに直線状の光を照射する光源と、ワークを撮像する撮像装置と、撮像装置の受光量によって光源の発光量を調整する制御部とを有し、撮像装置は、受光素子が配列形成されてワークの画像を行方向または列方向に逐次的に受光し、制御部は、各受光素子の受光時に、受光量が最大値を超えた受光素子が存在する場合には次の受光時における光源の光量を低下させ、受光量が最大値を超えた受光素子が存在しない場合には次の受光時における光源の光量を増加させ、更に、受光素子の受光時に、光源の光量が最大光量に達し、且つ受光量が最小値を下回っている場合には、次の受光時における光源の光量を最小光量にすることを特徴としている。

この様な構成によれば、測定領域内の受光量の低い部分を測定する際に光源の光量を抑えることが可能となり、発熱の抑制、低消費電力化、及び光源の長寿命化が達成される。

本発明の一実施形態に係る画像測定装置において、制御部は、光源の光量を最小光量にした場合、次回またはｎ回後（ｎは２以上の整数）受光時に光源の光量を最大光量または最大光量と最小光量の間の光量にする様にしても良い。これにより、一定間隔でワークの存在を確認し、ワークが検出された際には再び通常通りの測定を行うことが可能となる。

また、本発明の他の実施形態に係る画像測定装置において、撮像装置は、光源からワークへの光の照射方向に対して所定の角度をなす方向でワークからの反射光を受光する様に構成することが出来る。

また、本発明の更に他の実施形態に係る形状測定装置において、撮像装置は、光源からの直線上の光に対してほぼ直交する方向に配列された受光素子列を、当該受光素子列と直交する方向に順次受光走査させるローリングシャッター機能を有するＣＭＯＳ素子を有するものとすることが出来る。

本発明に係る画像測定装置は、ワークに直線状の光を照射する光源と、ワークを撮像する撮像装置と、撮像装置の受光量によって光源の発光量を調整する制御部とを有し、撮像装置は、受光素子が配列形成されてワークの画像を行方向または列方向に逐次的に受光し、制御部は、各受光素子の受光時に、受光量が最大値を超えた受光素子が存在する場合には次の受光時における光源の光量を低下させ、受光量が最大値を超えた受光素子が存在しない場合には次の受光時における光源の光量を増加させ、更に、受光素子の受光時に、光源の光量が最大光量に達し、且つ受光量が最小値を下回っている場合には、次の受光時以降は受光時毎に光源の光量を最小光量とこれよりも大きい光量とに交互に設定する様にしても良い。

本発明によれば、発熱の抑制、低消費電力化、及び光源の長寿命化が達成される。

本発明の第１実施形態に係る画像測定装置を構成するシステムの全体図である。 同装置における光学式プローブの構成を示す図である。 同装置におけるＣＭＯＳイメージセンサを示す模式図である。 同装置の制御系統を示すブロック図である。 同装置における画像測定装置の動作を説明するための模式図である。 第１の比較例における画像測定装置の動作を説明するための図である。 第２の比較例における画像測定装置の動作を説明するための図である。 第２の比較例におけるレーザ装置の制御方法を示すフローチャートである。 第２の比較例における画像測定装置の動作を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る画像測定装置の動作を説明するための図である。 同装置の動作を示すフローチャートである。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る画像測定装置について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本施形態に係る画像測定装置を構成するシステムの全体図である。

この画像測定装置は、三次元測定装置１の測定プローブとして本実施形態に係る光学式プローブ１７を装着する事により構成されている。この画像測定装置には、三次元測定装置１を駆動制御すると共にこの三次元測定装置１から必要な測定座標値を取り込むための駆動制御装置２と、この駆動制御装置２を介してこの三次元測定装置１を手動操作するための操作盤３と、駆動制御装置２での測定手順を指示するパートプログラムを編集・実行すると共に、駆動制御装置２を介して取り込まれた測定座標値に幾何形状を当てはめるための計算を行ったり、パートプログラムを記録、送信したりする機能を備えたホストシステム４とから構成されている。

三次元測定装置１は、次のように構成されている。即ち、除振台１０の上には、定盤１１がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、この定盤１１の両側端から立設されたアーム支持体１２ａ，１２ｂの上端でＸ軸ガイド１３を支持している。アーム支持体１２ａは、その下端がＹ軸駆動機構１４によってＹ軸方向に駆動され、アーム支持体１２ｂは、その下端がエアーベアリングによって定盤１１上にＹ軸方向に移動可能に支持されている。Ｘ軸ガイド１３は、垂直方向に延びるＺ軸ガイド１５をＸ軸方向に駆動する。Ｚ軸ガイド１５には、Ｚ軸アーム１６がＺ軸ガイド１５に沿って駆動されるように設けられ、Ｚ軸アーム１６の下端に非接触式の光学プローブ１７が装着されている。尚、光学プローブ１７は、水平面内に回転可能であっても良いし、垂直面内に回転可能であっても良い。

図２は、本施形態に係る画像測定装置の光学式プローブ１７の構成を示している。光学式部プローブ１７は、筐体１７１と、筐体１７１内に配置されたレーザ光源１７２と、ワークを撮像する撮像装置１７３と、撮像装置１７３の受光量によって光源の発光量を調整する制御回路１７４とを備えて構成されている。

レーザ光源１７２は、後述するレーザ光源１７２の光軸（走査方向中央部における光軸）と撮像装置１７３の光軸とでなす平面に対して直行する方向に広がる直線状のレーザ光（レーザシート）をワーク５に向けて照射し、ワーク５の表面を直線状に照らす。この様なレーザシートとしては、レーザ光源１７２にシリンドリカルレンズ等を組合せて発生させるものが望ましいが、ＬＥＤを直線状に並べ、フロスト等の光学系と組み合わせることによって直線状の光を作り出したもの等、他の方法を用いても良い。

撮像装置１７３は、光学系１７３１及びこの光学系１７３１を介してワーク５の画像を撮像するＣＭＯＳイメージセンサ１７３２を備え、光源からワーク５への光の照射方向に対して所定の角度をなす方向から受光する様な向きに配置されている。即ち、ワーク５表面に照射され、ワーク５表面の形状に沿って反射されたレーザ光を、撮像装置１７３によって所定の角度から受光する。これにより、図５に示すように、ワーク５表面の凹凸形状に沿ってレーザ光が変形し、ワーク５の表面形状を撮像する事が可能となる。

図３は、本実施形態に係るＣＭＯＳイメージセンサ１７３２を示す模式図である。ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２は行列状に配置された複数の撮像素子を備えており、本実施形態においては直線状のレーザ光の伸びる方向に１０２４個、これと直交する方向に１２８０個の受光素子（ＣＭＯＳセル）を有している。また、ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２は、ローリングシャッター機能を有している。ローリングシャッター機能とは、１つないし複数の行（または列）に配置されている受光素子のみを同時に受光させ、この行単位（または列単位）の受光を列方向（または行方向）に順次行う方法である。例えば、図３においては、１列目に配置された受光素子（太枠で強調されている受光素子）の受光は、同時に行われる。この受光動作が終了すると、２列目、３列目と順次受光が行われる。

図４は、本実施形態に係る光学式プローブ１７の制御系統を表すブロック図である。制御回路１７４は、ＣＰＵ１７４１と、ＣＰＵ１７４１に接続されたプログラム記憶部１７４２、ワークメモリ１７４３、及び多値画像メモリ１７４４とを備えて構成されている。ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２で取得された画像情報は、多値画像メモリ１７４４を介してＣＰＵ１７４１に入力される。ＣＰＵ１７４１は、入力された画像情報に応じ、光量制御部１７２１を介してレーザ光源１７２の光量を調整する。

次に、この様に構成された画像測定装置の動作について説明する。

図５は、本実施形態に係る画像測定装置の動作を説明するための模式図である。レーザ光源１７２によってワーク５に直線状のレーザ光を照射すると、ワーク５の表面に沿ってレーザ光の反射光Ｌが変形し、ワーク５をある平面で切断した時の輪郭が照らし出される。撮像装置１７３はレーザ光源１７２のレーザ光照射方向から所定の角度でワーク５を撮像するので、図５（ｂ）に示すように、ワーク５の表面形状に沿ったレーザ光の反射光Ｌの画像を撮像する事が可能である。

この様な構成の画像測定装置において、表面の反射率が場所によって異なる様なワークを撮像する事を考える。図６の上図はこの様なワーク５を測定した時の画像の模式図を示している。また、図中の実線部分は受光した光の光量がＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の測定範囲内であることを示しており、図中の点線部分では受光した光量がＣＭＯＳイメージセンサ１７３２で受光可能である光量よりも多く、サチレーションを生じてしまっている部分を示している。この様なサチレーションを生じてしまった部分においては、測定対象の位置を正確に特定する事が困難となるため、測定精度が悪化してしまう。尚、図６の上図は図中の縦方向の一次元画像を横方向にスキャンして得られたものであるが、図６の下図には、この時のレーザ出力を縦軸に、スキャン開始からスキャン終了までの１フレーム分の時間を横軸に表したグラフを示している。

上記のサチレーションによる測定精度の悪化を解決するためには、ワーク５表面の反射率に応じてレーザ光源１７２の出力を調整する事が考えられる。この為の具体的な方法を図７及び図８を参照して説明する。図７は図６と同様に、上図にＣＭＯＳイメージセンサ１７３２によって撮像した画像を、下図にレーザ光源１７２の出力とスキャン開始からの時間の関係を示している。図７の下図からもわかるとおり、ワーク５表面の反射率の高い部分の一次元画像を撮像する時のみレーザ光源１７２の出力を低くしている。この様な方法によれば、上図に示す通りワーク５表面の画像を、サチレーションを起こす事無く撮像する事が可能となる。

図８には、上記の様にレーザ光源１７２の出力を調整する際のフローチャートを示している。この様な方法においては、まずＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の１列分（もしくは１行分）の受光を行い、一次元画像情報を取得し（Ｓ１）、サチレーションを生じた画素があるのかどうかを確認する（Ｓ２）。サチレーションを生じた画素がある場合にはレーザ光源１７２の出力を減少させ（Ｓ３）、なかった場合にはレーザ光源の出力を増加させる（Ｓ４）。以上の動作を、図３に示したＣＭＯＳイメージセンサ１７３２の各列に対して順次行う。

上記のような方法によってレーザ光源１７２の出力を調整した場合、ワーク５の表面の画像を、サチレーションを生じることなく最大光量で撮像する事が可能である。しかしながら、この様な方法においては、レーザ光が反射されない部分（例えば測定範囲にワークの存在しない部分や、凹凸によって隠れている部分等）を撮像した際に、レーザ光源１７２が常に最大出力で稼働する事となる。

この様子を、図９を参照して説明する。図９は、図６及び図７と同様に、上図にＣＭＯＳイメージセンサ１７３２によって撮像した画像を、下図にレーザ出力とスキャン開始からの時間の関係を示している。また、図９においては、表面の一部においてレーザ光が反射されない様なワークを観測しているものとする。前述したとおり、ワーク表面にレーザ光を照射してもＣＭＯＳイメージセンサ１７３２でサチレーションを生じた画素が検出できなかった場合、レーザ光源１７２の出力は増加する。従って、ワーク表面においてレーザ光が反射されない場合にはレーザ光源１７２の出力が増加し続ける事となり、レーザ光が反射されない部分を撮像した際に、レーザ光源１７２が常に最大出力で稼働する事となる。この様な場合、発熱によって熱ドリフトや誤作動を引き起こす恐れがあり、冷却ファンを取り付けた場合にはプローブに振動が伝わってしまい、測定精度が低下してしまう恐れがある。また、この様な場合には測定用プローブに冷却のための空気穴を設ける必要があり、耐環境性が低下してしまう。更に、レーザ光源の劣化が促進され、かつ消費電力が高くなる、と言う問題もある。

上記のような課題を解決する為、本実施形態においては、この様なワーク５の検出されない部分（以下、非検出部）ではレーザ光源１７２の出力を最小にしている。この為の具体的な方法を図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、基本的には図９と同じであるが、非検出部におけるレーザ光源の出力が最小値となっている。

図１１は、この光量制御動作のフローチャートを示している。図１１は、基本的には図８と同じであるが、以下の点で異なっている。まず、ステップＳ２においてサチレーションが検出されなかった場合にはレーザ光源１７２の出力を確認し（Ｓ５）、レーザ光源１７２の出力が最大だった場合には、更にＣＭＯＳイメージセンサ１７３２による受光量が閾値以下であるかどうかを確認する（Ｓ６）。ここで、閾値としては測定可能な最小受光量を設定しても良い。ＣＭＯＳイメージセンサ１７３２による受光量が閾値以下である場合は次回のスキャン時における該当位置でのレーザ光源１７２の出力を最小にし（Ｓ７）、閾値以下でなかった場合にはレーザ光源１７２の出力を最大のままにしておく。これによって、ワーク５の非検出部の測定を行った際のレーザ光源の出力最小値にすることが可能となり、発熱の抑制、低消費電力化、及び光源の長寿命化を図ることが可能である。

また、ステップＳ５においてレーザ光源１７２の出力が最小だった場合には、次回のスキャン時における該当位置でのレーザ光源１７２の出力を最大にする（Ｓ８）。

その理由は次の通りである。即ち、前述の通り、本実施形態に係る三次元測定装置１においては、ワーク５の非検出部を測定する際にレーザ光源１７２の出力を最小にしている。しかしながら、常にレーザ光源１７２の出力が最小である場合、ワークが検出される状態になってもＣＭＯＳイメージセンサ１７３２による受光が行われない恐れがある。そこで定期的にワーク表面の状態を確認する事によって、この様な問題を解決する事が可能である。

なお、非検出部におけるレーザ光源１７２の出力は、上記のようにスキャン毎に最大値と最小値を繰り返しても良いが、例えばレーザ光源１７２の出力が最小のままｎ回分のスキャンが行われたような場合（ｎは任意の整数）に最大値に切り替えても良い。また、レーザ出力最小値からの切り替えは、最大値とせずに最小値と最大値の間の中間値としても良い。

更に、ＣＡＤデータ等を予め入力しておき、これによって測定開始位置、測定終了位置を設定しておく様にしても良い。この場合、ＣＡＤデータを予めホストシステム４に入力しておき、駆動制御回路２を通じてプログラム記憶部１７４２等に記憶しても良いし、予めプログラム記憶部１７４２に記憶されている設定を呼び出しても良い。

１…三次元測定装置、２…駆動制御装置、３…操作盤、４…ホストシステム、１０…除振台、１１…定盤、１２…アーム支持体、１３…Ｘ軸ガイド、１４…Ｙ軸駆動機構、１５…Ｚ軸ガイド、１６…Ｚ軸アーム、１７…光学プローブ、１７１…筐体、１７２…レーザ光源、１７３…撮像装置、１７４…制御回路、１７３１…光学系、１７３２…ＣＭＯＳイメージセンサ

Claims (5)

1. ワークに直線状の光を照射する光源と、
   前記ワークを撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置の受光量によって前記光源の発光量を調整する制御部とを有し、
   前記撮像装置は、受光素子が配列形成されて前記ワークの画像を行方向または列方向に逐次的に受光し、
   前記制御部は、
   各受光素子の受光時に、受光量が最大値を超えた受光素子が存在する場合には次の受光時における前記光源の光量を低下させ、受光量が前記最大値を超えた受光素子が存在しない場合には次の受光時における前記光源の光量を増加させ、
   更に、前記受光素子の受光時に、前記光源の光量が最大光量に達し、且つ受光量が最小値を下回っている場合には、次の受光時における前記光源の光量を最小光量にする
   ことを特徴とする画像測定装置。
2. 前記制御部は、前記光源の光量を最小光量にした場合、次回またはｎ回後（ｎは２以上の整数）受光時に前記光源の光量を最大光量または最大光量と最小光量の間の光量にすることを特徴とする請求項１記載の画像測定装置。
3. 前記撮像装置は、前記光源から前記ワークへの光の照射方向に対して所定の角度をなす方向で前記ワークからの反射光を受光することを特徴とする請求項１または２記載の画像測定装置。
4. 前記撮像装置は、前記光源からの直線上の光に対してほぼ直交する方向に配列された受光素子列を、当該受光素子列と直交する方向に順次受光走査させるローリングシャッター機能を有するＣＭＯＳ素子を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の画像測定装置。
5. ワークに直線状の光を照射する光源と、
   前記ワークを撮像する撮像装置と、
   前記撮像装置の受光量によって前記光源の発光量を調整する制御部とを有し、
   前記撮像装置は、受光素子が配列形成されて前記ワークの画像を行方向または列方向に逐次的に受光し、
   前記制御部は、
   各受光素子の受光時に、受光量が最大値を超えた受光素子が存在する場合には次の受光時における前記光源の光量を低下させ、受光量が前記最大値を超えた受光素子が存在しない場合には次の受光時における前記光源の光量を増加させ、
   更に、前記受光素子の受光時に、前記光源の光量が最大光量に達し、且つ受光量が最小値を下回っている場合には、次の受光時以降は受光時毎に前記光源の光量を最小光量とこれよりも大きい光量とに交互に設定する
   ことを特徴とする画像測定装置。

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