JP6079664B2

JP6079664B2 - 被測定物の表面測定装置およびその表面測定方法

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Publication number: JP6079664B2
Application number: JP2014034440A
Authority: JP
Inventors: 大矢　英詞; 英詞大矢; 玲秀神名
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: JP2015158462A

Description

本発明は、被測定物に形成されたボイドの形状を好適に測定することができる被測定物の表面測定装置およびその表面測定方法に関する。

従来から、被測定物の表面形状を測定する表面測定装置として、被測定物にレーザ光を照射する照射装置（光源）と、被測定物に反射したレーザ光を検出するカメラ（撮像装置）と、で構成されるレーザ変位計と、該レーザ変位計により測定された変位量に基づいて、被測定物の表面形状を画像処理により解析する解析装置とを備えたものが一般的に知られている。

ここで、レーザ変位計を用いた場合には、被測定物の形状によっては、照射装置またはカメラに死角が発生することから、たとえば特許文献１では、レーザ変位計に対して被測定物を水平方向に回転させながら再測定することで、レーザ変位計のこのような死角を抑制する方法が採用されている。

特開２００９−２２２４１８号公報

しかしながら、例えば特許文献１に示す方法であっても、被測定物の表面が、例えば図７（ａ）に示すように、測定当初に想定している平面に対して大きく傾斜している場合など、複雑な表面形状である場合、表面に形成されたボイド（凹部）Ｂ内においてレーザ照射装置３１の死角またはカメラ３２の死角を低減できないことがある。

さらに、図７（ｂ）に示すように、被測定物の表面に形成されたボイド（凹部）Ｂが深い場合には、これらの死角がより発生しやすく、被測定物の表面形状をより正確に測定することができず、誤測定するおそれがある。

本発明は、このような点を鑑みてなされたものであり、たとえ被測定物の表面が複雑な表面形状であっても、その表面に形成されたボイドをより正確に検出することができる被測定物の表面測定装置およびその表面測定方法を提供する。

前記課題を鑑みて、本発明に係る表面測定方法は、被測定物を移動させながら該被測定物の表面にレーザ光を照射装置で照射して、該被測定物に反射したレーザをカメラで検出することにより、前記被測定物の表面形状を測定する工程と、該測定した被測定物の表面形状のデータから前記被測定物の凹み部分をボイドとして推定し、該凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出する工程と、前記ボイド発生領域において、前記ボイドが無い状態の被測定物の表面形状のデータと、前記ボイド発生領域の表面形状のデータとから、前記ボイドの深さおよび前記ボイドの開口の大きさを測定する工程と、前記ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルに垂直な垂直平面に前記ボイド発生領域を投影した投影領域内に、前記カメラで検出された検出領域を投影することにより、前記カメラの未検出領域を推定する工程と、該未検出領域に基づいて、前記被測定物の表面形状の再測定を行うかを判定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、まず、被測定物を移動させながら該被測定物の表面にレーザ光を照射装置で照射して、該被測定物に反射したレーザ光をカメラで検出することにより、前記被測定物の表面形状を測定する。この際に、測定した被測定物の表面形状のデータから、前記被測定物の凹み部分をボイドとして推定し、該凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出する。このボイド発生領域は、実際にボイドが発生している凹み部分の輪郭線（開口）の内部領域であり、死角の有無に拘らず、凹み部分を検出すればこの内部領域を特定することができる。

次に、ボイド発生領域において、ボイドが無い状態の被測定物の表面形状のデータと、前記ボイド発生領域の表面形状のデータから、ボイドの最大深さを含む深さおよびボイドの開口の大きさを測定することができる。

ここで、前記ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルに垂直な垂直平面に前記ボイド発生領域を投影した投影領域内に、前記ボイド発生領域内において前記カメラで検出された検出領域を投影し、前記カメラの未検出領域を推定する。

カメラの未検出領域は、レーザ光が照射できない照射装置の死角となる領域、および、レーザ光が照射されているがカメラにより反射したレーザ光が検出できないカメラの死角となる領域の双方を含む領域であり、これらの未検出領域を推定することにより、ボイドの形状をどの程度測定することができたかを、把握することができる。

このような結果、未検出領域に基づいて、前記被測定物の表面形状の再測定を行うか否かの判定をより効率的に行うことができる。また、未検出領域が、レーザ光が照射できない照射装置の死角となる領域、または、レーザが照射されているがカメラにより検出できないカメラの死角となる領域のいずれにあるかを、被測定物の表面を照射するレーザ光の軌跡から、判定することも可能である。

より好ましい態様としては、前記再測定を行うと判定した際に、前記照射装置の照射軸、前記カメラの光軸、または前記照射装置の照射軸と前記カメラの光軸とが交差する角の二等分線が、前記法線ベクトルに一致するように、前記照射装置およびカメラの姿勢を変更し、前記被測定物の表面形状を再測定する。

この態様によれば、ボイドは被測定物の表面に対して法線方向に沿って延在することから、照射装置の照射軸、カメラの光軸、または、照射装置の照射軸とカメラの光軸とが交差する角の二等分線を、法線ベクトルに一致させて、被測定物の表面形状を再測定することにより、これまでに検出できなかった死角領域におけるボイドの最大深さを測定することができる。ここで、照射装置の照射軸（レーザ光の照射方向）を法線ベクトル（の方向）に一致させた場合、レーザ光が照射できなかった照射装置の死角となっていた領域内の形状を再測定することができる。カメラの光軸（カメラが反射したレーザ光を検出する方向）を法線ベクトル（の方向）に一致させた場合、レーザ光が照射されているがカメラにより検出できなかったカメラの死角となっていた領域内の形状を再測定することができる。また、照射装置の照射軸とカメラの光軸とが交差する角の二等分線を法線ベクトルに一致させた場合、深さ方向に細長い円柱状のボイドに対して、ボイドの最も深い底部まで再測定することができる。

さらに、好ましい態様としては前記ボイド測定部により測定したボイドの開口の大きさおよびボイドの深さのデータの双方を用いて、前記被測定物に対するボイドの良否を判定する。これまでは測定したボイドの開口の大きさまたはボイドの深さの何れか一方が閾値を超えたときに、被測定物に対して不良のボイドが存在する（すなわち、被測定物が不良である）と判定していたところ、これらの双方を用いて、被測定物に対するボイドの良否を判定するので、不良となるボイドの過検出を低減することができる。

具体的には、測定したボイドの開口の大きさと、たとえばボイドの最大深さとが、予め設定したボイドの良否を区分した領域のいずれに属するかを判定し、これをボイドの良否として判定する。これにより、ボイドの開口が大きくてもボイドの深さが浅いボイド、ボイドの深さが深くてもボイドの大きさが小さいボイドなどを、良好なボイドと判定することができ、不良のボイドの過検出を低減することができる。

本願では、上述した表面測定方法を好適に行う表面測定装置をも開示する。本発明に係る表面測定装置は、被測定物の表面にレーザ光を照射装置で照射し、該被測定物に反射したレーザ光をカメラで検出することにより、前記被測定物の変位量を測定するレーザ変位計と、該レーザ変位計と前記被測定物とを相対的に移動させる被測定物移動装置と、該レーザ変位計により測定された変位量に基づいて、前記被測定物の表面形状を解析する解析装置と、を少なくとも備えた表面測定装置であって、該解析装置は、前記被測定物移動装置により前記被測定物を移動させながら、レーザ変位計により測定された前記変位量から、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、該表面形状測定部で測定した前記被測定物の表面形状のデータから前記被測定物の表面の凹み部分をボイドとして推定し、該凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出するボイド発生領域抽出部と、前記ボイド発生領域抽出部により抽出されたボイド発生領域内において、前記ボイドが無い状態の被測定物の表面形状のデータと、前記ボイド発生領域の表面形状のデータとから、前記ボイドの深さおよび前記ボイドの開口の大きさを測定するボイド測定部と、前記ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルに垂直な垂直平面に前記ボイド発生領域を投影した投影領域内に、前記カメラで検出された検出領域を投影することにより、前記カメラの未検出領域を推定する未検出領域推定部と、該未検出領域に基づいて、前記被測定物の表面形状の再測定を行うかを判定する再測定判定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、まず、被測定物移動装置で被測定物を移動させながら被測定物の表面にレーザ光を照射して、被測定物に反射したレーザ光をカメラで検出する。これにより、表面形状測定部で被測定物の表面形状を測定することができる。この際に、ボイド発生領域抽出部で、測定した被測定物の表面形状のデータから、被測定物の凹み部分をボイドとして推定し、凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出する。このボイド発生領域は、実際にボイドが発生している凹み部分の輪郭線（開口）の内部領域であり、死角の有無に拘らず、凹み部分を検出すればこの内部領域を特定することができる。

次に、ボイド測定部で、ボイド発生領域においてボイドが無い状態の被測定物の表面形状のデータと、ボイド発生領域の表面形状のデータから、ボイドの最大深さを含む深さおよびボイドの開口の大きさを測定することができる。

ここで、未検出領域推定部で、ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、法線ベクトルに垂直な垂直平面にボイド発生領域を投影した投影領域内に、ボイド発生領域内においてカメラで検出された検出領域を投影し、カメラの未検出領域を推定することができる。

このような結果、未検出領域に基づいて、前記被測定物の表面形状の再測定を行うか否かの判定をより効率的に行うことができる。また、未検出領域が、レーザ光が照射できない照射装置の死角となる領域、または、レーザ光が照射されているがカメラにより検出できないカメラの死角となる領域のいずれにあるかを、被測定物の表面を照射するレーザ光の軌跡から、判定することも可能である。

より好ましい態様としては、前記表面測定装置は、前記被測定物に対する前記レーザ変位計の姿勢を変更する姿勢変更機構と、前記解析装置の再測定判定部が再測定を行うと判定した際に、前記照射装置の照射軸、前記カメラの光軸、または前記照射装置の照射軸と前記カメラの光軸とが交差する角の二等分線が、前記法線ベクトルに一致するように、前記姿勢変更機構を制御する姿勢制御装置と、を備え、前記再測定判定部が再測定をすると判断した際に、前記表面形状測定部は前記姿勢制御装置により前記レーザ変位計の姿勢を変更した後に、前記被測定物の表面形状を再測定する。

この態様によれば、姿勢制御装置で姿勢変更機構を制御することにより、照射装置の照射軸、カメラの光軸、または、照射装置の照射軸とカメラの光軸とが交差する角の二等分線を法線ベクトルに一致させて、被測定物の表面形状を再測定することができる。これにより、これまでに検出できなかった死角領域におけるボイドの最大深さを測定することができる。ここで、照射装置の照射軸（レーザ光の照射方向）を法線ベクトル（の方向）に一致させた場合、レーザ光が照射できなかった照射装置の死角となっていた領域内の形状を再測定することができる。カメラの光軸（カメラが反射したレーザ光を検出する方向）を法線ベクトル（の方向）に一致させた場合、レーザ光が照射されているがカメラにより検出できなかったカメラの死角となっていた領域内の形状を再測定することができる。また、照射装置の照射軸とカメラの光軸とが交差する角の二等分線を法線ベクトルに一致させた場合、深さ方向に細長い円柱状のボイドに対して、ボイドの最も深い底部まで再測定することができる。

より好ましい態様としては、前記ボイド測定部により測定したボイドの開口の大きさおよびボイドの深さのデータの双方を用いて、前記被測定物に対するボイドの良否を判定するボイド良否判定部を備える。この態様によれば、これらの双方を用いて、被測定物に対するボイドの良否を判定するので、ボイドの開口の大きさおよびボイドの最大深さの双方を用いることにより不良となるボイドの過検出を低減することができる。

本発明によれば、被測定物の表面が複雑な表面形状であっても、その表面に形成されたボイドをより正確に検出することができる。

本発明の実施形態に係る表面測定装置の模式的概念図。図１に示す表面測定装置の解析装置の概念図。（ａ）は、カメラによる死角を説明するための模式的概念図であり、（ｂ）は照射装置およびカメラによる死角を説明するための模式的概念図。再測定時のレーザ変位計の姿勢の変更を示した模式的概念図であり、（ａ）は、照射装置の照射軸とカメラの光軸とが交差する角の二等分線が、法線ベクトルに一致するようにその姿勢を変更した図であり、（ｂ）は、照射装置の照射軸が法線ベクトルに一致するようにその姿勢を変更した図であり、（ｃ）は、カメラの光軸が法線ベクトルに一致するようにその姿勢を変更した図である。（ａ）は、ボイドの投影図、（ｂ）は、ボイドの深さのみからボイドの良否の判定を説明するための図、（ｃ）は、本実施形態に係るボイドの良否の判定を説明するための図。図２に示す表面測定装置を用いた表面測定方法を説明するためのフロー図。（ａ）被測定物の表面が傾斜している状態における、カメラの死角を説明するための図であり、（ｂ）は、ボイドが深い状態における、カメラの死角を説明するための図。

以下に、本発明の実施形態に係る表面測定方法を好適に行う表面測定装置を説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る表面測定装置の模式的概念図であり、図２は、図１に示す表面測定装置の解析装置の概念図である。図３（ａ）は、カメラによる死角を説明するための模式的概念図であり、（ｂ）は照射装置およびカメラによる死角を説明するための模式的概念図である。

図４は、再測定時のレーザ変位計の姿勢の変更を示した図であり、（ａ）は、照射装置の照射軸とカメラの光軸とが交差する角の二等分線が、法線ベクトルに一致するようにその姿勢を変更した図であり、（ｂ）は、照射装置の照射軸が法線ベクトルに一致するようにその姿勢を変更した図であり、（ｃ）は、カメラの光軸が法線ベクトルに一致するようにその姿勢を変更した図である。図５（ａ）は、ボイドの投影図、（ｂ）は、ボイドの深さのみから良否の判定を説明するための図、（ｃ）は、本実施形態に係るボイドの良否の判定を説明するための図である。

図１に示すように、本実施形態に係る表面測定装置１は、その一例として、リング状のワーク（被測定物）４０の表面形状を測定するための表面測定装置１であり、本実施形態では、その表面形状として、ワーク４０の表面に形成されたボイドＢの大きさおよび深さ（最大深さ）を測定するに好適な装置である。

表面測定装置１は、ハードウエアとして、ワーク４０の表面にレーザ光をレーザ照射装置３１で照射し、ワーク４０に反射したレーザ光をカメラ（撮像装置）３２で検出することにより、ワークとの距離を測定するレーザ変位計３０を備えている。レーザ変位計３０は、一般的に知られている表面形状を測定するレーザ変位計であり、ワーク４０の表面にライン状のレーザ光を照射するレーザ照射装置３１と、ワーク４０に反射したレーザ光を検出（受光）するカメラ（撮像装置）３２とを備えている。

ここで、レーザ照射装置３１のレーザ光の照射方向に沿った照射軸と、カメラ３２の光軸（検出方向に沿った軸）とが、一定の角度θで交差するように、レーザ照射装置３１とカメラ（撮像装置）３２とが配置されている。

表面測定装置１は、レーザ変位計３０とワーク４０とを相対的に移動させる被測定物移動装置を備えている。より具体的には、本実施形態では、被測定物移動装置は、ワーク４０を回転させるワーク回転機構６０であり、リング状のワーク４０を回転させることにより、ワーク４０のリング状の表面の位置が変わり、ワーク４０の測定したい表面に連続的にレーザ光を照射することができる。

さらに、表面測定装置１は、レーザ変位計３０の姿勢を変更する姿勢変更機構５０を備えている。姿勢変更機構５０は、ワーク４０に対してレーザ変位計３０（具体的にはレーザ照射装置３１の照射軸およびカメラ３２の光軸）を２つの方向Ｌ１、Ｌ２に変更可能なように構成されている。より具体的には、姿勢変更機構５０は、レーザ照射装置３１とカメラ（撮像装置）３２とが並ぶ方向Ｌ１と、これに直角の方向Ｌ２のいずれか一方または双方を選択して、レーザ変位計３０を傾斜させることができるように構成されている。

表面測定装置１は、レーザ変位計３０および各機構５０，６０を制御する制御装置１０と、これらの制御により測定制御を行うとともに測定結果を解析する測定制御・解析装置２０をさらに備えている。制御装置１０および測定制御・解析装置２０は、ハードウエアとしてＣＰＵおよびメモリー、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等で構成されており、これらが一体となっていてもよい。後述するように、制御装置１０は、レーザ変位計３０、姿勢変更機構５０、およびワーク回転機構６０に制御信号を出力し、レーザ変位計３０から得られたデータを用いてＣＰＵで、レーザ変位計３０の基準点からワーク４０の表面までの相対的な変位量（距離）を演算する。

測定制御・解析装置２０は、ワーク４０が測定できるように測定制御信号を制御装置１０に出力し、制御装置１０からのデータ（変位量）で、ＣＰＵでワーク４０の表面形状を解析することができるようになっている。また、メモリーには、後述する各判定条件の基準値、設計時のワークの表面形状のデータ等が記憶されており、ＣＰＵの演算時にこれらのデータが読み出される。

制御装置１０は、ソフトウエアとして、姿勢制御部１１、変位計制御演算部１２、およびワーク移動制御部１３を備えている。姿勢制御部１１は、姿勢変更機構を制御するものであり、詳細な制御は後述する。変位計制御演算部１２は、レーザ変位計３０の動作を制御するとともに、レーザ変位計３０のカメラ３２で検出したデータから、その変位量を演算するものである。ワーク移動制御部１３は、表面形状を測定時にワーク回転機構６０の駆動を制御するものである。

さらに、測定制御・解析装置２０は、ソフトウエアとして、図２に示すように、表面形状測定部２１、ボイド発生領域抽出部２２、ボイド測定部２３、未検出領域推定部２４、および再測定判定部２５を少なくとも備えている。さらに、図２では、図示していないが、測定制御・解析装置２０は、再測定判定部２５による判定後（再測定を行う場合には再測定の終了後）、ボイドの良否を判定するボイド良否判定部を備えている。

表面形状測定部２１は、ワーク４０を移動させながら測定されたレーザ変位計３０の変位量（具体的には変位計制御演算部１２で演算されて変位量）から、ワーク４０の３次元の表面形状を測定（演算）する。具体的には、基準高さを設け、基準高さからのワーク表面の高さを測定する。

ボイド発生領域抽出部２２は、表面形状測定部２１で測定したワーク４０の表面形状のデータから、ワーク４０の表面の凹み部分（特に急峻に凹んでる部分）Ｂをボイドとして推定し、凹み部分Ｂの開口内をボイド発生領域Ａとして抽出する（例えば図５（ａ）を参照）。

ボイド測定部２３は、ボイド発生領域抽出部２２により抽出されたボイド発生領域Ａ内において、ボイドが無い状態のワーク４０の表面形状のデータと、ボイド発生領域の表面形状のデータから、ボイドの深さおよびボイドの開口の大きさを測定する。

より具体的には、ボイド発生領域の周辺データを切り出し、そのデータを使ってボイドが無い状態の面（基準面）を推定する。ここで、例えば、ボイドが無い状態のワーク４０の表面形状のデータとして、理想上の表面データ（設計上のマスターデータ）を、メモリー内に保持し、このデータを用いてボイドの基準面を推定する。この際、ワーク４０をワーク回転機構６０にセットしたときの誤差（面ブレ、偏芯、測定開始点のずれなど）を最小化した上で、その部分におけるデータの照合を行い、マスターデータを使って基準面を推定する。

また、別の方法としては、ボイド発生エリアの周辺データを使ってボイド発生部の基準面を直線補間、曲線補間、曲面補間によって推定してもよい。このようにして、ボイドが無い状態のワークの表面形状のデータ（基準面のデータ）と、ボイド発生領域の表面形状のデータとを対比して、ボイドの最大深さ（最深部点）を含む深さおよびボイドの開口の大きさを測定することができる。また、ボイドの開口の大きさを、ボイド発生領域の面積により測定してもよく、ボイドの開口の２点間最大距離により測定してもよく、後述する図5（ａ）に示す方法で測定してもよい。これらは後述するボイドの良否を判定する際に用いてもよい。

次に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、未検出領域推定部２４は、ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルＮを算出し、法線ベクトルＮに垂直な垂直平面にボイド発生領域を投影した投影領域Ａ内に、カメラで検出された検出領域ａを投影することにより、カメラの未検出領域ｂ１，ｂ２を推定する。

未検出領域推定部２４は、ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルＮをたとえば最小２乗法により算出し、法線ベクトルＮに垂直な垂直平面にボイド発生領域を投影した投影領域Ａ内に、ボイド発生領域内においてカメラで検出された検出領域を投影し、カメラの未検出領域を推定する。

具体的には、図３（ａ），（ｂ）の各右図に示すように、ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルＮを算出し、法線ベクトルＮに垂直な垂直平面にボイド発生領域を投影した投影領域Ａを求める。ここで投影領域Ａは、図中の太線の内部になる。次に、この投影領域Ａ内に、ボイド発生領域内においてカメラで検出された検出領域ａ（図中のハッチング部分）を投影する。

ここで、例えば、図３（ａ）の左図に示すような配置状態では、右図に示すｂ１がカメラ３２による死角領域となり、この部分が未検出領域となる。また、例えば、図３（ｂ）の左図に示すような配置状態では、右図に示すｂ１がカメラ３２による死角領域となり、ｂ２がレーザ照射装置３１による死角領域となり、２つの領域が未検出領域となる。

再測定判定部２５は、未検出領域推定部２４により推定された未検出領域に基づいて、ワークの表面形状の再測定を行うかを判定する。具体的には、上述したボイド発生領域の面積、カメラで検出された検出領域の面積、カメラで検出された未検出領域の面積（レーザ光が照射できなかったレーザ照射装置３１の死角となっていた領域（例えば図３（ｂ）のｂ２）の面積、レーザ光が照射されているがカメラにより検出できなかったカメラの死角となっていた領域（例えば図３（ｂ）のｂ１の面積）、またはボイド発生領域に対する未検出領域の面積率等を用いて、再測定を行うかを判定する。例えば未検出領域の面積率が多い場合（再測定と判定した場合）には、以下に示すようにして再度測定を行う。

姿勢制御部１１は、再測定判定部２５が再測定を行うと判定した際に、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、照射装置３１の照射軸ＲＬ、カメラ３２の光軸ＣＬ、または照射装置３１の照射軸ＣＬとカメラ３２の光軸ＲＬとが交差する角の二等分線Ｌ１が、上述した法線ベクトルＮに一致するように、姿勢変更機構５０を制御する。本実施形態では、図４（ａ）〜（ｃ）に示す順に、レーザ変位計の姿勢を変えて、それぞれの姿勢に合わせて再測定を行う。

具体的には、本実施形態では、まず、図４（ａ）に示すように、照射装置３１の照射軸ＲＬとカメラ３２の光軸ＣＬとが交差する角θの二等分線Ｌ１を法線ベクトルＮに一致するように、姿勢変更機構５０を制御する。この場合、深さ方向に細長い円柱状のボイドに対して、ボイドの最も深い底部まで再測定することができる。

次に、図４（ｂ）に示すように、照射装置３１の照射軸ＲＬを法線ベクトルＮに一致するように、姿勢変更機構５０を制御する。この場合、レーザ光が照射できなかった（照射装置３１の死角となっていた）領域内の形状を再測定することができる。

続いて、図４（ｃ）に示すように、カメラ３２の光軸ＣＬを法線ベクトルＮに一致するように、姿勢変更機構５０を制御する。この場合、レーザ光が照射されているがカメラ３２により検出できなかった（カメラ３２の死角となっていた）領域内の形状を再測定することができる。

このように、姿勢制御部１１で姿勢変更機構５０を制御することにより、これまでに検出できなかった死角領域におけるボイドの最大深さを測定することができる。なお、姿勢制御部１１は、図４（ａ）〜（ｃ）の一連の再測定において、死角領域となる部分を再測定した時点で、再測定を終了するようになっている。

さらに、本実施形態では、再測定判定部２５による判定後（再測定を行う場合には再測定の終了後）、ボイドの良否を判定部するボイド良否判定部を設けている（図示せず）。ボイド良否判定部は、ボイド測定部２３により測定したボイドの開口の大きさおよびボイドの深さの双方を用いて、被測定物４０に対するボイドの良否を判定する。

ここで、ボイドの大きさの測定の一例を図５（ａ）に示す。図５（ａ）に示すように、本実施形態では、上述した投影領域Ａに内接する円のうち最大半径となる円Ｃを算出し、この面積またはその直径をボイドの開口の大きさとする。なお、この測定方法は、その一例であり、上述した方法で測定したボイドの大きさの値を用いてもよい。

これまでは、図５（ｂ）に示すように、ボイド測定部で測定した深さの値が所定値（ある閾値α）以上である場合、ボイドの開口の大きさに拘らず、不良のボイドとしていた。ここで、レーザ変位計に死角があることを想定すると、ボイドの形状を全て測定することができないため、その閾値αを低い値（深さが浅い値）に設定していた。そうすると、ボイドの大きさＤとボイド深さ（最大深さ）Ｌとの関係を示した場合、図５（ｃ）に示すＦの領域に相当するボイドが良好なボイドであるにも関わらず、不良であると判定されてしまう（不良ボイドが過検出されてしまう）ことがある。

そこで、本実施形態では、ボイド良否判定部は、ボイドの深さ（具体的には最大深さ）Ｌとボイドの大きさＤの双方を用いて、ボイドの良否を判定する。具体的には、予め良好なボイドと判断できるボイドの深さ（最大深さ）とボイドの大きさのデータから、これらのデータが、式Ｌ≦Ｋ×Ｄの領域に含まれるような最大の傾きＫを算出し、この領域を含みかつ、Ｆの領域を含むボイドの深さおよびボイドの大きさを満たすボイドを良好なボイドと判定する。

このように、測定したボイドの深さとボイドの開口の大きさとのデータを、予め設定したボイドの深さとボイドの開口の大きさとで表したボイドの良否を区分した領域のいずれに属するかを判定し、これをボイドの良否として判定する。これにより、ボイドの深さが深くてもボイドの大きさが小さいボイドを、良好なボイドと判定することができ、不良のボイドの過検出を低減することができる。

上述した表面測定装置を用いた、表面測定方法を図６に用いて以下に示す。図６は、図２に示す表面測定装置を用いた測定方法を説明するためのフロー図である。

まず、ステップ３０１に示すように、ワーク回転機構６０でワーク４０を移動（回転）させながら、レーザ変位計３０を用いて、ワークの表面にレーザを照射装置３１で照射し、ワークに反射したレーザ光をカメラ３２で検出する。これにより、変位計制御演算部１２を介して表面形状測定部２１でワークの表面形状を測定することができる。次に、ステップ３０２で、ワークの表面形状に対して、予め設定された処理エリアを抽出する。ここでは、ワークの表面の凹凸により、カメラの姿勢毎に安定して測定できるエリアが異なるため、処理エリアを予め設定しておく。

次に、ステップ３０３に進み、ボイド発生領域抽出部２２で、測定したワークの表面形状のデータ（具体的にはステップ３０２で抽出した処理エリアのデータ）から、ワークの凹み部分をボイドとして推定し、凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出する。

次に、ステップ３０４に進み、ボイド測定部２３で、ボイドが無い状態の面（基準面）を推定する。上述したように、マスターデータを用いたり、ボイド発生エリアの周辺データから直線補間、曲線補間、曲面補間を行うことにより基準面を推定する。

次に、ステップ３０５に進み、ボイド測定部２３で、ボイドが無い状態のワークの表面形状（基準面）のデータと、ボイド発生領域の表面形状のデータとから、ボイドの深さ（最大深さ）およびボイドの開口の大きさを、上述したような方法で測定する。

次に、ステップ３０６に進み、死角エリアを検出する。具体的には、未検出領域推定部２４で、ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、法線ベクトルに垂直な垂直平面にボイド発生領域を投影した投影領域内に、前記カメラで検出された検出領域を投影することにより、カメラの未検出領域を推定する（図３（ａ），（ｂ）を参照）。このように、未検出領域を推定することにより、ボイドの形状をどの程度測定することができたかを、把握することができる。次に、ステップ３０７に進み、再測定判定部２５で、未検出領域に基づいて、上述したように、ワーク４０の表面形状の再測定を行うかを判定する。

ここで、ステップ３０７で、再測定判定部２５が再測定を行うと判定した際には、レーザが照射できないレーザの死角となる領域、または、レーザが照射されているがカメラにより検出できないカメラの死角となる領域が大きいと考えられる。

そこで、ステップ３０８に進み、図４（ａ）〜（ｃ）に示した順に、姿勢制御部１１により、姿勢変更機構５０を制御し、レーザ変位計の姿勢し再測定を行う。なお、図４（ａ）〜（ｃ）の一連の再測定において、死角領域となる部分を再測定できたと判断した時点で、次の姿勢変更・再測定を行わず、再測定を終了してもよい。

次に、ステップ３０７で、再測定判定部２５が再測定を行なわないと判定した場合、図５（ｃ）に示すように、ボイド良否判定部でボイドの良否を判定する。具体的には、ステップ３１１で、測定ボイドの深さ（最大深さ）と予め設定された基準値（ボイド深さ）とを対比し、閾値より大きい場合にはＮＧと判断し、ステップ３１３に進む。ステップ３１３では、推定したボイドの大きさと予め設定された閾値値とを対比し、基準値より大きい場には、ＮＧと判断し、ステップ３１４に進む。ここで、ステップ３１３において、ボイドの大きさの判定が所定の範囲であるならば（判定がＯＫであるならば）、図５（ｃ）の領域Ｆに示す範囲となる、ボイドの深さおよびボイドの開口の大きさを有したボイドであるため良好なボイドと判断することができる。これにより、良好にも拘らず不良と判断するようなボイドの過検出を低減することができる。

ステップ３１１またはステップ３１３で、ボイドの深さおよび大きさの何れか一方が、基準値以内である場合には、未検出領域推定部２４による未検出領域を確認し、未検出領域の面積と予め設定された基準値とを比較して、未検出領域の面積が基準値よりも大きい場合には、ボイド最大深さを実際にデプスメータ等を用いて測定する。なお、本実施形態では、ステップ３１１、３１２、３１３は、その順番が入れ替わっていてもよい。

ステップ３１４では、不良のボイドと判定された検出領域のデータの記録、ボイドの深さ（最大深さ）、ボイド開口部の大きさの双方が基準値よりも大きいときのデータ、および未検出領域（死角エリア）のデータなどを記録し、ステップ３１５では、処理エリア（測定したエリア）において、全てボイドを検出した最終データであるかを確認し、最終データでない場合には、ステップ３０２に戻る。一方、最終データであると判断した場合には、これらの結果を集計し記録し、判定結果を出力する。

このようにして、ステップ３０６により、死角エリアである未検出領域を検出し、必要に応じて再測定を行うので、死角エリアによる未検出領域を最小化することができ、測定値の信頼性を向上することができる。

また、ステップ３１１、３１２、３１３等により推定したボイドの大きさ、ボイドの最大深さ、ボイド発生エリア内の未検出領域の面積等と、基準値とを比較することにより、最大深さのみで不良品と判定するような過検知を低減することができ、さらには、死角エリアによる誤判定を防止することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

たとえば、本実施形態では、１つのレーザ変位計により、ワークを測定したが、図１のＬ１方向に移動するレーザ変位計、Ｌ２方向に移動するレーザ変位計を用いて、ワークを測定してもよい。さらに、本実施形態では、ワーク回転機構を用いたワークを回転させながら、ワークの表面を測定したが、ワーク回転機構を用いず複数のレーザ変位計を用いてワークの表面形状を測定してもよい。

１：表面測定装置、１０：制御装置、１１：姿勢制御部、１２：変位計制御演算部、１３：ワーク移動制御部、２０：測定制御・解析装置、２１：表面形状測定部、２２：ボイド発生領域抽出部、２３：ボイド測定部、２４：未検出領域推定部、２５：再測定判定部、３０：レーザ変位計、３１：レーザ照射装置、３２：カメラ、４０：ワーク、５０：姿勢変更機構、６０：ワーク回転機構

Claims

被測定物を移動させながら該被測定物の表面にレーザ光を照射装置で照射して、該被測定物に反射したレーザ光をカメラで検出することにより、前記被測定物の表面形状を測定する工程と、
該測定した被測定物の表面形状のデータから前記被測定物の凹み部分をボイドとして推定し、該凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出する工程と、
前記ボイド発生領域において、前記ボイドが無い状態の被測定物の表面形状のデータと、前記ボイド発生領域の表面形状のデータとから、前記ボイドの深さおよび前記ボイドの開口の大きさを測定する工程と、
前記ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルに垂直な垂直平面に前記ボイド発生領域を投影した投影領域内に、前記カメラで検出された検出領域を投影することにより、前記カメラの未検出領域を推定する工程と、
該未検出領域に基づいて、前記被測定物の表面形状の再測定を行うかを判定する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする被測定物の表面測定方法。
前記再測定を行うと判定した際に、前記照射装置の照射軸、前記カメラの光軸、または前記照射装置の照射軸と前記カメラの光軸とが交差する角の二等分線が、前記法線ベクトルに一致するように、前記照射装置および前記カメラの姿勢を変更し、前記被測定物の表面形状を再測定することを特徴とする請求項１に記載の表面測定方法。
前記ボイド測定部により測定したボイドの開口の大きさおよびボイドの深さのデータの双方を用いて、前記被測定物に対するボイドの良否を判定することを特徴とする請求項１または２に記載の表面測定方法。
被測定物の表面にレーザ光を照射装置で照射し、該被測定物に反射したレーザ光をカメラで検出することにより、前記被測定物の変位量を測定するレーザ変位計と、
該レーザ変位計と前記被測定物とを相対的に移動させる被測定物移動装置と、
該レーザ変位計により測定された変位量に基づいて、前記被測定物の表面形状を解析する解析装置と、を少なくとも備えた表面測定装置であって、
該解析装置は、前記被測定物移動装置により前記被測定物を移動させながら、レーザ変位計により測定された前記変位量から、前記被測定物の表面形状を測定する表面形状測定部と、
該表面形状測定部で測定した前記被測定物の表面形状のデータから前記被測定物の表面の凹み部分をボイドとして推定し、該凹み部分を含むデータからボイド発生領域を抽出するボイド発生領域抽出部と、
前記ボイド発生領域抽出部により抽出されたボイド発生領域内において、前記ボイドが無い状態の被測定物の表面形状のデータと、前記ボイド発生領域の表面形状のデータとから、前記ボイドの深さおよび前記ボイドの開口の大きさを測定するボイド測定部と、
前記ボイドの開口を含む平面の法線ベクトルを算出し、該法線ベクトルに垂直な垂直平面に前記ボイド発生領域を投影した投影領域内に、前記カメラで検出された検出領域を投影することにより、前記カメラの未検出領域を推定する未検出領域推定部と、
該未検出領域推定部により推定された未検出領域に基づいて、前記被測定物の表面形状の再測定を行うかを判定する再測定判定部と、を備えることを特徴とする表面測定装置。
前記表面測定装置は、前記被測定物に対する前記レーザ変位計の姿勢を変更する姿勢変更機構と、
前記解析装置の再測定判定部が再測定を行うと判定した際に、前記照射装置の照射軸、前記カメラの光軸、または前記照射装置の照射軸と前記カメラの光軸とが交差する角の二等分線が、前記法線ベクトルに一致するように、前記姿勢変更機構を制御する姿勢制御装置と、を備え、
前記再測定判定部が再測定をすると判断した際に、前記表面形状測定部は前記姿勢制御装置により前記レーザ変位計の姿勢を変更した後に、前記被測定物の表面形状を再測定することを特徴とする請求項４に記載の表面測定装置。
前記ボイド測定部により測定したボイドの開口の大きさおよびボイドの深さのデータの双方を用いて、前記被測定物に対するボイドの良否を判定するボイド良否判定部を備えることを特徴とする請求項４または５に記載の表面測定装置。