JP6415117B2 - 温度補正機能付測定機 - Google Patents

Description

本発明は、温度補正機能付測定機に係り、特に、画像測定機に用いるのに好適な、非接触で高精度の温度補正を行うことが可能な温度補正機能付測定機に関する。

測定対象物（ワークとも称する）の温度に応じて測定（例えば測長）結果を温度補正する温度補正機能付測定機が知られている。例えば特許文献１に記載のハイトゲージや、特許文献２に記載の表面性状測定機では、接触式の温度センサをワークへ密着し、測定した温度変化に対応するワーク素材の熱膨張係数理論値を補正値として測定値全体に適用することで、所望の温度でのワークの測長結果を算出していた。又、特許文献３には、温度センサを倣いプローブに内蔵することが記載されている。

特開２００２−２２８４３４号公報 特開２００２−７１３４７号公報 特開２００３−１１４１１６号公報 特開２００５−４３９１号公報 特開２００２−２２６５２号公報

しかしながら、これらの方式では、測定対象物に対して、多くても数個所でしか温度計測できない。その結果、一部の位置で得られた温度変化の情報で全体の測定値を補正しているため、ワーク素材の位置による温度のばらつきを補正値から除外できなかった。

これは、一点の温度を測定する赤外線温度計を用いた場合でも同じである。

又、特許文献２に記載されているように、仮に複数の接触式温度センサを用いたとしても、補正値の精度は向上するが、やはり前述の問題は残る。

更に、素材の強度が弱いワークに対しては、接触式の温度計を使用することができないという問題点も有していた。

一方、画像測定機に関しては、特許文献４に示されるように、温度センサを用いることなく、温度を外部から入力して補正することが行われている。

なお、特許文献５には、赤外線カメラと可視カメラが一体化され、可視領域における肉眼による画像と、同じ視野における赤外二次元画像とを選択により同時に、又は各別に得ることができる赤外画像及び可視画像解析装置が提案されているが、これを測定機の温度補正に用いることは考えられていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、別のカメラを用いることなく簡単な構成により、測定対象物に非接触で、測定対象部位全体の温度分布を面や領域で取得して、測定結果を接触式温度計よりも高精度に温度補正できるようにすることを課題とする。

近年は、１００万画素以上６０ｆｐｓ以上の温度を持ち、通常の画像測定機にも十分適用可能な、測定波長域が８〜１４μｍ程度の遠赤外であり、物体から放出される遠赤外線を受光するパッシブ方式の赤外線可視一体型カメラ（可視カメラ一体型サーモグラフィとも称する）が実用化されている。そこで、本発明は、このような測定対象物又は測定対象部位に向けて装着された、赤外線カメラと可視カメラが一体化された赤外線可視一体型カメラを備え、該赤外線可視一体型カメラを切り替えることによって得られる赤外線画像と可視画像のうち、赤外線画像から得た測定対象物又は測定対象部位の温度情報を用いて、同じ赤外線可視一体型カメラの可視画像から得た測定結果を温度補正することを特徴とする温度補正機能付測定機により、前記課題を解決するものである。

ここで、前記赤外線可視一体型カメラで、座標測定機のスタイラスチップの温度分布を測定して温度補正を行うことができる。

本発明によれば、別のカメラを用いることなく、簡単な構成により面や領域で測定対象物の温度分布を取得できるため、測定機による測定結果に対して、接触式の温度計よりも正確に測定対象物の熱膨張率を適用できる。又、非接触であるため、微小の測定対象物や剛性が小さい測定対象物にも温度補正を行うことが可能となる。更に、応答が速いので、測定対象物の温度変化に追従して温度補正することが可能となり、測定時の温度を一定に保つための恒温室等が不要となる。又、構成が簡略であり、測定対象物に対して同一サイズの視野サイズ及び位置が撮像できる。

本発明の第１実施形態である画像測定機の（Ａ）全体構成を示す正面図及び（Ｂ）Ｂ部拡大図 前記実施形態のパソコンの構成を示すブロック図 同じく線膨張係数の入力処理手順を示す流れ図 同じく温度補正測長処理の手順を示す流れ図 同じく（Ａ）赤外線画像及び（Ｂ）可視画像を示す図 同じく測定対象物の例を示す平面図 本発明の第２実施形態である座標測定機の要部を示す正面図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の第１実施形態は、本発明を画像測定機に適用したもので、図１に示す如く、ベース１２の上にステージ１４が載置され、該ステージ１４上に載置される測定対象物８を、前記ベース１２に対して移動自在とされた門型フレーム１６及び該門型フレーム１６に対して上下動自在とされたコラム１８とを備えた画像測定機１０において、前記コラム１８の下端に、赤外線画像と可視画像を取得することが可能な赤外線可視一体型カメラ（以下、単にカメラとも称する）２０をステージ１４に向けて装着したものである。

前記カメラ２０に搭載される赤外線センサは、検知波長に合わせて選択することができ、例えば冷却後の光電管、光伝導型、光起電力型や非冷却型の焦電素子、熱電対、ボロメータをアレイ状に集積したカメラなどを用いることができる。

図において３０はパソコン（ＰＣ）、５０はモニタである。

前記ステージ１４及び／又は門型フレーム１６には、前記カメラ２０とステージ１４の水平方向相対位置を検出するためのＸ軸センサ２２とＹ軸センサ２４（図２参照）が設けられている。

前記コラム１８又は門型フレーム１６には、該コラム１８の上下方向（Ｚ軸方向）位置を検出するためのＺ軸センサ２６（図２参照）が設けられている。

前記ＰＣ３０は、図２に詳細に示す如く、前記Ｘ軸センサ２２及びＹ軸センサ２４の出力からカメラ２０の水平方向変位量を算出するための水平方向変位量算出手段３２と、前記Ｚ軸センサ２６及び／又は前記カメラ２０の可視画像の合焦位置から測定対象物８の表面の高さを算出する高さ算出手段３４と、前記カメラ２０の赤外線画像から測定対象物８又は測定対象部位８ａ（図５参照）の温度分布を算出する温度算出手段３６と、外部から入力された線膨張係数が保存される線膨張係数データベース（ＤＢ）３８と、前記温度算出手段３６で算出された温度と線膨張係数ＤＢ３８に保存された線膨張係数を用いて温度補正量を算出する温度補正量算出手段４０と、該温度補正量算出手段４０で算出された温度補正量を用いて前記水平方向変位量算出手段３２及び／又は高さ算出手段３４で求められた測長結果を補正する測定結果温度補正手段４２と、を備えている。

以下、処理手順を説明する。

まず、線膨張係数の入力処理として、図３に示す如く、従来の温度補正技術と同様に、ステップ１００で予めＰＣ３０の記憶領域（ここでは線膨張係数データベース３８）に、測定対象物８を構成する素材に対応する線膨張係数のデータベースを作成しておく。

次いで、図４に示す如く、温度補正測定処理（ここでは測長処理）を行う。具体的には、まずステップ２１０で、図５（Ａ）に例示する如く、カメラ２０の赤外線画像による測定対象物８全体又は測定対象部位８ａの温度分布を取得する。又、ステップ２２０で、図５（Ｂ）に例示する如く、カメラ２０の可視画像から測定対象物８全体又は測定対象部位８ａの可視画像を取得する。

次いでステップ２３０で、画素単位の温度分布と画像を照合する。

次いでステップ２４０で、測定対象物８の材質を指定し、線膨張係数データベース３８から線膨張係数を取得する。

次いで、ステップ２５０で、指定座標に対応する画像内の画素間から求まる測長距離へ線膨張係数を適用して、測長結果を補正する。

ここで、温度補正に用いる温度は、図５（Ａ）に示した測定対象物８全体の温度、又は、測定対象部位８ａの温度の、いずれとすることもできるが、測定対象部位８ａの温度とした方が、高精度の温度補正ができる。

本実施形態においては、カメラ２０として、１台で赤外線画像と可視画像が得られる赤外線可視一体型カメラを用いているので、構成が簡略であり、測定対象物８に対して同一サイズの視野サイズ及び位置が撮像できる。

このようにして赤外線可視一体型カメラを用いることにより、赤外線画像（熱線画像）と可視画像を逐次切り替えて使用することで、ダイナミックに温度計測と画像計測に相関を持たせることができる。なお、実際の測定においては、熱線画像を視覚的に表示する必要は無く、温度分布情報をカメラ視野内のピクセル単位で保持し、測定結果を出力する際に、これらの温度情報を使用して、測長結果に熱膨張率を適用することで、従来の接触式の温度計を用いた温度補正機能付画像測定機よりも正確な温度補正を実現することが可能となる。

測定対象物の例を、図６（Ａ）（ＢＧＡのソルダーボールの高さ測定）及び、（Ｂ）（ＬＧＡのリード線の線幅と高さ測定）に示す。

なお、画像測定機における測長だけでなく、例えば画像測定用光学ヘッドを高さ方向に走査して連続的に取得した画像から、可視カメラの各ピクセルにおけるコントラストのピークを検出することにより、測定対象物の三次元形状を得るようにした、いわゆるＰＦＦ（Ｐｏｉｎｔｓ Ｆｒｏｍ Ｆｏｃｕｓ）を利用した高さ測定や、断面形状の評価に対して、本発明の温度補正を適用して高精度化することも可能である。

又、第１実施形態では本発明を画像測定機に適用していたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図７に示すような座標測定機の測定プローブにも同様に適用できる。即ち、通常の座標測定機では、測定対象部全体に対して数個所、バイメタルなどを用いた接触式の温度計を接触し、温度慣らしを行った上で測長距離の補正を行うが、この時に使用する測定プローブ（接触式のスタイラスチップなど）を温度補正することはない。これは、測定直前にチップをキャリブレーションすることで対応できるからであるが、キャリブレーションには値付けされたマスターボールなどを複数個所測定することで補正するため、時間がかかる。

そのため、キャリブレーション時の温度を記録しておけば、図７に示す如く、測定直前に赤外線可視一体型カメラ６２でスタイラスチップ６０の温度分布を測定し、温度補正を行うことで、温度起因の再キャリブレーションの時間を短縮できる。

なお、前記実施形態において、本発明が画像測定機及び座標測定機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、特許文献１のようなハイトゲージ、あるいは特許文献２のような表面性状測定機にも同様に適用できる。

８…測定対象物
８ａ…測定対象部位
１０…画像測定機
１４…ステージ
２０、６２…赤外線可視一体型カメラ
３０…パソコン（ＰＣ）
３２…水平方向変位量算出手段
３４…高さ算出手段
３６…温度算出手段
３８…線膨張係数データベース（ＤＢ）
４０…温度補正量算出手段
４２…測定結果温度補正手段
６０…スタイラスチップ

Claims (2)

1. 測定対象物又は測定対象部位に向けて装着された、赤外線カメラと可視カメラが一体化された赤外線可視一体型カメラを備え、
   該赤外線可視一体型カメラを切り替えることによって得られる赤外線画像と可視画像のうち、赤外線画像から得た測定対象物又は測定対象部位の温度情報を用いて、同じ赤外線可視一体型カメラの可視画像から得た測定結果を温度補正することを特徴とする温度補正機能付測定機。
2. 前記赤外線可視一体型カメラで、座標測定機のスタイラスチップの温度分布を測定して温度補正を行うことを特徴とする請求項１に記載の温度補正機能付測定機。