JP6532158B2 - 面形状歪測定装置及び面形状歪の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、面形状の歪みを測定する面形状歪測定装置及び面形状歪の測定方法に関する。

従来、工業製品などの検査において物体表面の面形状の歪を測定する場合、例えば特許文献１に記載された方法などにより物体の表面形状を測定し、周囲の面形状からの変位を歪として計測する方法が一般的である。しかし、その面が緩やかな形状変化や傾きを持つ場合には、微小な歪は周囲形状に埋もれてしまい正確な測定できない。また、三角測量の原理を応用した三次元計測が知られているが、測定精度がカメラの画素分解能と撮影角度に依存するため、測定範囲と計測精度がトレードオフの関係となり、広い範囲内での微小な面形状の歪は測定できない。

従来の微小な面形状の歪の測定方法としては、特許文献２および３に記載のように複数のストライプを面内に平行に並べた格子状パターンを被測定物に照射してその正反射像をカメラにより撮像し、その格子像のライン間のピッチの変化から面形状の歪みを求める方法が知られている。

特開２００３−４４２５号公報 特開２０１１−８９９８１号公報 特開２０１２−２１５４８６号公報

図１２は従来の格子パターンの正反射像から歪を検出する方法の測定系の模式的な配置図と格子パターンの一例を示す図である。照明装置９１により、ｙ方向に伸びた複数のストライプを平面内に等間隔で平行に並べて構成される格子状パターン９０を被測定物９２に照射して、被測定物９２の表面による格子パターン９０の正反射像９３をカメラ９４により撮像して歪みを測定するものである。平面形状に歪みがある場合、正反射像９３の格子パターンが歪み、ライン間隔ｄが変化するのでその間隔の変化を読み取って面の歪を算出する。しかし、この従来の測定装置では、ディスプレイに表示される格子パターンの歪みを測定するため、ディスプレイの表示画面の大きさによって被測定面の計測範囲が限られてしまう。また、被測定物９２の設置位置が図のようにｚ方向にずれた場合、正反射像９３は正反射像９５のようにその位置が変化し、これをカメラで撮影すると格子パターン９６のようになり、そのライン間隔ｄが変化してしまう。このため算出される歪の大きさに大きな誤差が生じていた。

このように、従来の格子パターンの正反射像から歪を検出する方法では、微小な歪を広範囲にわたって測定を行う場合には大型のディスプレイが必要となり、その大きさの制限から計測範囲が限られていた。また、カメラに対する被測定物の設置距離が変動すると正反射像のライン間のピッチが変化し、算出される傾きに大きな誤差が生じていた。

そこで、本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、広い範囲で微小な面形状の歪みの測定が可能で、被測定物の設置距離の変動にも影響を受けにくい面形状歪測定装置および面形状歪の測定方法を提供することを目的とする。

第１の観点では、本発明の面形状歪測定装置は、被測定面に直線状の拡散光を照射する照明光源と、該照明光源に対する相対位置を固定して設置され前記拡散光の被測定面による正反射像を撮影するカメラと、該撮影された正反射像により該正反射像を生ずる前記被測定面の各反射点の相対的な傾きを検出する画像処理手段と、前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を有する被測定物を搭載して少なくとも１軸上を移動する移動機構と、該移動機構の移動量に応じた電気信号を出力するエンコーダとを備え、前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を前記移動機構により１軸上に移動させながら前記撮影を順次行うことにより前記被測定面の測定領域内の各反射点の傾きを順次検出し、その傾きの変化から前記各反射点における曲率を算出する手段と、該算出された被測定面の測定領域内における曲率の分布を表示する手段とを備えることを特徴とする。

本発明においては、１本の直線状の拡散光を移動機構により移動させて測定を行うので、移動機構の移動方向はその駆動範囲まで測定が可能であり、広い範囲にわたって微小な面形状の測定が可能である。また、被測定物がロール状に巻かれている場合は被測定物を巻き取りながら移動させることにより、被測定物のほぼ全長にわたる測定が可能となる。さらに、直線状の拡散光を等間隔に移動させて撮影し、測定を行うので、被測定物の設置距離が変動しても算出される曲率の値への影響は従来の装置に比べると非常に小さい。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の面形状歪測定装置において、前記移動機構の１軸上の移動方向は前記拡散光の直線形状と略直交する方向であることを特徴とする。これにより、正反射像から曲率を算出する計算処理がしやすくなる。

第３の観点では、本発明は、前記拡散光の直線形状に垂直で前記カメラの光軸と前記被測定面とが交わる被測定点を含む面内における前記拡散光の発光点と前記被測定点とを結ぶ直線と前記カメラの光軸との成す角度が３０度以内であることを特徴とする。

本発明の測定装置においては、直線状の拡散光の正反射像のずれによりその反射点での被測定面の傾きを算出するが、そのずれは被測定面の傾き以外に被測定面の奥行き方向の位置ずれによっても生ずるので、その影響を軽減するためには、照明光源とカメラを被測定面に対してできるだけ垂直に向き合うように設定する必要がある。例えば、多くの従来の測定装置では照明光源とカメラを離して設置し、照明光源からの拡散光が被測定面に４５度以上の入射角で入射し同じ角度で反射してカメラに入射し正反射像を撮影するように設定しているが、このような場合は被測定面の奥行き方向の位置ずれが生ずるとその影響が大きくなり、正確な面の傾きの算出は困難となる。
一方、本観点の発明は、照明光源とカメラおよび被測定面の配置を上記のように設定することにより、照明光源の拡散光の被測定面への入射角および反射角が１５度程度以内の正反射像がカメラで撮影されることとなるので、被測定面の奥行き方向の位置ずれの影響を小さく抑えることができる。さらにその影響を小さくするためには、本観点の発明における上記の拡散光の発光点と被測定点とを結ぶ直線と前記カメラの光軸との成す角度が３０度以内とする角度は、１４度以内とし、入射角および反射角が７度程度以内の正反射像をカメラで撮影することが望ましい。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の面形状歪測定装置において、前記移動機構は前記照明光源および前記カメラを搭載することを特徴とする。本発明においては、照明光源およびカメラまたは被測定面を有する被測定物のどちらを移動させてもよいが、被測定物が大きい場合は照明光源およびカメラを移動させる方が容易である。

第５の観点では、本発明は、前記第３の観点の面形状歪測定装置において、前記移動機構は前記被測定面を有する被測定物を搭載することを特徴とする。被測定物が照明光源およびカメラよりも小さい場合や、被測定物がロール状に巻かれている場合などのように被測定物の方が移動しやすい場合は被測定物を移動させた方が望ましい。

第６の観点では、本発明は、前記第２乃至第５の観点の面形状歪測定装置において、前記算出された被測定面の曲率より該被測定面の前記移動機構の移動方向または該移動方向に直交する方向の相対変位を算出する手段と、該算出された相対変位を表示する手段とを有することを特徴とする。本発明の面形状歪測定装置では被測定面の各反射点における曲率が算出されるので、それを拡散光の直線方向または移動機構の移動方向に２重積分することによりそれらの方向の連続的な変位を算出することができる。さらに、その相対的な変位の変化をディスプレイなどに表示することにより被測定物の表面形状を視覚的に観察することができる。

第７の観点では、本発明は、前記第１乃至第６の観点の面形状歪測定装置において、前記照明光源は、拡散光を発生する光源とその光源の前面に配置された直線状のスリットを有することを特徴とする。直線状の拡散光を照射する照明光源の実現方法としては、ＬＥＤや蛍光灯などで直線状の発光源を得る方法や点状の発光源を直線状に並べるなどの方法でもよいが、拡散光をスリットで遮蔽する方が光の明暗の境界が明確になり、カメラで撮影される正反射像が鮮明になる。

第８の観点では、本発明は、被測定面に直線状の拡散光を照射する照明光源と、該照明光源に対する相対位置を固定して設置され前記拡散光の被測定面による正反射像を撮影するカメラと、該撮影された正反射像により該正反射像を生ずる前記被測定面の各反射点の相対的な傾きを検出する画像処理手段と、前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を有する被測定物を搭載して少なくとも１軸上を移動する移動機構と、該移動機構の移動量に応じた電気信号を出力するエンコーダとを備え、前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を前記移動機構により１軸上に移動させながら前記撮影を順次行うことにより前記被測定面の測定領域内の各反射点の傾きを順次検出し、その傾きの変化から前記各反射点を含む面の曲率を算出する手段とを備えることを特徴とする面形状歪の測定方法を提供する。

第９の観点では、本発明は、前記第８の観点の面形状歪の測定方法において、前記移動機構の１軸上の移動方向は前記拡散光の直線形状と略直交する方向であって、前記拡散光の直線形状に垂直で前記カメラの光軸と前記被測定面とが交わる被測定点を含む面内における前記拡散光の発光点と前記被測定点とを結ぶ直線と前記カメラの光軸との成す角度が３０度以内であることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、広い範囲で微小な面形状の歪みの測定が可能で、被測定物の設置距離の変動にも影響を受けにくい面形状歪測定装置および面形状歪の測定方法が得られる。

実施例１に係る面形状歪測定装置の模式的な構成図。 実施例１における照明光源とカメラおよび移動機構の斜視図。 本発明の面形状歪測定装置および面形状の測定方法の測定原理を説明する図。 実施例１の面形状歪測定装置の測定手順を示すフローチャート。 実施例１の面形状歪測定装置による測定結果の一例を示す図。 測定に用いた被測定物の一部を示す写真。 本発明の測定系の模式的な配置図。 実施例２における被測定面の相対変位の算出の手順を示すフローチャート。 算出された曲率分布が表示されたディスプレイ画面。 被測定点のｘ方向の断面における曲率分布を示す図。 断面方向の連続的な変位プロファイルを算出した結果を示す図。 従来の格子パターンの正反射像から歪を検出する方法の測定系の模式的な配置図と格子パターンの一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の面形状歪測定装置および面形状歪の測定方法を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は、実施例１に係る面形状歪測定装置の模式的な構成図である。図１において、本実施例の面形状歪測定装置１０では、照明光源３により被測定物１の被測定面２にｙ軸方向に伸びた直線状の拡散光を照射し、照明光源３に対する相対位置を固定して設置されたカメラ４により拡散光の被測定面２による正反射像を撮影する。カメラ４により撮影された正反射像のデータは画像処理手段を内蔵したパーソナルコンピュータ５に入力され、被測定面２の各反射点の相対的な傾きを検出する。照明光源３とカメラ４はｘ軸方向に平行な軸上を移動する移動機構６に搭載され固定されている。移動機構６はコントローラ７により駆動制御される。コントローラ７は移動機構６の移動量に応じた電気信号を出力するエンコーダを備え、そのエンコーダの出力は撮影トリガーをかけるためカメラ４に入力される。照明光源３およびカメラ４を移動機構６により移動させながらカメラ４により正反射像の撮影を順次行うことにより被測定面２の測定領域内の各反射点の傾きを画像処理手段により順次検出する。パーソナルコンピュータ５はそれらの反射点の傾きの変化から各反射点における曲率を算出する曲率算出手段を備え、算出された被測定面２の測定領域内における曲率の分布がパーソナルコンピュータ５のディスプレイ画面上に表示される。なお、照明光源３は照明コントローラ８により制御される。

図２は本実施例における照明光源とカメラおよび移動機構の斜視図であり、図３は本発明の面形状歪測定装置および面形状の測定方法の測定原理を説明する図である。図２に示すように、本実施例においては被測定面の奥行き方向の位置ずれの影響を小さく抑えるため、被測定面２に対して照明光源３とカメラ４ができるだけ垂直な方向に配置されるようにしている。図３は照明光源３の拡散光の直線形状に垂直でカメラ４の光軸１３と被測定面２が交わる被測定点１４とを含む面内における位置関係を模式的に示しており、照明光源３の拡散光の発光点１５と被測定点１４とを結ぶ直線１６とカメラ４の光軸１３との成す角度αは被測定面の奥行き方向の位置ずれの影響を抑えるためにはできるだけ小さい方が望ましい。αの値としては３０度以下が望ましく、高精度の測定では２０度以下となるように設定する。なお、図３においてはカメラ４の光軸１３は図３が示す面内、すなわち拡散光の直線形状に垂直な面内にあるが、カメラの光軸と直線１６との成す角度がαの値の条件を満たす範囲内であればカメラの光軸はこの面内になくてもよい。

図４は本実施例の面形状歪測定装置の測定手順を示すフローチャートである。以下に、図３および図４を参照して本実施例の測定手順について説明する。基本的には以下の各ステップはパーソナルコンピュータ５からの指令により行う。先ず最初のステップＳ１としてコントローラ７により移動機構６の移動を開始し最初の位置に設定する。次にステップＳ２として撮影トリガーをカメラ４に入力し被測定面２の正反射像を撮影する。図３においては、被測定面２がｘ軸に平行な場合の被測定点１４による正反射像は正反射像９となるが、被測定面が角度θ傾き、被測定面２ａとなった場合は正反射像は正反射像９ａとなる。次にステップＳ３として、カメラ４のレンズの歪みを多項式近似で補正し、画面上の正反射像の位置座標を補正する。

次にステップＳ４として、レンズ歪補正された正反射像をｙ方向に１ピクセルの幅でｘ方向に設定された単位画像サイズの幅の矩形に分割し、各矩形内の輝度ヒストグラムからその重心の座標を算出し、その単位画像の座標とする。それをステップＳ５でメモリー上の二次元配列に保存する。具体的には、図３において、カメラ４のレンズ中心の座標Ｓと発光点１５の座標Ｑは既知であるので正反射像９の座標は定まり、その座標を基準に、被測定面２が傾き被測定面２ａとなった場合の正反射像９ａの座標Ｐが算出される。

ステップＳ６で移動機構６の移動距離が測定範囲の端まで達したか否かを判定し、達していない場合は上記のステップＳ１からＳ５を繰り返し、達した場合にステップＳ７として移動を終了する。

次に、ステップＳ８として、メモリーに保存された被測定面２上の各測定点に対する正反射像の各単位画像の座標を読み出し、その値を用いて各測定点の面の傾き、すなわち図３におけるθの値を算出する。この際、被測定面の傾きθが生じたことによる被測定点の位置を補正する。すなわち、被測定面がθ傾いたことにより被測定点１４は実際には被測定点１７となる。

ステップＳ９として、算出された各被測定点における被測定面の傾きと補正された被測定点の座標とを用い、着目する被測定点の周囲の被測定点の傾きおよび座標から各被測定点の曲率を算出する。

最後にステップＳ１０として、算出された被測定面の曲率の分布を曲率の大きさに応じて色分けして示すように処理し、パーソナルコンピュータ５のディスプレイ画面上に表示する。

図５は本実施例の面形状歪測定装置による測定結果の一例を示す図であり、ディスプレイ上に表示された曲率分布を示す。図６は測定に用いた被測定物の一部を示す写真である。具体的には、図６に示すような自動車のドアの取っ手付近を被測定物としてその表面の面形状の曲率分布を測定したものである。図５において、実際の画面では曲率の大きさによって、赤色（Ｒ）、黄色（Ｙ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の順に色分けして示している。赤色（Ｒ）が曲率０．５／ｍ付近、黄色（Ｙ）が曲率０．２５／ｍ付近であり凸部を、緑色（Ｇ）が曲率０／ｍ付近であり平面部を、青色（Ｂ）が曲率−０．５／ｍ付近であり凹部をそれぞれ示す。この表示により、測定者は視覚的に被測定面の面形状の歪みの様子を明確に認識することができる。この色分けの範囲は画面左上のレンジの値により変更可能としている。

測定においては、図２に示す照明光源３、カメラ４、移動機構６を一体にした装置を三脚やラックなどに搭載し、被測定物に対して最適な位置に設置する。

図７は、本発明の特徴を説明するために示す本発明の測定系の模式的な配置図である。本発明の面形状歪測定装置および面形状歪の測定方法の特徴の一つは被測定物の設置距離の変動に影響を受けにくいことである。図７に示すように、本発明ではカメラ７４と照明光源７１かまたは被測定物７２をｘ方向に一定の計測ピッチｄで移動させるので、被測定物の設置位置がｚ方向に移動しても、図９で示した従来の測定装置の格子間ピッチのように曲率の算出基準となる値が変動することはない。さらに、上記の実施例１のように、拡散光の発光点と被測定点とを結ぶ直線とカメラの光軸とが成す角度αを３０度以下と小さくすることにより、移動前の拡散光の正反射像７３が移動後の正反射像７５と変化することによるカメラで撮影された画面上の位置の変化は非常に小さくなる。これにより、本発明においては算出される曲率の値は被測定物の設置距離の変動の影響を受けにくい。

次に本発明の面形状歪測定装置の実施例２について説明する。実施例２の基本的な構成は図１に示す実施例１と同じであるが、本実施例においては、実施例１の機能にさらに加えて、算出された被測定面の曲率よりその被測定面の移動機構の移動方向であるｘ軸方向または移動方向に直交するｙ軸方向の相対変位を算出する手段と、その算出された相対変位を表示する手段とをパーソナルコンピュータ５が有している。

図８は本実施例における被測定面の相対変位の算出の手順を示すフローチャートである。基本的には各ステップは測定者がパーソナルコンピュータ５を操作してパーソナルコンピュータ５に内蔵された算出手段により行う。先ず、ステップＳ１１として、実施例１に示した手順により算出された曲率分布が表示されたディスプレイ上で、ｘ方向またはｙ方向の変位を算出したい点を入力する。この入力により、ステップ１２として、選択された点を含む断面の曲率のデータ配列をメモリより抽出する。この場合、選択された断面方向の曲率の値をプロットしディスプレイ上に表示してもよい。最後にステップ１３として、曲率を２重積分することにより選択断面の連続的な変位プロファイルを算出し、ディスプレイ上に表示する。

図９、図１０、図１１は本実施例の面形状歪測定装置による測定結果の一例を示す図である。図９は実施例１に示した手順により算出された曲率分布が表示されたディスプレイ
画面を示す。本測定においては被測定物としては球面形状を有する凹面鏡を用いた。その曲率半径Ｒは３．０４８ｍ、すなわち、曲率１／Ｒは−０．３２８／ｍである。測定結果を示す図９において、凹面鏡部分はその曲率−０．３２８／ｍに対応した一様な青色に着色されている。

図１０は被測定点のｘ方向の断面における曲率分布を示す図である。別の方法で予め測定された真の曲率（真値）と本実施例の面形状歪測定装置による測定値をプロットしたものであるが、両値はほとんど重なっており、本実施例において高精度の曲率の測定値が得られていることがわかる。

図１１は曲率を２重積分することにより断面方向の連続的な変位プロファイルを算出した結果を示す図である。図１１は、別の方法で予め測定された真の変位形状（真値）と本実施例の面形状歪測定装置による測定値をプロットしたものであるが、両値はほぼ重なっており、本実施例において高精度の変位分布の測定値が得られていることがわかる。

以上のように、本発明により広い範囲で微小な面形状の歪みの測定が可能で、被測定物の設置距離の変動にも影響を受けにくい面形状歪測定装置および面形状歪の測定方法が得られることが確認できた。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、パーソナルコンピュータには上記の実施例に示した以外の機能を付加してもよい。または、上記の実施例に示した機能の一部またはすべてをパーソナルコンピュータ以外の電子機器で実現してもよい。照明光源やカメラの種類、形状、機能も目的に合わせて選択可能である。また、移動機構は２軸以上の移動が可能であってもよい。

１、７２、９２ 被測定物
２、２ａ 被測定面
３、７１ 照明光源
４、７４、９４ カメラ
５ パーソナルコンピュータ
６ 移動機構
７ コントローラ
８ 照明コントローラ
９、９ａ、７３、７５、９３、９５ 正反射像
１０ 面形状歪測定装置
１３ 光軸
１４、１７ 被測定点
１５ 発光点
１６ 直線
９０、９６ 格子状パターン
９１ 照明装置

Claims (6)

1. 被測定面に直線状の拡散光を照射する照明光源と、該照明光源に対する相対位置を固定して設置され前記拡散光の被測定面による正反射像を撮影するカメラと、該撮影された正反射像により該正反射像を生ずる前記被測定面の各反射点の相対的な傾きを検出する画像処理手段と、前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を有する被測定物を搭載して少なくとも１軸上を移動する移動機構と、該移動機構の移動量に応じた電気信号を出力するエンコーダとを備え、
   前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を前記移動機構により１軸上に移動させながら前記撮影を順次行うことにより前記被測定面の測定領域内の各反射点の傾きを順次検出し、その傾きの変化から前記各反射点における曲率を算出する手段と、該算出された被測定面の測定領域内における曲率の分布を表示する手段とを備え、
   前記移動機構の１軸上の移動方向は前記拡散光の直線形状と略直交する方向であり、
   前記拡散光の直線形状に垂直で前記カメラの光軸と前記被測定面とが交わる被測定点を含む面内における前記拡散光の発光点と前記被測定点とを結ぶ直線と前記カメラの光軸との成す角度が２０度以下であることを特徴とする面形状歪測定装置。
2. 前記移動機構は前記照明光源および前記カメラを搭載することを特徴とする請求項１に記載の面形状歪測定装置。
3. 前記移動機構は前記被測定面を有する被測定物を搭載することを特徴とする請求項１に記載の面形状歪測定装置。
4. 前記算出された被測定面の曲率より該被測定面の前記移動機構の移動方向または該移動方向に直交する方向の相対変位を算出する手段と、該算出された相対変位を表示する手段とを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の面形状歪測定装置。
5. 前記照明光源は、拡散光を発生する光源とその光源の前面に配置された直線状のスリットを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の面形状歪測定装置。
6. 被測定面に直線状の拡散光を照射する照明光源と、該照明光源に対する相対位置を固定して設置され前記拡散光の被測定面による正反射像を撮影するカメラと、該撮影された正反射像により該正反射像を生ずる前記被測定面の各反射点の相対的な傾きを検出する画像処理手段と、前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を有する被測定物を搭載して少なくとも１軸上を移動する移動機構と、該移動機構の移動量に応じた電気信号を出力するエンコーダとを備え、
   前記照明光源および前記カメラまたは前記被測定面を前記移動機構により１軸上に移動させながら前記撮影を順次行うことにより前記被測定面の測定領域内の各反射点の傾きを順次検出し、その傾きの変化から前記各反射点を含む面の曲率を算出する手段とを備え、
   前記移動機構の１軸上の移動方向は前記拡散光の直線形状と略直交する方向であって、前記拡散光の直線形状に垂直で前記カメラの光軸と前記被測定面とが交わる被測定点を含む面内における前記拡散光の発光点と前記被測定点とを結ぶ直線と前記カメラの光軸との成す角度が２０度以下であることを特徴とする面形状歪の測定方法。