WO2022113934A1 - 表面粗さ測定装置、及び、表面粗さ測定方法 - Google Patents

表面粗さ測定装置、及び、表面粗さ測定方法 Download PDF

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WO2022113934A1
WO2022113934A1 PCT/JP2021/042806 JP2021042806W WO2022113934A1 WO 2022113934 A1 WO2022113934 A1 WO 2022113934A1 JP 2021042806 W JP2021042806 W JP 2021042806W WO 2022113934 A1 WO2022113934 A1 WO 2022113934A1
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surface roughness
unit
illumination
measurement target
image
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PCT/JP2021/042806
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English (en)
French (fr)
Inventor
英一 長岡
Original Assignee
株式会社堀場製作所
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a surface roughness measuring device and a surface roughness measuring method.
  • a three-dimensional measuring device for measuring the shape of the surface of an object to be measured by using the illuminance difference stereo method.
  • This three-dimensional measuring device includes an image pickup unit having an illumination unit and an image pickup device, and the illumination unit includes a dome-shaped dome member having an opening formed at the top thereof and three or more dome members arranged inside the dome member. (Specifically, it has 8 LEDs).
  • the light from one LED is specularly reflected on the measurement target surface, and the specularly reflected light faces each other. It reaches another LED that has been placed. The specularly reflected light that reaches another LED is reflected by the other LED and is incident on the measurement target surface again. As a result, it causes a measurement error in the measurement of surface roughness using the illuminance difference stereo method.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and its main task is to reduce the measurement error caused by the specularly reflected light on the measurement target surface being reflected by another illumination unit. It is a thing.
  • the surface roughness measuring device is a surface roughness measuring device that measures the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that images the surface to be measured and the image pickup unit.
  • the image pickup unit is provided with an optical lens that forms an image of the measurement target surface, and three or more illumination units that irradiate the measurement target surface with light, and each of the illumination units is directed from the optical axis direction of the optical lens. It is characterized by being arranged in positions that do not face each other when viewed.
  • the illuminating units are arranged at positions that do not face each other when viewed from the optical axis direction of the optical lens, the positively reflected light on the measurement target surface in each illuminating unit. Can be prevented from reaching another lighting unit. As a result, it is possible to reduce the measurement error caused by the specularly reflected light on the measurement target surface being reflected by another illumination unit.
  • the plane including the optical axis of each lighting unit and the optical axis of the optical lens is arranged so as not to be shared by each lighting unit.
  • the illumination unit has three or more odd numbers and is arranged at equal intervals around the optical axis of the optical lens.
  • the illumination units are arranged at positions that do not face each other when viewed from the optical axis direction of the optical lens.
  • a lighting holding member that holds the plurality of lighting units and surrounds the measurement target surface in order to block the intrusion of light from the surrounding environment is further provided. It is possible to prepare. In this configuration, in order to improve the measurement accuracy of the surface roughness, it is desirable that the inner surface of the illumination holding member is subjected to antireflection treatment.
  • the surface roughness measuring device using the illuminance difference stereo method is a surface roughness measuring device that changes the brightness of the same pixel position in a plurality of images captured by the image pickup unit while switching the plurality of illumination units, that is, each pixel is obtained from the brightness information of each image. It further includes a calculation unit that calculates the normal vector of the surface to be measured at the position.
  • a calculation unit calculates the normal vector of the surface to be measured at the position.
  • the calculation unit calculates the normal vector by omitting the luminance information of the image having the luminance value exceeding the predetermined luminance.
  • the number of the illumination units is five. ..
  • the surface roughness measuring device controls the switching of lighting of the plurality of lighting units, and switches between the control unit that controls the imaging operation of the imaging unit and the plurality of lighting units while switching the imaging unit. It further includes a calculation unit that calculates the surface roughness of the surface to be measured from the plurality of images captured by the image pickup unit, and a display unit that displays the image captured by the image pickup unit or the surface roughness calculated by the calculation unit. Is desirable.
  • the surface roughness measuring method is a surface roughness measuring method for measuring the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that captures an image of the surface to be measured.
  • An optical lens that forms an image of the measurement target surface on the image pickup unit and three or more illumination units that irradiate the measurement target surface with light are used, and each of the illumination units is used as an optical axis of the optical lens. It is characterized by being arranged at positions that do not face each other when viewed from a direction.
  • the three-dimensional measuring device of Patent Document 1 when the three-dimensional measuring device is installed close to the measurement target surface, the light from the illumination unit cannot be regarded as parallel light, so that the measurement target surface cannot be regarded as parallel light.
  • the direction of the light vector (illumination direction vector) arriving from the illumination unit changes depending on the position. As a result, an error increases when calculating the normal vector in the illuminance difference stereo method.
  • the main subject of the surface roughness measuring device of the present invention is to measure the surface roughness with high accuracy in consideration of the illumination direction vector at each position of the measurement target surface.
  • the surface roughness measuring device is a surface roughness measuring device that measures the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that images the surface to be measured and the image pickup unit.
  • the measurement is performed from a plurality of images captured by the image pickup unit while switching between an optical lens that forms an image of the measurement target surface on the image pickup unit, a plurality of illumination units that irradiate the measurement target surface with light, and the plurality of illumination units.
  • the calculation unit includes a calculation unit that calculates a normal vector of the target surface, and the calculation unit uses a vector from each illumination unit toward the position of the measurement target surface corresponding to each pixel as an illumination direction vector in each pixel. It is characterized by calculating a normal vector.
  • a normal vector is calculated by using a vector from each illumination unit toward "the position of the measurement target surface corresponding to each pixel" as an illumination direction vector in each pixel.
  • the surface roughness can be measured accurately regardless of the change of the illumination direction vector at the position of the measurement target surface.
  • the distance from each illumination unit to the position of the measurement target surface corresponding to each pixel that is, the length of the illumination direction vector also changes according to the position of the measurement target surface corresponding to each pixel. It is desirable to correct the luminance information of each pixel according to the distance from each lighting unit and calculate the normal vector.
  • the illuminance distribution characteristics of each lighting unit also become an error factor when calculating the normal vector. Therefore, it is desirable that the calculation unit corrects the luminance information of each pixel and calculates the normal vector based on the illuminance distribution characteristic of each lighting unit.
  • the limb darkening characteristics of the optical lens also become an error factor when calculating the normal vector. Therefore, it is desirable that the calculation unit corrects the luminance information of each pixel based on the limb darkening characteristic of the optical lens and calculates the normal vector.
  • the calculation unit performs color separation of the image captured by the image pickup unit to generate a color separation image, and calculates the normal vector from the color separation image based on the spectral characteristics of the illumination unit. Is desirable.
  • the lighting unit uses a white LED.
  • the blue component may be extremely strong, and the blue component tends to be overexposed. Therefore, the calculation unit performs color separation of the image captured by the imaging unit to generate a color separation image, and calculates the normal vector using the green image and / or the red image of the color separation images. Is desirable.
  • the surface roughness measuring device of the present invention includes a control unit that adjusts the exposure of the image pickup unit based on the blue component.
  • the surface roughness measuring device controls the switching of lighting of the plurality of lighting units, and switches between the control unit that controls the imaging operation of the imaging unit and the plurality of lighting units to perform the imaging.
  • a calculation unit that calculates the surface roughness of the surface to be measured from a plurality of images captured by the unit, and a display unit that displays the image captured by the imaging unit or the surface roughness calculated by the calculation unit are further added. It is desirable to prepare.
  • the surface roughness measuring method is a surface roughness measuring method for measuring the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that captures an image of the surface to be measured.
  • An optical lens for forming an image of the measurement target surface on the image pickup unit and a plurality of illumination units for irradiating the measurement target surface with light are used, and a plurality of image pickup units are imaged while switching between the plurality of illumination units.
  • the normal vector of the measurement target surface is calculated from the image, and the vector from each illumination unit toward the position of the measurement target surface corresponding to each pixel is used as the illumination direction vector in each pixel to calculate the normal vector. Is characterized by calculating.
  • the program for measuring surface roughness is a program for measuring the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that images the surface to be measured. It is used in a surface roughness measuring device including an optical lens for forming an image of the measurement target surface on the image pickup unit and a plurality of illumination units for irradiating the measurement target surface with light.
  • the computer is provided with a function as a calculation unit that calculates a normal vector of the measurement target surface from a plurality of images captured by the image pickup unit while switching, and the calculation unit measures measurement corresponding to each pixel from each illumination unit.
  • the normal vector is calculated by using the vector toward the position of the target surface as the illumination direction vector in each pixel.
  • the three-dimensional measuring device of Patent Document 1 requires a moving mechanism for moving the image pickup unit, a transporting unit for transporting the object to be measured, and the like, which makes the device configuration large and at a processing site or a manufacturing site. It is difficult to use. In addition, it was not possible to measure the surface roughness of a large object to be measured that could not be mounted on the transport section.
  • the main subject of the surface roughness measuring device of the present invention is to easily measure the surface roughness without damaging the surface to be measured, and to realize miniaturization and weight reduction.
  • the surface roughness measuring device is a surface roughness measuring device that measures the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that images the surface to be measured and the image pickup unit.
  • the image pickup unit includes an optical lens that forms an image of the measurement target surface, a plurality of illumination units that irradiate the measurement target surface with light, and a lighting holding member that holds the plurality of lighting units. It is characterized in that it defines the distance between the optical lens and the surface to be measured.
  • the illumination holding member that holds a plurality of illumination units defines the distance between the optical lens and the measurement target surface
  • a positioning mechanism for positioning the optical lens with respect to the measurement target surface can be eliminated.
  • the configuration of the surface roughness measuring device can be simplified, and the size and weight can be reduced.
  • the surface roughness of the surface to be measured can be measured simply by applying the illumination holding member to the surface to be measured, the surface roughness measuring device can be easily handled, and the surface roughness can be easily measured at the processing site or the manufacturing site. Can be measured.
  • the illuminance difference stereo method is used, the measurement time of the surface roughness of the surface to be measured can be shortened to, for example, about 1 second.
  • the surface roughness measuring device of the present invention is configured such that the measurement range of the surface roughness can be changed by exchanging the illumination holding member. It is desirable that it is done.
  • the surface roughness measuring device of the present invention it is conceivable to further include the image pickup unit and the device main body having the optical lens.
  • the illumination holding member is detachably attached to the main body of the device and defines the distance between the optical lens and the surface to be measured. Further, it is desirable to appropriately set the imaging magnification of the optical lens according to the measurement range of the surface roughness. Further, it is desirable that the distance between the optical lens defined by the illumination holding member and the measurement target surface is set according to the image pickup magnification of the optical lens. Further, in order to supply power to a plurality of lighting units, it is desirable that the device main body and the lighting holding member can be electrically connected.
  • the surface roughness measuring device of the present invention is provided with a positioning mechanism for positioning the illumination holding member around the optical axis of the optical lens with respect to the device main body.
  • the optical axis of each of the plurality of illumination units passes through the intersection of the optical axis of the optical lens and the measurement target surface.
  • the surface roughness measurement range is switched according to the type of the lighting holding member. It is further desirable to further include a control unit that changes the imaging magnification of the optical lens and automatically changes the cutoff frequency when calculating the surface roughness.
  • a wide-angle LED is used as the illumination unit in the illumination holding member having a low magnification by the optical lens, and the illumination holding member having a high magnification by the optical lens has a wide-angle LED. It is desirable that a narrow-angle LED is used as the lighting unit.
  • the surface roughness measuring device of the present invention controls the switching of lighting of the plurality of lighting units and controls the imaging operation of the imaging unit, and the image pickup unit switches between the control unit and the plurality of lighting units. Further provided are a calculation unit that calculates the surface roughness of the surface to be measured from a plurality of captured images, and a display unit that displays the image captured by the imaging unit or the surface roughness calculated by the calculation unit. Is desirable.
  • the surface roughness measuring method is a surface roughness measuring method for measuring the surface roughness of the surface to be measured by using the illuminance difference stereo method, and includes an imaging unit that captures an image of the surface to be measured.
  • An optical lens that forms an image of the measurement target surface on the image pickup unit, a plurality of illumination units that irradiate the measurement target surface with light, and an illumination holding member that holds the plurality of illumination units are used, and the illumination holding member is used.
  • the member defines the distance between the optical lens and the surface to be measured.
  • the surface roughness measuring device 100 of the present embodiment measures the surface roughness of the measurement target surface W by using the illuminance difference stereo method, and is a portable type that can be moved with respect to the measurement target surface W. ..
  • the illuminance difference stereo method three or more images of the measurement target surface W are acquired by a single imaging unit that is relatively stationary with respect to the measurement target surface W while switching between a plurality of illumination units.
  • the surface roughness measuring device 100 includes an image pickup unit 2 that images the measurement target surface W, an optical lens 3 that images the measurement target surface W on the image pickup unit 2, and a measurement target surface. While controlling switching between lighting of the plurality of illumination units 4a to 4e that irradiate W with light, the illumination holding member 5 that holds the plurality of illumination units 4a to 4e, and the plurality of illumination units 4a to 4e, the image pickup unit 2 It is provided with a control unit 6 for controlling the image pickup operation of the above, and a calculation unit 7 for calculating the surface roughness of the measurement target surface W from a plurality of images captured by the image pickup unit 2 while switching between the plurality of illumination units 4a to 4e. There is.
  • the image pickup unit 2 captures the measurement target surface W, and has, for example, an image pickup element 21 such as a CCD image sensor or a CMOS image sensor.
  • the image pickup unit 2 is arranged vertically above the measurement target surface W when the measurement target surface W is imaged.
  • the optical lens 3 forms an optical image of the measurement target surface W on the image pickup element 21 of the image pickup unit 2.
  • the optical lens 3 is movably provided so that the distance between the image pickup unit 2 and the image pickup element 21 can be changed by a focus mechanism (not shown).
  • the optical axis 3L of the optical lens 3 is arranged by the illumination holding member 5 so as to be substantially perpendicular to the measurement target surface W when the measurement target surface W is imaged.
  • the image pickup unit 2 and the optical lens 3 are housed in the housing 8 to form the apparatus main body 9.
  • the apparatus main body 9 is provided with a power switch, a measurement button for starting measurement of surface roughness, and the like.
  • the control unit 6 and the calculation unit 7 are configured by an information processing device COM such as a computer connected to the device main body 9 so as to be communicable by wire or wirelessly, and various information is transmitted to the display unit 12 such as a display. It is configured to be displayable.
  • the information processing apparatus COM has a CPU, an internal memory, an input / output interface, and the like, and exhibits various functions shown below based on the surface roughness measurement program stored in the internal memory.
  • Each of the plurality of lighting units 4a to 4e is an LED, and in this embodiment, a white LED is used.
  • the optical axes 4L of each of the plurality of illumination units 4a to 4e have an intersection point P between the optical axis 3L of the optical lens 3 and the measurement target surface W when the measurement target surface W is imaged. It is arranged to pass through. Since the plurality of illumination units 4a to 4e have an axisymmetric illuminance distribution for each optical axis 4L, the illuminance in the measurement range of the measurement target surface W can be made uniform.
  • the illumination holding member 5 that holds these plurality of illumination units 4a to 4e has a substantially rotating body shape, and the light emitting surface of the illumination units 4a to 4e is exposed on the inner surface thereof.
  • five illumination units 4a to 4e are provided on the illumination holding member, and these illumination units 4a to 4e are provided at equal intervals around the optical axis 3L of the optical lens 3. ing.
  • any of the plurality of illumination units 4a to 4e are configured to face each other, as shown in FIG. 4, the light from one illumination unit is specularly reflected by the measurement target surface W. , The specularly reflected light reaches another illuminating unit arranged so as to face each other. The specularly reflected light that has reached another lighting unit is reflected by the light emitting surface of the other lighting unit and is incident on the measurement target surface W again. As a result, it causes a measurement error in the measurement of surface roughness using the illuminance difference stereo method.
  • each of the plurality of illumination units 4a to 4e is an optical lens. 3 are arranged at positions that do not face each other when viewed from the optical axis direction.
  • each of the illumination units 4a to 4e is positive on the measurement target surface W. It is possible to prevent the reflected light from reaching another illumination unit. As a result, it is possible to reduce the measurement error caused by the specularly reflected light on the measurement target surface W being reflected by another illumination unit.
  • the plane including the optical axis 4L of each of the illumination units 4a to 4e and the optical axis 3L of the optical lens 3 are arranged so as not to be shared by the respective illumination units 4a to 4e (see FIG. 2). ).
  • the five illumination units 4a to 4e are arranged at equal intervals around the optical axis 3L of the optical lens 3 (see FIG. 3).
  • the illumination holding member 5 includes the optical axis 3L of the optical lens 3 and the measurement target surface W so that ambient light (light from an indoor lighting device such as a fluorescent lamp, sunlight, etc.) does not enter the measurement range of the measurement target surface W. It has a substantially rotating body shape so as to surround a region centered on the intersection P of the above.
  • the inner surface of the illumination holding member 5 may be subjected to antireflection treatment, for example, by painting a material having a low reflectance or attaching a sheet having a low reflectance.
  • the illumination holding member 5 that holds the plurality of illumination units 4a to 4e defines the distance between the optical lens 3 and the measurement target surface W, so that the optical lens 3 is positioned with respect to the measurement target surface W.
  • the mechanism can be eliminated.
  • the configuration of the surface roughness measuring device 100 can be simplified, and the size and weight can be reduced.
  • the surface roughness of the measurement target surface W can be measured only by covering the illumination holding member 5 on the measurement target surface W, the surface roughness measuring device 100 can be easily handled, and at a processing site or a manufacturing site. The surface roughness can be easily measured.
  • the measurement time of the surface roughness of the measurement target surface W can be shortened to, for example, 1 second or less.
  • the surface roughness measuring range can be changed by exchanging the illumination holding member 5.
  • the illumination holding member 5 is detachably attached to the apparatus main body 9, and the surface roughness measurement range can be changed by exchanging the illumination holding member 5.
  • the measurement range of surface roughness For example, when measuring a measurement target surface W having relatively severe unevenness such as several tens of ⁇ m, the period of unevenness is expected to be long. Therefore, a wider area must be measured. On the other hand, when measuring a smooth measurement target surface W having irregularities of about submicron, it is expected that fine irregularities will continue in an extremely short cycle. Therefore, it is more efficient to narrow the measurement range and increase the position resolution. That is, it is necessary to widen or narrow the measurement range according to the order of the surface roughness to be measured, and the reference length Lr as the reference is defined (for example, in Tables 1 and 2 of JISB0633: 2001, etc.). It is shown). Since the reference length Lr changes stepwise according to the increase or decrease of the surface roughness to be measured, this is called the surface roughness measurement range.
  • the optical lens 3 causes the image pickup device 21 to form an optical image of the measurement range on the measurement target surface W.
  • the measurement range that contributes to the captured image as an optical image is a rectangular region on the measurement target surface W.
  • the rectangular area of this measurement range must include the aforementioned reference length Lr (at least the diagonal length of the rectangle must be longer than the reference length Lr). Since the size of the image pickup device 21 is finite, the shooting magnification of the optical lens 3 must be set so that the size of this measurement range can be changed according to the measurement range of the surface roughness.
  • the above-mentioned reference length Lr becomes long.
  • the imaging magnification of the optical lens 3 is set to a low magnification so that the rectangular region including the extended reference length Lr is within the measurement range.
  • the above-mentioned reference length Lr becomes short, so that the imaging magnification of the optical lens 3 is increased as much as possible to improve the position resolution (corresponding to the space between adjacent pixels). Shorten the distance on the measurement target surface W).
  • the illumination holding member 5 defines the distance between the device main body 9 (specifically, the optical lens 3) and the measurement target surface W according to the measurement range.
  • the illumination holding member 5 when the image pickup magnification of the optical lens 3 is high, the illumination holding member 5 that shortens the distance between the optical lens 3 and the measurement target surface W is used (see FIG. 5A).
  • the illumination holding member 5 for increasing the distance between the optical lens 3 and the measurement target surface W is used (see FIG. 5B).
  • the optical image of the measurement target surface W can be formed on the image sensor 21 in a focused state regardless of the photographing magnification of the optical lens 3.
  • the illumination holding member 5 having a low magnification by the optical lens 3 is provided with a wide-angle LED (for example, a half-angle of 60 deg and a luminous intensity of 1.5 cd) as illumination units 4a to 4e.
  • a wide-angle LED for example, a half-angle of 60 deg and a luminous intensity of 1.5 cd
  • the F value the inverse of the brightness of the optical system
  • narrow-angle LEDs for example, a half-angle of 30 deg and a luminous intensity of 25 cd
  • the luminous intensity of the narrow angle LED which is a “scale indicating the brightness as a light source”, becomes large, it is possible to compensate for the decrease in the amount of light reaching the image sensor 21.
  • the half angle the angle in the radiation direction where the amount of light is halved with respect to the optical axis of the LED where the amount of light is maximum
  • the measurement range is narrowed, so that it is possible to illuminate with uniform illuminance within the measurement range.
  • a positioning mechanism 10 for positioning the illumination holding member 5 around the optical axis 3L of the optical lens 3 is provided with respect to the apparatus main body 9.
  • the positioning mechanism 10 positions a plurality of illumination units 4a to 4e around the optical axis 3L of the optical lens 3 with respect to the image pickup element of the image pickup unit 2 by positioning the illumination holding member 5 with respect to the apparatus main body 9. It is a thing.
  • the positioning mechanism 10 is provided on one of the device main body 9 or the illumination holding member 5 and the positioning concave portion 101 provided on the other side of the device main body 9 or the illumination holding member 5, and the positioning concave portion 101 is fitted. It has 102 and.
  • the illumination holding member 5 is provided with the positioning convex portion 101
  • the apparatus main body 9 is provided with the positioning concave portion 102.
  • the positions of the illumination units 4a to 4e as seen from the image sensor 21 can be returned to the preset correct positions. Since the positions of the illumination units 4a to 4e are also required in the calculation of the normal vector described later, if the positions change when the illumination holding member 5 is attached or detached, an error will occur in the calculation of the normal vector. However, since the positioning mechanism 10 is provided in this embodiment, it is possible to reduce the error due to attachment / detachment.
  • the apparatus main body 9 is provided with the main body side connectors 111 for supplying power to the plurality of lighting units 4a to 4e, and the lighting holding member 5 is provided with the plurality of lighting units 4a.
  • An illumination side connector 112 for supplying power to 4e is provided. Then, by attaching the lighting holding member 5 to the device main body 9, the main body side connector 111 and the lighting side connector 112 are connected to each other. Specifically, the main body 9 and the lighting holding member 5 are positioned and attached by the positioning mechanism 10, so that the main body side connector 111 and the lighting side connector 112 are connected. Since the lighting units 4a to 4e are independently and electrically connected, any lighting unit can be turned on or off by the control of the control unit 6.
  • the main body side connector 111 and the illumination side connector 112 for electrical connection are separately provided, but even if only the main body side connector 111 and the illumination side connector 112 are used. In this case, by connecting the main body side connector 111 and the illumination side connector 112, the function of the positioning mechanism 10 described above may be fulfilled.
  • the surface roughness measuring device 100 of the present embodiment is configured to automatically switch the surface roughness measurement range according to the type of the lighting holding member 5 by exchanging the lighting holding member 5. There is.
  • control unit 6 of the surface roughness measuring device 100 recognizes the type of the illumination holding member 5 when the main body side connector 111 and the illumination side connector 112 are connected. Then, the measurement range of the surface roughness is switched according to the type of the illumination holding member 5, and the above-mentioned reference length Lr is selected. Further, the image pickup magnification by the optical lens 3 is changed, and the cutoff frequency ( ⁇ c, ⁇ s, ⁇ f) at the time of surface roughness calculation corresponding to the reference length Lr is automatically changed.
  • the control unit 6 detects that the measurement button provided on the apparatus main body 9 is pressed by the user, the lighting unit 4a is turned on and the other lighting units 4b to 4e are turned off.
  • the image pickup device 21 of the photographing unit 2 records the optical image formed by the optical lens 3 in this state as image data. This image data is transferred to the calculation unit 7 of the information processing apparatus COM.
  • the control unit 6 turns off the illumination unit 4a, turns on the illumination unit 4b instead, and transfers the image data captured by the image pickup device 21 to the calculation unit 7. In this way, shooting is performed while switching to a state in which only one of the plurality of lighting units 4a to 4e is lit, and a total of five images having the same number as the lighting units 4a to 4e are acquired.
  • the calculation unit 7 includes a normal vector calculation unit 7a that calculates a normal vector of the measurement target surface W from a plurality of images captured by the image pickup unit 2 while switching the illumination units 4a to 4e.
  • the 3D shape calculation unit 7b that integrates the normal vector of the measurement target surface W to calculate the 3D shape of the measurement target surface W, and the surface roughness calculation that calculates the surface roughness from the 3D shape of the measurement target surface W. It has a portion 7c.
  • the surface roughness calculation unit 7c uses the changed cutoff frequency to obtain the surface roughness (for example, the arithmetic mean of the roughness curve in JISB0601: 2013). Roughness Ra, maximum height Rz of the roughness curve, etc.) are calculated.
  • the normal vector calculation unit 7a calculates the normal vector at each pixel position from the brightness change of the same pixel position, that is, the luminance information of each image in a plurality of images.
  • the normal vector calculation unit 7a of the present embodiment uses, for example, a minimum square method from the luminance information of the same pixel position in the five images and the illumination direction vector indicating the direction of the incident illumination when each image is taken. Use to calculate the normal vector.
  • the three-dimensional shape calculation unit 7b obtains the surface shape of the measurement target surface W by integrating the normal vector calculated by the normal vector calculation unit 7a.
  • FIG. 7 shows an example of the surface shape of the measurement target surface W (ceramic) obtained by the three-dimensional shape calculation unit 7b.
  • the upper part of FIG. 7 shows the height dimensions (roughness curve) of the measurement target surface W in two directions (X direction and Y direction) orthogonal to each other. Further, the three-dimensional shape obtained by the three-dimensional shape calculation unit 7b can be displayed on the display unit 12.
  • the surface roughness calculation unit 7c calculates the surface roughness of the measurement target surface W from the three-dimensional shape obtained by the three-dimensional shape calculation unit 7b.
  • the surface roughness is, for example, the arithmetic average roughness Ra in JISB0601: 2013, the maximum height Rz of the roughness curve, and the like.
  • the surface roughness obtained by the surface roughness calculation unit 7c can be displayed on the display unit 12 and can be displayed on the same screen together with the above three-dimensional shape (see the upper part of FIG. 7).
  • the specific illumination unit in the plurality of illumination units 4a to 4e is used.
  • the positively reflected light from the measurement target surface W is incident on the image pickup unit 2. Since the specularly reflected light is much brighter than the diffusely reflected light, the charge charged by photoelectric conversion becomes saturated in the pixels of the image pickup device 21 that receives the specularly reflected light. Then, a part of the image captured by the image pickup unit 2 may be overexposed and observed as a bright spot. In such a case, a measurement error may occur when calculating the normal vector.
  • the normal vector calculation unit 7a can calculate the normal vector by omitting the luminance information of the image having the luminance value exceeding the predetermined luminance.
  • FIG. 9A is a calculation result of the three-dimensional shape when the calculation is performed using all the luminance information for all the pixel positions.
  • FIG. 9A is a calculation result of the three-dimensional shape when the calculation is performed using all the luminance information for all the pixel positions.
  • 9B is a calculation result of the three-dimensional shape when the luminance information of the same pixel is tested and the luminance information of the image having the luminance value exceeding the predetermined luminance is omitted, and is spike-shaped. It can be seen that the protrusions and holes are reduced.
  • the normal vector calculation unit 7a can calculate the normal vector by omitting the luminance information of the image having the luminance value lower than the second predetermined luminance.
  • the normal vector may be calculated from the luminance information of the image and the illumination direction vector.
  • the normal vector can be calculated if there are three or more luminance information, all the combinations that can be calculated are considered. That is, there is only one way to use all five luminance information. There are 5 cases where 4 brightness information is used. And there are 10 combinations that use any 3 brightness information. Since the normal vector can be calculated from 16 combinations in total, it is sufficient to perform a predetermined error evaluation, select the combination having the smallest measurement error, and adopt the normal vector calculated by the combination.
  • the luminance value may be inversely calculated using the calculated normal vector and the illumination direction vector used at the time of calculation, and the sum of squares of the residuals with the luminance information of each image may be used.
  • the illumination units 4a to 4e are installed close to the measurement target surface, the light emitted from the illumination units 4a to 4e can be regarded as parallel light. As shown in FIG. 10, the direction of the light vector (illumination direction vector) that reaches each position in the measurement range from the illumination units 4a to 4e changes depending on the position of the measurement target surface W. As a result, an error increases when calculating the normal vector in the illuminance difference stereo method.
  • the normal vector calculation unit 7a is a measurement target corresponding to each pixel from each illumination unit 4a to 4e.
  • the normal vector can be calculated by using the vector toward the position of the surface W as the illumination direction vector in each pixel. Specifically, the following calculation is executed for each pixel.
  • the position vector indicating the position of each of the illumination units 4a to 4e is defined as V1.
  • the position on the measurement target surface W corresponding to the pixel is calculated for each pixel as the position vector V2 of the same three-dimensional coordinate system, and the vector V2-V1 which is the difference between the two is calculated and used as the illumination direction vector. Just do it.
  • the normal vector is calculated by using the vector from each of the illumination units 4a to 4e toward the position of the measurement target surface W corresponding to each pixel as the illumination direction vector in each pixel, so that the measurement target surface W
  • the surface roughness can be measured accurately in consideration of the illumination direction vector at each position of.
  • FIG. 11 shows the results of measuring the three-dimensional shape of the flat plate.
  • (b) When the illumination direction vector is corrected for each pixel. It is shown that when the illumination direction vector is corrected for each pixel, the degree of curvature of the surface shape is reduced.
  • the distance from each of the illumination units 4a to 4e to the position on the measurement target surface W corresponding to each pixel also changes according to the position of the measurement target surface corresponding to each pixel.
  • the illuminance which is the brightness per unit area, decreases in inverse proportion to the square of the reach. Therefore, it is desirable to correct the luminance information of each pixel and calculate the normal vector according to the distance from each illumination unit, that is, the magnitude (scalar value) of the illumination vector V2-V1.
  • each of the lighting units 4a to 4e has an illuminance distribution characteristic for an axis centered on the optical axis 4L.
  • the above-mentioned half angle is a typical example, and these illuminance distribution characteristics can be stored in the calculation unit 7. It is desirable to use this illuminance distribution characteristic to correct the luminance information at each pixel position and calculate the normal vector.
  • the optical lens 3 has limb darkening characteristics. This is a phenomenon in which the four corners are darker than the center of the captured image. That is, even if the actual illuminance distribution is uniform, the amount of light that reaches the image pickup device 21 through the optical lens 3 changes depending on the pixel. Since this dimming characteristic can also be stored in the calculation unit 7, it is desirable to correct the luminance information at each pixel position and calculate the normal vector.
  • the image viewed by the user is a color image, and it is necessary to use an image sensor such as a color CCD or a color CMOS as the image sensor 21. Further, it is desirable that each of the lighting units 4a to 4e is a white LED. By doing so, the user can move the apparatus main body 9 to a position suitable for measuring the surface roughness while observing an image consisting of correct color information.
  • the normal vector calculation unit 7a color-separates the image captured by the image pickup unit 2 to generate a color-separated image, and calculates the normal vector from the color-separated images based on the spectral characteristics of the illumination units 4a to 4e. Is desirable. The reason for this will be explained below.
  • the white LED used for each of the lighting units 4a to 4e has an extremely strong blue component.
  • a smooth white plane is illuminated with a white LED, and an image taken by a color CMOS image sensor is decomposed into blue (B), green (G), and red (R) color components, and then the image is taken.
  • B blue
  • G green
  • R red
  • the magnitude of the luminance value is plotted in the vertical direction with respect to the position on the plane XY corresponding to each pixel position. Looking at these figures, it can be seen that only the blue (B) component is out of range. That is, the blue component is overexposed.
  • the normal vector calculation unit 7a color-separates the image captured by the image pickup unit 2 to generate a color-separated image, and calculates the normal vector using the green image and / or the red image among the color-separated images. Is desirable.
  • the control unit 6 adjusts the exposure of the image pickup unit 2 based on the blue component. As shown in FIG. 12, only the blue component is over the range because the white LED has an extremely strong blue component and the exposure is adjusted based on the green component having the highest resolution of the human eye. be.
  • the control unit 6 detects that the measurement button provided on the apparatus main body 9 is pressed and starts shooting for calculating the normal vector, the exposure adjustment is performed again with reference to the blue component. Is desirable.
  • the illumination units 4a to 4e are arranged at positions that do not face each other when viewed from the optical axis direction of the optical lens 3, and therefore, in each of the illumination units 4a to 4e. It is possible to prevent the positively reflected light on the measurement target surface W from reaching another illumination unit. As a result, it is possible to reduce the measurement error caused by the specularly reflected light on the measurement target surface W being reflected by another illumination unit.
  • the configuration has five lighting units, but the configuration may have three or more lighting units.
  • the configuration has an odd number of lighting units, but a configuration having an even number of lighting units may be used. Even in this case, it is desirable that the even-numbered illumination units are arranged at positions where they do not face each other when viewed from the optical axis direction of the optical lens 3.
  • the normal vector is calculated by using the vector from each illumination unit toward the position of the measurement target surface corresponding to each pixel as the illumination direction vector in each pixel, but it is common to each illumination unit.
  • the normal vector may be calculated using the illumination direction vector.
  • the white LED is used in the above embodiment, LEDs of other colors may be used.
  • the normal vector calculation unit 7a may calculate the normal vector without color-separating the image captured by the image pickup unit 2. Further, in the case of color separation, the normal vector may be calculated using a color image other than the green image and / or the red image. Further, the exposure adjustment of the image pickup unit 2 may be performed based on a color component other than the blue component.
  • the present invention it is possible to reduce the measurement error caused by the specularly reflected light on the measurement target surface being reflected by another illumination unit.

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Abstract

本発明は、測定対象面での正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減するものであり、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置１００であって、測定対象面Ｗを撮像する撮像部２と、撮像部２に測定対象面Ｗを結像させる光学レンズ３と、測定対象面Ｗに光を照射する３つ以上の照明部４ａ～４ｅとを備え、照明部４ａ～４ｅそれぞれは、光学レンズ３の光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されている。

Description

表面粗さ測定装置、及び、表面粗さ測定方法
　本発明は、表面粗さ測定装置、及び、表面粗さ測定方法に関するものである。
　従来、表面の高さや形状等を測定する装置としては、特許文献１に示すように、照度差ステレオ法を用いて測定対象物の表面の形状を測定する３次元測定装置が考えられている。この３次元測定装置は、照明部及び撮像デバイスを有する撮像ユニットを備えており、照明部は、その頂部に開口が形成されたドーム形状のドーム部材と、ドーム部材の内側に配置された３以上のＬＥＤ（具体的には８個のＬＥＤ）とを有している。
　しかしながら、上記の３次元測定装置を測定対象面に近接して設置した場合には、１つのＬＥＤからの光が（巨視的に）測定対象面で正反射し、その正反射光が対向して配置された別のＬＥＤに到達してしまう。別のＬＥＤに到達した正反射光は、当該別のＬＥＤで反射して再び測定対象面に入射してしまう。その結果、照度差ステレオ法を用いた表面粗さの測定において測定誤差の原因となってしまう。
特許第６１９８３１２号公報
　そこで本発明は、上述した問題を解決すべくなされたものであり、測定対象面での正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減することをその主たる課題とするものである。
　すなわち本発明に係る表面粗さ測定装置は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する３つ以上の複数の照明部とを備え、前記照明部それぞれは、前記光学レンズの光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されていることを特徴とする。
　このような表面粗さ測定装置であれば、照明部それぞれが光学レンズの光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されているので、各照明部において測定対象面での正反射光が別の照明部に到達しないようにできる。その結果、測定対象面での正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減することができる。
　具体的な照明部の配置態様としては、前記各照明部の光軸と前記光学レンズの光軸とを含む平面が、それぞれの照明部において互いに共有しないように配置されていることが考えられる。
　さらに具体的には、前記照明部は、３つ以上の奇数であり、前記光学レンズの光軸周りに等間隔に配置されていることが望ましい。この構成であれば、照明部それぞれは、光学レンズの光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されることになる。
　本発明の表面粗さ測定装置の具体的な実施の態様としては、前記複数の照明部を保持するとともに、周囲環境からの光の侵入を遮るために前記測定対象面を取り囲む照明保持部材をさらに備えることが考えられる。
　この構成において、表面粗さの測定精度を向上するためには、前記照明保持部材の内面に、反射防止処理が施されていることが望ましい。
　照度差ステレオ法を用いた表面粗さ測定装置は、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像した複数の画像において、同一の画素位置の明度変化、すなわち各画像の輝度情報から各画素位置における前記測定対象面の法線ベクトルを算出する算出部をさらに備えている。
　ここで、撮像部に測定対象物からの正反射光が入射すると、撮像部で撮像した画像の一部が白飛びしてしまい、測定誤差が生じてしまう。この問題を解決するためには、前記算出部は、所定輝度を上回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて前記法線ベクトルを算出することが望ましい。
　上記のように所定輝度を上回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて法線ベクトルを算出できるようにし、装置構成を簡単にするためには、前記照明部は、５つであることが望ましい。
　また本発明に係る表面粗さ測定装置は、前記複数の照明部の点灯の切り替えを制御するとともに、前記撮像部の撮像動作を制御する制御部と、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像された複数の画像から測定対象面の表面粗さを算出する算出部と、前記撮像部で撮像された画像又は前記算出部により算出された表面粗さを表示する表示部とをさらに備えることが望ましい。
　さらに、本発明に係る表面粗さ測定方法は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定方法であって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する３つ以上の複数の照明部とを用いるとともに、前記照明部それぞれを、前記光学レンズの光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置していることを特徴とする。
　また、上記特許文献１の３次元測定装置では、３次元測定装置を測定対象面に近接して設置した場合には、照明部からの光を平行光とは見なせなくなるので、測定対象面の位置によって、照明部から届く光のベクトル（照明方向ベクトル）の方向が変化する。その結果、照度差ステレオ法において法線ベクトルを算出する際に誤差が多くなってしまう。
　そこで本発明の表面粗さ測定装置は、測定対象面の各位置における照明方向ベクトルを考慮して精度良く表面粗さを測定することをその主たる課題とするものである。
　すなわち本発明に係る表面粗さ測定装置は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する複数の照明部と、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像した複数の画像から前記測定対象面の法線ベクトルを算出する算出部とを備え、前記算出部は、前記各照明部から各画素に対応する測定対象面の位置に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて前記法線ベクトルを算出することを特徴とする。
　このような表面粗さ測定装置であれば、各照明部から「各画素に対応する測定対象面の位置」に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて法線ベクトルを算出するので、測定対象面の位置における照明方向ベクトルの変化に関わらず、精度良く表面粗さを測定することができる。
　また、各照明部から各画素に対応する測定対象面の位置までの距離、すなわち上記照明方向ベクトルの長さも、各画素に対応する測定対象面の位置に応じて変化する。この各照明部からの距離に応じて各画素の輝度情報を補正し、前記法線ベクトルを算出することが望ましい。
　また、各照明部の照度分布特性も法線ベクトルを算出する際の誤差要因となる。このため、前記算出部は、前記各照明部の照度分布特性に基づいて、各画素の輝度情報を補正し、前記法線ベクトルを算出することが望ましい。
　さらに、光学レンズの周辺減光特性も法線ベクトルを算出する際の誤差要因となる。このため、前記算出部は、前記光学レンズの周辺減光特性に基づいて、各画素の輝度情報を補正し、前記法線ベクトルを計算することが望ましい。
　撮像部に例えばカラーＣＣＤを用いる場合には、照明部の分光特性によっては、特定の色成分だけが白飛びしやすくなる場合がある。このため、前記算出部は、前記撮像部で撮像した画像を色分解して色分解画像を生成し、前記照明部の分光特性に基づいて、前記色分解画像から前記法線ベクトルを算出することが望ましい。
　具体的に前記照明部は白色ＬＥＤを用いたものであることが望ましい。
　白色ＬＥＤでは青色成分が極端に強い場合があり、青色成分が白飛びしやすくなる。このため、前記算出部は、前記撮像部で撮像した画像を色分解して色分解画像を生成し、前記色分解画像のうち緑色画像及び／又は赤色画像を用いて前記法線ベクトルを算出することが望ましい。
　白色ＬＥＤでは青色成分が強いので、本発明の表面粗さ測定装置は、前記撮像部の露光調整を、青色成分を基準に行う制御部を備えることが望ましい。
　また、本発明に係る表面粗さ測定装置は、前記複数の照明部の点灯の切り替えを制御するとともに、前記撮像部の撮像動作を制御する制御部と、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像された複数の画像から測定対象面の表面粗さを算出する算出部と、前記撮像部で撮像された画像又は前記算出部により算出された表面粗さを表示する表示部とをさらに備えることが望ましい。
　さらに、本発明に係る表面粗さ測定方法は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定方法であって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する複数の照明部とを用いるとともに、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像した複数の画像から前記測定対象面の法線ベクトルを算出するものであり、前記各照明部から各画素に対応する測定対象面の位置に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて前記法線ベクトルを算出することを特徴とする。
　その上、本発明に係る表面粗さ測定用プログラムは、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定するためのプログラムであって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する複数の照明部とを備える表面粗さ測定装置に用いられるものであり、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像した複数の画像から前記測定対象面の法線ベクトルを算出する算出部としての機能をコンピュータに備えさせ、前記算出部は、前記各照明部から各画素に対応する測定対象面の位置に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて前記法線ベクトルを算出することを特徴とする。
　さらに上記特許文献１の３次元測定装置では、撮像ユニットを移動させる移動機構や測定対象物を搬送するための搬送部等が必要であり、装置構成が大掛かりになり、加工現場や製造現場での利用が困難である。また、搬送部に搭載できないような大型の測定対象物では、表面粗さの測定自体を行うことができなかった。
　そこで本発明の表面粗さ測定装置は、測定対象面を傷つけること無く容易に表面粗さを測定するとともに、小型化かつ軽量化を実現することをその主たる課題とするものである。
　すなわち本発明に係る表面粗さ測定装置は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する複数の照明部と、前記複数の照明部を保持する照明保持部材とを備え、前記照明保持部材は、前記光学レンズと前記測定対象面との距離を規定するものであることを特徴とする。
　このような表面粗さ測定装置であれば、複数の照明部を保持する照明保持部材が光学レンズと測定対象面との距離を規定するので、測定対象面に対して光学レンズを位置決めする位置決め機構を不要にすることができる。その結果、表面粗さ測定装置の構成を簡単にすることができ、小型化かつ軽量化を実現することができる。また、照明保持部材を測定対象面に当てるだけで、測定対象面の表面粗さを測定することができるので、表面粗さ測定装置の取り扱いが容易となり、加工現場や製造現場において容易に表面粗さを測定することができる。ここで、照度差ステレオ法を用いているので、測定対象面の表面粗さの測定時間を例えば１秒程度と短くすることができる。
　種々の測定対象面の表面粗さを測定できるようにするためには、本発明の表面粗さ測定装置は、前記照明保持部材を交換することによって、表面粗さの測定レンジが変更可能に構成されていることが望ましい。
　本発明の表面粗さ測定装置の具体的な実施の態様としては、前記撮像部及び前記光学レンズを有する装置本体をさらに備えることが考えられる。
　この構成において、前記照明保持部材は前記装置本体に着脱可能に取り付けられ、前記光学レンズと前記測定対象面との距離を規定することが望ましい。また、表面粗さの測定レンジに応じて前記光学レンズの撮像倍率を適切に設定することが望ましい。また、前記照明保持部材によって規定される前記光学レンズと前記測定対象面との距離は、前記光学レンズの撮像倍率に応じて設定することが望ましい。また、複数の照明部に給電するために、装置本体と照明保持部材は、電気的に接続可能であることが望ましい。
　照度差ステレオ法により表面粗さを精度良く測定するためには、撮像部に対する複数の照明部の位置をあらかじめ設定された位置にする必要がある。つまり、装置本体に対する照明保持部材の位置決めが必要となる。この位置決めを容易にするためには、本発明の表面粗さ測定装置は、前記装置本体に対して前記光学レンズの光軸周りに前記照明保持部材を位置決めする位置決め機構を備えることが望ましい。
　照度差ステレオ法により表面粗さを精度良く測定するためには、前記複数の照明部それぞれの光軸は、前記光学レンズの光軸と前記測定対象面との交点を通ることが望ましい。
　照明保持部材を交換することで、その照明保持部材に適した表面粗さ測定を自動的に行うようにするためには、前記照明保持部材の種類に応じて表面粗さの測定レンジを切り替えるとともに、前記光学レンズによる撮像倍率を変更し、表面粗さ算出時のカットオフ周波数を自動変更する制御部をさらに備えることが望ましい。
　光学レンズによる撮像倍率が高倍率の場合には、撮像部により撮像される光量が低下してしまう。そのため、前記光学レンズによる撮像倍率が低倍率となる前記照明保持部材には、前記照明部として広角ＬＥＤが用いられており、前記光学レンズによる撮像倍率が高倍率となる前記照明保持部材には、前記照明部として狭角ＬＥＤが用いられていることが望ましい。
　さらに本発明の表面粗さ測定装置は、前記複数の照明部の点灯の切り替えを制御するとともに、前記撮像部の撮像動作を制御する制御部と、前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像された複数の画像から測定対象面の表面粗さを算出する算出部と、前記撮像部で撮像された画像又は前記算出部により算出された表面粗さを表示する表示部とをさらに備えることが望ましい。
　また、本発明に係る表面粗さ測定方法は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定方法であって、前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する複数の照明部と、前記複数の照明部を保持する照明保持部材とを用いるとともに、前記照明保持部材によって、前記光学レンズと前記測定対象面との距離を規定するものであることを特徴とする。
　このように構成した本発明によれば、測定対象面での正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減することができる。
本実施形態に係る表面粗さ測定装置の構成を示す模式図である。 同実施形態の光学レンズの光軸、照明部及び照明時保持部材を示す断面斜視図である。 同実施形態の照明保持部材に対する照明部の配置を模式的に示す平面図である。 ２つの照明部を相対向させた場合の正反射光の光路を模式的に示す図である。 同実施形態の照明保持部材の交換前後の状態を示す模式図である。 同実施形態の位置決め機構の構成を模式的に示す断面図である。 同実施形態の３次元形状及び表面粗さの測定結果を示す図である。 同実施形態の法線ベクトル算出部の演算方法を示す模式図である。 （ａ）全ての輝度情報を用いて計算した場合、及び（ｂ）所定輝度を上回る輝度値を有する画素を省いた場合の３次元形状の計算結果である。 照明部から測定対象面への照明方向ベクトルを示す模式図である。 （ａ）照明方向ベクトルを補正しない場合と（ｂ）照明方向ベクトルを画素毎に補正した場合との３次元形状の計算結果である。 白色ＬＥＤを用いた場合の各色成分画像の輝度分布を３次元的に示す図である。
１００・・・表面粗さ測定装置
Ｗ・・・測定対象面
２・・・撮像部
３・・・光学レンズ
３Ｌ・・・光学レンズの光軸
４ａ～４ｅ・・・複数の照明部
４Ｌ・・・照明部の光軸
Ｐ・・・光学レンズの光軸と測定対象面との交点
５・・・照明保持部材
６・・・制御部
７・・・算出部
９・・・装置本体
１０・・・位置決め機構
　以下、本発明に係る表面粗さ測定装置の一実施形態について、図面を参照して説明する。
＜装置構成＞
　本実施形態の表面粗さ測定装置１００は、照度差ステレオ法を用いて測定対象面Ｗの表面粗さを測定するものであり、測定対象面Ｗに対して移動可能な携帯型のものである。
　ここで照度差ステレオ法は、複数の照明部を切り替えながら、測定対象面Ｗに対して相対的に静止した単一の撮像部で測定対象面Ｗの３枚以上の画像を取得し、３枚以上の画像において同一の画素位置の明度変化から、当該各画素に対応する測定対象面Ｗの位置における測定対象面の法線ベクトルを取得し、これら法線ベクトルの２次元分布を積分することで測定対象面の高さ情報を得る手法である。
　具体的に表面粗さ測定装置１００は、図１に示すように、測定対象面Ｗを撮像する撮像部２と、撮像部２に測定対象面Ｗを結像させる光学レンズ３と、測定対象面Ｗに光を照射する複数の照明部４ａ～４ｅと、複数の照明部４ａ～４ｅを保持する照明保持部材５と、複数の照明部４ａ～４ｅの点灯の切り替えを制御するとともに、撮像部２の撮像動作を制御する制御部６と、複数の照明部４ａ～４ｅを切り替えながら撮像部２で撮像された複数の画像から測定対象面Ｗの表面粗さを算出する算出部７とを備えている。
　撮像部２は、測定対象面Ｗを撮像するものであり、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の撮像素子２１を有している。この撮像部２は、測定対象面Ｗを撮像する際に、測定対象面Ｗの鉛直上方に配置される。
　光学レンズ３は、測定対象面Ｗの光学像を撮像部２の撮像素子２１に結像させるものである。この光学レンズ３は、図示しないフォーカス機構によって撮像部２の撮像素子２１に対する間隔を変更できるように移動可能に設けられている。また、光学レンズ３の光軸３Ｌは、測定対象面Ｗを撮像する際に測定対象面Ｗに略々垂直となるように、照明保持部材５によって配置される。
　そして、撮像部２及び光学レンズ３は、筐体８に収容されることによって、装置本体９を構成している。この装置本体９には、電源スイッチや表面粗さの測定を開始する測定ボタンなどが設けられている。なお、制御部６及び算出部７は、装置本体９に有線又は無線により通信可能に接続された例えばコンピュータ等の情報処理装置ＣＯＭにより構成されており、ディスプレイなどの表示部１２に各種の情報を表示できる構成となっている。なお、情報処理装置ＣＯＭは、ＣＰＵ、内部メモリ、入出力インターフェイスなどを有しており、内部メモリに格納された表面粗さ測定用プログラムに基づいて、以下に示す各種機能を発揮する。
　複数の照明部４ａ～４ｅそれぞれは、ＬＥＤであり、本実施形態では、白色ＬＥＤを用いている。また、複数の照明部４ａ～４ｅそれぞれの光軸４Ｌは、図２に示すように、測定対象面Ｗを撮像する際に、光学レンズ３の光軸３Ｌと測定対象面Ｗとの交点Ｐを通るように配置されている。複数の照明部４ａ～４ｅは、それぞれの光軸４Ｌに対して軸対象の照度分布を持つので、これによって測定対象面Ｗの測定範囲における照度を均一にすることができる。
　これら複数の照明部４ａ～４ｅを保持する照明保持部材５は、概略回転体形状をなすものであり、その内面に照明部４ａ～４ｅの光出射面が露出している。本実施形態では、図３に示すように、照明保持部材に５つの照明部４ａ～４ｅが設けられており、それら照明部４ａ～４ｅが光学レンズ３の光軸３Ｌ周りに等間隔に設けられている。
　ここで、複数の照明部４ａ～４ｅの何れかが相対向する構成とした場合、図４に示すように、１つの照明部からの光が（巨視的に）測定対象面Ｗで正反射し、その正反射光が対向して配置された別の照明部に到達してしまう。別の照明部に到達した正反射光は、当該別の照明部の光出射面で反射して再び測定対象面Ｗに入射してしまう。その結果、照度差ステレオ法を用いた表面粗さの測定において測定誤差の原因となってしまう。
　そこで、測定対象面Ｗでの正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減するために、図３に示すように、複数の照明部４ａ～４ｅそれぞれは、光学レンズ３の光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されている。
　この構成であれば、照明部４ａ～４ｅそれぞれが光学レンズ３の光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されているので、各照明部４ａ～４ｅにおいて測定対象面Ｗでの正反射光が別の照明部に到達しないようにできる。その結果、測定対象面Ｗでの正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減することができる。
　具体的には、各照明部４ａ～４ｅの光軸４Ｌと光学レンズ３の光軸３Ｌとを含む平面が、それぞれの照明部４ａ～４ｅにおいて互いに共有しないように配置されている（図２参照）。本実施形態では、５つの照明部４ａ～４ｅが光学レンズ３の光軸３Ｌ周りに等間隔に配置されている（図３参照）。
　そして、照明保持部材５は、図１に示すように、その上端部が装置本体９に固定されており、その下端が測定対象面Ｗに接触することによって、光学レンズ３と測定対象面Ｗとの距離を規定する。照明保持部材５は、環境光（蛍光灯などの屋内照明機器の光や太陽光など）が測定対象面Ｗの測定範囲に侵入しないように、光学レンズ３の光軸３Ｌと測定対象面Ｗとの交点Ｐを中心とした領域を取り囲むように、概略回転体形状を有している。この照明保持部材５の内面には、例えば反射率の低い材料を塗装したり、反射率の低いシートを貼り付けるなどにより反射防止処理を施しても良い。
　この構成あれば、複数の照明部４ａ～４ｅを保持する照明保持部材５が光学レンズ３と測定対象面Ｗとの距離を規定するので、測定対象面Ｗに対して光学レンズ３を位置決めする位置決め機構を不要にすることができる。その結果、表面粗さ測定装置１００の構成を簡単にすることができ、小型化かつ軽量化を実現することができる。また、照明保持部材５を測定対象面Ｗに被せるだけで、測定対象面Ｗの表面粗さを測定することができるので、表面粗さ測定装置１００の取り扱いが容易となり、加工現場や製造現場において容易に表面粗さを測定することができる。ここで、照度差ステレオ法を用いているので、測定対象面Ｗの表面粗さの測定時間を例えば１秒以下に短くすることができる。
　また、本実施形態の表面粗さ測定装置１００では、図５に示すように、照明保持部材５を交換することによって、表面粗さの測定レンジを変更可能に構成している。具体的に照明保持部材５は装置本体９に着脱可能に取り付けられ、照明保持部材５を交換することによって、表面粗さの測定レンジを変更可能に構成している。
　ここで、表面粗さの測定レンジについて説明を加える。例えば数十μｍといった比較的凹凸の激しい測定対象面Ｗを測定する場合には、凹凸の周期は長くなると予想される。このため、より広い領域を測定対象としなくてはならない。一方、サブミクロン程度の凹凸を有する平滑な測定対象面Ｗを測定する場合には、極めて短い周期で細かな凹凸が続くと予想される。このため、測定範囲を狭くして位置分解能を高くした方が効率的である。すなわち、測定したい表面粗さのオーダーに応じて、測定範囲を広げたり狭めたりする必要があり、その基準となる基準長さＬｒが定められている（例えばＪＩＳＢ０６３３：２００１の表１、２などに示されている）。基準長さＬｒは測定したい表面粗さの増減に対して段階的に変化するので、これを表面粗さの測定レンジと呼んでいる。
　前述のように光学レンズ３は、測定対象面Ｗ上の測定範囲の光学像を撮像素子２１に結像させる。ここで撮像素子２１は縦横２次元的に多数の画素を有しているので、光学像として撮影画像に寄与する測定範囲は、測定対象面Ｗ上の四角形の領域となる。この測定範囲の四角形領域には、前述の基準長さＬｒが含まれていなくてはならない（少なくとも四角形の対角長は、基準長さＬｒより長くなければならない）。撮像素子２１の大きさは有限であるので、表面粗さの測定レンジに応じて、この測定範囲の大きさを変更できるように、光学レンズ３の撮影倍率を設定しなくてはならない。例えば測定したい表面粗さが大きい場合には、前述の基準長さＬｒは長くなる。この長くなった基準長さＬｒを含むような四角形領域が測定範囲となるように、光学レンズ３の撮像倍率を低倍率に設定する。逆に測定したい表面粗さが小さい場合には、前述の基準長さＬｒは短くなるので、光学レンズ３の撮像倍率を可能な限り高めて、位置分解能を高める（隣り合った画素間に相当する測定対象面Ｗ上での距離を短くする）。
　ところで、照明保持部材５は、測定レンジに合わせて装置本体９（具体的には光学レンズ３）と測定対象面Ｗとの距離を規定するものである。本実施形態においては、光学レンズ３の撮像倍率が高倍率の場合には、光学レンズ３と測定対象面Ｗとの距離を短くする照明保持部材５が用いられ（図５（ａ）参照）、光学レンズ３の撮像倍率が低倍率の場合には、光学レンズ３と測定対象面Ｗとの距離を長くする照明保持部材５が用いられる（図５（ｂ）参照）。これによって、光学レンズ３の撮影倍率に依らず、測定対象面Ｗの光学像を、ピントの合った状態で撮像素子２１上に結像させることができる。
　光学レンズ３による撮像倍率が低倍率となる照明保持部材５には、照明部４ａ～４ｅとして広角ＬＥＤ（例えば半減角が６０ｄｅｇで光度が１．５ｃｄ）が設けられている。これによって広い測定範囲に渡って均一な照度で照明することができる。一方で、光学レンズ３による撮像倍率が高倍率となる場合には、光学レンズ３を含む光学系全体のＦ値（光学系の明るさの逆数）が大きくなるので、撮像素子２１に到達する光量が低下することになる。そこで照明保持部材５には、照明部４ａ～４ｅとして狭角ＬＥＤ（例えば半減角が３０ｄｅｇで光度が２５ｃｄ）が用いられている。挟角ＬＥＤでは「光源としての明るさを示す尺度」である光度が大きくなるので、撮像素子２１に到達する光量低下を補うことが可能である。なお、挟角ＬＥＤでは半減角（光量が最大となるＬＥＤの光軸上に対して、光量が半分となる放射方向の角度）が小さくなるので、広い領域を均一に照明するには不向きである。しかしながら、光学レンズ３による撮影倍率が高倍率の場合には、測定範囲が狭くなるので、測定範囲内については均一な照度の照明が可能である。
　ここで、本実施形態では、図６に示すように、装置本体９に対して光学レンズ３の光軸３Ｌ周りに照明保持部材５を位置決めする位置決め機構１０が設けられている。
　この位置決め機構１０は、装置本体９に対して照明保持部材５を位置決めすることによって、撮像部２の撮像素子に対して光学レンズ３の光軸３Ｌ周りに複数の照明部４ａ～４ｅを位置決めするものである。
　具体的に位置決め機構１０は、装置本体９又は照明保持部材５の一方に設けられた位置決め凸部１０１と、装置本体９又は照明保持部材５の他方に設けられ、位置決め凸部１０１が嵌る位置決め凹部１０２とを有している。本実施形態では、照明保持部材５に位置決め凸部１０１が設けられており、装置本体９に位置決め凹部１０２が設けられている。
　これによって、照明保持部材５を着脱しても、撮像素子２１から見た各照明部４ａ～４ｅの位置を、あらかじめ設定された正しい位置に戻すことができる。各照明部４ａ～４ｅの位置は、後述の法線ベクトルの計算においても必要となるので、照明保持部材５の着脱時に変動すると法線ベクトルの計算に誤差を生じることになる。しかしながら、本実施形態では位置決め機構１０が設けられているので、着脱に伴う誤差を低減することが可能となる。
　また、本実施形態では、図６に示すように、装置本体９に複数の照明部４ａ～４ｅに給電するための本体側コネクタ１１１が設けられており、照明保持部材５に複数の照明部４ａ～４ｅに給電するための照明側コネクタ１１２が設けられている。そして、装置本体９に照明保持部材５を取り付けることによって、本体側コネクタ１１１と照明側コネクタ１１２とが接続される構成となっている。具体的には、上記の位置決め機構１０により装置本体９と照明保持部材５とが位置決めされて取り付けられることにより、本体側コネクタ１１１と照明側コネクタ１１２とが接続される。各照明部４ａ～４ｅは独立して電気的に接続されるので、制御部６の制御によって、任意の照明部を点灯または消灯させることができる。
　なお、本実施形態では前述の位置決め機構１０に加えて、電気的な接続を行う本体側コネクタ１１１と照明側コネクタ１１２を別途設けたが、本体側コネクタ１１１と照明側コネクタ１１２だけを用いても良く、この場合本体側コネクタ１１１と照明側コネクタ１１２を接続することによって、前述の位置決め機構１０の機能をはたせる構成とすればよい。
　さらに、本実施形態の表面粗さ測定装置１００では、照明保持部材５を交換することによって、当該照明保持部材５の種類に応じて表面粗さの測定レンジを自動的に切り替えるように構成されている。
　具体的には表面粗さ測定装置１００の制御部６は、上記本体側コネクタ１１１と照明側コネクタ１１２が接続されると、照明保持部材５の種類を認識する。そして、照明保持部材５の種類に応じて表面粗さの測定レンジを切り替えるとともに、前述の基準長さＬｒを選択する。さらに、光学レンズ３による撮像倍率を変更するとともに、基準長さＬｒに対応した表面粗さ算出時のカットオフ周波数（λｃ、λｓ、λｆ）を自動変更する。
　次に、本実施形態の表面粗さ測定装置１００の表面粗さ測定時における動作について説明する。使用者によって、装置本体９に設けた測定ボタンが押されたことを制御部６が検知すると、照明部４ａを点灯し、他の照明部４ｂ～４ｅを消灯する。この状態で光学レンズ３によって結像された光学像を、撮影部２の撮像素子２１が画像データとして記録する。この画像データは情報処理装置ＣＯＭの算出部７に転送される。次に制御部６は照明部４ａを消灯して、代わりに照明部４ｂを点灯し、撮像素子２１が撮影した画像データを算出部７に転送する。このようにして、複数の照明部４ａ～４ｅの１つだけを点灯した状態に切換えながら撮影を行い、合計で照明部４ａ～４ｅと同じ個数の５枚の画像を取得する。
　そして算出部７は、図１に示すように、照明部４ａ～４ｅを切り替えながら撮像部２で撮像した複数の画像から測定対象面Ｗの法線ベクトルを算出する法線ベクトル算出部７ａと、測定対象面Ｗの法線ベクトルを積分して測定対象面Ｗの３次元形状を算出する３次元形状算出部７ｂと、測定対象面Ｗの３次元形状から表面粗さを算出する表面粗さ算出部７ｃとを有している。なお、表面粗さ算出部７ｃは、制御部６によりカットオフ周波数が変更された場合には、その変更後のカットオフ周波数を用いて表面粗さ（例えばＪＩＳＢ０６０１：２０１３における粗さ曲線の算術平均粗さＲａ、粗さ曲線の最大高さＲｚなど）を算出する。
　具体的に法線ベクトル算出部７ａは、複数の画像において、同一の画素位置の明度変化、すなわち各画像の輝度情報から各画素位置における法線ベクトルを算出するものである。本実施形態の法線ベクトル算出部７ａは、５枚の画像における同一の画素位置の輝度情報と、各画像を撮影した際に入射した照明の方向を示す照明方向ベクトルとから例えば最小二乗法を用いて法線ベクトルを算出する。
　３次元形状算出部７ｂは、法線ベクトル算出部７ａにより算出された法線ベクトルを積分することにより、測定対象面Ｗの表面形状を求めるものである。図７には、３次元形状算出部７ｂにより求めた測定対象面Ｗ（セラミック）の表面形状の一例を示している。なお、図７の上部には、測定対象面Ｗの互いに直交する２方向（Ｘ方向及びＹ方向）の高さ寸法（粗さ曲線）を示している。また、３次元形状算出部７ｂにより得られた３次元形状は、表示部１２に表示することができる。
　表面粗さ算出部７ｃは、３次元形状算出部７ｂにより得られた３次元形状から測定対象面Ｗの表面粗さを算出するものである。ここで、表面粗さとしては、例えばＪＩＳＢ０６０１：２０１３における算術平均粗さＲａ、粗さ曲線の最大高さＲｚなどである。また、表面粗さ算出部７ｃにより得られた表面粗さは、表示部１２に表示することができ、上記の３次元形状とともに同一画面上に表示することができる（図７の上部参照）。
　ここで、上記の表面粗さ測定装置１００では、測定対象面Ｗの１点における傾斜方向と角度が特定の条件を満たした場合には、複数の照明部４ａ～４ｅ中の特定の照明部を点灯した時に、撮像部２に測定対象面Ｗからの正反射光が入射する。正反射光は拡散反射光に比べてけた違いに明るいので、これを受光した撮像素子２１の画素では、光電変換された電荷が飽和状態となる。すると、撮像部２で撮像した画像の一部が白飛びしてしまい輝点として観察されることがある。このような場合には法線ベクトルを計算する際に測定誤差が生じてしまう恐れがある。この問題を解決するために法線ベクトル算出部７ａは、所定輝度を上回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて法線ベクトルを算出することができる。照明部４ａ～４ｅを切り替えながら撮像部２で撮像した複数の画像が、図８に示す５枚の画像であった場合を考える。照明部４ｂを点灯して撮影した画像では、左下に示すように輝点が確認できる。そこで、この輝点に該当する画素の法線ベクトルを計算する場合には、照明部４ｂを点灯して撮影した画像から得られる輝度情報２を省いて、残りの４枚の画像の輝度情報１，３，４，５を用いて計算すればよい。すなわち、５枚の撮影画像の同一位置の画素における輝度情報１～５を検定して、所定輝度を上回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて、当該画素位置においては、残りの画像の輝度情報と照明方向ベクトルとから法線ベクトルを算出する。一方、図８の右上に示すように、同一位置の画素における輝度情報１～５が所定輝度を下回っていた場合には、全ての輝度情報と照明方向ベクトルを用いて法線ベクトルを計算すればよい。図９（ａ）は、全ての画素位置について全ての輝度情報を用いて計算した場合の３次元形状の計算結果である。これに対して、図９（ｂ）は同一画素の輝度情報を検定して、所定輝度を上回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いた場合の３次元形状の計算結果であり、スパイク状の突起や穴が低減されていることが分かる。
　また、複数の照明部４ａ～４ｅの光軸４Ｌは測定対象面Ｗに対して傾いているので、例えば測定対象面Ｗが大きな凸部を有している場合には、凸部の隣接した領域に影を生じる場合がある。大きな穴などの凹部も同様に影を生じる。影となった部分は、撮像素子２１からは見えないので、法線ベクトルを計算する際の誤差につながる。この問題を解決するために法線ベクトル算出部７ａは、第２の所定輝度を下回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて法線ベクトルを算出することができる。すなわち、５枚の撮影画像の同一位置の画素における輝度情報１～５を検定して、第２の所定輝度を下回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて、当該画素位置においては、残りの画像の輝度情報と照明方向ベクトルとから法線ベクトルを算出すればよい。
　なお、上記のように所定輝度を定めずとも、以下のようにして「輝点や影の影響による測定誤差」を回避できる。個々の画素において、法線ベクトルを計算する際に利用できるのは、５つの輝度情報である。このうち、３個以上の輝度情報があれば法線ベクトルを計算できるので、計算可能な全ての組み合わせを考える。すなわち、５個の輝度情報全てを利用する場合は１通り。４個の輝度情報を利用する場合が５通り。そして任意の３個の輝度情報を利用する組み合わせが１０通り。合計で１６通りの組み合わせで法線ベクトルを計算できるので、所定の誤差評価を行って最も測定誤差が小さくなるような組み合わせを選択し、その組み合わせで計算した法線ベクトルを採用すればよい。誤差評価としては、例えば、計算された法線ベクトルと計算時に用いた照明方向ベクトルを用いて輝度値を逆計算し、各画像の輝度情報との残差の２乗和を用いればよい。
　また、本実施形態の表面粗さ測定装置１００では、照明部４ａ～４ｅを測定対象面に近接して設置することになるので、照明部４ａ～４ｅを発した光を平行光とは見なせなくなり、測定対象面Ｗの位置によって、図１０に示すように、照明部４ａ～４ｅから測定範囲の各位置に届く光のベクトル（照明方向ベクトル）の方向が変化する。その結果、照度差ステレオ法において法線ベクトルを算出する際に誤差が多くなってしまう。
　そこで、測定対象面Ｗの各位置における照明方向ベクトルを考慮して精度良く表面粗さを測定するために、法線ベクトル算出部７ａは、各照明部４ａ～４ｅから各画素に対応する測定対象面Ｗの位置に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて法線ベクトルを算出することができる。具体的には、以下のような計算を各画素について実行する。初めに、光学レンズ３の光軸３Ｌと測定対象面Ｗとの交点Ｐを原点とする３次元座標系を考える。この３次元座標系において、各照明部４ａ～４ｅの位置を示す位置ベクトルをＶ１とする。そして、当該画素に相当する測定対象面Ｗ上の位置を、同じ３次元座標系の位置ベクトルＶ２として画素ごとに計算し、両者の差であるベクトルＶ２－Ｖ１を算出して照明方向ベクトルとすればよい。
　この構成であれば、各照明部４ａ～４ｅから各画素に対応する測定対象面Ｗの位置に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて法線ベクトルを算出するので、測定対象面Ｗの各位置における照明方向ベクトルを考慮して精度良く表面粗さを測定することができる。図１１は平面板の３次元形状を測定した結果で、（ａ）照明方向ベクトルを補正しない場合（平行光と見なした場合）、及び（ｂ）照明方向ベクトルを画素毎に補正した場合を示しており、照明方向ベクトルを画素毎に補正した場合には、表面形状の湾曲度合いが低減されていることが分かる。
　また、各照明部４ａ～４ｅから各画素に対応する測定対象面Ｗ上の位置までの距離、すなわち照明方向ベクトルＶ２－Ｖ１の長さも、各画素に対応する測定対象面の位置に応じて変化する。ＬＥＤに限らず放射状に発光する照明機器等では、到達距離の２乗に反比例して、単位面積当たりの明るさである照度が低下する。そこで、各照明部からの距離、すなわち上記照明ベクトルＶ２－Ｖ１の大きさ（スカラー値）に応じて、各画素の輝度情報を補正し、法線ベクトルを計算することが望ましい。
　また各照明部４ａ～４ｅは光軸４Ｌを中心とした軸対象の照度分布特性を有している。前述の半減角はその代表的な例であり、これらの照度分布特性は計算部７に記憶できる。この照度分布特性を用いて、個々の画素位置における輝度情報を補正し、法線ベクトルを計算することが望ましい。
　また光学レンズ３は周辺減光特性を有している。これは、撮影画像の中心部に比べて、四隅になればなるほど暗くなる現象を言う。すなわち、実際の照度分布が均一であっても、光学レンズ３を通って、撮像素子２１に到達する光の量が、画素によって変化するのである。この減光特性も計算部７に記憶できるので、個々の画素位置における輝度情報を補正し、法線ベクトルを計算することが望ましい。
　ところで、使用者が表面粗さを測定する場合には、どの位置を測定しているのかが画像等で逐次観察（モニター）できると便利である。このため、装置本体９の電源スイッチを入れると、撮像部２が撮像した画像を、表示部１２に連続して表示することが望ましい。使用者は、表示部１２に表示された画像を見ながら適切な位置に装置本体９を移動させることができる。
　この際、使用者が見る画像はカラー画像が望ましく、撮像素子２１としてカラーＣＣＤやカラーＣＭＯＳ等のイメージセンサを用いる必要がある。また、各照明部４ａ～４ｅは白色ＬＥＤであることが望ましい。こうすることによって使用者は、正しい色情報からなる画像を観察しながら、表面粗さの測定に適した位置に装置本体９を移動できる。
　このように撮像素子２１としてカラーＣＣＤやカラーＣＭＯＳ等のイメージセンサを用いた場合、カラー画像をモノクロ化して明暗の情報のみに置換した後、モノクロ画像の輝度情報を用いて法線ベクトルを計算する方法が考えられるが、これは望ましくない場合がある。法線ベクトル算出部７ａは、撮像部２で撮像した画像を色分解して色分解画像を生成し、照明部４ａ～４ｅの分光特性に基づいて、色分解画像から法線ベクトルを算出することが望ましい。以下、この理由について説明を加える。
　各照明部４ａ～４ｅに用いる白色ＬＥＤでは、青色成分が極端に強いのが一般的である。図１２は、白色の平滑な平面を、白色ＬＥＤで照明し、カラーＣＭＯＳイメージセンサにて撮影した画像を、青色（Ｂ）、緑色（Ｇ）、赤色（Ｒ）の各色成分に分解した後、各色分解画像の輝度分布を３次元的に表示した図である。Ｂ，Ｇ，Ｒの各色成分を示す図において、各画素位置に対応した平面ＸＹ上の位置に対して、輝度値の大小を上下方向にプロットした図となっている。これらの図を見ると青色（Ｂ）成分のみがレンジオーバーしていることがわかる。すなわち、青色成分は白飛びしている。
　そこで法線ベクトル算出部７ａは、撮像部２で撮像した画像を色分解して色分解画像を生成し、色分解画像のうち緑色画像及び／又は赤色画像を用いて法線ベクトルを算出することが望ましい。
　なお、白色ＬＥＤでは青色成分が強いことから、制御部６は、撮像部２の露光調整を、青色成分を基準に行うことが考えられる。図１２のように青色成分のみがレンジオーバーしているのは、白色ＬＥＤでは青色成分が極端に強い上に、人の目の解像力が最も高い緑色成分を基準に露光調整を行っているからである。使用者が表示部１２を介して測定対象面Ｗを観察する際には、緑色成分を基準に露光調整を行う方が望ましい。しかし装置本体９に設けた測定ボタンが押されたことを制御部６が検知し、法線ベクトルを算出するための撮影を開始する際には、青色成分を基準にして露光調整を再度実施することが望ましい。
＜本実施形態の効果＞
　このような表面粗さ測定装置１００であれば、照明部４ａ～４ｅそれぞれが光学レンズ３の光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されているので、各照明部４ａ～４ｅにおいて測定対象面Ｗでの正反射光が別の照明部に到達しないようにできる。その結果、測定対象面Ｗでの正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減することができる。
＜その他の実施形態＞
　なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
　例えば、前記実施形態では５つの照明部を有する構成であったが、３つ以上の照明部を有する構成で有ればよい。
　また、前記実施形態では、奇数個の照明部を有する構成であったが、偶数個の照明部を有する構成であっても良い。この場合であっても、偶数個の照明部それぞれが光学レンズ３の光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置することが望ましい。
　さらに、前記実施形態では、各照明部から各画素に対応する測定対象面の位置に向かうベクトルを各画素における照明方向ベクトルとして用いて法線ベクトルを算出しているが、各照明部において共通の照明方向ベクトルを用いて法線ベクトルを算出しても良い。
　その上、前記実施形態では、白色ＬＥＤを用いているが、その他の色のＬＥＤを用いても良い。
　また、法線ベクトル算出部７ａは、撮像部２で撮像した画像を色分解することなく、法線ベクトルを算出しても良い。また、色分解する場合には、緑色画像及び／又は赤色画像以外の色画像を用いて法線ベクトルを算出しても良い。さらに、撮像部２の露光調整を青色成分以外の色成分を基準に行っても良い。
　その他、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
　本発明によれば、測定対象面での正反射光が別の照明部で反射されることで生じる測定誤差を低減することができる。

Claims (12)

  1. 　照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置であって、
    　前記測定対象面を撮像する撮像部と、
    　前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、
    　前記測定対象面に光を照射する３つ以上の複数の照明部とを備え、
    　前記照明部それぞれは、前記光学レンズの光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置されている、表面粗さ測定装置。
  2. 　前記各照明部の光軸と前記光学レンズの光軸とを含む平面が、それぞれの照明部において互いに共有しないように配置されている、請求項１に記載の表面粗さ測定装置。
  3. 　前記照明部は、３つ以上の奇数であり、前記光学レンズの光軸周りに等間隔に配置されている、請求項１又は２に記載の表面粗さ測定装置。
  4. 　前記複数の照明部を保持するとともに前記測定対象面を取り囲む照明保持部材をさらに備え、
    　前記照明保持部材の内面には、反射防止処理が施されている、請求項１乃至３の何れか一項に記載の表面粗さ測定装置。
  5. 　前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像した複数の画像において、同一の画素位置の明度変化から各画素位置における前記測定対象面の法線ベクトルを算出する算出部をさらに備え、
    　前記算出部は、所定輝度を上回る輝度値を有する画像の輝度情報を省いて前記法線ベクトルを算出する、請求項１乃至４の何れか一項に記載の表面粗さ測定装置。
  6. 　前記照明部は、５つである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の表面粗さ測定装置。
  7. 　前記複数の照明部の点灯の切り替えを制御するとともに、前記撮像部の撮像動作を制御する制御部と、
    　前記複数の照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像された複数の画像から測定対象面の表面粗さを算出する算出部と、
    　前記撮像部で撮像された画像又は前記算出部により算出された表面粗さを表示する表示部とをさらに備える、請求項１乃至６の何れか一項に記載の表面粗さ測定装置。
  8. 　複数の前記照明部を切り替えながら前記撮像部で撮像した複数の画像から前記測定対象面の法線ベクトルを算出する算出部とを備え、
    　前記算出部は、前記各照明部から各画素に対応する測定対象面の位置に向かうベクトルを、各画素における照明方向ベクトルとして用いて前記法線ベクトルを算出する、請求項１乃至７の何れか一項に記載の表面粗さ測定装置。
  9. 　前記照明部は白色ＬＥＤを用いたものであり、
    　前記算出部は、前記撮像部で撮像した画像を色分解して色分解画像を生成し、前記色分解画像のうち緑色画像及び／又は赤色画像を用いて前記法線ベクトルを算出する、請求項８に記載の表面粗さ測定装置。
  10. 　前記複数の照明部を保持する照明保持部材とを備え、
    　前記照明保持部材は、前記光学レンズと前記測定対象面との距離を規定するものである、請求項１乃至９の何れか一項に記載の表面粗さ測定装置。
  11. 　前記光学レンズによる撮像倍率が低倍率となる前記照明保持部材には、前記照明部として広角ＬＥＤが用いられており、
    　前記光学レンズによる撮像倍率が高倍率となる前記照明保持部材には、前記照明部として狭角ＬＥＤが用いられている、請求項１０に記載の表面粗さ測定装置。
  12. 　照度差ステレオ法を用いて測定対象面の表面粗さを測定する表面粗さ測定方法であって、
    　前記測定対象面を撮像する撮像部と、前記撮像部に前記測定対象面を結像させる光学レンズと、前記測定対象面に光を照射する３つ以上の複数の照明部とを用いるとともに、前記照明部それぞれを、前記光学レンズの光軸方向から視たときに互いに向かい合わない位置に配置している、表面粗さ測定方法。
     
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