JP4332987B2

JP4332987B2 - Cross-sectional shape measuring apparatus and cross-sectional shape measuring method

Info

Publication number: JP4332987B2
Application number: JP2000127871A
Authority: JP
Inventors: 耕嗣久野; 浩久木村; 章相原
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2000-04-27
Filing date: 2000-04-27
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2020-04-27
Also published as: JP2001304827A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は断面形状測定装置および断面形状測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
対象物の断面形状を高精度に測定することは様々な製品などで必要とされている。例えば、自動車用モール、ドアフレーム、シートレール等のロール成形品は、その断面形状の検査が品質管理上重要である。これらの断面形状検査は、測定断面を切断し、投影機にて形状を拡大し検査を行っていた。この方法では、断面切断時に形状に歪みが生じ、正確な断面形状が検査できない。また、複数の断面検査を行う場合、切断に時間がかかる、という問題があった。
【０００３】
それらの問題点に対し、非接触式の形状測定装置は検査したい断面を切断することなしに形状検査できるため、形状歪みがなく、任意断面に対し容易に検査が可能となる。
【０００４】
対象物の断面形状を非接触で測定する断面形状測定装置として、対象物にスリット状のレーザ光を照射するレーザスリット投光器と撮像素子の組み合わせを代表とする光切断法が多く使われている。しかし、この方法は例えば撮像素子を用いる場合、撮像素子の分解能＝（視野範囲）／（画素数）で測定分解能が決定されるため、広視野測定の場合、測定精度が低下し、高分解能測定の場合、視野範囲が狭くなる問題がある。
【０００５】
そこで、一般には、狭い視野範囲の高分解能撮像素子を複数使用する方法があるが、測定分解能を２倍アップするためには４ヶの撮像素子、３倍アップするためには９ヶの撮像素子が必要となり、コストが高く大型となる問題がある。
【０００６】
また狭い視野範囲の高分解能撮像素子とレーザ投光器に対し、移動機構を設け、広い範囲をスキャニングする方法があるが、ティーチング（対象物の大きさ・形状にあった移動機構の動作教示）の操作が必要となり、操作性に難がある。
【０００７】
従来技術として、特開平５−３２２５３５号公報には、ＣＡＤデータをもとにティーチングデータを受け取り、Ｘ、Ｙ方向の測定位置を確定し測定時間を短縮し、Ｚ方向については、カメラ、レーザ光源を昇降させ、適した高さとなるようにカメラ撮像データを繰り返し取り込む方法が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術は、測定対象物のティーチングデータの作成が必要であり、かつティーチングデータの転送が必要であるので、作成・転送時間がかかる、データ記録媒体が必要であるという問題点がある。また、適した高さまでカメラ撮像データを連続測定、複数の昇降動作が必要となり、測定時間がかかる問題がある。さらに図６のように、対象物５４のような段差部５４ａがあった場合、レーザ光源５１から対象物５４に照射されたレーザスリット光５３の一部がカメラ５２から見て段差部５４ａにより死角領域となり、適した高さを求めることができず、対象物の形状によっては測定できない問題がある。
【０００９】
本発明は上記課題を解決したもので、断面形状を高速、高精度に測定できる低コストの断面形状測定装置を提供する。
【００１０】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、対象物にレーザスリット光を照射するレーザスリット光投光手段と、レーザスリット光投光手段を制御するレーザ制御手段と、対象物の形状を把握することが可能な撮像範囲を有する広域測定用撮像手段と、広域測定用撮像手段で撮像された撮像データを格納する広域画像記憶手段と、レーザスリット投光手段から見て広域測定用撮像手段と同じ方向に設けられ、対象物を局所的に撮像する高精度測定用撮像手段と、高精度測定用撮像手段で撮像された撮像データを格納する高精度画像記憶手段と、レーザスリット光投光手段、広域測定用撮像手段、高精度測定用撮像手段に対して対象物を相対的に移動させる移動手段と、広域測定用撮像手段、高精度測定用撮像手段で撮像された撮像データから断面形状データを演算する演算手段を備える断面形状測定装置であって、演算手段は、広域測定用撮像手段で撮像された広域撮像データを所定の分割数の領域に分割し、高精度測定用撮像手段で撮像するための分割した領域を選定し、高精度測定用撮像手段が選定された領域を撮像した後に高精度画像記憶手段に格納した高精度の撮像データから対象物の断面形状を合成することを特徴とする断面形状測定装置である。
【００１１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１２】
すなわち、広域測定用撮像手段で広範囲の断面形状を測定してから、その断面形状データをもとに分割した領域を高精度測定用撮像手段で高精度に測定し、多数の高精度撮像データから断面形状を演算し合成するので、高精度の断面形状データを高速度で測定できる。また、２つの撮像手段だけで高精度に断面形状を測定できるので、低コストの高精度断面形状装置ができる。
【００１３】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、前記レーザスリット光投光手段、前記広域測定用撮像手段および前記高精度測定用撮像手段を備えた測定ヘッドが設けられていることを特徴とする請求項１記載の断面形状測定装置である。
【００１４】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１５】
すなわち、レーザスリット光投光手段、広域測定用撮像手段、高精度測定用撮像手段の互いの位置関係が固定されているので、この位置関係の変動による誤差をなくすことができ、高精度の断面形状装置ができる。また断面形状測定装置を製造するとき、測定部の調整が容易になる。さらに測定部が小型化できるので、小断面形状測定装置が小型化できる。
【００１６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記レーザスリット光投光手段、前記広域測定用撮像手段、前記高精度測定用撮像手段が前記対象物の回りを相対的に回転できる回転手段が設けられていることを特徴とする請求項１、２のいずれかに記載の断面形状測定装置である。
【００１７】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００１８】
すなわち、回転手段により、対象物の回りを相対的にレーザスリット光投光手段、広域測定用撮像手段、高精度測定用撮像手段が回転できるので、対象物回りの異なる角度からの断面形状データが得られる。対象物回り全周にわたる形状データを得れば、対象物の完全な断面形状が測定できる。
【００１９】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技術的手段と称する。）は、レーザスリット光投光手段から対象物にレーザスリット光を照射するレーザスリット光投光工程と、前記対象物の形状を把握することが可能な範囲の前記対象物からの反射光を撮像する広域撮像工程と、該広域撮像工程で撮像された広域撮像データを所定の分割数に分割する分割工程と、該分割工程で分割された領域を撮像する高精度撮像工程と、該高精度撮像工程で撮像された多数の高精度撮像データから前記対象物の断面形状を合成する断面形状合成工程からなることを特徴とする断面形状測定方法である。
【００２０】
上記第４の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２１】
すなわち、広域撮像工程で広範囲の断面形状を測定してから、その断面形状データをもとに分割工程で分割した領域を高精度撮像工程で高精度に測定し、断面形状合成工程で多数の高精度撮像データから断面形状を演算し合成するので、高精度の断面形状データを高速度で測定できる。
【００２２】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技術的手段と称する。）は、前記レーザスリット光が形成するレーザスリット面内で前記レーザスリット光投光手段を前記対象物の回りを所定の角度回転させる回転工程と、該回転工程で回転された前記レーザスリット光投光手段の位置から前記対象物に前記レーザスリット光を照射するレーザスリット光投光工程と、前記広域撮像工程、前記分割工程、前記高精度撮像工程、前記断面形状合成工程を繰り返すことにより得られる複数の断面形状から前記対象物の全周断面形状を合成することを特徴とする請求項４記載の断面形状測定方法である。
【００２３】
上記第５の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２４】
すなわち、回転工程により、対象物の回りを相対的にレーザスリット光投光手段、広域測定用撮像手段、高精度測定用撮像手段を回転するので、対象物回りの異なる角度からの断面形状データが得られる。対象物回り全周にわたる形状データを得れば、対象物の完全な断面形状が得られる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
まず、対象物にレーザスリット光を照射し、対象物からの反射光を広域測定用撮像手段で撮像する。広域測定用撮像手段で撮像された撮像データをもとに、高精度測定用撮像手段で、どのようにスキャニングし、何回測定すべきか判断する。その判断により移動手段を移動し。高精度測定用撮像手段で測定を繰り返し、高精度測定で得られた撮像データを合成し、対象物の断面形状データとする。また対象物全周の断面形状データが必要な場合には、回転手段を所定の角度で回転し、レーザスリット光投光手段、広域測定用撮像手段、高精度測定用撮像手段を対象物の回りを任意角度で回転して、対象物全周について形状を測定する。
【００２６】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて詳しく説明する。図１は本実施例の断面形状測定装置の外観図であり、図２は断面形状測定方法を説明する構成図であり、図３は測定ヘッド部分の拡大説明図であり、図４は測定ヘッドと対象物の関係を説明する説明図である。
【００２７】
本断面形状測定装置は、レーザスリット光投光手段であるレーザスリット光投光器３、レーザ制御手段であるレーザ出力制御部４と、広域測定用撮像手段である広域測定用ＣＣＤカメラ７と、高精度測定用撮像手段である高精度測定用ＣＣＤカメラ９と、広域画像記憶手段と高精度画像記憶手段の機能を併せ持つ画像メモリ１１と、移動手段であるＸＹステージ１３と、回転手段であるモータ１５と、演算手段であるデータ演算部１７から構成されている。
【００２８】
レーザスリット光投光器３は、レーザ光をスリット状にしてレーザスリット光１として対象物２に照射する。測定される断面形状は、レーザスリット光１が形成する面（レーザスリット平面４０）と交差する対象物２の断面である。レーザ出力制御部４はレーザスリット光投光器３と信号線で連結されており、レーザスリット光１の投光強度・ＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００２９】
広域測定用ＣＣＤカメラ７は、撮像素子７ａとその入射光側に設けられた広角光学レンズ７ｂから構成されており、対象物２の形状を把握することが可能な撮像範囲を有している。撮像素子７ａは面状のＣＣＤセンサであるが、特に限定されず面状のＣＭＯＳセンサなど適宜利用できる。広角光学レンズ７ｂはレーザスリット平面４０内で対象物２より広い範囲の撮像エリア（広域測定用撮像エリア５）の反射光を投光軸から任意の角度で集光し、その集光された反射光を撮像素子７ａが撮像する。
【００３０】
高精度測定用ＣＣＤカメラ９は、撮像素子９ａとその入射光側に設けられた高倍率光学レンズ９ｂから構成されており、対象物２を局所的に撮像する。撮像素子９ａも面状のＣＣＤセンサであるが、特に限定されず面状のＣＭＯＳセンサなど適宜利用できる。高倍率光学レンズ９ｂはレーザスリット平面４０内で広域測定用撮像エリア５内の分割された一部の分割ブロック（高精度測定用撮像エリア８）の反射光を投光軸から任意の角度より集光し、その集光された反射光を撮像素子９ａが撮像する。
【００３１】
レーザスリット光投光器３、広域測定用ＣＣＤカメラ７および高精度測定用ＣＣＤカメラ９は、一つの測定ヘッド１２内に互いの位置関係を固定して設けられている。その位置関係は、レーザスリット光投光器３、広域測定用ＣＣＤカメラ７および高精度測定用ＣＣＤカメラ９の順に互いの光軸が同一平面を形成するように固定されている。このようにレーザスリット光投光器３、広域測定用ＣＣＤカメラ７、高精度測定用ＣＣＤカメラ９の互いの位置関係が固定されているので、この位置関係の変動による誤差をなくすことができ、高精度の断面形状装置ができる。また断面形状測定装置を製造するとき、測定部の調整が容易になる。さらに測定部が小型化できるので、断面形状測定装置が小型化できる。
【００３２】
画像メモリ１１は、広域測定用ＣＣＤカメラ７および高精度測定用ＣＣＤカメラ９とそれぞれの信号線で連結され、広域測定用ＣＣＤカメラ７および高精度測定用ＣＣＤカメラ９で撮像された広域撮像データ４１および高精度撮像データ４２を格納する。
【００３３】
ＸＹステージ１３は、対象物２を水平方向（Ｘ方向）に移動させるＸステージ１３ａと鉛直方向（Ｙ方向）に移動させるＹステージ１３ｂから構成されている。Ｘステージ１３ａの台上にＹステージ１３ｂが設けられている。対象物２はＹステージ１３ｂの台上に立設される。対象物２が立設されるＹステージ１３ｂ面はレーザスリット平面４０に平行となっている。対象物２はＸＹステージ１３により、レーザスリット平面４０内に対象物２の測定断面がある状態のまま平行方向移動できる。
【００３４】
モータ１５は、ＸＹステージ１３の対象物２が立設された方向に設けられている。モータ１５は、その回転軸１５ａがＹステージ１３ｂ面に垂直方向になるように設けられている。モータ１５の回転軸１５ａにはＬ字部材６が連結され、このＬ字部材６には測定ヘッド１２が、レーザスリット光投光器３、広域測定用ＣＣＤカメラ７、高精度測定用ＣＣＤカメラ９の光軸を対象物２側に向けて連結されている。
【００３５】
ＸＹステージ１３とモータ１５は、それぞれテーブル２１に立設された保持部材２２および２３に連結されている。モータ１５の回転により測定ヘッド１２は対象物２の回りを、レーザスリット光投光器３、広域測定用ＣＣＤカメラ７、高精度測定用ＣＣＤカメラ９の光軸を対象物２側に向けたまま回転できる。
【００３６】
モータ１５は、信号線で連結された回転テーブル制御部１４により回転制御される。ＸＹステージ１３は、信号線で連結されたＸＹステージ制御部１６によりＸ方向とＹ方向への移動を制御される。
【００３７】
データ演算部１７は、レーザ出力制御部４、画像メモリ１１、回転テーブル制御部１４、ＸＹステージ制御部１６と信号線で連結され、画像メモリ１１に格納された広域撮像データ４１および高精度撮像データ４２から断面形状データを演算するとともに、レーザ出力制御部４、回転テーブル制御部１４、ＸＹステージ制御部１６を制御する。本実施例では、レーザ出力制御部４、画像メモリ１１、回転テーブル制御部１４、ＸＹステージ制御部１６、データ演算部１７はパーソナルコンピュータ２０に内蔵されている。
【００３８】
図５は本実施例の断面形状測定方法を説明するフローチャート図である。ＸＹ座標はＸＹステージ面内方向を表す座標であり、その原点は任意に設定できるが、ここではモータ１５の回転軸１５ａ方向と交わる点を原点とした。そのＸ軸方向はＸステージ１３ａが動く方向であり、Ｙ軸方向はＹステージ１３ｂが動く方向である。
【００３９】
ｘｙ座標はレーザスリット光１面内で測定ヘッド１２とともに変動する座標系で、レーザスリット光１面内の所定の点を原点とした。そのｙ軸方向はレーザスリット光１の投光軸方向（レーザスリット光１の投光中心方向）であり、ｘ軸方向はｙ軸方向に直交する方向である。ｘｙ座標はＸＹ座標に対してモータ１５の回転とともに回転する。
【００４０】
位置（ｘ_{ｓｔａｇｅ}、ｙ_{ｓｔａｇｅ}）は、ＸＹステージ１３の位置をＸＹ座標で表した位置であり、対象物２の位置を表している。位置Ｐ_１（ｘ_１、ｙ_１）〜Ｐ_ｍ（ｘ_ｍ、ｙ_ｍ）は、広域撮像データ４１をもとに高精度測定用ＣＣＤカメラ９による高精度分割測定するために分割したｍ個の分割ブロックそれぞれのブロック中心位置をｘｙ座標で表した位置である。角度θは、モータ１５の回転角度であり、モータ１５に内蔵されたエンコーダにより検出、制御される。
【００４１】
まずステップＳ０１でＸＹステージ１３の位置およびモータ１５の回転角度を所定の原点に移動する。対象物２が広域測定用ＣＣＤカメラ７の広域測定用撮像エリア５の中央にあることが望ましいので、対象物２がその位置になるＸＹステージ１３の位置を原点している。モータ１５の回転角度の原点は、レーザスリット光投光器３が対象物２の鉛直上方にきたときの位置としている。
【００４２】
ステップＳ０２で、適切な光量制御を行ったレーザスリット光１をレーザスリット光投光器３から対象物２に照射する（レーザスリット光投光工程）。ステップＳ０３で、広角光学レンズ７ｂを介して撮像素子７ａに撮像された広域撮像データ４１を画像メモリ１１に格納する（広域撮像工程）。ステップＳ０４では、画像メモリ１１に格納された広域撮像データ４１をもとに、データ演算部１７で高精度測定用ＣＣＤカメラ９による高精度分割測定するための分割ブロックを選定する（分割工程）。選定された分割ブロックの数はｎ個とする（ｎ≦ｍ）。
【００４３】
次に、ステップＳ０５で、選定されたうちのｋ番目の分割ブロック中心位置Ｐ_ｋ（ｘ_ｋ、ｙ_ｋ）を、ｘｙ座標からＸＹ座標に式（１）により変換する。ステップＳ０６で、分割ブロックのブロック中心位置のＸＹ座標をデータ演算部１７からＸＹステージ制御部１６に送り、ＸＹステージ１３をその位置に移動する。なお、式（１）のｘ_ｏｆｓｔ（θ）及びｙ_ｏｆｓｔ（θ）は、ｘｙ座標におけるモータの回転角がθの時のｘｙ座標原点とＸＹ座標原点とのずれ量である。
【００４４】
【数１】

ステップＳ０７では、高倍率光学レンズ９ｂを介して撮像素子９ａに撮像された高精度撮像データ４２を画像メモリ１１に格納する。ステップＳ０８では、画像メモリ１１に格納された高精度撮像データ４２をデータ演算部１７に送り、高精度撮像データ４２の座標位置（ｘ_ｒｆ、ｙ_ｒｆ）をｘｙ座標からＸＹステージ位置（ｘ_{ｓｔａｇｅ}、ｙ_{ｓｔａｇｅ}）とモータの回転角θよりＸＹ座標の位置（Ｘ’、Ｙ’）に式（２）により変換し、画像メモリ１１に保存する（高精度撮像工程）。
【００４５】
【数２】

続いてステップＳ０８で、分割ブロックがｎ番目かどうか判断し、ｎ番目でなければステップＳ０５に戻り、ステップＳ０５からステップＳ０８を繰り返し、次の分割ブロックの高精度分割測定を繰り返す。ステップＳ０８で分割ブロックがｎ番目ならステップＳ１０に進む。この段階で、モータ１５の回転角原点（θ＝０）での高精度断面形状データが完成する（断面形状合成工程）。
【００４６】
このように広域測定用ＣＣＤカメラ７で広範囲の断面形状を測定してから、その断面形状データをもとに分割した領域のみを高精度測定用ＣＣＤカメラ９で高精度に測定し、多数の高精度撮像データから断面形状を演算し合成するので、高精度の断面形状データを高速度で測定できる。また、２つのＣＣＤカメラ７、９だけで高精度に断面形状を測定できるので、低コストの高精度断面形状装置ができる。
【００４７】
ステップＳ１０では、ＸＹステージ１３を原点位置に戻しステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、モータ１５をあらかじめ決められた所定の角度回転し、モータ１５を次の回転角θの位置にする（回転工程）。ステップＳ１２で、モータ１５が１回転したかどうか判断する。すなわち回転角θが３６０度以上になったかどうか判断する。モータ１５が１回転していなければ、ステップＳ０３に戻り、ステップＳ０３からステップＳ１１を繰り返し、次の回転角θでの広域形状測定、高精度分割測定を実施し、回転角θでの高精度断面形状データを完成する（断面形状合成工程）。
【００４８】
ステップＳ１２で、モータ１５が１回転していたらステップ１３に進み、レーザスリット光投光器３をＯＦＦし、レーザスリット光１の照射を停止する。その後、ステップＳ１４で、すべての回転角θの高精度形状データを合成して対象物２の全周断面形状を演算する。こうして高精度の断面形状が測定できる。
【００４９】
このようにモータ１５により、対象物２の回りを測定ヘッド１２が回転できるので、対象物２回りの異なる角度からの断面形状データが得られる。対象物２回り全周にわたる断面形状データを得れば、対象物の完全な断面形状が測定できる。
【００５０】
以上のように、本発明の断面形状測定装置は、対象物サイズが大きくても高精度でかつ、スキャニング動作に無駄のない高速化を可能にし、さらには、あらかじめ手動でティーチングデータ作成の必要がない。また、広域測定により、その角度における形状死角領域を除くことが容易にできるため、汎用性の高い断面形状測定装置である。
【００５１】
なお、本実施例の移動手段は、対象物２を移動させるものであるが、測定ヘッド１２を移動させてもよい。また本実施例の回転手段は、対象物２回りを測定ヘッド１２が回転するようにするものであるが、対象物２を回転してもよい。
【発明の効果】
以上のように、本発明は、対象物にレーザスリット光を照射するレーザスリット光投光手段と、該レーザスリット光投光手段を制御するレーザ制御手段と、前記対象物の形状を把握することが可能な撮像範囲を有する広域測定用撮像手段と、該広域測定用撮像手段で撮像された撮像データを格納する広域画像記憶手段と、前記レーザスリット投光手段から見て前記広域測定用撮像手段と同じ方向に設けられ、前記対象物を局所的に撮像する高精度測定用撮像手段と、該高精度測定用撮像手段で撮像された撮像データを格納する高精度画像記憶手段と、前記レーザスリット光投光手段、前記広域測定用撮像手段、前記高精度測定用撮像手段に対して前記対象物を相対的に移動させる移動手段と、前記広域測定用撮像手段、前記高精度測定用撮像手段で撮像された撮像データから断面形状データを演算する演算手段が設けられていることを特徴とする断面形状測定装置およびレーザスリット光投光手段から対象物にレーザスリット光を照射するレーザスリット光投光工程と、前記対象物の形状を把握することが可能な範囲の前記対象物からの反射光をを撮像する広域撮像工程と、該広域撮像工程で撮像された広域撮像データを所定の分割数に分割する分割工程と、該分割工程で分割された領域を撮像する高精度撮像工程と、該高精度撮像工程で撮像された多数の高精度撮像データから前記対象物の断面形状を合成する断面形状合成工程からなることを特徴とする断面形状測定方法であるので、測定対象物の形状によらず測定可能で、断面形状を高速、高精度に測定できる低コストの断面形状測定装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の断面形状測定装置の外観図
【図２】断面形状測定方法を説明する構成図
【図３】測定ヘッド部分の拡大説明図
【図４】測定ヘッドと対象物の関係を説明する説明図
【図５】本実施例の断面形状測定方法を説明するフローチャート図
【図６】従来技術の問題点を説明する説明図
【符号の説明】
１…レーザスリット光
２…対象物
３…レーザスリット光投光器（）
４…レーザ出力制御部（レーザ制御手段）
７…広域測定用ＣＣＤカメラ（広域測定用撮像手段）
９…高精度測定用ＣＣＤカメラ（高精度測定用撮像手段）
１１…画像メモリ（広域画像記憶手段、高精度画像記憶手段）
１２…測定ヘッド
１３…ＸＹステージ（移動手段）
１５…モータ（回転手段）
１７…データ演算部（演算手段）
４０…レーザスリット面[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cross-sectional shape measuring device and a cross-sectional shape measuring method.
[0002]
[Prior art]
It is required for various products to measure the cross-sectional shape of an object with high accuracy. For example, inspection of the cross-sectional shape of roll molded products such as automobile moldings, door frames, and seat rails is important for quality control. In these cross-sectional shape inspections, a measurement cross-section is cut, and the shape is enlarged by a projector to perform the inspection. With this method, the shape is distorted when the cross section is cut, and an accurate cross sectional shape cannot be inspected. Further, when performing a plurality of cross-sectional inspections, there is a problem that it takes time to cut.
[0003]
With respect to these problems, the non-contact type shape measuring apparatus can inspect the shape without cutting the cross section to be inspected, so that there is no shape distortion, and an arbitrary cross section can be inspected easily.
[0004]
As a cross-sectional shape measuring apparatus that measures a cross-sectional shape of an object in a non-contact manner, a light cutting method typified by a combination of a laser slit projector and an image sensor that irradiates a slit with laser light on the object is often used. However, in this method, for example, when an image sensor is used, the measurement resolution is determined by the resolution of the image sensor = (field of view range) / (number of pixels). In this case, there is a problem that the visual field range becomes narrow.
[0005]
Therefore, in general, there is a method of using a plurality of high-resolution image pickup devices with a narrow visual field range. To increase the measurement resolution twice, four image pickup devices, and to increase three times nine image pickup devices. Is required, and there is a problem that the cost is high and the size is large.
[0006]
In addition, there is a method to scan a wide range by providing a moving mechanism for a high-resolution image sensor and laser projector with a narrow field of view, but teaching (operation teaching of the moving mechanism that matches the size and shape of the object) is operated. Is necessary and there is a difficulty in operability.
[0007]
As a conventional technique, Japanese Patent Laid-Open No. 5-322535 discloses teaching data based on CAD data, determines measurement positions in the X and Y directions, and shortens the measurement time. A method is disclosed in which camera image data is repeatedly captured so as to be raised and lowered to an appropriate height.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the prior art requires the creation of teaching data of the measurement object and the transfer of teaching data, and therefore requires a data recording medium that requires creation and transfer time. In addition, continuous measurement of camera image data up to a suitable height and a plurality of lifting and lowering operations are required, and there is a problem that it takes measurement time. Further, as shown in FIG. 6, when there is a stepped portion 54 a like the object 54, a part of the laser slit light 53 irradiated to the object 54 from the laser light source 51 is blinded by the stepped portion 54 a when viewed from the camera 52. There is a problem that a suitable height cannot be obtained due to the region, and measurement cannot be performed depending on the shape of the object.
[0009]
The present invention solves the above problems and provides a low-cost cross-sectional shape measuring apparatus capable of measuring a cross-sectional shape at high speed and with high accuracy.
[0010]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 1 of the present invention (hereinafter referred to as the first technical means) is a laser slit light projection for irradiating an object with laser slit light. Optical means, laser control means for controlling the laser slit light projecting means, wide-area measurement imaging means having an imaging range capable of grasping the shape of the object, and imaging captured by the wide-area measurement imaging means Wide-area image storage means for storing data, high-precision measurement imaging means for locally imaging an object, provided in the same direction as the wide-area measurement imaging means as viewed from the laser slit projection means, and high-precision measurement High-accuracy image storage means for storing imaging data imaged by the imaging means, laser slit light projection means, wide-area measurement imaging means, and moving hand for moving the object relative to the high-precision measurement imaging means When a sectional shape measuring apparatus comprising a calculating means for calculating a cross-sectional shape data from the image data captured wide measuring imaging unit, with high accuracy for measuring the imaging means, computing means, imaging a wide area measurement pickup means The wide area imaging data is divided into a predetermined number of division areas, a divided area is selected for imaging by the high-precision measurement imaging means, and the high-precision measurement imaging means images the selected area and A cross-sectional shape measuring apparatus that synthesizes a cross-sectional shape of an object from high-accuracy imaging data stored in a precision image storage means .
[0011]
The effects of the first technical means are as follows.
[0012]
In other words, after measuring a wide range of cross-sectional shape with the wide-area measurement imaging means, the region divided based on the cross-sectional shape data is measured with high-precision measurement imaging means, and from a large number of high-precision imaging data Since the cross-sectional shape is calculated and synthesized, highly accurate cross-sectional shape data can be measured at high speed. In addition, since the cross-sectional shape can be measured with high accuracy using only two imaging means, a low-cost high-precision cross-sectional shape device can be obtained.
[0013]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 2 of the present invention (hereinafter referred to as second technical means) includes the laser slit light projecting means and the wide area imaging. The cross-sectional shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a measuring head provided with a high-precision measuring imaging means.
[0014]
The effects of the second technical means are as follows.
[0015]
That is, since the positional relationship between the laser slit light projecting unit, the wide-area measurement imaging unit, and the high-accuracy measurement imaging unit is fixed, errors due to fluctuations in this positional relationship can be eliminated, and the high-precision cross-section A shape device is made. Further, when the cross-sectional shape measuring device is manufactured, the measurement unit can be easily adjusted. Furthermore, since the measuring unit can be miniaturized, the small cross-sectional shape measuring device can be miniaturized.
[0016]
In order to solve the above technical problem, the technical means (hereinafter referred to as third technical means) taken in claim 3 of the present invention are the laser slit light projecting means, the wide area measurement imaging. The cross-sectional shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a rotating unit capable of relatively rotating around the object. .
[0017]
The effects of the third technical means are as follows.
[0018]
That is, the rotation means can relatively rotate the laser slit light projecting means, the wide-area measurement imaging means, and the high-precision measurement imaging means around the object, so that cross-sectional shape data from different angles around the object can be obtained. can get. If the shape data over the entire circumference of the object is obtained, the complete cross-sectional shape of the object can be measured.
[0019]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 4 of the present invention (hereinafter referred to as the fourth technical means) is the laser slit light projecting means from the laser slit light projecting means to the object. A laser slit light projecting step for irradiating light, a wide-area imaging step for imaging reflected light from the object in a range where the shape of the object can be grasped, and a wide-area imaging imaged in the wide-area imaging step A dividing step of dividing the data into a predetermined number of divisions, a high-accuracy imaging step of imaging an area divided in the dividing step, and a plurality of high-accuracy imaging data imaged in the high-accuracy imaging step, A cross-sectional shape measuring method comprising a cross-sectional shape combining step of combining cross-sectional shapes.
[0020]
The effects of the fourth technical means are as follows.
[0021]
In other words, after measuring a wide range of cross-sectional shape in the wide-area imaging process, the area divided in the division process based on the cross-sectional shape data is measured with high accuracy in the high-accuracy imaging process. Since the cross-sectional shape is calculated and synthesized from the accurate imaging data, high-precision cross-sectional shape data can be measured at high speed.
[0022]
In order to solve the above technical problem, the technical means taken in claim 5 of the present invention (hereinafter referred to as fifth technical means) is the above-mentioned within the laser slit plane formed by the laser slit light. Rotating the laser slit light projecting means around the object by a predetermined angle, and irradiating the object with the laser slit light from the position of the laser slit light projecting means rotated in the rotating process The entire cross-sectional shape of the object is synthesized from a plurality of cross-sectional shapes obtained by repeating a laser slit light projecting step, the wide-area imaging step, the dividing step, the high-precision imaging step, and the cross-sectional shape synthesis step. The method of measuring a cross-sectional shape according to claim 4 .
[0023]
The effects of the fifth technical means are as follows.
[0024]
That is, since the rotation process relatively rotates the laser slit light projecting means, the wide-area measurement imaging means, and the high-precision measurement imaging means around the object, the cross-sectional shape data from different angles around the object is obtained. can get. If the shape data over the entire circumference of the object is obtained, the complete cross-sectional shape of the object can be obtained.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
First, the object is irradiated with laser slit light, and the reflected light from the object is imaged by the imaging means for wide area measurement. Based on the imaging data captured by the wide-area measurement imaging means, the high-precision measurement imaging means determines how to scan and how many times to measure. The moving means is moved according to the judgment. The measurement is repeated by the high-precision measurement imaging means, and the imaging data obtained by the high-precision measurement is synthesized to obtain cross-sectional shape data of the object. If cross-sectional shape data for the entire circumference of the object is required, the rotating means is rotated at a predetermined angle, and the laser slit light projecting means, the wide-area measuring imaging means, and the high-accuracy measuring imaging means are rotated around the object. Is rotated at an arbitrary angle to measure the shape of the entire circumference of the object.
[0026]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is an external view of a cross-sectional shape measuring apparatus of the present embodiment, FIG. 2 is a configuration diagram for explaining a cross-sectional shape measuring method, FIG. 3 is an enlarged explanatory view of a measuring head portion, and FIG. It is explanatory drawing explaining the relationship between a target object.
[0027]
This cross-sectional shape measuring apparatus includes a laser slit light projector 3 that is a laser slit light projector, a laser output controller 4 that is a laser controller, a CCD camera 7 that is a wide area imaging camera, and a high accuracy. A CCD camera 9 for high-accuracy measurement that is an imaging means for measurement, an image memory 11 that has the functions of a wide-area image storage means and a high-accuracy image storage means, an XY stage 13 that is a moving means, and a motor 15 that is a rotating means The data calculation unit 17 is a calculation means.
[0028]
The laser slit light projector 3 irradiates the object 2 as laser slit light 1 with the laser light in a slit shape. The cross-sectional shape to be measured is a cross-section of the object 2 that intersects the surface (laser slit plane 40) formed by the laser slit light 1. The laser output control unit 4 is connected to the laser slit light projector 3 through a signal line, and controls the light projection intensity / ON / OFF of the laser slit light 1.
[0029]
The wide-area measurement CCD camera 7 includes an imaging element 7a and a wide-angle optical lens 7b provided on the incident light side thereof, and has an imaging range in which the shape of the object 2 can be grasped. The image sensor 7a is a planar CCD sensor, but is not particularly limited, and a planar CMOS sensor or the like can be used as appropriate. The wide-angle optical lens 7b condenses the reflected light in the imaging area (wide-area measurement imaging area 5) wider than the object 2 in the laser slit plane 40 at an arbitrary angle from the light projection axis, and the condensed reflection. The imaging element 7a images light.
[0030]
The high-precision measurement CCD camera 9 is composed of an image sensor 9a and a high-magnification optical lens 9b provided on the incident light side thereof, and images the object 2 locally. The image sensor 9a is also a planar CCD sensor, but is not particularly limited, and a planar CMOS sensor or the like can be used as appropriate. The high-magnification optical lens 9b collects the reflected light of a part of the divided blocks (high-precision measurement imaging area 8) in the wide-area measurement imaging area 5 within the laser slit plane 40 from an arbitrary angle from the projection axis. The image sensor 9a images the reflected light that has been collected.
[0031]
The laser slit light projector 3, the wide-area measurement CCD camera 7, and the high-accuracy measurement CCD camera 9 are provided in a single measurement head 12 with their positional relationships fixed. The positional relationship is fixed so that the optical axes of the laser slit light projector 3, the wide-area measurement CCD camera 7, and the high-precision measurement CCD camera 9 are in the same plane. Since the positional relationship among the laser slit light projector 3, the wide-area measurement CCD camera 7, and the high-precision measurement CCD camera 9 is fixed in this way, errors due to variations in this positional relationship can be eliminated, and high-precision A cross-sectional shape device can be formed. Further, when the cross-sectional shape measuring device is manufactured, the measurement unit can be easily adjusted. Furthermore, since the measuring unit can be miniaturized, the cross-sectional shape measuring device can be miniaturized.
[0032]
The image memory 11 is connected to the wide-area measurement CCD camera 7 and the high-precision measurement CCD camera 9 through respective signal lines, and the wide-area imaging data 41 captured by the wide-area measurement CCD camera 7 and the high-precision measurement CCD camera 9. And the high precision imaging data 42 is stored.
[0033]
The XY stage 13 includes an X stage 13a that moves the object 2 in the horizontal direction (X direction) and a Y stage 13b that moves the object 2 in the vertical direction (Y direction). A Y stage 13b is provided on the stage of the X stage 13a. The object 2 is erected on the stage of the Y stage 13b. The surface of the Y stage 13 b on which the object 2 is erected is parallel to the laser slit plane 40. The object 2 can be moved in parallel by the XY stage 13 while the measurement cross section of the object 2 is in the laser slit plane 40.
[0034]
The motor 15 is provided in the direction in which the object 2 of the XY stage 13 is erected. The motor 15 is provided such that its rotating shaft 15a is perpendicular to the surface of the Y stage 13b. An L-shaped member 6 is connected to the rotating shaft 15 a of the motor 15, and a measurement head 12 is connected to the L-shaped member 6, the light from the laser slit light projector 3, the wide-area measurement CCD camera 7, and the high-precision measurement CCD camera 9. The shaft is connected to the object 2 side.
[0035]
The XY stage 13 and the motor 15 are connected to holding

members

22 and 23 erected on the table 21, respectively. The rotation of the motor 15 allows the measuring head 12 to rotate around the object 2 with the optical axes of the laser slit light projector 3, the wide-area measurement CCD camera 7, and the high-precision measurement CCD camera 9 facing the object 2. .
[0036]
The motor 15 is rotationally controlled by a rotary table control unit 14 connected by a signal line. The movement of the XY stage 13 in the X direction and the Y direction is controlled by an XY stage control unit 16 connected by a signal line.
[0037]
The data calculation unit 17 is connected to the laser output control unit 4, the image memory 11, the rotary table control unit 14, and the XY stage control unit 16 through signal lines, and the wide area imaging data 41 and the high-precision imaging data stored in the image memory 11. The cross-sectional shape data is calculated from 42, and the laser output control unit 4, the rotary table control unit 14, and the XY stage control unit 16 are controlled. In the present embodiment, the laser output control unit 4, the image memory 11, the rotary table control unit 14, the XY stage control unit 16, and the data calculation unit 17 are built in the personal computer 20.
[0038]
FIG. 5 is a flow chart for explaining the cross-sectional shape measuring method of this embodiment. The XY coordinates are coordinates representing the in-plane direction of the XY stage, and the origin can be arbitrarily set, but here, the point intersecting the direction of the rotation axis 15a of the motor 15 is defined as the origin. The X-axis direction is the direction in which the X stage 13a moves, and the Y-axis direction is the direction in which the Y stage 13b moves.
[0039]
The xy coordinate is a coordinate system that fluctuates with the measuring head 12 within the surface of the laser slit light, and a predetermined point within the surface of the laser slit light is the origin. The y-axis direction is the projection axis direction of the laser slit light 1 (projection center direction of the laser slit light 1), and the x-axis direction is a direction orthogonal to the y-axis direction. The xy coordinates rotate with the rotation of the motor 15 with respect to the XY coordinates.
[0040]
The position (x _stage , y _stage ) is a position that represents the position of the XY stage 13 in XY coordinates, and represents the position of the object 2. The positions P ₁ (x ₁ , y ₁ ) to P _m (x _m , y _m ) are m pieces divided for high-precision division measurement by the high-precision measurement CCD camera 9 based on the wide-area imaging data 41. This is a position where the block center position of each divided block is expressed in xy coordinates. The angle θ is a rotation angle of the motor 15 and is detected and controlled by an encoder built in the motor 15.
[0041]
First, in step S01, the position of the XY stage 13 and the rotation angle of the motor 15 are moved to a predetermined origin. Since it is desirable that the object 2 is in the center of the imaging area 5 for wide area measurement of the CCD camera 7 for wide area measurement, the origin is the position of the XY stage 13 where the object 2 is located. The origin of the rotation angle of the motor 15 is the position when the laser slit light projector 3 is vertically above the object 2.
[0042]
In step S02, the laser slit light 1 subjected to appropriate light quantity control is irradiated from the laser slit light projector 3 to the object 2 (laser slit light projecting step). In step S03, the wide area imaging data 41 imaged on the imaging device 7a via the wide-angle optical lens 7b is stored in the image memory 11 (wide area imaging process). In step S04, based on the wide-area imaging data 41 stored in the image memory 11, the data calculation unit 17 selects a division block for performing high-precision division measurement by the high-precision measurement CCD camera 9 (division process). The number of selected divided blocks is n (n ≦ m).
[0043]
Next, in step S05, the k-th selected block center position P _k (x _k , y _k ) is converted from xy coordinates to XY coordinates by Expression (1). In step S06, the XY coordinates of the block center position of the divided block are sent from the data calculation unit 17 to the XY stage control unit 16, and the XY stage 13 is moved to that position. Note that x _ofst (θ) and y _ofst (θ) in the equation (1) are deviation amounts between the xy coordinate origin and the XY coordinate origin when the rotation angle of the motor in the xy coordinates is θ.
[0044]
[Expression 1]

In step S07, high-accuracy image data 42 imaged on the image sensor 9a via the high-magnification optical lens 9b is stored in the image memory 11. In step S08, the high-accuracy imaging data 42 stored in the image memory 11 is sent to the data calculation unit 17, and the coordinate position (x _rf , y _rf ) of the high-accuracy imaging data 42 is converted from the xy coordinates to the XY stage position (x _stage , y _stage ) and the rotational angle θ of the motor are converted into XY coordinate positions (X ′, Y ′) by the equation (2) and stored in the image memory 11 (high-precision imaging step).
[0045]
[Expression 2]

Subsequently, in step S08, it is determined whether or not the divided block is nth. If it is not nth, the process returns to step S05, and steps S05 to S08 are repeated to repeat high-precision division measurement of the next divided block. If the divided block is nth in step S08, the process proceeds to step S10. At this stage, highly accurate cross-sectional shape data at the rotation angle origin (θ = 0) of the motor 15 is completed (cross-sectional shape synthesis step).
[0046]
Thus, after measuring a wide range of cross-sectional shape with the wide-area measurement CCD camera 7, only the area divided based on the cross-sectional shape data is measured with high accuracy with the high-precision measurement CCD camera 9. Since the cross-sectional shape is calculated and synthesized from the accurate imaging data, high-precision cross-sectional shape data can be measured at high speed. In addition, since the cross-sectional shape can be measured with high accuracy only by the two CCD cameras 7 and 9, a low-cost high-precision cross-sectional shape device can be obtained.
[0047]
In step S10, the XY stage 13 is returned to the origin position and the process proceeds to step S11. In step S11, the motor 15 is rotated by a predetermined angle, and the motor 15 is set to the next rotation angle θ (rotation process). In step S12, it is determined whether the motor 15 has made one revolution. That is, it is determined whether or not the rotation angle θ is 360 degrees or more. If the motor 15 has not made one rotation, the process returns to step S03, and steps S03 to S11 are repeated to perform wide-area shape measurement and high-accuracy divided measurement at the next rotation angle θ, and high-precision cross-section at the rotation angle θ. Complete shape data (cross-sectional shape synthesis step).
[0048]
If the motor 15 has rotated once in step S12, the process proceeds to step 13, where the laser slit light projector 3 is turned off and the irradiation of the laser slit light 1 is stopped. Thereafter, in step S14, high-precision shape data of all the rotation angles θ is synthesized to calculate the entire circumferential cross-sectional shape of the object 2. Thus, a highly accurate cross-sectional shape can be measured.
[0049]
Thus, since the measuring head 12 can rotate around the object 2 by the motor 15, cross-sectional shape data from different angles around the object 2 can be obtained. If the cross-sectional shape data over the entire circumference of the object 2 is obtained, the complete cross-sectional shape of the object can be measured.
[0050]
As described above, the cross-sectional shape measuring apparatus of the present invention enables high-speed and high-speed scanning operation without waste even if the object size is large, and further requires manual teaching data preparation in advance. Absent. In addition, since the shape blind spot region at that angle can be easily removed by wide-area measurement, the cross-sectional shape measuring device is highly versatile.
[0051]
In addition, although the moving means of a present Example moves the target object 2, you may move the measurement head 12. FIG. Further, the rotating means of the present embodiment makes the measuring head 12 rotate around the object 2, but the object 2 may be rotated.
【The invention's effect】
As described above, the present invention grasps the shape of the object, the laser slit light projecting means for irradiating the object with the laser slit light, the laser control means for controlling the laser slit light projecting means, and the object. Wide-area measurement imaging means having an imaging range capable of imaging, wide-area image storage means for storing imaging data imaged by the wide-area measurement imaging means, and the wide-area measurement imaging means as viewed from the laser slit projection means A high-accuracy measurement imaging means for locally imaging the object, a high-accuracy image storage means for storing imaging data imaged by the high-accuracy measurement imaging means, and the laser slit Light projecting means, wide area measurement imaging means, moving means for moving the object relative to the high precision measurement imaging means, wide area measurement imaging means, high precision measurement imaging A cross-sectional shape measuring device and a laser slit light for irradiating an object with laser slit light from the cross-sectional shape measuring device and a laser slit light projecting means, which are provided with arithmetic means for calculating cross-sectional shape data from imaging data picked up in steps A projection process; a wide-area imaging process that captures reflected light from the object within a range where the shape of the object can be grasped; and wide-area imaging data captured in the wide-area imaging process A step of dividing the object into a number, a high-accuracy imaging step of imaging the region divided in the division step, and a plurality of high-accuracy imaging data imaged in the high-accuracy imaging step to synthesize the cross-sectional shape of the object The cross-sectional shape measurement method is characterized by comprising a cross-sectional shape synthesis step. It can provide Jo measuring device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view of a cross-sectional shape measuring apparatus according to the present embodiment. FIG. 2 is a configuration diagram for explaining a cross-sectional shape measuring method. FIG. FIG. 5 is a flowchart for explaining the cross-sectional shape measuring method of the present embodiment. FIG. 6 is a diagram for explaining the problems of the prior art.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser slit light 2 ... Object 3 ... Laser slit light projector ()
4. Laser output control unit (laser control means)
7 ... CCD camera for wide area measurement (imaging means for wide area measurement)
9. CCD camera for high precision measurement (imaging means for high precision measurement)
11. Image memory (wide area image storage means, high-precision image storage means)
12 ... Measuring head 13 ... XY stage (moving means)
15 ... Motor (rotating means)
17 ... Data calculation part (calculation means)
40 ... Laser slit surface

Claims

Laser slit light projecting means for irradiating the object with laser slit light;
Laser control means for controlling the laser slit light projecting means;
Wide-area measurement imaging means having an imaging range capable of grasping the shape of the object;
Wide area image storage means for storing imaging data imaged by the imaging means for wide area measurement;
An imaging unit for high-precision measurement that is provided in the same direction as the imaging unit for wide area measurement as viewed from the laser slit light projecting unit, and that locally images the object;
High-precision image storage means for storing imaging data imaged by the high-precision measurement imaging means;
Moving means for moving the object relative to the laser slit light projecting means, the wide-area measurement imaging means, and the high-precision measurement imaging means;
A cross-sectional shape measuring apparatus comprising a calculation means for calculating cross-sectional shape data from imaging data picked up by the wide-area measurement imaging means and the high-precision measurement imaging means,
The calculation means divides wide-area imaging data imaged by the wide- area measurement imaging means into a predetermined number of divisions, selects the divided areas for imaging by the high-precision measurement imaging means, A cross-sectional shape measuring apparatus for synthesizing a cross-sectional shape of the object from the high-accuracy imaging data stored in the high-accuracy image storage means after imaging the selected region by the high-accuracy measuring imaging means .

The cross-sectional shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising a measuring head provided with the laser slit light projecting means, the wide-area measuring imaging means, and the high-accuracy measuring imaging means.

The laser slit light projecting means, the wide-area measurement imaging means, and the high-accuracy measurement imaging means are provided with a rotation means capable of relatively rotating around the object. The cross-sectional shape measuring apparatus according to any one of 2 above.

A laser slit light projecting step of irradiating the object with laser slit light from the laser slit light projecting means;
A wide-area imaging step of imaging reflected light from the object in a range where the shape of the object can be grasped;
A division step of dividing the wide-area imaging data imaged in the wide-area imaging step into a predetermined number of divisions;
A high-accuracy imaging step of imaging the region divided in the dividing step;
A cross-sectional shape measurement method comprising a cross-sectional shape synthesis step of synthesizing a cross-sectional shape of the object from a large number of high-accuracy imaging data imaged in the high-accuracy imaging step.

A rotation step of rotating the laser slit light projecting means around the object by a predetermined angle within a laser slit surface formed by the laser slit light;
A laser slit light projecting step of irradiating the object with the laser slit light from the position of the laser slit light projecting means rotated in the rotating step;
The wide imaging step, the dividing step, the high-precision imaging process according to claim 4, wherein a plurality of cross-sectional shape obtained by repeating the cross-sectional shape synthesis process of synthesizing the entire circumference sectional shape of the object The cross-sectional shape measuring method as described.