説明

高温物体の形状計測装置及び形状計測方法

【課題】高温の被計測体の形状計測に際し、被計測体の表面異常を正確かつ容易に識別する。
【解決手段】 高温の被計測体10の形状計測において、レーザ光源20から輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を被計測体10に投光し、反射光撮像部40で得たレーザ光に応じた反射光データに基づいて形状算出部60が被計測体の形状を算出する。異常判定部110は、輻射光撮像部30が被計測体10の輻射光を撮像して得た輻射光画像から所定暗部を抽出し、該輻射光の暗部を前記高温の被計測体の表面異常と判定し、形状算出部60が表面異常と判定された領域について正常と推定される形状を演算する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
高温物体の形状計測に関する。
【背景技術】
【0002】
鉄鋼などの金属を用いたプロセスで製造される鋼材、鍛造品、鋳造品などの金属製造品は、これらが用いられる製品の高品質化に伴い、より高い形状精度が要求される。したがって、より早く正確に、製造物の形状を計測して把握することが望まれる。
【0003】
製造物が高温である場合、製造物の冷却後に形状計測することは広く実施されているが、計測するまでの長い冷却期間と、広い冷却スペースが必要となり、非常にコストがかかる。そこで、従来より、製造直後の高温状態(約800℃〜1000℃)で形状計測を実行することが試みられており、例えば特許文献1〜4などに開示がある。
【0004】
高温状態にある物体からの輻射光は、図17に示すように、赤外領域にピークを持ち、短波長成分が少ない。そこで、特許文献1は、高温物体の形状計測に緑色や青色レーザを用い、これらのレーザ光を、計測対象にスポット、ライン、複数ライン、格子ドット状で投影し、三角測量法によって表面形状を算出している。
【0005】
特許文献2では、スラブや鋼板などの被検査材が高温の熱間状態において、被検査材の自発光波長より短く、互いに波長の異なる2つの光源を計測に用いている。一方の波長の光によって、光切断法を利用した形状算出を行い、他方の光を照射して得た反射光から二次元画像を得て、被検査材の疵を検出している。
【0006】
特許文献3では、405nm以下の波長のレーザスリット光を高熱の計測対象物に照射し、撮像部が、照射波長の±15nmの帯域を通過させる干渉フィルタを介して計測対象物を撮像することで、輻射熱の影響を低減した形状計測が行われている。また、熱による空気揺らぎの影響を除去するための構成によって、より高精度の計測を実現しようとすることが開示されている。
【0007】
特許文献4では、高温丸棒体の断面形状計測に際し、丸棒の部分熱間画像を撮像し、同時に丸棒の放射波と異なる波長のスリット光(緑色レーザ)を投光し、光切断法を用いて部分断面形状を求めている。さらに、求めた部分熱間濃淡画像(濃淡画像)に基づいて部分断面形状を繋ぎ合わせ、熱間丸棒体の断面の全体形状を得ることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2001−99615号公報
【特許文献2】特開平9−152322号公報
【特許文献3】特開2005−300210号公報
【特許文献4】特開2008−134148号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
上記特許文献1〜3では、高温の計測対象が発生する輻射光より短波長の緑色や青色のレーザを投光し、投光したレーザ波長のみ透過させる光学フィルタを介して計測対象からの反射光を受光して光切断法などの三角測量法を用いて形状算出を行っている。
【0010】
しかし、これらの高温状態(熱間状態)にある計測対象(多くの場合、金属製造物)は、その計測対象物の表面には、酸化スケール(酸化物被膜)が形成されてしまう。この酸化スケールは、計測対象を構成する金属が酸化した物であり、酸化量が多いと、表面形状は大きく変化することとなる。この時、カメラで撮像すると、酸化スケールは、放射率の違いにより暗く映る。
【0011】
ところが、上記特許文献1〜3では、酸化スケールによる表面形状変化を全く考慮しておらず、スケールの有無に拘わらず形状計測を行うため、酸化スケールによる表面形状の誤差を含んだままの計測結果を得ている。
【0012】
また特許文献4では、酸化スケールが形成されている大型丸棒体を回転しながらカメラで撮像し、酸化スケールの付着に応じた濃淡画像を得ているが、濃淡で表された酸化スケールを形状計測の位置決めに用いるだけであって、特許文献1〜3と同様、酸化スケールによる形状計測誤差は全く考慮していない。
【0013】
しかし、上記のような高温の計測対象において避けることのできない酸化スケールは、精度0.1mmオーダーのような高精度の計測においては、無視することができず考慮することが求められる。
【0014】
本発明は、高温の被計測体の形状計測に際し、この被計測体の表面異常を正確かつ容易に識別する装置及び方法を実現する。
【課題を解決するための手段】
【0015】
本発明は、高温の被計測体の形状計測装置であり、前記高温の被計測体から得られる輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を前記被計測体に投光し、反射光撮像部が受光して得た反射光データに基づいて、前記被計測体の形状を算出する形状算出部と、輻射光撮像部が前記被計測体の前記輻射光を撮像して得た輻射光画像から所定暗部を抽出し、該輻射光画像の暗部を前記高温の被計測体の表面異常と判定する異常判定部と、を有し、前記形状算出部は、前記異常判定部において表面異常と判定された領域について正常と推定される形状を演算する。
【0016】
本発明の他の態様では、上記形状計測装置において、前記被計測体からの輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を前記被計測体の異なる領域に投光する複数のレーザ光源を有し、前記反射光撮像部は、投光された複数のレーザ光の反射光を受光し、前記形状算出部は、前記被計測体の異なる領域に投光された前記レーザ光に対して得られた複数の反射光データに基づいて、前記レーザ光が投光された各領域の形状を算出する。
【0017】
本発明の他の態様では、上記形状計測装置において、前記被計測体に投光される複数のレーザ光は、互いに波長が異なる。
【0018】
本発明の他の態様では上記形状計測装置において、前記被計測体からの光の光軸上には、前記輻射光撮像部と前記反射光撮像部とに、前記被計測体からの光を分配する光分配部が設けられている。
【0019】
本発明の他の態様では、前記被計測体からの光の光軸上には、前記輻射光撮像部と前記反射光撮像部とに、前記被計測体からの光を分配する光分配部が設けられており、前記光分配部は、前記被計測体からの反射光から前記投光されたレーザ光波長に応じた波長を分離して前記反射光撮像部に供給する。
【0020】
本発明の他の態様では、上記形状計測装置において、前記光分配部は、前記反射光の波長域のうち短波長成分から先に分配する。
【0021】
本発明の他の態様では、上記形状計測装置において、前記光分配部は、前記輻射光撮像部よりも前記反射光撮像部に多くの光を分配する。
【0022】
本発明の他の態様では、上記形状計測装置において、前記反射光撮像部及び前記輻射光撮像部は、カラー撮像部によって共用され、前記カラー撮像部と前記被計測体からの光の光軸上には、前記輻射光から前記カラー撮像部の第1特定色受光部が受光可能な所定波長成分を抽出し、前記反射光から前記カラー撮像部の1又は複数の第2特定色受光部が受光可能な所定波長成分を抽出するフィルタ機能を有する光学部材が設けられている。
【0023】
本発明の他の態様では、上記形状計測装置において、前記レーザ光の反射光の輝度に応じて照射される前記レーザ光の強度を調整する強度調整部を備える。
【0024】
本発明の他の態様は、高温の被計測体の形状計測方法であって、レーザ光源から前記高温の被計測体の輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を前記被計測体に投光し、反射光撮像部が受光して得た前記レーザ光に応じた反射光データに基づいて、形状算出部が前記被計測体の形状を算出し、輻射光撮像部が前記高温の被計測体の輻射光を受光して輻射光画像を撮像し、異常判定部は、前記得られた輻射光画像から暗部領域を抽出し、該暗部領域を表面異常と判定し、前記形状算出部は、前記異常判定部にて表面異常と判定された領域について、正常と推定される形状を演算する。
【発明の効果】
【0025】
上記のように、本発明では、被計測体の表面に発生した酸化スケールなどにより暗く撮像される部位を表面異常と判定し、領域を特定すると同時に、レーザ反射光データに基づいて形状を算出している。
【0026】
したがって、特定した異常領域の本来の形状を推定することも容易となる。
【0027】
レーザ光源を複数設け、被計測体の異なる領域に投光されたレーザ光に対して得られた複数の反射光データに基づいて、各領域の形状を算出すれば、高速に形状計測を実行でき、また同時に表面異常を判定することができる。
【0028】
レーザ光の反射光の輝度に応じて照射されるレーザ光の強度を調整する強度調整部を設けることで、反射光が充分得られない場合、或いは反射光の弱い領域があっても、レーザ強度を調整すれば、確実かつ正確な計測ができる。
【0029】
被計測体からの光の光軸上に、光分配部を設けて、輻射光撮像部と反射光撮像部とに、前記被計測体からの光を分配すれば、同じ方向から被計測体を観察することができ、装置の小型化が容易であると共に、異常発生位置の判定結果と、形状計測結果との誤差を低減することができる。また、光分配部によって反射光撮像部への分配率を多くすれば、より多くの反射光量を得ることができ形状計測精度を向上させることが容易となる。
【0030】
また、光分配部が短波長成分から順に分離すれば、より高精度の計測が可能となる。
【0031】
反射光撮像部と輻射光撮像部とをカラー撮像部によって共用し、カラー撮像部と被計測体からの光の光軸上には、輻射光からカラー撮像部の第1特定色受光部が受光可能な所定波長成分を抽出し、反射光から第2特定色受光部が受光可能な所定波長成分を抽出するフィルタ機能を有する光学部材を設けることで、小型な計測装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【0032】
【図1】本発明の実施形態に係る高温被計測体の形状計測の概略図である。
【図2】本発明の実施形態1に係る高温被計測体の形状計測装置の概略を示す図である。
【図3】本発明の実施形態1に係る高温被計測体の計測方法を示す図である。
【図4】本発明の実施形態1に係る高温被測定体の輻射光画像及び反射光データを示す図である。
【図5】本発明の実施形態1に係る高温被測定体の輻射光イメージ及び暗部イメージを示す図である。
【図6】本発明の実施形態に係る高温被測定のレーザ反射光データと異常領域との関係を説明する図である。
【図7】本発明の実施形態2に係る高温被計測体の形状計測装置の概略を示す図である。
【図8】本発明の実施形態3に係る高温被計測体の形状計測装置の概略を示す図である。
【図9】本発明の実施形態4に係る高温被計測体の形状計測装置の概略を示す図である。
【図10】本発明の実施形態4のより具体的な形状計測装置を示す図である。
【図11】撮像部のカメラの受光相対感度の波長依存性を示す図である。
【図12】撮像部のカメラレンズの透過率と波長との関係を示す図である。
【図13】本発明の実施形態5に係る高温被計測体の形状計測装置の概略構成を示す。
【図14】図13の光学部材200の具体的構成を示す図である。
【図15】図14の光学部材200の光学特性を説明する図である。
【図16】図13の光学部材200に置換可能な光学フィルタの光学特性を示す図である。
【図17】輻射光の波長と被測定体からのレーザ反射光の波長との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0033】
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態)について図面を参照して説明する。
【0034】
[実施形態1]
図1は、本発明の実施形態に係る高温の被計測体の形状計測を概念的に示している。この装置は、画像処理部として、少なくとも、形状算出部60と、異常判定部110を備え、また、装置は、レーザ光源20、輻射光撮像部30、反射光撮像部40を備える。
【0035】
レーザ光源20からは、高温の被計測体10に対して、被計測体10からの輻射光と異なるピーク波長のレーザ光が照射される。輻射光撮像部30は、イメージ素子(例えば、CCDやCMOS)を備える撮像部が用いられ、被計測体10から輻射光画像(i)を得る。反射光撮像部40にも、イメージ素子(例えば、CCDやCMOS)を備える撮像部40が用いられ、被計測体10に投光したレーザ光の反射光を受光する。
【0036】
形状算出部60は、上記反射光データ(iii)に基づいて、レーザ光の照射された領域(ここでは線上)の被計測体の形状を算出する(iv)。
【0037】
異常判定部110は、輻射光画像中から暗部領域を抽出し(ii)、この領域の表面変位部位を表面異常領域として判定する。
【0038】
形状算出部60は、上記異常判定部110からの表面異常情報により、異常領域の正常形状を演算によって推定する。
【0039】
被計測体の形状計測法としては、現在知られている様々な方法を採用することができる。一例として、本実施形態では、光切断法を利用して形状を算出している。具体的には、図1に示すように、レーザ光源20からのスリット光を被計測体に所定角度を持つように照射する。このとき、被計測体10の表面の形状に応じて、つまり光源20からの表面位置までの距離に応じて、観察される位置が決まる。反射光撮像部40は、その光軸が、スリット光の光軸方向と異なる方向になるように配置されており、この被計測体10の表面に照射されて表面形状に応じて曲がった帯状の光(スリット反射光データ)を撮像部40が撮影し、得られた反射光データ(光切断線)から、三角測量法によって、スリット光照射位置における表面形状を求める。この処理を被計測体10の必要領域(例えば全体)に施すことで被計測体10の三次元形状を計測することができる。
【0040】
また、光切断法の他、例えば、スポット光を2軸走査し三角測量法で形状計測を行っても良い。スポット光を振幅変調して、反射光が戻ってくるまでの時間から距離を測る距離計を2軸走査して三次元形状を計測することも可能である。また、パルス発光時のパワーを連続発光時より大きくできるレーザでは、レーザをパルス発光させて、輻射光とのS/Nを上げる方法も、高精度計測に有効である。
【0041】
図2は、本実施形態にかかる計測装置300のより具体的な構成の一例を示す。計測装置300は、上記形状算出部60及び異常判定部110を含む画像処理部100と、被計測体10に対してレーザ光を照射するレーザ光源20、被計測体10の輻射光画像を得る輻射光撮像部30、被計測体10からのレーザスリット光に対する反射光データを得る反射光撮像部40を備える。
【0042】
画像処理部100は、反射光撮像部40からの反射光データから断面形状を算出する形状算出部60と、異常判定部110を備え、異常判定部110は、輻射光撮像部30からの高温の被計測体10の輻射光画像から暗部を識別する暗部識別部50、異常領域識別部52を有する。異常領域識別部52は、暗部識別部50で判定された暗部領域の位置に基づいて異常領域(図2の画像(ii)参照)を識別する。更に、後述するように、異常領域が識別された場合、異常位置情報を形状算出部60に送り、形状算出部60にてその異常領域の正常形状を演算によって推定する。
【0043】
尚、あらかじめ輻射光撮像部30と反射光撮像部40の位置、設置角度、撮像領域を決めておくことにより、ほぼ同一の撮像領域を得ることができるため、異常領域と反射光データの該当部位を一致させることができる。
【0044】
ここで、図2においては、輻射光撮像部30及び反射光撮像部40の前にはそれぞれ可視光フィルタ70を設けている。高温物体からの輻射光は非常に強いため、この可視光フィルタ70を設けることで、輻射光撮像部30及び反射光撮像部40を高温被測定体10の輻射熱から保護する。
【0045】
また、上記のように高温物体からの非常に強い輻射光に埋もれずに、被測定体10に照射されるレーザスリット光の反射光を感度良く撮像するために、反射光撮像部40の前には照射するレーザ光の波長を選択的に透過させるバンドパス(狭帯域)フィルタ74が設けられている。本実施形態では、一例として、光源20に青紫色レーザ光を採用しており、バンドパスフィルタ74は、この青紫色レーザ光を選択的に通過させる青紫色レーザ用干渉フィルタを用いている。
【0046】
また、図2では画像処理部100において、形状算出部60と、異常判定部110の各部(50、52)をそれぞれ独立した処理部として示している。しかし、情報処理回路である例えばCPUなどの共通の演算回路によって、全処理または一部処理を実行してもよい。
【0047】
次に、本実施形態に係る計測方法について、図3を参照して説明する。図3は、本実施形態に係る計測フローの一例を示す。計測時、まず、レーザ光源20及び輻射光撮像部30及び反射光撮像部40との位置関係が既知の所定ステージ上に、高温の被計測体10を配置し(S1)、輻射光撮像部30は、この被計測体10の輻射光を撮像し、暗部識別部50が輻射光画像中から輝度が所定基準以下である暗部領域を識別する(S2)。
【0048】
異常領域識別部52は、暗部識別部50で識別された暗部領域を異常領域と識別する(S3)。
【0049】
また、これと並行して、レーザ光源20から被計測体10の所定位置mにレーザスリット光を照射する(S4)。反射光撮像部40は、被計測体10に照射されたレーザスリット光の反射光を受光し、得られた反射光データから形状算出部60がスリット光照射位置における被計測体10の形状を算出する(S5)。この時、異常領域識別部52にて識別された暗部領域が、スリット光照射位置に存在する場合は、その暗部領域の正常形状を形状算出部60にて演算によって推定する。
【0050】
被計測体10の計測目的範囲の全てについて上記処理が行われていれば(S6:Yes)、計測は終了し、終了していない場合には(S6:No)、被計測体10を載せたステージを移動させ、レーザスリット光の被計測体10への照射位置を所定位置m+1に変更し、上記S2〜S5の処理を実行し、計測目的範囲に対する形状算出と、異常領域識別とを実行する。
【0051】
また、レーザ出力については、図示するような強度調整部62を設け、調整してもよい。例えば反射光データ(光切断線)の輝度、例えばその平均輝度と所定基準値とを比較し、その比較結果に応じて強度調整部62が調整してもよい。特に、例えば平均輝度が基準値より低い場合には、次の切断層測定位置へとレーザスリット光の照射位置にシフトさせずに、レーザ光源20のレーザ出力を上げ、充分な強度の光切断線が反射光撮像部40で観察されるように調整する。このようにすることで、効率的かつ確実に異常領域の識別と形状算出とを実行することができる。また、異常領域と判定されるような輝度が他のレーザ光照射領域よりも低い領域について、この領域を撮像観測できるようにレーザ出力の調整を行っても良い。
【0052】
また、通常の形状計測時においては、全く未知の形状を測定することは少なく、対象の形状があらかじめ分かっている。そこで、光切断線の位置は、被測定体10の画像全域に移動せず、画像上の所定の位置を中心に全体の数分の1〜数十分の1の範囲で移動するだけであることが多い。このような処理の場合、一例として高温の鋼材が被計測体10である場合に、図4(a)の点線領域など、画像の所定領域のみ識別、計測することで、形状計測、特に異常領域の識別を非常に高速に行うことができる。また、例えば上記図4(a)の被計測体10に対し、図4(b)の点線領域など、輻射光撮像部30および反射光撮像部40において必要領域のみの画像データを取り出してこれを暗部識別部50、形状算出部60等に転送すれば、一層の高速化を図ることができる。
【0053】
以上のように本実施形態では、高温状態のまま被測定体10の表面形状を計測すると同時に、表面における異常領域の存在とその位置を求めることができる。このため、異常領域の存在が識別された場合には、データを補正した良否判定が可能となり、不良と判定された被計測体10をそれ以降の製造工程に回さずに回収することができる。また、早期に製造条件の修正を行うことができ、製造の無駄をなくし、製造コストの削減に寄与することができる。
【0054】
次に、実例を挙げて上記計測について説明する。図5(a)は、高温の被測定体10を撮像した輻射光イメージである。酸化スケールの存在する部分は、存在しない領域より輝度が低く、暗部識別部50がこの輻射光画像から所定の基準輝度より低い領域を識別すると、図5(b)のような暗部イメージが得られる。
【0055】
一方、酸化スケールの形成領域にレーザスリット光が照射されると、図6(a)の例に示すように、突出するなどの表面形状の変位が観察される。そこで、この酸化スケールなどの異常領域と識別された領域については、スリット光の反射光データに基づいて、例えば形状算出部60によって、異常領域の厚さtのような異常領域の推定形状、正常推定形状を算出することができる(図6(b)の点線参照)。
【0056】
[実施形態2]
次に、本発明の実施形態2に係る高温被計測体の計測構成について図7を参照して説明する。実施形態1の図2と相違する点は、高温被計測体10の輻射光と異なる波長を備える複数のレーザ光源20−1〜20−nと、対応した反射光を可視光フィルタ70−1〜70−nを介して受光する複数の反射光撮像部40−1〜40−nを備えることである。なお、図7において、レーザ波長域のみを通過させるバンドパスフィルタは図示を省略している。
【0057】
複数のレーザスリット光を異なる光源20−1〜20−nから、被計測体10の異なる位置へ照射し、対応する反射光撮像部40−1〜40−nがそれぞれのスリット光の反射光を受光し、形状算出部60−1〜60−nが対応してそれぞれの反射光データから形状を算出する。このように複数の箇所を同時に計測することで、計測時間を短縮することができる。
【0058】
なお、この場合においても、輻射光強度に応じた像を得る輻射光撮像部30は単独でよく、得られた輻射光画像から上記実施形態1と同様に暗部を識別し、異常領域識別部52にて、異常領域の発生とその位置を求めることができる。
【0059】
また、互いに異なる波長のレーザ光源20として、例えば青紫色と緑色のレーザ光源20−1、20−2を用い、各レーザ光を被測定体10に照射し、対応した波長域を通過させるバンドパスフィルタ(図示しない)を介し、対応する反射光撮像部40−1〜40−2が受光してもよい。このように異なる波長のレーザ光を用いれば、反射光の識別が容易であると共に、異常領域の種別や程度などに応じて反射光の波長依存性がある場合でも、高い計測感度を実現することができる。
【0060】
[実施形態3]
図8は、実施形態3に係る高温被計測体の形状計測装置の概略を示している。実施形態1の図2に示す装置との相違は、輻射光撮像部30が撮像する輻射光画像と反射光撮像部40が受光する反射光データとを、光分配部80によって同一光路上から分配する構成を採用し、輻射光撮像部30と反射光撮像部40との被計測体10に対する撮像方向を一致させていることである。なお、実施形態1と共通する構成は図示を省略し、又は同一符号を付して説明を省略する。
【0061】
実施形態3のように、観察方向を一致させることで、識別された暗部領域と、形状計測位置とのずれを無くして一層の高精度計測が容易となる。
【0062】
光分配部80としては、ビームスプリッタや、選択的な波長反射特性を持つミラーなどを採用することができる。また、このビームスプリッタなどの光分配部80において、分配量を調整することで、反射光撮像部40への分配光量を増やすことにより、反射光撮像部40でより多くの反射光を得て、S/N比を向上させ、形状計測精度を高めることができる。
【0063】
[実施形態4]
図9は、実施形態4に係る高温被計測体の形状計測装置の概略を示している。本実施形態4では、上記実施形態3と同様に、光分配部80によって、輻射光撮像部30が撮像する輻射光画像と反射光撮像部40が受光する反射光データとを同一光路から分配している。また、実施形態2と同様に、複数のレーザ光源20と、対応して複数の反射光撮像部40−1〜40−nを備える。
【0064】
さらに、光分配部80としては、各反射光撮像部40−1〜40−nに被計測体10からの光をそれぞれ分光するための複数のビームスプリッタ80−1〜80−nが設けられ、各撮像部40−1〜40−nには、可視光フィルタ70−1〜70−nを介して被計測体10からのスリット光の反射光が導かれている。なお、図9においても、レーザ波長域のみを透過させるバンドパスフィルタは図示を省略している。
【0065】
複数のレーザ光源20−1〜20−nは、輻射光のピーク波長とは異なり、かつ、互いに異なる波長のレーザ光をそれぞれ射出することができ、例えば、赤色、緑色、青色(又は青紫色)の波長のレーザ光源20−1〜20−nを採用可能である。このように互いに波長の異なる複数のレーザ光源20を採用する場合、反射光撮像部40−1〜40−n及び対応するビームスプリッタ80−1〜80−nは、波長の短いレーザ反射光から先に光路から分離して反射光撮像部40−1〜40−nに導くようにすることが好ましい。
【0066】
このような光学配置とすることで、後述するようにレンズの透過率や撮像素子感度の低い短波長のレーザ反射光の受光量を十分多くすることができ、計測精度を高めることができる。
【0067】
また、上記ビームスプリッタ80−1〜80−nに代えて、光分配部として、波長選択性を備えたミラー90−1〜90−nを設けても良い。ミラー90−1〜90−nを採用する場合においても、より短波長のレーザ反射光(例えば青紫色レーザ)を被測定体10から輻射光撮像部30の間の光路から先に分離して対応する反射光撮像部40−1〜40−nに供給することができる。
【0068】
図10は、本実施形態4のより具体的な高温被計測体の形状計測装置の構成例を示している。レーザ光源として、緑色レーザ光源20gと青紫色レーザ光源20bを用い、各色のスリット光を高温の被測定体10に照射する。輻射光撮像部30は、被測定体10からの輻射光を、可視光フィルタ70、ビームスプリッタ80b、80gを介して撮像する。輻射光画像は、図10(i)に示すように、酸化スケール部が周辺より暗く撮像され、暗部識別部50が画像処理することで、スケール領域である可能性の高い暗部として識別される(図10(ii))。
【0069】
ビームスプリッタ80bは、高温被計測体10からの光を反射し、青紫色レーザ用干渉フィルタ74bを通して反射光撮像部40bが、この青紫色レーザ反射光を撮像する。次に、ビームスプリッタ80gが高温被計測体10からの光を反射し、緑色レーザ用干渉フィルタ74gを通して反射光撮像部40gがこの緑色レーザ反射光を撮像する。
【0070】
得られた青紫色反射光データ(iii−b)に基づいて、対応する形状算出部60bが三次元形状を算出する。また、得られた緑色反射光データ(iii−g)に基づいて、対応する形状算出部60gが三次元形状を算出する。
【0071】
ここで、ビームスプリッタ80b、80gの反射率及び透過率を調整することで、青紫色レーザ、緑色レーザの受光光量が十分得られるようにすることが好適である。一例として、ビームスプリッタ80bは反射(R)=50%、透過(T)=50%、ビームスプリッタ80gにはR=80%、T=20%のものを用いることで、それぞれの色のレーザについて、十分な受光量が実現される。
【0072】
異常領域識別部52は、暗部識別部50での識別結果に基づき、図10の例では、反射光撮像部40gの撮像した画像上の光切断線の一部(iii−bの点線)を異常領域(酸化スケール領域)と判断する。上述のように、酸化スケール領域には、スケール厚さ分の形状計測値に誤差が含まれる。そこで、異常領域識別部52又はスケールの見つかった形状算出部60(60g又は60b)にて、特定した異常領域の位置と厚さに基づいて、この酸化スケールが無いとした場合の本来の形状を求めても良い。
【0073】
図11は、上記図10の装置で反射光撮像部として用いたモノクロカメラの分光感度、図12は、このカメラにつけたレンズの波長−透過率を示す。これらのカメラ及びレンズのいずれも汎用工業用カメラおよびレンズである。そして、図11及び図12から理解できるように、これらカメラ、レンズの一般的な特性として、緑色の感度、透過性が高く、青紫色が低い。したがって、青紫色レーザと緑色レーザを用いた場合、青紫色レーザ反射光を、緑色レーザ反射光よりも先に、ビームスプリッタ80bで分離反射させて受光することで、青紫色のレーザ受光量(画像輝度)を落とさないようにすることができる。
【0074】
また、本実施形態のような構成を採用することで、輻射光撮像部及び反射光撮像部を近接して効率的に配置でき、小型化が可能となる。
【0075】
なお、図10において、ビームスプリッタ80b、80gを、上記図9に関して説明したように青紫色反射ミラー90b、緑色反射ミラー90bとしても同様の効果を得ることができる。
【0076】
[実施形態5]
図13は、実施形態5に係る高温被計測体の形状計測装置の概略構成を示す。本実施形態では、上記実施形態の輻射光を撮像する輻射光撮像部と、反射光を撮像する反射光撮像部とを、複数の特定色受光(例えばR,G,B)が可能なカラー撮像部44によって共用する。さらに、このカラー撮像部44と被計測体10との間に、光学フィルタ機能を有する光学部材200を設け、輻射光からカラー撮像部の第1特定色(例えば赤)受光部が受光可能な所定波長成分を抽出し、反射光から第2特定色(例えば緑、青)受光部が受光可能な所定波長成分を抽出する。なお、上記第2特定色は、1色に限られるものではなく、カラー撮像部44が上記第1特定色以外に受光可能な色数に応じ、2色(例えば上記緑、青)、又は3色以上等を採用することができる。
【0077】
レーザ光源20には、輻射光のピーク波長と異なり、かつ、互いに波長の異なる複数のレーザ光源20(20b、20g)を採用し、ここでは、緑色レーザ光源20gと、青紫色レーザ光源20bを採用する。また、各レーザ光源からの緑色レーザスリット光と青紫色レーザスリット光とが、被測定体10の異なる位置に照射されるように調整されている。
【0078】
カラー撮像部44では、光学部材200を介して被測定体10からの光を受光することで、赤画像としてスケールを含む輻射光画像(物体画像)が得られ、緑画像として緑色レーザ反射光(緑光切断線画像)が得られ、更に、青画像として青紫色レーザ反射光(青紫光切断線画像)が得られる。
【0079】
画像処理部100の暗部識別部50は、赤画像から暗部を識別し、形状算出部60g、60bは、それぞれ対応する緑画像、青画像から、レーザスリット光の照射位置の被計測体10の形状を算出する。
【0080】
図13に示す例であれば、異常領域識別部52は、暗部識別部50の識別結果から、青画像の示す光切断線上には、異常領域は存在しないと判断する。一方、緑画像の光切断線の低輝度領域(点線領域)は、識別された暗部が存在するため、異常領域と判断する。また、緑画像の異常領域には、スケール厚さ分の形状計測値に誤差が含まれるのでこの誤差を考慮した推定形状を求めても良い。
【0081】
次に、本実施形態5の光学部材200の構成及びその機能を図14、図15を更に参照して説明する。なお、図14は、図13の光学部材200の具体的構成を示し、図15は、この光学部材200を構成する各フィルタ、ミラーの波長−透過性、輻射光(赤色)及びレーザ反射光の透過の様子を示す。
【0082】
光学部材200は、被計測体10側に可視光フィルタ70を備え、高温の被計測体10からの輻射光、青紫色レーザ反射光、緑色レーザ反射光を含む光から、可視光外(特に赤外域)の輻射熱を除去し、受光光学系の赤外光(輻射熱成分)による温度上昇を防ぐ。
【0083】
青紫ミラー260は、可視光フィルタ70を通過した光から選択的に青紫波長光成分を分離して反射し、他の波長光成分を透過させる。青紫ミラー260で反射された青紫光は、ミラー262で全反射され、青紫フィルタ264が青紫色レーザ反射光のみを透過させる。青紫フィルタ264は、狭帯域フィルタであり、この青紫フィルタ264を透過した青紫色レーザ反射光は、ミラー266で全反射され、青紫光を選択的に反射し、他を透過させる青紫ミラー268を介してカラー撮像部44に照射される。カラー撮像部44では、その青色分光特性から、青色受光部(青画素)が、緑色、赤色成分が除去された青紫色レーザの光切断線画像(反射光)を青画像として撮像する。
【0084】
可視光フィルタ70を通過し、さらに青紫ミラー260を透過した光は、次に緑ミラー230に到達し、ここで、緑波長光成分が選択的に分離されて反射され、緑光はミラー232で全反射され、緑フィルタ234が緑レーザ反射光のみを透過させる。緑フィルタ234は狭帯域フィルタであり、この緑フィルタ234を通過した緑光は、ミラー236にて全反射されて緑ミラー238にすすむ。緑ミラー238は、緑波長光成分のみ反射して他の波長光を透過する特性をもち、緑光は、この緑ミラー238に反射されてカラー撮像部44に照射される。カラー撮像部44の緑色分光特性から、緑色受光部(緑画素)が、青色、赤色成分が除去された緑色レーザの光切断線画像(反射光)を緑画像として撮像する。
【0085】
上記青紫ミラー260及び緑ミラー230を透過した光は、赤色の輻射光成分となり、次に赤フィルタ214でさらに狭帯域化(ノイズ除去)され、上記のように、緑ミラー238及び青紫ミラー268を透過し、カラー撮像部44に照射される。カラー撮像部44では、その赤色分光特性から、赤色受光部(赤画素)が、青色、緑色成分が除去された輻射光画像(物体画像:赤画像)を撮像する。
【0086】
このようにカラー撮像部44が輻射光撮像部30と反射光撮像部40とを共用することで装置構成を一層小型化することができ、また被測定体10を単一のカラー撮像部44によって同一方向から撮像するので、輻射光画像と反射光データとの位置の誤差が非常に少なく、形状計測と共に精度良く異常領域を検出することができる。
【0087】
なお、図16に示すような光学部材200と同様な光学特性を備える光学フィルタを作成して、図16の光学部材200に代えてこの光学フィルタを採用することで、より省スペースにて形状計測装置を構成することができる。なお、図16において、点線はカラー撮像部44のR(赤),G(緑),B(青)素子の感度であり、実線が採用する光学フィルタの特性を示す。
【符号の説明】
【0088】
10 高温被測定体、20 レーザ光源、30 輻射光撮像部、40 反射光撮像部、44 カラー撮像部、50 暗部識別部、52 異常領域識別部、60 形状算出部、70 可視光フィルタ、80 光分配部、ビームスプリッタ、90 ミラー、100 画像処理部、110 異常判定部、200 光学部材、300 計測装置。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
高温の被計測体の形状計測装置であり、
前記高温の被計測体から得られる輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を前記被計測体に投光し、反射光撮像部が受光して得た反射光データに基づいて、前記被計測体の形状を算出する形状算出部と、
輻射光撮像部が前記被計測体の前記輻射光を撮像して得た輻射光画像から所定暗部を抽出し、該輻射光画像の暗部を前記高温の被計測体の表面異常と判定する異常判定部と、
を有し、
前記形状算出部は、前記異常判定部において表面異常と判定された領域について、正常と推定される形状を演算することを特徴とする形状計測装置。
【請求項2】
請求項1に記載の形状計測装置において、
前記被計測体からの輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を前記被計測体の異なる領域に投光する複数のレーザ光源を有し、
前記反射光撮像部は、投光された複数のレーザ光の反射光を受光し、
前記形状算出部は、前記被計測体の異なる領域に投光された前記レーザ光に対して得られた複数の反射光データに基づいて、前記レーザ光が投光された各領域の形状を算出することを特徴とする形状計測装置。
【請求項3】
請求項2に記載の形状計測装置において、
前記被計測体に投光される複数のレーザ光は、互いに波長が異なることを特徴とする形状計測装置。
【請求項4】
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の形状計測装置において、
前記被計測体からの光の光軸上には、前記輻射光撮像部と前記反射光撮像部とに、前記被計測体からの光を分配する光分配部が設けられていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項5】
請求項3に記載の形状計測装置において、
前記被計測体からの光の光軸上には、前記輻射光撮像部と前記反射光撮像部とに、前記被計測体からの光を分配する光分配部が設けられており、
前記光分配部は、前記被計測体からの反射光から前記投光されたレーザ光波長に応じた波長を分離して前記反射光撮像部に供給することを特徴とする形状計測装置。
【請求項6】
請求項5に記載の形状計測装置において、
前記光分配部は、前記反射光の波長域のうち短波長成分から先に分配することを特徴とする形状計測装置。
【請求項7】
請求項4〜請求項6のいずれか一項に記載の形状計測装置において、
前記光分配部は、前記輻射光撮像部よりも前記反射光撮像部に多くの光を分配することを特徴とする形状計測装置。
【請求項8】
請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の形状計測装置において、
前記反射光撮像部及び前記輻射光撮像部は、カラー撮像部によって共用され、
前記カラー撮像部と前記被計測体からの光の光軸上には、前記輻射光から前記カラー撮像部の第1特定色受光部が受光可能な所定波長成分を抽出し、前記反射光から前記カラー撮像部の1又は複数の第2特定色受光部が受光可能な所定波長成分を抽出するフィルタ機能を有する光学部材が設けられていることを特徴とする形状計測装置。
【請求項9】
請求項1〜請求項8のいずれか一項に記載の形状計測装置において、
前記レーザ光の反射光の輝度に応じて、照射される前記レーザ光の強度を調整する強度調整部を備えることを特徴とする形状計測装置。
【請求項10】
高温の被計測体の形状計測方法であって、
レーザ光源から前記高温の被計測体の輻射光と異なるピーク波長のレーザ光を前記被計測体に投光し、
反射光撮像部が受光して得た前記レーザ光に応じた反射光データに基づいて、形状算出部が前記被計測体の形状を算出し、
輻射光撮像部が前記高温の被計測体の輻射光を受光して輻射光画像を撮像し、
異常判定部は、
前記得られた輻射光画像から暗部領域を抽出し、
該暗部領域を表面異常と判定し、
前記形状算出部は、
前記異常判定部にて表面異常と判定された領域について、正常と推定される形状を演算することを特徴とする形状計測方法。

【図3】
image rotate

【図11】
image rotate

【図12】
image rotate

【図16】
image rotate

【図17】
image rotate

【図1】
image rotate

【図2】
image rotate

【図4】
image rotate

【図5】
image rotate

【図6】
image rotate

【図7】
image rotate

【図8】
image rotate

【図9】
image rotate

【図10】
image rotate

【図13】
image rotate

【図14】
image rotate

【図15】
image rotate


【公開番号】特開2010−237008(P2010−237008A)
【公開日】平成22年10月21日(2010.10.21)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−84816(P2009−84816)
【出願日】平成21年3月31日(2009.3.31)
【出願人】(000003609)株式会社豊田中央研究所 (4,200)
【出願人】(000116655)愛知製鋼株式会社 (141)
【Fターム(参考)】