JP2003172611A

JP2003172611A - 物体表面形状計測装置

Info

Publication number: JP2003172611A
Application number: JP2001374636A
Authority: JP
Inventors: Munenori Takumi; 宗則宅見; Haruyoshi Toyoda; 晴義豊田; Naohisa Kosaka; 直久向坂; Seiichiro Mizuno; 誠一郎水野; Chiyoharu Horiguchi; 千代春堀口
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2003-06-20
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP3872333B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速で正確に物体の表面形状情報を取得する
ことが可能な表面形状計測装置を提供する。【解決手段】２次元に配置した受光素子１１０の一行
毎に対応してアンプ１２０、Ａ／Ｄ変換器１３０を配置
して高速での読み出しを可能にするとともに、読み出し
た１列分の信号を基にして次の列を読み出す際のアンプ
のゲインを感度制御回路１５２によって調整することで
適応的な感度調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体の表面形状を
非接触で取得する物体表面形状計測装置に関し、特に、
光切断法により表面形状の計測を行う物体表面形状計測
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】非接触で物体の物体の表面形状を取得す
る方法として光切断法が知られている。図１は、光切断
法の基本原理を示す図である。移動ステージ４上に移動
可能に配置された被測定物３に対してスリット光源２か
らシート状のスリット光２０を照射し、別の方向に配置
したセンサ１によって被測定物４の表面上に投影されて
いるスリット光２０の光像２１を撮像することで、あた
かも光で被測定物を切断するかのようにしてその切断面
を観察するものである。

【０００３】被測定物４の表面上に照射するスリット光
２０を走査して、多数の切断面画像を取得することによ
り、物体の三次元形状情報を取得することが可能とな
る。図１の例では、被測定物３を移動ステージ４上で移
動させることで、スリット光２０を被測定物３上で相対
的に移動させることにより、この走査を行っている。

【０００４】このようにして三次元形状情報を正確かつ
高速に取得するためには、各切断面画像を高速で取得、
処理する必要があり、フレーム速度の低い通常のテレビ
カメラでは困難である。

【０００５】そこで、切断面画像取得を高速化するため
に、高速読み出しが可能な撮像装置を用いる技術が開発
されており、例えば、特開平6−137822号公報に開示さ
れている技術では、並列読み出し可能な撮像素子を用い
ることで高速での切断面画像取得を可能としている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようにして得られ
る切断面画像中の切断面像とは、スリット光の被測定物
表面での反射光の光像であるから、その明るさは、被測
定物表面の材質や、表面の状態、スリット光の照射角度
および撮像方向（すなわち光の照射方向と反射方向）に
よって大きく変化する。物体の三次元形状情報を取得す
るためには、切断面画像中の切断面位置情報を精度良く
取得する必要があるが、このように反射光の明るさが大
きく変化する場合には、明るさに応じた適応的な感度調
整を行う必要がある。

【０００７】感度調整の方法としてはＡＧＣ（Auto Gai
ｎ Coｎtrol:自動利得制御）回路による手法が知られて
いるが、こうしたＡＧＣ回路による調整は、フレーム画
像全体の輝度を調整するのには適しているが、特に、切
断面部分に明暗のある場合のように一画像中に明るい画
像と暗い画像が混在しているような場合には、感度調整
によってかえって切断面位置を特定することが難しくな
る場合がある。その結果、正確な三次元形状情報を取得
することが困難になる。

【０００８】そこで本発明は、高速で正確に物体の表面
形状情報を取得することが可能な物体表面形状計測装置
を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る物体表面形状計測装置は、(1)被測定
物に対してスリット光を照射するスリット光照射手段
と、(2)複数の受光素子が２次元状に配列されて形成さ
れ、スリット光照射方向とは異なる角度方向から被測定
物に投影されているスリット光の像を撮像する少なくと
も一つの受光素子アレイと、(3)受光素子アレイの受光
素子一行ごとに１個ずつ設けられ、行内の受光素子から
順次読み出された出力信号を増幅あるいは減衰させるゲ
イン可変のアンプを複数個配列させたアンプアレイと、
(4)対応するアンプから出力される出力信号をアナログ
・デジタル変換するＡ／Ｄ変換器が複数個配列させたＡ
／Ｄ変換器アレイと、(5)受光素子アレイの同一列の受
光素子に対応する出力デジタル信号を基にしてアンプの
ゲインを調整する感度制御装置と、(6)受光素子アレイ
の同一列の受光素子に対応する出力デジタル信号を基に
して列毎の画像の重心位置を演算する演算器と、を備え
ていることを特徴とする。

【００１０】本発明によれば、アンプ、Ａ／Ｄ変換器ア
レイを行毎に配置することで、複数行の受光素子の出力
信号を同時に読み出し、画像信号を高速で取得すること
が可能である。さらに、画面内の列の出力デジタル信号
を基にして次ないし数ライン先の列のゲイン調整を行う
ことで、同一画面内に明るい部分と暗い部分とが混在し
ている場合でも部分に応じて適応的な感度調整を行うこ
とが可能である。また、列毎の画像の重心位置を内部で
演算することで、物体の表面形状を高速で演算すること
ができる。このとき、感度調整された画像を基にして演
算を行うため、重心位置の算出を精度良く行うことがで
き、物体表面形状の計測精度が向上する。

【００１１】Ａ／Ｄ変換器は、出力デジタル信号にアン
プのゲインに関する情報を付加して出力するものでもよ
い。このようにすると、列毎にゲインをコントロールす
る前の生の画像データを復元することが容易になるた
め、他の画像処理を併用することが容易になる。

【００１２】演算器は、Ａ／Ｄ変換器の出力デジタル信
号から列の０次モーメントを求める０次モーメント演算
器と、列の１次モーメントを求める１次モーメント演算
器と、これらを基にして列の重心を求める重心演算器を
有することが好ましい。このようにすると、列の重心を
高速に求めることができ、物体表面形状を高速に測定す
ることが可能となる。

【００１３】受光素子の撮像面に投影されるスリット光
のライン方向と、受光素子の各行方向とを略平行に配置
していることが好ましい。このようにすると、撮像され
る切断面の光像は受光素子の行方向に略一致するため、
その空間位置認識が容易になる。

【００１４】スリット光と被測定物とを相対的に移動さ
せる移動手段をさらに備え、移動に応じて受光素子アレ
イにより複数の切断面画像を取得するようにすると、被
測定物全体の表面形状を連続的に測定でき、その３次元
形状の計測を行うことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理
解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に
対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説
明は省略する。

【００１６】図２は、本発明に係る物体表面形状計測装
置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。この
装置は図１に示される光切断法の原理によって三次元形
状を計測するものである。本実施形態のセンサ１は、切
断画像を取得するための光検出部１０と、制御部１５と
から構成される。このうち、光検出部１０は、ｎ１個×
ｎ２個（Ｘ方向×Ｙ方向）の２次元状に配置された受光
素子１１０からなる受光素子アレイ１１と、受光素子ア
レイ１１の１行ごとに対応して受光素子１１０から出力
された電荷を電圧信号に変換するｎ２個のチャージアン
プ１２０からなる並列アンプ１２と、チャージアンプ１
２０からの出力信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するｎ２個の
Ａ／Ｄ変換器１３０からなるＡ／Ｄ変換器アレイ１３
と、各Ａ／Ｄ変換器１３０毎に設けられたスイッチ１４
０によって構成され、信号の順次転送を行う転送スイッ
チ群１４とから構成される。一方、制御回路１５は、駆
動信号を発生させる駆動信号発生回路１５１と、チャー
ジアンプ１２０を制御する感度制御回路１５２と、感度
制御回路１５２で用いる感度制御情報を演算するための
感度制御情報演算器１５３とから構成されている。

【００１７】図３は、受光素子１１０の構成を示す回路
図である。各受光素子１１０は、光電変換部（ＰＤ）１
１１とコンデンサ（Ｃｄ）１１２、読み出しスイッチ
（ＳＷ）１１３から構成されており、ＰＤ１１１とＣｄ
１１２は一端が接続され、それぞれの他端が接地されて
いる。両者の接続部の先にＳＷ１１３が配置され、その
先は対応するチャージアンプ１２０へと接続されてい
る。

【００１８】図４は、チャージアンプ１２０の構成を示
す回路図である。チャージアンプ１２０は、ＯＰアンプ
１２１と３つのＳＷ１２２〜１２４と２つの容量の異な
るコンデンサＣｄ１２５、１２６から構成されている。
ＯＰアンプ１２１の正入力端には受光素子１１０の出力
信号が入力され、負入力端には基準電圧が入力されてい
る。各ＳＷ１２２〜１２４は、ＯＰアンプ１２１の正入
力端と出力端の間に並列で接続されており、ＳＷ１２３
とＣｄ１２５、ＳＷ１２４とＣｄ１２６とが直列に接続
されている。そして、制御回路１５からの制御信号によ
って各ＳＷ１２２〜１２４の開閉が制御される。

【００１９】次に、本実施形態の動作を説明する。制御
部１５は、移動ステージ２上で被測定物３を所定の微小
量ずつステップ移動させてスリット光２０の走査を行
い、各移動の間にセンサ１により１画面ずつ切断面画像
を取得することで多数の切断面画像を取得する。そし
て、取得した多数の切断面画像から被測定物３表面の空
間位置情報を求めることで被測定物３の三次元形状情報
を算出する。

【００２０】ここで、図５は光検出部１０に入射するス
リット光像２１と受光素子アレイ１１の受光素子１１０
の配列方向との関係を示す図である。図では、被測定物
３表面が平らな鏡面であり、スリット光２０に対して直
交して配置された場合を示している。各受光素子アレイ
は、スリット光像２１に対して同一のチャージアンプ１
２０を共用する受光素子１１０の配列方向、つまり行方
向（Ｘ方向）が一致するように配置されることが好まし
い。

【００２１】図６は切断面画像の取得動作のフローチャ
ートである。本フローチャートは１画面分の切断面画像
取得動作である。まず、ステップＳ１では、全てのチャ
ージアンプ１２０のＳＷ１２２、ＳＷ１２４をＯＦＦに
して、ＳＷ１２３をＯＮにする（図４参照）。これによ
りチャージアンプ１２０の正入力端と出力端の間にはＣ
ｄ１２５のみが接続されることになる。ステップＳ２で
は呼び出し列を示す変数ｉに初期値０を設定する。

【００２２】次に、ステップＳ３ではｉ列（列位置を０
〜ｎ１−１列で示す）の受光素子１１０のＳＷ１１３を
閉じる（図３参照）。ＳＷ１１３を開いた状態では、Ｐ
Ｄ１１１に入射した光量に応じた電荷がＣｄ１１２に蓄
積される。ＳＷ１１３を閉じることでこうして蓄積され
た電荷がチャージアンプ１２０へと転送される。つま
り、この操作によりｉ列の受光素子１１０の出力信号が
対応するチャージアンプ１２０へとそれぞれ転送される
ことになる。

【００２３】ステップＳ４では、こうして転送された出
力信号がアンプ１２０によって電荷−電圧変換される。
ここで、チャージアンプ１２０のゲインＧはＣｄ１２
５、１２６の接続状態に応じて変化する。具体的には、
受光素子１１０側のＣｄ１１２の容量をＣｐ、Ｃｄ１２
５、１２６それぞれの容量をＣａ１、Ｃａ２で表すと、
ＳＷ１２３のみがＯＮの場合、つまりＣｄ１２５のみが
接続されている場合のゲインＧは、Ｇ＝Ｃｐ／Ｃａ１
で、ＳＷ１２４のみがＯＮの場合、つまりＣｄ１２６の
みが接続されている場合のゲインＧは、Ｇ＝Ｃｐ／Ｃａ
２で、ＳＷ１２３、１２４がＯＮの場合、つまりＣｄ１
２５、１２６がともに接続されている場合のゲインＧ
は、Ｇ＝Ｃｐ／（Ｃａ１＋Ｃａ２）で表されることにな
る。ＳＷ１２３のみが閉じられている状態では、Ｃｄ１
１２から送られてきた電荷はＣｄ１２５へと転送され
る。そして、ＯＰアンプ１２０はゲインＧ＝Ｃｐ／Ｃａ
１で増幅あるいは減衰し、電圧に変換した出力信号をＡ
／Ｄ変換器１３０へとそれぞれ出力する。

【００２４】ステップＳ５では、各Ａ／Ｄ変換器１３０
が送られてきたアナログ信号をデジタル信号へと変換す
る。ステップＳ６では、ＳＷ１４０を第０行から順に第
ｎ２−１行までＯＮ−ＯＦＦ切り返していくことで、行
の順番に１列分の各デジタル信号を出力する。

【００２５】こうして出力されたデジタル信号は分岐さ
れて一方が制御部１５の感度制御情報演算器１５３へと
入力される。ステップＳ７ではこの感度制御情報演算器
１５３において特徴量ｆを演算する。特徴量としては、
被測定物３の表面の反射率、形状、材質等の特性に合わ
せて入力された１列分の画像信号の信号値のうち最大
値、平均値、総和、所定の閾値を越えた画素数等を用い
ればよい。

【００２６】ステップＳ８では、感度制御回路１５２が
こうして求めた特徴量ｆと第１の閾値ｆth1とを比較す
る。ｆがｆth1を越えていた場合にはステップＳ９へと
移行してチャージアンプ１２０のＳＷ１２４がＯＦＦで
あればＯＮにする。これにより、チャージアンプ１２０
のゲインＧを小さく変更した後、ステップＳ１２へと移
行する。一方、ステップＳ８でｆがｆth1以下であった
場合にはステップＳ１０へと移行して今度は特徴量ｆと
第２の閾値ｆth2とを比較する。ここで、ｆth1＞ｆth2
の関係がある。ｆがｆth2以上であった場合にはステッ
プＳ１２へと移行する。一方、ｆがｆth2未満であった
場合には、ステップＳ１１へと移行してチャージアンプ
１２０のＳＷ１２４がでＯＮであればＯＦＦにする。こ
れにより、チャージアンプ１２０のゲインＧを大きく変
更した後、ステップＳ１２へと移行する。

【００２７】ステップＳ１２では、全アンプ１２０のＳ
Ｗ１２２を一時的にＯＮにすることで接続されているＣ
ｄ１２５、１２６の電荷をリセットする。そして、ステ
ップＳ１３でｉに１を加算した後、ステップＳ１４へと
移行し、ｉがｎ１に達していない場合には、ステップＳ
３へと戻り処理を繰り返すことで次の列の処理を行う。
ｉがｎ１に達した場合には、一画面分の読み出し処理を
終了したとして処理を終了する。

【００２８】このように前の列の読み出し結果を基にし
て次の列の読み出しの際のアンプのゲインを調整するた
め、１画面中で適応的な感度調整を行うことができる。
図７は、本実施形態によって取得した切断面画像と従来
の取得方法による切断面画像の画像を比較した例であ
る。図７（ａ）は切断面画像の取得状況を示す図であ
り、被測定物３として動物のぬいぐるみを用いており、
スリット光２０はこのぬいぐるみの胴部分と両腕部分に
照射されている。図７（ｂ）は感度を最大とした場合
（本実施形態では、ＳＷ１２３を常にＯＮ、ＳＷ１２４
を常にＯＦＦにした場合に相当）、図７（ｃ）は感度を
最低とした場合（本実施形態では、ＳＷ１２３、１２４
をともにＯＮにした場合に相当）、図７（ｄ）は上述の
感度制御を行った場合のそれぞれの取得切断面画像を示
している。図７（ｂ）に示される感度最大の場合には、
脇などの陰になりやすい部分の切断面画像も取得しやす
い一方で、胴体中央部などの入射光があたりやすい部分
では逆に出力が飽和して計測精度が大幅に劣化してしま
う。図７（ｃ）に示される感度最低の場合には、出力の
飽和は抑制できるが、脇などの陰になりやすい部分では
十分な出力が得られない。これに対して、図７（ｄ）に
示される感度を可変にした場合は、出力の飽和を抑制す
る一方、脇などの陰になりやすい部分でも十分な出力が
得られ、適応的な感度調整が行えることが確認できた。

【００２９】以上の説明では、２段階にアンプのゲイン
を切り換える例を説明したが、例えば、ＳＷ１２３、Ｓ
Ｗ１２４のいずれか若しくはその両方がＯＮの３段階に
切り換えるようにしてもよく、さらに多数のコンデンサ
とスイッチを組み合わせて多段階の切り替えが行えるよ
うにしてもよい。さらに、設定されるゲインＧが一定値
Ｇ０に対してＧ＝Ｇ０×２ⁿの関係を保つよう各コンデ
ンサの容量関係を設定し、このゲインのｎ部分に該当す
るデータを各列のデジタル信号に付加して出力すれば、
その列のデジタル信号をｎビットシフトさせることで列
毎の感度補正を行っていない画像を得ることができるの
で、他の画像処理と組み合わせる場合に好適である。

【００３０】次に、本発明に係る三次元形状計測装置の
第２の実施形態について説明する。図８はこの第２の実
施形態のセンサ１部分の概略構成図である。第１の実施
形態では、実際の三次元形状情報は取得した切断面画像
を基にして図示していないパソコンやＥＷＳ等の計算機
により形状情報を取得するものである。これに対して、
図８に示される第２の実施形態では演算装置を内蔵して
いる点が相違する。

【００３１】モーメント演算部１６は高さ情報の基とな
る列の０次モーメントＭ０（ｉ）を求める０次モーメン
ト演算器１６と１次モーメントＭ１（ｉ）を求める１次
モーメント演算器１７とを有する。重心演算部１７はこ
れらの結果から列内の重心位置Ｐ（ｉ）を求めるもので
ある。Ｍ０（ｉ）、Ｍ１（ｉ）、Ｐ（ｉ）は以下の式に
より演算できる。

【００３２】

【数１】式からわかるように各演算部１６、１７は簡単な加算、
積算回路を組み合わせることで構成することが可能であ
り、光検出部１０とワンチップ化することも可能であ
る。このような構成によって、高速で精度のよい測定を
実現することが可能である。特に、画像メモリや画像バ
ッファを余分に用意する必要がないので、装置の大幅な
コストダウンを図ることができる。

【００３３】以上の説明では、被測定物３を移動させる
場合を例に説明してきたが、スリット光源２自体を駆動
することで、あるいは、スリット光２０を光学系によっ
て移動させることで被測定物３を移動させることなく、
スリット光２０自体の照射位置を変更して走査を行って
もよい。

【００３４】また、移動手段を設けない場合には、連続
的な切断面画像取得はできないが、特定の切断面の切断
面画像を取得することにより、その位置における表面形
状の測定を行うことができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、２
次元に配列された受光素子で光切断法の切断面画像を取
得する際に、一列の読み出し結果を基にして後続の列を
読み出す際のアンプのゲインを調整することで適応的な
感度調整を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光切断法の原理を説明する図である。

【図２】本発明に係る物体表面形状計測装置のブロック
構成図である。

【図３】受光素子の構成を示す回路図である。

【図４】チャージアンプの構成を示す回路図である。

【図５】光検出部に入射するスリット光像と受光素子の
配列方向との関係を示す図である。

【図６】切断面画像の取得動作のフローチャートであ
る。

【図７】本実施形態によって取得した切断面画像と従来
の取得方法による切断面画像の画像を比較した例であ
る。

【図８】第２の実施形態のセンサ部分の概略構成図であ
る。

【符号の説明】

１…センサ、２…スリット光源、３…被測定物、４…移
動ステージ、１０…光検出部、１１…受光素子アレイ、
１２…アンプアレイ、１３…Ａ／Ｄ変換器アレイ、１４
…転送スイッチ群、１５…制御回路、１６…モーメント
演算部、１７…重心演算部、１１０…受光素子、１１１
…ＰＤ、１１２、１２５、１２６…コンデンサ、１１
３、１２２〜１２４、１４０…スイッチ、１２０…チャ
ージアンプ、１２１…ＯＰアンプ、１３０…Ａ／Ｄ変換
器、１５１…駆動信号発生回路、１５２…感度制御回
路、１５３…感度制御情報演算器。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０４Ｎ 5/335 Ｇ０１Ｂ 11/24 Ａ (72)発明者向坂直久静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者水野誠一郎静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内 (72)発明者堀口千代春静岡県浜松市市野町1126番地の１浜松ホトニクス株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA53 BB05 FF01 GG16 HH05 HH13 JJ03 JJ08 JJ26 MM03 NN11 QQ03 QQ31 QQ42 5B047 AA07 AB02 BA02 BB04 BC12 BC14 CA19 CB22 DA01 DB01 DC09 5C024 BX03 CY17 GX03 GZ41 HX18 HX23 HX35 5F089 AA10 AB01 AC07 AC10 CA17 FA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光切断法により被測定物の表面形状を測
定する物体表面形状計測装置であって、被測定物に対してスリット光を照射するスリット光照射
手段と、複数の受光素子が２次元状に配列されて形成され、前記
スリット光照射方向とは異なる角度方向から被測定物に
投影されているスリット光の像を撮像する少なくとも一
つの受光素子アレイと、前記受光素子アレイの受光素子一行ごとに１個ずつ設け
られ、行内の受光素子から順次読み出された出力信号を
増幅あるいは減衰させて出力するゲイン可変のアンプを
複数個配列させたアンプアレイと、対応する前記アンプから出力される出力信号をアナログ
・デジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換器が複数個配列
させたＡ／Ｄ変換器アレイと、前記受光素子アレイの同一列の受光素子に対応する出力
デジタル信号を基にして前記アンプのゲインを調整する
感度制御装置と、前記受光素子アレイの同一列の受光素子に対応する出力
デジタル信号を基にして列毎の画像の重心位置を演算す
る演算器と、を備えていることを特徴とする物体表面形状計測装置。
【請求項２】前記Ａ／Ｄ変換器は、出力デジタル信号
にアンプのゲインに関する情報を付加して出力する請求
項１記載の物体表面形状計測装置。
【請求項３】前記演算器は、前記Ａ／Ｄ変換器の出力
デジタル信号から列の０次モーメントを求める０次モー
メント演算器と、列の１次モーメントを求める１次モー
メント演算器と、これらを基にして列の重心を求める重
心演算器を有する請求項１または２に記載の物体表面形
状計測装置。
【請求項４】前記受光素子の撮像面に投影される前記
スリット光のライン方向と、前記受光素子の各行方向と
を略平行に配置している請求項１〜３に記載の物体表面
形状計測装置。
【請求項５】前記スリット光と被測定物とを相対的に
移動させる移動手段をさらに備え、移動に応じて前記受
光素子アレイにより複数の切断面画像を取得することを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の物体表面形
状計測装置。