JP2004045222A - 表面形状計測装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】この表面形状計測装置1に備えた計測ヘッド120は、測距用スリット光照射部121と撮像部124を備え、光切断法により被計測体150の表面形状を計測する。更に、マーカー検出用スリット光照射部127を備え、これから発するスリット光132が被計測体150表面に貼り付けられたマーカー152に照射されたときの再帰性反射に基づくマーカー像134を撮像部124で撮像する。そしてマーカー像134を抽出して、マーカー152の位置を求める。すなわち単一の撮像部124のみによって撮像を行えるので、計測ヘッド120の小型化・軽量化、低コスト化が実現できる。さらに、単一の撮像部124により撮像を行えるので、被計測体150の表面形状とマーカー152の位置の対応付けを高精度に行える。
【選択図】 図2
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測体の表面形状を光切断法によって計測すると共に、上記被計測体表面の基準位置となるランドマーク位置を計測する表面形状計測装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術として、特開平7−120232号公報や、特開平11−51615号公報等に記載された装置がある。この特開平7−120232号公報には、スリット光をスキャンすることで被測定物の外形を測定する非接触型三次元形状測定装置について記載されており、また、特開平11−51615号公報には、カラーマーカーが貼り付けられた対象物を複数のカメラで撮像して、その三次元位置を測定する測定装置について記載されている。
【0003】
このような技術の中で特に、被計測体に対してスリット光を照射するスリット光照射光源と、スリット光照射光源によって照射されたスリット光による被計測体表面の光切断像を撮像するセンサと、更にカラーセンサとによって構成される計測ヘッドを用いた表面形状計測装置が知られている。この表面形状計測装置では、計測ヘッドを被計測体に対して移動させることによって、スリット光照射光源から照射するスリット光を被計測体表面において走査する。そして、上述の光切断像をセンサによって多数取得することによって、被計測体の表面形状の計測している。すなわち、光切断法に基づいて被計測体の表面形状を計測している。また、これと共に、被計測体表面の色と異なるマーカーをランドマークとして被計測体に貼り付けて、そのマーカーの像をカラーセンサによって撮像する。そして、カラーセンサによって取得される画像から被計測体表面の色とマーカーの色の違いを利用してマーカーの像を抽出することによって、マーカーの位置を計測している。従来の表面形状計測装置は、このようにして被計測体の表面形状とマーカーの位置とを計測することによって、両者の対応付けを可能としている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の表面形状計測装置では、カラーセンサを搭載するため、計測ヘッドの大型化が避けられず、その重量も大きくなっていた。同様にカラーセンサを搭載するため、装置コストも高くなっていた。また、上記のセンサとカラーセンサとの組立て調整が煩雑であるため、製造コストが高くなっていた。加えて、上述のセンサとカラーセンサのそれぞれに備えられたレンズの歪み収差に違いがあり、これを歪み補正によって補正しても、被計測体の表面形状にマーカーの位置を対応付ける精度には限界があり、更なる高精度化が望まれていた。
【0005】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、計測ヘッドの小型化・軽量化、及び低コスト化を図り、更に計測精度の高精度化を測った表面形状計測装置を提供することを課題とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の表面形状計測装置は、計測空間に置かれた被計測体に向けて、上記計測空間を貫く所定の中心軸に、その光軸及びスリットの長手方向の双方が交差する第1及び第2のスリット光をそれぞれ照射する第1及び第2のスリット光照射手段と、複数の受光素子を二次元に配列してなる受光面を含み、上記第1のスリット光を含む平面と直交する面上に配置される撮像手段とを有する計測ヘッドと、上記計測ヘッドと上記被計測体とを、上記所定の中心軸の軸方向へ、相対的に移動させる移動手段と、上記第1のスリット光が上記被計測体表面で反射されて上記撮像手段によって撮像される光切断像に基づいて、上記被計測体の表面形状を算出する演算手段とを備え、上記受光面は、上記光切断像を撮像する第1の領域と、当該第1の領域に対し、上記第1のスリット光照射手段と上記撮像手段とを結ぶ基線長方向に位置する第2の領域とを含み、上記第2のスリット光照射手段は、上記第2の領域を構成する上記複数の受光素子のうち、上記基線長方向と垂直な方向に配列された上記複数の受光素子の並びの方向上において上記撮像手段の近傍に配置され、上記第2の領域の視野内へ上記複数の受光素子の並びに平行な上記第2のスリット光を照射し、上記撮像手段は、更に、上記第2のスリット光が上記被計測体に付けられたマーカーに照射されたときの再帰性反射に基づく上記マーカーの像を撮像し、上記演算手段は、更に、上記撮像手段によって撮像される上記マーカーの像に基づいて、当該マーカーの位置を算出することを特徴としている。
【0007】
本発明の表面形状計測装置によれば、計測ヘッドには被計測体に向けて第1のスリット光を照射する第1のスリット光照射手段と、第1のスリット光を含む平面と直交する面上に配置される撮像手段とが備えられる。そして、移動手段によって、この計測ヘッドと被計測体とを、計測空間の中心軸の軸方向へ相対的に移動させる。これによって、第1のスリット光を被計測体表面に走査する。そして、被計測体表面の光切断像を撮像手段によって撮像し、この光切断像に基づいて演算手段が被計測体の表面形状を算出する。すなわち、光切断法による被計測体の表面形状の計測が可能となる。また、計測ヘッドには第2のスリット光照射手段が備えられており、上記の移動によって第2のスリット光照射手段から照射する第2のスリット光を被計測体表面に走査する。ここで、撮像手段を構成する受光面は、上記の光切断像が受像される第1の領域と、この第1の領域に対して、第1のスリット光照射手段と撮像手段とを結ぶ基線長方向に位置する第2の領域とを含む。そして、第2のスリット光照射手段は、この第2の領域を構成する受光素子のうち、上記の基線長方向と垂直な方向に配列された複数の受光素子が並ぶ方向上において、撮像手段の近傍に配置される。また、第2のスリット光照射手段は、上記の受光素子の並びに平行な第2のスリット光を上述の第2の領域の視野内へ照射する。すると、この第2のスリット光が被計測体表面に貼り付けられたマーカーに照射されたときの再帰性反射に基づくマーカーの像(以下、「マーカー像」と呼ぶ。)が、第2の領域を構成する複数の受光素子のいずれかによって受光される。すなわち、上述の光切断像とマーカー像は受光面において重なることはないので、両者を識別して抽出することができる結果、単一の撮像手段によって撮像される光切断像とマーカー像とに基づいて、被計測体の表面形状とマーカーの位置を算出することができる。
【0008】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記移動手段と上記計測ヘッドとが上記所定の中心軸の周囲に複数設けられ、上記移動手段は、上記計測ヘッドを上記軸方向へ移動させることを特徴としても良い。
【0009】
この発明によれば、計測空間の周囲に計測ヘッドと移動手段とを複数設けることで、被計測体の周囲全体にわたる表面形状を計測することが可能となる。加えて、上記の計測ヘッドは軽量であるのため、計測ヘッド移動手段に大きな駆動力を必要としない。
【0010】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記所定の中心軸を中心に上記被計測体を回転させる被計測体回転手段を更に備え、上記移動手段は、上記計測ヘッドを上記軸方向へ移動させることを特徴としても良い。
【0011】
この発明によれば、被計測体回転手段によって被計測体を回転させることができるので、単一の計測ヘッドによって被計測体の周囲全体にわたる表面形状を計測することが可能となる。その結果、装置コストを低減することが可能となる。加えて、上記の計測ヘッドは軽量であるのため、計測ヘッド移動手段に大きな駆動力を必要としない。
【0012】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記第2のスリット光の強度を、上記撮像手段によって上記マーカーの像が検出される範囲で、上記第1のスリット光より、小さくすると好適である。
【0013】
この発明によれば、第2のスリット光の強度を、撮像手段によってマーカー像が検出可能な範囲で、第1のスリット光の強度より小さくするので、第2のスリット光が、被計測体表面で反射され、この反射に基づくスリット光像が撮像手段によって撮像されても、その信号強度を小さくすることができる結果、このスリット光像と共に撮像されるマーカー像の検出精度を高めることができる。
【0014】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記第1の領域を構成する上記複数の受光素子から出力される信号のうち、上記計測空間における照明環境に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することが好適である。
【0015】
この発明によれば、計測空間の照明環境によって、上記の第1の領域を形成する複数の受光素子に一定の強度の光が入射し、これがノイズとして検出されても、計測空間の照明環境に応じてオフセットレベルを設定し、そのオフセットレベル以下の信号を除去するので、光切断像に影響を与えずに、上記のノイズを除去することが可能となる。そして、このようにノイズを除去できるので、光切断像の検出精度を向上できる結果、被計測体の表面形状の計測精度を向上できる。
【0016】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記第2の領域を構成する上記複数の受光素子から出力される信号のうち、上記マーカーの像の信号強度に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することが好適である。
【0017】
第2のスリット光が、被計測体表面で反射され、この反射に基づく像が上記の第2の領域を構成する受光素子に入射しても、この信号強度は、被計測体に付けられたマーカーによる再帰性反射に基づくマーカー像の信号強度に比べて小さい。したがって、この発明によれば、マーカー像の信号強度に応じて設定されるオフセットレベル、すなわち、マーカー像の信号強度より小さい強度の信号を除去するオフセットレベルを、上記の第2の領域を形成する複数の受光素子から出力される信号に適用するので、マーカー像のみを残すことができる。これにより、マーカー像の抽出精度を向上できる結果、マーカー位置の計測精度を向上できる。
【0018】
また、上記受光面において上記第1の領域と上記第2の領域との中間の領域を構成する複数の上記受光素子から出力される信号を無効にすると、さらに好適である。
【0019】
この発明によれば、第2のスリット光がマーカーに反射されて強い光束で上記の第2の領域を形成する受光素子に入射してきた場合に、その受光素子近辺の素子にクロストークが生じても、この第2の領域と上記の第1の領域との中間の領域を形成する受光素子から出力される信号を無効にするので、このクロストークによる影響を防止できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、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符号を附し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【0021】
(第1実施形態)まず、本発明の第1の実施形態にかかる表面形状計測装置100について添付の図面を参照して説明する。図1は表面形状計測装置100の平面図である。本実施形態にかかる表面形状計測装置100においては、ステージ140の周囲を囲むように、4つの計測ユニット110が配置されている。ここでステージ140は、被計測体をその上面に乗せるステージであって、このステージ140に被計測体を乗せることによって、計測空間160の範囲に被計測体を置くことが可能となる。
【0022】
計測ユニット110はそれぞれ、計測ヘッド120と、計測ヘッド120を内蔵する支柱111と、計測ヘッド120を支柱111の内部で上下動させる移動機構(移動手段)を構成するモータ112,タイミングベルト113,ガイドレール114を備える。この移動機構によれば、計測ヘッド120は、モータ112の回転駆動によってガイドレール114に沿って、支柱111内を計測空間160の中心軸161に平行に上下動する。
【0023】
更に計測ユニット110は、計測ヘッド120によって撮像された画像や計測ヘッド120の位置情報をコンピュータ(演算手段)145(図1においては図示せず)に転送するための信号ケーブルが配線されたケーブルベア115と、支柱111内部の移動機構や計測ヘッド120を外部からの接触に対して保護するよう、計測空間160側の支柱前面に設けられたアクリル板116を備える。
【0024】
次に、計測ヘッド120について詳細に説明する。図2は、支柱111及びアクリル板116を取り去って、計測ヘッド120を露出させた計測系の斜視図である。なお、図2では被計測体として円筒形状の被計測体150を共に図示している。
【0025】
図2に示すように、計測ヘッド120は、測距用スリット光照射部(第1のスリット光照射手段)121、マーカー検出用スリット光照射部(第2のスリット光照射部)124、撮像部(撮像手段)127を備える。また、被計測体150には、その表面に光の入射方向に強い反射特性を有する再帰性反射部材を用いたマーカー152がランドマークとして貼り付けられている。
【0026】
測距用スリット光照射部121は、測距用スリット光源122及び測距用投光レンズ123を備える。そして、測距用スリット光源122から発せられるスリット光を、測距用投光レンズ123を介してスリット光(第1のスリット光)131として被計測体150に照射する。このスリット光131は被計測体150の表面に照射され、被計測体150表面からの反射に基づく光切断像133が、撮像部124に撮像される。
【0027】
撮像部124は、フォトダイオードを2次元的に配列した受光面125及び受光レンズ126を備える。この撮像部124は、図2に示すように、測距用スリット光照射部121の上方に配置され、この位置から上記の光切断像133を撮像する。すなわち、撮像部124は測距用スリット光照射部121のスリットと直交する面上に配置されて、光切断像133を撮像する。
【0028】
マーカー検出用スリット光照射部127は、マーカー検出用スリット光源128及びマーカー検出用投光レンズ129を備える。そして、マーカー検出用スリット光源128から発せられるスリット光をマーカー検出用投光レンズ129を介してスリット光(第2のスリット光)132として被計測体150に照射する。このスリット光132が被計測体150に貼り付けられたマーカー152に照射されたときの、再帰性反射に基づくマーカー像134が撮像部124に撮像される。
【0029】
ここで、マーカー像134の撮像に関して詳細に説明するため、計測ヘッド120の構成を更に詳細に説明する。まず、計測ヘッド120における各構成要素の配置について、図3及び図4を参照して詳細に説明する。図3及び図4はそれぞれ、計測ヘッド120の平面図、側面図である。
【0030】
図3及び図4に示すように、撮像部124(図中では受光面125及び受光レンズ126に対応)は、測距用スリット光照射部121(図中では測距用スリット光源122及び測距用投光レンズ123に対応)の上方に配置されて、その位置から上記の光切断像133の撮像を行う。ここで、撮像部124の受光面125は、上記の光切断像133が受像される光切断像検出領域(第1の領域)165と、この光切断像検出領域165に対して、測距用スリット光照射部121と撮像部124を結ぶ基線162の長手方向に位置するマーカー像検出領域(第2の領域)166とに分割される。そして、マーカー検出用スリット光照射部127は、マーカー像検出領域166に含まれ、基線162に垂直に配列された複数のフォトダイオード169が並ぶ方向上において、撮像部124の近傍に配置される。
【0031】
次に、マーカー検出用スリット光照射部127から照射されるスリット光132について、測距用スリット光照射部121から照射されるスリット光131の照射方向、及び撮像部124の視野との関係とともに、図5を参照して説明する。図5は、その関係を計測系の側方から観察した図である。図5に示すように、測距用スリット光照射部121(図5では測距用スリット光源122及び測距用投光レンズ123に対応)から照射されるスリット光131は、計測空間160(図5ではa−b間)に向けて、垂直に照射される。そして、上述のように配置されたマーカー検出用スリット光照射部127(図5では、マーカー検出用スリット光源128及びマーカー検出用投光レンズ129に対応)から発せられるスリット光132は、上述した複数のフォトダイオード169の並びに平行で、マーカー像検出領域166の視野135内へ照射される(図5ではc−d間に向けて照射される)。このようなスリット光132は、被計測体150に貼り付けられたマーカー152に照射されたとき、マーカー152による再帰性反射により、その入射方向に反射され、上記の複数のフォトダイオード169のいずれかに入射する。
【0032】
図2に戻って、このように構成された計測ヘッド120によると、測距用スリット光照射部121から照射されるスリット光131が被計測体150の表面で反射されて、光切断像133として受光面125のうち光切断像検出領域165に撮像される。そして、マーカー検出用スリット光照射部127から照射されるスリット光132が被計測体150の表面に貼り付けられたマーカー152に照射されたときの再帰性反射に基づく光は、上記の複数のフォトダイオード169のいずれかに入射し、マーカー像134となって撮像される。このようにして、光切断像133とマーカー像134は受光面125において重なることなく撮像される。
【0033】
なお、マーカー検出用スリット光照射部127は、スリット光132をマーカー像134が十分に検出できる範囲でスリット光131より小さい強度で照射する。これによってスリット光132が被計測体150の表面で反射され、その反射に基づくスリット光像がマーカー像検出領域166に入射しても、このスリット光像の信号強度を小さくすることができる結果、このスリット光像と共に撮像されるマーカー像134の検出精度を高めることができる。
【0034】
このように各計測ユニット110に備えた計測ヘッド120を上述の移動機構によって、移動させるにしたがって、撮像部124に撮像される画像はその撮像を行った計測ヘッド120の位置情報と共に、ケーブルベア115に配線された信号ケーブルを介して、図6に示すようにコンピュータ145に逐次転送される。
【0035】
次に、コンピュータ145について説明する。コンピュータ145は、各計測ユニット110から転送される画像に対して、計測に不要なノイズを除去するためのオフセット処理を行い、そして光切断像133に基づく被計測体150の表面形状の算出処理を行い、更にマーカー像134に基づくマーカー152の位置算出処理を行う。以下、これらの処理について説明する。
【0036】
まず、コンピュータ145が転送される画像に対して行うオフセット処理について説明する。まず、その理解のため、計測ヘッド120で撮像される画像について説明する。図7は、計測空間160に円筒形状の被計測体150が置かれた場合に、撮像部124によって取得される画像の一例を示す。図7に示すように、受光面125のうち光切断像検出領域165において撮像される画像には、光切断像133が撮像されている。また、上述の複数のフォトダイオード169が含まれるマーカー像検出領域166で撮像される画像には、マーカー像134とスリット光132の被計測体150表面における反射に基づくスリット光像136が撮像されている。ここで、スリット光像136は、スリット光132の強度がマーカー像134を検出可能な範囲で十分に小さくしてあるため、きわめて小さい輝度で撮像される。また、上記の光切断像検出領域165とマーカー像検出領域166の中間に位置する無効領域167に撮像される画像は、マーカー152から反射される光束が強く、この光束が入射するフォトダイオードの近辺に存在するフォトダイオードにクロストークが生じても、その影響を光切断像検出領域165に伝播して、光切断像133の検出に影響を与えないよう、この無効領域167を構成するフォトダイオードが出力する信号を無効にしている。したがって、その領域で撮像された画像は輝度が0になっている。なお、撮像部124によって撮像される画像は、受光レンズ126を介して撮像されるため、取得される画像は図7に示すように倒立像となっている。
【0037】
このような画像に対し、コンピュータ145では、図8に示すオフセットレベルを適用する。図8は、図7に示した取得画像のラインVIII−VIII’における信号のプロファイルを256階調の信号強度で表示している。また、受光面125の光切断像検出領域165、マーカー像検出領域166、無効領域167のそれぞれに撮像される画像に適用するオフセットレベル181、182、183を表示している。
【0038】
図8に示すように、光切断像検出領域165、マーカー像検出領域166、無効領域167において撮像された画像のそれぞれに適用するオフセットレベル181、182、183は、それぞれ異なる。具体的には、光切断像検出領域165に撮像された画像に適用されるオフセットレベル181は、計測空間160の照明環境から生じるノイズを除去可能なレベルに設定されており、これにより、光切断像133に対応する信号171のみを残して、それ以下のノイズが除去できる。
【0039】
また、マーカー像検出領域166において撮像される画像に適用されるオフセットレベル182は、信号強度の大きいマーカー像134が検出できるレベルであって、スリット光132による被計測体表面におけるスリット光像136が除去可能に設定されており、これにより、マーカー像検出領域166で撮像された画像については、マーカー像134に対応する信号172のみが残され、スリット光132の被計測体150表面による反射に基づくスリット光像136は信号強度が小さいので、除去できる。
【0040】
また、無効領域167において撮像される画像には、その全ての信号が無効となるよう、最大レベルのオフセットレベル183が適用される。これにより、上述のようなクロストークの影響が防止できる。
【0041】
このようにしてオフセットレベルが適用された画像に対して、コンピュータ145は光切断像133を抽出し、これに基づいて公知の光切断法の演算処理により、被計測体150の表面形状の算出を行う。そして、マーカー像134を抽出し、マーカー152の位置算出処理を行う。なお、公知の光切断法の演算処理に関する説明は省略し、次にマーカー152の位置算出処理について詳細に説明する。
【0042】
まず、その理解のために、光学三角測量法の原理について、図9を参照して説明する。図9は光学三角測量法の原理を説明する図である。図9に示すように、光学三角測量法では投光レンズ191と計測対象195の距離Lxを求めることによって計測対象195の位置を計測するため、半導体レーザ190から発信する光束を投光レンズ191によって集光して、計測対象195の表面に照射する。また、計測対象195によって反射された光束を、受光レンズ192によって集光し、受光レンズ192の焦点距離f離れてその後方に配置された受光面193に受光する。ここで、図9に示すように、受光面193における受光位置と受光面193の下端との距離をXとし、また、計測空間を投光レンズ191の中心位置からの距離LN〜LFとし、受光レンズ192と投光レンズ191の距離をB、受光面193の受光幅をC、受光レンズ192の光軸と受光面193の下端との距離をXF、被計測体150による反射光の受光位置と受光面193の下端との距離をXL、受光レンズ192の光軸と受光面193の上端との距離をXN、投光レンズ191と被計測体150表面の光の反射位置との距離をLXとする。すると、以下の関係式(1)から式(2)が導出できる。
X = XL −XF …(1)
X = f・B・(1/LX − 1/LF) …(2)
この式(2)によれば距離Xを計測することによって、距離LXが求められる。すなわち、計測対象195の位置が求められる。
【0043】
このような光学三角測量法の原理を、マーカー152の位置算出処理に適用するために、この光学三角測量法の原理の説明に用いた各構成要素と、計測ヘッド120の構成要素とを対応付けると、半導体レーザ190をマーカー検出用スリット光源128に、投光レンズ191をマーカー検出用投光レンズ129に、受光レンズ192を受光レンズ126に、受光面193を受光面125に対応付けることができる。ところが、マーカー像134は、マーカー検出用スリット光照射部127から照射されたスリット光132がマーカー152によってその照射方向に反射されて、マーカー検出用スリット光照射部127の近傍にある撮像部124に撮像されたものであるので、式(2)におけるBが0の場合に相当し、上記の光学三角測量法をマーカー152の位置算出にそのまま用いても、距離LXが求められず、したがってマーカー152の位置が求められない。
【0044】
これを解決するマーカー152の位置算出処理について図10を参照して説明する。マーカー像134を撮像することによって得られる既知の情報は、マーカー像134の像面上での位置と、マーカー像134の位置から受光レンズ126の中心座標を通って、実際のマーカー152の位置へ向かう直線155の方向余弦(l,m,n)と、上述のように光切断法で求めた被計測体150の表面形状である。ここで、受光レンズ126の中心126aの座標を(a1,b1,c1)とすると、マーカー像134の位置から受光レンズ126の中心座標を通って、マーカー152の位置へ向かう直線155の方程式は、式(3)で表される。
(x−a1)/l=(y−b1)/m=(z−c1)/n …(3)
また、被計測体150の表面形状を以下の式(4)によって表現する。
F(x,y,z)=0 …(4)
この式(4)は、被計測体150の表面形状が、円筒形状などの簡単な対象であれば、式(4)を簡単に導くことができる。一方、被計測体150の表面形状が複雑な場合は、微小領域ごとに単純な曲面に近似した方程式を当てはめることによって、式(4)を導き出すことができる。
【0045】
すると、求めるべきマーカー152の座標(a2,b2,c2)は、式(3)で表される直線155と、式(4)で表される被計測体150の表面との交点となる。ここで、式(3)より、以下の式(5)、(6)が導出できる。
y=m(x−a1)/l+b1 …(5)
z=n(x−a1)/l+c1 …(6)
そして、式(5)、(6)を式(4)に代入すると、式(7)が得られる。
F(x,m(x−a1)/l+b1,n(x−a1)/l+c1)=0 …(7)
式(7)は、変数がxのみの多次元方程式であるため、独立した解を求めることができ、この解xは、マーカー152のx座標であるa2に相当する。
【0046】
同様にして、以下の式(8)〜(10)、及び式(11)〜(13)を導出できる。
x=l(y−b1)/m+a1 …(8)
z=n(y−b1)/m+c1 …(9)
F(l(y−b1)/m+a1,y,n(y−b1)/m+c1)=0…(10)
x=l(z−c1)/n+a1 …(11)
y=m(z−c1)/n+b1 …(12)
F(l(z−c1)/n+a1,m(z−c1)/n+b1,z)=0…(13)
そして、式(10)、(13)それぞれの解y、zを求めて、マーカー152のy座標であるb2、z座標であるc2をそれぞれ求めることができる。このように演算することで、マーカー152の位置が算出できる結果、マーカー152の位置を被計測体150の表面形状に対応付けることが可能となる。
【0047】
次に、本実施形態にかかる表面形状計測装置100の動作及び計測方法について説明する。表面形状計測装置100においては、計測空間160を囲むように周囲に4つ配置された計測ユニット110において、それぞれの計測ヘッド120を上述の移動機構によって移動させつつ、光切断像133とマーカー像134を撮像部124によって撮像する。そして、撮像部124に撮像された画像を、その画像が撮像されたときの計測ヘッド120の位置情報とともに、信号ケーブルを介して、コンピュータ145に転送する。
【0048】
コンピュータ145では、転送された画像にオフセットレベル181〜183を適用する。そして、オフセットレベル181〜183を適用した画像から、光切断像133を抽出し、光切断法の演算処理を適用して、被計測体150の表面形状を算出する。また、マーカー像134に基づいて、上述のようなマーカー152の位置算出処理を行い、マーカー152の位置を算出する。このようにして算出した被計測体150の表面形状に、マーカー152の位置を対応付ける。
【0049】
以上のように、本実施形態にかかる表面形状計測装置100は、マーカー152を検出するためのカラーセンサが不要で単一の撮像部124によって計測ヘッド120を構成できるので、計測ヘッド120の小型化・軽量化、低コスト化を達成できる。そして軽量化の結果、移動機構の駆動力を小さくできる。また、カラーセンサが不要であるため、組立て工程が簡略化できる。更には、計測ユニット110を計測空間160を囲むように周囲に複数配置しているので、被計測体150の周囲全体にわたる表面形状を計測できる。特に、この構成の表面形状計測装置100は、計測ユニット110を複数設けているため、被計測体150に対する上記の画像の撮像が短時間で行える。よって、本実施形態にかかる表面形状計測装置100は、例えば人体のように長時間静止させることが困難な被計測体の計測に好適である。
【0050】
なお、本実施形態では、表面形状計測装置100に計測ユニット110を4つ設けているが、その数は必ずしも4つに限定されるものではない。すなわち、被計測体150の表面形状を周囲全体にわたり取得できれば、計測ユニット110の数を変更可能である。また、被計測体150の表面形状を周囲全体にわたって取得する必要がなければ、その数を更に少なくてしても良い。
【0051】
また、本実施形態においては、マーカー152に再帰性反射部材を用いているが、被計測体150に比して光を強く散乱する材料を用いても、マーカー152の検出は可能である。
【0052】
(第2実施形態)次に第2実施形態にかかる表面形状計測装置200について説明する。図11は表面形状計測装置200の正面図である。図11に示すように、表面形状計測装置200は、計測ユニット210、底板240の上面に設けられた回転台241を備える。
【0053】
計測ユニット210は、支柱211、ガイドレール214、計測ヘッド220等を備え、第1実施形態の計測ユニット110と同様の構成を有する。また、計測ヘッド220は第1の実施形態で説明した計測ヘッド120と同様の計測ヘッドであり、計測ヘッド220を上下動させる移動機構も第1実施形態と同様の構成である。
【0054】
回転台241は、計測空間260を貫く中心軸261を中心として、その上面に乗せられた被計測体250を回転させる。そして、計測ヘッド220によって被計測体250の上部から下部までの計測が終了する度に、回転台241が所定角度回転する動作を繰り返すことによって、被計測体250の周囲全体の計測が行われる。
【0055】
このようにして、撮像された画像に基づいて行われる被計測体250の表面形状の算出や、マーカー252の位置算出等の処理も、第1の実施形態と同様の処理である。
【0056】
以上のように、本実施形態にかかる表面形状計測装置200は、回転台241を備えることによって、単一の計測ユニット210のみによって、被計測体250の周囲全体にわたる表面形状が計測できると共に、マーカー252の位置を計測できる。したがって、この表面形状計測装置200では、第1実施形態に示した表面形状計測装置100より、製造コストを低減できる。また、この表面形状計測装置200に備える計測ユニット210は単一であるため、第1の実施形態に示した表面形状計測装置100に比して計測に時間を要するので、マネキン等のように長時間静止することが可能な被計測体の計測に好適である。
【0057】
なお、本実施形態では、回転台241によって被計測体250を回転させたが、計測ユニット210を、計測空間260の周囲で回転させる手段を設けて、被計測体250の周囲全体の表面形状を計測可能な構成とすることも可能である。
【0058】
(第3実施形態)次に第3実施形態にかかる表面形状計測装置300について説明する。図12は表面形状計測装置300の斜視図である。図12に示すように、表面形状計測装置300は、計測ヘッド320、ベルトコンベア340を備える。
【0059】
計測ヘッド320は、第1実施形態に示した計測ヘッド120と同様の計測ヘッドであり、ベルトコンベア340に乗せられた被計測体350をその上方から計測する。そして、被計測体350がベルトコンベア340によって移動することで、計測ヘッド320側の被計測体350表面全体の計測を行うことができる。
【0060】
このようにして、撮像された画像に基づいて行われる被計測体350の表面形状の算出や、マーカー352の位置算出等の処理も、第1の実施形態と同様の処理である。
【0061】
この表面形状計測装置300は、以上のようにして計測される被計測体350の表面形状によって、ベルトコンベア340上の被計測体350をそれぞれ識別できる。また、マーカー352を被計測体350に複数貼り付けておくと、ベルトコンベア340上での被計測体350の向きを検出することが可能となる。
【0062】
【発明の効果】
本発明によれば、表面形状計測装置は、単一の撮像手段を有する計測ヘッドを備えることで、被計測体の表面形状と、被計測体の表面に貼り付けられたマーカーの位置を計測でき、これらの対応付けが可能となる。このように撮像手段を単一にできるので、計測ヘッドの小型化・軽量化が図れる。また、装置コストも低い。更に、撮像手段を単一にしたことによって、組立て工程を簡略化できるので、製造コストを低減できる。また、単一の撮像手段によって撮像を行えるので、被計測体の表面形状とマーカー位置との対応付けを高精度化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態にかかる表面形状計測装置の平面図である。
【図2】計測ヘッドを被計測体と共に図示した計測系の斜視図である。
【図3】計測ヘッドの平面図である。
【図4】計測ヘッドの側面図である。
【図5】計測ヘッドから照射されるスリット光と撮像部の視野の関係を表面形状計測装置の側面から捉えた図である。
【図6】計測ユニットとともに演算処理を行うコンピュータを示した図である。
【図7】撮像部によって撮像される画像の一例である。
【図8】撮像部によって取得される画像とオフセットレベルの関係を示す図である。
【図9】三角測量法の原理を説明する図である。
【図10】マーカー位置算出の原理を説明する図である。
【図11】第2実施形態にかかる表面形状計測装置の正面図である。
【図12】第3実施形態にかかる表面形状計測装置の斜視図である。
【符号の説明】
100,200,300・・・表面形状計測装置、110,210・・・計測ユニット、111・・・支柱、112・・・モータ、113・・・タイミングベルト、114・・・ガイドレール、115・・・ケーブルベア、116・・・アクリル板、120,220,320・・・計測ヘッド、121・・・測距用スリット光照射部、122・・・測距用スリット光源、123・・・測距用投光レンズ、124・・・撮像部、125・・・受光面、126・・・受光レンズ、127・・・マーカー検出用スリット光照射部、128・・・マーカー検出用スリット光源、129・・・マーカー検出用投光レンズ、133・・・スリット光像、134・・・マーカー像、140・・・ステージ、150,250,350・・・被計測体、152,252,352・・・マーカー、160,260・・・計測空間、240・・・底板、241・・・回転台、340・・・ベルトコンベア
Claims (7)
- 計測空間に置かれた被計測体に向けて、前記計測空間を貫く所定の中心軸に、その光軸及びスリットの長手方向の双方が交差する第1及び第2のスリット光をそれぞれ照射する第1及び第2のスリット光照射手段と、複数の受光素子を二次元に配列してなる受光面を含み、前記第1のスリット光を含む平面と直交する面上に配置される撮像手段とを有する計測ヘッドと、
前記計測ヘッドと前記被計測体とを、前記所定の中心軸の軸方向へ、相対的に移動させる移動手段と、
前記第1のスリット光が前記被計測体表面で反射されて前記撮像手段によって撮像される光切断像に基づいて、前記被計測体の表面形状を算出する演算手段とを備え、
前記受光面は、前記光切断像を撮像する第1の領域と、当該第1の領域に対し、前記第1のスリット光照射手段と前記撮像手段とを結ぶ基線長方向に位置する第2の領域とを含み、
前記第2のスリット光照射手段は、前記第2の領域を構成する前記複数の受光素子のうち、前記基線長方向と垂直な方向に配列された前記複数の受光素子の並びの方向上において前記撮像手段の近傍に配置され、前記第2の領域の視野内へ前記複数の受光素子の並びに平行な前記第2のスリット光を照射し、
前記撮像手段は、更に、前記第2のスリット光が前記被計測体に付けられたマーカーに照射されたときの再帰性反射に基づく前記マーカーの像を撮像し、
前記演算手段は、更に、前記撮像手段によって撮像される前記マーカーの像に基づいて、当該マーカーの位置を算出する
ことを特徴とする表面形状計測装置。 - 前記移動手段と前記計測ヘッドとが前記所定の中心軸の周囲に複数設けられ、
前記移動手段は、前記計測ヘッドを前記軸方向へ移動させる
ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状計測装置。 - 前記所定の中心軸を中心に前記被計測体を回転させる被計測体回転手段を更に備え、
前記移動手段は、前記計測ヘッドを前記軸方向へ移動させる
ことを特徴とする請求項1に記載の表面形状計測装置。 - 前記第2のスリット光の強度を、前記撮像手段によって前記マーカーの像が検出される範囲で、前記第1のスリット光より、小さくしたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の表面形状計測装置。
- 前記第1の領域を構成する前記複数の受光素子から出力される信号のうち、前記計測空間における照明環境に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することを特徴する請求項1〜4のいずれか1項に記載の表面形状計測装置。
- 前記第2の領域を構成する前記複数の受光素子から出力される信号のうち、前記マーカーの像の信号強度に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することを特徴する請求項1〜6のいずれか1項に記載の表面形状計測装置。
- 前記受光面において前記第1の領域と前記第2の領域との中間の領域を構成する複数の前記受光素子から出力される信号を無効にすることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の表面形状計測装置。
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