JP2005265816A - 非接触形状計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】必要とされる格子画像の投影範囲を縮小し、投影装置から照射される光を高効率で利用することができる非接触形状計測方法を提供する。
【解決手段】基準平面上のｘ軸方向に試料物体を相対的に移動するステップと、前記試料物体に基準面の垂線に対して９０度ではない角度の方向から前記基準面上の互いに直交するｘ軸方向及びｙ軸方向のいずれとも平行でない余弦波状の輝度分布を有し、ｘ軸方向に広がりを持たない格子画像を投影するステップと、前記格子画像のｘ軸方向の格子間隔をＰ_ｘ、Ｎを３以上の整数として、Ｄ＝Ｐ_ｘ／Ｎの等間隔で、前記基準面に対して垂直に、それぞれｙ軸方向の互いに平行のラインを撮影するように配置されたＮ個のラインセンサによって、同時に一定時間間隔で、前記格子が投影された試料物体を撮影するステップと、前記ラインセンサによって撮影された画像のうち前記試料物体の同じ点を撮影した画像を位相シフト法により位相解析し、前記試料物体の高さ分布を得るステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、格子投影法とラインセンサによる撮影を用いた非接触形状計測方法及び装置に関する。

近年、トンネルや橋梁といった大型構造物からのコンクリート片剥落事故が相次いで報告されている。こうした事故を未然に防ぐには、壁面の劣化状況を監視する必要がある。現在の定期点検ではそのほとんどが人手により行われているのが現状であり、より効率的な監視システムの開発が必要とされている。

これに対し、本発明者等は、高速撮影が可能な複数のラインセンサを用いて位相シフト走査モアレ法を構造物の表面変位計測に適用する手法を提案してきた。これらは投影格子の位相解析を行う手法であり、従来の光切断法と比較して精度のよい計測を行うことができる。また、ラインセンサを用いることで高速な計測が可能であるほか、画像の接続が容易で、トンネルなどの大型構造物の計測に適した手法といえる。しかしながら、格子投影に点光源を用いているために、物体の高さ変化が大きくなると位相シフト量が正確でなくなるという問題があった。

上述したことを鑑み、本発明は、必要とされる格子画像の投影範囲を縮小し、投影装置から照射される光を高効率で利用することができる非接触形状計測方法及び装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の第１発明は、基準平面上のｘ軸方向に一定速度で試料物体を相対的に移動するステップと、前記試料物体に基準面の法線に対して９０度ではない角度の方向から前記基準面上の互いに直交するｘ軸方向及びｙ軸方向のいずれとも平行でない余弦波状の輝度分布を有し、ｘ軸方向に広がりを持たない格子画像を投影するステップと、前記格子画像のｘ軸方向の格子間隔をＰｘ、Ｎを３以上の整数として、Ｄ＝Ｐｘ／Ｎの等間隔で、前記基準面に対して垂直に、それぞれｙ軸方向の互いに平行のラインを撮影するように配置されたＮ個のラインセンサによって、同時に一定時間間隔で、前記格子が投影された試料物体を撮影するステップと、前記ラインセンサによって撮影された画像のうち前記試料物体の同じ点を撮影した画像を位相シフト法により位相解析し、前記試料物体の高さ分布を得るステップとを含むことを特徴とする非接触形状計測方法である。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の非接触形状計測方法において、前記投影する格子画像を、平行光によって格子状の濃淡パターンを投影する装置とその装置から照射される平行な格子パターンをシリンドリカルレンズで一方向のみに広げることによって形成することを特徴とする非接触形状計測方法である。

請求項３に記載の発明は、基準面上の試料物体に基準面の垂線に対して９０度ではない角度の方向から前記基準面上の互いに直交するｘ軸方向及びｙ軸方向のいずれとも平行でない余弦波状の輝度分布を有し、ｘ軸方向に広がりを持たない格子画像を投影する格子投影プロジェクタと、前記格子画像のｘ軸方向の格子間隔をＰ_ｘ、Ｎを３以上の整数として、Ｄ＝Ｐ_ｘ／Ｎの等間隔で、前記基準面に対して垂直に、それぞれｙ軸方向の互いに平行のラインを撮影するように配置されたＮ個のラインセンサと、前記試料物体を基準面上でｘ軸と垂直でない方向に前記格子投影プロジェクタ及びラインセンサに対して相対的に移動させる手段と、前記ラインセンサによって撮影された画像のうち前記試料物体の同じ点を撮影した画像を位相シフト法により位相解析し、前記試料物体の高さ分布を得る手段とを具えることを特徴とする非接触形状計測装置である。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の非接触形状計測装置において、前記格子投影プロジェクタが、点光源と、凸レンズと、格子を印刷したフィルムと、シリンドリカルレンズとを具え、平行光によって格子状の濃淡パターンを投影する装置とその装置から照射される平行な格子パターンを前記シリンドリカルレンズで一方向のみに広げることによって前記投影する格子画像を形成することを特徴とする非接触形状計測装置である。

本発明によれば、同一の光源を用いながら従来の投影方式と比べて明るい（コントラストの高い）格子を投影することが可能になり、ラインセンサの撮影ラインと垂直な方向には広がりをもたない半平行光を用いることで計測精度を高めることができる。

図１は、本発明による非接触形状計測装置の構成の一例を示す図である。本非接触形状計測装置１は、複数のラインセンサ２と、格子投影用プロジェクタ３と、移動装置４と、ロータリーエンコーダ５と、タイミングコントローラ６と、コンピュータ７とを具える。コンピュータ７は、演算装置８及びカメラコントローラ９としての機能を含む。

複数のラインセンサ２は、この図においては３個示しているが、３個以上であれば何個でもかまわない。複数のラインセンサ２は、それぞれの撮影ラインが平行になるように配置されている。以下、撮影ラインの方向をｙ軸方向、撮影ラインと直交する方向をｘ軸方向とする。これらのラインセンサ２の撮影範囲に対して、ｙ軸方向から格子投影用プロジェクタ３を用いて格子画像を投影する。このとき投影光には、ｘ軸方向に広がりをもたないものを用いる。ラインセンサの配置と投影格子の関係については後述する。

これらラインセンサ２と格子投影用プロジェクタの位置関係は固定されており、移動装置４を用いて被計測物体との相対位置を変化させる。図１に示す実施例ではベルトコンベア式の移動装置４を用いて物体を移動させているが、計測装置を車両等に搭載して移動させることによっても計測が可能である。

被計測物体と計測装置１の相対移動量を、移動装置４の回転軸に取り付けられたロータリーエンコーダ５によってパルス信号に変換し、タイミングコントローラ６に送る。

ロータリーエンコーダ５からのパルス信号をタイミングコントローラ６によって分周し、指定された撮影間隔ごとにラインセンサ２にトリガ信号を送る。

ラインセンサ２によって撮影された画像に演算装置８により各種画像処理及び位相計算を行い、高さ分布に変換する。

非接触形状計測装置１における格子投影方法について説明する。図２は、格子投影方法を説明する概略図である。図１と同様の要素には同じ参照符を用いる。この図に示すように、ラインセンサ２を基準面（移動装置４において試料物体が置かれる面）に対して垂直に配置し、格子投影用プロジェクタ３を基準面の垂直線に対して角度αの方向から格子を投影する。角度αを大きくすると、高さ方向（ｚ軸方向）の分解能が上がる反面、計測可能な物体の高さが低くなることや物体の影が長くなることで計測可能範囲が狭くなる。角度αが小さいと計測可能範囲が広くなるが、高さ分解能が下がる。

図２に示すように、投影する格子の向きはｘ軸からもｙ軸からも角度を持ち、それらと平行にならない。これにより投影格子はｘ軸方向とｙ軸方向で異なる格子間隔を持つ。ｘ軸方向の格子間隔をＰ_ｘ、ラインセンサ２の間隔をＤ、使用するラインセンサの本数をＮとおくと、

Ｄ＝Ｐ_ｘ／Ｎ （１）

の関係が成り立っている。一方、ｙ軸方向の格子間隔Ｐ_ｙは計測可能範囲と分解能に関係し、高さ方向の計測可能範囲をｈ_ｍａｘとおくと、

ｈ_ｍａｘ＝Ｐ_ｙｔａｎ（９０°−α） （２）

という関係が成り立つ。

コンピュータ７におけるカメラコントローラにおけるラインセンサ２による撮影タイミングの決定方法について説明する。ｘ軸方向の分解能をｄとすると、すべてのラインセンサ２は物体がｄ動くたびにそれぞれ１回撮影を行う。移動装置４の車軸やサーボモータに取り付けられたロータリーエンコーダ５が検出する回転量は、物体の移動量に換算することが可能である。ロータリーエンコーダ５の１パルスあたりの移動量の整数倍となるようにｄを設定する。ロータリーエンコーダ５のパルスを分周したものをラインセンサ２のトリガとして使用する。また、ラインセンサ間隔をＤとおくとき、Ｄがｄの整数倍で表されるように設定する。

コンピュータ７における演算装置８における処理について説明する。複数のラインセンサ２は、それぞれ投影格子の異なる位相を撮影しているため、各ラインセンサで撮影される画像は、通常のエリアセンサを用いた位相シフト法において投影格子の位相を変化させて撮影した複数の画像と同等の意味を持つ。ただし、ラインセンサはそれぞれ間隔Ｄで配置されているため、物体上の同じ位置を撮影した画素が画像上で同じ位置に来るようにするためには、各画像の位置合わせが必要となる。

図３は、このような画像の位置合わせのうち、ｘ軸方向の位置合わせについて説明する図である。この図において、物体の移動方向をｘ軸の正とし、各ラインセンサをｘの小さい方から順に１からＮとしたときに各ラインセンサで撮影される画像を表している。このときラインセンサ間隔ＤはＤ＝ｋｄで表されるものとする。

すべてのラインセンサが同時に撮影を開始し、同じタイミングで撮影を行うため、１番目のラインセンサが１回目に撮影した物体上の点が距離Ｄ（ｎ−１）離れたｎ番目のラインセンサで撮影されるのはｋｎ回目の撮影時である。そのため、ｎ番目のラインセンサで撮影される画像では、撮影開始からｋｎ−１回目までのデータを破棄し、ｘ軸方向について画像の位置合わせを行う。ラインセンサをｙ軸方向にずらして配置している場合には、各ラインセンサが共通して撮影している領域を抽出し、ｙ軸方向についても位置合わせを行う。これにより、同じ画面内座標には物体上の同じ点が撮影されているＮ枚の画像を得ることができる。これらの画像に位相シフト法を適用することにより、物体の形状（高さ分布）を求めることができる。

投影格子の作成について説明する。本発明に用いる投影格子はｘ軸方向、すなわちラインセンサの撮影ラインと垂直な方向に広がりを持たない平行光の性質を持ち、ｙ軸方向には通常のプロジェクタと同じく広がりを持つ点光源の性質を持たなければならない。図４は、このような格子を投影するプロジェクタの構成の一例を示す図である。格子投影用プロジェクタ３は、点光源１０と、凸レンズ１１と、格子を描いたフィルム１２と、シリンドリカルレンズ１３とを具える。点光源１０から出た光を凸レンズ１１を用いて平行光とし、この平行光を用いてフィルム１２に描かれた格子を照明する。このとき、平行光の直径は両端のラインセンサ間の距離Ｄ（Ｎ−１）より大きくなければならない。こうして作られた格子をシリンドリカルレンズ１３で一方向（ｙ方向）のみに広げることで、ｘ方向に広がりを持たない格子を投影することが可能である。また、別の実施例として、平行光によって作られたレーザ干渉縞をシリンドリカルレンズで一方向だけに広げることによっても実現することができる。図８はこのようなプロジェクタの他の構成例を示す図である。レーザ発振器１４から出たレーザ光はコリメータ１５によって平行光になり、ビームスプリッタ１６によって２方向に分けられ、各々ミラー１７及び１８によって反射され、再びビームスプリッタ１６に入射して干渉縞を形成し、シリンドリカルレンズ１９によって一方向だけに広げられる。

本発明による複数ラインセンサを用いた格子投影法による非接触形状計測方法において、格子をラインセンサの視野が作る平面と同一面内に投影することによって計測に必要な投影範囲を縮小することができる。以下に原理確認実験について述べる。

図５は、原理確認実験に用いた装置の構成を示す図である。３台のラインセンサは、それぞれベルトコンベアのベルト面からの高さが７００ｍｍとなるように設置されている。ラインセンサの間隔は７０ｍｍである。投影格子のｘ方向ピッチは２１０ｍｍである。格子は十分に離れた位置から点光源の液晶プロジェクタを用いて投影した。離れた位置から投影することで近似的に平行光とみなせるものとする。今回の実験では、図５の左上２５００ｍｍの位置から投影を行った。また、実際に壁面の形状検査を行う場合には移動式の計測装置を用いるが、今回の実験では装置を固定し、ベルトコンベアによって試料物体を移動させた。

図６は、この実験によって測定した試料物体を示す図である。試料物体は、ベルト面からの高さが１０．０２ｍｍ、２０．００ｍｍ、３０．００ｍｍとなる３つの段とスロープから構成されている。試料表面には反射率の影響を調べるため、濃度パターンが印刷されている。物体が２ｍｍ移動するごとにラインセンサによって撮影を行った。ベルトの移動速度を１５０ｍｍ／ｓとした。

３台のラインセンサによって得られた画像から、位相シフト法によって各画素について位相差Δφが求められる。試料物体上の座標（ｘ，ｙ）における位相差Δφ（ｘ，ｙ）と高さｈ（ｘ，ｙ）との関係を次式に示す。

１／ｈ（ｘ，ｙ）＝Ａ＋Ｂ／Δφ（ｘ，ｙ） （３）

式（３）において、Ａ及びＢは、格子のｘ方向ピッチｐと、ラインセンサから基準面までの距離Ｈと、格子の投影角度などによって決まる定数である。式（３）により、物体の高さ分布を得ることができる。Δφを高さｈに変換するためには、式（３）の定数Ａ、Ｂをキャリブレーションによって求める必要がある。ベルト面を高さの基準とし、平板をベルト面と平行に設置して重ねる平板の枚数を変えることで基準面の高さを変化させる。今回の実験では、基準面高さ５．１ｍｍ及び２５．５ｍｍにおいて位相分布を求めた。それぞれの基準面の高さにおいてベルト面との位相差Δφと高さｈを式（３）に代入し、連立方程式を解くことによりＡ、Ｂを求める。

図７は、図６の試料物体の階段部分の断面形状を計測した結果を示すグラフである。表１は、試料物体の計測結果と、実際にノギスを用いて計測した高さとの差を絶対値で測定した値を示す。

表１より、試料物体の高さをほぼ１ｍｍ以下の精度で計測できており、本発明の非接触形状計測方法が有効であるといえる。

本発明による非接触形状計測装置の構成の一例を示す図である。 格子投影方法を説明する概略図である。 画像の位置合わせを説明する図である。 格子を投影するプロジェクタの構成の一例を示す図である。 原理確認実験に用いた装置の構成を示す図である。 実験によって測定した試料物体を示す図である。 試料物体の階段部分の断面形状を計測した結果を示すグラフである。 プロジェクタの他の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 非接触形状計測装置
２ ラインセンサ
３ 格子投影用プロジェクタ
４ 移動装置
５ ロータリーエンコーダ
６ タイミングコントローラ
７ コンピュータ
８ 演算装置
９ カメラコントローラ
１０ 点光源
１１ 凸レンズ
１２ 格子を描いたフィルム
１３、１９ シリンドリカルレンズ
１４ レーザ発振器
１５ コリメータ
１６ ビームスプリッタ
１７、１８ ミラー

Claims (4)

1. 基準平面上のｘ軸方向に一定速度で試料物体を相対的に移動するステップと、
   前記試料物体に基準面の法線に対して９０度ではない角度の方向から前記基準面上の互いに直交するｘ軸方向及びｙ軸方向のいずれとも平行でない余弦波状の輝度分布を有し、ｘ軸方向に広がりを持たない格子画像を投影するステップと、
   前記格子画像のｘ軸方向の格子間隔をＰ_ｘ、Ｎを３以上の整数として、Ｄ＝Ｐ_ｘ／Ｎの等間隔で、前記基準面に対して垂直に、それぞれｙ軸方向の互いに平行のラインを撮影するように配置されたＮ個のラインセンサによって、同時に一定時間間隔で、前記格子が投影された試料物体を撮影するステップと、
   前記ラインセンサによって撮影された画像のうち前記試料物体の同じ点を撮影した画像を位相シフト法により位相解析し、前記試料物体の高さ分布を得るステップとを含むことを特徴とする非接触形状計測方法。
2. 請求項１に記載の非接触形状計測方法において、前記投影する格子画像を、平行光によって格子状の濃淡パターンを投影する装置とその装置から照射される平行な格子パターンをシリンドリカルレンズで一方向のみに広げることによって形成することを特徴とする非接触形状計測方法。
3. 基準面上の試料物体に基準面の垂線に対して９０度ではない角度の方向から前記基準面上の互いに直交するｘ軸方向及びｙ軸方向のいずれとも平行でない余弦波状の輝度分布を有し、ｘ軸方向に広がりを持たない格子画像を投影する格子投影プロジェクタと、
   前記格子画像のｘ軸方向の格子間隔をＰ_ｘ、Ｎを３以上の整数として、Ｄ＝Ｐ_ｘ／Ｎの等間隔で、前記基準面に対して垂直に、それぞれｙ軸方向の互いに平行のラインを撮影するように配置されたＮ個のラインセンサと、
   前記試料物体を基準面上でｘ軸と垂直でない方向に前記格子投影プロジェクタ及びラインセンサに対して相対的に移動させる手段と、
   前記ラインセンサによって撮影された画像のうち前記試料物体の同じ点を撮影した画像を位相シフト法により位相解析し、前記試料物体の高さ分布を得る手段とを具えることを特徴とする非接触形状計測装置。
4. 請求項３に記載の非接触形状計測装置において、前記格子投影プロジェクタが、点光源と、凸レンズと、格子を印刷したフィルムと、シリンドリカルレンズとを具え、平行光によって格子状の濃淡パターンを投影する装置とその装置から照射される平行な格子パターンを前記シリンドリカルレンズで一方向のみに広げることによって前記投影する格子画像を形成することを特徴とする非接触形状計測装置。