JP2006214914A - 鏡面形状測定方法および装置並びに検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】（１）安価な装置で実現でき、（２）大きな曲率を有する被測定対象であっても形状検査ができるようにする。
【解決手段】第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に第２のストライプパタンが認識されるカラーパタン３を、被測定物１の鏡面状の表面に映り込ませるとともに、この表面におけるカラーパタン３の反射像をカラーカメラ５、６、７で撮像するステップと、この反射像から得られる情報を用いて、鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、これらの法線ベクトルを用いて被測定物１の表面形状を求めるステップとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鏡面形状測定方法および装置並びに検査方法および装置に関し、特に自動車用ガラスの形状測定方法および形状測定装置並びに検査方法および装置に関する。

従来、自動車用ガラスの形状測定方法としては、接触式センサを利用した方法がある。これは接触を感知するセンサによりガラスの形状を読み取る方法であるが、製品形状が変わる度にセンサを含む測定装置を用意しなければならない、配置できるセンサの数に制限がありガラス全面の形状情報が得られないといった問題がある。

一方、カメラを使った非接触式の形状測定技術も多くの分野で実用化されている。これまでに実用化されている非接触式の形状測定方法としては、三角測量の原理に基づくパタン光投影方式（井口征士・佐藤宏介「三次元画像計測」、昭晃堂、１９９０年、２章参照）がある。ところが、パタン光投影方式は、被測定物が完全拡散反射面あるいはそれに準ずる拡散反射面であることを仮定しており、自動車用ガラスのように鏡面を有する被測定物に適用することはできない。

また、鏡面を対象とした非接触式の形状測定方法としては、鏡面の光学的性質を積極的に利用した形状測定方法が考案されている。この方法は正反射の法則、すなわち鏡面反射において光の入射角と反射角が等しくなる性質を利用している。鏡面を有する被測定物にパタン光源を照射すると、被測定物に映るパタン光源の反射像を観測することができる。反射像をカメラで撮像することにより、パタン光源から被測定物を経由してカメラへと進む光線経路を特定することができる。光線経路がわかれば正反射の法則から、被測定物の法線ベクトルを求めることができ、さらに被測定物の形状を得ることができる。

ここで、下記特許文献１には、被測定物に対してカラーパタンを照射し、被測定物に映るカラーパタンの反射像を得て被測定物の形状を求める方式が開示されている。色にパタンの位置情報を持たせることにより、被測定物にカラーパタンのどの位置が映っているかを特定することができる。また、特許文献１では、ブルー、シアン、グリーン、イエロー、レッド、マゼンダの６色からなるストライプパタンが用いられている。カラーパタンは２次元的な広がりを持っているので、パタン内の任意の位置を指定するためには２つの座標軸が必要となる。そして、天頂角成分のセンシング用および方位角成分のセンシング用に合計２種類のカラーパタンが用意され、カラー画像表示装置の表示を切り替えることで、被測定対象に投光するパタンを替えている。

特許第３５５３６５２号公報

しかしながら、この方法を自動車用ガラスの形状測定に適用するには、自動車用ガラスよりも大きいサイズのカラー画像表示装置を用意せねばならず、装置が高価となる。また、曲率の大きい自動車用ガラスには用意すべきカラー画像表示装置が広範囲となり、そのような装置を用意すること自体が困難となる。それを裏付けるように、特許文献１の実施例においては、はんだの形状検査装置への応用事例が挙げられ、カラー画像表示装置に比べて小さい被測定物を対象としている。よって、このような特許文献１に開示の技術をそのまま自動車用ガラスの形状測定に適用するには無理がある。

本発明はこのような課題を解決するものであり、（１）安価な装置で実現でき、（２）大きな曲率を有する被測定対象であっても形状の測定・検査をできるようにした鏡面形状測定方法および装置並びに検査方法および装置を提供することを目的とする。

以上の目的を達成するために本発明は、鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を測定する方法であって、第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、前記被測定物の鏡面状の表面に映り込ませるとともに、この表面における前記カラーパタンの反射像をカラーカメラで撮像するステップと、この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、前記複数のサンプリング点における法線ベクトルを用いて前記被測定物の表面形状を求めるステップとを有することを特徴とする鏡面形状測定方法を提供する。

また、本発明の一態様において、前記鏡面状の表面に複数の領域を設定し、この領域毎に用意されたカラーカメラを用いて前記表面における前記カラーパタンの反射像を撮像するステップと、これらの反射像から得られる情報を用いて、前記領域毎に前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、前記被測定物の測定対象表面の全域にわたる法線ベクトルが得られるように、前記領域毎に算出された法線ベクトルを統合するステップと、前記統合された法線ベクトルを用いて積分演算することにより、前記被測定物の表面形状を算出するステップとを有してもよい。また、本発明の一態様において、前記第１の色成分は赤色成分であり、前記第２の色成分は青色成分であってもよい。

また、本発明は、鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を測定する装置であって、第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、発光面に備えた面光源と、前記被測定物の鏡面状の表面に映り込んだ前記カラーパタンの反射像を撮像するカラーカメラと、この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求め、前記複数のサンプリング点における法線ベクトルを用いて前記被測定物の表面形状を求める計算機とを備えたことを特徴とする鏡面形状測定装置を提供する。

また、本発明の一態様において、前記カラーカメラは、前記鏡面状の表面に設定された複数の領域毎に用意され、前記領域毎に前記表面における前記カラーパタンの反射像を撮像し、前記計算機は、これらの反射像から得られる情報を用いて、前記領域毎に前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、前記被測定物の測定対象表面の全域にわたる法線ベクトルが得られるように、前記領域毎に算出された法線ベクトルを統合するステップと、前記統合された法線ベクトルを用いて積分演算することにより、前記被測定物の表面形状を算出するステップとを有してもよい。また、本発明の一態様において、前記第１の色成分は赤色成分であり、前記第２の色成分は青色成分であってもよい。

また、本発明は、鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を検査する方法であって、第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、前記被測定物の鏡面状の表面に映り込ませるとともに、この表面における前記カラーパタンの反射像をカラーカメラで撮像するステップと、この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求め、この法線ベクトルに関する情報またはこの法線ベクトルを用いて演算処理することで得られた情報に基づいて前記被測定物の表面形状を検査するステップとを有することを特徴とする鏡面形状検査方法を提供する。

さらに、本発明は、鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を検査する装置であって、第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、発光面に備えた面光源と、前記被測定物の鏡面状の表面に映り込んだ前記カラーパタンの反射像を撮像するカラーカメラと、この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求め、この法線ベクトルに関する情報またはこの法線ベクトルを用いて演算処理することで得られた情報に基づいて前記被測定物の表面形状を検査する計算機とを備えたことを特徴とする鏡面形状検査装置を提供する。

以上説明したとおり、本発明は、発光面に所定のカラーパタンを付けた光源装置を使用するので光源の大型化が容易に行える。したがって、自動車用ガラスの形状測定へ適用することができる。また、複数のカラーカメラを使用することで、サイズが大きくかつ大きな曲率を持った鏡面体（例えば自動車用ウインドシールド、サイドガラスおよびリアガラス等）の形状測定にも適用することができる。さらに、本発明により得られた法線ベクトルまたは法線ベクトルを用いて演算処理することにより得られた値を所定の閾値（所望のデザイン形状に基づいて設定された値等）と比較することにより、被測定物の形状の良否を検査することができる。例えば法線ベクトルの微分値は曲率に相当するため、被測定物の表面におけるハイライト（反射歪）の評価および検査に有効である。

次に、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、形状検査装置の基本的構成を示す説明図である。同図に示すように、自動車用ガラス等の鏡面を有する被測定物１の上方に、面光源２を設置する。面光源２の発光面にはカラーパタン３を取り付ける。カラーパタン３の被測定物１に映る反射像を撮像するために、主となるカラーカメラ１つと、少なくとも１つの副となるカラーカメラを配置する。カラーカメラの数に制限はないが、ここでは主となるカラーカメラ５と、副となるカラーカメラ６および７の合計３台のカラーカメラを使用する。主となるカラーカメラ５は面光源２の内部に配置され、カラーパタン３に開けられた穴４を通じて被測定物１に映る反射像を撮像する。副となるカラーカメラ６および７は、面光源２の外側に配置され、被測定物１に映る反射像を撮像する。パーソナルコンピュータ等の計算機８は、カラーカメラ５、６、７と接続されており、これらのカメラにより撮像された反射像を公知の画像処理技術を用いて解析し、被測定物１の形状を求める。光学系および被測定物はＸＹＺ座標系に置かれているものとし、Ｚ軸を鉛直方向にとる。面光源２の辺はＸ軸、Ｙ軸に平行であるものとする。以下においては光学系全体の配置を記述するＸＹＺ座標系をグローバル座標系と呼び、グローバル座標系における座標をグローバル座標と呼ぶ。

面光源２としては、筐体内部に複数の蛍光灯を配置し、発光面をガラス板でカバーしたものを用いている。この発光面に貼付されるカラーパタン３としては、透明または光拡散性の樹脂フィルムにカラーパタンを印刷（例えばインクジェット・プリント）したものが使用できる。カラーパタン３は１枚のカバーガラスの表面に貼付してもよいし、２枚のカバーガラスで挟むようにしてもよい。面光源２の明るさはできる限り均一にすることが望ましく、このために筐体内部に入れた蛍光灯の配置を工夫する。また、カラーパタン３に使用される樹脂フィルムは、透明ではなく光を拡散透過させる材質のものが望ましい。これにより面光源２の明るさむらが軽減される。カラーカメラ５、６および７は、エリアカメラ方式であれば特に制限はない。

図２は、光学系のＹＺ平面での一部破断側面図であり、３つのカラーカメラの位置、視野の関係を示している。主となるカラーカメラ５の姿勢は鉛直下向きであるり、視野９の範囲で反射像を撮像する。副となるカラーカメラ６は視野１０の範囲で反射像を撮像し、被測定物１上において視野１０の一部が視野９の一部と重なるような姿勢をとっている。同様に副となるカラーカメラ７も視野１１の範囲で反射像を撮像し、被測定物１上において視野１１の一部が視野９の一部と重なるような姿勢をとっている。これら３つのカラーカメラは、グローバル座標系において固定されており、よって位置および姿勢は既知情報として得られる。

図３は、カラーパタン３の説明図である。カラーパタン３は、基本パタン１２を一単位として、複数の基本パタンを互いに重複することなく密に並べたものである。よって、カラーパタン３は縦および横の何れの方向においても、基本パタン１２が周期的に現れるパタンである。

図４は、基本パタン１２の詳細説明図である。基本パタン１２は、６×６の微小矩形パタンによって構成され、各微小矩形パタンは色１２ａから色１２ｈまでの計８色のうちの何れかの彩色が施されている。そして、図４に示すように基本パタン１２には、水平および垂直方向からなる局所座標系が付随している。以下、基本パタン１２内部の点の位置を示す座標を局所座標と呼ぶ。図４に示す基本パタンの場合、局所座標の成分は０から６までの無次元化された値をとる。これらの局所座標により、基本パタン１２の内部の任意の位置を記述することができる。例えば図４の基本パタン１２においては、左下の点は（０，０）、中央の点は（３，３）、右上の点は（６，６）を表す。局所座標の各成分は整数に限られず例えば（２．５，３．３）といった記述もできる。以下、基本パタン１２内部の点の位置を局所座標と呼ぶ。

基本パタン１２を構成する８色については、あらかじめ次のように色を調整する。
図５は、基本パタンを構成する８色をカラーカメラで撮像した際に得られる画像の赤成分、緑成分、青成分を示す。グラフの縦軸が各色成分の強さを示す。色１２ａ、色１２ｂ、色１２ｃには青成分を含まないようにし、赤成分についてはいずれも同じ強さとなるようにしている。色１２ａ、色１２ｂ、色１２ｃの違いは、緑成分の強さにある。同様に色１２ｄ、色１２ｅ、色１２ｆは赤成分を含まないようにし、青成分については何れも同じ強さとしている。色１２ｄ、色１２ｅ、色１２ｆの違いは、緑成分の強さにある。色１２ｇは赤成分、緑成分および青成分が何れも同じ強さであり、色１２ｈは赤成分、緑成分および青成分のいずれも無いようにしている。なお、色１２ｇの赤成分、青成分の強さは、色１２ａ、色１２ｂ、色１２ｃの赤成分（および色１２ｄ、色１２ｅ、色１２ｆの青成分）と同じとする。

基本パタン１２を構成する８色を上記のように調整することにより、基本パタン１２の中に、互いに直交する２つのストライプパタンを内在させることができる。基本パタン１２をカラーカメラで撮像して赤成分だけに着目すると図６（ａ）のようにストライプパタン１３が現れる。同様に青成分だけに着目すると図６（ｂ）のようにストライプパタン１４が現れる。このように本実施の形態によれば、使用するカラーパタンは１つであるが、着目する色成分を変えることにより、互いに直交する２つのストライプパタンを得ることができる。図６からも明らかなように、ストライプパタン１３はＨ方向の局所座標に、ストライプパタン１４はＶ方向の局所座標に、それぞれ対応している。但し、ストライプパタン１３と１４は直交していることが好ましいが、その他の角度でもよく、平行とならない範囲の傾斜角度を選択することができる。

次に、本発明における形状測定の原理について述べる。
図７は、形状測定の一実施形態を示すフローチャートである。同図に示すように、正反射の法則に基づいて、被測定物上にあらかじめ生成されたサンプリング点における法線ベクトルを求め、最終的に積分計算を行うことにより、被測定物の形状が求められる。まず、主となるカラーカメラの視野内にあるサンプリング点の法線ベクトルを求め、その後に副となるカラーカメラの視野内にあるサンプリング点の法線ベクトルを求める（ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３）。さらに、副となるカラーカメラで求めた法線ベクトルに対しては、主となるカラーカメラで求めた法線ベクトルと連続性を持つように修正を加える（ステップＳ１４）。最後に法線ベクトルより得られる面の傾きを積分して被測定物の形状を得る（ステップＳ１５）。積分計算の具体的な手法については、公知の手法を適用でき、例えば特願２００４−１６７６２１号の明細書や特開平１１−２１１４４０号公報に開示されているものを適用することができる。

図８は、１つのサンプリング点に対して、法線ベクトルを求める様子を示す。ここでは主となるカラーカメラ５を使って、法線ベクトルを求める考え方について説明する。視点５に位置するカラーカメラ（図示せず）から被測定物１上のサンプリング点１６を撮像したときに、カラーパタン３上の参照点１７の反射像が映っていたとする。ここで、サンプリング点１６における法線ベクトル１８を求めることを考える。サンプリング点１６に参照点１７の反射像が映っているとき、参照点１７から発した光は、被測定物１上のサンプリング点１６で反射された後に、カラーカメラの視点１５に到達している。正反射の法則により、サンプリング点１６においては、光の入射角１９と反射角２０が等しい。したがって、視点１５、反射点１６、参照点１７のグローバル座標がわかれば、法線ベクトル１８を特定することができる。

以上のように法線ベクトル１８の算出には、視点１５、サンプリング点１６、参照点１７のグローバル座標が必要であるが、これらを既知情報と未知情報とに分けて整理すると次のようになる。まず、カラーカメラ５は固定されていることから、その視点１５は既知情報である。サンプリング点１６はこれから形状を求めようとする被測定物１上の点であり本来は未知情報であるが、自動車用ガラスであれば設計形状のような近似値を与えることができる。測定時に自動車用ガラスを置く位置も既知であるので、サンプリング点１６は既知情報として扱うことができる。これに対して参照点１７は実際の被測定物１の形状に依存して変化するため、被測定物１が変わる度に参照点１７の位置を求めねばならない。カラーパタン３の位置は固定されているため、参照点１７のグローバル座標のうちＺ成分は既知情報であるが、ＸＹ成分は未知情報である。以上をまとめると、法線ベクトル１８を求めるのに必要な情報のうち未知情報は、参照点１７のグローバル座標のＸＹ成分であり、これを求めることが反射像解析の主目的となる。

図９は、１つのサンプリング点の法線ベクトルを算出する手順を示すフローチャートである。最初にサンプリング点近傍の反射像に着目し、サンプリング点に映っている参照点の局所座標を求める（ステップＳ２１）。続いて局所座標と後述する拘束条件をもとに参照点のグローバル座標を特定する（ステップＳ２２）。最後に正反射の法則を用いてサンプリング点における法線ベクトルを計算する（ステップＳ２３）。

ここで、図９のフローチャートの最初のステップである参照点の局所座標算出の方法について説明する。図３に示したように、カラーパタン３は基本パタン１２を周期的に敷き詰めたパタンとなっている。したがって、いかなる参照点も、必ず基本パタン１２のいずれかの場所に位置し、その局所座標を求めることができる。

図１０は、サンプリング点１６の近傍に映っている、基本パタン１２の反射像である。図１０（ａ）が反射像の赤成分、図１０（ｂ）が反射像の青成分に対応している。なお図１０は鏡像であるので図１０（ａ）は、図６（ａ）に対して左右が入れかわっていることに注意を要する。また自動車用ガラスは曲面であるので、一般には図１０のように歪められたパタンが撮像される。点２１はカラーカメラ５で捉えたサンプリング点１６の像である。本実施の形態では、点２１近傍の反射像を解析することにより、参照点１７の局所座標を求める。

図１０において、局所座標を求める上で重要な情報が３つある。それらは、
その１：点２１がストライプパタンの白い領域にあるか、黒い領域にあるか、
その２：近傍にあるストライプパタンの白い領域（但し図４における色１２ｇの領域は除く）の、カラー画像における緑成分の強さ、
その３：点２１を挟むストライプ境界までの長さである。

図１１は、図１０の点２１の近傍をさらに拡大した画像である。図１１（ａ）が反射像の赤成分、図１１（ｂ）が反射像の青成分に対応している。図１１（ａ）において点２１からストライプ境界までの長さをｄ０＿ｈ、ｄ１＿ｈとする。但し、水平方向の局所座標が小さいストライプ境界までの長さをｄ０＿ｈとし、両境界の水平方向の局所座標のうち小さいほうをｈ０とする。同様に図１１（ｂ）において点２１からストライプ境界までの長さをｄ０＿ｖ、ｄ１＿ｖとする。やはり、垂直方向の局所座標が小さいストライプ境界までの長さをｄ０＿ｖとし、両境界の垂直方向の局所座標のうち小さいほうをｖ０とする。このとき、点２１の局所座標は式（１）、式（２）により与えられる。

ｈ０あるいはｖ０を正しく求めるために、本実施の形態においては、前記３つの情報のうち、その１、その２の情報を使って、ｈ０あるいはｖ０を正確に定める。例としてｈ０を特定する場合を考える。この場合、点２１が図１０（ａ）において白い領域にあれば、ｈ０の候補は０、２、４に絞られる。逆に黒い領域にあればｈ０の候補は１、３、５に絞られる。さらに図１０（ａ）において点２１近傍でかつ白い領域（但し図４における色１２ｇの領域は除く）の、カラー画像における緑成分を調べることにより、３つあるｈ０の候補から一つを選ぶことができる。

以上のように、サンプリング点近傍に映る反射像を調べることにより、参照点の局所座標を求めることができる。しかしながら、基本パタン１２はカラーパタン３の内部に周期的に複数配置されているため、局所座標が分かったとしても参照点のグローバル座標が唯一に特定されるわけではない。参照点のグローバル座標は、前記の方法で求めた局所座標の情報に拘束条件を付加することで特定される。拘束条件の与え方は状況によって３種類あるので、以下個別に説明する。表１に３種類の拘束条件を示す。

ここで、１つ目の拘束条件に関して説明する。

図１２は、カラーカメラ５がサンプリング点２２を撮像した際に、参照点２３の反射像が映っている状況を示している。ここでサンプリング点２２は、カラーカメラ５の視野に入るサンプリング点のうち、最初に法線ベクトルを求めるサンプリング点であるとする。図１２においてカラーパタン３上の基準点２４は、そのグローバル座標が既知であるとする。基準点２４はカラーパタン３における他の点と容易に区別できる、明確な特徴を持っていることが望ましい。例えばカラーパタン３に空けられた穴４の近傍の点することが一つの方法である。あるいは図４に示した８色以外の色で基本パタン中の１区画を彩色し、その中心点を基準点２４とする方法も考えられる。参照点２３ができるだけ基準点２４に近くなるようなサンプリング点２２を選ぶことにより、参照点２３のグローバル座標を基準点２４との位置関係から正しく求めることができる。

サンプリング点２２の選定は、計算機シミュレーションにより行う。被測定物１が設計形状であると仮定し、光線追跡により各サンプリング点に対する参照点位置を予測する。このうち参照点が最も基準点２４に近くなるサンプリング点を、サンプリング点２２とすればよい。以上のように本実施の形態だけでは、最初に法線ベクトルを計算するサンプリング点に対しては、グローバル座標が既知である基準点を拘束条件に法線ベクトルを算出する。

続いて２つめの拘束条件について説明する。
図１３は、カラーカメラ５がサンプリング点２５を撮像した際に、参照点２６の反射像が映っている状況を示している。ここでサンプリング点２５は、図１２において最初に法線ベクトルを求めたサンプリング点２２の近傍にある点とする。すでにサンプリング点２２に映る参照点２３のグローバル座標は、前記の方法により明らかになっている。参照点２６のグローバル座標を特定するにあたり、参照点２３を新たな拘束点とすることを考える。サンプリング点の間隔を十分短くとれば、近傍の２つのサンプリング点に映る参照点２点間の距離を、基本パタン１２のサイズ以下に抑えることができる。このとき、参照点２６と同じ局所座標を持つ点の中で、最も参照点２３に近い点を、真の参照点２６と見なしてよい。このように近傍のサンプリング点に映る参照点位置を拘束条件とすることで、法線ベクトルが算出される。サンプリング点２２を出発点にして同様な計算を周囲に伝播させることにより、カラーカメラ５の視野内のサンプリング点に対して法線ベクトルを求めることができる。

最後に３つめの拘束条件について説明する。
図１４は、カラーカメラ７がサンプリング点２７を撮像した際に、参照点２８の反射像が映っている状況を示している。ここで、サンプリング点２７はカラーカメラ５および７の視野が重なった領域にあるとする。サンプリング点２７はカラーカメラ５の視野に入っているので、図１２、図１３を使って説明したプロセスにより、既に法線ベクトル２９が求められているはずである。いま、カラーカメラ７が撮像した反射像を使ってサンプリング点２７における法線ベクトルをあらためて求めることを考える。そのためには参照点２８のグローバル座標が必要であるが、本実施の形態では参照点２８のグローバル座標を算出するにあたり、既知の法線ベクトル２９を活用する。

図１４において予測参照点３０は、サンプリング点２７の法線ベクトルが既知の法線ベクトル２９に等しいと仮定した場合に、カラーカメラ７に映る参照点の予測位置である。光線経路３１は、正反射の法則に基づいて算出され、光線経路３１とカラーパタン３の交点が予測参照点３０となる。カラーカメラ５および７の位置、姿勢が正しく把握されていれば、参照点２８と同じ局所座標を持つ点の中で、最も予測参照点３０に近い点を、真の参照点２８とみなすことができる。この結果、カラーカメラ７の視点情報をもとにサンプリング点２８の法線ベクトルを求めることができる。以後、サンプリング点２７を出発点として、カラーカメラ７の視野にある他のサンプリング点の法線ベクトルを求めることができる。その際は上述の２つめの拘束条件を適用すればよい。

図１４に示したように、同一のサンプリング点が複数のカラーカメラの視野に入る場合、本実施の形態ではそれぞれのカラーカメラの画像から法線ベクトルを求める。法線ベクトルを求めるにはカラーカメラの視点、サンプリング点、参照点のグローバル座標が必要であるが、現実の測定においてはこれらに誤差が含まれており、それぞれのカラーカメラの画像から求めた法線ベクトルは厳密に一致しない。

図１５は、図１４におけるサンプリング点２７近傍の拡大図である。法線ベクトル２９はカラーカメラ５の画像から求めたサンプリング点２７の法線ベクトルであり、法線ベクトル３２はカラーカメラ７の画像から求めたサンプリング点２７の法線ベクトルである。サンプリング点２７の法線ベクトルは唯一であるので、本実施の形態においては法線ベクトル２９と法線ベクトル３２の差で与えられる修正ベクトル３３を求め、カラーカメラ７の画像から求めた法線ベクトルを修正する。すなわちカラーカメラ７の画像から求めた法線ベクトルに修正ベクトル３３を加算したベクトルを正しい法線ベクトルとみなす。この修正ベクトルはカラーカメラ５とカラーカメラ７の視野が重なっている領域内のサンプリング点だけでなく、カラーカメラ７の視野内にあるサンプリング点すべてに適用される。以上の修正プロセスにより、カラーカメラ５および７の視野内にあるサンプリング点には、連続的な法線ベクトル分布が形成される。

カラーカメラ６についてもカラーカメラ７と同様に法線ベクトルの計算と修正を行う。これにより被測定物１に生成された全てのサンプリング点に対して法線ベクトルが求まり、それら法線ベクトルは連続的な分布を形成する。法線ベクトルから得られる面の傾きを積分することにより、被測定物１の形状を得る。

次に、本発明の実施例について説明するが、これらが本発明を限定するものではないことは明らかである。被測定物としてサイドドア用の自動車用ガラスを用い、本発明による形状測定結果と別に行った接触式測定結果を比較し、本発明による形状測定の精度を調べた。

図１６は、本実施例において用いたカラーパタン（１２００ｍｍ×２２５０ｍｍの矩形状）を示す。カラーパタンは図４および図５で示した合計８色からなるものを使用した。図４において個々の色ごとの正方形領域の大きさを４０ｍｍ角とした。したがって基本パタンのサイズは２４０ｍｍ角とした。カラーパタンにはカラーカメラの視野を確保するため、直径Φ５０ｍｍの穴をあけた。

図１７は、実施例における光学系のＹＺ断面である。図１と同様に、正となるカラーカメラを１台、副となるカラーカメラを２台、合計３台のカラーカメラを使用した。正となるカラーカメラを面光源の筐体内部に配置し、その向きを鉛直下向きとした。一方、副となるカラーカメラについては、面光源の筐体の外側に配置し、それぞれ視線を３０度内側に向けた。被測定物上において、このことにより、正となるカラーカメラの視野は、副となるカラーカメラの視野と重なっている。

図１８は、自動車用ガラスの断面形状を本発明による方法および接触式測定により求めた結果を重ねたものである。最大０．２ｍｍ程度の誤差で本発明による測定が可能であることが確認された。この断面形状はカラーカメラ３台の視野にまたがっており、カラーカメラが複数であっても、本発明によれば各カラーカメラから得られる法線およびを統合して、形状を測定できることを示している。

以上説明したとおり、本発明によれば特許第３５５３６５２号に記載されているようなカラー画像表示装置が不要となる。本発明は、面光源にカラーパタンを取り付けた簡易な光源装置を用いているので、光源装置を自動車用ガラスの測定用に大型化することに対して支障がない。

また、本発明によれば、カラーカメラを複数利用することができるので、曲率の大きい自動車用ガラスに対して光源を極端に大型化する、あるいは複雑化する必要が無い。よって適用できる自動車用ガラスの種類が広がる。本発明による形状測定機は自動車用ガラスの形状に依存しない汎用性があり、形状に依存して測定系を用意しなければならない接触式形状測定機と比べて装置費用で安くなり、得られる形状情報も増える。

以上の利点によって、本発明は従来よりも優れた自動車用ガラスの形状検査システムの構築に大きく貢献するものである。なお、本発明による形状測定方法は、対象が鏡面を有していればよく、自動車用ガラスだけでなく、鉄道車両、船舶、航空機、建築物等で使用される窓ガラス、レンズ、反射鏡等の鏡面を有する部材全般に適用可能である。

なお、以上においては、治具１００上で静止した状態の被測定物１の検査について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図１９に示すように治具１００をベルトコンベア等の搬送手段上に設置し、治具１００とともに搬送される被測定物１を撮像し検査する構成を採ることもできる。その場合、被測定物１の両サイドに副のカメラ６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂを適当な傾斜角を持たせて設置することにより、曲率の大きな被測定物（例えば自動車用リアガラス）であっても容易に撮像および検査が可能となる。

本発明の一実施形態を示す説明図である。 形状測定をするための光学系を示す断面図である。 カラーパタンの概略を示す説明図である。 基本パタンを示す平面図である。 基本パタンを構成する８色について、カラーカメラで撮像した際の赤成分、緑成分および青成分の強さを示すグラフである。 （ａ）赤成分に着目した場合に現れるストライプパタン、（ｂ）青成分に着目した場合に現れるストライプパタンを示す平面図である。 形状測定の一実施形態を示すフローチャートである。 法線ベクトルの求め方を示す説明図である。 １つのサンプリング点に対して、反射像から法線ベクトルを求める手順を示すフローチャートである。 （ａ）、（ｂ）サンプリング点近傍に映っている基本パタンの反射像を示す平面図である。 （ａ）、（ｂ）サンプリング点近傍に映っている基本パタンの反射像の一部を拡大した平面図である。 反射像が形成される様子を示す説明図である。 反射像が形成される様子を示す説明図である。 反射像が形成される様子を示す説明図である。 法線ベクトルの修正に用いられる修正ベクトルを示す説明図である。 カラーパタンの一実施例を示す平面図である。 光学系の一実施例を示す説明図である。 同一の自動車用ガラスに対して、本実施例による測定結果と接触式測定による測定結果とを比較したグラフである。 本発明のその他の実施形態を示す説明図である。

符号の説明

１：被測定物
２：面光源
３：カラーパタン
４：カラーパタンに空けられた穴
５：主となるカラーカメラ
６、７：副となるカラーカメラ
８：計算機
９：主となるカラーカメラの視野
１０、１１：副となるカラーカメラの視野
１２：カラーパタンを構成する基本パタン
１３：基本パタンに内在する第１のストライプパタン
１４：基本パタンに内在する第２のストライプパタン
１５：主となるカラーカメラの視点
１６：被測定物上のサンプリング点
１７：カラーパタン上の参照点
１８：法線ベクトル
１９：入射角
２０：反射角
２１：サンプリング点をカラーカメラで捉えた像
２２：主となるカラーカメラの視野にあるサンプリング点のうち最初に法線ベクトルをもとめるもの
２３：主となるカラーカメラで反射像を撮像した際に、点２２に映る参照点
２４：基準点
２５：点２２の近傍のサンプリング点
２６：主となるカラーカメラで反射像を撮像した際に、点２５に映る参照点
２７：同時に主となるカラーカメラ、副となるカラーカメラの視野に入っているサンプリング点
２８：副となるカラーカメラで反射像を撮像した際に、点２７に映る参照点
２９：主となるカラーカメラの反射像をもとに求めた点２７の法線ベクトル
３０：予測参照点
３１：予測参照点を算出する際に計算される光線経路
３２：副となるカラーカメラの反射像をもとに求めた点２７の法線ベクトル
３３：修正ベクトル
１００：治具

Claims (8)

1. 鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を測定する方法であって、
   第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、前記被測定物の鏡面状の表面に映り込ませるとともに、この表面における前記カラーパタンの反射像をカラーカメラで撮像するステップと、
   この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、
   前記複数のサンプリング点における法線ベクトルを用いて前記被測定物の表面形状を求めるステップとを有することを特徴とする鏡面形状測定方法。
2. 前記鏡面状の表面に複数の領域を設定し、この領域毎に用意されたカラーカメラを用いて前記表面における前記カラーパタンの反射像を撮像するステップと、
   これらの反射像から得られる情報を用いて、前記領域毎に前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、
   前記被測定物の測定対象表面の全域にわたる法線ベクトルが得られるように、前記領域毎に算出された法線ベクトルを統合するステップと、
   前記統合された法線ベクトルを用いて積分演算することにより、前記被測定物の表面形状を算出するステップとを有する請求項１に記載の鏡面形状測定方法。
3. 前記第１の色成分は赤色成分であり、前記第２の色成分は青色成分である請求項１または２に記載の鏡面形状測定方法。
4. 鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を測定する装置であって、
   第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、発光面に備えた面光源と、
   前記被測定物の鏡面状の表面に映り込んだ前記カラーパタンの反射像を撮像するカラーカメラと、
   この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求め、前記複数のサンプリング点における法線ベクトルを用いて前記被測定物の表面形状を求める計算機とを備えたことを特徴とする鏡面形状測定装置。
5. 前記カラーカメラは、
   前記鏡面状の表面に設定された複数の領域毎に用意され、前記領域毎に前記表面における前記カラーパタンの反射像を撮像し、
   前記計算機は、
   これらの反射像から得られる情報を用いて、前記領域毎に前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求めるステップと、
   前記被測定物の測定対象表面の全域にわたる法線ベクトルが得られるように、前記領域毎に算出された法線ベクトルを統合するステップと、
   前記統合された法線ベクトルを用いて積分演算することにより、前記被測定物の表面形状を算出するステップとを実施する請求項４に記載の鏡面形状測定装置。
6. 前記第１の色成分は赤色成分であり、前記第２の色成分は青色成分である請求項４または５に記載の鏡面形状測定装置。
7. 鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を検査する方法であって、
   第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、前記被測定物の鏡面状の表面に映り込ませるとともに、この表面における前記カラーパタンの反射像をカラーカメラで撮像するステップと、
   この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求め、この法線ベクトルに関する情報またはこの法線ベクトルを用いて演算処理することで得られた情報に基づいて前記被測定物の表面形状を検査するステップとを有することを特徴とする鏡面形状検査方法。
8. 鏡面状の表面を有する被測定物の表面形状を検査する装置であって、
   第１の色成分に着目した場合に第１のストライプパタンが認識され、かつ第２の色成分に着目した場合に前記第１のストライプパタンと所定角度を成す第２のストライプパタンが認識されるカラーパタンを、発光面に備えた面光源と、
   前記被測定物の鏡面状の表面に映り込んだ前記カラーパタンの反射像を撮像するカラーカメラと、
   この反射像から得られる情報を用いて、前記鏡面状の表面に設定された複数のサンプリング点における法線ベクトルを求め、この法線ベクトルに関する情報またはこの法線ベクトルを用いて演算処理することで得られた情報に基づいて前記被測定物の表面形状を検査する計算機とを備えたことを特徴とする鏡面形状検査装置。
   

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