JP2010048578A - 光学式計測装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学式計測装置において、計測条件の適切な設定変更を容易に行なうことができるようにする。
【解決手段】レーザ光が照射された計測対象物体５の表面を撮影すると、表面高さに応じて撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化するラインビーム像が得られる。物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。物体表面の高さは、各ラインビームの受光強度が当該受光強度についての背景除去レベルを用いて処理されることにより求められる。なお、背景除去レベルは、たとえばレーザ光が照射されない状態における受光強度の最大値とされる。
【選択図】図６

Description

この発明は、光学式計測装置およびその制御方法に関し、特に、投光部から光を照射された線状領域の反射光に基づいて当該線状領域の断面輪郭線像を生成する光学式計測装置およびその制御方法に関する。

従来、様々な計測対象物体の変位、長さ、角度などを計測するためのセンサ装置が知られている。たとえば、光源からの光をスリット光に整形して計測対象物体表面に所定角度で照射する投光部と、計測対象物体表面のスリット光照射位置をスリット光照射角度とは異なる角度から二次元撮像素子を使用して撮影して光切断面の断面輪郭線像を含む画像を取得する撮影部と、この撮影手段を介して得られる光切断面の断面輪郭線像に基づいて、所定の計測処理を実行することにより計測値及び／又は判定値を生成する計測部と、を具備する、光切断法を利用した光学式計測装置（『変位センサ』とも称される）が知られている。

ここで、スリット光の断面のなす直線の方向は、二次元撮影素子の視野内においては、垂直走査方向に対応する。また、計測装置（一般には、センサヘッド）と計測対象物体との距離が変化したときにスリット光のなす断面輪郭線像が二次元撮像素子の視野内において移動する方向は、水平走査方向に対応する。これにより、二次元撮像素子の受光面には、光切断面の断面輪郭線像が結像される。

かかる光学式計測装置によれば、切断光として直線状断面を有するスリット光を採用しているため、切断光として点状断面を有するスポット光を採用するもののように、切断光と計測対象物体とを相対移動させずとも、計測対象物体表面の一定直線に沿う一連の計測点の情報を一括して取得することができる。そのため、たとえば生産ラインを流れる工業製品の検査等に応用すれば、それら一連の計測点の情報に基づいて、計測対象物体表面各部の寸法を精密に測定して、製品の良否判定等を迅速かつ確実に行なうことができる。

断面輪郭線像を、撮影条件を変えて複数撮影し、それらの合成画像を生成する技術が開発されている。特許文献１にも、このような技術が開示されている。特許文献１では、撮影画像の輝度に影響を与える撮影条件を規定するパラメータの少なくとも１つの値を変更することにより複数の撮影条件が指定されて、撮影条件ごとに画像が撮影される。そして、特許文献１では、各撮影画像の中から所定の輝度条件を満足する領域の画像が抽出され、このように抽出した画像領域が寄せ集められて合成画像が生成され、当該合成画像に含まれる断面輪郭線像に基づいて計測処理が実行される。
特開２００８−０４５９２８号公報

上記のように、光学式計測装置では、従来から、撮影条件等の計測条件を適宜設定することにより、計測が行なわれる環境の変化等に対応した適切な結果が得られていた。

しかしながら、適切な計測結果を得るために計測条件の設定を変更することは煩雑であり、また、専門的な知識が必要とされる場合が多かった。

たとえば、計測の結果として、図１６（Ａ）に示されるような断面輪郭線像が、得られるべき適切な断面輪郭線像であるとされる場合について説明する。なお、図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）では、縦方向は計測対象物体の変位方向に対応し、横方向は上記スリット光が計測対象物体を切断する方向に対応する。

そして、計測データに対して強いノイズが乗るような環境で計測がなされ、当該ノイズを消去するように計測条件を設定できなければ、図１６（Ｂ）に示されるように、計測結果として得られるデータはノイズによりその外形に影響を受けたものとなる。また、ノイズを除去しようとして計測条件を厳しくしすぎると、図１６（Ｃ）で矢印ＲＣで示されるように、計測結果として得られるデータが部分的にデータの欠落する事態が生じる場合がある。

また、計測の結果として、図１７（Ａ）に示されたような断面輪郭線像が、得られるべき適切な断面輪郭線像であるとされる場合について説明する。図１７（Ａ）〜図１７（Ｂ）でも、図１６（Ａ）〜図１６（Ｃ）と同様に、縦方向は計測対象物体の変位方向に対応し、横方向は上記スリット光が計測対象物体を切断する方向に対応する。なお、この例では、計測対象物体が、プラスティック等の、いわゆるレーザ光の染み込みが生じるものである場合について説明する。

まず、レーザ光の染み込みについて、図１８を参照して説明する。図１８では、投光器９０１から照射された光は、投光レンズ９０２を介して計測対象物体（ワーク）９００の表面上で反射し、反射光９１０を生じる。反射光９１０は、受光レンズ９０３を介して、受光器９０４によって検出される。なお、計測対象物体９００では、点線９２０で示されるように、レーザ光のその内部へのいわゆる染み込みが生じる。このため、計測対象物体９００の内部からも反射光９１１が生じる。そして、反射光９１１も、受光レンズ９０３を介して、受光器９０４によって検出される。

受光器９０４では、計測対象物体９００表面からの反射光９１０のみだけでなく、計測対象物体９００内部からの反射光９１１も検出される。このため、受光器９０４における受光量に基づいて計測対象物体９００の変位方向の位置が特定された場合、実際の位置よりも投光器９０１から離れた位置に特定される場合がある。つまり、図１７（Ａ）に示されたような断面輪郭線像が得られるべきところ、計測条件を適切に設定できなければ、図１７（Ｂ）に示されるように、図１７（Ａ）に示された線像よりも全体的に下方に（投光器から離れる方向に）シフトした線像が、断面輪郭線像として得られることとなる。

以上説明したように、光学式計測装置では、計測環境や計測対象物体の性質等により、断面輪郭線像を得るための計測条件に関する設定の変更を必要とされる場合があった。しかしながら、そのような設定の変更は、煩雑であり、また、専門的な知識が必要とされる場合が多かった。したがって、設定の変更が、省略されまたは適切になされなかったため、十分な計測結果を提供できない場合があった。

本発明は、かかる実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、光学式計測装置において、計測条件の適切な設定変更を容易に行なうことができるようにすることである。

本発明に従った光学式計測装置は、計測対象物体の表面に向けて線状の光を照射する投光部と、前記投光部によって光を照射された前記線状領域の、前記計測対象物体上における前記線状の光の反射光を、当該線の並び方向についての各点が前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向から撮影し、受光量分布を表す画像を取得する受光部と、前記受光部が取得した受光量分布画像についての背景除去レベルを決定し、前記受光量を、前記背景除去レベルを用い、当該背景除去レベルを超える受光量の画素を有効として処理することにより前記線状領域の断面輪郭線像を生成する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、前記反射光の前記線の並びの方向における各点について、前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向である変位方向についての、前記受光量分布における受光量のピーク位置から前記計測対象物体の表面の位置を決定することによって、前記線状領域の断面輪郭線像を生成し、前記背景除去レベルは、前記各点について、それぞれ当該点を含む変位方向の受光量分布に対して前記背景除去レベルを超えるもののみを有効な光量とした場合に、前記変位方向についての光量のピークが予め定められた数となる値に定められることを特徴とする。

また、本発明の光学式計測装置では、前記信号処理部は、前記投光部による光の照射が無い状態での前記受光部における受光量に基づいて前記背景除去レベルを決定することが好ましい。

また、本発明の光学式計測装置では、前記信号処理部は、前記投光部による光の照射が無い状態での前記受光部における受光量の最大値に基づいて前記背景除去レベルを決定することが好ましい。

また、本発明の光学式計測装置では、予め定められた数は１であることが好ましい。
また、本発明の光学式計測装置では、前記背景除去レベルは、前記変位方向についての光量において前記背景除去レベルを超えるもののみを有効な光量とした場合に、さらに、有効な光量が連続して存在する距離が所定の距離以下となる値に定められることが好ましい。

本発明に従った光学式計測装置の制御方法は、計測対象物体の表面に向けて線状の光を照射するステップと、照射された前記線状の光の、前記計測対象物体上における前記線状の光の反射光を、当該線の並び方向についての各点が前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向から撮影することにより、受光量分布を表す画像を取得するステップと、前記取得した受光量分布画像についての背景除去レベルを決定するステップと、前記受光量を、前記背景除去レベルを用い、当該背景除去レベルを超える受光量の画素を有効として処理することにより前記線状領域の断面輪郭線像を生成するステップとを備え、前記断面輪郭線像を生成するステップは、前記反射光の前記線の並びの方向における各点について、前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向である変位方向についての、前記受光量分布における受光量のピーク位置から前記計測対象物体の表面の位置を決定することによって、前記線状領域の断面輪郭線像を生成し、前記背景除去レベルは、前記各点について、それぞれ当該点を含む変位方向の受光量分布に対して前記背景除去レベルを超えるもののみを有効な光量とした場合に、前記変位方向についての光量のピークが予め定められた数となる値に定められることを特徴とする。

本発明によれば、光学式計測装置において、信号処理部の働きにより、受光部の受けた線状の領域の光量を上記したような背景レベルを用いて処理することにより、上記変位方向についての光量のピークとして、上記した線状領域の上記線の並び方向についての各点について、予め定められた数のピークが得られる。

これにより、計測結果にノイズが強く乗るような環境において計測が行なわれた場合等においても、計測結果におけるノイズの影響を除去できるような計測条件としての背景レベルが与えられることになる。したがって、光学式計測装置において、適切な設定変更を容易が実現されることになる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［光学式計測装置の構成］
まず、図１〜図４を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置（変位センサ）の構成について説明する。

本実施の形態の変位センサは、制御盤などへのコンパクトな収容を可能とするために、また狭小な計測環境への据え付けを容易とするため、信号処理部とセンサヘッド部が分離されたいわゆるアンプ分離型の変位センサである。

図１は、本実施の形態の変位センサの信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。

図１を参照して、信号処理部１の外殻ケース１０は、やや細長い直方体形状の形態を有している。外殻ケース１０の前面からは、図示されていないが外部接続コードが引き出されている。この外部接続コードには、外部入力線、外部出力線、電源線等が含まれている。外部入力線は、たとえば上位装置としてのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等から信号処理部１に対して各種の指令を外部から与えるためのものである。外部出力線は、信号処理部１の内部で生成されたスイッチング出力やアナログ出力などをＰＬＣ等へ出力するためのものである。電源線は、信号処理部の内部回路に対する電源を供給するためのものである。また、外殻ケース１０の下面には、図示されていないがＵＳＢ（Universal Serial Bus）コネクタと、ＲＳ-２３２Ｃコネクタとが設けられている。

外殻ケース１０の上面には開閉可能な操作部蓋１４が設けられている。この操作部蓋１４の下には、信号処理部１における各種の指令操作などを行なうための操作部が設けられている。また、外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部２により取得された計測対象画像情報や計測結果、計測値、設定画面等の表示を行なうための表示部１５が配置されている。

外殻ケース１０の左右側面には、信号処理部間コネクタ蓋１６が設けられている。この信号処理部間コネクタ蓋１６の内部には、他の信号処理部１を接続するための信号処理部間コネクタが設けられている。複数の信号処理部１は、ＤＩＮレール（ドイツ規格協会の規格に準拠したレール）を介して隣接結合状態で１列に連装可能とされる。信号処理部１の外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部接続用コネクタ１７が設けられている。信号処理部１はこのセンサヘッド部接続用コネクタ１７を介して後述するセンサヘッド部２に接続されている。

センサヘッド部２は、センサヘッド部接続用コネクタ１７に対応する信号処理部接続用コネクタ２７と、ケーブル２１と、センサヘッド本体部２０とを含む。

センサヘッド本体部２０は、投光窓５１から計測対象物体にレーザ光を照射し、受光窓５２に計測対象物体からの反射光を受ける。センサヘッド本体部２０は、計測対象物体の形状に応じて光像位置が変化して見える角度から計測対象物体の表面を撮影する。

図２は、センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。

図２に示すように、本体部２０に内蔵された投光素子（レーザダイオード）から出射されるパルス状レーザ光（パルス光）が、図示しない投光レンズを通して、計測対象物体５の表面にスリット光Ｌ１として照射される。これにより、計測対象物体５の表面にはスリット光の照射光像ＬＭ（以下ラインビーム像とも称する）が形成される。

計測対象物体５で反射したスリット光の反射光Ｌ２はセンサヘッド部２内の図示しない受光レンズを通して２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）撮像素子等）へと入射される。

すなわち、計測対象物体５の表面を、２次元撮像素子により異なる角度から撮影することにより、スリット光の照射光像ＬＭを含む映像信号を取得する。そして、この映像信号に基づいて、所定の特徴量が抽出されて、目的とする変位量（この例ではセンサヘッド部２と計測対象物体５との距離）のＬＭに沿った分布が求められる。

図３は、図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。

図３に示されるように、信号処理部１は、制御部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、センサヘッド部２との通信部１０４と、外部機器との通信部１０５と、キー入力部１０６と、外部入力部１０７と、出力部１０８と、電源部１０９とを含む。

制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）とにより構成され、信号処理部１全体の統括制御を担う。この制御部１０１は、後述する各種機能を実現すると共に、受光信号を所定の閾値を基準として二値化した後、これを出力データとして、出力部１０８から外部へと送出する。

記憶部１０２は、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０２ａと、表示部１０３に表示される画像データを記憶する画像メモリ１０２ｂとを含む。なお、不揮発性メモリ１０２ａとしてフラッシュメモリを用いても良い。

表示部１０３は、閾値や計測対象物体までの距離等に係る各種数値等が表示される液晶表示部１０３ａと、目的とする出力であるオン／オフ状態等を示す表示灯ＬＥＤ（Light Emitting Diode）１０３ｂとを含む。通信部１０４は、センサヘッド部２との通信を担うものである。

外部通信部１０５は、外部のパソコン（パーソナルコンピュータ（ＰＣ））１１０に接続するためのＵＳＢ通信部１０５ａと、コマンドやプログラムデータの送受信などに使用されるシリアル通信部１０５ｂと、所定のプロトコル並びに送受信フォーマットに従って、左右の隣接する他の信号処理部との間でデータ通信を行なう信号処理部間通信部１０５ｃとを備えている。

キー入力部１０６は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。外部入力部１０７はたとえばＰＬＣ等の上位装置から、信号処理部１に対して各種の指令を受信するためのものである。出力部１０８は、目的とするオン／オフ出力をＰＬＣ等の上位装置に出力するために使用される。電源部１０９は、制御部１０１並びに外部のハードウェア回路に対し電源を供給するものである。

図４は、センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。
図４に示されるように、センサヘッド部２は、制御部２０１と、計測対象物体５へと向けてスリット光を照射するための投光部２０２と、計測対象物体５により反射されて到来するスリット光を受光する受光部２０３と、表示灯ＬＥＤ２０４と、記憶部２０５と、通信部２０６とを備えている。

制御部２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＰＬＤ（Programmable Logic Device）とにより構成され、センサヘッド部２の各構成要素２０２〜２０６を統括制御するとともに、受光信号を受光部２０３から取り出し、信号処理部１に送り出す処理を担うものである。

投光部２０２は、この例では投光素子としてのレーザダイオードと投光回路とを備え、計測対象領域へ向けてスリット光を照射する。受光部２０３は、スリット光の反射光を受光する２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）と、制御部２０１からのタイミング制御信号に同期して、２次元撮像素子から得られる受光信号を増幅して制御部２０１に出力する受光信号処理部とを含む。表示灯ＬＥＤ２０４は、センサヘッド部２の各種動作状態に対応して点消灯する。

記憶部２０５は、たとえば不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）から構成され、この例では、センサヘッド部２を同定するためのＩＤ（識別情報）等が記録される。通信部２０６は、制御部２０１の命令に従って、信号処理部１との通信を担うものである。

本実施の形態のセンサヘッド部２は、上述のような回路構成とされ、信号処理部１の指令に応じて適宜の投受光処理を行なう。

［計測動作の説明］
次に、図５〜図１５を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置の計測の原理と計測動作の一例を説明する。

図５は、センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。
図５において、レーザダイオード２０２ａから発せられたレーザビームはスリット２０２ｂを通して断面線状の光線（スリット光）に成形された後、投光レンズ２０２ｃを介して計測対象物体５の表面の線状領域にラインビームとして照射される。なお、図５では断面図を示しているので、図中、断面内においてレーザビームは収束光として絞られて計測対象物体へ照射される図として示しているが、断面に垂直な方向に関しては広がった光束となっており、スリット光として計測対象物体へ照射されている。

一方、このラインビームの照射により生じた切断光の照射光像は、所定の角度から受光レンズ２０３ｂを介して２次元撮像素子（ここでは２次元ＣＣＤ）２０３ａで撮影される。よく知られているように、２次元ＣＣＤの撮影角度は、計測対象物体の高さ変化に対応して、光像のＣＣＤ上への結像位置が変化するように位置決めされている。このように、三角測量の原理に基づいて断面内に垂直な方向に沿うラインビーム像の各位置毎（ラインビーム像に含まれる各点ごと）に計測対象物体の高さが計測される。

図６は、センサヘッド部からの照射光と反射光を示した図である。
図７は、２次元撮像素子で反射光をラインビーム像として撮像した画像（断面輪郭線像）である。

図６、図７を参照して、一例として、蒲鉾型（扁平に変形した半円型）の計測対象物体の段差の計測について説明する。図６に示すようにレーザ光が照射された計測対象物体の表面を撮影すると、表面高さに応じて撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化する図７のようなラインビーム像が得られる。

物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。この像から、各ラインビームが照射されている物体表面上のトップとボトムの差を算出し、照射角と受光角を用いて演算を行なえば計測対象物体の段差の測定が可能となる。

なお、この変位方向は、図５では２次元撮像素子２０３ａ上で検出される光についての両矢印で示された方向に相当する。

図８は、信号処理部１の操作部蓋１４を開けた状態を示す図である。
図８を参照して、センサヘッド本体部２０からレーザビームが照射されているときに点灯するＬＤＯＮ表示灯７０１、設定したオフセット値を差し引いて演算を行なうゼロリセット機能が有効な場合に点灯するＺＥＲＯ表示灯７０２、計測可能な状態であることを示すＥＮＡＢＬＥ表示灯が外殻ケース１０の上面の上側に並べられている。左側に並べられた表示灯７０４は、計測結果を閾値等により判定を行なった結果を表示する等に用いられる表示灯であり、たとえば、２つの閾値（計測条件はＴ１〜Ｔ４の４つまで設定可能）の間にあるときに点灯する表示灯などとして使用される。

操作部蓋１４の下には、１から４までのファンクションキー７０５が設けられており、計測内容の設定を行なうための設定モード（ＦＵＮモード）では、表示部１５に縦横２個ずつ並べて表示されるアイコンを選択するための選択キーとして、あるいは、１から４までの番号が付されて表示される選択候補を選択するための選択キーとして機能する。

左下の切替スイッチ７０６は、スタンダードモード（ＳＴＤ）とエキスパートモード（ＥＸＰ）のいずれの動作を行なうかを選択するためのスイッチである。スタンダードモードに切り替えたときには簡単に標準的な設定が可能な設定方法が有効になり、エキスパートモードに切り替えたときには従来方法のような各計測点や領域を個々に設定する設定方法が有効となる。

モード切替スイッチ７０７は、左端位置は設定を行なう為のＦＵＮモード、中央位置では計測結果の判定を行なう為の閾値設定やその調整のためのＡＤＪモード、右端位置は計測処理を実行するＲＵＮモードであり、それぞれの位置に切り替えられることで後述するようなそれぞれに応じたモードの動作が実行される。

ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキーはメニュー画面と計測対象画像や計測結果の画面の表示をキー押下毎に切り替える場合や、設定時に対象画像を決定する設定を行なうための場合の、いわゆるティーチングキーとしても機能する。十字キー７０９は、後述する設定領域の移動や表示部１５に表示された選択候補を上下左右に移動させるため等に用いられる。右下のＳＥＴキー７１１は、選択候補の決定を行なう。ＥＳＣキー７１１は、先に行なった操作の取消しを行なう。

図９は、本実施の形態における変位センサのメインの動作フローを示すフローチャートである。

図９を参照して、電源投入により処理が開始されると、初期設定等の起動時処理（ステップＳ８０１）が行なわれた後、図８のモード切替スイッチ７０７のモードを確認し、現在設定されているモードが前回設定されていたモードと異なるかどうかが判断される（ステップＳ８０２）。もし、異なっていれば現在設定されているモードへの切り替え処理が実行されて次のステップへ進み（ステップＳ８０３）、モードに変化がなければ、そのまま次のステップへ進む。

そして、設定されているモードに応じてコマンド入力を受付け、入力があればそのコマンドを解析して、それぞれに応じた処理の実行を行なう。ＦＵＮモードであれば計測を設定する処理を実行し、ＲＵＮモードであればＵＳＢやＲＳ−２３２Ｃ経由で与えられる外部コマンドの処理を実行し、ＡＤＪモードであればＲＵＮモードで用いる計測結果の良否判定を行なうための閾値の設定や調整を行なう処理を実行する。

各処理に応じて、表示処理、たとえば計測結果の画面表示等を行なってステップＳ８０２へ戻る。ここではステップＳ８０４からステップＳ８０７まで模式的な流れとして図９に記載しているが、実際にはこれに限らず、適宜必要な処理を適当な順番で組み合わせて実行される。

モード切替スイッチ７０７により、ＦＵＮモードが選択されているときには、計測処理の設定を行なう。上述のステップＳ８０４からステップＳ８０７に相当する処理は、具体的には、「画像のティーチング」→「アイテム選択」→「切り取り領域指定」→「測定点設定完了」のような流れとなる。

画像のティーチングは、計測対象物体の計測を行なおうとする箇所が画像に映し出されるよう、計測対象物体もしくは変位センサの配置をユーザが調整した後、ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー７０８を押して行なう。ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー７０８が押されることにより、そのときに表示されている画像を計測設定を行なう基準画像（ティーチング画像）として設定する。

アイテム選択は、ティーチングした画像に対して行なう計測処理の複数選択候補（以下、計測アイテムと呼ぶ）をアイコンで表示し、選択を受け付ける処理である。計測アイテムとしては、高さ、２点段差、３点段差、エッジ位置、エッジ幅に関するアイコンが用意される。

切り取り領域指定は、アイコンで選択された計測アイテムが行なう計測処理の対象となる画像を含む１の処理対象画像抽出領域（切り取り領域）を表示して確定させる処理である。これに限るものではないが、たとえば、予め画面の３分の２から４分の３程度の大きさの枠として画面の中心に初期表示を行なう。なお画面全体を含む枠としても良い。枠の位置、範囲、形状などが調整可能とされ、位置、範囲調整のための十字キー７０９等の入力が受け付けられる。ＳＥＴキー７１１が押されることで、そのときの枠が切り出し領域として設定される。従って、ユーザは計測アイテムにより設定した計測処理を行なうために必要な箇所が画像としてちょうど予め定められた枠内に表示されていればそのままＳＥＴキー７１１により決定し、もし枠内に入っていなければ、枠の調整を行なった後に決定を行なう。この決定により切り取り領域が設定され、ＲＵＮモード時にはこの領域を対象として、設定された計測アイテムに応じた計測処理が実行される。

測定点設定完了処理は、次のように行なわれる。まず、切り取り領域が設定されると、アイコンの選択によって選ばれた各計測アイテムの処理に応じて、切り取り領域内から計測処理に用いる測定範囲や測定点を自動的に設定する。同時に、確認のために、自動設定した測定範囲や測定点をティーチング画像に重ねて表示する。そして、測定範囲の調整のための十字キー７０９などの入力を受け付ける。ＳＥＴキー７１１が押されるとそのときの切り取り領域に対する測定範囲や測定点を確定し設定する。

図１０は、ＡＤＪモードにおける処理を示すフローチャートである。
図１０を参照して、ＡＤＪモードでは、設定調整処理が実行される。設定調整処理では、まずステップＳ７０１で、表示部１５にメニューを表示させて、ステップＳ７０２へ処理を進める。

ステップＳ７０１では、表示部１５には、設定や調整を行なうメニューが表示される。具体的には、設定を行なう閾値のメニューの一例としては、ＲＵＮモードで用いる計測結果の良否判定を行なうための閾値の設定を行なうためのメニューが挙げられる。また、調整が行なわれるメニューの一例としては、この後説明する「オートフィルタ」が挙げられる。「オートフィルタ」とは、受光部２０３が受けた光量の処理に際しての背景除去レベルを設定するためのメニューである。

ステップＳ７０１では、変位センサは、表示部１５にメニューを表示させた状態で、外部からの操作の入力を待つ状態となる。

ステップＳ７０２では、外部から入力された操作が、上記した「オートフィルタ」を選択するものであったか否かを判断し、そうであったと判断するとステップＳ７０３へ処理を進め、そうではないと判断されるとステップＳ７０４へ処理が進められる。

ステップＳ７０４では、入力された情報が、「オートフィルタ」を選択するものであったか否かが判断され、そうであると判断されるとステップＳ７０５へ処理が進められ、そうではないと判断されると、ステップＳ７０６へ処理が進められる。

ステップＳ７０５では、選択されたと判断されたメニューに対応した処理が実行された後、ステップＳ７０１へ処理が戻される。

ステップＳ７０６では、ステップＳ７０１においてメニューが表示された状態でなされた操作が、設定調整処理を終了させるものであるか否かを判断し、そうであると判断されると設定調整処理が終了する。一方、ステップＳ７０６で、なされた操作が設定調整処理を終了させるものではないと判断されると、処理はそのままステップＳ７０１へ戻される。

次に、ステップＳ７０３におけるオートフィルタ処理について、当該処理のサブルーチンのフローチャートである図１１をさらに参照して説明する。

図１１を参照して、オートフィルタ処理では、まずステップＳ７３１で、各種のパラメータの初期設定がなされる。

なお、ステップＳ７３１で初期設定されるパラメータとしては、背景除去レベル（Ｒ＿ＬＶ）、背景除去レベルの最大値（ＭＡＸ＿Ｒ＿ＬＶ）、およびシャッタ時間である。背景除去レベルとは、ラインビーム像を構成する各点について、受光強度スペクトルから当該点における計測対象物体の表面位置を決定するために当該スペクトルを処理する際に利用されるパラメータである。当該処理においては、受光強度スペクトルにおいて、背景除去レベル以下のデータはノイズとして無効なものとされて処理される。

ＭＡＸ＿Ｒ＿ＬＶは、Ｒ＿ＬＶのである。本実施の形態では、受光量は０〜２５５のレベルで検出される。このため、Ｒ＿ＬＶも０〜２５５の値をとることができる。そして、ＭＡＸ＿Ｒ＿ＬＶは、たとえば「１００」とされる。

シャッタ時間とは、撮像素子による受光量の検出の際に、１回の受光量の検出を行なう際のシャッタを開状態とする時間の長さである。本実施の形態においては、シャッタ時間は、たとえば、別途設定される感度設定値に応じた値とされる。

ステップＳ７３２では、投光部２０２にラインビームの照射を行なわせない状態で、受光部２０３における受光量の検出（画像入力）をして、ステップＳ７３３へ処理を進める。

ステップＳ７３３では、ステップＳ７３２で入力した画像についての、ラインビーム像を構成する各点についての濃度ピーク値（受光強度の最大値）を抽出し、抽出された各点についての最大値の中の最も大きい値をＲ＿ＬＶとして、ステップＳ７３４へ処理を進める。

ステップＳ７３４では、投光部２０２にラインビームを照射させた状態で、受光部２０３にラインビーム像についての画像の入力をさせて、ステップＳ７３５へ処理を進める。

ステップＳ７３５では、ステップＳ７３４で入力された画像について、その時点でのＲ＿ＬＶを用いて処理したときの面ありライン数が、ラインビーム像を構成するすべての点において「１」であるか、または、Ｒ＿ＬＶがＭＡＸ＿Ｒ＿ＬＶに達したか否かが判断される。そして、そうであると判断されると、その時点でのＲ＿ＬＶが背景除去レベルとされて、処理が図１０にリターンされる。

ここで、面ありライン数とは、受光強度の計測結果から判断される面の数であり、具体的には、受光強度スペクトルにおける変位方向についてのピークの数である。

一方、ステップＳ７３５において、ラインビーム像を構成する各点のうち少なくとも１点について面ありライン数が２以上であり、かつ、まだＲ＿ＬＶがＭＡＸ＿Ｒ＿ＬＶに達していないと判断されると、ステップＳ７３６へ処理が進められる。

ステップＳ７３６では、Ｒ＿ＬＶが予め定められた定数であるＤだけ加算更新されて、ステップＳ７３５へ処理が戻される。定数Ｄは、たとえば「１」とされる。

以上説明したオートフィルタ処理では、背景除去レベルＲ＿ＬＶは、「０」で初期設定された後、投光部２０２によるラインビーム像の照射の無い状態で受光部２０３が計測した受光量の最大値とされる。そして、ステップＳ７３５の条件が満たされるまで（ステップＳ７３５でＹＥＳと判断されるまで）、Ｒ＿ＬＶはＤずつ加算更新される。ステップＳ７３５の条件を満たしたＲ＿ＬＶが、それ以降の断面輪郭線像を得るための処理において、背景除去レベルとして設定される。

ここで、背景除去レベルを用いたデータの処理の態様について説明する。
図１２を参照して、図１２（Ａ）は、ラインビーム像を構成する複数の点の中の１つの点についての受光強度のスペクトルを示している。なお、図１２（Ａ）では、縦方向は変位方向に対応し、横方向が各変位方向に対応する受光強度に対応している。

図１２（Ａ）に示されたデータでは、ノイズの影響等により、複数のピークが見られている。また、このスペクトルに対して、３種類の背景除去レベル（ＬＶ１１〜ＬＶ１３）が示されている。

図１２（Ａ）に示されたスペクトルを、背景除去レベルをＬＶ１１として処理された結果が、図１２（Ｂ）に示されている。

図１２（Ｂ）に示された処理後のデータでは、まだ、３つの受光強度のピークが残っている。

図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）のＬＶ１２として示された背景除去レベルを利用して処理されたデータが示されている。図１２（Ｃ）に示されたデータにおいても、まだ、２つの受光濃度ピークが残っている。

図１２（Ｄ）は、図１２（Ａ）のＬＶ１３で示されたレベルを背景除去レベルとして処理された後のデータを示している。図１２（Ｄ）に示されたデータでは、受光濃度のピークが１つのみ表わされている。

以上、図１２（Ａ）〜図１２（Ｄ）を参照して説明したように、背景除去レベルを変更することにより、変位方向における受光強度のピークの数が変化する。

そして、本実施の形態のオートフィルタ処理によれば、ラインビーム像の各点について得られた受光強度のスペクトルにおいて、ノイズの影響によって複数のピークが見られる場合であっても、適切に背景除去レベルが設定されることにより、ラインビーム像の各点について１つのピークが得られ、そこから、１つの変位方向の位置を決定することができる。したがって、ユーザが適切な背景除去レベルを決定できなくとも、受光部２０３の受光データから、ラインビーム像の各点について１つの変位方向の位置を決定することができ、これにより、断面輪郭線像を得ることが可能となる。

図１３は、背景除去レベルを用いたデータの処理の他の態様を示す図である。
図１３（Ａ）は、図１２（Ａ）と同様に、ラインビーム像を構成する複数の点の中の１つの点についての受光強度のスペクトル（スペクトルのデータ自体は、図１２（Ａ）のデータとは異なる）を示している。図１３（Ａ）では、縦方向は変位方向に対応し、横方向が各変位方向に対応する受光強度に対応している。

図１３（Ａ）に示されたデータでは、計測対象物体５におけるレーザ光の染み込みの影響により、領域Ｔ１に示すように、計測対象物体５の内部側に受光強度のピークが広がっている。なお、図１３（Ａ）では、下側が、投光部２０２（レーザダイオード２０２ａ）から離れる向きに対応している。

図１３（Ａ）には、３種類の背景除去レベル（ＬＶ２１〜ＬＶ２３）が示されている。図１３（Ｂ），図１３（Ｃ），図１３（Ｄ）は、それぞれ、ＬＶ２１，ＬＶ２２，ＬＶ２３を利用して処理されたデータが示されている。

なお、図１３（Ａ）に示された受光強度スペクトルにおいて、変位方向について、背景除去レベルＬＶ２１に切り取られる幅の最大値はＷ１であり、背景除去レベルＬＶ２２に切り取られる幅の最大値はＷ２であり、背景除去レベルＬＶ２３に切り取られる幅の最大値はＷ３であるとする。ここで、「最大値」とあるのは、たとえば、図１３（Ａ）の受光強度スペクトルは、ＬＶ２１によって、３つのピークを切り取られている。そして、この３つのピークの中で、変位方向について最も長い距離で切り取られている幅がＷ１であることが、幅の「最大値」に対応している。

図１３（Ｂ），図１３（Ｃ），図１３（Ｄ）では、それぞれ、最も受光強度の大きいピークにおいて、背景除去レベル以上の値を有する領域の、変位方向についての中心位置が、Ｈ２１，Ｈ２２，Ｈ２３で示されている。

なお、上記した計測対象物体５におけるレーザ光の染み込みの影響を考慮すると、計測対象物体５の表面位置は、変位方向について、Ｈ２０で示された位置に近いものと推測される。そして、背景除去レベルがＬＶ２１，ＬＶ２２，ＬＶ２３となるにつれて、背景除去レベル以上の値を有する領域の変位方向についての中心位置が、計測対象物体５の表面位置と推測される位置に近くなっている。

したがって、受光強度スペクトルを切り取る幅（の最大値）が狭い背景除去レベルで当該受光強度スペクトルを処理するほど、計測対象物体５の表面位置として適した位置が得られることとなると考えられる。つまり、背景除去レベルが、受光強度スペクトルを当該背景除去レベルで処理した場合において、処理後のデータにおいて受光強度が０を超える変位方向の距離（幅）が所定の閾値以下となるようなレベルに設定されることにより、計測対象物体５の表面位置として適した位置が得られると考えられる。

そこで、本実施の形態では、オートフィルタ処理において背景除去レベルを設定する際に、計測対象物体５の表面位置の決定の際に、当該計測対象物体５におけるレーザ光の染み込みの影響を抑えるために、受光強度スペクトルを切り取る幅が考慮されることが好ましい。具体的には、図１４に示すオートフィルタ処理の変形例のフローチャートのように、ステップＳ７３５（図１１参照）の代わりに、ステップＳ７３５Ａが実行される。

ステップＳ７３５Ａでは、面ありライン数が上記した複数の点のすべてについて「１」であり、かつ、図１３を参照して説明したような、背景除去レベルＲ＿ＬＶによって切り取られる受光強度スペクトルの変位方向についての幅Ｗの最大値が予め定められた閾値（ＷＸ）以下である場合か、または、Ｒ＿ＬＶがＭＡＸ＿Ｒ＿ＬＶに達した場合に、ステップＳ７３７へ処理が進められる。つまり、この変形例では、このような時点におけるＲ＿ＬＶの値が、以降の処理での背景除去レベルとして決定される。

なお、本実施の形態において、面ありライン数は、通常「１」とされる。なお、計測対象物体が、ガラスのように、変位方向についての受光強度スペクトルにおいて「２」等複数のピークが見られるものである場合には、当該物体について見られるべきピークの数に設定される。

図１５は、ＲＵＮモードにおける処理を示すフローチャートである。
図１５を参照して、計測処理は、割り込み処理で行なわれる。外部トリガ計測の場合には外部トリガの入力により計測を行ない、繰り返し計測の場合には周期的に自ら計測開始トリガを発生させて計測を開始する（ステップＳ９０１）。そして算出された値を、実空間の単位であるミリメートルに換算する（ステップＳ９０２）。算出された値と閾値とを比較し（ステップＳ９０３）、その後判定結果を出力して（ステップＳ９０４）処理が終了する。

ＲＵＮモードにおいて、計測対象物体の断面輪郭線像の計測が実行された場合であって、上記オートフィルタ処理によって背景除去レベルが設定されている場合には、投光部２０２から照射されたラインビームについての反射光が受光部２０３で受光される。制御部１０１は、受光部２０３による受光信号を、上記のように設定された背景除去レベルを用いて処理することにより、断面輪郭線像の計測結果を得る。

なお、背景除去レベルは、図１１または図１４を参照して説明したように設定されても良いし、ユーザが外郭ケース１０に設けられた操作部等を操作することにより設定されても良いし、予め変位センサにおいて設定されている値とされても良い。

以上説明した本実施の形態によれば、オートフィルタ処理によって、背景除去レベルが設定され、それ以降の、計測対象物体についての形状の検査等のための断面輪郭線像等の計測に利用される。具体的には、変位センサにおいて、レーザ光が照射された計測対象物体５の表面が撮影され、表面高さに応じて撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化するラインビーム像が得られる。物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。物体表面の高さは、各ラインビームの受光強度が当該受光強度についての背景除去レベルを用いて処理されることにより求められる。なお、背景除去レベルは、たとえばレーザ光が照射されない状態における受光強度の最大値とされる。

なお、変位センサでは、上記操作部等が操作されることにより、上記断面形状等の計測において上記背景除去レベルを利用するか否かを切り替えられても良い。つまり、ユーザは、断面輪郭線像として得られた線像が、図１６（Ｂ）や図１６（Ｃ）や図１７（Ｂ）に示されたようなものであった場合に、変位センサにオートフィルタ処理を実行させ、背景除去レベルを設定し、当該背景除去レベルを利用した断面輪郭線像を得ても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態の変位センサの信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。 センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。 図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。 センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。 センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。 センサヘッド部からの照射光と反射光を示した図である。 ２次元撮像素子で反射光をラインビーム像として撮像した画像である。 信号処理部１の操作部蓋１４を開けた状態を示す図である。 本実施の形態における変位センサのメインの動作フローを示すフローチャートである。 ＡＤＪモードにおける処理を示すフローチャートである。 図１０のオートフィルタ処理のサブルーチンのフローチャートである。 本実施の形態における、背景除去レベルを用いたデータの処理の一例を説明するための図である。 本実施の形態における、背景除去レベルを用いたデータの処理の他の例を説明するための図である。 図１１のオートフィルタ処理の変形例のフローチャートである。 ＲＵＮモードにおける処理を示すフローチャートである。 従来技術における課題を説明するための図である。 従来技術における課題を説明するための図である。 従来技術における課題を説明するための図である。

符号の説明

１ 信号処理部、２ センサヘッド部、５ 計測対象物体、１０ 外殻ケース、１４ 操作部蓋、１５ 表示部、１６ 信号処理部間コネクタ蓋、１７ センサヘッド部接続用コネクタ、２０ センサヘッド本体部、２１ ケーブル、２７ 信号処理部接続用コネクタ、５１ 投光窓、５２ 受光窓、１０１，２０１ 制御部、１０２，２０５ 記憶部、１０２ａ ＥＥＰＲＯＭ、１０２ｂ 画像メモリ、１０３ 表示部、１０３ａ 液晶表示部、１０３ｂ 表示灯ＬＥＤ、１０４，１０５，２０６ 通信部、１０５ａ ＵＳＢ通信部、１０５ｂ シリアル通信部、１０５ｃ 信号処理部間通信部、１０６ キー入力部、１０７ 外部入力部、１０８ 出力部、１０９ 電源部、２０２ 投光部、２０２ａ レーザダイオード、２０２ｂ スリット、２０２ｃ 投光レンズ、２０３ 受光部、２０３ａ ２次元ＣＣＤ、２０３ｂ 受光レンズ、２０４ 表示灯ＬＥＤ、３０１ ＦＰＧＡ、３０１ｄ アドレス生成部、３０１ｅ ラインカウンタ、３０１ｃ ラインバッファメモリ、３０１ｂ 特徴抽出部、３０１ａ 画像メモリ制御部、３０２ ＣＰＵ、３０２ｅ ラインデータレジスタ、３０２ｃ 演算制御部、７０１，７０２，７０４ 表示灯、７０５ ファンクションキー、７０６ 切替スイッチ、７０７ モード切替スイッチ、７０８ ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー、７０９ 十字キー、７１１ ＳＥＴキー、Ｌ ラインカウンタ。

Claims (6)

1. 計測対象物体の表面に向けて線状の光を照射する投光部と、
   前記投光部によって光を照射された前記線状領域の、前記計測対象物体上における前記線状の光の反射光を、当該線の並び方向についての各点が前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向から撮影し、受光量分布を表す画像を取得する受光部と、
   前記受光部が取得した受光量分布画像についての背景除去レベルを決定し、前記受光量を、前記背景除去レベルを用い、当該背景除去レベルを超える受光量の画素を有効として処理することにより前記線状領域の断面輪郭線像を生成する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、前記反射光の前記線の並びの方向における各点について、前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向である変位方向についての、前記受光量分布における受光量のピーク位置から前記計測対象物体の表面の位置を決定することによって、前記線状領域の断面輪郭線像を生成し、
   前記背景除去レベルは、前記各点について、それぞれ当該点を含む変位方向の受光量分布に対して前記背景除去レベルを超えるもののみを有効な光量とした場合に、前記変位方向についての光量のピークが予め定められた数となる値に定められる、光学式計測装置。
2. 前記信号処理部は、前記投光部による光の照射が無い状態での前記受光部における受光量に基づいて前記背景除去レベルを決定する、請求項１に記載の光学式計測装置。
3. 前記信号処理部は、前記投光部による光の照射が無い状態での前記受光部における受光量の最大値に基づいて前記背景除去レベルを決定する、請求項２に記載の光学式計測装置。
4. 前記予め定められた数は１である、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光学式計測装置。
5. 前記背景除去レベルは、前記変位方向についての光量において前記背景除去レベルを超えるもののみを有効な光量とした場合に、さらに、有効な光量が連続して存在する距離が所定の距離以下となる値に定められる、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の光学式計測装置。
6. 計測対象物体の表面に向けて線状の光を照射するステップと、
   照射された前記線状の光の、前記計測対象物体上における前記線状の光の反射光を、当該線の並び方向についての各点が前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向から撮影することにより、受光量分布を表す画像を取得するステップと、
   前記取得した受光量分布画像についての背景除去レベルを決定するステップと、
   前記受光量を、前記背景除去レベルを用い、当該背景除去レベルを超える受光量の画素を有効として処理することにより前記線状領域の断面輪郭線像を生成するステップとを備え、
   前記断面輪郭線像を生成するステップは、前記反射光の前記線の並びの方向における各点について、前記計測対象物体の表面の高さに応じて変化する方向である変位方向についての、前記受光量分布における受光量のピーク位置から前記計測対象物体の表面の位置を決定することによって、前記線状領域の断面輪郭線像を生成し、
   前記背景除去レベルは、前記各点について、それぞれ当該点を含む変位方向の受光量分布に対して前記背景除去レベルを超えるもののみを有効な光量とした場合に、前記変位方向についての光量のピークが予め定められた数となる値に定められる、光学式計測装置の制御方法。

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