JP2011095071A

JP2011095071A - 非接触計測装置および非接触計測方法

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Publication number: JP2011095071A
Application number: JP2009248533A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Nagahashi; 敏則長橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-05-12

Abstract

【課題】同期信号等の出力インタフェースを有しないカメラを使用し、撮像と被測定物またはカメラの位置情報を、制御回路を使用せずに同期して撮像を行う非接触計測装置および非接触計測方法を提供することを課題としている。
【解決手段】非接触計測装置は、アクチュエーター１０、レーザー１２、カメラ１３、信号処理・制御ユニット２０、画像表示装置３０から構成されている。信号処理・制御ユニット２０は、制御部１０１と、画像データ取り込み部１０２と、グレースケール変換部１０３と、画像データ記憶部１０４と、相関比較部１０５と、停止判定部１０６と、輝度抽出部１０７と、重心算出部１０８と、高さ算出部１０９と、計測結果出力部１１０とから構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触計測装置および非接触計測方法に関する。

非接触の三次元計測方法として、レーザー投光器のレーザー光を、スリットを通して被測定物に照射し、被測定物を一定速度で移動しながら、カメラでスリット光に照らし出された断面の輪郭を一定間隔で１フレームずつ取得する。そして、取得したスリット光に照らし出された断面の輪郭の画像（以下、光切断画像）をレーザー投光器の取り付け位置と角度、およびカメラの取り付け位置と角度を用いて、三角測距法により演算して、被測定物の計測を行う光切断法がある。

この光切断法による非接触計測装置は、移動している被測定物上の光切断画像を、カメラで撮像して、撮像した画像から被測定物の高さを算出するために、撮像タイミングと同期した被測定物の位置情報が必要である。同期を行う方法は、例えば、カメラの位置データとカメラの垂直同期信号に基づいて、光切断画像の撮像と撮像した位置の取り込みを行う（例えば、特許文献１参照）。

特開平７―８３６２９号公報

特許文献１の非接触計測装置では、カメラの垂直同期信号に基づいて光切断画像の撮像と、撮像した位置を取得しているため、カメラの同期信号が必要であり、また、同期信号を用いて撮像の制御を行う必要があり、さらに、カメラの位置情報を取得する制御回路が必要であるという課題があった。

また、非接触計測装置のコスト低減のため、市販の安価なＷｅｂカメラ等を使用した場合、これらのカメラには信号入力および信号出力用のインタフェースもなく、撮影条件はそのカメラの仕様や個別性能に依存する。このため、非接触計測装置にこれらのカメラを使用した場合、カメラの仕様に合わせた制御回路が必要になり、このため撮像タイミングが制約されるので自由度低く、コストの低減が行えないという課題があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであって、同期信号等の出力インタフェースを有しないカメラを使用し、撮像と被測定物またはカメラの位置情報を、制御回路を使用せずに同期して撮像を行う低コストな非接触計測装置および非接触計測方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明にかかる非接触計測装置は、被測定物の表面を含む領域に光を照射する投光部と、前記投光部が照射された光による反射光を含む画像を撮像する撮像部と、前記撮像部が撮像した画像を取り込む画像データ取り込み部と、前記画像取り込み部が取り込んだ画像データを順次記憶する画像記憶部と、前記画像記憶部から撮像タイミングの異なる２つの画像データを読み出し、読み出した２つの画像データの相関値を算出し、算出した相関値に基づき、前記被測定物または前記投光部が停止状態か否かを判定する停止判定部と、前記停止判定部が停止状態であると判定した後、予め定められた停止期間内に前記撮像部が撮像した画像データを用いて前記被測定物の高さを算出する高さ算出部と、
を備えることを特徴としている。

また、本発明にかかる非接触計測装置は、前記停止判定部は、前記投光部が照射した光の反射パターンを含む撮像タイミングの異なる２つの画像データの相関値を算出し、算出した相関値に基づき、前記被測定物または前記投光部が停止状態か否かを判定することを特徴としている。

さらにまた、本発明にかかる非接触計測装置は、前記高さ算出部は、前記停止判定部が停止状態であると判定した後、予め定められた停止期間内に前記撮像部が撮像した画像データを前記画像データ記憶部から読み出し、読み出した画像データの輝度データに基づき前記画像データの輝度重心位置を算出し、算出した輝度重心位置に基づいて前記被測定物の高さを算出することを特徴としている。

さらにまた、本発明にかかる非接触計測装置は、前記撮像部は、計測を行う範囲全体の画像と、前記停止判定部が停止判定を行う範囲の画像とを交互に撮像することを特徴としている。

さらにまた、本発明にかかる非接触計測方法は、投光部が、被測定物の表面に光を照射する投光工程と、撮像部が、前記投光工程が照射された光による反射光を含む画像を撮像する撮像工程と、画像データ取り込み部が、前記撮像工程が撮像した画像を取り込む画像データ取り込み工程と、画像記憶部が、前記画像取り込み工程が取り込んだ画像データを順次記憶する画像記憶工程と、停止判定部が、前記画像記憶部から撮像タイミングの異なる２つの画像データを読み出し、読み出した２つの画像データの相関値を算出し、算出した相関値に基づき、前記被測定物または前記投光部が停止状態か否かを判定する停止判定工程と、高さ算出部が、前記停止判定工程が停止状態であると判定した後、予め定められた停止期間内に前記撮像工程が撮像した画像データを用いて前記被測定物の高さを算出する高さ算出工程とを備えることを特徴としている。

本発明によれば、撮像部が撮像した画像データを取り込み、取り込んだ画像データの相関値を算出して被測定物が停止していることを検出するようにした。また、停止状態であると判定した時の画像データから被測定物の高さを求めるようにした。このため、同期信号を出力しない安価なカメラを使用しても、正確に停止状態を検出して、停止状態で精度良く、かつ低コストで、被測定物の高さを検出することが可能な非接触計測装置および非接触計測方法を提供することが可能になる。

本発明の実施形態に係る非接触計測装置のシステム全体の構成の一例を示す概略図である。同実施形態に係る非接触計測装置の構成の一例を示すブロック図である。同実施形態に係るスペックル検出物体を撮像した画像の一例を示す図である。同実施形態に係る停止判定画像データの相関値を算出する手順を説明する図である。同実施形態に係るアクチュエーターの動作を説明する図である。同実施形態に係るクチュエーターの動作と、画像データを取り込むタイミングを説明する図である。同実施形態に係る非接触計測装置の計測手順のフローチャートの一例である。同実施形態に係る画像データ記憶部が記憶する画像データの構成の一例を示す図である。同実施形態に係る非接触計測装置のシステム全体の他の構成の例を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜９を用いて説明する。なお、本発明は係る実施形態の構成に限定されず、本発明の技術思想の範囲内で種々の変更が可能である。

図１は、本実施形態における非接触計測装置のシステム全体の構成の一例を示す概略図である。非接触計測装置は、アクチュエーター１０、ステージ１１、レーザー１２、カメラ１３、信号処理・制御ユニット２０、画像表示装置３０から構成されている。

被測定物１は、本発明の非接触計測装置で計測される被測定物の例である。

スペックル検出物体２は、カメラ１３が撮像した時に、被測定物１と反射率が同等であり、さらに被測定物１を移動したことが、撮像した画像から検出できるレベルの表面の粗さを備えている。すなわち、ステージ１１上に被測定物１とスペックル検出物体２を載せて移動した場合、このスペックル検出物体２の移動前後の光切断画像である反射パターンが異なる程度の表面の粗さを備えている。また、カメラ１３の撮影において、被測定物１とスペックル検出物体２は同一の撮像条件（露出等）で撮像するため、それぞれの反射率が大きく異なると、反射パターンの違いを抽出しにくくなる。このため、スペックル検出物体２の反射率は被測定物１と同等が望ましい。なお、反射パターンとは、図３の輝度による図形２１１のように、被測定物１またはスペックル検出物体２に光を照射し、その反射光をカメラ１３で撮像した画像において、反射により得られた輝度差によるものである。

アクチュエーター１０は、信号処理・制御ユニット２０が制御し、アクチュエーター１０の上に設置されているステージ１１を一定速度で移動する。

ステージ１１は、アクチュエーター１０の上に設置され、アクチュエーター１０が一定速度で移動を行う。また、ステージ１１の上には、被測定物１とスペックル検出物体２が置かれる。

レーザー１２は、スリット状のコヒーレントなレーザー光を発生させ、このスリット状のレーザー光を被測定物１の表面に照射する。また、レーザー１２は、信号処理・制御ユニット２０によりレーザー照射のオンとオフ、被測定物１への照射角度、被測定物１との距離が制御される。

カメラ１３は、例えば受光レンズとＣＣＤカメラ等で構成され、信号処理・制御ユニット２０からの撮影タイミング制御により、被測定物１およびスペックル検出物体２、あるいは、被測定物１またはスペックル検出物体２の表面の光切断画像を撮影して、信号処理・制御ユニット２０に画像データとして送信する。また、カメラ１３は、信号処理・制御ユニット２０により、被測定物１との撮影角度、被測定物１に対する焦点調整、被測定物１との距離、シャッタースピード等が制御される。

光切断画像１４は、レーザー１２から被測定物１にスリット状のレーザー光が照射された時の、レーザー光により形成される光切断像である。

信号処理・制御ユニット２０は、アクチュエーター１０、レーザー１２、カメラ１３の制御を行う。また、信号処理・制御ユニット２０は、カメラ１３が出力する画像データを取り込む。また、信号処理・制御ユニット２０は、取り込んだ画像データを用いて、停止判定、位置検出を行い、計測結果の画像を画像表示装置３０に出力する。

画像表示装置３０は、信号処理・制御ユニット２０が出力する計測結果の画像データを受け取り表示する。

次に、信号処理・制御ユニット２０の内部構成の例を、図２の本実施形態における非接触計測装置の構成の一例を示すブロック図を用いて説明する。信号処理・制御ユニット２０は、制御部１０１と、画像データ取り込み部１０２と、グレースケール変換部１０３と、画像データ記憶部１０４と、相関比較部１０５と、停止判定部１０６と、輝度抽出部１０７と、重心算出部１０８と、高さ算出部１０９と、計測結果出力部１１０とから構成されている。

制御部１０１は、アクチュエーター１０を制御して、ステージ１１を一定速度で移動させる。また、制御部１０１は、レーザー１２に対して、レーザー照射のオンとオフ、被測定物１へのレーザー光の照射角度、被測定物１とレーザー１２との距離の制御を行う。また、制御部１０１は、カメラ１３に対して被測定物１との撮影角度、被測定物１に対する焦点調整、被測定物１との距離、露出等の撮像条件の初期設定時の制御のみを行う。このため、制御部１０１は、従来の非接触計測装置とは異なり、カメラ１３の同期信号は検出せず、同期制御を行なわない。

画像データ取り込み部１０２は、一定間隔Ｔの取り込みタイミングで、カメラ１３が撮像した光切断画像の画像データを受信し、受信した画像データを取り込む。また、画像取り込み部１０２は、一回の取り込みタイミングで、被測定物１の全体を撮像する計測画像データと、スペックル計測物体２の光切断画像のみを撮像する停止判定画像データとを取り込む。これらの画像データの切り替えは、例えばカメラ１３が撮像時に使用する画素数を制御部１０１が指示するか、あるいは画像データ取り込み部１０２が停止判定用の画像データの取り込み時に、スペックル検出物体２が存在する領域のみを取り込むようにする。この場合、スペックル検出物体２をステージ１１上に設置する位置は予め定めてある。図３は、スペックル検出物体２を撮像した画像の一例を示す図である。また、画像取り込み部１０２は、取り込んだ画像データをグレースケール変換部１０３に出力する。また、画像取り込み間隔は、一定間隔でなくとも、任意であっても良い。また、停止判定画像データとは、レーザー１２がスペックル計測物体２に照射した光の反射パターンによる画像データである。

グレースケール変換部１０３は、画像取り込み部１０２が出力した画像データを取り込む。また、グレースケール変換部１０３は、取り込んだ画像データがカラー画像かグレースケール画像かを映像信号から判定し、カラー画像と判定した場合、取り込んだ画像データをグレースケールに変換し、変換したグレースケール画像データを画像データ記憶部１０４に書き込んで記憶させる。また、グレースケール変換部１０３は、グレースケール画像と判定した場合、画像データの変換は行わず、画像データを画像データ記憶部１０４に書き込んで記憶させる。また、グレースケール変換部１０３は、画像データ取り込み部１０２が一定間隔Ｔの取り込みタイミングで取り込んだ画像データを、グレースケール変換部１０３が取り込んだ順に画像データ記憶部１０４に書き込んで記憶させる。また、グレースケール変換部１０３は、グレースケール画像データ、またはグレースケールに変換した画像データを相関比較部１０５に出力する。

画像データ記憶部１０４は、グレースケール変換部１０３が、順次書き込んだ複数のグレースケール画像データを備えている。図８は、画像データ記憶部１０４が記憶する画像データの構成の一例を示す図である。図８のように、画像データ記憶部１０４が記憶するデータの構成は、グレースケール変換部１０３が書き込んだ順に、計測画像データと停止判定画像データを交互に備えている。

相関比較部１０５は、画像データ記憶部１０４が記憶しているグレースケール画像データの内、連続する撮像タイミングの停止判定画像データを２つ読み出す。また、相関比較部１０５は、取り込んだ２つの撮像タイミングの画像データの相関値Ｃを算出する。算出手順の例を、図４を用いて説明する。図４は、停止判定画像データの相関値を算出する手順を説明する図である。図４（ａ）と図４（ｂ）は、異なるタイミングで取り込んだ停止判定画像データの例である。図４（ａ）と図４（ｂ）において、予め定めた大きさ、例えば３×８画素のウィンドウ３１１を図（ｃ）のように移動し、２つの画像データの相関値Ｃを次式（１）、または次式（２）を用いて算出する。

式（１）〜式（２）において、ｘ，ｙはウィンドウ内の各画素のｘ，ｙ座標であり、Ｉ_１は画像データ３０１の各画素の輝度値であり、Ｉ_２は画像データ３２１の各画素の輝度値である。また、式（１）においては、相関値Ｃが０に近いほど、すなわち小さいほど画像データ３０１と画像データ３２１の相関度が高く、式（２）においては、相関値Ｃが大きいほど画像データ３０１と画像データ３２１の相関度が高いことを意味している。相関比較部１０５は、算出した相関値Ｃを停止判定部１０６に出力する。

停止判定部１０６は、相関比較部１０５が出力した相関値を取り込む。次に、停止判定部１０６は、取り込んだ相関値に基づき、スペックル検出物体２が停止しているか否かを判定する。式（１）を使用して相関値を算出した場合、停止判定部１０６は、相関値Ｃが予め定めた閾値未満であれば停止していると判定し、閾値以上であれば停止していないと判定する。式（２）を使用して相関値を算出した場合、停止判定部１０６は、相関値Ｃが予め定めた閾値以上であれば停止していると判定し、閾値未満であれば停止していないと判定する。この各閾値は、例えば、実測により計測者が事前に設定する。また、停止判定部１０６は、停止していると判定した後、停止状態の情報を輝度抽出部１０７に出力する。また、停止判定部１０６は、停止状態ではない判定した場合、停止状態の情報を輝度抽出部１０７に出力しない。

輝度抽出部１０７は、停止判定部１０６が出力する停止状態の情報を取り込む。また、輝度抽出部１０７は、停止状態の情報を取り込んだ後、画像データ記憶部１０４から計測画像データを１つ読み出す。読み出す計測画像データは、停止判定部１０６が停止していると判定した停止判定画像データと一緒に取り込まれた画像データである。また、輝度抽出部１０７は、画像データ記憶部１０４から読み出した画像データの各画素の輝度値を抽出する。また、輝度抽出部１０７は、抽出した輝度値を重心算出部１０８に出力する。

重心算出部１０８は、輝度抽出部１０７が出力した輝度値を取り込む。また、重心算出部１０８は、取り込んだ輝度値を用いて、画像座標ｙを変更しながら次式（３）で画像データの輝度の重心位置を算出する。

輝度の重心位置ｘ=Σ（ｘ_ｉ×Ｉ_ｉ）／ΣＩ_ｉ・・・（３）

式（３）において、Ｉ_ｉは画像座標（ｘ_ｉ、ｙ）での輝度であり、ｘ_ｉは図４に示すウィンドウの幅内の画像座標ｘである。すなわち、図４（ｃ）のように、まずｙ方向をｙ_ｎに固定して、重心を算出するためのウィンドウ３１１をｘ方向にｘ_１〜ｘ_ｎまで移動し、次に、ウィンドウ３１１をｙ_ｎ−１に移動し、同様にウィンドウ３１１をｘ方向にｘ_１〜ｘ_ｎまで移動する。このように、画像データ３０１内でウィンドウを移動し、式（３）を用いて輝度の重心位置を算出する。また、重心算出部１０８は、算出した画像データの重心位置を高さ算出部１０９に出力する。

高さ算出部１０９は、重心算出部１０８が算出した画像データの輝度の重心位置を取り込む。また、高さ算出部１０９は、取り込んだ重心位置の被測定物１の高さｈに相当するピクセル数Ｐを、計測画像データから抽出する。また、高さ算出部１０９は、算出した被測定物１の高さｈに相当するピクセル数Ｐを用いて、この重心位置での被測定物１の高さｈを、既知の手法で算出、例えば特開２００７−７１７５６号公報で開示されている手法を用いて算出する。具体的には、予め高さｈ_０が既知の校正用の被測定物をステージ１１に置き、カメラ１３が校正用の被測定物を撮像する。次に、画像データ取り込み部１０２がこの撮像した画像を取り込み、校正用の被測定物上における光切断像の段差を画像データ上のピクセル数Ｐ_０を用いて。高さ校正値α＝ｈ_０／Ｐ_０を算出する。次に、高さが未知の被測定物１を撮像し、画像データ取り込み部１０２が画像データを取り込む。次に、取り込んだ画像データにおける被測定物１の高さｈを、高さ校正値αを用いて次式（４）で算出する。

ｈ＝α×Ｐ・・・（４）

また、高さ算出部１０９は、算出した被測定物１の高さを計測結果出力部１１０に出力する。

計測結果出力部１１０は、高さ算出部１０９が出力した計測結果データを取り込み、取り込んだ計測結果データを画像表示装置３０に出力する。

次に、本実施形態において、ステージ１１の動作と、画像データを取り込むタイミングを図１、図５、および、図６を用いて説明する。図５は、アクチュエーター１０の動作を説明する図である。図６は、アクチュエーター１０の動作と、画像データを取り込むタイミングを説明する図である。

図５（ａ）はアクチュエーター１０の移動距離を説明する図であり、図５（ｂ）はアクチュエーター１０の動作を説明する図である。図６（ａ）はアクチュエーター１０の動作を説明する図であり、図５（ａ）、図５（ｂ）、および、図６（ｂ）は画像データ取り込み部１０２が画像データを取り込むタイミングを説明する図である。図６（ａ）のように、アクチュエーター１０は、時刻ｔ_１から時刻ｔ２の間において加速を行い、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３の間において定速に保ち、時刻ｔ_３から時刻ｔ_４の間において減速を行い、時刻ｔ_４から時刻ｔ_６の間において停止する。このアクチュエーター１０の動作により、ステージ１１上の被測定物１とスペックル検出物体２は、移動と停止を繰り返す。移動間隔の距離は、例えば３０μｍである。また、停止する期間は、停止判定および計測を行うための画像データを撮像して取り込むのに必要な時間より多く設定し、図６（ａ）のように２回以上の撮像を行う３００［ｍｓｅｃ］である。すなわち、図５（ａ）のように（ｉ）〜（ｉｉ）の間、（ｉｉｉ）〜（ｉｖ）の間が停止状態である。

図６（ｂ）のように、画像データ取り込み部１０２は、等間隔、例えば１００［ｍｓｅｃ］ごとに画像データを取り込む。この場合、カメラ１３は画像データを連続して画像データ取り込み部１０２に出力し、画像データ取り込み部１０２が等間隔で画像データを取り込む。また、画像データ取り込み部１０２は、同一の撮像タイミングで計測画用の画像データ（以後、計測画像データという）と、停止判定用の画像データ（以後、停止判定画像データという）を交互に取り込む。すなわち、図６（ａ）と図６（ｂ）において、計測時刻ｔ_１とｔ_２の間の時刻ｎ_１で、画像データ取り込み部１０２は計測画像データと停止判定画像データを取り込む。また、計測画像データとは、画像データに被測定物１全体を含むものであり、停止判定画像データとは、スペックル検出物体２の光切断画像を含むものである。また、計測画像データは、被測定物１のみではなく、スペックル検出物体２を含んでいても良い。これらの画像データの切り替えは、例えばカメラ１３が撮像時に使用する画素数を制御部１０１が指示するか、あるいは画像データ取り込み部１０２が停止判定用の画像データの取り込み時に、スペックル検出物体２が存在する領域のみを取り込むようにする。この場合、スペックル検出物体２をステージ１１上に設置する位置は予め定めてある。

次に、本実施形態において、非接触計測装置の計測手順を、図１、図６、および図７のフローチャート、図８を用いて説明する。図７は、非接触計測装置の計測手順のフローチャートの一例である。まず、信号処理・制御ユニット２０の制御部１０１は、被測定物１とレーザー１２との距離と、被測定物１へのレーザー光の照射角度を調整する。次に、高さが既知の被測定物を用いた校正を行う。校正手順は既知の手順と同じため、説明は省略する。

次に、計測者は、高さが既知の被測定物をステージ１１から退かし、被測定物１とスペックル検出物体２をステージ１１上に設置する。設置後、制御部１０１は、アクチュエーター１０の移動を開始する。移動開始後、画像データ取り込み部１０２とグレースケール変換部１０３は、ステップＳ２〜ステップＳ５の処理を各２回行う（ステップＳ１、ステップＳ６）。

画像データ取り込み部１０２は、計測画像データ１を取り込む（ステップＳ２）。続けて、画像データ取り込み部１０２は、停止判定画像データ１を取り込む（ステップＳ３）。また、画像データ取り込み部１０２は、取り込んだ計測画像データ１と停止判定画像データ１をグレースケール変換部１０３に出力する。

次に、グレースケール変換部１０３は、画像取り込み部１０２が出力した計測画像データ１と停止判定画像データ１を取り込み、取り込んだ計測画像データ１と停止判定画像データ１が、それぞれカラー画像かグレースケール画像かを判定する。判定の結果、取り込んだ画像データがカラー画像と判定した場合、グレースケール変換部１０３は、取り込んだ画像データを一般的な手法でグレースケール画像データに変換する。また、判定の結果、取り込んだ画像データがグレースケール画像と判定した場合、グレースケール変換部１０３は、取り込んだ画像データの変換は行わない（ステップＳ４）。

次にグレースケール変換部１０３は、計測画像データ１と停止判定画像データ１とのグレースケール画像を画像データ記憶部１０４に書いて記憶させる（ステップＳ５）。

次に、ステップＳ２〜ステップＳ５が１回終了のためステップＳ１に戻り、ステップＳ２〜ステップＳ５の処理を行い、グレースケール変換部１０３は、計測画像データ２と停止判定画像データ２とのグレースケール画像を画像データ記憶部１０４に書いて記憶させる（ステップＳ５）。また、ステップＳ２〜ステップＳ５が２回終了のためステップＳ７に進む。

２つの停止判定画像データ１と２が画像データ記憶部１０４に記憶された後、相関比較部１０５は、画像データ記憶部１０４から２つの停止判定画像データを読み出す（ステップＳ７）。

２つの停止判定画像データを読み出した後、相関比較部１０５は、読み出した２つの停止判定画像データの相関値を次式（１）、または次式（２）を用いて算出する（ステップＳ８）。

また、相関比較部１０５は、算出した相関値を停止判定部１０６に出力する。

停止判定部１０６は、相関比較部１０５が出力する相関値を取り込む。次に、停止判定部１０６は、取り込んだ相関値に基づき、スペックル検出物体２が停止しているか否かを判定する（ステップＳ９）。式（１）を使用して相関値を算出した場合、停止判定部１０６は、相関値Ｃが予め定めた閾値未満であれば停止していると判定し（ステップＳ９；Ｙｅｓ）、閾値以上であれば停止していないと判定する（ステップＳ９；Ｎｏ）。式（２）を使用して相関値を算出した場合、停止判定部１０６は、相関値Ｃが予め定めた閾値以上であれば停止していると判定し（ステップＳ９；Ｙｅｓ）、閾値未満であれば停止していないと判定する（ステップＳ９；Ｎｏ）。この各閾値は、例えば、実測により計測者が事前に設定する。また、停止判定部１０６は、停止していると判定した後、停止している情報を輝度抽出部１０７に出力する。

停止状態か否かの具体的な例を、図６を用いて説明する。計測時刻ｔ_３と時刻ｔ_４の間の時刻ｎ_ｔにおいて、画像データ取り込み部１０２が計測画像データｎ_ｔと停止画像データｎ_ｔを取り込む。次に、計測時刻ｔ_４と時刻ｔ_５の間の時刻ｎ_ｔ＋１において、画像データ取り込み部１０２が計測画像データｎ_ｔ＋１と停止画像データｎ_ｔ＋１を取り込む。続けて、相関比較部１０５は、画像データ記憶部１０４から停止画像データｎ_ｔと停止画像データｎ_ｔ＋１を読み込み、読み込んだ２つの停止画像データの相関値を算出する。この場合、停止画像データｎ_ｔは時刻ｎ_ｔの減速中に取り込こみ、停止画像データｎ_ｔ＋１は時刻ｎ_ｔ＋１の停止中に取り込こんでいるので、画像データの相関度は低い。このため、停止判定部１０６は停止状態ではないと判定する。
時刻ｎ_ｔ＋１に続けて、計測時刻ｔ_５と時刻ｔ_６の間の時刻ｎ_ｔ＋２において、画像データ取り込み部１０２が計測画像データｎ_ｔ＋２と停止画像データｎ_ｔ＋２を取り込む。続けて、相関比較部１０５は、画像データ記憶部１０４から停止画像データｎ_ｔ＋１と停止画像データｎ_ｔ＋２を読み込み、読み込んだ２つの停止画像データの相関値を算出する。この場合、停止画像データｎ_ｔ＋１は時刻ｎ_ｔ＋１の停止中に取り込こみ、停止画像データｎ_ｔ＋２は時刻ｎ_ｔ＋２の停止中に取り込こんでいるので、画像データの相関度は高い。このため、停止判定部１０６は停止状態である判定する。

輝度抽出部１０７は、停止判定部１０６が出力する停止している情報を取り込んだ後、画像データ記憶部１０４から計測画像データを１つ読み出す（ステップＳ１０）。読み出す計測画像データは、停止判定部１０６が停止していると判定した停止判定画像データと一緒に取り込まれた画像データである。

計測画像データを読み出した後、輝度抽出部１０７は、計測画像データの各画素の輝度を抽出する（ステップＳ１１）。また、輝度抽出部１０７は、抽出した輝度値を重心算出部１０８に出力する。

重心算出部１０８は、輝度抽出部１０７が出力する計測画像データの輝度値を取り込む。また、重心算出部１０８は、取り込んだ輝度値を用いて、計測画像データの輝度の重心位置を、画像座標ｙを変更しながら次式（３）で算出する（ステップＳ１２）。

輝度の重心位置ｘ=Σ（ｘ_ｉ×Ｉ_ｉ）／ΣＩ_ｉ・・・（３）

また、重心算出部１０８は、算出した重心位置を高さ算出部１０９に出力する。

高さ算出部１０９は、重心算出部１０８が出力する重心位置を取り込む。また、高さ算出部１０９は、取り込んだ重心位置の被測定物１の高さｈに相当するピクセル数Ｐを、計測画像データから抽出する。また、高さ算出部１０９は、抽出した被測定物１の高さに相当するピクセル数Ｐと、予め計測して求めた校正値αを用いて、次式（４）で被測定物１の高さｈを算出する（ステップＳ１３）。

ｈ＝α×Ｐ・・・（４）

次に、高さ算出部１０９は、被測定物１の計測が終了したか否かを判定する（ステップＳ１４）。計測が終了していないと判定した場合（ステップＳ１４；Ｎｏ）、ステップＳ１〜ステップＳ１４を繰り返す。計測が終了したと判定した場合（ステップＳ１４；Ｙｅｓ）、高さ算出部１０９は、計測した被測定物１の全ての高さ情報を計測結果出力部１１０に出力する（ステップＳ１５）。

計測結果出力部１１０は、高さ算出部１０９が出力する被測定物１の全ての高さ情報を取り込む。また、計測結果出力部１１０は、取り込んだ被測定物１の全ての高さ情報を画像表示装置３０に出力する。また、画像表示装置３０は、計測結果出力部１１０が出力する被測定物１の全ての高さ情報を取り込み、取り込んだ被測定物１の全ての高さ情報を表示する。
以上で、被測定物１の計測を終了する。

以上のように、カメラ１３からの同期信号を使用せずに、画像データを一定間隔で取り込み、取り込んだ画像データの相関値を算出して被測定物１が停止していることを検出するようにした。また、停止状態であると判定した時の画像データから被測定物１の輝度情報を算出して、算出した輝度情報を用いて画像データの輝度の重心位置を算出する。また、画像データから、算出した重心位置の被測定物１の高さに相当するピクセル値を抽出し、抽出したピクセル値に基づき、被測定物の高さを求めるようにしたので、Ｗｅｂカメラ等の同期信号を出力しないカメラを使用して、正確に停止状態を検出して、停止状態で精度良く、かつ低コストで、被測定物１の高さを検出することが可能である。また、撮像するタイミングは、非接触計測装置が任意に設定することができるので、計測間隔を自由に設定できる自由度が高い非接触計測装置を実現することが可能である。

なお、本実施形態では、アクチュエーター１０が被測定物１とスペックル検出物体２を乗せたステージ１１を移動し、レーザー１２とカメラ１３は移動せず固定して計測する例を説明したが、図９のように被測定物１とスペックル検出物体２を乗せたステージ１１を固定し、アクチュエーター４００が、レーザー１２とカメラ１３の乗せた設置台４０１を移動しても良い。図９は、非接触計測装置のシステム全体の他の構成の一例を示す概略図である。この場合においても、本実施形態と同様に、レーザー１２とカメラ１３の乗せた設置台４０１を一定間隔で移動する。また、本実施形態と同様に取得した画像データの相関に基づきレーザー１２とカメラ１３の乗せた設置台４０１が静止しているか否かを判定して、静止していると判定した場合、被測定物１の高さを計測することも可能である。

また、本実施形態では、レーザー１２からスリット光を照射する例を説明したが、スポット光や十字のような形状を生成して照射しても良い。この場合においても、本実施形態と同様に、取得した画像データの相関に基づき、被測定物１またはスペックル計測物体２が静止しているか否かを判定して、静止していると判定した場合、被測定物１の高さを計測することも可能である。

また、本実施形態では、スペックル検出物体２を別途用意し、被測定物１とステージ１１上に並置する例を説明したが、例えば、ステージ１１の表面にスペックル検出物体２と同等の荒さを形成しても良く、またステージ１１上全体にスペックル検出物体２を置き、その上に被測定物１を配置するようにしても良い。

また、本実施形態では、画像データ取り込み部１０２が、同じ撮像タイミングで計測画像データと停止判定画像データを取り込む例を説明したが、取り込みタイミングは同一でなく計測画像データと停止判定画像データを交互に取り込んでも良い。この場合、停止状態と判定された後、予め定められている停止状態の期間に取り込んだ計測画像データを用いて被測定物１の高さを検出するようにしても良い。

なお、実施形態の図２の機能の全て、もしくは一部を、非接触計測装置の図示しないＣＰＵ（中央演算装置）に接続されたＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）もしくはＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）Ｉ／Ｆを介して接続されるＵＳＢメモリー等の記憶装置に保存されているプログラムにより実行することも可能である。

１・・・被測定物
２・・・スペックル検出物体
１０・・・アクチュエーター
１１・・・ステージ
１２・・・レーザー
１３・・・カメラ
２０・・・信号処理・制御ユニット
３０・・・画像表示装置
１０１・・・制御部
１０２・・・画像データ取り込み部
１０３・・・グレースケール変換部
１０４・・・画像データ記憶部
１０５・・・相関比較部
１０６・・・停止判定部
１０７・・・輝度抽出部
１０８・・・重心算出部
１０９・・・高さ算出部
１１０・・・計測結果出力部

Claims

被測定物の表面を含む領域に光を照射する投光部と、
前記投光部が照射された光による反射光を含む画像を撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した画像を取り込む画像データ取り込み部と、
前記画像取り込み部が取り込んだ画像データを順次記憶する画像記憶部と、
前記画像記憶部から撮像タイミングの異なる２つの画像データを読み出し、読み出した２つの画像データの相関値を算出し、算出した相関値に基づき、前記被測定物または前記投光部が停止状態か否かを判定する停止判定部と、
前記停止判定部が停止状態であると判定した後、予め定められた停止期間内に前記撮像部が撮像した画像データを用いて前記被測定物の高さを算出する高さ算出部と、
を備えることを特徴とする非接触計測装置。
前記停止判定部は、
前記投光部が照射した光の反射パターンを含む撮像タイミングの異なる２つの画像データの相関値を算出し、算出した相関値に基づき、前記被測定物または前記投光部が停止状態か否かを判定する
ことを特徴とする請求項１に記載の非接触計測装置。
前記高さ算出部は、
前記停止判定部が停止状態であると判定した後、予め定められた停止期間内に前記撮像部が撮像した画像データを前記画像データ記憶部から読み出し、読み出した画像データの輝度データに基づき前記画像データの輝度重心位置を算出し、算出した輝度重心位置に基づいて前記被測定物の高さを算出する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の非接触計測装置。
前記撮像部は、
計測を行う範囲全体の画像と、前記停止判定部が停止判定を行う範囲の画像とを交互に撮像する
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触計測装置。
投光部が、被測定物の表面に光を照射する投光工程と、
撮像部が、前記投光工程が照射された光による反射光を含む画像を撮像する撮像工程と、
画像データ取り込み部が、前記撮像工程が撮像した画像を取り込む画像データ取り込み工程と、
画像記憶部が、前記画像取り込み工程が取り込んだ画像データを順次記憶する画像記憶工程と、
停止判定部が、前記画像記憶部から撮像タイミングの異なる２つの画像データを読み出し、読み出した２つの画像データの相関値を算出し、算出した相関値に基づき、前記被測定物または前記投光部が停止状態か否かを判定する停止判定工程と、
高さ算出部が、前記停止判定工程が停止状態であると判定した後、予め定められた停止期間内に前記撮像工程が撮像した画像データを用いて前記被測定物の高さを算出する高さ算出工程と、
を備えることを特徴とする非接触計測方法。