JP2011191253A

JP2011191253A - レーザ形状認識センサ及び計測装置

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Publication number: JP2011191253A
Application number: JP2010059353A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Kodama; 浩尊小玉; Naohisa Yamaguchi; 直久山口
Original assignee: SANPA KOGYO KK
Current assignee: SANPA KOGYO KK
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】測定対象物より後方の物体での反射光をカメラが受像しないようにする。
【解決手段】測定対象物１に線状のレーザ光５ａを照射し、測定対象物１での反射光をカメラ４で受像することで、その形状を撮像するレーザ形状認識センサである。測定対象物１にレーザ光５ａを扇状に照射するレーザ光源５と、このレーザ光源５から照射されたレーザ光５ａの測定対象物１での反射光を、抽出したい波長のみを通過させるフィルター６を介して受像するカメラ４を有する。レーザ光源５のレーザ光５ａの照射範囲５ｂをカメラ４の素子列方向の視野４ａがカバーでき、かつ、カメラ４の高さ方向の検出範囲４ｂは測定対象物１より後方はカバーしないように、レーザ光５ａの光軸に対して角度θをつけてカメラ４を、同一の筐体７内に組み込む。
【効果】正確で安定に形状を計測することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を照射して測定対象物の形状を認識するセンサ、及びこのレーザ形状認識センサを使用した計測装置に関するものである。

画像処理にて大型の測定対象物の形状を撮像する場合、測定対象物が約７００℃以上の熱間材のような自発光体の場合は、自発光を使用してその形状を撮像することができる。

しかしながら、測定対象物が自発光体でない場合は、測定対象物に照明をあてて撮像する必要がある。例えば、図５は、測定対象物１の外周が識別できるように、測定対象物１の下方に配置した下部光源２から照明をあてて、その形状を撮像するものである（下部光源方式：非特許文献１）。また、図６は、測定対象物１の上部に配置した上部光源３から照明をあてて測定対象物１を受像し易い明るさにして、その形状を撮像するものである（上部光源方式：非特許文献２）。図５、図６中の２ａ又は３ａは下部光源２又は上部光源３の照射範囲、４はカメラ、４ａはカメラの幅方向視野を示す。

一方、レーザ光を用いて測定対象物の形状を撮像する場合は、レーザ光源から照射したレーザ光を測定対象物で反射させ、この反射光をカメラで受像することにより行う。この場合、図７に示すように、レーザ光源５から扇状に照射されたレーザ光５ａの照射範囲５ｂをカメラ４の幅方向視野４ａがカバーできるように、レーザ光源５とカメラ４の相対位置が考慮されている。

従って、指向性の高いレーザ光５ａが測定対象物１より後方の物体で反射した場合、この後方の物体で反射した反射光をカメラ４が受像するので、正確な形状を計測することができない場合があった。図７中の５ａａは測定対象物１での反射部、５ａｂは後方の物体での反射部を示す。

「熱間圧延環境に耐えるオンライン寸法・形状測定技術」川崎製鉄技報31(1999)4.201-204 「ぶりき原板の表面自動検査装置」JFE技報No.12(2006年5月)p.13-16

本発明が解決しようとする問題点は、従来は、指向性の高いレーザ光が測定対象物より後方の物体で反射した場合、この後方の物体で反射した反射光をカメラが受像するので、正確な形状を計測できない場合があったという点である。

本発明のレーザ形状認識センサは、
測定対象物より後方の物体での反射光をカメラが受像しないようにするために、
測定対象物に扇状のレーザ光を照射し、測定対象物での反射光をカメラで受像することで、その形状を撮像するレーザ形状認識センサであって、
測定対象物にレーザ光を扇状に照射するレーザ光源と、
このレーザ光源から照射されたレーザ光の測定対象物での反射光を、抽出したい波長のみを通過させるフィルターと、
このフィルターを介して前記レーザ光の測定対象物での反射光を受像すべく、前記レーザ光の照射範囲をカバーできる素子列方向の視野を有するカメラを備え、
前記カメラは、前記レーザ光源と同一の筐体内に、レーザ光の光軸に対して角度をつけて組み込んだことを最も主要な特徴としている。

本発明のレーザ形状認識センサは、レーザ光の光軸に対して角度をつけてカメラを配置しているので、カメラの高さ方向の検出範囲は、レーザ光とカメラの素子列方向の視野が重なり合う範囲だけとなる。従って、カメラの高さ方向の検出範囲が最適になるように前記角度を設定すれば、測定対象物より後方の物体での反射光をカメラが受像することが無い。

加えて、本発明のレーザ形状認識センサは、レーザ光を扇状にして測定対象物に照射するレーザ光源を筐体内に内蔵するので、自発光体の場合には、光量の変化、局部的な暗部の影響を受けず安定した撮像が可能になる。

また、自発光体でない場合も、外部照明が不要である。特に遠距離で測定範囲が大きい大型対象物を撮像する場合も、従来は大型の外部照明が必要となるが、本発明の場合、外部照明は不要である。なお、レーザ光の波長は、測定対象物の温度、色により適正な波長を選定する。またレーザ光の出力は、測定距離、範囲等により適正な出力を選定する。

本発明では、カメラの高さ方向の検出範囲が最適になるように、レーザ光の光軸に対するカメラの角度を設定すれば、測定対象物より後方の物体での反射光をカメラが受像することが無くなるので、正確な形状を計測することができる。

本発明のレーザ形状認識センサの測定原理を説明する図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明のレーザ形状認識センサの内部構造を説明する図である。本発明のレーザ形状認識センサを使用して測定対象物の幅を計測する本発明装置の説明図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。本発明のレーザ形状認識センサを使用して測定対象物の幅を計測する本発明装置のＸ’−Ｙ’面における説明図である。下部光源式の画像処理にて大型の測定対象物の形状を撮像する場合の測定イメージを示した図である。上部光源式の画像処理にて大型の測定対象物の形状を撮像する場合の測定イメージを示した図である。レーザ光を用いて測定対象物の形状を撮像する場合の測定イメージを示した図である。

本発明では、測定対象物より後方の物体での反射光をカメラが受像しないようにするという目的を、カメラの高さ方向の検出範囲が測定対象物のみカバーするように、レーザ光の光軸に対して角度をつけてカメラを配置することで実現した。

以下、本発明の実施の形態を図１〜図４を用いて説明する。
先ず、本発明のレーザ形状認識センサを図１及び図２を用いて説明する。図１は測定原理を説明する図、図２は内部構造を説明する図である。

本発明のレーザ形状認識センサは、例えばレーザ光源５、カメラ４、レンズ８、フィルター６を、同一の筐体７内に組み込んでいる（図１、図２参照）。

このように、筐体７の内部に、レーザ光源５、カメラ４、レンズ８、フィルター６を組み込むことで、レーザ光５ａによる照明効果、フィルター６によるレーザ反射光の抽出、カメラ４の高さ方向の検出範囲４ｃの限定が可能になる。なお、レーザ光源５、カメラ４、レンズ８、フィルター６を個別に設置すると、光学系の屈折等で安定した受像領域を確保することが難しくなる。

前記筐体７内への組み込みに際し、カメラ４を構成するラインセンサ素子４ａの素子列方向の視野（測定対象物の幅方向の視野）４ｂが、レーザ光源５のレーザ光５ａの照射範囲５ｂをカバーできるように（図１（ａ）参照）、例えばレーザ光源５と、図１（ａ）の紙面左右方向の略同一位置に配置している。

加えて、カメラ４とレーザ光源５を図１（ａ）の紙面前後方向に配置し、かつ、レーザ光５ａの光軸に対し角度θをつけてカメラ４を配置している（図１（ｂ）参照）。このような配置の場合、前記角度θを最適値に設定することで、測定対象物より後方はカメラ４で検出しないよう、高さ方向の検出範囲４ｃを決定することができる。

すなわち、前記角度θと、レーザ光５ａの光軸とレンズ８の焦点間の距離Ｌの関係から、カメラ４の高さ方向の検出範囲４ｃを限定することが可能となる。高さ方向の検出範囲４ｃを大きくとる場合、前記角度θを小さくすることになるが、前記角度θが小さすぎて、前記距離Ｌが小さくなり、カメラ４とレーザ光源５が干渉する時は、レーザ光源５の位置をカメラ４の横方向にシフトさせればよい。

ところで、前記フィルター６は、抽出したい波長の反射光のみを通過させるものであるが、例えば測定対象物が自発光体の場合は、赤外線領域をカメラ４のダイナミックレンジ内まで抑え込み、反射光を減衰無く通過させるものとすれば、自発光と反射光の双方で形状を認識させることが可能になる。また、カメラ４の光量を変化させる機能が必要でなく、受像レベルの急激な変化にも対応できる。

一方、測定対象物が自発光体でない場合は、レーザ波長のみを透過させるものとすれば、外来光の影響を除去し、反射光のみを受像させることが出来ることから、精度の高い計測を実現できる。

なお、図２中の９はセンサの制御処理部、１０は受光ガラス、１１は投光ガラスを示す。

上記構成の本発明のレーザ形状認識センサを使用すれば、移動中の熱間材（自発光体）の形状の計測や、移動中の自発光体でない物体の形状の計測、及び速度監視を、高精度に行うことができる。

上記構成の本発明のレーザ形状認識センサを構成するカメラ４を２台使用して測定対象物１の幅を計測する本発明装置を、図３及び図４を用いて説明する。

２台のカメラ４Ａ、４Ｂを、正面方向から見た図３（ａ）の、Ｘ軸方向に軸間距離Ｌ１を隔てて配置し、これら２台のカメラ４Ａ、４Ｂの間にレーザ光源５を設置する。これら２台のカメラ４Ａ、４Ｂは、図３（ａ）の下方に配置された測定対象物１の幅方向全域を撮像できるように配置し、レーザ光源５は、照射する扇状のレーザ光５ａで前記測定対象物１の幅方向全域を照射できるような位置に設置する。

また、前記両カメラ４Ａ、４Ｂは、高さ方向の検出範囲内に測定対象物１が位置するように、側面方向から見て（図３（ｂ））、レーザ光源５から照射されるレーザ光５ａの光軸に対してθの角度をつけて設置している。なお、説明を省略したが、前記両カメラ４Ａ、４Ｂにはレンズ８、フィルター６が設けられていることは言うまでもない。

２台のカメラ４Ａ、４Ｂとレーザ光源５を前記の配置構成とした本発明の計測装置を用いて、図３の上方から測定対象物１の幅を測定する方法について説明する。なお、測定対象物１の、図３（ａ）の紙面左側端面（以下、Ａ端面という。）の座標を計測する場合について説明するが、図３（ａ）の紙面右側端面（以下、Ｂ端面という。）の座標を計測する場合も同様に行えることは言うまでもない。

図３に示すＸ−Ｙ面上において、図３（ａ）の紙面左側のカメラ４Ａで測定対象物１の幅方向両端を撮像する際の、Ｘ軸と測定対象物１のＡ端面を撮像する線とのなす紙面右側のカメラ４Ｂ側の角度をθ1とする。

一方、図３（ａ）の紙面右側のカメラ４Ｂで測定対象物１の幅方向両端を撮像する際の、Ｘ軸と測定対象物１のＡ端面を撮像する線とのなす紙面左側のカメラ４Ａ側の角度をθ2とする。

また、図３（ｂ）、図４に示すＸ’−Ｙ’面上の、Ｘ’軸に直交するカメラ４Ａ、４Ｂ軸の交点Ｓ1、Ｓ2（図３（ａ）参照）と、測定対象物１の上面との距離をｙ1、測定対象物１のＡ端面とＹ軸間の距離をｘ1とする。

一方、図３、図４に示すＸ’−Ｙ’面上において、前記交点Ｓ1、Ｓ2と、測定対象物１の図３（ｂ）に示す上面と前記レーザ光５ａの光軸との交点間の距離をｙ1’、測定対象物１のＡ端面とＹ’軸間の距離をｘ1’とする。

前記Ｘ’−Ｙ’面上における、測定対象物１のＡ端面の座標（ｘ1’、ｙ1’）は、前記Ａ端面の検出角（θ1、θ2）と、両カメラ４Ａ、４Ｂの軸間距離Ｌ1を用いて、下記数式１で求めることができる。なお、測定対象物１の、Ｂ端面の座標（ｘ2’、ｙ2’）も同様に求めることができる。

図４のＹ'軸は、Ｚ−Ｙ座標（図３（ｂ）参照）のＹ軸と角度θを成しており、Ｘ’軸はＺ軸を交点にもち、Ｘ軸と平行に配置される。また、図３のＹ軸上のレーザ光源５から出力される扇状のレーザ光５ａの面はＸ−Ｙ面上を照射するように配置されているので、測定対象物１のＡ端面の座標（ｘ1、ｙ1）は、下記数式２により求めることができる。なお、測定対象物１のＢ端面の座標（ｘ2、ｙ2）も同様に求めることができる。

これらから、測定対象物１の幅寸法は、ｘ2−ｘ1、または、｛（ｘ2−ｘ1）²＋（ｙ2−y1）²｝^1/2で求めることができる。また、捩れ量は、ｙ1−ｙ2で求めることができる。

以上の演算は、前記角度θ、θ1、θ2、軸間距離Ｌ1を取り込んだ演算装置（図示省略）によって行われる。

本発明は上記の例に限らず、各請求項に記載された技術的思想の範疇であれば、適宜実施の形態を変更しても良いことは言うまでもない。

例えば、図２の例に加えて、レーザ光５ａの光軸に対するカメラ４の角度θを調整する機構や、レーザ光源５とレンズ８の焦点間の距離Ｌを調整する機構を設けても良い。この場合、異なる測定対象物の計測に際しても、同じ形状認識センサを使用できる。

また、図３、図４の例では、２台のカメラ４Ａ、４Ｂはレーザ光源５の両側に配置したものを示しているが、それぞれのカメラ４Ａ、４Ｂでレーザ光５ａを照射する測定対象物１の両端を撮像できるのであれば、レーザ光源５の両側に配置しなくても良い。また、カメラ４を構成する素子は複数本のライセンサ素子でも使用できる。

１測定対象物
４、４Ａ、４Ｂカメラ
４ａ素子列方向（測定対象物の幅方向）の視野
４ｂ高さ方向の検出範囲
５レーザ光源
５ａレーザ光
５ｂ照射範囲
６フィルター
７筐体
８レンズ

Claims

測定対象物に扇状のレーザ光を照射し、測定対象物での反射光をカメラで受像することで、測定対象物の形状を撮像するレーザ形状認識センサであって、
測定対象物にレーザ光を扇状に照射するレーザ光源と、
このレーザ光源から照射されたレーザ光の測定対象物での反射光を、抽出したい波長のみを通過させるフィルターと、
このフィルターを介して前記レーザ光の測定対象物での反射光を受像すべく、前記レーザ光の照射範囲をカバーできる素子列方向の視野を有するカメラを備え、
前記カメラは、前記レーザ光源と同一の筐体内に、レーザ光の光軸に対して角度をつけて組み込んだことを特徴とするレーザ形状認識センサ。
測定対象物に扇状のレーザ光を照射し、測定対象物の端面からの反射光をカメラで受像した際の角度を用いて、測定対象物の形状を計測する装置であって、
測定対象物にレーザ光を扇状に照射するレーザ光源と、
このレーザ光源から照射されたレーザ光の測定対象物での反射光を、抽出したい波長のみを通過させるフィルターと、
このフィルターを介して前記レーザ光の測定対象物の端面からの反射光を受像すべく、前記レーザ光の照射範囲をカバーできる素子列方向の視野を有し、軸間距離Ｌ1を隔てて配置された２台のカメラと、
これら２台のカメラを、前記レーザ光源と同一の筐体内に組み込んだ際の、レーザ光の光軸に対する角度θと、前記カメラで受像した際の角度θ1、θ2と、両カメラの軸間距離Ｌ1から測定対象物の端面座標を求める演算装置を備えたことを特徴とするレーザ形状計測装置。