JP2012154684A - Device for measuring three-dimensional shape and method for measuring three-dimensional shape - Google Patents

Device for measuring three-dimensional shape and method for measuring three-dimensional shape Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To accurately calculate the surface shape of a measuring object without mechanically scanning illumination light.SOLUTION: A lighting control part 31 sequentially lights light sources LE one by one. An imaging control part 32 makes an imaging part 20 acquire image data on a measuring object whenever each light source LE is lit. An image data specification part 33 specifies image data whose luminance value becomes the maximum from among all the pieces of image data acquired by the imaging part 20 for each pixel constituting the image data. An inclination calculation part 34 specifies a position of the light source LE lit when each piece of image data is acquired for each piece of image data specified by the image data specification part 33, and calculates an inclination of each measurement position of the measuring object corresponding to each pixel based on the specified position of each light source LE. A surface shape calculation part 35 calculates height of each measurement position AP based on the inclination of each measurement position AP, calculated by the inclination calculation part 34, and calculates the surface shape of a measuring object OB.

Description

本発明は、測定対象物の表面形状を測定する技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for measuring the surface shape of a measurement object.

レーザ光など直進性の高い光を光沢ある試料に照射すると、この光は試料により正反射される。そして、光の入射位置を特定できるPSD(Position Sensitive Detector)を利用すると、PSDへの正反射光の入射位置から、試料における光の入射角度が分かり、試料の傾きがわかる。したがって、レーザ光を試料に向けて走査し、反射光をPSDで検出することで、試料の角度分布を求めることができる。   When a shiny sample such as laser light is irradiated onto a glossy sample, this light is regularly reflected by the sample. If a PSD (Position Sensitive Detector) that can identify the incident position of light is used, the incident angle of light on the sample can be determined from the incident position of the regular reflection light on the PSD, and the inclination of the sample can be determined. Therefore, the angular distribution of the sample can be obtained by scanning the laser beam toward the sample and detecting the reflected light by PSD.

図9は、レーザ光源とPSDとを用いて、測定対象物OBの表面形状を求める原理を示す模式図である。図9(A)は測定対象物OBの表面SFが基準面RSに対して傾いていない場合を示し、図9(B)は測定対象物OBの表面SFが基準面RSに対して、θだけ傾いている場合を示している。   FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the principle of obtaining the surface shape of the measurement object OB using a laser light source and PSD. FIG. 9A shows a case where the surface SF of the measurement object OB is not tilted with respect to the reference plane RS, and FIG. 9B shows that the surface SF of the measurement object OB is only θ relative to the reference plane RS. It shows the case of tilting.

図9(A)に示すように、測定対象物OBが傾いていない場合、照明光L1は測定位置APで正反射し、反射光L2となってPSDに入射する。ここで、反射光L2がPSDに入射する入射点をIPとする。   As shown in FIG. 9A, when the measurement object OB is not tilted, the illumination light L1 is regularly reflected at the measurement position AP and becomes reflected light L2 and enters the PSD. Here, the incident point where the reflected light L2 enters the PSD is IP.

一方、図9(B)に示すように、測定対象物OBがθ傾くと、それに伴って、反射光L2´が反射光L2に対して2θずれる。これにより、反射光L2´の入射点IP´は入射点IPに対して2Lθずれる。   On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the measuring object OB is inclined by θ, the reflected light L2 ′ is shifted by 2θ with respect to the reflected light L2. As a result, the incident point IP ′ of the reflected light L2 ′ is shifted by 2Lθ with respect to the incident point IP.

よって、PSDの測定結果から2Lθを求め、2Lで割れば、測定対象物OBの基準面RSに対する傾きθが分かる。つまり、入射点IPに対する入射点IP´のずれが分かれば測定対象物の傾きθが分かる。   Therefore, if 2Lθ is obtained from the PSD measurement result and divided by 2L, the inclination θ of the measurement object OB with respect to the reference plane RS can be obtained. That is, if the deviation of the incident point IP ′ from the incident point IP is known, the inclination θ of the measurement object can be known.

このような原理を用いた従来技術として、特許文献1が知られている。特許文献1には、レーザ光源より射出された光を、ポリゴンスキャナを用いて検査対象物の平面にライン状に走査し、平面からの反射光をPSDにより受光し、平面の角度を算出し、平面異常を検査する装置が開示されている。この装置によれば、光学的な強度だけでは分別が難しいとされている、汚れと、高さ変化をもつ疵とを分別することが可能となる。   As a conventional technique using such a principle, Patent Document 1 is known. In Patent Document 1, light emitted from a laser light source is scanned in a line on the plane of an inspection object using a polygon scanner, reflected light from the plane is received by PSD, and the angle of the plane is calculated. An apparatus for inspecting planar anomalies is disclosed. According to this apparatus, it is possible to separate dirt and wrinkles having a height change, which are difficult to be distinguished only by optical intensity.

また、特許文献1とは原理は異なるが、検査対象物の表面形状を求める技術として、特許文献2が知られている。特許文献2には、検査対象物の表面にレーザ光を収束して照射し、反射点からの反射光をハーフミラーで2分岐し、分岐した反射光を2個のPSDで個別に受光し、各PSDからの検知信号から光線追跡を行い、反射点の位置及び角度を算出する装置が開示されている。   Further, although the principle is different from Patent Document 1, Patent Document 2 is known as a technique for obtaining the surface shape of an inspection object. In Patent Document 2, laser light is converged and irradiated on the surface of an inspection object, reflected light from a reflection point is bifurcated by a half mirror, and the branched reflected light is individually received by two PSDs. An apparatus that performs ray tracing from detection signals from each PSD and calculates the position and angle of a reflection point is disclosed.

特開2008−32669号公報JP 2008-32669 A 特開2010−85395号公報JP 2010-85395 A

しかしながら、特許文献1、2のいずれの手法も、ポリゴンミラーを用いてレーザ光が機械的に走査されている。このような機械的な走査は振動要素の原因となり、測定精度の悪化を招来し、かつ、装置の寿命を短くする。   However, in both methods of Patent Documents 1 and 2, laser light is mechanically scanned using a polygon mirror. Such mechanical scanning causes a vibration element, causes a deterioration in measurement accuracy, and shortens the life of the apparatus.

本発明の目的は、照明光を機械的に走査せずに測定対象物の表面形状を精度良く求めることができる三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a three-dimensional shape measuring apparatus and a three-dimensional shape measuring method capable of accurately obtaining the surface shape of an object to be measured without mechanically scanning illumination light.

(1)本発明による三次元形状計測装置は、測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測装置であって、複数の光源を含み、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明部と、前記複数の光源を順次に点灯させる点灯制御部と、前記測定対象物を撮像し、前記測定対象物の画像データを取得する撮像部と、各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得させる撮像制御部と、前記撮像部を構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像部により取得された全画像データ中から特定する画像データ特定部と、前記画像データ特定部により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置の位置を基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出部と、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出部とを備える。   (1) A three-dimensional shape measurement apparatus according to the present invention is a three-dimensional shape measurement apparatus that measures the surface shape of a measurement object, includes a plurality of light sources, and emits illumination light from a plurality of directions to the measurement object. An illumination unit that irradiates, a lighting control unit that sequentially turns on the plurality of light sources, an imaging unit that captures an image of the measurement object and acquires image data of the measurement object, and each light source is turned on An image capturing control unit that causes the image capturing unit to acquire image data of the measurement object, and image data that has a maximum luminance value for each pixel that constitutes the image capturing unit. For each image data specified by the image data specifying unit and the image data specifying unit specified from the inside, a light source position that is turned on when acquiring each image data is specified, and the position of each specified light source position is determined. In each picture And calculating the height of each measurement position based on the inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation unit and the inclination calculation unit calculating the inclination of each measurement position of the measurement object corresponding to A surface shape calculation unit for calculating the surface shape of the object.

この構成によれば、複数の光源を順次に点灯することで、測定対象物に対して複数方向から照明光が照射される。そして、光源が点灯される毎に、測定対象物の画像データが取得される。そして、撮像部の各画素につき輝度値が最大の画像データが特定される。   According to this configuration, the illumination light is irradiated from a plurality of directions to the measurement target by sequentially turning on the plurality of light sources. Each time the light source is turned on, image data of the measurement object is acquired. Then, image data having the maximum luminance value is specified for each pixel of the imaging unit.

ここで、各光源は固定されているため、各画像データと、各画像データを取得する際に点灯された光源位置とを紐付けることができる。また、ある画素において、輝度値を最大とする光源からの照明光は、その画素に対応する測定対象物の測定位置での正反射光の入射光を表す。そして、この正反射光は撮像部に入射されるため、輝度値を最大とする光源位置が分かれば、この光源位置と撮像部の位置との関係から、測定位置における法線が分かり、この法線から測定位置における傾きが分かる。これにより、測定対象物の表面の傾きの分布が得られ、測定対象物の表面形状を得ることができる。   Here, since each light source is fixed, each image data can be associated with a light source position that is turned on when each image data is acquired. Further, in a certain pixel, the illumination light from the light source that maximizes the luminance value represents the incident light of the specularly reflected light at the measurement position of the measurement object corresponding to the pixel. Since this specularly reflected light is incident on the imaging unit, if the light source position that maximizes the luminance value is known, the normal at the measurement position can be found from the relationship between the light source position and the position of the imaging unit. The slope at the measurement position can be seen from the line. Thereby, the distribution of the inclination of the surface of the measurement object is obtained, and the surface shape of the measurement object can be obtained.

したがって、本構成によれば、照明光の機械的な走査が不要となり、機械的な振動が発生せず、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。また、機械的な振動が発生しないため、装置の寿命を長くすることができる。   Therefore, according to this configuration, mechanical scanning of illumination light is not required, and mechanical vibration does not occur, and the surface shape of the measurement object can be measured with high accuracy. In addition, since mechanical vibration does not occur, the life of the apparatus can be extended.

(2)前記照明部は、前記測定対象物を覆う半球状のフードを備え、前記複数の光源は、前記フードの内面に配置されていることが好ましい。   (2) It is preferable that the illumination unit includes a hemispherical hood that covers the measurement object, and the plurality of light sources are disposed on an inner surface of the hood.

この構成によれば、半球状のフードの内面に光源が配置されているため、環境光等の不要な光により測定対象物が照射されることを防止することができる。また、フードの内側に光源を配置することで、複数の光源の配置が簡易となる。更に、フードが半球状であるため、各光源から測定対象物までの距離がほぼ等距離となり、輝度値を最大とする光源を正確に特定することができる。   According to this configuration, since the light source is disposed on the inner surface of the hemispherical hood, it is possible to prevent the measurement object from being irradiated with unnecessary light such as ambient light. Moreover, arrangement | positioning of a some light source becomes easy by arrange | positioning a light source inside a hood. Furthermore, since the hood is hemispherical, the distance from each light source to the object to be measured is substantially equidistant, and the light source that maximizes the luminance value can be accurately identified.

(3)前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向に向く平行傾き成分を求め、各測定位置の前記平行傾き成分から各測定位置の高さを算出することが好ましい。   (3) The measurement object is a flat object having a streak-like uneven shape, and the surface shape calculation unit is arranged in the longitudinal direction of the muscle from the inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation unit. It is preferable to obtain a parallel tilt component that faces and calculate the height of each measurement position from the parallel tilt component of each measurement position.

測定対象物として筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体を採用した場合、筋の長手方向とほぼ平行な方向に照射された照明光は測定対象物により正反射される可能性が高いが、筋の長手方向と直交する方向に照射された照明光は測定対象物により乱反射される可能性が高い。   When a flat object with streak irregularities is adopted as the measurement object, the illumination light irradiated in a direction substantially parallel to the longitudinal direction of the muscle is highly likely to be regularly reflected by the measurement object. The illumination light irradiated in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the muscle is highly likely to be irregularly reflected by the measurement object.

よって、各測定位置の傾きを筋の長手方向とほぼ平行な平行傾き成分と、筋の長手方向に直交する直交傾き成分とに分けた場合、平行傾き成分は直交傾き成分に比べて測定位置の傾きを正確に表すことができる。したがって、平行傾き成分のみを用いることで測定対象物の表面形状を精度良く算出することができる。   Therefore, when the inclination of each measurement position is divided into a parallel inclination component that is substantially parallel to the longitudinal direction of the muscle and an orthogonal inclination component that is orthogonal to the longitudinal direction of the muscle, the parallel inclination component of the measurement position is compared to the orthogonal inclination component. The inclination can be expressed accurately. Therefore, the surface shape of the measurement object can be accurately calculated by using only the parallel tilt component.

(4)前記複数の光源は、前記筋の長手方向を向く照明光が、前記筋の長手方向と直交する方向に向く照明光よりも高密度となるように配置されていることが好ましい。   (4) It is preferable that the plurality of light sources be arranged so that illumination light directed in the longitudinal direction of the muscle has a higher density than illumination light directed in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the muscle.

この構成によれば、筋の長手方向に向く照明光が密になるため、筋状の凹凸形状の物体を測定するにあたり重要となる平行傾き成分を精度良く求めることができ、各測定位置の高さを正確に求めることができる。また、直交方向に向く経線に配置される光源を疎にすることで、光源の個数を少なくすることができる。   According to this configuration, since the illumination light directed in the longitudinal direction of the streak becomes dense, it is possible to accurately obtain a parallel tilt component that is important in measuring a streak-like concavo-convex object. Can be obtained accurately. In addition, the number of light sources can be reduced by sparse light sources arranged on meridians facing in the orthogonal direction.

(5)前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向を向く平行傾き成分と、前記筋の長手方向と直交する直交方向を向く直交傾き成分とを求め、各測定位置の前記平行傾き成分及び前記直交傾き成分から各測定位置の高さを算出することが好ましい。   (5) The surface shape calculation unit includes a parallel inclination component facing the longitudinal direction of the muscle from the inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation unit, and an orthogonal inclination facing an orthogonal direction orthogonal to the longitudinal direction of the muscle. It is preferable to calculate the height of each measurement position from the parallel tilt component and the orthogonal tilt component of each measurement position.

この構成によれば、任意の形状を持つ物体を測定対象物として採用した場合において、測定対象物の表面形状を精度良く算出することができる。   According to this configuration, when an object having an arbitrary shape is adopted as the measurement object, the surface shape of the measurement object can be calculated with high accuracy.

本発明によれば、照明光を機械的な走査が不要となり、機械的な振動が発生せず、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。また、機械的な振動が発生しないため、装置の寿命を長くすることができる。   According to the present invention, the illumination light does not need to be mechanically scanned, no mechanical vibration is generated, and the surface shape of the measurement object can be accurately measured. In addition, since mechanical vibration does not occur, the life of the apparatus can be extended.

本発明の実施の形態1による三次元形状計測装置のブロック図である。1 is a block diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. Z軸方向から見た照明部の構成図である。It is a block diagram of the illumination part seen from the Z-axis direction. 図2に示す光源の配置図である。FIG. 3 is a layout diagram of light sources shown in FIG. 2. 本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の原理の説明図であり、(A)は本実施の形態による三次元形状計測装置の側面模式図であり、(B)は撮像部により撮像された画像データの模式図であり、(C)は(A)の点線で囲んだ部分の拡大図である。It is explanatory drawing of the principle of the three-dimensional shape measuring apparatus by embodiment of this invention, (A) is a side surface schematic diagram of the three-dimensional shape measuring apparatus by this embodiment, (B) is imaged by the imaging part. FIG. 6C is a schematic diagram of the image data, and FIG. 8C is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG. 表示部により表示された測定対象物の表面形状の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the surface shape of the measuring object displayed by the display part. 本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the three-dimensional shape measuring apparatus by embodiment of this invention. 本発明の実施の形態2における三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the three-dimensional shape measuring apparatus in Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態3による光源の配置図である。It is a layout view of the light source according to the third embodiment of the present invention. レーザ光源とPSDとを用いて、測定対象物の表面形状を求める原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principle which calculates | requires the surface shape of a measuring object using a laser light source and PSD.

(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1による三次元形状計測装置について図面を参照して説明する。図1は、本発明の実施の形態1による三次元形状計測装置のブロック図である。図1に示すように三次元形状計測装置は、測定対象物の表面形状を測定するものであり、照明部10、撮像部20、制御部30、表示部40、及び画像メモリ50を備えている。
(Embodiment 1)
Hereinafter, a three-dimensional shape measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of a three-dimensional shape measuring apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the three-dimensional shape measuring apparatus measures the surface shape of a measurement object, and includes an illumination unit 10, an imaging unit 20, a control unit 30, a display unit 40, and an image memory 50. .

本実施の形態では、測定対象物として筋状の凹凸形状を周期的に持つ平板状の物体を採用する。具体的には、測定対象物は、アルミや鉄等の金属を圧延することで得られた平板状の物体である。よって、筋状の凹凸形状は圧延する際に生じる圧延縞である。ここで、測定対象物は例えば一対の圧延ローラの間に金属を搬送させることによって得られる。したがって、筋は金属の搬送方向とほぼ平行な方向を長手方向とする凹凸形状を持つ。   In the present embodiment, a flat plate-like object having periodic streaky irregularities is employed as the measurement object. Specifically, the measuring object is a flat object obtained by rolling a metal such as aluminum or iron. Therefore, the line-like uneven shape is a rolling stripe generated when rolling. Here, the measurement object is obtained, for example, by transporting a metal between a pair of rolling rollers. Accordingly, the streaks have an uneven shape whose longitudinal direction is substantially parallel to the metal transport direction.

照明部10は、複数の光源を含み、測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する。図2は、Z軸方向から見た照明部10の構成図である。Z軸は、測定対象物OBが載置される基準面と直交する。また、X軸及びY軸は共に直交する。また、X,Y,Z軸の原点をフード11の頂点OCの基準面への投影点であるフード11の中心OFとする(図4(A)参照)。本実施の形態では、測定対象物は、筋の長手方向がY方向を向くように、頂点OCの真下に載置される。   The illumination unit 10 includes a plurality of light sources and irradiates the measurement target with illumination light from a plurality of directions. FIG. 2 is a configuration diagram of the illumination unit 10 viewed from the Z-axis direction. The Z axis is orthogonal to the reference plane on which the measurement object OB is placed. Further, both the X axis and the Y axis are orthogonal to each other. Further, the origin of the X, Y, and Z axes is set as the center OF of the hood 11 that is a projection point on the reference plane of the vertex OC of the hood 11 (see FIG. 4A). In the present embodiment, the measurement object is placed directly below the vertex OC so that the longitudinal direction of the muscle faces the Y direction.

照明部10は、所定長の直径を持つ半球状のフード11を備える。フード11の内面には、フード11の中心OFを中心として複数の光源LEが放射状に配置されている。   The illumination unit 10 includes a hemispherical hood 11 having a predetermined diameter. On the inner surface of the hood 11, a plurality of light sources LE are radially arranged around the center OF of the hood 11.

光源LEは、例えば発光ダイオードにより構成され、配線コードを介して制御部30と電気的に接続され、点灯制御部31の制御の下、点灯及び消灯される。本実施の形態では、光源LEの個数をN個(例えば192個)とする。   The light source LE is composed of, for example, a light emitting diode, is electrically connected to the control unit 30 via a wiring cord, and is turned on and off under the control of the lighting control unit 31. In the present embodiment, the number of light sources LE is N (for example, 192).

フード11は、頂点OCが測定対象物の中心の真上に位置し、かつ、測定対象物を覆うように配置される。もちろん、フード11の直径は測定対象物の全長よりも長い。このようにフード11の内面に光源LEを配置することで、各光源LEと測定対象物との距離をほぼ等距離とすることができる。また、フード11を設けることで、光源LEの配置が容易となる。また、フード11は半球状であるため、測定対象物が載置される基準面とで測定対象物を完全に遮光状態にすることができ、測定対象物に環境光等の光が照射されることを防止することができる。   The hood 11 is arranged such that the vertex OC is located immediately above the center of the measurement object and covers the measurement object. Of course, the diameter of the hood 11 is longer than the total length of the measurement object. Thus, by arranging the light source LE on the inner surface of the hood 11, the distance between each light source LE and the measurement object can be made substantially equal. Further, the provision of the hood 11 facilitates the arrangement of the light source LE. Further, since the hood 11 is hemispherical, the measurement object can be completely shielded from the reference surface on which the measurement object is placed, and the measurement object is irradiated with light such as ambient light. This can be prevented.

図3は、図2に示す光源LEの配置図である。フード11において、頂点OCから半径r0のほぼ円形の領域内には光源LEは配置されていない。これは、この円形の領域内に撮像部20が取り付けられるからである。なお、測定対象物の真上から照明光を照射してもこの照明光は測定対象物により正反射される可能性は低いため、この円形の領域内に光源LEを配置しなくても問題はない。これにより、フード11の全域に光源LEを配置する場合に比べて光源LEの個数を少なくすることができる。   FIG. 3 is a layout diagram of the light source LE shown in FIG. In the hood 11, the light source LE is not arranged in a substantially circular area having a radius r0 from the vertex OC. This is because the imaging unit 20 is attached in this circular area. Even if the illumination light is irradiated from directly above the measurement object, it is unlikely that the illumination light will be regularly reflected by the measurement object. Therefore, there is no problem even if the light source LE is not arranged in the circular area. Absent. Thereby, the number of the light sources LE can be reduced as compared with the case where the light sources LE are arranged in the entire area of the hood 11.

フード11の内面には頂点OCを中心として複数の経線Ltが設定されており、光源LEはこの経線Lt上に配置されている。図3の例では経線Ltは頂点OCを中心として15度間隔で設定されている。よって、光源LEは方位角φが15度間隔で配置されている。   A plurality of meridian Lt is set on the inner surface of the hood 11 around the vertex OC, and the light source LE is disposed on the meridian Lt. In the example of FIG. 3, the meridian Lt is set at intervals of 15 degrees with the vertex OC as the center. Therefore, the light sources LE are arranged at azimuth angles φ of 15 degrees.

頂点OCの基準面への投影点(フード11の開口面の中心)をフード11の中心OFとすると、各経線Ltにおいて、光源LEは中心OFを中心として所定の角度間隔(図3の例では7.5度)で配置されている。なお、図3において、頂点OCから外側に向かうにつれて光源LEが密になっているのは、半球状のフード11を内側から見ているからである。   Assuming that the projection point of the vertex OC on the reference plane (the center of the opening surface of the hood 11) is the center OF of the hood 11, the light source LE is centered on the center OF at a predetermined angular interval (in the example of FIG. 7.5 degrees). In FIG. 3, the light sources LE become denser from the vertex OC toward the outside because the hemispherical hood 11 is viewed from the inside.

本実施の形態では、光源LEの光源位置は方位角φと仰角θとで規定される。方位角φは、Z軸方向から見て、光源LEが配置された経線LtとX軸とのなす角度である。仰角θは、光源LE及び中心OFを繋ぐ直線と、Z軸とがなす角度である(図4(A)参照)。   In the present embodiment, the light source position of the light source LE is defined by the azimuth angle φ and the elevation angle θ. The azimuth angle φ is an angle formed between the meridian Lt where the light source LE is arranged and the X axis when viewed from the Z-axis direction. The elevation angle θ is an angle formed by a straight line connecting the light source LE and the center OF and the Z axis (see FIG. 4A).

図1に戻り、撮像部20は、例えば、複数の画素が所定行×所定列でマトリックス状に配列されたエリアセンサを備え、測定対象物をZ方向から撮像し、測定対象物の画像データを取得する。具体的には、図4(A)に示すように、エリアセンサ21は、受光面がZ方向と直交するように筐体22の内部に配置されている。その他、撮像部20は、測定対象物の光像をエリアセンサ21に結像する光学系(図略)等を含んでいる。ここで、撮像部20は、画像データを取得する際に点灯された光源LEを特定する光源番号と画像データとを対応付けて画像メモリ50に記憶させる。   Returning to FIG. 1, the imaging unit 20 includes, for example, an area sensor in which a plurality of pixels are arranged in a matrix of predetermined rows × predetermined columns, images the measurement object from the Z direction, and obtains image data of the measurement object. get. Specifically, as shown in FIG. 4A, the area sensor 21 is arranged inside the housing 22 so that the light receiving surface is orthogonal to the Z direction. In addition, the imaging unit 20 includes an optical system (not shown) that forms an optical image of the measurement object on the area sensor 21. Here, the imaging unit 20 stores the light source number that identifies the light source LE that is turned on when acquiring the image data and the image data in the image memory 50 in association with each other.

図1に戻り、制御部30は、CPU、ROM、RAM等を含むマイクロコンピュータ、或いは専用のハードウェア回路から構成され、三次元形状計測装置の全体制御を司る。本実施の形態では、制御部30は、点灯制御部31、撮像制御部32、画像データ特定部33、傾き算出部34、表面形状算出部35、及び表示制御部36を備えている。   Returning to FIG. 1, the control unit 30 includes a microcomputer including a CPU, a ROM, a RAM, and the like, or a dedicated hardware circuit, and controls the entire three-dimensional shape measuring apparatus. In the present embodiment, the control unit 30 includes a lighting control unit 31, an imaging control unit 32, an image data specifying unit 33, an inclination calculation unit 34, a surface shape calculation unit 35, and a display control unit 36.

点灯制御部31は、光源LEを順次に1個ずつ点灯させる。ここで、光源LEの点灯順序は予め定められており、点灯制御部31は、この点灯順序に従って光源LEを順次に点灯する。   The lighting control unit 31 sequentially turns on the light sources LE one by one. Here, the lighting order of the light sources LE is determined in advance, and the lighting control unit 31 sequentially lights the light sources LE according to the lighting order.

撮像制御部32は、各光源LEが点灯される毎に、測定対象物の画像データを撮像部20に取得させ、取得させた画像データを画像メモリ50に記憶させる。本実施の形態では、192個の光源LEがあるため、撮像部20により192枚の画像データが取得される。   The imaging control unit 32 causes the imaging unit 20 to acquire the image data of the measurement target each time each light source LE is turned on, and causes the image memory 50 to store the acquired image data. In the present embodiment, since there are 192 light sources LE, 192 pieces of image data are acquired by the imaging unit 20.

画像データ特定部33は、エリアセンサ21を構成する各画素につき、輝度値が最大となる1枚の画像データを、撮像部20により取得された全画像データ中から特定する。   The image data specifying unit 33 specifies one piece of image data having the maximum luminance value from all the image data acquired by the imaging unit 20 for each pixel constituting the area sensor 21.

傾き算出部34は、画像データ特定部33により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源LEの位置を特定し、特定した各光源LEの位置を基に、各画素に対応する測定対象物の各測定位置の傾きを算出する。   For each image data specified by the image data specifying unit 33, the inclination calculating unit 34 specifies the position of the light source LE that is turned on when acquiring each image data, and based on the specified position of each light source LE. The inclination of each measurement position of the measurement object corresponding to each pixel is calculated.

図4は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の原理の説明図であり、(A)は本実施の形態による三次元形状計測装置の側面模式図であり、(B)は撮像部20により撮像された画像データの模式図であり、(C)は(A)の点線で囲んだ部分の拡大図である。   FIG. 4 is an explanatory diagram of the principle of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention, (A) is a schematic side view of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment, and (B) is an image pickup. It is a schematic diagram of the image data imaged by the part 20, (C) is an enlarged view of the part enclosed with the dotted line of (A).

図4(B)に示すように、画像データは例えば左上の頂点が原点とされ、水平方向にm軸が設定され、垂直方向にn軸が設定されている。図4(B)に示す画像データは、ある画素G(m,n)の輝度値を最大とする画像データである。図4(B)に示す画像データにはiの光源番号が対応付けられており、この画像データを取得する際に点灯された光源LE(i)が図4(A)で示されている。   As shown in FIG. 4B, for example, the upper left vertex of the image data is the origin, the m axis is set in the horizontal direction, and the n axis is set in the vertical direction. The image data shown in FIG. 4B is image data that maximizes the luminance value of a certain pixel G (m, n). The light source number i is associated with the image data shown in FIG. 4B, and the light source LE (i) that is turned on when the image data is acquired is shown in FIG.

画素G(m,n)の輝度値が最大になるとき、光源LE(i)の正反射光が撮像部20に入射する。よって、図4(C)に示すように、光源LE(i)から照射された照明光L1(i)は測定対象物OBの表面の測定位置APで正反射され、Z軸と平行な反射光L2(i)となって撮像部20に入射する。反射光L2(i)のエリアセンサ21の受光面での到達位置は画素G(m,n)であるため、画素(m,n)は測定位置APに対応している。   When the luminance value of the pixel G (m, n) is maximized, the specularly reflected light of the light source LE (i) is incident on the imaging unit 20. Therefore, as shown in FIG. 4C, the illumination light L1 (i) emitted from the light source LE (i) is regularly reflected at the measurement position AP on the surface of the measurement object OB, and is reflected light parallel to the Z axis. L <b> 2 (i) enters the imaging unit 20. Since the arrival position of the reflected light L2 (i) on the light receiving surface of the area sensor 21 is the pixel G (m, n), the pixel (m, n) corresponds to the measurement position AP.

光源LE(i)の方位角をφ(i)、仰角をθ(i)とする。U軸は、中心OFを通り、X軸とφ(i)の角度をなす直線である。したがって、図4(A)に示す測定対象物OBの形状はU軸で切った断面を示している。   The azimuth angle of the light source LE (i) is φ (i) and the elevation angle is θ (i). The U axis is a straight line that passes through the center OF and forms an angle of φ (i) with the X axis. Therefore, the shape of the measurement object OB shown in FIG. 4A shows a cross section cut along the U axis.

図4(C)に示すように、照明光L1(i)は、測定位置APで正反射されて反射光L2(i)となるため、θ(i)の2等分線LM(i)は、測定位置APにおけるU軸方向の接線SLと直交する。よって、接線SLの基準面RSに対する傾きψ(i)は、ψ(i)=θ(i)/2で表される。したがって、画素G(m,n)に対応する測定位置APの傾きψ(i)はψ(i)=θ(i)/2と算出される。そして、この処理をエリアセンサ21を構成する全画素について行うと、各画素に対応する測定位置APの傾きを得ることができる。   As shown in FIG. 4C, the illumination light L1 (i) is regularly reflected at the measurement position AP to become reflected light L2 (i), so that the bisector LM (i) of θ (i) is , Perpendicular to the tangent line SL in the U-axis direction at the measurement position AP. Therefore, the inclination ψ (i) of the tangent SL with respect to the reference plane RS is represented by ψ (i) = θ (i) / 2. Therefore, the inclination ψ (i) of the measurement position AP corresponding to the pixel G (m, n) is calculated as ψ (i) = θ (i) / 2. When this process is performed for all the pixels constituting the area sensor 21, the inclination of the measurement position AP corresponding to each pixel can be obtained.

図1に戻り、表面形状算出部35は、傾き算出部34により算出された各測定位置APの傾きを基に、各測定位置APの高さを算出し、測定対象物OBの表面形状を算出する。   Returning to FIG. 1, the surface shape calculation unit 35 calculates the height of each measurement position AP based on the inclination of each measurement position AP calculated by the inclination calculation unit 34, and calculates the surface shape of the measurement object OB. To do.

本実施の形態では、表面形状算出部35は、式(1)を用いて各測定位置APの傾きから傾き成分ψ_X(i)(直交傾き成分の一例)と傾き成分ψ_Y(i)(平行傾き成分の一例)とを求める。   In the present embodiment, the surface shape calculation unit 35 uses the equation (1) to calculate an inclination component ψ_X (i) (an example of an orthogonal inclination component) and an inclination component ψ_Y (i) (parallel inclination) from the inclination of each measurement position AP. An example of a component).

ψ_X(i)=−tan(θ(i)/2)・cosφ
ψ_Y(i)=−tan(θ(i)/2)・sinφ (1)
図4(A)に示すように、傾き算出部34が求める傾きψ(i)は、U軸における傾きである。また、U軸とX軸とのなす角度はφ(i)であり、X軸とY軸とは直交している。よって、傾き成分ψ_X(i)と傾き成分ψ_X(i)とは式(1)で表される。
ψ_X (i) = − tan (θ (i) / 2) · cos φ
ψ_Y (i) = − tan (θ (i) / 2) · sinφ (1)
As shown in FIG. 4A, the inclination ψ (i) obtained by the inclination calculating unit 34 is an inclination on the U axis. The angle formed by the U axis and the X axis is φ (i), and the X axis and the Y axis are orthogonal to each other. Therefore, the inclination component ψ_X (i) and the inclination component ψ_X (i) are expressed by Expression (1).

ここで、ψ_X(i),ψ_Y(i)は、測定位置AP毎に求められ、各測定位置APは各画素G(m,n)に対応しているため、エリアセンサの座標(m,n)を用いて、ψ_X(m,n),ψ_Y(m,n)と表すこともできる。以下、必要に応じて(m,n)を用いてψ_X(i),ψ_Y(i)を表す。   Here, ψ_X (i) and ψ_Y (i) are obtained for each measurement position AP, and each measurement position AP corresponds to each pixel G (m, n). ) Can also be expressed as ψ_X (m, n), ψ_Y (m, n). Hereinafter, ψ_X (i) and ψ_Y (i) are expressed using (m, n) as necessary.

次に、表面形状算出部35は、各測定位置APについて、式(1)を用いて傾き成分ψ_X(m,n)と、傾き成分ψ_Y(m,n)とを求める。そして、表面形状算出部35は、例えば、(m,n)=(0,0)の画素G(0,0)の高さH(0,0)を予め定められた高さ(例えば0)に設定する。そして、式(1)で求めた傾き成分ψ_X(0,0)と、予め定められたX成分の画素分解能ΔXと、高さH(0,0)とを用いて、式(2)に示すように、(m,n)=(1,0)における高さH(1,0)を求める。   Next, the surface shape calculation unit 35 obtains an inclination component ψ_X (m, n) and an inclination component ψ_Y (m, n) using Equation (1) for each measurement position AP. Then, the surface shape calculation unit 35, for example, sets the height H (0, 0) of the pixel G (0, 0) of (m, n) = (0, 0) to a predetermined height (eg, 0). Set to. Then, using the gradient component ψ_X (0,0) obtained by the equation (1), the pixel resolution ΔX of the predetermined X component, and the height H (0,0), the equation (2) is obtained. Thus, the height H (1,0) at (m, n) = (1,0) is obtained.

H(1,0)=H(0,0)+ψ_X(0,0)・ΔX (2)
次に、表面形状算出部35は、式(2)で求めたH(1,0)から式(2)´を用いて、H(1,0)に対してm軸に隣接する画素G(2,0)の高さH(2,0)を求める。
H (1,0) = H (0,0) + ψ_X (0,0) · ΔX (2)
Next, the surface shape calculation unit 35 uses the equation (2) ′ from H (1, 0) obtained in Equation (2), and uses the pixel G ( The height H (2, 0) of (2, 0) is obtained.

H(2,0)=H(1,0)+ψ_X(1,0)・ΔX (2)´
以後、表面形状算出部35は、H(3,0),H(4,0),H(5,0)・・・というようにして、n=0の行における高さH(m,0)を順次に求めていく。
H (2,0) = H (1,0) + ψ_X (1,0) · ΔX (2) ′
Thereafter, the surface shape calculation unit 35 calculates the height H (m, 0) in the row of n = 0 as H (3, 0), H (4, 0), H (5, 0). ) In turn.

そして、表面形状算出部35は、n=0の行における高さH(m,0)を全て算出すると、式(1)で求めた傾き成分ψ_Y(0,0)と、予め定められたY成分の画素分解能ΔYと、高さH(0,0)とを用いて、式(3)に示すように、(m,n)=(0,1)における高さH(0,1)を求める。   And the surface shape calculation part 35 will calculate inclination component (psi) _Y (0, 0) calculated | required by Formula (1), and Y previously determined, if all the height H (m, 0) in the row | line of n = 0 is calculated. Using the pixel resolution ΔY of the component and the height H (0, 0), the height H (0, 1) at (m, n) = (0, 1) is expressed as shown in Equation (3). Ask.

H(0,1)=H(0,0)+ψ_Y(0,0)・ΔY (3)
そして、表面形状算出部35は、n=0の行と同様にして、H(1,1),H(2,1),H(3,1)・・・というようにして、n=1の行における高さH(m,1)を順次に求めていく。
H (0,1) = H (0,0) + ψ_Y (0,0) · ΔY (3)
Then, the surface shape calculation unit 35 performs H = 1, H (2, 1), H (3, 1)..., N = 1, similarly to the row of n = 0. The height H (m, 1) in the row is sequentially obtained.

このようにして、表面形状算出部35は、1行ずつ(m,n)に対応する高さH(m,n)を順次に求めていき、測定対象物OBの表面の全ての測定位置APの高さH(m,n)を算出する。   In this way, the surface shape calculation unit 35 sequentially obtains the height H (m, n) corresponding to (m, n) line by line, and all the measurement positions AP on the surface of the measurement object OB. The height H (m, n) of is calculated.

表示制御部36は、表面形状算出部35により算出された各測定位置APの高さH(m,n)を用いて、測定対象物OBの表面形状を3次元的に示す3次元モデルを仮想3次元空間内に生成する。そして、表示制御部36は、仮想3次元空間の仮想カメラ及び仮想光源の位置情報を用いて3次元モデルをレンダリングし、得られた2次元の画像データをフレームバッファに書き込み表示部40に表示させる。なお、表示制御部36は、仮想カメラ及び仮想光源の位置情報をユーザに設定させ、様々な視線から見たときの測定対象物OBの表面形状を表示部40に表示するようにしてもよい。   The display control unit 36 uses a height H (m, n) of each measurement position AP calculated by the surface shape calculation unit 35 to virtually represent a three-dimensional model that three-dimensionally represents the surface shape of the measurement object OB. Generate in 3D space. Then, the display control unit 36 renders the three-dimensional model using the position information of the virtual camera and the virtual light source in the virtual three-dimensional space, writes the obtained two-dimensional image data in the frame buffer, and causes the display unit 40 to display it. . The display control unit 36 may cause the user to set the position information of the virtual camera and the virtual light source, and display the surface shape of the measurement object OB when viewed from various lines of sight on the display unit 40.

表示部40は、液晶ディスプレイ、有機ELディスプレイ等の表示装置により構成され、表示制御部36により生成された2次元の画像データを表示する。画像メモリ50は、例えばハードディスク等の不揮発性の記憶装置により構成され、撮像部20により撮像された画像データを記憶する。   The display unit 40 is configured by a display device such as a liquid crystal display or an organic EL display, and displays the two-dimensional image data generated by the display control unit 36. The image memory 50 is configured by a non-volatile storage device such as a hard disk, and stores image data captured by the imaging unit 20.

図5は、表示部40により表示された測定対象物OBの表面形状の一例を示した図である。図5に示すように、測定対象物OBは筋状の凹凸形状が周期的に繰り返された形状を持つことが分かる。この凹凸形状は、測定対象物OBを圧延する際に生成されたものである。また、図面の中央部の円形で囲んだ領域KZに筋の乱れが生じている。この筋の乱れは圧延疵であり、本実施の形態のよる三次元形状計測装置はこの圧延疵を検出することを目的としている。これにより、ユーザは一目で圧延疵を確認することができ、測定対象物OBの異常部分を検出することができる。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the surface shape of the measurement object OB displayed by the display unit 40. As shown in FIG. 5, it can be seen that the measurement object OB has a shape in which streaky unevenness is periodically repeated. This uneven | corrugated shape is produced | generated when rolling the measuring object OB. In addition, streak is disturbed in a region KZ surrounded by a circle at the center of the drawing. The disturbance of the streaks is a rolling bar, and the three-dimensional shape measuring apparatus according to the present embodiment aims to detect the rolling bar. Thereby, the user can confirm the rolling bar at a glance and can detect an abnormal portion of the measurement object OB.

図6は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。このフローチャートが実行される前に、まず、ユーザにより基準面に測定対象物OBが載置され、その中心の真上にフード11の頂点OCが位置するように照明部10が基準面に載置される。そして、ユーザにより図略の操作部を介して測定開始の指示が入力され、下記の処理が実行される。   FIG. 6 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to the embodiment of the present invention. Before this flowchart is executed, first, the measurement object OB is placed on the reference plane by the user, and the illumination unit 10 is placed on the reference plane so that the vertex OC of the hood 11 is positioned directly above the center. Is done. Then, the user inputs an instruction to start measurement via an operation unit (not shown), and the following processing is executed.

ステップS1において、光源番号iが初期値である1に設定される。本実施の形態では、光源LEは所定の点灯順序に従って点灯されるため、各光源LEには点灯順序に応じた光源番号が予め付与されている。   In step S1, the light source number i is set to 1, which is an initial value. In the present embodiment, since the light sources LE are turned on according to a predetermined lighting order, a light source number corresponding to the lighting order is assigned to each light source LE in advance.

点灯順序としては、種々の順序を採用することができるが、点灯制御の簡便化の観点からは、隣接する光源LEを順次に点灯していくことが好ましい。例えば、図3において、まず、方位角φ=0である光源LEを、仰角θ=−90度から+90度の範囲で順番に点灯させ、次に、方位角φ=15度の光源LEを、仰角θ=−90度から+90度の範囲で順番に点灯させるというような点灯順序を採用すればよい。   Various orders can be adopted as the lighting order, but it is preferable to sequentially turn on the adjacent light sources LE from the viewpoint of simplifying the lighting control. For example, in FIG. 3, first, the light source LE with the azimuth angle φ = 0 is sequentially turned on in the range of the elevation angle θ = −90 degrees to +90 degrees, and then the light source LE with the azimuth angle φ = 15 degrees is A lighting order may be employed in which the lighting is sequentially performed in the range of the elevation angle θ = −90 degrees to +90 degrees.

次に、点灯制御部31は、光源LE(i)を点灯させる(ステップS2)。これにより、測定対象物OBは光源LE(i)からの照明光が照射される。次に、撮像制御部32は、照明光が照射された測定対象物OBを撮像部20に撮像させ、1枚の画像データD(i)を取得する(ステップS3)。   Next, the lighting control unit 31 turns on the light source LE (i) (step S2). Thereby, the measurement object OB is irradiated with illumination light from the light source LE (i). Next, the imaging control unit 32 causes the imaging unit 20 to image the measurement object OB irradiated with the illumination light, and acquires one piece of image data D (i) (step S3).

次に、撮像制御部32は、画像データD(i)を光源LE(i)の方位角φ(i)と仰角θ(i)と対応付けて画像メモリ50に記憶させる(ステップS4)。ここで、撮像制御部32は、光源番号iと方位角φ(i)及び仰角θ(i)との関係を予め記憶しておき、この関係を用いて画像データD(i)に対応付ける方位角φ(i)及び仰角θ(i)を定めればよい。   Next, the imaging control unit 32 stores the image data D (i) in the image memory 50 in association with the azimuth angle φ (i) and the elevation angle θ (i) of the light source LE (i) (step S4). Here, the imaging control unit 32 stores in advance the relationship between the light source number i, the azimuth angle φ (i), and the elevation angle θ (i), and uses this relationship to associate the azimuth angle with the image data D (i). φ (i) and elevation angle θ (i) may be determined.

次に、点灯制御部31は、光源番号iがN(=192)より大きいか否かを判定し、i>Nの場合(ステップS5でYES)、処理をステップS7に進める。一方、点灯制御部31は、i≦Nの場合(ステップS5でNO)、光源番号iを1インクリメントさせ(ステップS6)、処理をステップS2に戻す。つまり、点灯制御部31は、N個の全ての光源LEが点灯されるまで、ステップS2〜S6の処理を繰り返し、1個の光源LEが点灯される毎に撮像部20に1枚の画像データD(i)を撮像させる。そして、N個の全ての光源LEが点灯され、N枚の画像データD(i)が得られると、処理をステップS7に進める。   Next, the lighting control unit 31 determines whether or not the light source number i is greater than N (= 192). If i> N (YES in step S5), the process proceeds to step S7. On the other hand, if i ≦ N (NO in step S5), the lighting control unit 31 increments the light source number i by 1 (step S6), and returns the process to step S2. That is, the lighting control unit 31 repeats the processes of steps S2 to S6 until all N light sources LE are turned on, and each time one light source LE is turned on, one image data is stored in the imaging unit 20. D (i) is imaged. When all N light sources LE are turned on and N pieces of image data D (i) are obtained, the process proceeds to step S7.

次に、画像データ特定部33は、エリアセンサ21を構成する全画素G(m,n)のそれぞれにつき、輝度値を最大とする1枚の画像データD(i)をN枚の画像データD(i)の中から特定する(ステップS7)。次に、傾き算出部34は、ステップS7で特定された画像データD(i)に対応付けられた方位角φ(i)及び仰角θ(i)を特定する(ステップS8)。これにより、各画素G(m,n)に対応する各測定位置APにおいて正反射される照明光の方位角φ(i)及び仰角θ(i)が特定される。   Next, the image data specifying unit 33 converts one piece of image data D (i) having the maximum luminance value into N pieces of image data D for each of all the pixels G (m, n) constituting the area sensor 21. (I) is specified (step S7). Next, the inclination calculating unit 34 specifies the azimuth angle φ (i) and the elevation angle θ (i) associated with the image data D (i) specified in step S7 (step S8). Thereby, the azimuth angle φ (i) and the elevation angle θ (i) of the illumination light regularly reflected at each measurement position AP corresponding to each pixel G (m, n) are specified.

次に、傾き算出部34は、ステップS8で各測定位置APに対して特定された仰角θ(i)を2で割り、図4(C)に示すように、各測定位置APの傾きψ(i)を算出する(ステップS9)。これにより、各画素G(m,n)に対応する測定位置APの傾きψ(m,n)が得られ、測定対象物OBの表面の傾きの分布が得られる。   Next, the inclination calculating unit 34 divides the elevation angle θ (i) specified for each measurement position AP in step S8 by 2, and, as shown in FIG. 4C, the inclination ψ ( i) is calculated (step S9). Thereby, the inclination ψ (m, n) of the measurement position AP corresponding to each pixel G (m, n) is obtained, and the distribution of the inclination of the surface of the measurement object OB is obtained.

次に、表面形状算出部35は、ステップS9で求めた傾きψ(m,n)から、上記の式(1)を用いて、傾き成分ψ_X(m,n)と傾き成分ψ_Y(m,n)を求める(ステップS10)。   Next, the surface shape calculation unit 35 uses the above equation (1) based on the inclination ψ (m, n) obtained in step S9, and the inclination component ψ_X (m, n) and the inclination component ψ_Y (m, n). ) Is obtained (step S10).

次に、表面形状算出部35は、上記の式(2)、(3)等を用いて、各測定位置APの高さH(m,n)を順次に求める(ステップS11)。   Next, the surface shape calculation part 35 calculates | requires the height H (m, n) of each measurement position AP sequentially using said Formula (2), (3) etc. (step S11).

このように、本実施の形態によれば、フード11の内面に放射状に配置された光源LEを順次に点灯させることで、照明光の方向が切り替えられている。そのため、照明光の機械的な走査が不要となり、機械的な振動が発生せず、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。また、機械的な振動が発生しないため、装置の寿命を長くすることができる。   Thus, according to the present embodiment, the direction of the illumination light is switched by sequentially lighting the light sources LE arranged radially on the inner surface of the hood 11. Therefore, mechanical scanning of illumination light becomes unnecessary, mechanical vibration does not occur, and the surface shape of the measurement object can be measured with high accuracy. In addition, since mechanical vibration does not occur, the life of the apparatus can be extended.

(実施の形態2)
実施の形態2による三次元形状計測装置は、傾き成分ψ_Y(m,n)のみ用いて、高さH(m,n)を算出することを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態1と同一のものは説明を省略する。
(Embodiment 2)
The three-dimensional shape measuring apparatus according to the second embodiment is characterized in that the height H (m, n) is calculated using only the inclination component ψ_Y (m, n). In the present embodiment, the same elements as those in the first embodiment are not described.

図7は、本発明の実施の形態2における三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。ステップS21〜S29の処理は、図6のステップS1〜S9と同一であるため、説明を省略する。   FIG. 7 is a flowchart showing the operation of the three-dimensional shape measuring apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. Since the process of step S21-S29 is the same as step S1-S9 of FIG. 6, description is abbreviate | omitted.

ステップS30において、表面形状算出部35は、実施の形態1と同様にして、測定対象物OBの筋の長手方向を向かう、Y方向の傾き成分ψ_Y(m,n)のみ算出し、ψ_X(m,n)を算出しない。つまり、表面形状算出部35は、ψ_Y(i)=−tan(θ(i)/2)・sinφを用いてψ_Y(m,n)を算出する。   In step S30, the surface shape calculation unit 35 calculates only the inclination component ψ_Y (m, n) in the Y direction that goes in the longitudinal direction of the muscle of the measurement object OB, as in the first embodiment, and ψ_X (m , N) is not calculated. That is, the surface shape calculation unit 35 calculates ψ_Y (m, n) using ψ_Y (i) = − tan (θ (i) / 2) · sinφ.

次に、表面形状算出部35は、ステップS30で求めたψ_Y(m,n)を用いて各測定位置APの高さH(m,n)を算出する(ステップS31)。   Next, the surface shape calculation unit 35 calculates the height H (m, n) of each measurement position AP using ψ_Y (m, n) obtained in step S30 (step S31).

ここで、表面形状算出部35は、例えば、一番上の行であるn=0の行の各位置の高さH(m,0)を予め定められた高さ(例えば0)に設定する。そして、ステップS30で求めたm=0の列の各位置の傾き成分ψ_Y(0,n)と、予め定められたY成分の画素分解能ΔYと、高さH(0,0)とを用いて、下記の式に示すように、m=0の列の各位置の高さH(0,n)をn=1から下方に向けて順番に求める。   Here, for example, the surface shape calculation unit 35 sets the height H (m, 0) of each position of the top row n = 0 to a predetermined height (eg, 0). . Then, using the inclination component ψ_Y (0, n) at each position of the column of m = 0 obtained in step S30, the pixel resolution ΔY of the predetermined Y component, and the height H (0, 0). As shown in the following equation, the height H (0, n) of each position of the column of m = 0 is obtained in order from n = 1 downward.

H(0,1)=H(0,0)+ψ_Y(0,0)・ΔY
H(0,2)=H(0,1)+ψ_Y(0,1)・ΔY
・・・
そして、表面形状算出部35は、m=0の列の各位置の高さH(0,n)を算出すると、下式に示すように、m=1の列の各位置の高さH(1,n)をn=1から下方に向けて順番に算出する。
H (0,1) = H (0,0) + ψ_Y (0,0) · ΔY
H (0,2) = H (0,1) + ψ_Y (0,1) · ΔY
...
Then, when the surface shape calculation unit 35 calculates the height H (0, n) of each position of the column of m = 0, as shown in the following formula, the height H ( 1, n) is calculated in order from n = 1 downward.

H(1,1)=H(1,0)+ψ_Y(1,0)・ΔY
H(1,2)=H(1,0)+ψ_Y(1,0)・ΔY
・・・
以降、任意のmの列について下記の式を用いて、n=1から順番に各位置の高さH(m,1),H(m,2),・・・を求めていく。
H (1,1) = H (1,0) + ψ_Y (1,0) · ΔY
H (1,2) = H (1,0) + ψ_Y (1,0) · ΔY
...
Thereafter, the height H (m, 1), H (m, 2),... Of each position is obtained in order from n = 1 using the following formula for an arbitrary m column.

H(m,1)=H(m,0)+ψ_Y(m,0)・ΔY
H(m,2)=H(m,1)+ψ_Y(m,1)・ΔY
・・・
以上により測定対象物OBの表面の全測定位置APの高さH(m,n)が得られ、測定対象物OBの表面形状が算出される。
H (m, 1) = H (m, 0) + ψ_Y (m, 0) · ΔY
H (m, 2) = H (m, 1) + ψ_Y (m, 1) · ΔY
...
Thus, the height H (m, n) of all measurement positions AP on the surface of the measurement object OB is obtained, and the surface shape of the measurement object OB is calculated.

測定対象物OBとして筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体を採用した場合、筋の長手方向とほぼ平行な方向に照射された照明光は測定対象物OBにより正反射される可能性が高いが、筋の長手方向と直交する方向に照射された照明光は測定対象物OBにより乱反射される可能性が高い。   When a flat object having a streak-like uneven shape is adopted as the measurement object OB, the illumination light irradiated in a direction substantially parallel to the longitudinal direction of the stripe is highly likely to be regularly reflected by the measurement object OB. However, the illumination light irradiated in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the muscle is highly likely to be irregularly reflected by the measurement object OB.

よって、各測定位置APの傾きを筋の長手方向とほぼ平行なY軸方向の傾き成分ψ_Y(m,n)と、長手方向に直交するX軸方向の傾き成分ψ_X(m,n)とに分けた場合、傾き成分ψ_Y(m,n)は傾き成分ψ_X(m,n)に比べて各測定位置APの傾きを正確に表すことができる。したがって、傾き成分ψ_Y(m,n)のみを用いることで測定対象物OBの表面形状を精度良く算出することができる。   Therefore, the inclination of each measurement position AP is changed into an inclination component ψ_Y (m, n) in the Y-axis direction substantially parallel to the longitudinal direction of the muscle and an inclination component ψ_X (m, n) in the X-axis direction orthogonal to the longitudinal direction. When divided, the inclination component ψ_Y (m, n) can accurately represent the inclination of each measurement position AP as compared with the inclination component ψ_X (m, n). Therefore, the surface shape of the measurement object OB can be accurately calculated by using only the inclination component ψ_Y (m, n).

また、本実施の形態では、傾き成分ψ_X(m,n)を算出することが不要となるため、計算コストの削減を図ることができる。つまり、本実施の形態では、計算コストを削減するという効果と、測定精度を向上するという効果との相反する効果を両立させることができる。   In the present embodiment, it is not necessary to calculate the inclination component ψ_X (m, n), so that the calculation cost can be reduced. That is, in this embodiment, it is possible to achieve both the effect of reducing the calculation cost and the effect of conflicting with the effect of improving the measurement accuracy.

(実施の形態3)
実施の形態3による三次元形状計測装置は、測定対象物OBの長手方向であるY軸方向に向く照明光が、X軸方向に向く照明光よりも高密度となるように光源LEを配置したことを特徴とする。図8は、本発明の実施の形態3による光源LEの配置図である。図8は、フード11を内側から見たときの光源LEの配置を示している。
(Embodiment 3)
In the three-dimensional shape measuring apparatus according to Embodiment 3, the light source LE is arranged so that the illumination light directed in the Y-axis direction, which is the longitudinal direction of the measurement object OB, has a higher density than the illumination light directed in the X-axis direction. It is characterized by that. FIG. 8 is a layout diagram of the light source LE according to the third embodiment of the present invention. FIG. 8 shows the arrangement of the light sources LE when the hood 11 is viewed from the inside.

図8の例では、Y軸上の経線Lt(0)と、経線Lt(0)と頂点OCに対する角度が例えば15度である経線Lt(1),Lt(−1)と、経線Lt(0)と頂点OCに対する角度が例えば30度である経線Lt(2),Lt(−2)とのそれぞれにおいて、同数の光源LEが配置されている。また、X軸上の経線Lt(X)において、経線Lt(1)と同数の光源LEが配置されている。   In the example of FIG. 8, the meridian Lt (0) on the Y axis, the meridians Lt (1), Lt (−1) having an angle with respect to the meridian Lt (0) and the vertex OC, for example, 15 degrees, and the meridian Lt (0 ) And the meridians Lt (2) and Lt (−2) whose angles with respect to the vertex OC are 30 degrees, for example, the same number of light sources LE are arranged. Further, in the meridian Lt (X) on the X axis, the same number of light sources LE as the meridian Lt (1) are arranged.

ここで、筋の長手方向を向く照明光とは、光軸が頂点OCを中心としてY軸から±45度の範囲内にある照明光が該当する。また、直交方向を向く照明光とは、光軸が頂点OCを中心としてX軸を中心に±45度の範囲内にある照明光が該当する。   Here, the illumination light directed in the longitudinal direction of the stripe corresponds to illumination light whose optical axis is within a range of ± 45 degrees from the Y axis with the vertex OC as the center. Further, the illumination light directed in the orthogonal direction corresponds to illumination light whose optical axis is in the range of ± 45 degrees around the X axis with the vertex OC as the center.

こうすることで、筋の長手方向に向く照明光が密となるため、筋状の凹凸形状を持つ測定対象物OBを測定するにあたり重要となる傾き成分ψ_Y(m,n)を精度良く求めることができ、各測定位置APの高さH(m,n)を正確に求めることができる。一方、X軸方向に向く経線Ltに配置された光源LEの個数を少なくすることができるため、装置の簡便化及び低コスト化を図ることができる。   In this way, since the illumination light directed in the longitudinal direction of the muscle becomes dense, the inclination component ψ_Y (m, n) that is important in measuring the measurement object OB having the stripe-shaped uneven shape is accurately obtained. The height H (m, n) of each measurement position AP can be accurately obtained. On the other hand, since the number of the light sources LE arranged on the meridian Lt facing in the X-axis direction can be reduced, the apparatus can be simplified and the cost can be reduced.

なお、本実施の形態においては、各経線Ltに配置される光源LEの個数を同じにしたが、これに限定されず、例えば、Y軸に向かうにつれて光源LEの密度を増大させてもよい。例えば、図8において、経線Lt(0)が最も高密度、経線Lt(1),Lt(−1)が次に高密度、経線Lt(2),Lt(−2)のその次に高密度となるように、光源LEを配置すればよい。また、経線Lt(X)上に配置された光源の個数を0にしてもよい。但し、この場合、領域D2に属する光源LEの個数が0となってしまい、X軸方向に向かう照明光の成分が0になってしまい、測定精度が落ちることが懸念される。そのため、図8の例では、1本の経線Lt(X)のみに光源LEを配置している。   In the present embodiment, the number of light sources LE arranged on each meridian Lt is the same. However, the present invention is not limited to this. For example, the density of the light sources LE may be increased toward the Y axis. For example, in FIG. 8, the meridian Lt (0) has the highest density, the meridians Lt (1) and Lt (-1) have the next highest density, and the meridians Lt (2) and Lt (-2) have the next highest density. The light source LE may be arranged so that Further, the number of light sources arranged on the meridian Lt (X) may be zero. However, in this case, there is a concern that the number of light sources LE belonging to the region D2 becomes zero, the illumination light component toward the X-axis direction becomes zero, and the measurement accuracy decreases. Therefore, in the example of FIG. 8, the light source LE is disposed only on one meridian Lt (X).

なお、実施の形態3では、光軸がY軸方向に向かう照明光が密となるため、傾き成分ψ_Y(m,n)は精度良く算出できるが、光軸がX軸方向に向かう照明光が疎となるため、傾き成分ψ_X(m,n)の精度が悪化する虞がある。したがって、実施の形態3の光源LEの配置を採用する場合、実施の形態2に示す傾き成分ψ_Y(m,n)のみ用いて各測定位置APの高さH(m,n)を求めることが好ましい。つまり、実施の形態3と実施の形態2とを組み合わせることで、実施の形態2において、光源LEの個数を削減するという効果を得ることができる。   In Embodiment 3, since the illumination light whose optical axis is in the Y-axis direction is dense, the tilt component ψ_Y (m, n) can be calculated with high accuracy, but the illumination light whose optical axis is in the X-axis direction is Since it becomes sparse, the accuracy of the tilt component ψ_X (m, n) may be deteriorated. Therefore, when the arrangement of the light source LE of the third embodiment is employed, the height H (m, n) of each measurement position AP is obtained using only the inclination component ψ_Y (m, n) shown in the second embodiment. preferable. That is, by combining Embodiment 3 and Embodiment 2, the effect of reducing the number of light sources LE in Embodiment 2 can be obtained.

なお、実施の形態1〜3において、測定対象物OBとして、筋状の凹凸形状を周期的に持つ物体を採用したが、本発明はこれに限定されず、任意の形状を持つ物体を採用してもよい。   In the first to third embodiments, an object having periodic streaky irregularities is employed as the measurement object OB. However, the present invention is not limited to this, and an object having an arbitrary shape is employed. May be.

10 照明部
11 フード
20 撮像部
21 エリアセンサ
22 筐体
30 制御部
31 点灯制御部
32 撮像制御部
33 画像データ特定部
34 傾き算出部
35 表面形状算出部
36 表示制御部
40 表示部
50 画像メモリ
AP 測定位置
D1 領域
D2 領域
G 画素
L1 照明光
L2 反射光
LE 光源
Lt 経線
OB 測定対象物
OC 頂点
θ 仰角
ψ 傾き
ψ_X 傾きのX成分
ψ_Y 傾きのY成分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Illumination part 11 Hood 20 Imaging part 21 Area sensor 22 Case 30 Control part 31 Lighting control part 32 Imaging control part 33 Image data specific part 34 Inclination calculation part 35 Surface shape calculation part 36 Display control part 40 Display part 40 Image memory AP Measurement position D1 area D2 area G pixel L1 illumination light L2 reflected light LE light source Lt meridian OB measurement object OC vertex θ elevation angle ψ inclination ψ_X X component of inclination ψ_Y Y component of inclination

Claims (6)

測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測装置であって、
複数の光源を含み、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明部と、
前記複数の光源を順次に点灯させる点灯制御部と、
前記測定対象物を撮像し、前記測定対象物の画像データを取得する撮像部と、
各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得させる撮像制御部と、
前記撮像部を構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像部により取得された全画像データ中から特定する画像データ特定部と、
前記画像データ特定部により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置を基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出部と、
前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出部とを備える三次元形状計測装置。
A three-dimensional shape measuring apparatus for measuring the surface shape of a measurement object,
An illumination unit that includes a plurality of light sources and irradiates the measurement object with illumination light from a plurality of directions;
A lighting control unit for sequentially lighting the plurality of light sources;
An imaging unit that images the measurement object and acquires image data of the measurement object;
An imaging control unit that causes the imaging unit to acquire image data of the measurement target each time each light source is turned on,
For each pixel constituting the imaging unit, an image data specifying unit that specifies image data having a maximum luminance value from among all image data acquired by the imaging unit;
For each image data specified by the image data specifying unit, a light source position that is turned on when each image data is acquired is specified, and based on each specified light source position, the measurement object corresponding to each pixel is identified. An inclination calculator for calculating the inclination of each measurement position;
A three-dimensional shape measurement apparatus comprising: a surface shape calculation unit that calculates a height of each measurement position based on the inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation unit and calculates a surface shape of the measurement object.
前記照明部は、前記測定対象物を覆う半球状のフードを備え、
前記複数の光源は、前記フードの内面に配置されている請求項1記載の三次元形状計測装置。
The illumination unit includes a hemispherical hood that covers the measurement object,
The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the plurality of light sources are disposed on an inner surface of the hood.
前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、
前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向に向く平行傾き成分を求め、各測定位置の前記平行傾き成分から各測定位置の高さを算出する請求項1又は2記載の三次元形状計測装置。
The measurement object is a flat object having a streaky uneven shape,
The surface shape calculation unit obtains a parallel inclination component facing the longitudinal direction of the muscle from the inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation unit, and calculates the height of each measurement position from the parallel inclination component of each measurement position. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the three-dimensional shape measuring apparatus calculates.
前記複数の光源は、前記筋の長手方向を向く照明光が、前記筋の長手方向と直交する方向に向く照明光よりも高密度となるように配置されている請求項3記載の三次元形状計測装置。   The three-dimensional shape according to claim 3, wherein the plurality of light sources are arranged such that illumination light directed in a longitudinal direction of the muscle has a higher density than illumination light directed in a direction orthogonal to the longitudinal direction of the muscle. Measuring device. 前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向を向く平行傾き成分と、前記筋の長手方向と直交する直交方向を向く直交傾き成分とを求め、各測定位置の前記平行傾き成分及び前記直交傾き成分から各測定位置の高さを算出する請求項1又は2記載の三次元形状計測装置。   The surface shape calculation unit includes a parallel inclination component that faces the longitudinal direction of the muscle from an inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation unit, and an orthogonal inclination component that faces an orthogonal direction perpendicular to the longitudinal direction of the muscle. The three-dimensional shape measuring apparatus according to claim 1 or 2, wherein the height of each measurement position is calculated from the parallel inclination component and the orthogonal inclination component of each measurement position. 測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測方法であって、
複数の光源を含む照明部が、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明ステップと、
撮像部が、各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得する撮像ステップと、
前記画像データを構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像ステップにより取得された全画像データ中から特定する画像データ特定ステップと、
前記画像データ特定ステップにより特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置と撮像部の位置とを基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出ステップと、
前記傾き算出ステップにより算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出ステップとを備える三次元形状計測方法。
A three-dimensional shape measurement method for measuring the surface shape of a measurement object,
An illumination unit including a plurality of light sources illuminates the measurement object with illumination light from a plurality of directions, and
An imaging step in which the imaging unit acquires image data of the measurement object to the imaging unit each time each light source is turned on,
For each pixel constituting the image data, an image data specifying step for specifying image data having a maximum luminance value from all the image data acquired by the imaging step;
For each image data specified in the image data specifying step, the light source position turned on when each image data is acquired is specified, and each pixel is supported based on the specified light source position and the position of the imaging unit. An inclination calculating step for calculating an inclination of each measurement position of the measurement object;
A three-dimensional shape measurement method comprising: a surface shape calculation step of calculating a height of each measurement position based on the inclination of each measurement position calculated by the inclination calculation step and calculating a surface shape of the measurement object.
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