JP2018009894A - 円筒内面観察装置、円筒内面観察方法、円筒内面検査装置及び円筒内面検査方法 - Google Patents

円筒内面観察装置、円筒内面観察方法、円筒内面検査装置及び円筒内面検査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】径の小さな円筒であっても、円筒内面をより高速に撮像することが可能な円筒内面観察装置を提供する。【解決手段】照明光の照射された円筒内面の光線情報を生成する光線情報取得装置１００と、生成された光線情報に対して所定の画像処理を施す演算処理装置とを備える。光線情報取得装置１００は、照明光を照射する照明光源１０１と、円筒Ｓ内面の光線情報を取得するライトフィールドカメラ１０３と、円錐プリズム又は円錐ミラー１２１を少なくとも有し、円筒内面での照明光の像をライトフィールドカメラへと導く光線取得光学系１０５と、を有する。演算処理装置は、直交座標系での光線情報を、円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換し、極座標系での光線情報を用いて、円筒の軸方向と円筒の周方向とで焦点位置を変えて、画像再構成処理を実施する。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、円筒内面観察装置、円筒内面観察方法、円筒内面検査装置及び円筒内面検査方法に関する。
各種の鋼管に代表される管状体や、シリンダー等の筒状体について、これら管状体や筒状体の内面（以下、「円筒内面」と称する。）を撮像するための技術が、各種提案されている。
例えば、以下の特許文献１では、管軸方向に光軸を有するラインカメラの視野をミラーにより９０度折り曲げるとともに、かかるミラーを回転させることで円筒内面を撮像する技術が提案されている。
また、以下の特許文献２では、円筒内面を撮像するために、複数の撮像手段を円筒の内空間に配置するとともに、これら複数の撮像手段で円筒の内空間の周方向を分割して撮像する技術が提案されている。
更に、以下の特許文献３では、円筒の軸方向に沿って移動しながら、円筒内面に対して環状のレーザ光を照射し、環状のレーザ光が照射された円筒内面を撮像する技術が提案されている。かかる技術では、光源から射出されたレーザ光の光路を、円錐ミラーによって直角に曲げることで、環状のレーザ光を作り出している。
特開２００４−６９３７１号公報 特開平８−２６１９４７号公報 特開平１０−４７９２９号公報 特開２０１５−１８６０３７号公報
しかしながら、上記特許文献１で提案されている技術では、機械的なミラー回転機構が必要となり、また、円筒内面の全周を一度に撮像することができないため、円筒内面全体を高速に撮像することができないという問題がある。
また、上記特許文献２で提案されている技術では、複数の撮像手段を管状体の内部に配置するため、小型化が困難であり、かかる技術を適用可能な管状体の管径が限定されてしまうという問題がある。
また、上記特許文献３で提案されている技術では、光学系に円錐ミラーを用いているが、円錐ミラー又は円錐プリズムを用いて光路を直角に曲げた上で円筒内面を撮像する場合には、大きな非点収差が生じるため、撮像装置の絞りを極端に絞らないと焦点の合った撮像ができないという問題がある。ここで、撮像装置の絞りを絞ってしまうと、長い露光時間が必要となるため、高速な撮像ができなくなってしまう。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、径の小さな円筒であっても、円筒内面をより高速に撮像することが可能な、円筒内面観察装置、円筒内面観察方法、円筒内面検査装置及び円筒内面検査方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得する光線情報取得装置と、前記光線情報取得装置により生成された前記光線情報に対して、所定の処理を施して前記円筒内面の像を再構成する演算処理装置と、を備え、前記光線情報取得装置は、前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、を有しており、前記演算処理装置は、直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換する極座標変換部と、前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施する、画像再構成部と、を有する円筒内面観察装置が提供される。
前記ライトフィールドカメラの前記レンズ系の焦点位置は、前記円筒の軸方向のみが合焦状態となる焦点位置と、前記円筒の周方向のみが合焦状態となる焦点位置と、の間に設定されており、前記画像再構成部は、前記動径方向及び偏角方向の焦点位置をそれぞれ所定量変化させて、前記画像再構成処理を実施してもよい。
前記極座標変換部は、前記極座標系への変換に際して、前記極座標系での前記反射光の入射位置及び入射方向毎の強度を、前記直交座標系での対応する入射位置及び入射方向の近傍の前記反射光の入射位置及び入射方向の強度から、画像補間処理により算出してもよい。
前記照明光源は、複数の光源が円環状に配置された円環状光源であり、前記円錐プリズム又は円錐ミラーと、前記複数の光源とは、前記円筒と同心となるように設けられており、前記円錐プリズム又は円錐ミラーは、当該円錐プリズム又は円錐ミラーにおける前記照明光の反射光の到達位置が前記円環状光源よりも前記円筒の奥行方向前方に位置するように、設けられていることが好ましい。
前記光線情報取得装置のうち少なくとも前記照明光源及び前記光線取得光学系が、前記円筒の内部へと挿入されることが好ましい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得するものであり、前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、を有する光線情報取得装置により、前記円筒内面からの前記照明光の反射光の光線情報を取得するステップと、直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換するステップと、前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施するステップと、を含む円筒内面観察方法が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得する光線情報取得装置と、前記光線情報取得装置により生成された前記光線情報に対して、所定の処理を施して、前記円筒内面の欠陥検査を行う演算処理装置と、を備え、前記光線情報取得装置は、前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、を有しており、前記演算処理装置は、直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換する極座標変換部と、前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施する、画像再構成部と、再構成された前記画像を用いて、前記円筒内面に存在する欠陥を検出する検出処理部と、を有する円筒内面検査装置が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得するものであり、前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、を有する光線情報取得装置により、前記円筒内面からの前記照明光の反射光の光線情報を取得するステップと、直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換するステップと、前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施するステップと、再構成された前記画像を用いて、前記円筒内面に存在する欠陥を検出する検出処理ステップと、を含む円筒内面検査方法が提供される。
以上説明したように本発明によれば、径の小さな円筒であっても、円筒内面をより高速に撮像することが可能となる。
本発明の第１の実施形態に係る円筒内面観察装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る円筒内面観察装置が備える光線情報取得装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る円筒内面観察装置が備える光線情報取得装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光線情報取得装置が有する照明光源を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る光線情報取得装置が有するライトフィールドカメラを説明するための説明図である。 同実施形態に係る光線情報取得装置が有するライトフィールドカメラを説明するための説明図である。 同実施形態に係る光線情報取得装置で生じる非点収差を説明するための説明図である。 同実施形態に係る円筒内面観察装置が備える演算処理装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る演算処理装置が有する画像処理部の構成の一例を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る画像処理部における座標変換処理を説明するための説明図である。 同実施形態に係る画像処理部における座標変換処理を説明するための説明図である。 同実施形態に係る画像処理部における画像再構成処理を説明するための説明図である。 同実施形態に係る画像再構成処理の具体例を示した説明図である。 同実施形態に係る画像再構成処理の具体例を示した説明図である。 同実施形態に係る画像再構成処理の具体例を示した説明図である。 同実施形態に係る画像再構成処理の具体例を示した説明図である。 同実施形態に係る円筒内面観察方法の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る円筒内面検査装置の全体構成の一例を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る円筒内面検査装置が備える演算処理装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る演算処理装置が有する画像処理部の構成の一例を模式的に示したブロック図である。 同実施形態に係る画像処理部における欠陥検出処理を説明するための説明図である。 同実施形態に係る円筒内面検査方法の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る演算処理装置のハードウェア構成の一例を模式的に示したブロック図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（円筒内面観察装置の全体構成について）
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る円筒内面観察装置の全体構成について、簡単に説明する。図１は、本実施形態に係る円筒内面観察装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。
本実施形態に係る円筒内面観察装置１０は、各種の鋼管や、シリンダー等の円筒内面に対して、以下で述べるような所定の照明光を照射した上で、かかる円筒内面における照明光の反射光が円筒内面観察装置１０に入射する際の入射位置と入射方向別の強度とに関する情報（以下、「光線情報」と称する。）を取得することで、光線情報を生成する装置である。生成された光線情報に着目することで、円筒内面を観察することができる。
なお、本実施形態に係る円筒内面は、中空部を有する円筒の内面であれば特に限定されるわけではないが、かかる円筒内面の例として、スパイラル鋼管、電縫鋼管、ＵＯ鋼管、継目無鋼管（シームレス鋼管）、鍛接鋼管、ＴＩＧ溶接鋼管等の各種鋼管や、各種のパイプ等、更には、エンジンシリンダーの内面等を挙げることができる。
本実施形態に係る円筒内面観察装置１０は、図１に示したように、円筒内面の光線情報を取得する光線情報取得装置１００と、光線情報取得装置１００の管軸方向に沿った移動を制御する駆動制御装置１５０と、取得した円筒内面の光線情報に対して、所定の処理を行う演算処理装置２００と、を備える。
光線情報取得装置１００は、かかる光線情報取得装置１００を構成する複数の構成部品のうち少なくとも照明装置、又は、光線情報を取得するセンサへと光を導く光線取得光学系のどちらかが、円筒の中空部に設置されてもよい。この光線情報取得装置１００は、円錐状の照明光を照射可能な照明光源を有しており、円筒の軸方向に沿って位置を随時変更しながら、円筒内面の光線情報を軸方向に沿って順次取得し、取得した光線情報を、演算処理装置２００に出力する装置である。光線情報取得装置１００は、駆動制御装置１５０により、各種構成部品の軸方向に沿った位置が制御されており、これら構成部品の移動に伴いＰＬＧ（Ｐｕｌｓｅ Ｌｏｇｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ：パルス型速度検出器）等からＰＬＧ信号が演算処理装置２００に出力される。また、光線情報取得装置１００は、演算処理装置２００によって、円筒内面の光線情報の取得タイミング等が制御されている。
なお、この光線情報取得装置１００の具体的な構成については、以下で改めて詳述する。
駆動制御装置１５０は、光線情報取得装置１００の管軸方向の移動を制御する、アクチュエータ等の装置である。駆動制御装置１５０は、演算処理装置２００による制御のもとで、構成部品の円筒の軸方向の移動の制御を行う。
演算処理装置２００は、光線情報取得装置１００による円筒内面の光線情報の取得処理を制御するとともに、光線情報取得装置１００によって生成された光線情報に対して以下で詳述する所定の処理を実施することで、円筒内面を観察する装置である。かかる演算処理装置２００の詳細な構成についても、以下で詳述する。
本実施形態に係る円筒内面観察装置１０は、これら光線情報取得装置１００、駆動制御装置１５０及び演算処理装置２００が互いに連携して機能することで、円筒内面を、より高速かつリアルタイムに観察することが可能となる。
（光線情報取得装置１００の構成について）
次に、図２Ａ〜図６を参照しながら、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０が備える光線情報取得装置１００の構成について、詳細に説明する。
図２Ａ及び図２Ｂは、本実施形態に係る円筒内面観察装置が備える光線情報取得装置の一例を模式的に示した説明図である。図３は、本実施形態に係る光線情報取得装置が有する照明光源を模式的に示した説明図である。図４及び図５は、本実施形態に係る光線情報取得装置が有するライトフィールドカメラを説明するための説明図である。図６は、本実施形態に係る光線情報取得装置で生じる非点収差を説明するための説明図である。
図２Ａ及び図２Ｂに模式的に示したように、本実施形態に係る光線情報取得装置１００は、円筒Ｓの内面の全周に亘って円錐状の照明光（以下、「円錐状照明光」ともいう。）を照射する照明光源１０１と、照明光が照射された円筒Ｓの内面の光線情報を取得するライトフィールドカメラ１０３と、円筒Ｓの内面での照明光の反射光をライトフィールドカメラ１０３へ導く光線取得光学系１０５と、を有している。
ここで、照明光源１０１と光線取得光学系１０５とは、固定部材によって固定されて、プローブとして機能するように設けられている。また、かかる照明光源１０１及び光線取得光学系１０５から構成されるプローブと、ライトフィールドカメラ１０３とは、非図示の公知の手段により固定されている。
なお、ライトフィールドカメラ１０３は、その大きさが円筒の内径よりも小さいものであれば、円筒の内部空間に、プローブとともに挿入されてもよい。また、ライトフィールドカメラ１０３は、円筒の内部空間へと挿入されずに、円筒の開口端より外部に位置していてもよい。
照明光源１０１は、例えば４００ｎｍ〜８００ｎｍ程度の可視光帯域に属する波長を有する円錐状照明光を、円筒内面の全周にわたって広がりを持ちながら照射する光源であり、後述する演算処理装置２００により、照明光の点灯タイミングや照射タイミング等が制御されている。照明光源１０１は、例えば図３に示したように、円環状の基台１１１の円周に沿って、照明光の照射方向を制御するためのレンズが設けられた発光素子１１３が、等間隔に複数配設されている。円錐状照明光は、それぞれの発光素子１１３から、円環状の基台１１１の中心に対して放射状に（すなわち、円環の径方向に外側に向かって）射出される。
円環状の基台１１１に設けられる発光素子１１３の個数や設置間隔は特に限定されるものではなく、着目する円筒内面の視野が所望の均一な明るさを有するように決定すればよい。また、図３に示したような複数の発光素子１１１の代わりに、照明光の照射方向を制御するためのレンズが設けられた１つのリング状の発光素子を用いても良い。
ライトフィールドカメラ１０３は、照明光が照射された円筒内面の光線情報を取得する装置であり、後述する演算処理装置２００により、円筒内面の光線情報の取得タイミング等が制御されている。ライトフィールドカメラ１０３を用いることで、取得した光線情報から画像を再構成することが可能であり、例えば再構成画像のピント（焦点位置）を、事後的に変更することができる。これにより、センサ面上ではピントの合っていなかった部位を、事後的にピントが合うように修正することができる。
図４に模式的に示したように、ライトフィールドカメラは、二次元感光素子（以下、「センサ」ともいう。）上の光線（入射光）の強度を、入射位置（ｘ，ｙ）毎についてだけでなく、入射光の入射方向毎についても記録する。２次元光線情報取得素子は、通常、格子状に画素が配列されているため、取得される光線情報も、直交座標系で表されるものとなる。図４において、入射光のｘｚ平面内での傾きをｕとし、入射光のｙｚ平面内での傾きをｖとすると、ライトフィールドカメラ１０３が取得した光線情報Ｉは、位置かつ方向毎の強度Ｉ（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）という４変数の関数となる。ライトフィールドカメラ１０３が取得した光線情報を、（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）で規定される４次元空間中の２方向について和を取ることで、焦点位置を変えた画像を再構成することができる。
ライトフィールドカメラによる画像の再構成処理について、図５を参照しながら、その原理を簡単に説明しておく。以下では、説明の便宜上、空間１次元、かつ、方向１次元の計２次元で規定される輝度値Ｉｘ（ｘ，ｕ）を取り上げる。ライトフィールドカメラによる画像の再構成処理は、図５に模式的に示したように、センサ面ｚ＝０に対して、仮想的な焦点面（仮想焦点面）をｚ＝Δｚの位置に設定し、かかる仮想焦点面に結像する光線を取り出す処理となる。ここで、仮想焦点面での座標をｘ’と表わすこととすると、ｘ’の位置に結像する光線のセンサ面上での座標は、光線の入射方向の傾きがｕであることから、ｘ＝ｘ’＋Δｚｕとなる。従って、方向ｕについて、これらの光線を加算することで、位置ｘ’に結像している光の強度Ｉｒｅｆｏｃｕｓｘ（ｘ’）を、以下の式１１のように求めることができる。ここで、以下の式１１におけるΔｚ（すなわち、仮想焦点面の位置）は、画像再構成処理を実施するユーザが決定する値となる。
また、２次元の光線情報を再構成する場合には、図５に示した１次元の場合と同様に、まず１つの方向について和を取った後で、もう一つの方向について和を取ればよい。従って、以下の式１３により、まず１つの方向ｕについて和を取って、光の強度Ｉｔｅｍｐｘ（ｘ’，ｙ’，ｖ）を算出し、その後、式１５により、もう１つの方向ｖについて和を取ることで、光の強度Ｉｒｅｆｏｃｕｓ（ｘ’，ｙ’）を求めることができる。
本実施形態に係る光線情報取得装置１００では、このようなライトフィールドカメラ１０３を、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、照明光源１０１及び光線取得光学系１０５の後段（照明光源１０１及び光線取得光学系１０５から構成されるプローブの挿入方向に対して、かかるプローブの後側）に配設される。また、照明光源１０１及び光線取得光学系１０５から構成されるプローブと、ライトフィールドカメラ１０３とは、円筒内面と同心となるように配設されている。
かかるライトフィールドカメラ１０３の詳細な構成については、特に限定されるものではなく、例えば上記特許文献４に開示されているようなライトフィールドカメラ等、公知の各種のライトフィールドカメラをそのまま利用することが可能である。また、かかるライトフィールドカメラ１０３には、レンズ系が備わっており、通常のカメラと同じように、光軸に垂直なある平面について、かかる平面の１点から出た光がセンサ面上の１点に集まるようにすることが、可能となっている。
光線取得光学系１０５は、円筒内面での照明光の反射光を、ライトフィールドカメラ１０３へと導く光学系である。この光線取得光学系１０５は、図２Ａに示したような円錐ミラー１２１、又は、図２Ｂに示したような円錐プリズム１２３を有している。図２Ａに示した円錐ミラー１２１、又は、図２Ｂに示した円錐プリズム１２３により、ライトフィールドカメラ１０３の光路は直角に曲げられており、ライトフィールドカメラ１０３が、照明光の照射された円筒内面について、全周にわたって光線情報を取得可能なようになっている。なお、光路を直角に折り曲げた場合、内面を垂直に観察することができ、内面の凹みや穴を観察するためには好ましい配置となるが、必ずしも光路を直角に折り曲げなくともよい。
ここで、円錐ミラー１２１は、図２Ａでは図示していない透明な素材により、装置の挿入方向を前方としてライトフィールドカメラ１０３の前方に保持されており、円錐プリズム１２３は、図２Ｂでは図示していない素材により、ライトフィールドカメラ１０３の前方に保持されている。円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３の中心軸は、円錐面と円筒内面との距離を等しくするために、円筒の中心軸と同心に配置されている。なお、図２Ｂに示した例では、円錐プリズム１２３を保持する素材は、必ずしも透明でなくてもよい。
これら円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３は、内面を垂直に観察する場合には、円筒面から垂直に出射した光を円筒の軸に平行になるように光線を垂直に折り曲げるような頂角を有している必要があるが、必ずしもそのような頂角を有していなくともよい。測定対象の軸方向の長さが短い場合には、照明光と同じように円筒面から円錐状に出射した光（ただし、向きは逆である。）が円筒の軸に平行になるよう、斜めに屈折するような頂角としておけば、光線情報取得装置１００を内部に挿入する必要が無くなるという利点がある。
また、ライトフィールドカメラ１０３の光軸と円筒の中心軸は一致する必要は無いが、少なくとも平行となっている必要がある。
また、円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３により、ライトフィールドカメラ１０３の光路を直角に曲げた場合は、図２Ａ及び図２Ｂに模式的に示したように、円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３は、円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３における照明光の反射光の到達位置が照明光源１０１よりも軸方向前方（すなわち、円筒の奥行方向前方）に位置するように、設けられていることが好ましい。
ここで、図６上段に表としてまとめたように、円錐ミラー１２１は、円筒の軸方向については、平面ミラーとして機能する一方で、円筒の周方向については、凸面鏡として機能してしまう。そのため、図６の中段に示したように、円筒の軸方向についてセンサ面に結像させるようにライトフィールドカメラ１０３のレンズ系を調整した場合、円筒の周方向については、円錐ミラー１２１が凸面鏡として機能することで結像関係を維持することができず、円筒内面の像は、ボケた状態でライトフィールドカメラ１０３のセンサ面に結像することとなる。
また、円錐プリズム１２３は、円筒の軸方向については、平面ミラーとして機能する一方で、円筒の周方向については、凹面鏡として機能してしまう。そのため、図６の下段に示したように、円筒の軸方向についてセンサ面に結像されるようにライトフィールドカメラ１０３のレンズ系を調整した場合、円筒の周方向については、円錐プリズム１２３が凹面鏡として機能することで結像関係を維持することができず、円筒内面の像は、ボケた状態でライトフィールドカメラ１０３のセンサ面に結像することとなる。
その結果、先だって言及したように、円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３を、光線取得光学系１０５として利用することで、円周方向の焦点位置と動径方向の焦点位置とが異なる、いわゆる非点収差が発生してしまう。本実施形態に係る円筒内面観察装置１０では、これら円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３によって生じる非点収差を、上記のようなライトフィールドカメラの画像再構成処理を利用して事後的に修正する。
なお、図２Ａ及び図２Ｂでは、光線取得光学系１０５として、円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３しか図示していないが、光線取得光学系１０５は、これら円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３に加えて、各種のレンズやミラー等といった公知の光学素子を更に有していてもよい。また、光線取得光学系１０５は、円筒内面の像を、遠方（例えば、円筒の外部）に位置するライトフィールドカメラ１０３へとリレーするリレー光学系等を更に有していてもよい。
以上説明したような照明光源１０１、ライトフィールドカメラ１０３及び光線取得光学系１０５が互いに連携することで、照明に照らされた部分の光線情報が取得され、演算処理装置２００へと随時出力される。
このように、本実施形態に係る光線情報取得装置１００では、円筒内面について、照明光の照射されている部分の光線情報を、１台のライトフィールドカメラ１０３を用いて、一度に全周に亘って取得することができる。そのため、本実施形態に係る光線情報取得装置１００を用いることで、径の小さな円筒であっても、円筒内面について、より高速に光線情報を取得することが可能となる。
以上、図２Ａ〜図６を参照しながら、本実施形態に係る光線情報取得装置１００の構成について、詳細に説明した。
（演算処理装置２００の構成について）
次に、図７〜図１１を参照しながら、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０が備える演算処理装置２００の構成について、詳細に説明する。
図７は、本実施形態に係る円筒内面観察装置が備える演算処理装置の全体構成を模式的に示したブロック図であり、図８は、本実施形態に係る演算処理装置が有する画像処理部の構成の一例を模式的に示したブロック図である。図９及び図１０は、本実施形態に係る画像処理部における座標変換処理を説明するための説明図であり、図１１は、本実施形態に係る画像処理部における画像再構成処理を説明するための説明図である。
本実施形態に係る演算処理装置２００は、光線情報取得装置１００による円筒内面の光線情報取得処理を制御するとともに、光線情報取得装置１００により生成された光線情報に対して、所定の画像処理を施す装置である。この演算処理装置２００は、例えば図７に示したように、光線情報取得制御部２０１と、画像処理部２０３と、表示制御部２０５と、記憶部２０７と、を主に備える。
光線情報取得制御部２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。光線情報取得制御部２０１は、本実施形態に係る光線情報取得装置１００による円筒内面の光線情報の取得制御を実施する。より詳細には、光線情報取得制御部２０１は、円筒の光線情報の取得を開始する場合に、照明光源１０１に対して照明光の照射を開始させるための制御信号を送出する。
また、光線情報取得装置１００が円筒内面の光線情報の取得を開始すると、光線情報取得装置１００又は駆動制御装置１５０からＰＬＧ信号が定期的に（例えば、光線情報取得装置１００のプローブが０．５ｍｍ移動する毎に１パルスのＰＬＧ信号）送出されるが、光線情報取得制御部２０１は、ＰＬＧ信号を取得する毎に、ライトフィールドカメラ１０３に対して光線情報の取得を開始するためのトリガ信号を送出する。
画像処理部２０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。画像処理部２０３は、光線情報取得装置１００（より詳細には、光線情報取得装置１００のライトフィールドカメラ１０３）から取得した光線情報を用いて、先だって簡単に言及したような、画像再構成処理を実施する。画像処理部２０３は、円筒内面の光線情報を用いた画像再構成処理を終了すると、得られた再構成後の画像（以下、「再構成画像」ともいう。）に関する情報を、表示制御部２０５に伝送する。
なお、この画像処理部２０３については、以下で改めて詳細に説明する。
表示制御部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部２０５は、画像処理部２０３から伝送された、円筒内面の光線情報から再構成した再構成画像を、演算処理装置２００が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理装置２００の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、円筒内面観察装置１０の利用者は、観察対象物である円筒内面を、その場で観察することが可能となる。
記憶部２０７は、例えば本実施形態に係る演算処理装置２００が備えるＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部２０７には、本実施形態に係る演算処理装置２００が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部２０７は、光線情報取得制御部２０１、画像処理部２０３、表示制御部２０５等が、自由にリード／ライト処理を実行することが可能である。
＜画像処理部２０３について＞
続いて、図８を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００が備える画像処理部２０３について、詳細に説明する。
本実施形態に係る画像処理部２０３は、図８に示したように、極座標変換部２１１と、画像再構成部２１３と、結果出力部２１５と、を主に備える。
極座標変換部２１１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。極座標変換部２１１は、光線情報取得装置１００により生成された、直交座標系で表わされた光線情報を、円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換して、極座標系での光線情報を生成する。
先だって図６を参照しながら説明したように、本実施形態に係る光線情報取得装置１００では、光線取得光学系１０５として、円錐面を有する円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３を用いているため、非点収差が発生して、円筒の軸方向と、円筒の周方向とで、焦点位置にズレが生じている。そのため、図５を参照しながら簡単に説明したような、画像の再構成処理を実施することで、円筒の軸方向と周方向との間の焦点位置のズレを再構成する。この際、光線情報において着目すべき方向が、円筒の軸方向と周方向であるため、直交座標系で表わされた光線情報よりも、極座標系で表わされた光線情報の方が、以降の画像再構成処理を実施しやすくなる。そこで、本実施形態に係る極座標変換部２１１は、直交座標系で表わされた光線情報を、円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換して、極座標系での光線情報を生成する。
先だって言及したように、ライトフィールドカメラ１０３で生成される光線情報Ｉは、画素位置を表す２つの直交座標系での変数（ｘ，ｙ）と、入射光の直交座標系での入射方向を表す２つの変数（ｕ，ｖ）と、を用いた４変数の関数Ｉ（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）として光の入射強度を表すものとなっている。そこで、極座標変換部２１１は、図９に示したような４変数（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）で規定される直交座標系での光線情報Ｉ（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）を、４変数（ｒ，θ，φ，ω）で規定される極座標系での光線情報Ｉｔｒａｎｓ（ｒ，θ，φ，ω）へと変換する。ここで、（ｒ，θ）は、極座標系における画素位置を表す２つの変数であり、（φ，ω）は、極座標系における入射光の入射方向を表す２つの変数である。
より詳細には、極座標変換部２１１は、極座標空間（ｒ，θ，φ，ω）に格子点を設定し、かかる格子点上に対応する直交座標系上での点（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）の座標を求め、Ｉ（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）をサンプリングすることで、極座標系での光線情報Ｉｔｒａｎｓ（ｒ，θ，φ，ω）を生成する。この際、極座標変換部２１１は、変数（ｒ，θ）から変数（ｘ，ｙ）への変換を、以下の式１０１及び式１０３に基づき実施する。また、極座標変換部２１１は、変数（φ，ω）から変数（ｕ，ｖ）への変換を、２次元の回転行列を用いた以下の式１０５に基づき実施する。かかる演算により、直交座標系で表わされた光線情報Ｉ（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）が、極座標系で表わされた光線情報Ｉｔｒａｎｓ（ｒ，θ，φ，ω）へと変換される。
なお、ライトフィールドカメラにより取得される光線情報Ｉは、直交座標系での格子点（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）の値であるが、極座標変換部２１１で実施される座標変換は、直交座標系から極座標系への座標変換であるため、極座標系における格子点（ｒ，θ，φ，ω）に対応する直交座標系における格子点（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）が存在しない場合が考えられる。そこで、極座標変換部２１１は、このような場合、サンプリングしたい点（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）の近傍に位置する他の格子点の濃度に基づいて補間する、いわゆる画像補間法を併せて実施することが好ましい。
かかる画像補間法は、特に限定されるものではなく、例えば、「昭晃堂 画像処理ハンドブック」等に記載されている公知の画像補間法を利用することが可能である。このような画像補間法の例として、最近傍（ｎｅａｒｅｓｔ ｎｅｉｇｈｂｏｒ）法、双線形補間（ｂｉ−ｌｉｎｅａｒ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）法、３次補間（ｂｉ−ｃｕｂｉｃ ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎ）法等を挙げることができる。これらの方法のうち、前者ほど処理速度が速く、後者ほど高品質の結果を得ることができる。そこで、極座標変換部２１１は、利用する画像補間法の種別を、処理に用いることのできるリソース量や処理時間等に応じて適宜決定すればよい。
このような極座標変換部２１１による座標変換処理により、図１０上段に模式的に示したような直交座標系（ｘ，ｙ）における、照明光の照射された内面に対応する円形の領域は、図１０下段に模式的に示したように、円筒内面を平面に展開した極座標系（ｒ，θ）での矩形の領域に対応することになる。
極座標変換部２１１は、以上説明したような座標変換処理や画像補間処理により、極座標系で表わされた光線情報（すなわち、輝度値Ｉｔｒａｎｓ（ｒ，θ，φ，ω））を生成すると、生成した極座標系での光線情報を、後段の画像再構成部２１３へと出力する。
画像再構成部２１３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。画像再構成部２１３は、極座標変換部２１１により生成された極座標系での光線情報を利用し、円筒の軸方向と、円筒の周方向とで焦点位置を変えて、画像再構成処理を実施する。
より詳細には、画像再構成部２１３は、極座標変換部２１１により生成された、極座標系で光線情報Ｉｔｒａｎｓ（ｒ，θ，φ，ω）を用いて、以下の式１１１及び式１１３により画像再構成処理を実施する。
ここで、画像再構成部２１３は、予め設定された再構成パラメータであるｋｒを用いて、式１１１に基づき方向φについて和を取ることで、中間情報Ｉｔｅｍｐφ（ｒ，θ，ω）を算出した後、予め設定された再構成パラメータであるｋθを用いて、式１１３に基づき方向ωについて和を取ることで、再構成後の画像の輝度値Ｉｐｏｌａｒ（ｒ，θ）を算出する。
なお、上記式１１１及び式１１３における再構成パラメータｋｒ，ｋθは、観察対象とする円筒の内径、光線取得光学系１０５として利用する円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３のサイズ、ライトフィールドカメラ１０３から円錐ミラー１２１又は円錐プリズム１２３への距離、ライトフィールドカメラ１０３に設けられたレンズの焦点距離等といった各種の光線情報取得条件に基づき、変化するものである。従って、上記のような条件を変化させながら事前に実験を行い、軸方向の焦点位置を適切に修正することが可能な再構成パラメータｋｒと、周方向の焦点位置を適切に修正することが可能な再構成パラメータｋθと、を、円筒の内径に応じて予め決定しておく。このような再構成パラメータｋｒ，ｋθに関する情報は、例えば図１１に示したようにデータベース化した上で、記憶部２０７等に予め格納しておけばよい。
ここで、図５に示したように、仮想焦点面の移動量Δｚが大きいとセンサ面座標（ｘ，ｙ）での和を取る範囲が大きくなるため、センサ面から和を取る領域がはみ出すようになる。従って、再構成パラメータｋｒ，ｋθは、なるべく小さくなるように設定することが好ましい。
上記のようにするためには、ライトフィールドカメラ１０３に装着されたレンズ系の焦点位置が、円筒の軸方向のみがセンサ面上に合焦状態となる焦点位置と、円筒の周方向のみがセンサ面上に合焦状態となる焦点位置と、の間に設定することが好ましい。この場合には、画像再構成部２１３は、極座標系での光線情報における動径方向及び偏角方向の焦点位置をそれぞれ所定量変化させて、画像再構成処理を実施する。より詳細には、画像再構成部２１３は、図１１に示したようなデータベースを参照して再構成パラメータｋｒを特定し、上記式１１１に基づき輝度値Ｉｔｅｍｐφ（ｒ，θ，ω）を算出した後、図１１に示したようなデータベースを参照して再構成パラメータｋθを特定し、上記式１１３に基づき輝度値Ｉｐｏｌａｒ（ｒ，θ）を算出する。
画像再構成部２１３は、以上のようにして再構成画像を生成すると、生成した再構成画像を、結果出力部２１５へと出力する。
なお、画像再構成部２１３による画像再構成処理は、少なくとも、照明光が照射されている円筒内面に対して実施されればよい。従って、例えば図１０下段に示したような極座標系での光線情報が得られている場合に、画像再構成部２１３は、照明光の照射された内面に対応する（ｒ，θ）部分のみを切り出して処理対象画像とし、かかる処理対象画像に対して、上記のような画像再構成処理を実施してもよい。また、画像再構成部２１３は、各タイミングで取得された複数の光線情報のそれぞれから、上記のような処理対象画像を生成した上で、複数の処理対象画像を取得順に軸方向に沿って結合していくことで結合画像を生成し、かかる結合画像に対して、一括して上記のような画像再構成処理を実施してもよい。
結果出力部２１５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。結果出力部２１５は、画像再構成部２１３により生成された再構成画像に関する情報を、表示制御部２０５に出力する。これにより、円筒内面の光線情報から得られた再構成画像が、表示部（図示せず。）に出力されることとなる。また、結果出力部２１５は、得られた再構成画像を、製造管理用プロコン等の外部の装置に出力してもよく、得られた再構成画像を用いて、各種の帳票を作成してもよい。また、結果出力部２１５は、再構成画像を、当該画像が生成された日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部２０７等に履歴情報として格納してもよい。
以上、図８〜図１１を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００が備える画像処理部２０３の構成について、詳細に説明した。
以上、本実施形態に係る演算処理装置２００の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
（画像再構成処理の具体例）
次に、図１２〜図１５を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００で実施される画像再構成処理について、具体的に説明する。図１２〜図１５は、本実施形態に係る画像再構成処理の具体例を示した説明図である。
以下の具体例では、光線情報取得装置１００のライトフィールドカメラ１０３として、焦点距離５０ｍｍの単焦点レンズが装着された市販のライトフィールドカメラを利用するとともに、光線取得光学系１０５として、直径３０ｍｍの円錐プリズムを利用した光線情報取得装置１００を構築した。ここで、用いたライトフィールドカメラは、（ｘ，ｙ，ｕ，ｖ）の格子数６３２×４３４×１５×１５について、光線情報を取得可能なものである。
また、本具体例では、図１２に示したようなテストパターンが印刷された印刷物を円筒形に形成したものを、試験体として用いた。なお、かかる試験体は、直径が５０ｍｍとなるように形成されている。
まず、ライトフィールドカメラ１０３の代わりに通常のエリアカメラを用いて、上記のような試験体の内面の光線情報を取得した。この際、エリアカメラの絞りは、Ｆ２に設定した。得られた光線情報の取得結果を、図１３に示した。図１３は、軸方向のパターンにピントを合わせた状態（状態Ａ）の光線情報と、周方向のパターンにピントを合わせた状態（状態Ｂ）の光線情報と、をあわせて示している。
ここで、図１３の各光線情報では、円錐プリズムを保持するために利用したレンズホルダのアームが、画像中に写り込んでいる。また、図１３の各光線情報において、２本の点線で囲まれた部分は、円錐プリズムの円柱面に対応する部分であり、内側に位置する点線よりも画像中心部側に位置する部分が、円錐プリズムを介して取得された、試験体の内面の光線情報となっている。なお、画像の中心部は、円錐の頂点が切り落とされて平面になっているために、円形の空白となっている。
図１３に示した２つの光線情報を比較すると明らかなように、カメラの絞りをＦ２に設定した場合では、軸方向又は周方向の何れか一方にしかピントを合わせることができず、図１２に示したような２種類のテストパターンの双方にピントが合った状態を作り出すことは出来ない。
次に、ライトフィールドカメラを用い、図１３の左図に示した状態（状態Ａ）の条件と同様にして光線情報の取得を行い、得られた光線情報に対して、再構成パラメータｋｒ，ｋθを変えながら画像再構成処理を行った結果を、図１４に示した。なお、かかる画像再構成処理では、円錐プリズムを介してライトフィールドカメラに結像した部分のみを使用している。
図１４において、ｋｒ＝ｋθ＝０とした場合では、焦点位置を変化させていないため、図１３左図と同様の画像が得られている。一方で、ｋｒ＝２．５、ｋθ＝０として動径方向（試験体の径方向）の焦点位置を変えて画像再構成処理を行うことで、軸方向と周方向の双方でピントの合った画像を得ることができた。
同様に、ライトフィールドカメラを用い、図１３の右図に示した状態（状態Ｂ）の条件と同様にして光線情報の取得を行い、得られた光線情報に対して、再構成パラメータｋｒ，ｋθを変えながら画像再構成処理を行った結果を、図１５に示した。図１５においても、円錐プリズムを介してライトフィールドカメラに結像した部分のみを使用して、画像再構成処理を実施している。
図１５において、ｋｒ＝ｋθ＝０とした場合では、焦点位置を変化させていないため、図１３右図と同様の画像が得られている。一方で、ｋｒ＝０、ｋθ＝−１００として偏角方向（試験体の周方向）の焦点位置を変えて画像再構成処理を行うことで、軸方向と周方向の双方でピントの合った画像を得ることができた。
かかる結果からも明らかなように、ライトフィールドカメラを利用し、以上説明したような極座標系による画像再構成処理を実施することで、光線取得光学系１０５として円錐ミラー又は円錐プリズムを用いた場合であっても、非点収差による画像のボケを取り除いた、適切な光線情報を得ることが可能となる。
（円筒内面観察方法について）
次に、図１６を参照しながら、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０を用いて実施される円筒内面観察方法の流れの一例について、簡単に説明する。図１６は、本実施形態に係る円筒内面観察方法の流れの一例を示した流れ図である。
本実施形態に係る円筒内面観察方法では、まず、演算処理装置２００による制御のもとで、以上説明したような光線情報取得装置１００により円筒内面の光線情報が取得され（ステップＳ１０１）、光線情報が生成される。生成された光線情報は、円筒内面観察装置１０の演算処理装置２００へと出力される。
演算処理装置２００が備える画像処理部２０３の極座標変換部２１１は、光線情報取得装置１００により生成された直交座標系での光線情報を、以上説明したような方法で、極座標系へと座標変換し（ステップＳ１０３）、極座標系での光線情報を生成する。生成された極座標系での光線情報は、画像再構成部２１３へと出力される。
その後、画像再構成部２１３は、極座標系での光線情報を用いて、以上説明したような方法により、画像再構成処理を実施する（ステップＳ１０５）。これにより、軸方向と周方向の双方でピントの合った、再構成画像が生成されることとなる。画像再構成部２１３は、生成した再構成画像を、結果出力部２１５へと出力する。
結果出力部２１５は、画像再構成部２１３により生成された再構成画像を、出力する（ステップＳ１０７）。これにより、円筒内面観察装置１０の利用者は、着目している円筒内面の様子を、その場で把握することが可能となる。
以上、本実施形態に係る円筒内面観察方法の流れの一例を、簡単に説明した。
（円筒内面検査装置の全体構成について）
次に、図１７を参照しながら、本実施形態に係る円筒内面検査装置１５の全体構成を説明する。図１７は、本実施形態に係る円筒内面検査装置の全体構成の一例を模式的に示したブロック図である。
本実施形態に係る円筒内面検査装置１５は、図１〜図１１を参照しながら説明した、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０に対して、円筒内面の検査機能を付加した装置となっている。かかる円筒内面検査装置１５は、例えば図１７に示したように、光線情報取得装置１００と、駆動制御装置１５０と、演算処理装置２５０と、を主に備える。
ここで、本実施形態に係る円筒内面検査装置１５の光線情報取得装置１００及び駆動制御装置１５０は、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０の光線情報取得装置１００及び駆動制御装置１５０と同様の構成を有し、同様の効果を奏するものである。従って、以下では詳細な説明は省略する。
また、本実施形態に係る円筒内面検査装置１５の演算処理装置２５０は、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０の演算処理装置２００に対して、円筒内面の検査機能を更に付加したものである。この演算処理装置２５０の構成については、以下で改めて説明する。
（演算処理装置の構成について）
次に、図１８を参照しながら、本実施形態に係る円筒内面検査装置１５が備える演算処理装置２５０の構成について説明する。図１８は、本実施形態に係る円筒内面検査装置が備える演算処理装置の全体構成を模式的に示したブロック図である。
本実施形態に係る円筒内面検査装置１５が有する演算処理装置２５０は、例えば図１８に示したように、光線情報取得制御部２０１と、表示制御部２０５と、記憶部２０７と、画像処理部２５１と、を主に備える。
ここで、本実施形態に係る演算処理装置２５０における光線情報取得制御部２０１、表示制御部２０５、及び、記憶部２０７は、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０が備える光線情報取得制御部２０１、表示制御部２０５、及び、記憶部２０７と同様の構成を有し、同様の効果を奏するものである。従って、以下では詳細な説明は省略する。
画像処理部２５１は、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０の画像処理部２０３に対して、円筒内面の検査機能を更に付加したものである。この画像処理部２０３は、例えば図１９に示したように、極座標変換部２１１と、画像再構成部２１３と、検出処理部２６１と、結果出力部２６３と、を主に有している。
ここで、本実施形態に係る画像処理部２５１における極座標変換部２１１及び画像再構成部２１３は、本実施形態に係る円筒内面観察装置１０が備える極座標変換部２１１及び画像再構成部２１３と同様の構成を有し、同様の効果を奏するものである。従って、以下では詳細な説明は省略する。
検出処理部２６１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。検出処理部２６１は、画像再構成部２１３によって生成された再構成画像に基づいて、円筒内面に存在する欠陥を検出する処理部である。
かかる検出処理部２６１は、再構成画像に基づいて欠陥部位を特定する欠陥部位特定機能と、特定した欠陥部位の形態及び輝度値に関する特徴量を抽出する特徴量抽出機能と、抽出した特徴量に基づいて欠陥の種別や有害度等を判別する欠陥判別機能と、を有している。以下、これらの機能について、簡単に説明する。
○欠陥部位特定機能
検出処理部２６１は、取得した再構成画像の各画素に対して、周辺画素との輝度値の線形和を得るフィルタ処理によって縦線状疵、横線状疵、微小疵等の領域を強調し、得られた値が、欠陥部位特定のための第１の閾値以上となるか否かの判定を行う。このようなフィルタ処理及び当該フィルタ処理結果に基づく判定処理を実施することで、検出処理部２６１は、欠陥部位を特定するための二値化画像を生成することができる。かかる二値化画像において、算出した値が第１の閾値未満であった画素が正常箇所（すなわち、二値化画像の輝度値＝０）に該当し、算出した値が第１の閾値以上であった画素が欠陥箇所（すなわち、二値化画像の輝度値＝１）に該当する。更に、検出処理部２６１は、連続して発生している欠陥箇所を結合していくことで、一つ一つの欠陥部位を特定する。
○特徴量抽出機能
検出処理部２６１は、欠陥部位特定機能により再構成画像の欠陥部位を特定すると、特定した欠陥部位ごとに、欠陥部位の形態及び輝度値に関する特徴量を抽出する。欠陥部位の形態に関する特徴量として、例えば、欠陥部位の幅、欠陥部位の長さ、欠陥部位の周囲長、欠陥部位の面積、欠陥部位の外接長方形の面積等を挙げることができる。また、欠陥部位の輝度値に関する特徴量として、欠陥部位の最大輝度値、最小輝度値、平均輝度値等を挙げることができる。
○欠陥判別機能
検出処理部２６１は、特徴量抽出機能により各欠陥部位の特徴量を抽出すると、欠陥部位ごとに、抽出した特徴量に基づいて欠陥の種別や有害度等を判別する。特徴量に基づく欠陥の種別や有害度等の判別処理は、例えば図２０に示したようなロジックテーブルを用いて行われる。すなわち、検出処理部２６１は、図２０に例示したようなロジックテーブルによって表される判別条件に基づき、欠陥の種別や有害度を判別する。
図２０に例示したように、ロジックテーブルの縦方向の項目として、欠陥の種別（欠陥Ａ１〜欠陥Ａｎ）が記載されており、ロジックテーブルの横方向の項目として、特徴量の種類（特徴量Ｂ１〜特徴量Ｂｍ）が記載されている。また、欠陥の種別及び特徴量により規定されるテーブルの各セルには、対応する特徴量の大小による判別条件式（条件式Ｃ１１〜条件式Ｃｎｍ）が記述されている。このようなロジックテーブルの各行が一組となって、一つ一つの欠陥の種別の判別条件となる。判別処理は、最上位の行に記載された種別から順に行われ、何れか一つの行に記載された判別条件を全て満たした時点で終了する。
このようなロジックテーブルは、過去の操業データ及び当該操業データに基づく検定員による欠陥の種別及び有害度の特定結果を教師データとした学習処理により構築されたデータベースを用いて、公知の方法により生成することが可能である。
検出処理部２６１は、このようにして検出した欠陥部位ごとに欠陥の種別及び有害度を特定し、得られた検出結果を結果出力部２６３へと出力する。
なお、以上の説明では、ロジックテーブルを用いて欠陥の種別や有害度を判別する場合について説明したが、欠陥の種別や有害度を判別する方法は上記例に限定されるわけではない。例えば、過去の操業データ及び当該操業データに基づく検定員による欠陥の種別及び有害度の特定結果を教師データとした学習処理により、ニューラルネットやサポートベクターマシン（ＳＶＭ）等の判別器を生成し、かかる判別器を欠陥の種別や有害度の判別に利用してもよい。
結果出力部２６３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。結果出力部２６３は、画像再構成部２１３により生成された再構成画像に関する情報と、検出処理部２６１による欠陥検出結果に関する情報と、を、表示制御部２０５に出力する。これにより、円筒内面の光線情報から得られた再構成画像や、欠陥検出結果に関する情報が、表示部（図示せず。）に出力されることとなる。また、結果出力部２６３は、得られた再構成画像や欠陥検出結果を、製造管理用プロコン等の外部の装置に出力してもよく、得られた再構成画像や欠陥検出結果を用いて、各種の帳票を作成してもよい。また、結果出力部２６３は、再構成画像や欠陥検出結果に関する情報を、当該情報が生成された日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部２０７等に履歴情報として格納してもよい。
以上、図１８〜図２０を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２５０が備える画像処理部２５１の構成について、詳細に説明した。
以上、本実施形態に係る演算処理装置２５０の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
（円筒内面検査方法について）
次に、図２１を参照しながら、本実施形態に係る円筒内面検査装置１５を用いて実施される円筒内面検査方法の流れの一例について、簡単に説明する。図２１は、本実施形態に係る円筒内面検査方法の流れの一例を示した流れ図である。
本実施形態に係る円筒内面検査方法では、まず、演算処理装置２５０による制御のもとで、以上説明したような光線情報取得装置１００により円筒内面の光線情報が取得され（ステップＳ２０１）、光線情報が生成される。生成された光線情報は、円筒内面検査装置１５の演算処理装置２５０へと出力される。
演算処理装置２５０が備える画像処理部２５１の極座標変換部２１１は、光線情報取得装置１００により生成された直交座標系での光線情報を、以上説明したような方法で、極座標系へと座標変換し（ステップＳ２０３）、極座標系での光線情報を生成する。生成された極座標系での光線情報は、画像再構成部２１３へと出力される。
その後、画像再構成部２１３は、極座標系での光線情報を用いて、以上説明したような方法により、画像再構成処理を実施する（ステップＳ２０５）。これにより、軸方向と周方向の双方でピントの合った、再構成画像が生成されることとなる。画像再構成部２１３は、生成した再構成画像を、検出処理部２６１及び結果出力部２６３へと出力する。
検出処理部２６１は、画像再構成部２１３により生成された再構成画像を用いて、以上説明したような欠陥検出処理を実施する（ステップＳ２０７）。これにより、円筒内面に存在する各種の欠陥が検出されることとなる。検出処理部２６１は、円筒内面に関する欠陥検出結果を、結果出力部２６３へと出力する。
結果出力部２６３は、画像再構成部２１３により生成された再構成画像、及び、検出処理部２６１により生成された欠陥検出結果に関する情報を出力する（ステップＳ２０９）。これにより、円筒内面検査装置１５の利用者は、着目している円筒内面の検査結果を、その場で把握することが可能となる。
以上、本実施形態に係る円筒内面検査方法の流れの一例を、簡単に説明した。
（ハードウェア構成について）
次に、図２２を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００，２５０のハードウェア構成について、詳細に説明する。図２２は、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００，２５０のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
演算処理装置２００，２５０は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理装置２００，２５０は、更に、バス９０７と、入力装置９０９と、出力装置９１１と、ストレージ装置９１３と、ドライブ９１５と、接続ポート９１７と、通信装置９１９とを備える。
ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１３、又はリムーバブル記録媒体９２１に記録された各種プログラムに従って、演算処理装置２００，２５０内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるバス９０７により相互に接続されている。
バス９０７は、ブリッジを介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バスに接続されている。
入力装置９０９は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９０９は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理装置２００，２５０の操作に対応したＰＤＡ等の外部接続機器９２３であってもよい。更に、入力装置９０９は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９０９を操作することにより、演算処理装置２００，２５０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
出力装置９１１は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１１は、例えば、演算処理装置２００，２５０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理装置２００，２５０が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
ストレージ装置９１３は、演算処理装置２００，２５０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１３は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１３は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び外部から取得した各種のデータなどを格納する。
ドライブ９１５は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理装置２００，２５０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、ＣＤメディア、ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２１は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。
接続ポート９１７は、機器を演算処理装置２００，２５０に直接接続するためのポートである。接続ポート９１７の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート、ＲＳ−２３２Ｃポート等がある。この接続ポート９１７に外部接続機器９２３を接続することで、演算処理装置２００，２５０は、外部接続機器９２３から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２３に各種のデータを提供したりする。
通信装置９１９は、例えば、通信網９２５に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９１９は、例えば、有線もしくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又はＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９１９は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９１９は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９１９に接続される通信網９２５は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、社内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
以上、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００，２５０の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１０ 円筒内面観察装置
１５ 円筒内面検査装置
１００ 光線情報取得装置
１０１ 照明光源
１０３ ライトフィールドカメラ
１０５ 光線取得光学系
１１１ 基台
１１３ 発光素子
１２１ 円錐ミラー
１２３ 円錐プリズム
２００，２５０ 演算処理装置
２０１ 光線情報取得制御部
２０３，２５１ 画像処理部
２０５ 表示制御部
２０７ 記憶部
２１１ 極座標変換部
２１３ 画像再構成部
２１５，２６３ 結果出力部
２６１ 検出処理部

Claims (8)

  1. 円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得する光線情報取得装置と、
    前記光線情報取得装置により生成された前記光線情報に対して、所定の処理を施して前記円筒内面の像を再構成する演算処理装置と、
    を備え、
    前記光線情報取得装置は、
    前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、
    前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、
    円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、
    を有しており、
    前記演算処理装置は、
    直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換する極座標変換部と、
    前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施する、画像再構成部と、
    を有する、円筒内面観察装置。
  2. 前記ライトフィールドカメラの前記レンズ系の焦点位置は、前記円筒の軸方向のみが合焦状態となる焦点位置と、前記円筒の周方向のみが合焦状態となる焦点位置と、の間に設定されており、
    前記画像再構成部は、前記動径方向及び偏角方向の焦点位置をそれぞれ所定量変化させて、前記画像再構成処理を実施する、請求項１に記載の円筒内面観察装置。
  3. 前記極座標変換部は、前記極座標系への変換に際して、前記極座標系での前記反射光の入射位置及び入射方向毎の強度を、前記直交座標系での対応する入射位置及び入射方向の近傍の前記反射光の入射位置及び入射方向の強度から、画像補間処理により算出する、請求項１又は２に記載の円筒内面観察装置。
  4. 前記照明光源は、複数の光源が円環状に配置された円環状光源であり、
    前記円錐プリズム又は円錐ミラーと、前記複数の光源とは、前記円筒と同心となるように設けられており、
    前記円錐プリズム又は円錐ミラーは、当該円錐プリズム又は円錐ミラーにおける前記照明光の反射光の到達位置が前記円環状光源よりも前記円筒の奥行方向前方に位置するように、設けられている、請求項１〜３の何れか１項に記載の円筒内面観察装置。
  5. 前記光線情報取得装置のうち少なくとも前記照明光源及び前記光線取得光学系が、前記円筒の内部へと挿入される、請求項１〜４の何れか１項に記載の円筒内面観察装置。
  6. 円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得するものであり、前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、を有する光線情報取得装置により、前記円筒内面からの前記照明光の反射光の光線情報を取得するステップと、
    直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換するステップと、
    前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施するステップと、
    を含む、円筒内面観察方法。
  7. 円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得する光線情報取得装置と、
    前記光線情報取得装置により生成された前記光線情報に対して、所定の処理を施して、前記円筒内面の欠陥検査を行う演算処理装置と、
    を備え、
    前記光線情報取得装置は、
    前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、
    前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、
    円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、
    を有しており、
    前記演算処理装置は、
    直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換する極座標変換部と、
    前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施する、画像再構成部と、
    再構成された前記画像を用いて、前記円筒内面に存在する欠陥を検出する検出処理部と、
    を有する、円筒内面検査装置。
  8. 円筒の内面に対して照明光を照射して、当該照明光の照射された前記円筒内面からの反射光の光線情報を取得するものであり、前記円筒内面の全周にわたって前記照明光を照射する照明光源と、前記円筒内面から入射する光の入射位置及び入射方向毎の強度である前記光線情報を記録するセンサと、当該センサへ入射する光の合焦位置を調整するレンズ系と、を有し、前記円筒内面からの前記光線情報を取得するライトフィールドカメラと、円錐プリズム又は円錐ミラーを少なくとも有し、前記円筒内面での前記照明光の反射光を前記ライトフィールドカメラへ導く光線取得光学系と、を有する光線情報取得装置により、前記円筒内面からの前記照明光の反射光の光線情報を取得するステップと、
    直交座標系で表わされた前記光線情報を、前記円筒の径方向を動径方向とした極座標系へと変換するステップと、
    前記極座標系へと変換された前記光線情報を用いて再構成した画像が、前記円筒の軸方向と、前記円筒の周方向との両方で合焦状態となるように画像再構成処理を実施するステップと、
    再構成された前記画像を用いて、前記円筒内面に存在する欠陥を検出する検出処理ステップと、
    を含む、円筒内面検査方法。

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