JP2019168285A - 画像処理装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、位相シフト法について説明する。位相シフト法において、照度分布を正弦波状に変動させたパターンを有するパターン光を測定対象物に順次投影する場合、正弦波の位相の異なる3つ以上のパターンのパターン光を投影する。高さ測定点の各明度値をパターン光の投影方向とは別の角度からパターン毎に撮像した画像から得て、各明度値よりパターン光の位相値を計算する。測定点の高さに応じて、測定点に投影されたパターン光の位相が変化し、基準となる位置で反射されたパターン光により観察される位相とは異なった位相の光が観察されることになる。そこで、測定点におけるパターン光の位相を計算し、三角測量の原理を利用して、幾何関係式に代入することにより測定点の高さを計測し、これにより、測定対象物Wの三次元形状を求めることができる。位相シフト法によれば、測定対象物Wの高さを、パターン光の周期を小さくすることによって高分解能で測定することができるが、測定できる高さの範囲が、位相のずれ量で2π以内となる低い高さのもの(高低差の小さいもの)しか測定できない。そこで、空間コード法を兼用する。
空間コード法によれば、光が照射される空間を、多数の断面略扇状の小空間に分け、この小空間に一連の空間コード番号を付すことができる。このため、測定対象物Wの高さが高くても、すなわち高低差が大きくても、光が照射される空間内にあれば、空間コード番号から高さが演算できる。したがって、高さの高い測定対象物Wについても全体にわたって形状を測定することができる。このように空間コード法によれば、許容高さのレンジ(ダイナミックレンジ)が広くなる。
図4〜図6に示すように、照明装置3は、ハウジング30と、第1投光部31と、第2投光部32と、第3投光部33と、第4投光部34と、投光制御部35とを備えている。図1に示すように照明装置3とコントローラ部4とは接続線3aによって接続されているが、照明装置3とコントローラ部4とは無線接続するようにしてもよい。
図5及び図6に示すように、第1投光部31は、ケーシング31aと、拡散光を出射する光源となる第1LED(発光ダイオード)31bと、該第1LED31bから出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第1測定用パターン光を順次生成して測定対象物Wに照射する第1LCD(第1パターン光生成部)31dとを備える。LCDは、liquid crystal display、即ち液晶パネルであり、よって、第1LCD31dは、第1液晶パネルである。第1LCD31dは、第1LED31bに対応して配置されている。発光ダイオードとしては、例えば白色発光ダイオードを用いることができる。
第3投光部33及び第4投光部34は、第1投光部31と同様に構成されており、図7に示すように、第3投光部33は、第3LED33bと、第3LED33bに対応して配置された第3LCD(第3パターン光生成部)33dとを備え、第4投光部34は、第4LED34bと、第4LED34bに対応して配置された第4LCD(第4パターン光生成部)34dとを備えている。
図7に示すように、この実施形態では、第1LED駆動回路31e、第2LED駆動回路32e、第3LED駆動回路33e、第4LED駆動回路34e、第1LCD駆動回路31f、第2LCD駆動回路32f、第3LCD駆動回路33f及び第4LCD駆動回路34fが共通の投光制御部35によって制御される。よって、これら駆動回路の同期を精密に取ることができる。
図1等に示すように、撮像装置2は、照明装置3とは別体に設けられている。図1に示すように撮像装置2とコントローラ部4とは接続線2aによって接続されているが、撮像装置2とコントローラ部4とは無線接続するようにしてもよい。
露光制御部23には、コントローラ部4から、撮像を開始するトリガ信号と、撮像中に照明装置3との同期を取るための再同期トリガ信号とが入力されるようになっている(図14参照)。露光制御部23に入力されるトリガ信号及び再同期トリガ信号は、照明装置3に入力されるトリガ信号及び再同期トリガ信号と同じタイミングとなるように、入力タイミングが設定されている。
図3に示すデータ処理部24は、撮像素子22から出力される画像データに基づいて複数のパターン画像セットを生成する。撮像素子22が、図11に示すパターンA1、B1、C1、D1、A2、B2、C2、D2、A3、…という順番で撮像すると、データ処理部24は、パターンA1、A2、…の画像からなる第1パターン画像セットを生成し、パターンB1、B2、…の画像からなる第2パターン画像セットを生成し、パターンC1、C2、…の画像からなる第3パターン画像セットを生成し、パターンD1、D2、…の画像からなる第4パターン画像セットを生成する。パターンA1、A2、…は、第1LCD31dから投影されたパターン光であり、また、パターンB1、B2、…は、第2LCD32dから投影されたパターン光であり、また、パターンC1、C2、…は、第3LCD33dから投影されたパターン光であり、また、パターンD1、D2、…は、第4LCD34dから投影されたパターン光である。したがって、撮像装置2は、液晶パネルから投影された複数のパターン光の測定対象物Wからの反射光を受光し、各液晶パネルにそれぞれ対応する複数のパターン画像セットを生成することができる。
図3に示す位相計算部26は、高さ画像の元データとなる絶対位相画像を算出する部分である。図8に示すように、ステップS1において、位相シフトパターン画像セットの各画像データを取得し、位相シフト法を利用することにより、相対位相計算処理を行う。これは図10における相対位相(Unwrapping前位相)のように表現することができ、ステップS1の相対位相計算処理により位相画像が得られる。
画像処理部27は、前記各パターン画像、位相画像、縞番号画像及び信頼度画像に対して、例えば、ガンマ補正、ホワイトバランスの調整、ゲイン補正等の画像処理を行う部分である。画像処理後の各パターン画像、位相画像、縞番号画像及び信頼度画像を画像記憶部28に記憶させておくこともできる。画像処理は上述した処理に限られるものではない。
出力制御部29は、コントローラ部4から出力された画像出力要求信号を受信すると、その画像出力要求信号に従い、画像記憶部28に記憶されている画像の内、画像出力要求信号で指示された画像のみ、画像処理部27を介してコントローラ部4に出力する部分である。この例では、画像処理前の各パターン画像、位相画像、縞番号画像及び信頼度画像を画像記憶部28に記憶させておき、コントローラ部4からの画像出力要求信号で要求された画像に対してのみ、画像処理部27で画像処理を行い、コントローラ部4に出力する。画像出力要求信号は、使用者が各種測定操作や検査操作を行った時に出力することができる。
図2に示すように、コントローラ部4は、撮像投光制御部41と、高さ測定部42と、画像合成部43と、検査部45と、表示制御部46と、履歴記憶部47とを備えている。コントローラ部4は、撮像装置2及び照明装置3とは別体に設けられている。
撮像投光制御部41は、前記パターン光の形成情報、トリガ信号及び再同期トリガ信号を、照明装置3に所定のタイミングで出力するとともに、前記撮像条件に関する情報、トリガ信号及び再同期トリガ信号を、撮像装置2に所定のタイミングで出力する。照明装置3に出力するトリガ信号及び再同期トリガ信号と、撮像装置2に出力するトリガ信号及び再同期トリガ信号とは同期している。前記パターン光の形成情報及び前記撮像条件に関する情報は、例えば撮像投光制御部41や、別の記憶部(図示せず)に記憶させておくことができる。使用者が所定の操作(高さ測定準備操作、検査準備操作)を行うことで、前記パターン光の形成情報が照明装置3に出力されて照明装置3の投光制御部35に一旦記憶され、また、前記撮像条件に関する情報撮像装置2に出力されて露光制御部23に一旦記憶される。この例では、照明装置3は、該照明装置3に内蔵されている投光制御部35でLED及びLCDの制御を行うように構成されているので、スマートタイプの照明装置と呼ぶことができる。また、撮像装置2は、該撮像装置2に内蔵されている露光制御部23で撮像素子22の制御を行うように構成されているので、スマートタイプの撮像装置と呼ぶことができる。
高さ測定部42は、位相計算部26が生成した第1角度画像の各画素の照射角度情報及び第2角度画像の各画素の照射角度情報と、照明装置3のハウジング30内における第1投光部31及び第2投光部32の相対位置情報とにしたがって、照明装置3の中心軸A方向における測定対象物Wの高さを測定することができるように構成されている。
Z=−1/a2*(X−l) … 式2
式1、式2に対してZを解くと高さが求まる。
a1Z=X
a2Z=−X+l
Z=l/(a1+a2)
X=a1*l/(a1+a2)
画像合成部43は、第1高さ画像と第2高さ画像とを合成して合成後高さ画像を生成するように構成されている。これにより、第1高さ画像で無効画素になっている部分が、第2高さ画像では無効画素となっていない部分については、合成後高さ画像において有効画素で表されることになり、反対に、第2高さ画像で無効画素になっている部分が、第1高さ画像では無効画素となっていない部分については、合成後高さ画像において有効画素で表されることになる。よって、合成後高さ画像では無効画素の数を少なくすることができる。逆に、高い信頼を持った高さを得たい場合は、第1高さ画像、第2高さ画像の双方とも有効で、かつ、その差が所定以下の小さい場合のみに、その平均高さを有効としてもよい。
検査部45は、第1高さ画像、第2高さ画像及び合成後高さ画像の内、任意の画像に基づいて検査処理を実行する部分である。検査部45には、有無検査部45aと、外観検査部45bと、寸法検査部45cとが設けられているが、これは一例であり、これら全ての検査部が必須ではなく、またこれら検査部以外の検査部を備えていてもよい。有無検査部45aは、測定対象物Wの有無や測定対象物Wに取り付けられている部品の有無等を画像処理によって判断することができるように構成されている。外観検査部45bは、測定対象物Wの外形状等が予め決められた形状であるか否かを画像処理によって判断することができるように構成されている。寸法検査部45cは、測定対象物Wの各部の寸法が予め決められた寸法であるか否か、または各部の寸法を画像処理によって判断することができるように構成されている。これら判断の手法は従来から周知の手法であることから詳細な説明は省略する。
表示制御部46は、第1高さ画像、第2高さ画像及び合成後高さ画像等を表示部5に表示させたり、画像処理装置1を操作するための操作用ユーザーインターフェース、画像処理装置1を設定するための設定用ユーザーインターフェース、測定対象物の高さ測定結果を表示するための高さ測定結果表示用ユーザーインターフェース、測定対象物の各種検査結果を表示するための検査結果表示用ユーザーインターフェース等を生成して表示部5に表示させることができるように構成されている。
履歴記憶部47は、例えばRAM等の記憶装置で構成することができる。履歴記憶部47には、撮像装置2からコントローラ部4に出力された第1高さ画像、第2高さ画像及び合成後高さ画像等を記憶させておくことができるようになっている。コンソール部6やマウス7の操作によって履歴記憶部47に記憶されている画像を読み出して表示部5に表示させることができる。
次に、画像処理装置1の運用時について説明する。図16〜図20は、測定対象物Wが直方体の箱であり、第1投光部31及び第2投光部32からパターン光を投影して測定した場合を示している。
以上説明したように、この実施形態によれば、第1測定用パターン光を投影する第1投光部31と、第2測定用パターン光を投影する第2投光部32と、撮像装置2とにより、複数の第1パターン画像及び第2パターン画像を生成することができる。第1パターン画像及び第2パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物Wへの第1測定用パターン光の照射角度情報を有する第1角度画像と、各画素が測定対象物Wへの第2測定用パターン光の照射角度情報を有する第2角度画像とを生成することができる。
2 撮像装置(撮像部)
3 照明装置
22 撮像素子
24 データ処理部
24a HDR処理部
26 位相計算部
31 第1投光部
31b 第1LED(第1光源)
31d 第1LCD(第1パターン光生成部)
31e 第1LED駆動回路(光源駆動回路)
31f 第1LCD駆動回路(液晶パネル駆動回路)
32 第2投光部
32b 第2LED(第2光源)
32d 第2LCD(第2パターン光生成部)
32e 第2LED駆動回路(光源駆動回路)
32f 第2LCD駆動回路(液晶パネル駆動回路)
33 第3投光部
33b 第3LED(第3光源)
33d 第3LCD(第3パターン光生成部)
33e 第3LED駆動回路(光源駆動回路)
33f 第3LCD駆動回路(液晶パネル駆動回路)
34 第4投光部
34b 第4LED(第4光源)
34d 第4LCD(第4パターン光生成部)
34e 第4LED駆動回路(光源駆動回路)
34f 第4LCD駆動回路(液晶パネル駆動回路)
35 投光制御部
41a 照明モード切替部
42 高さ測定部(検査対象画像生成部)
43 画像合成部
45 検査部
Claims (7)
- 測定対象物の高さを測定する画像処理装置において、
拡散光を出射する第1光源と、該第1光源から出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第1測定用パターン光を順次生成して測定対象物に照射する第1パターン光生成部とを備える第1投光部と、拡散光を出射する第2光源と、該第2光源から出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第2測定用パターン光を順次生成して測定対象物に照射する第2パターン光生成部とを備える第2投光部と、中心に開口部を備え、前記第1投光部と前記第2投光部とを前記開口部の周方向に互いに離した状態で一体的に支持するハウジングとを備える照明装置と、
前記照明装置とは別体に設けられ、前記ハウジングの前記開口部を介して、測定対象物から反射した前記第1測定用パターン光を受光して複数の第1パターン画像を生成するとともに、測定対象物から反射した前記第2測定用パターン光を受光して複数の第2パターン画像を生成する撮像装置と、
前記複数の第1パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物への前記第1測定用パターン光の照射角度情報を有する第1角度画像を生成するとともに、前記複数の第2パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物への前記第2測定用パターン光の照射角度情報を有する第2角度画像を生成する角度画像生成部と、
前記角度画像生成部が生成した前記第1角度画像の各画素の照射角度情報及び前記第2角度画像の各画素の照射角度情報と、前記ハウジング内における前記第1投光部及び前記第2投光部の相対位置情報とにしたがって、前記照明装置の前記中心軸方向における測定対象物の高さを測定する高さ測定部とを備えていることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1に記載の画像処理装置において、
前記パターンは、一次元方向に変化するものであり、
前記第1光源は、複数の発光ダイオードで構成されるとともに、前記パターンが変化する方向と平行な方向に並ぶように配置されていることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項2に記載の画像処理装置において、
前記照明装置は、拡散光を出射する第3光源と、該第3光源から出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第3測定用パターン光を順次生成して測定対象物に照射する第3パターン光生成部とを備える第3投光部と、拡散光を出射する第4光源と、該第4光源から出射された拡散光を受けて互いに異なるパターンを有する複数の第4測定用パターン光を順次生成して測定対象物に照射する第4パターン光生成部とを備える第4投光部とを更に備え、
前記第3投光部と前記第4投光部とは、前記中心軸の周方向に互いに離した状態で前記ハウジングに一体的に支持され、
前記撮像装置は、前記ハウジングの前記開口部を介して、測定対象物から反射した前記第3測定用パターン光を受光して複数の第3パターン画像を生成するとともに、測定対象物から反射した前記第4測定用パターン光を受光して複数の第4パターン画像を生成し、
前記角度画像生成部は、前記複数の第3パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物への前記第3測定用パターン光の照射角度情報を有する第3角度画像を生成するとともに、前記複数の第4パターン画像に基づいて、各画素が測定対象物への前記第4測定用パターン光の照射角度情報を有する第4角度画像を生成し、
前記高さ測定部は、前記角度画像生成部が生成した前記第3角度画像の各画素の照射角度情報及び前記第4角度画像の各画素の照射角度情報と、前記ハウジング内における前記第3投光部及び前記第4投光部の相対位置情報とにしたがって、前記照明装置の前記中心軸方向における測定対象物の高さを測定することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項3に記載の画像処理装置において、
前記第1投光部及び前記第2投光部によってそれぞれ前記第1測定用パターン光及び前記第2測定用パターン光を照射する第1照射モードと、前記第1投光部、前記第2投光部、前記第3投光部及び前記第4投光部によってそれぞれ前記第1測定用パターン光、前記第2測定用パターン光、前記第3測定用パターン光及び前記第4測定用パターン光を照射する第2照射モードとに切り替え可能な照射モード切替部を備えていることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項4に記載の画像処理装置において、
前記照射モード切替部は、前記第3投光部及び前記第4投光部によってそれぞれ前記第3測定用パターン光及び前記第4測定用パターン光を照射する第3照射モードにも切り替え可能に構成されていることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項3から5のいずれか1つに記載の画像処理装置において、
前記高さ測定部は、前記第1角度画像の各画素の照射角度情報及び前記第2角度画像の各画素の照射角度情報と、前記ハウジング内における前記第1投光部及び前記第2投光部の相対位置情報とにしたがって測定対象物の高さを表す第1高さ画像を生成するとともに、前記第3角度画像の各画素の照射角度情報及び前記第4角度画像の各画素の照射角度情報と、前記ハウジング内における前記第3投光部及び前記第4投光部の相対位置情報とにしたがって測定対象物の高さを表す第2高さ画像を生成するように構成され、
前記画像処理装置は、前記第1高さ画像と前記第2高さ画像とを合成して合成後高さ画像を生成する画像合成部を更に備えていることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1から6のいずれか1つに記載の画像処理装置において、
前記照明装置は、前記第1投光部及び前記第2投光部を制御して前記複数の第1測定用パターン光及び前記複数の第2測定用パターン光を順次生成させる投光制御部を有していることを特徴とする画像処理装置。
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