JP2022138028A - 光学式変位計測システム、処理装置、光学式変位計測方法および光学式変位計測プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の正確な形状を容易に測定可能な光学式変位計測システム、処理装置、光学式変位計測方法および光学式変位計測プログラムを提供する。【解決手段】撮像ヘッド１００のＹ１方向に対応する移動方向Ａに球面を有する調整用ワークＷが相対的に移動されることによりＹ１方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルデータが合成されることにより、形状生成部２０２により調整用ワークＷの三次元データが生成される。三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータが球情報算出部２０３により算出される。パラメータに基づいて、歪み量算出部２０４により球面の歪み量が算出される。歪み量が低減されるように、補正値算出部２０５により三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおけるＸ２軸周りの第１の回転角度補正値およびＺ２軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方が算出される。【選択図】図１４

Description

本発明は、三角測距方式により測定対象物の変位を検出する光学式変位計測システム、処理装置、光学式変位計測方法および光学式変位計測プログラムに関する。

測定対象物のプロファイルを測定する装置として、光切断方式の光学式変位計が知られている。例えば、特許文献１，２に記載された光学式変位計は、投光部および二次元の受光素子を含む撮像ヘッドを有する。投光部から線状の断面を有する帯状の光が測定対象物上に照射され、その反射光が受光素子により受光される。受光素子により得られる受光量分布のピークの位置に基づいて、測定対象物のプロファイルが測定される。

特開２０２０－２７０５３号公報 特開２０２０－２７０５４号公報

測定対象物の複数の位置について測定された複数のプロファイルを積層することにより、測定対象物の形状を測定することが可能である。ここで、歪みがないように正確に測定対象物の形状を測定するには、撮像ヘッドの基準方向がプロファイルの積層されるべき方向に対してずれないように撮像ヘッドを取り付ける必要がある。しかしながら、作業者が熟練していない場合には、ずれがないように撮像ヘッドを取り付けることは困難である。また、作業者が熟練している場合でも、ずれがないように撮像ヘッドを取り付けるには長時間を要する。そのため、測定対象物の正確な形状を容易に測定することができない。

本発明の目的は、測定対象物の正確な形状を容易に測定可能な光学式変位計測システム、処理装置、光学式変位計測方法および光学式変位計測プログラムを提供することである。

（１）第１の発明に係る光学式変位計測システムは、光切断方式の光学式変位計測システムであって、互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向に走査されるスポット光を第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの第１の方向の各位置で反射された光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部と、受光信号に基づいて、第１の方向と第２の方向とにより規定される面内における球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成するプロファイル生成部と、球面を有するワークが投光部および受光部に対して第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成する形状生成部と、三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する球情報算出部と、パラメータに基づいて、球面の歪み量を算出する歪み量算出部と、歪み量が低減されるように、三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出する補正値算出部とを備える。

この光学式変位計測システムにおいては、投光部の第３の方向に対応する方向にワークが相対的に移動されることに応じて、プロファイル生成部によりワークのプロファイルデータが第３の方向の各位置に対応して生成される。複数のプロファイルデータに基づいて、形状生成部によりワークの三次元データが生成される。ここで、第３の方向がワークの相対的な移動方向に対してずれている場合でも、形状生成部により生成された三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータが球情報算出部により算出される。

球情報算出部により算出されたパラメータに基づいて、歪み量算出部により球面の歪み量が算出される。歪み量算出部により算出された歪み量が低減されるように、補正値算出部により三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方が算出される。

この構成によれば、補正値算出部により算出された第１および第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を用いることにより、球面の歪み量が小さくなるときのワークの三次元形状を示す三次元データを生成することが容易になる。これにより、ワークの正確な形状を容易に測定することができる。

（２）球情報算出部は、三次元データに含まれる第１の点、第２の点、第３の点および第４の点により規定される第１の球面のパラメータを算出するとともに、三次元データに含まれる第５の点、第６の点、第７の点および第８の点により規定される第２の球面のパラメータを算出し、歪み量算出部は、第１の球面のパラメータと第２の球面のパラメータとの乖離に基づいて歪み量を算出してもよい。この構成によれば、ワークの球面の実寸が未知である場合でも、球面の歪み量を容易に算出することができる。

（３）形状生成部は、第１の回転角度補正値および第２の回転角度補正値に基づいて、三次元データを構成する複数のプロファイルデータを第１の軸周りおよび第２の軸周りに回転させることにより三次元データを補正してもよい。この場合、投光部および受光部の取り付け調整を行うことなく、球面の歪み量が小さくなるときのワークの三次元形状を示す三次元データを自動的に生成することが可能になる。これにより、ワークの正確な形状をより容易に測定することができる。

（４）補正値算出部は、第１の回転角度補正値および第２の回転角度補正値を所定量ずつ変化させ、球情報算出部および歪み量算出部は、歪み量が予め定められたしきい値以下になるまでパラメータの算出および歪み量の算出を繰り返してもよい。この場合、球面の歪み量が小さくなるときのワークの三次元形状を示す三次元データを自動的に生成することが容易になる。

（５）投光部と受光部とは、互いに対応するように複数組設けられ、プロファイル生成部、形状生成部、球情報算出部、歪み量算出部および補正値算出部は、投光部と受光部との組ごとに算出された第１の回転角度補正値および第２の回転角度補正値に基づいて、投光部と受光部との組に対応する三次元データを構成する複数のプロファイルデータを第１の軸周りおよび第２の軸周りに回転させるように動作し、球情報算出部は、複数のプロファイルデータが回転された後、投光部と受光部との組ごとに、三次元データに基づいて球面に関連する基準点を算出し、補正値算出部は、複数の基準点の乖離が低減されるように、少なくとも１つの三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１の方向に平行な第１の並進量補正値、第２の方向に平行な第２の並進量補正値および第３の方向に平行な第３の並進量補正値を算出してもよい。

この構成によれば、複数組の投光部と受光部とに対応する複数の三次元データが第１～第３の方向にずれている場合でも、球面に関連する基準点の乖離が低減されるように第１～第３の並進量補正値が算出される。そのため、第１～第３の並進量補正値を用いることにより、基準点の乖離が小さくなるときのワークの三次元形状を示す複数の三次元データを生成することが容易になる。

（６）形状生成部は、第１の並進量補正値、第２の並進量補正値および第３の並進量補正値に基づいて、少なくとも１つの三次元データを構成する複数のプロファイルデータを第１の方向、第２の方向および第３の方向に並進移動させることにより三次元データを補正してもよい。この場合、投光部および受光部の取り付け調整を行うことなく、球面の基準点の乖離が小さくなるときのワークの三次元形状を示す複数の三次元データを自動的に生成することができる。

（７）球面は、特徴部分を有し、補正値算出部は、少なくとも１つの三次元データを構成する複数のプロファイルデータが第１の方向、第２の方向および第３の方向に並進移動された後、複数の三次元データにおける特徴部分が一致するように、少なくとも１つの三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第３の方向に平行な第３の軸周りの第３の回転角度補正値を算出してもよい。

この構成によれば、複数組の投光部と受光部とに対応する複数の三次元データが第３の軸周りにずれている場合でも、複数の三次元データにおける特徴部分が一致するように第３の回転角度補正値が算出される。そのため、第３の回転角度補正値を用いることにより、特徴部分が一致するときのワークの三次元形状を示す複数の三次元データを生成することが容易になる。

（８）形状生成部は、第３の回転角度補正値に基づいて、少なくとも１つの三次元データを構成する複数のプロファイルデータを第３の軸周りに回転させることにより三次元データを補正してもよい。この場合、投光部および受光部の取り付け調整を行うことなく、特徴部分が一致するときのワークの三次元形状を示す複数の三次元データを自動的に生成することができる。

（９）光学式変位計測システムは、少なくとも１つの三次元データを構成する複数のプロファイルデータが第３の軸周りに回転された後、複数の三次元データを合成することにより球面を有するワークの三次元形状を示す合成データを生成する合成部をさらに備えてもよい。

この場合、複数の三次元データにおいて、第１～第３の軸周りの回転ずれおよび第１～第３の方向の並進ずれが低減されるので、複数の三次元データを合成することが可能になる。そのため、複数の三次元データを合成することにより、ワークのより正確な三次元形状を示す合成データを容易に生成することができる。

（１０）光学式変位計測システムは、第１の回転角度補正値および第２の回転角度補正値の少なくとも一方を報知する報知部をさらに備えてもよい。この場合、使用者は、報知部により報知された第１および第２の回転角度補正値の少なくとも一方を用いて、球面の歪み量が小さくなるように投光部および受光部の正確な取り付け調整を容易に行うことができる。これにより、ワークの正確な形状を容易に測定することができる。

（１１）第２の発明に係る処理装置は、互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向に走査されるスポット光を第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの第１の方向の各位置からの反射光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部とを有する光切断方式の光学式変位計について用いられる処理装置であって、受光信号に基づいて、第１の方向と第２の方向とにより規定される面内における球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成するプロファイル生成部と、球面を有するワークが投光部および受光部に対して第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成する形状生成部と、三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する球情報算出部と、パラメータに基づいて、球面の歪み量を算出する歪み量算出部と、歪み量が低減されるように、三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出する補正値算出部とを備える。

この処理装置においては、補正値算出部により算出された第１および第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を用いることにより、球面の歪み量が小さくなるときのワークの三次元形状を示す三次元データを生成することが容易になる。これにより、ワークの正確な形状を容易に測定することができる。

（１２）第３の発明に係る光学式変位計測方法は、互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向に走査されるスポット光を第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの第１の方向の各位置からの反射光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部とを有する光切断方式の光学式変位計について用いられる光学式変位計測方法であって、受光信号に基づいて、第１の方向と第２の方向とにより規定される面内における球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成することと、球面を有するワークが投光部および受光部に対して第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成することと、三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出することと、パラメータに基づいて、球面の歪み量を算出することと、歪み量が低減されるように、三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出することとを含む。

この光学式変位計測方法によれば、算出された第１および第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を用いることにより、球面の歪み量が小さくなるときのワークの三次元形状を示す三次元データを生成することが容易になる。これにより、ワークの正確な形状を容易に測定することができる。

（１３）第４の発明に係る光学式変位計測プログラムは、互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、第１の方向に広がりを有するスリット光、または第１の方向に走査されるスポット光を第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの第１の方向の各位置からの反射光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部とを有する光切断方式の光学式変位計について用いられる光学式変位計測プログラムであって、受光信号に基づいて、第１の方向と第２の方向とにより規定される面内における球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成する処理と、球面を有するワークが投光部および受光部に対して第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成する処理と、三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する処理と、パラメータに基づいて、球面の歪み量を算出する処理と、歪み量が低減されるように、三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出する処理とを、処理装置に実行させる。

この光学式変位計測プログラムによれば、算出された第１および第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を用いることにより、球面の歪み量が小さくなるときのワークの三次元形状を示す三次元データを生成することが容易になる。これにより、ワークの正確な形状を容易に測定することができる。

本発明によれば、測定対象物の正確な形状を容易に測定することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光学式変位計測システムの構成を示すブロック図である。 撮像ヘッドおよび測定対象物の外観斜視図である。 測定対象物の表面における光の照射位置と受光部における光の入射位置との関係を示す図である。 測定対象物の表面における光の照射位置と受光部における光の入射位置との関係を示す図である。 受光部の受光面における受光量分布を示す図である。 Ｘ２方向の１つの位置の画素列における受光量分布を示す図である。 Ｘ２方向の他の位置の画素列における受光量分布を示す図である。 Ｘ２方向のさらに他の位置の画素列における受光量分布を示す図である。 図５の受光量分布における全てのピーク位置を示す図である。 図９のピーク位置に基づいて取得されたプロファイルデータを示す図である。 検出されたピーク位置とピーク輝度値とを視覚的に示す図である。 三次元データを示す図である。 輝度画像データを示す図である。 図１の処理装置の構成を示すブロック図である。 撮像ヘッドがずれた状態で取り付けられたときの三次元データを示す図である。 撮像ヘッドがずれた状態で取り付けられたときの三次元データを示す図である。 補正された三次元データの変化を示す図である。 図１４の処理装置によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態に係る光学式変位計測システムの構成を示す模式図である。 図１９の処理装置によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係る光学式変位計測システムの構成を示す模式図である。 図２１の処理装置の構成を示すブロック図である。 図２２の処理装置によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。

［１］第１の実施の形態
（１）光学式変位計測システムの構成
以下、本発明の実施の形態に係る光学式変位計測システム、処理装置、光学式変位計測方法および光学式変位計測プログラムについて図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光学式変位計測システムの構成を示すブロック図である。光学式変位計測システム５００は、例えばベルトコンベアにより一定速度で移動される測定対象物Ｓの三次元形状を測定するために用いられる。図１では、測定対象物Ｓの移動方向Ａが白抜きの矢印により示される。

図１に示すように、光学式変位計測システム５００は、撮像ヘッド１００、処理装置２００、入力部３００および表示部４００を備える。光学式変位計測システム５００は、複数の撮像ヘッド１００を備えてもよい。撮像ヘッド１００は、処理装置２００に対して着脱可能に構成される。撮像ヘッド１００と処理装置２００とは一体的に構成されてもよい。あるいは、処理装置２００は、撮像ヘッド１００内に収容されてもよい。

撮像ヘッド１００には、互いに直交するＸ１方向、Ｙ１方向およびＺ１方向が予め定義される。また、Ｘ１方向およびＺ１方向に平行な軸をそれぞれＸ１軸およびＺ１軸と呼ぶ。図１では、Ｘ１方向、Ｙ１方向およびＺ１方向が矢印Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１によりそれぞれ示される。撮像ヘッド１００は、Ｙ１方向が測定対象物Ｓの移動方向Ａと略平行になるように取り付けられる。撮像ヘッド１００は、投光部１１０および撮像部１２０を含む。投光部１１０および撮像部１２０により光切断方式の光学式変位計が構成される。

投光部１１０は、光源を含み、Ｘ１方向に広がる帯状の光をＺ１方向に出射可能に構成される。光源は、例えばＬＤ（レーザダイオード）であるが、実施の形態はこれに限定されない。光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）であってもよいし、ＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）であってもよい。また、投光部１１０は、Ｘ１方向に広がる帯状の光に代えて、Ｘ１方向に走査される光をＺ１方向に出射可能に構成されてもよい。

撮像部１２０は、受光部１２１および受光レンズ１２２を含む。測定対象物ＳのＸ１方向の各位置で反射された光が、受光レンズ１２２を通して受光部１２１に入射する。受光部１２１は例えばＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）センサを含み、複数の画素が二次元に配置された受光面を有する。受光部１２１の受光面上で互いに直交する２方向をＸ２方向およびＺ２方向と呼ぶ。また、Ｘ２方向とＺ２方向とに直交する方向をＹ２方向と呼ぶ。Ｘ２方向、Ｙ２方向およびＺ２方向は、Ｘ１方向、Ｙ１方向およびＺ１方向にそれぞれ対応する。Ｘ２方向、Ｙ２方向およびＺ２方向に平行な軸をそれぞれＸ２軸、Ｙ２軸およびＺ２軸と呼ぶ。受光部１２１による受光量を示す受光信号が処理装置２００に出力される。

処理装置２００は、記憶部２１０および制御部２２０を含む。記憶部２１０は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ハードディスクまたは半導体メモリ等を含み、光学式変位計測プログラムを記憶する。光学式変位計測プログラムは、コンピュータが読み取り可能な記憶媒体に記憶された形態で提供され、記憶部２１０にインストールされてもよい。あるいは、処理装置２００がインターネット等のネットワークに接続されている場合には、当該ネットワーク上のサーバ（クラウドサーバを含む。）から光学式変位計測プログラムが記憶部２１０にインストールされてもよい。

制御部２２０は、例えばＣＰＵ（中央演算処理装置）を含み、光学式変位計測プログラムに基づいて撮像ヘッド１００の動作を制御する。また、制御部２２０は、測定対象物Ｓのプロファイルデータ、三次元データまたは輝度画像データ等を生成可能に構成される。プロファイルデータは、Ｘ２方向とＺ２方向とにより規定される面内における測定対象物Ｓのプロファイルを示す。三次元データは、測定対象物Ｓの三次元形状を示す。輝度画像データは、測定対象物Ｓの表面画像（テクスチャ画像）を示す。

撮像ヘッド１００は、Ｙ１方向が測定対象物Ｓの相対的な移動方向Ａに対してずれないように取り付けられることが好ましい。しかしながら、Ｙ１方向が測定対象物Ｓの移動方向Ａに対してずれないように撮像ヘッド１００を取り付けることは容易ではない。Ｙ１方向が測定対象物Ｓの移動方向Ａに対してずれた状態で撮像ヘッド１００が取り付けられると、測定対象物Ｓの三次元形状を示す三次元データは歪んだ状態となる。そこで、処理装置２００は、測定対象物Ｓの正確な三次元形状を示す三次元データを生成するためのキャリブレーション処理を行う。処理装置２００の詳細については後述する。

入力部３００は、キーボードまたはポインティングデバイスを含み、使用者により操作可能に構成される。ポインティングデバイスは、マウスまたはジョイスティック等を含む。入力部３００は、処理装置２００に専用のコンソールを含んでもよい。使用者は、入力部３００を操作することにより、処理装置２００に所定の指定を行うことができる。

表示部４００は、例えば液晶ディスプレイパネルまたは有機ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）パネルを含む。表示部４００は、処理装置２００により生成されたプロファイルデータ、三次元データまたは輝度画像データに基づいて、測定対象物Ｓのプロファイルデータ、三次元データまたは輝度画像データ等を表示可能である。また、表示部４００は、使用者から指定を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical User Interface）を表示可能である。

（２）プロファイルデータ、三次元データおよび輝度画像データ
図２は、撮像ヘッド１００および測定対象物Ｓの外観斜視図である。図３および図４は、測定対象物Ｓの表面における光の照射位置と受光部１２１における光の入射位置との関係を示す図である。図２の例における測定対象物Ｓは、Ｙ１方向に延びる断面台形状の溝を表面に有する。撮像ヘッド１００は、Ｘ１方向に沿った帯状の光を移動方向Ａに移動する測定対象物Ｓの表面に照射する。以下、帯状の光が照射される測定対象物ＳのＹ１方向における１つの位置にある表面の線状の領域を照射領域Ｔと呼ぶ。

図３に示すように、照射領域Ｔで反射される光が、受光レンズ１２２を通して受光部１２１に入射する。この場合、照射領域Ｔにおける光の反射位置がＺ１方向に異なると、受光部１２１への反射光の入射位置がＺ２方向に異なる。また、図４に示すように、照射領域Ｔにおける光の反射位置がＸ１方向に異なると、受光部１２１への反射光の入射位置がＸ２方向に異なる。これにより、受光部１２１のＺ２方向における光の入射位置が、照射領域ＴのＺ１方向における位置を表し、受光部１２１のＸ２方向における光の入射位置が、照射領域ＴにおけるＸ１方向の位置を表す。

図５は、受光部１２１の受光面における受光量分布を示す図である。図５の受光部１２１の各画素ｐの受光量に基づいて受光量分布が生成される。上記のように、受光部１２１の複数の画素ｐは、Ｘ２方向およびＺ２方向に沿うように二次元に配置される。Ｚ２方向に沿った複数の画素ｐの列の各々を画素列ＳＳと呼ぶ。したがって、受光部１２１の受光面には、複数の画素列ＳＳがＸ２方向に配列され、各画素列ＳＳはＺ２方向に沿った複数の画素ｐを含む。

各画素ｐは、ＣＭＯＳセンサ等の撮像装置の１個のピクセル（ピクセルの最小単位）により構成されることに限定されず、複数個のピクセルにより構成されてもよい。例えば、２×２に配列された４個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよいし、３×３に配列された９個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよい。したがって、複数個のピクセルを１個の単位としてビニング処理が行われている場合には、当該１個の単位に含まれる複数個のピクセルにより各画素ｐが構成されてもよい。

図２の照射領域Ｔで反射された光は、図５に示される受光領域Ｒに入射する。それにより、受光信号において、受光領域Ｒの受光量が大きくなる。図６は、Ｘ２方向の１つの位置ｘ_１の画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。図７は、Ｘ２方向の他の位置ｘ_２の画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。図８は、Ｘ２方向のさらに他の位置ｘ_３の画素列ＳＳにおける受光量分布を示す図である。図６～図８において、横軸はＺ２方向の位置を示し、縦軸は受光量を示す。

図６～図８に示すように、各画素列ＳＳにおける受光量分布には、図５の受光領域Ｒに対応するピークＰ（極大値）が現れる。ピークＰのＺ２方向における位置をピーク位置と呼び、ピーク位置の輝度値（受光量）をピーク輝度値と呼ぶ。位置ｘ_１の画素列ＳＳにおいては、ピーク位置はｚ_１であり、ピーク輝度値はＩ_１である。位置ｘ_２の画素列ＳＳにおいては、ピーク位置はｚ_２であり、ピーク輝度値はＩ_２である。位置ｘ_３の画素列ＳＳにおいては、ピーク位置はｚ_３であり、ピーク輝度値はＩ_３である。ピーク位置は、照射領域Ｔにおける測定対象物Ｓの表面（反射面）を示す。

複数の画素列ＳＳに対応する複数の受光量分布の各々において１つのピーク位置およびピーク輝度値が検出される。なお、複数反射または拡散反射により、画素列ＳＳにおける受光量分布に複数のピークが現れることがある。この場合、照射領域Ｔにおける測定対象物Ｓの表面を示さない偽のピークを除外する処理が行われた状態で、１つのピーク位置および当該ピーク位置に対応するピーク輝度値が検出される。検出されたピーク輝度値は、照射領域Ｔにおける測定対象物Ｓの表面状態を示し、輝度画像データの生成に用いられる。

各画素列ＳＳについて検出されたピーク位置に基づいて、測定対象物Ｓのプロファイル（照射領域Ｔの形状）を示すプロファイルデータが生成される。図９は、図５の受光量分布における全てのピーク位置を示す図である。図１０は、図９のピーク位置に基づいて取得されたプロファイルデータを示す図である。図９および図１０に示すように、ピーク位置ｚ_１～ｚ_３を含む検出された全てのピーク位置が、連続的な線として示されることにより、測定対象物Ｓのプロファイルを示すプロファイルデータが生成される。

測定対象物Ｓが移動方向Ａに移動することに応じて、測定対象物ＳのＹ１方向における複数の位置にある複数の照射領域Ｔで反射される光が受光部１２１に順次入射する。これにより、Ｙ１方向に対応するＹ２方向における各位置について、Ｘ２方向の複数の位置の画素列ＳＳにおけるピーク位置およびピーク輝度値が検出される。

図１１は、検出されたピーク位置とピーク輝度値とを視覚的に示す図である。図１１に示すように、Ｘ２方向における位置ｘ_ｉとＹ２方向における位置ｙ_ｊとにより規定される点（ｉ，ｊはそれぞれ１以上の整数）について、ピーク位置ｚ_ｉｊとピーク輝度値Ｉ_ｉｊとが対応付けられた状態で検出される。これにより、位置ｘ_ｉと、位置ｙ_ｊと、ピーク位置ｚ_ｉｊと、ピーク輝度値Ｉ_ｉｊとが対応付けられた状態で図１の記憶部２１０に記憶される。

図１２は、三次元データを示す図である。図１２に示すように、位置ｘ_ｉ，ｙ_ｊにより規定される点の各々に対応付けられたピーク位置ｚ_ｉｊを配列することにより、三次元データが生成される。すなわち、複数の位置ｙ_ｊに対応して生成されたプロファイルデータがＹ２方向に配列されることにより、三次元データが生成される。

図１３は、輝度画像データを示す図である。図１３に示すように、位置ｘ_ｉ，ｙ_ｊにより規定される点の各々に対応付けられたピーク輝度値Ｉ_ｉｊを配列することにより、輝度画像データが生成される。すなわち、複数の位置ｙ_ｊのプロファイルデータに対応して検出されたピーク輝度値（以下、ピーク輝度列と呼ぶ。）がＹ２方向に配列されることにより、輝度画像データが生成される。

このように、測定対象物Ｓが撮像ヘッド１００に対して相対的に移動されることにより三次元データおよび輝度画像データが生成される。本実施の形態においては、測定対象物Ｓが移動されるが、実施の形態はこれに限定されない。測定対象物Ｓは、撮像ヘッド１００に対して相対的に移動されればよい。したがって、測定対象物Ｓが移動せずに、撮像ヘッド１００が移動されてもよい。この場合でも、測定対象物Ｓの三次元データおよび輝度画像データを生成することができる。

（３）処理装置
処理装置２００は、球面を有する測定対象物Ｓを調整用ワークとして用いて、正確な三次元形状を示す三次元データを生成するためのキャリブレーション処理を行う。調整用ワークは、卓球の試合で用いられるピンポン玉等の球体であってもよいが、実施の形態はこれに限定されない。調整用ワークは、少なくとも一部に球面を有する限り、球体でなくてもよい。

図１４は、図１の処理装置２００の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、処理装置２００は、機能部として、プロファイル生成部２０１、形状生成部２０２、球情報算出部２０３、歪み量算出部２０４、補正値算出部２０５および報知部２０６を含む。図１の制御部２２０が光学式変位計測プログラムを実行することにより処理装置２００の機能部が実現される。処理装置２００の機能部の一部または全てが電子回路等のハードウエアにより実現されてもよい。

プロファイル生成部２０１は、周期的にＺ１方向に光を出射するように投光部１１０を制御するとともに、光を受光するように受光部１２１を制御する。この場合、移動方向Ａに移動する調整用ワークＷに光が周期的に照射される。また、調整用ワークＷからの反射光が受光部１２１により繰り返し受光され、受光量を示す受光信号が出力される。

プロファイル生成部２０１は、移動する調整用ワークＷのＹ２方向の各位置に対応するプロファイルデータを受光部１２１により出力される受光信号に基づいて生成する。また、プロファイル生成部２０１は、各プロファイルデータに対応するピーク輝度列を受光信号から検出する。プロファイル生成部２０１は、生成されたプロファイルデータに基づいて、調整用ワークＷのプロファイルを表示部４００に表示させることができる。

形状生成部２０２は、プロファイル生成部２０１により生成された複数のプロファイルデータをＹ２方向に配列することにより三次元データを生成する。また、形状生成部２０２は、プロファイル生成部２０１により検出されたピーク輝度列をＹ２方向に配列することにより輝度画像データを生成する。形状生成部２０２は、生成された三次元データまたは輝度画像データに基づいて、調整用ワークＷの三次元形状または輝度画像を表示部４００に表示させることができる。

球情報算出部２０３は、形状生成部２０２により生成された三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する。パラメータは、例えば球面の中心位置および球面の半径を含む。具体的には、使用者は、表示部４００に表示された調整用ワークＷの三次元形状を視認しつつ、入力部３００を操作することにより、調整用ワークＷの球面に対応する部分の第１～第４の点および第５～第８の点をＧＵＩ上で指定する。第１～第４の点と第５～第８の点とは、部分的に重複してもよい。

球情報算出部２０３は、指定された第１～第４の点により規定される第１の球面の中心位置（Ｘ_ｃ１，Ｙ_ｃ１，Ｚ_ｃ１）および半径Ｒ_１を第１の球面のパラメータとして算出する。また、球情報算出部２０３は、指定された第５～第８の点により規定される第２の球面の中心位置（Ｘ_ｃ２，Ｙ_ｃ２，Ｚ_ｃ２）および半径Ｒ_２を第２の球面のパラメータとして算出する。Ｘ_ｃ１およびＸ_ｃ２は、Ｘ２方向における位置を示す。Ｙ_ｃ１およびＹ_ｃ２は、Ｙ２方向における位置を示す。Ｚ_ｃ１およびＺ_ｃ２は、Ｚ２方向における位置を示す。

歪み量算出部２０４は、球情報算出部２０３により算出されたパラメータに基づいて、球面の歪み量Ｄを算出する。歪み量Ｄは、第１の球面のパラメータと第２の球面のパラメータとの乖離により定義されてもよい。本例では、歪み量Ｄは、下記式（１）により定義される。

Ｄ＝（Ｘ_ｃ１－Ｘ_ｃ２）^２＋（Ｙ_ｃ１－Ｙ_ｃ２）^２
＋（Ｚ_ｃ１－Ｚ_ｃ２）^２＋（Ｒ_１－Ｒ_２）^２ （１）
補正値算出部２０５は、歪み量算出部２０４により算出された歪み量Ｄが低減されるように、第１およびの第２の回転角度補正値を算出する。第１および第２の回転角度補正値は、それぞれ三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおけるＸ２軸およびＺ２軸周りの回転角度である。報知部２０６は、補正値算出部２０５により算出された第１および第２の回転角度補正値を表示部４００に表示させる。これにより、第１および第２の回転角度補正値が使用者に報知される。

（４）三次元データおよび輝度画像データの補正
上記のように、撮像ヘッド１００がずれた状態で取り付けられると、調整用ワークＷの三次元形状を示す三次元データは歪んだ状態となる。図１５および図１６は、撮像ヘッド１００がずれた状態で取り付けられたときの三次元データを示す図である。図１５および図１６においては、三次元データを構成する各プロファイルデータが点線で示される。また、理解を容易にするために、撮像ヘッド１００から死角となる三次元データの領域も便宜的に示される。

図１５の例においては、上段に示すように、撮像ヘッド１００のＹ１方向が調整用ワークＷの移動方向Ａに対してＸ１軸周りにずれている。この場合、下段に示すように、三次元データにより示される調整用ワークＷの外縁は、Ｘ２方向に見て円形ではなく楕円形になる。同様に、図１６の例においては、上段に示すように、撮像ヘッド１００のＹ１方向が調整用ワークＷの移動方向Ａに対してＺ１軸周りにずれている。この場合、下段に示すように、三次元データにより示される調整用ワークＷの外縁は、Ｚ２方向に見て円形ではなく楕円形になる。

撮像ヘッド１００を各軸周りに回転させたときのプロファイルデータの変化は既知であり、回転後におけるプロファイルデータの各画素列ＳＳのピーク位置は回転行列を用いて算出可能である。そこで、形状生成部２０２は、補正値算出部２０５により算出された第１および第２の回転角度補正値に基づいて、Ｘ２軸およびＺ２軸周りに撮像ヘッド１００を仮想的に回転させたときの調整用ワークＷの三次元形状を示すように三次元データを補正する。

具体的には、補正値算出部２０５は、第１および第２の回転角度補正値を所定量ずつ変化させる。形状生成部２０２は、三次元データを構成する各プロファイルデータにおいて、各画素列ＳＳのピーク位置を第１の回転角度補正値だけＸ２軸周りに回転させ、回転後の複数のピーク位置に基づいて、プロファイルデータを更新する。同様に、形状生成部２０２は、三次元データを構成する各プロファイルデータにおいて、各画素列ＳＳのピーク位置を第２の回転角度補正値だけＺ２軸周りに回転させ、回転後の複数のピーク位置に基づいて、プロファイルデータを更新する。

形状生成部２０２は、更新された複数のプロファイルデータをＹ２方向に配列する。これにより、Ｘ２軸およびＺ２軸周りに回転するように補正された三次元データが生成される。図１７は、補正された三次元データの変化を示す図である。図１７の例では、第１および第２の回転角度補正値の少なくとも一方が所定量ずつ変化されることにより、三次元データにより示される調整用ワークＷの外縁が変化する。

球情報算出部２０３は、三次元データが補正されるごとに、第１～第４の点を補正するとともに、補正された第１～第４の点により規定される第１の球面のパラメータを再度算出する。同様に、球情報算出部２０３は、三次元データが補正されるごとに、第５～第８の点を補正するとともに、補正された第５～第８の点により規定される第２の球面のパラメータを再度算出する。歪み量算出部２０４は、再度算出された第１および第２の球面のパラメータに基づいて、球面の歪み量Ｄを再度算出する。

球情報算出部２０３および歪み量算出部２０４は、歪み量Ｄが予め定められたしきい値以下になるまでパラメータの算出および歪み量Ｄの算出を繰り返す。球情報算出部２０３および歪み量算出部２０４は、歪み量Ｄが最小になるまでパラメータの算出および歪み量Ｄの算出を繰り返してもよい。一方、補正値算出部２０５は、調整用ワークＷの外縁の楕円形状を示す方程式を特定し、特定された方程式に基づいて、歪み量Ｄがしきい値以下、または最小になるときの第１および第２の回転角度補正値を解析的に算出してもよい。この場合、球情報算出部２０３および歪み量算出部２０４は、パラメータの算出および歪み量Ｄの算出を繰り返さなくてもよい。

また、三次元データを構成する複数のプロファイルデータが更新された場合には、形状生成部２０２は、複数のプロファイルデータにそれぞれ対応するように複数のピーク輝度列を更新する。また、形状生成部２０２は、更新された複数のピーク輝度列をＹ２方向に配列する。これにより、Ｘ２軸およびＺ２軸周りに回転するように補正された輝度画像データが生成される。

（５）キャリブレーション処理
図１８は、図１４の処理装置２００によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。図１８のキャリブレーション処理は、図１の制御部２２０が記憶部２１０に記憶された光学式変位計測プログラムを実行することにより行われる。まず、プロファイル生成部２０１は、投光部１１０による投光および受光部１２１による受光を周期的に行うように１００を制御することにより、調整用ワークＷを繰り返し撮像する（ステップＳ１）。

次に、プロファイル生成部２０１は、ステップＳ１の撮像により繰り返し出力される受光信号に基づいて、複数のプロファイルデータを生成する（ステップＳ２）。このとき、プロファイル生成部２０１は、各プロファイルデータに対応するピーク輝度列を受光信号から検出してもよい。続いて、形状生成部２０２は、ステップＳ２で生成された複数のプロファイルデータに基づいて、三次元データを生成する（ステップＳ３）。このとき、形状生成部２０２は、プロファイル生成部２０１により検出されたピーク輝度列に基づいて、輝度画像データを生成してもよい。

その後、球情報算出部２０３は、ステップＳ３で生成された三次元データにおいて、球面に対応する部分の第１～第４の点を決定する（ステップＳ４）。本例では、球情報算出部２０３は、使用者から受け付けた指定に基づいて第１～第４の点を決定するが、実施の形態はこれに限定されない。球情報算出部２０３は、使用者からの指定を受け付けることなく、ランダムに第１～第４の点を決定してもよい。

また、球情報算出部２０３は、ステップＳ３で生成された三次元データにおいて、球面に対応する部分の第５～第８の点を決定する（ステップＳ５）。本例では、球情報算出部２０３は、使用者から受け付けた指定に基づいて第５～第８の点を決定するが、実施の形態はこれに限定されない。球情報算出部２０３は、使用者からの指定を受け付けることなく、ランダムに第５～第８の点を決定してもよい。

次に、球情報算出部２０３は、ステップＳ４で決定された第１～第４の点により規定される第１の球面のパラメータを算出する（ステップＳ６）。また、球情報算出部２０３は、ステップＳ５で決定された第５～第８の点により規定される第２の球面のパラメータを算出する（ステップＳ７）。続いて、歪み量算出部２０４は、ステップＳ５，Ｓ６でそれぞれ算出された第１および第２の球面のパラメータに基づいて、歪み量Ｄを算出する（ステップＳ８）。

続いて、補正値算出部２０５は、ステップＳ８で算出された歪み量Ｄがしきい値以下であるか否かを算出する（ステップＳ９）。歪み量Ｄがしきい値を超える場合、補正値算出部２０５は、歪み量Ｄが低減されるように、第１および第２の回転角度補正値を算出する（ステップＳ１０）。報知部２０６は、ステップＳ１０で算出された第１および第２の回転角度補正値を報知する（ステップＳ１１）。なお、処理装置２００は、報知部２０６を含まなくてもよい。この場合、ステップＳ１１は省略される。

その後、形状生成部２０２は、ステップＳ１０で算出された第１および第２の回転角度補正値に基づいて各プロファイルデータをＸ２軸およびＺ２軸周りに回転させる（ステップＳ１２）。これにより、三次元データが補正される。ここで、ステップＳ３で輝度画像データが生成された場合には、三次元データに対応するように輝度画像データが更新される。また、球情報算出部２０３は、ステップＳ１２で補正された三次元データにおいて、ステップＳ４で決定された第１～第４の点およびステップＳ５で決定された第５～第８の点の位置を補正し（ステップＳ１３）、ステップＳ６に戻る。

ステップＳ６，Ｓ７で、ステップＳ１３で位置が補正された点により規定される第１および第２の球面のパラメータが再度算出される。歪み量Ｄがしきい値以下になるまでステップＳ６～Ｓ１３が繰り返される。この場合、球面の歪み量Ｄがしきい値以下になるときの第１および第２の回転角度補正値を容易に特定することができる。ステップＳ９で、歪み量Ｄがしきい値以下になった場合、キャリブレーション処理が終了する。

本実施の形態において、ステップＳ１０で歪み量Ｄがしきい値以下になるように第１および第２の回転角度補正値が解析的に算出されてもよい。この場合、ステップＳ１０～Ｓ１３を繰り返す必要がない。そのため、ステップＳ１２が実行された後、キャリブレーション処理が終了する。

本実施の形態において、第１～第４の点により規定される第１の球面のパラメータと、第５～第８の点により規定される第２の球面のパラメータとの乖離に基づいて歪み量Ｄが算出される。そのため、調整用ワークＷの球面の実寸が未知である場合でも、球面の歪み量Ｄを容易に算出することができる。しかしながら、実施の形態はこれに限定されない。調整用ワークＷの球面の実寸が既知である場合には、第１～第４の点により規定される第１の球面のパラメータと、調整用ワークＷの球面に対応するパラメータとの乖離に基づいて歪み量Ｄが算出されてもよい。この場合、キャリブレーション処理におけるステップＳ５，Ｓ７が省略される。

（６）効果
本実施の形態に係る光学式変位計測システム５００においては、移動方向Ａに調整用ワークＷが相対的に移動されることに応じて、プロファイル生成部２０１により調整用ワークＷのプロファイルデータがＹ１方向の各位置に対応して生成される。複数のプロファイルデータに基づいて、形状生成部２０２により調整用ワークＷの三次元データが生成される。ここで、撮像ヘッド１００のＹ１方向が移動方向Ａに対してずれている場合でも、形状生成部２０２により生成された三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータが球情報算出部２０３により算出される。

球情報算出部２０３により算出されたパラメータに基づいて、歪み量算出部２０４により球面の歪み量Ｄが算出される。歪み量算出部２０４により算出された歪み量Ｄが低減されるように、補正値算出部２０５により三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１および第２の回転角度補正値が算出される。補正値算出部２０５により算出された第１および第２の回転角度補正値に基づいて、形状生成部２０２により三次元データを構成する複数のプロファイルデータがＸ２軸およびＺ２軸周りに回転される。

この場合、撮像ヘッド１００の取り付け調整を行うことなく、球面の歪み量Ｄが小さくなるときの調整用ワークＷの三次元形状を示す三次元データを自動的に生成することが可能になる。これにより、調整用ワークＷの正確な形状を容易に測定することができる。また、調整用ワークＷを用いて算出された第１および第２の回転角度補正値に基づいて任意の測定対象物Ｓについての三次元データを補正することにより、測定対象物Ｓの正確な三次元形状を示す三次元データを自動的に生成することができる。

［２］第２の実施の形態
第２の実施の形態に係る光学式変位計測システム５００について、第１の実施の形態に係る光学式変位計測システム５００と異なる点を説明する。図１９は、第２の実施の形態に係る光学式変位計測システム５００の構成を示す模式図である。図１９に示すように、光学式変位計測システム５００は、測定対象物Ｓ（調整用ワークＷ）を取り囲むように配置された複数の撮像ヘッド１００を備える。本実施の形態では、光学式変位計測システム５００は、４個の撮像ヘッド１００を備えるが、２個または３個の撮像ヘッド１００を備えてもよいし、５個以上の撮像ヘッド１００を備えてもよい。

各撮像ヘッド１００には、固有のＸ１方向、Ｙ１方向およびＺ１方向が予め定義される。図１９では、各撮像ヘッド１００に定義されたＸ１方向、Ｙ１方向およびＺ１方向が、吹き出しにより当該撮像ヘッド１００に対応するように示される。各撮像ヘッド１００は、Ｙ１方向が測定対象物Ｓの移動方向Ａと略平行になるように取り付けられる。

処理装置２００は、図１４のプロファイル生成部２０１、形状生成部２０２、球情報算出部２０３、歪み量算出部２０４、補正値算出部２０５および報知部２０６を含む。処理装置２００は、報知部２０６を含まなくてもよい。処理装置２００は、撮像ヘッド１００ごとに第１の実施の形態におけるキャリブレーション処理を実行する。以下、第１の実施の形態におけるキャリブレーション処理実行後の処理装置２００の動作について説明する。

球情報算出部２０３は、撮像ヘッド１００ごとに、対応する三次元データに基づいて調整用ワークＷの球面に関連する基準点を算出する。基準点は、球面上の任意の点であってもよいし、球面の中心であってもよい。調整用ワークＷが球面上に凹凸等の特徴点を有する場合には、基準点は特徴点であってもよい。補正値算出部２０５は、球情報算出部２０３により複数の撮像ヘッド１００に対応して算出された複数の基準点の乖離が低減されるように、各三次元データを構成するの複数プロファイルデータにおける第１、第２および第３の並進量補正値を算出する。第１～第３の並進量補正値は、それぞれ三次元データにおけるＸ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に平行な並進量である。

例えば、第１の撮像ヘッド１００により算出された基準点が光学式変位計測システム５００により予め定められた座標（０．１，０，０）にあったとする。また、第２の撮像ヘッド１００により算出された基準点が座標（０，０．１，０）にあり、第３の撮像ヘッド１００により算出された基準点が座標（０，０，０．１）にあり、第４の撮像ヘッド１００により算出された基準点が座標（０．１，０，０．１）にあったとする。これらの基準点の座標が特定の座標（例えば原点の座標（０，０，０））に位置するように各撮像ヘッド１００に対応する第１～第３の並進量補正値が算出されてもよい。

形状生成部２０２は、補正値算出部２０５により算出された第１～第３の並進量補正値に基づいて、各撮像ヘッド１００をＸ１方向、Ｚ１方向およびＹ１方向に仮想的に並進移動させたときの調整用ワークＷを示すように三次元データを補正する。

具体的には、三次元データを構成する各プロファイルデータにおける各画素列ＳＳのピーク位置が第１～第３の並進量補正値だけそれぞれＸ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に並進移動される。並進移動後の複数のピーク位置に基づいて、各プロファイルデータが更新される。更新された複数のプロファイルデータがＹ２方向に配列されることにより、Ｘ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に並進移動するように補正された三次元データが生成される。また、三次元データが補正された場合には、三次元データに対応するように輝度画像データが更新される。

上記の説明において、補正値算出部２０５は、全部の撮像ヘッド１００に対応する第１～第３の並進量補正値を算出するが、実施の形態はこれに限定されない。補正値算出部２０５は、いずれか１個の撮像ヘッド１００（以下、基準撮像ヘッドと呼ぶ。）以外の撮像ヘッド１００に対応する第１～第３の並進量補正値を算出してもよい。この場合、形状生成部２０２は、補正値算出部２０５により算出された第１～第３の並進量補正値に基づいて、基準撮像ヘッド以外の撮像ヘッド１００に対応する三次元データを補正する。

図２０は、図１９の処理装置２００によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。まず、処理装置２００は、図１８の第１の実施の形態におけるキャリブレーション処理のステップＳ１～Ｓ１３と同様のステップＳ１～Ｓ１３を各撮像ヘッド１００ごとに実行する。具体的には、１つの撮像ヘッド１００に対してステップＳ１～Ｓ１３の処理が終了した後、すなわちステップＳ９で歪み量Ｄがしきい値以下と判定された後、球情報算出部２０３は、全部の撮像ヘッド１００に対してステップＳ１～Ｓ１３の処理が終了したか否かを判定する（ステップＳ１４）。

全部の撮像ヘッド１００に対して処理が実行されていない場合、球情報算出部２０３は、ステップＳ１に戻る。これにより、他の撮像ヘッド１００に対してステップＳ１～Ｓ１３の処理が実行される。全部の撮像ヘッド１００に対してステップＳ１～Ｓ１３の処理が実行されるまでステップＳ１～Ｓ１４が繰り返される。全部の撮像ヘッド１００に対してステップＳ１～Ｓ１３の処理が実行された場合、球情報算出部２０３は、複数の撮像ヘッド１００にそれぞれ対応する調整用ワークＷの複数の基準点を算出する（ステップＳ１５）。

次に、補正値算出部２０５は、ステップＳ１５で算出された複数の基準点の乖離が低減されるように、各三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおける第１～第３の並進量補正値を算出する（ステップＳ１６）。報知部２０６は、ステップＳ１６で算出された第１～第３の並進量補正値を表示部４００に表示させることにより、第１～第３の並進量補正値を使用者に報知してもよい。

その後、形状生成部２０２は、ステップＳ１６で算出された第１～第３の並進量補正値に基づいて、各撮像ヘッド１００に対応する三次元データを構成する各プロファイルデータをＸ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に並進移動させる（ステップＳ１７）。これにより、各三次元データが補正される。ここで、ステップＳ３で輝度画像データが生成された場合には、三次元データに対応するように輝度画像データが更新される。三次元データが補正された後、本実施の形態におけるキャリブレーション処理が終了する。

本実施の形態に係る光学式変位計測システム５００においては、複数の撮像ヘッド１００に対応する複数の三次元データがＸ２方向、Ｚ２方向またはＹ２方向にずれている場合でも、補正値算出部２０５により球面に関連する基準点の乖離が低減されるように第１～第３の並進量補正値が算出される。また、第１～第３の並進量補正値に基づいて、形状生成部２０２により三次元データを構成する複数のプロファイルデータがＸ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に並進移動される。

この場合、各撮像ヘッド１００の取り付け調整を行うことなく、球面の基準点の乖離が小さくなるときの調整用ワークＷの三次元形状を示す複数の三次元データを自動的に生成することができる。また、調整用ワークＷを用いて算出された第１～第３の並進量補正値に基づいて任意の測定対象物Ｓについての三次元データを補正することにより、測定対象物Ｓの三次元形状を示す複数の三次元データを自動的に生成することができる。

［３］第３の実施の形態
第３の実施の形態に係る光学式変位計測システム５００について、第２の実施の形態に係る光学式変位計測システム５００と異なる点を説明する。図２１は、第３の実施の形態に係る光学式変位計測システム５００の構成を示す模式図である。図２１に示すように、本実施の形態においては、調整用ワークＷの球面は、特徴部分Ｆを有する。本例では、特徴部分Ｆは、球面の表面に付された印字であるが、球面の表面に付された模様であってもよいし、球面の表面に形成された凹凸または溝等であってもよい。

図２２は、図２１の処理装置２００の構成を示すブロック図である。図２２に示すように、処理装置２００は、図１４のプロファイル生成部２０１、形状生成部２０２、球情報算出部２０３、歪み量算出部２０４、補正値算出部２０５および報知部２０６に加えて、機能部として合成部２０７をさらに含む。処理装置２００は、報知部２０６を含まなくてもよい。処理装置２００は、第２の実施の形態におけるキャリブレーション処理を実行する。以下、第２の実施の形態におけるキャリブレーション処理実行後の処理装置２００の動作について説明する。

形状生成部２０２は、各撮像ヘッド１００に対応する三次元データにおいて、特徴部分Ｆを特定する。ここで、特徴部分Ｆが球面の表面に付された印字または模様である場合、特徴部分Ｆは、互いに対応する三次元データおよび輝度画像データに基づいて特定される。一方、特徴部分Ｆが球面の表面に形成された凹凸または溝等である場合、特徴部分Ｆは、三次元データのみに基づいて特定することができる。

補正値算出部２０５は、形状生成部２０２により特定された複数の三次元データの特徴部分Ｆが一致するように、第３の回転角度補正値を算出する。第３の回転角度補正値は、三次元データを構成する複数のプロファイルデータにおけるＹ２軸周りの回転角度である。特徴部分Ｆが印字または模様等である場合には、複数の三次元データの特徴部分Ｆの一致度は、例えば三次元データおよび輝度画像データのパターンマッチングにより判定することができる。一方、特徴部分Ｆが凹凸または溝等である場合には、複数の三次元データの特徴部分Ｆの一致度は、例えば三次元データのパターンマッチングにより判定することができる。形状生成部２０２は、補正値算出部２０５により算出された第３の回転角度補正値に基づいて、Ｙ２軸周りに撮像ヘッド１００を仮想的に回転させたときの調整用ワークＷを示すように三次元データを補正する。

具体的には、三次元データを構成する各プロファイルデータにおける各画素列ＳＳのピーク位置が第３の回転角度補正値だけＹ２軸周りに回転される。回転後の複数のピーク位置に基づいて、各プロファイルデータが更新される。更新された複数のプロファイルデータがＹ２方向に配列されることにより、Ｙ２軸周りに回転するように補正された三次元データが生成される。合成部２０７は、複数の撮像ヘッド１００に対応する複数の三次元データが補正された後、複数の三次元データを合成することにより、調整用ワークＷの三次元形状を示す合成データを生成する。

上記の説明において、補正値算出部２０５は、撮像ヘッド１００に対応する球面の特徴部分Ｆが一致するように、全部の撮像ヘッド１００に対応する第３の回転角度補正値を算出するが、実施の形態はこれに限定されない。補正値算出部２０５は、基準撮像ヘッド以外の撮像ヘッド１００に対応する第３の回転角度補正値を算出してもよい。この場合、形状生成部２０２は、補正値算出部２０５により算出された第３の回転角度補正値に基づいて、基準撮像ヘッド以外の撮像ヘッド１００に対応する三次元データを補正する。

図２３は、図２２の処理装置２００によるキャリブレーション処理を示すフローチャートである。まず、処理装置２００は、図２０の第２の実施の形態におけるキャリブレーション処理のステップＳ１～Ｓ１７と同様のステップＳ１～Ｓ１７を実行する。ステップＳ１～Ｓ１７の終了後、形状生成部２０２は、複数の撮像ヘッド１００に対応する複数の三次元データの特徴部分Ｆを特定する（ステップＳ１８）。

次に、補正値算出部２０５は、ステップＳ１８で特定された複数の三次元データの特徴部分Ｆが一致するように第３の回転角度補正値を算出する（ステップＳ１９）。本例では、特徴部分Ｆは文字であるため、三次元データの特徴部分Ｆの一致度は、三次元データおよび輝度画像データのパターンマッチングにより判定される。報知部２０６は、ステップＳ１９で算出された第３の回転角度補正値を表示部４００に表示させることにより、第３の回転角度補正値を使用者に報知してもよい。

その後、形状生成部２０２は、ステップＳ１９で算出された第３の回転角度補正値に基づいて、各撮像ヘッド１００に対応する三次元データを構成する各プロファイルデータをＹ２軸周りに回転させる（ステップＳ２０）。これにより、各三次元データが補正される。ここで、三次元データに対応するように輝度画像データが更新される。最後に、合成部２０７は、ステップＳ２０で補正された複数の三次元データを合成することにより、合成データを生成する（ステップＳ２１）。これにより、本実施の形態におけるキャリブレーション処理が終了する。

本実施の形態に係る光学式変位計測システム５００においては、複数の撮像ヘッド１００に対応する複数の三次元データがＹ２軸周りにずれている場合でも、補正値算出部２０５により複数の三次元データにおける特徴部分Ｆが一致するように第３の回転角度補正値が算出される。また、第３の回転角度補正値に基づいて、形状生成部２０２により三次元データを構成する複数のプロファイルデータがＹ２軸周りに回転される。

この場合、各撮像ヘッド１００の取り付け調整を行うことなく、特徴部分Ｆが一致するときの調整用ワークＷの三次元形状を示す複数の三次元データを自動的に生成することができる。また、複数の三次元データにおいて、Ｘ２軸、Ｚ２軸およびＹ２軸周りの回転ずれが低減されるとともに、Ｘ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向の並進ずれが低減されるので、複数の三次元データを合成することが可能になる。そのため、複数の三次元データを合成することにより、調整用ワークＷのより正確な三次元形状を示す合成データを容易に生成することができる。

本実施の形態において、処理装置２００は合成部２０７を含むが、実施の形態はこれに限定されない。複数の三次元データを合成する必要がない場合には、処理装置２００は合成部２０７を含まなくてもよい。この場合、キャリブレーション処理におけるステップＳ２１は省略される。

［４］他の実施の形態
（１）上記実施の形態において、処理装置２００は光学式変位計測システム５００の一部として設けられるが、実施の形態はこれに限定されない。処理装置２００は、投光部および受光部により構成される光切断方式の光学式変位計について用いられる限り、処理装置２００は光学式変位計測システム５００の一部として設けられなくてもよい。

（２）第１の実施の形態において、第１および第２の回転角度補正値に基づいてＸ２軸およびＺ２軸周りに回転するように三次元データが補正されるが、実施の形態はこれに限定されない。処理装置２００が報知部２０６を含む場合には、使用者は、報知部２０６により報知された第１および第２の回転角度補正値を用いて、球面の歪み量Ｄが小さくなるように撮像ヘッド１００の正確な取り付け調整を容易に行うことができる。これにより、調整用ワークＷの正確な形状を容易に測定することができる。したがって、第１および第２の回転角度補正値に基づいてＸ２軸およびＺ２軸周りに回転するように三次元データが補正されなくてもよい。

（３）第１の実施形態において、補正値算出部２０５は、第１の回転角度補正値と第２の回転角度補正値との両方を算出するが、実施の形態はこれに限定されない。例えば、Ｘ１軸周りには回転角度のずれが生じないように撮像ヘッド１００が取り付けられている場合、補正値算出部２０５は、第２の回転角度補正値のみを算出してもよい。この場合、形状生成部２０２は、算出された第２の回転角度補正値に基づいて、三次元データを構成する複数のプロファイルデータをＺ２軸周りに回転させることにより三次元データを補正してもよい。また、報知部２０６は、算出された第２の回転角度補正値のみを報知してもよい。

同様に、Ｚ１軸周りには回転角度のずれが生じないように撮像ヘッド１００が取り付けられている場合には、補正値算出部２０５は、第１の回転角度補正値のみを算出してもよい。この場合、形状生成部２０２は、算出された第１の回転角度補正値に基づいて、三次元データを構成する複数のプロファイルデータをＸ２軸周りに回転させることにより三次元データを補正してもよい。また、報知部２０６は、算出された第１の回転角度補正値のみを報知してもよい。

（４）第２の実施の形態において、第１～第３の並進量補正値に基づいてＸ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に並進移動するように三次元データが補正されるが、実施の形態はこれに限定されない。処理装置２００が報知部２０６を含む場合には、使用者は、報知部２０６により報知された第１～第３の並進量補正値を用いて、球面の基準点の乖離が小さくなるように各撮像ヘッド１００の正確な取り付け調整を容易に行うことができる。したがって、第１～第３の並進量補正値に基づいてＸ２方向、Ｚ２方向およびＹ２方向に並進移動するように三次元データが補正されなくてもよい。

（５）第２の実施形態において、補正値算出部２０５は、第１の並進量補正値、第２の並進量補正値および第３の並進量補正値を算出するが、実施の形態はこれに限定されない。Ｘ１方向、Ｙ１方向またはＺ１方向のいずれかにはずれが生じないように撮像ヘッド１００が取り付けられている場合には、補正値算出部２０５は、第１の並進量補正値、第２の並進量補正値および第３の並進量補正値のうち、ずれが生じ得る少なくとも１つの方向に対応する並進量補正値を算出してもよい。

この場合、形状生成部２０２は、算出された並進量補正値に基づいて、三次元データを構成する複数のプロファイルデータを並進量補正値に対応する方向に並進移動させることにより三次元データを補正してもよい。また、報知部２０６は、算出された並進量補正値のみを報知してもよい。

（６）第３の実施の形態において、第３の回転角度補正値に基づいてＹ２軸周りに回転するように三次元データが補正されるが、実施の形態はこれに限定されない。処理装置２００が報知部２０６を含む場合には、使用者は、報知部２０６により報知された第３の回転角度補正値を用いて、特徴部分Ｆが一致するように各撮像ヘッド１００の正確な取り付け調整を容易に行うことができる。したがって、第３の回転角度補正値に基づいてＹ２軸周りに回転するように三次元データが補正されなくてもよい。

［５］請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。

光学式変位計測システム５００が光学式変位計測システムの例であり、Ｘ１方向またはＸ２方向が第１の方向の例であり、Ｚ１方向またはＺ２方向が第２の方向の例であり、Ｙ１方向またはＹ２方向が第３の方向の例である。投光部１１０が投光部の例であり、調整用ワークＷがワークの例であり、受光部１２１が受光部の例である。

プロファイル生成部２０１がプロファイル生成部の例であり、形状生成部２０２が形状生成部の例であり、球情報算出部２０３が球情報算出部の例であり、歪み量算出部２０４が歪み量算出部の例である。補正値算出部２０５が補正値算出部の例であり、特徴部分Ｆが特徴部分の例であり、合成部２０７が合成部の例であり、報知部２０６が報知部の例であり、処理装置２００が処理装置の例である。

１００…撮像ヘッド，１１０…投光部，１２０…撮像部，１２１…受光部，１２２…受光レンズ，２００…処理装置，２０１…プロファイル生成部，２０２…形状生成部，２０３…球情報算出部，２０４…歪み量算出部，２０５…補正値算出部，２０６…報知部，２０７…合成部，２１０…記憶部，２２０…制御部，３００…入力部，４００…表示部，５００…光学式変位計測システム，Ｆ…特徴部分，ｐ…画素，Ｐ…ピーク，Ｒ…受光領域，Ｓ…測定対象物，ＳＳ…画素列，Ｔ…照射領域，Ｗ…調整用ワーク

Claims (13)

1. 光切断方式の光学式変位計測システムであって、
   互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、前記第１の方向に広がりを有するスリット光、または前記第１の方向に走査されるスポット光を前記第２の方向に出射する投光部と、
   二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの前記第１の方向の各位置で反射された光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部と、
   前記受光信号に基づいて、前記第１の方向と前記第２の方向とにより規定される面内における前記球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成するプロファイル生成部と、
   前記球面を有するワークが前記投光部および前記受光部に対して前記第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより前記第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、前記球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成する形状生成部と、
   前記三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する球情報算出部と、
   前記パラメータに基づいて、前記球面の歪み量を算出する歪み量算出部と、
   前記歪み量が低減されるように、前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータにおける前記第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および前記第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出する補正値算出部とを備える、光学式変位計測システム。
2. 前記球情報算出部は、前記三次元データに含まれる第１の点、第２の点、第３の点および第４の点により規定される第１の球面のパラメータを算出するとともに、前記三次元データに含まれる第５の点、第６の点、第７の点および第８の点により規定される第２の球面のパラメータを算出し、
   前記歪み量算出部は、前記第１の球面のパラメータと前記第２の球面のパラメータとの乖離に基づいて前記歪み量を算出する、請求項１記載の光学式変位計測システム。
3. 前記形状生成部は、前記第１の回転角度補正値および前記第２の回転角度補正値に基づいて、前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータを前記第１の軸周りおよび前記第２の軸周りに回転させることにより前記三次元データを補正する、請求項１または２記載の光学式変位計測システム。
4. 前記補正値算出部は、前記第１の回転角度補正値および前記第２の回転角度補正値を所定量ずつ変化させ、
   前記球情報算出部および前記歪み量算出部は、前記歪み量が予め定められたしきい値以下になるまで前記パラメータの算出および前記歪み量の算出を繰り返す、請求項３記載の光学式変位計測システム。
5. 前記投光部と前記受光部とは、互いに対応するように複数組設けられ、
   前記プロファイル生成部、前記形状生成部、前記球情報算出部、前記歪み量算出部および前記補正値算出部は、前記投光部と前記受光部との組ごとに算出された前記第１の回転角度補正値および前記第２の回転角度補正値に基づいて、前記投光部と前記受光部との前記組に対応する前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータを前記第１の軸周りおよび前記第２の軸周りに回転させるように動作し、
   前記球情報算出部は、前記複数のプロファイルデータが回転された後、前記投光部と前記受光部との前記組ごとに、前記三次元データに基づいて前記球面に関連する基準点を算出し、
   前記補正値算出部は、複数の前記基準点の乖離が低減されるように、少なくとも１つの前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータにおける前記第１の方向に平行な第１の並進量補正値、前記第２の方向に平行な第２の並進量補正値および前記第３の方向に平行な第３の並進量補正値を算出する、請求項３または４記載の光学式変位計測システム。
6. 前記形状生成部は、前記第１の並進量補正値、前記第２の並進量補正値および前記第３の並進量補正値に基づいて、少なくとも１つの前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータを前記第１の方向、前記第２の方向および前記第３の方向に並進移動させることにより前記三次元データを補正する、請求項５記載の光学式変位計測システム。
7. 前記球面は、特徴部分を有し、
   前記補正値算出部は、少なくとも１つの前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータが前記第１の方向、前記第２の方向および前記第３の方向に並進移動された後、複数の前記三次元データにおける前記特徴部分が一致するように、少なくとも１つの前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータにおける前記第３の方向に平行な第３の軸周りの第３の回転角度補正値を算出する、請求項６記載の光学式変位計測システム。
8. 前記形状生成部は、前記第３の回転角度補正値に基づいて、少なくとも１つの前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータを前記第３の軸周りに回転させることにより前記三次元データを補正する、請求項７記載の光学式変位計測システム。
9. 少なくとも１つの前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータが前記第３の軸周りに回転された後、複数の前記三次元データを合成することにより前記球面を有するワークの三次元形状を示す合成データを生成する合成部をさらに備える、請求項８記載の光学式変位計測システム。
10. 前記第１の回転角度補正値および前記第２の回転角度補正値の少なくとも一方を報知する報知部をさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の光学式変位計測システム。
11. 互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、前記第１の方向に広がりを有するスリット光、または前記第１の方向に走査されるスポット光を前記第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの前記第１の方向の各位置からの反射光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部とを有する光切断方式の光学式変位計について用いられる処理装置であって、
    前記受光信号に基づいて、前記第１の方向と前記第２の方向とにより規定される面内における前記球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成するプロファイル生成部と、
    前記球面を有するワークが前記投光部および前記受光部に対して前記第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより前記第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、前記球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成する形状生成部と、
    前記三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する球情報算出部と、
    前記パラメータに基づいて、前記球面の歪み量を算出する歪み量算出部と、
    前記歪み量が低減されるように、前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータにおける前記第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および前記第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出する補正値算出部とを備える、処理装置。
12. 互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、前記第１の方向に広がりを有するスリット光、または前記第１の方向に走査されるスポット光を前記第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの前記第１の方向の各位置からの反射光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部とを有する光切断方式の光学式変位計について用いられる光学式変位計測方法であって、
    前記受光信号に基づいて、前記第１の方向と前記第２の方向とにより規定される面内における前記球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成することと、
    前記球面を有するワークが前記投光部および前記受光部に対して前記第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより前記第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、前記球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成することと、
    前記三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出することと、
    前記パラメータに基づいて、前記球面の歪み量を算出することと、
    前記歪み量が低減されるように、前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータにおける前記第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および前記第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出することとを含む、光学式変位計測方法。
13. 互いに交差する第１の方向、第２の方向および第３の方向が予め定義され、前記第１の方向に広がりを有するスリット光、または前記第１の方向に走査されるスポット光を前記第２の方向に出射する投光部と、二次元状に配列された複数の画素を含み、球面を有するワークの前記第１の方向の各位置からの反射光を受光するとともに、受光量を示す受光信号を出力する受光部とを有する光切断方式の光学式変位計について用いられる光学式変位計測プログラムであって、
    前記受光信号に基づいて、前記第１の方向と前記第２の方向とにより規定される面内における前記球面を有するワークのプロファイルを示すプロファイルデータを生成する処理と、
    前記球面を有するワークが前記投光部および前記受光部に対して前記第３の方向に対応する方向に相対的に移動されることにより前記第３の方向の各位置に対応して生成された複数のプロファイルを合成することにより、前記球面を有するワークの三次元形状を示す三次元データを生成する処理と、
    前記三次元データに含まれる複数の点により規定される球面のパラメータを算出する処理と、
    前記パラメータに基づいて、前記球面の歪み量を算出する処理と、
    前記歪み量が低減されるように、前記三次元データを構成する前記複数のプロファイルデータにおける前記第１の方向に平行な第１の軸周りの第１の回転角度補正値および前記第２の方向に平行な第２の軸周りの第２の回転角度補正値の少なくとも一方を算出する処理とを、
    処理装置に実行させる、光学式変位計測プログラム。

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