JP3097414B2 - 形状認識装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三角測量の原理を利用
して被測定物の各位置までの距離を連続的に測定するこ
とにより、当該被測定物の形状あるいは輪郭を認識する
形状認識装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の形状認識装置としては、例えば図
１に示すようなものがある。なお、図９は、従来の形状
認識装置の制御部を示すブロック図である。図１に示す
ように、この形状認識装置は、被測定物にスポット光Ｌ
ｓを照射して当該被測定物の表面に照射像を形成するス
ポット光源１を有している。このスポット光源１は、半
導体レーザであり、半導体レーザ駆動部２に接続されて
いる。またこの形状認識装置は、照射像からの散乱光Ｌ
ｒを受光する一次元ＣＣＤセンサ３を有している。図３
に示すように、この一次元ＣＣＤセンサ３は、一直線に
並ぶフォトダイオードつまり受光素子５からなる受光部
３ａを有しており、各受光素子５には基準となる受光素
子の位置（以下、基準位置）Ｉa の受光素子から順に位
置番号Ｉが付されている。また各受光素子５によって一
次元ＣＣＤセンサ３の前面に取り付けられたレンズ４を
通過した照射像からの散乱光Ｌｒを受光している。そし
てスポット光Ｌｓの照射方向と、散乱光Ｌｒを受光した
受光素子５の基準位置Ｉa からの位置とを基に照射像の
方向を検出している。なお各受光素子５は、所定時間内
の受光量に応じて生じる電荷の量を基に受光量を検出し
ている。このようにして、一次元ＣＣＤセンサ３を基準
とする照射像の方向を検知すると、この方向から算出さ
れる角度を基に三角測量の原理を利用して照射像までの
距離を算出する。この算出方法は、例えば、特願平５−
３１９８６号の発明の詳細な説明に開示されているよう
な方法である。

【０００３】また形状認識装置は、回転自在に支持さ
れ、モータ（駆動手段）６により回転駆動されるミラー
（反射手段）７を有している。このミラー７は、スポッ
ト光源１からのスポット光Ｌｓを被測定物に反射すると
共に、被測定物（不図示）上に形成される照射像からの
散乱光Ｌｒを一次元ＣＣＤセンサ３に向けて導いてお
り、このミラー７を回転させることにより被測定物に対
してスポット光Ｌｓをスキャンさせている。なおモータ
の回転軸には、モータ６の回転量を示すパルス信号を出
力するエンコーダ８が接続されており、このエンコーダ
８によってスポット光Ｌｓの照射方向を常に検出してい
る。このようにして、スポット光Ｌｓをスキャンさせつ
つ一次元ＣＣＤセンサ３に対する照射像の方向を連続的
に検知することにより、この照射像までの距離を算出し
て形状を認識している。

【０００４】ところが、被測定物表面に形成される照射
像は、一般に、拡がりを有しており、光が照射されてい
る部分とされていない部分の境界が明瞭でない。また照
射像の部分によっても輝度が異なる。したがって、この
ような照射像からの散乱光Ｌｒを、一次元ＣＣＤセンサ
３の各受光素子５で受光すると、各受光素子５の受光量
測定値の分布は、図５に示される曲線Ｇ１のようにな
る。

【０００５】したがって従来は、例えば、受光量の最大
値を測定した受光素子５の位置から照射方向を決定した
り、あるいは各受光素子５の位置と各受光素子５での測
定値とを次に示す式（１）に代入して照射方向を決定し
たりしている。

【０００６】

【数１】

【０００７】この式（１）は、光重心位置Ｋつまり照射
される光の量が両側で均衡する位置を求める式であり、
この光重心位置Ｋを受光位置とみなして照射方向として
いる。なお、Ｉは基準位置Ｉa からの受光素子の位置を
示す値であり、ＶI は位置Ｉの受光素子から出力される
受光量測定値である。

【０００８】ここで、光重心位置を求めて照射像の方向
を決定する処理手順を具体的に説明する。

【０００９】ミラー７を駆動するモータ６が作動される
と、モータ６の回転軸に接続するエンコーダ８のパルス
信号がカウンタ９によりカウントされ、スポット光Ｌｓ
の照射方向が第１メモリ１０に記憶される。スポット光
Ｌｓの照射方向が検出されると、そのスポット光Ｌｓが
照射され形成される照射像からの散乱光Ｌｒを一次元Ｃ
ＣＤセンサ３により受光し、その受光量の測定値を第１
ビデオバッファ１１に出力する。第１ビデオバッファ１
１に出力された測定データは、同時に、各受光素子５ご
とにＡ／Ｄコンバータ１２により受光量の測定値を示す
数値に変換され、逐次第１メモリ１０に記憶される。全
ての測定データの数値化が終了すると、第１メモリ１０
に記憶される照射方向のデータ、つまり角度を示す値と
数値化された受光量測定値とがＣＰＵ１３に読み込ま
れ、式（１）により光重心位置Ｋが算出される。

【００１０】この光重心位置Ｋを、予め準備されている
光重心位置Ｋと距離との換算テーブル（不図示）に対応
させて照射像までの距離を算出する。なお換算処理およ
び換算テーブルは、例えば特願平５−３１９８６号の発
明の詳細な説明に開示されている。このように、被測定
物をスキャンするスポット光Ｌｓによりに形成される照
射像の光重心位置Ｋを求めて照射像の方向と照射像まで
の距離とを連続的に行うことにより、被測定物の輪郭つ
まり形状を認識している。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、被測定
物が金属などからなり、その表面が比較的光沢を有する
と共に、その形状が図６に示すように凹形状である場
合、スポット光源１からのスポット光Ｌｓが直接照射さ
れる位置Ｆｍには直接照射像が、そして被測定物の表面
で一旦反射されたスポット光Ｌｓが照射される位置Ｆｓ
には間接照射像が形成される。なお間接照射像は、被測
定物の表面Ｍとスポット光Ｌｓとのなす角によっては、
直接照射像とほぼ同レベルかあるいはそれ以上の散乱光
Ｌｒを放つことがある。このような場合、一次元ＣＣＤ
センサ３で受光された光の強度の分布は、図７に示され
る曲線Ｇ２のようになる。つまり受光量の極大形状が２
つ現れる。したがって、従来のように、最も受光強度が
大きい受光素子の位置から照射方向を決定したり、単に
式（１）を用いて光重心位置Ｋを算出して照射方向を決
定したりすると、正確な光重心位置を検出することがで
きない。

【００１２】そこで本発明の発明者は、被測定物の表面
形状に段差がない場合、一次元ＣＣＤセンサにより測定
される直接照射像の測定位置には連続性があることに着
目し、本発明をするに至った。このようにしてなされた
本発明に係る形状認識装置は、被測定物の表面に直接照
射像の反射像である間接照射像が形成され、一次元ＣＣ
Ｄセンサの受光素子の受光値に２つ以上の極大値が測定
される場合に、その２つ以上の極大値のうちから直接照
射像による主極大位置を判別すると共に、過去の受光量
値を用いて実際に測定される受光量値を、間接照射像か
らの光の成分を含まない値に補正することにより、上述
の問題点を解決して正確な光重心位置を検出することを
目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の形状認識装置は、被測定物にスポット光を照
射して当該被測定物に直接照射像を形成するスポット光
源と、前記被測定物からの光の量を測定する複数の受光
部材からなる受光手段と、前記スポット光を前記被測定
物に向けて照射させると共に前記照射像からの光を前記
受光手段に導く反射手段と、当該反射手段を回転させて
前記スポット光を走査させる駆動手段と、前記複数の受
光部材により測定される受光量値を基に前記照射像の重
心位置を算定すると共に当該重心位置までの距離を算出
する演算手段とを有する形状認識装置において、前記受
光手段の複数の受光部材により測定される前記受光量値
を記憶する記憶手段と、前記複数の受光部材により測定
される受光量測定値に複数の極大値が存在する場合に、
前記複数の極大値のうちから、前記直接照射像からの光
の測定値である主極大値を判別する判別手段と、前記主
極大値以外の副極大値に基づいて前記受光量測定値の一
部を除去すると共に当該除去部分のデータに過去の測定
データに基づいたデータを補って、前記受光部材の実際
の受光量を示す前記受光量値を前記直接照射像からの受
光量を示す値に補正する補正手段とを設けたことを特徴
とする。

【００１４】

【作用】被測定体の表面に、直接照射像と１つ以上の間
接照射像の照射像が形成されると、受光手段に測定され
る受光量値に、複数の極大値が現れる。そこで、この複
数の極大値のいずれの極大値が直接照射像によるものか
を判別すると共に、間接照射像からの光を受光した受光
部材の測定データを除いた測定データを用いて正確な光
重心位置を求める。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。なお、既に説明した部材には同一の符号を
付す。図１は、本実施例の形状認識装置のセンサ部２
０、すなわちスポット光源１と、一次元ＣＣＤセンサ３
と、ミラー７とを有する部分の構造を示す概念図であ
る。この部分の構造は従来の装置と同様である。また図
２は、一次元ＣＣＤセンサ３の各種測定データから被測
定位置までの距離を算出する制御部と、センサ部２０の
一部とを示すブロック図である。

【００１６】図１に示すように、形状認識装置のセンサ
部２０には、スポット光を照射するスポット光源１が取
り付けられている。このスポット光源１の照射口は、口
径を自在に変化させることができるようになっており、
被測定物の表面状態や測定精度などにより適宜選択され
る。またセンサ部２０には、スポット光源１からのスポ
ット光Ｌｓを被測定物に向けて反射するミラー７が回転
自在に取り付けられており、モータ６により駆動されて
いる。したがって、モータ６でミラー７を回転させるこ
とにより、スポット光Ｌｓを被測定物に対してスキャン
させることができる。このモータ６の駆動軸には、モー
タ６の回転位置を示すパルス信号を生成するエンコーダ
８が接続されており、このパルス信号を図２に示すカウ
ンタ９でカウントしてモータ６の位置を検知することに
より、ミラー８の位置を検知してスポット光Ｌｓの照射
方向を検出している。

【００１７】さらにセンサ部２０には、被測定物表面に
スポット光Ｌｓにより形成される照射像からの光を受光
する一次元ＣＣＤセンサ３が取り付けられている。この
一次元ＣＣＤセンサ３は、図３に示すように、直線に並
ぶ多数の受光素子５からなる受光部３ａを有しており、
各受光素子５によって照射像からの散乱光Ｌｒの強度つ
まり受光量を測定している。なお、散乱光Ｌｒを受光す
る位置が幅方向Ｙにずれる場合を考慮して、幅の広い受
光素子を用いたり、受光素子を幅方向に２列以上配置し
たりしてもよい。

【００１８】そして図１に示するように、一次元ＣＣＤ
センサ３の前面には、スポット光Ｌｓの照射像などから
の散乱光Ｌｒを通過させて拡大するレンズ４が取り付け
られており、このレンズ４を通過した散乱光Ｌｒを受光
部３ａで受光している。このように、照射像からの散乱
光Ｌｒをレンズ４で拡大して検知すると、照射像からの
光の強度分布をより高い精度で測定できる。

【００１９】また図２に示すように、一次元ＣＣＤセン
サ３は、各受光素子５で測定される受光量測定値を画像
データとして記憶する第１ビデオバッファ１１に接続さ
れている。この第１ビデオバッファ１１は、第１ビデオ
バッファ１１に記憶されている画像データを各受光素子
５の測定データごとに数値化するＡ／Ｄコンバータ１２
に接続されており、数値に変換された測定値は、第１メ
モリ１０に記憶される。なお、図示すように、この第１
メモリ１０はバス２１を介してＣＰＵ１３、ＲＯＭ２
２、ＲＡＭ２３およびレジスタ２４に接続されており、
第１メモリ１０に記憶される数値化された測定値を自在
に転送できるようになっている。つまり、第１メモリ１
０に記憶される測定値をＣＰＵ１３に読み込んだり、演
算の中途で算出される数値をレジスタ２４に書き込んだ
り、レジスタ２４の数値を読み込んだりすることができ
る。このうちＣＰＵ１３は、受光量測定値を基に光重心
位置Ｋを算出する演算手段であると共に、後ほど説明す
る判別処理を行う判別手段でもあり、また補正処理を行
う補正手段でもある。

【００２０】またバス２１には、一次元ＣＣＤセンサ３
によって過去の測定データを保存する第２ビデオバッフ
ァ３１と、過去の測定値から算出される光重心位置など
の数値が保存される第２数値メモリ３２が接続されてい
る。したがって、後述する判別処理や補正処理におい
て、過去の測定値や光重心位置のデータを用いることが
できる。

【００２１】このような形状認識装置によって、被測定
物の形状を求める手順を説明する。まずスポット光源１
から被測定物に向けてスポット光Ｌｓを照射し、被測定
物の表面にスポット光Ｌｓの照射像を形成する。そして
照射像からの散乱光Ｌｒを、一次元ＣＣＤセンサ３で受
光する。図３に示すように、この一次元ＣＣＤセンサ３
は多数の受光素子５を有しており、各受光素子５での受
光量の測定データは、第１ビデオバッファ１１に出力さ
れて蓄積される。なお本実施例では、各受光素子５から
の受光量の測定データの出力間隔つまり測定間隔は数ミ
リ秒である。また一回の測定で測定される各受光素子５
の測定データは、第１ビデオバッファ１１に蓄積される
と同時にＡ／Ｄコンバータにより各受光素子毎に数値化
され、一つの測定値群として第１メモリ１０に記憶され
る。

【００２２】このようにして各受光素子での受光量を測
定すると、まずこれらの測定値から極大位置を判別する
と共に、直接照射像の光重心位置Ｋを求める際には不必
要な測定値を除去する処理を行う。この処理を、図４の
フローチャートを用いて具体的に説明する。

【００２３】まず、隣接する各受光素子位置における受
光量測定値の変化率を求める（Ｓ１−１）。そしてこの
変化率を基に、測定値が極大になる受光素子の位置と、
その位置での受光量測定値Ｐm とを求める（Ｓ１−
２）。この変化率は、例えば受光量値の差を用いてもよ
いし、各受光素子の位置とその受光素子での受光量測定
値との関係を近似的に表す関数を微分してその値の正負
が変わる位置を基に求めてもよい。この関数としては例
えば受光量の変化を現すグラフを近似的に現す多次元関
数や、照射像の輝度の分布に一致する分布関数を用いる
ことができる。

【００２４】このようにして測定値が極大になる受光素
子の位置（以下、極大位置）および極大値を求めると、
次に極大位置の数を求める（Ｓ１−３）。この結果、図
５に示す曲線Ｇ１のように、極大形状の数が１か所であ
れば、その極大形状の極大位置をスポット光Ｌｓが直接
照射されて形成される照射像に対応する主極大位置とす
る。したがって、各受光素子の受光量測定値と位置と
を、先に示した式（１）に代入して光重心位置Ｋを算出
し、これから決定される照射像の方向を基に三角測量の
原理を用いて照射像までの距離と方向、つまり照射像の
位置を算出する（Ｓ１−４）。

【００２５】一方、図６に示すように、被測定物表面の
位置Ｆm に形成される直接照射像の反射光Ｒが被測定物
の表面に照射され、表面位置Ｆs に間接照射像が形成さ
れるような場合には、図７に示す曲線Ｇ２のように２つ
の極大形状が測定される。このようにな場合、いずれの
極大形状が直接照射像に対応する極大形状であるかを判
別する（Ｓ１−５〜６）。

【００２６】本実施例では、被測定物の表面が比較的滑
らかで段差がなく、測定間隔が数ミリ秒と時間的に密の
場合、隣接する受光素子で測定される測定値は緩やかに
変化するものであり突然大きく変化するものではないと
いう点に着目して主極大位置Ｉpmを判別している。すな
わち、現在処理中の測定値から検出される２つの極大位
置と、直前の測定時に求められた過去の主極大位置Ｉpm
p とを比較して（Ｓ１−５）、より過去の主極大位置Ｉ
pmp に近い位置の極大位置を、現在の測定での主極大位
置Ｉpmとするのである（Ｓ１−６）。なお他方の極大位
置を、これ以後便宜的に副極大位置Ｉpsと称する。この
ようにして主極大位置Ｉpmを求めると、次に両極大位置
Ｉpm，Ｉpsの間に存在する受光量測定値の極小位置Ｉb
を求める（Ｓ１−７）。なお、極小位置Ｉb は、先に求
めた測定値の変化率が負の値から正の値に変化する位置
を基に求めることができる。

【００２７】続いて、直接照射像の光重心位置をより正
確に求めるために、副極大位置Ｉpsを形成する間接照射
像からの光を受光している受光素子の測定値をキャンセ
ルする。このとき、主極大位置Ｉpmの方が副極大位置Ｉ
psより基準位置Ｉa から遠い場合（Ｓ１−８）は、基準
位置Ｉa から極小受光素子位置Ｉb までの受光素子の測
定値をキャンセルし（Ｓ１−９）、主極大位置Ｉpmの方
が基準位置Ｉa に近い場合（Ｓ１−８）は、極小位置Ｉ
b 以降の受光素子の測定値をキャンセルする（Ｓ１−１
０）。

【００２８】次に、前の処理において測定値がキャンセ
ルされた位置にデータを補い、直接照射像の光中心の位
置を算出する。この処理を図８を用いて具体的に説明す
ると、まず過去の測定時の測定値群を読み込む（Ｓ２−
１）。続いて、図７に示すように、破線で示される過去
の測定値群のグラフと現在処理中の測定値群のグラフと
を比較して、現在の測定値での極小位置に対応する位置
Ｉb ’を過去の測定値について求め、その測定値を測定
した受光素子の位置を検知する（Ｓ２−２）。なお、図
７に示される破線のグラフは、解りやすくするために縦
軸方向に長さｖだけ移動させて描いている。

【００２９】先に説明したように、相前後する測定作業
において同一の受光素子により測定された測定値は突然
大きく変化するようなことはないので、受光量測定値の
分布を示すグラフの形状は、相前後する測定では近似す
る形状になる。このようなことから、過去の測定におい
て現在処理中の測定データの極小値Ｂと等価の測定値を
測定している受光素子の位置を求めることにより、測定
値をキャンセルするか否かの境界となる受光素子の位置
（以下、補正位置）Ｉb ’を求めている。なお補正位置
Ｉb ’を求める方法は、上記の方法のみに限られるもの
でなく種々の方法を用いることができる。また、データ
の比較を行うとき、光を受光していない受光素子５の受
光量の測定値レベルが相互に一致するように、測定値を
補正するようにするのが望ましい。

【００３０】補正位置Ｉb ’を求めると、キャンセルさ
れた測定値を補正する。すなわち、まず主極大位置Ｉpm
の相対位置を判断し（Ｓ２−３）、主極大位置Ｉpmの方
が副極大位置Ｉpsより基準位置Ｉa から遠い場合は、基
準位置Ｉa から補正位置Ｉb ’までの各受光素子の測定
値の和Ｖt を次に示す式（２）を用いて求めると共に受
光素子の位置を示す値Ｉとその受光素子の測定値の積の
総和Ｕtを次に示す式（３）を用いて求める（Ｓ２−
４）。また主極大位置Ｉpmの方が基準位置Ｉa に近い場
合は、補正位置Ｉb ’以降の各受光素子の測定値の和Ｖ
t を式（４）を用いて求めると共に各受光素子の位置を
示す値Ｉとその受光素子の測定値の積の総和Ｕt を式
（５）を用いて求める（Ｓ２−５）。

【００３１】

【数２】

【００３２】このような処理を、現在処理中の測定値を
測定した測定作業の直前数回の測定作業で測定された測
定値について行い（Ｓ２−６）、求められる各測定時の
測定値の和と積の総和とから、それぞれの値の平均値Ｖ
av，Ｕavを求める（Ｓ２−７）。なお本実施例では、直
前３回の測定時の測定データを用いて平均値を求めてい
る。

【００３３】このようにして、キャンセルされた領域の
測定値の和についての補正値Ｖavと、測定値がキャンセ
ルされた各受光素子の位置を示す値とその受光素子の測
定値の積の総和についての補正値Ｕavとを求めると、次
に不必要な測定値が除去された現在処理中の測定値につ
いて、各受光素子の測定値の和Ｖs と、各受光素子の位
置を示す値とその受光素子の測定値の積の総和Ｕs とを
求める（Ｓ２−８）。そして求めた値Ｖs ，Ｕs ，Ｖa
v，Ｕavから、次に示す式（６）を用いて光重心位置Ｋh
を求める（Ｓ２−９）。

【００３４】

【数３】

【００３５】本実施例では、光重心位置Ｋh と距離との
換算テーブル（不図示）が予め準備されており、光重心
位置Ｋh から距離を求めることができる。このような処
理を行って、被測定物表面の測定点までの距離と方向を
連続的に求めることにより、形状が認識される。

【００３６】

【発明の効果】このように本発明にあっては、複数の極
大位置が測定されても、それらのうちから直接照射像か
らの光により形成される極大位置を判別することができ
るので、より高い精度で光重心位置を求めることができ
る。したがって、被測定体の測定位置までの距離をより
正確に求めることができ、より正確に形状を認識するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 形状認識装置を示す概略平面図である。

【図２】 実施例の形状認識装置の制御部を示すブロッ
ク図である。

【図３】 一次元ＣＣＤセンサの受光部を示す平面図で
ある。

【図４】 不要な測定値を除去する処理のフローチャー
トを示す図である。

【図５】 極大位置を１つ有する受光量測定値の分布を
示す図である。

【図６】 被測定物の形状を示す断面図である。

【図７】 極大位置を２つ有する受光量測定値の分布を
示す図である。

【図８】 補正された光重心位置を求める処理のフロー
チャートを示す図である。

【図９】 従来の形状認識装置の制御部を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１…スポット光源、 ３…一次元ＣＣ
Ｄセンサ、８…ミラー、 １０…
第１数値メモリ、１３…ＣＰＵ、
３１…第２ビデオバッファ、３２…第２数値メモリ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物にスポット光を照射して当該被
   測定物に直接照射像を形成するスポット光源と、前記被
   測定物からの光の量を測定する複数の受光部材からなる
   受光手段と、前記スポット光を前記被測定物に向けて照
   射させると共に前記照射像からの光を前記受光手段に導
   く反射手段と、当該反射手段を回転させて前記スポット
   光を走査させる駆動手段と、前記複数の受光部材により
   測定される受光量値を基に前記照射像の重心位置を算定
   すると共に当該重心位置までの距離を算出する演算手段
   とを有する形状認識装置において、 前記受光手段の複数の受光部材により測定される前記受
   光量値を記憶する記憶手段と、 前記複数の受光部材により測定される受光量測定値に複
   数の極大値が存在する場合に、前記複数の極大値のうち
   から、前記直接照射像からの光の測定値である主極大値
   を判別する判別手段と、前記主極大値以外の副極大値に基づいて前記受光量測定
   値の一部を除去すると共に当該除去部分のデータに過去
   の測定データに基づいたデータを補って、 前記受光部材
   の実際の受光量を示す前記受光量値を前記直接照射像か
   らの受光量を示す値に補正する補正手段とを設けたこと
   を特徴とする形状認識装置。