JP3872333B2 - 物体表面形状計測装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の表面形状を非接触で取得する物体表面形状計測装置に関し、特に、光切断法により表面形状の計測を行う物体表面形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触で物体の物体の表面形状を取得する方法として光切断法が知られている。図１は、光切断法の基本原理を示す図である。移動ステージ４上に移動可能に配置された被測定物３に対してスリット光源２からシート状のスリット光２０を照射し、別の方向に配置したセンサ１によって被測定物４の表面上に投影されているスリット光２０の光像２１を撮像することで、あたかも光で被測定物を切断するかのようにしてその切断面を観察するものである。
【０００３】
被測定物４の表面上に照射するスリット光２０を走査して、多数の切断面画像を取得することにより、物体の三次元形状情報を取得することが可能となる。図１の例では、被測定物３を移動ステージ４上で移動させることで、スリット光２０を被測定物３上で相対的に移動させることにより、この走査を行っている。
【０００４】
このようにして三次元形状情報を正確かつ高速に取得するためには、各切断面画像を高速で取得、処理する必要があり、フレーム速度の低い通常のテレビカメラでは困難である。
【０００５】
そこで、切断面画像取得を高速化するために、高速読み出しが可能な撮像装置を用いる技術が開発されており、例えば、特開平6−137822号公報に開示されている技術では、並列読み出し可能な撮像素子を用いることで高速での切断面画像取得を可能としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このようにして得られる切断面画像中の切断面像とは、スリット光の被測定物表面での反射光の光像であるから、その明るさは、被測定物表面の材質や、表面の状態、スリット光の照射角度および撮像方向（すなわち光の照射方向と反射方向）によって大きく変化する。物体の三次元形状情報を取得するためには、切断面画像中の切断面位置情報を精度良く取得する必要があるが、このように反射光の明るさが大きく変化する場合には、明るさに応じた適応的な感度調整を行う必要がある。
【０００７】
感度調整の方法としてはＡＧＣ（Auto Gaiｎ Coｎtrol:自動利得制御）回路による手法が知られているが、こうしたＡＧＣ回路による調整は、フレーム画像全体の輝度を調整するのには適しているが、特に、切断面部分に明暗のある場合のように一画像中に明るい画像と暗い画像が混在しているような場合には、感度調整によってかえって切断面位置を特定することが難しくなる場合がある。その結果、正確な三次元形状情報を取得することが困難になる。
【０００８】
そこで本発明は、高速で正確に物体の表面形状情報を取得することが可能な物体表面形状計測装置を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る物体表面形状計測装置は、(1)被測定物に対してスリット光を照射するスリット光照射手段と、(2)複数の受光素子が２次元状に配列されて形成され、スリット光照射方向とは異なる角度方向から被測定物に投影されているスリット光の像を撮像する少なくとも一つの受光素子アレイと、(3)受光素子アレイの受光素子一行ごとに１個ずつ設けられ、行内の受光素子から順次読み出された出力信号を増幅あるいは減衰させるゲイン可変のアンプを複数個配列させたアンプアレイと、(4)対応するアンプから出力される出力信号をアナログ・デジタル変換するＡ／Ｄ変換器が複数個配列させたＡ／Ｄ変換器アレイと、(5)受光素子アレイの同一列の受光素子に対応する出力デジタル信号を基にしてアンプのゲインを調整する感度制御装置と、(6)受光素子アレイの同一列の受光素子に対応する出力デジタル信号を基にして列毎の画像の重心位置を演算する演算器と、を備えていることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、アンプ、Ａ／Ｄ変換器アレイを行毎に配置することで、複数行の受光素子の出力信号を同時に読み出し、画像信号を高速で取得することが可能である。さらに、画面内の列の出力デジタル信号を基にして次ないし数ライン先の列のゲイン調整を行うことで、同一画面内に明るい部分と暗い部分とが混在している場合でも部分に応じて適応的な感度調整を行うことが可能である。また、列毎の画像の重心位置を内部で演算することで、物体の表面形状を高速で演算することができる。このとき、感度調整された画像を基にして演算を行うため、重心位置の算出を精度良く行うことができ、物体表面形状の計測精度が向上する。
【００１１】
Ａ／Ｄ変換器は、出力デジタル信号にアンプのゲインに関する情報を付加して出力するものでもよい。このようにすると、列毎にゲインをコントロールする前の生の画像データを復元することが容易になるため、他の画像処理を併用することが容易になる。
【００１２】
演算器は、Ａ／Ｄ変換器の出力デジタル信号から列の０次モーメントを求める０次モーメント演算器と、列の１次モーメントを求める１次モーメント演算器と、これらを基にして列の重心を求める重心演算器を有することが好ましい。このようにすると、列の重心を高速に求めることができ、物体表面形状を高速に測定することが可能となる。
【００１３】
受光素子の撮像面に投影されるスリット光のライン方向と、受光素子の各行方向とを略平行に配置していることが好ましい。このようにすると、撮像される切断面の光像は受光素子の行方向に略一致するため、その空間位置認識が容易になる。
【００１４】
スリット光と被測定物とを相対的に移動させる移動手段をさらに備え、移動に応じて受光素子アレイにより複数の切断面画像を取得するようにすると、被測定物全体の表面形状を連続的に測定でき、その３次元形状の計測を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の参照番号を附し、重複する説明は省略する。
【００１６】
図２は、本発明に係る物体表面形状計測装置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。この装置は図１に示される光切断法の原理によって三次元形状を計測するものである。本実施形態のセンサ１は、切断画像を取得するための光検出部１０と、制御部１５とから構成される。このうち、光検出部１０は、ｎ１個×ｎ２個（Ｘ方向×Ｙ方向）の２次元状に配置された受光素子１１０からなる受光素子アレイ１１と、受光素子アレイ１１の１行ごとに対応して受光素子１１０から出力された電荷を電圧信号に変換するｎ２個のチャージアンプ１２０からなる並列アンプ１２と、チャージアンプ１２０からの出力信号をそれぞれＡ／Ｄ変換するｎ２個のＡ／Ｄ変換器１３０からなるＡ／Ｄ変換器アレイ１３と、各Ａ／Ｄ変換器１３０毎に設けられたスイッチ１４０によって構成され、信号の順次転送を行う転送スイッチ群１４とから構成される。一方、制御回路１５は、駆動信号を発生させる駆動信号発生回路１５１と、チャージアンプ１２０を制御する感度制御回路１５２と、感度制御回路１５２で用いる感度制御情報を演算するための感度制御情報演算器１５３とから構成されている。
【００１７】
図３は、受光素子１１０の構成を示す回路図である。各受光素子１１０は、光電変換部（ＰＤ）１１１とコンデンサ（Ｃｄ）１１２、読み出しスイッチ（ＳＷ）１１３から構成されており、ＰＤ１１１とＣｄ１１２は一端が接続され、それぞれの他端が接地されている。両者の接続部の先にＳＷ１１３が配置され、その先は対応するチャージアンプ１２０へと接続されている。
【００１８】
図４は、チャージアンプ１２０の構成を示す回路図である。チャージアンプ１２０は、ＯＰアンプ１２１と３つのＳＷ１２２〜１２４と２つの容量の異なるコンデンサＣｄ１２５、１２６から構成されている。ＯＰアンプ１２１の正入力端には受光素子１１０の出力信号が入力され、負入力端には基準電圧が入力されている。各ＳＷ１２２〜１２４は、ＯＰアンプ１２１の正入力端と出力端の間に並列で接続されており、ＳＷ１２３とＣｄ１２５、ＳＷ１２４とＣｄ１２６とが直列に接続されている。そして、制御回路１５からの制御信号によって各ＳＷ１２２〜１２４の開閉が制御される。
【００１９】
次に、本実施形態の動作を説明する。制御部１５は、移動ステージ２上で被測定物３を所定の微小量ずつステップ移動させてスリット光２０の走査を行い、各移動の間にセンサ１により１画面ずつ切断面画像を取得することで多数の切断面画像を取得する。そして、取得した多数の切断面画像から被測定物３表面の空間位置情報を求めることで被測定物３の三次元形状情報を算出する。
【００２０】
ここで、図５は光検出部１０に入射するスリット光像２１と受光素子アレイ１１の受光素子１１０の配列方向との関係を示す図である。図では、被測定物３表面が平らな鏡面であり、スリット光２０に対して直交して配置された場合を示している。各受光素子アレイは、スリット光像２１に対して同一のチャージアンプ１２０を共用する受光素子１１０の配列方向、つまり行方向（Ｘ方向）が一致するように配置されることが好ましい。
【００２１】
図６は切断面画像の取得動作のフローチャートである。本フローチャートは１画面分の切断面画像取得動作である。まず、ステップＳ１では、全てのチャージアンプ１２０のＳＷ１２２、ＳＷ１２４をＯＦＦにして、ＳＷ１２３をＯＮにする（図４参照）。これによりチャージアンプ１２０の正入力端と出力端の間にはＣｄ１２５のみが接続されることになる。ステップＳ２では呼び出し列を示す変数ｉに初期値０を設定する。
【００２２】
次に、ステップＳ３ではｉ列（列位置を０〜ｎ１−１列で示す）の受光素子１１０のＳＷ１１３を閉じる（図３参照）。ＳＷ１１３を開いた状態では、ＰＤ１１１に入射した光量に応じた電荷がＣｄ１１２に蓄積される。ＳＷ１１３を閉じることでこうして蓄積された電荷がチャージアンプ１２０へと転送される。つまり、この操作によりｉ列の受光素子１１０の出力信号が対応するチャージアンプ１２０へとそれぞれ転送されることになる。
【００２３】
ステップＳ４では、こうして転送された出力信号がアンプ１２０によって電荷−電圧変換される。ここで、チャージアンプ１２０のゲインＧはＣｄ１２５、１２６の接続状態に応じて変化する。具体的には、受光素子１１０側のＣｄ１１２の容量をＣｐ、Ｃｄ１２５、１２６それぞれの容量をＣａ１、Ｃａ２で表すと、ＳＷ１２３のみがＯＮの場合、つまりＣｄ１２５のみが接続されている場合のゲインＧは、Ｇ＝Ｃｐ／Ｃａ１で、ＳＷ１２４のみがＯＮの場合、つまりＣｄ１２６のみが接続されている場合のゲインＧは、Ｇ＝Ｃｐ／Ｃａ２で、ＳＷ１２３、１２４がＯＮの場合、つまりＣｄ１２５、１２６がともに接続されている場合のゲインＧは、Ｇ＝Ｃｐ／（Ｃａ１＋Ｃａ２）で表されることになる。ＳＷ１２３のみが閉じられている状態では、Ｃｄ１１２から送られてきた電荷はＣｄ１２５へと転送される。そして、ＯＰアンプ１２０はゲインＧ＝Ｃｐ／Ｃａ１で増幅あるいは減衰し、電圧に変換した出力信号をＡ／Ｄ変換器１３０へとそれぞれ出力する。
【００２４】
ステップＳ５では、各Ａ／Ｄ変換器１３０が送られてきたアナログ信号をデジタル信号へと変換する。ステップＳ６では、ＳＷ１４０を第０行から順に第ｎ２−１行までＯＮ−ＯＦＦ切り返していくことで、行の順番に１列分の各デジタル信号を出力する。
【００２５】
こうして出力されたデジタル信号は分岐されて一方が制御部１５の感度制御情報演算器１５３へと入力される。ステップＳ７ではこの感度制御情報演算器１５３において特徴量ｆを演算する。特徴量としては、被測定物３の表面の反射率、形状、材質等の特性に合わせて入力された１列分の画像信号の信号値のうち最大値、平均値、総和、所定の閾値を越えた画素数等を用いればよい。
【００２６】
ステップＳ８では、感度制御回路１５２がこうして求めた特徴量ｆと第１の閾値ｆth1とを比較する。ｆがｆth1を越えていた場合にはステップＳ９へと移行してチャージアンプ１２０のＳＷ１２４がＯＦＦであればＯＮにする。これにより、チャージアンプ１２０のゲインＧを小さく変更した後、ステップＳ１２へと移行する。一方、ステップＳ８でｆがｆth1以下であった場合にはステップＳ１０へと移行して今度は特徴量ｆと第２の閾値ｆth2とを比較する。ここで、ｆth1＞ｆth2の関係がある。ｆがｆth2以上であった場合にはステップＳ１２へと移行する。一方、ｆがｆth2未満であった場合には、ステップＳ１１へと移行してチャージアンプ１２０のＳＷ１２４がでＯＮであればＯＦＦにする。これにより、チャージアンプ１２０のゲインＧを大きく変更した後、ステップＳ１２へと移行する。
【００２７】
ステップＳ１２では、全アンプ１２０のＳＷ１２２を一時的にＯＮにすることで接続されているＣｄ１２５、１２６の電荷をリセットする。そして、ステップＳ１３でｉに１を加算した後、ステップＳ１４へと移行し、ｉがｎ１に達していない場合には、ステップＳ３へと戻り処理を繰り返すことで次の列の処理を行う。ｉがｎ１に達した場合には、一画面分の読み出し処理を終了したとして処理を終了する。
【００２８】
このように前の列の読み出し結果を基にして次の列の読み出しの際のアンプのゲインを調整するため、１画面中で適応的な感度調整を行うことができる。図７は、本実施形態によって取得した切断面画像と従来の取得方法による切断面画像の画像を比較した例である。図７（ａ）は切断面画像の取得状況を示す図であり、被測定物３として動物のぬいぐるみを用いており、スリット光２０はこのぬいぐるみの胴部分と両腕部分に照射されている。図７（ｂ）は感度を最大とした場合（本実施形態では、ＳＷ１２３を常にＯＮ、ＳＷ１２４を常にＯＦＦにした場合に相当）、図７（ｃ）は感度を最低とした場合（本実施形態では、ＳＷ１２３、１２４をともにＯＮにした場合に相当）、図７（ｄ）は上述の感度制御を行った場合のそれぞれの取得切断面画像を示している。図７（ｂ）に示される感度最大の場合には、脇などの陰になりやすい部分の切断面画像も取得しやすい一方で、胴体中央部などの入射光があたりやすい部分では逆に出力が飽和して計測精度が大幅に劣化してしまう。図７（ｃ）に示される感度最低の場合には、出力の飽和は抑制できるが、脇などの陰になりやすい部分では十分な出力が得られない。これに対して、図７（ｄ）に示される感度を可変にした場合は、出力の飽和を抑制する一方、脇などの陰になりやすい部分でも十分な出力が得られ、適応的な感度調整が行えることが確認できた。
【００２９】
以上の説明では、２段階にアンプのゲインを切り換える例を説明したが、例えば、ＳＷ１２３、ＳＷ１２４のいずれか若しくはその両方がＯＮの３段階に切り換えるようにしてもよく、さらに多数のコンデンサとスイッチを組み合わせて多段階の切り替えが行えるようにしてもよい。さらに、設定されるゲインＧが一定値Ｇ０に対してＧ＝Ｇ０×２ⁿの関係を保つよう各コンデンサの容量関係を設定し、このゲインのｎ部分に該当するデータを各列のデジタル信号に付加して出力すれば、その列のデジタル信号をｎビットシフトさせることで列毎の感度補正を行っていない画像を得ることができるので、他の画像処理と組み合わせる場合に好適である。
【００３０】
次に、本発明に係る三次元形状計測装置の第２の実施形態について説明する。図８はこの第２の実施形態のセンサ１部分の概略構成図である。第１の実施形態では、実際の三次元形状情報は取得した切断面画像を基にして図示していないパソコンやＥＷＳ等の計算機により形状情報を取得するものである。これに対して、図８に示される第２の実施形態では演算装置を内蔵している点が相違する。
【００３１】
モーメント演算部１６は高さ情報の基となる列の０次モーメントＭ０（ｉ）を求める０次モーメント演算器１６と１次モーメントＭ１（ｉ）を求める１次モーメント演算器１７とを有する。重心演算部１７はこれらの結果から列内の重心位置Ｐ（ｉ）を求めるものである。Ｍ０（ｉ）、Ｍ１（ｉ）、Ｐ（ｉ）は以下の式により演算できる。
【００３２】
【数１】

式からわかるように各演算部１６、１７は簡単な加算、積算回路を組み合わせることで構成することが可能であり、光検出部１０とワンチップ化することも可能である。このような構成によって、高速で精度のよい測定を実現することが可能である。特に、画像メモリや画像バッファを余分に用意する必要がないので、装置の大幅なコストダウンを図ることができる。
【００３３】
以上の説明では、被測定物３を移動させる場合を例に説明してきたが、スリット光源２自体を駆動することで、あるいは、スリット光２０を光学系によって移動させることで被測定物３を移動させることなく、スリット光２０自体の照射位置を変更して走査を行ってもよい。
【００３４】
また、移動手段を設けない場合には、連続的な切断面画像取得はできないが、特定の切断面の切断面画像を取得することにより、その位置における表面形状の測定を行うことができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、２次元に配列された受光素子で光切断法の切断面画像を取得する際に、一列の読み出し結果を基にして後続の列を読み出す際のアンプのゲインを調整することで適応的な感度調整を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】光切断法の原理を説明する図である。
【図２】本発明に係る物体表面形状計測装置のブロック構成図である。
【図３】受光素子の構成を示す回路図である。
【図４】チャージアンプの構成を示す回路図である。
【図５】光検出部に入射するスリット光像と受光素子の配列方向との関係を示す図である。
【図６】切断面画像の取得動作のフローチャートである。
【図７】本実施形態によって取得した切断面画像と従来の取得方法による切断面画像の画像を比較した例である。
【図８】第２の実施形態のセンサ部分の概略構成図である。
【符号の説明】
１…センサ、２…スリット光源、３…被測定物、４…移動ステージ、１０…光検出部、１１…受光素子アレイ、１２…アンプアレイ、１３…Ａ／Ｄ変換器アレイ、１４…転送スイッチ群、１５…制御回路、１６…モーメント演算部、１７…重心演算部、１１０…受光素子、１１１…ＰＤ、１１２、１２５、１２６…コンデンサ、１１３、１２２〜１２４、１４０…スイッチ、１２０…チャージアンプ、１２１…ＯＰアンプ、１３０…Ａ／Ｄ変換器、１５１…駆動信号発生回路、１５２…感度制御回路、１５３…感度制御情報演算器。

Claims (5)

1. 光切断法により被測定物の表面形状を測定する物体表面形状計測装置であって、
   被測定物に対してスリット光を照射するスリット光照射手段と、
   複数の受光素子が２次元状に配列されて形成され、前記スリット光照射方向とは異なる角度方向から被測定物に投影されているスリット光の像を撮像する少なくとも一つの受光素子アレイと、
   前記受光素子アレイの受光素子一行ごとに１個ずつ設けられ、行内の受光素子から順次読み出された出力信号を増幅あるいは減衰させて出力するゲイン可変のアンプを複数個配列させたアンプアレイと、
   対応する前記アンプから出力される出力信号をアナログ・デジタル変換して出力するＡ／Ｄ変換器が複数個配列させたＡ／Ｄ変換器アレイと、
   前記受光素子アレイの同一列の受光素子に対応する出力デジタル信号を基にして前記アンプのゲインを調整する感度制御装置と、
   前記受光素子アレイの同一列の受光素子に対応する出力デジタル信号を基にして列毎の画像の重心位置を演算する演算器と、
   を備えていることを特徴とする物体表面形状計測装置。
2. 前記Ａ／Ｄ変換器は、出力デジタル信号にアンプのゲインに関する情報を付加して出力する請求項１記載の物体表面形状計測装置。
3. 前記演算器は、前記Ａ／Ｄ変換器の出力デジタル信号から列の０次モーメントを求める０次モーメント演算器と、列の１次モーメントを求める１次モーメント演算器と、これらを基にして列の重心を求める重心演算器を有する請求項１または２に記載の物体表面形状計測装置。
4. 前記受光素子の撮像面に投影される前記スリット光のライン方向と、前記受光素子の各行方向とを略平行に配置している請求項１〜３に記載の物体表面形状計測装置。
5. 前記スリット光と被測定物とを相対的に移動させる移動手段をさらに備え、移動に応じて前記受光素子アレイにより複数の切断面画像を取得することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の物体表面形状計測装置。

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