JP5266952B2 - 光学式計測装置および計測方法 - Google Patents

Description

本発明は光学式計測装置およびそれを用いた計測方法に関する。

従来、様々な計測対象物体の変位、長さ、角度などを計測するためのセンサ装置が知られている。たとえば、光源からの光をスリット光に整形して計測対象物体表面に所定角度で照射する投光部と、計測対象物体表面のスリット光照射位置をスリット光照射角度とは異なる角度から二次元撮像素子を使用して撮影して光切断面の断面輪郭線像を含む画像を取得する撮影部と、この撮影手段を介して得られる光切断面の断面輪郭線像に基づいて、所定の計測処理を実行することにより計測値及び／又は判定値を生成する計測部と、を具備する、光切断法を利用した光学式計測装置（『変位センサ』とも称される）が知られている。

上記の光学式計測装置は三角測量の原理を応用して変位を計測するものであるが、撮像部で受光する計測対象領域からの反射光の種類により２種類に大別できる。その１つは物体からの正反射光を直接受光する方式のものであり、もう１つは、投光ビームを測定面に対して垂直に投光して反射光中の拡散反射光を受光する方式のものである。

ここで、スリット光の断面のなす直線の方向は、二次元撮影素子の視野内においては、垂直走査方向に対応する。また、計測装置（一般には、センサヘッド）と計測対象物体との距離が変化したときにスリット光のなす断面輪郭線像が二次元撮像素子の視野内において移動する方向は、水平走査方向に対応する。これにより、二次元撮像素子の受光面には、光切断面の断面輪郭線像が結像される。

かかる光学式計測装置によれば、切断光として直線状断面を有するスリット光を採用しているため、切断光として点状断面を有するスポット光を採用するもののように、切断光と計測対象物体とを相対移動させずとも、計測対象物体表面の一定直線に沿う一連の計測点の情報を一括して取得することができる。そのため、たとえば生産ラインを流れる工業製品の検査等に応用すれば、それら一連の計測点の情報に基づいて、計測対象物体表面各部の寸法を精密に測定して、製品の良否判定等を迅速かつ確実に行なうことができる。

この種の工業製品の検査等においては、様々な表面性状を有する計測対象物体を想定せねばならない。工業製品の中には、表面性状（たとえば、表面の粗さ、色彩等）が一様でないことから、反射率が部分的に異なるものがある。

このような場合に、反射率の高い部分をＡ部、低い部分をＢ部とすると、計測対象物体に照射されたスリット光のうちで、Ａ部に照射されたスリット光部分の像が鮮明に映し出される撮影条件で二次元撮影素子による撮影を行なうと、Ｂ部に照射されたスリット光部分の像は輝度不足となる。逆に、Ｂ部に照射されたスリット光部分の像が鮮明に映し出される撮影条件で二次元撮影素子による撮影を行なうと、Ａ部の画像が輝度飽和して正常な計測が行なわれないことがある。

特許第３５７５６９３号公報（特許文献１）には、このような問題を解決するために、撮影条件が異なる複数の画像を合成して合成画像に基づいて計測を行なう光学式計測装置が開示されている。
特許第３５７５６９３号公報

近年、工業製品の中には、高級感や美感を持たせるために、表面色に黒あるいは濃紺等の暗色系の色を採用し、かつその表面に光沢を持たせたものがある。このような工業製品の表面は、たとえば暗色の塗料が塗装されることにより着色されており、さらにその塗装面の上に透明樹脂等を素材とするコーティング層が重ねられている。なお以下では、説明が煩雑になるのを避けるため、このような面を具体的に黒色光沢面であるとする。

黒色光沢面の計測（たとえば段差や溝幅の計測）を上記の光学式計測装置により行なう場合、黒色光沢面に投射された光の反射光成分を撮像部で捉える必要がある。反射光成分としては、正反射光成分と拡散反射光成分（乱反射成分）とがあるが、黒色光沢面からの拡散反射光成分の光量は大幅に小さくなる。

上記の光学式計測装置は、多くの場合、工場の製造ラインでの製品検査に用いられる。製造ラインでは光学式計測装置による検査以外にも、人による各種の作業が行なわれることが多いので、光学式計測装置の近くで人が作業している場合がある。たとえば黒色光沢面の傷の有無等を目視で検査するなどの作業を行なう場合には、黒色光沢面を照らすために作業場所の照明を強くしなければならない。しかしこの場合には、強度の大きい照明光が黒色光沢面で反射して外乱光として光学計測装置の撮像部に入射する。拡散反射光成分に基づいて計測を行なう光学式計測装置の場合、拡散反射光成分（信号光成分）の受光量が小さくなる一方で、外乱光の（ノイズ成分）の受光量が多くなるので、撮影部からの出力信号（受光信号）のＳ／Ｎ比が低下する。

ここで、受光信号のＳ／Ｎ比を高めるために投光部からの光をより強くすることが考えられる。この場合、光学式計測装置の投光部は一般的にレーザ装置により構成されているので、投光部からの光を強くするためにはレーザ光のパワーを上げなければならない。周知のようにレーザ光は高パワー密度を有する光であるのでレーザ光の取り扱いには注意を要するが、レーザ光のパワーを上げるほど光学式計測装置の周囲で作業に従事する作業員への影響（たとえば目への影響）が大きくなる。一方、Ｓ／Ｎ比を高めるために作業環境を暗くすると、作業員の作業性が低下するなどの別の影響が生じうる。

上記の特許第３５７５６９３号公報（特許文献１）には、信号光成分（拡散反射光成分）が小さい一方でノイズ光成分（外乱光）が大きいという状態が生じる可能性があること、およびその状態において計測対象物体を計測する方法については示されていない。

本発明の目的は、信号光成分が小さい一方でノイズ光成分が大きいという状態においても光学式計測装置による計測を実現可能とする技術を提供することである。

本発明は要約すれば、光学式計測装置であって、計測対象物体の表面の計測対象部分に直線偏光を照射する投光部と、直線偏光によって照射された計測対象部分の撮影画像が計測対象物体の表面高さに応じて変化する方向から、計測対象部分を撮影して、撮影画像を取得する撮影部と、撮影部の前段に設けられて、入射する光のうち直線偏光の偏光軸に平行な偏光軸を有する偏光成分を抽出する偏光抽出光学素子と、撮影部が偏光成分を受光することにより撮影した撮影画像に基づいて、所定の計測処理を実行する計測処理部とを備える。

好ましくは、光学式計測装置は、撮影制御部をさらに備える。撮影制御部は、撮影部が撮影画像を撮影する場合の撮影モードを少なくとも第１および第２のモードを含む複数のモードの間で切替可能であり、かつ、複数のモードの中から設定された撮影モードに従って投光部および撮影部を制御する。撮影制御部は、撮影モードが第１のモードである場合には、投光部から直線偏光がパルス光として周期的に発せられるように投光部を制御するとともに撮影部による偏光成分の露光時間を制御し、撮影モードが第２のモードである場合には、第１のモードに比べてパルス光のピークパワーの値が大きく、かつパルス光の発光時間が短く、かつパルス光の繰り返し周期が長くなるように投光部を制御するとともに、撮影部による露光時間が短くなるように撮影部を制御する。

より好ましくは、撮影制御部は、撮影モードが第１のモードから第２のモードとの間で切り替わった場合において、パルス光のパワーの露光時間での積分値が維持されるようにピーク強度および露光時間を設定し、かつ繰り返し周期を長くする。

本発明の他の局面に従うと、光学式計測装置を用いた計測方法である。光学式計測装置は、計測対象物体の表面の計測対象部分に直線偏光を照射する投光部と、直線偏光によって照射された計測対象部分の撮影画像が計測対象物体の表面高さに応じて変化する方向、かつ計測対象部分で正反射した直線偏光が入射しない方向に設けられた撮影部と、撮影部の前段に設けられて、入射する光のうち直線偏光の偏光軸に平行な偏光軸を有する偏光成分を抽出する偏光抽出光学素子とを備える。計測方法は、投光部により、計測対象部分に直線偏光を照射するステップと、偏光抽出光学素子により、偏光成分を抽出するステップと、撮影部が偏光成分を受光して撮影を行なうことにより、撮影画像を取得するステップと、撮影画像に基づいて、所定の計測処理を実行するステップとを備える。

本発明によれば、信号光成分が小さい一方でノイズ光成分が大きいという状態においても光学式計測装置により計測対象物体表面の計測を実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［光学式計測装置の構成］
まず、図１〜図４を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置（変位センサ）の構成について説明する。

本実施形態の光学式計測装置は、制御盤などへのコンパクトな収容を可能とするために、また狭小な計測環境への据え付けを容易とするために、信号処理部とセンサヘッド部が分離されたいわゆるアンプ分離型の変位センサである。

図１は、本実施形態の光学式計測装置の信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。図１を参照して、信号処理部１の外殻ケース１０は、やや細長い直方体形状の形態を有している。外殻ケース１０の前面からは、図示されていないが外部接続コードが引き出されている。この外部接続コードには、外部入力線、外部出力線、電源線等が含まれている。外部入力線は、たとえば上位装置としてのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）等から信号処理部１に対して各種の指令を外部から与えるためのものである。外部出力線は、信号処理部１の内部で生成されたスイッチング出力やアナログ出力などをＰＬＣ等へ出力するためのものである。電源線は、信号処理部の内部回路に対する電源を供給するためのものである。また、外殻ケース１０の下面には、図示されていないがＵＳＢ（Universal Serial Bus）コネクタと、ＲＳ-２３２Ｃコネクタとが設けられている。

外殻ケース１０の上面には開閉可能な操作部蓋１４が設けられている。この操作部蓋１４の下には、信号処理部１における各種の指令操作などを行なうための操作部が設けられている。また、外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部２により取得された計測対象画像情報や計測結果、計測値、設定画面等の表示を行なうための表示部１５が配置されている。

外殻ケース１０の左右側面には、信号処理部間コネクタ蓋１６が設けられている。この信号処理部間コネクタ蓋１６の内部には、他の信号処理部１を接続するための信号処理部間コネクタが設けられている。複数の信号処理部１は、ＤＩＮレールを介して隣接結合状態で１列に連装可能とされる。信号処理部１の外殻ケース１０の上面には、センサヘッド部接続用コネクタ１７が設けられている。信号処理部１はこのセンサヘッド部接続用コネクタ１７を介して後述するセンサヘッド部２に接続されている。

センサヘッド部２は、センサヘッド部接続用コネクタ１７に対応する信号処理部接続用コネクタ２７と、ケーブル２１と、センサヘッド本体部２０とを含む。

センサヘッド本体部２０は、投光窓５１から計測対象物体にレーザ光を照射し、受光窓５２に計測対象物体からの反射光を受ける。センサヘッド本体部２０は、計測対象物体の形状に応じて光像位置が変化して見える角度から計測対象物体の表面を撮影して、撮影画像データを映像信号として出力する。

図２は、センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。図２に示すように、センサヘッド本体部２０に内蔵された投光素子（レーザダイオード）から出射されるパルス状レーザ光（パルス光）が、図示しない投光レンズを通して、計測対象物体５の表面にスリット光Ｌ１として照射される。これにより、計測対象物体５の表面にはスリット光の照射光像ＬＭ（以下ラインビーム像とも称する）が形成される。

計測対象物体５で反射したスリット光の反射光Ｌ２はセンサヘッド部２内の図示しない受光レンズを通して２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）へと入射される。

すなわち、計測対象物体５の表面を、２次元撮像素子により異なる角度から撮影することにより、スリット光の照射光像ＬＭを含む映像信号（以下では「受光信号」とも呼ぶ）を取得する。そして、この映像信号に基づいて、所定の特徴量が抽出されて、目的とする変位量（この例ではセンサヘッド部２と計測対象物体５との距離）のＬＭに沿った分布が求められる。

図３は、図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。図３に示されるように、信号処理部１は、制御部１０１と、記憶部１０２と、表示部１０３と、センサヘッド部２との通信部１０４と、外部機器との通信部１０５と、キー入力部１０６と、外部入力部１０７と、出力部１０８と、電源部１０９とを含む。

制御部１０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）とにより構成され、信号処理部１全体の統括制御を担う。この制御部１０１は、センサヘッド部２からの映像信号（受光信号）に基づいて後述する各種機能を実現することにより計測処理を実行すると共に、受光信号を所定の閾値を基準として二値化した後、これを出力データとして、出力部１０８から外部へと送出する。

記憶部１０２は、不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）１０２ａと、表示部１０３に表示される画像データを記憶する画像メモリ１０２ｂとを含む。なお、不揮発性メモリ１０２ａとしてフラッシュメモリを用いても良い。

表示部１０３は、閾値や計測対象物体までの距離等に係る各種数値等が表示される液晶表示部１０３ａと、目的とする出力であるオン／オフ状態等を示す表示灯ＬＥＤ１０３ｂとを含む。通信部１０４は、センサヘッド部２との通信を担うものである。

通信部１０５は、外部のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１１０に接続するためのＵＳＢ通信部１０５ａと、コマンドやプログラムデータの送受信などに使用されるシリアル通信部１０５ｂと、所定のプロトコル並びに送受信フォーマットに従って、左右の隣接する他の信号処理部との間でデータ通信を行なう信号処理部間通信部１０５ｃとを備えている。

キー入力部１０６は、図示しない各種設定のためのスイッチや操作ボタン等で構成される。外部入力部１０７はたとえばＰＬＣ等の上位装置から、信号処理部１に対して各種の指令を受信するためのものである。出力部１０８は、目的とするオン／オフ出力をＰＬＣ等の上位装置に出力するために使用される。電源部１０９は、制御部１０１並びに外部のハードウェア回路に対し電源を供給するものである。

図４は、センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。図４に示されるように、センサヘッド部２は、制御部２０１と、計測対象物体５へと向けてスリット光を照射するための投光部２０２と、計測対象物体５により反射されて到来するスリット光を受光する受光部２０３と、表示灯ＬＥＤ２０４と、記憶部２０５と、通信部２０６とを備えている。

制御部２０１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＰＬＤ（Programmable Logic Device）とにより構成され、センサヘッド部２の各構成要素２０２〜２０６を統括制御するとともに、受光信号を受光部２０３から取り出し、信号処理部１に送り出す処理を担うものである。また制御部２０１は、投光部２０２および受光部２０３により計測対象物体を撮影する際の撮影条件（撮影モード）を設定し、その設定した撮影モードに従って投光部２０２および受光部２０３を制御する。

投光部２０２は、この例では投光素子としてのレーザダイオードと投光回路とを備え、計測対象領域へ向けてスリット光を照射する。図示しないが投光回路はたとえばＡＰＣ（Auto Power Control）機能を有し、レーザダイオードの光出力をモニタして、その結果をレーザダイオードに供給する駆動電流にフィードバックさせることにより、レーザダイオードの光出力を一定に保つ。

受光部２０３は、スリット光の反射光を受光する２次元撮像素子（フォトダイオードアレイ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像素子等）と、２次元撮像素子の前段に設けられる偏光フィルタと、制御部２０１からのタイミング制御信号に同期して、２次元撮像素子から得られる受光信号を増幅して制御部２０１に出力する受光信号処理部とを含む。表示灯ＬＥＤ２０４は、センサヘッド部２の各種動作状態に対応して点消灯する。

記憶部２０５は、たとえば不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）から構成され、この例では、センサヘッド部２を同定するためのＩＤ（識別情報）等が記録される。通信部２０６は、制御部２０１の命令に従って、信号処理部１との通信を担うものである。

本実施形態のセンサヘッド部２は、上述のような回路構成とされ、信号処理部１の指令に応じて適宜の投受光処理を行なう。なお信号処理部１の通信部１０４とセンサヘッド部２の通信部２０６との間の通信方式は特に限定されるものではないが、一例として、ＬＶＤＳ（Low voltage differential signaling）を適用することができる。

［計測動作の説明］
次に、図５〜図１６を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置の計測の原理と計測動作の一例を説明する。

図５は、センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。図５において、レーザダイオード２０２ａから発せられたレーザビーム５３はスリット２０２ｂを通して断面線状の光線（スリット光）に成形された後、投光レンズ２０２ｃを介して計測対象物体５の表面の線状領域にラインビームとして照射される。なお、図５では断面図を示しているので、図中、断面内においてレーザビーム５３は収束光として絞られて計測対象物体へ照射される図として示しているが、断面に垂直な方向に関しては広がった光束となっており、スリット光として計測対象物体へ照射されている。

一方、このラインビームの照射により生じた切断光の照射光像は、所定の角度から受光レンズ２０３ｂおよび偏光フィルタ２０３ｃを介して２次元撮像素子（ここでは２次元ＣＣＤ）２０３ａで撮影される。よく知られているように、２次元ＣＣＤの撮影角度は、計測対象物体の高さ変化に対応して、光像のＣＣＤ上への結像位置が変化するように位置決めされている。このように、三角測量の原理に基づいて断面内に垂直な方向に沿うラインビーム像の各位置毎に高さが計測される。

レーザダイオード２０２ａからのレーザビームは直線偏光である。偏光フィルタ２０３ｃは、入射した光の中からレーザダイオード２０２ａからの直線偏光の偏光方向に平行な偏光軸を有する偏光成分を抽出する。すなわち偏光フィルタ２０３ｃは、入射した光の中から計測対象物体５の表面での反射の前後で偏光方向が変化しない（回転しない）直線偏光を抽出する。なお、本実施の形態では、入射した光の中からレーザダイオード２０２ａからの直線偏光の偏光方向に平行な偏光軸を有する偏光成分を抽出することが可能な光学素子の一具体例として偏光フィルタを用いている。したがって、このような光学素子は偏光フィルタに限定されるものではない。たとえば、偏光ビームスプリッタを用いても、上記の偏光フィルタの機能と同じ機能を発現させることができる。

直線偏光の偏光方向（偏光軸方向）は、たとえばレーザビームの光軸５４に垂直で、かつ紙面を垂直に貫く方向であるが、光軸５４に垂直でかつ紙面に平行な方向であってもよい。

なお、ラインビームの照射により生じた切断光の照射光像とは、計測対象物体５の表面で拡散反射した拡散反射光成分である。受光レンズ２０３ｂ、偏光フィルタ２０３ｃおよび２次元ＣＣＤ２０３ａの各々は、計測対象物体５の表面での正反射光成分が入射しない方向かつ、拡散反射光成分の入射方向に配置されている。拡散反射光成分を受光することにより、計測対象物体に対する受光量の大幅な増減を回避できるので、計測処理を安定的に実行できる。

偏光フィルタ２０３ｃの位置は、上記の偏光成分の抽出条件を満たすよう定められる。たとえば受光レンズ２０３ｂがガラスレンズである場合、偏光がガラスレンズを通過する前後ではその偏光方向（偏光軸の方向）が変化しないため、偏光フィルタ２０３ｃは受光レンズ２０３ｂの前段（計測対象物体５に近い側）および後段（計測対象物体５に遠い側）のいずれに配置してもよい。また、偏光フィルタ２０３ｃはたとえば図１に示した受光窓５２の表面（ケース外側に向けられた面およびケース内部に向けられた面のいずれでもよい）に取り付けられてもよい。受光レンズ２０３ｂがプラスチックレンズである場合には、偏光がレンズを通過する前後において、その偏光方向が変化する（回転する）と考えられるので、偏光フィルタ２０３ｃをプラスチックレンズの前段に配置する必要がある。

図６は、センサヘッド部からの照射光と反射光を示した図である。
図７は、２次元撮像素子で反射光をラインビーム像として撮像した画像を示した図である。

図６、図７を参照して、一例として、蒲鉾型（扁平に変形した半円型）の計測対象物体の段差の計測について説明する。図６に示すようにレーザ光が照射された計測対象物体の表面を撮影すると、表面高さに応じて撮像素子の受光面上の輝点の位置が変化する図７のようなラインビーム像が得られる。

物体表面の高さが変化すると撮像素子の受光面上で所定の方向（変位方向）に像が移動することになる。この像から、各ラインビームが照射されている物体表面上のトップとボトムの差を算出し、照射角と受光角を用いて演算を行なえば計測対象物体の段差の測定が可能となる。

図８は、信号処理部１の操作部蓋１４を開けた状態を示す図である。
図８を参照して、センサヘッド本体部２０からレーザビームが照射されているときに点灯するＬＤＯＮ表示灯７０１、設定したオフセット値を差し引いて演算を行なうゼロリセット機能が有効な場合に点灯するＺＥＲＯ表示灯７０２、計測可能な状態であることを示すＥＮＡＢＬＥ表示灯が外殻ケース１０の上面の上側に並べられている。左側に並べられた表示灯７０４は、計測結果を閾値等により判定を行なった結果を表示する等に用いられる表示灯であり、たとえば、２つの閾値（計測条件はＴ１〜Ｔ４の４つまで設定可能）の間にあるときに点灯する表示灯などとして使用される。

操作部蓋１４を開けた下には、１から４までのファンクションキー７０５が設けられており、計測内容の設定を行なうための設定モード（ＦＵＮモード）では、表示部１５に縦横２個ずつ並べて表示されるアイコンを選択するための選択キーとして、あるいは、１から４までの番号が付されて表示される選択候補を選択するための選択キーとして機能する。

左下の切替スイッチ７０６は、スタンダードモード（ＳＴＤ）とエキスパートモード（ＥＸＰ）のいずれの動作を行なうかを選択するためのスイッチである。スタンダードモードに切替えたときには簡単に標準的な設定が可能な設定方法が有効になり、エキスパートモードに切替えたときには従来方法のような各計測点や領域を個々に設定する設定方法が有効となる。

モード切替スイッチ７０７は、左端位置は設定を行なう為のＦＵＮモード、中央位置では計測結果の判定を行なう為の閾値設定やその調整のためのＡＤＪモード、右端位置は計測処理を実行するＲＵＮモードであり、それぞれの位置に切り替えられることで後述するようなそれぞれに応じたモードの動作が実行される。

ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキーはメニュー画面と計測対象画像や計測結果の画面の表示をキー押下毎に切り替える場合や、設定時に対象画像を決定する設定を行なうための場合の、いわゆるティーチングキーとしても機能する。十字キー７０９は、後述する設定領域の移動や表示部１５に表示された選択候補を上下左右に移動させるため等に用いられる。右下のＳＥＴキー７１１は、選択候補の決定を行なう。ＥＳＣキー７１０は、先に行なった操作の取消しを行なう。

図９は、本実施形態における光学式計測装置のメインの動作フローを示すフローチャートである。

図９を参照して、電源投入により処理が開始されると、初期設定等の起動時処理（ステップＳ８０１）が行なわれた後、図８のモード切替スイッチ７０７のモードを確認し、現在設定されているモードが前回設定されていたモードと異なるかどうかが判断される（ステップＳ８０２）。もし、異なっていれば現在設定されているモードへの切替え処理が実行されて次のステップへ進み（ステップＳ８０３）、モードに変化がなければ、そのまま次のステップへ進む。

そして、設定されているモードに応じてコマンド入力を受付け、入力があればそのコマンドを解析して、それぞれに応じた処理の実行を行なう。ＦＵＮモードであれば計測を設定する処理を実行し、ＲＵＮモードであればＵＳＢやＲＳ−２３２Ｃ経由で与えられる外部コマンドの処理を実行し、ＡＤＪモードであればＲＵＮモードで用いる計測結果の良否判定を行なうための閾値の設定や調整を行なう処理を実行する。

各処理に応じて、表示処理、たとえば計測結果の画面表示等を行なってステップＳ８０２へ戻る。ここではステップＳ８０４からステップＳ８０７まで模式的な流れとして図９に記載しているが、実際にはこれに限らず、適宜必要な処理を適当な順番で組み合わせて実行される。

モード切替スイッチ７０７により、ＦＵＮモードが選択されているときには、計測処理の設定を行なう。上述のステップＳ８０４からステップＳ８０７に相当する処理は、たとえば「撮影モード選択」→「画像のティーチング」→「アイテム選択」→「切り取り領域指定」→「測定点設定完了」のような流れとなる。

図１０は、ＦＵＮモードの選択時における光学式計測装置の動作フローを示すフローチャートである。図１０を参照して、処理が開始されると、現在の処理が撮影モード選択処理であるかが判定される（ステップＳ９０１）。現在の処理が撮影モード選択処理である場合（ステップＳ９０１にてＹＥＳ）、処理はステップＳ９０２に進み、撮影モード選択処理以外の処理である場合（ステップＳ９０１にてＮＯ）、処理は後述するステップＳ９１０に進む。

ステップＳ９０２では、モード表示処理が行なわれる。モード表示処理では、たとえばユーザが選択可能な複数の撮影モードが一覧形式で表示部１５（図８参照）に表示されるとともに、その複数の撮影モードの中からユーザが仮選択した撮影モードが他の撮影モードと区別して表示部１５に表示される。本実施の形態では、ユーザの選択可能な撮影モードとして、「ノーマルモード」および「ブラックモード」の２つのモードが用意される。ただし撮影モードはこれら２つに限定されるものではなく、３つ以上のモードを有していてもよい。

ブラックモードとは、レーザビームのパワー、２次元ＣＣＤの露光時間等の設定をノーマルモードでの設定と異ならせたものである。ブラックモードは、計測対象物の表面色が黒あるいは濃紺等の暗色系の色であり、かつその表面が光沢を有する場合に、その表面を撮影するための撮影モードとして、ノーマルモードとは別に用意される。

モード表示処理は特に限定されるものではないが、以下に一実施形態を示す。表示部１５には、「ノーマルモード」および「ブラックモード」との文言が並べて表示されるとともに、いずれか一方がハイライト表示される。ハイライト表示されたモードは、ユーザによって仮選択された撮影モードを示している。なおデフォルトではノーマルモードがハイライト表示されている。

ステップＳ９０２のモード表示処理に続き、ステップＳ９０３では十字キー７０９が押されたか否かが判定される。十字キー７０９が押された場合（ステップＳ９０３にてＹＥＳ）、撮影モードの選択候補の表示を切替える処理が行なわれる（ステップＳ９０４）。具体的には、表示部１５において、ノーマルモードとブラックモードとの間でハイライト表示が切り替わる。続いて、処理はステップＳ９０５に進む。十字キー７０９が押されていない場合（ステップＳ９０３にてＮＯ）には、現在のハイライト表示が維持された状態で処理がステップＳ９０５に進む。

ステップＳ９０５では、ＳＥＴキー７１１が押されたか否かが判定される。ＳＥＴキー７１１が押されていない場合（ステップＳ９０５にてＮＯ）、処理はステップＳ９０３に戻る。ＳＥＴキー７１１が押された場合（ステップＳ９０５にてＹＥＳ）、撮影モードが最終的に決定される（ステップＳ９０６）。ステップＳ９０６の処理が実行されると、処理はステップＳ９０７に進む。

図１１は、図１０の撮影モード決定処理をより詳細に説明するフローチャートである。図１１を参照して、処理が開始されると、設定された撮影モードがノーマルモードおよびブロックモードのいずれであるかが判定される（ステップＳ９１１）。撮影モードがノーマルモードに設定された場合には、撮影条件パラメータが所定の標準値に設定される（ステップＳ９１２）。本実施の形態では、撮影条件パラメータは、パルス光パワー（パルス光のピークパワー）、パルス幅（パルス光の照射時間）、パルス繰り返し周期、および露光時間を含む。露光時間とは、偏光フィルタ２０３ｃを通過した光を２次元ＣＣＤ２０３ａ（図５参照）が取り込む時間であり、具体的には、図４の制御部２０１により制御される、２次元ＣＣＤ２０３ａのシャッタ開放期間として定義される。

一方、撮影モードがブラックモードに設定された場合には、撮影条件パラメータの各々が標準値から変更される（ステップＳ９１３）。具体的には、ブラックモードではノーマルモードに比べて、パルス光のピークパワーが大きくなり、パルス幅が短くなり、パルス繰り返し周期が長くなり、露光時間が短くなる。ステップＳ９１２またはステップＳ９１３の処理が終了すると、撮影モード決定処理が終了する。

図１０に戻り、ステップＳ９０１において撮影モード選択処理が選択されていない場合（ステップＳ９０１においてＮＯ）、撮影モード選択処理以外の処理（他メニュー処理）が実行される（ステップＳ９１０）。この場合、画像のティーチング処理等が実行される。ステップＳ９１０の処理が終了した場合にも処理はステップＳ９０７に進む。

ステップＳ９０７では、ＦＵＮモードを終了するか否かが判定される。具体的には、図８のモード切替スイッチ７０７の位置がＦＵＮモードと異なる位置に移動した場合に、ＦＵＮモードを終了すると判定される。この場合（ステップＳ９０７においてＹＥＳ）、ＦＵＮモードでの処理は終了する。一方、ＦＵＮモードが未だ終了していない場合（ステップＳ９０７においてＮＯ）、処理はステップＳ９０１に戻る。

なお上記の「他メニュー処理」について概要を説明する。画像のティーチングは、計測対象物体の計測を行なおうとする箇所が画像に映し出されるよう、計測対象物体もしくは光学式計測装置の配置をユーザが調整した後、ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー７０８を押して行なう。ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー７０８が押されることにより、そのときに表示されている画像を計測設定を行なう基準画像（ティーチング画像）として設定する。

アイテム選択は、ティーチングした画像に対して行なう計測処理の複数選択候補（以下、計測アイテムと呼ぶ）をアイコンで表示し、選択を受け付ける処理である。計測アイテムとしては、高さ、２点段差、３点段差、エッジ位置、エッジ幅に関するアイコンが用意される。

切り取り領域指定は、アイコンで選択された計測アイテムが行なう計測処理の対象となる画像を含む１の処理対象画像抽出領域（切り取り領域）を表示して確定させる処理である。これに限るものではないが、たとえば、予め画面の３分の２から４分の３程度の大きさの枠として画面の中心に初期表示を行なう。なお画面全体を含む枠としても良い。枠の位置、範囲、形状などが調整可能とされ、位置、範囲調整のための十字キー７０９等の入力が受け付けられる。ＳＥＴキー７１１が押されることで、そのときの枠が切り出し領域として設定される。従って、ユーザは計測アイテムにより設定した計測処理を行なうために必要な箇所が画像としてちょうど予め定められた枠内に表示されていればそのままＳＥＴキー７１１により決定し、もし枠内に入っていなければ、枠の調整を行なった後に決定を行なう。この決定により切り取り領域が設定され、ＲＵＮモード時にはこの領域を対象として、設定された計測アイテムに応じた計測処理が実行される。

測定点設定完了処理は、次のように行なわれる。まず、切り取り領域が設定されると、アイコンの選択によって選ばれた各計測アイテムの処理に応じて、切り取り領域内から計測処理に用いる測定範囲や測定点を自動的に設定する。同時に、確認のために、自動設定した測定範囲や測定点をティーチング画像に重ねて表示する。そして、測定範囲の調整のための十字キー７０９などの入力を受け付ける。ＳＥＴキー７１１が押されるとそのときの切り取り領域に対する測定範囲や測定点を確定し設定する。

図１２は、ＲＵＮモードにおける処理を示すフローチャートである。図１２を参照して、計測処理は、割り込み処理で行なわれる。外部トリガ計測の場合には外部トリガの入力により計測を行ない、繰り返し計測の場合には周期的に自ら計測開始トリガを発生させて計測を開始する（ステップＳ９２１）。ステップＳ９２１において、図４の制御部２０１は図１０および図１１のフローチャートに従って予め設定された撮影モード（撮影条件パラメータ）に従って投光部２０２および受光部２０３を制御する。この制御により、投光部２０２は、計測対象物体表面の計測対象領域（線状領域）にラインビームを投射し、受光部２０３は光切断面の断面輪郭線像を含む撮影画像を取得する。受光部２０３からの撮影画像は映像信号（受光信号）として出力され、通信部２０６および図３の通信部１０４を介して制御部１０１に転送される。制御部１０１は、受信した撮影画像に基づいて後述する計測処理を実行する。そして制御部１０１は、算出された値を、実空間の単位であるミリメートルに換算する（ステップＳ９２２）。制御部１０１は、算出された値と閾値とを比較し（ステップＳ９２３）、その後判定結果を出力する（ステップＳ９２４）。ステップＳ９２４の処理が終了すると全体の処理が終了する。

図１３は、計測アイテムとして、２点段差計測が選択されたときの処理を示すフローチャートである。２点段差計測は、凸形状の平均２点段差計測、凹形状の平均２点段差計測、凸形状のピーク２点段差計測、凹形状のボトム２点段差計測のいずれかが可能である。

図１３を参照して、まず、２点段差のいずれの計測アイテムが選択されていても、各計測に対して共通に用いる前処理としてセグメント分割処理を実行する（ステップＳ９３１）。

図１４は、セグメント分割処理について説明するための図である。セグメント分割は、切り出し領域の中のラインビーム像を、一定の規則に従ってセグメントに分割する処理である。図１４は、ラインビーム像の切り出し領域内の画像を示しており、水平方向がラインビーム像のラインに沿う方向に対応し、ｘ座標としており、垂直方向を計測対象物体の高さに応じて変化する方向（変位方向）で、ｚ座標としている。ｚ座標は上側が計測対象物体の高さがより高い方向を表している。

まず、先に設定されている切り出し領域のｚ座標方向についての中心値を算出し、２値化閾値とする（図中、ｃの線）。そして、ティーチングされた画像のラインビーム像を２値化閾値ｃより大きいＨセグメントと小さいＬセグメントとに分け、さらに各グループの画素が互いに一定の距離範囲にあるものを共通のセグメントとしてグルーピングを行なう。ラインビーム像が太いとセグメント分割を行なう際に処理対象となる対象点が多くなるので、この処理に先立って、ラインビーム像を垂直方向のライン毎に最も受光量が最も高い画素を抽出した画像に変換するなど細線化処理を行なっておいてもよい。

この処理によって、図の例ではラインビーム像がｃの線を跨ぐ度に分割が行なわれ、Ｌ０、Ｌ１、Ｌ２、Ｈ０、Ｈ１の５つのセグメントに分割がされていることが示されている。図１４では例示していないが、たとえばＨ０のセグメントを構成するラインビーム像が途中で一定距離以上途切れていたならば、そこでセグメントは分割されて、２つのセグメントとして認識されるような処理を行なっている。

尚、ラインビーム像全体における垂直方向の変化の幅が所定の値より小さいときや、セグメント分割後、ＨもしくはＬの一方もしくは両方が存在しない場合等には、以後の測定領域や測定点の自動設定が困難となるので、エラーメッセージを表示する。また、抽出対象点が無いなどの異常の場合や、ラインビーム像の各画素のもつ受光量情報が所定値より小さい場合、逆に大きすぎる場合等には、それぞれノイズの影響、飽和の影響によって正しく計測ができていないおそれがあるため、エラーメッセージを表示する（図１３、ステップＳ９３２、Ｓ９３３）。

セグメント分割に成功したあとは、設定された計測アイテムの判定を行なう（ステップＳ９３４）。

凸形状の平均２点段差計測あるいは凸形状のピーク２点段差計測が設定されていた場合には、ステップＳ９３５に進み、凹形状の平均２点段差計測あるいは凹形状のボトム２点段差計測が設定された場合には、ステップＳ９３６に進む。

ステップＳ９３５では、以下のように計測領域を設定する。
まず、セグメント分割の結果をもとにして、最も左側にあるＬセグメント（図１４の２値化閾値ｃより低い位置にあるセグメント）を基準セグメントとして抽出し、そのセグメントの水平方向（ｘ座標）の長さの半分の領域を、基準セグメントの水平方向の中心に測定領域として設定する。また、ｘ座標については基準セグメントの中心座標、ｚ座標については測定領域内にあるラインビーム像のｚ座標の平均座標に該当する座標点も測定領域の代表点として設定しておく。

凸形状の平均２点段差計測を行なう場合には、次に最も左側にあるＨセグメント（図１４の２値化閾値ｃより高い位置にあるセグメント）を上段セグメントとして抽出して、基準セグメントと同様に、上段セグメントの半分の幅を持つ測定領域を中心に設定するとともに、その代表点を設定する。凸形状のピーク２点段差計測を行なう場合であれば、上段セグメントの代表点の代わりに上段セグメント中のピーク座標を取得して設定する。尚、切り取り領域の左上の点である計測開始点、右下の点の計測終了点もあわせて特徴点として設定しておく。

このとき、基準セグメントとなるＬセグメントが無かったり、上段セグメントとなるＨセグメントが存在しなかったりした場合などにはエラーメッセージを表示する。この場合、２つの段差もしくは、１つの基準段と他の１つの凸形状がＨセグメントとＬセグメントに分かれるように、ラインビーム像を切り出し領域の中心付近にくるように設定しなおす必要があるのでその旨の表示を行なう（ステップＳ９３７、Ｓ９３８）。

図１５は、凸形状の平均２点段差計測を行なう場合の表示画面例である。図１５を参照して、上に凸形の線はティーチング画像を示し、＋マークＰ１，Ｐ２は測定点を示し、各＋マークの左右にある縦破線に挟まれた範囲Ｗ１，Ｗ２が測定点の算出のための平均化処理を行なった測定範囲を示している。ユーザはティーチング画像との関係から見て、正しく設定されていればそのまま、必要があれば測定範囲を十字キー７０９などの操作により調整したあとに、ＳＥＴキー７１１を押す。これによりＲＵＮモードでは設定された切り取り領域に対する測定範囲や測定点に基づいて計測処理が実行される。尚、最後の測定範囲の微調整の有無は、設定によって有効、無効を切り替えるようにしてもよい。

図９のステップＳ８０７の表示処理に対応して、ティーチング画像上に、設定された基準セグメントの測定領域の左端および右端が破線で表示される（図１５の左側２本の破線）。そして、平均２点段差計測であれば、上段セグメントの測定領域のそれぞれの左端および右端が破線で表示され（図１５の右側２本の破線）さらに代表点を表示される。ピーク２点段差計測であれば、ピーク座標が十字マークで表示される。

尚、図１５は、凸形状の平均２点段差計測において、切り取り領域が左側の段差を含むように設定された場合の計測領域および計測点の例の表示である。切り取り領域内の各測定領域は調整可能として良い。十字キーによって破線の移動入力を受付け、ＳＥＴキーが押されることにより測定領域を確定するようにしてもよい。その際には、設定変更がなされた後の基準計測領域および上段計測領域の左端および右端のそれぞれセグメント上の相対位置（セグメントの水平方向の一端を基準として全長の何％から何％までの位置か）をそれぞれ設定し直すとともに、上記の特徴点を再度演算して表示する。

ステップＳ９３４において、凹形状の平均２点段差計測あるいは凹形状のボトム２点段差計測が設定されていた場合には、ステップＳ９３６に進む。ステップＳ９３６では、以下のように計測領域を設定する。

まず、セグメント分割の結果をもとにして、最も左側にあるＨセグメント（図１４の２値化閾値ｃより高い位置にあるセグメント）を基準セグメントとして抽出し、そのセグメントの水平方向（ｘ座標）の長さの半分の領域を、基準セグメントの水平方向の中心に測定領域として設定する。また、ｘ座標については基準セグメントの中心座標、ｚ座標については測定領域内にあるラインビーム像のｚ座標の平均座標に該当する座標点も測定領域の代表点として設定しておく。

凹形状の平均２点段差計測を行なう場合には、次に最も左側にあるＬセグメント（図１４の２値化閾値ｃより低い位置にあるセグメント）を下段セグメントとして抽出して、基準セグメントと同様に、下段セグメントの半分の幅を持つ測定領域を中心に設定するとともに、その代表点を設定する。凹形状のボトム２点段差計測を行なう場合であれば、下段セグメントの代表点の代わりに下段セグメント中のボトム座標を取得して設定する。尚、切り取り領域の左上の点である計測開始点、右下の点の計測終了点もあわせて特徴点として設定しておく。

このとき、基準セグメントに隣接するセグメントが複数ある場合には、いずれの段差、あるいはいずれの高さを設定すれば良いかが判断できないので、エラーメッセージを表示する。この場合、２つの段差もしくは、１つの基準段と他の１つの凹形状が切り出し領域内に含まれるように設定しなおす必要があるのでその旨の表示を行なう（ステップＳ９３７、Ｓ９３８）。

図１６は、凹形状の平均２点段差計測を行なう場合の表示画面例である。図１６に示すように、図９のステップＳ８０７の表示に対応して、ティーチング画像上に、設定された基準セグメントの測定領域の左端および右端が破線で表示される（図１６の左側２本の破線）。そして、平均２点段差計測であれば、下段セグメントの測定領域のそれぞれの左端および右端が破線で表示され（図１６の右側２本の破線）かつ代表点が表示される。ボトム２点段差計測であれば、ボトム座標が十字マークで重ねて表示される。

尚、図１６は、凹形状の平均２点段差計測において、切り取り領域が左側の段差を含むように設定された場合の計測領域および計測点の例の表示である。切り取り領域内の各測定領域は調整可能として良い。十字キーによって破線の移動入力を受付け、ＳＥＴキーが押されることにより測定領域を確定するようにしてもよい。その際には、設定変更がなされた後の基準計測領域および下段計測領域の左端および右端のそれぞれセグメント上の相対位置（セグメントの水平方向の一端を基準として全長の何％から何％までの位置か）をそれぞれ設定し直すとともに、上記の特徴点を再度演算して表示する。

［計測対象物体表面の撮影］
図１７から図２０を用いて、本実施の形態に係る光学式計測装置で実行される計測対象物体表面の撮影処理について説明する。以下の説明においては、計測対象物体の表面は黒あるいは濃紺等の暗色系の色を有するとともに光沢を有しており、具体的には黒色光沢面であるとする。

図１７は、本実施の形態に係る光学式計測装置により計測対象物体表面を計測する際の測定環境を模式的に示した図である。図１７を参照して、計測対象物体５の表面は黒色光沢面である。図１７には計測対象物体５の表面を拡大して示してあるが、計測対象物体５の外郭５ａの表面には、塗料の微粒子を重ねることにより形成された塗料層５ｂが重ねられる。塗料層５ｂの上には、透明樹脂等を素材とするクリア層５ｃが重ねられる。なお計測対象物体５の表面部分の構造は図１７に示した構造に限定されず、たとえば外郭５ａ自体が黒色に着色され、その表面にクリア層５ｃが直接的に重ねられていてもよい。

レーザダイオード２０２ａからのレーザビーム５３（ラインビーム）は、計測対象物体５の表面に対して垂直に入射し、クリア層５ｃを透過して塗料層５ｂの表面に達する。塗料層５ｂの表面はほぼ平坦であるものの、塗料の粒の重なり具合、あるいは下地である外郭５ａの表面の凹凸などにより段差が生じている。レーザビーム５３は、塗料層５ｂの表面の段差部５ｄにて拡散反射する。

レーザダイオード２０２ａからのレーザビーム５３（ラインビーム）は直線偏光であり、その偏光軸５５の方向は、たとえば紙面を垂直に貫く方向である。図１７では偏光軸５５を示すために、偏光軸５５の方向を、レーザビーム５３の光軸を中心として紙面垂直方向からわずかに回転させた方向として示している。

段差部５ｄで拡散反射したレーザビーム５３のうち、クリア層５ｃを透過して進む成分が偏光フィルタ２０３ｃに到達する。言い換えると、本実施の形態では、拡散反射光のうち塗料層５ｂの表面で一回反射した成分を偏光フィルタ２０３ｃに入射させる。この反射光成分５６の偏光方向は、レーザダイオード２０２ａからのレーザビーム５３の偏光方向と平行である。さらに、偏光フィルタ２０３ｃの偏光方向Ａもレーザビーム５３の偏光方向と平行である。したがって反射光成分５６は偏光フィルタ２０３ｃを通過し、２次元ＣＣＤ２０３ａに入射する。

段差部５ｄで拡散反射したレーザビーム５３の中には、クリア層５ｃと空気との界面およびクリア層５ｃと塗料層５ｂとの界面で反射する成分（多重反射光成分５８）も存在する。ただし塗料層５ｂの色が黒であるため、多重反射光成分５８は反射を繰返すうちに塗料層５ｂで吸収されて減衰するため偏光フィルタ２０３ｃにほとんど入射できない。多重反射光成分５８が偏光フィルタ２０３ｃに入射したとしても、上記の多重反射によってその偏光軸の方向がレーザダイオード２０２ａからのレーザビーム５３の偏光方向から回転するので偏光フィルタ２０３ｃを通過できない。

なお、偏光フィルタ２０３ｃおよび２次元ＣＣＤ２０３ａは、クリア層５ｃの外表面あるいは塗料層５ｂの表面でのレーザビーム５３の正反射光成分が入射しない方向に配置されている。このため図１７にはレーザビーム５３の正反射光成分は示していない。

計測対象物体５の表面は、白熱灯、蛍光灯などの照明光源２１０により照らされている。照明光源２１０からの照明光５９がクリア層５ｃの表面で正反射すると、計測対象物体５の表面には光沢が生じる。計測対象物体５の表面色は黒色であるので、たとえば上記のクリア層の表面に傷が付いているといった欠陥が生じていないかどうかを現場の作業員が目視検査する場合には、できるだけ計測対象物体５の表面を明るく照らさなければならない。したがって照明光源２１０から強度の大きい光が発せられる。なお照明光源２１０からの照明光５９は無偏光の光である。

偏光フィルタ２０３ｃがなければ、クリア層５ｃの表面で反射した照明光５９はそのまま２次元ＣＣＤ２０３ａに入射する。照明光源２１０からの照明光５９自体の強度が大きいため、その反射光の強度も大きくなる。その一方で、信号光である反射光成分５６（拡散反射光）の強度は小さい。つまり２次元ＣＣＤ２０３ａでは信号光（反射光成分５６）の受光量が小さくなる一方で外乱光（照明光５９）の受光量が大きくなるため、２次元ＣＣＤ２０３ａから出力される受光信号のＳ／Ｎ比が小さくなる。

本実施の形態では、外乱光を弱めるために偏光フィルタ２０３ｃを設ける。上述のように照明光５９は無偏光の光であるため、偏光フィルタ２０３ｃを通過させることにより、その強度が大幅に弱められる。一方、信号光である反射光成分５６の偏光方向と偏光フィルタ２０３ｃの偏光方向Ａとは同じため、反射光成分５６が偏光フィルタ２０３ｃを通過したときの強度の低下は小さくなる。これにより２次元ＣＣＤ２０３ａから出力される受光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。

さらに本実施の形態では、ブラックモードではノーマルモードと撮影条件を異ならせることで、黒色光沢面を撮影した場合に２次元ＣＣＤ２０３ａに受光される信号光の強度を高めることができる。

図１８は、ノーマルモードおよびブラックモードの各々での撮影条件パラメータを模式的に示した図である。図１８を参照して、ノーマルモードにおいては、投光部２０２（レーザダイオード２０２ａ）から、パルス光が周期ＴＡで繰り返し発せられる。ノーマルモードではパルス光のパワー（ピークパワー）はＰＡであり、パルス幅（発光時間）はＴＣである。

一方、ブラックモードにおいては、投光部２０２（レーザダイオード２０２ａ）から、パルス光が周期ＴＢで繰り返し発せられる。周期ＴＢは周期ＴＡよりも長い。ブラックモードではパルス光のパワー（ピークパワーの値）はＰＢであり、ＰＡより大きい。さらに、パルス幅（発光時間）はＴＤでありＴＣよりも短い。

本実施の形態では２次元ＣＣＤ２０３ａのシャッタ開放期間が露光期間に対応する。ノーマルモードおよびブラックモードのいずれにおいても、２次元ＣＣＤ２０３ａのシャッタの開閉を制御するタイミングはパルス光の出力開始および出力停止のタイミングと同期している。したがって露光期間は、ノーマルモードではＴＣとなり、ブラックモードではＴＤとなる。ただしシャッタを閉じた後にパルス光の出力を停止させてもよい。

ブラックモードでは、パルス光パワーを露光時間で積分した積分値（以下「パルス光パワーの時間積分値」と呼ぶ）が、ノーマルモードでの値以上となる。すなわち、本実施の形態では、（ＰＢ×ＴＤ）≧（ＰＡ×ＴＣ）となるようにパルス光のピークパワーおよびパルス幅を設定する。さらに本実施の形態では、ブラックモードにおけるパルス光の繰り返し周期ＴＢをノーマルモードにおけるパルス光の繰り返し周期ＴＡより長くする。

このような撮影モードの切替えを行なわずに受光信号のＳ／Ｎ比を高める方法として、レーザビームの光量を上げる（すなわちパルス光のピークパワーを高める）ことにより信号光（反射光成分５６）の強度を高める方法が考えられる。しかしながら、光学式計測装置が用いられる環境（たとえば製造ライン）では、光学式計測装置の近くに人がいる可能性がある。したがって計測対象物体の表面で反射したレーザビームの人体（目など）への影響が懸念される。特に光学式計測装置と計測対象物体との間の距離（ワーク検出距離）が長くなるほど、このような問題を考慮する必要がある。

本実施の形態では、ブラックモードにおいては、パルス光のピークパワーを大きくする。これにより強度の大きい光が照射されるので、２次元ＣＣＤ２０３ａにおいて信号光成分の受光強度を高めることができるので、受光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。

加えて本実施の形態では、ブラックモードにおいて、ノーマルモードにおけるパルス光パワーの時間積分値が維持される。すなわちブラックモードでのパルス光パワーの時間積分値がノーマルモードでのパルス光パワーの時間積分値以上である。これによりブラックモードにおいても２次元ＣＣＤ２０３ａでの受光量をノーマルモードでの受光量と同程度あるいはそれ以上とすることができるので、受光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。また、黒色光沢面の計測処理に要する時間が著しく長くなるのを回避できるので、製造ラインを次々と流れる工業製品の表面の検査を行なうことができるとともに、検査工程でのスループットが処理時間の増加により低下するのを抑制できる。

さらに、本実施の形態では、ブラックモードでは、レーザ光のピークパワーを高くするものの、発光時間を短くするとともに、パルス光の繰り返し周期（発光間隔）を長くする。これによって、人体（目など）への影響を回避しつつ黒色光沢面を有する計測対象物表面の変位を検出することができる。

図１９は、二次元ＣＣＤ２０３ａの受光面に入射した光を示した図である。図１９を参照して、二次元ＣＣＤ２０３ａの受光面にはラインビーム像Ｌが結像している。このラインビーム像Ｌを横断する方向に沿った撮像ライン２０３ｄにより、受光面上の撮像ライン２０３ｄの位置における受光強度分布を示す受光信号が出力される。なお撮像ラインはラインビーム像Ｌを横断する方向に所定のピッチで複数本設けられており、各撮像ラインから受光信号が順次出力される。図３に示した制御部１０１は各撮像ラインからの受光信号を映像信号として受信する。

図２０は、本実施の形態による効果を説明する図である。図２０には、偏光フィルタの有／無および外乱光強度の強／弱を組み合わせた４パターンの各々に対応して、撮像ライン２０３ｄ（図１９参照）からの受光強度信号が示されている。受光信号を示すグラフの横軸は、撮像ライン２０３ｄ上の位置を表わし、グラフの縦軸はその位置での撮像ライン２０３ｄの受光強度を表わす。なお、グラフの横軸は、撮像ライン２０３ｄ上の位置を図１９のＡ１からＡ２の向きに変化させていることを示している。

偏光フィルタが設けられておらず、かつ外乱光強度が弱い場合には、表の右上の欄に示されるように、受光信号の大部分は信号光成分（図中「Ｓ」と示す）であり、受光信号中のノイズ成分は僅かである。したがってＳ／Ｎ比が計測処理に十分な大きさとなる。この状態で偏光フィルタを２次元ＣＣＤ２０３ａの前段に設けた場合、表の左上の欄に示すように、信号光成分の強度が若干低下するものの、元々小さいノイズ成分がさらに弱められるので、計測処理に十分な大きさのＳ／Ｎ比を維持できる。

偏光フィルタが設けられておらず、かつ外乱光強度が強い場合には、表の右下の欄に示されるように、受光信号には信号光成分だけでなく、大きなノイズ成分（図中「Ｎ」と示す）が含まれる。図２０ではノイズ成分のピーク強度を信号光成分のピーク強度と同程度に示してあるが、この場合のＳ／Ｎ比は１程度となる。この状態では、図３の制御部１０１が受光信号に基づいて計測処理を実行する際に、たとえばノイズ成分に基づいて計測処理を実行することが起こりうる。つまり、正しい計測結果を得ることができない可能性が高くなる。本実施の形態によれば偏光フィルタが２次元ＣＣＤ２０３ａの前段に設けられているので、表の左下の欄に示されるように、偏光フィルタにより信号光成分の強度が若干低下するものの２次元ＣＣＤ２０３ａに入射する外乱光の強度を大きく低下させることができる。この結果、計測処理に必要な大きさのＳ／Ｎ比を確保できる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、２次元ＣＣＤ（撮像部）の前段に偏光フィルタを設ける。偏光フィルタの偏光方向（偏光軸の方向）は、投光部から発せられた直線偏光の偏光方向と平行である。本実施の形態では、計測対象物表面での１回の拡散反射では、直線偏光の偏光方向が回転しないことを利用し、偏光フィルタの偏光方向（偏光軸の方向）を投光部から発せられた直線偏光の偏光方向と平行とすることで、拡散反射光成分（信号光成分）の低下を抑制し、かつ無偏光の光である外乱光（ノイズ光成分）を減衰させる。これにより撮像部である２次元ＣＣＤから出力される受光信号のＳ／Ｎ比を高めることができる。この結果、上述の黒色光沢面のように、黒あるいは濃紺等の暗色系の色を有し、かつ光沢が生じている表面の計測処理が可能になる。

なお、本実施の形態では、ＦＵＮモードにおいてユーザが手動でノーマルモードおよびブラックモードを切替えるものとしたが、撮影モードの切替えは光学式計測装置により自動的に行なわれてもよい。具体的には、たとえば、光学式計測装置は２次元ＣＣＤから出力される受光信号のＳ／Ｎ比がある基準値より小さい場合に撮影モードをブラックモードに設定し、受光信号のＳ／Ｎ比がその基準値より大きい場合に撮影モードをノーマルモードに設定してもよい。

また、本実施の形態では、本発明に係る光学式計測装置の一実施形態として、二次元撮像素子を用いて計測対象物体表面の段差等を計測する光学式計測装置を示したが、本発明はこのような形態に限定されるものではなく、たとえば、リニアＣＣＤ、光スポットの光量の「重心」の求めることのできる光位置センサ（ＰＳＤ；Position Sensitive Detector）等の一次元撮像素子を含み、かつ三角測量の原理を用いて計測対象物体表面の段差等を計測する光学式計測装置にも適用することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施形態の光学式計測装置の信号処理部１およびセンサヘッド部２の外観斜視図である。 センサヘッド本体部から照射されるレーザ光について説明するための図である。 図１における信号処理部１の電気的ハードウェア構成の全体を示すブロック図である。 センサヘッド部２の電気的ハードウェア構成を示すブロック図である。 センサヘッド本体部２０の光学系の断面の構成を示す図である。 センサヘッド部からの照射光と反射光を示した図である。 ２次元撮像素子で反射光をラインビーム像として撮像した画像を示した図である。 信号処理部１の操作部蓋１４を開けた状態を示す図である。 本実施形態における光学式計測装置のメインの動作フローを示すフローチャートである。 ＦＵＮモードの選択時における光学式計測装置の動作フローを示すフローチャートである。 図１０の撮影モード決定処理をより詳細に説明するフローチャートである。 ＲＵＮモードにおける処理を示すフローチャートである。 計測アイテムとして、２点段差計測が選択されたときの処理を示すフローチャートである。 セグメント分割処理について説明するための図である。 凸形状の平均２点段差計測を行なう場合の表示画面例である。 凹形状の平均２点段差計測を行なう場合の表示画面例である。 本実施の形態に係る光学式計測装置により計測対象物体表面を計測する際の測定環境を模式的に示した図である。 ノーマルモードおよびブラックモードの各々での撮影条件パラメータを模式的に示した図である。 二次元ＣＣＤ２０３ａの受光面に入射した光を示した図である。 本実施の形態による効果を説明する図である。

符号の説明

１ 信号処理部、２ センサヘッド部、５ 計測対象物体、５ａ 外郭、５ｂ 塗料層、５ｃ クリア層、５ｄ 段差部、１０ 外殻ケース、１４ 操作部蓋、１５ 表示部、１６ 信号処理部間コネクタ蓋、１７ センサヘッド部接続用コネクタ、２０ センサヘッド本体部、２１ ケーブル、２７ 信号処理部接続用コネクタ、５１ 投光窓、５２ 受光窓、５３ レーザビーム、５４ 光軸、５５ 偏光軸、５６ 反射光成分、５８ 多重反射光成分、５９ 照明光、１０１ 制御部、１０２ 記憶部、１０２ａ 不揮発性メモリ、１０２ｂ 画像メモリ、１０３ 表示部、１０３ａ 液晶表示部、１０３ｂ 表示灯ＬＥＤ、１０４ 通信部、１０５ 通信部、１０５ａ ＵＳＢ通信部、１０５ｂ シリアル通信部、１０５ｃ 信号処理部間通信部、１０６ キー入力部、１０７ 外部入力部、１０８ 出力部、１０９ 電源部、２０１ 制御部、２０２ 投光部、２０２ａ レーザダイオード、２０２ｂ スリット、２０２ｃ 投光レンズ、２０３ 受光部、２０３ａ 二次元ＣＣＤ、２０３ｂ 受光レンズ、２０３ｃ 偏光フィルタ、２０３ｄ 撮像ライン、２０４ 表示灯ＬＥＤ、２０５ 記憶部、２０６ 通信部、２１０ 照明光源、７０１ ＬＤＯＮ表示灯、７０２ ＺＥＲＯ表示灯、７０４ 表示灯、７０５ ファンクションキー、７０６ 切替スイッチ、７０７ モード切替スイッチ、７０８ ＭＥＮＵ／ＶＩＥＷキー、７０９ 十字キー、７１０ ＥＳＣキー、７１１ ＳＥＴキー、Ｌ ラインビーム像、Ｌ１ スリット光、Ｌ２ 反射光、ＬＭ 照射光像、Ｐ１，Ｐ２ マーク、Ｗ１，Ｗ２ 範囲。

Claims (5)

1. 計測対象物体の表面の計測対象部分に直線偏光を照射する投光部と、
   前記直線偏光によって照射された前記計測対象部分の撮影画像が前記計測対象物体の表面高さに応じて変化する方向から、前記計測対象部分を撮影して、前記撮影画像を取得する撮影部と、
   前記撮影部の前段に設けられて、入射する光のうち前記直線偏光の偏光軸に平行な偏光軸を有する偏光成分を抽出する偏光抽出光学素子と、
   前記撮影部が前記偏光成分を受光することにより撮影した前記撮影画像に基づいて、所定の計測処理を実行する計測処理部と、
   前記撮影部が前記撮影画像を撮影する場合の撮影モードを少なくとも第１および第２のモードを含む複数のモードの間で切替可能であり、かつ、前記複数のモードの中から設定された前記撮影モードに従って前記投光部および前記撮影部を制御する撮影制御部とを備え、
   前記撮影制御部は、前記撮影モードが前記第１のモードである場合には、前記投光部から前記直線偏光がパルス光として周期的に発せられるように前記投光部を制御するとともに前記撮影部による前記偏光成分の露光時間を制御し、前記撮影モードが前記第２のモードである場合には、前記第１のモードに比べて前記パルス光のピークパワーの値が大きく、かつ前記パルス光の発光時間が短く、かつ前記パルス光の繰り返し周期が長くなるように前記投光部を制御するとともに、前記撮影部による前記露光時間が短くなるように前記撮影部を制御する、光学式計測装置。
2. 前記撮影制御部は、
   前記撮影モードが前記第１のモードから前記第２のモードとの間で切り替わった場合において、前記パルス光のパワーの前記露光時間での積分値が維持されるように前記ピークパワーおよび前記露光時間を設定し、かつ前記繰り返し周期を長くする、請求項１に記載の光学式計測装置。
3. 前記第２のモードは、前記計測対象物体の表面が、暗色系の色で着色されかつ光沢を有する黒色光沢面である場合に用いられる、請求項１に記載の光学式計測装置。
4. 前記第２のモードは、前記撮影部に入射する光について、前記投光部から照射された前記直線偏光の拡散反射光成分が小さい一方で、前記投光部以外からの外乱光が大きい状態において用いられる、請求項１に記載の光学式計測装置。
5. 光学式計測装置を用いた計測方法であって、
   前記光学式計測装置は、
   計測対象物体の表面の計測対象部分に直線偏光を照射する投光部と、
   前記直線偏光によって照射された前記計測対象部分の撮影画像が前記計測対象物体の表面高さに応じて変化する方向、かつ前記計測対象部分で正反射した前記直線偏光が入射しない方向に設けられた撮影部と、
   前記撮影部の前段に設けられて、入射する光のうち前記直線偏光の偏光軸に平行な偏光軸を有する偏光成分を抽出する偏光抽出光学素子とを備え、
   前記計測方法は、
   前記投光部により、前記計測対象部分に前記直線偏光を照射するステップと、
   前記偏光抽出光学素子により、前記偏光成分を抽出するステップと、
   前記撮影部が前記偏光成分を受光して撮影を行なうことにより、前記撮影画像を取得するステップと、
   前記撮影部が前記撮影画像を撮影する場合の撮影モードを少なくとも第１および第２のモードを含む複数のモードの間で切替えるステップと、
   前記撮影モードが前記第１のモードである場合には、前記投光部から前記直線偏光がパルス光として周期的に発せられるように前記投光部を制御するとともに前記撮影部による前記偏光成分の露光時間を制御するステップと、
   前記撮影モードが前記第２のモードである場合には、前記第１のモードに比べて前記パルス光のピークパワーの値が大きく、かつ前記パルス光の発光時間が短く、かつ前記パルス光の繰り返し周期が長くなるように前記投光部を制御するとともに、前記撮影部による前記露光時間が短くなるように前記撮影部を制御するステップと、
   前記撮影画像に基づいて、所定の計測処理を実行するステップとを備える、計測方法。

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