JP6111495B2

JP6111495B2 - 光学式計測装置

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Publication number: JP6111495B2
Application number: JP2012272322A
Authority: JP
Inventors: 三高　良介; 良介三高
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2017-04-12
Anticipated expiration: 2032-12-13
Also published as: JP2014119270A

Description

本発明は、光切断センサを用いて被計測物の形状を立体的に計測する光学式計測装置に関する。

従来、光切断センサを用いて被計測物の形状を立体的に計測する光学式の計測装置が知られている。この計測装置では、光切断センサを用いて被計測物の表面にスリット光を照射し、この表面からの反射光を受光することで、三角測量の原理から、被計測物の表面の断面形状を得ることができる（特許文献１等参照）。

特開平７−３２４９１５号公報

上記した従来の計測装置では、被計測物をベルトコンベア等の搬送機構で搬送しながら計測を行うときに、この被計測物が、斜行や蛇行をする場合がある。ここでの斜行とは、被計測物が所定の搬送方向に対して傾いた姿勢のまま搬送されていく形態である。蛇行とは、搬送機構の両側に設置されるガイド等に被計測物が当たることで、被計測物が左右にふらつきながら搬送されていく形態である。

このように、被計測物が搬送中に斜行や蛇行をした場合、被計測物の計測が正確に行われないという問題がある。

本発明は前記問題点に鑑みて発明したものであって、搬送中に被計測物が斜行や蛇行をした場合であっても、光切断センサを用いて正確に計測を行うことのできる光学式計測装置を提供することを、課題とする。

前記課題を解決するために本発明を、下記構成を具備する光学式計測装置とする。

つまり、本発明は、被計測物を所定の搬送方向に搬送する搬送機構と、搬送される前記被計測物の表面に対してスリット光を照射し、前記表面からの反射光を受光することで、三角測量の原理から前記表面の断面形状を得ることができ、かつ前記断面形状の反射光強度を得ることができる光切断センサとを備え、前記断面形状を前記被計測物の前記搬送方向に沿って距離をあけた複数個所で計測する光学式計測装置であって、前記断面形状の両端のうち前記反射光強度が高い側の端点を、基準点に設定し、複数の前記基準点から構成される基準点座標列を多項式で近似し、前記多項式で表わされる近似線と前記基準点との距離をそれぞれ算出して、この距離をもとにして前記基準点の信頼性を評価し、前記信頼性が可と評価される場合には、前記基準点を確定し、前記信頼性が否と評価される場合には、隣接する前記基準点をもとにして基準点を内挿し、これらの基準点をもとにして、前記被計測物の位置ずれ補正を行うことを特徴とする。

本発明においては、前記基準点座標列を前記搬送方向に沿って複数の区間に分割し、各区間において前記多項式を導出し、且つ、全区間にわたって前記多項式が連続するように設けることが好ましい。

また、本発明においては、前記光切断センサとして、前記被計測物が有する第一表面に対してスリット光を照射し、且つ、前記第一表面からの反射光を受光する第一光切断センサと、前記被計測物が有する前記第一表面とは反対側の第二表面に対してスリット光を照射し、且つ、前記第二表面からの反射光を受光する第二光切断センサとを備え、前記第一及び第二光切断センサで得た前記断面形状をもとにして、前記被計測物の厚み分布を計測することも好ましい。

本発明は、搬送中に被計測物が斜行や蛇行をした場合であっても、光切断センサを用いて正確に計測を行うことができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態の光学式計測装置の概略的な構成を示す斜視図である。同上の光学式計測装置を用いて斜行する被計測物を計測する様子を示す平面図である。図２のようにして計測されたカメラ座標での断面形状データを示す図である。同上の光学式計測装置を用いて蛇行する被計測物を計測する様子を示す平面図である。図４のようにして計測されたカメラ座標での断面形状データを示す図である。図５の断面形状データにおいて更に計測エラーが生じた場合を示す図である。図６の断面形状データをワーク座標に補正変換したものを示す図である。同上の光学式計測装置で行う補正変換処理のフローチャートである。基準点座標列を一次の多項式で近似する場合を説明する図である。同上の基準点座標列を二次の多項式で近似する場合を説明する図である。同上の基準点座標列を三次の多項式で近似する場合を説明する図である。同上の基準点座標列を分割する最初のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。同上の次のステップを説明する図である。本発明の第２実施形態の光学式計測装置の概略的な構成を説明する側面図である。

本発明を、添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。

図１には、本発明の第１実施形態の光学式計測装置の構成を、概略的に示している。本実施形態の光学式計測装置は、被計測物２をベルトコンベアから成る搬送機構４で搬送しながら、光切断センサ６を用いてこの被計測物２の表面の寸法形状を立体的に計測する装置である。ここで搬送する被計測物２は、例えば、平面視矩形状をなす合板等の建築板材である。搬送機構４は、板状の被計測物２を、所定の搬送方向１００に搬送する。

光切断センサ６は、搬送される被計測物２の上面である第一表面８に対してスリット光１０を照射する照射部１２と、スリット光１０が第一表面８に当たって反射された反射光１４を受光する受光検出部１６とを備える。照射部１２が照射するスリット光１０の長手方向は、搬送方向１００と直交する方向である。受光検出部１６は、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を用いて構成する。

光切断センサ６によれば、三角測量の原理により、受光検出部１６で検出した反射光１４のデータから第一表面８の断面形状を得ることができる。つまり、この光切断センサ６によれば、第一表面８のうち搬送方向１００に沿って微小な距離を隔てた複数個所の（例えば２ｍｍ程度の距離を隔てた多数の）断面形状を得ることができ、これらの断面形状から、被計測物２が有する第一表面８全体の寸法形状を計測することができる。

ところで、被計測物２を搬送しながら光切断センサ６で計測を行う光学式計測装置では、既述したように、被計測物２が搬送方向１００に対して斜行する場合や、蛇行する場合がある。図２には、被計測物２が斜行する場合を示している。この場合、受光検出部１６で検出される複数個所の断面形状のデータは、図３に示すようになる。図３の座標系は、受光検出部１６に固定される座標系であり、本文中ではこれを「カメラ座標系」という。カメラ座標系のｙ方向は、搬送方向１００と平行である。図４には、被計測物２が蛇行する場合を示している。この場合、受光検出部１６にて検出されるのカメラ座標系での断面形状のデータは、図５で示すようになる。

加えて、受光検出部１６での断面形状の検出においては、被計測物２の反り等を原因として、検出エラーを生じる場合がある。これに対して、本実施形態の光学式計測装置が備える演算手段では、これらの検出エラーがある場合であっても、被計測物２の斜行や蛇行による位置ずれを自動的に補正して、第一表面８の寸法形状を計測するように設けている。

以下、本実施形態において行う位置ずれ補正について、被計測物２が図４のように蛇行し、且つ、検出エラーを生じる場合を例に挙げて説明する。なお、ここでの位置ずれ補正とは、つまり、カメラ座標系で検出した断面形状のデータを、被計測物２上の座標系に変換する補正である。本文中では、被計測物２に固定される座標系を「ワーク座標系」という。

図６には、受光検出部１６にて検出されるカメラ座標系での断面形状のデータを示している。図６に示す断面形状のデータは、図４に示す蛇行時の断面形状のデータにおいて、さらに一部の区間ｅにて計測エラーを生じている場合の例である。

位置ずれ補正を行うにあたり、まず、搬送方向１００に沿って多数得られる断面形状ごとに、その断面形状のうち被計測物２の基準面１８（図４参照）側の端点を、基準点として定める。そして、搬送方向１００に沿って配列されるこれら多数の基準点によって、被計測物２の基準点座標列を生成する。ここでの被計測物２の基準面１８は、搬送方向１００を前方向としたときの右側の端面であり、基準点は、各断面形状の右端の点である。

次いで、多数の基準点から構成される基準点座標列を、多項式を用いて近似する。多項式としては、一次や二次、或いは三次以上の高次多項式を用いることができるが、図６の実施形態では一次の多項式を用いる。図６中には、この一次の多項式で表わされる近似直線を、一点鎖線で示している。

各基準点においてこの近似直線との距離を算出し、算出した距離が規定値Ｄ内である場合には、その基準点の信頼性を可と判断して、基準点として確定する。本文中では、確定された基準点を「原点」といい、図中には「○」で示す。

算出した距離が規定値Ｄを超える場合には、基準点の信頼性が否であると判断し、この基準点を、信頼できない基準点とみなす。図中においては、信頼できない基準点を「×」で示す。この場合、搬送方向１００に沿って隣接する他の原点をもとにして、基準点を内挿する。図中においては、内挿した基準点を「△」で示す。内挿の手段としては、例えば、検出エラーを生じる区間ｅを挟む位置にある前後の原点を利用し、前後両側の原点を結ぶ仮想線上の点を、基準点として内挿とする。内挿した基準点は、近似直線との距離が規定値Ｄ内にあるので、原点となる。

このようにして、各断面形状において原点が得られると、これら原点に基づいて位置ずれを補正する。つまり、図７に示すように、ワーク座標系のＸ＝０上に全ての原点が位置するように各断面形状の位置ずれ補正を行う。このワーク座標系のＸ＝０は、被計測物２の基準面１８側の端縁である。

本実施形態の光学式計測装置では、以上のように被計測物２の位置ずれを補正して、被計測物２の形状を計測することから、搬送中に被計測物２が斜行や蛇行をした場合であっても、光切断センサ６を用いて正確に計測を行うことができる。この位置ずれ補正のフローを、図８に示している。

なお、基準点座標列を近似する多項式は、図６に示すような一次の多項式に限定されない。以下においては、図９〜図１１に示す例をもとにして、一次〜三次の多項式で近似する場合について説明する。

図９〜図１１には、基準点座標列を「○」で示している。図示の基準点座標列では、図中の左右方向が搬送方向１００である。

この基準点座標列を近似する多項式として、まず、一次の多項式を用いる。図９に示す直線は、この一次の多項式で表わされる近似直線である。ここで、基準点座標列と近似直線との間の残差平方和を求め、残差平方和が所定の閾値内に収まる場合は、この一次の多項式で確定する。

他方、残差平方和が所定の閾値を越える場合は、二次の多項式を用いる。図１０に示す曲線は、この二次の多項式で表わされる近似曲線である。ここでも同様に、基準点座標列と近似曲線との間の残差平方和を求め、残差平方和が所定の閾値内に収まる場合は、この二次の多項式で確定する。残差平方和が所定の閾値を越える場合は、三次の多項式を用いる。図１１に示す曲線は、この三次の多項式で表わされる近似曲線である。二次や三次の近似曲線としては、ベジェ曲線やスプライン曲線を好適に用いることができる。

以上のように、残差平方和が所定の閾値内に収まるまで多項式の次数を順次上げていくことで、被計測物２の蛇行等の不規則な動きを、より正確に近似することができる。

また、基準点座標列を近似する多項式は、単独の多項式に限定されず、相異なる複数の多項式を組み合わせてもよい。この場合、基準点座標列を、搬送方向１００に沿って複数の区間に分割し、各区間を近似する多項式をそれぞれ導出する。

以下においては、図１２〜図１９に示す例をもとにして、基準点座標列を複数の区間に分割しながら複数の多項式を組み合わせるステップについて説明する。

図１２〜図１９には、基準点座標列を「○」で示している。まず、図１２に示すように、基準点座標列の両端の基準点を結ぶ線分を設定し、各基準点とこの線分との間の距離を求める。図１２中の符号ｉが最も距離の大きな基準点であり、符号ｉｉが次に距離の大きな基準点、符号ｉｉｉが更にその次に距離の大きな基準点である。

次いで、図１３に示すように、最も距離を隔てた基準点ｉを節点として、両端を結ぶ線分を二本の線分Ａ，Ｂに分割する。そして、二本の線分Ａ，Ｂと、対応する基準点との距離をそれぞれ求める。ここで求めた距離を規定値δと比較し、規定値δ未満となる基準点の割合が規定値ζ以上となった場合、その線分は基準点座標列との一致度が高いものと評価して、当該線分及び節点を確定する。

図１３では、基準点ｉを節点とした線分Ａ，Ｂが共に一致度が低いと評価されるため、これを確定することなく、今度は、基準点ｉｉを節点とした別の二本の線分Ａ，Ｂに分割する（図１４参照）。この場合の線分Ａ，Ｂと、対応する基準点との距離をそれぞれ求めると、線分Ａにおいては規定値δ未満となる基準点の割合が規定値ζ以上となり、線分Ｂにおいては、規定値δ未満となる基準点の割合が規定値ζ未満となる。したがって、図１４に示す節点及び線分Ａをまず確定する。図中において、確定した基準点は塗り潰している。

次いで、未確定である線分Ｂの部分を確定すべく、未確定部分について同様のステップを繰り返す。つまり、線分Ｂとの距離が大きな基準点から順に、それを節点とした二本の線分に分割してゆき、それぞれの線分の基準点座標列との一致度を評価する。図１５や図１６に示す分割では、一致度が高いと評価される線分が存在せず、図１７に示す分割において、線分Ｂ１の一致度が高いと評価され、このときの節点と線分Ｂ１が確定される。当該節点により線分Ｂ１と区分される線分Ｂ２は未確定であるため、未確定部分について同様のステップを繰り返す。

上記ステップの繰り返しによって、図示の基準点座標列は、図１８に示すような折れ線、即ち一次スプラインによって近似される。上記ステップの繰り返しは、両端の基準点間にある全ての線分が一致度の高いものと評価されるか、或いは、一致度が高いと評価される線分が見つからなくなるまで行う。

更に、図１９に示すように、確定した節点を制御点とする三次スプライン曲線を設定することにより、基準点座標列を滑らかな曲線で近似してもよい。近似に用いる曲線はスプライン曲線に限らず、ベジェ曲線等の他の曲線も採用可能である。

以上のステップにより、基準点座標列を複数の区間に分割しながら複数の多項式を組み合わせ、且つ、全区間にわたって多項式が連続するように設けることができる。

ところで、本実施形態では、被計測物２の基準面１８を右側の端面とし、基準点を各断面形状の右端の点に設定したが、光切断センサ６で得られる反射光強度の情報をもとにして基準点となる側を設定することも好ましい。光切断法においては、反射光強度が低い方が、データ欠損や精度劣化を生じやすいという傾向がある。そのため、光切断センサ６において、断面形状と共に反射光強度のデータを収得しておき、左右両端のうち反射光強度の高い側を基準点に設定することで、補正の信頼性をより高めることが可能となる。

次に、本発明の第２実施形態の光学式計測装置について、図２０に基づいて説明する。本実施形態の基本的な構成は既述の第１実施形態と同様であるため、以下においては、第１実施形態とは相違する構成についてのみ詳述する。

本実施形態の光学式計測装置は、板状である被計測物２の厚みを計測するものであって、第１実施形態と同様の構成を備える光切断センサ６として、被計測物２を挟んで上側に位置する第一光切断センサ２０と、下側に位置する第二光切断センサ３０とを備えている。

第一光切断センサ２０は、搬送される被計測物２の上面である第一表面８に対してスリット光１０を照射する第一照射部２４と、スリット光１０が第一表面８に当たって反射された反射光１４を受光する第一受光検出部２８とを備える。同様に、第二光切断センサ３０は、搬送される被計測物２の下面である第二表面４０に対してスリット光１０を照射する第二照射部３４と、スリット光１０が第二表面４０に当たって反射された反射光１４を受光する第二受光検出部３８とを備える。

第一光切断センサ２０と第二光切断センサ３０で照射するスリット光１０は共に、平面視において搬送方向１００と直交する方向を長手方向とし、被計測物２のちょうど表裏となる箇所に照射される。したがって、この光学的計測装置によれば、板状である被計測物２の第一表面８と第二表面４０の断面形状のデータが得られるとともに、これらデータをもとにして被計測物２の厚み分布を計測することができる。本実施形態においても、第１実施形態と同様の手段で位置ずれ補正が行われるため、被計測物２が斜行や蛇行した場合でも、厚み分布を正確に計測することが可能である。

被計測物２の厚み分布を計測することで、例えば、合板の製造工程において厚み不良を検出するセンサとして利用可能である。建築材料となる合板では、接着剤や塗料の塗工斑によって厚み不良が生じる。これら塗工斑は、合板において剥離や色斑の原因となるため、厚み不良を非接触で且つ高精度に検出することが望ましい。また、被計測物２が合板や合板を用いた建築材料である場合、ライン上を搬送中にいくらか蛇行等を生じることは避け難い。これに対して、本実施形態のような位置ずれ補正を自動的に行うことで、被計測物２が蛇行等をした場合でも、厚み不良を高精度に検出することが可能となる。

以上、添付図面に基づいて詳述したように、本発明の第１及び第２実施形態の光学式計測装置は、搬送機構４と光切断センサ６とを備え、被計測物２の搬送方向１００に沿って距離をあけた複数個所の断面形状をもとにして、被計測物２の形状を立体的に計測する。搬送機構４は、被計測物２を搬送方向１００に搬送する機構である。光切断センサ６は、搬送される被計測物２の表面に対してスリット光１０を照射し、表面からの反射光１４を受光することで、三角測量の原理から表面の断面形状を得ることのできるセンサである。そして、第１及び第２実施形態の光学式計測装置では、得られた断面形状ごとに、その断面形状における被計測物２の基準点を定め、複数の基準点から構成される基準点座標列を近似する多項式を導出する。そのうえで、この多項式で表わされる近似線と基準点との距離をそれぞれ算出し、この距離をもとにして基準点の信頼性を評価する。信頼性が可と評価される場合には、その基準点を、その断面形状における原点とする。信頼性が否と評価される場合には、隣接する原点をもとにして内挿した基準点を、その断面形状における原点とする。これらの原点をもとにして、被計測物２の位置ずれ補正を行い、被計測物２の形状を計測する。

上記構成を備える光学式計測装置によれば、被計測物２をベルトコンベア等の搬送機構４で搬送しながら計測を行うときに、被計測物２が斜行や蛇行による位置ずれを生じる場合であっても、この位置ずれを補正して、光切断法による計測を正確に行うことができる。

また、上述したように、上記構成を備える光学式計測装置では、基準点座標列を搬送方向１００に沿って複数の区間に分割し、各区間において多項式を導出し、且つ、全区間にわたって多項式が連続するように設けることも好ましい。このようにすることで、被計測物２が蛇行等の複雑な動きをする場合でも、位置ずれ補正をより正確に行うことが可能となる。

また、上述したように、上記構成を備える光学式計測装置では、光切断センサ６で得られる反射光強度の情報をもとにして、断面形状の両端のうち反射光強度が高い側の端点を基準点とすることも好ましい。このようにすることで、被計測物２の位置ずれ補正をより正確に行うことが可能となる。

また、第２実施形態のように、光切断センサ６として、第一光切断センサ２０と第二光切断センサ３０とを備え、第一及び第二光切断センサ２０，３０で得た断面形状をもとにして、被計測物２の厚み分布を計測することも好ましい。第一光切断センサ２０は、被計測物２が有する第一表面８に対してスリット光１０を照射し、且つ、第一表面８からの反射光１４を受光するセンサである。第二光切断センサ３０は、被計測物２が有する第一表面８とは反対側の第二表面４０に対してスリット光１０を照射し、且つ、第二表面４０からの反射光１４を受光するセンサである。このようにすることで、被計測物２をベルトコンベア等の搬送機構４によって搬送しながら計測を行うときに、この被計測物２が斜行や蛇行による位置ずれを生じる場合であっても、この位置ずれを補正して、被計測物２の厚み分布を非接触で且つ正確に計測することができる。

以上、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記各例の実施形態に限定されるものではない。本発明の意図する範囲内であれば、各例において適宜の設計変更を行うことや、各例の構成を適宜組み合わせて適用することが可能である。

２被計測物
４搬送機構
６光切断センサ
８第一表面
１０スリット光
１４反射光
２０第一光切断センサ
３０第二光切断センサ
４０第二表面
１００搬送方向

Claims

被計測物を所定の搬送方向に搬送する搬送機構と、
搬送される前記被計測物の表面に対してスリット光を照射し、前記表面からの反射光を受光することで、三角測量の原理から前記表面の断面形状を得ることができ、かつ前記断面形状の反射光強度を得ることができる光切断センサとを備え、
前記断面形状を前記被計測物の前記搬送方向に沿って距離をあけた複数個所で計測する光学式計測装置であって、
前記断面形状の両端のうち前記反射光強度が高い側の端点を、基準点に設定し、
複数の前記基準点から構成される基準点座標列を多項式で近似し、
前記多項式で表わされる近似線と前記基準点との距離をそれぞれ算出して、この距離をもとにして前記基準点の信頼性を評価し、
前記信頼性が可と評価される場合には、前記基準点を確定し、
前記信頼性が否と評価される場合には、隣接する前記基準点をもとにして基準点を内挿し、
これらの基準点をもとにして、前記被計測物の位置ずれ補正を行うことを特徴とする光学式計測装置。
前記基準点座標列を前記搬送方向に沿って複数の区間に分割し、
各区間において前記多項式を導出し、且つ、全区間にわたって前記多項式が連続するように設けることを特徴とする請求項１に記載の光学式計測装置。
前記光切断センサとして、
前記被計測物が有する第一表面に対してスリット光を照射し、且つ、前記第一表面からの反射光を受光する第一光切断センサと、
前記被計測物が有する前記第一表面とは反対側の第二表面に対してスリット光を照射し、且つ、前記第二表面からの反射光を受光する第二光切断センサとを備え、
前記第一及び第二光切断センサで得た前記断面形状をもとにして、前記被計測物の厚み分布を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学式計測装置。