JP6372300B2 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、形状測定装置及び形状測定方法に関する。

従来、測定対象物の表面を撮像し、撮像により得られた画像信号に基づいて測定対象物の表面形状を測定することが行われている。

例えば、以下の特許文献１には、レーザ光等を利用したライン光と撮像カメラとを利用し、ライン光の測定対象物表面からの反射光を撮像することで、いわゆる光切断法により測定対象物の表面形状を測定する技術が開示されている。

また、以下の特許文献２には、複数台の撮像カメラを利用して測定対象物の表面を撮像することで、いわゆるステレオ法により測定対象物の表面形状を測定する技術が開示されている。

一方、以下の非特許文献１には、高速な可変焦点レンズを用いて、焦点位置を変えながら測定対象物を撮像し、画面の各位置で焦点の合った奥行きを記憶することで、測定対象物の三次元形状を測定する技術が提案されている。

特開２００４− ３９３０号公報 特開２０１３−６９１００号公報

奥寛雅、門内靖明、石川正俊、"ミリセカンド高速液体可変焦点レンズとそのロボットビジョン応用への可能性"、第２６回日本ロボット学会学術講演会、ＲＳＪ２００８ＡＣ３Ｉ１−０３、２００８年９月。

しかしながら、製造ライン等を搬送されている測定対象物に対して、上記特許文献１に開示されている光切断法や、搬送方向にカメラを複数台設置した上記特許文献２のようなステレオ法を適用した場合、測定装置の搬送方向のサイズが大きくなり、既存の製造ラインへ設備を追加する際に、設置が困難となる場合がある。

また、測定対象物の幅方向（搬送方向に対して直交する方向）に複数のカメラを設置した上記特許文献２のようなステレオ法を適用し、湾曲面を有する測定対象物を測定する場合、ステレオ法では互いのカメラ視野の重複部分しか測定できないため、カメラ台数が増加してしまう。

更に、上記非特許文献１のような可変焦点レンズを用いた場合には、焦点位置を変えながら同一部位を撮像する必要があるため、撮像処理は低速にならざるを得ず、製造ラインに適用することは困難である。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、湾曲面を有する測定対象物であっても、省スペース化を図りつつより簡便かつ高速に測定対象物の表面形状を測定することが可能な、形状測定装置及び形状測定方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一次元方向に搬送されており、表面に地肌模様を有する測定対象物の像を撮像するエリアセンサと、チルト軸が前記エリアセンサの撮像面に対して平行かつ搬送方向に対して直交するように設けられたチルトレンズと、を有する撮像部と、前記撮像部により撮像された撮像データを、前記測定対象物の幅方向位置毎の一次元信号の集合として取り扱い、当該撮像データの前記搬送方向における合焦位置を特定し、前記チルトレンズの焦点距離とチルト角と前記撮像部の撮像倍率とからシャインプルーフ条件によって定まる直線と、撮像分解能と、に基づいて、前記合焦位置を前記測定対象物の形状に変換する演算処理部と、を備え、前記演算処理部は、画素間隔をサンプリング間隔とした場合のナイキスト周波数で正規化した周波数に対して、通過帯域の下限が０．１以上０．３以下であり、上限が０．５以上０．７以下であるバンドパスフィルタを利用し、当該バンドパスフィルタを通過した前記一次元信号の強度が最大となる位置を、前記合焦位置として特定する形状測定装置が提供される。

前記演算処理部は、前記バンドパスフィルタを通過した前記一次元信号の絶対値で規定される絶対値波形を、左右対称な凸形状であり凸部ピークから離れるに従って値が０に漸近する関数により近似して、前記関数のピーク位置を、前記一次元信号の強度が最大となる位置とすることが好ましい。

前記演算処理部は、前記関数として、三角波関数又はガウス関数を利用することが好ましい。

前記演算処理部は、前記関数による近似に先立ち、前記絶対値波形のデータから当該絶対値波形のデータの最頻値を差し引いてもよい。

前記演算処理部は、前記関数による近似に先立ち、前記絶対値波形のデータから当該絶対値波形のデータの中央値を差し引いてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、一次元方向に搬送されており、表面に地肌模様を有する測定対象物の像を撮像するエリアセンサと、チルト軸が前記エリアセンサの撮像面に対して平行かつ搬送方向に対して直交するように設けられたチルトレンズと、を有する撮像部により、前記測定対象物を撮像する撮像ステップと、撮像された撮像データを、前記測定対象物の幅方向位置毎の一次元信号の集合として取り扱い、当該撮像データの前記搬送方向における合焦位置を特定する合焦位置特定ステップと、前記チルトレンズの焦点距離とチルト角と前記撮像部の撮像倍率とからシャインプルーフ条件によって定まる直線と、撮像分解能と、に基づいて、特定した前記合焦位置を前記測定対象物の形状に変換する形状変換ステップと、を含み、前記合焦位置特定ステップは、画素間隔をサンプリング間隔とした場合のナイキスト周波数で正規化した周波数に対して、通過帯域の下限が０．１以上０．３以下であり、上限が０．５以上０．７以下であるバンドパスフィルタを利用し、当該バンドパスフィルタを通過した前記一次元信号の強度が最大となる位置を、前記合焦位置として特定する形状測定方法が提供される。

以上説明したように本発明によれば、所定のチルト角に設定されたチルトレンズを用いて測定対象物を撮像し、所定の演算処理を行うことで、湾曲面を有する測定対象物であっても、省スペース化を図りつつより簡便かつ高速に測定対象物の表面形状を測定することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る形状測定装置の構成例について示した説明図である。 同実施形態に係る形状測定装置の構成例について示した説明図である。 同実施形態に係る形状測定装置の撮像部について模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状測定装置の撮像部を説明するための説明図である。 同実施形態に係る形状測定装置の撮像部を説明するための説明図である。 同実施形態に係る形状測定装置の演算処理部の構成の一例について説明するためのブロック図である。 同実施形態に係る演算処理部が有するデータ処理部の構成の一例について説明するためのブロック図である。 同実施形態に係るデータ処理部で実施される処理について説明するための説明図である。 同実施形態に係るデータ処理部で実施される処理について説明するための説明図である。 同実施形態に係るデータ処理部で実施される処理について説明するための説明図である。 同実施形態に係る形状測定装置で実施される形状測定方法の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る形状測定方法における形状算出処理の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る演算処理部のハードウェア構成の一例を示したブロック図である。 実験例１について説明するための説明図である。 実験例１について説明するための説明図である。 実験例１について説明するための説明図である。 実験例１について説明するための説明図である。 実験例１について説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

（実施形態）
＜形状測定装置の全体的な構成について＞
まず、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、本発明の実施形態に係る形状測定装置の全体的な構成について説明する。図１Ａ及び図１Ｂは、本実施形態に係る形状測定装置の全体的な構成を模式的に示した説明図である。

本実施形態に係る形状測定装置１０は、搬送ラインなどにより所定の一次元方向に搬送されている測定対象物の表面を撮像し、撮像された撮像データに対して所定の演算処理を施すことにより、測定対象物の表面形状を算出する装置である。本実施形態に係る形状測定装置１０で測定可能な測定対象物は特に限定されるものではなく、例えば、製鉄ライン上を搬送される各種の鋼板、鋼管、線材のような工業製品から、一般的に利用されている各種の製品まで、各種のものを対象とすることが可能である。

以下の説明では、形状測定装置１０が、測定対象物から射出された可視光線又は測定対象物で反射された可視光線を撮像する場合を例に挙げて説明を行う。

この形状測定装置１０は、例えば図１Ａに示したように、撮像部１０１と、演算処理部１０３と、を主に備える。

撮像部１０１は、例えば搬送ライン等により所定の方向に搬送されている測定対象物の表面を撮像して、撮像画像に対応する実体データ（二次元画像である撮像画像の各座標位置に対応した輝度値を表すデータであり、以下、撮像データともいう。）を生成する。本実施形態に係る撮像部１０１の詳細な構成については、以下で改めて詳述する。撮像部１０１により生成された撮像データは、演算処理部１０３へと出力される。

演算処理部１０３は、撮像部１０１により生成された撮像データに対して、以下で詳述するような演算処理を施して、測定対象物の表面形状を算出する。また、演算処理部１０３は、必要に応じて、撮像部１０１により実施される様々な撮像処理の制御を行うことも可能である。演算処理部１０３の詳細な構成については、以下で詳述する。

撮像部１０１及び演算処理部１０３を備える形状測定装置１０は、図１Ａに示したように、ある筺体内に一体的に実装されて一つの形状測定装置を形成してもよいが、例えば図１Ｂに示したように、撮像部１０１及び演算処理部１０３が互いに異なる機器や装置に分散して実装されていてもよい。

例えば図１Ｂに示した例では、撮像部１０１がレンズや撮像素子等を有する撮像機器に実装され、演算処理部１０３が、パーソナルコンピュータ、プロセスコンピュータ等といった演算処理装置に実装された例を図示している。このように、本実施形態に係る形状測定装置１０は、複数の機器から構成される測定システムとして実現されていてもよい。

なお、本実施形態に係る形状測定装置１０では、演算処理部１０３の各機能が複数の機器に分散されて実現されていてもよい。すなわち、演算処理部１０３の機能の一部が撮像部１０１を有する撮像機器に実装され、かつ、演算処理部１０３の他の機能が演算処理装置に実装されるような態様であってもよい。

以上、図１Ａ及び図１Ｂを参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置１０の全体構成について説明した。

＜撮像部の構成について＞
次に、図２〜図４を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置１０が備える撮像部１０１について、詳細に説明する。図２は、本実施形態に係る形状測定装置の撮像部について模式的に示した説明図である。図３及び図４は、本実施形態に係る形状測定装置の撮像部を説明するための説明図である。

図２に例示したように、本実施形態に係る撮像部１０１は、エリアセンサ１１３を有する撮像機器（以下、「エリアカメラ」ともいう。）１１１と、エリアカメラ１１１に装着されたチルトレンズ１１５と、を主に備える。また、撮像部１０１は、測定対象物の表面の少なくとも一部である撮像面に対し、所定の照明光を照射する照明光源１１７を、必要に応じて更に備えていても良い。

エリアカメラ１１１は、例えば図２に示したように、エリアセンサ１１３の受光面が、測定対象物の撮像面と平行となるように設けられる。エリアカメラ１１１によって撮像された撮像データは、エリアセンサ１１３から演算処理部１０３へと出力され、後述する演算処理に利用される。

チルトレンズ１１５は、レンズ主面を撮像面に対して傾動させる操作（チルト操作）が可能なレンズである。チルトレンズ１１５の焦点距離や開放絞り値等といったレンズ特性は、特に限定されるものではなく、チルトレンズ１１５と測定対象物との離隔距離や測定対象物の周囲の明るさ等といった撮像条件に応じて、適宜設定すればよい。また、本実施形態では、チルトレンズ１１５として一枚の両凸レンズを代表させて便宜的に図示しているが、本実施形態に係るチルトレンズ１１５は、複数のレンズ群から構成されていてもよく、各レンズは、球面レンズであってもよいし非球面レンズであってもよい。

本実施形態に係る撮像部１０１では、チルトレンズ１１５の受光傾動軸が撮像面に対して平行かつ搬送方向に直角となるように、エリアカメラ１１１に対して装着される。

測定対象物の撮像面と、エリアカメラ１１１のエリアセンサ１１３と、チルトレンズ１１５との間の光学的な関係については、以下で図３及び図４を参照しながら改めて詳述する。

照明光源１１７は、撮像面に対して照射される照明光を射出する光源であり、測定対象物を撮像する際に撮像環境が暗い状況下にある等といった場合に、必要に応じて設けられる。照明光源１１７からの照明光は、特に限定されるものではなく、可視光帯域に属する光を使用すればよい。

また、照明光源１１７を設置する場合の設置位置についても特に限定されるものではなく、測定対象物の撮像環境に応じて、適宜決定すればよい。

［撮像部の光学的な関係について］
次に、図３及び図４を参照しながら、撮像部１０１におけるエリアセンサ１１３及びチルトレンズ１１５と、測定対象物の撮像表面と、の間に成立する光学的な関係について、詳細に説明する。

先述のように、本実施形態に係る撮像部１０１では、エリアセンサ１１３の受光面と測定対象物の撮像面とは互いに平行な位置関係になっており、かつ、エリアセンサ１１３の受光面とチルトレンズ１１５の主面とは互いに平行ではなく、交差するような位置関係となっている。このような光学的な位置関係での光学的な原理の一つに、シャインプルーフの原理（Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）がある。この原理は、「フィルムの感光面とレンズ主面とがある１つの直線で交わるとき、合焦状態となる物体面もまた同一の直線で交わる」というものである。

このシャインプルーフの原理を本実施形態に係る撮像部１０１に対して適用すると、「エリアセンサ１１３の受光面（図３中の面Ｓ１に対応）とチルトレンズ１１５の主面（図３中の面Ｓ２に対応）とがある１つの直線（図３中の直線Ｐに対応）で交わるとき、合焦状態となる物体面（以下、合焦面ともいう。図３中のＳ３に対応）もまた同一の直線で交わる」となる。このようなシャインプルーフの原理に基づく条件（以下、シャインプルーフ条件ともいう。）は、図３中に示したように、「受光面Ｓ１、レンズ主面Ｓ２及び合焦面Ｓ３が同一直線Ｐ上で互いに交差する」ことである。更に、結像のためには、結像条件として「レンズの光軸（主光軸Ｚ１）と受光面Ｓ１との交点、及び、レンズの光軸（主光軸Ｚ１）と合焦面Ｓ３との交点のそれぞれにおいて、結像関係（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成立する」ことが必要である。なお、この結像条件において、ｆは、チルトレンズの焦点距離を示し、ａは、レンズの主光軸Ｚ１と受光面Ｓ１との交点と、レンズの主点との離隔距離を示し、ｂは、レンズの主光軸Ｚ１と合焦面Ｓ３との交点と、レンズの主点との離隔距離を示している。

ここで、上記シャインプルーフ条件及び結像条件に加えて、チルトレンズ１１５の焦点距離及びチルト角（チルト操作の度合いを表す角）と、チルトレンズ１１５から測定対象物までの離隔距離と、エリアセンサ１１３の搬送方向に沿った大きさ（エリアセンサ１１３のサイズ）と、を更に考慮する。これらの諸条件により、図３に示したような、撮像面の前方（チルトレンズ１１５側）で合焦状態となっている範囲（前方合焦可能範囲）と、撮像面の後方で合焦状態となっている範囲（後方合焦可能範囲）とが決まる。

その結果、チルトレンズ１１５を用いて測定対象物を撮像することによって、前方合焦可能範囲及び後方合焦可能範囲で規定される合焦可能範囲内に含まれる測定対象物は、合焦面Ｓ３上の何れかの場所（図３における合焦面Ｓ３を表す直線上の何れかの場所）で合焦状態となる。そのため、湾曲面を有する測定対象物を測定対象とした場合であっても、得られた撮像データには、ピントの合った領域が存在することとなる。そこで、本実施形態に係る形状測定装置１０は、撮像データ上で合焦状態にある領域を特定した上で、かかる合焦状態にある領域の位置が合焦面Ｓ３上のいずれの位置に対応するかを判断し、合焦面Ｓ３上の位置を測定対象物の高さ方向位置、すなわち表面形状へと変換する。換言すれば、本実施形態に係る形状測定装置１０では、合焦面Ｓ３で測定対象物を切断した線（合焦線）を測定して、かかる合焦線に基づいて測定対象物の表面形状を特定していると言える。

なお、上記の合焦可能範囲の奥行きをＤ_Ｂと表すこととすると、本実施形態に係る形状測定装置１０では、撮像表面の法線方向に対応する奥行き範囲Ｄ_Ａが合焦可能範囲の奥行きＤ_Ｂに含まれるように制限して、撮像部１０１を利用することが好ましい。

奥行き範囲Ｄ_Ａを、合焦可能範囲の奥行きＤ_Ｂに対してどの程度小さくすれば良いかについては、測定対象物の設計値や過去の操業条件等から、測定対象物において撮像したい範囲（すなわち、奥行き範囲Ｄ_Ａ）がどの程度の大きさであるかを予め解析しておくことで、決定することができる。

また、上記のような奥行き範囲Ｄ_Ａと合焦可能範囲の奥行きＤ_Ｂとの間の条件を決めた上で、この条件を満たすようにチルトレンズ１１５のチルト角を決定するようにしてもよい。

水平面に対する合焦面Ｓ３の傾斜角φの大きさは、例えば図４に示したように、受光面Ｓ１と、レンズ主面Ｓ２と、合焦面Ｓ３との間の幾何学的な位置関係から決定することができる。

すなわち、図４における△ＰＡＣに着目すると、ｄ・ｔａｎθ＝ａが成立し、△ＰＢＣに着目すると、ｄ・ｔａｎθ’＝ｂが成立することがわかる。従って、両式を連立することで、ｔａｎθ／ｔａｎθ’＝（ａ／ｂ）を得ることができる。一方、図４から明らかなように、φ＝θ＋θ’である。ここで、離隔距離ａ，ｂは、撮像される画像に求められる撮像倍率Ｍ＝ａ／ｂと、チルトレンズの焦点距離ｆと、に応じて、結像公式から決まる値に予め設定される。従って、チルト角θを決定することで、上記２つの関係式に基づいて合焦面Ｓ３の傾斜角φが一義的に決定される。

かかる傾斜角φと、上記離隔距離ａ，ｂと、エリアセンサ１１３の搬送方向の大きさｌ（エリアセンサ１１３の端点Ｊ−Ｋ間の大きさ）と、を用いて、合焦可能範囲の奥行きＤ_Ｂを求める方法を、図４を参照しながら説明する。図４では、エリアセンサ１１３の搬送方向の中心（点Ａ）を光軸Ｚ１が貫く場合を示しているが、以下の説明はかかる例に限られるものではない。

図４において、エリアセンサ１１３の大きさｌと離隔距離ａが決まると、△ＪＫＣは一意に定まる。そのため、直線ＫＣと合焦面Ｓ３の交点Ｍと、直線ＪＣとＳ３の交点Ｎと、を求めることができ、ＭとＮの高さ方向の位置の差からＤ_Ｂが求められる。

上記をまとめると、チルト角θ、焦点距離ｆ、交点Ｍ、エリアセンサ１１３の大きさｌから奥行きＤ_Ｂが一意に決定されるため、Ｄ_ＢをＤ_Ａよりも大きくするためには、これらのパラメータを、物体の撮像分解能などと同時に考慮して決定する必要があるのは明らかである。ｌは、使用するエリアカメラ１１１の仕様で決まってしまい、ｆ、Ｍは、測定対象物との離隔距離及び撮像分解能から決まるため、Ｄ_Ｂを他の条件と独立に決める自由度は、チルト角θとなる。

図３からも明らかなように、本実施形態に係る撮像部１０１では、エリアセンサ１１３の受光面とチルトレンズ１１５の主面とのなす角として規定されるチルト角（図５における角度θ）を変化させることで、合焦可能範囲の奥行きＤ_Ｂを制御することが可能である。

以上、図２〜図４を参照しながら、本実施形態に係る撮像部１０１について、詳細に説明した。

＜演算処理部の構成について＞
次に、図５〜図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置１０が備える演算処理部１０３について、詳細に説明する。図５は、本実施形態に係る形状測定装置の演算処理部の構成の一例について説明するためのブロック図である。図６は、本実施形態に係る演算処理部が有するデータ処理部の構成の一例について説明するためのブロック図である。図７〜図８Ｂは、本実施形態に係るデータ処理部で実施されるデータ処理について説明するための説明図である。

本実施形態に係る演算処理部１０３は、図５に示したように、撮像制御部１５１と、データ取得部１５３と、データ処理部１５５と、処理結果出力部１５７と、表示制御部１５９と、記憶部１６１と、を主に備える。

撮像制御部１５１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。撮像制御部１５１は、本実施形態に係る撮像部１０１による測定対象物の撮像処理全般を制御することができる。例えば、撮像制御部１５１は、測定対象物と撮像部１０１との間の相対的な位置を変化させる搬送ライン等の駆動機構から定期的に送出されるシフトパルス信号（例えば、測定対象物が１ｍｍ移動する毎等に出力されるＰＬＧ信号）に基づいて、撮像部１０１に対して撮像を開始するためのトリガ信号を送出する。これにより、撮像部１０１は、測定対象物の搬送方向の各位置における撮像データを随時生成することが可能となる。

また、撮像部１０１が照明光源１１７を有している場合には、撮像制御部１５１は、測定対象物の撮像を開始する場合に、照明光源１１７に対して、照明光の照射を開始させるための制御信号を送出してもよい。

データ取得部１５３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。データ取得部１５３は、撮像部１０１によって生成され、撮像部１０１から出力された撮像データを取得して、後述するデータ処理部１５５へと伝送する。また、データ取得部１５３は、取得した撮像データに、当該データを取得した日時等に関する時刻情報を紐づけて、履歴情報として後述する記憶部１６１に格納してもよい。

データ処理部１５５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。データ処理部１５５は、撮像部１０１により生成された撮像データを利用し、この撮像データに対して以下で説明するような演算処理を施すことで、測定対象物の表面形状を算出する。データ処理部１５５は、表面形状の算出処理を終了すると、得られた処理結果に関する情報を、処理結果出力部１５７に伝送する。

なお、このデータ処理部１５５における表面形状の算出処理については、以下で詳述する。

処理結果出力部１５７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。処理結果出力部１５７は、データ処理部１５５から出力された測定対象物の表面形状に関する情報を、後述する表示制御部１５９に出力する。これにより、測定対象物の表面形状に関する情報が、表示部（図示せず。）に出力されることとなる。また、処理結果出力部１５７は、得られた処理結果を、各種コンピュータ等の外部の装置に出力してもよく、得られた処理結果を利用して、製品に関する各種の帳票を作成してもよい。また、処理結果出力部１５７は、得られた表面形状に関する情報を、当該情報を算出した日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部１６１等に履歴情報として格納してもよい。

表示制御部１５９は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部１５９は、処理結果出力部１５７から伝送された、測定対象物の表面形状に関する情報を、形状測定装置１０が備えるディスプレイ等の出力装置や形状測定装置１０の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、形状測定装置１０の利用者は、測定対象物の表面形状等といった各種の処理結果を、その場で把握することが可能となる。

記憶部１６１は、例えば本実施形態に係る形状測定装置１０が備えるＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部１６１には、本実施形態に係る撮像部１０１や演算処理部１０３が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部１６１は、撮像制御部１５１、データ取得部１５３、データ処理部１５５、処理結果出力部１５７、表示制御部１５９等が、自由にデータのリード／ライト処理を行うことが可能である。

［データ処理部における演算処理について］
続いて、図６〜図８Ｂ及び図１３を参照しながら、本実施形態に係るデータ処理部１５５で実施される演算処理（より詳細には、表面形状の算出処理）について、詳細に説明する。

以下で詳述するデータ処理部１５５の役割は、撮像部１０１によって生成された画像中での合焦位置を特定することで、合焦線を求めることである。その目的のために、データ処理部１５５は、測定対処物(例えば、鋼板)の表面に存在する地肌模様を利用する。地肌模様に対して合焦した場合、撮像された画像の空間周波数スペクトルは高い周波数帯域まで広がるため、当該周波数帯域の成分の大きさに着目して、その大きさが最大となるように合焦位置を特定すればよい。

本実施形態に係るデータ処理部１５５は、例えば図６に示したように、フィルタ処理部１７１と、前処理部１７３と、近似処理部１７５と、形状算出部１７７と、を備える。

フィルタ処理部１７１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。フィルタ処理部１７１は、データ取得部１５３から伝送された二次元の撮像画像としての撮像データを、一次元信号の集合（すなわち、測定対象物の搬送方向に沿った一次元信号（輝度データ）が、幅方向の各位置に対して紐づけられた信号群）として取り扱う。その上で、フィルタ処理部１７１は、それぞれの一次元信号（以下に示す図１３におけるＬ（ｘ））に対して、以下で説明するようなフィルタ演算処理を実施する。

本実施形態に係る撮像部１０１では、デジタル撮像処理が行われているため、エリアセンサ１１３から出力される撮像データには、電気的ノイズが重畳している。従って、かかる電気的ノイズを撮像データから除去するために、ローパスフィルタを用いることが好ましい。また、以下で説明する表面形状算出処理では、撮像データの合焦判断を実施するが、合焦判断は局所的な地合いに着目する必要があるため、ハイパスフィルタを用いることが好ましい。以上のような２つの観点から、フィルタ処理部１７１は、データ取得部１５３から伝送された撮像データに対して、バンドパスフィルタを用いたフィルタ演算処理を行うことが好ましい。

ここで、どのようなバンドパスフィルタを撮像データに対して作用させればよいかを検討するために、本発明者は、測定対象物として、表面に地肌模様を有する平板を測定した。その上で、以下で詳細に説明するような合焦位置の特定処理を実施して、合焦位置の搬送方向座標を画素単位で特定し、かかる座標のバラつき度合い（すなわち、標準偏差）を算出した。より詳細には、様々な通過帯域を有するバンドパスフィルタを利用した、以下で詳述するような合焦位置の特定処理を実施して、得られた合焦位置のバラつき度合いを検討した。

得られた結果を、図７に示した。
図７において、横軸は、バンドパスフィルタの透過帯域の下限側（以下、低周波側ともいう。）の周波数であり、縦軸は、バンドパスフィルタの透過帯域の上限側（以下、高周波側ともいう。）の周波数であり、各格子点における円形が標準偏差の大きさ（単位：画素）を示している。ここで、バンドパスフィルタの透過帯域周波数は、画素間隔に対応する空間周波数の１／２、すなわちナイキスト周波数を１として、表している。なお、図７では、円形状の直径が標準偏差に比例するように図示しており、標準偏差が１００以上であるものについては、例えば（低周波側０、高周波側０．１）の位置の円形で表されるような一定の直径を有する円形として図示を行った。

図７から明らかなように、画素間隔をサンプリング間隔とした場合のナイキスト周波数で正規化した周波数に対して、通過帯域の下限が０．１以上０．３以下であり、上限が０．５以上０．７以下であるバンドパスフィルタを利用した場合に、標準偏差が極めて小さくなることが明らかとなった。そのため、本実施形態に係るフィルタ処理部１７１は、一次元信号の集合である撮像データに対して、画素間隔をサンプリング間隔とした場合のナイキスト周波数で正規化した周波数周波数に対して、通過帯域の下限が０．１以上０．３以下であり、上限が０．５以上０．７以下であるバンドパスフィルタを用いたフィルタ演算処理を実施することが好ましい。その後、フィルタ処理部１７１は、得られたフィルタ処理後のデータ（図１３におけるＬ_ｂｐｆ（ｘ））を、前処理部１７３に出力する。

前処理部１７３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。前処理部１７３は、フィルタ処理部１７１によるフィルタ演算処理が実施された後の撮像データ（一次元信号の集合）に基づいて、かかる一次元信号の絶対値波形を算出する処理や、一次元信号のベースライン処理等といった各種の前処理を実施する。このような前処理を実施することで、データ処理部１５５は、精度良く合焦位置を特定して、より正確に表面形状を算出することが可能となる。以下、これらの前処理について、詳細に説明する。

前処理部１７３は、フィルタ演算処理後の撮像データ（一次元信号群）に対して、まず、絶対値波形を算出する処理を実施する。かかる絶対値波形（図１３におけるＬ_ａｂｓ（ｘ））の算出処理は、一次元信号のそれぞれについて、絶対値を取ることで実施される。

その後、前処理部１７３は、得られた絶対値波形から、絶対値波形のデータの最頻値（モード）又は中央値（メジアン）を差し引く処理を実施する。絶対値波形のデータは、絶対値を取るという操作によって算出されたものであるため、その波形の裾部の値はゼロとはならないことが多い。一方、後述する近似処理部１７５における近似処理で用いられる関数は、関数の裾の値がゼロとなるものであるため、絶対値波形の裾部の値がゼロではない場合には、後述する近似処理において誤差の要因となってしまう。そこで、前処理部１７３は、絶対値波形のデータの最頻値又は中央値を絶対値波形のデータから差し引くことで、後述する近似処理の精度をより向上させる。

前処理部１７３は、以上説明したような前処理を絶対値波形のデータに対して施した後、得られた絶対値波形のデータ（図１３におけるＬ_ｏ（ｘ））を、後述する近似処理部１７５に出力する。

近似処理部１７５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。近似処理部１７５は、前処理部１７３から出力された前処理後の絶対値波形のデータ群のそれぞれについて、その絶対値波形を、左右対称な凸形状であり凸部ピークから離れるに従って値が０に漸近する関数により近似する。近似のためには、関数のパラメータを最適化手法により調整することが求められるが、この際、関数のパラメータは、必要最小限（すなわちピーク位置、ピークの幅、ピークの大きさの３つであること）が、安定な最適解を得るために望ましい。

このような、左右対称な凸形状の関数の例として、例えば、図８Ａに示したような三角波関数や、図８Ｂに示したようなガウス関数を挙げることができる。

図８Ａに示した三角波関数は、高さＡ、半幅Ｗ及び中心ｐで規定される三角形状の関数であり、ｍａｘ（０，Ａ×（１−｜ｘ−ｐ｜／ｗ））で表される。また、図８Ｂに示したガウス関数は、高さＡ、中心ｐ及び分散σを用いて、Ａ×ｅｘｐ（（ｘ−ｐ）^２／σ^２）で表される関数である。このような関数を用いることで、絶対値波形のピーク位置を精度良く特定することが可能となる。また、凸形状の関数として、特にガウス関数を用いた場合には、絶対値波形を滑らかな関数で近似することが可能となり、近似処理をより簡便に行うことが可能となる（図１３におけるＬ_ｆｉｔ（ｘ））。

絶対値波形のデータを上記のような関数に近似する技法については、特に限定されるものではなく、多変数準ニュートン法のような公知の様々な手法を利用することが可能である。

近似処理部１７５は、前処理部１７３から出力された前処理後の絶対値波形のデータ群のそれぞれについて、上記のような凸形状の関数を用いて近似処理を行った後、そのピーク位置を特定する。近似処理部１７５は、このようにして得られたピーク位置を、着目している一次元信号における合焦位置として取り扱う。近似処理部１７５は、このような近似処理を、幅方向の各位置における一次元信号に対して実施することで、各幅方向位置での合焦位置を特定することができる。

近似処理部１７５は、着目している撮像データにおける各合焦位置に関する情報を、後述する形状算出部１７７に出力する。

形状算出部１７７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。形状算出部１７７は、近似処理部１７５により算出された合焦位置に関する情報と、撮像部１０１における撮像分解能と、チルトレンズ１１５のチルト角θから決まる合焦面の傾斜角φとに基づいて、測定対象物の表面形状を算出する。

より詳細には、形状算出部１７７は、それぞれの幅方向位置について、搬送方向に沿った合焦位置ｐ（単位：画素、原点：エリアセンサ１１３の搬送方向中心）と、撮像分解能ｄ（単位：ｍｍ／画素）と、合焦面の傾斜角φ（単位：度）とを利用して、以下の式１０１により規定される値Ｈ（ｉ）を算出し、幅方向位置ｉにおける光軸Ｚ１と合焦面Ｓ３の交点の高さを原点とする表面の高さとして取り扱う。

Ｈ（ｉ）＝ｐ×ｄ×ｔａｎφ ・・・（式１０１）

合焦面の傾斜角φの大きさに関する情報は、形状算出部１７７が撮像制御部１５１から予め取得したり、演算処理に先立ってユーザが予め演算処理部１０３に対して値を入力したりすることで、得ることが可能である。また、撮像分解能ｂは、撮像部１０１の光学設計値等に基づいて予め把握可能な値であるため、記憶部１６１等に予めデータベースとして格納しておけばよい。

形状算出部１７７は、以上説明したような演算処理により測定対象物の高さ分布を算出すると、得られた算出結果を、測定結果として処理結果出力部１５７に出力する。

以上、図５〜図８Ｂを参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置１０が備える演算処理部１０３について、詳細に説明した。

以上、本実施形態に係る演算処理部の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。

なお、上述のような本実施形態に係る演算処理部の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。

＜形状測定方法の流れについて＞
続いて、図９及び図１０を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置１０で実施される形状測定方法の流れの一例について、簡単に説明する。図９及び図１０は、本実施形態に係る形状測定方法の流れの一例を示した流れ図である。

［全体的な流れについて］
まず、図９を参照しながら、形状測定方法の全体的な流れについて簡単に説明する。
形状測定装置１０の撮像部１０１は、演算処理部１０３の撮像制御部１５１による制御のもとで、所定の方向に搬送されている測定対象物を搬送方向に走査して撮像データを生成し（ステップＳ１０１）、得られた撮像データを演算処理部１０３に出力する。

演算処理部１０３のデータ取得部１５３は、撮像部１０１によって生成された撮像データを取得すると、取得した撮像データを、データ処理部１５５へと出力する。

演算処理部１０３のデータ処理部１５５は、伝送された撮像データを利用して、形状算出処理を実施する（ステップＳ１０３）。その後、データ処理部１５５は、得られた測定対象物の測定結果を、処理結果出力部１５７に出力する。

処理結果出力部１５７は、データ処理部１５５により算出された測定対象物の表面形状に関する情報を、ユーザや外部に設けられた各種の機器に出力する（ステップＳ１０５）。これにより、ユーザは、測定対象物の表面形状に関する測定結果を把握することが可能となる。

［表面形状の算出処理の流れについて］
次に、図１０を参照しながら、データ処理部１５５によって実施される表面形状の算出処理の流れについて、簡単に説明する。

データ処理部１５５は、データ取得部１５３から出力された撮像データＩ（ｘ，ｙ）（ｘ：搬送方向、ｙ：幅方向）を取得すると（ステップＳ２０１）、パラメータｉ＝１に設定することで（ステップＳ２０３）、処理対象とする一次元信号Ｌ（ｘ）を、Ｉ（ｘ，ｉ）とする（ステップＳ２０５）。

続いて、データ処理部１５５のフィルタ処理部１７１は、処理対象である一次元信号Ｌ（ｘ）に対して、上記のようなバンドパスフィルタ処理を実施し、フィルタ処理後の信号Ｌ_ｂｐｆ（ｘ）を生成する（ステップＳ２０７）。その後、フィルタ処理部１７１は、得られた信号Ｌ_ｂｐｆ（ｘ）を、前処理部１７３に出力する。

前処理部１７３は、まず、信号Ｌ_ｂｐｆ（ｘ）に対して絶対値処理を実施して、絶対値処理後の信号Ｌ_ａｂｓ（ｘ）を生成する（ステップＳ２０９）。続いて、前処理部１７３は、得られた信号Ｌ_ａｂｓ（ｘ）に対して、中央値又は最頻値を利用したベースライン処理を実施して、ベースライン処理後の信号Ｌ_ｏ（ｘ）を生成する（ステップＳ２１１）。その後、前処理部１７３は、得られた前処理後の信号Ｌ_ｏ（ｘ）を、近似処理部１７５に出力する。

続いて、近似処理部１７５は、ガウス関数や三角波関数等といった凸状関数を利用して、信号Ｌ_ｏ（ｘ）に対して関数近似処理を実施し（ステップＳ２１３）、ピーク位置ｐを特定する。その後、近似処理部１７５は、得られたピーク位置ｐに関する情報を、形状算出部１７７に出力する。

続いて、形状算出部１７７は、近似処理部１７５によって算出されたピーク位置ｐと、撮像分解能ｄと、合焦面の傾斜角φと、を利用して、幅方向ｉにおける表面高さの分布を示す関数Ｈ_ｉ（ｘ）＝ｐ×ｄ×ｔａｎφを算出する（ステップＳ２１５）。

その後、データ処理部１５５は、パラメータｉが画像高さに等しいか否かを判断する（ステップＳ２１７）。パラメータｉが画像高さに等しくない場合には、パラメータｉをｉ＋１に設定して（ステップＳ２１９）、データ処理部１５５は、ステップＳ２０５以降の処理を再び実行する。一方、パラメータｉが画像高さに等しい場合には、得られたＨ_ｉ（ｘ）の集合を、着目している撮像データにおける幅方向の高さ分布とし（ステップＳ２２１）、処理結果出力部１５７に出力する。

以上、図９及び図１０を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置１０で実施される形状測定方法の流れの一例について、簡単に説明した。

（ハードウェア構成について）
次に、図１１を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理部１０３のハードウェア構成の一例について、詳細に説明する。図１１は、本発明の実施形態に係る演算処理部１０３のハードウェア構成の一例を説明するためのブロック図である。

演算処理部１０３は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理部１０３は、更に、バス９０７と、入力装置９０９と、出力装置９１１と、ストレージ装置９１３と、ドライブ９１５と、接続ポート９１７と、通信装置９１９とを備える。

ＣＰＵ９０１は、演算処理装置および制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１３、またはリムーバブル記録媒体９２１に記録された各種プログラムに従って、形状測定装置１０内の動作全般またはその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるバス９０７により相互に接続されている。

バス９０７は、ブリッジを介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バスに接続されている。

入力装置９０９は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチおよびレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９０９は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、形状測定装置１０の操作に対応したＰＤＡ等の外部接続機器９２３であってもよい。さらに、入力装置９０９は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。形状測定装置１０のユーザは、この入力装置９０９を操作することにより、形状測定装置１０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。

出力装置９１１は、取得した情報をユーザに対して視覚的または聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置およびランプなどの表示装置や、スピーカおよびヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１１は、例えば、形状測定装置１０が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、形状測定装置１０が行った各種処理により得られた結果を、テキストまたはイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。

ストレージ装置９１３は、演算処理部１０３の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１３は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１３は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、および外部から取得した各種のデータなどを格納する。

ドライブ９１５は、記録媒体用リーダライタであり、形状測定装置１０に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、ＣＤメディア、ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２１は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、または、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）または電子機器等であってもよい。

接続ポート９１７は、機器を形状測定装置１０に直接接続するためのポートである。接続ポート９１７の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート、ＲＳ−２３２Ｃポート等がある。この接続ポート９１７に外部接続機器９２３を接続することで、形状測定装置１０は、外部接続機器９２３から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２３に各種のデータを提供したりする。

通信装置９１９は、例えば、通信網９２５に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９１９は、例えば、有線または無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、またはＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９１９は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ、または、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９１９は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９１９に接続される通信網９２５は、有線または無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信等であってもよい。

以上、本発明の実施形態に係る演算処理部１０３の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。

なお、以上では、可視光を利用する場合について説明したが、可視光以外の場合であっても、適切な撮像素子とレンズ材料とを組み合わせることで、本発明を適用できることは明らかである。例えば、遠赤外光を利用する場合には、撮像素子としてマイクロボロメータ、レンズ材料としてゲルマニウムやジンクセレンを用いればよい。

上記から明らかなように、対象の地肌模様はバンドパスフィルタの高周波側よりも高い周波数成分を含んでおり、かつその大きさが高周波側の電気ノイズより大きい必要がある。

また、測定対象物が有する地肌模様にエンボス加工のような周期性がある場合には、関数近似の必要はなく、かかる周期に対応する周波数成分のみを透過する狭帯域バンドパスフィルタを用いて、バンドパスフィルタ出力の絶対値が最大となる位置を合焦位置ｐとすればよい。

続いて、具体例を示しながら、本発明の実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法について、具体的に説明を行う。ここで、以下に示す実験例は、本発明の実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法のあくまでも一例であって、本発明の実施形態に係る形状測定装置及び形状測定方法が、以下に示す実験例に限定されるものではない。

（実験例１）
以下に示す実験例１では、本発明の実施形態に係る形状測定装置１０を利用して、湾曲面を有する測定対象物を撮像し、正確な表面形状が測定されたか否かについて検証を行った。

なお、撮像部１０１として、焦点距離ｆ＝８５ｍｍ、Ｆ値＝２．８のチルトレンズを利用し、チルト角を８．５°に設定し、撮像倍率を１倍に設定した。また、エリアカメラの撮像素子（エリアセンサ）は、幅方向２３５２画素×積分方向１７２６画素であり、撮像分解能は、０．０１ｍｍ／画素であった。また、チルトレンズから測定対象物までの離隔距離は、１９０ｍｍとした。

また、湾曲面を有する測定対象物としては、直径２４ｍｍの棒鋼を利用した。

更に、形状算出処理に用いられるバンドパスフィルタとしては、画素間隔を２とした周波数に対して、通過帯域が０．２〜０．６であるバンドパスフィルタを利用し、ベースライン処理では、絶対値波形のデータから中央値（メジアン）を差し引いた。また、絶対値波形を近似する凸状関数としては、ガウス関数を利用した。

図１２は、上記のような撮像部１０１によって撮像された撮像データを示したものであり、図１２の横方向が搬送方向（棒鋼の長手方向）ｘであり、縦方向が幅方向ｙである。図１２から明らかなように、得られた撮像データには、ピントが合っている領域と、ピントが合っておらずボケた状態となっている領域とが混在していることがわかる。

図１２に示した撮像データのある幅方向位置について、一次元信号の強度分布Ｌ（ｘ）を、図１３の最上段に示した。この一次元信号Ｌ（ｘ）に対して、上記のようなバンドパスフィルタを用いたフィルタ処理を行った結果、図１３の上から２段目に示したような信号Ｌ_ｂｐｆ（ｘ）が得られた。次に、かかる信号Ｌ_ｂｐｆ（ｘ）に対して絶対値処理を行った結果、図１３の上から３段目に示した絶対値波形信号Ｌ_ａｂｓ（ｘ）が得られ、この絶対値波形に対してベースライン処理を行った結果、図１３の下から２段目に示した信号Ｌ_ｏ（ｘ）が得られた。この信号Ｌ_ｏ（ｘ）をガウス関数でフィッティングした結果、図１３の最下段に示したようなガウス関数が得られた。ガウス関数のピーク位置のｘ座標として、ｘ＝１６８０が出力された。

このような処理を、撮像データの幅方向に対して随時実施した結果、図１４に示したような合焦位置の分布が得られた。このような合焦位置の分布から算出された表面高さＨを、図１５Ａに実線で示した。なお、図１５Ａでは、得られた測定値に対して７点移動平均を施した後の結果を、示している。また、図１５Ａでは、直径２４ｍｍの棒鋼の断面形状が真円であるとして算出した理論値を、破線であわせて示している。

図１５Ａから明らかなように、本発明の実施形態に係る形状測定装置１０で測定された棒鋼の表面高さの測定値は、理論値に極めて一致していることがわかる。また、図１５Ｂには、得られた測定値の理論値からの誤差を示しているが、得られた測定値の標準偏差は、０．１２ｍｍであった。

ここで、上記特許文献２に開示されているようなステレオ法における高さ計測の誤差は、奥行きの１〜２％程度であることが知られている。一方、今回の実験例における奥行き方向の離隔距離は、上記のように１９０ｍｍであるため、上記の誤差は、０．１２ｍｍ／１９０ｍｍ×１００＝０．０６％に対応する。従って、本発明の実施形態に係る形状測定装置１０で得られた表面形状の測定結果は、ステレオ法によって測定された表面形状よりも極めて優れた精度を有していることが明らかとなった。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 形状測定装置
１０１ 撮像部
１０３ 演算処理部
１１１ エリアカメラ
１１３ エリアセンサ
１１５ チルトレンズ
１１７ 照明光源
１５１ 撮像制御部
１５３ データ取得部
１５５ データ処理部
１５７ 処理結果出力部
１５９ 表示制御部
１６１ 記憶部
１７１ フィルタ処理部
１７３ 前処理部
１７５ 近似処理部
１７７ 形状算出部

Claims (6)

1. 一次元方向に搬送されており、表面に地肌模様を有する測定対象物の像を撮像するエリアセンサと、チルト軸が前記エリアセンサの撮像面に対して平行かつ搬送方向に対して直交するように設けられたチルトレンズと、を有する撮像部と、
   前記撮像部により撮像された撮像データを、前記測定対象物の幅方向位置毎の一次元信号の集合として取り扱い、当該撮像データの前記搬送方向における合焦位置を特定し、前記チルトレンズの焦点距離とチルト角と前記撮像部の撮像倍率とからシャインプルーフ条件によって定まる直線と、撮像分解能と、に基づいて、前記合焦位置を前記測定対象物の形状に変換する演算処理部と、
   を備え、
   前記演算処理部は、
   画素間隔をサンプリング間隔とした場合のナイキスト周波数で正規化した周波数に対して、通過帯域の下限が０．１以上０．３以下であり、上限が０．５以上０．７以下であるバンドパスフィルタを利用し、
   当該バンドパスフィルタを通過した前記一次元信号の強度が最大となる位置を、前記合焦位置として特定する、形状測定装置。
2. 前記演算処理部は、
   前記バンドパスフィルタを通過した前記一次元信号の絶対値で規定される絶対値波形を、左右対称な凸形状であり凸部ピークから離れるに従って値が０に漸近する関数により近似して、
   前記関数のピーク位置を、前記一次元信号の強度が最大となる位置とする、請求項１に記載の形状測定装置。
3. 前記演算処理部は、前記関数として、三角波関数又はガウス関数を利用する、請求項２に記載の形状測定装置。
4. 前記演算処理部は、前記関数による近似に先立ち、前記絶対値波形のデータから当該絶対値波形のデータの最頻値を差し引く、請求項２又は３に記載の形状測定装置。
5. 前記演算処理部は、前記関数による近似に先立ち、前記絶対値波形のデータから当該絶対値波形のデータの中央値を差し引く、請求項２又は３に記載の形状測定装置。
6. 一次元方向に搬送されており、表面に地肌模様を有する測定対象物の像を撮像するエリアセンサと、チルト軸が前記エリアセンサの撮像面に対して平行かつ搬送方向に対して直交するように設けられたチルトレンズと、を有する撮像部により、前記測定対象物を撮像する撮像ステップと、
   撮像された撮像データを、前記測定対象物の幅方向位置毎の一次元信号の集合として取り扱い、当該撮像データの前記搬送方向における合焦位置を特定する合焦位置特定ステップと、
   前記チルトレンズの焦点距離とチルト角と前記撮像部の撮像倍率とからシャインプルーフ条件によって定まる直線と、撮像分解能と、に基づいて、特定した前記合焦位置を前記測定対象物の形状に変換する形状変換ステップと、
   を含み、
   前記合焦位置特定ステップは、
   画素間隔をサンプリング間隔とした場合のナイキスト周波数で正規化した周波数に対して、通過帯域の下限が０．１以上０．３以下であり、上限が０．５以上０．７以下であるバンドパスフィルタを利用し、
   当該バンドパスフィルタを通過した前記一次元信号の強度が最大となる位置を、前記合焦位置として特定する、形状測定方法。