JP6380667B2 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents
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Description
以下では、まず、図1を参照しながら、本発明の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する。図1は、本実施形態に係る形状測定装置の構成を模式的に示した説明図である。
続いて、図2〜図7を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置10が備える撮像装置100について、詳細に説明する。図2〜図7は、本実施形態に係る撮像装置の構成を模式的に示した説明図である。
・光切断線Laと光切断線Lbが交点Aを持つ。
・光切断線Laと光切断線Lcが交点Bを持つ。
・光切断線Lbと光切断線Lcは、いずれもL軸と平行であり、光切断線Lbと光切断線Lcは、剛体Sの表面上の互いに異なる幅方向位置に存在する。
次に、図8〜図11を参照しながら、被測定剛体Sに生じる外乱と、かかる外乱に伴って撮像される撮像画像(光切断画像)について、具体的に説明する。図8〜図11は、被測定剛体に生じうる外乱について説明するための模式図である。
(1)Z軸方向(剛体Sの高さ方向)の平行移動
(2)L軸(剛体Sの長手方向)回りの回転
(3)C軸(剛体Sの幅方向)回りの回転
以下、これら3つの測定誤差の要因をまとめて、外乱とも称する。
次に、図1、及び、図12〜図26を参照しながら、本実施形態に係る形状測定装置10が備える演算処理装置200について、詳細に説明する。図12は、本実施形態に係る形状測定装置が備える演算処理装置の画像処理部の構成の一例を示したブロック図である。図14及び図15、並びに、図17〜図23は、本実施形態に係る外乱推定部が実施する外乱推定処理について説明するための説明図である。図16は、本実施形態に係る画像処理部が備える外乱推定部の構成の一例を示したブロック図である。図24は、本実施形態に係る形状データ算出部が実施する形状データ算出処理について説明するための説明図である。図25及び図26は、本実施形態に係る補正処理部が実施する補正処理について説明するための説明図である
再び図1に戻って、本実施形態に係る形状測定装置10が備える演算処理装置200の全体構成について説明する。
本実施形態に係る演算処理装置200は、図1に示したように、撮像制御部201と、画像処理部203と、表示制御部205と、記憶部207と、を主に備える。
次に、図12〜図26を参照しながら、演算処理装置200が備える画像処理部203の構成について説明する。
本実施形態に係る画像処理部203は、図12に示したように、撮像データ取得部211と、外乱推定部213と、形状データ算出部215と、補正部217と、結果出力部219と、を備える。
以下では、図13〜図23を参照しながら、外乱推定部213で実施される外乱推定処理について、詳細に説明する。
まず、外乱推定処理について説明するに先立って、かかる外乱推定処理で用いられる校正データについて説明する。
先だって言及したように、記憶部207には、外乱推定部213における外乱推定処理や、形状データ算出部215における形状算出処理で用いられる、光切断線Lに関する校正データが、予め格納されている。記憶部207に事前に格納される校正データには、第1の校正データ及び第2の校正データという、2種類の校正データがある。
計算によって第1の校正データを算出する場合には、エリアカメラ111,113に装着されたレンズの焦点距離fと、レンズから測定対象(すなわち、剛体S)までの距離aと、エリアカメラ111,113に設けられた撮像素子からレンズまでの距離bと、を利用する。より詳細には、これらのパラメータを利用して、以下の式101で表わされる結像公式により式103で表わされる倍率mを求めて、第1の校正データを計算することができる。
倍率:m=b/a ・・・・(式103)
H=D/sinα ・・・(式107)
第2の校正データは、図13に示した実空間上での連続する2枚の画像撮像時刻間において、剛体Sの実空間での搬送距離(単位:mmやm等の長さの単位)に相当する画像内での水平方向の移動量(単位:ピクセル)を表わしたデータである。この第2の校正データは、光切断線Lb,Lcに対して、それぞれ設定される。後述するように、かかる移動量の分だけエリアカメラ113で撮像された撮像画像を水平方向(実空間におけるL軸方向に対応する方向)に平行移動させることで、連続する2枚の撮影画像において剛体S上の同じ点の上下方向の移動量を比較することができる。このように、第2の校正データは、外乱の大きさを推定するために用いられる校正データである。
前述のように、第2の校正データは、連続する2枚の撮影画像が生成される間における剛体Sの実空間における搬送距離Δs(図13に示したΔs)が、生成された撮像画像において、どの程度の画素数に対応するかを示したデータである。従って、計算によって第2の校正データを算出する場合には、上記式105で算出される撮像分解能Dを、光切断線Lb,Lcの双方について算出し、得られた撮像分解能Db,Dcを用いて、実空間における搬送距離Δsの設定値を割ればよい。すなわち、光切断線Lbに関する水平方向の移動量をΔLbとし、光切断線Lcに関する水平方向の移動量をΔLcとすると、これらの値は、以下の式109及び式111によって算出することができる。
ΔLc=Δs/Dc ・・・(式111)
次に、図14及び図15を参照しながら、外乱推定処理で用いられる座標系について、具体的に説明する。
本実施形態に係る外乱推定部213で実施される外乱推定処理では、エリアカメラ113によって撮像された撮像画像に固定された座標系を用いて、画像処理が行われる。すなわち、エリアカメラ113によって生成された光切断画像において、剛体Sの長手方向に対応する方向(すなわち、光切断画像の水平方向)をX軸方向とし、X軸方向に対して直交する方向(すなわち、光切断画像の高さ方向)をY軸方向とする。
それでは、図16〜図23を参照しながら、外乱推定部213で実施される外乱推定処理について、詳細に説明する。
本実施形態に係る外乱推定部213では、エリアカメラ113で撮像された、光切断線Lb,Lcが写る撮像画像を基に、剛体Sの表面のうち、光切断線Lb,Lc上に存在する部分における、外乱起因の高さ変化値(すなわち、実空間におけるZ座標の変化量)を算出する。
上記特許文献1で提案されているような光切断法では、光切断線上の異なる長手方向位置の複数の点について、異なる時刻で表面高さ測定を行い、各点の表面高さ測定結果の差異(すなわち外乱起因の変化)を、そのまま外乱の大きさの計算に用いていた。しかしながら、本実施形態に係る形状測定装置10で実施される光切断法では、外乱推定部213が実施する外乱推定処理によって、光切断線Lb上の各点の長手方向位置(すなわち、Xb座標の値)と、これらの点での外乱に起因するYb座標の値の変化との関係を、異なる時刻に撮像された複数の撮像画像を利用して特定する。その上で、外乱推定部213は、Yb座標の変化量のXb方向に沿った分布を、直線で近似する。かかる近似直線を利用することで、外乱推定部213は、光切断線Lb上の各点における測定誤差による値のばらつきを抑えながら、図2に示した交点Aに対応するXb座標でのYb座標の値の変化量を、正確に算出することができる。その後、外乱推定部213は、先だって説明したような校正曲線Cbを用いることで、画素単位で表わされているYb座標の値の変化量を、実空間でのZ座標の変化量(すなわち、外乱に起因する高さ変動量)に変換する。
共通照射部分外乱推定部221は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。共通照射部分外乱推定部221は、上記の外乱推定処理の概略で簡単に言及した処理のうち、光切断線Lb,Lc上の各点の長手方向位置(すなわち、Xb座標、Xc座標の値)と、これらの点での外乱に起因するYb座標、Yc座標の値の変化との関係を、異なる時刻に撮像された複数の撮像画像を利用して特定する処理部である。
・・・(式125)
・・・(式129)
交点位置外乱推定部223は、例えば、CPU、ROM、RAM等により実現される。交点位置外乱推定部223は、上記の外乱推定処理の概略で簡単に言及した処理のうち、光切断線Lbに関して、Yb座標の変化量のXb方向に沿った分布を直線で近似するとともに、光切断線Lcに関して、Yc座標の変化量のXc方向に沿った分布を直線で近似する処理を実施して、交点A、Bの位置での外乱の大きさを推定する処理部である。
・交点Aにおける外乱成分に起因するZ座標の変化ΔZb(i)(単位:mm)
・交点Bにおける外乱成分に起因するZ座標の変化ΔZc(i)(単位:mm)
のそれぞれを算出する処理部である。
ΔZc(i)=Zc(i)−Zc t(i) ・・・(式133)
続いて、図24を参照しながら、形状データ算出部215で実施される形状データ算出処理について、詳細に説明する。なお、図24では、外乱としてL軸回りの回転が生じている場合について図示しているが、これまでの説明と同様に、以下の説明は、図24に示した場合に限定されるものではない。
続いて、図25及び図26を参照しながら、補正部217で実施される補正処理について、詳細に説明する。
次に、図27及び図28を参照しながら、本実施形態に係る撮像装置100の変形例について、簡単に説明する。図27及び図28は、本実施形態に係る撮像装置の変形例を模式的に示した説明図である。
次に、図29A及び図29B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について、簡単に説明する。図29A及び図29B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。
次に、図30を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理装置200のハードウェア構成について、詳細に説明する。図30は、本発明の実施形態に係る演算処理装置200のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
実施例1では、図31Aに示したようなZ方向の平行移動を、アルミ板の搬送中に外乱として付加した。なお、光切断線の位置は、図31Bに示した通りである。その結果、図31Cに示すように、Z(i,Xa)は、外乱によるZ軸方向の変化が重畳されており、該当する部分の表面高さが平坦になっていないことがわかる。この結果は、Z(i,Xa)では正確な表面高さを表現できていないことを示している。一方、図31Dに示したように、Zout(i,Xa)(i=1,2,・・・,60)は平坦となり、正確な表面高さが測定されていることが確認できた。
実施例2では、図32Aに示したようなL軸回りの回転(回転軸は、アルミ板の幅方向中央位置とし、回転角の正方向は、L軸正方向に沿って時計回りとした。)を、アルミ板の搬送中に外乱として付加した。なお、光切断線の位置と回転軸との位置関係は、図32Bに示した通りである。その結果、図32Cに示すように、Z(i,Xa)は、L軸回りの回転によるZ軸方向の変化が重畳されており、該当する部分の表面高さが平坦になっていないことがわかる。この結果は、Z(i,Xa)では正確な表面高さを表現できていないことを示している。一方、図32Dに示したように、Zout(i,Xa)(i=1,2,・・・,60)は平坦となり、正確な表面高さが測定されていることが確認できた。
実施例3では、図33Aに示したようなC軸回りの回転(回転軸は、アルミ板の長手方向中央位置とし、回転角の正方向は、C軸正方向に沿って時計回りとした。)を、アルミ板の搬送中に外乱として付加した。なお、光切断線の位置と回転軸との位置関係は、図33Bに示した通りである。その結果、図33Cに示すように、Z(i,Xa)は、C軸回りの回転によるZ軸方向の変化が重畳されており、該当する部分の表面高さが平坦になっていないことがわかる。この結果は、Z(i,Xa)では正確な表面高さを表現できていないことを示している。一方、図33Dに示したように、Zout(i,Xa)(i=1,2,・・・,60)は平坦となり、正確な表面高さが測定されていることが確認できた。
100 撮像装置
101a,101b,101c 線状レーザ光源
111,113,115,117 エリアカメラ
200 演算処理装置
201 撮像制御部
203 画像処理部
205 表示制御部
207 記憶部
211 撮像データ取得部
213 外乱推定部
215 形状データ算出部
217 補正部
219 結果出力部
221 共通照射部分外乱推定部
223 交点位置外乱推定部
Claims (16)
- 被測定剛体の長手方向に沿って当該被測定剛体に対して相対移動する複数の線状レーザ光源から、前記被測定剛体の表面へと照射された、複数の線状レーザ光による複数の光切断線により、当該被測定剛体の形状を測定するものであり、
長手方向に沿って相対移動する前記被測定剛体の表面に対して、3本の前記線状レーザ光を照射するとともに、前記3本の線状レーザ光の前記被測定剛体の表面からの反射光を所定の長手方向間隔で撮像する撮像装置と、
前記撮像装置により撮像された前記光切断線に関する撮像画像に対して画像処理を実施して、前記被測定剛体の表面形状を算出する演算処理装置と、
を備え、
前記撮像装置は、
前記被測定剛体の幅方向に延びる前記光切断線であり、前記被測定剛体の表面形状を算出するために用いられる形状測定用光切断線を射出する第1線状レーザ光源と、
前記被測定剛体の長手方向に対して平行であり、かつ、前記形状測定用光切断線と交差しており、前記被測定剛体に作用する外乱の影響を補正するために用いられる第1の補正用光切断線を射出する第2線状レーザ光源と、
前記被測定剛体の長手方向に対して平行であり、前記形状測定用光切断線と交差し、かつ、前記第1の補正用光切断線とは異なる前記被測定剛体の幅方向位置に存在しており、前記被測定剛体に作用する外乱の影響を補正するために用いられる第2の補正用光切断線を射出する第3線状レーザ光源と、
前記形状測定用光切断線を、所定の長手方向間隔に対応する各時刻に撮像し、各時刻におけるそれぞれの前記形状測定用光切断線の撮像画像を生成する第1のカメラと、
前記補正用光切断線を、所定の長手方向間隔に対応する各時刻に撮像し、各時刻におけるそれぞれの前記補正用光切断線の撮像画像を生成する第2のカメラと、
を有しており、
前記演算処理装置は、
前記第1のカメラにより生成された各時刻での前記形状測定用光切断線の撮像画像に基づいて、前記被測定剛体の表面の3次元形状を表わし、かつ、前記外乱に起因する測定誤差の重畳された形状データを算出する形状データ算出部と、
前記被測定剛体の同一位置について異なる2つの時刻に取得した前記被測定剛体の表面高さに関する高さ測定値から、当該位置における前記外乱に起因する高さ変化値を取得する高さ変化値取得処理を、前記第1の補正用光切断線の撮像画像を用いて、当該第1の補正用光切断線の異なる長手方向位置の複数の点に対して実施するとともに、前記高さ変化値取得処理を、前記第2の補正用光切断線の撮像画像を用いて、当該第2の補正用光切断線の異なる長手方向位置の複数の点に対して実施し、前記第1の補正用光切断線の撮像画像から得られた複数の前記外乱に起因する高さ変化値と、前記第2の補正用光切断線の撮像画像から得られた複数の前記外乱に起因する高さ変化値と、を利用して、前記形状データに重畳された前記外乱に起因する高さ変動量を推定する外乱推定部と、
前記形状データから前記高さ変動量を差し引くことで、前記外乱に起因する測定誤差を補正する補正部と、
を有する、形状測定装置。 - 前記外乱推定部は、
前記第1の補正用光切断線上の複数の点における前記外乱に起因する高さ変化値を直線近似して、当該直線と前記形状測定用光切断線との交点における前記外乱に起因する高さ変化値を推定し、
前記第2の補正用光切断線上の複数の点における前記外乱に起因する高さ変化値を直線近似して、当該直線と前記形状測定用光切断線との交点における前記外乱に起因する高さ変化値を推定し、
2つの前記交点における前記外乱に起因する高さ変化値を結ぶ直線により、前記高さ変動量を推定する、請求項1に記載の形状測定装置。 - 前記第1のカメラ及び前記第2のカメラは、所定の長手方向間隔に対応する各時刻に撮像を行って、それぞれN枚(Nは、2以上の整数。)の撮像画像を生成し、
前記外乱推定部は、1枚目の撮像画像に前記外乱が生じていないとみなして、前記高さ変動量を算出する、請求項1又は2に記載の形状測定装置。 - 前記第1のカメラ及び前記第2のカメラの撮像タイミングは、互いに隣り合う撮像時刻に撮像した前記第2のカメラの撮像画像において、共通して前記補正用光切断線が照射されている前記被測定剛体の部分である共通照射領域が存在するように制御されており、
前記外乱推定部は、前記第1の補正用光切断線、及び、前記第2の補正用光切断線のそれぞれでの前記共通照射領域に該当する前記複数の点について、前記外乱に起因する高さ変化値を算出する、請求項1〜3の何れか1項に記載の形状測定装置。 - 前記外乱推定部は、前記第2のカメラのi+1枚目(i=1,2,・・・,N−1)の撮像画像から得られる前記高さ変化値を含む見かけの表面高さと、前記第2のカメラのi枚目の撮像画像から得られる、当該撮像画像の前記共通照射領域における前記高さ変化値を除去した後の表面高さと、を用いて、前記i+1枚目の撮像画像における前記高さ変化値と、当該高さ変化値を除去した後の表面高さと、を算出する、請求項4に記載の形状測定装置。
- 前記外乱推定部は、前記第2のカメラの1枚目の撮像画像を基準として、前記第2のカメラのi枚目(i=2,・・・,N)の撮像画像における前記高さ変化値を算出する、請求項4又は5に記載の形状測定装置。
- 前記第1線状レーザ光源、前記第2線状レーザ光源及び前記第3線状レーザ光源は、それぞれの光源の光軸が前記被測定剛体の長手方向及び幅方向で規定される平面に対して垂直となるように配設される、請求項1〜6の何れか1項に記載の形状測定装置。
- 前記第1のカメラの光軸と前記第1線状レーザ光源の光軸とのなす角、前記第2のカメラの視線と前記第2線状レーザ光源の光軸とのなす角、及び、前記第2のカメラの視線と前記第3線状レーザ光源の光軸とのなす角は、互いに独立に、30度以上60度以下である、請求項1〜7の何れか1項に記載の形状測定装置。
- 被測定剛体の長手方向に沿って当該被測定剛体に対して相対移動する複数の線状レーザ光源から、前記被測定剛体の表面へと照射された、複数の線状レーザ光による複数の光切断線により、当該被測定剛体の形状を測定するものであり、
前記被測定剛体の幅方向に延びる前記光切断線であり、前記被測定剛体の表面形状を算出するために用いられる形状測定用光切断線を射出する第1線状レーザ光源と、前記被測定剛体の長手方向に対して平行であり、かつ、前記形状測定用光切断線と交差しており、前記被測定剛体に作用する外乱の影響を補正するために用いられる第1の補正用光切断線を射出する第2線状レーザ光源と、前記被測定剛体の長手方向に対して平行であり、前記形状測定用光切断線と交差し、かつ、前記第1の補正用光切断線とは異なる前記被測定剛体の幅方向位置に存在しており、前記被測定剛体に作用する外乱の影響を補正するために用いられる第2の補正用光切断線を射出する第3線状レーザ光源と、前記形状測定用光切断線を、所定の長手方向間隔に対応する各時刻に撮像し、各時刻におけるそれぞれの前記形状測定用光切断線の撮像画像を生成する第1のカメラと、前記補正用光切断線を、所定の長手方向間隔に対応する各時刻に撮像し、各時刻におけるそれぞれの前記補正用光切断線の撮像画像を生成する第2のカメラと、を有する撮像装置から、長手方向に沿って相対移動する前記被測定剛体の表面に対して3本の前記光切断線を照射して、当該3本の光切断線の前記被測定剛体の表面からの反射光を所定の長手方向間隔で撮像する撮像ステップと、
前記第1のカメラにより生成された各時刻での前記形状測定用光切断線の撮像画像に基づいて、前記被測定剛体の表面の3次元形状を表わし、かつ、前記外乱に起因する測定誤差の重畳された形状データを算出する形状データ算出ステップと、
前記被測定剛体の同一位置について異なる2つの時刻に取得した前記被測定剛体の表面高さに関する高さ測定値から、当該位置における前記外乱に起因する高さ変化値を取得する高さ変化値取得処理を、前記第1の補正用光切断線の撮像画像を用いて、当該第1の補正用光切断線の異なる長手方向位置の複数の点に対して実施するとともに、前記高さ変化値取得処理を、前記第2の補正用光切断線の撮像画像を用いて、当該第2の補正用光切断線の異なる長手方向位置の複数の点に対して実施して、前記第1の補正用光切断線の撮像画像から得られた複数の前記外乱に起因する高さ変化値と、前記第2の補正用光切断線の撮像画像から得られた複数の前記外乱に起因する高さ変化値と、を利用して、前記形状データに重畳された前記外乱に起因する高さ変動量を推定する外乱推定ステップと、
前記形状データから前記高さ変動量を差し引くことで、前記外乱に起因する測定誤差を補正する補正ステップと、
を含む、形状測定方法。 - 前記外乱推定ステップでは、
前記第1の補正用光切断線上の複数の点における前記外乱に起因する高さ変化値を直線近似することで、当該直線と前記形状測定用光切断線との交点における前記外乱に起因する高さ変化値が推定され、
前記第2の補正用光切断線上の複数の点における前記外乱に起因する高さ変化値を直線近似することで、当該直線と前記形状測定用光切断線との交点における前記外乱に起因する高さ変化値が推定され、
2つの前記交点における前記外乱に起因する高さ変化値を結ぶ直線により、前記高さ変動量が推定される、請求項9に記載の形状測定方法。 - 前記第1のカメラ及び前記第2のカメラは、所定の長手方向間隔に対応する各時刻に撮像を行って、それぞれN枚(Nは、2以上の整数。)の撮像画像を生成し、
前記外乱推定ステップでは、1枚目の撮像画像に前記外乱が生じていないとみなして、前記高さ変動量が算出される、請求項9又は10に記載の形状測定方法。 - 前記第1のカメラ及び前記第2のカメラの撮像タイミングは、互いに隣り合う撮像時刻に撮像した前記第2のカメラの撮像画像において、共通して前記補正用光切断線が照射されている前記被測定剛体の部分である共通照射領域が存在するように制御されており、
前記外乱推定ステップでは、前記第1の補正用光切断線、及び、前記第2の補正用光切断線のそれぞれでの前記共通照射領域に該当する前記複数の点について、前記外乱に起因する高さ変化値が算出される、請求項9〜11の何れか1項に記載の形状測定方法。 - 前記外乱推定ステップでは、前記第2のカメラのi+1枚目(i=1,2,・・・,N−1)の撮像画像から得られる前記高さ変化値を含む見かけの表面高さと、前記第2のカメラのi枚目の撮像画像から得られる、当該撮像画像の前記共通照射領域における前記高さ変化値を除去した後の表面高さと、を用いて、前記i+1枚目の撮像画像における前記高さ変化値と、当該高さ変化値を除去した後の表面高さと、が算出される、請求項12に記載の形状測定方法。
- 前記外乱推定ステップでは、前記第2のカメラの1枚目の撮像画像を基準として、前記第2のカメラのi枚目(i=2,・・・,N)の撮像画像における前記高さ変化値が算出される、請求項12又は13に記載の形状測定方法。
- 前記第1線状レーザ光源、前記第2線状レーザ光源及び前記第3線状レーザ光源は、それぞれの光源の光軸が前記被測定剛体の長手方向及び幅方向で規定される平面に対して垂直となるように配設される、請求項9〜14の何れか1項に記載の形状測定方法。
- 前記第1のカメラの光軸と前記第1線状レーザ光源の光軸とのなす角、前記第2のカメラの視線と前記第2線状レーザ光源の光軸とのなす角、及び、前記第2のカメラの視線と前記第3線状レーザ光源の光軸とのなす角は、互いに独立に、30度以上60度以下である、請求項9〜15の何れか1項に記載の形状測定方法。
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