JP7178928B2 - 変位検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、移動部材の位置ずれを検出する光学式の変位検出装置に関する。

従来から、移動部材の位置ずれ量を計測する光学式の変位計測装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。この変位計測装置では、まず、光源がレーザを移動部材上に照射する。そして、画像取得部が、光源により照射されたレーザのスペックルパターン（干渉模様）を撮像してスペックル画像を得る。なお、画像取得部としては、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等が用いられる。そして、演算装置が、画像取得部により得られたスペックル画像に基づいて、移動部材上のスペックルパターンの経時変化を相関演算によって計測することで、移動部材の位置ずれ量を計測する。

特開２００９－０１５２４０号公報 特開２０１６－２１２４２２号公報

しかしながら、従来の変位計測装置は、光源がレーザであるため、数ｍｍ程度のスポットになる。そのため、従来の変位計測装置では、用途（移動部材の移動速度の適用範囲）が限定される。
また、従来の変位計測装置は、移動部材の移動（傾きを含む）によってレーザの照射角度が微妙に変化すると、スペックルパターンが変形する場合があり、検出精度が不安定になる場合がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来構成に対し、移動部材の移動速度の適用範囲を拡大可能な変位検出装置を提供することを目的としている。

この発明に係る変位検出装置は、幅を有し搬送される紙又はフィルムである移動部材の表面模様が映された第１の画像を得る第１の画像取得部と、第１の画像取得部により得られた第１の画像に対して撮像領域又は撮像時点が異なり、移動部材の表面模様が映された第２の画像を得る第２の画像取得部と、第１の画像取得部により得られた第１の画像に映された表面模様と第２の画像取得部により得られた第２の画像に映された表面模様との類似度をＰＯＣにより算出する画像認識部と、画像認識部により算出された類似度が閾値以上である第１の画像及び第２の画像を分析対象として採用し、当該採用した前記第１の画像に映された表面模様及び前記第２の画像に映された表面模様における搬送方向の位置及び幅方向の位置により、移動部材の位置ずれの有無を検出する分析部と、画像認識部においてＰＯＣにより類似度を算出可能な照明面積を有する光を、移動部材に照射する光源とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、上記のように構成したので、従来構成に対し、移動部材の移動速度の適用範囲を拡大可能となる。

実施の形態１に係る変位検出装置の構成例を示す図である。 実施の形態１に係る変位検出装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態１に係る変位検出装置の動作例を示すフローチャートである。 図４Ａは紙を映した画像を拡大した図であり、図４Ｂはフィルムを映した画像を拡大した図である。 図５Ａ～図５Ｃは、実施の形態１における撮像装置による処理を説明するための概略図である。 実施の形態１に係る変位検出装置により得られた登録画像及び計測画像の一例を示す図である。 実施の形態１に係る変位検出装置により得られた登録画像及び計測画像の一例を示す図である。 実施の形態１に係る変位検出装置により得られた登録画像及び計測画像の別の一例を示す図である。 実施の形態１に係る変位検出装置により得られた登録画像及び計測画像の別の一例を示す図である。 実施の形態２に係る変位検出装置の構成例を示す図である。 実施の形態２に係る変位検出装置の動作例を示す図である。

以下、この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。
実施の形態１．
図１，２は実施の形態１に係る変位検出装置の構成例を示す図である。
変位検出装置は、移動部材１０１の位置ずれを検出する光学式の装置である。移動部材１０１としては、例えば、紙又はフィルム等のシート状部材が挙げられる。この移動部材１０１は、例えば搬送路上に置かれて搬送される。変位検出装置は、図１，２に示すように、光源１、画像取得部（第１の画像取得部）２、画像取得部（第２の画像取得部）３及び演算装置４を備えている。また、演算装置４は、図２に示すように、画像認識部４１、分析部４２及び出力部４３を有している。なお、演算装置４はシステムＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）等の処理回路、又はメモリ等に記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等により実現される。

光源１は、移動部材１０１に対して光を照射する。光源１が照射する光は、画像認識部４１において後述するＰＯＣ（位相限定相関法：Ｐｈａｓｅ Ｏｎｌｙ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ）により類似度を算出可能な照射面積を有する。光源１としては、例えばＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いることができる。図１に示すように、実施の形態１では、光源１は、後述する撮像装置５に取付けられた光源１ａ及び後述する撮像装置６に取付けられた光源１ｂから構成されている。

画像取得部２は、移動部材１０１の表面模様が映された登録画像（第１の画像）を得る。図１に示すように、実施の形態１では、画像取得部２は、撮像装置（第１の撮像装置）５から構成されている。撮像装置５は、撮像領域が所定の領域に設定され、移動部材１０１の表面模様を撮像して登録画像を得る。

画像取得部３は、移動部材１０１の表面模様が映された計測画像（第２の画像）を得る。図１に示すように、実施の形態１では、画像取得部３は、撮像装置（第２の撮像装置）６から構成されている。撮像装置６は、撮像領域が撮像装置５の撮像領域とは異なる領域に設定され、移動部材１０１の表面模様を撮像して計測画像を得る。

画像認識部４１は、画像取得部２により得られた登録画像に映された表面模様と、画像取得部３により得られた計測画像に映された表面模様との類似度を、ＰＯＣにより算出する。
なお、ＰＯＣは、画像処理の過程で得られた輪郭情報のみで相関処理を瞬時に行うパターンマッチング手法であり、特開２０００－２２１１３９等に開示されているように公知の技術である。

分析部４２は、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像に基づいて、移動部材１０１の位置ずれの有無を検出する。なお、上記閾値は事前に設定される。また、分析部４２は、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像に基づいて、移動部材１０１の位置ずれ量を算出してもよい。また、分析部４２は、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像に基づいて、移動部材１０１の移動速度を算出してもよい。なお、移動部材１０１の移動速度は、登録画像の撮像時刻と計測画像の撮像時刻との差、撮像装置５と撮像装置６との間の距離、及び移動部材１０１の位置ずれ量から算出可能である。

出力部４３は、分析部４２による分析結果（位置ずれの有無、位置ずれ量又は移動速度）を示すデータを外部に出力する。

次に、図１，２に示す変位検出装置の動作例について、図３を参照しながら説明する。なお、光源１は、移動部材１０１に対し、画像認識部４１においてＰＯＣにより類似度を算出可能な照明面積を有する光を照射している。また、画像取得部２は、移動部材１０１の表面模様が映された登録画像を順次得ている。また、画像取得部３は、登録画像に対して撮像領域が異なり、移動部材１０１の表面模様が映された計測画像を順次得ている。また以下では、分析部４２は、移動部材１０１の位置ずれが有ると判定した場合に、当該移動部材の１０１の位置ずれ量及び移動速度を算出するものとする。

ここで、実施の形態１に係る変位検出装置では、ＬＥＤ等による光のように照射面積の広い光（一般的な光でよい）を用いることで、レーザを用いた場合に対し、得られる画像は鮮明ではなくなるが、複雑な表面模様を広範囲に撮像可能となる。例えば図４に示すように、紙又はフィルム等の物体（移動部材１０１）は、光を照射して撮像することで得た画像を拡大することで、固有の表面模様を確認可能となる。図４Ａは紙を映した画像を拡大した場合を示している。また、図４Ｂはフィルムを映した画像を拡大した場合を示している。

また、図５は、撮像装置５及び撮像装置６による処理を説明するための概略図である。図５では、撮像装置５と撮像装置６との間の距離が５００ｍｍに設定され、また、移動部材１０１の搬送速度が５０ｍｍ／ｓｅｃ．に設定されているとする。また図５に示す矢印は、移動部材１０１の搬送方向である。
この場合、まず、図５Ａに示すように、ある時点（経過時間が０ｓｅｃ．の時点）で、撮像装置５は移動部材１０１の表面模様を撮像して登録画像（符号５０１ａに示す画像）を得る。

その後、図５Ｂに示すように、経過時間が１０ｓｅｃ．の時点で、撮像装置５は移動部材１０１の表面模様を撮像して登録画像（符号５０１ｂに示す画像）を得て、撮像装置６は移動部材１０１の表面模様を撮像して計測画像（符号５０２ａに示す画像）を得る。仮に移動部材１０１に位置ずれがない場合、撮像装置６により得られた計測画像（符号５０２ａに示す画像）は、経過時間が０ｓｅｃ．の時点で撮像装置５により得られた登録画像（符号５０１ａに示す画像）と一致する。

その後、図５Ｃに示すように、経過時間が２０ｓｅｃ．の時点で、撮像装置５は移動部材１０１の表面模様を撮像して登録画像（符号５０１ｃに示す画像）を得て、撮像装置６は移動部材１０１の表面模様を撮像して計測画像（符号５０２ｂに示す画像）を得る。仮に移動部材１０１に位置ずれが無い場合、撮像装置６により得られた計測画像（符号５０２ｂに示す画像）は、経過時間が１０ｓｅｃ．の時点で撮像装置５により得られた登録画像（符号５０１ｂに示す画像）と一致する。

図１，２に示す変位検出装置の動作例では、図３に示すように、まず、画像認識部４１は、画像取得部２により得られた登録画像に映された表面模様と、画像取得部３により得られた計測画像に映された表面模様との類似度を、ＰＯＣにより算出する（ステップＳＴ１）。すなわち、画像認識部４１は、ＰＯＣを用いることで、例えば図４に示すような複雑な表面模様を検出（識別）可能となり、この表面模様から登録画像と計測画像との類似度を算出可能となる。

次いで、分析部４２は、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像に基づいて、移動部材１０１の位置ずれが有るかを判定する（ステップＳＴ２）。

このステップＳＴ２において、分析部４２は、移動部材１０１の位置ずれが有ると判定した場合には、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像に基づいて、移動部材１０１の位置ずれ量及び移動速度を算出する（ステップＳＴ３）。
一方、ステップＳＴ２において、分析部４２は、移動部材１０１の位置ずれが無いと判定した場合には、シーケンスはステップＳＴ４へ移行する。

図６及び図７は、ある移動部材１０１に対し、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像の一例を示している。図６及び図７において、左側の画像が画像取得部２により得られた登録画像を示し、右側の画像が画像取得部３により得られた計測画像を示している。図６では登録画像と計測画像の類似度が９０％であり、図７では登録画像と計測画像の類似度が７７％である。

また、図６において、符号６０１は登録画像における中心点を示し、符号６０２は計測画像における当該中心点に相当する点を示している。同様に、図７において、符号７０１は登録画像における中心点を示し、符号７０２は計測画像における当該中心点に相当する点を示している。図６では、符号６０２に示す点が符号６０１に示す点に対し、Ｘ軸方向（移動部材１０１の搬送方向）にプラスに７．４μｍだけずれ、Ｙ軸方向（移動部材１０１の幅方向）にプラスに４４．１μｍだけずれている。図７では、符号７０２に示す点が符号７０１に示す点に対し、Ｘ軸方向にプラスに２０６．８μｍだけずれ、Ｙ軸方向にプラスに４５．３μｍだけずれている。

この場合、図７に示す例の方が、図６に示す例に対し、移動部材１０１の位置ずれ量が大きく、移動部材１０１の移動速度が速いことがわかる。

また、図８及び図９は、図６及び図７の場合とは異なる移動部材１０１に対し、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像の一例を示している。図８及び図９において、左側の画像が画像取得部２により得られた登録画像を示し、右側の画像が画像取得部３により得られた計測画像を示している。図８では登録画像と計測画像の類似度が７５％であり、図９では登録画像と計測画像の類似度が７３％である。

また、図８において、符号８０１は登録画像における中心点を示し、符号８０２は計測画像における当該中心点に相当する点を示している。同様に、図９において、符号９０１は登録画像における中心点を示し、符号９０２は計測画像における当該中心点に相当する点を示している。図８では、符号８０２に示す点が符号８０１に示す点に対し、Ｘ軸方向にマイナスに５７．６μｍだけずれ、Ｙ軸方向にプラスに７３．７μｍだけずれている。図９では、符号９０２に示す点が符号９０１に示す点に対し、Ｘ軸方向にプラスに１３６．９μｍだけずれ、Ｙ軸方向にプラスに７３．５μｍだけずれている。

この場合、図９に示す例の方が、図８に示す例に対し、移動部材１０１の位置ずれ量が大きく、移動部材１０１の移動速度が速いことがわかる。

次いで、出力部４３は、分析部４２による分析結果を示すデータを外部に出力する（ステップＳＴ４）。

以上のように、この実施の形態１によれば、変位検出装置は、移動部材１０１の表面模様が映された登録画像を得る画像取得部２と、画像取得部２により得られた登録画像に対して撮像領域又は撮像時点が異なり、移動部材１０１の表面模様が映された計測画像を得る画像取得部３と、画像取得部２により得られた登録画像に映された表面模様と画像取得部３により得られた計測画像に映された表面模様との類似度をＰＯＣにより算出する画像認識部４１と、画像認識部４１により算出された類似度が閾値以上である登録画像及び計測画像に基づいて、移動部材１０１の位置ずれの有無を検出する分析部４２と、画像認識部４１においてＰＯＣにより類似度を算出可能な照明面積を有する光を、移動部材１０１に照射する光源１とを備えた。これにより、実施の形態１に係る変位検出装置は、従来構成に対し、移動部材１０１の移動速度の適用範囲を拡大可能となり、すなわち、より速い移動速度であっても位置ずれを検出可能となる。

実施の形態２．
実施の形態１では、画像取得部２が撮像装置５から構成され、画像取得部３が撮像装置６から構成された場合を示した。これに対し、実施の形態２では、図１０に示すように、画像取得部２及び画像取得部３が、単一の撮像装置７から構成された場合を示す。

撮像装置７は、移動部材１０１の表面模様を撮像して登録画像を得るとともに、次の撮像時点において当該登録画像を計測画像として得る。この撮像装置７は、撮像周期が、連続する２つの撮像画像の一部が重複する周期に設定されている。

次に、図１０に示す撮像装置７の動作例について、図１１を参照しながら説明する。
撮像装置７の撮像領域は、図１１で符号１１０１に示す実線の領域である。ここで、撮像装置７によりある撮像時点で撮像されて得られた画像を画像Ａとする。この画像Ａは、上記撮像時点では登録画像として扱われる。
一方、図１１で符号１１０２に示す破線の領域は、画像Ａの撮像時点の次の撮像時点において、画像Ａに映された表面模様が位置する領域である。この次の撮像時点では、符号１１０１に示す領域において新たな画像Ｂが得られ、この画像Ｂが登録画像として扱われる。また、上記次の撮像時点では、画像Ａは計測画像として扱われる。

すなわち、撮像装置７において、符号１１０１に示す領域と符号１１０２に示す領域とが重なる領域が十分に取れる速度で撮像を繰り返すことで、ある撮像時点での登録画像を次の撮像時点での計測画像として利用できる。このように、実施の形態２では、移動部材１０１の移動速度が遅い場合又は撮像装置７による撮像周期が短い場合を前提としている。

なお、実施の形態２に係る変位検出装置のその他の構成例及び動作例は、実施の形態１に係る変位検出装置の構成例及び動作例と同様であり、その説明を省略する。

また、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組合わせ、或いは各実施の形態の任意の構成要素の変形、若しくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１，１ａ，１ｂ 光源
２ 画像取得部（第１の画像取得部）
３ 画像取得部（第２の画像取得部）
４ 演算装置
５ 撮像装置（第１の撮像装置）
６ 撮像装置（第２の撮像装置）
７ 撮像装置
４１ 画像認識部
４２ 分析部
４３ 出力部
１０１ 移動部材

Claims (6)

1. 幅を有し搬送される紙又はフィルムである移動部材の表面模様が映された第１の画像を得る第１の画像取得部と、
   前記第１の画像取得部により得られた第１の画像に対して撮像領域又は撮像時点が異なり、前記移動部材の表面模様が映された第２の画像を得る第２の画像取得部と、
   前記第１の画像取得部により得られた第１の画像に映された表面模様と前記第２の画像取得部により得られた第２の画像に映された表面模様との類似度をＰＯＣにより算出する画像認識部と、
   前記画像認識部により算出された類似度が閾値以上である第１の画像及び第２の画像を分析対象として採用し、当該採用した前記第１の画像に映された表面模様及び前記第２の画像に映された表面模様における搬送方向の位置及び幅方向の位置により、前記移動部材の位置ずれの有無を検出する分析部と、
   前記画像認識部においてＰＯＣにより類似度を算出可能な照明面積を有する光を、前記移動部材に照射する光源と
   を備えた変位検出装置。
2. 前記分析部は、前記画像認識部により算出された類似度が閾値以上である第１の画像及び第２の画像を分析対象として採用し、当該採用した前記第１の画像に映された表面模様及び前記第２の画像に映された表面模様における搬送方向の位置及び幅方向の位置により、前記移動部材の位置ずれ量を算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の変位検出装置。
3. 前記分析部は、前記画像認識部により算出された類似度が閾値以上である第１の画像及び第２の画像を分析対象として採用し、当該採用した前記第１の画像に映された表面模様及び前記第２の画像に映された表面模様における搬送方向の位置及び幅方向の位置により、前記移動部材の移動速度を算出する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の変位検出装置。
4. 前記光源は、ＬＥＤである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のうちの何れか１項記載の変位検出装置。
5. 前記第１の画像取得部は、前記移動部材の表面模様を撮像して第１の画像を得る第１の撮像装置から構成され、
   前記第２の画像取得部は、撮像領域が前記第１の撮像装置の撮像領域とは異なる領域に設定され、前記移動部材の表面模様を撮像して第２の画像を得る第２の撮像装置から構成された
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載の変位検出装置。
6. 前記第１の画像取得部及び前記第２の画像取得部は、前記移動部材の表面模様を撮像して第１の画像を得るとともに、次の撮像時点において当該第１の画像を第２の画像として得る撮像装置から構成された
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちの何れか１項記載の変位検出装置。

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