JPH07270137A - スポット光走査型３次元視覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 処理時間の高速化が可能で経済性にも優れ、
被計測対象物の稜線部、凹部や凸部の縁部など被計測対
象物の外形の特徴部分を実時間で効率的に検出し得る３
次元視覚センサの提供。 【構成】 １はスポット光光源としてのレーザ、２，３
は各々Ｘスキャナ、Ｙスキャナであり、これらはスポッ
ト光ビームのプロジェクタを構成する。Ｘスキャナ２、
Ｙスキャナ３は各々偏向ミラーＭＸ，ＭＹを備え、その
偏向角θx ，θyに応じた方向に向けてスポット光ビー
ムＧを投射する。ＰＳＤ６はプロジェクタと適宜の距離
をおいて配置され、そのレンズ５を介して被計測対象物
となるワーク４上に形成されるスポットＰを検出する。
スポット光ビームＧを連続的に高速走査しながら、ＰＳ
Ｄ６の出力、その１次／２次微分データを得れば、スポ
ット光ビームＧの投射方向を表わすデータと併せ、凹部
４ｂの縁部の検出、その３次元位置データを簡便に取得
することが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばロボットによる
機械部品の組立作業のように、ロボットあるいは他の各
種ＦＡ機器を用いて自動化作業を行う製造ライン等にお
いて使用される視覚センサに関し、更に詳しく言えば、
スポット光走査ビームを被計測対象物に投射し、被計測
対象物上に形成された輝点を１次元位置検出型の検出器
（ＰＳＤ）で観測して被計測対象物の３次元的な位置、
姿勢、形状等を計測（以下、単に「３次元計測」とい
う。）する３次元視覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボット、各種ＦＡ機器を用いて
各種作業を自動化するシステムを構築する場合や、知能
ロボットのインテリジェント化を図る場合においては、
視覚センサの果たす役割が大きい。特に、ロボットを含
むシステムによる作業の自動化において、ワークの位
置、姿勢、形状等の計測に視覚センサが多く用いられて
いる。

【０００３】このような用途を有する視覚センサは、そ
の機能によって、２次元測定用のものと、３次元測定用
のものとに分けられるが、被計測対象物の３次元的な位
置、姿勢、形状等を計測する必要がある場合には、後者
の３次元視覚センサが使用される。従来の３次元視覚セ
ンサは、一般に、ビデオカメラで捕捉された２次元画像
上の点の３次元位置を定める為の手段を備えている。該
手段として種々の型のものが提案されているが、その多
くは三角測量の原理を応用したもので、中でもスリット
状の光を対象物に所定の方向から投射し、対象物上に周
辺よりも高輝度の光帯を形成させ、これをビデオカメラ
で観測して対象物の３次元計測を行なうものが代表的で
ある。

【０００４】このようなスリット光投射方式の３次元視
覚センサは、計測範囲が狭くなり易く、被計測対象物の
存在位置にばらつきがある場合には、スリット光を走査
する為の光学系が必要なことや、設定されたスリット光
によって形成される光帯と平行な方向に延在するエッジ
部分の計測を行なう為にはスリットの方向が互いに異な
る２台の投光器とその制御機構を設ける必要が生じる等
の問題があった。

【０００５】更に、従来技術においては、スリット光束
を生成する手段として円柱レンズ（シリンドリカルレン
ズ）を用いることが通常であり、投光器と被計測対象物
の間の距離や被計測対象物の大小に応じてスリット光束
のサイズを変更する為には、円柱レンズを交換しなけれ
ばならず、極めて不便であった。また、遠方に置かれた
比較的大寸法の被計測対象物にスリット光を投射する為
にレーザ光源からの光を大きく拡張してスリット光束を
形成した場合には、投射される光帯の照度が低下するこ
とが避けられない。

【０００６】そこで、本出願人はこれらの問題点を回避
する為に、旧来用いられていたスリット光に代えてスポ
ットビームで被計測対象物を走査して対象物の被計測部
分を横切る光帯を形成しながらこれをビデオカメラで観
測し、得られた画像を画像処理装置を用いて解析するこ
とによって対象物の３次元位置情報を得る方式の３次元
視覚センサに係る発明を出願している（特願平５−３２
４０７号）。

【０００７】この方式によれば、スポット光ビームを高
速偏向走査する手段を有する投光装置によって３次元計
測に必要な光投射が行われるので、被計測対象物の遠
近、大小、存在方向、形状、最終的に必要な３次元情報
の内容、精度等に自在に適応した光帯を形成することが
可能となると共に、光源の発する光量を３次元計測に有
用な部分に集中させて明るい光帯を形成させた条件下で
ビデオカメラによる観測を行うことが可能となるから、
作業効率と測定精度に優れた３次元計測が実現される等
の長所がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ス
リット光を投射する旧来型あるいはスポット光走査型の
３次元視覚センサのいずれにおいても、対象物上に形成
される光帯をＣＣＤアレイ等を備えたカメラで２次元画
像として取り込み、これを連続的な１次元アナログ信号
に変換した後、画像処理装置に転送して２次元信号への
再変換とデジタル信号化を行なった上で、フレームメモ
リに蓄えて画像処理を実行するという形がとられるの
で、膨大な記憶容量を有するフレームメモリが必要とさ
れる。

【０００９】また、画像の転送、変換、メモリへの書込
／読出等に時間を要する為、画像処理自体のアルゴリズ
ムに相当する部分を高速化することが出来たとしても、
全体の処理時間を短縮することには限界が生じていた。
更に、画像処理自体についても、汎用のプロセッサを使
用してフレームメモリ内に蓄えられた画像データを処理
する為にメモリアクセスに時間をとられることも、処理
速度に限界を与える要因となる。そして、通常の画像処
理においては、変換、転送、デジタル化等の処理を画面
全体分の信号に対して行われ、また、画像処理自体も全
画面のデータを汎用プロセッサ等で処理することが行な
われているから、対象物についての必要な３次元情報を
得る上で不必要なデータまで含む膨大な処理を実行して
いることになり、３次元視覚センサ装置全体が高価とな
るにも拘らず非効率的であった。

【００１０】前記ＣＣＤを用いた３次元視覚センサの他
に、スポット光ビームによって形成された輝点を観測す
る位置検出型検出器として２次元位置検出機能を有する
位置検出型検出器（２次元ＰＳＤ）を用いたものや、ス
ポット光ビーム投射手段としてポリゴンミラーを用いた
用いたものがある。しかし、前者は装置全体を安価に構
成する上で不利である。また、後者にはスポット光ビ−
ムの投射方向を２次元的にランダムに制御出来ず、従っ
て、計測途中において先行して得られた検出出力に基づ
いて以降のスポット光ビ−ムの投射方向を自由に選択す
るというような制御は実行出来ない。

【００１１】本願発明の基本的な目的は、このような従
来技術の問題点を克服し、処理時間の高速化が可能で経
済性にも優れた３次元視覚センサを提供することにあ
る。更に、本願発明は、被計測対象物の稜線部、凹部や
凸部の縁部など被計測対象物の外形の特徴部分を効率的
な計測プロセスによって簡単に検出し得る３次元視覚セ
ンサを提供することを企図したものである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願発明は、上記目的を
達成する為の基本的な構成として、「投射方向を２次元
的にランダムスキャン制御し得るスポット光ビーム投射
手段と、該スポット光ビームが被計測対象物に入射した
位置に形成されるスポット状輝点を検出する１次元位置
検出型光検出手段と、前記スポット光ビームの投射方向
と前記位置検出型光検出手段の検出出力に基づいて前記
被計測対象物上に形成された前記スポット状輝点の位置
を決定する手段を備えたスポット光走査型３次元視覚セ
ンサ」、を提案したものである。

【００１３】また、特に、被計測対象物の稜線部、凹部
や凸部の縁部など被計測対象物の外形の特徴部分を簡単
に検出し得る構成として、「投射方向を２次元的にラン
ダムスキャン制御し得るスポット光ビーム投射手段と、
該スポット光ビームが被計測対象物に入射した位置に形
成されるスポット状輝点を検出する１次元位置検出型光
検出手段と、前記スポット光ビームの投射方向と前記１
次元位置検出型光検出手段の検出出力に基づいて前記被
計測対象物上に形成された前記スポット状輝点の位置を
決定する手段と、前記スポット光ビームの投射方向を連
続的に変化させた時に得られる前記１次元位置検出型光
検出手段の検出出力の変化に基づいて被計測対象物の外
形特徴部を検出する手段を備えたスポット光走査型３次
元視覚センサ」、を併せて提案したものである。

【００１４】更に、計測プロセスの途上において、先行
して得られた検出出力に基づいて以降のスポット光ビ−
ムの投射方向を自由に選択し、計測プロセス全体をより
効率化することを可能にするために、「計測プロセスの
途上において、先行して取得された前記位置検出型検出
器の検出出力に基づいて、それ以降の前記スポット光ビ
ーム投射方向を変化させるように前記ランダムスキャン
制御を行なわせる手段を更に備えている」、と言う要件
を上記各構成に課したものである。

【００１５】

【作用】本願発明の３次元視覚センサは、投光方向を２
次元的なランダムスキャン制御により高速で自由に変え
ることの出来るスポット光投射手段と１次元位置検出機
能を有する位置検出型の検出器（ＰＳＤ；Position Sen
sing Detector の略称。以下、この略称を使用する。）
を利用した光学式変位センサに相当する手段を組み合わ
せて計測系を構成することにより、被計測対象物の遠
近、大きさ、形状や必要とする３次元位置情報に応じた
自在な計測をより効率的に行えるようにしたものであ
る。

【００１６】スポット光投射手段によって被計測対象物
上に形成されたスポット状の輝点はＰＳＤの検出面上に
投影される。投影された輝点像の位置（一般には、重心
位置）が簡単な電気的な出力で取り出される。従って、
スポット光投射手段からのスポット光ビームの投光方向
を２次元的なランダムスキャン制御により高速で変化さ
せた時、輝点像の位置の変化を連続的に変化する信号と
して取り出し、これを実時間的に処理することが可能で
ある。

【００１７】この特徴を生かし、スポット光ビームの投
光方向を２次元的に高速で変化させながらＰＳＤの検出
出力の変化（例えば、検出出力レベルの不連続な変化）
に基づいて、被計測対象物の外形特徴部（凹部、凸部、
稜線部等）を実時間で高速に検出することが出来る。こ
のような特徴は、検出面上の輝点像の位置を求めるため
に画像処理を要したＣＣＤアレイを用いた従来方式では
事実上期待し得ないものである。

【００１８】ここで、本願発明の原理の理解を容易にす
るために、レーザ変位センサの基本的な構成と計測原理
について、図１を参照して説明しておく。同図を参照す
ると、符号１はスポット光光源としてのＬＤ（半導体レ
ーザ）で、その出射光はコリメータレンズ２で平行化さ
れ、更に集光レンズ３によりビーム径が絞られて、被計
測対象物４上にスポット光として投射される。この投射
スポット光像をレンズ５を介して１次元的な位置検出機
能を有するＰＳＤ（位置検出型光検出器）６の検出面上
に検出スポット像として入射させる。被計測対象物４の
位置が入射光の光軸Ｇに沿って変位（Ｐ→Ｐ’）する
と、検出スポット像もＰＳＤ上で移動する（Ｑ→
Ｑ’）。

【００１９】１次元的な位置検出機能を有するＰＳＤ６
は、スポット光の入射位置に応じて２つの電流出力Ｉ1
、Ｉ2 のを生成するもので、Ｉ12＝（Ｉ1 ―Ｉ2 ）／
（Ｉ1＋Ｉ2 ）がＰＳＤ上での入射位置を表わす基本式
である。各電流出力Ｉ1 、Ｉ2を電流電圧変換回路７で
電圧Ｖ1 、Ｖ2 に変換し、演算回路８により演算Δ12＝
（Ｖ1 ―Ｖ2 ）／（Ｖ1 ＋Ｖ2 ）を行えば、光軸Ｇ上に
おける検出スポット光（輝点）の位置が判り、それに基
づいて被計測対象物４の３次元位置（投射スポット光に
よって形成された輝点の３次元位置）を求めることが出
来る。適当なキャリブレーションを実行しておけば、光
軸Ｇ上の基準点を原点とする位置データが求められる。

【００２０】なお、符号１０は、ＬＤ１の出力光強度を
モニタする為にＬＤ１に付属装備されたモニタ光検出器
で、その出力に基づいてコントローラ１１を介して光源
駆動回路１２が制御され、ＬＤ１の出力光強度が一定に
保たれる。

【００２１】以上がレーザ変位センサの基本的な構成と
計測原理であるが、ここでＬＤ１の入射ビームを偏向走
査可能なものとすれば、被計測対象物上においてスポッ
ト光が形成される位置が３次元的に移動し、それに応じ
てＰＳＤ上のスポット像入射位置が２次元的に変化す
る。従って、入射ビームの偏向走査状態を表わす量（例
えば、偏向ミラーの偏向角）とＰＳＤへのスポット像入
射位置検出結果に基づいて、被計測対象物上におけるス
ポット光形成位置を求めることが可能になる。以下、こ
れを具体的に説明する。

【００２２】図２は、上記原理に従って３次元計測を行
なう為の基本配置を例示したものであり、各要素の符号
は図１に準じて付されている。図中、１はスポット光光
源としてのレーザ、２，３は各々Ｘスキャナ、Ｙスキャ
ナであり、これらはスポット光ビームのプロジェクタＰ
Ｒを構成している。Ｘスキャナ２、Ｙスキャナ３は各々
偏向ミラーＭＸ，ＭＹを備えており、その偏向角θx ，
θy に応じた方向に向けてスポット光ビームＧを投射す
る。

【００２３】一方、ＰＳＤ６はプロジェクタＰＲと適宜
の距離をおいて配置され、そのレンズ５を介して被計測
対象物４上に形成されるスポット状輝点（以下、単に
「輝点」と言う。）Ｐを検出する。ここで、ＰＳＤ６の
レンズ乃至レンズ系（以下、単にレンズと言う。）５の
光心を原点Ｏとし、Ｘ軸方向をレーザ１からのレーザビ
ーム出射方向にとり、Ｚ軸方向をＰＳＤ６の光軸に一致
させた座標系Σを定義し、偏向ミラーＭＸ，ＭＹの回転
軸の方向を図示した通り、Ｚ軸及びＸ軸方向に平行に設
定するものとする。

【００２４】また、ＰＳＤ６として１次元的な位置検出
機能を有するものを使用し、検出面６ａ上の基準線位置
６ｂから測った検出点ＱのＸ軸方向成分ｑの関数で検出
出力が得られるようにその姿勢を定めるものとする。

【００２５】そして、レンズ５に関するＰＳＤ６の検出
面６ａのイメージプレーンＨ（検出面６ａのレンズ５に
よる像形成面）がＸ’Ｙ’平面と一致し、原点Ｏ’が座
標系ΣのＺ軸上に乗るように座標系Σ’を定義する。Ｐ
ＳＤ６は、被検対象物４の検出対象面がこのイメージプ
レーンＨの近辺（レンズ５による輝点Ｐの像が検出面６
ｂ上でぼけない範囲、一般的にはレンズ５の焦点深度の
範囲内）に来るように配置される。図では、被検対象物
４のプロジェクタＰＲに対向する面４ａの手前側にイメ
ージプレーンＨ（Ｘ’Ｙ’平面）がある状態が描かれて
いる。

【００２６】プロジェクタＰＲ、被計測対象物４、ＰＳ
Ｄ６及び座標系Σ、Σ’に以上の関係を想定した場合、
各偏向ミラーＭＸ，ＭＹの配置位置等を含むプロジェク
タの装置定数と各偏向角θx ，θy によってスポット光
ビームＧを表現する直線の方程式が決まり、輝点Ｐの位
置は被計測対象物４の面４ａと直線Ｇの交点として与え
られることになる。座標系Σ上における輝点Ｐの位置ベ
クトルを＜ｒ＞で表わすことにする。

【００２７】各偏向ミラーＭＸ，ＭＹの偏向角θx ，θ
y を、次式（１），（２）で表わされるように、各々微
小角Δθx 及びΔθy を最小単位としてセット値（ｍ，
ｎ；但し、ｍ，ｎは０または正整数）を指定する形でデ
ィスクリートに制御することを考えると、このセット値
（ｍ，ｎ）に応じてスポット光ビームＧを表わす方程式
が一意的に決まり、これに対応するイメージプレーンＨ
との交点位置Ｈmnも決定されることになる。座標系Σ上
における点Ｈmnの位置ベクトルを＜ｈmn＞で表わすこと
にする。

【００２８】 θxm＝θx0＋ｍΔθx ・・・（１） θyn＝θy0＋ｎΔθy ・・・（２） ここで、θx0，θy0は、各偏向ミラーＭＸ，ＭＹの最小
偏向角度である。各偏向ミラーＭＸ，ＭＹの偏向角を指
定するセット値（ｍ、ｎ）の集合を考えると、この集合
に対してほぼ格子状に並ぶ交点位置Ｈmnの集合が１対１
で対応する。従って、スポット光ビームＧの投射状態
（Ｇmn）をこのイメージプレーンＨ上の交点位置Ｈmnで
代表させることが出来る。ここで、交点Ｈmnに対応する
検出面６ａ上の検出点をＫmnとし、Ｋmnに対するｑ値
（基準線６ｂからの符号付きの偏差）をｋmnとし、点Ｈ
mnからＰへ向かうベクトルを＜Δｒmn＞で表わした場
合、上述したレーザセンサの測距原理から理解されるよ
うに、輝点Ｐに対応する検出面６ａ上の検出点ＱのＸ座
標値ｑは、直線Ｇmn上における点Ｈmnと点Ｐの位置の違
いに応じて点Ｋmnの座標値ｋmnと異なった値を有するこ
とになり、その相違量をΔｑmnとすれば、 Δｑmn＝ｑ−ｑmn ・・・（３） と表わされる。そして、直線Ｇmn上における点Ｈmnと点
Ｐの位置の違いを点ＨmnからＰへ向かうベクトル＜Δｒ
mn＞で表わすと、ベクトル＜Δｒmn＞の方向は（ｍ，
ｎ）で決っており（直線Ｇmnの方向と一致）、向きと大
きさはΔｑmnに依存したＰＳＤ６の検出出力て決まる。
この依存関係を次式（４）で表せば、下記の（５）が成
立する。 ＜Δｒmn＞＝＜ｇmn＞×ｆmn（Δｑmn） ・・・（４） ＜ｒ＞＝＜ｈmn＞＋＜Δｒmn＞ ＝＜ｈmn＞＋＜ｇmn＞×ｆmn（Δｑmn） ・・・（５） ここで、＜ｇmn＞は、スポット光ビームの方向に一致す
る方向を向いた単位ベクトルである。

【００２９】点Ｈmnの位置を表わす＜ｈmn＞、スポット
光ビームの方向に一致する方向を向いた単位ベクトル＜
ｇmn＞及び依存関係ｆmn（Δｑmn）を具体的に表わすデ
ータは、いずれも視覚センサシステムの設計データある
いは適当なキャリブレーションによって事前に獲得し得
るものである。

【００３０】従って、これらデータを、すべてのｍ，ｎ
乃至適当な刻みで選択されたｍ，ｎについて、予め３次
元視覚センサのメモリに用意しておき、必要に応じてこ
れを読み出して上記（５）式に相当する計算を実行すれ
ば、輝点Ｐの３次元位置を求めることが出来る。なお、
このようなイメージプレーンＨ上の点Ｈmnを基準にした
データではなく、偏向角（θx ，θy ）とＰＳＤ６の検
出出力の値から直接的に輝点Ｐの３次元位置を決定する
テーブルデータ、計算式等を準備しておく方式を採用す
ることも可能である。

【００３１】次に、本願発明の３次元視覚センサにおけ
る被計測対象物外形特徴部分（稜線部、凹部や凸部の縁
部など）の検出原理について説明する。図３は、被計測
対象物の特徴部分（ここでは、凹部の縁部）をＹ軸方向
に沿ってスポット光ビームで走査した場合のＰＳＤ６の
出力変化を概念的に説明したもので、（１）は凹部周辺
におけるスポット光ビーム入射位置の推移を断面図で表
わしており、（２），（３），（４）は各々その際のＰ
ＳＤ６の検出出力の推移、１次微分の推移、２次微分の
推移を表わしている。

【００３２】図３（１）において、４は被計測対象物で
４ｂは奥行き方向（Ｚ軸方向）に形成された凹部であ
る。この凹部がＹ軸方向に縦断するように偏向ミラーＭ
Ｙからスポット光ビームがＧ1 〜Ｇ5 の走査範囲で走査
される場合を考える。スポット光ビームと凹部４ｂが図
示された位置関係にあるケースでは、スポット光ビーム
の偏向方向がＧ1 →Ｇ2 →Ｇ3 →Ｇ4 →Ｇ5 と連続的に
推移した場合のスポット光状輝点位置は、Ｐ1 →Ｐ2 →
Ｐ3 →Ｐ4 →Ｐ5 と推移する。Ｐ2 →Ｐ3 の位置変化は
不連続に起る。

【００３３】このような推移があった場合のＰＳＤ６の
出力推移は、図３（２）に示したようなパターンを描く
ことになる。即ち、輝点がＰ1 〜Ｐ2 間では、被計測対
象物４の外形にＺ軸方向の変化が無いことに対応してＰ
ＳＤ出力はほぼ一定値で推移する。しかし、Ｐ2 からＰ
3 に輝点位置がジャンプすると、これに対応してＰＳＤ
出力が不連続に変化する。Ｐ3 〜Ｐ4 の間は再び外形に
Ｚ軸方向の変化が無いことに対応してＰＳＤ出力はほぼ
一定値で推移し、Ｐ4 〜Ｐ5 では輝点位置がＺ軸方向に
連続的に変化することに対応して、ＰＳＤ出力も連続的
に変化する。そして、Ｐ5 〜Ｐ6 間では、再度被計測対
象物４の外形にＺ軸方向の変化が無い区間に入り、ＰＳ
Ｄ出力はほぼ一定値で推移する。

【００３４】このようなＰＳＤ出力の推移の１次微分及
び２次微分は、図（３）及び（４）のようなパターンを
有するグラフとなる。これらのグラフから判るように、
輝点の奥行き方向位置が不連続に変化する部分では１次
微分に明確なピークが現れ、輝点の奥行き方向位置の連
続的な変化の開始／終了部分では２次微分に明確なピー
クが現れるということである。

【００３５】従って、ＰＳＤ６の出力の１次微分及び２
次微分のピークを検出することによって、被計測対象物
４の３次元的な特徴部（縁部、稜線部など）を検出出来
る。１次微分及び２次微分のピーク検出は、近接した２
点以上におけるＰＳＤ出力の「差分」及び「差分の差
分」を計算し、適当なしきい値と比較することによって
実行することが出来る（後述、実施例参照）。

【００３６】以上が本願発明のスポット光走査型３次元
視覚センサにおける３次元位置データの取得原理及び外
形特徴部分の検出方法であるが、実際の計測にあたって
は、被計測対象物の全表面の正確な３次元位置データを
必要とすることは稀であり、凹凸部の縁部、稜線等の特
徴部分についてのみ３次元位置データを収集し、それに
基づいて被計測対象物の位置や姿勢の計測、形状判定等
を行なえば良い場合が殆どである。従って、次に述べる
実施例に示したように、プロジェクタによるスポット光
ビーム走査の利点を活かし、計測目的に応じて必要な部
分を選択的に走査すると共に特に重要な部分（例えば、
縁部周辺）については他の部分よりも密な走査を行なっ
て３次元位置データを獲得する形態をとることが望まし
い。

【００３７】従来のカメラ手段によって得られた画像デ
ータを蓄積してこれを解析する方式ではこのような選択
的な情報取得やデータ収集密度の粗密制御は困難である
のに対し、本願発明では投射方向を自在に選択しながら
３次元位置情報を収集出来るから、選択的な情報取得や
データ収集密度の粗密制御が容易となる。また、収集し
たデータの記憶／読み出し／演算等の処理に大容量のフ
レームメモリや高性能の画像処理プロセッサを用意する
必要がなく、データ処理時間が短縮されることも本願発
明の特徴である。

【００３８】

【実施例】図４は、本願発明のスポット光走査型３次元
視覚センサを円形の凹部４ｂを有するワークの円形凹部
中心４ｃの３次元位置計測に適用した事例における全体
配置を表わしたものである。同図に示されている３次元
視覚センサの各構成要素及びスポット光ビームＧmn、輝
点Ｐ、イメージプレート上の対応点Ｈmn、検出点Ｑ等に
ついての相互位置関係は、図２に示したものと基本的に
同じであり、それらに準じた符号が付されている。

【００３９】即ち、１はスポット光光源としてのレー
ザ、２，３は各々Ｘスキャナ、Ｙスキャナであり、これ
らはスポット光ビームのプロジェクタを構成する。Ｘス
キャナ２、Ｙスキャナ３は各々偏向ミラーＭＸ，ＭＹを
備え、その偏向角θx ，θy に応じた方向に向けてスポ
ット光ビームＧを投射する。ＰＳＤ６はプロジェクタと
適宜の距離をおいて配置され、そのレンズ５を介して本
実施例における被計測対象物となるワーク４上に形成さ
れるスポットＰを検出面６ａ上で検出する。ＰＳＤ６と
しては、１次元的な位置検出機能を有するものを使用
し、基準位置６ａから測った検出点ＱのＸ軸方向成分ｑ
に依存した検出出力が得られるようにその配置姿勢が設
定されている。

【００４０】そして、図２における描示と同じく、レン
ズ５に関するＰＳＤ６の検出面６ａのイメージプレーン
ＨがＸ’Ｙ’平面と一致し、原点Ｏ’が座標系ΣのＺ軸
上に乗るように座標系Σ’が定義されている。ワーク４
は、凹部４ｂを有する面４ａがプロジェクタＰＲに対向
するように配置され、面４ａの手前側にイメージプレー
ンＨ（Ｘ’Ｙ’平面）があるものとする。面４ａはイメ
ージプレーンＨに対してやや傾斜した関係にあるものと
する。

【００４１】図５は本願発明の３次元視覚センサのシス
テム構成の１例を要部ブロック図で示したものである。
システム全体は、図３に示したプロジェタＰＲとＰＳＤ
６に加えて主制御装置２０、プロジェタＰＲを制御する
プロジェクタ制御装置３０並びにＰＳＤ６の検出信号の
処理回路を含むＰＳＤ検出信号処理装置４０から構成さ
れている。

【００４２】主制御装置２０は、マイクロプロセッサか
らなる中央演算処理装置（以下「ＣＰＵ」と言う。）２
１を備え、ＣＰＵ２１には所要の記憶容量を有するＲＯ
Ｍメモリ２２及びＲＡＭメモリ２３、キーボード２４及
び入出力装置（Ｉ／Ｏ）２５が、バス２６を介して接続
されている。また、プロジェクタ制御装置３０及びＰＳ
Ｄ検出信号処理装置４０にも同様に、所要の処理能力を
有するＣＰＵ３１、４１、所要の記憶容量を有するＲＯ
Ｍメモリ、ＲＡＭメモリ、入出力装置（Ｉ／Ｏ）等が装
備されている（個別の図示は省略）。

【００４３】主制御装置２０、プロジェクタ制御装置３
０、ＰＳＤ検出信号処理装置４０相互間、プロジェクタ
制御装置３０とプロジェクタＰＲ及びＰＳＤ検出信号処
理装置４０とＰＳＤ６は、各入出力装置を介して接続さ
れており、各装置のメモリに格納されたプログラムに基
づくソフトウェア処理の為の指令あるいはデータの授受
が行なわれる。

【００４４】主制御装置２０のキーボード２４は、シス
テム各部に必要な設定値やプログラムの記憶・編集・転
送、あるいは実行プログラムの指定・起動等を主制御装
置２０のＣＰＵ２１を介して実行する為の指令を入力す
る為に使用出来る。プロジェクタＰＲは、前記（１），
（２）式に関連して述べたように、偏向ミラーＭＸ及び
ＭＹの偏向角θx ，θy を微小角Δθx 及びΔθy 刻み
で指定して制御出来るものとする。例えば、前記
（１），（２）式における走査開始偏向角をθx0＝θy0
＝９０°に設定し、Δθx ＝Δθy ＝０．１°とすれ
ば、（θx ，θy ）の値は、ｍ，ｎを０または任意の正
整数１，２，３・・・として、（９０．０°＋ｍ×０．
１°，９０．０°＋ｎ×０．１°）で表わされる。

【００４５】本実施例では、主制御装置２０、プロジェ
クタ制御装置３０及びＰＳＤ検出信号処理装置４０にソ
フトウェア処理を割り当てて、次の様な疎密／局所繰り
返し走査方式によるスポット光ビーム走査を遂行し、円
形凹部４ｂの中心位置、半径及び向き（面４ａの向き）
を計測するプロセスについて述べることにする。説明を
判り易くする為に、先ず、本実施例における疎密／局所
繰り返し走査方式の概要について説明する。

【００４６】図６は本実施例におけるスポット光ビーム
Ｇの走査経路全体の概略を示した図である。同図におい
て、４は被計測対象物で４ｂはその円形凹部である。凹
部４ｂは外側縁部４ｃと内側縁部４ｄを有している。Ｐ
start ，Ｐend は指定された偏向ミラーＭＸ，ＭＹの走
査開始／終了偏向角に対応する輝点位置である。ここで
は、被計測対象物４の位置にはそれほど大きなバラツキ
が無く、図示された近辺にＰstart ，Ｐend が形成さ
れ、これらの点を対角線とする四辺形の中に円形凹部４
ｂが収まるという条件はワーク４が変わっても崩れない
ものとする。

【００４７】走査は上記四辺形領域の中で、縦ピッチα
をα＝１０α0 、横ピッチβをβ＝β0 として、Ｘ軸方
向の走査位置をβ0 づつづらせながらＹ軸方向のピッチ
１０α0 毎に輝点を一旦停止させることを繰り返す疎モ
ード走査に、縦ピッチαについてα＝α0 のピッチでＹ
軸方向に走査を行なう密モード走査を組み合わせたもの
とする。

【００４８】密モードは、図中５０，６０，７０で例示
したような外形の特徴部（奥行き方向に位置変化を生じ
る変化部分）の近傍について、疎モードの１ピッチ分
（１０α0 ）だけ走査位置を後戻りさせてから、再度α
0 刻みでＹ軸方向に走査位置を変えていく局所繰り返し
走査を行なうものである。このような密走査モードによ
る繰り返し走査を行なうべき特徴部の特定は、疎モード
走査実行中にＰＳＤ６の出力の１次微分及び２次微分を
繰り返しチェックすることによって行なわれる（図３関
連説明及び後述する処理フローチャートを参照）。そし
て、この密走査モード時には、作用の説明の欄で述べた
３次元位置計測原理に基づいて、当該特徴部の３次元位
置データが取得される。

【００４９】図７は、１例として符号５０及び６０で示
した特徴部分領域の近傍における繰り返し走査経路を拡
大描示したものである。これを簡単に説明すると、図中
下方からスポット光ビームは疎走査モード状態にあり、
先ずＡ点に輝点を形成し、ＰＳＤ６の出力を得た上でピ
ッチα＝１０α0 ででＢ点に移動し、Ｂ点についてＰＳ
Ｄ６の出力を得る。ＡＢ間に縁部は存在しないから、ス
ポット光ビームは再びピッチα＝１０α0 でＣ点に移動
して輝点を形成し、Ｃ点についてＰＳＤ６の出力を得
る。

【００５０】今度は、作用の説明の欄で述べた原理によ
り、点Ｂと点Ｃの間に縁部４ｃが存在していることが検
出される（ここでは、輝点形成位置に大きな跳躍は無い
から２次微分ピークで検出）。すると、スポット光ビー
ムは、Ｂ点に戻り、ピッチα＝α0 の密モード走査を開
始する（局所繰り返し走査）。Ｂ7 とＢ8 の間では、Ｐ
ＳＤ６の出力の１次／２次微分信号から再度縁部４ｃが
検出されると共に、その３次元位置が計算される。する
と、再度疎モードに復帰して、走査スポット光ビームは
点Ｂ8 から１０α0 離れた点Ｄに移動する。ところが、
Ｂ8 Ｄ点間には、縁部４ｄが存在しているので、Ｄ点の
次は再びＢ8 点に戻り、ピッチα＝α0 として密モード
走査を再度開始する。Ｃ4 とＣ5 の間でＰＳＤ６の出力
の１次／２次微分から縁部４ｄが検出されると共に、そ
の３次元位置が計算される。そして、再び疎走査モード
に復帰して、スポット光ビームは点Ｃ5 から１０α0 離
れたＥ点へ移動する。

【００５１】結局、領域５０，６０近辺における走査経
路は、・・・Ａ→Ｂ→Ｃ→Ｂ→Ｂ1→Ｂ2 →Ｂ3 →Ｂ4
→Ｂ5 →Ｂ6 →Ｂ7 →Ｂ8 →Ｄ→Ｂ8 →Ｂ9 →Ｃ→Ｃ1
→Ｃ2 →Ｃ3 →Ｃ4 →Ｃ5 →Ｅ・・・となる。

【００５２】以上、スポット光ビームＧの走査の概要に
ついて説明したので、以下、図５に示したシステム構成
を有する３次元視覚センサを用い、被計測対象物４が有
する円形凹部４ｂの３次元位置情報を得る為のソフトウ
ェア処理について説明する。

【００５３】ソフトウェア処理全体は、次の４つのアル
ゴリズムＡＬＧ１〜ＡＬＧ４を実行するものであり、各
アルゴリズムに従った処理はＣＰＵ２１、３１、４１に
適宜割り当てられる。ここでは、（）内に付記した割当
を採用する。各アルゴリズムに対応した処理は、相互に
連携した形で実行される（具体的には後述）。

【００５４】ＡＬＧ１：投光位置決定アルゴリズム（Ｃ
ＰＵ３１）＝プロジェクタＰＲによるスポット光ビーム
の投光位置（偏向ミラーＭＸ，ＭＹの偏向角θx ，θy
）を順次決定し、上記説明した通りのスポット光ビー
ム走査を実行する為のアルゴリズム。下記のＡＬＧ２及
びＡＬＧ３の処理結果を利用して、上記説明した疎／密
モード走査の切換制御及び局所繰り返し走査制御の処理
が含まれている。 ＡＬＧ２：１次微分ピーク検出アルゴリズム（ＣＰＵ４
１）＝スポット光ビームの投光位置の移動に応じてＰＳ
Ｄ６の位置検出出力の１次微分に相当する量をチェック
して、そのピークを検出する為のアルゴリズム。 ＡＬＧ３：２次微分ピーク検出アルゴリズム（ＣＰＵ４
１）＝スポット光ビームの投光位置の移動に応じて、Ｐ
ＳＤ６の位置検出出力の２次微分に相当する量をチェッ
クして、そのピークを検出する為のアルゴリズム。 ＡＬＧ４：３次元位置計算アルゴリズム（ＣＰＵ４１）
＝プロジェクタＰＲによるスポット光ビームの密走査モ
ード時に検出される円形凹部の縁部のＰＳＤ検出出力
と、その時の投光位置（偏向ミラーＭＸ，ＭＹの偏向角
θx ，θy ）を表すデータに基づいて、その円形凹部の
縁部の３次元位置を計算する為のアルゴリズム。なお、
ここでは、全走査によって得られた各円形凹部の縁部の
３次元位置計算結果に基づいて、円形凹部４ｂの中心位
置と姿勢を計算する処理が含まれている。

【００５５】以上のアルゴリズムＡＬＧ１〜ＡＬＧ４を
実行するにあたっては、主制御装置２０、プロジェクタ
制御装置３０及びＰＳＤ検出信号処理装置４０に対し、
予め次の準備がなされているものとする。

【００５６】［プロジェクタ制御装置３０］ １．図６に示した走査開始位置Ｐstart に対応した走査
開始偏向角（θx0，θy0）の設定。 ２．縦ピッチα及び横ピッチβの単位量α0 及びβ0 に
対応する偏向角の大きさの設定。α0 はＹ軸方向偏向角
の制御最小単位Δθy 刻み、βはＸ軸方向偏向角の制御
最小単位Δθx 刻みで各々設定される。例えば、Δθx
＝Δθy ＝０．１°として、α0 ＝０．１°，β＝２．
０°の如く設定する。これらの値の大きさは、ワーク４
の大きさ、要求される計測精度、計測時間等に応じて定
めることが好ましい。 ３．疎走査モードと密走査モードにおける縦方向ピッチ
αの大きさを表わす指標となるレジスタ領域の設定。レ
ジスタ値γはγ＝α／α0 とする。従って、ここでは、
疎走査モード時にはγ＝１０であり、密走査モード時に
はγ＝１となる。なお、疎密ピッチ比を１０：１以外の
値とする場合には、疎走査モード時のγの値を所望の疎
密比に対応した別の値とすれば良い。

【００５７】４．投光位置（偏向角度θx ，θy ）を表
わす基本指標値を与えるカウンタレジスタ領域（以下、
「カウンタ」と言う。）をＲＡＭ内に設定する。カウン
タは、Ｙ軸方向の投射位置移動量α0 毎に１を計数する
縦方向カウンタ（カウント値をｉで表わす。）と、Ｘ軸
方向の投射位置移動量β0 毎に１を計数する横方向カウ
ンタ（カウント値をｊで表わす。）を設定する。疎走査
モード（α＝１０α0 ）では投射位置の移動に従って、
カウント値ｉは１０づつ計数され、密走査モード（α＝
α0 ）では１づつ計数される。

【００５８】５．図６に示した走査範囲に対応したｉ及
びｊの上限値ｉmax ，ｊmax の設定。計数値ｉが上限値
ｉmax に達すると、ｊ＜ｊmax である限り、ｉはｉ＝０
にリセットされる。ｉ＝ｉmax でｊ＝ｊmax の状態は、
走査経路の終点Ｐend （図６）を表わしている。

【００５９】６．図８のフローチャートに示したＡＬＧ
１（投光位置決定アルゴリズム）に従った処理を実行す
るプログラムのローディング。

【００６０】［検出信号処理装置４０］ １．ＰＳＤ６の検出出力の１次微分相当量を計算／チェ
ックする為に使用される指標となる計数値ｔを生成する
カウンタの設定。

【００６１】２．ＰＳＤ６の検出出力の２次微分相当量
を計算／チェックする為に使用される指標となる計数値
ｔ’を生成するカウンタの設定。

【００６２】３．相前後する投光位置におけるＰＳＤ６
の検出出力値に基づいて１次微分ピークを検出する為の
しきい値Ｐｅａｋ１及び２次微分ピークを検出する為の
しきい値Ｐｅａｋ２の設定。

【００６３】４．図９のフローチャートに示したＡＬＧ
２（１次微分ピーク検出アルゴリズム）に従った処理を
実行するプログラムのローディング。

【００６４】５．図１０のフローチャートに示したＡＬ
Ｇ３（２次微分ピーク検出アルゴリズム）に従った処理
を実行するプログラムのローディング。 ［主制御装置２０］ １．上記偏向開始角度θx0，θy0及び（ｉ，ｊ）で指定
される各投射位置（ｉ＝０，１，２・・・・ｉmax ；ｊ
＝０，１，２・・・・ｊmax ）について、前記作用の説
明の欄で述べたＰＳＤ６のイメージプレーン上における
各対応点（投光スポット光ビームとイメージプレーンの
交点）Ｈ（ｉ，ｊ）の３次元位置＜ｈ（ｉ，ｊ）＞を表
わすテーブルデータの入力。 ２．（ｉ，ｊ）で指定された状態におけるスポット光ビ
ームの方向に一致する方向を向いた単位ベクトル＜ｇ
（ｉ，ｊ）＞のデータ、即ち、ＸＹＺ成分テーブルデー
タｇ（ｉ，ｊ）x ，ｇ（ｉ，ｊ）y ，ｇ（ｉ，ｊ）z の
入力。 ３．（ｉ，ｊ）で指定された各状態下において、ＰＳＤ
６の検出出力とイメージプレート上の対応点Ｈ（ｉ，
ｊ）からワーク４への入射点Ｐへ向かうベクトル＜Δｒ
（ｉ，ｊ）＞の向きと長さを表わすデータ（正負の数値
からなるテーブルデータ）の入力。

【００６５】４．図１１のフローチャートに示したＡＬ
Ｇ４（３次元位置計算アルゴリズム）に従った処理を実
行するプログラムのローディング。

【００６６】以上の準備の下に、ワーク４に対する３次
元計測の処理を開始する。以下、図８〜図１１を並列的
に参照し、各アルゴリズムＡＬＧ１〜ＡＬＧ４の処理内
容をスポット光走査型３次元視覚センサの動作順序に即
して説明する。

【００６７】先ず、主制御装置２０が外部信号（例え
ば、ワーク４の計測位置への到着を知らせる外部信号、
図示省略）を受信すると、ＡＬＧ１〜ＡＬＧ４の処理が
ほぼ同時に開始される。処理開始時の各カウンタの設定
状態は図中に付記した通りである。ＡＬＧ１〜ＡＬＧ３
は、直ちにＡＬＧ４のステップＳ4-1 からの投光指令を
受信する態勢に入る（ステップＳ1-1 ，Ｓ2-1 ，Ｓ3-1
）。

【００６８】ＡＬＧ４のステップＳ4-1 で投光指令が出
力されると、ＡＬＧ１では、（ｉ，ｊ）で指定された方
向へスポット光ビームを投射する（ステップＳ1-2 ）。
初回はｉ＝ｊ＝１であり、プロジェクタ制御装置３０に
設定された走査開始偏向角（θx0，θy0）に対応した方
向にスポット光ビームが投射され、図６のＰstart で示
した位置に入射する。

【００６９】ＡＬＧ２及びＡＬＧ３では、ステップＳ2-
2 ，Ｓ3-2 でその時点におけるスポット光ビーム入射点
（初回はＰstart ）に関するＰＳＤ検出出力を取り込
む。これをＡＬＧ２ではｐt と記し、ＡＬＧ３ではｐt'
と記すことにする。次いで、カウンタ値ｔ，ｔ’につい
て１あるいは２を越えたか否かがチェックされる（ステ
ップＳ2-3 ，Ｓ3-3 ）。

【００７０】初回は、ｔ＝ｔ’＝１であるから、ステッ
プＳ2-7 ，ステップＳ3-7 へ進み、ＡＬＧ１のステップ
Ｓ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出信号（NO）を送
信し、カウンタｔ及びｔ’に１加算し（ステップＳ2-1
2，Ｓ3-12）、走査終了信号（NO）の受信を確認した上
で（ステップＳ2-13，Ｓ2-14，Ｓ3-13，Ｓ3-14）、ステ
ップＳ2-1 及びＳ3-1 へ戻り、次（２回目）の投光指令
を待つ。

【００７１】ピーク検出信号（NO）をステップＳ1-3 で
受けたＡＬＧ１では、ステップＳ1-4 からステップＳ1-
10へ進み、位置計算信号（NO）を出力してＡＬＧ４のス
テップＳ4-2 （位置計算信号受信）へ送信する。そし
て、ステップＳ1-11でカウンタｉに縦走査のピッチを表
わす指標γ（初回は疎走査に対応するγ＝１０）を加算
し、ｉが上限値ｉmax を越えていないことを確認した上
で（ステップＳ1-13）、イニシャライズ信号（NO）をＡ
ＬＧ２のステップＳ2-9 及びＡＬＧ３のステップＳ3-9
へ送信する（ステップＳ1-15）。このイニシャライズ信
号（Ｙ／Ｎ）は、カウンタ値ｔあるいはｔ’を１にリセ
ットすることの肯否を表わす信号である。

【００７２】ＡＬＧ１では、ステップＳ1-15のイニシャ
ライズ信号（NO）の送信に引き続いて、走査終了信号
（NO）をＡＬＧ２，３，４の各ステップＳ2-13，Ｓ3-1
3，Ｓ4-7 へ送信する。この走査終了信号は、図６にお
いて、投光位置がＰend に到達したことの肯否（ＹＥＳ
／ＮＯ）を表わす信号である。

【００７３】さて、ＡＬＧ１のステップＳ1-10から位置
計算信号（NO）をステップＳ4-2 で受信したＡＬＧ４で
は、ステップＳ4-3 からステップＳ4-7 へ進み、ＡＬＧ
１ステップＳ1-21からの走査終了信号（NO）の受信を確
認した上で（ステップＳ4-8）ステップＳ4-1 へ戻り、
次の投光指令を出力する。

【００７４】２回目の投光指令が出されると、ＡＬＧ１
では（ｉ，ｊ）で指定された方向へスポット光ビームを
投射するが（ステップＳ1-2 ）、今度はｉ＝１１，ｊ＝
１であるから、偏向角は（θx0＋１０α0 ，θy0）に対
応した方向にスポット光ビームが投射される（図６参
照）。

【００７５】ＡＬＧ２では、ステップＳ2-2 でスポット
光ビーム入射点（Ｐstart の次の投光点；図６参照）に
関するＰＳＤ検出出力ｐ2 を取り込み、カウンタ値ｔに
ついて１を越えたか否かがチェックされる（ステップＳ
2-3 ）。今度は、ｔ＝２となっているから、ステップＳ
2-3 からステップＳ2-4 へ進み、前回の投光点について
得られているＰＳＤ検出出力との差分ｄｐ＝ｐt −ｐt-
1 （ここではｐ2 −ｐ1 ）が計算・記憶される。

【００７６】図３の関連説明で述べた原理によって、前
回の投光点と今回の投光点との間に投光点を跳躍させる
ような特徴部分がなければ、ｄｐ＝ｐt −ｐt-1 が大き
な値を示すことはなく、続くステップＳ2-5 でＮＯの判
断が出され、ステップＳ2-8へ進んでＡＬＧ１のステッ
プＳ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出信号（NO）を
送信する。

【００７７】一方、ＡＬＧ３では、ステップＳ3-2 でス
ポット光ビーム入射点（Ｐstart の次の投光点；図６参
照）に関するＰＳＤ検出出力ｐ2'を取り込み、カウンタ
値ｔ’について２を越えたか否かがチェックされる（ス
テップＳ3-3 ）。今度はｔ’＝２となっているが、やは
りｔ’＞２ではないから、ステップＳ3-7 へ進み、ＡＬ
Ｇ１のステップＳ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出
信号（NO）を送信し、カウンタｔ’に１加算し（Ｓ3-1
2）、走査終了信号（NO）の受信を確認した上で（ステ
ップＳ3-13，Ｓ3-14）、ステップＳ3-1 へ戻り、次（３
回目）の投光指令を待つ。

【００７８】さて、ＡＬＧ２，３双方からピーク検出信
号（NO）をステップＳ1-3 で受けたＡＬＧ１では、ステ
ップＳ1-4 からステップＳ1-10へ進み、位置計算信号
（NO）を出力してＡＬＧ４のステップＳ4-2 （位置計算
信号受信）へ送信する。そして、ステップＳ1-11でカウ
ンタｉに縦走査のピッチを表わす指標γ（疎走査に対応
するγ＝１０のまま）を加算し、ｉが上限値ｉmax を越
えていないことを確認した上で（ステップＳ1-13）、イ
ニシャライズ信号（NO）をＡＬＧ２のステップＳ2-9 及
びＡＬＧ３のステップＳ3-9 へ送信する（ステップＳ1-
15）。次いで、走査終了信号（NO）がＡＬＧ２，３，４
の各ステップＳ2-13，Ｓ3-13，Ｓ4-7 へ送信される。

【００７９】説明をＡＬＧ２へ戻すと、ステップＳ2-9
でイニシャライズ信号（NO）を受信した後、ステップＳ
2-10からステップＳ2-12へ進みカウンタ値ｔに１を加算
した上で、走査終了信号（NO）の受信を確認し（ステッ
プＳ2-13，2-14）、ステップＳ2-1 へ戻り次回の投光指
令の受信を待つ。

【００８０】ＡＬＧ４のステップＳ4-1 で３回目の投光
指令が出力された場合のＡＬＧ１及びＡＬＧ２の処理
は、２回目の投光指令出力後の処理と同様なので、説明
は省略する。

【００８１】ＡＬＧ３では、ＡＬＧ４のステップＳ4-1
で３回目の投光指令が出力されると、ステップＳ3-2 で
スポット光ビーム入射点（Ｐstart の次の次の投光点；
図６参照）に関するＰＳＤ検出出力ｐ3 を取り込み、カ
ウンタ値ｔ’について２を越えたか否かがチェックされ
る（ステップＳ3-3 ）。今度は、ｔ＝３となっているか
ら、ステップＳ3-3 からステップＳ3-4 へ進み、前回と
前々回の投光点について得られているＰＳＤ検出出力に
基づいてｄ（ｄｐ）＝ｐt'−（２ｐt'-1）＋ｐt'-2
（ここではｐ3 −２ｐ2 ＋ｐ1 ）が計算・記憶される。

【００８２】図３の関連説明で述べた原理によって、前
回の投光点と今回の投光点との間に投光点を跳躍させる
ような特徴部分がなければ、このｄ（ｄｐ）が大きな値
を示すことはなく、続くステップＳ3-5 ではＮＯの判断
が出され、ステップＳ3-8 へ進んでＡＬＧ１のステップ
Ｓ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出信号（NO）が送
信される。

【００８３】図６の事例を想定した本実施例では、Ｐst
art から１０α0 のピッチで上方に移動する走査経路は
凹部４ｂから外れているので、ＡＬＧ２，３いずれにお
いてもピーク検出は行なわれないまま投光点は最上端に
到達する。その間のＡＬＧ１〜ＡＬＧ４の処理（３回目
の投光指令以降）は、上記説明したプロセスの繰り返し
となることは特に説明を要しないであろう。

【００８４】走査経路の最上端への投光指令出力（ステ
ップＳ4-1 ）があって開始される処理サイクルにおける
ＡＬＧ１のステップＳ1-13では、それまでとは異なり、
ＹＥＳの判断がなされ、先ず、ステップＳ1-16でイニシ
ャライズ信号（YES ）がＡＬＧ２，３の各ステップＳ2-
9 ，ステップＳ3-9 へ送信される。次いで、縦カウンタ
値ｉを０にリセットすると共に横カウンタ値ｊに１を加
算（ここではｊ＝２）する（ステップＳ1-17）。

【００８５】更に、横カウンタ値が上限値に達していな
いことを確認した上で（ステップＳ1-18）、走査終了信
号（NO）をＡＬＧ２〜ＡＬＧ４の各ステップＳ2-13，Ｓ
3-13，Ｓ4-7 に送信し（ステップＳ1-20）、ステップＳ
1-1 へ戻って、次回の投光指令を待つ。

【００８６】ステップＳ1-16からイニシャライズ信号
（YES ）がＡＬＧ２のステップＳ2-9へ初めて送信され
ると、ＡＬＧ２では、それまでとは異なり、ステップＳ
2-10からステップＳ2-11へ進み、カウンタ値ｔを１にリ
セットする処理を経由してステップＳ2-13へ進む。次い
で、走査終了信号（NO）の受信を確認した上で（ステッ
プＳ2-14）、ステップＳ2-1 を復帰して次回の投光指令
を待つことは、既に説明したプロセスと変わりがない。

【００８７】ステップＳ1-16からイニシャライズ信号
（YES ）がＡＬＧ３のステップＳ3-9へ初めて送信され
た際の処理は、ＡＬＧ２の場合と同様である。即ち、Ａ
ＬＧ３では、ステップＳ3-10からステップＳ3-11へ進
み、カウンタ値ｔ’を１にリセットする処理を経由して
ステップＳ3-13へ進む。次いで、走査終了信号（NO）の
受信を確認した上で（ステップＳ3-14）、ステップＳ3-
1 を復帰して次回の投光指令を待つことになる。

【００８８】ここまでの説明から判るように、投光位置
がワーク４の円形凹部４ｂの縁部４ｃにかからない範囲
では、ＡＬＧ２のステップＳ2-5 ，ＡＬＧ３のステップ
Ｓ3-5 いずれにおいてもＹＥＳの判断がなされることが
なく、従って、ＡＬＧ３のステップＳ1-3 にピーク（YE
S ）信号が出力されることが無い。その結果ＡＬＧ１の
ステップＳ1-8 が実行されず、位置計算信号（YES ）が
出力されない。これによって、重要でない特徴部分以外
の点について３次元位置を計算する無駄が省かれ、全体
の計測時間が短縮される。

【００８９】次に、図７を参照図に加え、疎・密走査モ
ードの切換・繰り返し走査制御及び特徴部分の３次元位
置データの取得が実行されるワーク４の円形凹部４ｂの
縁部４ｃ部分におけるＡＬＧ１〜４の処理について説明
する。

【００９０】ここでは、図７に示したＡ点から投光位置
が１０α0 上方に移動されてＢ点に投光が行なわれ、更
に、それに引き続く一連の処理が終了した時点から説明
を始めることにする。

【００９１】ＡＬＧ４のステップＳ4-1 で新たな投光指
令が出力されると、この時点ではγ＝１０の状態が維持
されていることから、ＡＬＧ１のステップＳ1-2 では、
図７におけるＣ点へスポット光ビームＧが投射される。
ＡＬＧ２及びＡＬＧ３では、ステップＳ2-2 ，Ｓ3-2 で
Ｃ点に関するＰＳＤ検出出力を取り込む。これをｐc で
表わす（以下、図７の他の点についても同様の表記とす
る）。

【００９２】次いで、カウンタ値ｔ，ｔ’について１あ
るいは２を越えたか否かがチェックされる（ステップＳ
2-3 ，Ｓ3-3 ）が、ここでは図示された位置関係から、
ｔ＞１，ｔ’＞２である。

【００９３】従って、ＡＬＧ２では、ステップＳ2-3 か
らステップＳ2-4 へ進み、前回の投光点Ｂについて得ら
れているＰＳＤ検出出力ｐb との差分ｄｐ＝ｐc −ｐb
が計算・記憶される。

【００９４】前回の投光点Ｂと今回の投光点Ｃとの間に
は、縁部４ｃが存在するので、このｄｐの値は他の非特
徴部分よりは大きくなるが、しきい値Ｐｅａｋ１は投光
点が奥行き方向に大きく跳躍したことを検出するように
設定されている限り、ステップＳ2-5 でＹＥＳの判断は
出されない。そこで、ステップＳ2-5 以後の処理は非特
徴部分の場合と同じく、ステップＳ2-8 へ進んでＡＬＧ
１のステップＳ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出信
号（NO）を送信する。

【００９５】一方、ＡＬＧ３では、ステップＳ3-3 から
ステップＳ3-4 へ進み、前々回の投光点Ａ、前回の投光
点Ｂについて得られているＰＳＤ検出出力ｐa ，ｐb と
投光点ＣについてのＰＳＤ検出出力ｐc に基づきｄ（ｄ
ｐ）＝ｐc −２ｐb ＋ｐa が計算・記憶される。

【００９６】前回の投光点Ｂと今回の投光点Ｃとの間に
は、縁部４ｃが存在するので、このｄｐの値は他の非特
徴部分より大きくなる。そして、Ｐｅａｋ２は、投光点
の奥行き方向位置そのものは大きく変化しなくとも、奥
行き方向位置の変化率が跳躍したことを検出（２次微分
ピークの検出）する為に設定されているしきい値である
から、図７の縁部４ｃをまたいで投光点が移動した際に
は、ステップＳ3-5 の判断はＹＥＳとなる。

【００９７】従って、ステップＳ3-5 以後の処理は非特
徴部分の場合とは異なり、ステップＳ3-6 へ進んでＡＬ
Ｇ１のステップＳ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出
信号（YES ）を送信する。すると、ＡＬＧ１では、ステ
ップＳ1-3 からステップＳ1-4 ，Ｓ1-5 を経てステップ
Ｓ1-7 へ進み、縦ピッチ指標γの値が疎走査モードを表
わすγ＝１０から密走査モードを表わすγ＝１に変更さ
れる。

【００９８】そして、次のステップＳ1-9 で位置計算信
号（NO）をＡＬＧ４のステップＳ4-2 へ送信した上で、
縦カウント値ｉを１０減じ（ステップＳ1-12）、イニシ
ャライズ信号（YES ）をＡＬＧ２，３の各ステップＳ2-
9 ，Ｓ3-9 へ送信する（ステップＳ1-14）。更に、ステ
ップＳ1-21では走査終了信号（NO）がＡＬＧ２〜ＡＬＧ
４の各ステップＳ2-13，Ｓ3-13，Ｓ4-7 へ送信され、ス
テップＳ1-1 へ戻って次回の投光指令を待つ。

【００９９】ステップＳ1-14のイニシャライズ信号（YE
S ）を受けたＡＬＧ２，３の各ステップＳ2-9 ，Ｓ3-9
では、ステップＳ2-10，ステップＳ3-10からステップＳ
2-11，ステップＳ3-11へ各々進んで、カウンタ値ｔ及び
ｔ’を１にリセットし、走査終了信号（NO）の受信を確
認した上で（ステップＳ2-13→Ｓ2-14，ステップＳ3-13
→Ｓ3-14）、ステップＳ2-1 あるいはステップＳ3-1 へ
戻って次の投光指令を待つ。

【０１００】この状態でステップＳ4-1 の投光指令が出
力されると、縦カウント値ｉが１０減ぜられている故
に、ＡＬＧ１のステップＳ1-2 では、図７におけるＢ点
へスポット光ビームＧが再度投射される。ＡＬＧ２及び
ＡＬＧ３では、ステップＳ2-2 ，Ｓ3-2 でＢ点に関する
ＰＳＤ検出出力ｐc を取り込む。

【０１０１】次いで、カウンタ値ｔ，ｔ’について１あ
るいは２を越えたか否かがチェックされるが（ステップ
Ｓ2-3 ，Ｓ3-3 ）、ここではｔ，ｔ’が１にリセットさ
れている。よって、ＡＬＧ２ではステップＳ2-7 へ進ん
でピーク信号（NO）をＡＬＧ１のステップＳ1-3 へ出力
し、更に、ステップＳ2-12でカウント値ｔを１アップ
し、走査終了信号（NO）の受信を確認した上で（ステッ
プＳ2-13，Ｓ2-14）、ステップＳ2-1 へ戻り次回の投光
指令を待つ。ＡＬＧ３でも同様に、ステップＳ3-7 →Ｓ
3-12→Ｓ3-13→Ｓ3-14を経て、ステップＳ3-1 へ戻り次
回の投光指令を待つ。

【０１０２】ＡＬＧ１では、更に、ステップＳ1-3 →Ｓ
1-4 →Ｓ1-10の処理を経て、Ｓ1-11へ進み、縦カウント
値ｉにγが加算される。今度は、γ＝１に変更されてい
るから、密走査のピッチに対応してｉ＝ｉ＋１とされ
る。

【０１０３】ＡＬＧ４のステップＳ4-2 では、ＡＬＧ１
のＳ1-10からピーク信号（NO）を受信し、ステップＳ4-
3 →Ｓ4-7 →Ｓ4-8 を経てステップＳ4-1 へ戻る処理が
順次実行される。次いで、ステップＳ4-1 で再び投光指
令が出力されると、ＡＬＧ１では（ｉ，ｊ）で指定され
た方向へスポット光ビームを投射するが（ステップＳ1-
2 ）、今回の投光点は図７のＣ点ではなく、Ｂ1 点とな
る。

【０１０４】ＡＬＧ２では、ステップＳ2-2 で点Ｂ1 に
関するＰＳＤ検出出力ｐb1を取り込み、カウンタ値ｔが
１を越えたか否かがチェックされる（ステップＳ2-3
）。今度は、ｔ＝２となっているから、ステップＳ2-3
からステップＳ2-4 へ進み、前回の投光点について得
られているＰＳＤ検出出力との差分ｄｐ＝ｐb −ｐb1が
計算・記憶される。

【０１０５】点ＢＢ1 間には投光点を跳躍させるような
特徴部分は無いから、続くステップＳ2-5 でＮＯの判断
が出され、ステップＳ2-8 へ進んでＡＬＧ１のステップ
Ｓ1-3 （ピーク信号受信）へピーク検出信号（NO）を送
信する。

【０１０６】一方、ＡＬＧ３でも同様に点Ｂ1 のＰＳＤ
検出出力ｐb1を取り込み、カウンタ値ｔ’について２を
越えたか否かがチェックされる（ステップＳ3-3 ）。今
度はｔ’＝２となっているが、やはりｔ’＞２ではない
から、ステップＳ3-7 へ進み、ＡＬＧ１のステップＳ1-
3 （ピーク信号受信）へピーク検出信号（NO）を送信
し、カウンタｔ’に１加算し（Ｓ3-12）、走査終了信号
（NO）の受信を確認した上で（ステップＳ3-13，Ｓ3-1
4）、ステップＳ3-1 へ戻り、次の投光指令を待つ。

【０１０７】さて、ＡＬＧ２，３双方からピーク検出信
号（NO）をステップＳ1-3 で受けたＡＬＧ１では、ステ
ップＳ1-4 からステップＳ1-10へ進み、位置計算信号
（NO）を出力してＡＬＧ４のステップＳ4-2 （位置計算
信号受信）へ送信する。そして、ステップＳ1-11でカウ
ンタｉに縦走査のピッチを表わす指標γ（密走査に対応
するγ＝１）を加算し、ｉが上限値ｉmax を越えていな
いことを確認した上で（ステップＳ1-13）、イニシャラ
イズ信号（NO）をＡＬＧ２のステップＳ2-9 及びＡＬＧ
３のステップＳ3-9 へ送信する（ステップＳ1-15）。次
いで、走査終了信号（NO）がＡＬＧ２，３，４の各ステ
ップＳ2-13，Ｓ3-13，Ｓ4-7 へ送信される。

【０１０８】ＡＬＧ２では、ステップＳ2-9 でイニシャ
ライズ信号（NO）を受信した後、ステップＳ2-10からス
テップＳ2-12へ進みカウンタ値ｔに１を加算した上で、
走査終了信号（NO）の受信を確認し（ステップＳ2-13，
2-14）、ステップＳ2-1 へ戻り次回の投光指令の受信を
待つ。

【０１０９】ＡＬＧ４のステップＳ4-1 で次回の投光指
令が出力された場合の処理サイクルは、投光点がＢ2 と
なり、ＡＬＧ３における処理経路がステップＳ3-1 →Ｓ
3-2→Ｓ3-3 →Ｓ3-4 →Ｓ3-5 →Ｓ3-8 となる点を除け
ば、前回と同様であるから詳細な説明は省略する。

【０１１０】以下、同様の処理サイクルを繰り返して投
光点がＢ8 となると、点Ｂ7 Ｂ8 間の奥行き方向位置が
変化し、ＡＬＧ３のステップＳ3-5 でＹＥＳの判断がな
されて、これに続くステップＳ3-6 でピーク信号（YES
）がＡＬＧ１のステップＳ1-3 へ出力される。これを
受けたＡＬＧ１では、ステップＳ1-4 からステップＳ1-
5 へ進む。今度は、γ＝１であるから、ステップＳ1-6
へ進んでγを疎モードに対応したγ＝１０に復帰させ
る。

【０１１１】次いで、ステップＳ1-8 で初めて位置計算
信号（YES ）をＡＬＧ４のステップＳ4-2 へ出力し、以
下、ステップＳ1-11でｉ＝ｉ＋γ（＝１０）として、ス
テップＳ1-13を経てステップＳ1-15へ進み、イニシャラ
イズ信号（NO）をＡＬＧ２，３の各ステップＳ2-9 ，Ｓ
3-9 を送信する。更に、続くステップＳ1-21では、走査
終了信号（NO）をＡＬＧ２〜４の各ステップＳ2-13，Ｓ
3-13，Ｓ4-7 に出力した上で、ステップＳ1-1 へ戻り、
次回の投光指令を待つ。

【０１１２】イニシャライズ信号（NO）及び走査終了信
号（NO）を受けたＡＬＧ２，３では、ステップＳ2-9 ，
Ｓ3-9 から、ステップＳ2-10→Ｓ2-12→Ｓ2-13→Ｓ2-14
あるいはステップＳ3-10→Ｓ3-12→Ｓ3-13→Ｓ3-14を経
て、ステップＳ2-1 ，Ｓ3-1へ戻って次回の投光指令を
待つ（処理内容は、説明の繰り返しになるので省略）。

【０１１３】さて、ステップＳ1-8 から初めて位置計算
信号（YES ）を受けるＡＬＧ４では、ステップＳ4-3 か
ら初めてステップＳ4-4 へ進み、位置Ｂ8 に投光されて
いるスポット光ビームＧの方向を表わす、縦横カウント
値（ｉ，ｊ）に対応した単位ベクトルデータ＜ｇ（ｉ，
ｊ）＞とイメージプレーン上の対応点の位置データ＜ｈ
（ｉ，ｊ）＞を読み込む。

【０１１４】そして、更にステップＳ4-5 でＢ8 点に関
するＰＳＤ６の検出出力ｐb6を取り込み、これらのデー
タからステップＳ4-6 で点Ｂ8 の３次元位置を計算・記
憶する。３次元位置の求め方は、作用の説明の欄で述べ
た通りである。続くステップＳ4-7 で走査終了信号（N
O）を受信して、ステップＳ4-8 を経てステップＳ4-1へ
戻る。

【０１１５】ステップＳ4-1 で再び投光指令が出される
と、γ＝１０の状態でＡＬＧ１〜ＡＬＧ４の処理が進行
する。即ち、投光点はＤへ移動し、再度ＡＬＧ３で２次
微分ピークが検出され、γが再び１に戻されると共にｉ
から１０が減ぜられ、密走査モード開始が準備される。
そして、その次の投光指令によって投光点はＢ8 へ戻
り、密モード走査が開始される。前回の密走査モードの
場合と同様の処理サイクルによって、点Ｃ4 Ｃ5 間に円
形凹部４ｂの内側の縁部が検出され、その３次元位置が
求められる。３次元位置を求めるＡＬＧ４のステップＳ
4-4 〜Ｓ4-6 の処理は、ｉの値が異なる以外は前回（Ｂ
8 の３次元位置）の場合と全く同じである。

【０１１６】点Ｃ5 の３次元位置の求められると、前回
同様の処理手順によってγの値が疎走査モードに再度戻
される。

【０１１７】スポット光ビームが円形凹部４ｂを縦断し
て再び内側縁部にさしかかると、今度は、投光点の奥行
き位置自体が跳躍し（図６の符号７０で示した部分を参
照）、それに応じて今度はＡＬＧ２のステップＳ2-5 で
ＹＥＳの判断が出される。すると、領域５０，６０の場
合と同様の処理サイクルにより、疎走査モードから密走
査モードに切換て繰り返し走査が行なわれ、ｊ値に対応
した走査経路と縁部４ｃの交点位置の極く近傍の３次元
位置が求められる。この間の処理の詳細は、説明の繰り
返しとなるので省略する。

【０１１８】以上説明したような処理サイクルを繰り返
して投光位置がＰend に到達すると、ＡＬＧ１のステッ
プＳ1-18で初めてＹＥＳの判断がなされ、走査終了信号
（YES ）がＡＬＧ２，３，４の各ステップＳ2-13，Ｓ3-
13，Ｓ4-7 へ送信される。その結果、ＡＬＧ２，３では
各ステップＳ2-14，Ｓ3-14を経て処理が終了される。

【０１１９】また、ＡＬＧ４ではステップＳ4-8 からス
テップＳ4-9 へ進んで、多数（最低３点）のデータに基
づいて円形凹部４ｂの中心位置・姿勢が計算・記憶さ
れ、処理を終了する。

【０１２０】なお、ここに説明した実施例はあくまで例
示であり、各アルゴリズムの内容やＣＰＵ処理の割当等
は適宜選択して設計し得る事項である。例えば、上記Ａ
ＬＧ１〜４のすべてを主制御装置２０のＣＰＵに割当
て、プロジェクタ制御装置３０とＰＳＤ検出信号処理装
置４０の構成を簡素化しても良い。投光ビームの走査経
路の形状、投光位置の間隔、粗密走査モードの種類や組
合せ方、３次元位置を求める点の選択法や数などについ
ても、スポット光ビームの投光方向を自由に選べるプロ
ジェクタＰＲの特性を利用して極めて多様な計測のバリ
エーションが考えられることは説明するまでもない。

【０１２１】また、プロジェクタＰＲの偏向制御の方式
は、２次元的なランダムスキャンが可能である限り特に
制限は無く、例えば、偏向方向の制御をアナログ信号で
行なうものであっても良い。

【０１２２】

【発明の効果】本願発明のスポット光走査型３次元視覚
センサは、従来のＣＣＤカメラなどのビデオカメラを用
いた３次元視覚センサに比して、処理時間の高速化が可
能であり、経済性にも優れている。また、被計測対象物
の稜線部、凹部や凸部の縁部など被計測対象物の外形の
特徴部分に関する３次元位置データを目的にかなった態
様で重点的に収集し、無駄の無い解析を行なうことが出
来るから、効率的で精度の高い３次元計測が実現され
る。

【０１２３】更に、光源の発する光量を３次元計測に有
用な部分に集中させて明るい輝点を形成させた条件下で
計測を行うことが出来るから、従来のビデオカメラを用
いた３次元視覚センサのように、被計測対象物の全体が
適正な明るさとなるように照明条件を整える必要も無く
なるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】レーザ変位センサの基本的な構成と測定原理を
説明する図である。

【図２】本願発明の３次元視覚センサにおける測定原理
に従って３次元計測を行なう為の基本配置を例示した図
である。

【図３】被計測対象物の特徴部分（凹部の縁部）をＹ軸
方向に沿ってスポット光ビームで走査した場合のＰＳＤ
の出力変化を概念的に説明したグラフである。

【図４】本願発明の３次元視覚センサを、円形の凹部を
有するワークの円形凹部中心の３次元位置計測に適用し
た場合の全体配置を表わした図である。

【図５】本願発明の３次元視覚センサのシステム構成の
１例を示した要部ブロック図である。

【図６】本実施例における疎密／局所繰り返し走査方式
の概要を説明する図である。

【図７】図６中、符号５０及び６０で示した特徴部分領
域の近傍における繰り返し走査経路を拡大描示した図で
ある。

【図８】ＡＬＧ１（投光位置決定アルゴリズム）に従っ
た処理内容を説明するフローチャートである。

【図９】ＡＬＧ２（１次微分ピーク検出アルゴリズム）
に従った処理内容を説明するフローチャートである。

【図１０】ＡＬＧ３（２次微分ピーク検出アルゴリズ
ム）に従った処理内容を説明するフローチャートであ
る。

【図１１】ＡＬＧ４（３次元位置計算アルゴリズム）に
従った処理内容を説明するフローチャートである。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ Ｘ−スキャナ ３ Ｙ−スキャナ ４ 被計測対象物 ４ａ スポット光ビームの入射面 ４ｂ 円形凹部 ４ｃ，４ｄ 円形凹部の縁部 ５ ＰＳＤのレンズ（レンズ系） ６ ＰＳＤ（位置検出型光検出器） ６ａ ＰＳＤ検出面 ６ｂ ＰＳＤ検出面上の基準位置 ７ 電流電圧変換回路 ８ 演算回路 １０ モニタ光検出器 １１ コントローラ １２ 光源駆動回路 ２０ 主制御装置 ２１ 中央演算処理装置（ＣＰＵ） ２２ ＲＯＭメモリ ２３ ＲＡＭメモリ ２４ キーボード ２５ 入出力装置（Ｉ／Ｏ） ２６ バス ３０ プロジェクタ制御装置 ４０ ＰＳＤ検出信号処理装置 Ｇ（Ｇmn） スポット光ビーム Ｈ イメージプレーン ＭＸ Ｘ軸方向偏向ミラー ＭＹ Ｙ軸方向偏向ミラー ＰＲ プロジェクタ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 投射方向を２次元的にランダムスキャン
   制御し得るスポット光ビーム投射手段と、該スポット光
   ビームが被計測対象物に入射した位置に形成されるスポ
   ット状輝点を検出する１次元位置検出型光検出手段と、
   前記スポット光ビームの投射方向と前記位置検出型光検
   出手段の検出出力に基づいて前記被計測対象物上に形成
   された前記スポット状輝点の位置を決定する手段を備え
   たスポット光走査型３次元視覚センサ。
2. 【請求項２】 投射方向を２次元的にランダムスキャン
   制御し得るスポット光ビーム投射手段と、該スポット光
   ビームが被計測対象物に入射した位置に形成されるスポ
   ット状輝点を検出する１次元位置検出型光検出手段と、
   前記スポット光ビームの投射方向と前記１次元位置検出
   型光検出手段の検出出力に基づいて前記被計測対象物上
   に形成された前記スポット状輝点の位置を決定する手段
   と、 前記スポット光ビームの投射方向を連続的に変化させた
   時に得られる前記１次元位置検出型光検出手段の検出出
   力の変化に基づいて被計測対象物の外形特徴部を検出す
   る手段を備えたスポット光走査型３次元視覚センサ。
3. 【請求項３】 計測プロセスの途上において、先行して
   取得された前記位置検出型検出器の検出出力に基づいて
   それ以降の前記スポット光ビーム投射方向を変化させる
   ように前記ランダムスキャン制御を行なわせる手段を更
   に備えた請求項１または請求項２に記載されたスポット
   光走査型３次元視覚センサ。