JPWO2016171265A1 - 形状測定装置及び形状測定方法 - Google Patents

形状測定装置及び形状測定方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光切断法によって測定対象物の凹凸形状を測定する際、測定対象物と撮像装置との距離が変動しても、精度よく測定対象物の形状を測定することが可能な形状測定装置を提供する。【解決手段】形状測定装置は、線状光照射装置により測定対象物に照射された線状光を撮像装置により撮像した撮像画像から、線状光の線状光位置を検出する線状光位置検出部と、撮像装置から所定の基準距離の位置に測定対象物が位置するときに線状光位置検出部により検出される基準線状光位置と、線状光位置検出部により検出された線状光位置との距離差、基準距離、及び、撮像装置の光軸と線状光の出射方向とのなす角に基づいて、撮像装置から測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、撮像装置から測定対象物までの距離に基づいて、撮像装置のフォーカスを調整するフォーカス調整部と、撮像画像に基づいて、測定対象物の形状を演算する形状演算部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、測定対象物の形状を光切断法により測定する形状測定装置及び形状測定方法に関する。
光切断法は、レーザ等によって測定対象物に照射した光の線を撮像装置で撮像し、その撮像画像から検出した光の線の曲がり具合から測定対象物の凹凸形状を測定する手法である。例えば、特許文献１には、遅延積分型カメラ（ＴＤＩ（Time Delay Integration）カメラ）を用いて測定対象物に照射されたレーザ光を撮像し、得られた縞画像に基づいて測定対象物の形状を測定する手法が開示されている。
光切断法についてより詳細に説明すると、図７に示すように、まず、ラインレーザやスリット光等の線状光を照射する線状光照射装置１０から測定対象物５に対して線状光を照射する。そして、撮像装置２０により、測定対象物５に照射されている線状光を撮像し、撮像画像Ａを画像処理装置５０に出力する。例えば、線状光が照射される照射面である測定対象物５の測定面５ａが平坦であれば、撮像画像Ａには直線の線状光が現れる。しかし、測定面５ａに窪みがあった場合には、図７に示すように、直線部１２ａに窪みによる曲り部１２ｂを含む線状光１２が撮像画像Ａに現れる。このように、線状光１２が照射された測定対象物５の測定面５ａを撮像して取得された撮像画像Ａに含まれる線状光１２の曲がり具合に基づき、測定面５ａの形状を測定することができる。
かかる手法において撮像画像Ａから測定対象物５の形状を測定する際、撮影画像中の線状光１２の曲がり具合を正確に求めて、形状測定の精度を維持するには、線状光１２が撮影画像Ａの中で細く鮮明に写るようにフォーカスを合わせる必要がある。このためには、撮像装置２０のフォーカスを測定対象物５の測定面５ａに正確に調整する必要がある。例えば、搬送ライン上で移動中の測定対象物５の側面や上面の形状を測定する場合、測定対象物５の側面や上面に正確に撮像装置２０のフォーカスを合わせる必要がある。しかし、測定対象物５の形状は、例えば製造ラインにおいて製品の規格が異なるなどの理由で一定ではなく、例えば測定対象物５が直方体状の場合には、幅や高さ等、サイズが異なる。
形状測定前に測定対象物５の幅や高さが分かっていれば、撮像装置２０の設置位置から測定対象物５の測定面５ａまでの距離を算出し、その距離に応じて撮像装置２０のフォーカスを調整することで、鮮明な画像を取得することは可能である。例えば図８に示すように、測定対象物５の側面の形状測定をする場合に、測定開始前に制御装置６０に対して測定対象物５の幅が通知され、撮像装置２０からの測定面５ａまでの距離Ｄが既知となっているとする。かつ、撮像装置２０の、フォーカスレンズ２２の位置を調整するフォーカスリング２４を、モータ等の駆動装置によって回転可能に構成する。これにより、制御装置６０は、撮像装置２０の設置位置から測定対象物５の測定面５ａまでの距離Ｄに応じてモータを駆動して、フォーカスレンズ２２のフォーカスリング２４を回転させ、撮像装置２０のフォーカスを測定面５ａに合わせることができる。あるいは、撮像装置２０の被写界深度が十分深ければ、フォーカスの調整をすることなく、鮮明な画像が得られる場合もある。
特開２００４−３９３０号公報
しかし、測定対象物の幅等のサイズが事前に分からない場合もある。あるいは、測定対象物のサイズが事前に分かっていたとしても、図９に示すように測定対象物５が搬送方向に対して傾いた状態で移動する斜行や、図１０に示すように測定対象物５の幅中心が搬送ラインの幅方向中心Ｃからずれた位置ずれ等が生じていると、撮像装置２０のフォーカスが測定対象物５の測定面５ａから外れてしまい、画像がぼやけて不鮮明となることがある。
撮像装置２０のフォーカスが測定対象物５の測定面５ａから外れることへの対策としては、例えば、距離センサを設置し、当該距離センサにより測定された撮像装置２０と測定面５ａとの測定距離に基づいてフォーカスを調整することが考えられる。しかし、別途距離センサを設置する必要があり、装置構成が複雑になる。また、距離センサを用いない方法として、フォーカスレンズを撮像装置の光軸方向に前後に移動させながら連続撮像した画像から輝度のコントラストを算出し、コントラストが高い位置を探索してフォーカスを調整する方法も考えられる。しかし、かかる方法ではフォーカスが合うまでに時間がかかり応答性が悪くなるため、搬送途中の測定対象物に適用することは難しい。
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、光切断法によって測定対象物の凹凸形状を測定する際、測定対象物と撮像装置との距離が変動しても、精度よく測定対象物の形状を測定することが可能な、新規かつ改良された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、線状光照射装置により測定対象物に照射された線状光を撮像装置により撮像した撮像画像から、線状光の線状光位置を検出する線状光位置検出部と、撮像装置から所定の基準距離の位置に測定対象物が位置するときに線状光位置検出部により検出される基準線状光位置と、線状光位置検出部により検出された線状光位置との距離差、基準距離、及び、撮像装置の光軸と線状光の出射方向とのなす角に基づいて、撮像装置から測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、撮像装置から測定対象物までの距離に基づいて、撮像装置のフォーカスを調整するフォーカス調整部と、撮像画像に基づいて、測定対象物の形状を演算する形状演算部と、を備える、形状測定装置が提供される。
距離演算部は、撮像装置の撮像分解能を用いて表された距離関数に基づき、撮像装置から測定対象物までの距離を演算してもよい。
例えば、距離演算部は、下記式（Ａ）に基づき、撮像装置から測定対象物までの距離Ｄを演算してもよい。あるいは、距離演算部は、下記式（Ｂ）に基づき、前記前記撮像装置から前記測定対象物までの距離Ｄを演算してもよい。
Figure 2016171265
 ここで、Ｄ０は前記基準距離、ｒ０は前記基準距離での撮像分解能、Ｘｅは前記撮像画像の画素単位での前記線状光位置と前記基準線状光位置との距離差、θは前記撮像装置の光軸と前記線状光の出射方向とのなす角である。
また、線状光位置検出部は、撮像画像の、線状光の直線方向に直交する方向の各位置における、線状光の直線方向に並ぶ各画素の輝度値の和を表したプロジェクション波形を算出し、プロジェクション波形のピーク位置を線状光位置としてもよい。
あるいは、線状光位置検出部は、撮像画像の、線状光の直線方向に直交する方向の各位置における、線状光の直線方向に並ぶ各画素の輝度値の和を表したプロジェクション波形を算出し、プロジェクション波形の重心位置を線状光位置としてもよい。
形状演算部は、撮像画像の、線状光の直線方向の各位置毎に算出される、当該直線方向に直交する方向における最大輝度位置に基づき、測定対象物の形状を演算してもよい。
あるいは、形状演算部は、撮像画像の、線状光の直線方向の各位置毎に算出される、当該直線方向に直交する方向における輝度の重心位置に基づき、測定対象物の形状を演算してもよい。
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、線状光照射装置により測定対象物に照射された線状光を撮像装置により撮像した撮像画像から、線状光の線状光位置を検出する線状光位置検出ステップと、撮像装置から所定の基準距離の位置に測定対象物が位置するときに検出される基準線状光位置と線状光位置との距離差、基準距離、及び、撮像装置の光軸と線状光の出射方向とのなす角に基づいて、撮像装置から測定対象物までの距離を演算する距離演算ステップと、撮像装置から測定対象物までの距離に基づいて、撮像装置のフォーカスを調整するフォーカス調整ステップと、撮像画像に基づいて、測定対象物の形状を演算する形状演算ステップと、を含む、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、光切断法によって測定対象物の凹凸形状を測定する際、測定対象物と撮像装置との距離が変動しても、精度よく測定対象物の形状を測定することが可能となる。
光切断法によって測定対象物の形状を測定する形状測定システムの概略構成を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る形状測定装置の機能構成を示す機能ブロック図である。 同実施形態に係る形状測定装置により行われる処理を示すフローチャートである。 ステップＳ１１０の、撮像画像内における線状光位置の算出方法を説明する説明図である。 ステップＳ１２０の、撮像装置と測定対象物との距離の算出方法を説明する説明図である。 測定面に凸形状を有する測定対象物の撮像画像の一例を示す説明図である。 光切断法原理を説明する説明図である。 測定対象物の幅変化に対する対応方法の一例を示す説明図である。 フォーカス外れの一要因となる測定対象物の斜行を説明する説明図である。 フォーカス外れの一要因となる測定対象物の位置ずれを説明する説明図である。
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。
＜１．構成＞
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る形状測定装置の構成について説明する。図１は、光切断法によって測定対象物５の形状を測定する形状測定システムの概略構成を示す説明図である。図２は、本実施形態に係る形状測定装置の機能構成を示す機能ブロック図である。なお、図１では、測定対象物５を平面図として見た状態を示し、図７で示したような直方体の測定対象物５の一側面を測定面５ａとする。
［１−１．形状測定システムの概略構成］
形状測定システムは、光切断法により測定対象物５の形状を測定するシステムである。形状測定システムは、図１に示すように、測定対象物５に対して線状光を照射する線状光照射装置１０と、測定対象物５に照射されている線状光を撮像する撮像装置２０と、撮像装置２０により撮像された撮像画像に基づき、測定対象物５の測定面５ａの凹凸形状を特定する形状測定装置１００とからなる。線状光照射装置１０は、例えばラインレーザやスリット光等の線状光を出力可能な装置である。また、撮像装置２０には、例えばエリアカメラを用いることができる。
本実施形態に係る形状測定装置１００は、測定対象物５と撮像装置２０との距離に応じて撮像装置２０のフォーカスを調整する。これにより、測定対象物５と撮像装置２０との距離が変動しても、鮮明な画像が取得されるよう撮像装置２０のフォーカスレンズ２２の位置が制御されるので、測定対象物５の形状を精度よく測定することが可能となる。本実施形態では、撮像装置２０は、モータ等の駆動装置によって回転されるフォーカスリング２４を有するフォーカスレンズ２２を備える。すなわち、形状測定装置１００は、撮像装置２０の設置位置から測定対象物５の測定面５ａまでの距離に応じてモータを駆動してフォーカスレンズ２２のフォーカスリング２４を回転させ、フォーカスを合わせることができる。
このような実施形態に係る形状測定装置１００は、撮像画像に基づき測定対象物５の形状を特定する形状測定処理と、撮像画像に基づき撮像装置２０のフォーカスを調整するフォーカス調整処理とを行う。
形状測定処理では、光切断法により、測定対象物に照射した光の線を撮像装置で撮像し、その撮像画像から検出された線状光の曲がり具合から測定対象物の凹凸形状を測定する。図１に示すように、線状光照射装置１０から測定対象物５に対して線状光が照射されると、撮像装置２０により測定対象物５に照射されている線状光が撮像され、撮像画像が形状測定装置１００に出力される。形状測定装置１００は、線状光１２が照射された測定対象物５の測定面５ａを撮像して取得される撮像画像に含まれる線状光の曲がり具合に基づき、測定面５ａの形状を測定する。
また、フォーカス調整処理では、撮像装置２０と測定対象物５の測定面５ａとの距離の変動に応じて、測定面５ａにフォーカスを合わせる。本実施形態では、撮像装置２０により取得された撮像画像に基づき撮像装置２０と測定対象物５の測定面５ａとの距離を取得し、形状測定装置１００により撮像装置２０のフォーカス調整がなされる。フォーカス調整処理を、形状測定処理と並行して、あるいは交互に実行することで、測定対象物と撮像装置との距離が変動しても、精度よく測定対象物の形状を測定することを可能とする。
［１−２．形状測定装置の構成］
形状測定装置１００についてより詳細にみると、図２に示すように、形状測定装置１００は、画像取得部１１０と、線状光位置検出部１２０と、距離演算部１３０と、フォーカス調整部１４０と、形状演算部１５０と、結果出力部１６０とを備える。このうち、線状光位置検出部１２０、距離演算部１３０、及びフォーカス調整部１４０は、撮像装置２０のフォーカス調整を行うフォーカス調整処理を実行する機能部である。また、形状演算部１５０及び結果出力部１６０は、測定対象物５の形状を特定する形状特定処理を実行する機能部である。
画像取得部１１０は、撮像装置２０にて撮像された撮像画像を取得するインタフェース部である。撮像装置２０が撮像した画像は、画像取得部１１０に逐次入力される。画像取得部１１０は、入力された撮像画像を線状光位置検出部１２０及び形状演算部１５０へ出力する。
線状光位置検出部１２０は、撮像画像内における線状光の線状光位置を演算処理により検出する。例えば、撮像画像において、線状光の直線方向を縦方向、線状光の直線方向に直交する方向を水平方向として、線状光位置検出部１２０は、まず、撮像画像の水平方向の各位置において縦方向に並ぶ各画素の輝度値の和をとり、縦方向のプロジェクション（以下、「プロジェクション波形」ともいう。）を取得する。そして、線状光位置検出部１２０は、プロジェクション波形に基づいて撮像画像内における線状光位置を特定する。撮像画像内における線状光位置は、例えばプロジェクション波形のピーク位置や重心位置等としてもよい。線状光位置検出部１２０は、算出した撮像画像内における線状光位置を、距離演算部１３０に出力する。
距離演算部１３０は、線状光位置検出部１２０により算出された撮像画像内における線状光位置に基づいて、撮像装置２０と測定対象物５との距離を算出する。距離演算部１３０は、撮像画像内における線状光位置と、撮像装置２０から予め決定された基準距離だけ離れた基準面に対する線状光照射装置１０および撮像装置２０の設置位置とにより、幾何学的に撮像装置２０と測定対象物５との距離を算出する。なお、距離演算部１３０による撮像装置２０と測定対象物５との距離の算出処理の詳細については後述する。距離演算部１３０は、算出した撮像装置２０と測定対象物５との距離を、フォーカス調整部１４０へ出力する。
フォーカス調整部１４０は、距離演算部１３０により算出された撮像装置２０と測定対象物５との距離に基づいて、撮像装置２０のフォーカスレンズ２２のフォーカス位置を調整する。本実施形態に係るフォーカスレンズ２２は、図１に示したように、フォーカスリング２４を回転させるモータ２６を備えるモータ駆動付レンズである。フォーカス調整部１４０は、撮像装置２０と測定対象物５との距離に基づいて、測定面５ａにフォーカスが合うようにフォーカスレンズ２２を移動させる指令をモータ２６に対して出力する。モータ２６は、例えばステッピングモータ等である。フォーカス調整部１４０は、例えば、測定対象物５の測定面５ａから所定の距離だけ離れた、フォーカスが合う距離位置にレンズが位置するよう、フォーカスリング２４をモータ２６により回転させ、フォーカスを調整する。フォーカス調整部１４０は、撮像装置２０から測定面５ａまでの距離とフォーカスが合うフォーカスリング２４の回転角との対応関係を予め保持しておいてもよい。この対応関係は、例えば、撮像装置２０からの距離を複数設定して、各距離においてサンプルを撮像し、各距離においてサンプルにフォーカスが合ったときのフォーカスリング２４の回転角を予め取得する等の手法により得てもよい。
形状演算部１５０は、撮像画像における線状光の曲がり具合に基づいて、測定対象物５の測定面５ａの凹凸形状を算出する。形状演算部１５０は、撮像画像の縦方向の各位置において最大輝度となる水平方向の位置を特定し、測定対象物５の測定面５ａの凹凸形状を算出する。なお、形状演算部１５０による測定対象物５の形状算出処理の詳細については後述する。形状演算部１５０は、算出した測定対象物５の形状を、結果出力部１６０へ出力する。
結果出力部１６０は、形状演算部１５０により算出された測定対象物５の測定面５ａの形状を、表示装置３０や記憶部４０に出力する。表示装置３０は、形状測定装置１００のために設けられたディスプレイであってもよく、形状測定装置１００以外の機器からの表示情報も出力可能なディスプレイであってもよい。表示装置３０に算出された測定対象物５の測定面５ａの形状を表示させることで、オペレータに測定対象物５の測定面５ａの形状を通知することができる。また、記憶部４０に測定対象物５の測定面５ａの形状を記憶することで、例えば、測定対象物５の測定面５ａにおいて凹凸形状のある位置を特定することができる。
以上、本実施形態に係る形状測定装置１００の機能構成について説明した。
＜２．形状測定装置による処理＞
次に、図３〜図６に基づいて、本実施形態に係る形状測定装置１００により行われる処理について説明する。本実施形態に係る形状測定装置１００は、撮像画像に基づき測定対象物５の測定面５ａの形状を特定する形状測定処理と、撮像画像に基づき撮像装置２０のフォーカスを調整するフォーカス調整処理とを行うことで、測定対象物と撮像装置との距離が変動しても、精度よく測定対象物の測定面５ａの形状を測定することを可能とする。
まず、線状光が照射されている測定対象物５の測定面５ａが撮像装置２０により撮像されており、撮像装置２０により撮像された撮像画像が、所定のタイミングで形状測定装置１００へ出力されているとする。形状測定装置１００は、図３に示すように、画像取得部１１０により、撮像装置２０が撮像した撮像画像を取得すると（Ｓ１００）、フォーカス調整処理（Ｓ１１０〜Ｓ１３０）及び形状測定処理（Ｓ１４０、Ｓ１５０）を開始する。形状測定処理とフォーカス調整処理とは、並列して実行してもよく、交互に実行してもよい。以下、各処理について詳細に説明していく。
［２−１．フォーカス調整処理］
フォーカス調整処理では、まず、線状光位置検出部１２０により、撮像画像内の線状光の線状光位置を算出する（Ｓ１１０）。図４に基づき、撮像画像内における線状光位置の算出方法を説明する。図４上側に示す撮像画像Ａは、図１に示した構成の形状測定システムにおいて、撮像装置２０により測定対象物５の測定面５ａを撮像した画像の一例である。撮像画像Ａにおいて、測定対象物５の搬送方向をＸ方向とし、Ｘ方向に対して直交する線状光１２の直線方向をＹ方向とする。撮像画像Ａは、Ｎ×Ｍ画素の画像Ｉ（ｘ，ｙ）であるとする（０≦ｘ≦Ｎ−１、０≦ｙ≦Ｍ−１）。ここで、ｘは各画素のＸ方向位置であり、ｙは各画素のＹ方向位置である。
線状光位置検出部１２０は、下記式（１）に基づき、図４の撮像画像Ａの水平方向（Ｘ方向）の各位置において、線状光１２の直線方向（縦方向、Ｙ方向）に並ぶ各画素の輝度値の和（累積輝度値）をとり、図４下側に示すような水平方向における各位置での累積輝度値を表した波形を取得する。この波形をプロジェクション波形という。線状光１２は縦方向に延びていることから、プロジェクション波形には線状光１２の位置がピークとなって現れる。線状光位置検出部１２０は、このようなプロジェクション波形に基づき、撮像画像Ａ内における線状光位置を特定する。
より詳細に説明すると、線状光位置は、線状光１２が照射されていない部分とは異なる輝度値で撮像画像Ａに現れる。したがって、プロジェクション波形においても、線状光１２が照射されている位置の累積輝度値は、他の位置の累積輝度値と比較して著しく高くなる。そこで、線状光位置検出部１２０は、プロジェクション波形において累積輝度値が著しく高くなっている位置を、線状光位置として検出する。線状光位置は、例えば下記式（２）に示すようにプロジェクション波形のピーク位置としてもよく、下記式（３）に示すように、プロジェクション波形の重心位置としてもよい。なお、プロジェクション波形を算出した撮像画像Ａが、測定対象物５にフォーカスがあっておらず、不鮮明だとしても、プロジェクション波形にピークが現れていれば、線状光位置検出部１２０は、線状光位置を特定することができる。
Figure 2016171265
線状光位置検出部１２０により線状光位置が特定されると、次に、距離演算部１３０により、線状光位置に基づき、撮像画像取得時における撮像装置２０と測定対象物５との距離が算出される（Ｓ１２０）。以下、図５に基づき、撮像装置２０と測定対象物５との距離の算出方法を説明する。
図５は、線状光照射装置１０及び撮像装置２０について、測定対象物５の測定面５ａと、撮像装置２０から当該撮像装置２０の光軸方向に基準距離Ｄ０だけ離隔した基準面Ｂとの位置関係を示す模式図である。基準距離Ｄ０は、撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄを算出するために予め設定された固定値である。例えば、図１に示すように測定対象物５の一側面を測定面５ａとする場合には、撮像装置２０と本来配置されるべき測定面５ａの計画上の位置との距離を、基準距離Ｄ０としてもよい。なお、本来配置されるべき測定面５ａの計画上の位置とは、例えば測定対象物５の幅中心が搬送ラインの幅方向中心Ｃと一致するような位置である。また、例えば、測定対象物５の上面を測定面５ａとする場合には、一側面を測定面５ａとしたときと同様に、撮像装置２０と本来配置されるべき上面の計画上の位置との距離を、基準距離Ｄ０としてもよい。
図５に示すように、撮像装置２０から基準距離Ｄ０だけ離隔した位置にある基準面Ｂは、その中心において撮像装置２０の光軸と直交するものとする。形状測定システムにおいて、撮像装置２０は、この基準面Ｂに対してフォーカスを合わせることができるように配置されている。また、線状光照射装置１０は、撮像装置２０の光軸から角度θだけ傾斜した方向から線状光１２を出射する。このとき、線状光照射装置１０は、基準面Ｂにおいて線状光１２が撮像装置２０の光軸と交差するように配置される。このように、形状測定システムは、測定対象物５の測定面５ａが基準面Ｂにあるときに、線状光１２を鮮明に撮像することができるように構成されている。
ここで、測定対象物５の測定面５ａが、撮像装置２０から離隔する方向に基準面Ｂの位置からずれたとする。このとき、測定面５ａにフォーカスが合わなくなるため、撮像装置２０の撮像画像Ａは不鮮明な画像となってしまう。そこで、撮像装置２０のフォーカスレンズ２２を測定面５ａにフォーカスが合う位置まで移動させるため、距離演算部１３０により撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄが算出される。
撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄは、下記式（４）で表される。式（４）において、ｄは基準面Ｂと測定面５ａの距離［mm］であり、下記式（５）、（６）により表される。式（５）において、Ｘ０は基準面Ｂにおける線状光位置（以下、「基準線状光位置」ともいう。）であり、Ｘは撮像画像Ａに現れる線状光１２の照射位置である。例えば、図５に示すように、測定対象物５が基準面Ｂに対して撮像装置２０より離隔すると、撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄは基準距離Ｄ０より大きくなる。このとき、撮像画像Ａにおいて、線状光位置Ｘは、線状光位置Ｘ０より紙面右側（線状光照射装置１０と反対側）に現れる。一方、測定対象物５が基準面Ｂに対して撮像装置２０に近づくと、撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄは基準距離Ｄ０より小さくなる。このとき、撮像画像Ａにおいて、線状光位置Ｘは、線状光位置Ｘ０より紙面左側（線状光照射装置１０側）に現れる。このように、撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄに応じて、線状光位置Ｘ０とステップＳ１１０にて検出された線状光位置Ｘとの間にはずれ（距離差Ｘｅ［pixel］）が生じる。このＸｅに対応する実空間での距離差は、距離Ｄにおける撮影分解能をｒ［mm/pixel］とすると、Ｘｅ・ｒであり、幾何学的関係からｄは（５）式で表される。また距離Ｄにおける撮影分解能ｒ［mm/pixel］は、距離Ｄ［mm］における撮像装置２０の視野幅をＷ［mm]とすると（６）式で表される。
Figure 2016171265
一方、基準面Ｂ（基準距離Ｄ０［mm］）における撮像装置２０の視野幅をＷ０［mm］としたとき、比例関係により下記式（７）の関係が成り立つ。また、基準面Ｂでの撮像分解能ｒ０はＷ０／Ｎであることより、ｒ０とｒの関係は下記式（８）となる。
Figure 2016171265
よって、距離Ｄは、式（４）、式（５）及び式（７）より、下記式（９）で表される。
Figure 2016171265
ここで、基準距離Ｄ０での撮像分解能ｒ０は、式（６）より下記式（１０）で表されるが、基準距離Ｄ０が距離差Ｘｅから導かれるＸｅ・ｒ０／ｔａｎθよりも十分に大きい場合には、上記式（９）の第二項の分母は１とみなすことができる。したがって、距離Ｄは、式（９）を簡略化した下記式（１０）により算出することができる。すなわち、距離Ｄは、基準距離Ｄ０と距離差ｒ０ｄとの和で表すことができる。本実施形態では、式（９）または式（１０）を距離関数として定義する。
Figure 2016171265
距離演算部１３０は、例えば距離関数である式（１０）に基づき撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄを算出する。そして、距離演算部１３０は、算出した距離Ｄをフォーカス調整部１４０へ出力する。
その後、フォーカス調整部１４０は、ステップＳ１２０にて算出された撮像装置２０から測定面５ａまでの距離Ｄに基づいて、撮像装置２０のフォーカスレンズ２２の位置を調整する（Ｓ１３０）。図５に示した例において、測定対象物５の測定面５ａが基準面Ｂからずれると、撮像画像Ａに現れる線状光位置Ｘは、基準線状光位置Ｘ０からＸｅだけＸ方向にずれてしまう。上述したように、測定対象物５の測定面５ａが基準面Ｂから撮像装置２０から離れる方向にずれた場合は、線状光位置Ｘは、図５下側に示すように線状光位置Ｘ０より紙面右側（すなわち、線状光照射装置１０と反対側）にずれる。一方、測定対象物５の測定面５ａが基準面Ｂから撮像装置２０に近づく方向にずれた場合は、線状光位置Ｘは、基準線状光位置Ｘ０より紙面左側（線状光照射装置１０側）にずれる。このように、線状光位置Ｘが基準線状光位置Ｘ０からずれてしまうと、撮像装置２０のフォーカスレンズ２２の焦点が測定面５ａに合わなくなる。撮像装置２０のフォーカスレンズ２２の焦点が合っていない状態で取得された撮像画像Ａは不鮮明となり、不鮮明な撮像画像Ａに基づき後述の形状測定処理を実行すると、線状光が太く撮影されるため、測定対象物５の形状測定精度は低下してしまう。
そこで、本実施形態に係る形状測定装置１００は、フォーカス調整部１４０により、撮像装置２０と測定対象物５との距離Ｄに基づいて、撮像装置２０のフォーカスレンズ２２のフォーカス位置を調整する。例えば、本実施形態に係るフォーカスレンズ２２がフォーカスリング２４を回転させるモータ２６を備えるモータ駆動付レンズである場合、フォーカス調整部１４０は、撮像装置２０と測定対象物５との距離Ｄに基づいて、フォーカスレンズ２２を所定の距離位置に移動させる指令をモータ２６に対して出力する。所定の距離位置は、撮像画像Ａを取得したときの測定対象物５の測定面５ａにおいてフォーカスが合うようになる位置とする。これにより、撮像装置２０により鮮明な撮像画像Ａが取得されるようになる。フォーカス調整部１４０は、予め取得した撮像装置２０から測定面５ａまでの距離とフォーカスが合うフォーカスリング２４の回転角との対応関係に基づき、フォーカスリング２４をモータ２６により回転させ、フォーカスを調整する。
このように、形状測定装置１００は、撮像装置２０から撮像画像Ａを取得する度にステップＳ１１０〜Ｓ１３０の処理を繰り返し行うことで、常に測定面５ａに対してフォーカスがあった状態とし、鮮明な画像を取得できるようにしている。
［２−２．形状測定処理］
一方、形状測定装置１００は、上述したフォーカス調整処理（Ｓ１１０〜Ｓ１３０）とともに、形状測定処理（Ｓ１４０、Ｓ１５０）を実行する。
まず、形状演算部１５０は、撮像画像における線状光の曲がり具合に基づいて、測定対象物５の測定面５ａの凹凸形状を算出する（Ｓ１４０）。ここで、図６に、測定面５ａに凸形状を有する測定対象物５の撮像画像Ａの一例を示す。測定面５ａが凹凸のない平坦面である場合には撮像画像Ａには直線状の線状光が現れるが、測定面５ａの凸形状があると、図６に示すように、撮像画像Ａには、直線部１２ａと、測定面５ａの凸形状によって生じた曲り部１２ｂとからなる線状光１２が現れる。
ここで、時刻ｔに撮像されたＮ×Ｍ画素の撮像画像Ａを、画像Ｉ（ｘ，ｙ｜ｔ）とする（０≦ｘ≦Ｎ−１、０≦ｙ≦Ｍ−１）。形状演算部１５０は、この撮像画像Ａの縦方向（Ｙ方向）の各位置において最大輝度となる水平方向（Ｘ方向）の位置を特定する。すなわち、形状演算部１５０は、下記式（１１）より、撮像画像Ａの縦方向（Ｙ方向）の各位置において最大輝度を与えるＸ座標Ｘｍａｘ（ｙ｜ｔ）を算出する。
Figure 2016171265
このとき計測される測定対象物５の凹凸形状を表す値（以下、「形状値」ともいう。）Ｚは、基準距離Ｄ０を形状の原点として、下記式（１２）のような離散値として取得される。
Figure 2016171265
なお、撮像装置２０の光軸と線状光照射装置１０の線状光１２の出射方向との角度θは３０°〜４５°の値に設定され、通常４５°に設定される。形状演算部１５０は、式（１２）に基づき時間方向に連続して撮像した各画像について形状値Ｚをそれぞれ求めることで、測定対象物５の測定面５ａ全体における形状を算出することができる。
また、画像の撮像間隔をΔｔ［秒］、測定対象物５の移動速度をｖ［ｍｍ／秒］としたとき、形状演算部１５０は、測定対象物５の測定面５ａの離散的な形状を、下記式（１３）で表される形状値Ｚに基づき算出することができる。なお、ｕは離散値（ｕ＝０、１、２、・・・）である。また、測定対象物５の移動方向をｕ方向（Ｘ方向と同一方向）、これに直交する方向をｖ方向（Ｙ方向と同一方向）とする。
Figure 2016171265
さらに、本実施形態では、形状演算部１５０は、上記式（１１）を用いて得られる、撮像画像Ａの縦方向（Ｙ方向）の各位置において最大輝度を与えるＸ座標により、測定対象物５の測定面５ａの撮像画像の画素単位の離散的な形状を取得したが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、撮像画像Ａの縦方向（Ｙ方向）の各位置において最大輝度を与えるＸ座標Ｘｍａｘ（ｙ｜ｔ）の代わりに、下記式（１４）で表される重心位置Ｘｇ（ｙ｜ｔ）を用いてもよい。重心位置Ｘｇ（ｙ｜ｔ）を用いることで、Ｙ方向（ｖ方向）の形状の、撮像画像の画素分解能に制限されない連続値を得ることができる。
Figure 2016171265
このようにして、形状演算部１５０により測定対象物５の測定面５ａの形状を表す変数である形状値Ｚが算出される。形状演算部１５０は、算出した形状値Ｚを、結果出力部１６０へ出力する。
結果出力部１６０は、形状演算部１５０から測定対象物５の形状を表す形状値Ｚを受けると、この算出結果を表示装置３０あるいは記憶部４０に出力する（Ｓ１５０）。表示装置３０は、形状値Ｚに基づき、測定対象物５の形状を表示し、オペレータに測定対象物５の形状を通知する。また、記憶部４０に記憶された測定対象物５の形状は、例えば、測定対象物５の測定面５ａにおいて凹凸形状のある位置を特定する等の情報として利用することができる。
形状測定装置１００は、撮像装置２０から撮像画像Ａを取得する度にステップＳ１４０及びＳ１５０の処理を繰り返し行い、測定対象物５の測定面５ａの形状を特定する。形状測定処理にて用いる撮像画像Ａは、上述したフォーカス調整処理によって取得された画像である。鮮明な撮像画像を用いて測定対象物５の形状を算出することで、形状測定装置１００は、より高精度に測定対象物５の形状を特定することが可能となる。
なお、前述のように、形状測定装置１００は、画像取得部１１０により撮像装置２０により撮像された撮像画像を取得すると（Ｓ１００）、フォーカス調整処理（Ｓ１１０〜Ｓ１３０）及び形状測定処理（Ｓ１４０、Ｓ１５０）を並列して実行してもよく、交互に実行してもよい。例えば、これらの処理を交互に実行する場合は、フォーカス調整処理（Ｓ１１０〜Ｓ１３０）によってフォーカスを調整した後に、次にフォーカス調整処理に用いた撮影画像と同一の撮像画像に対して、形状測定処理（Ｓ１４０、Ｓ１５０）を実行することになる。
以上、本実施形態に係る形状測定装置１００による、撮像装置２０のフォーカス調整処理及び形状測定処理について説明した。本実施形態によれば、別途距離センサを設置することなく、撮像画像Ａに現れる線状光１２の線状光位置から撮像装置２０と測定対象物５との距離を算出し、算出された距離の位置にある測定面にフォーカスが合うようにフォーカスレンズ２２を移動させる。これにより、フォーカスレンズ２２の位置を光軸方向に移動させるスイープ等の繰り返し処理を行うことなく、撮像装置２０により取得された撮像画像に基づきフォーカス調整することができ、時間遅れなく撮像装置２０により鮮明な撮像画像を得ることができる。その結果、撮像装置２０と測定対象物５との距離が変化しても、その変化に応じてフォーカスレンズ２２の位置を調整することができるため、撮像された線状光がぼやけて不鮮明となることを防止し、形状の測定精度を高く維持することができる。
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。
５ 測定対象物
５ａ 測定面
１０ 線状光照射装置
１２ 線状光
１２ａ 直線部
１２ｂ 曲り部
２０ 撮像装置
２２ フォーカスレンズ
２４ フォーカスリング
２６ モータ
３０ 表示装置
４０ 記憶部
１００ 形状測定装置
１１０ 画像取得部
１２０ 線状光位置検出部
１３０ 距離演算部
１４０ フォーカス調整部
１５０ 形状演算部
１６０ 結果出力部
Ａ 撮像画像
Ｂ 基準面
Figure 2016171265
 ここで、Ｄ０は前記基準距離、ｒ０は前記基準距離での撮像分解能、Ｘｅは前記撮像画像の画素単位での前記線状光位置と前記基準線状光位置との距離差、θは前記撮像装置の光軸と前記線状光の出射方向とのなす角である。
Figure 2016171265

Claims (9)

  1. 線状光照射装置により測定対象物に照射された線状光を撮像装置により撮像した撮像画像から、前記線状光の線状光位置を検出する線状光位置検出部と、
    前記撮像装置から所定の基準距離の位置に前記測定対象物が位置するときに前記線状光位置検出部により検出される基準線状光位置と、前記線状光位置検出部により検出された前記線状光位置との距離差、前記基準距離、及び、前記撮像装置の光軸と前記線状光の出射方向とのなす角に基づいて、前記撮像装置から前記測定対象物までの距離を演算する距離演算部と、
    前記撮像装置から前記測定対象物までの距離に基づいて、前記撮像装置のフォーカスを調整するフォーカス調整部と、
    前記撮像画像に基づいて、前記測定対象物の形状を演算する形状演算部と、
    を備える、形状測定装置。
  2. 前記距離演算部は、前記撮像装置の撮像分解能を用いて表された距離関数に基づき、前記撮像装置から前記測定対象物までの距離を演算する、請求項１に記載の形状測定装置。
  3. 前記距離演算部は、下記式（Ａ）に基づき、前記前記撮像装置から前記測定対象物までの距離Ｄを演算する、請求項２に記載の形状測定装置。
    Figure 2016171265
     ここで、Ｄ０は前記基準距離、ｒ０は前記基準距離での撮像分解能、Ｘｅは前記撮像画像の画素単位での前記線状光位置と前記基準線状光位置との距離差、θは前記撮像装置の光軸と前記線状光の出射方向とのなす角である。
  4. 前記距離演算部は、下記式（Ｂ）に基づき、前記前記撮像装置から前記測定対象物までの距離Ｄを演算する、請求項２に記載の形状測定装置。
    Figure 2016171265
     ここで、Ｄ０は前記基準距離、ｒ０は前記基準距離での撮像分解能、Ｘｅは前記撮像画像の画素単位での前記線状光位置と前記基準線状光位置との距離差、θは前記撮像装置の光軸と前記線状光の出射方向とのなす角である。
  5. 前記線状光位置検出部は、
    前記撮像画像の、線状光の直線方向に直交する方向の各位置における、前記線状光の直線方向に並ぶ各画素の輝度値の和を表したプロジェクション波形を算出し、
    前記プロジェクション波形のピーク位置を前記線状光位置とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
  6. 前記線状光位置検出部は、
    前記撮像画像の、線状光の直線方向に直交する方向の各位置における、前記線状光の直線方向に並ぶ各画素の輝度値の和を表したプロジェクション波形を算出し、
    前記プロジェクション波形の重心位置を前記線状光位置とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の形状測定装置。
  7. 前記形状演算部は、前記撮像画像の、前記線状光の直線方向の各位置毎に算出される、当該直線方向に直交する方向における最大輝度位置に基づき、前記測定対象物の形状を演算する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
  8. 前記形状演算部は、前記撮像画像の、前記線状光の直線方向の各位置毎に算出される、当該直線方向に直交する方向における輝度の重心位置に基づき、前記測定対象物の形状を演算する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の形状測定装置。
  9. 線状光照射装置により測定対象物に照射された線状光を撮像装置により撮像した撮像画像から、前記線状光の線状光位置を検出する線状光位置検出ステップと、
    前記撮像装置から所定の基準距離の位置に前記測定対象物が位置するときに検出される基準線状光位置と前記線状光位置との距離差、前記基準距離、及び、前記撮像装置の光軸と前記線状光の出射方向とのなす角に基づいて、前記撮像装置から前記測定対象物までの距離を演算する距離演算ステップと、
    前記撮像装置から前記測定対象物までの距離に基づいて、前記撮像装置のフォーカスを調整するフォーカス調整ステップと、
    前記撮像画像に基づいて、前記測定対象物の形状を演算する形状演算ステップと、
    を含む、形状測定方法。
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