光切断３次元計測装置
【課題】撮像装置の分解能に関わらず、求めた高さと着目位置の対応を明確にするとともに対象物の高さを精度よく求める。
【解決手段】光切断３次元計測装置１において、投影装置１０が対象物２にスリット光１００を投影し、撮像装置１１が対象物２のうち光切断線１０１を含む領域を投影装置１０の投影方向とは異なる方向から撮影して、撮像画像１１０を生成する。画像処理装置１３では、搬送装置１２によって移動させられている対象物２にある複数の着目位置のそれぞれを撮像画像１１０上で追跡し、各着目位置に対して、スリット光１００による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に撮像明度及び時刻を少なくとも３回計測する明度計測機能と、着目位置ごとに３つの撮像明度及び時刻を用いて上記撮像明度の最大値を求める最大値算出機能と、各着目位置の撮像明度の最大値を用いて着目位置間の相対的な高さを求める高さ算出手段機能とを有している。
【解決手段】光切断３次元計測装置１において、投影装置１０が対象物２にスリット光１００を投影し、撮像装置１１が対象物２のうち光切断線１０１を含む領域を投影装置１０の投影方向とは異なる方向から撮影して、撮像画像１１０を生成する。画像処理装置１３では、搬送装置１２によって移動させられている対象物２にある複数の着目位置のそれぞれを撮像画像１１０上で追跡し、各着目位置に対して、スリット光１００による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に撮像明度及び時刻を少なくとも３回計測する明度計測機能と、着目位置ごとに３つの撮像明度及び時刻を用いて上記撮像明度の最大値を求める最大値算出機能と、各着目位置の撮像明度の最大値を用いて着目位置間の相対的な高さを求める高さ算出手段機能とを有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の形状を計測する光切断３次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
対象物の形状を計測する従来の３次元計測装置として、対象物にスリット光を投影し、上記スリット光が投影された対象物の撮像画像（２次元画像）を取得し、取得した撮像画像に対し光切断線を横切る方向に沿って各画素の明度を計測して最大明度の画素（対象物の位置）を求めるもの（第１従来例の３次元計測装置）がある。第１従来例の３次元計測装置は、最大明度の位置の集合から光切断線の形状を認識し、認識した光切断線の形状に対し三角測量法を用いることによって対象物の高さを求めることができる。
【０００３】
ところが、第１従来例の３次元計測装置では、スリット光を対象物に向かって斜め方向から投影するため、対象物の高さによって、スリット光が投影される位置が異なってしまう。これにより、第１従来例の３次元計測装置には、光切断線の形状から求められた対象物の高さが実際には上記対象物のどの位置の値であるのかを正確に認識することができないという問題があった。つまり、対象物の高さごとに、計測位置が異なってしまっていた。
【０００４】
上記問題を解決するものとして、特許文献１には、スリット光ではなく、明領域と暗領域が形成された光パターンを対象物に投影し、上記光パターンの明領域と暗領域の境界線をイメージセンサ（撮像装置）の露光時間内に対象物全体に走査させることによって、対象物の各計測点での受光量を計測し、計測した受光量を用いて対象物の表面の３次元的な位置情報を求める第２従来例の３次元計測装置が開示されている。第２従来例の３次元計測装置によれば、イメージセンサの露光時間程度の極めて短い時間で対象物の３次元形状を求めることができる。
【特許文献１】特許第２９８７０００号公報（段落００２０〜００３１及び図１〜７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、第２従来例の３次元計測装置には、イメージセンサで各計測点の受光量を計測したときに、隣接する計測点の間では受光量の差が小さく、この受光量の差がイメージセンサの受光素子の光強度の分解能（撮像明度の分解能）に依存してしまうという問題があった。また、第２従来例の３次元計測装置には、対象物の走査方向の長さが長くなるほど、光パターンの明領域と暗領域の境界線を走査させる速度を速くする必要があることから、隣接する計測点での受光量の差がさらに小さくなり、対象物の表面の３次元的な位置情報の精度が低下するという問題も生じた。さらに、第２従来例の３次元計測装置では、上記境界線の幅が広がってしまうと、隣接する計測点での受光量の差を明確に計測することができず、対象物の表面の３次元的な位置情報を精度よく求めることができないという問題があった。
【０００６】
第１従来例の３次元計測装置においても、対象物に投影されるスリット光が幅を有しているため、スリット光の幅方向の中心からずれた点をスリット光の中心として認識してしまい、スリット光の幅よりも狭い精度で光切断線の形状を認識することができなかった。このため、第１従来例の３次元計測装置には、対象物の高さを精度よく求めることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的は、撮像装置の分解能に関わらず、求めた高さと着目位置の対応を明確にすることができるとともに対象物の高さを精度よく求めることができる光切断３次元計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、測定すべき対象物にスリット光を投影する投影手段と、前記投影手段と一体に設けられ当該投影手段と一の方向において予め設定された間隔を保持しながら前記対象物のうち少なくとも当該対象物に投影されたスリット光を含む領域を前記投影手段の投影方向とは異なる方向から撮影する撮像手段と、前記投影手段及び前記撮像手段と前記対象物との相対位置を前記一の方向において変化させる相対位置変動手段と、前記対象物にある複数の着目位置のそれぞれを、前記相対位置が異なるときに前記撮像手段によって撮影された複数の撮像画像上で追跡し、前記複数の着目位置のそれぞれに対して、当該着目位置が前記スリット光による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に当該着目位置の撮像明度及び相対位置を少なくとも３回計測する明度計測手段と、前記着目位置ごとに前記少なくとも３つの撮像明度及び相対位置を用いて当該撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求める最大値算出手段と、前記全ての着目位置の前記撮像明度が最大となる相対位置に対し三角測量法を用いて前記着目位置間の相対的な高さを求める高さ算出手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記撮像手段は、前記対象物に投影されたスリット光と並行に画素が配列される撮像素子を当該移動方向に少なくとも３本配置して有することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記撮像手段は、画素が格子状に配列された撮像素子を有し、前記対象物に投影されたスリット光と並行に配列されている撮像素子の撮像明度を読み出すことを可能とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記最大値算出手段は、前記スリット光の投影強度分布のように単調増加し、その後、単調減少する関数に、前記少なくとも３つ以上の撮像明度をあてはめて近似することによって、前記撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記相対位置変動手段によって前記相対位置が前記一の方向に変化したときに、前記投影手段及び前記撮像手段に対する前記対象物の相対的な移動量を実測する移動量実測手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記着目位置ごとの前記撮像明度の最大値を当該着目位置ごとに割り当てられた画素の画素値に対応させて画像を生成する最大値画像生成手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、計測した撮像明度及び相対位置から撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求めることによって、スリット光の幅より狭い精度で対象物の高さを求めることができる。また、位置が固定された着目位置の撮像明度を計測していることから、対象物の中で、どの位置の高さを求めているのかを認識することができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、スリット光パターンと並行に少なくとも３本のラインセンサを並べるように配置されているので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、ランダムアクセスが可能なエリアセンサが用いられていることによって、対象物の移動速度や投影手段及び撮像手段の構成に合わせて撮像領域を任意に変更することができるので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができるとともに、装置構成の変更を容易に行うことができる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、着目位置において取得された撮像明度の変化を光切断線を横切る方向の投影強度の変化関数にあてはめることによって、撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求める精度を向上させることができる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、前記投影手段及び前記撮像手段に対する対象物の相対的な移動量を実測することによって、対象物の運動が等速直線運動でない場合であっても、対象物上の着目位置を撮像画像上で正確に追跡することができるので、高精度な計測を行うことができる。
【００１９】
請求項６の発明によれば、撮像明度の最大値を着目位置ごとに画像化することによって、対象物に均一な光を照射して撮影した場合と同様の濃淡画像を取得することができるので、例えば対象物の高さと明るさの両方の情報を用いて検査を行ったり、計測された３次元形状データをコンピュータ上でＣＧ表示する際に必要なテキスチャ画像として用いたりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施形態１）
まず、実施形態１の光切断３次元計測装置１の構成について図１〜４を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光切断３次元計測装置１の構成図である。この光切断３次元計測装置１は、測定すべき対象物２にスリット光１００を投影する投影装置１０と、対象物２のうち少なくとも光切断線（対象物２に投影されたスリット光）１０１を含む領域を投影装置１０の投影方向とは異なる方向から撮影する撮像装置１１と、対象物２を一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）に移動させる搬送装置（相対位置変動手段）１２と、対象物２にある複数の着目位置Ａ〜Ｃ（図２参照）のそれぞれを撮像画像１１０上で追跡し、各着目位置Ａ〜Ｃでの撮像明度の最大値を求めることによって着目位置Ａ〜Ｃ間の相対的な高さを求める画像処理装置１３とを備えている。
【００２１】
投影装置１０は例えばスリットレーザー光源やプロジェクタなどであり、水平面から入射角θ（図１（ａ）参照）をなすスリット光１００を対象物２に投影する。投影されたスリット光１００は対象物２の表面で反射して、光切断線１０１をなす。
【００２２】
撮像装置１１は例えばテレビカメラなどのエリアカメラであり、撮像素子としてランダムアクセスが可能なＣ−ＭＯＳ撮像素子を搭載する。この撮像装置１１は画素を正方格子状に配列し、かつ各画素の画素値をランダムに読み出して撮像画像１１０をなすものである。撮像装置１１は、投影装置１０と一体に設けられて投受光器１４を構成する。このような構成の撮像装置１１は、投影装置１０と一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）において予め設定された間隔を保持しながら、光切断線１０１と並行に配列されている撮像素子の撮像明度を読み出すことを可能とする。投影装置１０と撮像装置１１の撮影中の位置関係は固定されている。撮像装置１１で撮像された撮像画像１１０は画像処理装置１３に転送される。
【００２３】
搬送装置１２は、スリット光１００の長手方向と直交する一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）に等速直線運動するように対象物２を駆動する。つまり、搬送装置１２は、投受光器１４（投影装置１０及び撮像装置１１）と対象物２との相対位置を一の方向において変化させるものである。
【００２４】
画像処理装置１３は例えばパソコン又は専用の処理装置若しくは制御装置などであり、撮像装置１１から撮像画像１１０が転送されると、対象物２内の同一線ｎ（図２参照）上にある複数の着目位置Ａ〜Ｃ（図２参照）のそれぞれを、投受光器１４と対象物２との相対位置が異なるときに撮影された複数の撮像画像１１０上で追跡し、複数の着目位置Ａ〜Ｃのそれぞれに対して、上記着目位置Ａ〜Ｃがスリット光１００による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に上記着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度及び時刻を３回計測する明度計測機能と、着目位置Ａ〜Ｃごとに明度計測機能を用いて計測された３つの撮像明度及び時刻を用いて上記撮像明度の最大値及び最大値となる投受光器１４と対象物２との相対位置を求める最大値検出機能と、各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度が最大となる相対位置に対し三角測量法を用いて着目位置Ａ〜Ｃ間の相対的な高さを求める高さ検出機能とを有している。また、画像処理装置１３は記憶部１３０を備え、撮像装置１１から転送された撮像画像１１０を記憶する。なお、各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度及び時刻の計測回数は３回に限定されるものではなく、４回以上であってもよい。
【００２５】
次に、本実施形態の動作について図２を用いて説明する。図２には、搬送装置１２（図１（ａ）参照）によって対象物２を移動させながら、撮像時刻ｔ１〜ｔ８の８回、光切断線１０１の全体が見えるように撮像素子の全画素を読み出した撮像画像１１０を示す。対象物２が移動するにつれて、撮像画像１１０上での対象物２の位置が変化して見える。ただし、投受光器１４（図１（ａ）参照）は固定されているので、撮像画像１１０上での光切断線１０１は対象物２の形状に応じて多少変形しつつも略同じ位置に見える。
【００２６】
ここで、対象物２の３点Ａ〜Ｃに着目する。対象物２が等速直線運動をしているので、これらの着目位置Ａ〜Ｃは、連続して撮影された２枚の撮像画像１１０上で毎回距離ｄ画素だけ移動しており、撮像時刻ｔ１〜ｔ８の間に光切断線１０１を通過する。上記距離ｄは、予め設定された対象物２の撮像時刻間隔δ間での実際の移動量Ｄと撮像画像１１０における１画素あたりの実空間での寸法ｒからｄ＝Ｄ／ｒで計算される。したがって、移動する対象物２の着目位置Ａ〜Ｃを撮像画像１１０上で追跡するのは容易である。各着目位置Ａ〜Ｃを追跡したときの各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度は図３のようになる。
【００２７】
着目位置Ａ〜ＣはＡ、Ｂ、Ｃの順で高さが低くなっているので（図１（ａ）参照）、光切断線１０１は、図２に示すようにＡ、Ｂ、Ｃの順に撮像画面１１０の下方向に歪んで見える。このため、図３に示すように、着目位置Ａ〜Ｃのそれぞれで撮像明度が最大となる撮像時刻が異なる。例えば撮像時刻ｔ５で撮像明度が最大となる着目位置Ｂを基準面高さとした場合、撮像時刻ｔ７で撮像明度が最大となる着目位置Ａでは光切断線１０１は撮像時刻間隔δ×２回の時間に移動した量、すなわち２Ｄだけ歪んでおり、撮像時刻ｔ３で撮像明度が最大となる点Ｃでは光切断線１０１は撮像時刻間隔δ×（−２）回の時間に移動した量、すなわち−２Ｄだけ歪んでいると推定できる。この歪み量を、着目位置Ａ，Ｃにおいて撮像明度が最大となるときの光切断線１０１（対象物２）と投受光器１４との相対位置とする。スリット光１００は水平面から角度θをなして投影されているので、図４に示すように着目位置Ａは着目位置Ｂに比べて２Ｄｔａｎθだけ高い位置にあり、着目位置Ｃは着目位置Ｂに比べて２Ｄｔａｎθだけ低い位置にあると求めることができる。
【００２８】
このように、対象物２を移動させながら撮像時刻間隔δで撮像を行い、各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度変化を計測して着目位置Ａ，Ｃで撮像明度が最大となる撮像時刻と基準面高さである着目位置Ｂで撮像明度が最大となる撮像時刻との差を求めることにより、着目位置Ａ〜Ｃについて撮像明度が最大となるときの投受光器１４と光切断線１０１（対象物２）との相対位置を求め、スリット光１００の入射角θの正接を乗じることにより各着目位置Ａ〜Ｃの高さ情報を取得することができる。
【００２９】
以上、本実施形態によれば、各対象物２の各着目位置Ａ〜Ｃで計測された撮像明度及び時刻から撮像明度の最大値及び最大値となる投受光器１４と対象物２との相対位置を求めることによって、スリット光１００の幅より狭い精度で対象物２の高さを求めることができる。また、位置が固定された着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度を計測していることから、対象物２の中で、どの位置の高さを求めているのかを認識することができる。
【００３０】
なお、実施形態１の変形例として、搬送装置１２ａは対象物２と投受光器１４の位置関係を相対的に変化させればよいので、図１（ｂ）に示す光切断３次元計測装置１ｂのように、対象物２が固定され投受光器１４が搬送装置１２ａによってスリット光１００の向きと直交する方向（図１（ｂ）の矢印ｍ２の方向）に等速直線運動するように駆動されるようにしてもよい。
【００３１】
（実施形態２）
撮像画面１１０上で横一列に並ぶ各着目位置Ａ〜Ｃでの撮像明度変化を取得する場合、撮像画像１１０全体を読み出す必要はなく、撮像画像１１０上で距離ｄ画素ずつ移動する３つの着目位置Ａ〜Ｃを追跡して各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度だけを読み出せばよい。
【００３２】
そこで、実施形態２の光切断３次元計測装置１は、図５に示す各撮像画像１１０上において上下方向に距離ｄ画素ずつ離れた横一列の走査線Ｌ１〜Ｌ８の画素値だけを撮像時刻間隔δごとに読み出すものとする。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
実施形態２において、着目位置Ａ〜Ｃは撮像画像１１０上で撮像時刻間隔δごとに走査線Ｌ１から走査線Ｌ８まで移動していくので、着目位置Ａ〜Ｃごとに走査線Ｌ１〜Ｌ８のどの位置で撮像明度が最大となったかを計測でき、撮像明度が最大となる撮像時刻が分かる。また、着目位置Ａ〜Ｃにおいて基準面高さで撮像明度が最大となる撮像時刻は撮像の回ごとに撮像時間間隔δだけ遅くなっていくから容易に推定できる。よって、対象物２が移動して着目位置Ａ〜Ｃがスリット光１００を通過していくとき、撮像画像１１０上で着目位置Ａ〜Ｃに対応する画素ごとに連続して３次元形状（高さ情報）を得ることができる。
【００３４】
デジタル転送方式の撮像装置１１においては単位時間あたりの転送データ量に限界があるので、単位時間内に取り込める撮像画像１１０の枚数（フレームレート）は転送する画像のデータ量に依存する。したがって、本実施形態の光切断３次元計測装置１によれば、撮像画像１１０上で上下方向に距離ｄ画素ずつ離れた８本の走査線Ｌ１〜Ｌ８の画素値だけを連続して読み出すだけで対象物２の形状を求めることができるので、１回の撮像あたりの転送データ量を従来の光切断３次元計測装置に比べて圧倒的に少なくしてフレームレートを高くすることができ、単位時間内に高さ情報を計測する計測点を大幅に増加させることができる。
【００３５】
また、実施形態２の画像処理装置１３は、着目位置Ａ〜Ｃごとの撮像明度の最大値を上記着目位置Ａ〜Ｃごとに割り当てられた画素の画素値に対応させて画像を生成する最大値画像生成機能を有している。つまり、本実施形態の光切断３次元計測装置１においては、着目位置Ａ〜Ｃごとに、撮像明度が最大となる撮像時刻とともに撮像明度の最大値も同時に取得できるので、この値を記録しておけば、高さ情報とともに対象物２に均一な光を照射して撮影した場合と同様の濃淡画像も同時に取得することができる。
【００３６】
以上、実施形態２によれば、ランダムアクセスが可能なエリアセンサが用いられていることによって、対象物２の移動速度や投影装置１０及び撮像装置１１の構成に合わせて撮像領域を任意に変更することができるので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができるとともに、装置構成の変更を容易に行うことができる。
【００３７】
また、撮像明度の最大値を着目位置Ａ〜Ｃごとに画像化することによって、対象物２に均一な光を照射して撮影した場合と同様の濃淡画像を取得することができるので、例えば対象物２の高さと明るさの両方の情報を用いて検査を行ったり、計測された３次元形状データをコンピュータ上でＣＧ表示（コンピュータグラフィック表示）する際に必要なテキスチャ画像として用いたりすることができる。
【００３８】
なお、実施形態２の変形例として、撮像装置１１は、搬送装置１２によって相対位置が一の方向に変化したときにおける撮像画像１１０内での対象物２の撮像領域の移動方向と直交する方向に画素が一列に配列されるラインセンサ（撮像素子）を上記移動方向に少なくとも３本配置して有するものであってもよい。つまり、実施形態２の撮像装置１１は正方格子状に画素が配列され、かつ撮像素子上の任意の位置の画素値をランダムに読み出すことができるものであるのに対し、本変形例の光切断３次元計測装置１では一定距離だけ離れ光切断線１０１に並行な少なくとも３本の走査線上の画素値のみを用いるので、受光面に結像する光切断線１０１と並行に複数のラインセンサを配置する構成とする。予め対象物２の移動速度や投受光器１４との位置関係などの条件が規定されているならば、上記構成とすることによりさらに高速な計測が可能となる。なお、光切断線１０１が上記少なくとも３本のラインセンサによる撮像領域内に含まれるように、３本のラインセンサを事前に設定する必要がある。
【００３９】
上記変形例によれば、光切断線１０１と並行に少なくとも３本のラインセンサを並べるように配置されているので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができる。
【００４０】
なお、上記走査線は、光切断線１０１の形状を十分に捕捉できるだけの数が必要である。すなわち、対象物２の高さ範囲が大きくなるほど多数の走査線を設定する必要がある。例えば、図６（ａ）に示すような三角形断面の対象物２ａを計測する場合、光切断線１０１は大きくハの字状に歪むので走査線Ｌｉの本数が多くしなければならない。ただし、対象物２ａの断面形状が概ね既知であるなら、走査線Ｌｉは図６（ｂ）に示すように光切断線１０１と略並行に設定することによって、少ない走査線Ｌｉで計測することが可能となる。上記のように複数のラインセンサを用いる構成の場合であっても、異形のラインセンサを光切断線１０１と略並行になるよう配置すればよい。
【００４１】
（実施形態３）
実施形態１の光切断３次元計測装置１では、画像処理装置１３は、着目位置Ａ〜Ｃごとに単純に撮像明度が最大となる撮像時刻をもとに投受光器１４との相対位置を求めているが、本実施形態の光切断３次元計測装置１では、着目位置Ａ〜Ｃごとに光切断線１０１を横切る前後の複数の位置での撮像明度を求め、その複数の位置での撮像明度を用いて統計的に撮像明度が最大となるときの投受光器１４と対象物２との相対位置を求めている。つまり、画像処理装置１３は、最大値算出機能を用いて、光切断線１０１の投影強度分布のように単調増加し、その後、単調減少する関数に、少なくとも３つ以上の撮像明度をあてはめて近似することによって、撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求める。これにより、高さ計測の分解能を向上することができる。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
例えば、投影されたスリット光１００を横断するときの撮像明度がおおよそ二次関数に近似できるとすれば、得られた撮像明度Ｉと時刻ｔを数１の二次関数に最小自乗近似すれば、投受光器１４と対象物２との相対位置ｐは数２により得ることができる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
【数２】
【００４５】
以上、実施形態３によれば、着目位置Ａ〜Ｃにおいて取得された撮像明度の変化を光切断線１０１を横切る方向の投影強度の変化関数にあてはめることによって、撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求める精度を向上させることができる。
【００４６】
なお、実施形態３では撮像明度の変化を二次関数に近似しているが、スリット光１００の投影強度の実際の変化状態にしたがって、二次関数に限らず矩形波やガウス分布など、明度が一度だけ単調増加し、かつ一度だけ単調減少する関数ならばどのような関数でも構わない。
【００４７】
また、上記撮像時刻間隔δの間における撮像画像１１０上での対象物２の移動量ｄは必ずしも整数になるとは限らない。このような場合、図７に示すように、移動量ｄを超えない最大の整数ｄ’間隔で２行分の画素値Ｉ（ｘ，ｕ）とＩ（ｘ，ｕ＋１）を読み出し、座標（ｘ，ｖ）の画素値Ｉ’（ｘ，ｖ）を数３によりＩ（ｘ，ｕ）とＩ（ｘ，ｕ＋１）から補間するようにすれば、より真値に近い撮像明度を得ることができ、特に上記のように関数近似により撮像明度が最大となる時刻を得るような場合に精度を向上させることができる。
【００４８】
【数３】
【００４９】
（実施形態４）
実施形態１においては対象物２が等速直線運動をするものであるが、搬送装置１２が例えばベルトコンベアのような送り速度が一定とならない装置であった場合、撮像時刻間隔δにおける対象物２の移動量Ｄに誤差が生じるため、計測精度が悪化するという問題が生じる。また、ベルトコンベアでは対象物２の蛇行が生じることがあるため、同一線ｎ上の着目位置Ａ〜Ｃを撮像画像１１０上で追跡するのに不具合が生じる。
【００５０】
そこで、実施形態４の光切断３次元計測装置１は、図１（ａ）に示す搬送装置１２によって投受光器１４と対象物２との相対位置が一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）に変化したときに、投受光器１４に対する対象物２の相対的な移動量を実測する移動量実測機能を撮像装置１１に有している。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
実施形態４の撮像装置１１は、図８（ａ）に示すようにベルトコンベアである搬送装置１２上に等間隔に印刷された白黒の縞パターンをラインカメラ視野１５の位置で等時間間隔で撮影して、図８（ｂ）のような画像１１１を取得する。図８（ｂ）の画像１１１において、縞の幅ｗ及び横方向位置ｐを読み取ることにより、対象物２が光切断線１０１を横切る際の移動速度及び横方向位置を実測することができる。また、この場合、撮像時刻間隔δ間での送り量のバラつきｃによって画像１１１上で見かけの移動量ｄが変化するので、走査線は送り量の見かけのバラつき量γ＝ｃ／ｒ分の幅を持つものとしておき、実測された移動速度をもとに撮像明度を参照する画素位置を調整する。
【００５２】
以上、本実施形態によれば、投受光器１４（投影装置１０及び撮像装置１１）に対する対象物２の相対的な移動量を実測することによって、対象物２の運動が等速直線運動でない場合であっても、対象物２上の着目位置Ａ〜Ｃを撮像画像１１０上で正確に追跡することができるので、高精度な計測を行うことができる。
【００５３】
なお、実施形態４の変形例として、エンコーダを用いて位置検出を行ってもよい。
【００５４】
（実施形態５）
実施形態１では撮像装置１１のレンズ歪みは無視できるものとしているが、広角レンズを有するカメラなどを用いる場合、レンズの歪みを無視することができない。
【００５５】
そこで、実施形態５では、図９（ａ）に示すようなテストターゲットを予め用いて、図９（ｂ）のように撮像画像１１０全体にわたって基準点位置を取得してレンズ歪み量を実測し、走査線Ｌｉの形状を図９（ｃ）に示すように変形させる。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
以上、本実施形態によれば、撮像装置１１のレンズによるレンズ歪みの影響を低減することができるので、高精度な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）が実施形態１〜５の光切断３次元計測装置の構成図、（ｂ）が実施形態１の変形例の構成図である。
【図２】光切断線の見え方を説明する図である。
【図３】対象物上の着目位置を追跡した際の明度変化を示す図である。
【図４】対象物の高さを求める原理を説明する図である。
【図５】実施形態２の光切断３次元計測装置において、走査線を設定して着目位置を追跡する方法を説明する図である。
【図６】同上において、走査線の設定方法の変形例において、（ａ）が投影装置と対象物との関係を示す図、（ｂ）が撮像画像を示す図である。
【図７】実施形態３の変形例において、撮像明度の補間方法を説明する図である。
【図８】実施形態４の光切断３次元計測装置において、（ａ）が搬送装置の上面図、（ｂ）が撮像画像を示す図である。
【図９】実施形態５の光切断３次元計測装置において、（ａ）がテストターゲットを示す図、（ｂ）が撮像画像を示す図、（ｃ）が走査線を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１ａ 光切断３次元計測装置
１０ 投影装置
１００ スリット光
１０１ 光切断線
１１ 撮像装置
１１０ 撮像画像
１２，１２ａ 搬送装置
１３ 画像処理装置
２，２ａ 対象物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の形状を計測する光切断３次元計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
対象物の形状を計測する従来の３次元計測装置として、対象物にスリット光を投影し、上記スリット光が投影された対象物の撮像画像（２次元画像）を取得し、取得した撮像画像に対し光切断線を横切る方向に沿って各画素の明度を計測して最大明度の画素（対象物の位置）を求めるもの（第１従来例の３次元計測装置）がある。第１従来例の３次元計測装置は、最大明度の位置の集合から光切断線の形状を認識し、認識した光切断線の形状に対し三角測量法を用いることによって対象物の高さを求めることができる。
【０００３】
ところが、第１従来例の３次元計測装置では、スリット光を対象物に向かって斜め方向から投影するため、対象物の高さによって、スリット光が投影される位置が異なってしまう。これにより、第１従来例の３次元計測装置には、光切断線の形状から求められた対象物の高さが実際には上記対象物のどの位置の値であるのかを正確に認識することができないという問題があった。つまり、対象物の高さごとに、計測位置が異なってしまっていた。
【０００４】
上記問題を解決するものとして、特許文献１には、スリット光ではなく、明領域と暗領域が形成された光パターンを対象物に投影し、上記光パターンの明領域と暗領域の境界線をイメージセンサ（撮像装置）の露光時間内に対象物全体に走査させることによって、対象物の各計測点での受光量を計測し、計測した受光量を用いて対象物の表面の３次元的な位置情報を求める第２従来例の３次元計測装置が開示されている。第２従来例の３次元計測装置によれば、イメージセンサの露光時間程度の極めて短い時間で対象物の３次元形状を求めることができる。
【特許文献１】特許第２９８７０００号公報（段落００２０〜００３１及び図１〜７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、第２従来例の３次元計測装置には、イメージセンサで各計測点の受光量を計測したときに、隣接する計測点の間では受光量の差が小さく、この受光量の差がイメージセンサの受光素子の光強度の分解能（撮像明度の分解能）に依存してしまうという問題があった。また、第２従来例の３次元計測装置には、対象物の走査方向の長さが長くなるほど、光パターンの明領域と暗領域の境界線を走査させる速度を速くする必要があることから、隣接する計測点での受光量の差がさらに小さくなり、対象物の表面の３次元的な位置情報の精度が低下するという問題も生じた。さらに、第２従来例の３次元計測装置では、上記境界線の幅が広がってしまうと、隣接する計測点での受光量の差を明確に計測することができず、対象物の表面の３次元的な位置情報を精度よく求めることができないという問題があった。
【０００６】
第１従来例の３次元計測装置においても、対象物に投影されるスリット光が幅を有しているため、スリット光の幅方向の中心からずれた点をスリット光の中心として認識してしまい、スリット光の幅よりも狭い精度で光切断線の形状を認識することができなかった。このため、第１従来例の３次元計測装置には、対象物の高さを精度よく求めることができないという問題があった。
【０００７】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、その目的は、撮像装置の分解能に関わらず、求めた高さと着目位置の対応を明確にすることができるとともに対象物の高さを精度よく求めることができる光切断３次元計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、測定すべき対象物にスリット光を投影する投影手段と、前記投影手段と一体に設けられ当該投影手段と一の方向において予め設定された間隔を保持しながら前記対象物のうち少なくとも当該対象物に投影されたスリット光を含む領域を前記投影手段の投影方向とは異なる方向から撮影する撮像手段と、前記投影手段及び前記撮像手段と前記対象物との相対位置を前記一の方向において変化させる相対位置変動手段と、前記対象物にある複数の着目位置のそれぞれを、前記相対位置が異なるときに前記撮像手段によって撮影された複数の撮像画像上で追跡し、前記複数の着目位置のそれぞれに対して、当該着目位置が前記スリット光による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に当該着目位置の撮像明度及び相対位置を少なくとも３回計測する明度計測手段と、前記着目位置ごとに前記少なくとも３つの撮像明度及び相対位置を用いて当該撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求める最大値算出手段と、前記全ての着目位置の前記撮像明度が最大となる相対位置に対し三角測量法を用いて前記着目位置間の相対的な高さを求める高さ算出手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記撮像手段は、前記対象物に投影されたスリット光と並行に画素が配列される撮像素子を当該移動方向に少なくとも３本配置して有することを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記撮像手段は、画素が格子状に配列された撮像素子を有し、前記対象物に投影されたスリット光と並行に配列されている撮像素子の撮像明度を読み出すことを可能とする。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項の発明において、前記最大値算出手段は、前記スリット光の投影強度分布のように単調増加し、その後、単調減少する関数に、前記少なくとも３つ以上の撮像明度をあてはめて近似することによって、前記撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求めることを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記相対位置変動手段によって前記相対位置が前記一の方向に変化したときに、前記投影手段及び前記撮像手段に対する前記対象物の相対的な移動量を実測する移動量実測手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項の発明において、前記着目位置ごとの前記撮像明度の最大値を当該着目位置ごとに割り当てられた画素の画素値に対応させて画像を生成する最大値画像生成手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明によれば、計測した撮像明度及び相対位置から撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求めることによって、スリット光の幅より狭い精度で対象物の高さを求めることができる。また、位置が固定された着目位置の撮像明度を計測していることから、対象物の中で、どの位置の高さを求めているのかを認識することができる。
【００１５】
請求項２の発明によれば、スリット光パターンと並行に少なくとも３本のラインセンサを並べるように配置されているので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができる。
【００１６】
請求項３の発明によれば、ランダムアクセスが可能なエリアセンサが用いられていることによって、対象物の移動速度や投影手段及び撮像手段の構成に合わせて撮像領域を任意に変更することができるので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができるとともに、装置構成の変更を容易に行うことができる。
【００１７】
請求項４の発明によれば、着目位置において取得された撮像明度の変化を光切断線を横切る方向の投影強度の変化関数にあてはめることによって、撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求める精度を向上させることができる。
【００１８】
請求項５の発明によれば、前記投影手段及び前記撮像手段に対する対象物の相対的な移動量を実測することによって、対象物の運動が等速直線運動でない場合であっても、対象物上の着目位置を撮像画像上で正確に追跡することができるので、高精度な計測を行うことができる。
【００１９】
請求項６の発明によれば、撮像明度の最大値を着目位置ごとに画像化することによって、対象物に均一な光を照射して撮影した場合と同様の濃淡画像を取得することができるので、例えば対象物の高さと明るさの両方の情報を用いて検査を行ったり、計測された３次元形状データをコンピュータ上でＣＧ表示する際に必要なテキスチャ画像として用いたりすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施形態１）
まず、実施形態１の光切断３次元計測装置１の構成について図１〜４を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態の光切断３次元計測装置１の構成図である。この光切断３次元計測装置１は、測定すべき対象物２にスリット光１００を投影する投影装置１０と、対象物２のうち少なくとも光切断線（対象物２に投影されたスリット光）１０１を含む領域を投影装置１０の投影方向とは異なる方向から撮影する撮像装置１１と、対象物２を一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）に移動させる搬送装置（相対位置変動手段）１２と、対象物２にある複数の着目位置Ａ〜Ｃ（図２参照）のそれぞれを撮像画像１１０上で追跡し、各着目位置Ａ〜Ｃでの撮像明度の最大値を求めることによって着目位置Ａ〜Ｃ間の相対的な高さを求める画像処理装置１３とを備えている。
【００２１】
投影装置１０は例えばスリットレーザー光源やプロジェクタなどであり、水平面から入射角θ（図１（ａ）参照）をなすスリット光１００を対象物２に投影する。投影されたスリット光１００は対象物２の表面で反射して、光切断線１０１をなす。
【００２２】
撮像装置１１は例えばテレビカメラなどのエリアカメラであり、撮像素子としてランダムアクセスが可能なＣ−ＭＯＳ撮像素子を搭載する。この撮像装置１１は画素を正方格子状に配列し、かつ各画素の画素値をランダムに読み出して撮像画像１１０をなすものである。撮像装置１１は、投影装置１０と一体に設けられて投受光器１４を構成する。このような構成の撮像装置１１は、投影装置１０と一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）において予め設定された間隔を保持しながら、光切断線１０１と並行に配列されている撮像素子の撮像明度を読み出すことを可能とする。投影装置１０と撮像装置１１の撮影中の位置関係は固定されている。撮像装置１１で撮像された撮像画像１１０は画像処理装置１３に転送される。
【００２３】
搬送装置１２は、スリット光１００の長手方向と直交する一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）に等速直線運動するように対象物２を駆動する。つまり、搬送装置１２は、投受光器１４（投影装置１０及び撮像装置１１）と対象物２との相対位置を一の方向において変化させるものである。
【００２４】
画像処理装置１３は例えばパソコン又は専用の処理装置若しくは制御装置などであり、撮像装置１１から撮像画像１１０が転送されると、対象物２内の同一線ｎ（図２参照）上にある複数の着目位置Ａ〜Ｃ（図２参照）のそれぞれを、投受光器１４と対象物２との相対位置が異なるときに撮影された複数の撮像画像１１０上で追跡し、複数の着目位置Ａ〜Ｃのそれぞれに対して、上記着目位置Ａ〜Ｃがスリット光１００による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に上記着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度及び時刻を３回計測する明度計測機能と、着目位置Ａ〜Ｃごとに明度計測機能を用いて計測された３つの撮像明度及び時刻を用いて上記撮像明度の最大値及び最大値となる投受光器１４と対象物２との相対位置を求める最大値検出機能と、各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度が最大となる相対位置に対し三角測量法を用いて着目位置Ａ〜Ｃ間の相対的な高さを求める高さ検出機能とを有している。また、画像処理装置１３は記憶部１３０を備え、撮像装置１１から転送された撮像画像１１０を記憶する。なお、各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度及び時刻の計測回数は３回に限定されるものではなく、４回以上であってもよい。
【００２５】
次に、本実施形態の動作について図２を用いて説明する。図２には、搬送装置１２（図１（ａ）参照）によって対象物２を移動させながら、撮像時刻ｔ１〜ｔ８の８回、光切断線１０１の全体が見えるように撮像素子の全画素を読み出した撮像画像１１０を示す。対象物２が移動するにつれて、撮像画像１１０上での対象物２の位置が変化して見える。ただし、投受光器１４（図１（ａ）参照）は固定されているので、撮像画像１１０上での光切断線１０１は対象物２の形状に応じて多少変形しつつも略同じ位置に見える。
【００２６】
ここで、対象物２の３点Ａ〜Ｃに着目する。対象物２が等速直線運動をしているので、これらの着目位置Ａ〜Ｃは、連続して撮影された２枚の撮像画像１１０上で毎回距離ｄ画素だけ移動しており、撮像時刻ｔ１〜ｔ８の間に光切断線１０１を通過する。上記距離ｄは、予め設定された対象物２の撮像時刻間隔δ間での実際の移動量Ｄと撮像画像１１０における１画素あたりの実空間での寸法ｒからｄ＝Ｄ／ｒで計算される。したがって、移動する対象物２の着目位置Ａ〜Ｃを撮像画像１１０上で追跡するのは容易である。各着目位置Ａ〜Ｃを追跡したときの各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度は図３のようになる。
【００２７】
着目位置Ａ〜ＣはＡ、Ｂ、Ｃの順で高さが低くなっているので（図１（ａ）参照）、光切断線１０１は、図２に示すようにＡ、Ｂ、Ｃの順に撮像画面１１０の下方向に歪んで見える。このため、図３に示すように、着目位置Ａ〜Ｃのそれぞれで撮像明度が最大となる撮像時刻が異なる。例えば撮像時刻ｔ５で撮像明度が最大となる着目位置Ｂを基準面高さとした場合、撮像時刻ｔ７で撮像明度が最大となる着目位置Ａでは光切断線１０１は撮像時刻間隔δ×２回の時間に移動した量、すなわち２Ｄだけ歪んでおり、撮像時刻ｔ３で撮像明度が最大となる点Ｃでは光切断線１０１は撮像時刻間隔δ×（−２）回の時間に移動した量、すなわち−２Ｄだけ歪んでいると推定できる。この歪み量を、着目位置Ａ，Ｃにおいて撮像明度が最大となるときの光切断線１０１（対象物２）と投受光器１４との相対位置とする。スリット光１００は水平面から角度θをなして投影されているので、図４に示すように着目位置Ａは着目位置Ｂに比べて２Ｄｔａｎθだけ高い位置にあり、着目位置Ｃは着目位置Ｂに比べて２Ｄｔａｎθだけ低い位置にあると求めることができる。
【００２８】
このように、対象物２を移動させながら撮像時刻間隔δで撮像を行い、各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度変化を計測して着目位置Ａ，Ｃで撮像明度が最大となる撮像時刻と基準面高さである着目位置Ｂで撮像明度が最大となる撮像時刻との差を求めることにより、着目位置Ａ〜Ｃについて撮像明度が最大となるときの投受光器１４と光切断線１０１（対象物２）との相対位置を求め、スリット光１００の入射角θの正接を乗じることにより各着目位置Ａ〜Ｃの高さ情報を取得することができる。
【００２９】
以上、本実施形態によれば、各対象物２の各着目位置Ａ〜Ｃで計測された撮像明度及び時刻から撮像明度の最大値及び最大値となる投受光器１４と対象物２との相対位置を求めることによって、スリット光１００の幅より狭い精度で対象物２の高さを求めることができる。また、位置が固定された着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度を計測していることから、対象物２の中で、どの位置の高さを求めているのかを認識することができる。
【００３０】
なお、実施形態１の変形例として、搬送装置１２ａは対象物２と投受光器１４の位置関係を相対的に変化させればよいので、図１（ｂ）に示す光切断３次元計測装置１ｂのように、対象物２が固定され投受光器１４が搬送装置１２ａによってスリット光１００の向きと直交する方向（図１（ｂ）の矢印ｍ２の方向）に等速直線運動するように駆動されるようにしてもよい。
【００３１】
（実施形態２）
撮像画面１１０上で横一列に並ぶ各着目位置Ａ〜Ｃでの撮像明度変化を取得する場合、撮像画像１１０全体を読み出す必要はなく、撮像画像１１０上で距離ｄ画素ずつ移動する３つの着目位置Ａ〜Ｃを追跡して各着目位置Ａ〜Ｃの撮像明度だけを読み出せばよい。
【００３２】
そこで、実施形態２の光切断３次元計測装置１は、図５に示す各撮像画像１１０上において上下方向に距離ｄ画素ずつ離れた横一列の走査線Ｌ１〜Ｌ８の画素値だけを撮像時刻間隔δごとに読み出すものとする。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００３３】
実施形態２において、着目位置Ａ〜Ｃは撮像画像１１０上で撮像時刻間隔δごとに走査線Ｌ１から走査線Ｌ８まで移動していくので、着目位置Ａ〜Ｃごとに走査線Ｌ１〜Ｌ８のどの位置で撮像明度が最大となったかを計測でき、撮像明度が最大となる撮像時刻が分かる。また、着目位置Ａ〜Ｃにおいて基準面高さで撮像明度が最大となる撮像時刻は撮像の回ごとに撮像時間間隔δだけ遅くなっていくから容易に推定できる。よって、対象物２が移動して着目位置Ａ〜Ｃがスリット光１００を通過していくとき、撮像画像１１０上で着目位置Ａ〜Ｃに対応する画素ごとに連続して３次元形状（高さ情報）を得ることができる。
【００３４】
デジタル転送方式の撮像装置１１においては単位時間あたりの転送データ量に限界があるので、単位時間内に取り込める撮像画像１１０の枚数（フレームレート）は転送する画像のデータ量に依存する。したがって、本実施形態の光切断３次元計測装置１によれば、撮像画像１１０上で上下方向に距離ｄ画素ずつ離れた８本の走査線Ｌ１〜Ｌ８の画素値だけを連続して読み出すだけで対象物２の形状を求めることができるので、１回の撮像あたりの転送データ量を従来の光切断３次元計測装置に比べて圧倒的に少なくしてフレームレートを高くすることができ、単位時間内に高さ情報を計測する計測点を大幅に増加させることができる。
【００３５】
また、実施形態２の画像処理装置１３は、着目位置Ａ〜Ｃごとの撮像明度の最大値を上記着目位置Ａ〜Ｃごとに割り当てられた画素の画素値に対応させて画像を生成する最大値画像生成機能を有している。つまり、本実施形態の光切断３次元計測装置１においては、着目位置Ａ〜Ｃごとに、撮像明度が最大となる撮像時刻とともに撮像明度の最大値も同時に取得できるので、この値を記録しておけば、高さ情報とともに対象物２に均一な光を照射して撮影した場合と同様の濃淡画像も同時に取得することができる。
【００３６】
以上、実施形態２によれば、ランダムアクセスが可能なエリアセンサが用いられていることによって、対象物２の移動速度や投影装置１０及び撮像装置１１の構成に合わせて撮像領域を任意に変更することができるので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができるとともに、装置構成の変更を容易に行うことができる。
【００３７】
また、撮像明度の最大値を着目位置Ａ〜Ｃごとに画像化することによって、対象物２に均一な光を照射して撮影した場合と同様の濃淡画像を取得することができるので、例えば対象物２の高さと明るさの両方の情報を用いて検査を行ったり、計測された３次元形状データをコンピュータ上でＣＧ表示（コンピュータグラフィック表示）する際に必要なテキスチャ画像として用いたりすることができる。
【００３８】
なお、実施形態２の変形例として、撮像装置１１は、搬送装置１２によって相対位置が一の方向に変化したときにおける撮像画像１１０内での対象物２の撮像領域の移動方向と直交する方向に画素が一列に配列されるラインセンサ（撮像素子）を上記移動方向に少なくとも３本配置して有するものであってもよい。つまり、実施形態２の撮像装置１１は正方格子状に画素が配列され、かつ撮像素子上の任意の位置の画素値をランダムに読み出すことができるものであるのに対し、本変形例の光切断３次元計測装置１では一定距離だけ離れ光切断線１０１に並行な少なくとも３本の走査線上の画素値のみを用いるので、受光面に結像する光切断線１０１と並行に複数のラインセンサを配置する構成とする。予め対象物２の移動速度や投受光器１４との位置関係などの条件が規定されているならば、上記構成とすることによりさらに高速な計測が可能となる。なお、光切断線１０１が上記少なくとも３本のラインセンサによる撮像領域内に含まれるように、３本のラインセンサを事前に設定する必要がある。
【００３９】
上記変形例によれば、光切断線１０１と並行に少なくとも３本のラインセンサを並べるように配置されているので、高速かつ高解像度の撮像を行うことができる。
【００４０】
なお、上記走査線は、光切断線１０１の形状を十分に捕捉できるだけの数が必要である。すなわち、対象物２の高さ範囲が大きくなるほど多数の走査線を設定する必要がある。例えば、図６（ａ）に示すような三角形断面の対象物２ａを計測する場合、光切断線１０１は大きくハの字状に歪むので走査線Ｌｉの本数が多くしなければならない。ただし、対象物２ａの断面形状が概ね既知であるなら、走査線Ｌｉは図６（ｂ）に示すように光切断線１０１と略並行に設定することによって、少ない走査線Ｌｉで計測することが可能となる。上記のように複数のラインセンサを用いる構成の場合であっても、異形のラインセンサを光切断線１０１と略並行になるよう配置すればよい。
【００４１】
（実施形態３）
実施形態１の光切断３次元計測装置１では、画像処理装置１３は、着目位置Ａ〜Ｃごとに単純に撮像明度が最大となる撮像時刻をもとに投受光器１４との相対位置を求めているが、本実施形態の光切断３次元計測装置１では、着目位置Ａ〜Ｃごとに光切断線１０１を横切る前後の複数の位置での撮像明度を求め、その複数の位置での撮像明度を用いて統計的に撮像明度が最大となるときの投受光器１４と対象物２との相対位置を求めている。つまり、画像処理装置１３は、最大値算出機能を用いて、光切断線１０１の投影強度分布のように単調増加し、その後、単調減少する関数に、少なくとも３つ以上の撮像明度をあてはめて近似することによって、撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求める。これにより、高さ計測の分解能を向上することができる。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４２】
例えば、投影されたスリット光１００を横断するときの撮像明度がおおよそ二次関数に近似できるとすれば、得られた撮像明度Ｉと時刻ｔを数１の二次関数に最小自乗近似すれば、投受光器１４と対象物２との相対位置ｐは数２により得ることができる。
【００４３】
【数１】
【００４４】
【数２】
【００４５】
以上、実施形態３によれば、着目位置Ａ〜Ｃにおいて取得された撮像明度の変化を光切断線１０１を横切る方向の投影強度の変化関数にあてはめることによって、撮像明度の最大値及び最大値となる相対位置を求める精度を向上させることができる。
【００４６】
なお、実施形態３では撮像明度の変化を二次関数に近似しているが、スリット光１００の投影強度の実際の変化状態にしたがって、二次関数に限らず矩形波やガウス分布など、明度が一度だけ単調増加し、かつ一度だけ単調減少する関数ならばどのような関数でも構わない。
【００４７】
また、上記撮像時刻間隔δの間における撮像画像１１０上での対象物２の移動量ｄは必ずしも整数になるとは限らない。このような場合、図７に示すように、移動量ｄを超えない最大の整数ｄ’間隔で２行分の画素値Ｉ（ｘ，ｕ）とＩ（ｘ，ｕ＋１）を読み出し、座標（ｘ，ｖ）の画素値Ｉ’（ｘ，ｖ）を数３によりＩ（ｘ，ｕ）とＩ（ｘ，ｕ＋１）から補間するようにすれば、より真値に近い撮像明度を得ることができ、特に上記のように関数近似により撮像明度が最大となる時刻を得るような場合に精度を向上させることができる。
【００４８】
【数３】
【００４９】
（実施形態４）
実施形態１においては対象物２が等速直線運動をするものであるが、搬送装置１２が例えばベルトコンベアのような送り速度が一定とならない装置であった場合、撮像時刻間隔δにおける対象物２の移動量Ｄに誤差が生じるため、計測精度が悪化するという問題が生じる。また、ベルトコンベアでは対象物２の蛇行が生じることがあるため、同一線ｎ上の着目位置Ａ〜Ｃを撮像画像１１０上で追跡するのに不具合が生じる。
【００５０】
そこで、実施形態４の光切断３次元計測装置１は、図１（ａ）に示す搬送装置１２によって投受光器１４と対象物２との相対位置が一の方向（図１（ａ）の矢印ｍ１の方向）に変化したときに、投受光器１４に対する対象物２の相対的な移動量を実測する移動量実測機能を撮像装置１１に有している。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５１】
実施形態４の撮像装置１１は、図８（ａ）に示すようにベルトコンベアである搬送装置１２上に等間隔に印刷された白黒の縞パターンをラインカメラ視野１５の位置で等時間間隔で撮影して、図８（ｂ）のような画像１１１を取得する。図８（ｂ）の画像１１１において、縞の幅ｗ及び横方向位置ｐを読み取ることにより、対象物２が光切断線１０１を横切る際の移動速度及び横方向位置を実測することができる。また、この場合、撮像時刻間隔δ間での送り量のバラつきｃによって画像１１１上で見かけの移動量ｄが変化するので、走査線は送り量の見かけのバラつき量γ＝ｃ／ｒ分の幅を持つものとしておき、実測された移動速度をもとに撮像明度を参照する画素位置を調整する。
【００５２】
以上、本実施形態によれば、投受光器１４（投影装置１０及び撮像装置１１）に対する対象物２の相対的な移動量を実測することによって、対象物２の運動が等速直線運動でない場合であっても、対象物２上の着目位置Ａ〜Ｃを撮像画像１１０上で正確に追跡することができるので、高精度な計測を行うことができる。
【００５３】
なお、実施形態４の変形例として、エンコーダを用いて位置検出を行ってもよい。
【００５４】
（実施形態５）
実施形態１では撮像装置１１のレンズ歪みは無視できるものとしているが、広角レンズを有するカメラなどを用いる場合、レンズの歪みを無視することができない。
【００５５】
そこで、実施形態５では、図９（ａ）に示すようなテストターゲットを予め用いて、図９（ｂ）のように撮像画像１１０全体にわたって基準点位置を取得してレンズ歪み量を実測し、走査線Ｌｉの形状を図９（ｃ）に示すように変形させる。なお、実施形態１と同様の構成要素については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
以上、本実施形態によれば、撮像装置１１のレンズによるレンズ歪みの影響を低減することができるので、高精度な計測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】（ａ）が実施形態１〜５の光切断３次元計測装置の構成図、（ｂ）が実施形態１の変形例の構成図である。
【図２】光切断線の見え方を説明する図である。
【図３】対象物上の着目位置を追跡した際の明度変化を示す図である。
【図４】対象物の高さを求める原理を説明する図である。
【図５】実施形態２の光切断３次元計測装置において、走査線を設定して着目位置を追跡する方法を説明する図である。
【図６】同上において、走査線の設定方法の変形例において、（ａ）が投影装置と対象物との関係を示す図、（ｂ）が撮像画像を示す図である。
【図７】実施形態３の変形例において、撮像明度の補間方法を説明する図である。
【図８】実施形態４の光切断３次元計測装置において、（ａ）が搬送装置の上面図、（ｂ）が撮像画像を示す図である。
【図９】実施形態５の光切断３次元計測装置において、（ａ）がテストターゲットを示す図、（ｂ）が撮像画像を示す図、（ｃ）が走査線を示す図である。
【符号の説明】
【００５８】
１，１ａ 光切断３次元計測装置
１０ 投影装置
１００ スリット光
１０１ 光切断線
１１ 撮像装置
１１０ 撮像画像
１２，１２ａ 搬送装置
１３ 画像処理装置
２，２ａ 対象物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定すべき対象物にスリット光を投影する投影手段と、
前記投影手段と一体に設けられ当該投影手段と一の方向において予め設定された間隔を保持しながら前記対象物のうち少なくとも当該対象物に投影されたスリット光を含む領域を前記投影手段の投影方向とは異なる方向から撮影する撮像手段と、
前記投影手段及び前記撮像手段と前記対象物との相対位置を前記一の方向において変化させる相対位置変動手段と、
前記対象物にある複数の着目位置のそれぞれを、前記相対位置が異なるときに前記撮像手段によって撮影された複数の撮像画像上で追跡し、前記複数の着目位置のそれぞれに対して、当該着目位置が前記スリット光による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に当該着目位置の撮像明度及び相対位置を少なくとも３回計測する明度計測手段と、
前記着目位置ごとに前記少なくとも３つの撮像明度及び相対位置を用いて当該撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求める最大値算出手段と、
前記全ての着目位置の前記撮像明度が最大となる相対位置に対し三角測量法を用いて前記着目位置間の相対的な高さを求める高さ算出手段と
を備えることを特徴とする光切断３次元計測装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記対象物に投影されたスリット光と並行に画素が配列される撮像素子を当該移動方向に少なくとも３本配置して有することを特徴とする請求項１記載の光切断３次元計測装置。
【請求項３】
前記撮像手段は、画素が格子状に配列された撮像素子を有し、前記対象物に投影されたスリット光と並行に配列されている撮像素子の撮像明度を読み出すことを可能とする請求項１記載の光切断３次元計測装置。
【請求項４】
前記最大値算出手段は、前記スリット光の投影強度分布のように単調増加し、その後、単調減少する関数に、前記少なくとも３つ以上の撮像明度をあてはめて近似することによって、前記撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光切断３次元計測装置。
【請求項５】
前記相対位置変動手段によって前記相対位置が前記一の方向に変化したときに、前記投影手段及び前記撮像手段に対する前記対象物の相対的な移動量を実測する移動量実測手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光切断３次元計測装置。
【請求項６】
前記着目位置ごとの前記撮像明度の最大値を当該着目位置ごとに割り当てられた画素の画素値に対応させて画像を生成する最大値画像生成手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光切断３次元計測装置。
【請求項１】
測定すべき対象物にスリット光を投影する投影手段と、
前記投影手段と一体に設けられ当該投影手段と一の方向において予め設定された間隔を保持しながら前記対象物のうち少なくとも当該対象物に投影されたスリット光を含む領域を前記投影手段の投影方向とは異なる方向から撮影する撮像手段と、
前記投影手段及び前記撮像手段と前記対象物との相対位置を前記一の方向において変化させる相対位置変動手段と、
前記対象物にある複数の着目位置のそれぞれを、前記相対位置が異なるときに前記撮像手段によって撮影された複数の撮像画像上で追跡し、前記複数の着目位置のそれぞれに対して、当該着目位置が前記スリット光による照度変化が生じている範囲内に含まれている間に当該着目位置の撮像明度及び相対位置を少なくとも３回計測する明度計測手段と、
前記着目位置ごとに前記少なくとも３つの撮像明度及び相対位置を用いて当該撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求める最大値算出手段と、
前記全ての着目位置の前記撮像明度が最大となる相対位置に対し三角測量法を用いて前記着目位置間の相対的な高さを求める高さ算出手段と
を備えることを特徴とする光切断３次元計測装置。
【請求項２】
前記撮像手段は、前記対象物に投影されたスリット光と並行に画素が配列される撮像素子を当該移動方向に少なくとも３本配置して有することを特徴とする請求項１記載の光切断３次元計測装置。
【請求項３】
前記撮像手段は、画素が格子状に配列された撮像素子を有し、前記対象物に投影されたスリット光と並行に配列されている撮像素子の撮像明度を読み出すことを可能とする請求項１記載の光切断３次元計測装置。
【請求項４】
前記最大値算出手段は、前記スリット光の投影強度分布のように単調増加し、その後、単調減少する関数に、前記少なくとも３つ以上の撮像明度をあてはめて近似することによって、前記撮像明度の最大値及び当該最大値となる前記相対位置を求めることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光切断３次元計測装置。
【請求項５】
前記相対位置変動手段によって前記相対位置が前記一の方向に変化したときに、前記投影手段及び前記撮像手段に対する前記対象物の相対的な移動量を実測する移動量実測手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光切断３次元計測装置。
【請求項６】
前記着目位置ごとの前記撮像明度の最大値を当該着目位置ごとに割り当てられた画素の画素値に対応させて画像を生成する最大値画像生成手段を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光切断３次元計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図５】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図８】
【図９】
【図５】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２９２４３４（Ｐ２００８−２９２４３４Ａ）
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４１１１９（Ｐ２００７−１４１１１９）
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月４日（２００８．１２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２８日（２００７．５．２８）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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