形状測定装置の校正方法、形状測定装置、校正用ターゲット
【課題】光断面式により形状を測定する形状測定装置の校正を、校正用ターゲットを頻繁に移動させることなく行うことのできる形状測定装置の校正方法、形状測定装置及び校正用ターゲットを提供する。
【解決手段】底面形状及び寸法が既知である柱体の校正用ターゲット２０に、校正用ターゲット２０の底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光体群２１〜２３を、校正用ターゲット２０の柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設し、発光体各々及びラインレーザの撮像画像と射影変換で複比が不変であることとに基づいて校正用ターゲット２０の特徴点の位置座標を同定し、装置校正を行う。
【解決手段】底面形状及び寸法が既知である柱体の校正用ターゲット２０に、校正用ターゲット２０の底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光体群２１〜２３を、校正用ターゲット２０の柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設し、発光体各々及びラインレーザの撮像画像と射影変換で複比が不変であることとに基づいて校正用ターゲット２０の特徴点の位置座標を同定し、装置校正を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法により測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非接触で光学的に物体の形状を測定する手法の一つとして光切断法が知られている。光切断法では、光源から測定対象に照射したラインレーザを該光源の光軸とは異なる角度から撮像装置で撮影し、その撮像画像に基づいて測定対象の形状を測定する。
但し、例えば測定環境に激しい振動が生じる場合には、光源及び撮像装置を含む光切断式センサの位置関係を一定に維持することができない。そのため、測定精度を維持するべく光切断式センサの位置関係を頻繁に校正する必要がある。
例えば、特許文献１には、校正用ターゲットを三次元空間で垂直方向に移動させ、その移動前後に撮像した校正用ターゲットの撮像画像に基づいて三次元空間上の座標系と撮像画像上の座標系との変換係数を算出することが開示されている。
また、特許文献２には、校正用ターゲットを基準位置に設置してその校正用ターゲットを撮像し、その撮像画像上の模様に基づいてひずみを補正することが開示されており、また、レーザ平面上に校正用ターゲットを設置することで歪み補正と同時に光切断法の校正を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３５８２８号公報
【特許文献２】特開２００７−２９２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光切断式センサを使用する環境によっては、上記特許文献１、２に係る構成では対応が難しい場合がある。
具体的に、光切断式センサを工場設備の一部として常設する場合であり、その工場設備における振動が激しい場合が考えられる。この場合、振動による光切断式センサの位置関係の変動が生じるため、頻繁に装置校正を行う必要がある。しかし、光切断式センサを動かすことができないため、校正用ターゲットを頻繁に移動させる必要がある。ところが、例えば数ｍにも及ぶ大型対象物を測定対象とする場合には、広くなった測定範囲に合わせて巨大化させた校正用ターゲットが必要になる。しかしながら、巨大化させた校正用ターゲットは運搬が困難であり、頻繁に動かすことはできない。
そのため、このような状況では、校正作業のために校正用ターゲットを何度か移動させることが必要となる上記特許文献１に係る構成は適用が難しい。もちろん、校正用ターゲットを平行移動させるための機構を用意することも考えられるが、その機器構成が煩雑となり、機器の操作も煩雑となる。
また、上記特許文献２に係る構成では、校正用ターゲットを設置する基準位置を定める必要があるが、その基準位置に大型の校正用ターゲットを正確に配置することは困難である。
従って、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光断面式により形状を測定する形状測定装置の校正を、校正用ターゲットを頻繁に移動させることなく行うことのできる形状測定装置の校正方法、形状測定装置及び校正用ターゲットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に適用されるものであって、底面形状及び寸法が既知である柱体の校正用ターゲットに、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段を、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設し、以下の各工程を実行する。
（１）前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定工程。
（２）全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定工程において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定工程。
（３）前記第２の同定工程で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正工程。
本発明によれば、校正用ターゲットを移動させる必要がないため、校正用ターゲットが大型である場合など、校正用ターゲットを基準位置に正確に設置しづらい状況でも装置校正を容易に行うことが可能である。
【０００６】
ここで、前記発光手段が、前記所定の光源と同一波長の光を発するものであることが望ましい。これにより、前記所定の撮像手段に、前記所定の光源から照射される特定波長の光のみを透過させる干渉フィルタが設けられる場合でも、前記所定の撮像手段で前記発光体の光を撮像することができる。
前記発光手段が、前記発光点各々に配置された複数の発光体であることが考えられる。また、前記発光手段は、前記発光点各々を通過する連続した一つの発光体であってもよい。
【０００７】
また、本発明は、形状測定装置の発明として捉えてもよい。即ち、所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置であって、底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設された校正用ターゲットと、前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定手段と、全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定手段において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定手段と、前記第２の同定手段で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正手段とを備えてなることを特徴とする形状測定装置として構成される。
【０００８】
さらに、本発明は、所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に用いられる柱体の校正用ターゲットであって、底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設されてなることを特徴とする校正用ターゲットとして捉えてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、校正用ターゲットを移動させる必要がないため、校正用ターゲットが大型である場合など、校正用ターゲットを基準位置に正確に設置しづらい状況でも装置校正を容易に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の概略構成を示す模式図。
【図２】射影変換の複比を説明するための図。
【図３】射影変化の内分比を説明するための図。
【図４】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の校正方法を説明するためのフロー図。
【図５】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の校正方法を説明するための図。
【図６】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の校正方法に用いられる校正用ターゲットの他の例を示す図。
【図７】撮像装置とラインレーザ平面との位置関係を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘは、光切断法により測定対象の形状を測定するものである。形状測定装置Ｘは、図１に示すように、光切断式センサ１０、校正用ターゲット２０、及び制御装置３０等を有している。
光切断式センサ１０は、画像を撮影するＣＣＤカメラなどの撮像装置１１（所定の撮像手段に相当）と、ラインレーザを照射するラインレーザ光源１２（所定の光源に相当）とを備えている。ここに、撮像装置１１及びラインレーザ光源１２は光軸の角度が異なる位置関係で配置されている。また、撮像装置１１には、ラインレーザ光源１２から照射されるラインレーザの波長の光のみを通過させる干渉フィルタが設けられている。即ち、撮像装置１１は、ラインレーザ光源１２と同波長の光のみを撮像することとなる。
【００１２】
校正用ターゲット２０は、階段形状を成す底面２０ａを有する柱体である。即ち、校正用ターゲット２０の天面も底面２０ａと同形状である。なお、校正用ターゲット２０の底面２０ａの形状及び寸法は既知であるものとする。
また、校正用ターゲット２０には、柱体高さ方向の位置が異なる複数組の発光体群２１〜２３が設けられている。発光体群２１、２２、２３は、底面２０ａの階段状部における各特徴点に対応するＬＥＤ等の発光体２１ａ〜２１ｅ、２２ａ〜２２ｅ、２３ａ〜２３ｅを有している。以下、発光体２１ａ〜２１ｅ、２２ａ〜２２ｅ、２３ａ〜２３ｅを総称するときは単に発光体と称する。
発光体群２１〜２３の発光体は、不図示の電源に接続されており、発光の有無が個別に制御可能である。ここに、発光体群２１〜２３各々の発光体は、ラインレーザ光源１２と同波長の光を発光する。そのため、撮像装置１１は、ラインレーザ光源１２のラインレーザと同様に発光体群２１〜２３の発光体の光を撮像することが可能である。
また、発光体群２１の発光体２１ａ〜２１ｅ各々を通過する平面は底面２０ａと平行であり、発光体群２２、２３についても同様である。さらに、発光体群２１〜２３における同一の特徴点に対応する発光体は同一直線上に存在する。なお、図１に示す例では、発光体群２１、２２、２３が、校正用ターゲット２０の高さ方向の下端部、中央部、上端部の３箇所に等間隔で配置されているが、これらの間隔は任意の間隔であってよい。
【００１３】
制御装置３０は、パーソナルコンピュータなどの演算装置であって、光切断式センサ１０の撮像装置１１及びラインレーザ光源１２や、発光体群２１〜２３の発光体などを制御する。具体的に、制御装置３０は、ラインレーザ光源１２から測定対象に照射したラインレーザを該ラインレーザ光源１２の光軸とは異なる角度から撮像装置１１で撮像し、その撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び撮像装置１１の位置関係とに基づいて測定対象の形状を測定する。なお、このような光切断法による形状測定手法は従来周知であるため、その詳細な説明を省略する。
【００１４】
ところで、本発明に係る形状測定装置の校正方法では、射影変換で複比が不変であることを利用する。そのため、まず図２及び図３を参照しつつ、射影変換の複比と内分比について説明する。
ここでは、図２に示すように、中心Ｏを通過する放射状の４本の直線Ｌ1〜Ｌ4が存在する場合を考える。そして、４本の直線Ｌ1〜Ｌ4に交差する２本の直線ｌ1、ｌ2を引いたとき、直線Ｌ1〜Ｌ4と直線ｌ1との交点をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとし、直線Ｌ1〜Ｌ4と直線ｌ2との交点をＡ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’とする。
この場合、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの複比（｜ＡＣ｜／｜ＣＢ｜）：（｜ＡＤ｜／｜ＤＢ｜）と、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’の複比（｜Ａ’Ｃ’｜／｜Ｃ’Ｂ’｜）：（｜Ａ’Ｄ’｜／｜Ｄ’Ｂ’｜）とは等しいことが知られている。そして、複比（ＡＤＣＢ）＝（｜ＡＣ｜・｜ＤＢ｜）／（｜ＡＢ｜・｜ＤＣ｜）であり、複比（Ａ’Ｄ’Ｃ’Ｂ’）＝（｜Ａ’Ｃ’｜・｜Ｄ’Ｂ’｜）／（｜Ａ’Ｂ’｜・｜Ｄ’Ｃ’｜）である。これにより、例えば交点Ａ、Ｂ、Ｄ、Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の座標が既知であれば、未知の交点Ｃの座標を導出することが可能である。
【００１５】
これに対し、図３（ａ）に示すように、中心Ｏを通過する放射状の３本の直線Ｌ11〜Ｌ13が存在する場合を考える。ここで、３本の直線Ｌ11〜Ｌ13に交差する２本の直線ｌ11、ｌ12を引いたとき、直線Ｌ11〜Ｌ13と直線ｌ11との交点をＡ、Ｂ、Ｃとし、直線Ｌ11〜Ｌ13と直線ｌ12との交点をＡ’、Ｂ’、Ｃ’とする。但し、直線ｌ11と直線ｌ12とは平行でないものとする。この場合、ＡＢ：ＢＣ≠Ａ’Ｂ’：Ｂ’Ｃ’である。
例えば、図３（ａ）において、ＡＢ＝ＢＣ＝５００ｍｍ、ＯＢ＝１０ｍ、ＯＢ’＝３５ｍｍである場合に、点Ｂを中心に直線ｌ11を角度θ［°］だけ回転させたときのＡ’Ｂ’、Ｂ’Ｃ’の比率（Ａ’Ｂ’／Ｂ’Ｃ’）は、図３（ｂ）に示すように最大で約１０％変動してしまうことになる。そのため、本発明に係る形状測定装置の校正方法では複比を利用する。
【００１６】
以下、図４のフローチャートに従って、本発明に係る形状測定装置の校正方法について説明する。なお、図中のＳ１、Ｓ２、…は各工程（ステップ）の番号を表している。また、制御装置３０が当該ステップＳ１〜Ｓ８の一連の処理手順を自動実行することにより校正処理が行われることも考えられる。
本発明に係る形状測定装置の校正方法は、校正用ターゲット２０を、撮像装置１１の撮像可能範囲内であってラインレーザ光源１２のラインレーザの照射範囲内に載置させた状態で開始する。
【００１７】
（ステップＳ１）
まず、ステップＳ１では、校正用ターゲット２０に設置された３組の発光体群２１〜２３のうち一組の発光体群２１のみを発光させ（図５（ａ）参照）、その状態を撮像装置１１で撮像する。これは、３組の発光体群２１〜２３を区別して撮像するためである。このとき撮像される画像が個別撮像画像に相当する。
【００１８】
（ステップＳ２）
そして、ステップＳ２では、ステップＳ１で撮像された撮像画像から発光体各々の設置位置を特徴点として抽出する。ここで抽出される特徴点の数は、校正用ターゲット２０の底面２０ａにおける特徴点の数と同じである。
なお、本実施の形態では、校正用ターゲットの特徴点に対応する箇所のみに発光体を設ける構成について説明するが、これに限らない。例えば、図６に示すように、校正用ターゲット２００の底面２００ａにおける特徴点に対応する箇所を通過して該校正用ターゲット２００の階段状部を縁取るように配置され、それぞれが連続する３組の発光体２１１〜２１３を用いることも考えられる。発光体２１１〜２１３は、校正用ターゲット２００の柱体高さ方向の位置が異なり、該校正用ターゲット２００の底面２００ａに平行である。このように構成された校正用ターゲット２００を用いる場合には、当該ステップＳ２において、ステップＳ１で撮像された撮像画像に基づいて、発光体２１１〜２１３の頂点部位（曲折部）各々を特徴点として抽出する。
【００１９】
（ステップＳ３）
そして、ステップＳ３では、ステップＳ２で抽出される特徴点に基づいて仮校正を行う。
具体的には、発光体がかたどる形状を仮想的なラインレーザ（以下「仮レーザ」と称する）の軌跡とみなし、その仮レーザと撮像装置１１との位置関係を求める。なお、仮レーザと撮像装置１１との位置関係を求める手法は特に限定されない。
光切断法の形状測定装置Ｘの装置校正は、撮像装置１１のレンズの焦点距離ｆと、基線長ｇ’（撮像装置１１から仮レーザ平面に対する垂線の長さ）と、撮像装置１１の仮レーザ平面に対する姿勢角成分α’、β’、γ’との各パラメータを導出することによって可能となる（後述の図７参照）。
なお、本発明に係る手法では校正用ターゲット２０の特徴点の絶対座標ではなく相対座標から各パラメータを導出するため、姿勢各成文β’によって相対座標値に変化はない。そのため、β’＝０とする。
このとき、既に仮レーザの軌跡の三次元座標は既知であるため、その仮レーザの軌跡の特徴点ｉ、ｊ間の距離Ｄijと計測結果Ｆij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）との二乗誤差をＥij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）とすると、以下の（１）式で表される誤差Ｅij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）を最小化することにより仮校正を行うことができる。
【数１】
ここで、形状測定装置Ｘの設計上、上記各パラメータが取り得る範囲は、ある程度限定される。そのため、パラメータ各々の最小値と最大値、探索用の一定ステップを定義し、全てのパラメータの組み合わせを探索して、誤差Ｅij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）が最小となるパラメータの組み合わせを求めればよい。もちろん、このような全探索を行うことなく、例えば、最急降下法やニュートン法、レベンバーグ・マーカート法などの非線形の数値計算手法によって誤差Ｅij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）が最小となるパラメータの組み合わせを求めてもよい。
このように、ステップＳ３では、発光中の発光体群２１〜２３のいずれかについて、発光体が配置された特徴点各々の三次元座標を同定することができる。
【００２０】
（ステップＳ４）
そして、ステップＳ４では、上記ステップＳ１〜Ｓ３と同様の処理を、３組の発光体群２１〜２３各々について実行したか否かを判定し、実行していなければ（Ｓ４のＮｏ側）、別の発光体群だけを発光させて（Ｓ４１）、前記ステップＳ２、Ｓ３と同様の処理を実行する（図５（ｂ）、（ｃ）参照）。このように発光体群２１〜２３各々を個別に発光させたときに撮像装置１１で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光体群２１〜２３各々の発光体の三次元空間における位置座標を同定する上記ステップＳ１〜Ｓ３が第１の同定工程に相当する。また、係る処理を制御装置３０が実行する場合には該制御装置が第１の同定手段に相当する。
その後、３組の発光体群２１〜２３各々の発光体の三次元座標が特定されると（Ｓ４のＹｅｓ側）、続いてステップＳ５を実行する。
なお、本実施の形態では、３組の発光体群２１〜２３が設けられている場合を例に挙げて説明するが、４組以上の発光体群を備える構成も考えられる。この場合には、その４組以上の発光体群のうち少なくとも３組の発光体群を用いればよい。
【００２１】
（ステップＳ５）
ステップＳ５では、３組の発光体群２１〜２３とラインレーザ光源１２とを同時に発光させて撮像装置１１で撮像する（図５（ｄ）参照）。このとき撮像される画像が同時撮像画像に相当する、なお、全組の発光体群２１〜２３の発光体各々の三次元座標は既に特定されているため、該発光体群２１〜２３の発光体の対応関係は認識可能である。また、発光体群２１〜２３とラインレーザ光源１２との区別も可能である。
【００２２】
（ステップＳ６）
そして、ステップＳ５で撮像された撮像画像からラインレーザの軌跡における特徴点を抽出する。ラインレーザの軌跡の角部（曲折部）をラインレーザの特徴点として抽出することが考えられる。また、発光体群２１〜２３の同一の特徴点に対応する発光体を結ぶ直線と、ラインレーザとの交点を特徴点として抽出することも考えられる。
ここで、このラインレーザの特徴点は、発光体群２１〜２３各々における発光体の数と同じである。また、ラインレーザの特徴点各々は、底面２０ａにおける同一の特徴点に対応する発光体群２１〜２３各々の発光体を結ぶ直線上に存在する。
【００２３】
（ステップＳ７）
ステップＳ６でラインレーザの特徴点が抽出されると、続くステップＳ７では、三次元空間上及び撮像画像上のラインレーザの発光体群２１〜２３各々の発光体の位置座標と射影変換で複比が変化しない点とに基づいて、ラインレーザの特徴点の三次元座標を導出する。
ここで、発光体群２１、２２、２３において一つの特徴点に対応して直線上に存在する３つの発光体の三次元座標をＰ0、Ｐ1、Ｐ2とし、撮像画像上の座標をｐ0、ｐ1、ｐ2とする。また、その発光体各々と同一直線上に存在するラインレーザの特徴点の三次元座標をＱ、撮像画像上の座標をｑとする。このとき、４点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｑは一直線上に並んでおり、４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑも一直線上に並んでいる。
前述したように、撮像画像上の４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑが成す複比と、実空間上の４点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｑが成す複比とは等しい。そのため、撮像画像上の４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑの座標と、実空間上の３点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2の三次元座標とに基づいて、ラインレーザの特徴点の三次元座標Ｑを導出することができる。
例えば、撮像画像上において、４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑが左側からｐ0、ｐ1、ｑ、ｐ2の順に並んでいたとすると、三次元空間上でも同じ順番で並んでいるので、複比の値をＲとすると、下記（２）式が成立する。
【数２】
そして、撮像画像上における４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑの座標と、三次元空間上の３点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2の三次元座標とは既知である。そのため、上記（２）式に基づいて、ラインレーザの特徴点の三次元座標Ｑを同定することができる。そして、ラインレーザの全ての特徴点の三次元座標を同定すれば、該ラインレーザの軌跡を同定することができる。このように射影変換で複比が変化しないことを利用してラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定するために実行される上記ステップＳ５〜Ｓ７が第２の同定工程に相当する。また、係る処理を制御装置３０が実行する場合には該制御装置が第２の同定手段に相当する。
【００２４】
（ステップＳ８）
その後、ステップＳ８では、ラインレーザと撮像装置１１との位置関係を求め、光切断式センサ１０についてラインレーザで形成される平面と撮像装置１１との位置関係を示すパラメータ等の校正を行う。ここに、係る工程が校正工程に相当し、係る処理を制御装置３０が実行する場合には該制御装置が校正手段に相当する。具体的に、光切断法の形状測定装置Ｘの装置校正は、撮像装置１１のレンズの焦点距離ｆ、基線長ｇ（撮像装置１１からラインレーザ平面１２ａに対する垂線の長さ）、撮像装置１１のラインレーザ平面１２ａに対する姿勢角成分α、β、γとの各パラメータ（図７参照）を導出することによって可能となる。
なお、本発明に係る手法では校正用ターゲット２０の特徴点の絶対座標ではなく相対座標から各パラメータを導出するため、姿勢角成分βによって相対座標値に変化はない。そのため、β＝０とする。
このとき、既にラインレーザの軌跡の三次元座標は既知であるため、そのラインレーザの軌跡の特徴点ｉ、ｊ間の距離Ｄijと計測結果Ｆij（ｆ，ｇ，α，β，γ）との二乗誤差をＥij（ｆ，ｇ，α，β，γ）とすると、以下の（３）式で表される誤差Ｅij（ｆ，ｇ，α，β，γ）を最小化することにより校正を行うことができる。例えば、図５（ｄ）に示す測定結果Ｒ１が測定結果Ｒ２となるように校正すればよい。
【数３】
ここで、形状測定装置Ｘの設計上、上記各パラメータが取り得る範囲は、ある程度限定される。そのため、上記パラメータ各々の最小値と最大値、探索用の一定ステップを定義し、全てのパラメータの組み合わせを探索して、誤差Ｅij（ｆ，ｇ，α，β，γ）が最小となるパラメータの組み合わせを求めればよい。もちろん、このような全探索を行うことなく、例えば、最急降下法やニュートン法、レベンバーグ・マーカート法などの非線形の数値計算手法によって誤差Ｅij（ｆ，ｇ，α，β，γ）が最小となるパラメータの組み合わせを求めてもよい。
【００２５】
以上、説明したように、本発明の校正方法によれば、たとえ校正用ターゲット２０の設置精度が悪くても、少なくとも３組の発光体群各々の発光体の座標から三次元空間上のラインレーザの軌跡を同定し、形状測定装置Ｘにおける測定誤差が最小となる各パラメータｆ、ｇ、α、β、γを求めて装置校正を実現することができる。また、本発明の校正方法によれば、校正用ターゲット２０を頻繁に動かす必要がないため操業現場への導入が容易である。特に、校正用ターゲット２０のサイズが大きい場合などに好適である。
【符号の説明】
【００２６】
１０：光切断式センサ
１１：撮像装置（所定の撮像手段に相当）
１２：ラインレーザ光源（所定の光源に相当）
１２ａ：ラインレーザ平面
２０、２００：校正用ターゲット
２０ａ：底面
２１〜２３：発光体群
２１ａ〜２１ｅ：発光体
２２ａ〜２２ｅ：発光体
２３ａ〜２３ｅ：発光体
３０：制御装置
Ｘ：形状測定装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光切断法により測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非接触で光学的に物体の形状を測定する手法の一つとして光切断法が知られている。光切断法では、光源から測定対象に照射したラインレーザを該光源の光軸とは異なる角度から撮像装置で撮影し、その撮像画像に基づいて測定対象の形状を測定する。
但し、例えば測定環境に激しい振動が生じる場合には、光源及び撮像装置を含む光切断式センサの位置関係を一定に維持することができない。そのため、測定精度を維持するべく光切断式センサの位置関係を頻繁に校正する必要がある。
例えば、特許文献１には、校正用ターゲットを三次元空間で垂直方向に移動させ、その移動前後に撮像した校正用ターゲットの撮像画像に基づいて三次元空間上の座標系と撮像画像上の座標系との変換係数を算出することが開示されている。
また、特許文献２には、校正用ターゲットを基準位置に設置してその校正用ターゲットを撮像し、その撮像画像上の模様に基づいてひずみを補正することが開示されており、また、レーザ平面上に校正用ターゲットを設置することで歪み補正と同時に光切断法の校正を行う方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−３５８２８号公報
【特許文献２】特開２００７−２９２６１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、光切断式センサを使用する環境によっては、上記特許文献１、２に係る構成では対応が難しい場合がある。
具体的に、光切断式センサを工場設備の一部として常設する場合であり、その工場設備における振動が激しい場合が考えられる。この場合、振動による光切断式センサの位置関係の変動が生じるため、頻繁に装置校正を行う必要がある。しかし、光切断式センサを動かすことができないため、校正用ターゲットを頻繁に移動させる必要がある。ところが、例えば数ｍにも及ぶ大型対象物を測定対象とする場合には、広くなった測定範囲に合わせて巨大化させた校正用ターゲットが必要になる。しかしながら、巨大化させた校正用ターゲットは運搬が困難であり、頻繁に動かすことはできない。
そのため、このような状況では、校正作業のために校正用ターゲットを何度か移動させることが必要となる上記特許文献１に係る構成は適用が難しい。もちろん、校正用ターゲットを平行移動させるための機構を用意することも考えられるが、その機器構成が煩雑となり、機器の操作も煩雑となる。
また、上記特許文献２に係る構成では、校正用ターゲットを設置する基準位置を定める必要があるが、その基準位置に大型の校正用ターゲットを正確に配置することは困難である。
従って、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光断面式により形状を測定する形状測定装置の校正を、校正用ターゲットを頻繁に移動させることなく行うことのできる形状測定装置の校正方法、形状測定装置及び校正用ターゲットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために本発明は、所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に適用されるものであって、底面形状及び寸法が既知である柱体の校正用ターゲットに、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段を、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設し、以下の各工程を実行する。
（１）前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定工程。
（２）全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定工程において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定工程。
（３）前記第２の同定工程で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正工程。
本発明によれば、校正用ターゲットを移動させる必要がないため、校正用ターゲットが大型である場合など、校正用ターゲットを基準位置に正確に設置しづらい状況でも装置校正を容易に行うことが可能である。
【０００６】
ここで、前記発光手段が、前記所定の光源と同一波長の光を発するものであることが望ましい。これにより、前記所定の撮像手段に、前記所定の光源から照射される特定波長の光のみを透過させる干渉フィルタが設けられる場合でも、前記所定の撮像手段で前記発光体の光を撮像することができる。
前記発光手段が、前記発光点各々に配置された複数の発光体であることが考えられる。また、前記発光手段は、前記発光点各々を通過する連続した一つの発光体であってもよい。
【０００７】
また、本発明は、形状測定装置の発明として捉えてもよい。即ち、所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置であって、底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設された校正用ターゲットと、前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定手段と、全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定手段において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定手段と、前記第２の同定手段で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正手段とを備えてなることを特徴とする形状測定装置として構成される。
【０００８】
さらに、本発明は、所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に用いられる柱体の校正用ターゲットであって、底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設されてなることを特徴とする校正用ターゲットとして捉えてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、校正用ターゲットを移動させる必要がないため、校正用ターゲットが大型である場合など、校正用ターゲットを基準位置に正確に設置しづらい状況でも装置校正を容易に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の概略構成を示す模式図。
【図２】射影変換の複比を説明するための図。
【図３】射影変化の内分比を説明するための図。
【図４】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の校正方法を説明するためのフロー図。
【図５】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の校正方法を説明するための図。
【図６】本発明の実施の形態に係る形状測定装置の校正方法に用いられる校正用ターゲットの他の例を示す図。
【図７】撮像装置とラインレーザ平面との位置関係を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。なお、以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
本発明の実施の形態に係る形状測定装置Ｘは、光切断法により測定対象の形状を測定するものである。形状測定装置Ｘは、図１に示すように、光切断式センサ１０、校正用ターゲット２０、及び制御装置３０等を有している。
光切断式センサ１０は、画像を撮影するＣＣＤカメラなどの撮像装置１１（所定の撮像手段に相当）と、ラインレーザを照射するラインレーザ光源１２（所定の光源に相当）とを備えている。ここに、撮像装置１１及びラインレーザ光源１２は光軸の角度が異なる位置関係で配置されている。また、撮像装置１１には、ラインレーザ光源１２から照射されるラインレーザの波長の光のみを通過させる干渉フィルタが設けられている。即ち、撮像装置１１は、ラインレーザ光源１２と同波長の光のみを撮像することとなる。
【００１２】
校正用ターゲット２０は、階段形状を成す底面２０ａを有する柱体である。即ち、校正用ターゲット２０の天面も底面２０ａと同形状である。なお、校正用ターゲット２０の底面２０ａの形状及び寸法は既知であるものとする。
また、校正用ターゲット２０には、柱体高さ方向の位置が異なる複数組の発光体群２１〜２３が設けられている。発光体群２１、２２、２３は、底面２０ａの階段状部における各特徴点に対応するＬＥＤ等の発光体２１ａ〜２１ｅ、２２ａ〜２２ｅ、２３ａ〜２３ｅを有している。以下、発光体２１ａ〜２１ｅ、２２ａ〜２２ｅ、２３ａ〜２３ｅを総称するときは単に発光体と称する。
発光体群２１〜２３の発光体は、不図示の電源に接続されており、発光の有無が個別に制御可能である。ここに、発光体群２１〜２３各々の発光体は、ラインレーザ光源１２と同波長の光を発光する。そのため、撮像装置１１は、ラインレーザ光源１２のラインレーザと同様に発光体群２１〜２３の発光体の光を撮像することが可能である。
また、発光体群２１の発光体２１ａ〜２１ｅ各々を通過する平面は底面２０ａと平行であり、発光体群２２、２３についても同様である。さらに、発光体群２１〜２３における同一の特徴点に対応する発光体は同一直線上に存在する。なお、図１に示す例では、発光体群２１、２２、２３が、校正用ターゲット２０の高さ方向の下端部、中央部、上端部の３箇所に等間隔で配置されているが、これらの間隔は任意の間隔であってよい。
【００１３】
制御装置３０は、パーソナルコンピュータなどの演算装置であって、光切断式センサ１０の撮像装置１１及びラインレーザ光源１２や、発光体群２１〜２３の発光体などを制御する。具体的に、制御装置３０は、ラインレーザ光源１２から測定対象に照射したラインレーザを該ラインレーザ光源１２の光軸とは異なる角度から撮像装置１１で撮像し、その撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び撮像装置１１の位置関係とに基づいて測定対象の形状を測定する。なお、このような光切断法による形状測定手法は従来周知であるため、その詳細な説明を省略する。
【００１４】
ところで、本発明に係る形状測定装置の校正方法では、射影変換で複比が不変であることを利用する。そのため、まず図２及び図３を参照しつつ、射影変換の複比と内分比について説明する。
ここでは、図２に示すように、中心Ｏを通過する放射状の４本の直線Ｌ1〜Ｌ4が存在する場合を考える。そして、４本の直線Ｌ1〜Ｌ4に交差する２本の直線ｌ1、ｌ2を引いたとき、直線Ｌ1〜Ｌ4と直線ｌ1との交点をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとし、直線Ｌ1〜Ｌ4と直線ｌ2との交点をＡ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’とする。
この場合、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの複比（｜ＡＣ｜／｜ＣＢ｜）：（｜ＡＤ｜／｜ＤＢ｜）と、Ａ’、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’の複比（｜Ａ’Ｃ’｜／｜Ｃ’Ｂ’｜）：（｜Ａ’Ｄ’｜／｜Ｄ’Ｂ’｜）とは等しいことが知られている。そして、複比（ＡＤＣＢ）＝（｜ＡＣ｜・｜ＤＢ｜）／（｜ＡＢ｜・｜ＤＣ｜）であり、複比（Ａ’Ｄ’Ｃ’Ｂ’）＝（｜Ａ’Ｃ’｜・｜Ｄ’Ｂ’｜）／（｜Ａ’Ｂ’｜・｜Ｄ’Ｃ’｜）である。これにより、例えば交点Ａ、Ｂ、Ｄ、Ａ’Ｂ’Ｃ’Ｄ’の座標が既知であれば、未知の交点Ｃの座標を導出することが可能である。
【００１５】
これに対し、図３（ａ）に示すように、中心Ｏを通過する放射状の３本の直線Ｌ11〜Ｌ13が存在する場合を考える。ここで、３本の直線Ｌ11〜Ｌ13に交差する２本の直線ｌ11、ｌ12を引いたとき、直線Ｌ11〜Ｌ13と直線ｌ11との交点をＡ、Ｂ、Ｃとし、直線Ｌ11〜Ｌ13と直線ｌ12との交点をＡ’、Ｂ’、Ｃ’とする。但し、直線ｌ11と直線ｌ12とは平行でないものとする。この場合、ＡＢ：ＢＣ≠Ａ’Ｂ’：Ｂ’Ｃ’である。
例えば、図３（ａ）において、ＡＢ＝ＢＣ＝５００ｍｍ、ＯＢ＝１０ｍ、ＯＢ’＝３５ｍｍである場合に、点Ｂを中心に直線ｌ11を角度θ［°］だけ回転させたときのＡ’Ｂ’、Ｂ’Ｃ’の比率（Ａ’Ｂ’／Ｂ’Ｃ’）は、図３（ｂ）に示すように最大で約１０％変動してしまうことになる。そのため、本発明に係る形状測定装置の校正方法では複比を利用する。
【００１６】
以下、図４のフローチャートに従って、本発明に係る形状測定装置の校正方法について説明する。なお、図中のＳ１、Ｓ２、…は各工程（ステップ）の番号を表している。また、制御装置３０が当該ステップＳ１〜Ｓ８の一連の処理手順を自動実行することにより校正処理が行われることも考えられる。
本発明に係る形状測定装置の校正方法は、校正用ターゲット２０を、撮像装置１１の撮像可能範囲内であってラインレーザ光源１２のラインレーザの照射範囲内に載置させた状態で開始する。
【００１７】
（ステップＳ１）
まず、ステップＳ１では、校正用ターゲット２０に設置された３組の発光体群２１〜２３のうち一組の発光体群２１のみを発光させ（図５（ａ）参照）、その状態を撮像装置１１で撮像する。これは、３組の発光体群２１〜２３を区別して撮像するためである。このとき撮像される画像が個別撮像画像に相当する。
【００１８】
（ステップＳ２）
そして、ステップＳ２では、ステップＳ１で撮像された撮像画像から発光体各々の設置位置を特徴点として抽出する。ここで抽出される特徴点の数は、校正用ターゲット２０の底面２０ａにおける特徴点の数と同じである。
なお、本実施の形態では、校正用ターゲットの特徴点に対応する箇所のみに発光体を設ける構成について説明するが、これに限らない。例えば、図６に示すように、校正用ターゲット２００の底面２００ａにおける特徴点に対応する箇所を通過して該校正用ターゲット２００の階段状部を縁取るように配置され、それぞれが連続する３組の発光体２１１〜２１３を用いることも考えられる。発光体２１１〜２１３は、校正用ターゲット２００の柱体高さ方向の位置が異なり、該校正用ターゲット２００の底面２００ａに平行である。このように構成された校正用ターゲット２００を用いる場合には、当該ステップＳ２において、ステップＳ１で撮像された撮像画像に基づいて、発光体２１１〜２１３の頂点部位（曲折部）各々を特徴点として抽出する。
【００１９】
（ステップＳ３）
そして、ステップＳ３では、ステップＳ２で抽出される特徴点に基づいて仮校正を行う。
具体的には、発光体がかたどる形状を仮想的なラインレーザ（以下「仮レーザ」と称する）の軌跡とみなし、その仮レーザと撮像装置１１との位置関係を求める。なお、仮レーザと撮像装置１１との位置関係を求める手法は特に限定されない。
光切断法の形状測定装置Ｘの装置校正は、撮像装置１１のレンズの焦点距離ｆと、基線長ｇ’（撮像装置１１から仮レーザ平面に対する垂線の長さ）と、撮像装置１１の仮レーザ平面に対する姿勢角成分α’、β’、γ’との各パラメータを導出することによって可能となる（後述の図７参照）。
なお、本発明に係る手法では校正用ターゲット２０の特徴点の絶対座標ではなく相対座標から各パラメータを導出するため、姿勢各成文β’によって相対座標値に変化はない。そのため、β’＝０とする。
このとき、既に仮レーザの軌跡の三次元座標は既知であるため、その仮レーザの軌跡の特徴点ｉ、ｊ間の距離Ｄijと計測結果Ｆij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）との二乗誤差をＥij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）とすると、以下の（１）式で表される誤差Ｅij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）を最小化することにより仮校正を行うことができる。
【数１】
ここで、形状測定装置Ｘの設計上、上記各パラメータが取り得る範囲は、ある程度限定される。そのため、パラメータ各々の最小値と最大値、探索用の一定ステップを定義し、全てのパラメータの組み合わせを探索して、誤差Ｅij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）が最小となるパラメータの組み合わせを求めればよい。もちろん、このような全探索を行うことなく、例えば、最急降下法やニュートン法、レベンバーグ・マーカート法などの非線形の数値計算手法によって誤差Ｅij（ｆ，ｇ’，α’，β’，γ’）が最小となるパラメータの組み合わせを求めてもよい。
このように、ステップＳ３では、発光中の発光体群２１〜２３のいずれかについて、発光体が配置された特徴点各々の三次元座標を同定することができる。
【００２０】
（ステップＳ４）
そして、ステップＳ４では、上記ステップＳ１〜Ｓ３と同様の処理を、３組の発光体群２１〜２３各々について実行したか否かを判定し、実行していなければ（Ｓ４のＮｏ側）、別の発光体群だけを発光させて（Ｓ４１）、前記ステップＳ２、Ｓ３と同様の処理を実行する（図５（ｂ）、（ｃ）参照）。このように発光体群２１〜２３各々を個別に発光させたときに撮像装置１１で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光体群２１〜２３各々の発光体の三次元空間における位置座標を同定する上記ステップＳ１〜Ｓ３が第１の同定工程に相当する。また、係る処理を制御装置３０が実行する場合には該制御装置が第１の同定手段に相当する。
その後、３組の発光体群２１〜２３各々の発光体の三次元座標が特定されると（Ｓ４のＹｅｓ側）、続いてステップＳ５を実行する。
なお、本実施の形態では、３組の発光体群２１〜２３が設けられている場合を例に挙げて説明するが、４組以上の発光体群を備える構成も考えられる。この場合には、その４組以上の発光体群のうち少なくとも３組の発光体群を用いればよい。
【００２１】
（ステップＳ５）
ステップＳ５では、３組の発光体群２１〜２３とラインレーザ光源１２とを同時に発光させて撮像装置１１で撮像する（図５（ｄ）参照）。このとき撮像される画像が同時撮像画像に相当する、なお、全組の発光体群２１〜２３の発光体各々の三次元座標は既に特定されているため、該発光体群２１〜２３の発光体の対応関係は認識可能である。また、発光体群２１〜２３とラインレーザ光源１２との区別も可能である。
【００２２】
（ステップＳ６）
そして、ステップＳ５で撮像された撮像画像からラインレーザの軌跡における特徴点を抽出する。ラインレーザの軌跡の角部（曲折部）をラインレーザの特徴点として抽出することが考えられる。また、発光体群２１〜２３の同一の特徴点に対応する発光体を結ぶ直線と、ラインレーザとの交点を特徴点として抽出することも考えられる。
ここで、このラインレーザの特徴点は、発光体群２１〜２３各々における発光体の数と同じである。また、ラインレーザの特徴点各々は、底面２０ａにおける同一の特徴点に対応する発光体群２１〜２３各々の発光体を結ぶ直線上に存在する。
【００２３】
（ステップＳ７）
ステップＳ６でラインレーザの特徴点が抽出されると、続くステップＳ７では、三次元空間上及び撮像画像上のラインレーザの発光体群２１〜２３各々の発光体の位置座標と射影変換で複比が変化しない点とに基づいて、ラインレーザの特徴点の三次元座標を導出する。
ここで、発光体群２１、２２、２３において一つの特徴点に対応して直線上に存在する３つの発光体の三次元座標をＰ0、Ｐ1、Ｐ2とし、撮像画像上の座標をｐ0、ｐ1、ｐ2とする。また、その発光体各々と同一直線上に存在するラインレーザの特徴点の三次元座標をＱ、撮像画像上の座標をｑとする。このとき、４点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｑは一直線上に並んでおり、４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑも一直線上に並んでいる。
前述したように、撮像画像上の４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑが成す複比と、実空間上の４点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｑが成す複比とは等しい。そのため、撮像画像上の４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑの座標と、実空間上の３点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2の三次元座標とに基づいて、ラインレーザの特徴点の三次元座標Ｑを導出することができる。
例えば、撮像画像上において、４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑが左側からｐ0、ｐ1、ｑ、ｐ2の順に並んでいたとすると、三次元空間上でも同じ順番で並んでいるので、複比の値をＲとすると、下記（２）式が成立する。
【数２】
そして、撮像画像上における４点ｐ0、ｐ1、ｐ2、ｑの座標と、三次元空間上の３点Ｐ0、Ｐ1、Ｐ2の三次元座標とは既知である。そのため、上記（２）式に基づいて、ラインレーザの特徴点の三次元座標Ｑを同定することができる。そして、ラインレーザの全ての特徴点の三次元座標を同定すれば、該ラインレーザの軌跡を同定することができる。このように射影変換で複比が変化しないことを利用してラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定するために実行される上記ステップＳ５〜Ｓ７が第２の同定工程に相当する。また、係る処理を制御装置３０が実行する場合には該制御装置が第２の同定手段に相当する。
【００２４】
（ステップＳ８）
その後、ステップＳ８では、ラインレーザと撮像装置１１との位置関係を求め、光切断式センサ１０についてラインレーザで形成される平面と撮像装置１１との位置関係を示すパラメータ等の校正を行う。ここに、係る工程が校正工程に相当し、係る処理を制御装置３０が実行する場合には該制御装置が校正手段に相当する。具体的に、光切断法の形状測定装置Ｘの装置校正は、撮像装置１１のレンズの焦点距離ｆ、基線長ｇ（撮像装置１１からラインレーザ平面１２ａに対する垂線の長さ）、撮像装置１１のラインレーザ平面１２ａに対する姿勢角成分α、β、γとの各パラメータ（図７参照）を導出することによって可能となる。
なお、本発明に係る手法では校正用ターゲット２０の特徴点の絶対座標ではなく相対座標から各パラメータを導出するため、姿勢角成分βによって相対座標値に変化はない。そのため、β＝０とする。
このとき、既にラインレーザの軌跡の三次元座標は既知であるため、そのラインレーザの軌跡の特徴点ｉ、ｊ間の距離Ｄijと計測結果Ｆij（ｆ，ｇ，α，β，γ）との二乗誤差をＥij（ｆ，ｇ，α，β，γ）とすると、以下の（３）式で表される誤差Ｅij（ｆ，ｇ，α，β，γ）を最小化することにより校正を行うことができる。例えば、図５（ｄ）に示す測定結果Ｒ１が測定結果Ｒ２となるように校正すればよい。
【数３】
ここで、形状測定装置Ｘの設計上、上記各パラメータが取り得る範囲は、ある程度限定される。そのため、上記パラメータ各々の最小値と最大値、探索用の一定ステップを定義し、全てのパラメータの組み合わせを探索して、誤差Ｅij（ｆ，ｇ，α，β，γ）が最小となるパラメータの組み合わせを求めればよい。もちろん、このような全探索を行うことなく、例えば、最急降下法やニュートン法、レベンバーグ・マーカート法などの非線形の数値計算手法によって誤差Ｅij（ｆ，ｇ，α，β，γ）が最小となるパラメータの組み合わせを求めてもよい。
【００２５】
以上、説明したように、本発明の校正方法によれば、たとえ校正用ターゲット２０の設置精度が悪くても、少なくとも３組の発光体群各々の発光体の座標から三次元空間上のラインレーザの軌跡を同定し、形状測定装置Ｘにおける測定誤差が最小となる各パラメータｆ、ｇ、α、β、γを求めて装置校正を実現することができる。また、本発明の校正方法によれば、校正用ターゲット２０を頻繁に動かす必要がないため操業現場への導入が容易である。特に、校正用ターゲット２０のサイズが大きい場合などに好適である。
【符号の説明】
【００２６】
１０：光切断式センサ
１１：撮像装置（所定の撮像手段に相当）
１２：ラインレーザ光源（所定の光源に相当）
１２ａ：ラインレーザ平面
２０、２００：校正用ターゲット
２０ａ：底面
２１〜２３：発光体群
２１ａ〜２１ｅ：発光体
２２ａ〜２２ｅ：発光体
２３ａ〜２３ｅ：発光体
３０：制御装置
Ｘ：形状測定装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法であって、
底面形状及び寸法が既知である柱体の校正用ターゲットに、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段を、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設し、
前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定工程と、
全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定工程において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定工程と、
前記第２の同定工程で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正工程と、
を実行することを特徴とする形状測定装置の校正方法。
【請求項２】
前記発光手段が、前記所定の光源と同一波長の光を発するものである請求項１に記載の形状測定装置の校正方法。
【請求項３】
前記発光手段が、前記発光点各々に配置された複数の発光体である請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置の校正方法。
【請求項４】
前記発光手段が、前記発光点各々を通過する連続した一つの発光体である請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置の校正方法。
【請求項５】
所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置であって、
底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設された校正用ターゲットと、
前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定手段と、
全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定手段において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定手段と、
前記第２の同定手段で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正手段と、
を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に用いられる柱体の校正用ターゲットであって、
底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設されてなることを特徴とする校正用ターゲット。
【請求項１】
所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法であって、
底面形状及び寸法が既知である柱体の校正用ターゲットに、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段を、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設し、
前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定工程と、
全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定工程において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定工程と、
前記第２の同定工程で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正工程と、
を実行することを特徴とする形状測定装置の校正方法。
【請求項２】
前記発光手段が、前記所定の光源と同一波長の光を発するものである請求項１に記載の形状測定装置の校正方法。
【請求項３】
前記発光手段が、前記発光点各々に配置された複数の発光体である請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置の校正方法。
【請求項４】
前記発光手段が、前記発光点各々を通過する連続した一つの発光体である請求項１又は２のいずれかに記載の形状測定装置の校正方法。
【請求項５】
所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置であって、
底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設された校正用ターゲットと、
前記発光手段各々を個別に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される個別撮像画像に基づいて該発光手段各々の発光点の三次元空間における位置座標を同定する第１の同定手段と、
全ての前記発光手段及び前記所定の光源を同時に発光させたときに前記所定の撮像手段で撮像される同時撮像画像における前記ラインレーザの特徴点各々の位置座標と前記第１の同定手段において同定された少なくとも３組の前記発光手段の発光点各々の三次元空間における位置座標と該３組の前記発光手段の発光点各々の撮像画像上における位置座標とに基づいて、射影変換で複比が変化しないことを利用して前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標を同定する第２の同定手段と、
前記第２の同定手段で同定された前記ラインレーザの特徴点各々の三次元空間における位置座標に基づいて前記ラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係を校正する校正手段と、
を備えてなることを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
所定の光源から測定対象に照射されたラインレーザを該所定の光源の光軸とは異なる角度から所定の撮像手段で撮像した撮像画像と、前記ラインレーザで形成されたラインレーザ平面及び前記所定の撮像手段の位置関係とに基づいて光切断法により前記測定対象の形状を測定する形状測定装置の校正方法に用いられる柱体の校正用ターゲットであって、
底面形状及び寸法が既知である柱体であり、前記校正用ターゲットの底面形状における複数の特徴点に対応し、該底面と平行に配置された複数の発光点を含む少なくとも３組の発光手段が、前記校正用ターゲットの柱体高さ方向の位置が異なり、且つそれぞれの前記特徴点と該特徴点に対応する前記発光点各々とが同一直線上に位置するように並設されてなることを特徴とする校正用ターゲット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１８９３７２（Ｐ２０１２−１８９３７２Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１５１９（Ｐ２０１１−５１５１９）
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月９日（２０１１．３．９）
【出願人】（０００００１１９９）株式会社神戸製鋼所 (5,860)
【Ｆターム（参考）】
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