形状計測装置
【課題】従来に比べてパターンの照射範囲を容易に設定可能で、高精度で距離計測が可能な形状計測装置を提供する。
【解決手段】形状計測面を撮像する撮像部１１と、撮像部からのタイミング信号にて動作制御され、投光パターン１５を形状計測面に投影する照射部７と、投光パターンの設定を行う投光パターン設定部５１と、投光パターン及び撮像画像により、投光パターンの照射範囲を設定する照射範囲設定部５３とを備えた。
【解決手段】形状計測面を撮像する撮像部１１と、撮像部からのタイミング信号にて動作制御され、投光パターン１５を形状計測面に投影する照射部７と、投光パターンの設定を行う投光パターン設定部５１と、投光パターン及び撮像画像により、投光パターンの照射範囲を設定する照射範囲設定部５３とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的手法によって非接触に測定対象物の３次元形状を計測するための形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の３次元形状を計測する光学式計測手段として、三角測量法に基づく光切断法や空間コード化法が知られている。前者の光切断法は、図１３のように、被計測物２５に対して一本のライン光２６を投影し、そのライン光を測定対象空間内で走査方向２７に走査して、被計測物２５の３次元形状を測定する。一方、後者の空間コード化法は、図１４に示すように、明部２９及び暗部３０からなる異なる明暗パターン２８を何種類も被計測物２５に投影することで、測定対象空間内の１点を観ていると光線が点滅することになり、測定対象空間内の各部を２進数コードで符号化することができる。よって、光線の区別が可能となり符号化された光線によって３次元形状が測定される。図１４には、空間コードが３ビットの場合の例を示しており、３枚の画像から測定対象空間内をコード化し、８種類のコードを区別することができる。
【０００３】
光切断法では、一枚の画像で一本のライン光を投影するため、ライン光を走査する度に画像を取得しなければならないが、空間コード化法では、１枚の画像で複数のライン光を投影するため、測定の高速化を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、光学式３次元形状計測は、投光装置と、撮像装置と、光偏向手段とによって構成され、投光装置からの光線は、測定平面に対して斜めから照射される。よって、投光装置側で等間隔に照射パターンを変更しても、測定平面上ではライン光が等間隔にならないという問題点があった。また、距離計測は、三角測量の原理に基づいて行なわれるが、精度良く計測するためには、高精度に部品を製作し、組み立てなければならないという問題点があった。
【０００５】
これに対し、高精度に測定を行うためのキャリブレーション方法として、例えば、特許文献１から３に開示される方法が挙げられる。
【０００６】
特許文献１では、レーザ光源と、偏向照射装置と、ＣＣＤカメラと、発光制御装置とを有し、レーザ光源からの明暗パターンがＣＣＤカメラの光軸に対して垂直な平面において等間隔となるように、発光制御装置がレーザ発光を制御して計測を行なう構成が開示されている。このような構成により、高精度に３次元計測を行なうことを可能にしている。
【０００７】
特許文献２では、投影部と撮像部とを有するとともに、距離計測を正確に行なうために、移動ステージと平面版とを用いて、距離計測パラメータのキャリブレーションを実施して計測を行なう、という構成が開示されている。このような構成により、部品精度や組み立て精度を高めずに、正確な距離計測を行なうことを可能にしている。
【０００８】
また、特許文献３では、スリット光照射手段は、ＣＣＤカメラの撮像タイミングに同期して、レーザ光を点滅させながら出力するレーザ光源と、レーザ光をＣＣＤカメラの露光時間内に走査するミラーとを備え、空間コード化画像を生成するとともに、空間コード化画像に基づいて測定対象物の座標を算出する、という構成が開示されている。このような構成により、露光時間を単位として、順次複数種類のスリット光を投影することができ、機械的なシャッターと比較して高速に画像を得ることを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２５６８３８８号公報
【特許文献２】特開２００３−６５７３８号公報
【特許文献３】特開平１０−３００４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１から３の各計測装置には、以下のような問題点がある。即ち、特許文献１において、ＣＣＤカメラから測定平面までの測定可能距離レンジを広くとるためには、ＣＣＤカメラの視野よりも広い範囲をスキャンする必要がある。一方、空間コード化法によって距離計測するためには、初めにＣＣＤカメラの視野範囲にレーザ光の照射範囲が収まるように設定し、その後にキャリブレーションを実施する必要がある。
【００１１】
これに対し特許文献１の構成は、照射範囲設定手段を有していない。よって、上記照射範囲を決定するためには、照射パターンを転送し、該照射パターンがＣＣＤカメラの視野範囲に収まっているか否かの確認を行い、収まっていない場合には、照射範囲を再度調整する。そして再び照射パターンを転送して、視野範囲に収まるか否かを確認する、という作業を繰り返し行なわなければならないという問題点がある。特に、外光の影響を抑制するために光源に赤外光を用いた場合には、照射範囲を目視で確認できないため、調整作業も大変時間のかかる作業となってしまうという問題がある。
【００１２】
また、上記特許文献２では、上述のように、部品や組み立て精度が低い場合でも、正確な距離計測を行なうことが可能であるが、特許文献１と同様に特許文献２でも、照射範囲設定手段を有していない。よって、照射パターンの転送、及び再調整の作業を繰り返し行なわなければならず、特に、光源に赤外光を用いた場合には、調整作業に大変な時間を要するという問題がある。
【００１３】
また、上記特許文献３では、ＣＣＤカメラの撮像装置と同期してレーザ光を点滅させているため、レーザ光の点滅に応じた画像を取得可能であり、また、偏向ミラーにはガルバノスキャナを用いているため、照射範囲を設定する場合にはミラー角度の指定が可能である。一方、例えばセンサヘッドの小型化のために、ＭＥＭＳミラーのような角度を制御できないミラーを使用する場合には、照射範囲を設定する必要が生じる。これに対し特許文献３の形状計測装置では、照射範囲を判定するための照射範囲設定手段を有さず、さらに、測定平面上を空間コード化法の最小単位以下の離散的な領域で区切っていないことから、照射範囲を設定することができないという問題がある。
【００１４】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べてパターンの照射範囲を容易に設定可能で、高精度で距離計測が可能な形状計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における形状計測装置は、形状計測面に対して光学的手法によって非接触で３次元形状計測を行う形状計測装置であって、撮像視野範囲にて上記形状計測面を撮像する撮像部と、上記撮像部から供給されるタイミング信号にて動作制御されて、上記形状計測面において上記撮像視野範囲を超える投影領域へ投光パターンを投影する照射部と、上記照射部にて上記形状計測面に投影される上記投光パターンの設定を行う投光パターン設定部と、上記撮像部から撮像画像が供給され、上記投光パターン設定部にて設定された上記投光パターン及び上記撮像画像により、上記投光パターンの上記形状計測面における照射範囲を設定する照射範囲設定部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様における形状計測装置によれば、撮像部から供給されるタイミング信号にて照射部は駆動制御され、さらに照射範囲設定部を備えたことから、撮像部の露光ごとに、照射範囲設定部は、撮像部にて撮像された画像を解析して、撮像部の視野内に投光パターンが存在するか否かを判断する。そして撮像部の視野内に投光パターンが入った時点で、照射範囲設定部は、照射範囲として設定する。よって、従来、手動で照射範囲を設定していたのに対して、自動で照射範囲の設定が可能となる。したがって、短時間で効率的かつ容易に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、高精度で距離計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す光検出器から出力される信号を示す図である。
【図３】図１に示す回転ミラーの駆動と光検出器の信号との関係を示す図である。
【図４】図１に示す形状計測装置にて実行される照射範囲を設定するための動作を示すフローチャートである。
【図５】図１に示す形状計測装置の動作を説明するための図である。
【図６】図１に示す形状計測装置にて照射範囲の設定を行った場合の照射範囲の位置ずれを示す図である。
【図７】図１に示す形状計測装置において照射範囲の位置ずれが生じた場合に、照射範囲の調整を行う動作のフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２による形状計測装置の概略構成及び動作を説明するための図である。
【図９】図８に示す形状計測装置にて実行される照射範囲を設定するための動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態３による形状計測装置の概略構成及び動作を説明するための図である。
【図１１】図１０に示す形状計測装置にて照射範囲の設定を行った場合の照射範囲の位置ずれを示す図である。
【図１２】図１０に示す形状計測装置において照射範囲の位置ずれが生じた場合に、照射範囲の調整を行う動作のフローチャートである。
【図１３】光切断法を示す説明図である。
【図１４】空間コード化法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態である形状計測装置、及び該形状計測装置にて実行される形状計測方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１９】
実施の形態１．
図１には、本実施の形態１による形状計測装置１００１を示している。形状計測装置１００１は、その基本的構成部分として、照射部と、撮像部と、投光パターン設定部５１と、照射範囲設定部５３とを備える。ここで、上記照射部は、以下に説明する投光装置７、コリメートレンズ群８、回転ミラー６、第１光検出器９、第２光検出器１０、及びスキャナ制御装置３を含む概念部分である。また、上記撮像部は、以下に説明する撮像装置１１、カメラ制御装置４、及び形状計測部５２を含む概念部分である。
【００２０】
また、本実施形態では、回転ミラー６、投光装置７、コリメートレンズ群８、第１光検出器９、第２光検出器１０、及び撮像装置１１を一体としてセンサヘッド２と呼び、投光パターン設定部５１、形状計測部５２、及び照射範囲設定部５３を一体としてセンサコントロール装置５と呼ぶ。尚、センサコントロール装置５は、実際にはコンピュータを用いて実現され、投光パターン設定部５１、形状計測部５２、及び照射範囲設定部５３は、それぞれの機能に対応するソフトウェアと、これを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリ等のハードウェアから構成されている。また、以下に説明する実施の形態１から３では、形状計測部５２は、センサコントロール装置５に含む形態にて構成するが、当該形状計測装置とは別に設けてもよい。
【００２１】
このような構成を有する形状計測装置１００１は、形状計測面１２に対して、以下で説明する投光パターンを照射し、被計測物の形状計測面１２について非接触で３次元形状計測を行う装置である。
以下には、形状計測装置１００１の各構成部分について説明する。
【００２２】
投光装置７は、光を出射するための装置であり、例えばＬＤ（Laser Diode）等の光源を有する。蛍光灯や太陽光は、可視光成分を多く含むため、光源には例えば７８０ｎｍの赤外光を使用することで、よりＳＮ比を向上させることができる。
【００２３】
コリメートレンズ郡８は、投光装置７から出射された光をライン光に変換するためのレンズ群であり、例えばフレネルレンズ等の複数のレンズから構成される。もちろん、複数のレンズではなく、一枚のレンズで構成しても良い。
【００２４】
回転ミラー６は、コリメートレンズ群８で変換されたライン光を、平面である形状計測面１２上で第１方向に沿って走査するための光偏向ミラーであり、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーやポリゴンミラー、ガルバノミラー等のミラーを使用可能である。ＭＥＭＳミラーを使用することは、センサヘッドサイズの小型化に有効であり、本実施の形態では、ＭＥＭＳミラーを使用した場合を例に採る。勿論、上述のような他のミラーを使用することも可能である。
【００２５】
第１光検出器９及び第２光検出器１０は、回転ミラー６にて偏向された上記ライン光が形状計測面１２上を第１方向に沿って走査される時間を計測する、より詳しくは、第１光検出器９と第２光検出器１０との間を走査される時間を計測するための光検出手段であり、例えば、２分割ＰＤ（Photo Diode）等が使用される。２分割ＰＤは、一つの素子に２つのＰＤが搭載され、図２のように二つのＰＤからの出力の差分信号を演算し、ゼロクロス点を検出信号とすることで高精度に時間間隔を計測することが可能である。もちろん、通常のＰＤを使用してピーク値を検出信号としても良い。
【００２６】
撮像装置１１は、形状計測面１２上の被計測物での反射光を受光するための撮影手段であり、集光用レンズと撮像素子とを有する。上記撮像素子として、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等が使用される。また、上記集光用レンズの前段に、不要な波長の光を除去するためにフィルターを挿入するのも効果的である。ここで、撮像装置１１の撮像視野範囲は、固定されており、例えば下記の投光パターン１５の移動に伴い移動するものではない。
【００２７】
カメラ制御装置４は、撮像装置１１の駆動を制御するための撮像装置制御手段であり、後段に配置されたセンサコントロール装置５に搭載されたアプリケーションからの信号によって、撮像装置１１を駆動制御する。
【００２８】
スキャナ制御装置３は、投光装置７を制御するための発光パターン制御手段である。スキャナ制御装置３は、カメラ制御装置４からの信号（タイミング信号）を受け取り、その信号によって投光装置７を駆動させる。
【００２９】
センサコントロール装置５における投光パターン設定部５１は、形状計測面１２上に照射する投光パターン１５のパターンそのもの及びパターンの幅を設定するための手段であり、形状計測部５２は、撮像装置１１からの信号を受信し、撮像装置１１と被計測物との距離、つまり被計測物の形状を計測するための手段であり、照射範囲設定部５３は、撮像装置１１からの信号により、形状計測面１２上に投影された投光パターン１５から、投光パターン１５の照射範囲を設定するための手段である。
【００３０】
尚、上記投光パターン１５とは、図１４に示すような、最低限一対の明部２９及び暗部３０から構成され、それぞれ明部２９及び暗部３０の対の数が異なる明暗パターン２８が相当する。また、投光パターン１５の幅とは、第１方向である走査方向において、投光パターン１５の一端から他端までの範囲に相当する。また、投光パターン１５の照射範囲の設定とは、上記幅つまり照射幅を有する投光パターン１５を、形状計測面１２のどの位置に照射するかを決定することをいう。
【００３１】
以上のように構成される本実施の形態１の形状計測装置１００１における動作について、以下に説明する。
まず、投光装置７の駆動手順について説明する。
撮像装置１１の撮像視野範囲１９よりも広範囲を照射する系において、投光装置７によって照射可能な形状計測面１２上の各点は、任意のスリットパターンを形成できるように、予め等間隔にアドレス１４が区切られている。一方、形状計測面１２へ照射する投光パターン１５は、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって決定される。尚、上記アドレス１４とは、単に、等間隔に区切られた形状計測面１２上の各区画の呼称である。
【００３２】
形状計測装置１００１の電源をＯＮすると、スキャナ制御装置３及びカメラ制御装置４が駆動され、回転ミラー６の回転が開始される。センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって設定された投光パターン１５の信号は、カメラ制御装置４へ送られ、また、カメラ制御装置４によって撮像装置１１の露光が開始される。撮像装置１１の露光が開始されると共に、投光パターン１５を露光するタイミング信号がスキャナ制御装置３へ送られ、このタイミング信号を元に、投光装置７は駆動される。
【００３３】
回転ミラー６は、固有の周波数で駆動されるが、このとき、回転ミラー６の振幅と、第１光検出器９及び第２光検出器１０から出力される信号とは、図３に示すような関係になる。回転ミラー６において常に同じ位置から投光パターン１５の投影が開始されるために、図３に示すように、第１光検出器９が２回目に光を検出した信号からｔ秒後の走査開始点１８から、スキャナ制御装置３は投光装置７の発光を開始するように設定されている。つまり、カメラ制御装置４からタイミング信号がスキャナ制御装置３に供給されると、スキャナ制御装置３は、第１光検出器９の２回目の信号を検知し、そのｔ秒後に、投光装置７の駆動を開始するように制御する。
【００３４】
尚、本実施の形態では、投光装置７の駆動開始を、上述のように第１光検出器９の２回目の信号検知からｔ秒後としたが、例えば、第１光検出器９による１回目及び２回目の光検知の中点からｔ秒後としてもよい。
投光装置７が駆動されることで、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって予め設定された投光パターン１５が形状計測面１２上に照射される。
【００３５】
次に、形状計測装置１００１における照射範囲の設定方法について、図４のフローチャートを用いて以下に説明する。
初めに、ステップ１０１にて、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって投光パターン１５が設定される。このときの投光パターン１５は、形状計測面１２における投光パターン１５の第１方向（走査方向）１５ａにおいて、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅に相当するアドレス１４を連続的に照射するように設定される。このように、投光パターン１５を照射する幅つまり照射幅が設定され、これは、例えばアドレス何個分という形で設定可能であり、ここでは、撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅に相当する領域にて、この段階では形状計測面１２を走査することなく形状計測面１２上の同一箇所を、照射するように設定される。また、本実施形態では図１に示すように、投光パターン１５は、形状計測面１２上の、投影領域に相当する全走査領域１３の一番左から照射するように設定される。
【００３６】
一方、上述のように、撮像装置１１の撮像視野範囲は固定されており、上述のように単に照射幅を決定しただけでは投光パターン１５が撮像装置１１の撮像視野範囲１９から外れた位置に照射される可能性もある。そこで、照射幅が決定された投光パターン１５を撮像装置１１の撮像視野範囲１９に含ませるための操作が必要である。以下には、この操作について説明する。
【００３７】
設定された投光パターン１５は、ステップ１０２で、カメラ制御装置４に送られ、カメラ制御装置４は、撮像装置１１の露光を開始する。この露光開始と同時に撮像装置１１は、タイミング信号を発し、該タイミング信号を元に投光装置７が駆動される。よって、投光パターン１５は、形状計測面１２上に照射される。
【００３８】
次にステップ１０３にて、撮像装置１１にて撮像された画像の画像信号がカメラ制御装置４を介してセンサコントロール装置５の照射範囲設定部５３へ送られる。
次のステップ１０４では、取り込まれた画像をセンサコントロール装置５の照射範囲設定部５３によって画像解析にて解析し、撮像装置１１にて撮像された画像に、投光パターン１５が存在するか否かが判定される。撮像画像内に投光パターン１５が取り込まれていれば、ステップ１０５にて、照射範囲の設定を完了する。
【００３９】
一方、ステップ１０４にて、撮像画像内に投光パターン１５が取り込まれていなければ、ステップ１１１へ進む。ここで照射範囲設定部５３は、図５に示すように、ステップ１０１にて設定した投光パターン１５の終了位置を開始位置として、撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅に相当する領域にて、形状計測面１２上を照射するように、投光パターン１５を再設定する。そして再度ステップ１０２へ進む。
【００４０】
その後、このように、ステップ１０４にて投光パターン１５が撮像装置１１の撮像視野範囲１９に入るまで、つまり撮像画像内に投光パターン１５が取り込まれるまで、ステップ１０２、１０３，１０４、１１１が繰り返される。即ち、このような動作により、投光パターン１５は、走査領域１３の一番左から順次、右端へ、走査方向１５ａに沿って照射されていく。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態１の形状計測装置１００１によれば、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ、或いは若干小さい幅に設定された投光パターン１５は、撮像装置１１の露光動作に合わせて投光装置７が駆動されることで、形状計測面１２の左端から順次、走査される。そして、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に投光パターン１５が入った時点で、投光パターン１５の照射範囲の設定が完了する。したがって、従来、手動で照射範囲を調節していたのに対して、自動的に設定可能であり、短時間で効率的かつ容易に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、高精度で距離計測が可能となる。
【００４２】
尚、本実施の形態１では、投光パターン１５は、形状計測面１２の左から走査するとしたが、右から走査するようにしてもよい。
【００４３】
本実施の形態１では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に投光パターン１５が入った時点で、投光パターン１５の照射範囲の設定を完了することから、図６に示すように、投光パターン１５の照射範囲２１は、撮像視野範囲１９からずれて設定される可能性がある。この場合、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内には、投光パターン１５が存在しない、つまり照射されていない非照射領域２０が存在し、また、撮像視野範囲１９外には、撮像視野範囲１９から外れた領域２２が存在する。
そこで以下に説明するように、実施の形態１において、より正確に、つまり撮像視野範囲１９に極力一致するように照射範囲２１を設定する方法を採ることもできる。このような照射範囲の設定方法について、図７を参照して以下に説明する。
【００４４】
はじめにステップ１０６では、上述したステップ１０１〜１０５、１１１による方法で照射範囲を設定する。ステップ１０７では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に非照射領域２０が存在するか否かを判定する。即ち、本実施形態では、上述のように、投光パターン設定部５１は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅を有する投光パターン１５を設定している。よって、照射範囲設定部５３は、投光パターン設定部５１が設定した投光パターン１５の幅情報と、撮像視野範囲１９とを比較することで、ステップ１０７の判断、つまり撮像視野範囲１９内に非照射領域２０が存在するか否かの判定を行う。
【００４５】
ステップ１０７にて、照射範囲設定部５３が非照射領域２０無しと判定した場合には、ステップ１１７に進み、照射範囲２１の設定を完了する。一方、ステップ１０７にて非照射領域２０有りと判定した場合には、ステップ１０８に進み、照射範囲設定部５３は、撮像装置１１から供給される撮像画像を解析することで、非照射領域２０が撮像装置１１の撮像視野範囲１９の左右どちらに存在するかを判定する。
【００４６】
ステップ１０８において、撮像視野範囲１９の左側に非照射領域２０が存在すると判定した場合には、ステップ１１８に進む。ステップ１１８では、形状計測面１２上を等分割したアドレス１４のうち、ステップ１０６で設定した投光パターン１５の一番左に相当するアドレスの一つ左隣のアドレスのみを照射するように、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって投光パターンを設定する。このとき設定された投光パターンを、説明上、「投光パターンＬ」とする。
【００４７】
次に、上記投光パターンＬの画像を、ステップ１１９にて、撮像装置１１は撮像し、照射範囲設定部５３は、その撮像画像を画像解析して、上記投光パターンＬが取り込まれているか否かを判定する。
【００４８】
上記投光パターンＬが取り込まれていない場合、撮像視野範囲１９には非照射領域２０が存在せず、撮像視野範囲１９内に投光パターン１５の照射範囲が存在することを意味するので、ステップ１２０で、照射範囲設定部５３は、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００４９】
一方、ステップ１１９にて、上記投光パターンＬが取り込まれている場合は、撮像視野範囲１９に、未だ、非照射領域２０が存在することを意味するので、ステップ１１８に戻り、投光パターン設定部５１は、さらに左隣のアドレスに相当する投光パターン（「投光パターン２Ｌ」とする）を設定する。そして、ステップ１１９にて、再び撮像装置１１にて画像を取り込み、照射範囲設定部５３で画像解析を行ない、上記投光パターン２Ｌが取り込まれているか否かを判定する。この一連の作業を、ステップ１１９にて、新たに設定した投光パターンが撮像装置１１にて取り込まれなくなるまで行なう。そして、取り込まれなくなった時点で、ステップ１２０へ進み、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００５０】
また、ステップ１０８にて、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の右側に非照射領域２０が存在すると判定した場合には、ステップ１２８に進む。ステップ１２８では、形状計測面１２上を等分割したアドレス１４のうち、ステップ１０６で設定した投光パターン１５の一番右に相当するアドレスの一つ右隣のアドレスのみを照射するように、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって投光パターンを設定する。このとき設定された投光パターンを、説明上、「投光パターンＲ」とする。
【００５１】
次に、上記投光パターンＲの画像を、ステップ１２９にて、撮像装置１１は撮像し、照射範囲設定部５３は、その撮像画像を画像解析して、上記投光パターンＲが取り込まれているか否かを判定する。
【００５２】
上記投光パターンＲが取り込まれていない場合、撮像視野範囲１９には非照射領域２０が存在せず、撮像視野範囲１９内に投光パターン１５の照射範囲が存在することを意味するので、ステップ１３０で、照射範囲設定部５３は、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００５３】
一方、ステップ１２９にて、上記投光パターンＲが取り込まれている場合は、撮像視野範囲１９に、未だ、非照射領域２０が存在することを意味するので、ステップ１２８に戻り、投光パターン設定部５１は、さらに右隣のアドレスに相当する投光パターン（「投光パターン２Ｒ」とする）を設定する。そして、ステップ１２９にて、再び撮像装置１１にて画像を取り込み、照射範囲設定部５３で画像解析を行ない、上記投光パターン２Ｒが取り込まれているか否かを判定する。この一連の作業を、ステップ１２９にて、新たに設定した投光パターンが撮像装置１１にて取り込まれなくなるまで行なう。そして、取り込まれなくなった時点で、ステップ１３０へ進み、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００５４】
以上説明したように、照射範囲を設定した後に，撮像装置１１の撮像視野範囲１９に非照射範囲２０が存在する場合には、非照射範囲２０がある方向に新たなスリット光を生成し、画像解析により最終的な照射範囲を設定するようにしたので、正確に照射範囲を設定することが可能となる。更に、従来、手動で設定していた投光パターンの照射範囲を、本実施形態によれば自動的に設定できるため、投光パターンの照射範囲の設定時間を短縮でき、また、最短で照射範囲を設定できるため、ＬＤの発光回数も減少できることから、省エネルギー化を図ることも可能となる。
【００５５】
また、本実施の形態では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に一致するように、照射範囲２１を設定するとしたが、撮像装置１１の撮像視野範囲１９よりも狭い領域に照射範囲２１を設定してもよい。
【００５６】
実施の形態２．
図８は、本実施の形態２における形状計測装置１００２を示している。形状計測装置１００２の基本構成は、実施の形態１における形状計測装置１００１と同様であるが、以下に説明するように、センサコントロール装置における動作のみが相違する。構成部分では、本実施の形態２における形状計測装置１００２のセンサコントロール装置５−２は、本実施の形態１における形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５に相当し、センサコントロール装置５−２における投光パターン設定部５１−２は、形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５における投光パターン設定部５１に相当し、センサコントロール装置５−２における照射範囲設定部５３−２は、センサコントロール装置５の照射範囲設定部５３に相当する。
本実施の形態２における形状計測装置１００２のその他の構成部分は、実施の形態１における形状計測装置１００１の構成部分に同じであり、ここでの説明を省略する。
【００５７】
本実施の形態２の形状計測装置１００２における照射範囲設定方法について、図９を参照して説明する。該照射範囲設定方法は、センサコントロール装置５−２によって実行される。
【００５８】
初めにステップ２０１にて、センサコントロール装置５−２の投光パターン設定部５１−２によって投光パターン１５−２（図８）の照射幅が決定される。このときの投光パターン１５−２は、形状計測面１２上を等分割した一つのアドレス１４における幅に設定され、図８に示すように、形状計測面１２上の全走査領域１３の一番左から照射開始するように設定される。
【００５９】
ステップ２０２では、上述の照射幅を有する投光パターン１５−２は、センサコントロール装置５−２からカメラ制御装置４に送られ、撮像装置１１が送出するタイミング信号を元に投光装置７が駆動され、形状計測面１２上の上記一番左に照射される。
次にステップ２０３にて、撮像装置１１が撮像を行い、撮像画像の信号がカメラ制御装置４を介してセンサコントロール装置５−２の照射範囲設定部５３−２へ送られる。
【００６０】
次のステップ２０４では、照射範囲設定部５３−２は、取り込んだ画像について画像解析を行い、投光パターン１５−２が取り込まれているか否かを判定する。投光パターン１５−２の画像が取り込まれていれば、ステップ２０５に進み、照射範囲設定部５３−２は、ステップ２０２にて設定した、投光パターン１５−２の照射位置を、照射範囲２１のスタート位置として設定する。
【００６１】
一方、ステップ２０４において、投光パターン１５−２が取り込まれていなければ、ステップ２１１へ進み、照射範囲設定部５３−２は、形状計測面１２上で、前回設定した投光パターン１５−２の一つ右隣のアドレス１４の領域を照射するように、投光パターン１５−２を再設定する。その後、ステップ２０４にて投光パターン１５−２が撮像装置１１に取り込まれるまで、投光パターン１５−２の照射領域の設定を繰り返し行なう。
【００６２】
ステップ２０５で照射範囲２１のスタート位置を設定した後、ステップ２０６で、照射範囲設定部５３−２は、形状計測面１２上で、ステップ２０１で設定した投光パターン１５−２の一つ右隣のアドレス１４の領域を照射するように、投光パターン１５−２を設定する。設定された投光パターン１５−２は、ステップ２０２と同様に、ステップ２０７にて、カメラ制御装置４に送られ、投光装置７を駆動して形状計測面１２上に照射される。
【００６３】
次にステップ２０８では、ステップ２０３と同様に、撮像装置１１が撮像を行い、撮像画像の信号が照射範囲設定部５３−２へ送られる。次のステップ２０９では、ステップ２０４と同様に、照射範囲設定部５３−２は、取り込んだ画像について画像解析を行い、投光パターン１５−２が取り込まれているか否かを判定する。投光パターン１５−２の画像が取り込まれていなければ、ステップ２１０へ進み、照射範囲設定部５３−２は、ステップ２０６にて設定した、投光パターン１５−２の照射位置の一つ前のアドレス１４を、照射範囲２１のストップ位置として設定する。
【００６４】
一方、ステップ２０９において、投光パターン１５−２が取り込まれている場合には、ステップ２１６へ進み、照射範囲設定部５３−２は、形状計測面１２上で、ステップ２０６で設定した投光パターン１５−２の一つ右隣のアドレス１４の領域を照射するように、投光パターン１５−２を再設定する。そして、撮像及び画像分析の動作を、ステップ２０９で投光パターン１５−２が撮像装置１１で取り込まれなくなるまで、繰り返し行なう。そして、取り込まれた時点でステップ２１０へ移行し、照射範囲設定部５３−２にて上記ストップ位置が設定される。
【００６５】
以上説明したように、実施の形態２の形状計測装置１００２によれば、センサコントロール装置５−２の投光パターン設定部５１−２によって設定される投光パターン１５−２は、形状計測面１２上を等分割した一つのアドレス１４に相当する幅にて設定され、撮像装置１１の露光タイミングに合わせて投光装置７が駆動され、撮像装置１１の露光に合わせて形状計測面１２の左から順次投光パターン１５−２が照射されていく。そして、センサコントロール装置５−２の照射範囲設定部５３−２にて、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に投光パターン１５−２が入った時点で照射範囲２１のスタート位置が設定される。さらに順次投光パターン１５−２の走査が続行され、照射範囲設定部５３−２は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９から投光パターン１５−２が外れた時点で、その一つ前のアドレス（照射位置）を、照射範囲２１のストップ位置として設定する。このように、従来、手動で投光パターンを調節していた作業を、形状計測装置１００２によれば自動で設定できるようになる。したがって、形状計測装置１００２は、形状計測装置１００１と比較すると、より短時間で効率的かつ容易かつ確実に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、より高精度で計測対象物の距離計測が可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態２では、投光パターン１５−２は、形状計測面１２の左から走査するとしたが、右から走査するようにしてもよい。
また、設定する投光パターン１５−２は、一つのアドレス１４に相当する幅としたが、２つ以上のアドレスであっても良く、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の幅よりも狭ければ特に限定されない。
【００６７】
実施の形態３．
図１０には、本実施の形態３における形状計測装置１００３が示されている。形状計測装置１００３の基本構成は、実施の形態１における形状計測装置１００１と同様であるが、以下に説明するように、センサコントロール装置における動作のみが相違する。構成部分では、本実施の形態３における形状計測装置１００３のセンサコントロール装置５−３は、本実施の形態１における形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５に相当する。また、形状計測装置１００３のセンサコントロール装置５−３における投光パターン設定部５１−３は、形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５における投光パターン設定部５１に相当し、センサコントロール装置５−３における照射範囲設定部５３−３は、センサコントロール装置５の照射範囲設定部５３に相当する。
本実施の形態３における形状計測装置１００３のその他の構成部分は、実施の形態１における形状計測装置１００１の構成部分に同じであり、ここでの説明は省略する。
【００６８】
次に、本実施の形態３の形状計測装置１００３における照射範囲設定方法について、図１０を用いて説明する。該照射範囲設定方法は、センサコントロール装置５−３によって実行される。
【００６９】
実施の形態３による形状計測装置１００３においても、センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３によって投光パターン１５−３が設定される。該設定において、実施の形態１及び実施の形態２では、設定され形状計測面１２に照射された投光パターンは、形状計測面１２上を、順次走査されるが、実施の形態３の形状計測装置１００３では、特定の投光パターン１５−３のみが形状計測面１２の全体、つまり全走査領域１３に一回だけ投影される。よって、撮像装置１１にて撮像された画像の信号は、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３へ一回だけ送られる。この点で、実施の形態３の形状計測装置１００３は、上述の形状計測装置１００１、１００２と異なる。投光パターンの設定動作について、以下に詳しく説明する。
【００７０】
尚、設定された投光パターン１５−３は、カメラ制御装置４に送られ、撮像装置１１のタイミング信号を元に投光装置７が駆動され、形状計測面１２上に照射される。そして撮像装置１１による撮像画像の信号がカメラ制御装置４を介してセンサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３へ送られる。これらの動作は、形状計測装置１００３においても、形状計測装置１００１、１００２と同様である。
【００７１】
センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３にて設定される特定の投光パターン１５−３は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ幅で区切った、形状計測面１２上の各領域７０−１〜７０−４（以下、総称して「領域７０」と記す場合もある）に、それぞれ異なるスリット本数となるように設定される。図１０に示す例では、領域７０−１ではスリット本数１本、領域７０−２ではスリット本数２本、領域７０−３ではスリット本数３本、領域７０−４ではスリット本数４本の場合を示している。各領域７０は、それぞれの領域７０に照射されるスリットの中心位置を基準として、上述のように撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ幅となっている。
【００７２】
ここで、投光パターン設定部５１−３は、領域７０毎に、設定したスリット本数を認識している。よって、撮像装置１１にて、例えば、スリット本数３本の画像が撮像されることで、投光パターン設定部５１−３は、３本のスリットパターンがどの領域７０に照射されているかを判定することができる。よって、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内の照射範囲２１を指定することができる。
【００７３】
詳しく説明すると、例えば、撮像装置１１にてスリット本数１本の画像が撮像された場合には、１本のスリットが投影されている領域７０−１そのものが照射範囲となる。また、領域７０は、上述のように、スリットの中心（例えば２本であれば２本のスリットの中心）を基準として、撮像視野範囲１９と同じ幅が設定されている。よって、撮像装置１１にて得られた画像におけるスリット本数を計数することで、スリット本数１本の領域７０−１、スリット本数２本の領域７０−２、・・・スリット本数ｎ本の領域７０−ｎのうち、どこを撮像装置１１の視野で見ているかを識別することができる。
一方、投光パターン１５の照射幅は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に一致しているが、走査方向１５ａにおいて、スリットの中心と撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心とが一致しているとは限らない。仮に、スリットの中心と撮像視野範囲１９の中心とが一致していれば、設定した投光パターン１５の照射範囲は、撮像視野範囲１９内にぴったり収まる。一方、一致しない場合には、図１１に示すように、撮像視野範囲１９からずれた位置を、投光パターン１５の照射範囲としてしまう。そこで、投光パターン１５の照射範囲の中心と、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心とを完全に一致させるために、図１２を参照して後述する動作を行うことで、投光パターン１５の照射範囲の設定が行われる。つまり、投光パターン１５の照射範囲について、まず概略、撮像視野範囲１９に合わせ、それ以後、撮像視野範囲１９に完全に一致するように細かく追い込む手法を採る。
【００７４】
以上説明したように、実施の形態３の形状計測装置１００３によれば、センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３によって設定される投光パターン１５−３は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ幅で形状計測面１２を区切った領域７０ごとに、異なる投光パターンとなるように設定する。そして、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３に取り込まれた画像を解析し、どの領域７０の投光パターンかを判定して、照射範囲２１を設定するようにした。よって、撮像装置１１の一回の露光のみによって照射範囲２１を指定できるため、実施の形態１及び実施の形態２の場合に比べて、より短時間で効率的かつ容易に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、より高精度で計測対象物の距離計測が可能となる。
【００７５】
本実施の形態３では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に相当する幅の領域７０ごとに、スリット本数が異なるような投光パターン１５−３を投影したが、例えばＭ系列のようなランダムパターンを投影して絶対番地を指定するようにしても良い。
また、本実施の形態３では、撮像装置１１からの撮像画像の信号がセンサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３へ一回だけ送られ、その画像から照射範囲２１を指定するとしたが、複数枚の画像から照射範囲２１を指定するようにしてもよい。
【００７６】
一方、本実施の形態３における上述した照射範囲設定方法によれば、図１１に示すように、撮像装置１１で取得した投光パターン１５−３の中心２４と、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心２３とが一致していない可能性がある。そこで、より正確に、つまり中心２４と中心２３とを一致させて照射範囲２１を設定する方法を採ることもできる。この方法について、図１２を参照して以下に説明する。
【００７７】
初めにステップ３０１では、実施の形態３の上述の設定方法により、領域固有の投光パターン１５−３を投影することで、照射範囲２１を設定する。
次のステップ３０２では、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心２３と、投光パターン１５−３の中心２４とのずれの有無を判定する。具体的には、画像解析によって、照射したスリットの中心２４に相当する画素を求め、撮像視野範囲１９の中心２３に相当する撮像装置１１の画素中心とのズレ量を検出する。
【００７８】
ステップ３０２にて、上記中心のずれが無いと判定した場合、ステップ３００に進み、投光パターン１５−３の中心２４と、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の幅とから、照射範囲２１を特定し、照射範囲２１の設定を完了する。
一方、ステップ３０２で上記中心のずれ有りと判定した場合、照射範囲設定部５３−３は、ステップ３０３以降で照射範囲２１の一端位置と他端位置を設定する。
【００７９】
まずステップ３０３では、センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３は、ステップ３０１で設定した投光パターン１５−３の中心２４の位置にある一つのスリットを指定し、一方向に相当する、その左隣のアドレスを照射するように投光パターン（図示しないが、説明上「狭パターンＡ」とする。）を設定する。このとき設定される狭パターンＡは、形状計測面１２上を等分割した一つのアドレス分の幅に相当する。
【００８０】
ステップ３０４では、上記狭パターンＡを形状計測面１２上に投影する。ステップ３０５では、撮像装置１１にて撮像を行い、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３に撮像装置１１の撮像画像の信号を取り込む。
【００８１】
ステップ３０６では、照射範囲設定部５３−３は、取り込んだ画像の中に、狭パターンＡが存在するか否かを判定する。ここで、狭パターンＡが有ると判定された場合には、ステップ３１３に進み、さらに左隣のアドレスを照射するように狭パターンＡを再設定する。尚、再設定した狭パターンを説明上「狭パターン２Ａ」とする（不図示）。そして、照射範囲設定部５３−３に取り込まれた画像内に、再設定した狭パターンが存在しなくなるまで、ステップ３０４、３０５、３０６が繰り返される。
【００８２】
ステップ３０６にて、狭パターンＡ、又は狭パターン２Ａ等の再設定した狭パターンが無いと判定された場合には、ステップ３０７へ進み、照射範囲設定部５３−３は、狭パターンを設定したときの一つ前のアドレスを、照射範囲２１の一端位置に設定する。
【００８３】
次に、ステップ３０８に進み、再度、ステップ３０１で設定した投光パターン１５−３の中心２４の位置にある一つのスリットを指定し、上記一方向とは逆方向に相当する、その右隣のアドレスを照射するようにセンサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３によって狭パターンＢ（不図示）を設定する。
【００８４】
次のステップ３０９にて、上記狭パターンＢを形状計測面１２上に投影する。ステップ３１０では、撮像装置１１にて撮像を行い、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３に撮像装置１１の撮像画像の信号を取り込む。
【００８５】
ステップ３１１では、照射範囲設定部５３−３は、取り込んだ画像の中に、狭パターンＢが存在するか否かを判定する。ここで、狭パターンＢが有ると判定された場合には、ステップ３１８に進み、さらに右隣のアドレスを照射するように狭パターンＢを再設定する。尚、再設定した狭パターンを説明上「狭パターン２Ｂ」とする（不図示）。そして、照射範囲設定部５３−３に取り込まれた画像内に、再設定した狭パターンが存在しなくなるまで、ステップ３０９、３１０、３１１が繰り返される。
【００８６】
ステップ３１１にて、狭パターンＢ、又は狭パターン２Ｂ等の再設定した狭パターンが無いと判定された場合には、ステップ３１２へ進み、照射範囲設定部５３−３は、狭パターンを設定したときの一つ前のアドレスを、照射範囲２１の他端位置に設定し、照射範囲２１の設定を完了する。
【００８７】
以上説明したように、照射範囲２１の一端位置と他端位置とを設定することで、撮像視野範囲１９の中心２３と、投光パターン１５−３の中心２４とがずれていた場合でも、そのずれを修正することが可能となる。よって、撮像視野範囲１９に対して正確に照射範囲２１を設定することができる。
【００８８】
尚、本実施の形態では、初めに上記一端位置を設定するとしたが、上記他端位置を先に設定しても良い。
また、本実施の形態では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に一致するように照射範囲２１を設定するようにしたが、照射範囲２１の設定は、撮像視野範囲１９よりも狭い領域であっても構わない。
また、本実施の形態では、投光パターン１５−３の中心位置を基準としたが、中心位置からずれた位置を基準としてもよい。
【００８９】
また、上述した実施の形態１〜３では、形状計測面１２上を等分割し、等分割したアドレスを走査して照射範囲２１を設定するとしたが、第１光検出器９或いは第２光検出器１０からの時間を変化させて照射範囲２１を設定するようにしても良いし、また、これらを組み合わせて照射範囲２１を設定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
３ スキャナ制御装置、 ４ カメラ制御装置、 ５ センサコントロール装置、
６ 回転ミラー、 ７ 投光装置、 ８ コリメートレンズ群、 １１ 撮像装置、
１２ 形状計測面、 １３ 走査領域、 １５ 投光パターン、
１９ 撮像視野範囲、
５１、５１−２，５１−３ 投光パターン設定部、 ５２ 形状計測部、
５３、５３−２、５３−３ 照射範囲設定部、
１００１〜１００３ 形状計測装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的手法によって非接触に測定対象物の３次元形状を計測するための形状計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、測定対象物の３次元形状を計測する光学式計測手段として、三角測量法に基づく光切断法や空間コード化法が知られている。前者の光切断法は、図１３のように、被計測物２５に対して一本のライン光２６を投影し、そのライン光を測定対象空間内で走査方向２７に走査して、被計測物２５の３次元形状を測定する。一方、後者の空間コード化法は、図１４に示すように、明部２９及び暗部３０からなる異なる明暗パターン２８を何種類も被計測物２５に投影することで、測定対象空間内の１点を観ていると光線が点滅することになり、測定対象空間内の各部を２進数コードで符号化することができる。よって、光線の区別が可能となり符号化された光線によって３次元形状が測定される。図１４には、空間コードが３ビットの場合の例を示しており、３枚の画像から測定対象空間内をコード化し、８種類のコードを区別することができる。
【０００３】
光切断法では、一枚の画像で一本のライン光を投影するため、ライン光を走査する度に画像を取得しなければならないが、空間コード化法では、１枚の画像で複数のライン光を投影するため、測定の高速化を図ることができる。
【０００４】
しかしながら、光学式３次元形状計測は、投光装置と、撮像装置と、光偏向手段とによって構成され、投光装置からの光線は、測定平面に対して斜めから照射される。よって、投光装置側で等間隔に照射パターンを変更しても、測定平面上ではライン光が等間隔にならないという問題点があった。また、距離計測は、三角測量の原理に基づいて行なわれるが、精度良く計測するためには、高精度に部品を製作し、組み立てなければならないという問題点があった。
【０００５】
これに対し、高精度に測定を行うためのキャリブレーション方法として、例えば、特許文献１から３に開示される方法が挙げられる。
【０００６】
特許文献１では、レーザ光源と、偏向照射装置と、ＣＣＤカメラと、発光制御装置とを有し、レーザ光源からの明暗パターンがＣＣＤカメラの光軸に対して垂直な平面において等間隔となるように、発光制御装置がレーザ発光を制御して計測を行なう構成が開示されている。このような構成により、高精度に３次元計測を行なうことを可能にしている。
【０００７】
特許文献２では、投影部と撮像部とを有するとともに、距離計測を正確に行なうために、移動ステージと平面版とを用いて、距離計測パラメータのキャリブレーションを実施して計測を行なう、という構成が開示されている。このような構成により、部品精度や組み立て精度を高めずに、正確な距離計測を行なうことを可能にしている。
【０００８】
また、特許文献３では、スリット光照射手段は、ＣＣＤカメラの撮像タイミングに同期して、レーザ光を点滅させながら出力するレーザ光源と、レーザ光をＣＣＤカメラの露光時間内に走査するミラーとを備え、空間コード化画像を生成するとともに、空間コード化画像に基づいて測定対象物の座標を算出する、という構成が開示されている。このような構成により、露光時間を単位として、順次複数種類のスリット光を投影することができ、機械的なシャッターと比較して高速に画像を得ることを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第２５６８３８８号公報
【特許文献２】特開２００３−６５７３８号公報
【特許文献３】特開平１０−３００４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１から３の各計測装置には、以下のような問題点がある。即ち、特許文献１において、ＣＣＤカメラから測定平面までの測定可能距離レンジを広くとるためには、ＣＣＤカメラの視野よりも広い範囲をスキャンする必要がある。一方、空間コード化法によって距離計測するためには、初めにＣＣＤカメラの視野範囲にレーザ光の照射範囲が収まるように設定し、その後にキャリブレーションを実施する必要がある。
【００１１】
これに対し特許文献１の構成は、照射範囲設定手段を有していない。よって、上記照射範囲を決定するためには、照射パターンを転送し、該照射パターンがＣＣＤカメラの視野範囲に収まっているか否かの確認を行い、収まっていない場合には、照射範囲を再度調整する。そして再び照射パターンを転送して、視野範囲に収まるか否かを確認する、という作業を繰り返し行なわなければならないという問題点がある。特に、外光の影響を抑制するために光源に赤外光を用いた場合には、照射範囲を目視で確認できないため、調整作業も大変時間のかかる作業となってしまうという問題がある。
【００１２】
また、上記特許文献２では、上述のように、部品や組み立て精度が低い場合でも、正確な距離計測を行なうことが可能であるが、特許文献１と同様に特許文献２でも、照射範囲設定手段を有していない。よって、照射パターンの転送、及び再調整の作業を繰り返し行なわなければならず、特に、光源に赤外光を用いた場合には、調整作業に大変な時間を要するという問題がある。
【００１３】
また、上記特許文献３では、ＣＣＤカメラの撮像装置と同期してレーザ光を点滅させているため、レーザ光の点滅に応じた画像を取得可能であり、また、偏向ミラーにはガルバノスキャナを用いているため、照射範囲を設定する場合にはミラー角度の指定が可能である。一方、例えばセンサヘッドの小型化のために、ＭＥＭＳミラーのような角度を制御できないミラーを使用する場合には、照射範囲を設定する必要が生じる。これに対し特許文献３の形状計測装置では、照射範囲を判定するための照射範囲設定手段を有さず、さらに、測定平面上を空間コード化法の最小単位以下の離散的な領域で区切っていないことから、照射範囲を設定することができないという問題がある。
【００１４】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、従来に比べてパターンの照射範囲を容易に設定可能で、高精度で距離計測が可能な形状計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成する。
即ち、本発明の一態様における形状計測装置は、形状計測面に対して光学的手法によって非接触で３次元形状計測を行う形状計測装置であって、撮像視野範囲にて上記形状計測面を撮像する撮像部と、上記撮像部から供給されるタイミング信号にて動作制御されて、上記形状計測面において上記撮像視野範囲を超える投影領域へ投光パターンを投影する照射部と、上記照射部にて上記形状計測面に投影される上記投光パターンの設定を行う投光パターン設定部と、上記撮像部から撮像画像が供給され、上記投光パターン設定部にて設定された上記投光パターン及び上記撮像画像により、上記投光パターンの上記形状計測面における照射範囲を設定する照射範囲設定部と、を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の一態様における形状計測装置によれば、撮像部から供給されるタイミング信号にて照射部は駆動制御され、さらに照射範囲設定部を備えたことから、撮像部の露光ごとに、照射範囲設定部は、撮像部にて撮像された画像を解析して、撮像部の視野内に投光パターンが存在するか否かを判断する。そして撮像部の視野内に投光パターンが入った時点で、照射範囲設定部は、照射範囲として設定する。よって、従来、手動で照射範囲を設定していたのに対して、自動で照射範囲の設定が可能となる。したがって、短時間で効率的かつ容易に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、高精度で距離計測が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１における形状計測装置の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す光検出器から出力される信号を示す図である。
【図３】図１に示す回転ミラーの駆動と光検出器の信号との関係を示す図である。
【図４】図１に示す形状計測装置にて実行される照射範囲を設定するための動作を示すフローチャートである。
【図５】図１に示す形状計測装置の動作を説明するための図である。
【図６】図１に示す形状計測装置にて照射範囲の設定を行った場合の照射範囲の位置ずれを示す図である。
【図７】図１に示す形状計測装置において照射範囲の位置ずれが生じた場合に、照射範囲の調整を行う動作のフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態２による形状計測装置の概略構成及び動作を説明するための図である。
【図９】図８に示す形状計測装置にて実行される照射範囲を設定するための動作を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態３による形状計測装置の概略構成及び動作を説明するための図である。
【図１１】図１０に示す形状計測装置にて照射範囲の設定を行った場合の照射範囲の位置ずれを示す図である。
【図１２】図１０に示す形状計測装置において照射範囲の位置ずれが生じた場合に、照射範囲の調整を行う動作のフローチャートである。
【図１３】光切断法を示す説明図である。
【図１４】空間コード化法を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の実施形態である形状計測装置、及び該形状計測装置にて実行される形状計測方法について、図を参照しながら以下に説明する。尚、各図において、同一又は同様の構成部分については同じ符号を付している。
【００１９】
実施の形態１．
図１には、本実施の形態１による形状計測装置１００１を示している。形状計測装置１００１は、その基本的構成部分として、照射部と、撮像部と、投光パターン設定部５１と、照射範囲設定部５３とを備える。ここで、上記照射部は、以下に説明する投光装置７、コリメートレンズ群８、回転ミラー６、第１光検出器９、第２光検出器１０、及びスキャナ制御装置３を含む概念部分である。また、上記撮像部は、以下に説明する撮像装置１１、カメラ制御装置４、及び形状計測部５２を含む概念部分である。
【００２０】
また、本実施形態では、回転ミラー６、投光装置７、コリメートレンズ群８、第１光検出器９、第２光検出器１０、及び撮像装置１１を一体としてセンサヘッド２と呼び、投光パターン設定部５１、形状計測部５２、及び照射範囲設定部５３を一体としてセンサコントロール装置５と呼ぶ。尚、センサコントロール装置５は、実際にはコンピュータを用いて実現され、投光パターン設定部５１、形状計測部５２、及び照射範囲設定部５３は、それぞれの機能に対応するソフトウェアと、これを実行するためのＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリ等のハードウェアから構成されている。また、以下に説明する実施の形態１から３では、形状計測部５２は、センサコントロール装置５に含む形態にて構成するが、当該形状計測装置とは別に設けてもよい。
【００２１】
このような構成を有する形状計測装置１００１は、形状計測面１２に対して、以下で説明する投光パターンを照射し、被計測物の形状計測面１２について非接触で３次元形状計測を行う装置である。
以下には、形状計測装置１００１の各構成部分について説明する。
【００２２】
投光装置７は、光を出射するための装置であり、例えばＬＤ（Laser Diode）等の光源を有する。蛍光灯や太陽光は、可視光成分を多く含むため、光源には例えば７８０ｎｍの赤外光を使用することで、よりＳＮ比を向上させることができる。
【００２３】
コリメートレンズ郡８は、投光装置７から出射された光をライン光に変換するためのレンズ群であり、例えばフレネルレンズ等の複数のレンズから構成される。もちろん、複数のレンズではなく、一枚のレンズで構成しても良い。
【００２４】
回転ミラー６は、コリメートレンズ群８で変換されたライン光を、平面である形状計測面１２上で第１方向に沿って走査するための光偏向ミラーであり、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーやポリゴンミラー、ガルバノミラー等のミラーを使用可能である。ＭＥＭＳミラーを使用することは、センサヘッドサイズの小型化に有効であり、本実施の形態では、ＭＥＭＳミラーを使用した場合を例に採る。勿論、上述のような他のミラーを使用することも可能である。
【００２５】
第１光検出器９及び第２光検出器１０は、回転ミラー６にて偏向された上記ライン光が形状計測面１２上を第１方向に沿って走査される時間を計測する、より詳しくは、第１光検出器９と第２光検出器１０との間を走査される時間を計測するための光検出手段であり、例えば、２分割ＰＤ（Photo Diode）等が使用される。２分割ＰＤは、一つの素子に２つのＰＤが搭載され、図２のように二つのＰＤからの出力の差分信号を演算し、ゼロクロス点を検出信号とすることで高精度に時間間隔を計測することが可能である。もちろん、通常のＰＤを使用してピーク値を検出信号としても良い。
【００２６】
撮像装置１１は、形状計測面１２上の被計測物での反射光を受光するための撮影手段であり、集光用レンズと撮像素子とを有する。上記撮像素子として、例えばＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等が使用される。また、上記集光用レンズの前段に、不要な波長の光を除去するためにフィルターを挿入するのも効果的である。ここで、撮像装置１１の撮像視野範囲は、固定されており、例えば下記の投光パターン１５の移動に伴い移動するものではない。
【００２７】
カメラ制御装置４は、撮像装置１１の駆動を制御するための撮像装置制御手段であり、後段に配置されたセンサコントロール装置５に搭載されたアプリケーションからの信号によって、撮像装置１１を駆動制御する。
【００２８】
スキャナ制御装置３は、投光装置７を制御するための発光パターン制御手段である。スキャナ制御装置３は、カメラ制御装置４からの信号（タイミング信号）を受け取り、その信号によって投光装置７を駆動させる。
【００２９】
センサコントロール装置５における投光パターン設定部５１は、形状計測面１２上に照射する投光パターン１５のパターンそのもの及びパターンの幅を設定するための手段であり、形状計測部５２は、撮像装置１１からの信号を受信し、撮像装置１１と被計測物との距離、つまり被計測物の形状を計測するための手段であり、照射範囲設定部５３は、撮像装置１１からの信号により、形状計測面１２上に投影された投光パターン１５から、投光パターン１５の照射範囲を設定するための手段である。
【００３０】
尚、上記投光パターン１５とは、図１４に示すような、最低限一対の明部２９及び暗部３０から構成され、それぞれ明部２９及び暗部３０の対の数が異なる明暗パターン２８が相当する。また、投光パターン１５の幅とは、第１方向である走査方向において、投光パターン１５の一端から他端までの範囲に相当する。また、投光パターン１５の照射範囲の設定とは、上記幅つまり照射幅を有する投光パターン１５を、形状計測面１２のどの位置に照射するかを決定することをいう。
【００３１】
以上のように構成される本実施の形態１の形状計測装置１００１における動作について、以下に説明する。
まず、投光装置７の駆動手順について説明する。
撮像装置１１の撮像視野範囲１９よりも広範囲を照射する系において、投光装置７によって照射可能な形状計測面１２上の各点は、任意のスリットパターンを形成できるように、予め等間隔にアドレス１４が区切られている。一方、形状計測面１２へ照射する投光パターン１５は、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって決定される。尚、上記アドレス１４とは、単に、等間隔に区切られた形状計測面１２上の各区画の呼称である。
【００３２】
形状計測装置１００１の電源をＯＮすると、スキャナ制御装置３及びカメラ制御装置４が駆動され、回転ミラー６の回転が開始される。センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって設定された投光パターン１５の信号は、カメラ制御装置４へ送られ、また、カメラ制御装置４によって撮像装置１１の露光が開始される。撮像装置１１の露光が開始されると共に、投光パターン１５を露光するタイミング信号がスキャナ制御装置３へ送られ、このタイミング信号を元に、投光装置７は駆動される。
【００３３】
回転ミラー６は、固有の周波数で駆動されるが、このとき、回転ミラー６の振幅と、第１光検出器９及び第２光検出器１０から出力される信号とは、図３に示すような関係になる。回転ミラー６において常に同じ位置から投光パターン１５の投影が開始されるために、図３に示すように、第１光検出器９が２回目に光を検出した信号からｔ秒後の走査開始点１８から、スキャナ制御装置３は投光装置７の発光を開始するように設定されている。つまり、カメラ制御装置４からタイミング信号がスキャナ制御装置３に供給されると、スキャナ制御装置３は、第１光検出器９の２回目の信号を検知し、そのｔ秒後に、投光装置７の駆動を開始するように制御する。
【００３４】
尚、本実施の形態では、投光装置７の駆動開始を、上述のように第１光検出器９の２回目の信号検知からｔ秒後としたが、例えば、第１光検出器９による１回目及び２回目の光検知の中点からｔ秒後としてもよい。
投光装置７が駆動されることで、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって予め設定された投光パターン１５が形状計測面１２上に照射される。
【００３５】
次に、形状計測装置１００１における照射範囲の設定方法について、図４のフローチャートを用いて以下に説明する。
初めに、ステップ１０１にて、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって投光パターン１５が設定される。このときの投光パターン１５は、形状計測面１２における投光パターン１５の第１方向（走査方向）１５ａにおいて、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅に相当するアドレス１４を連続的に照射するように設定される。このように、投光パターン１５を照射する幅つまり照射幅が設定され、これは、例えばアドレス何個分という形で設定可能であり、ここでは、撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅に相当する領域にて、この段階では形状計測面１２を走査することなく形状計測面１２上の同一箇所を、照射するように設定される。また、本実施形態では図１に示すように、投光パターン１５は、形状計測面１２上の、投影領域に相当する全走査領域１３の一番左から照射するように設定される。
【００３６】
一方、上述のように、撮像装置１１の撮像視野範囲は固定されており、上述のように単に照射幅を決定しただけでは投光パターン１５が撮像装置１１の撮像視野範囲１９から外れた位置に照射される可能性もある。そこで、照射幅が決定された投光パターン１５を撮像装置１１の撮像視野範囲１９に含ませるための操作が必要である。以下には、この操作について説明する。
【００３７】
設定された投光パターン１５は、ステップ１０２で、カメラ制御装置４に送られ、カメラ制御装置４は、撮像装置１１の露光を開始する。この露光開始と同時に撮像装置１１は、タイミング信号を発し、該タイミング信号を元に投光装置７が駆動される。よって、投光パターン１５は、形状計測面１２上に照射される。
【００３８】
次にステップ１０３にて、撮像装置１１にて撮像された画像の画像信号がカメラ制御装置４を介してセンサコントロール装置５の照射範囲設定部５３へ送られる。
次のステップ１０４では、取り込まれた画像をセンサコントロール装置５の照射範囲設定部５３によって画像解析にて解析し、撮像装置１１にて撮像された画像に、投光パターン１５が存在するか否かが判定される。撮像画像内に投光パターン１５が取り込まれていれば、ステップ１０５にて、照射範囲の設定を完了する。
【００３９】
一方、ステップ１０４にて、撮像画像内に投光パターン１５が取り込まれていなければ、ステップ１１１へ進む。ここで照射範囲設定部５３は、図５に示すように、ステップ１０１にて設定した投光パターン１５の終了位置を開始位置として、撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅に相当する領域にて、形状計測面１２上を照射するように、投光パターン１５を再設定する。そして再度ステップ１０２へ進む。
【００４０】
その後、このように、ステップ１０４にて投光パターン１５が撮像装置１１の撮像視野範囲１９に入るまで、つまり撮像画像内に投光パターン１５が取り込まれるまで、ステップ１０２、１０３，１０４、１１１が繰り返される。即ち、このような動作により、投光パターン１５は、走査領域１３の一番左から順次、右端へ、走査方向１５ａに沿って照射されていく。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態１の形状計測装置１００１によれば、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ、或いは若干小さい幅に設定された投光パターン１５は、撮像装置１１の露光動作に合わせて投光装置７が駆動されることで、形状計測面１２の左端から順次、走査される。そして、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に投光パターン１５が入った時点で、投光パターン１５の照射範囲の設定が完了する。したがって、従来、手動で照射範囲を調節していたのに対して、自動的に設定可能であり、短時間で効率的かつ容易に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、高精度で距離計測が可能となる。
【００４２】
尚、本実施の形態１では、投光パターン１５は、形状計測面１２の左から走査するとしたが、右から走査するようにしてもよい。
【００４３】
本実施の形態１では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に投光パターン１５が入った時点で、投光パターン１５の照射範囲の設定を完了することから、図６に示すように、投光パターン１５の照射範囲２１は、撮像視野範囲１９からずれて設定される可能性がある。この場合、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内には、投光パターン１５が存在しない、つまり照射されていない非照射領域２０が存在し、また、撮像視野範囲１９外には、撮像視野範囲１９から外れた領域２２が存在する。
そこで以下に説明するように、実施の形態１において、より正確に、つまり撮像視野範囲１９に極力一致するように照射範囲２１を設定する方法を採ることもできる。このような照射範囲の設定方法について、図７を参照して以下に説明する。
【００４４】
はじめにステップ１０６では、上述したステップ１０１〜１０５、１１１による方法で照射範囲を設定する。ステップ１０７では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に非照射領域２０が存在するか否かを判定する。即ち、本実施形態では、上述のように、投光パターン設定部５１は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ或いは若干小さい幅を有する投光パターン１５を設定している。よって、照射範囲設定部５３は、投光パターン設定部５１が設定した投光パターン１５の幅情報と、撮像視野範囲１９とを比較することで、ステップ１０７の判断、つまり撮像視野範囲１９内に非照射領域２０が存在するか否かの判定を行う。
【００４５】
ステップ１０７にて、照射範囲設定部５３が非照射領域２０無しと判定した場合には、ステップ１１７に進み、照射範囲２１の設定を完了する。一方、ステップ１０７にて非照射領域２０有りと判定した場合には、ステップ１０８に進み、照射範囲設定部５３は、撮像装置１１から供給される撮像画像を解析することで、非照射領域２０が撮像装置１１の撮像視野範囲１９の左右どちらに存在するかを判定する。
【００４６】
ステップ１０８において、撮像視野範囲１９の左側に非照射領域２０が存在すると判定した場合には、ステップ１１８に進む。ステップ１１８では、形状計測面１２上を等分割したアドレス１４のうち、ステップ１０６で設定した投光パターン１５の一番左に相当するアドレスの一つ左隣のアドレスのみを照射するように、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって投光パターンを設定する。このとき設定された投光パターンを、説明上、「投光パターンＬ」とする。
【００４７】
次に、上記投光パターンＬの画像を、ステップ１１９にて、撮像装置１１は撮像し、照射範囲設定部５３は、その撮像画像を画像解析して、上記投光パターンＬが取り込まれているか否かを判定する。
【００４８】
上記投光パターンＬが取り込まれていない場合、撮像視野範囲１９には非照射領域２０が存在せず、撮像視野範囲１９内に投光パターン１５の照射範囲が存在することを意味するので、ステップ１２０で、照射範囲設定部５３は、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００４９】
一方、ステップ１１９にて、上記投光パターンＬが取り込まれている場合は、撮像視野範囲１９に、未だ、非照射領域２０が存在することを意味するので、ステップ１１８に戻り、投光パターン設定部５１は、さらに左隣のアドレスに相当する投光パターン（「投光パターン２Ｌ」とする）を設定する。そして、ステップ１１９にて、再び撮像装置１１にて画像を取り込み、照射範囲設定部５３で画像解析を行ない、上記投光パターン２Ｌが取り込まれているか否かを判定する。この一連の作業を、ステップ１１９にて、新たに設定した投光パターンが撮像装置１１にて取り込まれなくなるまで行なう。そして、取り込まれなくなった時点で、ステップ１２０へ進み、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００５０】
また、ステップ１０８にて、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の右側に非照射領域２０が存在すると判定した場合には、ステップ１２８に進む。ステップ１２８では、形状計測面１２上を等分割したアドレス１４のうち、ステップ１０６で設定した投光パターン１５の一番右に相当するアドレスの一つ右隣のアドレスのみを照射するように、センサコントロール装置５の投光パターン設定部５１によって投光パターンを設定する。このとき設定された投光パターンを、説明上、「投光パターンＲ」とする。
【００５１】
次に、上記投光パターンＲの画像を、ステップ１２９にて、撮像装置１１は撮像し、照射範囲設定部５３は、その撮像画像を画像解析して、上記投光パターンＲが取り込まれているか否かを判定する。
【００５２】
上記投光パターンＲが取り込まれていない場合、撮像視野範囲１９には非照射領域２０が存在せず、撮像視野範囲１９内に投光パターン１５の照射範囲が存在することを意味するので、ステップ１３０で、照射範囲設定部５３は、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００５３】
一方、ステップ１２９にて、上記投光パターンＲが取り込まれている場合は、撮像視野範囲１９に、未だ、非照射領域２０が存在することを意味するので、ステップ１２８に戻り、投光パターン設定部５１は、さらに右隣のアドレスに相当する投光パターン（「投光パターン２Ｒ」とする）を設定する。そして、ステップ１２９にて、再び撮像装置１１にて画像を取り込み、照射範囲設定部５３で画像解析を行ない、上記投光パターン２Ｒが取り込まれているか否かを判定する。この一連の作業を、ステップ１２９にて、新たに設定した投光パターンが撮像装置１１にて取り込まれなくなるまで行なう。そして、取り込まれなくなった時点で、ステップ１３０へ進み、ステップ１０６の照射範囲２１と合わせて最終的な照射範囲の設定を完了する。
【００５４】
以上説明したように、照射範囲を設定した後に，撮像装置１１の撮像視野範囲１９に非照射範囲２０が存在する場合には、非照射範囲２０がある方向に新たなスリット光を生成し、画像解析により最終的な照射範囲を設定するようにしたので、正確に照射範囲を設定することが可能となる。更に、従来、手動で設定していた投光パターンの照射範囲を、本実施形態によれば自動的に設定できるため、投光パターンの照射範囲の設定時間を短縮でき、また、最短で照射範囲を設定できるため、ＬＤの発光回数も減少できることから、省エネルギー化を図ることも可能となる。
【００５５】
また、本実施の形態では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に一致するように、照射範囲２１を設定するとしたが、撮像装置１１の撮像視野範囲１９よりも狭い領域に照射範囲２１を設定してもよい。
【００５６】
実施の形態２．
図８は、本実施の形態２における形状計測装置１００２を示している。形状計測装置１００２の基本構成は、実施の形態１における形状計測装置１００１と同様であるが、以下に説明するように、センサコントロール装置における動作のみが相違する。構成部分では、本実施の形態２における形状計測装置１００２のセンサコントロール装置５−２は、本実施の形態１における形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５に相当し、センサコントロール装置５−２における投光パターン設定部５１−２は、形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５における投光パターン設定部５１に相当し、センサコントロール装置５−２における照射範囲設定部５３−２は、センサコントロール装置５の照射範囲設定部５３に相当する。
本実施の形態２における形状計測装置１００２のその他の構成部分は、実施の形態１における形状計測装置１００１の構成部分に同じであり、ここでの説明を省略する。
【００５７】
本実施の形態２の形状計測装置１００２における照射範囲設定方法について、図９を参照して説明する。該照射範囲設定方法は、センサコントロール装置５−２によって実行される。
【００５８】
初めにステップ２０１にて、センサコントロール装置５−２の投光パターン設定部５１−２によって投光パターン１５−２（図８）の照射幅が決定される。このときの投光パターン１５−２は、形状計測面１２上を等分割した一つのアドレス１４における幅に設定され、図８に示すように、形状計測面１２上の全走査領域１３の一番左から照射開始するように設定される。
【００５９】
ステップ２０２では、上述の照射幅を有する投光パターン１５−２は、センサコントロール装置５−２からカメラ制御装置４に送られ、撮像装置１１が送出するタイミング信号を元に投光装置７が駆動され、形状計測面１２上の上記一番左に照射される。
次にステップ２０３にて、撮像装置１１が撮像を行い、撮像画像の信号がカメラ制御装置４を介してセンサコントロール装置５−２の照射範囲設定部５３−２へ送られる。
【００６０】
次のステップ２０４では、照射範囲設定部５３−２は、取り込んだ画像について画像解析を行い、投光パターン１５−２が取り込まれているか否かを判定する。投光パターン１５−２の画像が取り込まれていれば、ステップ２０５に進み、照射範囲設定部５３−２は、ステップ２０２にて設定した、投光パターン１５−２の照射位置を、照射範囲２１のスタート位置として設定する。
【００６１】
一方、ステップ２０４において、投光パターン１５−２が取り込まれていなければ、ステップ２１１へ進み、照射範囲設定部５３−２は、形状計測面１２上で、前回設定した投光パターン１５−２の一つ右隣のアドレス１４の領域を照射するように、投光パターン１５−２を再設定する。その後、ステップ２０４にて投光パターン１５−２が撮像装置１１に取り込まれるまで、投光パターン１５−２の照射領域の設定を繰り返し行なう。
【００６２】
ステップ２０５で照射範囲２１のスタート位置を設定した後、ステップ２０６で、照射範囲設定部５３−２は、形状計測面１２上で、ステップ２０１で設定した投光パターン１５−２の一つ右隣のアドレス１４の領域を照射するように、投光パターン１５−２を設定する。設定された投光パターン１５−２は、ステップ２０２と同様に、ステップ２０７にて、カメラ制御装置４に送られ、投光装置７を駆動して形状計測面１２上に照射される。
【００６３】
次にステップ２０８では、ステップ２０３と同様に、撮像装置１１が撮像を行い、撮像画像の信号が照射範囲設定部５３−２へ送られる。次のステップ２０９では、ステップ２０４と同様に、照射範囲設定部５３−２は、取り込んだ画像について画像解析を行い、投光パターン１５−２が取り込まれているか否かを判定する。投光パターン１５−２の画像が取り込まれていなければ、ステップ２１０へ進み、照射範囲設定部５３−２は、ステップ２０６にて設定した、投光パターン１５−２の照射位置の一つ前のアドレス１４を、照射範囲２１のストップ位置として設定する。
【００６４】
一方、ステップ２０９において、投光パターン１５−２が取り込まれている場合には、ステップ２１６へ進み、照射範囲設定部５３−２は、形状計測面１２上で、ステップ２０６で設定した投光パターン１５−２の一つ右隣のアドレス１４の領域を照射するように、投光パターン１５−２を再設定する。そして、撮像及び画像分析の動作を、ステップ２０９で投光パターン１５−２が撮像装置１１で取り込まれなくなるまで、繰り返し行なう。そして、取り込まれた時点でステップ２１０へ移行し、照射範囲設定部５３−２にて上記ストップ位置が設定される。
【００６５】
以上説明したように、実施の形態２の形状計測装置１００２によれば、センサコントロール装置５−２の投光パターン設定部５１−２によって設定される投光パターン１５−２は、形状計測面１２上を等分割した一つのアドレス１４に相当する幅にて設定され、撮像装置１１の露光タイミングに合わせて投光装置７が駆動され、撮像装置１１の露光に合わせて形状計測面１２の左から順次投光パターン１５−２が照射されていく。そして、センサコントロール装置５−２の照射範囲設定部５３−２にて、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内に投光パターン１５−２が入った時点で照射範囲２１のスタート位置が設定される。さらに順次投光パターン１５−２の走査が続行され、照射範囲設定部５３−２は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９から投光パターン１５−２が外れた時点で、その一つ前のアドレス（照射位置）を、照射範囲２１のストップ位置として設定する。このように、従来、手動で投光パターンを調節していた作業を、形状計測装置１００２によれば自動で設定できるようになる。したがって、形状計測装置１００２は、形状計測装置１００１と比較すると、より短時間で効率的かつ容易かつ確実に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、より高精度で計測対象物の距離計測が可能となる。
【００６６】
また、本実施の形態２では、投光パターン１５−２は、形状計測面１２の左から走査するとしたが、右から走査するようにしてもよい。
また、設定する投光パターン１５−２は、一つのアドレス１４に相当する幅としたが、２つ以上のアドレスであっても良く、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の幅よりも狭ければ特に限定されない。
【００６７】
実施の形態３．
図１０には、本実施の形態３における形状計測装置１００３が示されている。形状計測装置１００３の基本構成は、実施の形態１における形状計測装置１００１と同様であるが、以下に説明するように、センサコントロール装置における動作のみが相違する。構成部分では、本実施の形態３における形状計測装置１００３のセンサコントロール装置５−３は、本実施の形態１における形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５に相当する。また、形状計測装置１００３のセンサコントロール装置５−３における投光パターン設定部５１−３は、形状計測装置１００１のセンサコントロール装置５における投光パターン設定部５１に相当し、センサコントロール装置５−３における照射範囲設定部５３−３は、センサコントロール装置５の照射範囲設定部５３に相当する。
本実施の形態３における形状計測装置１００３のその他の構成部分は、実施の形態１における形状計測装置１００１の構成部分に同じであり、ここでの説明は省略する。
【００６８】
次に、本実施の形態３の形状計測装置１００３における照射範囲設定方法について、図１０を用いて説明する。該照射範囲設定方法は、センサコントロール装置５−３によって実行される。
【００６９】
実施の形態３による形状計測装置１００３においても、センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３によって投光パターン１５−３が設定される。該設定において、実施の形態１及び実施の形態２では、設定され形状計測面１２に照射された投光パターンは、形状計測面１２上を、順次走査されるが、実施の形態３の形状計測装置１００３では、特定の投光パターン１５−３のみが形状計測面１２の全体、つまり全走査領域１３に一回だけ投影される。よって、撮像装置１１にて撮像された画像の信号は、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３へ一回だけ送られる。この点で、実施の形態３の形状計測装置１００３は、上述の形状計測装置１００１、１００２と異なる。投光パターンの設定動作について、以下に詳しく説明する。
【００７０】
尚、設定された投光パターン１５−３は、カメラ制御装置４に送られ、撮像装置１１のタイミング信号を元に投光装置７が駆動され、形状計測面１２上に照射される。そして撮像装置１１による撮像画像の信号がカメラ制御装置４を介してセンサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３へ送られる。これらの動作は、形状計測装置１００３においても、形状計測装置１００１、１００２と同様である。
【００７１】
センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３にて設定される特定の投光パターン１５−３は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ幅で区切った、形状計測面１２上の各領域７０−１〜７０−４（以下、総称して「領域７０」と記す場合もある）に、それぞれ異なるスリット本数となるように設定される。図１０に示す例では、領域７０−１ではスリット本数１本、領域７０−２ではスリット本数２本、領域７０−３ではスリット本数３本、領域７０−４ではスリット本数４本の場合を示している。各領域７０は、それぞれの領域７０に照射されるスリットの中心位置を基準として、上述のように撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ幅となっている。
【００７２】
ここで、投光パターン設定部５１−３は、領域７０毎に、設定したスリット本数を認識している。よって、撮像装置１１にて、例えば、スリット本数３本の画像が撮像されることで、投光パターン設定部５１−３は、３本のスリットパターンがどの領域７０に照射されているかを判定することができる。よって、撮像装置１１の撮像視野範囲１９内の照射範囲２１を指定することができる。
【００７３】
詳しく説明すると、例えば、撮像装置１１にてスリット本数１本の画像が撮像された場合には、１本のスリットが投影されている領域７０−１そのものが照射範囲となる。また、領域７０は、上述のように、スリットの中心（例えば２本であれば２本のスリットの中心）を基準として、撮像視野範囲１９と同じ幅が設定されている。よって、撮像装置１１にて得られた画像におけるスリット本数を計数することで、スリット本数１本の領域７０−１、スリット本数２本の領域７０−２、・・・スリット本数ｎ本の領域７０−ｎのうち、どこを撮像装置１１の視野で見ているかを識別することができる。
一方、投光パターン１５の照射幅は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に一致しているが、走査方向１５ａにおいて、スリットの中心と撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心とが一致しているとは限らない。仮に、スリットの中心と撮像視野範囲１９の中心とが一致していれば、設定した投光パターン１５の照射範囲は、撮像視野範囲１９内にぴったり収まる。一方、一致しない場合には、図１１に示すように、撮像視野範囲１９からずれた位置を、投光パターン１５の照射範囲としてしまう。そこで、投光パターン１５の照射範囲の中心と、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心とを完全に一致させるために、図１２を参照して後述する動作を行うことで、投光パターン１５の照射範囲の設定が行われる。つまり、投光パターン１５の照射範囲について、まず概略、撮像視野範囲１９に合わせ、それ以後、撮像視野範囲１９に完全に一致するように細かく追い込む手法を採る。
【００７４】
以上説明したように、実施の形態３の形状計測装置１００３によれば、センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３によって設定される投光パターン１５−３は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９と同じ幅で形状計測面１２を区切った領域７０ごとに、異なる投光パターンとなるように設定する。そして、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３に取り込まれた画像を解析し、どの領域７０の投光パターンかを判定して、照射範囲２１を設定するようにした。よって、撮像装置１１の一回の露光のみによって照射範囲２１を指定できるため、実施の形態１及び実施の形態２の場合に比べて、より短時間で効率的かつ容易に照射範囲の設定を行なうことが可能となり、より高精度で計測対象物の距離計測が可能となる。
【００７５】
本実施の形態３では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に相当する幅の領域７０ごとに、スリット本数が異なるような投光パターン１５−３を投影したが、例えばＭ系列のようなランダムパターンを投影して絶対番地を指定するようにしても良い。
また、本実施の形態３では、撮像装置１１からの撮像画像の信号がセンサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３へ一回だけ送られ、その画像から照射範囲２１を指定するとしたが、複数枚の画像から照射範囲２１を指定するようにしてもよい。
【００７６】
一方、本実施の形態３における上述した照射範囲設定方法によれば、図１１に示すように、撮像装置１１で取得した投光パターン１５−３の中心２４と、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心２３とが一致していない可能性がある。そこで、より正確に、つまり中心２４と中心２３とを一致させて照射範囲２１を設定する方法を採ることもできる。この方法について、図１２を参照して以下に説明する。
【００７７】
初めにステップ３０１では、実施の形態３の上述の設定方法により、領域固有の投光パターン１５−３を投影することで、照射範囲２１を設定する。
次のステップ３０２では、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３は、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の中心２３と、投光パターン１５−３の中心２４とのずれの有無を判定する。具体的には、画像解析によって、照射したスリットの中心２４に相当する画素を求め、撮像視野範囲１９の中心２３に相当する撮像装置１１の画素中心とのズレ量を検出する。
【００７８】
ステップ３０２にて、上記中心のずれが無いと判定した場合、ステップ３００に進み、投光パターン１５−３の中心２４と、撮像装置１１の撮像視野範囲１９の幅とから、照射範囲２１を特定し、照射範囲２１の設定を完了する。
一方、ステップ３０２で上記中心のずれ有りと判定した場合、照射範囲設定部５３−３は、ステップ３０３以降で照射範囲２１の一端位置と他端位置を設定する。
【００７９】
まずステップ３０３では、センサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３は、ステップ３０１で設定した投光パターン１５−３の中心２４の位置にある一つのスリットを指定し、一方向に相当する、その左隣のアドレスを照射するように投光パターン（図示しないが、説明上「狭パターンＡ」とする。）を設定する。このとき設定される狭パターンＡは、形状計測面１２上を等分割した一つのアドレス分の幅に相当する。
【００８０】
ステップ３０４では、上記狭パターンＡを形状計測面１２上に投影する。ステップ３０５では、撮像装置１１にて撮像を行い、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３に撮像装置１１の撮像画像の信号を取り込む。
【００８１】
ステップ３０６では、照射範囲設定部５３−３は、取り込んだ画像の中に、狭パターンＡが存在するか否かを判定する。ここで、狭パターンＡが有ると判定された場合には、ステップ３１３に進み、さらに左隣のアドレスを照射するように狭パターンＡを再設定する。尚、再設定した狭パターンを説明上「狭パターン２Ａ」とする（不図示）。そして、照射範囲設定部５３−３に取り込まれた画像内に、再設定した狭パターンが存在しなくなるまで、ステップ３０４、３０５、３０６が繰り返される。
【００８２】
ステップ３０６にて、狭パターンＡ、又は狭パターン２Ａ等の再設定した狭パターンが無いと判定された場合には、ステップ３０７へ進み、照射範囲設定部５３−３は、狭パターンを設定したときの一つ前のアドレスを、照射範囲２１の一端位置に設定する。
【００８３】
次に、ステップ３０８に進み、再度、ステップ３０１で設定した投光パターン１５−３の中心２４の位置にある一つのスリットを指定し、上記一方向とは逆方向に相当する、その右隣のアドレスを照射するようにセンサコントロール装置５−３の投光パターン設定部５１−３によって狭パターンＢ（不図示）を設定する。
【００８４】
次のステップ３０９にて、上記狭パターンＢを形状計測面１２上に投影する。ステップ３１０では、撮像装置１１にて撮像を行い、センサコントロール装置５−３の照射範囲設定部５３−３に撮像装置１１の撮像画像の信号を取り込む。
【００８５】
ステップ３１１では、照射範囲設定部５３−３は、取り込んだ画像の中に、狭パターンＢが存在するか否かを判定する。ここで、狭パターンＢが有ると判定された場合には、ステップ３１８に進み、さらに右隣のアドレスを照射するように狭パターンＢを再設定する。尚、再設定した狭パターンを説明上「狭パターン２Ｂ」とする（不図示）。そして、照射範囲設定部５３−３に取り込まれた画像内に、再設定した狭パターンが存在しなくなるまで、ステップ３０９、３１０、３１１が繰り返される。
【００８６】
ステップ３１１にて、狭パターンＢ、又は狭パターン２Ｂ等の再設定した狭パターンが無いと判定された場合には、ステップ３１２へ進み、照射範囲設定部５３−３は、狭パターンを設定したときの一つ前のアドレスを、照射範囲２１の他端位置に設定し、照射範囲２１の設定を完了する。
【００８７】
以上説明したように、照射範囲２１の一端位置と他端位置とを設定することで、撮像視野範囲１９の中心２３と、投光パターン１５−３の中心２４とがずれていた場合でも、そのずれを修正することが可能となる。よって、撮像視野範囲１９に対して正確に照射範囲２１を設定することができる。
【００８８】
尚、本実施の形態では、初めに上記一端位置を設定するとしたが、上記他端位置を先に設定しても良い。
また、本実施の形態では、撮像装置１１の撮像視野範囲１９に一致するように照射範囲２１を設定するようにしたが、照射範囲２１の設定は、撮像視野範囲１９よりも狭い領域であっても構わない。
また、本実施の形態では、投光パターン１５−３の中心位置を基準としたが、中心位置からずれた位置を基準としてもよい。
【００８９】
また、上述した実施の形態１〜３では、形状計測面１２上を等分割し、等分割したアドレスを走査して照射範囲２１を設定するとしたが、第１光検出器９或いは第２光検出器１０からの時間を変化させて照射範囲２１を設定するようにしても良いし、また、これらを組み合わせて照射範囲２１を設定するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００９０】
３ スキャナ制御装置、 ４ カメラ制御装置、 ５ センサコントロール装置、
６ 回転ミラー、 ７ 投光装置、 ８ コリメートレンズ群、 １１ 撮像装置、
１２ 形状計測面、 １３ 走査領域、 １５ 投光パターン、
１９ 撮像視野範囲、
５１、５１−２，５１−３ 投光パターン設定部、 ５２ 形状計測部、
５３、５３−２、５３−３ 照射範囲設定部、
１００１〜１００３ 形状計測装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状計測面に対して光学的手法によって非接触で３次元形状計測を行う形状計測装置であって、
撮像視野範囲にて上記形状計測面を撮像する撮像部と、
上記撮像部から供給されるタイミング信号にて動作制御されて、上記形状計測面において上記撮像視野範囲を超える投影領域へ投光パターンを投影する照射部と、
上記照射部にて上記形状計測面に投影される上記投光パターンの設定を行う投光パターン設定部と、
上記撮像部から撮像画像が供給され、上記投光パターン設定部にて設定された上記投光パターン及び上記撮像画像により、上記投光パターンの上記形状計測面における照射範囲を設定する照射範囲設定部と、
を備えたことを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
上記照射部は、上記投光パターンを上記投影領域にて第１方向に走査させるスキャナ部を有し、
上記投光パターン設定部は、上記第１方向において上記撮像視野範囲と同じ若しくは僅かに小さい照射幅にて上記投光パターンを設定し、
上記照射範囲設定部は、上記照射幅を有する上記投光パターンが上記撮像画像に含まれることで上記照射範囲の設定を完了する、請求項１記載の形状計測装置。
【請求項３】
設定された上記投光パターンが上記撮像視野範囲から外れた非照射領域を有し、上記照射範囲設定部は、上記非照射領域が無くなるまで投光パターンを走査し照射範囲の設定を行う、請求項２記載の形状計測装置。
【請求項４】
上記照射部は、上記投光パターンを上記投影領域にて第１方向に走査させるスキャナ部を有し、
上記投光パターン設定部は、上記第１方向において上記撮像視野範囲よりも小さい照射幅にて上記投光パターンを設定し、
上記照射範囲設定部は、上記第１方向における上記走査により、上記小さい照射幅を有する上記投光パターンが上記撮像画像に含まれ始めるスタート位置と、終了するストップ位置とを決定し、上記スタート位置及び上記ストップ位置にて上記照射範囲を設定する、請求項１記載の形状計測装置。
【請求項５】
投光パターン設定部は、上記撮像視野範囲と同じ幅にて上記投影領域を分割した分割領域毎に、それぞれ固有の投光パターンを設定し、
上記照射部は、上記固有の投光パターンをそれぞれの上記分割領域に投影し、
上記照射範囲設定部は、供給される上記撮像画像と同じ投光パターンにより上記照射範囲の設定を行う、請求項１記載の形状計測装置。
【請求項６】
上記照射部は、上記撮像画像における投光パターンよりも小さい照射幅にて設定された狭パターンを一方向に走査させるスキャナ部を有し、
上記照射範囲設定部は、上記撮像視野範囲において上記一方向への上記狭パターンの走査により、上記狭パターンが上記撮像画像から外れる直前の一端位置と、上記撮像視野範囲における上記一方向とは逆方向への上記狭パターンの走査により、上記狭パターンが上記撮像画像から外れる直前の他端位置とを決定し、上記一端位置及び上記他端位置にて上記照射範囲を設定する、請求項５記載の形状計測装置。
【請求項１】
形状計測面に対して光学的手法によって非接触で３次元形状計測を行う形状計測装置であって、
撮像視野範囲にて上記形状計測面を撮像する撮像部と、
上記撮像部から供給されるタイミング信号にて動作制御されて、上記形状計測面において上記撮像視野範囲を超える投影領域へ投光パターンを投影する照射部と、
上記照射部にて上記形状計測面に投影される上記投光パターンの設定を行う投光パターン設定部と、
上記撮像部から撮像画像が供給され、上記投光パターン設定部にて設定された上記投光パターン及び上記撮像画像により、上記投光パターンの上記形状計測面における照射範囲を設定する照射範囲設定部と、
を備えたことを特徴とする形状計測装置。
【請求項２】
上記照射部は、上記投光パターンを上記投影領域にて第１方向に走査させるスキャナ部を有し、
上記投光パターン設定部は、上記第１方向において上記撮像視野範囲と同じ若しくは僅かに小さい照射幅にて上記投光パターンを設定し、
上記照射範囲設定部は、上記照射幅を有する上記投光パターンが上記撮像画像に含まれることで上記照射範囲の設定を完了する、請求項１記載の形状計測装置。
【請求項３】
設定された上記投光パターンが上記撮像視野範囲から外れた非照射領域を有し、上記照射範囲設定部は、上記非照射領域が無くなるまで投光パターンを走査し照射範囲の設定を行う、請求項２記載の形状計測装置。
【請求項４】
上記照射部は、上記投光パターンを上記投影領域にて第１方向に走査させるスキャナ部を有し、
上記投光パターン設定部は、上記第１方向において上記撮像視野範囲よりも小さい照射幅にて上記投光パターンを設定し、
上記照射範囲設定部は、上記第１方向における上記走査により、上記小さい照射幅を有する上記投光パターンが上記撮像画像に含まれ始めるスタート位置と、終了するストップ位置とを決定し、上記スタート位置及び上記ストップ位置にて上記照射範囲を設定する、請求項１記載の形状計測装置。
【請求項５】
投光パターン設定部は、上記撮像視野範囲と同じ幅にて上記投影領域を分割した分割領域毎に、それぞれ固有の投光パターンを設定し、
上記照射部は、上記固有の投光パターンをそれぞれの上記分割領域に投影し、
上記照射範囲設定部は、供給される上記撮像画像と同じ投光パターンにより上記照射範囲の設定を行う、請求項１記載の形状計測装置。
【請求項６】
上記照射部は、上記撮像画像における投光パターンよりも小さい照射幅にて設定された狭パターンを一方向に走査させるスキャナ部を有し、
上記照射範囲設定部は、上記撮像視野範囲において上記一方向への上記狭パターンの走査により、上記狭パターンが上記撮像画像から外れる直前の一端位置と、上記撮像視野範囲における上記一方向とは逆方向への上記狭パターンの走査により、上記狭パターンが上記撮像画像から外れる直前の他端位置とを決定し、上記一端位置及び上記他端位置にて上記照射範囲を設定する、請求項５記載の形状計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−２４２２３０（Ｐ２０１１−２４２２３０Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１３９２４（Ｐ２０１０−１１３９２４）
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的先端ロボット要素技術開発プロジェクト、柔軟物も取扱える生産用ロボットシステム（次世代産業用ロボット分野）、ＦＡ機器組立ロボットシステムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１日（２０１１．１２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１８日（２０１０．５．１８）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２１年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「戦略的先端ロボット要素技術開発プロジェクト、柔軟物も取扱える生産用ロボットシステム（次世代産業用ロボット分野）、ＦＡ機器組立ロボットシステムの研究開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]