CN107683401B - 形状测定装置和形状测定方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种形状测定装置，该形状测定装置在通过光切法来对测定对象物的凹凸形状进行测定时，即使测定对象物与摄像装置之间的距离发生变动，也能够高精度地对测定对象物的形状进行测定。形状测定装置具备：线状光位置检测部，其根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测线状光的线状光位置；距离运算部，其基于由线状光位置检测部检测出的线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及摄像装置的光轴与线状光的出射方向所成的角，来运算从摄像装置至测定对象物的距离，该基准线状光位置是在测定对象物位于与摄像装置相距基准距离的位置时由线状光位置检测部检测出的；焦点调整部，其基于从摄像装置至测定对象物的距离来调整摄像装置的焦点；以及形状运算部，其基于摄像图像来运算测定对象物的形状。
Description
技术领域
本发明涉及一种通过光切法来对测定对象物的形状进行测定的形状测定装置和形状测定方法。
背景技术
光切法是如下方法：利用摄像装置来对通过激光器等照射到测定对象物的光的线进行拍摄，根据其摄像图像检测出的光的线的弯曲情形来对测定对象物的凹凸形状进行测定。例如，在专利文献1中，公开了如下的方法：使用延迟积分型照相机(TDI(Time DelayIntegration)照相机)来对照射到测定对象物的激光进行拍摄，基于获得到的条纹图像来对测定对象物的形状进行测定。
当对光切法更加详细地进行说明时，如图7所示，首先，从照射线激光、狭缝光等线状光的线状光照射装置10对测定对象物5照射线状光。而且，利用摄像装置20来对正照射到测定对象物5的线状光进行拍摄，并向图像处理装置50输出摄像图像A。例如，如果作为被照射线状光的照射面的、测定对象物5的测定面5a平坦，则在摄像图像A中出现直线的线状光。但是，在测定面5a存在凹坑的情况下，如图7所示，在摄像图像A中出现在直线部12a包含由于凹坑而产生的弯曲部12b的线状光12。这样，能够基于对被照射了线状光12的测定对象物5的测定面5a进行拍摄而获取到的摄像图像A所包含的线状光12的弯曲情形，来对测定面5a的形状进行测定。
在所述的方法中，在根据摄像图像A来对测定对象物5的形状进行测定时，为了准确地求出摄影图像中的线状光12的弯曲情形来维持形状测定的精度，需要进行聚焦使得线状光12精细且清晰地映现在摄影图像A中。因此，需要准确地将摄像装置20的焦点调整到测定对象物5的测定面5a。例如，在对搬送线上移动中的测定对象物5的侧面、上表面的形状进行测定的情况下，需要准确地将摄像装置20的焦点对准测定对象物5的侧面、上表面。但是，测定对象物5的形状例如由于在制造线上产品的规格不同等理由而不固定，例如，在测定对象物5为长方体状的情况下，宽度、高度等尺寸不同。
如果在形状测定前获知测定对象物5的宽度、高度，则能够通过计算从摄像装置20的设置位置至测定对象物5的测定面5a的距离并根据该距离调整摄像装置20的焦点，来获取清晰的图像。例如图8所示，在进行测定对象物5的侧面的形状测定的情况下，在测定开始前对控制装置60通知测定对象物5的宽度，设为从摄像装置20至测定面5a的距离D是已知的。并且，构成为能够通过马达等驱动装置来使摄像装置20的用于对聚焦透镜22的位置进行调整的聚焦环24进行旋转。由此，控制装置60能够根据从摄像装置20的设置位置至测定对象物5的测定面5a的距离D来驱动马达，从而使聚焦透镜22的聚焦环24进行旋转，使摄像装置20的焦点对准测定面5a。或者，如果摄像装置20的景深足够深，则也存在不进行焦点的调整就能够获得清晰的图像的情况。
专利文献1：日本特开2004-3930号公报
发明内容
发明要解决的问题
但是，也存在事先不知道测定对象物的宽度等尺寸的情况。或者，即使事先知道测定对象物的尺寸，但当发生如图9所示那样测定对象物5以相对于搬送方向倾斜的状态移动的斜行、如图10所示那样测定对象物5的宽度中心相对于搬送线的宽度方向中心C偏移的位置偏移等时，也存在以下情况：摄像装置20的焦点偏离测定对象物5的测定面5a，图像模糊且不清晰。
作为针对摄像装置20的焦点偏离测定对象物5的测定面5a的对策，考虑例如设置距离传感器，基于由该距离传感器测定出的摄像装置20与测定面5a之间的测定距离来调整焦点。但是，需要另外设置距离传感器，装置结构变得复杂。另外，作为不使用距离传感器的方法，也考虑如下的方法：根据使聚焦透镜沿摄像装置的光轴方向前后地移动的同时连续拍摄出的图像来计算亮度的对比度，搜索对比度高的位置来对焦点进行调整。但是，在所述的方法中，直到聚焦为止花费时间，响应性差，因此难以应用于搬送途中的测定对象物。
因此，本发明是鉴于上述问题而完成的，本发明的目的在于，提供一种在通过光切法对测定对象物的凹凸形状进行测定时即使测定对象物与摄像装置之间的距离发生变动也能够高精度地对测定对象物的形状进行测定的新且改进后的形状测定装置和形状测定方法。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，根据本发明的一个观点，提供一种形状测定装置，该形状测定装置具备：线状光位置检测部，其根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测线状光的线状光位置；距离运算部，其基于由线状光位置检测部检测出的线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及摄像装置的光轴与线状光的出射方向所成的角，来运算从摄像装置至测定对象物的距离，该基准线状光位置是在测定对象物位于与摄像装置相距基准距离的位置时由线状光位置检测部检测出的；焦点调整部，其基于从摄像装置至测定对象物的距离来调整摄像装置的焦点；以及形状运算部，其基于摄像图像来运算测定对象物的形状。
也可以是，距离运算部基于使用摄像装置的摄像分辨率表示的距离函数，来运算从摄像装置至测定对象物的距离。
例如，距离运算部也可以基于下述式(A)来运算从摄像装置至测定对象物的距离D。或者，距离运算部也可以基于下述式(B)来运算所述从所述摄像装置至所述测定对象物的距离D。
[数式1]
D＝D0+Xer0/tanθ …(B)
在此，D0为所述基准距离，r0为所述基准距离处的摄像分辨率，Xe为以所述摄像图像的像素为单位的所述线状光位置与所述基准线状光位置之间的距离差，θ为所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角。
另外，也可以是，线状光位置检测部计算表示摄像图像的在与线状光的直线方向正交的方向上的各位置处的沿线状光的直线方向排列的各像素的亮度值之和的投影波形，将投影波形的峰值位置设为线状光位置。
或者，也可以是，线状光位置检测部计算表示摄像图像的在与线状光的直线方向正交的方向上的各位置处的沿线状光的直线方向排列的各像素的亮度值之和的投影波形，将投影波形的重心位置设为线状光位置。
也可以是，形状运算部基于针对摄像图像的在线状光的直线方向上的各位置计算出的在与该直线方向正交的方向上的最大亮度位置，来运算测定对象物的形状。
或者，也可以是，形状运算部基于针对摄像图像的在线状光的直线方向上的各位置计算出的在与该直线方向正交的方向上的亮度的重心位置，来运算测定对象物的形状。
另外，为了解决上述问题，根据本发明的另一观点，提供一种形状测定方法，该形状测定方法包括以下步骤：线状光位置检测步骤，根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测线状光的线状光位置；距离运算步骤，基于线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及摄像装置的光轴与线状光的出射方向所成的角，来运算从摄像装置至测定对象物的距离，该基准线状光位置是在测定对象物位于与摄像装置相距基准距离的位置时检测出的；焦点调整步骤，基于从摄像装置至测定对象物的距离来调整摄像装置的焦点；以及形状运算步骤，基于摄像图像来运算测定对象物的形状。
发明的效果
如以上所说明的那样，根据本发明，在通过光切法对测定对象物的凹凸形状进行测定时，即使测定对象物与摄像装置之间的距离发生变动也能够高精度地对测定对象物的形状进行测定。
附图说明
图1是表示通过光切法对测定对象物的形状进行测定的形状测定***的概要结构的说明图。
图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的形状测定装置的功能结构的功能框图。
图3是表示由该实施方式所涉及的形状测定装置进行的处理的流程图。
图4是说明步骤S110的摄像图像内的线状光位置的计算方法的说明图。
图5是说明步骤S120的摄像装置与测定对象物之间的距离的计算方法的说明图。
图6是表示在测定面具有凸形状的测定对象物的摄像图像的一例的说明图。
图7是说明光切法原理的说明图。
图8是表示针对测定对象物的宽度变化的应对方法的一例的说明图。
图9是说明成为焦点偏离的一个因素的测定对象物的斜行的说明图。
图10是说明成为焦点偏离的一个因素的测定对象物的位置偏移的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图来对本发明的优选的实施方式详细地进行说明。此外，在本说明书和附图中，对于具有实质上相同的功能结构的构成要素，通过标注同一标记来省略重复说明。
<1.结构>
首先，参照图1和图2来对本发明的一个实施方式所涉及的形状测定装置的结构进行说明。图1是表示通过光切法对测定对象物5的形状进行测定的形状测定***的概要结构的说明图。图2是表示本实施方式所涉及的形状测定装置的功能结构的功能框图。此外，在图1中，示出以俯视图的方式观察测定对象物5的状态，将图7所示那样的长方体的测定对象物5的一个侧面设为测定面5a。
[1-1.形状测定***的概要结构]
形状测定***是通过光切法对测定对象物5的形状进行测定的***。如图1所示，形状测定***包括：线状光照射装置10，其对测定对象物5照射线状光；摄像装置20，其对正照射到测定对象物5的线状光进行拍摄；以及形状测定装置100，其基于通过由摄像装置20拍摄到的摄像图像来确定测定对象物5的测定面5a的凹凸形状。线状光照射装置10例如为能够输出线激光、狭缝光等线状光的装置。另外，在摄像装置20中例如能够使用面阵摄像机。
本实施方式所涉及的形状测定装置100根据测定对象物5与摄像装置20之间的距离来对摄像装置20的焦点进行调整。由此，即使测定对象物5与摄像装置20之间的距离发生变动，也对摄像装置20的聚焦透镜22的位置进行控制以获取清晰的图像，因此能够高精度地对测定对象物5的形状进行测定。在本实施方式中，摄像装置20具备聚焦透镜22，该聚焦透镜22具有通过马达等驱动装置来进行旋转的聚焦环24。即，形状测定装置100能够根据从摄像装置20的设置位置至测定对象物5的测定面5a的距离驱动马达，来使聚焦透镜22的聚焦环24进行旋转，从而进行聚焦。
这样的实施方式所涉及的形状测定装置100进行基于摄像图像来确定测定对象物5的形状的形状测定处理和基于摄像图像来调整摄像装置20的焦点的焦点调整处理。
在形状测定处理中，通过光切法，利用摄像装置来对被照射到测定对象物的光的线进行拍摄，基于根据其摄像图像检测出的线状光的弯曲情形来对测定对象物的凹凸形状进行测定。如图1所示，当从线状光照射装置10对测定对象物5照射线状光时，利用摄像装置20来对正照射到测定对象物5的线状光进行拍摄，向形状测定装置100输出摄像图像。形状测定装置100基于对被照射了线状光12的测定对象物5的测定面5a进行拍摄所获取到的摄像图像所包含的线状光的弯曲情形，来对测定面5a的形状进行测定。
另外，在焦点调整处理中，根据摄像装置20与测定对象物5的测定面5a之间的距离的变动来将焦点对准测定面5a。在本实施方式中，基于由摄像装置20获取到的摄像图像来获取摄像装置20与测定对象物5的测定面5a之间的距离，利用形状测定装置100来进行摄像装置20的焦点调整。通过并行或者交替地执行焦点调整处理和形状测定处理，即使测定对象物与摄像装置之间的距离发生变动，也能够高精度地对测定对象物的形状进行测定。
[1-2.形状测定装置的结构]
当更详细地观察形状测定装置100时，如图2所示，形状测定装置100具备图像获取部110、线状光位置检测部120、距离运算部130、焦点调整部140、形状运算部150以及结果输出部160。其中的线状光位置检测部120、距离运算部130以及焦点调整部140是执行用于进行摄像装置20的焦点调整的焦点调整处理的功能部。另外，形状运算部150和结果输出部160是执行用于确定测定对象物5的形状的形状确定处理的功能部。
图像获取部110是获取由摄像装置20拍摄到的摄像图像的接口部。向图像获取部110逐次输入由摄像装置20拍摄到的图像。图像获取部110将被输入的摄像图像向线状光位置检测部120和形状运算部150输出。
线状光位置检测部120通过运算处理来检测摄像图像内的线状光的线状光位置。例如，在摄像图像中，将线状光的直线方向设为纵向方向，将与线状光的直线方向正交的方向设为水平方向，线状光位置检测部120首先在摄像图像的水平方向上的各位置处取沿纵向方向排列的各像素的亮度值之和，来获取纵向方向的投影(以下也称为“投影波形”。)。而且，线状光位置检测部120基于投影波形来确定摄像图像内的线状光位置。摄像图像内的线状光位置也可以设为例如投影波形的峰值位置、重心位置等。线状光位置检测部120向距离运算部130输出所计算出的摄像图像内的线状光位置。
距离运算部130基于由线状光位置检测部120计算出的摄像图像内的线状光位置来计算摄像装置20与测定对象物5之间的距离。距离运算部130根据摄像图像内的线状光位置、以及线状光照射装置10和摄像装置20相对于距摄像装置20离了预先决定的基准距离的基准面的设置位置，来以几何学的方式计算摄像装置20与测定对象物5之间的距离。此外，关于由距离运算部130进行的摄像装置20与测定对象物5之间的距离的计算处理的详细内容，后面记述。距离运算部130向焦点调整部140输出所计算出的摄像装置20与测定对象物5之间的距离。
焦点调整部140基于由距离运算部130计算出的摄像装置20与测定对象物5之间的距离，来调整摄像装置20的聚焦透镜22的焦点位置。如图1所示，本实施方式所涉及的聚焦透镜22是具备使聚焦环24进行旋转的马达26的带有马达驱动的透镜。焦点调整部140基于摄像装置20与测定对象物5之间的距离，对马达26输出以使焦点对准测定面5a的方式使聚焦透镜22移动的指令。马达26例如为步进马达等。例如，焦点调整部140利用马达26使聚焦环24进行旋转来调整焦点，以使透镜位于距测定对象物5的测定面5a离了规定的距离的实现聚焦的距离位置。焦点调整部140也可以预先保持从摄像装置20至测定面5a的距离与实现聚焦的聚焦环24的旋转角之间的对应关系。该对应关系例如可以通过如下等方法来获得：设定多个距摄像装置20的距离，在各距离对样本进行拍摄，预先获取在各距离聚焦于样本时的聚焦环24的旋转角。
形状运算部150基于摄像图像中的线状光的弯曲情形来计算测定对象物5的测定面5a的凹凸形状。形状运算部150在摄像图像的纵向方向上的各位置处确定成为最大亮度的水平方向上的位置，计算测定对象物5的测定面5a的凹凸形状。此外，关于由形状运算部150进行的测定对象物5的形状计算处理的详细内容，后面记述。形状运算部150向结果输出部160输出所计算出的测定对象物5的形状。
结果输出部160向显示装置30、存储部40输出由形状运算部150计算出的测定对象物5的测定面5a的形状。显示装置30既可以是为了形状测定装置100而设置的显示器，也可以是还能够输出来自除形状测定装置100以外的机器的显示信息的显示器。通过使显示装置30显示所计算出的测定对象物5的测定面5a的形状，能够向操作者通知测定对象物5的测定面5a的形状。另外，通过将测定对象物5的测定面5a的形状存储于存储部40，能够例如在测定对象物5的测定面5a确定存在凹凸形状的位置。
以上，对本实施方式所涉及的形状测定装置100的功能结构进行了说明。
<2.由形状测定装置进行的处理>
接着，基于图3～图6来对由本实施方式所涉及的形状测定装置100进行的处理进行说明。本实施方式所涉及的形状测定装置100进行基于摄像图像来确定测定对象物5的测定面5a的形状的形状测定处理和基于摄像图像来调整摄像装置20的焦点的焦点调整处理，由此即使测定对象物与摄像装置之间的距离发生变动，也能够高精度地对测定对象物的测定面5a的形状进行测定。
首先，设为利用摄像装置20对正被照射线状光的测定对象物5的测定面5a进行拍摄，在规定的定时向形状测定装置100输出由摄像装置20拍摄到的摄像图像。如图3所示，当利用图像获取部110获取由摄像装置20拍摄到的摄像图像时(S100)，形状测定装置100开始进行焦点调整处理(S110～S130)和形状测定处理(S140、S150)。既可以并行地执行形状测定处理和焦点调整处理，也可以交替地执行形状测定处理和焦点调整处理。以下，对各处理详细地进行说明。
[2-1.焦点调整处理]
在焦点调整处理中，首先，利用线状光位置检测部120来计算摄像图像内的线状光的线状光位置(S110)。基于图4来对摄像图像内的线状光位置的计算方法进行说明。图4上侧所示的摄像图像A是在图1所示的结构的形状测定***中利用摄像装置20对测定对象物5的测定面5a进行拍摄所得到的图像的一例。在摄像图像A中，将测定对象物5的搬送方向设为X方向，将与X方向正交的线状光12的直线方向设为Y方向。设为摄像图像A为N×M像素的图像I(x，y)(0≤x≤N-1，0≤y≤M-1)。在此，x为各像素的X方向位置，y为各像素的Y方向位置。
线状光位置检测部120基于下述式(1)来在图4的摄像图像A的水平方向(X方向)上的各位置处取沿线状光12的直线方向(纵向方向、Y方向)排列的各像素的亮度值之和(累积亮度值)，获取图4下侧所示那样的表示水平方向上的各位置处的累积亮度值的波形。将该波形称为投影波形。线状光12沿纵向方向延伸，因此在投影波形中线状光12的位置成为峰值而出现。线状光位置检测部120基于这样的投影波形来确定摄像图像A内的线状光位置。
当更详细地进行说明时，线状光位置以与没有被照射线状光12的部分的亮度值不同的亮度值在摄像图像A中出现。因而，在投影波形中，正被照射线状光12的位置的累积亮度值与其它位置的累积亮度值相比较也显著地变高。因此，线状光位置检测部120将在投影波形中累积亮度值显著地变高的位置检测为线状光位置。线状光位置例如既可以如下述式(2)所示那样设为投影波形的峰值位置，也可以如下述式(3)所示那样设为投影波形的重心位置。此外，即使计算了投影波形的摄像图像A没有聚焦于测定对象物5而不清晰，只要在投影波形中出现峰值，线状光位置检测部120也能够确定线状光位置。
[数式2]
峰值位置＝arg maxxProj(x) …(2)
当由线状光位置检测部120确定线状光位置时，接着，利用距离运算部130基于线状光位置来计算摄像图像获取时的摄像装置20与测定对象物5之间的距离(S120)。以下，基于图5来说明摄像装置20与测定对象物5之间的距离的计算方法。
图5是针对线状光照射装置10和摄像装置20示出测定对象物5的测定面5a与在摄像装置20的光轴方向上距该摄像装置20离了基准距离D0的基准面B之间的位置关系的示意图。基准距离D0是为了计算从摄像装置20至测定面5a的距离D而预先设定的固定值。例如，在如图1所示那样将测定对象物5的一个侧面设为测定面5a的情况下，也可以将摄像装置20与本来要配置的测定面5a的设计上的位置之间的距离设为基准距离D0。此外，本来要配置的测定面5a的设计上的位置例如是指使测定对象物5的宽度中心与搬送线的宽度方向中心C一致的位置。另外，例如，在将测定对象物5的上表面设为测定面5a的情况下，也可以与将一个侧面设为测定面5a时同样地将摄像装置20与本来要配置的上表面的设计上的位置之间的距离设为基准距离D0。
如图5所示，位于距摄像装置20离了基准距离D0的位置的基准面B设为在其中心处与摄像装置20的光轴正交的面。在形状测定***中，摄像装置20配置为能够聚焦于该基准面B。另外，线状光照射装置10从相对于摄像装置20的光轴倾斜了角度θ的方向射出线状光12。此时，线状光照射装置10配置为线状光12与摄像装置20的光轴在基准面B交叉。这样，形状测定***构成为在测定对象物5的测定面5a位于基准面B时能够对线状光12清晰地进行拍摄。
在此，设为测定对象物5的测定面5a从基准面B的位置向远离摄像装置20的方向偏移。此时，没有聚焦于测定面5a，因此摄像装置20的摄像图像A为不清晰的图像。因此，使摄像装置20的聚焦透镜22移动到聚焦于测定面5a的位置，因此利用距离运算部130计算从摄像装置20至测定面5a的距离D。
用下述式(4)表示从摄像装置20至测定面5a的距离D。在式(4)中，d为基准面B与测定面5a的距离[mm]，通过下述式(5)、(6)表示。在式(5)中，X0为基准面B处的线状光位置(以下也称为“基准线状光位置”。)，X为在摄像图像A中出现的线状光12的照射位置。例如图5所示，当测定对象物5比基准面B更远离摄像装置20时，从摄像装置20至测定面5a的距离D大于基准距离D0。此时，在摄像图像A中，线状光位置X出现在比线状光位置X0靠纸面右侧(与线状光照射装置10相反的一侧)的位置处。另一方面，当测定对象物5比基准面B更接近摄像装置20时，从摄像装置20至测定面5a的距离D小于基准距离D0。此时，在摄像图像A中，线状光位置X出现在比线状光位置X0靠纸面左侧(线状光照射装置10侧)的位置处。这样，根据从摄像装置20至测定面5a的距离D，在线状光位置X0与通过步骤S110检测出的线状光位置X之间产生偏移(距离差Xe[像素])。当将距离D时的摄影分辨率设为r[mm/像素]时，与该Xe对应的实际空间中的距离差为Xe·r，根据几何学的关系，用式(5)表示d。另外，当将距离D[mm]处的摄像装置20的视场宽度设为W[mm]时，用式(6)表示距离D时的摄影分辨率r[mm/像素]。
[数式3]
D＝D0+d …(4)
另一方面，在将基准面B(基准距离D0[mm])处的摄像装置20的视场宽度设为W0[mm]时，根据比例关系，下述式(7)的关系成立。另外，基准面B处的摄像分辨率r0为W0/N，由此r0与r之间的关系为下述式(8)。
[数式4]
由此，根据式(4)、式(5)以及式(7)，用下述式(9)表示距离D。
[数式5]
在此，根据式(6)，用下述式(10)表示基准距离D0处的摄像分辨率r0，但是在基准距离D0比从距离差Xe导出的Xe·r0/tanθ足够大的情况下，上述式(9)的第二项的分母能够视为1。因而，能够根据将式(9)简化所得到的下述式(10)来计算距离D。即，能够用基准距离D0与距离差r0d之和表示距离D。在本实施方式中，将式(9)或式(10)定义为距离函数。
[数式6]
D＝D0+Xer0/tanθ …(10)
距离运算部130例如基于作为距离函数的式(10)来计算从摄像装置20至测定面5a的距离D。而且，距离运算部130向焦点调整部140输出所计算出的距离D。
之后，焦点调整部140基于通过步骤S120计算出的从摄像装置20至测定面5a的距离D来调整摄像装置20的聚焦透镜22的位置(S130)。在图5所示的例子中，当测定对象物5的测定面5a相对于基准面B偏移时，在摄像图像A中出现的线状光位置X从基准线状光位置X0沿X方向偏移Xe。如上所述，在测定对象物5的测定面5a从基准面B向远离摄像装置20的方向偏移的情况下，线状光位置X如图5下侧所示那样相对于线状光位置X0向纸面右侧(即，与线状光照射装置10相反的一侧)偏移。另一方面，在测定对象物5的测定面5a从基准面B向接近摄像装置20的方向偏移的情况下，线状光位置X相对于基准线状光位置X0向纸面左侧(线状光照射装置10侧)偏移。这样，当线状光位置X从基准线状光位置X0偏移时，摄像装置20的聚焦透镜22的焦点没有对准于测定面5a。在摄像装置20的聚焦透镜22的焦点没有对准的状态下获取到的摄像图像A不清晰，当基于不清晰的摄像图像A来执行后述的形状测定处理时，线状光被较粗地拍摄，因此测定对象物5的形状测定精度降低。
因此，本实施方式所涉及的形状测定装置100利用焦点调整部140，基于摄像装置20与测定对象物5之间的距离D来调整摄像装置20的聚焦透镜22的焦点位置。例如，在本实施方式所涉及的聚焦透镜22是具备使聚焦环24进行旋转的马达26的带有马达驱动的透镜的情况下，焦点调整部140基于摄像装置20与测定对象物5之间的距离D，来对马达26输出使聚焦透镜22移动至规定的距离位置的指令。设为规定的距离位置是在获取到摄像图像A时使得在测定对象物5的测定面5a聚焦的位置。由此，能够通过摄像装置20获取清晰的摄像图像A。焦点调整部140基于预先获取到的从摄像装置20至测定面5a的距离与实现聚焦的聚焦环24的旋转角之间的对应关系，来利用马达26使聚焦环24进行旋转，从而调整焦点。
这样，形状测定装置100每当从摄像装置20获取到摄像图像A时反复进行步骤S110～S130的处理，由此能够始终形成聚焦于测定面5a的状态，来获取清晰的图像。
[2-2.形状测定处理]
另一方面，形状测定装置100将形状测定处理(S140、S150)与上述的焦点调整处理(S110～S130)一同执行。
首先，形状运算部150基于在摄像图像中的线状光的弯曲情形来计算测定对象物5的测定面5a的凹凸形状(S140)。在此，图6中示出在测定面5a具有凸形状的测定对象物5的摄像图像A的一例。在测定面5a为没有凹凸的平坦面的情况下，在摄像图像A中出现直线状的线状光，但是当存在测定面5a的凸形状时，如图6所示，在摄像图像A中出现包括直线部12a和由于测定面5a的凸形状而产生的弯曲部12b的线状光12。
在此，将在时刻t拍摄到的N×M像素的摄像图像A设为图像I(x，y|t)(0≤x≤N-1，0≤y≤M-1)。形状运算部150在该摄像图像A的纵向方向(Y方向)上的各位置处确定成为最大亮度的水平方向(X方向)上的位置。即，形状运算部150根据下述式(11)来在摄像图像A的纵向方向(Y方向)上的各位置处计算赋予最大亮度的X坐标Xmax(y|t)。
[数式7]
以基准距离D0为形状的原点，获取表示此时测量的测定对象物5的凹凸形状的值(以下也称为“形状值”。)Z来作为如下述式(12)那样的离散值。
[数式8]
此外，摄像装置20的光轴与线状光照射装置10的线状光12的出射方向之间的角度θ被设定为30°～45°的值，通常被设定为45°。形状运算部150基于式(12)针对在时间方向上连续地拍摄到的各图像分别求出形状值Z，由此能够计算测定对象物5的整个测定面5a的形状。
另外，在将图像的拍摄间隔设为Δt[秒]且将测定对象物5的移动速度设为v[mm/秒]时，形状运算部150能够基于用下述式(13)表示的形状值Z来计算测定对象物5的测定面5a的离散性的形状。此外，u为离散值(u＝0、1、2、···)。另外，将测定对象物5的移动方向设为u方向(与X方向相同的方向)，将与该u方向正交的方向设为v方向(与Y方向相同的方向)。
[数式9]
并且，在本实施方式中，形状运算部150根据使用上述式(11)获得的在摄像图像A的纵向方向(Y方向)上的各位置处赋予最大亮度的X坐标，获取测定对象物5的测定面5a的以摄像图像的像素为单位的离散性的形状，但是本发明不限定于所述的例子。例如，也可以使用以下述式(14)表示的重心位置Xg(y|t)来代替在摄像图像A的纵向方向(Y方向)上的各位置处赋予最大亮度的X坐标Xmax(y|t)。通过使用重心位置Xg(y|t)，能够得到Y方向(v方向)的形状的不受摄像图像的像素分辨率限制的连续值。
[数式10]
这样，利用形状运算部150来计算表示测定对象物5的测定面5a的形状的变量、即形状值Z。形状运算部150向结果输出部160输出所计算出的形状值Z。
结果输出部160当从形状运算部150接收到表示测定对象物5的形状的形状值Z时，向显示装置30或存储部40输出其计算结果(S150)。显示装置30基于形状值Z来显示测定对象物5的形状，向操作者通知测定对象物5的形状。另外，存储于存储部40的测定对象物5的形状例如能够用作在测定对象物5的测定面5a确定存在凹凸形状的位置等的信息。
形状测定装置100每当从摄像装置20获取到摄像图像A时反复进行步骤S140和S150的处理，确定测定对象物5的测定面5a的形状。在形状测定处理中使用的摄像图像A为通过上述的焦点调整处理获取到的图像。形状测定装置100使用清晰的摄像图像来计算测定对象物5的形状，由此能够更高精度地确定测定对象物5的形状。
此外，如上所述，形状测定装置100当利用图像获取部110来获取由摄像装置20拍摄到的摄像图像时(S100)，既可以并行地执行焦点调整处理(S110～S130)和形状测定处理(S140、S150)，也可以交替地执行焦点调整处理(S110～S130)和形状测定处理(S140、S150)。例如，在交替地执行这些处理的情况下，在通过焦点调整处理(S110～S130)调整了焦点之后，接着针对与在焦点调整处理中使用的摄影图像相同的摄像图像执行形状测定处理(S140、S150)。
以上，对由本实施方式所涉及的形状测定装置100进行的摄像装置20的焦点调整处理和形状测定处理进行了说明。根据本实施方式，不需要另外设置距离传感器地根据在摄像图像A中出现的线状光12的线状光位置来计算摄像装置20与测定对象物5之间的距离，使聚焦透镜22移动以聚焦于位于所计算出的距离的位置的测定面。由此，不进行使聚焦透镜22的位置沿光轴方向移动的扫描等的反复处理就能够基于由摄像装置20获取到的摄像图像进行焦点调整，能够无时间滞后地利用摄像装置20获得清晰的摄像图像。其结果，即使摄像装置20与测定对象物5之间的距离发生变化，也能够根据该变化来调整聚焦透镜22的位置，因此能够防止拍摄到的线状光模糊且不清晰，从而将形状的测定精度维持得高。
以上，参照附图来对本发明的优选的实施方式详细地进行了说明，但是本发明并不限定于所述例子。具有本发明所属的技术领域中的通常知识的人员应能够了解：在专利权利要求书所记载的技术思想的范畴内显然能够想到各种变更例或修正例，这些各种变更例或修正例当然也属于本发明的保护范围。
附图标记说明
5：测定对象物；5a：测定面；10：线状光照射装置；12：线状光；12a：直线部；12b：弯曲部；20：摄像装置；22：聚焦透镜；24：聚焦环；26：马达；30：显示装置；40：存储部；100：形状测定装置；110：图像获取部；120：线状光位置检测部；130：距离运算部；140：焦点调整部；150：形状运算部；160：结果输出部；A：摄像图像；B：基准面。
Claims (12)
1.一种形状测定装置，具备：
线状光位置检测部，其根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测所述线状光的线状光位置；
距离运算部，其基于由所述线状光位置检测部检测出的所述线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，该基准线状光位置是在所述测定对象物位于与所述摄像装置相距所述基准距离的位置时由所述线状光位置检测部检测出的；
焦点调整部，其基于从所述摄像装置至所述测定对象物的距离来调整所述摄像装置的焦点；以及
形状运算部，其基于所述摄像图像来运算所述测定对象物的形状，
所述距离运算部基于使用所述摄像装置的摄像分辨率表示的距离函数，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，
所述距离运算部基于下述式(A)来运算所述从所述摄像装置至所述测定对象物的距离D，
其中，D0为所述基准距离，r0为所述基准距离处的摄像分辨率，Xe为以所述摄像图像的像素为单位的所述线状光位置与所述基准线状光位置之间的距离差，θ为所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角。
2.根据权利要求1所述的形状测定装置，其特征在于，
所述线状光位置检测部计算表示所述摄像图像的在与线状光的直线方向正交的方向上的各位置处的沿所述线状光的直线方向排列的各像素的亮度值之和的投影波形，
将所述投影波形的峰值位置设为所述线状光位置。
3.根据权利要求1所述的形状测定装置，其特征在于，
所述线状光位置检测部计算表示所述摄像图像的在与线状光的直线方向正交的方向上的各位置处的沿所述线状光的直线方向排列的各像素的亮度值之和的投影波形，
将所述投影波形的重心位置设为所述线状光位置。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的形状测定装置，其特征在于，
所述形状运算部基于针对所述摄像图像的在所述线状光的直线方向上的各位置计算出的在与该直线方向正交的方向上的最大亮度位置，来运算所述测定对象物的形状。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的形状测定装置，其特征在于，
所述形状运算部基于针对所述摄像图像的在所述线状光的直线方向上的各位置计算出的在与该直线方向正交的方向上的亮度的重心位置，来运算所述测定对象物的形状。
6.一种形状测定装置，具备：
线状光位置检测部，其根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测所述线状光的线状光位置；
距离运算部，其基于由所述线状光位置检测部检测出的所述线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，该基准线状光位置是在所述测定对象物位于与所述摄像装置相距所述基准距离的位置时由所述线状光位置检测部检测出的；
焦点调整部，其基于从所述摄像装置至所述测定对象物的距离来调整所述摄像装置的焦点；以及
形状运算部，其基于所述摄像图像来运算所述测定对象物的形状，
所述距离运算部基于使用所述摄像装置的摄像分辨率表示的距离函数，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，
所述距离运算部基于下述式(B)来运算所述从所述摄像装置至所述测定对象物的距离D，
D＝D0+Xer0/tanθ ...(B)
其中，D0为所述基准距离，r0为所述基准距离处的摄像分辨率，Xe为以所述摄像图像的像素为单位的所述线状光位置与所述基准线状光位置之间的距离差，θ为所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角。
7.根据权利要求6所述的形状测定装置，其特征在于，
所述线状光位置检测部计算表示所述摄像图像的在与线状光的直线方向正交的方向上的各位置处的沿所述线状光的直线方向排列的各像素的亮度值之和的投影波形，
将所述投影波形的峰值位置设为所述线状光位置。
8.根据权利要求6所述的形状测定装置，其特征在于，
所述线状光位置检测部计算表示所述摄像图像的在与线状光的直线方向正交的方向上的各位置处的沿所述线状光的直线方向排列的各像素的亮度值之和的投影波形，
将所述投影波形的重心位置设为所述线状光位置。
9.根据权利要求6～8中的任一项所述的形状测定装置，其特征在于，
所述形状运算部基于针对所述摄像图像的在所述线状光的直线方向上的各位置计算出的在与该直线方向正交的方向上的最大亮度位置，来运算所述测定对象物的形状。
10.根据权利要求6～8中的任一项所述的形状测定装置，其特征在于，
所述形状运算部基于针对所述摄像图像的在所述线状光的直线方向上的各位置计算出的在与该直线方向正交的方向上的亮度的重心位置，来运算所述测定对象物的形状。
11.一种形状测定方法，包括以下步骤：
线状光位置检测步骤，根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测所述线状光的线状光位置；
距离运算步骤，基于所述线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，其中，该基准线状光位置是在所述测定对象物位于与所述摄像装置相距所述基准距离的位置时检测出的；
焦点调整步骤，基于从所述摄像装置至所述测定对象物的距离来调整所述摄像装置的焦点；以及
形状运算步骤，基于所述摄像图像来运算所述测定对象物的形状，
所述距离运算步骤基于使用所述摄像装置的摄像分辨率表示的距离函数，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，
所述距离运算步骤基于下述式(A)来运算所述从所述摄像装置至所述测定对象物的距离D，
其中，D0为所述基准距离，r0为所述基准距离处的摄像分辨率，Xe为以所述摄像图像的像素为单位的所述线状光位置与所述基准线状光位置之间的距离差，θ为所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角。
12.一种形状测定方法，包括以下步骤：
线状光位置检测步骤，根据利用摄像装置对由线状光照射装置照射到测定对象物的线状光进行拍摄所得到的摄像图像，来检测所述线状光的线状光位置；
距离运算步骤，基于所述线状光位置与基准线状光位置之间的距离差、规定的基准距离以及所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，其中，该基准线状光位置是在所述测定对象物位于与所述摄像装置相距所述基准距离的位置时检测出的；
焦点调整步骤，基于从所述摄像装置至所述测定对象物的距离来调整所述摄像装置的焦点；以及
形状运算步骤，基于所述摄像图像来运算所述测定对象物的形状，
所述距离运算步骤基于使用所述摄像装置的摄像分辨率表示的距离函数，来运算从所述摄像装置至所述测定对象物的距离，
所述距离运算步骤基于下述式(B)来运算所述从所述摄像装置至所述测定对象物的距离D，
D＝D0+Xer0/tanθ ...(B)
其中，D0为所述基准距离，r0为所述基准距离处的摄像分辨率，Xe为以所述摄像图像的像素为单位的所述线状光位置与所述基准线状光位置之间的距离差，θ为所述摄像装置的光轴与所述线状光的出射方向所成的角。
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