JP2000241139A

JP2000241139A - 形状測定装置

Info

Publication number: JP2000241139A
Application number: JP11043502A
Authority: JP
Inventors: Koshi Kuno; 耕嗣久野; Hiroyuki Suganuma; 孫之菅沼; Satohiko Yoshikawa; 聡彦吉川; Ei Kosakai; 映小坂井
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1999-02-22
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】高速、高分解能で、フレキシブルに対応で
き、低コストで対象物体の形状を測定する。【解決手段】線状のレーザ光を対象物体１に照射し、
その反射光を撮影した撮像手段５の画像を解析して前記
対象物体１の形状を測定する形状測定装置において、前
記撮像手段５の撮像光の光軸を前記撮像手段５に対して
相対的に、該撮像手段５の水平方向ｉ、垂直方向ｊの少
なくとも一方の方向に微小単位ずつずらす画素ずらし手
段６が設けられていることを特徴とする形状測定装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は形状測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、物体の形状を非接触で測定するニ
ーズが高まっている。この形状測定には広視野で高分解
能が要求される。その方法として従来一般的にズームレ
ンズで高分解能化したカメラに移動可能な機構を付ける
方法が用いられていた。この方法では移動機構が必要で
あるため、大型となり、コストが高く、移動機構の動作
に時間がかかる問題がある。

【０００３】また別の方法として、線状のレーザ光を物
体に照射して、その反射光から得られる画像により形状
を測定する光切断法が知られている。この光切断法にお
いて高分解能化するために、特開平５−１６４５２１号
公報には複数の撮像素子を使用する方法が開示されてい
る。しかし、この方法では撮像素子、撮像画像の処理装
置あるいは撮像切替器が必要であるためコストが高い問
題がある。

【０００４】これらを解決する従来技術として、特開平
９−１８６９４０号公報には、撮像光の光軸を水平およ
び垂直方向に微小単位ずつずらして撮像した複数の画像
情報により解像度を高める方法が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術は、画素ずらしした複数の画像を記録して演算する必
要があるため、大きな画像メモリを必要とし、画像合成
に膨大な処理時間がかかるという問題点があった。

【０００６】本発明は上記課題を解決したもので、高
速、高分解能で、フレキシブルに対応できる低コストな
形状測定装置を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記技術的課題を解決す
るために、本発明の請求項１において講じた技術的手段
（以下、第１の技術的手段と称する。）は、線状のレー
ザ光を対象物体に照射し、その反射光を撮影した撮像手
段の画像を解析して前記対象物体の形状を測定する形状
測定装置において、前記撮像手段の撮像光の光軸を前記
撮像手段に対して相対的に、該撮像手段の水平方向、垂
直方向の少なくとも一方の方向に微小単位ずつずらす画
素ずらし手段が設けられていることを特徴とする形状測
定装置である。

【０００８】上記第１の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【０００９】すなわち、一つの撮像手段により複数の画
像を撮像し、その複数の画像から対象物体の位置を求め
ることができるので、高分解能の形状測定ができる。ま
た、線状のレーザ光を照射した画像であるため、線状の
画像データだけを記録すればよいので低コスト化の小さ
な画像メモリを使用でき、演算量の少ないので高速化で
きる。さらに、要求される形状測定精度に応じて画素ず
らしピッチを変えることができるので、フレキシブルに
対応でき、低い形状測定精度の場合に高速に処理するこ
とができる。

【００１０】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技
術的手段と称する。）は、前記画素ずらし手段が、撮像
光の光軸を固定して前記撮像手段を微小単位ずつずらす
手段であることを特徴とする請求項１記載の形状測定装
置である。

【００１１】上記第２の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１２】すなわち、前記撮像手段を機械的に動かす
ので、簡単な構成で画像ずらしすることができる。

【００１３】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技
術的手段と称する。）は、前記画素ずらし手段が、前記
撮像手段を固定して撮像光の光軸を微小単位ずつずらす
手段であることを特徴とする請求項１記載の形状測定装
置である。

【００１４】上記第３の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１５】すなわち、撮像手段が固定されているの
で、該撮像手段が故障する恐れが少ない効果を有する。

【００１６】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項４において講じた技術的手段（以下、第４の技
術的手段と称する。）は、前記撮像手段の画像のうち、
所定の輝度閾値以上の画像の輝度だけを一次記憶手段に
一次記憶することを特徴とする請求項１記載の形状測定
装置である。

【００１７】上記第４の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００１８】すなわち、画像は線状であり、輝度閾値以
上の画像だけを記憶するので、一次記憶手段に必要な記
憶容量が少なく、低価格な一次記憶手段を利用すること
ができる。

【００１９】上記技術的課題を解決するために、本発明
の請求項５において講じた技術的手段（以下、第５の技
術的手段と称する。）は、前記撮像手段の走査線ごと
に、画像の輝度の積算値、輝度と画素位置を乗した値の
積算値を演算し、画素ずらしした画像の複数の前記積算
値から輝度の重心位置を演算することを特徴とする請求
項１記載の形状測定装置である。

【００２０】上記第５の技術的手段による効果は、以下
のようである。

【００２１】すなわち、二つの積算値だけで重心位置が
演算できるので、画像全体の輝度から演算する必要がな
く高速に演算できるため高速に測定できる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について、
図面に基づいて説明する。

【００２３】図1は本発明の実施例の形状測定装置の概
略構成図である。図２は、本発明の実施例の形状測定装
置の構成を概略的に示すブロック図である。図１と図２
では同じ部分には同じ符号を用いている。

【００２４】まず、図１で本実施例の構成を説明する。
本形状測定装置は、レーザスリット投光器２、レーザ出
力制御部３、光学レンズ４、撮像手段である撮像素子
５、画素ずらし手段である画素ずらし機構部６、画素ず
らし制御部７、画像データ入力・処理部８、データ演算
・装置制御部９、コマンドデコーダ１８、データバス１
９から構成されている。１は、形状を測定する対象物体
である。

【００２５】前記レーザスリット投光器２は、線状のレ
ーザ光を前記対象物体１に照射する装置で、前記レーザ
出力制御部３と信号線で連結されている。前記対象物体
１と前記撮像素子５の間の光軸上に前記光学レンズ４が
設けられている。前記撮像素子５はＣＣＤ素子である
が、撮像手段としては特にこれに限定されない。受光さ
れた画像の輝度を電気信号に変換できる手段なら何でも
適用でき、真空管式の撮像管でもよい。

【００２６】前記画素ずらし機構部６は、圧電素子によ
り前記撮像素子５を、その水平方向、垂直方向に微小単
位ずつずらす機構のものである。これにより前記撮像素
子５を、光軸に対し水平・垂直に微小単位ずつずらして
撮像することができる。

【００２７】なお、前記画素ずらし手段としては、圧電
素子を用いる手段の代わりに、傾斜可変である平行平板
を前記光学レンズ４と前記撮像素子５の間に設けてるな
どして、光軸を微小単位ずつずらす手段でもよい。この
場合でも、前記撮像素子５と撮像光の光軸の関係は同じ
であり、機能・効果は実施例と同じである。

【００２８】前記撮像素子５は画像データ入力・処理部
８と信号線で連結され、前記画素ずらし機構部６は画素
ずらし制御部７と信号線で連結されている。前記レーザ
出力制御部３、画素ずらし制御部７、画像データ入力・
処理部８は、それぞれ信号線で前記コマンドデコーダ１
８と連結されている。該コマンドデコーダ１８はデータ
バス１９を介してデータ演算・装置制御部９と連結され
ている。

【００２９】図２のブロック図では、図１の画像データ
入力・処理部８の内部構成が詳しく描かれている。該画
像データ入力・処理部８は、Ａ／Ｄ変換部１０、輝度閾
値設定部１１、比較器１２、走査線カウンタ１３、水平
画素カウンタ１４、データパケット構成部１５、ＦＩＦ
Ｏ１６、ＦＩＦＯ書き込み制御部１７から構成されてい
る。

【００３０】前記Ａ／Ｄ変換部１０は画像素子５から送
られた画像信号をデジタル化する機能を有する。前記輝
度閾値設定部１１は所定の輝度閾値を記録し、前記比較
器１２にその情報を伝える機能を有する。前記比較器１
２は、前記Ａ／Ｄ変換部１０の画像デジタル信号と前記
輝度閾値設定部１１の輝度閾値を比較して、輝度閾値以
下の画像デジタル信号をカットする機能を有する。

【００３１】前記走査線カウンタ１３及び水平画素カウ
ンタ１４は、撮像素子５からの水平・垂直同期信号より
画像信号の画像座標値をカウントする機能を有する。前
記データパケット構成部１５は前記画像信号と前記画像
座標をパケット化する機能を有する。前記ＦＩＦＯ１
６は前記データパケット構成部１５のデータパケットを
一時記憶する一次記憶手段である。前記ＦＩＦＯ書き
込み制御部１７は、前記コマンドデコーダ１８からの命
令と撮像素子５からの画像信号により、前記データパケ
ット構成部１５でパケット化された画像信号と画像座標
の前記ＦＩＦＯ１６への書き込みを制御する機能を有す
る。

【００３２】前記コマンドデコーダ１８は、データバス
１９を介して伝達されるデータ演算・装置制御部９から
の命令によりレーザ制御部３、輝度閾値設定部１１、画
素ずらし制御部７、ＦＩＦＯ１６を制御する機能を有す
る。前記データ演算・装置制御部９は、データバス１
９、コマンドデコーダ１８を介してレーザ出力制御部
３、画素ずらし制御部、画像データ入力・処理部を制御
し、かつ画像データを演算する機能を有し、パーソナル
コンピュータを使用している。パーソナルコンピュータ
に限定するものではないが、該パーソナルコンピュータ
の近年の発達はめざましく、処理能力の向上により高速
に処理することが可能になっている。また、広く普及し
ているパーソナルコンピュータを使用すれば、低コスト
化することができる。

【００３３】前記Ａ／Ｄ変換部１０、走査線カウンタ１
３、水平画素カウンタ１４、ＦＩＦＯ書き込み制御部
１７は、それぞれ撮像素子５と連結されている。前記Ａ
／Ｄ変換部１０は前記比較器１２と連結されている。該
比較器１２は輝度閾値設定部１１およびデータパケット
構成部１５と連結されている。前記走査線カウンタ１
３、水平画素カウンタ１４は、それぞれ前記データパケ
ット構成部１５と連結されている。

【００３４】前記データパケット構成部１５および前記
ＦＩＦＯ書き込み制御部１７は、それぞれ前記ＦＩＦＯ
１６と連結されている。前記輝度閾値設定部１１、ＦＩ
ＦＯ１６、ＦＩＦＯ書き込み制御部１７は、それぞれ前
記部コマンドデコーダ１８と連結されている。。

【００３５】図３は、本発明の実施例の作動を説明する
フローチャート図である。

【００３６】投光する光量を制御するレーザ出力制御部
３の命令によりレーザスリット投光器２から線状のレー
ザ光が対象物体１に照射される。対象物体１からの反射
光は投光軸から任意の角度より集光するための光学レン
ズ４により集光され、前記対象物体１の像を撮像素子５
で撮像する。

【００３７】ステップＳ１０１で前記撮像素子５の画像
の輝度が、形状を測定するために適した値になるように
レーザ出力を制御する。次に、ステップＳ１０２で前記
画像よりノイズを除去するために適した輝度閾値を算出
し、輝度閾値設定部１１に記録・設定し、ステップＳ１
０３に進む。

【００３８】該ステップＳ１０３では撮像素子５の垂直
同期信号を待ち、該垂直同期信号が来たらステップＳ１
０４に進む。該ステップＳ１０４では走査線の画素の画
像輝度の信号がＡ／Ｄ変換部に順次送られ、画像デジタ
ル信号に変換されステップＳ１０５に進む。該ステップ
Ｓ１０５では比較器１２で、前記画像デジタル信号と前
記輝度閾値が比較され、画像デジタル信号が輝度閾値よ
り大きければステップＳ１０４に戻り、デジタル信号が
輝度閾値以上ならステップＳ１０６に進む。

【００３９】該ステップＳ１０６では、前記ＦＩＦＯ書
き込み制御部１７の命令により、前記データパケット構
成部１５でパケット化された画像信号と画像座標を前記
ＦＩＦＯ１６に書き込みステップＳ１０７に進む。該ス
テップＳ１０７では、１フレーム分の画素の読み出しが
終了したかどうか判断し、終了していなければステップ
Ｓ１０４に進み、次の走査線の読み出しを行い、終了し
ていればステップＳ１０８に進む。

【００４０】該ステップＳ１０８では、ＦＩＦＯに書き
込まれたデータをデータ演算・装置制御部９に読み込
み、ステップＳ１０９に進む。該ステップＳ１０９で
は、重心演算前処理を実行し、走査線ごとに割り当てた
前記データ演算・装置制御部９のメモリに格納し、ステ
ップＳ１１０に進む。該ステップＳ１１０では画素ずら
し制御部７から画素ずらし機構部６に命令が送られ、撮
像素子５を水平または垂直方向に画素ずらしを行う。

【００４１】本実施例においては、画像素子５の水平方
向、垂直方向ともに１／２画素ステップすなわち前記画
像素子５の画素ピッチの１／２の距離だけずらす画素ず
らしを行っている。これにより、原点位置、水平１／２
画素ずらし位置、垂直１／２画素ずらし位置、水平・垂
直１／２画素ずらし位置の４フレームの画像情報が得ら
れる。このため、水平方向、垂直方向のそれぞれの方向
で、前記画像素子５の画素密度が４倍のなったと同じ分
解能が得られ、高分解能の形状測定ができる。

【００４２】なお、前記画素ずらしは１／２画素ステッ
プに限定されない。１／３画素ステップ、１／４画素ス
テップなど、一般的に１／ｎ画素ステップで画素ずらし
を行ってもよい。それぞれ水平方向、垂直方向ともに画
素ずらしを行うと、９回、１６回、ｎ^２回の画素ずらし
を行い、分解能がそれぞれ９倍、１６倍、ｎ^２倍にな
る。すなわち画素ずらしのピッチを小さくすれば高分解
能になる。しかし、画像取り込み回数が増えるため形状
測定時間が長くなる。本発明は一台の装置で、この画素
ずらしのピッチを選択することにより、対象物体の形状
測定に適した分解能や形状測定時間をフレキシブルに選
択することができる。

【００４３】次のステップＳ１１１では、４フレームの
画像の取り込みが終了したかどうか判断し、終了してい
なければステップＳ１０６に戻り、次の画像データの取
り込み処理を行う。４フレームの画像の取り込みが終了
していたら、ステップＳ１１２に進む。該ステップＳ１
１２では、重心演算前処理された複数画面のデータから
重心位置を演算し、線状のスリット画像の中心線を抽出
し、ステップＳ１１３に進む。該ステップ１１３では、
前記スリット画像の中心線のデータから三次元座標演算
を行い、対象物体１の形状データを算出する。

【００４４】図４は、本発明の実施例の重心演算前処理
を説明する説明図である。図４（ａ）〜４（ｄ）は、そ
れぞれ原点位置、水平１／２画素ずらし位置、水平・垂
直１／２画素ずらし位置、垂直１／２画素ずらし位置の
画像３０と撮像素子８の位置関係を示す概略図である。
わかりやすくするため画素数を少なく示している。ｉ、
ｊは前記撮像素子８の画像座標系であり、それぞれ水平
方向、垂直方向の位置を表している。（ｉ，ｊ）一組で
前記撮像素子８の画素の位置を表している。図４（ｅ）
〜４（ｈ）は、図４（ａ）〜４（ｄ）の画素ずらし位置
における前記撮像素子８の同一走査線の画像信号データ
グラフ図である。線状のレーザ光で照射された対象物体
１から得られる画像は、線状のスリット画像であるの
で、図４（ａ）〜４（ｄ）の画像信号データは前記スリ
ット画像を横断するデータであり、スリットの広がりを
示している。

【００４５】横軸は画素ずらしにより高分解能化された
画像座標系の水平方向の位置を表すｉ’であり、縦軸は
対応する画素の画像信号値である。２０は、輝度閾値を
表す直線である。。各画素の画像信号値はデジタル信号
化されたのち、前記輝度閾値２０より大きい値だけ記録
される。この値をもとに原点位置場合には式（１）、
（２）によりｆ_１（ｊ’）、ｇ_１（ｊ’）を計算す
る。

【００４６】ｆ_１（ｊ’）＝Σ（ｂ−ｂ_ｍｉｎ）・・・・（１）ｇ_１（ｊ’）＝Σ｛ｉ’×（ｂ−ｂ_ｍｉｎ）｝・・・・（２）ただし、ｉ’、ｊ’は、画素ずらしにより高分解能化さ
れた画像座標系であり、式（３）で計算される。これが
重心演算前処理である。

【００４７】

【数１】

【００４８】同様にして、水平１／２画素ずらし位置、
水平・垂直１／２画素ずらし位置、垂直１／２画素ずら
し位置の重心演算前処理の演算をし、ｆ_２（ｊ’）、
ｇ_２（ｊ’）、ｆ_３（ｊ’）、ｇ_３（ｊ’）、ｆ
_４（ｊ’）、ｇ_４（ｊ’）を求める。ここで、水平１／
２画素ずらし位置、水平・垂直１／２画素ずらし位置、
垂直１／２画素ずらし位置の場合の高分解能化された座
標系は、それぞれ式（４）、（５）、（７）により求め
る。

【００４９】

【数２】

【００５０】

【数３】

【００５１】

【数４】

【００５２】こうして重心演算前処理により演算された
結果は、データ演算・装置制御部に記録される。

【００５３】図５は、本発明の実施例の重心位置演算処
理を説明する説明図である。図５（ａ）は、図４
（ｅ）、４（ｆ）を重ね合わせたグラフ図で、重心位置
演算の概念を説明するために示されている。図５（ｃ）
は、演算された重心位置を示す概略図である。式（８）
により重心位置を計算する。これは、図５（ａ）の輝度
の重心のｉ’を計算することを意味している。これによ
り、スリット画像の一点の高分解能化された座標２１
（ｉ’、ｊ’）が決まる。

【００５４】ｉ’＝｛ｇ_１（ｊ’）＋ｇ_２（ｊ’）｝／｛ｆ_１（ｊ’）＋ｆ_２（ｊ’）｝・・・・（８）図５（ｂ）は、図４（ｇ）、４（ｈ）を重ね合わせたグ
ラフ図である。上記と同様に式（９）により重心位置を
計算する。図５（ｄ）は演算された重心位置を示す概略
図である。スリット画像の一点の高分解能化された座標
２２（ｉ’、ｊ’）が決まる。

【００５５】ｉ’＝｛ｇ３（ｊ’）＋ｇ４（ｊ’）｝／｛ｆ３（ｊ’）＋ｆ４（ｊ’）｝・・・・（９）同様にして、高分解能化された画像座標系の各走査線に
対して重心位置の座標２３〜２８を演算すると、スリッ
ト画像の精確な位置が求められる。

【００５６】本発明では、線状のレーザ光で対象物体１
を照射し、輝度閾値より大きい画像信号のみで演算する
ことにより形状測定する。このため、ＦＩＦＯ１６のメ
モリは小さくてよく、安価なＦＩＦＯを利用できるの
で、低コスト化できる。また、演算に必要なデータも少
なく、重心演算と合わせて高速に形状測定をすることが
できる。

【００５７】

【発明の効果】以上のように、本発明は、線状のレーザ
光を対象物体に照射し、その反射光を撮影した撮像手段
の画像を解析して前記対象物体の形状を測定する光切断
法において、撮像光の光軸を前記撮像手段に対して相対
的に、該撮像手段の水平方向、垂直方向の少なくとも一
方の方向に微小単位ずつずらす画素ずらし手段が設けら
れていることを特徴とする形状測定装置であるので、高
速、高分解能で、フレキシブルに対応でき、低コストで
対象物体の形状を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の形状測定装置の概略構成図

【図２】本発明の実施例の形状測定装置の構成を概略的
に示すブロック図

【図３】本発明の実施例の作動を説明するフローチャー
ト図

【図４】本発明の実施例の重心演算前処理を説明する説
明図であり、図４（ａ）〜４（ｄ）は原点位置、水平１
／２画素ずらし位置、水平・垂直１／２画素ずらし位
置、垂直１／２画素ずらし位置の画像３０と撮像素子８
の位置関係を示す概略図、図４（ｅ）〜４（ｈ）は図４
（ａ）〜４（ｄ）の画素ずらし位置における前記撮像素
子８の同一走査線の画像信号データグラフ図である。

【図５】本発明の実施例の重心位置演算処理を説明する
説明図であり、図５（ａ）は図４（ｅ）、４（ｆ）を重
ね合わせたグラフ図、図５（ｂ）は図４（ｇ）、４
（ｈ）を重ね合わせたグラフ図、図５（ｃ）、５（ｄ）
は演算された重心位置を示す概略図である。

【符号の説明】１…対象物体２…レーザスリット投光器３…レーザ出力制御部４…光学レンズ５…撮像素子（撮像手段）６…画素ずらし機構（画素ずらし手段）７…画素ずらし制御部８…画像データ入力・処理部９…データ演算・装置制御部１６…ＦＩＦＯ（一次記憶手段）ｉ…水平方向ｊ…垂直方向

フロントページの続き (72)発明者小坂井映愛知県刈谷市昭和町２丁目３番地アイシン・ニュ−ハ−ド株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA51 DD03 FF01 FF02 FF09 GG04 HH05 JJ03 JJ19 JJ26 MM14 MM24 NN02 QQ03 QQ08 QQ31 QQ42 QQ51 UU06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】線状のレーザ光を対象物体に照射し、そ
の反射光を撮影した撮像手段の画像を解析して前記対象
物体の形状を測定する形状測定装置において、前記撮像
手段の撮像光の光軸を前記撮像手段に対して相対的に、
該撮像手段の水平方向、垂直方向の少なくとも一方の方
向に微小単位ずつずらす画素ずらし手段が設けられてい
ることを特徴とする形状測定装置。
【請求項２】前記画素ずらし手段が、撮像光の光軸を
固定して前記撮像手段を微小単位ずつずらす手段である
ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項３】前記画素ずらし手段が、前記撮像手段を
固定して撮像光の光軸を微小単位ずつずらす手段である
ことを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項４】前記撮像手段の画像のうち、所定の輝度
閾値以上の画像の輝度だけを一次記憶手段に一次記憶す
ることを特徴とする請求項１記載の形状測定装置。
【請求項５】前記撮像手段の走査線ごとに、画像の輝
度の積算値、輝度と画素位置を乗した値の積算値を演算
し、画素ずらしした画像の複数の前記積算値から輝度の
重心位置を演算することを特徴とする請求項１記載の形
状測定装置。