JPH06229732A - スポット光ビーム走査型３次元視覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 広範囲に存在する種々の形状の被計測対象物
の３次元計測を、光束拡張による光帯照度不足の問題や
投射光帯の中心点列湾曲の問題を回避した１台の３次元
視覚センサで行なうこと。 【構成】 被計測対象物Ｗへ投射されるスポット光ビー
ムを偏向走査する手段を有する投光装置１〜３と、ビデ
オカメラ装置４０と、該ビデオカメラ装置に接続される
画像処理装置１０と、ビデオカメラ装置の撮像走査周期
に比して十分短い周期で前記投光装置にスポット光ビー
ム偏向走査を行なわせて被計測対象物の少なくとも一部
にかかる帯状の被投射領域を形成させる手段３０とを備
えたスポット光ビーム走査型３次元視覚センサ。３次元
計測に必要な被計測対象物Ｗの縁部を集中的に走査する
ことによって縁部輪郭線に直交する、短尺高照度で中心
点列に湾曲の無い光帯を形成し、これをビデオカメラで
観測して高精度の３次元計測を実現させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばロボットによる
機械部品の組立作業のように、ロボットあるいは他の各
種ＦＡ機器を用いて自動化作業を行う製造ライン等にお
いて使用される視覚センサに関し、更に詳しく言えば、
所定形状の光を被計測対象物に投射し、それをビデオカ
メラで観測して被計測対象物の３次元的な位置、姿勢、
形状等を計測（以下、単に「３次元計測」という。）す
る３次元視覚センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】産業用ロボット、各種ＦＡ機器を用いて
各種作業を自動化するシステムを構築する場合や、知能
ロボットのインテリジェント化を図る場合においては、
視覚センサの果たす役割が大きい。特に、ロボットを含
むシステムによる作業の自動化において、ワークの位
置、姿勢、形状等の計測に視覚センサが多く用いられて
いる。

【０００３】このような用途を有する視覚センサは、そ
の機能によって、２次元測定用のものと、３次元測定用
のものとに分けられるが、被計測対象物の３次元的な位
置、姿勢、形状等を計測する必要がある場合には、後者
の３次元視覚センサが使用される。３次元視覚センサ
は、一般に、ビデオカメラで捕捉された２次元画像上の
点の３次元位置を定める為の手段を備えている。該手段
として種々の型のものが提案されているが、その内の多
くは三角測量の原理を応用したものであり、中でもスリ
ット状の光を対象物に所定の方向から投射し、対象物上
に周辺よりも高輝度の光帯を形成させ、これをビデオカ
メラで観測して対象物の３次元計測を行なうものが代表
的である。

【０００４】このような方式による３次元視覚センサ
は、ステレオ視の方式を採用した場合に不可避な対応点
検出の問題が無く、また、比較的高輝度の光帯を観測す
れば良いことから、周囲の明るさや対象物の色による影
響を受け難いという基本的長所を有している。

【０００５】ところが、一定位置に設置した１台のスリ
ット光投光器からスリット光を被計測対象物に投射し、
これをビデオカメラ手段で観測する配置を採用すると、
被計測対象物の位置が変わってスリット光の投光範囲か
らはずれた場合に、位置計測が出来なくなるという問題
があった。そこで、被計測対象物の存在位置にばらつき
がある場合には、スリット光を走査することにより計測
範囲を拡げた走査型の３次元視覚センサを用いることも
行なわれている。

【０００６】しかし、この走査型の３次元視覚センサを
用いても、設定されたスリット光によって形成される光
帯と平行な方向に延在するエッジ部分の計測を行なうこ
とが不可能であった。この欠点を解消する手段として、
スリットの方向が互いに異なる２台の投光器を利用する
方式が提案された。この方式は、スリット光束平行部計
測の問題を原理的に解決する手段を与えてはいるが、２
台の投光器を使用することによる装置全体の大型化は避
けられず、また、２台の投光器の光源（レーザ発振器）
を切替制御する為の機構が必要となるという短所を有し
ている。

【０００７】ハーフプリズムを用いて、２本のレーザビ
ームをまとめる手法等も提案されているが、ハーフプリ
ズムを使用すると光強度が減衰するので、より強力な光
源が必要となるという問題がある。

【０００８】更に、従来技術においては、スリット光束
を生成する手段として円柱レンズ（シリンドリカルレン
ズ）を用いることが通常であり、投光器と被計測対象物
の間の距離や被計測対象物の大小に応じてスリット光束
のサイズを変更する為には、円柱レンズを交換しなけれ
ばならず、極めて不便であった。また、遠方に置かれた
比較的大寸法の被計測対象物にスリット光を投射する為
にレーザ光源からの光を大きく拡張してスリット光束を
形成した場合には、投射される光帯の照度が低下するこ
とが避けられない。

【０００９】投射光束形状が一定方向を向いた固定的な
スリット形状であるということも、十分な光帯照度が得
られない因となる。即ち、被計測対象物のサイズ、形
状、姿勢、遠近等には多様性があるのに対して、投射ス
リット光束の形状と延在方向が固定的である為に、３次
元計測にとって重要な対象物部分（例えば、特定のエッ
ジ部分）に３次元計測に適合した方向に延びたスリット
光束が十分に照射されず、光束の大半が被計測対象物の
計測上重要でない部分や背景（壁、床、計測対象外物品
等）に投射されてしまうことより光エネルギーが無駄に
消費され、計測に必要な十分な照度を有し３次元計測に
適合した方向に延びたスリット光投射領域が確保されな
いという事態が起こり易い。

【００１０】そして、背景や被計測対象物の３次元計測
に有用な情報が得られない部分に多くの光が投射される
こと自体、ビデオカメラ手段による観測とそれに続く画
像処理の妨げになり易く、正確な３次元位置計測を効率
的に実行する上で好ましいことではない。

【００１１】また、後述するように、スリット光の延在
方向を自由に変えることが困難な為に被計測対象物に投
射される光帯の端部で光帯の中心点列が湾曲するという
問題が不可避的に生じていた（作用の説明の欄を参
照）。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来の３次元視覚センサにおける諸問題を解決することを
企図するものであり、特に、種々の形状の被計測対象物
の３次元計測を広い計測レンジを以て単独の視覚センサ
を使用して行えるようにし、且つ、その際にスリット光
束形成に伴う光束拡張による光帯照度不足の問題や投射
光帯の中心点列湾曲の問題を回避することの出来るスポ
ット光ビーム走査型３次元視覚センサを提供せんとする
ものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、ビデオカメラ
装置と、該ビデオカメラ装置に接続された画像処理装置
と、前記ビデオカメラ装置の撮像走査周期に比して十分
短い周期で帯状走査範囲内をスポット光ビームで偏向走
査する手段を有する投光装置とを備えたスポット光ビー
ム走査型３次元視覚センサによって、上記従来技術にお
ける種々の問題点を解決したものである。

【００１４】

【作用】本発明の３次元視覚センサは、従来のスリット
光投射型の３次元視覚センサと異なり、被計測対象物の
遠近、大きさ、形状等に応じた自在なパターン形状・寸
法及び延在方向を有する帯状の光投射領域をスポット光
ビームの高速偏向走査によって形成する点に大きな特徴
がある。これについて、図１〜図４を参照して説明す
る。

【００１５】図１は、本発明に従った３次元視覚センサ
に使用可能な投光装置の基本構成を模式的に示したもの
で、レーザ光源１から出射されたスポット光ビームＬを
Ｘ−スキャナ（Ｘ軸方向偏向器）２及びＹ−スキャナ
（Ｙ軸方向偏向器）３によって高速偏向走査することに
よって、投射光パターンが形成される様子を描いたもの
である。説明の便宜上、スポット光ビームは、使用する
カメラのイメージプレーン（画素面をカメラレンズの外
側で仮想的に代表させた面）４の上で光帯パターンを描
くものとした。２Ｍ、３Ｍは、各々Ｘ−スキャナ２及び
Ｙ−スキャナ３の偏向ミラーを表わしている。レーザ光
源１のオン・オフを制御しながらＸ、Ｙ各スキャナのミ
ラー２Ｍ、３Ｍの振れ角を経時的に制御して繰り返し偏
向走査を行なえば、任意の投射範囲を持った任意形状の
投射光パターン、即ち光帯Ｈが形成される。このような
スポット光ビームの偏向走査が可能なスキャナ装置自体
は良く知られているものである。

【００１６】例えば、両スキャナ２、３を制御し、スポ
ット光ビームＬをイメージプレーン上でＯ→Ｐ1 →Ｐ2
→Ｑ1 →Ｑ2 →Ｐ3 →Ｐ4 →・・・・・・→Ｑh-1 →Ｐ
h →Ｏの経路に沿って繰り返し高速走査すれば、帯状領
域ＯＰ1 Ｐh Ｑh-1 に対応したスリット光を投射した場
合と実質的に等価な投光領域を形成することが出来る。

【００１７】即ち、隣合う１本１本のスポット光軌跡Ｏ
Ｐ1 とＰ2 Ｑ1 、Ｐ2 Ｑ1 とＱ2 Ｐ3 等の間隔を十分に
狭く取ると共に、偏向走査の速度をビデオカメラの画素
面上での撮像走査速度と比較して十分に大きく設定して
おけば、ビデオカメラは帯状領域内全体を１つの光帯Ｈ
として観測することになる。光帯を形成する際のスポッ
ト光ビーム走査経路は図示のようなものに限らない。要
は指定された走査領域が使用するビデオカメラによって
光帯として観測される限り、光帯形成領域内における走
査経路は任意であり、スキャナシステムの制御走査方式
に適合した走査経路による光帯形成を行なえば良い。

【００１８】レーザ光源１から出射されるビームが極め
て細い場合には、ビデオカメラの解像力（走査線密度）
や３次元計測で要求される精度等を勘案して、適当なレ
ンズ系を用いてビーム径（スポット径）をある程度拡張
しておくことも考えられる。投射されるスポット光ビー
ムの径を計測精度を損なわない範囲で適当な太さにして
おけば、投射光領域を形成する為の走査密度を比較的低
くしても、投射領域全体を照度ムラのない光帯としてビ
デオカメラに認識させることが容易となる。

【００１９】図２は、被計測対象物の遠近によってスポ
ット光ビームの偏向走査範囲（スキャナの振り角度）を
変えることを説明する図である。（ａ）及び（ｂ）は各
々同じ大きさを有する被計測対象物Ｗが、スキャナから
相対的に遠隔している場合、近接して存在する場合（ｄ
a ＞ｄb ）を表わしている。被計測対象物の縁部Ｅを３
次元計測光ビームが横切るに必要十分であり、且つ背景
部分の無用な照射を行なわないような走査範囲を設定す
るには、（ａ）の場合の偏向ミラーＭの振れ角θa を、
（ｂ）の場合の偏向ミラーＭの振れ角θbよりも図示し
た程度大きくしてやれば良いことが判る。

【００２０】従来のシリンドリカルレンズでスリット光
束を形成する方法では、想定される被計測対象物の遠近
に合わせて何種類ものシリンドリカルレンズを用意して
おくか、あるいは、スリット光束サイズを変更する為の
特殊な光学系が必要となるのに対して、偏向ミラーの振
れ角範囲を偏向するだけで被計測対象物の遠近に対応す
ることが出来るのは、本発明の３次元視覚センサに固有
な特徴の１つである。

【００２１】図３は、本発明の３次元視覚センサが有し
ている投射範囲の限定機能について説明する図である。

【００２２】（ａ）は、被計測対象物が複数（２個）あ
る場合に行なわれる計測光投射範囲の限定の様子を模式
的に表わしている。このような場合、本発明の３次元視
覚センサにおいては、まず、被計測対象物Ｗ1 について
最適の投射範囲Ｆ1 Ｆ2 を設定して計測を行い、次い
で、被計測対象物Ｗ2 について最適の投射範囲Ｆ3 Ｆ4
（破線で表示）を定めて計測を行なうことが、スキャナ
の走査範囲を変更するのみで簡単に実行出来る。従来の
シリンドリカルレンズでスリット光束を形成する方法で
は、照度低下を認容して図中Ｆ1 Ｆ4 で囲まれる範囲に
相当する大きなスリット光束を形成し、各被計測対象物
Ｗ1 、Ｗ2 に関する情報を個別に抽出するか、あるい
は、スリット光束形成範囲を被計測対象物のサイズに対
応した拡がりを越えて、被計測対象物の存在想定範囲全
体を覆う広範囲に亙ってシフトさせる光学系をスリット
光投光装置に組み込んでおくことが必要となる。後者の
方式を採用したとしても、複数被計測対象物のサイズに
大きな差異がある場合には、小さい方の被計測対象物に
対して過剰サイズのスリット光が投射されることにな
り、光量の効率的利用がなされないことになる。

【００２３】また、例えば図３（ｂ）のように、３次元
計測を行なう上で重要な特定部分（この例では端面の円
環状部分）のみに計測光を投射して３次元計測を行なう
ことも、本発明の３次元視覚センサでは簡単に実現出来
る。従来のシリンドリカルレンズを用いる方式では、図
２（ｂ）に示されたような光投射領域を多様な形状やサ
イズの被計測対象物に対して自在に形成することは、極
めて困難である。

【００２４】更に、本発明の３次元視覚センサが採用し
ている計測光投射方式によれば、光帯の延在方向を自由
に選べるという特徴があり、この特徴と上記した諸特徴
を合わせて用いると、実際の３次元計測において極めて
有利な光投射領域の設定が可能になる。これを、円筒状
の被計測対象物Ｗの端面に光投射領域を設定する場合を
例にとり、図４を用いて説明する。

【００２５】図４中（ａ）、（ｃ）は、従来のスリット
光束投射方式による光帯Ｇa 及び該光帯の端点Ｐの近傍
の様子を拡大して模式的に示したものである。（ｂ）、
（ｄ）は、本発明の３次元視覚センサが採用している投
射領域形成方式によって形成される光帯Ｇa 及び該光帯
の端点Ｐの近傍の様子を拡大して模式的に示したもので
ある。従来方式においては、（ａ）に示されたように、
３次元計測に通常は不必要な被計測対象物端面中央部分
を横断して光帯を形成せざるを得ないのに対して、本発
明の３次元視覚センサが採用しているスポット光走査方
式によれば、（ｂ）に示したように、３次元計測上重要
な縁部に光を集中させて投射光帯を形成することが簡単
に出来るので、光源光量が有効に使用されることにな
る。即ち、３次元計測に不可欠な部分のみを繰り返し高
速走査して、ビデオカメラに３次元計測に有用な明るい
光帯映像を読み取らせることが可能となる。

【００２６】そして、従来方式では光帯の延在方向が固
定的であるから、光帯の形成が（ａ）に示された如くな
されるのが一般的であり、（ｂ）に描かれたように被計
測対象物の輪郭線に直交した光帯延在方向を自在に選択
することは極めて困難である。

【００２７】従って、光帯が被計測対象物Ｗの縁部にか
かる端点Ｐの近傍で（ｃ）に示したように一方に偏って
細り、その結果光帯の中心点列Ｈa が湾曲することにな
る。

【００２８】視覚センサを利用した３次元計測では、光
帯の中心点列位置を計測の基礎データとして用いるのが
通常であるから、このような中心点列の湾曲は３次元計
測の結果に誤差を生じる原因となる。中心点列Ｈa の湾
曲を考慮に入れて誤差補正された３次元計測を行なうこ
とは、湾曲の大きさ、方向が一定しないこともあって、
決して容易なことではない。

【００２９】一方、Ｘ、Ｙ各スキャナの制御によって
（ｂ）に示されたように光投射領域を被計測対象物の輪
郭線に直交する短尺の光帯として形成すれば、（ｄ）の
部分拡大図に示されているように、細りの無い明るい光
帯を得ることが出来るから、光帯端点Ｑの近傍で中心点
列Ｈb の湾曲は生ぜず、従って光帯中心点列湾曲に起因
した計測誤差は原理的に回避される。

【００３０】以上説明したように、本発明の３次元視覚
センサにおいては、スポット光ビームを偏向走査する手
段を備えた投光装置によってスリット光投射に相当する
光投射領域を形成する方式を採用しているので、被計測
対象物の遠近、大小、存在方向、形状等の多様の変化に
自在に対応した光帯領域形成が光源の発する光量を無駄
にすることなく行なわれると共に、光帯の中心点列の湾
曲の問題を回避することで３次元計測の精度が確保され
る。

【００３１】

【実施例】図５は、本発明の３次元視覚センサのシステ
ム構成の１例を模式的に示した図である。システムは、
被計測対象物Ｗ上に投射される光を発するレーザ光源
１、該レーザ光源から発せられたスポット光ビームを高
速偏向走査して被計測対象物Ｗ上に光帯Ｈ1 、Ｈ2 ・・
・Ｈn を順次形成するＸＹ各スキャナ２、３とこれらを
制御するコントローラ３０、被計測対象物Ｗ上に投光形
成された光帯Ｈ1 、Ｈ2 ・・・Ｈn を撮影するＣＣＤカ
メラ４０、該カメラ４０及びコントローラ３０に接続さ
れた画像処理制御装置１０から構成される。符号４はＣ
ＣＤカメラ４０のイメージプレーンを表わしている。

【００３２】画像処理制御装置１０は、中央処理装置
（ＣＰＵ）１１を有し、ＣＰＵ１１には、通信インタフ
ェイス１２、画像処理プロセッサ１３、コンソールイン
タフェイス１４、カメラインタフェイス１５、ＴＶモニ
タインタフェイス１６、フレームメモリ１７、ＲＯＭで
構成されたコントロールソフト用メモリ１８、不揮発性
ＲＡＭで構成されたプログラムメモリ１９及びデータメ
モリ２０が、バス２１を介して接続されている。

【００３３】カメラインタフェイス１５にはＣＣＤカメ
ラ４０が接続されており、該ＣＣＤカメラ４０で撮影さ
れた画像は、グレイスケールによる濃淡画像に変換され
てフレームメモリ１７に格納される。画像処理プロセッ
サ１３は、プログラム内容に応じたＣＰＵ１１からの制
御信号に従ってフレームメモリ１７に格納された画像を
処理する。

【００３４】コンソールインタフェイス１４には、液晶
表示部と各種指令キー、テンキー等を含むキーボードを
備えたコンソール２３が接続されており、このコンソー
ル２３を用いて各種データの入力・設定、アプリケーシ
ョンプログラムの入力、編集、登録、実行等の操作が行
えるようになっている。また、液晶表示部には、各種デ
ータ入力・設定の為のメニュー、プログラムリスト等が
表示させることが出来る。

【００３５】ＴＶモニタインタフェイス１６には、ＴＶ
モニタ２４が接続されており、その画面上にはＣＣＤカ
メラ４０によって撮影中の画像あるいはフレームメモリ
１７に格納された画像等が切替表示され得るようになっ
ている。

【００３６】コントロールソフト用メモリ１８には視覚
センサシステムをＣＰＵ１１を介して制御する為の各種
のプログラムが格納され、プログラムメモリ１９には、
ユーザが作成するプログラムが格納されるようになって
いる。また、データメモリ２０は、３次元計測等に必要
な計算データ等の一時記憶に用いられるメモリである。

【００３７】そして、通信インタフェイス１２は、投光
装置あるいは視覚センサによる計測結果を利用した作業
を行なうロボット等の外部装置（不図示）に接続され、
これら外部装置からの信号を受信すると共に、ＣＰＵ１
１に伝達し、また、各外部装置を制御する為の信号を送
信する機能を有している。

【００３８】以上説明した本実施例のシステム構成の相
当部分は基本的に従来のスリット光束投射型の３次元視
覚センサと変わらないが、本願発明の特徴に対応して、
次のような相違点を有している。

【００３９】（１）３次元計測の為の光帯形成を行なう
投光装置が、従来のようにレーザ光源から発せられるス
ポット光ビームをシリンドリカルレンズでスリット光束
に変換して投射するものでなく、スポット光ビームのま
ま、コントローラ３０を介して偏向制御されるＸ、Ｙス
キャナ２、３で高速偏向走査して、被計測対象物上にス
ポット光走査投射領域としての光帯を形成するようにな
っていること。（スポット光ビームの走査速度はＣＣＤ
カメラで投射光パターンを観測した時に光帯として認識
されるに十分な程度に高速に設定される。） （２）スキャナ２、３のコントローラ３０と、ＣＣＤカ
メラ４０のカメラ座標系とを結合するセンサ座標系がキ
ャリブレーションによって設定されており、スポット光
ビームの投射方向がセンサ座標系上のデータで記述し得
るようになっていること。

【００４０】（３）被計測対象物の２次元通常画像デー
タに基づいて被計測対象物の形状種別や位置等を判定
し、判定結果と既知データ（被計測対象物のサイズデー
タ等）に基づいてスポット光走査パターンの内容を決定
する為の一連のプログラム及び関連設定データがコント
ロールソフト用メモリ１８及びデータメモリ２０内に格
納されていること。

【００４１】スポット光ビーム走査パターンの内容の特
定する手順の具体例については、図６のフローチャート
の説明の中で述べる。

【００４２】（４）スポット光ビーム走査によって形成
される各光帯の方向（中心縦断面の方向）を算出するプ
ログラム及び関連設定データがコントロールソフト用メ
モリ１８及びデータメモリ２０内に格納されているこ
と。

【００４３】（５）被計測対象物上に形成された光帯の
端点あるいは屈曲点の３次元位置を、上記光帯方向デー
タと該端点あるいは屈曲点の画素値データに基づいて求
める為の換算データ（距離変換マトリックスデータ）が
キャリブレーションによって取得され、データメモリ２
０に格納済みであること。なお、スポット光ビーム走査
によって形成される光帯は、従来のスリット光束と等価
であるから、このキャリブレーションの方法は、従来の
スリット光束を投射する方式の視覚センサの場合と基本
的に同じである。

【００４４】（６）被計測対象物の３次元計測の終了時
に再計測の必要性を判定し、再計測が必要と判定した場
合には、再計測が必要とされた趣旨に沿って、投射光パ
ターンの選択、走査基準位置決定、比例定数ｋ、ｍの決
定等を行ない、再計測を実行する為のプログラムがコン
トロールソフト用メモリ１８に格納されていること（フ
ローチャート、ステップＳＴ１８の説明を参照）。

【００４５】以上の構成と機能を有する３次元視覚セン
サシステムを使用して３次元計測を行なう場合のＣＰＵ
１１の処理の概要について、図５〜図１１を参照して述
べる。

【００４６】図５に例示された被計測対象物Ｗは、円筒
形の一方の端面側に同心突起部Ｓを有する全体形状を有
したワークであり、同心突起部Ｓの一部には切欠部Ｕが
形成されているものとする。この切欠部Ｕの部分を拡大
したものを図１１に示した。これら図５及び図１１に示
されたワークＷをタイプ［01］として、図示しない他の
形状（例えば、角柱状、楕円柱状等）を有する３種類の
ワーク（タイプ［02］、［03］、［04］）が順不同で３
次元計測の対象とされるものとする。ここでは、図示し
たタイプ［01］のワークＷの計測プロセスを例にとって
記述する。

【００４７】ワークＷの３次元計測の具体的内容として
は、同心状突起部Ｓの中心Ｐ0 と切欠部Ｕの３次元位置
を計測することを想定する。

【００４８】まず、図示しない外部装置（例えば、製造
ライン）からの信号を通信インタフェイス１２を介して
３次元視覚センサが受信すると、ＣＰＵ１１は３次元計
測作業の為の一連の処理を開始し（スタート）、光帯本
数を表わす指標αと計測回数を表わす指標βをα＝１、
β＝１にリセットする（ステップＳＴ１）。次いで、Ｃ
ＣＤカメラ４０の撮影動作を起動させて被計測対象物Ｗ
の画像を取り込む（ステップＳＴ２）。この画像をＡと
する。画像Ａは、被計測対象物Ｗを投光装置からのスポ
ット光ビームの投射が無い状態で取得される通常画像で
ある。

【００４９】画像Ａは、画像処理プロセッサ１３を用い
て解析され、ワークの種別を判定する為のデータ（輪郭
を表わす代表点の２次元データ）が取得される（ステッ
プＳＴ３）。これら画像Ａから取得されたデータを、予
め登録されたワークＷの種別［01］〜［04］を特徴付け
るデータと照合比較し、ワークＷの種別を判定する（ス
テップＳＴ４）。前述したように、ワークＷはタイプ
［01］のものであるから、種別［01］と判定される。

【００５０】ワークＷの種別が決定されると、スポット
光走査パターンを具体的に選択・決定する処理に進む。
先ず、ワーク種別［01］に整合した光帯分布形を予め登
録された標準形の中から選択する（ステップＳ５）。光
帯分布形の標準形は、想定されるワークの形状、３次元
計測の具体的内容等に応じて用意されている。図７は、
その１例を示したもので、（ｉ）、（ｉｉ）、（ｉｉ
ｉ）、（ｉｖ）、（ｖ）は各々、円形状、扇形状、正方
形状、長方形状、楕円形状の領域に光帯を投射形成する
場合に主として選択される標準形である。本実施例の場
合、ワーク種別［01］に対して第１回目の計測（β＝
１）では、ワークＷの２重円形状端面全体に放射状の光
帯を投射形成することに対応して、標準形（ｉ）が選択
されるプログラムが組まれているものとする。

【００５１】次に、選ばれた標準形に対して、拡がり係
数ｋ、光帯長係数ｌ、光帯本数係数ｍ、走査基準位置γ
0 を定めて、スポット光走査パターンの具体的内容を決
定する（ステップＳ６）。図８〜図１０は、選択された
標準形（ｉ）に対して、これらｋ、ｌ、ｍの値を変えた
場合のスポット光走査パターン（光帯分布）の様子を描
いた模式図である。

【００５２】先ず、拡がり係数ｋは、光帯分布の拡がり
を定める係数で、図８に例示したようにｋ＝１を基準と
して、ｋ＜１ならば、光帯分布範囲は狭くなり、ｋ＞１
ならば拡がることを意味している。例えば、画像Ａの画
面上での直径データの大きさを３段階に分けておき、そ
れに応じてｋの値を１、０．８、１．２の中から選択す
るプログラムとすれば良い。選択条件の具体的設定に際
しては、光帯が被計測対象物Ｗからはずれないことを優
先させて、余裕のある選択が出来るように考慮すること
が望ましい。

【００５３】同様に、光帯長係数ｌは、図９に示した通
り各光帯の長さ（光帯長さ方向のスポットビームの振れ
角幅）を指定するものであり、光帯本数係数ｍは図１０
に示した通り、光帯分布を形成する光帯本数の多寡を指
定する係数である。各図において、ｋ＝１として、ｌ＝
１、０．５、１．５；ｍ＝１、２の各場合を示したが、
画像Ａの解析結果や３次元計測の内容に応じて、ｋ＝
０．８あるいはｋ＝１．２として、ｌ＝０．５、；ｍ＝
２等の組合せをプログラムで指定し得るようにしておく
ことが合理的なことは言うまでもない。例えば、小サイ
ズ被計測対象物を遠方から詳しく観測する場面が想定さ
れる３次元計測作業においては、該場面の到来を画像Ａ
の解析によって感知し、ｋ＝０．８、ｌ＝０．５、ｍ＝
２の組合せを選択するようにプログラムを構成しておく
ことが考えられる。

【００５４】このような係数ｋ、ｌ、ｍの選択・決定と
共に、走査パターンの代表点となる走査基準位置γ0
（各スキャナの振れ角基準位置）を定めれば、スポット
光ビーム走査の具体的内容を特定出来ることになる。第
１回目の計測（β＝１）については、ワークＷについて
予め想定した標準位置のデータと画像Ａのデータとを適
宜組み合わせてγ0 を定めるのが実際的である。ここで
は、ワークＷの同心突起部Ｓの中心Ｐ0 に関する既知の
基準データ（予測される標準位置に標準姿勢でワークが
存在した場合のＰ0 点の３次元位置データ）をＣＣＤカ
メラ画素値データで適宜補正して基準位置γ0 （光帯群
の中心）を定めることにする。第１回目の計測時にγ0
をワークＷ上の特定点（Ｐ0 ）と正確に一致させること
は原理的に困難であり、また、その必要もない。即ち、
光帯には長さがあるので、多少のずれがあっても３次元
計測は実行可能である。再計測を実行する場合には、第
１回目の３次元計測データを利用する余地があるから、
より正確なγ0 の決定を行なうことが出来る可能性は高
くなる（後述するステップＳＴ１８参照）。

【００５５】以上説明したプログラム内容に従ってステ
ップＳＴ６が実行されると、第１本目（α＝１）の光帯
形成の為のスポット光ビーム走査が開始され、図５中ワ
ークＷ上に１本目の光帯Ｈ1 が形成される（ステップＳ
Ｔ７）。光帯Ｈ1 の形成中にＣＣＤカメラ４０による撮
影を実行して、通常画像に光帯Ｈ1 が重畳した画像を取
り込む。これを画像Ｂとする（ステップＳＴ８）。

【００５６】画像Ｂの取得が終了したら、ワークＷ上に
投射された光帯Ｈ1 の像を抽出する為に、差像Ｃのデー
タ（Ｃ＝Ｂ−Ａ）を取得する（ステップＳＴ９）。次い
で、差像Ｃから予め定められたルールに従って適宜数の
中心点列を抽出し（ステップＳＴ１０）、これら中心点
列に整合する折れ線（１直線の場合を含む）を近似計算
によって求め（ステップＳ１１）、該折れ線中に含まれ
る端点及び屈曲点を抽出し（ステップＳＴ１２）、それ
ら端点／屈曲点の３次元位置を計算する。図５に示され
たワークＷの場合、１本目の光帯Ｈ1 については、ワー
クＷの最外周縁に対応するＰ11、同心突起Ｓの基部周縁
に対応するＰ21、同心突起Ｓの頂部周縁に対応するＰ31
が抽出され、各抽出点の３次元位置が計算される（ステ
ップＳ１３）。抽出点の３次元位置の計算は、従来のス
リット光束投射型の３次元視覚センサの場合と同様に、
光帯Ｈ1 の中心縦断面を特定するデータと抽出点の画素
値データに基づいて行なわれる。光帯Ｈ1 の中心縦断面
を特定するデータは、ステップＳＴ５、ステップＳＴ６
に於けるスポット光ビーム走査内容決定パラーメータ決
定内容と指標αに基づいて算出される。

【００５７】１本目の光帯Ｈ1 に関する処理を終えた
ら、規定本数ｎ本（ｎ＝ｍ×ｎ0 ；但し、ｍは図１０に
関連して説明した光帯本数係数、ｎ0 は図８に示した光
帯分布標準形における光帯本数である。）の光帯形成と
処理が終了したか否かを判断する（ステップＳＴ１
４）。未照射・未処理の光帯がある限り、ノーの判断が
なされるので、光帯本数指標αに１を加算し（ステップ
Ｓ１５）、ステップＳＴ７に戻る。

【００５８】２本目以下の光帯Ｈ2 、Ｈ3 ・・Ｈn に関
する処理（ステップＳＴ７〜ステップＳＴ１４）は、上
記説明したＨ1 の処理と同様である。但し、図９に示し
たように、ｒ本目の光帯は切欠部Ｕを横断して形成され
るから、５個の端点／屈曲点Ｐ1r、Ｐ2r、Ｕ1 、Ｕ2 、
Ｕ3 が抽出され、３次元位置が計算される。

【００５９】ｎ＝ｎ×ｍ0 本目の光帯についてステップ
ＳＴ７〜ステップＳＴ１３が終了すると、ステップＳＴ
１４でイエスの判断がなされ、ステップＳＴ１６へ進
み、端点／屈曲点の整理・分類が行なわれた後、目的と
する３次元計測データの計算が行なわれる（ステップＳ
Ｔ１７）。

【００６０】図５、図１１に示された例では、端点／屈
曲点は、ワークＷの最外周縁に対応するＰ11、Ｐ12・・
Ｐ1r・・Ｐ1nと、同心突起Ｓの基部周縁に対応するＰ2
1、Ｐ22・・Ｐ2r・・・Ｐ2nと、同心突起Ｓの頂部周縁
に対応するＰ31、Ｐ33・・Ｐ3r-1、Ｐ3r+1・・・Ｐ3n
と、切欠部Ｕに対応したＵ1r、Ｕ2r、Ｕ3r（図９参照、
切欠部にかかる光帯が１本の場合を例示した。）に分類
される。

【００６１】そして、各グループの端点／屈曲点の３次
元位置データに基づいて同心突起Ｓの中心Ｐ0 と切欠部
Ｕの３次元位置が計算される（ステップＳＴ１７）。Ｐ
0 の計算にはＰ31、Ｐ33・・Ｐ3r-1、Ｐ3r+1・・・Ｐ3n
またはＰ11、Ｐ12・・Ｐ1r・・Ｐ1nのデータを利用する
ことが出来る。例えば、一方のグループにデータ欠損
（光帯位置が適正で無く、縁部を横断していない時
等。）がある場合には、他方を利用するようにすれば良
い。また、切欠部Ｕに関しては光帯間隔が粗いので、こ
の段階では、Ｕ1 、Ｕ2 、Ｕ3 のデータの内の１つ叉は
これらを組み合わせてＵの位置データとすることにな
る。

【００６２】第１回目（β＝１）の計測が終了したら、
再計測の必要性を判断する（ステップＳＴ１８）。この
判断の為のプログラムの具体的内容としては、取得され
るべきデータの内容、精度等に応じて極めて多様なもの
が考えられるが、再計測が必要となる代表的なケースと
して、（イ）光帯形成不良による計測不良、（ロ）より
正確な情報乃至より細部に関する情報の取得が想定され
る。（イ）の例としては、抽出されるべき端点／屈曲点
の数が所定数以下であった場合には光帯形成不良と判断
し、再計測を行うプログラムが考えられる。また、図
５、図１１に示したワークＷの切欠部Ｕに関してより正
確な３次元情報が欲しい場合が、（ロ）の例に当たる。

【００６３】ここでは、計測不良は無く、後者の趣旨で
再計測を行うことを想定することにする。まず、計測回
数指標βに１を加算して（ステップＳＴ１９）、システ
ムの異常等に対処する為に設定された計測回数の制限値
β0 を越えていないことを確認（ステップ２０）してか
ら、光帯本数指標αをリセットし（α＝１；ステップ２
１）、ステップ５に戻って再度光帯分布標準形を選択す
る。標準形を選択するにあたって、ワークＷがタイプ
［01］のものであること、２回目の計測（β＝２）であ
ること、及び第１回目の計測が不良でなかったことを判
断根拠として、図７の（ii）の型の標準形を選択するも
のとする。即ち、扇型の光帯分布パターンを切欠部Ｕに
集中的に形成して、該切欠部Ｕの細部の情報を取得する
ようなプログラムが組まれているものとする。

【００６４】第１回目の計測によって得られたＰ0 及び
Ｕ1 、Ｕ2 、Ｕ3 のデータを使用して、標準形［ii］に
対する拡がり係数ｋ、光帯長ｌ、光帯本数係数ｍ、基準
位置γ0 が選択・決定される（ステップＳＴ６）。な
お、この場合の拡がり係数ｋを、扇形の開き角度θを基
準開き角度θ0 の何倍とするかを表わす係数（θ＝ｋθ
0 ）とすることも考えられる。

【００６５】２回目の計測（β＝２）におけるスポット
光ビーム走査内容が決定されると、図１１に示された様
に、光帯Ｈu1、Ｈu2・・Ｈun（図１１中、破線で表示）
が１本づつ投射形成される毎に画像Ｂが取り込まれ、光
帯画像に相当する差像Ｃ＝Ｂ−Ａが取得される。次い
で、中心点列が検出され、折れ線近似によって、端点と
屈曲点が抽出され、各抽出点の３次元位置が算出される
（ステップＳＴ７〜ステップＳＴ１５の繰返し）。

【００６６】図１１に示した例で抽出される端点／屈曲
点は、Ｐ'11 、Ｐ'21、Ｐ'31、Ｕ'11 、Ｕ'21 、Ｕ'31
、Ｕ'21 、Ｕ'22 、Ｕ'32 ・・・等である。

【００６７】これら抽出点の３次元位置データは整理・
分類（ステップＳＴ１６）され、最終的に必要な３次元
情報が計算される（ステップＳ１７）。第２回目の計測
では、扇形の切欠部Ｕに多数の光帯を集中的に形成して
細部に関する十分なデータが得られるから、第１回目の
計測（光帯１本あるいは２本）に比べて、正確で詳細な
３次元情報がデータ計算によって取得可能となる。計算
取得される情報としては、切欠部代表点の３次元位置、
大きさ（扇形拡がり角度）、深さ（半径方向と円筒軸方
向）等が考えられる。

【００６８】第２回目の計測によって切欠部に関する細
部の情報が取得され、３次元計測の所期の目的が達成さ
れたならば、ステップＳＴ１８で再計測不要の判断がな
され、３次元計測の１作業サイクルが終了する（エン
ド）。もし、抽出点不足等の理由により、２回目の計測
が不良となった場合には、ステップＳＴ１８で再度計測
必要の判断がなされ、ステップＳＴ１９以下のプロセス
が繰り返される。計測不良により再計測が行なわれる場
合には、ステップＳＴ６において計測不良の原因を解消
する可能性を高めるような選択が行なわれるようにプロ
グラムを構成しておく。例えば、ｋ、ｌ、ｍの値を最大
にとり、抽出点不足の可能性を減らすことなどが考えら
れる。

【００６９】もし第３回目の計測が実行されて所期の計
測目的が達成されたならば、計測作業１サイクルを終了
するが、未だなお計測不良があれば計測回数指標βが制
限値β0 に達するまで計測が繰り返される。第β0 回目
の計測を行なっても、所期の計測目的が達成されない場
合には、ステップＳＴ２０でイエスの判断が出され、シ
ステムの異常の可能性を考えてアラームの発令等必要な
処置をとった上で（ステップＳＴ２２）作業サイクルを
終了する（エンド）。β0 の具体的数値は、計測不良の
発生確率、プログラムの信頼度、要求される計測速度と
β0 増大に伴う計測時間増加量等を考慮して定められる
が、通常は数回程度に設定されるものと考えられる。

【００７０】以上説明した例では、スポット光ビーム走
査内容を標準形と諸パラメータ（ｋ、ｌ、ｍ、γ0 ）の
選択により決定したが、スポット光ビーム走査内容の細
部を特定するに十分な情報が計測開始前に判明している
場合には、このようなプロセスの一部または全部が不要
となる。例えば、ワークＷの形状、サイズ、代表点Ｐ0
の３次元位置、姿勢等が小さな変動範囲に限定されてお
り、且つ各々の概略データが３次元視覚センサによる観
測を行なう以前に判っている条件下で、ワークＷの代表
点Ｐ0 の正確な３次元位置のみが計測目的とされる場合
には、スポット光ビーム走査内容を事前に特定すること
も可能である。

【００７１】一般的に言えば、工場の生産現場等でロボ
ットのような自動機械の作業を支援する為に３次元視覚
センサを使用する場合には、被計測対象物の形状、サイ
ズ、存在範囲、姿勢等について全く未知であることは希
であるから、スポット光ビーム走査内容を決定するプロ
グラムや再計測必要性判断のプログラムは、比較的簡単
な内容で十分な場合が多いと考えられる。

【００７２】

【発明の効果】本願発明の３次元視覚センサによれば、
スポット光ビームを高速偏向走査する手段を有する投光
装置によって３次元計測に必要な光投射が行われるの
で、被計測対象物の遠近、大小、存在方向、形状、最終
的に必要な３次元情報の内容、精度等に自在に適応した
光帯を形成することが可能となる。

【００７３】そして、光源の発する光量を３次元計測に
有用な部分に集中させて明るい光帯を形成させた条件下
でビデオカメラによる観測を行うことが出来るから、作
業効率と測定精度に優れた３次元計測が実現される。

【００７４】また、被計測対象物形状に応じて光帯延在
方向を自由に選択出来るから、被計測対象物の縁部にお
ける光帯中心点列の湾曲現象を回避することが可能とな
る。従って、本発明の３次元視覚センサは、この面から
見ても、３次元計測の精度向上に寄与し得るものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従った３次元視覚センサに使用可能な
投光装置の基本構成と光帯形成の為のスポット光ビーム
走査を説明する模式図である。

【図２】被計測対象物の遠近に応じてスポット光ビーム
の偏向走査範囲（スキャナの振り角度）を変えることを
説明する図である。

【図３】本発明の３次元視覚センサにおける投射範囲の
限定機能について説明する図である。

【図４】光帯分布及び該光帯の端点近傍の様子の一例を
従来技術と本発明の３次元視覚センサの場合に分けて模
式的に示した図である。

【図５】本発明の３次元視覚センサのシステム構成の１
例を模式的に示した図である。

【図６】図５に例示されたシステム構成を有する本発明
の３次元視覚センサを用いて被計測対象物の３次元計測
を実行する場合の処理の概要の１例を示したフローチャ
ートである。

【図７】スポット光ビーム走査パターンの標準形を説明
する図である。

【図８】図７に示されたスポット光ビーム走査パターン
標準形（ｉ）に対して、拡がり係数ｋを与えた場合のス
ポット光走査パターン（光帯分布）を説明する模式図で
ある。

【図９】図７に示されたスポット光ビーム走査パターン
標準形（ｉ）に対して、光帯長係数ｌを与えた場合のス
ポット光走査パターン（光帯分布）を説明する模式図で
ある。

【図１０】図７に示されたスポット光ビーム走査パター
ン標準形（ｉ）に対して、光帯本数係数ｍを与えた場合
のスポット光走査パターン（光帯分布）を説明する模式
図である。

【図１１】図５に示されたワークＷの切欠部Ｕを詳細に
示した部分拡大図である。

【符号の説明】

１ レーザ光源 ２ Ｘ−スキャナ ３ Ｙ−スキャナ ２Ｍ、３Ｍ 偏向ミラー ４ ビデオカメラ（ＣＣＤカメラ）のイメージプレーン Ｌ スポット光ビーム Ｇa 、Ｇb 光帯 Ｐ、Ｑ 光帯端点 Ｈa 、Ｈb 光帯中心点列 Ｗ、Ｗ1 、Ｗ2 被計測対象物（ワーク） Ｅ 縁部 Ｒ 円環領域

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビデオカメラ装置と、該ビデオカメラ装
   置に接続された画像処理装置と、前記ビデオカメラ装置
   の撮像走査周期に比して十分短い周期で帯状走査範囲内
   をスポット光ビームで偏向走査する手段を有する投光装
   置とを備えたスポット光ビーム走査型３次元視覚セン
   サ。