(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測装置であって、
複数の光源を含み、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明部と、
前記複数の光源を順次に点灯させる点灯制御部と、
前記測定対象物を撮像し、前記測定対象物の画像データを取得する撮像部と、
各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得させる撮像制御部と、
前記撮像部を構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像部により取得された全画像データ中から特定する画像データ特定部と、
前記画像データ特定部により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置を基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出部と、
前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出部とを備え、
前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、
前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向に向く平行傾き成分を求め、各測定位置の前記平行傾き成分から各測定位置の高さを算出する三次元形状計測装置。
【請求項２】
測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測装置であって、
複数の光源を含み、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明部と、
前記複数の光源を順次に点灯させる点灯制御部と、
前記測定対象物を撮像し、前記測定対象物の画像データを取得する撮像部と、
各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得させる撮像制御部と、
前記撮像部を構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像部により取得された全画像データ中から特定する画像データ特定部と、
前記画像データ特定部により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置を基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出部と、
前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出部とを備え、
前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、
前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向を向く平行傾き成分と、前記筋の長手方向と直交する直交方向を向く直交傾き成分とを求め、各測定位置の前記平行傾き成分及び前記直交傾き成分から各測定位置の高さを算出する三次元形状計測装置。
【請求項３】
前記照明部は、前記測定対象物を覆う半球状のフードを備え、
前記複数の光源は、前記フードの内面に配置されている請求項１又は２記載の三次元形状計測装置。
【請求項４】
前記複数の光源は、前記筋の長手方向を向く照明光が、前記筋の長手方向と直交する方向に向く照明光よりも高密度となるように配置されている請求項１記載の三次元形状計測装置。
【請求項５】
測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測方法であって、
複数の光源を含む照明部が、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明ステップと、
撮像部が、各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得する撮像ステップと、
前記画像データを構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像ステップにより取得された全画像データ中から特定する画像データ特定ステップと、
前記画像データ特定ステップにより特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置と撮像部の位置とを基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出ステップと、
前記傾き算出ステップにより算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出ステップとを備え、
前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、
前記表面形状算出ステップでは、前記傾き算出ステップにより算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向に向く平行傾き成分を求め、各測定位置の前記平行傾き成分から各測定位置の高さを算出する三次元形状計測方法。
【請求項６】
測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測方法であって、
複数の光源を含む照明部が、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明ステップと、
撮像部が、各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得する撮像ステップと、
前記画像データを構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像ステップにより取得された全画像データ中から特定する画像データ特定ステップと、
前記画像データ特定ステップにより特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置と撮像部の位置とを基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出ステップと、
前記傾き算出ステップにより算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出ステップとを備え、
前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、
前記表面形状算出ステップでは、前記傾き算出ステップにより算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向を向く平行傾き成分と、前記筋の長手方向と直交する直交方向を向く直交傾き成分とを求め、各測定位置の前記平行傾き成分及び前記直交傾き成分から各測定位置の高さを算出する三次元形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物の表面形状を測定する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光など直進性の高い光を光沢ある試料に照射すると、この光は試料により正反射される。そして、光の入射位置を特定できるＰＳＤ（Position Sensitive Detector）を利用すると、ＰＳＤへの正反射光の入射位置から、試料における光の入射角度が分かり、試料の傾きがわかる。したがって、レーザ光を試料に向けて走査し、反射光をＰＳＤで検出することで、試料の角度分布を求めることができる。
【０００３】
図９は、レーザ光源とＰＳＤとを用いて、測定対象物ＯＢの表面形状を求める原理を示す模式図である。図９（Ａ）は測定対象物ＯＢの表面ＳＦが基準面ＲＳに対して傾いていない場合を示し、図９（Ｂ）は測定対象物ＯＢの表面ＳＦが基準面ＲＳに対して、θだけ傾いている場合を示している。
【０００４】
図９（Ａ）に示すように、測定対象物ＯＢが傾いていない場合、照明光Ｌ１は測定位置ＡＰで正反射し、反射光Ｌ２となってＰＳＤに入射する。ここで、反射光Ｌ２がＰＳＤに入射する入射点をＩＰとする。
【０００５】
一方、図９（Ｂ）に示すように、測定対象物ＯＢがθ傾くと、それに伴って、反射光Ｌ２´が反射光Ｌ２に対して２θずれる。これにより、反射光Ｌ２´の入射点ＩＰ´は入射点ＩＰに対して２Ｌθずれる。
【０００６】
よって、ＰＳＤの測定結果から２Ｌθを求め、２Ｌで割れば、測定対象物ＯＢの基準面ＲＳに対する傾きθが分かる。つまり、入射点ＩＰに対する入射点ＩＰ´のずれが分かれば測定対象物の傾きθが分かる。
【０００７】
このような原理を用いた従来技術として、特許文献１が知られている。特許文献１には、レーザ光源より射出された光を、ポリゴンスキャナを用いて検査対象物の平面にライン状に走査し、平面からの反射光をＰＳＤにより受光し、平面の角度を算出し、平面異常を検査する装置が開示されている。この装置によれば、光学的な強度だけでは分別が難しいとされている、汚れと、高さ変化をもつ疵とを分別することが可能となる。
【０００８】
また、特許文献１とは原理は異なるが、検査対象物の表面形状を求める技術として、特許文献２が知られている。特許文献２には、検査対象物の表面にレーザ光を収束して照射し、反射点からの反射光をハーフミラーで２分岐し、分岐した反射光を２個のＰＳＤで個別に受光し、各ＰＳＤからの検知信号から光線追跡を行い、反射点の位置及び角度を算出する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−３２６６９号公報
【特許文献２】特開２０１０−８５３９５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、特許文献１、２のいずれの手法も、ポリゴンミラーを用いてレーザ光が機械的に走査されている。このような機械的な走査は振動要素の原因となり、測定精度の悪化を招来し、かつ、装置の寿命を短くする。
【００１１】
本発明の目的は、照明光を機械的に走査せずに測定対象物の表面形状を精度良く求めることができる三次元形状計測装置及び三次元形状計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による三次元形状計測装置は、測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測装置であって、複数の光源を含み、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明部と、前記複数の光源を順次に点灯させる点灯制御部と、前記測定対象物を撮像し、前記測定対象物の画像データを取得する撮像部と、各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得させる撮像制御部と、前記撮像部を構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像部により取得された全画像データ中から特定する画像データ特定部と、前記画像データ特定部により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置を基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出部と、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出部とを備え、前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向に向く平行傾き成分を求め、各測定位置の前記平行傾き成分から各測定位置の高さを算出する。
【００１３】
この構成によれば、複数の光源を順次に点灯することで、測定対象物に対して複数方向から照明光が照射される。そして、光源が点灯される毎に、測定対象物の画像データが取得される。そして、撮像部の各画素につき輝度値が最大の画像データが特定される。
【００１４】
ここで、各光源は固定されているため、各画像データと、各画像データを取得する際に点灯された光源位置とを紐付けることができる。また、ある画素において、輝度値を最大とする光源からの照明光は、その画素に対応する測定対象物の測定位置での正反射光の入射光を表す。そして、この正反射光は撮像部に入射されるため、輝度値を最大とする光源位置が分かれば、この光源位置と撮像部の位置との関係から、測定位置における法線が分かり、この法線から測定位置における傾きが分かる。これにより、測定対象物の表面の傾きの分布が得られ、測定対象物の表面形状を得ることができる。
【００１５】
したがって、本構成によれば、照明光の機械的な走査が不要となり、機械的な振動が発生せず、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。また、機械的な振動が発生しないため、装置の寿命を長くすることができる。
また、測定対象物として筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体を採用した場合、筋の長手方向とほぼ平行な方向に照射された照明光は測定対象物により正反射される可能性が高いが、筋の長手方向と直交する方向に照射された照明光は測定対象物により乱反射される可能性が高い。
よって、各測定位置の傾きを筋の長手方向とほぼ平行な平行傾き成分と、筋の長手方向に直交する直交傾き成分とに分けた場合、平行傾き成分は直交傾き成分に比べて測定位置の傾きを正確に表すことができる。したがって、平行傾き成分のみを用いることで測定対象物の表面形状を精度良く算出することができる。
また、本発明の他の局面による三次元形状計測装置は、測定対象物の表面形状を測定する三次元形状計測装置であって、複数の光源を含み、前記測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する照明部と、前記複数の光源を順次に点灯させる点灯制御部と、前記測定対象物を撮像し、前記測定対象物の画像データを取得する撮像部と、各光源が点灯される毎に、前記測定対象物の画像データを前記撮像部に取得させる撮像制御部と、前記撮像部を構成する各画素について、輝度値が最大となる画像データを、前記撮像部により取得された全画像データ中から特定する画像データ特定部と、前記画像データ特定部により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源位置を特定し、特定した各光源位置を基に、各画素に対応する前記測定対象物の各測定位置の傾きを算出する傾き算出部と、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きを基に、各測定位置の高さを算出し、前記測定対象物の表面形状を算出する表面形状算出部とを備え、前記測定対象物は、筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体であり、前記表面形状算出部は、前記傾き算出部により算出された各測定位置の傾きから前記筋の長手方向を向く平行傾き成分と、前記筋の長手方向と直交する直交方向を向く直交傾き成分とを求め、各測定位置の前記平行傾き成分及び前記直交傾き成分から各測定位置の高さを算出する。
この構成によれば、任意の形状を持つ物体を測定対象物として採用した場合において、測定対象物の表面形状を精度良く算出することができる。
【００１６】
前記照明部は、前記測定対象物を覆う半球状のフードを備え、前記複数の光源は、前記フードの内面に配置されていることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、半球状のフードの内面に光源が配置されているため、環境光等の不要な光により測定対象物が照射されることを防止することができる。また、フードの内側に光源を配置することで、複数の光源の配置が簡易となる。更に、フードが半球状であるため、各光源から測定対象物までの距離がほぼ等距離となり、輝度値を最大とする光源を正確に特定することができる。
【００２１】
前記複数の光源は、前記筋の長手方向を向く照明光が、前記筋の長手方向と直交する方向に向く照明光よりも高密度となるように配置されていることが好ましい。
【００２２】
この構成によれば、筋の長手方向に向く照明光が密になるため、筋状の凹凸形状の物体を測定するにあたり重要となる平行傾き成分を精度良く求めることができ、各測定位置の高さを正確に求めることができる。また、直交方向に向く経線に配置される光源を疎にすることで、光源の個数を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、照明光を機械的な走査が不要となり、機械的な振動が発生せず、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。また、機械的な振動が発生しないため、装置の寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１による三次元形状計測装置のブロック図である。
【図２】Ｚ軸方向から見た照明部の構成図である。
【図３】図２に示す光源の配置図である。
【図４】本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の原理の説明図であり、（Ａ）は本実施の形態による三次元形状計測装置の側面模式図であり、（Ｂ）は撮像部により撮像された画像データの模式図であり、（Ｃ）は（Ａ）の点線で囲んだ部分の拡大図である。
【図５】表示部により表示された測定対象物の表面形状の一例を示した図である。
【図６】本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施の形態２における三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態３による光源の配置図である。
【図９】レーザ光源とＰＳＤとを用いて、測定対象物の表面形状を求める原理を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１による三次元形状計測装置について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態１による三次元形状計測装置のブロック図である。図１に示すように三次元形状計測装置は、測定対象物の表面形状を測定するものであり、照明部１０、撮像部２０、制御部３０、表示部４０、及び画像メモリ５０を備えている。
【００２８】
本実施の形態では、測定対象物として筋状の凹凸形状を周期的に持つ平板状の物体を採用する。具体的には、測定対象物は、アルミや鉄等の金属を圧延することで得られた平板状の物体である。よって、筋状の凹凸形状は圧延する際に生じる圧延縞である。ここで、測定対象物は例えば一対の圧延ローラの間に金属を搬送させることによって得られる。したがって、筋は金属の搬送方向とほぼ平行な方向を長手方向とする凹凸形状を持つ。
【００２９】
照明部１０は、複数の光源を含み、測定対象物に対して複数方向から照明光を照射する。図２は、Ｚ軸方向から見た照明部１０の構成図である。Ｚ軸は、測定対象物ＯＢが載置される基準面と直交する。また、Ｘ軸及びＹ軸は共に直交する。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の原点をフード１１の頂点ＯＣの基準面への投影点であるフード１１の中心ＯＦとする（図４（Ａ）参照）。本実施の形態では、測定対象物は、筋の長手方向がＹ方向を向くように、頂点ＯＣの真下に載置される。
【００３０】
照明部１０は、所定長の直径を持つ半球状のフード１１を備える。フード１１の内面には、フード１１の中心ＯＦを中心として複数の光源ＬＥが放射状に配置されている。
【００３１】
光源ＬＥは、例えば発光ダイオードにより構成され、配線コードを介して制御部３０と電気的に接続され、点灯制御部３１の制御の下、点灯及び消灯される。本実施の形態では、光源ＬＥの個数をＮ個（例えば１９２個）とする。
【００３２】
フード１１は、頂点ＯＣが測定対象物の中心の真上に位置し、かつ、測定対象物を覆うように配置される。もちろん、フード１１の直径は測定対象物の全長よりも長い。このようにフード１１の内面に光源ＬＥを配置することで、各光源ＬＥと測定対象物との距離をほぼ等距離とすることができる。また、フード１１を設けることで、光源ＬＥの配置が容易となる。また、フード１１は半球状であるため、測定対象物が載置される基準面とで測定対象物を完全に遮光状態にすることができ、測定対象物に環境光等の光が照射されることを防止することができる。
【００３３】
図３は、図２に示す光源ＬＥの配置図である。フード１１において、頂点ＯＣから半径ｒ０のほぼ円形の領域内には光源ＬＥは配置されていない。これは、この円形の領域内に撮像部２０が取り付けられるからである。なお、測定対象物の真上から照明光を照射してもこの照明光は測定対象物により正反射される可能性は低いため、この円形の領域内に光源ＬＥを配置しなくても問題はない。これにより、フード１１の全域に光源ＬＥを配置する場合に比べて光源ＬＥの個数を少なくすることができる。
【００３４】
フード１１の内面には頂点ＯＣを中心として複数の経線Ｌｔが設定されており、光源ＬＥはこの経線Ｌｔ上に配置されている。図３の例では経線Ｌｔは頂点ＯＣを中心として１５度間隔で設定されている。よって、光源ＬＥは方位角φが１５度間隔で配置されている。
【００３５】
頂点ＯＣの基準面への投影点（フード１１の開口面の中心）をフード１１の中心ＯＦとすると、各経線Ｌｔにおいて、光源ＬＥは中心ＯＦを中心として所定の角度間隔（図３の例では７．５度）で配置されている。なお、図３において、頂点ＯＣから外側に向かうにつれて光源ＬＥが密になっているのは、半球状のフード１１を内側から見ているからである。
【００３６】
本実施の形態では、光源ＬＥの光源位置は方位角φと仰角θとで規定される。方位角φは、Ｚ軸方向から見て、光源ＬＥが配置された経線ＬｔとＸ軸とのなす角度である。仰角θは、光源ＬＥ及び中心ＯＦを繋ぐ直線と、Ｚ軸とがなす角度である（図４（Ａ）参照）。
【００３７】
図１に戻り、撮像部２０は、例えば、複数の画素が所定行×所定列でマトリックス状に配列されたエリアセンサを備え、測定対象物をＺ方向から撮像し、測定対象物の画像データを取得する。具体的には、図４（Ａ）に示すように、エリアセンサ２１は、受光面がＺ方向と直交するように筐体２２の内部に配置されている。その他、撮像部２０は、測定対象物の光像をエリアセンサ２１に結像する光学系（図略）等を含んでいる。ここで、撮像部２０は、画像データを取得する際に点灯された光源ＬＥを特定する光源番号と画像データとを対応付けて画像メモリ５０に記憶させる。
【００３８】
図１に戻り、制御部３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むマイクロコンピュータ、或いは専用のハードウェア回路から構成され、三次元形状計測装置の全体制御を司る。本実施の形態では、制御部３０は、点灯制御部３１、撮像制御部３２、画像データ特定部３３、傾き算出部３４、表面形状算出部３５、及び表示制御部３６を備えている。
【００３９】
点灯制御部３１は、光源ＬＥを順次に１個ずつ点灯させる。ここで、光源ＬＥの点灯順序は予め定められており、点灯制御部３１は、この点灯順序に従って光源ＬＥを順次に点灯する。
【００４０】
撮像制御部３２は、各光源ＬＥが点灯される毎に、測定対象物の画像データを撮像部２０に取得させ、取得させた画像データを画像メモリ５０に記憶させる。本実施の形態では、１９２個の光源ＬＥがあるため、撮像部２０により１９２枚の画像データが取得される。
【００４１】
画像データ特定部３３は、エリアセンサ２１を構成する各画素につき、輝度値が最大となる１枚の画像データを、撮像部２０により取得された全画像データ中から特定する。
【００４２】
傾き算出部３４は、画像データ特定部３３により特定された各画像データにつき、各画像データを取得する際に点灯された光源ＬＥの位置を特定し、特定した各光源ＬＥの位置を基に、各画素に対応する測定対象物の各測定位置の傾きを算出する。
【００４３】
図４は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の原理の説明図であり、（Ａ）は本実施の形態による三次元形状計測装置の側面模式図であり、（Ｂ）は撮像部２０により撮像された画像データの模式図であり、（Ｃ）は（Ａ）の点線で囲んだ部分の拡大図である。
【００４４】
図４（Ｂ）に示すように、画像データは例えば左上の頂点が原点とされ、水平方向にｍ軸が設定され、垂直方向にｎ軸が設定されている。図４（Ｂ）に示す画像データは、ある画素Ｇ（ｍ，ｎ）の輝度値を最大とする画像データである。図４（Ｂ）に示す画像データにはｉの光源番号が対応付けられており、この画像データを取得する際に点灯された光源ＬＥ（ｉ）が図４（Ａ）で示されている。
【００４５】
画素Ｇ（ｍ，ｎ）の輝度値が最大になるとき、光源ＬＥ（ｉ）の正反射光が撮像部２０に入射する。よって、図４（Ｃ）に示すように、光源ＬＥ（ｉ）から照射された照明光Ｌ１（ｉ）は測定対象物ＯＢの表面の測定位置ＡＰで正反射され、Ｚ軸と平行な反射光Ｌ２（ｉ）となって撮像部２０に入射する。反射光Ｌ２（ｉ）のエリアセンサ２１の受光面での到達位置は画素Ｇ（ｍ，ｎ）であるため、画素（ｍ，ｎ）は測定位置ＡＰに対応している。
【００４６】
光源ＬＥ（ｉ）の方位角をφ（ｉ）、仰角をθ（ｉ）とする。Ｕ軸は、中心ＯＦを通り、Ｘ軸とφ（ｉ）の角度をなす直線である。したがって、図４（Ａ）に示す測定対象物ＯＢの形状はＵ軸で切った断面を示している。
【００４７】
図４（Ｃ）に示すように、照明光Ｌ１（ｉ）は、測定位置ＡＰで正反射されて反射光Ｌ２（ｉ）となるため、θ（ｉ）の２等分線ＬＭ（ｉ）は、測定位置ＡＰにおけるＵ軸方向の接線ＳＬと直交する。よって、接線ＳＬの基準面ＲＳに対する傾きψ（ｉ）は、ψ（ｉ）＝θ（ｉ）／２で表される。したがって、画素Ｇ（ｍ，ｎ）に対応する測定位置ＡＰの傾きψ（ｉ）はψ（ｉ）＝θ（ｉ）／２と算出される。そして、この処理をエリアセンサ２１を構成する全画素について行うと、各画素に対応する測定位置ＡＰの傾きを得ることができる。
【００４８】
図１に戻り、表面形状算出部３５は、傾き算出部３４により算出された各測定位置ＡＰの傾きを基に、各測定位置ＡＰの高さを算出し、測定対象物ＯＢの表面形状を算出する。
【００４９】
本実施の形態では、表面形状算出部３５は、式（１）を用いて各測定位置ＡＰの傾きから傾き成分ψ＿Ｘ（ｉ）（直交傾き成分の一例）と傾き成分ψ＿Ｙ（ｉ）（平行傾き成分の一例）とを求める。
【００５０】
ψ＿Ｘ（ｉ）＝−ｔａｎ（θ（ｉ）／２）・ｃｏｓφ
ψ＿Ｙ（ｉ）＝−ｔａｎ（θ（ｉ）／２）・ｓｉｎφ      （１）
図４（Ａ）に示すように、傾き算出部３４が求める傾きψ（ｉ）は、Ｕ軸における傾きである。また、Ｕ軸とＸ軸とのなす角度はφ（ｉ）であり、Ｘ軸とＹ軸とは直交している。よって、傾き成分ψ＿Ｘ（ｉ）と傾き成分ψ＿Ｘ（ｉ）とは式（１）で表される。
【００５１】
ここで、ψ＿Ｘ（ｉ），ψ＿Ｙ（ｉ）は、測定位置ＡＰ毎に求められ、各測定位置ＡＰは各画素Ｇ（ｍ，ｎ）に対応しているため、エリアセンサの座標（ｍ，ｎ）を用いて、ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ），ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）と表すこともできる。以下、必要に応じて（ｍ，ｎ）を用いてψ＿Ｘ（ｉ），ψ＿Ｙ（ｉ）を表す。
【００５２】
次に、表面形状算出部３５は、各測定位置ＡＰについて、式（１）を用いて傾き成分ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）と、傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）とを求める。そして、表面形状算出部３５は、例えば、（ｍ，ｎ）＝（０，０）の画素Ｇ（０，０）の高さＨ（０，０）を予め定められた高さ（例えば０）に設定する。そして、式（１）で求めた傾き成分ψ＿Ｘ（０，０）と、予め定められたＸ成分の画素分解能ΔＸと、高さＨ（０，０）とを用いて、式（２）に示すように、（ｍ，ｎ）＝（１，０）における高さＨ（１，０）を求める。
【００５３】
Ｈ（１，０）＝Ｈ（０，０）＋ψ＿Ｘ（０，０）・ΔＸ    （２）
次に、表面形状算出部３５は、式（２）で求めたＨ（１，０）から式（２）´を用いて、Ｈ（１，０）に対してｍ軸に隣接する画素Ｇ（２，０）の高さＨ（２，０）を求める。
【００５４】
Ｈ（２，０）＝Ｈ（１，０）＋ψ＿Ｘ（１，０）・ΔＸ    （２）´
以後、表面形状算出部３５は、Ｈ（３，０），Ｈ（４，０），Ｈ（５，０）・・・というようにして、ｎ＝０の行における高さＨ（ｍ，０）を順次に求めていく。
【００５５】
そして、表面形状算出部３５は、ｎ＝０の行における高さＨ（ｍ，０）を全て算出すると、式（１）で求めた傾き成分ψ＿Ｙ（０，０）と、予め定められたＹ成分の画素分解能ΔＹと、高さＨ（０，０）とを用いて、式（３）に示すように、（ｍ，ｎ）＝（０，１）における高さＨ（０，１）を求める。
【００５６】
Ｈ（０，１）＝Ｈ（０，０）＋ψ＿Ｙ（０，０）・ΔＹ    （３）
そして、表面形状算出部３５は、ｎ＝０の行と同様にして、Ｈ（１，１），Ｈ（２，１），Ｈ（３，１）・・・というようにして、ｎ＝１の行における高さＨ（ｍ，１）を順次に求めていく。
【００５７】
このようにして、表面形状算出部３５は、１行ずつ（ｍ，ｎ）に対応する高さＨ（ｍ，ｎ）を順次に求めていき、測定対象物ＯＢの表面の全ての測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）を算出する。
【００５８】
表示制御部３６は、表面形状算出部３５により算出された各測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）を用いて、測定対象物ＯＢの表面形状を３次元的に示す３次元モデルを仮想３次元空間内に生成する。そして、表示制御部３６は、仮想３次元空間の仮想カメラ及び仮想光源の位置情報を用いて３次元モデルをレンダリングし、得られた２次元の画像データをフレームバッファに書き込み表示部４０に表示させる。なお、表示制御部３６は、仮想カメラ及び仮想光源の位置情報をユーザに設定させ、様々な視線から見たときの測定対象物ＯＢの表面形状を表示部４０に表示するようにしてもよい。
【００５９】
表示部４０は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等の表示装置により構成され、表示制御部３６により生成された２次元の画像データを表示する。画像メモリ５０は、例えばハードディスク等の不揮発性の記憶装置により構成され、撮像部２０により撮像された画像データを記憶する。
【００６０】
図５は、表示部４０により表示された測定対象物ＯＢの表面形状の一例を示した図である。図５に示すように、測定対象物ＯＢは筋状の凹凸形状が周期的に繰り返された形状を持つことが分かる。この凹凸形状は、測定対象物ＯＢを圧延する際に生成されたものである。また、図面の中央部の円形で囲んだ領域ＫＺに筋の乱れが生じている。この筋の乱れは圧延疵であり、本実施の形態のよる三次元形状計測装置はこの圧延疵を検出することを目的としている。これにより、ユーザは一目で圧延疵を確認することができ、測定対象物ＯＢの異常部分を検出することができる。
【００６１】
図６は、本発明の実施の形態による三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。このフローチャートが実行される前に、まず、ユーザにより基準面に測定対象物ＯＢが載置され、その中心の真上にフード１１の頂点ＯＣが位置するように照明部１０が基準面に載置される。そして、ユーザにより図略の操作部を介して測定開始の指示が入力され、下記の処理が実行される。
【００６２】
ステップＳ１において、光源番号ｉが初期値である１に設定される。本実施の形態では、光源ＬＥは所定の点灯順序に従って点灯されるため、各光源ＬＥには点灯順序に応じた光源番号が予め付与されている。
【００６３】
点灯順序としては、種々の順序を採用することができるが、点灯制御の簡便化の観点からは、隣接する光源ＬＥを順次に点灯していくことが好ましい。例えば、図３において、まず、方位角φ＝０である光源ＬＥを、仰角θ＝−９０度から＋９０度の範囲で順番に点灯させ、次に、方位角φ＝１５度の光源ＬＥを、仰角θ＝−９０度から＋９０度の範囲で順番に点灯させるというような点灯順序を採用すればよい。
【００６４】
次に、点灯制御部３１は、光源ＬＥ（ｉ）を点灯させる（ステップＳ２）。これにより、測定対象物ＯＢは光源ＬＥ（ｉ）からの照明光が照射される。次に、撮像制御部３２は、照明光が照射された測定対象物ＯＢを撮像部２０に撮像させ、１枚の画像データＤ（ｉ）を取得する（ステップＳ３）。
【００６５】
次に、撮像制御部３２は、画像データＤ（ｉ）を光源ＬＥ（ｉ）の方位角φ（ｉ）と仰角θ（ｉ）と対応付けて画像メモリ５０に記憶させる（ステップＳ４）。ここで、撮像制御部３２は、光源番号ｉと方位角φ（ｉ）及び仰角θ（ｉ）との関係を予め記憶しておき、この関係を用いて画像データＤ（ｉ）に対応付ける方位角φ（ｉ）及び仰角θ（ｉ）を定めればよい。
【００６６】
次に、点灯制御部３１は、光源番号ｉがＮ（＝１９２）より大きいか否かを判定し、ｉ＞Ｎの場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、処理をステップＳ７に進める。一方、点灯制御部３１は、ｉ≦Ｎの場合（ステップＳ５でＮＯ）、光源番号ｉを１インクリメントさせ（ステップＳ６）、処理をステップＳ２に戻す。つまり、点灯制御部３１は、Ｎ個の全ての光源ＬＥが点灯されるまで、ステップＳ２〜Ｓ６の処理を繰り返し、１個の光源ＬＥが点灯される毎に撮像部２０に１枚の画像データＤ（ｉ）を撮像させる。そして、Ｎ個の全ての光源ＬＥが点灯され、Ｎ枚の画像データＤ（ｉ）が得られると、処理をステップＳ７に進める。
【００６７】
次に、画像データ特定部３３は、エリアセンサ２１を構成する全画素Ｇ（ｍ，ｎ）のそれぞれにつき、輝度値を最大とする１枚の画像データＤ（ｉ）をＮ枚の画像データＤ（ｉ）の中から特定する（ステップＳ７）。次に、傾き算出部３４は、ステップＳ７で特定された画像データＤ（ｉ）に対応付けられた方位角φ（ｉ）及び仰角θ（ｉ）を特定する（ステップＳ８）。これにより、各画素Ｇ（ｍ，ｎ）に対応する各測定位置ＡＰにおいて正反射される照明光の方位角φ（ｉ）及び仰角θ（ｉ）が特定される。
【００６８】
次に、傾き算出部３４は、ステップＳ８で各測定位置ＡＰに対して特定された仰角θ（ｉ）を２で割り、図４（Ｃ）に示すように、各測定位置ＡＰの傾きψ（ｉ）を算出する（ステップＳ９）。これにより、各画素Ｇ（ｍ，ｎ）に対応する測定位置ＡＰの傾きψ（ｍ，ｎ）が得られ、測定対象物ＯＢの表面の傾きの分布が得られる。
【００６９】
次に、表面形状算出部３５は、ステップＳ９で求めた傾きψ（ｍ，ｎ）から、上記の式（１）を用いて、傾き成分ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）と傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）を求める（ステップＳ１０）。
【００７０】
次に、表面形状算出部３５は、上記の式（２）、（３）等を用いて、各測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）を順次に求める（ステップＳ１１）。
【００７１】
このように、本実施の形態によれば、フード１１の内面に放射状に配置された光源ＬＥを順次に点灯させることで、照明光の方向が切り替えられている。そのため、照明光の機械的な走査が不要となり、機械的な振動が発生せず、測定対象物の表面形状を精度良く測定することができる。また、機械的な振動が発生しないため、装置の寿命を長くすることができる。
【００７２】
（実施の形態２）
実施の形態２による三次元形状計測装置は、傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）のみ用いて、高さＨ（ｍ，ｎ）を算出することを特徴とする。なお、本実施の形態において、実施の形態１と同一のものは説明を省略する。
【００７３】
図７は、本発明の実施の形態２における三次元形状計測装置の動作を示すフローチャートである。ステップＳ２１〜Ｓ２９の処理は、図６のステップＳ１〜Ｓ９と同一であるため、説明を省略する。
【００７４】
ステップＳ３０において、表面形状算出部３５は、実施の形態１と同様にして、測定対象物ＯＢの筋の長手方向を向かう、Ｙ方向の傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）のみ算出し、ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）を算出しない。つまり、表面形状算出部３５は、ψ＿Ｙ（ｉ）＝−ｔａｎ（θ（ｉ）／２）・ｓｉｎφを用いてψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）を算出する。
【００７５】
次に、表面形状算出部３５は、ステップＳ３０で求めたψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）を用いて各測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）を算出する（ステップＳ３１）。
【００７６】
ここで、表面形状算出部３５は、例えば、一番上の行であるｎ＝０の行の各位置の高さＨ（ｍ，０）を予め定められた高さ（例えば０）に設定する。そして、ステップＳ３０で求めたｍ＝０の列の各位置の傾き成分ψ＿Ｙ（０，ｎ）と、予め定められたＹ成分の画素分解能ΔＹと、高さＨ（０，０）とを用いて、下記の式に示すように、ｍ＝０の列の各位置の高さＨ（０，ｎ）をｎ＝１から下方に向けて順番に求める。
【００７７】
Ｈ（０，１）＝Ｈ（０，０）＋ψ＿Ｙ（０，０）・ΔＹ
Ｈ（０，２）＝Ｈ（０，１）＋ψ＿Ｙ（０，１）・ΔＹ
・・・
そして、表面形状算出部３５は、ｍ＝０の列の各位置の高さＨ（０，ｎ）を算出すると、下式に示すように、ｍ＝１の列の各位置の高さＨ（１，ｎ）をｎ＝１から下方に向けて順番に算出する。
【００７８】
Ｈ（１，１）＝Ｈ（１，０）＋ψ＿Ｙ（１，０）・ΔＹ
Ｈ（１，２）＝Ｈ（１，０）＋ψ＿Ｙ（１，０）・ΔＹ
・・・
以降、任意のｍの列について下記の式を用いて、ｎ＝１から順番に各位置の高さＨ（ｍ，１），Ｈ（ｍ，２），・・・を求めていく。
【００７９】
Ｈ（ｍ，１）＝Ｈ（ｍ，０）＋ψ＿Ｙ（ｍ，０）・ΔＹ
Ｈ（ｍ，２）＝Ｈ（ｍ，１）＋ψ＿Ｙ（ｍ，１）・ΔＹ
・・・
以上により測定対象物ＯＢの表面の全測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）が得られ、測定対象物ＯＢの表面形状が算出される。
【００８０】
測定対象物ＯＢとして筋状の凹凸形状を持つ平板状の物体を採用した場合、筋の長手方向とほぼ平行な方向に照射された照明光は測定対象物ＯＢにより正反射される可能性が高いが、筋の長手方向と直交する方向に照射された照明光は測定対象物ＯＢにより乱反射される可能性が高い。
【００８１】
よって、各測定位置ＡＰの傾きを筋の長手方向とほぼ平行なＹ軸方向の傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）と、長手方向に直交するＸ軸方向の傾き成分ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）とに分けた場合、傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）は傾き成分ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）に比べて各測定位置ＡＰの傾きを正確に表すことができる。したがって、傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）のみを用いることで測定対象物ＯＢの表面形状を精度良く算出することができる。
【００８２】
また、本実施の形態では、傾き成分ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）を算出することが不要となるため、計算コストの削減を図ることができる。つまり、本実施の形態では、計算コストを削減するという効果と、測定精度を向上するという効果との相反する効果を両立させることができる。
【００８３】
（実施の形態３）
実施の形態３による三次元形状計測装置は、測定対象物ＯＢの長手方向であるＹ軸方向に向く照明光が、Ｘ軸方向に向く照明光よりも高密度となるように光源ＬＥを配置したことを特徴とする。図８は、本発明の実施の形態３による光源ＬＥの配置図である。図８は、フード１１を内側から見たときの光源ＬＥの配置を示している。
【００８４】
図８の例では、Ｙ軸上の経線Ｌｔ（０）と、経線Ｌｔ（０）と頂点ＯＣに対する角度が例えば１５度である経線Ｌｔ（１），Ｌｔ（−１）と、経線Ｌｔ（０）と頂点ＯＣに対する角度が例えば３０度である経線Ｌｔ（２），Ｌｔ（−２）とのそれぞれにおいて、同数の光源ＬＥが配置されている。また、Ｘ軸上の経線Ｌｔ（Ｘ）において、経線Ｌｔ（１）と同数の光源ＬＥが配置されている。
【００８５】
ここで、筋の長手方向を向く照明光とは、光軸が頂点ＯＣを中心としてＹ軸から±４５度の範囲内にある照明光が該当する。また、直交方向を向く照明光とは、光軸が頂点ＯＣを中心としてＸ軸を中心に±４５度の範囲内にある照明光が該当する。
【００８６】
こうすることで、筋の長手方向に向く照明光が密となるため、筋状の凹凸形状を持つ測定対象物ＯＢを測定するにあたり重要となる傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）を精度良く求めることができ、各測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）を正確に求めることができる。一方、Ｘ軸方向に向く経線Ｌｔに配置された光源ＬＥの個数を少なくすることができるため、装置の簡便化及び低コスト化を図ることができる。
【００８７】
なお、本実施の形態においては、各経線Ｌｔに配置される光源ＬＥの個数を同じにしたが、これに限定されず、例えば、Ｙ軸に向かうにつれて光源ＬＥの密度を増大させてもよい。例えば、図８において、経線Ｌｔ（０）が最も高密度、経線Ｌｔ（１），Ｌｔ（−１）が次に高密度、経線Ｌｔ（２），Ｌｔ（−２）のその次に高密度となるように、光源ＬＥを配置すればよい。また、経線Ｌｔ（Ｘ）上に配置された光源の個数を０にしてもよい。但し、この場合、領域Ｄ２に属する光源ＬＥの個数が０となってしまい、Ｘ軸方向に向かう照明光の成分が０になってしまい、測定精度が落ちることが懸念される。そのため、図８の例では、１本の経線Ｌｔ（Ｘ）のみに光源ＬＥを配置している。
【００８８】
なお、実施の形態３では、光軸がＹ軸方向に向かう照明光が密となるため、傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）は精度良く算出できるが、光軸がＸ軸方向に向かう照明光が疎となるため、傾き成分ψ＿Ｘ（ｍ，ｎ）の精度が悪化する虞がある。したがって、実施の形態３の光源ＬＥの配置を採用する場合、実施の形態２に示す傾き成分ψ＿Ｙ（ｍ，ｎ）のみ用いて各測定位置ＡＰの高さＨ（ｍ，ｎ）を求めることが好ましい。つまり、実施の形態３と実施の形態２とを組み合わせることで、実施の形態２において、光源ＬＥの個数を削減するという効果を得ることができる。
【００８９】
なお、実施の形態１〜３において、測定対象物ＯＢとして、筋状の凹凸形状を周期的に持つ物体を採用したが、本発明はこれに限定されず、任意の形状を持つ物体を採用してもよい。
【符号の説明】
【００９０】
１０  照明部
１１  フード
２０  撮像部
２１  エリアセンサ
２２  筐体
３０  制御部
３１  点灯制御部
３２  撮像制御部
３３  画像データ特定部
３４  傾き算出部
３５  表面形状算出部
３６  表示制御部
４０  表示部
５０  画像メモリ
ＡＰ  測定位置
Ｄ１  領域
Ｄ２  領域
Ｇ  画素
Ｌ１  照明光
Ｌ２  反射光
ＬＥ  光源
Ｌｔ  経線
ＯＢ  測定対象物
ＯＣ  頂点
θ  仰角
ψ  傾き
ψ＿Ｘ  傾きのＸ成分
ψ＿Ｙ  傾きのＹ成分
【図１】
0005512563.tif 000002
【図３】
0005512563.tif 000003
【図４】
0005512563.tif 000004
【図６】
0005512563.tif 000005
【図７】
0005512563.tif 000006
【図８】
0005512563.tif 000007
【図９】
0005512563.tif 000008
【図２】
0005512563.tif 000009
【図５】
0005512563.tif 000010