(57)【要約】      （修正有）【課題】ワークの位置や姿勢の計測において計測精度や再現性の点で有利な計測装置を提供する。【解決手段】ワークにパターン光を投影する投影部と、パターン光の波長とは異なる波長の光でワークを照明する照明部と、パターン光が投影され、且つ、照明されたワークを撮像して、パターン光に対応する第１画像と、光に対応する第２画像とを取得する撮像部と、第１画像を用いてワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報を求める処理を行う処理部と、ワークの周期的な形状むらに起因して第１画像に生じる輝度むらの周期方向と、パターン光に含まれるラインの長手方向とのなす角度を取得する取得部と、を有し、処理部は、取得された角度に基づいて、第２画像を用いて第１画像の輝度むらを補正し、補正された画像に基づいて情報を求めるか、補正せずに情報を求めるかを決定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方を計測する計測装置であって、
前記ワークにパターン光を投影する投影部と、
前記パターン光の波長とは異なる波長の光で前記ワークを照明する照明部と、
前記パターン光が投影され、且つ、前記光で照明された前記ワークを撮像して、前記パターン光に対応する第１画像と、前記光に対応する第２画像とを取得する撮像部と、
前記第１画像を用いて前記ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報を求める処理を行う処理部と、
前記ワークの周期的な形状むらに起因して前記第１画像に生じる輝度むらの周期方向と、前記ワークに投影された前記パターン光に含まれるラインの長手方向とのなす角度を取得する取得部と、を有し、
前記処理部は、前記取得部で取得された前記角度に基づいて、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正し、補正された画像に基づいて前記情報を求める第１処理を行うか、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正せずに前記情報を求める第２処理を行うかを決定することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記角度は、０度から９０度の範囲で定義され、
前記処理部は、前記角度が予め設定された角度以上、且つ、９０度以下である場合に、前記第１処理を行うと決定し、前記角度が０度以上、且つ、前記予め設定された角度未満である場合に、前記第２処理を行うと決定することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記予め設定された角度は、４５度であることを特徴とする請求項２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記輝度むらに関する輝度情報を記憶する記憶部を更に有し、
前記取得部は、前記輝度情報と、前記第１画像及び前記第２画像から得られる前記ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報とに基づいて、前記角度を求めることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記取得部は、
前記第２画像に対応する画像データを周波数解析することで前記輝度むらに関する輝度情報を取得し、
前記輝度情報と、前記第１画像及び前記第２画像から得られる前記ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報とに基づいて、前記角度を求めることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項６】
前記処理部は、前記角度に基づいて前記第１処理を行うと決定した場合において、前記ワークに対する前記パターン光の入射角度が、当該パターン光が前記ワークで正反射される角度から予め設定された角度範囲であれば、前記第１処理を行わずに前記第２処理を行うことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項７】
前記処理部は、前記第１画像の複数の部分領域のそれぞれについて、前記第１処理を行うか、前記第２処理を行うかを決定することを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項８】
前記複数の部分領域のそれぞれは、前記ワークの１つの面を含むことを特徴とする請求項７に記載の計測装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の計測装置と、
前記計測装置によって計測されたワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に基づいて、前記ワークを保持して移動させるロボットと、
を有することを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項９に記載の計測装置を用いて計測されたワークを前記ロボットで保持して移動させる工程と、
前記工程で移動させた前記ワークを加工又は組立する工程と、
を有することを特徴とする物品の製造方法。
【請求項１１】
ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方を算出する情報処理装置であって、
パターン光が投影され、且つ、前記パターン光の波長とは異なる波長の光で照明された前記ワークを撮像して得られる、前記パターン光に対応する第１画像と、前記光に対応する第２画像とを取得し、前記第１画像を用いて前記ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報を求める処理を行う処理部と、
前記ワークの周期的な形状むらに起因して前記第１画像に生じる輝度むらの周期方向と、前記ワークに投影された前記パターン光に含まれるラインの長手方向とのなす角度を取得する取得部と、を有し、
前記処理部は、前記取得部で取得された前記角度に基づいて、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正し、補正された画像に基づいて前記情報を求める第１処理を行うか、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正せずに前記情報を求める第２処理を行うかを決定することを特徴とする情報処理装置。
【請求項１２】
ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方を算出する算出方法であって、
パターン光が投影され、且つ、前記パターン光の波長とは異なる波長の光で照明された前記ワークを撮像して得られる、前記パターン光に対応する第１画像と、前記光に対応する第２画像とを取得する工程と、
前記第１画像を用いて前記ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報を求める処理工程と、
前記ワークの周期的な形状むらに起因して前記第１画像に生じる輝度むらの周期方向と、前記ワークに投影された前記パターン光に含まれるラインの長手方向とのなす角度を取得する取得工程と、を有し、
前記処理工程において、前記取得工程で取得された前記角度に基づいて、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正し、補正された画像に基づいて前記情報を求める第１処理を行うか、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正せずに前記情報を求める第２処理を行うかを決定することを特徴とする算出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置、システム、物品の製造方法、情報処理装置及び算出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ワーク（物体）の形状を計測する技術の１つとして、光学式の計測装置が知られている。光学式の計測装置には様々な方式が存在し、その方式の１つとして、パターン投影法と呼ばれる方式がある。パターン投影法では、パターン（光）が投影されたワークを、パターンの投影方向とは異なる方向から撮像し、その撮像画像におけるパターンを検出して、三角測量の原理から各画素位置における距離情報を求めることで、ワークの形状を計測している。
【０００３】
パターン投影法では、撮像画像における画素値（受光光量）の空間分布情報に基づいて、ワークに投影されたパターンの各ラインの座標を検出する。但し、かかる空間分布情報には、ワークの表面の模様などによる反射率分布やワークの表面の微細形状による反射率分布の影響が含まれている。これらに起因して、パターンの座標の検出において誤差が発生したり、検出自体が不可能になってしまったりすることがあるため、ワークの形状の計測精度の低下につながる。
【０００４】
そこで、パターンが投影されたワークを撮像して画像（パターン画像）を取得するタイミングとは異なるタイミングにおいて、均一に照明されたワークを撮像して画像（濃淡画像）を取得する技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術では、濃淡画像を補正用データとして用いて、ワークの表面の反射率分布による影響をパターン画像から除去することで、ワークの形状を高精度で計測することを可能にしている。
【０００５】
また、偏光方向が互いに異なるパターン光と均一光とでワークを照明して、それぞれの偏光方向に対応した撮像部でパターン画像と濃淡画像とを取得し、パターン画像と濃淡画像との差分画像から距離情報を求める技術が提案されている（特許文献２参照）。かかる技術では、パターン画像と濃淡画像とを同じタイミングで取得することができる。
【０００６】
ワークの３次元座標群データからワークの位置や姿勢を計測する技術も提案されている（特許文献３参照）。かかる技術では、パターン投影法から得られる距離情報（３次元座標群データ）と、濃淡画像から得られる計測情報（エッジデータ）とを利用したモデルフィッティングによって、ワークの位置や姿勢を計測している。また、エッジデータの誤差と３次元座標群データの誤差とがそれぞれ別々の確率分布に従うものとして、最尤推定を用いてワークの位置や姿勢を推定するため、初期条件が悪い場合であっても、ワークの位置や姿勢を安定的に推定することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平３−２８９５０５号公報
【特許文献２】特開２００２−２１３９３１号公報
【特許文献３】特許第５３９３３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、パターン画像と濃淡画像とが異なるタイミングで取得されている。計測装置の用途を考えると、ワークと計測装置のどちらか又は両方を移動させながらワークの位置や姿勢を計測しなければならない場合が多い。従って、ワークと計測装置との相対位置関係が一定ではない（変化する）ため、パターン画像と濃淡画像とは、異なる視点で撮像された画像となる。このような場合、濃淡画像を用いてパターン画像を補正しても誤差が生じてしまう。
【０００９】
一方、特許文献２に開示された技術では、パターン画像と濃淡画像とが同じタイミングで取得されている。しかしながら、ワークの表面には、微細形状（面粗さ）に起因する局所的な角度ばらつきが存在し、かかる角度ばらつきによって、ワークの表面の反射率分布が偏光方向で異なる。従って、パターン画像と濃淡画像とは、同じタイミングで取得されていても、互いに異なる反射率分布を含むことになるため、その差分画像には誤差が生じてしまう。
【００１０】
また、特許文献１及び２に開示された技術のように、濃淡画像を用いてパターン画像を補正する場合、補正後のパターン画像は、濃淡画像のノイズの影響を受けるため、補正前のパターン画像から求まる距離情報の再現性が低下する。このようなノイズによる再現性の低下の影響は、短時間で撮像（計測）を行わなければならない場合に、より大きくなる。
【００１１】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、ワークの位置や姿勢の計測において計測精度や再現性の点で有利な計測装置を提供することを例示的目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一側面としての計測装置は、ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方を計測する計測装置であって、前記ワークにパターン光を投影する投影部と、前記パターン光の波長とは異なる波長の光で前記ワークを照明する照明部と、前記パターン光が投影され、且つ、前記光で照明された前記ワークを撮像して、前記パターン光に対応する第１画像と、前記光に対応する第２画像とを取得する撮像部と、前記第１画像を用いて前記ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報を求める処理を行う処理部と、前記ワークの周期的な形状むらに起因して前記第１画像に生じる輝度むらの周期方向と、前記ワークに投影された前記パターン光に含まれるラインの長手方向とのなす角度を取得する取得部と、を有し、前記処理部は、前記取得部で取得された前記角度に基づいて、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正し、補正された画像に基づいて前記情報を求める第１処理を行うか、前記第２画像を用いて前記第１画像の輝度むらを補正せずに前記情報を求める第２処理を行うかを決定することを特徴とする。
【００１３】
本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、例えば、ワークの位置や姿勢の計測において計測精度や再現性の点で有利な計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】図１に示す計測装置における投影部のマスクの構成の一例を示す図である。
【図３】図１に示す計測装置における照明部の光源の配置の一例を示す図である。
【図４】ワークの表面が反射率分布を有する場合の濃淡画像への影響を説明するための図である。
【図５】ワークに起因する輝度むらの周期方向とラインの長手方向との関係を説明するための図である。
【図６】輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度によって補正処理の効果が異なることを説明するための図である。
【図７】図１に示す計測装置における計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図８】図１に示す計測装置における計測処理を説明するためのフローチャートである。
【図９】濃淡画像に対応する画像データを周波数解析した結果を示す図である。
【図１０】図１に示す計測装置と、ロボットとを有するシステムの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明の一側面としての計測装置１００の構成を示す概略図である。計測装置１００は、図１に示すように、投影部１と、照明部２と、撮像部３と、処理部４とを有する。計測装置１００は、距離画像計測部と濃淡画像計測部とによって距離画像と濃淡画像とを同時に取得する。そして、計測装置１００は、距離画像及び濃淡画像の２つの画像を利用してモデルフィッティングすることによって、ワーク５の位置及び姿勢の少なくとも一方（以下では、「位置姿勢」と称する）を計測する。なお、モデルフィッティングは、予め作成されたワーク５のＣＡＤモデルに対して行われものであって、ワーク５の３次元形状が既知であることを前提とする。
【００１８】
計測装置１００の主要部である、距離画像を取得するための距離画像計測部について説明する。距離画像とは、計測対象であるワーク５（の表面上の点）の３次元情報を示すものであって、各画素が奥行きの情報を含む画像である。距離画像計測部は、投影部１、撮像部３及び処理部４によって構成される。
【００１９】
投影部１は、複数のラインが周期的に配列されたパターン光をワーク５に投影する。撮像部３は、投影部１によってパターン光が投影されたワーク５を、投影部１とは異なる方向から撮像してパターン画像を取得する。処理部４は、撮像部３で取得されたパターン画像から各ラインのピーク座標を検出し、三角測量の原理に基づいて距離画像を求める。ここで、ラインのピーク座標は、パターン画像におけるラインに垂直な断面のプロファイルに基づいて検出する。更に、処理部４は、距離画像をモデルフィッティングすることによって、ワーク５の位置姿勢に関する情報を求める。なお、処理部４は、ＣＰＵなどの演算部やメモリなどの記憶部を含む情報処理装置で構成され、計測装置１００の各部を制御する機能も有する。
【００２０】
距離画像計測部において、投影部１からワーク５に投影するパターンは、１つのパターン画像から距離画像を求めることが可能なパターンである。これは、計測装置１００（投影部１、照明部２及び撮像部３）を移動させながらワーク５の位置姿勢を計測することを想定しているからである。複数のパターン画像から距離画像を求める方式では、計測装置１００の移動によってパターン画像間の視野ずれが生じてしまうため、距離画像を高精度に求めることができない。
【００２１】
１つのパターン画像から距離画像を求めることが可能なパターンとしては、図２に示すように、ドットによって符号化されたドットラインパターンが知られている。ワーク５に投影されたドットラインパターンのドットの位置関係に基づいて、投影パターンと各ラインとの対応付けを行うことで、１つのパターン画像から距離画像を求めることができる。なお、本実施形態では、投影部１からワーク５に投影するパターンの具体例として、ドットラインパターンを説明した。但し、投影部１からワーク５に投影するパターンは、ドットラインパターンに限定されるものではなく、１つのパターン画像から距離画像を求めることができるパターンであればよい。
【００２２】
投影部１は、本実施形態では、光源６と、照明光学系８と、マスク９と、投影光学系１０とを含む。光源６は、照明部２の光源７から射出される光の波長（λ２）とは異なる波長（λ１）の光を射出する。照明光学系８は、光源から射出された光でマスク９を均一に照明するための光学系である。マスク９には、例えば、ガラス基板をクロムめっきすることによって、ワーク５に投影するパターンが形成されている。本実施形態では、マスク９には、図２に示すように、ドットラインパターンが形成されている。投影光学系１０は、マスク９に形成されたパターンの像をワーク５に投影するための光学系である。
【００２３】
このように、投影部１は、照明光学系８によって、光源６からの光でマスク９を均一に照明し、投影光学系１０によって、マスク９のパターンからの光をワーク５に結像する。本実施形態では、マスク９を用いてパターンをワーク５に投影する方式（固定マスクパターン方式）について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）プロジェクタや液晶プロジェクタを用いてパターンをワーク５に投影してもよい。
【００２４】
撮像部３は、本実施形態では、撮像光学系１１と、波長分割素子１２と、第１撮像素子１３と、第２撮像素子１４とを含む。撮像部３は、距離画像計測部と濃淡画像計測部とで共通のユニットであるため、ここでは、濃淡画像計測部に関する部分についても説明する。撮像光学系１１は、距離画像を取得するためにワーク５に投影されたパターンを第１撮像素子１３に結像し、均一に照明されたワーク５を第２撮像素子１４に結像するための光学系である。波長分割素子１２は、光源６からの波長λ１の光と、光源７からの波長λ２の光とを分離するための光学素子である。波長分割素子１２は、本実施形態では、光源６からの波長λ１の光を透過して第１撮像素子１３に導光し、光源７からの波長λ２の光を反射して第２撮像素子１４に導光する。第１撮像素子１３は、投影部１からパターン光が投影されたワーク５を撮像してパターン画像（第１画像）を取得するための素子である。第２撮像素子１４は、照明部２によって照明されたワーク５を撮像して濃淡画像（第２画像）を取得するための素子である。第１撮像素子１３及び第２撮像素子１４は、例えば、ＣＭＯＳセンサーやＣＣＤセンサーなどで構成されている。
【００２５】
次に、計測装置１００の主要部である、濃淡画像を取得するための濃淡画像計測部について説明する。濃淡画像とは、均一に照明されたワーク５を撮像して得られる画像である。本実施形態では、濃淡画像からワーク５の輪郭や稜線に対応するエッジを求め、エッジを画像特徴としてワーク５の位置姿勢を求める際に用いる。濃淡画像計測部は、照明部２と、撮像部３と、処理部４によって構成される。照明部２は、パターン光の波長（即ち、波長λ１の光）とは異なる波長の光（即ち、波長λ２の光）でワーク５を均一に照明する。撮像部３は、照明部２によって均一に照明されたワーク５を撮像して濃淡画像を取得する。処理部４は、撮像部３で取得された濃淡画像にエッジ検出処理を施してワーク５のエッジを求める。エッジ検出処理のアルゴリズムとしては、Ｃａｎｎｙ法やその他の様々な方法がある。
【００２６】
照明部２は、複数の光源７を含む。本実施形態では、複数の光源７は、図３に示すように、投影部１の投影光学系１０の光軸ＯＡ１を中心としてリング状に配置されている。図３は、照明部２を投影光学系１０の光軸ＯＡ１の方向から示す図である。
【００２７】
処理部４は、上述したように、距離画像や濃淡画像に基づいて、ワーク５の位置姿勢を求める。この際、処理部４は、ワーク５の表面の模様などによる反射率分布やワーク５の表面の微細形状による反射率分布の影響を低減するために、濃淡画像を用いてパターン画像を補正する補正処理を行うことが可能である。具体的には、パターン画像Ｉ１（ｘ，ｙ）と、濃淡画像Ｉ２（ｘ，ｙ）とを用いて、以下の式（１）に従って、反射率分布の影響が低減された（即ち、受光光量の空間分布情報が補正された）パターン画像Ｉ１’（ｘ，ｙ）を求める。ここで、（ｘ，ｙ）は、第１撮像素子１３及び第２撮像素子１４のそれぞれにおけるピクセルの座標値を示している。
【００２８】
【数１】
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【００２９】
なお、本実施形態では、式（１）に示すように、パターン画像を濃淡画像で除する除算によって、パターン画像を補正しているが、これに限定されるものではない。例えば、パターン画像から濃淡画像を減算することによって、パターン画像を補正してもよい。
【００３０】
ここで、ワーク５の表面が反射率分布（異方的な特性）を有する場合の濃淡画像への影響について説明する。図４は、周期的な形状むら（スジ状の微細形状）を有するワーク５と、かかるワーク５から得られる濃淡画像とを示す図である。このような周期的な形状むらは、特に、金型の研削痕が転写された射出成型樹脂のワーク５で発生する。製造に用いられる金型の加工方法などに変更がなければ、ワーク５の形状むらの方向（周期方向）は、常に同じ方向であり、同一種類のワーク５では、個体差がないとみなすことができる。図４に示す濃淡画像は、破線で示すワーク５の表面部分を撮像して得られる。図４を参照するに、濃淡画像には、ワーク５の形状むらに起因して、ｔ方向に周期性を有するスジ状の輝度むら（輝度分布）が生じている。ここでは、濃淡画像を例に説明したが、パターン画像についても同様に、ワーク５の形状むらに起因して周期性を有する輝度むらが発生する。
【００３１】
本発明者は、このような形状むらを有するワーク５に対して、上述した補正処理を適用することについて鋭意検討した。その結果、ワーク５の形状むらに起因してパターン画像に生じる輝度むらの周期方向ｔと、ワーク５に投影されたパターン光のラインの長手方向とのなす角度によって、上述した補正処理の効果が異なることを見出した。
【００３２】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、ワーク５に起因する輝度むらの周期方向ｔと、ワーク５に投影されたパターン光のラインの長手方向ＤＬとの関係を説明するための図である。図５（ａ）及び図５（ｂ）において、ＯＡ１は、投影光学系１０の光軸（投光軸）を表し、ＯＡ２は、撮像光学系１１の光軸（受光軸）を表している。計測装置１００は、三角測量の原理に基づいて距離演算を行うため、投影光学系１０の光軸ＯＡ１と撮像光学系１１の光軸ＯＡ２とを含む平面（ｘｙ平面）に対して略垂直にパターン光のラインの長手方向ＤＬが設定される。従って、ワーク５に投影されるパターン光のラインの長手方向ＤＬは、計測装置１００の姿勢によって一意に決定される。ここでは、ラインの長手方向ＤＬは、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、ｙ軸に沿った方向とする。また、図５（ａ）及び図５（ｂ）には、ワーク５に起因する輝度むらの周期方向ｔも示している。
【００３３】
図５（ａ）は、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとが垂直となる場合、即ち、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとのなす角度が９０度である場合（以下、「相対関係Ｒ１」と称する）を示している。図５（ｂ）は、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとが平行となる場合、即ち、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとのなす角度が０度である場合（以下、「相対関係Ｒ２」と称する）を示している。図５（ａ）と図５（ｂ）とでは、ワーク５の姿勢がｚ軸周りに９０度回転している。輝度むらの周期方向ｔは、図５（ａ）では、ｘ軸方向に沿っており、図５（ｂ）では、ｙ軸方向に沿っており、ワーク５の姿勢によって９０度異なっている。また、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとのなす角度は、０度から９０度までの範囲で定義するものとする。これは、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとのなす角度を考える上で、１０度と、１００度（１０度＋９０度）と、１９０度（１０度＋１８０度）と、２８０度（１０度＋２７０度）とは同じとみなせるからである。
【００３４】
上述したように、ラインの長手方向ＤＬは、計測装置１００の姿勢から一意に決定され、輝度むらの周期方向ｔは、ワーク間で個体差がないため、ワーク５の姿勢から一意に決定される。従って、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとのなす角度は、計測装置１００とワーク５との相対的な位置姿勢から求めることが可能である。
【００３５】
図６（ａ）は、相対関係Ｒ１（図５（ａ））において、上述した補正処理を行った場合、及び、上述した補正処理を行っていない場合のそれぞれの計測誤差を示す図である。図６（ｂ）は、相対関係Ｒ２（図５（ｂ））において、上述した補正処理を行った場合、及び、上述した補正処理を行っていない場合のそれぞれの計測誤差を示す図である。ここでは、基線長６５ｍｍで、距離３３０ｍｍ程度に配置されたワーク５を評価した。図６（ａ）及び図６（ｂ）では、横軸は、輝度むらの周期方向ｔを回転軸としてワーク５を回転させたときの角度［度］を示し、パターン光がワーク５で正反射される角度を０度としている。また、縦軸は、計測誤差［μｍ］を示し、ワーク５の３次元座標の各点の誤差における標準偏差である。なお、各点の誤差は、再現性の影響を無視できるように画像平均化している。
【００３６】
図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照するに、相対関係Ｒ１では、相対関係Ｒ２と比較して、上述した補正処理を行っていない場合に、計測精度が低下していることがわかる。これは、各ラインのピーク座標の検出を、パターン画像におけるラインに垂直な断面方向に行っているからである。従って、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとが平行である場合に、輝度むらの影響を受けることになる。また、パターン光がワーク５で正反射される角度の近傍では、計測誤差が大きくなっていることがわかる。これは、ワーク５における反射率の角度依存性が正反射に近いほど急峻に変化しているからである。
【００３７】
図６（ａ）を参照するに、上述した補正処理を行った場合、相対関係Ｒ１では、パターン光がワーク５で正反射される角度の近傍を除いて、計測誤差が小さくなることがわかる。これは、パターン光がワーク５で正反射される角度の近傍では、投影光学系１０の光軸ＯＡ１と複数の光源７のそれぞれの照明方向とが一致していないため、上述した補正処理を良好に行うことができないからである。また、図６（ｂ）を参照するに、相対関係Ｒ２では、上述した補正処理を行った場合でも、計測誤差が改善されていないことがわかる。これは、ワーク５の形状むらに起因する輝度むら以外の影響による計測誤差が残存しているからと考えられる。
【００３８】
このように、形状むらを有するワーク５に対しては、輝度むらの周期方向ｔとラインの長手方向ＤＬとの関係によって、上述した補正処理の効果が大きく異なる。従って、上述した補正処理の効果が高い場合にのみ補正処理を行う（即ち、補正処理を選択的に行う）ことで、かかる補正処理による再現性の低下を抑えながら、良好な計測精度を得ることが可能となる。
【００３９】
そこで、本実施形態では、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度に基づいて、ワークの位置及び姿勢の少なくとも一方に関する情報を求める処理として、第１処理を行うか、第２処理を行うかを決定する。ここで、第１処理とは、濃淡画像を用いてパターン画像の輝度むらを補正し（補正処理）、補正された画像に基づいてワーク５の位置姿勢に関する情報を求める処理である。第２処理とは、濃淡画像を用いてパターン画像の輝度むらを補正せずにワーク５の位置姿勢に関する情報を求める処理である。また、第１処理を行うと決定した場合であっても、ワーク５に対するパターン光の入射角度が、かかるパターン光がワーク５で正反射される角度から予め設定された角度範囲であれば、第１処理を行わずに第２処理を行うようにする。
【００４０】
図７を参照して、計測装置１００における計測処理、即ち、ワーク５の位置姿勢を計測する処理を具体的に説明する。ワーク５のＣＡＤモデルは、上述したように、予め作成されて処理部４のメモリに記憶されている。また、処理部４のメモリには、ワーク５の各面の輝度むらに関する輝度情報も記憶されている。輝度情報は、例えば、ワーク５（の各面の形状むら）に起因する輝度むらの周期方向を示す情報を含む。ここでは、ワーク５の各面に対する輝度情報が記憶されているものとする。但し、ワーク５の１つの面において、輝度むらの周期方向が変化する場合には、かかる１つの面を、輝度むらの周期方向の変化に応じて複数の部分領域に分割し、複数の部分領域のそれぞれに対する輝度情報を記憶させる。
【００４１】
Ｓ７０１では、パターン画像を取得する。Ｓ７０２では、濃淡画像を取得する。上述したように、計測装置１００では、パターン画像と濃淡画像とを同時に取得する（即ち、Ｓ７０１とＳ７０２とは、並行して行われる）。
【００４２】
Ｓ７０３では、計測装置１００に対するワーク５の概略位置姿勢を求める。具体的には、Ｓ７０１で取得されたパターン画像から演算された距離画像と、Ｓ７０２で取得された濃淡画像から検出されたエッジとを、ＣＡＤモデルとマッチングすることで、ワーク５の概略位置姿勢を求める。なお、Ｓ７０３で求めるワーク５の概略位置姿勢は、Ｓ７０４において、パターン画像における輝度むらの周期方向と、パターン光のラインの長手方向とのなす角度を求めることが可能な精度を有していればよい。従って、距離画像は、濃淡画像による補正、即ち、上述した補正処理を行っていないパターン画像から演算されたものでよい。
【００４３】
本実施形態において、以下に説明するＳ７０４乃至Ｓ７０７は、ワーク５の各面について行われる。Ｓ７０４では、パターン画像における輝度むらの周期方向と、パターン光のラインの長手方向とのなす角度を求める。具体的には、Ｓ７０３で求めたワーク５の概略位置姿勢と、処理部４のメモリに記憶されているワーク５の各面の輝度情報、即ち、ワーク５の各面の輝度むらの周期方向とに基づいて、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度を求める。このように、処理部４は、パターン画像及び濃淡画像から得られるワーク５の位置姿勢と、輝度情報とに基づいて、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度を求める。換言すれば、処理部４は、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度を取得する取得部としても機能する。
【００４４】
Ｓ７０５では、Ｓ７０４で求めた輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度に基づいて、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直であるかどうかを判定する。具体的には、Ｓ７０４で求めた輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度を予め設定された角度と比較し、予め設定された角度以上、且つ、９０度以下であれば、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直であると判定する。従って、予め設定された角度は、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度を垂直とみなすことが可能な範囲の角度であって、例えば、４５度である。なお、予め設定された角度は、ワーク５の形状むらの度合いや上述した補正処理による再現性の低下の影響などを考慮して調整することが可能である。一方、Ｓ７０４で求めた輝度むらの周期方向とラインの長手方向とのなす角度が０度以上、且つ、予め設定された角度未満であれば、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直ではない（即ち、平行に近い、或いは、平行である）と判定する。輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直である場合には、Ｓ７０６に移行し、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直でない場合には、Ｓ７０８に移行する。
【００４５】
Ｓ７０６では、ワーク５（の各面）に対するパターン光の入射角度が、かかるパターン光がワーク５で正反射される角度から予め設定された角度範囲であるかどうかを判定する。パターン光がワーク５で正反射される角度から予め設定された角度範囲である場合には、Ｓ７０８に移行し、パターン光がワーク５で正反射される角度から予め設定された角度範囲でない場合には、Ｓ７０７に移行する。上述したように、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直である場合であっても、パターン光がワーク５で正反射される角度の近傍では、上述した補正処理を行うことで計測誤差が大きくなってしまう。従って、パターン光がワーク５で正反射される角度の近傍では、上述した補正処理を行わないようにする必要がある。
【００４６】
Ｓ７０５の判定の基準（閾値）となる角度やＳ７０６の判定の基準となる角度範囲は、計測装置１００に備えられた入力部（マウス、キーボードなど）を介して設定可能なように構成されている。
【００４７】
Ｓ７０７では、輝度むらの周期方向とラインの長手方向とが垂直であり、且つ、パターン光がワーク５で正反射される角度の近傍でないワーク５の各面に関して、濃淡画像を用いてパターン画像を補正する上述した補正処理を行う。これにより、輝度むらが補正されたパターン画像が得られる。本実施形態では、Ｓ７０４からＳ７０７までの工程をワーク５の全ての面について行うことで、上述した補正処理の効果が高い面（領域）のみについて輝度むらが補正されたパターン画像が得られる。
【００４８】
Ｓ７０８では、Ｓ７０７で得られた補正された画像（パターン画像）から距離画像を求める。Ｓ７０９では、ワーク５の位置姿勢に関する情報を求める（算出する）。具体的には、Ｓ７０８で求めた距離画像に基づいて、或いは、Ｓ７０８で求めた距離画像とＳ７０２で求めた濃淡画像とに基づいて、上述したモデルフィッティングを行うことで、ワーク５の位置姿勢に関する情報を求める。
【００４９】
このように、本実施形態によれば、ワーク５が形状むらを有していても、輝度むらの周期方向とラインの長手方向との関係に基づいて、上述した補正処理の効果が高い場合のみを選択して補正処理を行うことができる。従って、計測装置１００は、ワーク５の位置や姿勢の計測において計測精度や再現性の点で有利である。
【００５０】
また、本実施形態では、ワーク５の各面について、上述した補正処理を行うかどうかを決定しているが、これに限定されるものではない。ワーク５の面にかかわらず、ワーク５の複数の部分、即ち、パターン画像の複数の部分領域のそれぞれについて、上述した補正処理を行うかどうかを決定してもよい。なお、本実施形態は、複数の部分領域のそれぞれがワーク５の１つの面を含む場合に相当する。
【００５１】
ここで、処理部４のメモリに予め記憶される輝度情報は、輝度むらの変化が起きる方向であり、等方的な輝度むらの変化を生じるワーク５の面に関しては、輝度情報を記憶させなくてもよいし、必ずしもワーク５の全ての面に関して輝度情報を記憶させる必要はない。輝度情報が記憶されていないワーク５の面については、上述した補正処理を行うかどうかを予め設定してもよい。
【００５２】
また、処理部４のメモリに記憶された輝度情報を取得するのではなく、図８に示すように、濃淡画像に対応する画像データを周波数解析することで輝度情報を取得することも可能である。図８は、計測装置１００における計測処理を説明するためのフローチャートである。図８に示す計測処理では、図７に示す計測処理と比較して、ワーク５の概略位置姿勢を求めること（Ｓ７０３）が不要となる。Ｓ８０１、Ｓ８０２、Ｓ８０５、Ｓ８０６、Ｓ８０７、Ｓ８０８及びＳ８０９については、Ｓ７０１、Ｓ７０２、Ｓ７０５、Ｓ７０６、Ｓ７０７、Ｓ７０８及びＳ７０９と同様であるので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００５３】
Ｓ８０４では、Ｓ８０２で取得した濃淡画像に対応する画像データを周波数解析して、パターン画像における輝度むらの周期方向と、パターン光のラインの長手方向とのなす角度を求める。具体的には、Ｓ８０２で取得した濃淡画像に対応する画像データを周波数解析することで、輝度むらの周期性が高い方向、即ち、周期方向を抽出する。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、Ｓ８０２で取得した濃淡画像に対応する画像データを周波数解析した結果を示す図である。図９（ａ）は、Ｓ８０２で取得した濃淡画像に対応する画像データに対して、２次元ＦＦＴ処理を施すことで得られる各周波数の強度分布を示している。図９（ａ）では、縦軸ｆｘはｘ方向の周波数を示し、横軸ｆｙはｙ方向の周波数を示している。図９（ｂ）は、方位方向を横軸とし、方位方向ごとに積和した値を縦軸とし、図９（ａ）に示す強度分布をプロットしたグラフを示している。ここでは、方位方向は、各方位に対して±５度の範囲の値を積和しているが、これに限定されるものではない。図９（ｂ）を参照するに、９０度の方位方向にピークが現れているため、ワーク５に起因する輝度むらは、９０度の方向に強い周期性を有していることがわかる。このように、濃淡画像に対応する画像データを周波数解析することで、輝度むらの周期方向を求めることができる。そして、かかる輝度むらの周期方向と、濃淡画像から検出されるエッジ（ワーク５の位置）とに基づいて、パターン画像における輝度むらの周期方向と、パターン光のラインの長手方向とのなす角度を求める。
【００５４】
計測装置１００は、例えば、支持部材に支持された状態で使用される。本実施形態では、一例として、図１０に示すように、ロボットアーム（把持装置）３００に計測装置１００を取り付けたシステムＳＴについて説明する。計測装置１００は、支持台３５０に配置された被計測物２１０（ワーク５）をパターン光及び均一光で照明し、かかる被計測物２１０を撮像して距離画像及び濃淡画像を取得する。そして、計測装置１００は、距離画像及び濃淡画像に基づいて、被計測物２１０の位置姿勢に関する情報を求め、かかる情報を制御部３１０に入力する。制御部３１０は、被計測物２１０の位置姿勢に関する情報に基づいて、ロボットアーム３００に駆動指令を与えてロボットアーム３００を制御する。ロボットアーム３００は、先端に取り付けられたロボットハンド（把持部）によって被計測物２１０を保持して移動（例えば、並進又は回転）させる。更に、ロボットアーム３００（ロボットハンド）によって被計測物２１０を他の部品に組み付ける（組立）ことで、複数の部品で構成された物品、例えば、電子回路基板や機械などを製造することができる。また、ロボットアーム３００によって移動させた被計測物２１０を加工することで、物品を製造することができる。制御部３１０は、ＣＰＵなどの演算装置やメモリなどの記憶装置を含む。なお、本実施形態では、計測装置１００において、被計測物２１０の位置姿勢に関する情報を求めている。但し、制御部３１０が計測装置１００から距離画像及び濃淡画像を取得して、被計測物２１０の位置姿勢に関する情報を求めてもよい。また、システムＳＴは、計測装置１００によって計測された被計測物２１０の計測データや得られた画像をディスプレイなどの表示部３２０に表示してもよい。
【００５５】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１００：計測装置    １：投影部    ２：照明部    ３：撮像部    ４：処理部    ５：ワーク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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