(57)【要約】【課題】２次元の光切断法において隙間の間隔および段差を、エッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な２次元光切断法による隙間および段差の測定装置を実現する。【解決手段】ユーザが間隔寸法、段差寸法を求めたい対向面中のレーザ輝線をモニタ１７の画面２０に指定する。間隔寸法、段差寸法共に、ＣＰＵ１４は、指定された範囲内でレーザ輝線の位置をサブピクセル精度で抽出し、間隔寸法を測定する場合は、対向する面上のそれぞれのレーザ輝線の直線方程式を計算し、両直線の互いの間隔を算出する。また、ＣＰＵ１４は段差寸法を測定する場合は、段差を形成する２つの面上のそれぞれのレーザ輝線の直線方程式を計算し、両直線の互いの間隔を算出する。そして、算出された間隔寸法、段差寸法を、モニタ１７に表示させる。【選択図】図１
2011133405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元光切断法による寸法測定方法において、
計測対象物に線状光ビームを照射し、
上記線状光ビームが照射された計測対象物を撮像し、
上記計測対象物の撮像された画像上の互いに離間する２つの面に照射された上記線状光ビームを抽出し、抽出した２つの面上の線状光ビームのそれぞれを示す直線式を算出し、
算出した２つの直線式で表される２つの直線間の距離を算出し、
上記計測対象物の形状寸法を測定することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記画像上の互いに離間する２つの面は、互いに対向する２つの面であり、これら２つの面の間隔寸法を測定することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項３】
請求項１に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記画像上の互いに離間する２つの面は、上記線状光ビームの発生源からの距離が互いに異なり、上記２つの面により段差を形成し、段差寸法を測定することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項４】
請求項１に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記線状光ビームは、この線状光ビームの波長のみを透過させる干渉フィルタを通して上記計測対象物に照射することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記線状光ビームは、上記干渉フィルタ及び特定の偏光成分のみを透過させる偏光フィルタを通して上記計測対象物に照射することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項６】
請求項１に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記線状光ビームが照射された上記計測対象物は、広角レンズを用いて撮像することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項７】
請求項２に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記互いに対向する２つの面の一方の面を第１の撮像系で撮像し、他方の面を第２の撮像系で撮像することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項８】
請求項３に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記線状光ビームの発生源からの距離が互いに異なる２つの面の一方の面を第１の撮像系で撮像し、他方の面を第２の撮像系で撮像することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項９】
請求項１に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記計測対象物上に照射された上記線状光ビームのなかから、必要な領域のみを選択し、選択された領域で算出された座標点群データのみを用いて上記計測対象物の形状寸法を算出することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の２次元光切断法による寸法測定方法において、上記線状光ビームの発生源は、複数であり、複数の線状光ビームのそれぞれが、上記計測対象物の異なる面を照射することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項１１】
２次元光切断法による寸法測定方法において、
隙間および段差を有する円筒状の計測対象物が有する互いに対向する面の両面を照射するように線状光ビームを照射し、
上記互いに対向する面の両面に照射された線状光ビームの両方が写るように画像を撮像し、
上記画像から光切断法に基づき上記互いに対向する面上に照射された線状光ビームの座標を算出し、
上記算出した座標データに基づいて、上記互いに対向する面上に照射された線状光ビームをそれぞれ示す直線式を算出し、
算出した直線式で表される直線に対応した方向の方向ベクトルが１になるようにローリング角度を調整し、
上記直線式に基づいて段差寸法を算出し、算出した段差寸法が最小になるように、ピッチング角度を調整し、
上記算出された直線式が示す複数の直線間の距離を求めることにより、段差寸法及び間隔寸法を測定することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定方法。
【請求項１２】
２次元光切断法による寸法測定装置において、
計測対象物を照射する線状光ビームの発生手段と、
上記線状光ビームが照射された計測対象物を撮像する撮像手段と、
撮像された上記計測対象物を表示する表示手段と、
上記計測対象物の撮像された画像上の互いに離間する２つの面に照射された上記線状光ビームを抽出し、抽出した２つの面上の線状光ビームのそれぞれを示す直線式を算出し、算出した２つの直線式で表される２つの直線間の距離を算出し、上記計測対象物の形状寸法を測定して上記表示手段に表示させる演算処理手段と、
を備えることを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記画像上の互いに離間する２つの面は、互いに対向する２つの面であり、これら２つの面の間隔寸法を測定することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記画像上の互いに離間する２つの面は、上記線状光ビームの発生源からの距離が互いに異なり、上記２つの面により段差を形成し、段差寸法を測定することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記撮像手段は、線状光ビームの波長のみを透過させる干渉フィルタを有し、上記線状光ビームは、上記干渉フィルタを通して上記計測対象物に照射されることを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記撮像手段は特定の偏光成分のみを透過させる偏光フィルタを有し、上記線状光ビームは、上記干渉フィルタ及び上記偏光フィルタを通して上記計測対象物に照射されることを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１７】
請求項１２に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記撮像手段は、広角レンズを有し、上記線状光ビームが照射された上記計測対象物は、広角レンズを用いて撮像することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１８】
請求項１３に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記撮像手段は第１の撮像系及び第２の撮像系を有し、上記互いに対向する２つの面の一方の面を第１の撮像系で撮像し、他方の面を第２の撮像系で撮像することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項１９】
請求項１４に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記撮像手段は第１の撮像系及び第２の撮像系を有し、上記線状光ビームの発生源からの距離が互いに異なる２つの面の一方の面を第１の撮像系で撮像し、他方の面を第２の撮像系で撮像することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項２０】
請求項１２に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記演算処理部は、上記計測対象物上に照射された上記線状光ビームのなかから選択された領域で算出された座標点群データのみを用いて上記計測対象物の形状寸法を算出することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項２１】
請求項１２に記載の２次元光切断法による寸法測定装置において、上記線状光ビームの発生源は、複数であり、複数の線状光ビームのそれぞれが、上記計測対象物の異なる面を照射することを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【請求項２２】
２次元光切断法による寸法測定装置において、
隙間および段差を有する円筒状の計測対象物が有する互いに対向する面の両面を照射するように線状光ビームを発生する線状光ビームの発生手段と、
上記互いに対向する面の両面に照射された線状光ビームの両方が写るように画像を撮像する撮像手段と、
撮像された上記計測対象物を表示する表示手段と、
上記画像から光切断法に基づき上記互いに対向する面上に照射された線状光ビームの座標を算出し、上記算出した座標データに基づいて、上記互いに対向する面上に照射された線状光ビームをそれぞれ示す直線式を算出し、算出した直線式で表される直線に対応した方向の方向ベクトルが１になるようにローリング角度を調整し、上記直線式に基づいて段差寸法を算出し、算出した段差寸法が最小になるように、ピッチング角度を調整し、上記算出された直線式が示す複数の直線間の距離を求めることにより、段差寸法及び間隔寸法を測定して上記表示手段に表示させる演算処理手段と、
を備えることを特徴とする２次元光切断法による寸法測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元光切断法によって、隙間や段差寸法を測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元光切断法を用いた、隙間や段差の測定方法について説明する。光切断法とは、光源（レーザ）からの光を計測対象に照明し、計測対象から発生した反射・散乱光を、結像レンズを用いてセンサ上に結像し、センサ上の上記反射・散乱光の結像位置から三角測量の原理に基づいて計測対象までの距離の計測を行うものである。計測対象の位置が変わったり、形状が変わったりした場合、センサ上結像位置がずれるため、計測対象の位置や形状を求めることができる。
【０００３】
しかしながら、線状ビームの長手方向を対向面の法線方向に一致させなかった場合、対向面の実際の間隔より、計測された距離が大きな値となってしまう。このため、高精度に面間隔を計測しようとした場合には、線状ビームを対向面の法線方向と平行にする必要がある。
【０００４】
また、通常、面間隔を計測する場合には、対向面のそれぞれのエッジを抽出し、抽出したエッジ間の距離を求める方法が用いられる。エッジの抽出は、撮像された画像上でエッジに対応したレーザ輝点の位置を抽出する方法が用いられる。このときの抽出精度は、計測対象上での画素サイズｗ（＝サンプリング間隔）で決まる。そのため、通常は、サブピクセル処理を行い、画素サイズ以下の精度で抽出される。
【０００５】
ところが、機械加工品のエッジは、面取りされていたり、面取りが行われる前の加工直後であっても、バリが存在したりするため、そもそも、エッジ位置が不安定だったり、エッジの抽出が安定に行えなかったりする。その結果、面間隔の計測精度は低下してしまう。
【０００６】
そこで、特許文献１、特許文献２、および、特許文献３において、隙間や段差を有する測定対象を測定する際に、線状ビームが、被測定面に対し垂直に照射されていない場合は、本来の段差よりも大きな寸法が出力され、逆に、垂直に照射された場合には、測定される寸法が最小になることに着目し、測定される寸法が最小になるように、光切断センサヘッドの姿勢を回転調整する機構を備えた寸法測定器について記載されている。
【０００７】
また、特許文献４において、凹部が形成されており、該凹部を挟むようにして高さの異なる凸部が形成された被測定物の寸法を測定する際に、該被測定物に形成された凸部の最高位面と側面とが連続する角部がＲ形状である場合に、被測定物のデータの数個のみを抽出し、それぞれのデータ間を直線で接続して直線成分に置き換え、その後、Ｒ形状に対応した円を抽出し、抽出された円の中心間距離から、円の半径を減算することで、凸部の幅寸法、または、凸部の段差寸法を求める方法について記載されている。
【０００８】
また、特許文献５の記載においては、自動車車体等のワークの隣接する２つのエッジ部間の隙間と段差を計測する際に、まず、Ｒの付いた段差エッジ部分の光切断画像を用いエッジの端点を求め、次に、段差の平坦部の光切断画像を用い直線状に延在する部分を表わす直線の方程式を求める。次に、エッジ端点から直線に垂線を下ろし、垂線と直線との交点を求める。そして、他方の段差エッジでも同様の処理を行い、得られたこの２つの交点の距離を求めることで、隙間の間隔と段差の求める方法について記載されている。
【０００９】
また、特許文献６において、対象物に光を照射するとともに該対象物からの反射光を受光して幅及び段差の検出を行なう光切断法において、まず、受光光量の変化が大きい点から段差部側壁の両端の位置ｘ１、および、ｘ２を求め、この距離を隙間間隔とする。次いで、比較的平坦な段差上面部分において、光量変化にバラツキの少ないデータを用いて直線ｙ＝ａ１ｘ＋ｂ１を求め、同様に、もう一方の段差上面部分において、光量変化にバラツキの少ないデータを用いて直線ｙ＝ａ２ｘ＋ｂ２を求め、直線ｙ＝ａ１ｘ＋ｂ１にｘ１を代入し対応するｙの値ｙ１を求め、直線ｙ＝ａ２ｘ＋ｂ２にｘ２を代入し対応するｙの値ｙ２を求め、ｙ１とｙ２の距離を段差とする方法について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−１２２０２１号公報
【特許文献２】特開平８−１３６２２４号公報
【特許文献３】特開平８−１３６２２５号公報
【特許文献４】特開平１０−３８５２５号公報
【特許文献５】日本国特許第２７３７０４５号公報
【特許文献６】特公平７−２１４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１から特許文献３で記載の技術では、隙間や段差を求める具体的な方法については記載されていない。
【００１２】
また、特許文献４に記載の技術では、隙間や段差を求める具体的な方法について述べられているものの、角部がＲ形状を有する場合にのみ有効な方法であり、角部がＲ形状でなく、不特定形状の場合の対応については、記載されていない。
【００１３】
また、特許文献５、特許文献６に記載された技術では、まず、エッジ画像を用いてエッジ位置を抽出しているが、バリの発生等によりエッジ位置が不安定だったり、エッジの抽出が安定に行えなかったりした場合の対応については記載されていない。
【００１４】
本発明の目的は、２次元の光切断法において計測対象の寸法を、エッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な２次元光切断法による寸法測定方法および装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、次のように構成される。
【００１６】
本発明の２次元光切断法による寸法測定方法及び装置は、計測対象物に線状光ビームを照射し、上記線状光ビームが照射された計測対象物を撮像し、上記計測対象物の撮像された画像上の互いに離間する２つの面に照射された上記線状光ビームを抽出し、抽出した２つの面上の線状光ビームのそれぞれを示す直線式を算出し、算出した２つの直線式で表される２つの直線間の距離を算出し、上記計測対象物の形状寸法を測定する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、２次元の光切断法において計測対象の寸法を、エッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な２次元光切断法による寸法測定方法および装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例が適用される２次元光切断法による隙間の間隔および段差寸法の測定装置の概略構成図である。
【図２】本発明の実施例１における、コの字型の計測対象への線状ビームの照明の様子と、対向面におけるレーザ輝線位置を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１における計測対象の対向面で得られた座標点群データと、座標点群データに直線をフィッティングする様子を説明する図である。
【図４】本発明の実施例１における計測対象の対向面で得られた座標点群データにフィッティングした直線の間隔から面間隔を求める様子を説明する図である。
【図５】本発明の実施例１における計測対象への線状ビームの照明の様子と、段差の手前および奥面におけるレーザ輝線位置を説明する図である。
【図６】本発明の実施例１における計測対象の段差面で得られた座標点群データと、座標点群データに直線をフィッティングする様子を説明する図である。
【図７】本発明の実施例１における計測対象の段差面で得られた座標点群データにフィッティングした直線の間隔から段差を求める様子を説明する図である。
【図８】本発明の実施例１における動作フローチャートである。
【図９】本発明の実施例１におけるＣＰＵ１４の内部機能ブロックの一例を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１におけるＣＰＵ１４の内部機能ブロックの他の例を示す図である。
【図１１】レーザ光の照明によるスペックルの発生を説明する図である。
【図１２】レーザ光照明により発生したスペックルが発生したレーザ輝線と、スペックルを抑制した場合のレーザ輝線を示す図である。
【図１３】本発明の実施例１における、対向面でのレーザ輝線の結像に際し通常の画角を有する結像レンズを用いた場合の結像の様子を示す図である。
【図１４】本発明の実施例１における、対向面でのレーザ輝線の結像に際し広い画角を有する結像レンズを用いた場合の結像の様子を示す図である。
【図１５】本発明の実施例２おける２ビーム式の光切断変位計を示す図である。
【図１６】本発明の実施例２における、コの字型の計測対象への２本の線状ビームの照明の様子と、対向面、並びに、段差の手前および奥面におけるレーザ輝線位置を説明する図である。
【図１７】本発明の実施例３おける、同じ方位で異なる合焦位置を持つ２撮像系を持つ光切断変位計を示す図である。
【図１８】本発明の実施例４における、異なる方位を撮像する２つの撮像系を持つ光切断変位計を示す図である。
【図１９】本発明の実施例５における、段差、および、対向面を有する円筒形状への線状ビームの照明の様子と、レーザ輝線位置を説明する図である。
【図２０】本発明の実施例５における、レーザビームの長手方向を、円筒軸と平行になるように、光切断センサのローリング調整を行う様子を説明する図である。
【図２１】本発明の実施例５における、レーザビームを、円筒（円）の中心座標を通るような角度となるように、光切断センサのピッチング調整を行う様子を説明する図である。
【図２２】光切断法の原理を示す模式図である。
【図２３】本発明とは異なる原理の２次元光切断法の構成を説明するための比較例を示す図である。
【図２４】本発明とは異なる原理の２次元光切断法を説明するための比較例を示す図である。
【図２５】本発明とは異なる原理の２次元光切断法を説明するための比較例を示す図である。
【図２６】本発明とは異なる原理の２次元光切断法を説明するための比較例を示す図である。
【図２７】機械加工品の面取りを説明する図である。
【図２８】機械加工品のバリを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例１を、図１から図１４を用いて説明する。なお、実施例１〜４では、段差および対向面が平面である、コの字形状を計測対象（測定対象）の例にとって説明する。
【００２１】
図１は、本発明の実施例１が適用された２次元光切断法による隙間の間隔および段差等の形状寸法測定装置の概略構成図である。
【００２２】
図１において、レーザ発生源１から発振されたレーザビームは、ビーム成形部５により線状（スリット状）ビーム６に変換され、計測対象２に投影される。線状ビーム６は、計測空間中を伝搬し、計測対象２の表面に投影される。レーザ発生源１は、レーザコントローラ１２を介してコンピュータ２６により動作制御される。
【００２３】
ここで、図２および図５に示すように、間隔寸法を測定したい面を面３０１Ｌと３０１Ｒとし、段差寸法を測定したい面を３０２Ｆと３０２Ｂとする。上記線状ビーム６は、上記間隔寸法を測定したい面３０１Ｌ、３０１Ｒ、および、段差寸法を測定したい面３０２Ｆ、３０２Ｂの全てに投影されるようにする。
【００２４】
計測対象２で発生した反射・散乱光は、偏光フィルタ１０、波長フィルタ９、結像レンズ３を用いて、エリアセンサ４上に結像される。このとき、上記間隔寸法を測定したい面、および、段差寸法を測定したい面の全てが、エリアセンサ４に写るように撮像する。エリアセンサ４は電源１３に接続されている。
【００２５】
エリアセンサ４により撮像された画像は、コンピュータ２６の画像入力ボード１６を介してコンピュータ２６内のストレージデバイス１５に取り込まれる。コンピュータ２６のＣＰＵ（演算処理手段）１４は、ストレージデバイス１５に取り込まれた画像から、計測対象２に投影されたレーザ輝線の結像位置をサブピクセル精度で検出し、三角測量の原理を用い、計測対象２上のレーザ位置の座標を算出する。
【００２６】
レーザ輝線の位置は、レーザ輝線の重心を求めても良いし、ピークを推定しても良い。
【００２７】
次に、図２から図４を用いて、対向面の間隔寸法を求める方法について説明する。
【００２８】
図３に示すように、対向面３０１Ｌ、および、３０１Ｒに投影された線状ビームに対応する座標点群データを、それぞれ、３０Ｌ、３０Ｒとする。次に、点群データ３０Ｌと３０Ｒとに対し直線を当てはめる。そして、得られた直線を、それぞれ２５Ｌ、２５Ｒ（図２に示すレーザ輝線２４Ｌ、２４Ｒに対応する）とし、次式（１）、（２）で表わされたものとする。
【００２９】
【数１】
2011133405.tif 000003
【００３０】
【数２】
2011133405.tif 000004
【００３１】
次に、上記式（１）で得られた直線２５Ｌの値をｔとおき、次式（３）で書き代える。
【００３２】
【数３】
2011133405.tif 000005
【００３３】
同様に、上記式（２）得られた直線２５Ｒの値をｕとおき、次式（４）で書き代える。
【００３４】
【数４】
2011133405.tif 000006
【００３５】
上記２直線２５Ｌと２５Ｒと間の距離は、次式（５）のようにして求まる。
【００３６】
【数５】
2011133405.tif 000007
【００３７】
上記式（５）を変形して、次式（６）、（７）を得る。
【００３８】
【数６】
2011133405.tif 000008
【００３９】
【数７】
2011133405.tif 000009
【００４０】
従って、ｔおよびｕは、次式（８）で求まる。
【００４１】
【数８】
2011133405.tif 000010
【００４２】
ここで、直線２５Ｌと直線２５Ｒとが互いに平行な場合、上記式（８）中の逆行列が求まらない。その場合は、次のようにして直線の式を求める。
【００４３】
今、任意の２つの直線（直線１、直線２）の方程式を、それぞれ、次式（９）、（１０）とする。
【００４４】
【数９】
2011133405.tif 000011
【００４５】
【数１０】
2011133405.tif 000012
【００４６】
上記式（９）、（１０）から、直線１を通る点（ｘ０１，ｙ０１，ｚ０１）と、直線２との距離Ｌ１２は次式（１１）で与えられる。
【００４７】
【数１１】
2011133405.tif 000013
【００４８】
ただし、上記式（１１）において、Ｘ＝（ｘ０１−ｘ０２）、Ｙ＝（ｙ０１−ｙ０２）、Ｚ＝（ｚ０１−ｚ０２）である。
【００４９】
図４に示すように、上記式（１１）を用いて、上記直線２５Ｌと直線２５Ｒとの間の距離２７を求めることができる。ここで、一方の直線の元となる点群データの各々について、他方の直線との距離を求め平均処理を行い、直線間の距離２７とすることも可能である。
【００５０】
次に、図５から図７を用いて、段差寸法を求める方法について説明する。
【００５１】
段差面３０２Ｆ、および、３０２Ｂに投影された線状ビームに対応する座標点群データを、それぞれ、３１Ｆ、３１Ｂとする。また、点群データ３１Ｆと３１Ｂに対し直線を当てはめ、得られた直線を、それぞれ２９Ｆ、２９Ｂ（図５の輝線２８Ｆ、２８Ｂに対応する）とし、次式（１２）、（１３）で表わされたものとする。
【００５２】
【数１２】
2011133405.tif 000014
【００５３】
【数１３】
2011133405.tif 000015
【００５４】
これらの式（１２）、（１３）を用い、対向面の間隔寸法を求めた時と同じ様にして、段差寸法を求めることが可能である。
【００５５】
ここで、図７に示すように、面間隔寸法を求める際に、直線２９Ｆと直線２９Ｂとが互いに平行な場合にも、対向面の間隔を求めた時と同じ様に、上記式（１１）を用いて段差３３の寸法を求めることが可能である。
【００５６】
ここで、一方の直線の元となる点群データの各々について、他方の直線との距離を求め平均処理を行い、直線間の距離３３とすることも可能である。
【００５７】
ここで、直線を当てはめる点群２５Ｌ、２５Ｒ、３１Ｆ、および、３１Ｂの選択の方法について説明する。本実施例１では、ユーザがユーザモニタ１７を見ながら指定する方法について述べる。
【００５８】
図１に示すように、モニタ１７に撮像画面２０が表示される。ユーザは、上記間隔寸法を測定したい面３０１Ｌと面３０１Ｒ、および、段差寸法を測定したい面３０２Ｆと３０２Ｂ上のレーザ輝線２４Ｌ、２４Ｒ、２８Ｆ、２８Ｂを四角形で囲うようにマウス１８又はキーボード１９で選択する。
【００５９】
レーザ輝線の選択が完了したら、図８に示すフローにしたがって距離の算出を行う。
【００６０】
つまり、図８のステップＳ１ｇで、ユーザが、間隔寸法を求めたい対向面中のレーザ輝線２４Ｌ、２４Ｒを指定する。一方、段差寸法を求める場合は、ステップＳ１ｓで、ユーザが、段差寸法を求めたい段差面中のレーザ輝線２８Ｆ、２８Ｂを指定する。
【００６１】
次に、間隔寸法、段差寸法共に、ステップＳ２において、ＣＰＵ１４は、指定された範囲内でレーザ輝線の位置をサブピクセル精度で抽出する。そして、ＣＰＵ１４は、間隔寸法を測定する場合は、直線２５Ｌ、２５Ｒの方程式を計算し（ステップＳ４ｇ）、直線２５Ｌと２５Ｒとの間隔を算出する（ステップＳ５ｇ）。
【００６２】
また、ＣＰＵ１４は、段差寸法を測定する場合は、直線２９Ｆ、２９Ｂの方程式を計算し（ステップＳ４ｓ）、直線２９Ｆと２９Ｂとの間隔を算出する（ステップＳ５ｓ）。そして、算出された間隔寸法、段差寸法は、モニタ１７に表示される。
【００６３】
図９は、上記寸法演算をするためのＣＰＵ１４の内部機能ブロック図である。
【００６４】
図９において、センサ４からの画像が画像取り込み部１４ａに取り込まれ、モニタ１７に出力するとともに、レーザ輝線位置抽出部１４ｂに供給される。レーザ輝線位置抽出部１４ｂは、ユーザからのエリア選択指令に基づいて、間隔寸法または段差寸法を計算したいレーザ輝線の位置を抽出する。
【００６５】
レーザ輝線位置抽出部１４ｂｂにより抽出されたレーザ輝線の位置情報が３次元画像変換部１４ｄに供給され、この３次元画像変換部１４ｄにて、３次元グローバル座標が抽出される。
【００６６】
そして、抽出された３次元グローバル座標が直線間距離算出部１４ｃに供給され、間隔寸法または段差寸法が算出され、算出された結果がモニタ１７に表示される。
【００６７】
図９に示した例は、ユーザが、モニタ１７を観察しながら、間隔寸法、段差寸法を算出したい領域を指定する例であるが、ユーザが指定すること無く、画像中の間隔、段差を自動的に検出し、画像中の間隔寸法、段差寸法を算出してモニタ１７に表示することも可能である。
【００６８】
図１０に示した例は、ユーザが指定すること無く、画像中の間隔、段差を自動的に検出する場合のＣＰＵ１４の内部機能ブロック図である。
【００６９】
図１０において、センサ４からの画像が画像取り込み部１４ａに取り込まれ、モニタ１７に出力するとともに、線検出部１４ｅに供給される。線検出部１４ｅは、Ｈｏｕｇｈ変換等により、計測対象２の画像中のレーザ輝線を検出する。そして、検出されたレーザ輝線は、画素値算出部１４ｆに供給され、画素値算出部１４ｆは検出された直線に対応する画素値を算出する。
【００７０】
次に、３次元画像変換部１４ｄは、画素値算出部１４ｆにより算出された直線に対応する画素値を３次元グローバル座標に変換する。変換された３次元グローバル座標は直線間距離算出部１４ｃに供給され、３次元画像に検出された直線が当てはめられ、検出された直線の全組み合わせについて、直線間距離が算出される。そして、その結果がモニタ１７に、算出された距離と、その距離が画像中のどの部分に対応するかが表示される。
【００７１】
ユーザは、モニタ１７に表示された間隔寸法、段差寸法のうち、希望するものを選択可能である。
【００７２】
ところで、図１１に示すように、コヒーレンシーの高いレーザ光６で計測対象２を照明すると、計測対象２上の微小な凹凸で反射・散乱したレーザ光が互いに干渉しあい、スペックルと呼ばれるノイズが発生する。
【００７３】
このため、図１２の（ａ）に示すように、レーザ輝線にひげのようなノイズが発生し、レーザ輝線が広がってしまう。これにより、レーザ輝線位置が正確に求まらず、計測誤差が生じてしまう。
【００７４】
上記スペックルノイズを低減するために、結像レンズ３の手前に偏光フィルタを１０配置し、特定の偏光成分のみを検出するようにすれば、図１２の（ｂ）に示すように、レーザ輝線の広がりを抑えることができる。また、結像レンズ３の絞り（図示せず）を絞ることでも同様の効果を得られる。上記スペックルを低減する対策を実施した場合、図１２の（ｂ）に示すように、レーザ輝線の一部が消えてしまう場合がある。
【００７５】
しかしながら、本発明の実施例１のように、点群データから直線を当てはめる方式では、レーザ輝線の一部が消えてしまっても、直線さえ当てはめられれば良いので、問題とはならない。
【００７６】
また、図１に示すように、結像レンズ３の手前にレーザ波長のみを透過させる波長フィルタ９を装着し外乱光を抑制しておけば、外乱光によるレーザ輝線位置の抽出精度の低下を防止することも可能である。
【００７７】
また、対向する２面を撮像する場合、図１３に示すように、画角４０が狭いレンズ８０を用いると、平面上の異なる点に対するセンサ４上での距離が短くなり、分離が困難になる場合がある。そこで、撮像に用いるレンズとしては、図１４に示すように、画角４１が広いレンズ８１を用いる方が良い。
【００７８】
ここで、「画角が広い」に関しての具体例を説明する。
【００７９】
写真用カメラのレンズでは、３５ｍｍの銀塩フィルムが長年使用されてきたこともあり、便宜上、すべて３５ｍｍフィルムカメラによる焦点距離表示、いわゆる、３５ｍｍ換算表示されるのが一般的である。
【００８０】
３５ｍｍカメラのフィルム上の画面サイズは２４×３６ｍｍで、その対角線の長さは４３．２７ｍｍとなる。これより少し長い焦点距離である５０ｍｍが、人間の眼の遠近感に近く人間の目で見ているのとほぼ同じ範囲が撮影できることから標準レンズと呼ばれる。
【００８１】
さらに、一般的には２８〜３５ｍｍ程度を広角レンズ、２１から２４ｍｍ程度を超広角レンズといわれることが多い。
【００８２】
焦点距離２８ｍｍの場合、水平画角は、６５．５７度、垂直画角は、４６．３９度となる。
【００８３】
よって、本実施例１における「画角が広い」とは、３５ｍｍ換算で、焦点距離２８ｍｍ以下相当を目安としている。
【００８４】
以上のように、本発明の実施例１によれば、計測対象物２の間隔寸法、段差寸法を、画像中のレーザ輝線間距離を算出することにより求めているので、画像のエッジの形状に関係なく、高精度に算出することが可能な２次元光切断法による寸法測定方法および装置を実現することができる。
【実施例２】
【００８５】
次に、本発明の実施例２を、図１５、図１６を参照して説明する。
【００８６】
本発明の実施例２では、照明するレーザビームが複数（本実施例２では２本）であることが、実施例１と異なる点である。
【００８７】
図１５に示すように、レーザ発生源１のビーム成形部５にから発生されたレーザビームは、ビームスプリッタ３５により２方向に分岐され、一方のレーザビームは、直線偏光板１０２を介して計測対象２に照射される。ビームスプリッタ３５により分岐された他方のレーザビームは、全反射ミラー３６により反射され、直線偏光板１０１を介して計測対象２に照射される。
【００８８】
その他の本実施例２の基本的な構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００８９】
この実施例２において、計測対象２の対向面の間隔寸法を求める場合、図１６に示すように、対向面に投影された線状ビームに対応する座標点群データから求めた直線を、６２Ｌ、６３Ｌ、および、６２Ｒ、６３Ｒとし、上記直線６２Ｌと６３Ｌから求めた平面と、上記直線６２Ｒと６３Ｒから求めた平面との距離を対向面間隔とする。
【００９０】
また、図１６に示すように、段差面に投影された線状ビームに対応する座標点群データから求めた直線を、６０Ｆ、６１Ｆ、および、６０Ｂ、６１Ｂとし、上記直線６０Ｆと６１Ｆから求めた平面と、上記直線６０Ｂと６１Ｂから求めた平面との距離を段差面とする。
【００９１】
間隔寸法、段差寸法の算出は、実施例１と同様に、ＣＰＵ１４により実行される。
【００９２】
本発明の実施例２においても、実施例１と同様な効果が得られる他、レーザビームを複数にすることで、より多くの点群データを使うことができるだけでなく、直線の他に面を定義することが可能となり、面の平行度（倒れ具合）なども考慮した計測が可能となる。
【実施例３】
【００９３】
次に、本発明の実施例３を、図１７を参照して説明する。
【００９４】
第３の実施形態では、撮像系が複数（本実施例３では２系統）であることが、実施例１と異なる点である。
【００９５】
図１７に示すように、複数の結像レンズ３とエリアセンサ４とが配置されている。なお、波長フィルタ９、偏光フィルタ１０は、必要に応じて装着可能である。
【００９６】
その他の基本的な構成については図１の例と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００９７】
深い段差を有する計測対象の場合、段差の手前面と奥面とで被写界深度の範囲外になってしまい、像がぼけたり、奥面での解像度が低下したりする。
【００９８】
その結果、計測が不可能となる場合や、計測精度が低下する場合がある。
【００９９】
そこで、図１７に示すように、第１の撮像系３、４で、計測対象２の段差の手前面を撮像し、第２の撮像系３、４で計測対象２の段差の奥面を撮像するようにすれば、段差の手前面および奥面のいずれにおいても鮮明なレーザ輝線画像を得ることができ、計測精度の低下を防止することが可能となる。
【０１００】
なお、間隔寸法、段差寸法の算出は、実施例１と同様に、ＣＰＵ１４により実行される。
【０１０１】
本発明の実施例２においても、実施例１と同様な効果が得られる他、深い段差を有する計測対象であっても、鮮明なレーザ輝線画像を得ることができるという効果を有する。
【実施例４】
【０１０２】
次に、本発明の実施例４を、図１８を参照して説明する。
【０１０３】
本発明の実施例４では、実施例３と同様に撮像系が複数（本実施例４では２系統）であるが、撮像方向が互いに異なる点が実施例３と異なる点である。その他の基本的な構成については図１の例と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１０４】
図１８において、広い間隔の対向面を有する計測対象２の場合、対向面の両側が画角の範囲外になってしまい、対向面を同時に撮像できなくなってしまう。
【０１０５】
そこで、第１の撮像系３、４で一方の面を撮像し、第２の撮像系３、４で他方の面を撮像するようにすれば、広い段差を有する計測対象においても面間隔を計測することが可能となる。
【０１０６】
なお、間隔寸法、段差寸法の算出は、実施例１と同様に、ＣＰＵ１４により実行される。
【０１０７】
本発明の実施例４においても、実施例１と同様な効果が得られる他、広い段差を有する計測対象であっても、広い間隔の対向面のレーザ輝線画像を同時に得ることができるという効果を有する。
【実施例５】
【０１０８】
次に、本発明の実施例５を、図１９から図２１を用いて説明する。
【０１０９】
本発明の実施例５は、段差と対向面を有する円筒状になっている計測対象２を測定可能とする例である。
【０１１０】
図１９において、計測対象２が円筒形状の場合、レーザビーム６の長手方向を、計測対象２の円筒軸と平行にしないと、計測対象２上で発生するレーザ輝線が直線にならない。また、レーザビーム６が、計測対象２でる円筒（円）の中心座標を通るような角度で照明しないと、求めたい段差が正確に求められない。
【０１１１】
そのため、図１９に示すような円筒の間隔寸法や段差寸法を計測するためには、計測対象２と、光切断計測装置全体のアライメントを行う必要がある。
【０１１２】
本発明の実施例５は、このアライメントを効率的に、且つ、一意に行うための方法について説明したものであり、基本的な構成については図１の例と同様であるので、詳細な説明は省略する。
【０１１３】
アライメント方法を説明するにあたり、座標系を定義する必要がある。本実施例５で説明する座標系は、図１９に示すように、撮像レンズ３の中心を原点とし、横方向をｘ方法、下方向をｙ方向、撮像軸方向をｚ方向とする。また、回転についは、ｘ軸周りの回転角度とｚ軸周りの回転角度を、各々α、および、Ｓ（図１９ではギリシア文字のシータ）とする。
【０１１４】
はじめに、レーザビーム６の長手方向が、計測対象２の円筒軸と平行になるように角度Ｓを調整する。図２０に示すように、レーザビーム６の長手方向が、計測対象２の円筒軸と平行になった場合、計測対象２上のレーザ輝線が直線となり、かつ、ｘ方向のベクトルが１となる（レーザ輝線がｘ軸方向と同一方向となる（互いのなす角度が０））。
【０１１５】
したがって、直線の式を求め、ｘ方向のベクトルが１となるように回転角度Ｓを調整すれば、レーザビーム６の長手方向と円筒軸とを平行にすることができる。
【０１１６】
次に、図２１に示すように、レーザビーム６が、計測対象２である円筒（円）の中心座標を通るような角度で、計測対象２を照明する必要がある。
【０１１７】
ここで、レーザビーム６が、円筒（円）の中心座標を通るような角度で照明された際、段差の間隔は最小となる。したがって、段差の間隔が最小となるようにαを調整することで、レーザビーム６を円筒（円）の中心座標を通るような角度で照明することが可能となる。
【０１１８】
以上で説明したアライメントを行えば、２次元の光切断センサを用いて、段差や対向面を有する円筒の、段差距離と面間隔を高精度に測定することが可能となる。
【０１１９】
以上のように、本発明によれば、２次元光切断法による段差および対向面を有するワークの計測において、得られた点群座標データに直線を当てはめ、当てはめられた直線間の距離を求めることにより、段差および対向面間隔を高精度に計測することが可能となる。
【０１２０】
次に、本発明とは異なる例であって、計測対象のエッジを検出し、間隔寸法、段差寸法を測定する例について説明する。これは、本発明と比較するための比較例を説明するためである。
【０１２１】
図２２に示すように、光切断法とは、光源１からの光を計測対象２に照明し、計測対象２から発生した反射・散乱光を、結像レンズ３を用いてセンサ４上に結像し、センサ４上の上記反射・散乱光の結像位置から三角測量の原理に基づいて計測対象までの距離の計測を行う。計測対象の位置が変わったり、形状が変わったりした場合（図２２中のΔｚ）、センサ４上での結像位置がずれるため（図２２中のΔｍ）、計測対象２の位置や形状を求めることができる。
【０１２２】
図２３に示すように、レーザ光源１からのビームの形状を、ビーム成形素子（レンズ）５を用いて線状ビーム（スリットビーム）６とし、センサ４として２次元センサ（エリアセンサ）を用いれば、２次元の情報を一括で得ることができる。
【０１２３】
しかしながら、図２５に示すように、対向面の間隔を正確に求めようとした場合には、線状ビーム６の長手方向を対向面の法線方向（図２５中のｎ）に一致させる必要がある。線状ビーム６の長手方向を対向面の法線方向ｎに一致させなかった場合、対向面の間隔がｄであるにもかかわらず、計測される距離はｄよりも大きな値ｄ’となってしまうからである。
【０１２４】
このため、高精度に面間隔を計測しようとした場合には、線状ビーム６を対向面の法線方向と平行にする必要がある。
【０１２５】
また、通常、面間隔を計測する場合には、図２４に示すように、対向面のエッジ２１Ｌ、および、２１Ｒを抽出し、抽出したエッジ２１Ｌと２１Ｒとの間の距離を求める方法が用いられる。
【０１２６】
エッジの抽出は、図２６に示すように、撮像された画像上でエッジに対応したレーザ輝点の位置を抽出する方法が用いられる。このときの抽出精度は、上記計測対象２上での画素サイズｗ（＝サンプリング間隔）で決まる。そのため、通常は、サブピクセル処理を行い、画素サイズ以下の精度で抽出される。
【０１２７】
ところが、機械加工品のエッジは、図２７に示すように面取りされていたり、面取りが行われる前の加工直後であっても、図２８に示すようにバリ２３が存在したりするため、そもそも、エッジ位置が不安定だったり、エッジの抽出が安定に行えなかったりする。その結果、面間隔寸法の計測精度は低下してしまう。
【０１２８】
これに対して、本発明においては、計測対象の、間隔寸法又は段差寸法を測定する両平面におけるレーザ輝線間の距離を測定しているので、機械加工品のエッジが面取りされていたり、バリが存在することにより、面間隔寸法の計測精度が低下されることはない。
【符号の説明】
【０１２９】
１・・・レーザ発生源、２・・・計測対象、３・・・結像レンズ、４・・・センサ（エリアセンサ）、５・・・ビーム成形部（レンズ）、６・・・線状（スリット）ビーム、９・・・波長フィルタ、１０・・・偏光フィルタ、１２・・・レーザコントローラ、１３・・・カメラ電源、１４・・・ＣＰＵ、１４ａ・・・画像取り込み部、１４ｂ・・・レーザ輝線位置抽出部、１４ｃ・・・直線間距離算出部、１４ｄ・・・３次元画像変換部、１４ｅ・・・線検出部、１４ｆ・・・画素値算出部、１５・・・ストレージデバイス、１６・・・画像入力ボード、２０・・・撮像画像表示画面、１７・・・モニタ、１８・・・マウス、１９キーボード、２１Ｌ・・・左エッジ、２１Ｒ・・・右エッジ、ｄ、ｄ’・・・面間隔、２２・・・面取り、２３・・・バリ、２４Ｌ、６２Ｌ、６３Ｌ・・・左内面でのレーザ輝線、２４Ｒ、６２Ｒ、６３Ｒ・・・右内面でのレーザ輝線、３０Ｌ・・・左内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、３０Ｒ・・・右内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、２５Ｌ・・・左内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、２５Ｒ・・・右内面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、２６・・・コンピュータ、２７・・・・直線２５Ｌと直線２５Ｒの距離（面間隔）、２８Ｆ、６０Ｆ、６１Ｆ・・・前面でのレーザ輝線、２８Ｂ、６０Ｂ、６１Ｂ・・・奥面でのレーザ輝線、３１Ｆ・・・前面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、３１Ｂ・・・奥面でのレーザ輝線に対応した座標点群データ、２９Ｆ・・・前面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、２９Ｂ・・・奥面でのレーザ輝線に対応した座標点群データに当てはめられた直線、３３・・・直線２９Ｆと直線２９Ｂの距離（段差）、３５・・・ビームスプリッタ、３６・・・全反射ミラー、１０１、１０２・・・直線偏光板、８０・・・画角の狭い結像レンズ、８１・・・画角の広い結像レンズ、４０、４１・・・画角
【図１】
2011133405.tif 000016
【図２】
2011133405.tif 000017
【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】
2011133405.tif 000022
【図８】
2011133405.tif 000023
【図９】
2011133405.tif 000024
【図１０】
2011133405.tif 000025
【図１１】
2011133405.tif 000026
【図１２】
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【図１３】
2011133405.tif 000028
【図１４】
2011133405.tif 000029
【図１５】
2011133405.tif 000030
【図１６】
2011133405.tif 000031
【図１７】
2011133405.tif 000032
【図１８】
2011133405.tif 000033
【図１９】
2011133405.tif 000034
【図２０】
2011133405.tif 000035
【図２１】
2011133405.tif 000036
【図２２】
2011133405.tif 000037
【図２３】
2011133405.tif 000038
【図２４】
2011133405.tif 000039
【図２５】
2011133405.tif 000040
【図２６】
2011133405.tif 000041
【図２７】
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【図２８】
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