(57)【要約】【課題】小型化・軽量化及び低コストを図り、計測精度の高い表面形状計測装置を提供する。【解決手段】この表面形状計測装置１に備えた計測ヘッド１２０は、測距用スリット光照射部１２１と撮像部１２４を備え、光切断法により被計測体１５０の表面形状を計測する。更に、マーカー検出用スリット光照射部１２７を備え、これから発するスリット光１３２が被計測体１５０表面に貼り付けられたマーカー１５２に照射されたときの再帰性反射に基づくマーカー像１３４を撮像部１２４で撮像する。そしてマーカー像１３４を抽出して、マーカー１５２の位置を求める。すなわち単一の撮像部１２４のみによって撮像を行えるので、計測ヘッド１２０の小型化・軽量化、低コスト化が実現できる。さらに、単一の撮像部１２４により撮像を行えるので、被計測体１５０の表面形状とマーカー１５２の位置の対応付けを高精度に行える。【選択図】　図２
2004045222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測空間に置かれた被計測体に向けて、前記計測空間を貫く所定の中心軸に、その光軸及びスリットの長手方向の双方が交差する第１及び第２のスリット光をそれぞれ照射する第１及び第２のスリット光照射手段と、複数の受光素子を二次元に配列してなる受光面を含み、前記第１のスリット光を含む平面と直交する面上に配置される撮像手段とを有する計測ヘッドと、
前記計測ヘッドと前記被計測体とを、前記所定の中心軸の軸方向へ、相対的に移動させる移動手段と、
前記第１のスリット光が前記被計測体表面で反射されて前記撮像手段によって撮像される光切断像に基づいて、前記被計測体の表面形状を算出する演算手段とを備え、
前記受光面は、前記光切断像を撮像する第１の領域と、当該第１の領域に対し、前記第１のスリット光照射手段と前記撮像手段とを結ぶ基線長方向に位置する第２の領域とを含み、
前記第２のスリット光照射手段は、前記第２の領域を構成する前記複数の受光素子のうち、前記基線長方向と垂直な方向に配列された前記複数の受光素子の並びの方向上において前記撮像手段の近傍に配置され、前記第２の領域の視野内へ前記複数の受光素子の並びに平行な前記第２のスリット光を照射し、
前記撮像手段は、更に、前記第２のスリット光が前記被計測体に付けられたマーカーに照射されたときの再帰性反射に基づく前記マーカーの像を撮像し、
前記演算手段は、更に、前記撮像手段によって撮像される前記マーカーの像に基づいて、当該マーカーの位置を算出する
ことを特徴とする表面形状計測装置。
【請求項２】
前記移動手段と前記計測ヘッドとが前記所定の中心軸の周囲に複数設けられ、
前記移動手段は、前記計測ヘッドを前記軸方向へ移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
【請求項３】
前記所定の中心軸を中心に前記被計測体を回転させる被計測体回転手段を更に備え、
前記移動手段は、前記計測ヘッドを前記軸方向へ移動させる
ことを特徴とする請求項１に記載の表面形状計測装置。
【請求項４】
前記第２のスリット光の強度を、前記撮像手段によって前記マーカーの像が検出される範囲で、前記第１のスリット光より、小さくしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項５】
前記第１の領域を構成する前記複数の受光素子から出力される信号のうち、前記計測空間における照明環境に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することを特徴する請求項１〜４のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項６】
前記第２の領域を構成する前記複数の受光素子から出力される信号のうち、前記マーカーの像の信号強度に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することを特徴する請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
【請求項７】
前記受光面において前記第１の領域と前記第２の領域との中間の領域を構成する複数の前記受光素子から出力される信号を無効にすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面形状計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被計測体の表面形状を光切断法によって計測すると共に、上記被計測体表面の基準位置となるランドマーク位置を計測する表面形状計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術として、特開平７−１２０２３２号公報や、特開平１１−５１６１５号公報等に記載された装置がある。この特開平７−１２０２３２号公報には、スリット光をスキャンすることで被測定物の外形を測定する非接触型三次元形状測定装置について記載されており、また、特開平１１−５１６１５号公報には、カラーマーカーが貼り付けられた対象物を複数のカメラで撮像して、その三次元位置を測定する測定装置について記載されている。
【０００３】
このような技術の中で特に、被計測体に対してスリット光を照射するスリット光照射光源と、スリット光照射光源によって照射されたスリット光による被計測体表面の光切断像を撮像するセンサと、更にカラーセンサとによって構成される計測ヘッドを用いた表面形状計測装置が知られている。この表面形状計測装置では、計測ヘッドを被計測体に対して移動させることによって、スリット光照射光源から照射するスリット光を被計測体表面において走査する。そして、上述の光切断像をセンサによって多数取得することによって、被計測体の表面形状の計測している。すなわち、光切断法に基づいて被計測体の表面形状を計測している。また、これと共に、被計測体表面の色と異なるマーカーをランドマークとして被計測体に貼り付けて、そのマーカーの像をカラーセンサによって撮像する。そして、カラーセンサによって取得される画像から被計測体表面の色とマーカーの色の違いを利用してマーカーの像を抽出することによって、マーカーの位置を計測している。従来の表面形状計測装置は、このようにして被計測体の表面形状とマーカーの位置とを計測することによって、両者の対応付けを可能としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の表面形状計測装置では、カラーセンサを搭載するため、計測ヘッドの大型化が避けられず、その重量も大きくなっていた。同様にカラーセンサを搭載するため、装置コストも高くなっていた。また、上記のセンサとカラーセンサとの組立て調整が煩雑であるため、製造コストが高くなっていた。加えて、上述のセンサとカラーセンサのそれぞれに備えられたレンズの歪み収差に違いがあり、これを歪み補正によって補正しても、被計測体の表面形状にマーカーの位置を対応付ける精度には限界があり、更なる高精度化が望まれていた。
【０００５】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、計測ヘッドの小型化・軽量化、及び低コスト化を図り、更に計測精度の高精度化を測った表面形状計測装置を提供することを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の表面形状計測装置は、計測空間に置かれた被計測体に向けて、上記計測空間を貫く所定の中心軸に、その光軸及びスリットの長手方向の双方が交差する第１及び第２のスリット光をそれぞれ照射する第１及び第２のスリット光照射手段と、複数の受光素子を二次元に配列してなる受光面を含み、上記第１のスリット光を含む平面と直交する面上に配置される撮像手段とを有する計測ヘッドと、上記計測ヘッドと上記被計測体とを、上記所定の中心軸の軸方向へ、相対的に移動させる移動手段と、上記第１のスリット光が上記被計測体表面で反射されて上記撮像手段によって撮像される光切断像に基づいて、上記被計測体の表面形状を算出する演算手段とを備え、上記受光面は、上記光切断像を撮像する第１の領域と、当該第１の領域に対し、上記第１のスリット光照射手段と上記撮像手段とを結ぶ基線長方向に位置する第２の領域とを含み、上記第２のスリット光照射手段は、上記第２の領域を構成する上記複数の受光素子のうち、上記基線長方向と垂直な方向に配列された上記複数の受光素子の並びの方向上において上記撮像手段の近傍に配置され、上記第２の領域の視野内へ上記複数の受光素子の並びに平行な上記第２のスリット光を照射し、上記撮像手段は、更に、上記第２のスリット光が上記被計測体に付けられたマーカーに照射されたときの再帰性反射に基づく上記マーカーの像を撮像し、上記演算手段は、更に、上記撮像手段によって撮像される上記マーカーの像に基づいて、当該マーカーの位置を算出することを特徴としている。
【０００７】
本発明の表面形状計測装置によれば、計測ヘッドには被計測体に向けて第１のスリット光を照射する第１のスリット光照射手段と、第１のスリット光を含む平面と直交する面上に配置される撮像手段とが備えられる。そして、移動手段によって、この計測ヘッドと被計測体とを、計測空間の中心軸の軸方向へ相対的に移動させる。これによって、第１のスリット光を被計測体表面に走査する。そして、被計測体表面の光切断像を撮像手段によって撮像し、この光切断像に基づいて演算手段が被計測体の表面形状を算出する。すなわち、光切断法による被計測体の表面形状の計測が可能となる。また、計測ヘッドには第２のスリット光照射手段が備えられており、上記の移動によって第２のスリット光照射手段から照射する第２のスリット光を被計測体表面に走査する。ここで、撮像手段を構成する受光面は、上記の光切断像が受像される第１の領域と、この第１の領域に対して、第１のスリット光照射手段と撮像手段とを結ぶ基線長方向に位置する第２の領域とを含む。そして、第２のスリット光照射手段は、この第２の領域を構成する受光素子のうち、上記の基線長方向と垂直な方向に配列された複数の受光素子が並ぶ方向上において、撮像手段の近傍に配置される。また、第２のスリット光照射手段は、上記の受光素子の並びに平行な第２のスリット光を上述の第２の領域の視野内へ照射する。すると、この第２のスリット光が被計測体表面に貼り付けられたマーカーに照射されたときの再帰性反射に基づくマーカーの像（以下、「マーカー像」と呼ぶ。）が、第２の領域を構成する複数の受光素子のいずれかによって受光される。すなわち、上述の光切断像とマーカー像は受光面において重なることはないので、両者を識別して抽出することができる結果、単一の撮像手段によって撮像される光切断像とマーカー像とに基づいて、被計測体の表面形状とマーカーの位置を算出することができる。
【０００８】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記移動手段と上記計測ヘッドとが上記所定の中心軸の周囲に複数設けられ、上記移動手段は、上記計測ヘッドを上記軸方向へ移動させることを特徴としても良い。
【０００９】
この発明によれば、計測空間の周囲に計測ヘッドと移動手段とを複数設けることで、被計測体の周囲全体にわたる表面形状を計測することが可能となる。加えて、上記の計測ヘッドは軽量であるのため、計測ヘッド移動手段に大きな駆動力を必要としない。
【００１０】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記所定の中心軸を中心に上記被計測体を回転させる被計測体回転手段を更に備え、上記移動手段は、上記計測ヘッドを上記軸方向へ移動させることを特徴としても良い。
【００１１】
この発明によれば、被計測体回転手段によって被計測体を回転させることができるので、単一の計測ヘッドによって被計測体の周囲全体にわたる表面形状を計測することが可能となる。その結果、装置コストを低減することが可能となる。加えて、上記の計測ヘッドは軽量であるのため、計測ヘッド移動手段に大きな駆動力を必要としない。
【００１２】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記第２のスリット光の強度を、上記撮像手段によって上記マーカーの像が検出される範囲で、上記第１のスリット光より、小さくすると好適である。
【００１３】
この発明によれば、第２のスリット光の強度を、撮像手段によってマーカー像が検出可能な範囲で、第１のスリット光の強度より小さくするので、第２のスリット光が、被計測体表面で反射され、この反射に基づくスリット光像が撮像手段によって撮像されても、その信号強度を小さくすることができる結果、このスリット光像と共に撮像されるマーカー像の検出精度を高めることができる。
【００１４】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記第１の領域を構成する上記複数の受光素子から出力される信号のうち、上記計測空間における照明環境に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することが好適である。
【００１５】
この発明によれば、計測空間の照明環境によって、上記の第１の領域を形成する複数の受光素子に一定の強度の光が入射し、これがノイズとして検出されても、計測空間の照明環境に応じてオフセットレベルを設定し、そのオフセットレベル以下の信号を除去するので、光切断像に影響を与えずに、上記のノイズを除去することが可能となる。そして、このようにノイズを除去できるので、光切断像の検出精度を向上できる結果、被計測体の表面形状の計測精度を向上できる。
【００１６】
また、本発明の表面形状計測装置においては、上記第２の領域を構成する上記複数の受光素子から出力される信号のうち、上記マーカーの像の信号強度に応じて設定されるオフセットレベル以下の強度の信号を除去することが好適である。
【００１７】
第２のスリット光が、被計測体表面で反射され、この反射に基づく像が上記の第２の領域を構成する受光素子に入射しても、この信号強度は、被計測体に付けられたマーカーによる再帰性反射に基づくマーカー像の信号強度に比べて小さい。したがって、この発明によれば、マーカー像の信号強度に応じて設定されるオフセットレベル、すなわち、マーカー像の信号強度より小さい強度の信号を除去するオフセットレベルを、上記の第２の領域を形成する複数の受光素子から出力される信号に適用するので、マーカー像のみを残すことができる。これにより、マーカー像の抽出精度を向上できる結果、マーカー位置の計測精度を向上できる。
【００１８】
また、上記受光面において上記第１の領域と上記第２の領域との中間の領域を構成する複数の上記受光素子から出力される信号を無効にすると、さらに好適である。
【００１９】
この発明によれば、第２のスリット光がマーカーに反射されて強い光束で上記の第２の領域を形成する受光素子に入射してきた場合に、その受光素子近辺の素子にクロストークが生じても、この第２の領域と上記の第１の領域との中間の領域を形成する受光素子から出力される信号を無効にするので、このクロストークによる影響を防止できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態の説明においては、説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を附し、重複する説明は省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２１】
（第１実施形態）まず、本発明の第１の実施形態にかかる表面形状計測装置１００について添付の図面を参照して説明する。図１は表面形状計測装置１００の平面図である。本実施形態にかかる表面形状計測装置１００においては、ステージ１４０の周囲を囲むように、４つの計測ユニット１１０が配置されている。ここでステージ１４０は、被計測体をその上面に乗せるステージであって、このステージ１４０に被計測体を乗せることによって、計測空間１６０の範囲に被計測体を置くことが可能となる。
【００２２】
計測ユニット１１０はそれぞれ、計測ヘッド１２０と、計測ヘッド１２０を内蔵する支柱１１１と、計測ヘッド１２０を支柱１１１の内部で上下動させる移動機構（移動手段）を構成するモータ１１２，タイミングベルト１１３，ガイドレール１１４を備える。この移動機構によれば、計測ヘッド１２０は、モータ１１２の回転駆動によってガイドレール１１４に沿って、支柱１１１内を計測空間１６０の中心軸１６１に平行に上下動する。
【００２３】
更に計測ユニット１１０は、計測ヘッド１２０によって撮像された画像や計測ヘッド１２０の位置情報をコンピュータ（演算手段）１４５（図１においては図示せず）に転送するための信号ケーブルが配線されたケーブルベア１１５と、支柱１１１内部の移動機構や計測ヘッド１２０を外部からの接触に対して保護するよう、計測空間１６０側の支柱前面に設けられたアクリル板１１６を備える。
【００２４】
次に、計測ヘッド１２０について詳細に説明する。図２は、支柱１１１及びアクリル板１１６を取り去って、計測ヘッド１２０を露出させた計測系の斜視図である。なお、図２では被計測体として円筒形状の被計測体１５０を共に図示している。
【００２５】
図２に示すように、計測ヘッド１２０は、測距用スリット光照射部（第１のスリット光照射手段）１２１、マーカー検出用スリット光照射部（第２のスリット光照射部）１２４、撮像部（撮像手段）１２７を備える。また、被計測体１５０には、その表面に光の入射方向に強い反射特性を有する再帰性反射部材を用いたマーカー１５２がランドマークとして貼り付けられている。
【００２６】
測距用スリット光照射部１２１は、測距用スリット光源１２２及び測距用投光レンズ１２３を備える。そして、測距用スリット光源１２２から発せられるスリット光を、測距用投光レンズ１２３を介してスリット光（第１のスリット光）１３１として被計測体１５０に照射する。このスリット光１３１は被計測体１５０の表面に照射され、被計測体１５０表面からの反射に基づく光切断像１３３が、撮像部１２４に撮像される。
【００２７】
撮像部１２４は、フォトダイオードを２次元的に配列した受光面１２５及び受光レンズ１２６を備える。この撮像部１２４は、図２に示すように、測距用スリット光照射部１２１の上方に配置され、この位置から上記の光切断像１３３を撮像する。すなわち、撮像部１２４は測距用スリット光照射部１２１のスリットと直交する面上に配置されて、光切断像１３３を撮像する。
【００２８】
マーカー検出用スリット光照射部１２７は、マーカー検出用スリット光源１２８及びマーカー検出用投光レンズ１２９を備える。そして、マーカー検出用スリット光源１２８から発せられるスリット光をマーカー検出用投光レンズ１２９を介してスリット光（第２のスリット光）１３２として被計測体１５０に照射する。このスリット光１３２が被計測体１５０に貼り付けられたマーカー１５２に照射されたときの、再帰性反射に基づくマーカー像１３４が撮像部１２４に撮像される。
【００２９】
ここで、マーカー像１３４の撮像に関して詳細に説明するため、計測ヘッド１２０の構成を更に詳細に説明する。まず、計測ヘッド１２０における各構成要素の配置について、図３及び図４を参照して詳細に説明する。図３及び図４はそれぞれ、計測ヘッド１２０の平面図、側面図である。
【００３０】
図３及び図４に示すように、撮像部１２４（図中では受光面１２５及び受光レンズ１２６に対応）は、測距用スリット光照射部１２１（図中では測距用スリット光源１２２及び測距用投光レンズ１２３に対応）の上方に配置されて、その位置から上記の光切断像１３３の撮像を行う。ここで、撮像部１２４の受光面１２５は、上記の光切断像１３３が受像される光切断像検出領域（第１の領域）１６５と、この光切断像検出領域１６５に対して、測距用スリット光照射部１２１と撮像部１２４を結ぶ基線１６２の長手方向に位置するマーカー像検出領域（第２の領域）１６６とに分割される。そして、マーカー検出用スリット光照射部１２７は、マーカー像検出領域１６６に含まれ、基線１６２に垂直に配列された複数のフォトダイオード１６９が並ぶ方向上において、撮像部１２４の近傍に配置される。
【００３１】
次に、マーカー検出用スリット光照射部１２７から照射されるスリット光１３２について、測距用スリット光照射部１２１から照射されるスリット光１３１の照射方向、及び撮像部１２４の視野との関係とともに、図５を参照して説明する。図５は、その関係を計測系の側方から観察した図である。図５に示すように、測距用スリット光照射部１２１（図５では測距用スリット光源１２２及び測距用投光レンズ１２３に対応）から照射されるスリット光１３１は、計測空間１６０（図５ではａ−ｂ間）に向けて、垂直に照射される。そして、上述のように配置されたマーカー検出用スリット光照射部１２７（図５では、マーカー検出用スリット光源１２８及びマーカー検出用投光レンズ１２９に対応）から発せられるスリット光１３２は、上述した複数のフォトダイオード１６９の並びに平行で、マーカー像検出領域１６６の視野１３５内へ照射される（図５ではｃ−ｄ間に向けて照射される）。このようなスリット光１３２は、被計測体１５０に貼り付けられたマーカー１５２に照射されたとき、マーカー１５２による再帰性反射により、その入射方向に反射され、上記の複数のフォトダイオード１６９のいずれかに入射する。
【００３２】
図２に戻って、このように構成された計測ヘッド１２０によると、測距用スリット光照射部１２１から照射されるスリット光１３１が被計測体１５０の表面で反射されて、光切断像１３３として受光面１２５のうち光切断像検出領域１６５に撮像される。そして、マーカー検出用スリット光照射部１２７から照射されるスリット光１３２が被計測体１５０の表面に貼り付けられたマーカー１５２に照射されたときの再帰性反射に基づく光は、上記の複数のフォトダイオード１６９のいずれかに入射し、マーカー像１３４となって撮像される。このようにして、光切断像１３３とマーカー像１３４は受光面１２５において重なることなく撮像される。
【００３３】
なお、マーカー検出用スリット光照射部１２７は、スリット光１３２をマーカー像１３４が十分に検出できる範囲でスリット光１３１より小さい強度で照射する。これによってスリット光１３２が被計測体１５０の表面で反射され、その反射に基づくスリット光像がマーカー像検出領域１６６に入射しても、このスリット光像の信号強度を小さくすることができる結果、このスリット光像と共に撮像されるマーカー像１３４の検出精度を高めることができる。
【００３４】
このように各計測ユニット１１０に備えた計測ヘッド１２０を上述の移動機構によって、移動させるにしたがって、撮像部１２４に撮像される画像はその撮像を行った計測ヘッド１２０の位置情報と共に、ケーブルベア１１５に配線された信号ケーブルを介して、図６に示すようにコンピュータ１４５に逐次転送される。
【００３５】
次に、コンピュータ１４５について説明する。コンピュータ１４５は、各計測ユニット１１０から転送される画像に対して、計測に不要なノイズを除去するためのオフセット処理を行い、そして光切断像１３３に基づく被計測体１５０の表面形状の算出処理を行い、更にマーカー像１３４に基づくマーカー１５２の位置算出処理を行う。以下、これらの処理について説明する。
【００３６】
まず、コンピュータ１４５が転送される画像に対して行うオフセット処理について説明する。まず、その理解のため、計測ヘッド１２０で撮像される画像について説明する。図７は、計測空間１６０に円筒形状の被計測体１５０が置かれた場合に、撮像部１２４によって取得される画像の一例を示す。図７に示すように、受光面１２５のうち光切断像検出領域１６５において撮像される画像には、光切断像１３３が撮像されている。また、上述の複数のフォトダイオード１６９が含まれるマーカー像検出領域１６６で撮像される画像には、マーカー像１３４とスリット光１３２の被計測体１５０表面における反射に基づくスリット光像１３６が撮像されている。ここで、スリット光像１３６は、スリット光１３２の強度がマーカー像１３４を検出可能な範囲で十分に小さくしてあるため、きわめて小さい輝度で撮像される。また、上記の光切断像検出領域１６５とマーカー像検出領域１６６の中間に位置する無効領域１６７に撮像される画像は、マーカー１５２から反射される光束が強く、この光束が入射するフォトダイオードの近辺に存在するフォトダイオードにクロストークが生じても、その影響を光切断像検出領域１６５に伝播して、光切断像１３３の検出に影響を与えないよう、この無効領域１６７を構成するフォトダイオードが出力する信号を無効にしている。したがって、その領域で撮像された画像は輝度が０になっている。なお、撮像部１２４によって撮像される画像は、受光レンズ１２６を介して撮像されるため、取得される画像は図７に示すように倒立像となっている。
【００３７】
このような画像に対し、コンピュータ１４５では、図８に示すオフセットレベルを適用する。図８は、図７に示した取得画像のラインＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ’における信号のプロファイルを２５６階調の信号強度で表示している。また、受光面１２５の光切断像検出領域１６５、マーカー像検出領域１６６、無効領域１６７のそれぞれに撮像される画像に適用するオフセットレベル１８１、１８２、１８３を表示している。
【００３８】
図８に示すように、光切断像検出領域１６５、マーカー像検出領域１６６、無効領域１６７において撮像された画像のそれぞれに適用するオフセットレベル１８１、１８２、１８３は、それぞれ異なる。具体的には、光切断像検出領域１６５に撮像された画像に適用されるオフセットレベル１８１は、計測空間１６０の照明環境から生じるノイズを除去可能なレベルに設定されており、これにより、光切断像１３３に対応する信号１７１のみを残して、それ以下のノイズが除去できる。
【００３９】
また、マーカー像検出領域１６６において撮像される画像に適用されるオフセットレベル１８２は、信号強度の大きいマーカー像１３４が検出できるレベルであって、スリット光１３２による被計測体表面におけるスリット光像１３６が除去可能に設定されており、これにより、マーカー像検出領域１６６で撮像された画像については、マーカー像１３４に対応する信号１７２のみが残され、スリット光１３２の被計測体１５０表面による反射に基づくスリット光像１３６は信号強度が小さいので、除去できる。
【００４０】
また、無効領域１６７において撮像される画像には、その全ての信号が無効となるよう、最大レベルのオフセットレベル１８３が適用される。これにより、上述のようなクロストークの影響が防止できる。
【００４１】
このようにしてオフセットレベルが適用された画像に対して、コンピュータ１４５は光切断像１３３を抽出し、これに基づいて公知の光切断法の演算処理により、被計測体１５０の表面形状の算出を行う。そして、マーカー像１３４を抽出し、マーカー１５２の位置算出処理を行う。なお、公知の光切断法の演算処理に関する説明は省略し、次にマーカー１５２の位置算出処理について詳細に説明する。
【００４２】
まず、その理解のために、光学三角測量法の原理について、図９を参照して説明する。図９は光学三角測量法の原理を説明する図である。図９に示すように、光学三角測量法では投光レンズ１９１と計測対象１９５の距離Ｌｘを求めることによって計測対象１９５の位置を計測するため、半導体レーザ１９０から発信する光束を投光レンズ１９１によって集光して、計測対象１９５の表面に照射する。また、計測対象１９５によって反射された光束を、受光レンズ１９２によって集光し、受光レンズ１９２の焦点距離ｆ離れてその後方に配置された受光面１９３に受光する。ここで、図９に示すように、受光面１９３における受光位置と受光面１９３の下端との距離をＸとし、また、計測空間を投光レンズ１９１の中心位置からの距離ＬＮ〜ＬＦとし、受光レンズ１９２と投光レンズ１９１の距離をＢ、受光面１９３の受光幅をＣ、受光レンズ１９２の光軸と受光面１９３の下端との距離をＸＦ、被計測体１５０による反射光の受光位置と受光面１９３の下端との距離をＸＬ、受光レンズ１９２の光軸と受光面１９３の上端との距離をＸＮ、投光レンズ１９１と被計測体１５０表面の光の反射位置との距離をＬＸとする。すると、以下の関係式（１）から式（２）が導出できる。
Ｘ　＝　ＸＬ　−ＸＦ　　　　　　　　　　　…（１）
Ｘ　＝　ｆ・Ｂ・（１／ＬＸ　−　１／ＬＦ）　…（２）
この式（２）によれば距離Ｘを計測することによって、距離ＬＸが求められる。すなわち、計測対象１９５の位置が求められる。
【００４３】
このような光学三角測量法の原理を、マーカー１５２の位置算出処理に適用するために、この光学三角測量法の原理の説明に用いた各構成要素と、計測ヘッド１２０の構成要素とを対応付けると、半導体レーザ１９０をマーカー検出用スリット光源１２８に、投光レンズ１９１をマーカー検出用投光レンズ１２９に、受光レンズ１９２を受光レンズ１２６に、受光面１９３を受光面１２５に対応付けることができる。ところが、マーカー像１３４は、マーカー検出用スリット光照射部１２７から照射されたスリット光１３２がマーカー１５２によってその照射方向に反射されて、マーカー検出用スリット光照射部１２７の近傍にある撮像部１２４に撮像されたものであるので、式（２）におけるＢが０の場合に相当し、上記の光学三角測量法をマーカー１５２の位置算出にそのまま用いても、距離ＬＸが求められず、したがってマーカー１５２の位置が求められない。
【００４４】
これを解決するマーカー１５２の位置算出処理について図１０を参照して説明する。マーカー像１３４を撮像することによって得られる既知の情報は、マーカー像１３４の像面上での位置と、マーカー像１３４の位置から受光レンズ１２６の中心座標を通って、実際のマーカー１５２の位置へ向かう直線１５５の方向余弦（ｌ，ｍ，ｎ）と、上述のように光切断法で求めた被計測体１５０の表面形状である。ここで、受光レンズ１２６の中心１２６ａの座標を（ａ１，ｂ１，ｃ１）とすると、マーカー像１３４の位置から受光レンズ１２６の中心座標を通って、マーカー１５２の位置へ向かう直線１５５の方程式は、式（３）で表される。
（ｘ−ａ１）／ｌ＝（ｙ−ｂ１）／ｍ＝（ｚ−ｃ１）／ｎ　…（３）
また、被計測体１５０の表面形状を以下の式（４）によって表現する。
Ｆ（ｘ，ｙ，ｚ）＝０　…（４）
この式（４）は、被計測体１５０の表面形状が、円筒形状などの簡単な対象であれば、式（４）を簡単に導くことができる。一方、被計測体１５０の表面形状が複雑な場合は、微小領域ごとに単純な曲面に近似した方程式を当てはめることによって、式（４）を導き出すことができる。
【００４５】
すると、求めるべきマーカー１５２の座標（ａ２，ｂ２，ｃ２）は、式（３）で表される直線１５５と、式（４）で表される被計測体１５０の表面との交点となる。ここで、式（３）より、以下の式（５）、（６）が導出できる。
ｙ＝ｍ（ｘ−ａ１）／ｌ＋ｂ１　…（５）
ｚ＝ｎ（ｘ−ａ１）／ｌ＋ｃ１　…（６）
そして、式（５）、（６）を式（４）に代入すると、式（７）が得られる。
Ｆ（ｘ，ｍ（ｘ−ａ１）／ｌ＋ｂ１，ｎ（ｘ−ａ１）／ｌ＋ｃ１）＝０　…（７）
式（７）は、変数がｘのみの多次元方程式であるため、独立した解を求めることができ、この解ｘは、マーカー１５２のｘ座標であるａ２に相当する。
【００４６】
同様にして、以下の式（８）〜（１０）、及び式（１１）〜（１３）を導出できる。
ｘ＝ｌ（ｙ−ｂ１）／ｍ＋ａ１　…（８）
ｚ＝ｎ（ｙ−ｂ１）／ｍ＋ｃ１　…（９）
Ｆ（ｌ（ｙ−ｂ１）／ｍ＋ａ１，ｙ，ｎ（ｙ−ｂ１）／ｍ＋ｃ１）＝０…（１０）
ｘ＝ｌ（ｚ−ｃ１）／ｎ＋ａ１　…（１１）
ｙ＝ｍ（ｚ−ｃ１）／ｎ＋ｂ１　…（１２）
Ｆ（ｌ（ｚ−ｃ１）／ｎ＋ａ１，ｍ（ｚ−ｃ１）／ｎ＋ｂ１，ｚ）＝０…（１３）
そして、式（１０）、（１３）それぞれの解ｙ、ｚを求めて、マーカー１５２のｙ座標であるｂ２、ｚ座標であるｃ２をそれぞれ求めることができる。このように演算することで、マーカー１５２の位置が算出できる結果、マーカー１５２の位置を被計測体１５０の表面形状に対応付けることが可能となる。
【００４７】
次に、本実施形態にかかる表面形状計測装置１００の動作及び計測方法について説明する。表面形状計測装置１００においては、計測空間１６０を囲むように周囲に４つ配置された計測ユニット１１０において、それぞれの計測ヘッド１２０を上述の移動機構によって移動させつつ、光切断像１３３とマーカー像１３４を撮像部１２４によって撮像する。そして、撮像部１２４に撮像された画像を、その画像が撮像されたときの計測ヘッド１２０の位置情報とともに、信号ケーブルを介して、コンピュータ１４５に転送する。
【００４８】
コンピュータ１４５では、転送された画像にオフセットレベル１８１〜１８３を適用する。そして、オフセットレベル１８１〜１８３を適用した画像から、光切断像１３３を抽出し、光切断法の演算処理を適用して、被計測体１５０の表面形状を算出する。また、マーカー像１３４に基づいて、上述のようなマーカー１５２の位置算出処理を行い、マーカー１５２の位置を算出する。このようにして算出した被計測体１５０の表面形状に、マーカー１５２の位置を対応付ける。
【００４９】
以上のように、本実施形態にかかる表面形状計測装置１００は、マーカー１５２を検出するためのカラーセンサが不要で単一の撮像部１２４によって計測ヘッド１２０を構成できるので、計測ヘッド１２０の小型化・軽量化、低コスト化を達成できる。そして軽量化の結果、移動機構の駆動力を小さくできる。また、カラーセンサが不要であるため、組立て工程が簡略化できる。更には、計測ユニット１１０を計測空間１６０を囲むように周囲に複数配置しているので、被計測体１５０の周囲全体にわたる表面形状を計測できる。特に、この構成の表面形状計測装置１００は、計測ユニット１１０を複数設けているため、被計測体１５０に対する上記の画像の撮像が短時間で行える。よって、本実施形態にかかる表面形状計測装置１００は、例えば人体のように長時間静止させることが困難な被計測体の計測に好適である。
【００５０】
なお、本実施形態では、表面形状計測装置１００に計測ユニット１１０を４つ設けているが、その数は必ずしも４つに限定されるものではない。すなわち、被計測体１５０の表面形状を周囲全体にわたり取得できれば、計測ユニット１１０の数を変更可能である。また、被計測体１５０の表面形状を周囲全体にわたって取得する必要がなければ、その数を更に少なくてしても良い。
【００５１】
また、本実施形態においては、マーカー１５２に再帰性反射部材を用いているが、被計測体１５０に比して光を強く散乱する材料を用いても、マーカー１５２の検出は可能である。
【００５２】
（第２実施形態）次に第２実施形態にかかる表面形状計測装置２００について説明する。図１１は表面形状計測装置２００の正面図である。図１１に示すように、表面形状計測装置２００は、計測ユニット２１０、底板２４０の上面に設けられた回転台２４１を備える。
【００５３】
計測ユニット２１０は、支柱２１１、ガイドレール２１４、計測ヘッド２２０等を備え、第１実施形態の計測ユニット１１０と同様の構成を有する。また、計測ヘッド２２０は第１の実施形態で説明した計測ヘッド１２０と同様の計測ヘッドであり、計測ヘッド２２０を上下動させる移動機構も第１実施形態と同様の構成である。
【００５４】
回転台２４１は、計測空間２６０を貫く中心軸２６１を中心として、その上面に乗せられた被計測体２５０を回転させる。そして、計測ヘッド２２０によって被計測体２５０の上部から下部までの計測が終了する度に、回転台２４１が所定角度回転する動作を繰り返すことによって、被計測体２５０の周囲全体の計測が行われる。
【００５５】
このようにして、撮像された画像に基づいて行われる被計測体２５０の表面形状の算出や、マーカー２５２の位置算出等の処理も、第１の実施形態と同様の処理である。
【００５６】
以上のように、本実施形態にかかる表面形状計測装置２００は、回転台２４１を備えることによって、単一の計測ユニット２１０のみによって、被計測体２５０の周囲全体にわたる表面形状が計測できると共に、マーカー２５２の位置を計測できる。したがって、この表面形状計測装置２００では、第１実施形態に示した表面形状計測装置１００より、製造コストを低減できる。また、この表面形状計測装置２００に備える計測ユニット２１０は単一であるため、第１の実施形態に示した表面形状計測装置１００に比して計測に時間を要するので、マネキン等のように長時間静止することが可能な被計測体の計測に好適である。
【００５７】
なお、本実施形態では、回転台２４１によって被計測体２５０を回転させたが、計測ユニット２１０を、計測空間２６０の周囲で回転させる手段を設けて、被計測体２５０の周囲全体の表面形状を計測可能な構成とすることも可能である。
【００５８】
（第３実施形態）次に第３実施形態にかかる表面形状計測装置３００について説明する。図１２は表面形状計測装置３００の斜視図である。図１２に示すように、表面形状計測装置３００は、計測ヘッド３２０、ベルトコンベア３４０を備える。
【００５９】
計測ヘッド３２０は、第１実施形態に示した計測ヘッド１２０と同様の計測ヘッドであり、ベルトコンベア３４０に乗せられた被計測体３５０をその上方から計測する。そして、被計測体３５０がベルトコンベア３４０によって移動することで、計測ヘッド３２０側の被計測体３５０表面全体の計測を行うことができる。
【００６０】
このようにして、撮像された画像に基づいて行われる被計測体３５０の表面形状の算出や、マーカー３５２の位置算出等の処理も、第１の実施形態と同様の処理である。
【００６１】
この表面形状計測装置３００は、以上のようにして計測される被計測体３５０の表面形状によって、ベルトコンベア３４０上の被計測体３５０をそれぞれ識別できる。また、マーカー３５２を被計測体３５０に複数貼り付けておくと、ベルトコンベア３４０上での被計測体３５０の向きを検出することが可能となる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、表面形状計測装置は、単一の撮像手段を有する計測ヘッドを備えることで、被計測体の表面形状と、被計測体の表面に貼り付けられたマーカーの位置を計測でき、これらの対応付けが可能となる。このように撮像手段を単一にできるので、計測ヘッドの小型化・軽量化が図れる。また、装置コストも低い。更に、撮像手段を単一にしたことによって、組立て工程を簡略化できるので、製造コストを低減できる。また、単一の撮像手段によって撮像を行えるので、被計測体の表面形状とマーカー位置との対応付けを高精度化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態にかかる表面形状計測装置の平面図である。
【図２】計測ヘッドを被計測体と共に図示した計測系の斜視図である。
【図３】計測ヘッドの平面図である。
【図４】計測ヘッドの側面図である。
【図５】計測ヘッドから照射されるスリット光と撮像部の視野の関係を表面形状計測装置の側面から捉えた図である。
【図６】計測ユニットとともに演算処理を行うコンピュータを示した図である。
【図７】撮像部によって撮像される画像の一例である。
【図８】撮像部によって取得される画像とオフセットレベルの関係を示す図である。
【図９】三角測量法の原理を説明する図である。
【図１０】マーカー位置算出の原理を説明する図である。
【図１１】第２実施形態にかかる表面形状計測装置の正面図である。
【図１２】第３実施形態にかかる表面形状計測装置の斜視図である。
【符号の説明】
１００，２００，３００・・・表面形状計測装置、１１０，２１０・・・計測ユニット、１１１・・・支柱、１１２・・・モータ、１１３・・・タイミングベルト、１１４・・・ガイドレール、１１５・・・ケーブルベア、１１６・・・アクリル板、１２０，２２０，３２０・・・計測ヘッド、１２１・・・測距用スリット光照射部、１２２・・・測距用スリット光源、１２３・・・測距用投光レンズ、１２４・・・撮像部、１２５・・・受光面、１２６・・・受光レンズ、１２７・・・マーカー検出用スリット光照射部、１２８・・・マーカー検出用スリット光源、１２９・・・マーカー検出用投光レンズ、１３３・・・スリット光像、１３４・・・マーカー像、１４０・・・ステージ、１５０，２５０，３５０・・・被計測体、１５２，２５２，３５２・・・マーカー、１６０，２６０・・・計測空間、２４０・・・底板、２４１・・・回転台、３４０・・・ベルトコンベア
【図１】
2004045222.tif 000003
【図２】
2004045222.tif 000004
【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】
2004045222.tif 000009
【図８】
2004045222.tif 000010
【図９】
2004045222.tif 000011
【図１０】
2004045222.tif 000012
【図１１】
2004045222.tif 000013
【図１２】
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