(57)【要約】【課題】改善された測定手法に基づく形状測定装置を提供する。【解決手段】パターン投影器１４は、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを物体１２の表面に投影する。ＣＣＤカメラ１０は、輝度パターンが投影された物体１２の表面画像を異なるレンズ位置で複数撮像する。形状測定処理部２４は、ＣＣＤカメラ１０が撮像する複数の画像から、輝度パターンの高輝度部と低輝度部に対応する輝度値の差が最大の画像を抽出する。そして形状測定処理部２４は、抽出した画像をピント合致画像と判断して、ピント合致画像を取得した際のレンズ１８の位置に基づいて、物体１２の高さを算出することで物体１２の三次元形状を測定する。【選択図】        図１
2004226072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体表面を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段を介して対象物体表面の画像を取得する画像取得手段と、
前記画像内における輝度値に基づいて前記撮像におけるピント合致位置を判定するピント合致位置判定手段と、
前記ピント合致位置に基づいて対象物体表面の高さを算出することで対象物体の三次元形状を測定する形状測定手段と、を有する、形状測定装置。
【請求項２】
請求項１記載の形状測定装置であって、
前記画像取得手段は、それぞれ異なるピント位置に対応する前記複数の画像を取得し、
前記ピント合致位置判定手段は、前記各画像内における輝度値に基づいて前記複数の画像の中からピント合致画像を抽出することで前記ピント合致位置を判定する、ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項３】
請求項２記載の形状測定装置であって、
前記ピント合致位置判定手段は、前記各画像内における輝度値の最大値と最小値の差である輝度値差を検出し、前記各画像ごとの輝度値差に基づいてピント合致画像を抽出する、ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項４】
請求項３記載の形状測定装置であって、
前記ピント合致位置判定手段は、前記輝度値差が最大の画像を前記ピント合致画像として抽出することを特徴とする形状測定装置。
【請求項５】
請求項１から４いずれか１項記載の形状測定装置であって、対象物体表面に、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを投影する輝度パターン投影手段をさらに有し、
前記画像取得手段は、前記撮像手段を介して、前記輝度パターンが投影された対象物体表面の画像を取得する、ことを特徴とする形状測定装置。
【請求項６】
対象物体表面を撮像する撮像手段と、
対象物体表面に、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを投影する輝度パターン投影手段と、
前記撮像手段を介して、前記輝度パターンが投影された対象物体表面の画像を取得する画像取得手段であって、それぞれ異なるピント位置に対応する複数の画像を取得する画像取得手段と、
投影された輝度パターンの高輝度部と低輝度部の輝度値差を前記各画像ごとに検出し、検出した輝度値差に基づいて複数の画像の中からピント合致画像を抽出することでピント合致位置を判定するピント合致位置判定手段と、
前記ピント合致位置に基づいて対象物体表面の高さを算出することで対象物体の三次元形状を測定する形状測定手段と、を有する、形状測定装置。
【請求項７】
対象物体表面を撮像する撮像手段と、
対象物体表面に、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを投影する輝度パターン投影手段と、
前記撮像手段を介して、前記輝度パターンが投影された対象物体表面の画像を取得する画像取得手段であって、それぞれ異なるピント位置に対応する複数の画像を取得する画像取得手段と、
前記各画像内において測定単位エリアを設定する測定単位エリア設定手段と、前記測定単位エリア内において投影された輝度パターンの高輝度部と低輝度部の輝度値差を前記各画像ごとに検出し、検出した輝度値差に基づいて複数の画像の中からピント合致画像を抽出することで、前記測定単位エリアに対するピント合致位置を判定するピント合致位置判定手段と、
前記ピント合致位置に基づいて、前記測定単位エリアにおける対象物体表面の高さを算出することで対象物体の三次元形状を測定する形状測定手段と、を有する、形状測定装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の形状測定装置であって、
前記輝度パターンは、高輝度部と低輝度部が縞状に配置された輝度パターンであることを特徴とする形状測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、形状測定装置に関し、特に物体の三次元形状を測定する形状測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ軸の座標値およびＹ軸の座標値が既知の特定位置における物体表面の高さ、つまりＺ軸の座標値を測定することで物体の三次元形状を知ることができる。この測定原理を利用した測定装置として、物体に対して光を照射して物体からの反射光をレンズで集光し、集光した反射光をピンホールを介して受光してその受光量を検出し、複数の異なる光路長における受光量の検出結果に基づいて物体の高さを測定する装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２３９２１６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の測定装置による測定手法、つまりピンホールを介して得られた受光量に基づく測定手法では、反射光を集光して利用しているため、局部的な形状測定に適しているものの、比較的大きな物体の形状測定には不向きである等の問題があった。
【０００５】
そこで本発明は、改善された測定手法に基づく形状測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、対象物体表面を撮像する撮像手段と、前記撮像手段を介して対象物体表面の画像を取得する画像取得手段と、前記画像内における輝度値に基づいて前記撮像におけるピント合致位置を判定するピント合致位置判定手段と、前記ピント合致位置に基づいて対象物体表面の高さを算出することで対象物体の三次元形状を測定する形状測定手段とを有するものとする。上記構成によれば、対象物体表面の画像の輝度値に基づいて対象物体の三次元形状を測定する改善された測定手法に基づく形状測定装置が提供される。測定対象物体としては、例えば、車のボディやブレーキロータやプレス機の型など、比較的大きな物体の測定も可能である。
【０００７】
望ましくは、前記画像取得手段は、それぞれ異なるピント位置に対応する前記複数の画像を取得し、前記ピント合致位置判定手段は、前記各画像内における輝度値に基づいて前記複数の画像の中からピント合致画像を抽出することで前記ピント合致位置を判定するものとする。上記構成において、複数の画像にはピントが合致した画像やピントがぼけた画像が含まれている。
【０００８】
望ましくは、前記ピント合致位置判定手段は、前記各画像内における輝度値の最大値と最小値の差である輝度値差を検出し、前記各画像ごとの輝度値差に基づいてピント合致画像を抽出するものとする。上記構成において、ピント合致位置判定手段は、ピント位置が異なる複数の画像において輝度値差が異なる値となることを利用してピント合致画像を抽出する。つまり、ピントが合致していない画像では、画像内各部の輝度値が隣接部の輝度値の影響を受けた状態で取得されるため、ピント合致画像に比べて輝度値差が小さくなることを利用している。
【０００９】
望ましくは、前記ピント合致位置判定手段は、前記輝度値差が最大の画像を前記ピント合致画像として抽出するものとする。さらに望ましくは、対象物体表面に、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを投影する輝度パターン投影手段をさらに有し、前記画像取得手段は、前記撮像手段を介して、前記輝度パターンが投影された対象物体表面の画像を取得するものとする。上記構成における輝度パターンとしては、例えば、高輝度部と低輝度部が縞状に配置されたもの、同心円状に配置されたもの、並行に配置されたもの、砂目状に分散配置されたものなどが挙げられる。また、輝度パターンの投影方向と撮像方向とを同軸に設定することが可能であるため、撮像手段と輝度パターン投影手段とを近距離に配置して形状測定装置を小型化することも可能になる。
【００１０】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、対象物体表面を撮像する撮像手段と、対象物体表面に、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを投影する輝度パターン投影手段と、前記撮像手段を介して、前記輝度パターンが投影された対象物体表面の画像を取得する画像取得手段であって、それぞれ異なるピント位置に対応する複数の画像を取得する画像取得手段と、投影された輝度パターンの高輝度部と低輝度部の輝度値差を前記各画像ごとに検出し、検出した輝度値差に基づいて複数の画像の中からピント合致画像を抽出することでピント合致位置を判定するピント合致位置判定手段と、前記ピント合致位置に基づいて対象物体表面の高さを算出することで対象物体の三次元形状を測定する形状測定手段とを有するものとする。上記構成によれば、物体表面に輝度パターンが投影されているため、物体表面自体に輝度値の高低が少ない場合においても、投影された輝度パターンの輝度値に基づいてピント合致位置を判定することができる。
【００１１】
また、上記目的を達成するために、本発明に係る形状測定装置は、対象物体表面を撮像する撮像手段と、対象物体表面に、高輝度部と低輝度部を含む輝度パターンを投影する輝度パターン投影手段と、前記撮像手段を介して、前記輝度パターンが投影された対象物体表面の画像を取得する画像取得手段であって、それぞれ異なるピント位置に対応する複数の画像を取得する画像取得手段と、前記各画像内において測定単位エリアを設定する測定単位エリア設定手段と、前記測定単位エリア内において投影された輝度パターンの高輝度部と低輝度部の輝度値差を前記各画像ごとに検出し、検出した輝度値差に基づいて複数の画像の中からピント合致画像を抽出することで、前記測定単位エリアに対するピント合致位置を判定するピント合致位置判定手段と、前記ピント合致位置に基づいて、前記測定単位エリアにおける対象物体表面の高さを算出することで対象物体の三次元形状を測定する形状測定手段とを有するものとする。上記構成において、測定単位エリアは各画像内に複数設けられてもよく、例えば、各画像内を全て網羅するように設けられてもよい。上記構成によれば、測定単位エリアにおける対象物体表面の高さが算出されるため、局所的な形状測定も可能になる。
【００１２】
望ましくは、前記輝度パターンは、高輝度部と低輝度部が縞状に配置された輝度パターンであるものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１４】
図１には、本発明に係る形状測定装置の好適な実施形態が示されており、図１はその全体構成を示す図である。ＣＣＤカメラ１０は測定対象である物体１２の表面を撮像して物体表面画像を形成する。つまり、ＣＣＤカメラ１０は、レンズ１８によってピント調整されてハーフミラー１６を透過して得られる物体１２からの光を受け、光量に応じた電気信号に基づいて物体表面画像を形成する。ＣＣＤカメラ１０は、例えば、Ｘ軸方向１．０ｃｍ（６４０ピクセル）、Ｙ軸方向０．８ｃｍ（４８０ピクセル）のＣＣＤを利用する。ここでＸ軸方向は図１における横方向でありＹ軸方向は紙面垂直方向である。ＣＣＤのピクセル数や大きさは測定対象に応じて適宜選択されてもよい。
【００１５】
パターン投影器１４は、ハーフミラー１６を介して物体１２の表面に輝度パターンを投影する。輝度パターンは白黒が縦横に縞状に形成されたクロスハッチ状のもの（図３参照）である。輝度パターンが描かれたスライド後方から光が当てられ、スライドを透過した光がハーフミラー１６によって図１の下方、つまり物体１２に向けて照射されることで輝度パターンが投影される。なお、輝度パターンとしては、白黒が同心円状に形成されたものや並行縞、あるいは、砂目模様など、測定対象に応じて選択されてもよい。
【００１６】
レンズ駆動機構２２はレンズ１８をＺ軸方向（図１における上下方向）に移動することで撮像におけるピント位置を調整する。撮像距離検出器２０は、レンズ駆動機構２２の駆動状態を検出する。形状測定処理部２４は、ＣＣＤカメラ１０から得られる物体表面の画像、および、撮像距離検出器２０から出力されるレンズ駆動状態情報に基づいて、物体１２の三次元形状を測定する。
【００１７】
図２は、形状測定処理部（図１の符号２４）が物体の三次元形状を測定する際の動作を示すフローチャートである。以下、図２を利用して形状測定処理部の動作を説明する。なお、以下の説明において図１に記載された構成については図１における符号を付すものとする。
【００１８】
ステップ１において、物体１２はパターン投影器１４により輝度パターンが投影される。次にステップ２において、レンズ駆動機構２２が制御されてレンズ位置を無限ピント位置、つまりレンズ１８を最上位置に移動する。レンズ駆動機構２２はギアの組み合わせによる駆動機構であるため、そのバックラッシュの影響を小さくするため、一方向への駆動に限定されることが望ましい。このため、予めレンズ１８を最上位置に移動させておき、以下の動作においてレンズ１８は下方向への動きに限定しておく。
【００１９】
ステップ３において、物体１２の表面画像が取り込まれる。物体１２の表面にはステップ１において既に輝度パターンが投影されているため、輝度パターンが投影された表面画像が取り込まれる。この際、レンズの絞りは開放にして被写界深度を狭くしておく。次にステップ４において、撮像距離検出器２０の出力に基づいてピント位置が演算される。
【００２０】
ステップ５において、形状測定処理部２４は画像の取り込みが終了したか否かを判断する。画像の取り込み動作は複数のピント位置のそれぞれに対して行われる。例えば、レンズ位置の最上位置においてステップ３およびステップ４が実行された後、ステップ６においてレンズを下方に移動させて新たに設定されたピント位置においてさらにステップ３およびステップ４が実行される。このようにして、ステップ６で設定されるピント位置の全てにおいて物体１２の表面画像およびピント位置が取得されると、形状測定処理部２４はステップ５において画像取り込みが終了したと判断してステップ７へ移行する。
【００２１】
ステップ７において、取り込まれた各画像から輝度値差を算出する。ここで、ステップ７における輝度値差の算出手法を図３から図６を利用して説明する。図３および図５は輝度パターンが投影された物体表面画像を示しており、図３はピント合致位置で取得された画像を、図５はピントが合致していない位置で取得された画像をそれぞれ示している。また、図４は図３におけるラインＡＡ´上における輝度値をプロットしたものであり、図６は図５におけるラインＡＡ´上における輝度値をプロットしたものである。
【００２２】
図４に示されるように、ピント合致位置で取得された画像の輝度値は、輝度値の大きい部分（図３において白に対応する部分）と輝度値の小さい部分（図３において黒に対応する部分）との差が顕著であるのに対して、図６に示されるピントが合致していない位置で取得された画像の輝度値は、白部分と黒部分が互いに影響し合い、輝度値の大きい部分と小さい部分との差が比較的小さくなる。そこで、図２のステップ７では、輝度値が最大の部分と輝度値が最小の部分の輝度値差を、各ピント位置において取得された画像のそれぞれに対して算出する。
【００２３】
図２に戻り、ステップ８において、各画像ごとに算出された輝度値差に基づいてピント合致位置を確定する。ピント合致位置における輝度値差に比べてピントが合致していない位置における輝度値差は小さいため、形状測定処理部２４は全ての画像における輝度値差を比較して、輝度値差が最大の画像をピント合致画像として抽出する。
【００２４】
ステップ９において、ピント合致画像取得時のレンズ位置から物体１２表面の高さを算出する。各画像はステップ４においてそのピント位置（レンズ位置に対応）が取得されている。ＣＣＤカメラ１０が固定されていれば、ピント合致位置は物体１２の表面位置とレンズ１８までの距離２６で決定される。ＣＣＤカメラ１０の固定位置はＣＣＤカメラ１０の駆動機構が出力する情報によって形状測定処理部２４に伝えられる。したがって、ピント合致状態におけるレンズ１８から測定対象までの距離を予め測定しておけば、ＣＣＤカメラ１０の位置、ピント合致位置におけるレンズ位置、および、ピント合致状態におけるレンズ１８から測定対象までの距離に基づいて物体１２の表面の高さ、つまり、図１におけるＺ方向の物体表面の凹凸形状を測定することができる。
【００２５】
ステップ１０において、物体１２の表面の高さとＣＣＤカメラ１０による撮像位置に基づいて物体の三次元形状が算出される。物体１２の表面の高さであるＺ座標はステップ９で算出されている。したがって、Ｚ座標を測定した際のＣＣＤカメラ１０の位置、つまりＸ座標とＹ座標とに基づいて物体１２表面のＸＹＺの三次元座標が算出される。ＣＣＤカメラ１０をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動させながら上述したステップ１からステップ１０を繰り返すことで、所望のＸ座標とＹ座標において物体１２の表面の高さが算出され、例えば、物体１２全体を対象としてその三次元形状を測定することができる。
【００２６】
なお、上述のステップ７において輝度値差を算出し、ステップ８においてピント合致位置を確定し、ステップ９において高さを算出する動作において、画像内に測定単位エリアを設けることで、測定単位エリアごとにピント合致位置を確定することも可能である。測定単位エリアは、例えば、図３の輝度パターンの４個の升目に相当する正方形エリアであり、この測定単位エリアを画像内の所定位置に設定し、設定した測定単位エリア内で輝度値差を算出する。測定単位エリアはピント位置が異なる各画像ごとに物体表面の同一箇所に対応して設定される。そして各画像ごとに測定単位エリア内の輝度値差が算出され、最大の輝度値差を有する画像のピント位置を、この測定単位エリアのピント合致位置と判断する。測定単位エリアを図３の画像の原点位置から画像内を網羅するように走査することで、図３の画像内各部において４個の升目の正方形エリアごとにその高さを算出することが可能になる。したがって、画像単位で高さを測定するよりもさらに詳細な形状測定が可能になる。なお、測定単位エリアは測定対象に応じてその大きさや形状が決定されてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により、改善された測定手法に基づく形状測定装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る形状測定装置の全体構成を示す図である。
【図２】本発明に係る形状測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】ピント合致位置で取得された画像を示す図である。
【図４】図３におけるラインＡＡ´上における輝度値をプロットした図である。
【図５】ピントが合致していない位置で取得された画像を示す図である。
【図６】図５におけるラインＡＡ´上における輝度値をプロットした図である。
【符号の説明】
１０  ＣＣＤカメラ、１４  パターン投影器、１８  レンズ、２０  撮像距離検出器、２４  形状測定処理部。
【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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