(57)【要約】 【課題】  外乱光などによる影響を排除して正確に表面形状の検出が可能な表面形状検出装置を提供する。【解決手段】  通常、レーザ反射光Ｒ２の走査線Ｌ上における入光幅は、外乱光の走査線Ｌ上における入光幅よりも広い。つまり、各走査線上において、外乱光により所定の閾値以上の受光量レベルを示す連続画素数は、レーザ反射光Ｒ２により所定の閾値以上の受光量レベルを示す連続画素数よりも多くなる。そこで、各走査線Ｌにおいて所定の閾値以上の受光量レベルを示す画素が連続する連続画素群について、それを構成する連続画素数が基準数以下である連続画素群からの受光信号に基づいて各走査線の受光中心位置を算出するようにしている。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物体の表面上に線状に光を照射する投光手段と、
前記投光手段から照射され前記対象物体表面で反射した反射光を受光する二次元撮像素子と、
前記二次元撮像素子の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記投光手段からの光による線状の照射像に直交する方向に沿った走査線毎に取り出し、前記各走査線上の受光中心位置を検出する受光位置検出手段とを備えて、
前記受光位置検出手段にて検出された各走査線上の受光中心位置に基づいて前記対象物体の表面形状を検出する表面形状検出装置において、
前記受光位置検出手段は、
前記各画素からの受光信号レベルと、所定の閾値とを比較する比較手段と、
前記各走査線毎に、前記比較手段にて受光信号レベルが前記所定の閾値以上であると判断された画素が連続する連続画素数が基準数を超えるか否かを判断する判断手段とを備えて、
前記判断手段にて前記連続画素数が基準数以下であることを条件に当該連続画素からの受光信号に基づき前記受光中心位置を検出することを特徴とする表面形状検出装置。
【請求項２】
前記基準数は、前記投光手段からの光による照射像の厚みに応じた画素数であることを特徴とする請求項１記載の表面形状検出装置。
【請求項３】
前記受光中心位置検出手段は、前記各走査線上において最大受光量であった画素の配置位置を当該走査線上の受光中心位置とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の表面形状検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面形状検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
変位センサ（表面形状検出装置）は、例えば図２に示すように、例えばスリット板を介して出射した光を対象物体（被測定物体）の表面に照射させ、その反射光を二次元撮像素子にて受光するようになっている。反射光が二次元撮像素子上に形成する照射像は、対象物体の表面（被照射面）が平坦であれば、上記スリットの開口形と同じ形状（例えば直線状）をなす。一方、対象物体の表面が凸凹である場合には、その凸凹に応じた形状をなす。従って、二次元撮像素子での照射像に基づいて対象物体の表面形状を検出することができる。具体的には、二次元撮像素子の各画素からの受光信号を、上記照射像の厚み方向に沿った走査線毎に読み込み、所定の閾値と比較し、この閾値以上のレベルの受光信号に基づいて各走査線上における受光中心位置を検出する。そして、これら走査線毎の受光中心位置から対象物体のうち光を照射した部位の表面形状を検出でき、対象物体と表面測定装置とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、対象物体全体の表面形状を検出するようになっている。
【特許文献１】特開２００２−２８６４２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、二次元撮像素子の撮像面上には、反射光以外に周囲からの光強度の高い外乱光が入光することがある。そうすると、この外乱光を受けた画素からの受光信号レベルも上記閾値を超えてしまい、反射光による本来の位置とは異なる位置が受光中心位置として検出されるおそれがあり、正確な表面形状の検出が行えなくなるといった問題があった。
【０００４】
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、外乱光などによる影響を排除して正確に表面形状の検出が可能な表面形状検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、対象物体の表面上に線状に光を照射する投光手段と、前記投光手段から照射され前記対象物体表面で反射した反射光を受光する二次元撮像素子と、前記二次元撮像素子の各画素での受光量に応じた受光信号を、前記投光手段からの光による線状の照射像に直交する方向に沿った走査線毎に取り出し、前記各走査線上の受光中心位置を検出する受光位置検出手段とを備えて、前記受光位置検出手段にて検出された各走査線上の受光中心位置に基づいて前記対象物体の表面形状を検出する表面形状検出装置において、前記受光位置検出手段は、前記各画素からの受光信号レベルと、所定の閾値とを比較する比較手段と、前記各走査線毎に、前記比較手段にて受光信号レベルが前記所定の閾値以上であると判断された画素が連続する連続画素数が基準数を超えるか否かを判断する判断手段とを備えて、前記判断手段にて前記連続画素数が基準数以下であることを条件に当該連続画素からの受光信号に基づき前記受光中心位置を検出するところに特徴を有する。
【０００６】
なお、投光手段としては、例えばスリット板または細長状（帯状）のレンズ（拡散光を平行光にするレンズであってもよい）を介して断面線状（断面細長状、断面帯状））の光にして板状の光を、対象物体に照射する構成であってもよい。また、対象物体の表面の一点に光を照射させ、そこから照射方向を変えずに照射位置を所定の方向（例えば照射方向と直交する方向）に平行移動させることで対象物体の表面上に光を線状に照射させる構成であってもよい。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載のものにおいて、基準数は、前記投光手段からの光による照射像の厚みに応じた画素数であるところに特徴を有する。
なお、基準数は、反射光が二次元撮像素子上に形成される照射像内においてその厚み方向に並ぶ画素数に応じた数であってもよい。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載のものにおいて、受光中心位置検出手段は、各走査線上において最大受光量であった画素の配置位置を当該走査線上の受光中心位置とするところに特徴を有する。
なお、受光中心位置の検出方法としては、上記請求項３の構成以外に、例えば上記所定の閾値と同等レベルの受光量であった１対の画素の中間位置を各走査線上における受光中心位置とする構成であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
＜請求項１の発明＞
表面形状検出装置では、投光手段からの光による照射像の厚み方向の幅は極力狭い方が望ましい。その理由は、上記照射像の厚み方向の幅を狭くすることで、対象物体の表面形状の微小な変位に対してもそれに応じて反射光による二次元撮像素子上の照射像を変位させることができ、より正確な表面形状の検出が可能になるからである。これに対して、一般的に、外乱光の光芒は比較的に広く、二次元撮像素子上における外乱光の照射幅は、投光手段からの光による照射像の厚み方向の幅（または反射光による二次元撮像素子上の照射像の厚み寸法）に比べて広いと考えられる。換言すれば、各走査線上における外乱光の入光幅（外乱光を受ける画素の数）は、各走査線上における反射光の入光幅（反射光を受ける画素の数）に比べて広いと考えられる。
【００１０】
そこで、本構成では、各走査線上において所定の閾値以上の受光レベルを示した画素が連続する数（連続画素数）が、基準数を超える場合、その連続画素には外乱光が入光しているとみなす。その一方で、基準数以下である場合、その連続画素には正規の反射光が入光しているとみなし、その正規の反射光が入光したとみなした連続画素からの受光信号に基づき各走査線毎の受光中心位置を検出する。
これにより外乱光の入光による影響を排して対象物体の表面形状を正確に検出することができる。
【００１１】
＜請求項２の発明＞
本構成によれば、上記基準数は、前記投光手段からの光による照射像の厚みに応じた画素数（例えば、その厚みに相当する寸法内に配列可能な画素数）である。従って、例えば上記照射像の厚みを狭めるように投光手段から出射する光の光芒を調整するなどして、微小幅に入光する外乱光による影響も排除することが可能になる。
【００１２】
＜請求項３の発明＞
本構成によれば、各走査線上において最大受光量であった画素の配置位置を当該走査線上の受光中心位置とする構成になっている。これにより、単に各走査線上の最大受光量レベルを示した画素の配置位置を受光中心位置と定めることができ、比較的簡単で高速な処理が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
＜実施形態１＞
本発明の実施形態１を図１ないし図１０によって説明する。
１．表面形状検出装置の全体構成
図１には、本実施形態に係る表面形状検出装置１０の全体構成図が示されている。符号１１はレーザ光源１１で、ここからレーザ光Ｒ１（平行光）が対象物体Ｗの表面に向けて出射される。このレーザ光源１１の前方には、所定方向（本実施形態では図１の紙面奥行き方向）に長く延びた開口断面を有するスリット板１２が配されている。従って、対象物体Ｗの表面に向けて、スリット板１２の開口形状に対応した板状のレーザ光Ｒ１が照射されることになる。なお、スリット板１２の開口部形状は長手方向の幅（対象物体Ｗに照射されるレーザ光の横幅寸法）が約１０ｍｍ、短手方向の幅（対象物体Ｗに照射されるレーザ光の厚さ寸法）は約２００μｍに設定されている。
【００１４】
レーザ光源１１からスリット板１２を介して対象物体Ｗに照射され当該対象物体Ｗ表面で反射した反射光（以下、「レーザ反射光Ｒ２」という）は、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにて受光される。
【００１５】
ここで、上記レーザ反射光Ｒ２が二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａ上に形成する照射像１６は、対象物体Ｗの表面（照射範囲）が平坦であれば、上記スリット板１２の開口形状に対応して一直線状をなす。一方、図２及び図３にも示すように、対象物体Ｗの表面に例えば凸部が形成されている場合には、この凸部形状に応じた凸状の照射像１６となる。従って、二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａにおける照射像１６を捉えることで対象物体Ｗの表面形状を検出することが可能になる。
【００１６】
ＣＣＤ駆動回路１４は、制御部１５からの駆動信号に基づいて二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａの各画素からの受光信号を走査線Ｌ（Ｌ１〜ＬＮ）毎に順次読み取る。本実施形態では、走査線Ｌの方向（画素のスキャン方向）は、スリット板１２を通過したレーザ光の厚さ方向に直交する方向、換言すれば、スリット板１２の開口部の延長方向に直交する方向（レーザ反射光Ｒ２による撮像面１３Ａ上の照射像１６の厚さ方向）に沿っている。図３では紙面上下方向が走査線Ｌの方向である。
【００１７】
２．制御部による制御動作
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与えて発光させ、これに同期してＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて二次元ＣＣＤ１３からの受光信号を１〜Ｎ本の各走査線Ｌ毎に読み込む。そして、各走査線Ｌ毎に受光中心位置を求める。
【００１８】
以下、具体的制御について図４〜図７を参照しつつ説明する。
制御部１５は、レーザ光源１１に起動信号を与え、これに同期して図４のフローチャートに示す制御を実行する。まず、ステップＳ１で走査線番号Ｋを初期値１に設定し、ステップＳ２で、ＣＣＤ駆動回路１４を駆動させて走査線Ｌ１（Ｋ＝１）内の画素での受光信号が連なってなる信号を受け、各画素での受光信号レベルと所定の閾値Ｄと比較する。そして、１つの走査線Ｌにおいて受光信号レベルが閾値Ｄを超えた画素が連続する連続画素群がない場合（ステップＳ３で「Ｙ」）と、１つある場合（ステップＳ４で「Ｙ」）と、２つある場合（ステップＳ５で「Ｙ」）とで処理が以下のように異なる。
【００１９】
＜連続画素群がない場合＞
連続画素群がない場合、つまり、いずれの画素からの受光信号レベルも閾値Ｄ以下であった場合である（図９（Ｂ）参照）。この場合には、当該走査線Ｋにおける受光中心位置を算出できない。そこで、本実施形態では、図５に示す処理（図４でステップＳ６）が実行される。ステップＳ２１で、例えば前列（Ｋ−１）、前々列（Ｋ−２）の各走査線Ｌでの受光中心位置から直線補間によって走査線Ｋで受光中心位置を仮想的に求めるのである。なお、走査線Ｋの後列（Ｋ＋１以降）の受光中心位置の軌跡から当該走査線Ｋの受光中心位置を仮想的に求めてもよい。
【００２０】
＜連続画素群が１箇所ある場合＞
連続画素群が１箇所ある場合には、図６に示す処理（図４でステップＳ７）が実行される。ステップＳ３１で、連続画素群を構成する画素数（以下、「連続画素数」）が基準数以下であるかどうかが判断される。ここで、基準数は、レーザ反射光Ｒ２が二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａ上に形成する照射像１６内においてその厚さ方向に並ぶ最大画素数であり、本実施形態では６セルに設定されている。
なお、上記基準数は変更可能に設定できる構成になっている。具体的には、図８等に示すような走査線Ｌ上の複数の画素、それらの受光量レベル、閾値Ｄを示したグラフを画面表示させるよう構成し、作業者が、例えば外乱光の入光がない正常状態における上記画面表示を見て、最適な基準数（例えば画面表示上のグラフにおいて閾値Ｄ以上の受光量を示す画素数）を図示しない設定手段によって再設定する構成になっている。
【００２１】
連続画素数が６セル以下であるときには（ステップＳ３１で「Ｙ」）、この連続画素群はレーザ反射光Ｒ２の入光によるものとみなし、ステップＳ３２で、連続画素群のうち受光信号レベルが最大であった画素の位置を当該走査線Ｋにおける受光中心位置として算出する。
なお、連続画素群のうち受光信号レベルが閾値Ｄと略同レベルであった２つの画素の中間位置を受光中心位置として算出する構成であってもよい。
【００２２】
一方、連続画素数が６セル超であるときには（ステップＳ３１で「Ｎ」）、図８（Ｂ）に示すようにレーザ反射光Ｒ２の入光位置と外乱光の入光位置とが重なっていると考えられる。そこで、ステップＳ３３では、連続画素群のうち受光信号レベルが閾値Ｄと略同レベルであった２つの画素Ｘ１、Ｘ２の中間位置を受光中心位置として算出する。
【００２３】
＜連続画素群が２箇所ある場合＞
連続画素群が２箇所（以上）ある場合には、図８（Ａ）に示すように、レーザ反射光Ｒ２の入光位置とは異なる位置に、外乱光が入光していると考えられる。このとき、制御部１５は、図７に示す処理（図４でステップＳ８）を実行する。ステップＳ４１で連続画素数が６セル以下の連続画素群が１つであるかどうかが判断される。ここで、６セル以下の連続画素群が１箇所で、他の連続画素群は６セル超であるときは、この６セル超の連続画素群は外乱光の入光によって形成されたものとみなされる。そして、６セル以下の連続画素群を構成する画素うち最大受光信号レベルの画素の配置位置を受光中心位置として算出する。
【００２４】
一方、６セル以下の連続画素群が２箇所あるときには（ステップＳ４３で「Ｙ」）、図１０に示すように、レーザ反射光Ｒ２の入光位置とは別の位置に、レーザ反射光Ｒ２の照射幅と同レベルからそれより狭い外乱光が入光していることによると考えられる。例えば太陽光が極めて金属部分で反射・集光して極小スポットとして二次元ＣＣＤ１３の撮像面１３Ａに入光する場合である。この場合、この外乱光の極小スポットの光強度は極めて高く、これを受光した画素の受光信号レベルが飽和すると考えられる。そこで、ステップＳ４４で各連続画素群の受光信号レベルが飽和レベルにあるかどうかを判定し、飽和レベルにない方の連続画素群をレーザ反射光Ｒ２によるものとみなして受光中心位置を算出するようにしている（同図（Ａ）参照）。
【００２５】
なお、図１０（Ｂ）のように外乱光の入光により形成される連続画素群と、レーザ反射光Ｒ２の入光により形成される連続画素群との両方が飽和レベルになる場合があるが、この場合は、連続画素数が少ない方の受光信号に基づいて受光中心位置を算出するようにしてもよい。
逆に、図９（Ａ）に示すように、ノイズの影響などによってレーザ反射光Ｒ２の入光による各画素の受光信号レベルが部分的に欠けて、結果として６セル以下の連続画素群が２箇所形成される場合がある。この場合、ともに飽和レベルまでは達しないと考えられる。このときには、最大受光信号レベルが高い方の連続画素群に基づいて受光中心位置を算出する。
【００２６】
以上のように図４のステップＳ６〜Ｓ８のいずれかの処理によって、１〜Ｎ番目までの走査線Ｌについて順次受光中心位置が算出される（ステップＳ９，Ｓ１０）。そして、１〜Ｎ番目までの走査線Ｌ上における受光中心位置から対象物体Ｗのうち上記レーザ光Ｒ１が照射される部位の表面形状を検出するのである。そして、対象物体Ｗと表面測定装置１０とを相対的に移動させつつ同様の表面形状検出を各部位について行うことで、対象物体Ｗ全体の表面形状を検出することができる。
【００２７】
３．本実施形態の効果
以上の述べたように、本実施形態では、所定の閾値Ｄ以上の受光レベルを示した画素が連続する数（連続画素数）が、基準数を超える場合、その連続画素には外乱光が入光しているとみなす。その一方で、基準数以下である場合、その連続画素には正規の反射光（レーザ反射光Ｒ２）が入光しているとみなし、その正規の反射光が入光したとみなした連続画素からの受光信号に基づき各走査線Ｌ毎の受光中心位置を検出する。
これにより外乱光の入光による影響を排して対象物体Ｗの表面形状を正確に検出することができる。
【００２８】
また、上記基準数は、レーザ反射光Ｒ２が二次元ＣＣＤ１３上に形成される照射像１６内においてその厚み方向に並ぶ画素数に応じた数である。従って、例えば上記照射像１６の厚みを狭めるように投光手段から出射する光の光芒を調整するなどして、微小幅に入光する外乱光による影響も排除することが可能になる。
【００２９】
更に、各走査線Ｌ上において最大受光信号レベルであった画素の配置位置を当該走査線Ｌ上の受光中心位置とする構成になっている。これにより、単に各走査線Ｌ上の最大受光量レベルを示した画素の配置位置を受光中心位置と定めることができ、比較的簡単で高速な処理が可能となる。
【００３０】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
（１）上記実施形態では、スリット板を介して板状のレーザビームを出射することで、対象物体表面に（直）線状に光を照射させる構成としたが、これに限らず、例えば、比較的細い光芒の光を対象物体の表面に照射させつつ、その照射点を所定方向に移動させることで対象物体表面に（直）線状に光を照射させる構成としても対象物体の表面形状の検出が可能であり、本発明の適用も可能である。
（２）投光手段から照射され対象物体表面で反射した反射光が二次元撮像素子に入光した場合の（最大）受光信号レベルを予めサンプリングしておいて、表面形状検出動作時において、このサンプリング受光信号レベルに最も近い受光信号レベルを示す画素を含む連続画素群を、レーザ反射光による正規の受光とみなして受光中心位置を算出する構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る表面形状検出装置の全体構成図
【図２】レーザ光、対象物体、二次元ＣＣＤの位置関係を示した斜視図
【図３】二次元ＣＣＤの撮像面を示した模式図
【図４】制御部の制御を示すフローチャート（１）
【図５】制御部の制御を示すフローチャート（２）
【図６】制御部の制御を示すフローチャート（３）
【図７】制御部の制御を示すフローチャート（４）
【図８】一走査線上の各画素と受光信号レベルを示したグラフ（１）
【図９】一走査線上の各画素と受光信号レベルを示したグラフ（２）
【図１０】一走査線上の各画素と受光信号レベルを示したグラフ（３）
【符号の説明】
【００３２】
１０…表面形状検出装置
１１…レーザ光源
１２…スリット板
１３…二次元ＣＣＤ
１５…制御部
１６…照射像
Ｄ…閾値
Ｌ（Ｌ１〜ＬＮ）…走査線
Ｒ１…レーザ光
Ｒ２…レーザ反射光
Ｗ…対象物体
【図１】
2005106675.tif 000003
【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】
2005106675.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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