(57)【要約】      （修正有）【課題】特異な輝度を持つ画素に影響されない重心位置算出を行い、変位測定の精度を向上する変位測定方法および変位測定装置を得る。【解決手段】計測対象１にスリット光３を照射するスリット光照射装置２と、スリット光３を計測対象１に照射することによって生成される光切断線４を撮影するカメラ５と、カメラ５により得られた光切断線像から計測対象１の変位を求める画像処理装置７と、を備え、画像処理装置７は、カメラ５により得られた光切断線像の重心位置演算方向の各画素の輝度を最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させた後、さらに輝度値と近似値の差分を用いて重み付き最小二乗法で理想的な輝度分布に再近似させ、その分布の期待値から光切断線像の重心位置を算出して計測対象１の変位を求める。【選択図】図１
2013113696.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象にスリット光を照射して生成した光切断線を撮影して得た光切断線像の重心位置を算出し、上記計測対象の変位を求める変位測定方法において、
上記光切断線像の重心位置演算方向の各画素の輝度を最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させた後、さらに輝度値と近似値の差分を用いて重み付き最小二乗法で理想的な輝度分布に再近似させ、その分布の期待値から上記光切断線像の重心位置を算出して上記計測対象の変位を求めることを特徴とする変位測定方法。
【請求項２】
計測対象にスリット光を照射して生成した光切断線を撮影して得た光切断線像の重心位置を算出し、上記計測対象の変位を求める変位測定方法において、
上記光切断線像の重心位置演算方向の任意の輝度分布とその近隣の輝度分布を比較して、極端に輝度値の異なる画素があれば、その画素を除外して最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させ、上記任意の輝度分布の期待値から上記光切断線像の重心位置を算出して上記計測対象の変位を求めることを特徴とする変位測定方法。
【請求項３】
上記スリット光の焦点を調節することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の変位測定方法。
【請求項４】
計測対象にスリット光を照射するスリット光照射装置と、
上記スリット光を上記計測対象に照射することによって生成される光切断線を撮影する撮影装置と、
上記撮影装置により得られた光切断線像から上記計測対象の変位を求める画像処理装置と、を備え、
上記画像処理装置は、
上記撮影装置により得られた光切断線像の重心位置演算方向の各画素の輝度を最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させた後、さらに輝度値と近似値の差分を用いて重み付き最小二乗法で理想的な輝度分布に再近似させ、その分布の期待値から上記光切断線像の重心位置を算出して上記計測対象の変位を求めることを特徴とする変位測定装置。
【請求項５】
計測対象にスリット光を照射するスリット光照射装置と、
上記スリット光を上記計測対象に照射することによって生成される光切断線を撮影する撮影装置と、
上記撮影装置により得られた光切断線像から上記計測対象の変位を求める画像処理装置と、を備え、
上記画像処理装置は、
上記撮影装置により得られた光切断線像の重心位置演算方向の任意の輝度分布とその近隣の輝度分布を比較して、極端に輝度値の異なる画素があれば、その画素を除外して最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させ、上記任意の輝度分布の期待値から上記光切断線像の重心位置を算出して上記計測対象の変位を求めることを特徴とする変位測定装置。
【請求項６】
上記スリット光の焦点を調節する焦点調節装置を備えたことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の変位測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、計測対象の変位を測定する変位測定方法および変位測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
計測対象の変位を測定する方法として、光切断法がある。これは、計測対象にスリット光を照射してできた光切断線をカメラで撮影し、その光切断線像の輝度データから重心位置を計算することにより計測対象物の変位を求めるものである。
【０００３】
この方法を用いた三次元形状認識装置が特開平３−２４９５０９号公報（特許文献１）に開示されている。図７は、この特許文献１に開示された三次元形状認識装置の構成を模式的に示すもので、測定対象物にスリット光を照射するスリット光発生装置７０、スリット光によって測定対象物上に形成された光学像を撮像するカメラ７１、カメラ７１による画像データを、画素セルを単位として取り込む画像取り込み器７２、画像データの重心を演算する重心演算器７３、線状に集約した画像データの座標を得る座標演算器７４、および画像取り込み器７２と重心演算器７３との間に介在された光強度平均器７５とにより構成されている。なお、光強度平均器７５は、画像セルの光強度をばらつきなく平均化するもので、中心となる画像セルにつきその周囲の画像セルの光強度を加味するものである。
【０００４】
上記構成による特許文献１に開示された三次元形状認識装置は、図８に示すような平均化処理をすることによって、ＣＣＤセルの特性のばらつきや雑音の影響による画像セル、即ち、画素の輝度ムラを減少し、重心位置の算出精度を向上させている。即ち、図８（ａ）の画素Ａに対しては、図８（ｂ）に示す画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの輝度の平均値、または図８（ｃ）に示す画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉの輝度の平均値を用いることにより、画素の輝度ムラを減少し、重心位置の算出精度を向上させている。そして、図８（ａ）の拡大である図８（ｄ）のＸ座標、Ｚ座標で示す光切断線像の輝度値に対し、上記のような平均化処理を行った後、重心位置を算出している。
【０００５】
また、光切断線の重心位置を算出する方法が特開平６−７４７２４号公報（特許文献２）に開示されている。特許文献２に開示された光切断線の重心位置算出方法は、カメラを光切断線の重心演算方向に画素間ピッチより小さいステップ量ずつ複数回移動させて撮影するもので、これによって分解能を上げて重心演算データを増やし、光切断線像の重心位置算出の精度を上げるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２４９５０９号公報
【特許文献２】特開平６−７４７２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光切断線像には、計測対象表面で拡散反射した光同士の干渉などによって、特異な輝度を持つ画素がランダムに現れる場合がある。上記特許文献１に開示された光切断線像の重心位置演算方法では、どの画素に対しても周囲の画素を用いて平均化処理を行うため、重心位置演算結果は、特異な輝度の影響を受けることになる。例えば、異常に高い輝度を持つ画素が含まれていれば、平均化処理をすることによってその周囲の画素の輝度が高くなり、重心位置演算結果は輝度の高い画素位置に片寄る。このため、計測対象の表面形状を
測定する場合、特異な輝度を持つ画素が存在すれば、重心位置演算に誤差が生じ、計測した表面形状にノイズが含まれるという課題がある。
【０００８】
また、時間経過によって特異な輝度を持つ画素位置が変動すれば、重心位置も変動し、変位測定の繰り返し再現性が低くなるという課題がある。
【０００９】
また、上記特許文献２に開示された光切断線の重心位置算出方法においても、特異な輝度を持つ画素を含んだまま重心位置を算出するため、計測対象の表面形状を測定する場合、特異な輝度を持つ画素が存在すれば、重心位置演算に誤差が生じ、計測した表面形状にノイズが含まれるという課題がある。
【００１０】
この発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、特異な輝度を持つ画素に影響されない重心位置算出を行い、変位測定の精度を向上する変位測定方法および変位測定装置を得ることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る変位測定方法は、計測対象にスリット光を照射して生成した光切断線を撮影して得た光切断線像の重心位置を算出し、上記計測対象の変位を求める変位測定方法において、上記光切断線像の重心位置演算方向の各画素の輝度を最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させた後、さらに輝度値と近似値の差分を用いて重み付き最小二乗法で理想的な輝度分布に再近似させ、その分布の期待値から上記光切断線像の重心位置を算出して上記計測対象の変位を求めるものである。
【００１２】
また、この発明に係る変位測定装置は、計測対象にスリット光を照射するスリット光照射装置と、上記スリット光を上記計測対象に照射することによって生成される光切断線を撮影する撮影装置と、上記撮影装置により得られた光切断線像から上記計測対象の変位を求める画像処理装置と、を備え、上記画像処理装置は、上記撮影装置により得られた光切断線像の重心位置演算方向の各画素の輝度を最小二乗法で理想的な輝度分布に近似させた後、さらに輝度値と近似値の差分を用いて重み付き最小二乗法で理想的な輝度分布に再近似させ、その分布の期待値から上記光切断線像の重心位置を算出して上記計測対象の変位を求めるものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、上記構成により、ノイズの少ない変位測定および表面形状の測定ができると共に、時間経過による測定ばらつきを抑えた変位測定および表面形状の測定ができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る変位測定装置の構成を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る変位測定装置の光切断線像を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る変位測定方法を説明する模式図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る変位測定方法を説明する模式図である。
【図５】この発明の実施の形態２に係る変位測定方法を説明する模式図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る変位測定方法を説明する模式図である。
【図７】従来の三次元形状認識装置の構成を示す模式図である。
【図８】従来の三次元形状認識装置の重心位置算出方法を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明に係る変位測定方法および変位測定装置の好適な実施の形態について図
面を参照して説明する。なお、これらの実施の形態により発明が限定されるものではなく、その発明の範囲内において、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、省略することが可能である。
【００１６】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る変位測定装置の構成を示す模式図である。図１において、ｘ、ｙ、ｚで示される矢印は次に説明する方向を示すものである。即ち、ｘはスリット光の長軸に対して平行な方向を示し、ｙはスリット光の長軸と垂直な方向を示し、Ｚ軸はｘ軸とｙ軸から成る面に対して垂直な方向、即ち高さ方向を示している。
【００１７】
計測対象１は、この実施の形態で高さあるいは表面形状を測定する対象物である。スリット光照射装置２は、光の強度分布がガウス分布であるスリット光３を計測対象１に照射し、スリット光３が計測対象１の表面に照射された箇所は光切断線４となる。撮影装置、例えばカメラ５は、ｘ軸方向に対して平行に設置され、かつ光軸がｙｚ平面に平行となるように設置されており、光切断線４を撮影する。カメラ５による撮影画像は、図２に示すような光切断線像６となる。光切断線像６はデジタル画像である。
【００１８】
図３にｘ’、ｙ’で示す矢印は、それぞれ図１の矢印ｘとｙに対応しており、矢印ｘ’は光切断線像６の線の長さ方向を示している。また、矢印ｙ’は、光切断線像６の線の幅方向を示している。画像処理装置７は、カメラ５で撮影して得られた光切断線像６を取り込み、図３の矢印ｙ’方向に輝度の重心位置を算出し、三角測量の原理を用いて重心位置を図１における矢印ｚ方向（高さ方向）の位置に変換する。焦点調節装置８は、計測対象１に対してスリット光照射装置２から照射したスリット光３の焦点を調節している。
【００１９】
スリット光照射装置２の光源は、シングル横モードのレーザーを用いた点光源であり、その強度分布はガウス分布である。この点光源をレンズで均一に一方向に広げることによってスリット光３に変換し、ｙ軸方向の強度分布がガウス分布であるスリット光３を計測対象１に照射する。
【００２０】
強度分布がガウス分布となる点光源としては、ＬＥＤ照明やハロゲン照明を使用し、光の強度分布をガウス分布に変換するようなレンズ、フィルタ、あるいは光導波路などを透過させても良く、また、ガルバノミラーやポリゴンミラーを用いて走査することで、点光源をスリット光３に変換しても良い。
【００２１】
更に、ＬＥＤ照明光やハロゲン照明光をレンズでスリット状にしてから、光の強度分布をガウス分布に変換するレンズ、フィルタ、あるいは光導波路などを透過させても良く、ＬＥＤ照明光やハロゲン照明光をレンズで点光源に変換し、レンズやガルバノミラー、ポリゴンミラーでスリット状にしてから、光の強度分をガウス分布に変換するレンズ、フィルタ、あるいは光導波路などを透過させても良い。
【００２２】
焦点調節装置８は、スリット光照射装置２から出力されたスリット光３の焦点をズームレンズやバリフォーカルレンズ（焦点可変レンズ）で調節する。なお、焦点調節装置８に替えてスリット光照射装置２の内部で、スリット光３に変換される前の点光源をズームレンズやバリフォーカルレンズ（焦点可変レンズ）を用いて焦点調節しても良く、スリット光照射装置２と計測対象１の距離を変化させて、スリット光３の焦点を調節しても良い。
【００２３】
実施の形態１に係る変位測定装置は上記のように構成されており、同装置を用いて計測対象１の高さを測定方法について説明する。
スリット光照射装置２から光の強度分布がガウス分布であるスリット光３を計測対象１に照射する。焦点調節装置８で計測対象１に対してスリット光３の焦点がデフォーカスす
るように調節し、光切断線４がぼやけるよう設定する。この光切断線４をカメラ５で撮影し、光切断線像６として画像処理装置７に取り込む。光切断線４はぼやけており強度分布が広がっているため、光切断線像６のうち光切断線４に該当する部分の輝度分布も広がり光切断線４に該当する画素数が増える。
【００２４】
このような光切断線像６を画像処理装置７に取り込み、図３に示すようなｙ’軸方向の画素列９について輝度重心を算出する。まず、最小二乗法を用いて画素列９の輝度分布に近似した（１）式のようなガウス分布Ｇｉを求める。
【００２５】
【数１】
2013113696.tif 000003
【００２６】
ただし、ｉはｙ’軸方向の画素位置、Ｇｉは画素位置ｉにおいて画素列９をガウス分布で近似した輝度を示す。また、Ｎ、ｍ、σは、それぞれ輝度分布全体の大きさ、輝度分布の期待値（重心位置）、輝度分布の広がりを示すパラメータであり、最小二乗法で求められるのはこれら三つのパラメータである。
【００２７】
次に、画素列９の輝度分布と近似したガウス分布の差分を求め、次式のように各画素の重みを決定する。
【００２８】
【数２】
2013113696.tif 000004
【００２９】
【数３】
2013113696.tif 000005
【００３０】
ただし、ｆｉは画素列９における画素位置ｉの輝度、ｄｉはｆｉとＧｉの差分、ｗｉは画素位置ｉの画素の重み、Ｗは重み決定のための閾値を示す。この式では差分ｄｉの絶対値が大きいほど重みが小さくなり、更に、差分ｄｉの絶対値が予め設定した閾値Ｗよりも大きければ重みを０とする。
【００３１】
なお、重みｗｉは差分ｄｉの絶対値または二乗した値が大きいほど小さくなれば良く、差分ｄｉの絶対値または二乗した値が閾値Ｗよりも大きければ、重みを０としても良い。または、上記２つの方法の混合でも良い。そのため、（３）式の代わりに、差分ｄｉの絶対値または二乗した値の逆数を重みｗｉとしても良い。また、差分ｄｉの絶対値または二乗した値が閾値Ｗよりも大きければ重みを０とし、閾値Ｗよりも小さければ重みを１とし
ても良い。
【００３２】
各画素の重みｗｉが決定すれば、重み付き最小二乗法を用いて各画素列の輝度分布に近似したガウス分布を再度求める。ここで得られたパラメータｍが画素列９の重心位置となる。例えば、画素列９の輝度分布が図４に示すようなものであるとする。ここでは計算を容易にするため、諧調数は変えずに輝度範囲を０〜１で正規化を行い、輝度値の対数をとった。最小二乗法によって、この輝度値の対数の分布に近似したガウス分布は図４に示す点線のようになる。更に、重み付き最小二乗法によって近似したガウス分布は図４に示す実線のようになる。ただし、閾値Ｗ＝１．０である。こうして得られたパラメータは、それぞれＮ≒０．０６５８、ｍ≒−０．０５１０、σ≒１．１１８０となり、図４の場合、輝度分布の重心位置は、パラメータｍを輝度位置に変換した７２．７０１０画素となる。
【００３３】
最後に、上記の方法で得られた重心位置から三角測量を用いて、計測対象１の高さまたは表面形状を測定することができる。
【００３４】
従って、計測対象１の表面で拡散反射した光同士の干渉などによって光切断線像６に特異な輝度を持つ画素１０（図２参照）が含まれた場合、特異な輝度を持つ画素１０を除外または重み付けを用いて影響度を小さくして重心位置を算出するため、重心位置が特異な輝度を持った画素に片寄らない。そのため、特異な輝度を持つ画素１０がランダムに発生した場合に、高さ測定結果または表面形状の測定結果に現れる微細なノイズを低減することができる。
【００３５】
また、時間経過によって特異な輝度を持つ画素１０の位置が変動した場合に、高さ測定結果または表面形状の測定結果の時間経過によるばらつきを低減することができる。
【００３６】
特許文献１の開示技術のように、光切断線像６に対して平均化処理を行えば、光切断線像６に含まれる微小な輝度のムラやノイズを低減することができ、特異な輝度を持つ画素が含まれている場合は特異な画素の輝度値は減少するが、その周囲の画素の輝度値が高くなり、重心位置は特異な輝度を持つ画素に片寄る。従って、高さ測定結果や表面形状の測定結果のノイズや時間的なばらつきを抑えるためには、特異な輝度を持つ画素を除去または影響度を小さくして重心位置を算出する方法が有効である。
【００３７】
実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る変位測定方法および変位測定装置について説明する。実施の形態２では、実施の形態１に対して、光切断線像６の重心位置算出方法が異なる。
まず、画像処理装置７に取り込んだ光切断線像６に対して、図５に示すｙ’軸方向の画素列９の輝度分布と、その両隣の画素列１１および１２の輝度分布を抽出する。重心位置を求めるのは画素列９である。画素列１１の輝度分布と画素列１２の輝度分布の平均を求め、次式のように画素列９について各画素の重みを決定する。
【００３８】
【数４】
2013113696.tif 000006
【００３９】
【数５】
2013113696.tif 000007
【００４０】
ただし、ａｉはｙ’軸方向の画素位置ｉにおける画素列１１と画素列１２の輝度の平均値、ｆｉは画素列９における画素位置ｉの輝度、ｄｉは各画素の輝度ｆｉとａｉの差分、ｗｉは画素位置ｉの重み、Ｗは重み決定のための閾値である。この式は、差分ｄｉの絶対値が予め設定した閾値Ｗ以内であれば重みを1とし、閾値Ｗより大きければ重みを０にす
る。
【００４１】
なお、重みは画素列９が近隣の画素列と比較して、差分ｄｉが大きければ重みを０とすれば良い。そのため、画素列９と比較する画素列は、画素列１１のみでも良く、画素列１２のみでも良い。また、画素列は複数でも良い。また、比較する画素列が複数であった場合、差分ｄｉは複数の画素列の輝度分布の平均値との差分でも良く、複数の画素列の最大値との差分でも良い。また、複数の画素列の最小値との差分でも良い。更に、閾値Ｗとの比較は、差分ｄｉの絶対値の代わりに差分ｄｉを二乗した値を使用しても良い。
【００４２】
各画素の重みが決定すれば、重み付き最小二乗法を用いて各画素列の輝度分布に近似した（１）式のガウス分布を求める。ここで得られたパラメータｍが画素列９の重心位置となる。例えば、画素列９の輝度分布が図６に示すようなものであるとする。画素列９の両隣である画素列１１と画素列１２の平均値を求め、画素列９の輝度分布との差分を採ると、図６の点線で示す画素が重み０となる。ただし、閾値Ｗ＝２０である。ここで、計算を容易にするため、諧調数は変えずに輝度範囲を０〜１で正規化を行い、輝度値の対数を採った。重み付き最小二乗法によって、この輝度値の対数の分布に近似したガウス分布は図６に示す実線のようになる。こうして得られたパラメータは、それぞれＮ≒０．０７０１、ｍ≒−０．０４４１、σ≒１．１０５４となり、図６の場合、輝度分布の重心位置はｍを輝度位置に変換した７２．７２９４画素となる。従って、実施の形態２による重心位置算出方法も実施の形態１と同じ効果を得る。
【符号の説明】
【００４３】
１  計測対象                            ２  スリット光照射装置
３  スリット光                          ４  光切断線
５、７１  カメラ                        ６  光切断線像
７  画像処理装置                        ８  焦点調節装置
９、１１、１２  画素列                  １０  特異な輝度を持つ画素
７０  スリット光発生装置                ７２  画像取り込み器
７３  重心演算器                        ７４  座標演算器
７５  光強度平均器
【図１】
2013113696.tif 000008
【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】
2013113696.tif 000013
【図７】
2013113696.tif 000014
【図８】
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