(57)【要約】３次元形状計測システム１０は、測定対象物１を一定方向に搬送する搬送テーブル１２と、搬送テーブル１２によって搬送中の測定対象物１に対してスリット光を照射するスリット光源１４と、スリット光の照射された測定対象物１を撮像するカメラ１６と、コンピュータ装置１８とディスプレイ２０とを備えて構成される。コンピュータ装置１８の３次元形状算出部１８ｂは、カメラ１６によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、測定対象物１の３次元形状を算出する。ここで特に、３次元形状算出部１８ｂは、カメラによって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置を抽出するに際し、受光面の一辺の方向に沿った画素列毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物を一定方向に搬送する搬送テーブルと、
前記搬送テーブルによって搬送中の前記測定対象物に対してスリット光を照射するスリット光源と、
前記スリット光の照射された前記測定対象物を撮像する撮像装置と、
前記撮像装置によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、前記測定対象物の３次元形状を算出する３次元形状算出手段と
を備えたことを特徴とする３次元形状計測システム。
【請求項２】
前記スリット光源は、その長軸が前記一定方向と垂直となるようなスリット光を照射し、
前記撮像装置は、その受光面の一辺が前記スリット光の長軸と垂直になるように配置され、
前記３次元形状算出手段は、前記撮像装置によって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置を抽出するに際し、前記受光面の一辺の方向に沿った画素列毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出する
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状計測システム。
【請求項３】
前記撮像装置は、前記スリット光の長軸方向における撮像可能範囲を広げるためのレンズを有している
ことを特徴とする請求項１に記載の３次元形状計測システム。
【請求項４】
測定対象物を搬送テーブルに載置して一定方向に搬送する搬送ステップと、
前記搬送テーブルによって搬送中の前記測定対象物に対して、スリット光源からスリット光を照射するスリット光照射ステップと、
前記スリット光の照射された前記測定対象物を、撮像装置を用いて撮像する撮像ステップと、
前記撮像装置によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、前記測定対象物の３次元形状を算出する３次元形状算出ステップと
を備えたことを特徴とする３次元形状計測方法。
【請求項５】
前記スリット光照射ステップは、前記スリット光源から、その長軸が前記一定方向と垂直となるようなスリット光を照射し、
前記撮像ステップは、その受光面の一辺が前記スリット光の長軸と垂直になるように配置された撮像装置を用いて、前記スリット光の照射された前記測定対象物を撮像し、
前記３次元形状算出ステップは、前記撮像装置によって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置を抽出するに際し、前記受光面の一辺の方向に沿った画素列毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出する
ことを特徴とする請求項４に記載の３次元形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、３次元形状計測システム及び３次元形状計測方法に関するものである。
【背景技術】  測定対象物の３次元形状を計測するシステムとして、例えば特開平８−２０１０４１号公報に開示された３次元形状計測システムが知られている。この３次元形状計測システムは、２つのカメラを用いて測定対象物を撮像し、２つのカメラそれぞれによって撮像された画像の視差情報に三角測量の原理を適用し、測定対象物の３次元形状を計測する。
【発明の開示】
しかしながら、上記従来の３次元形状計測システムには、以下に示すような問題点があった。すなわち、上記従来の３次元形状計測システムは、２つのカメラから出力される画像それぞれの視差情報を算出する必要があり、３次元形状計測のための計算処理が極めて複雑となる。その結果、３次元形状計測のための計算処理に時間がかかり、３次元形状計測の高速化が図れない。
そこで本発明は、高速に３次元形状計測を行うことができる３次元形状計測システム及び３次元形状計測システムを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の３次元形状計測システムは、測定対象物を一定方向に搬送する搬送テーブルと、前記搬送テーブルによって搬送中の前記測定対象物に対してスリット光を照射するスリット光源と、前記スリット光の照射された前記測定対象物を撮像する撮像装置と、前記撮像装置によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、前記測定対象物の３次元形状を算出する３次元形状算出手段とを備えたことを特徴としている。
また、上記課題を解決するために、本発明の３次元形状計測方法は、測定対象物を搬送テーブルに載置して一定方向に搬送する搬送ステップと、前記搬送テーブルによって搬送中の前記測定対象物に対して、スリット光源からスリット光を照射するスリット光照射ステップと、前記スリット光の照射された前記測定対象物を、撮像装置を用いて撮像する撮像ステップと、前記撮像装置によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、前記測定対象物の３次元形状を算出する３次元形状算出ステップとを備えたことを特徴としている。
撮像装置によって撮像された画像におけるスリット光の位置は、搬送テーブルに対する測定対象物表面の高さに応じて変化する。従って、撮像装置によって撮像された画像におけるスリット光の位置を検出することにより、搬送テーブルに対する測定対象物表面の高さを算出できる。この場合、スポット光ではなくスリット光を用いていることで、スリット光の長軸方向について、搬送テーブルに対する測定対象物表面の高さを同時に算出することができる（すなわち、測定対象物をスリット光の長軸方向にスライスしたものの形状を算出することができる）。さらに、測定対象物を搬送テーブルによって搬送しながら、これらの処理を行うことで、測定対象物の３次元形状を計測することができる（すなわち、測定対象物をスリット光の長軸方向にスライスしたものを重ね合わせたものの形状を計測することができる）。この場合、視差情報の算出のような複雑な計算処理が不要となり、高速に３次元形状計測を行うことが可能となる。
また、本発明の３次元形状計測システムにおいては、前記スリット光源は、その長軸が前記一定方向と垂直となるようなスリット光を照射し、前記撮像装置は、その受光面の一辺が前記スリット光の長軸と垂直になるように配置され、前記３次元形状算出手段は、前記撮像装置によって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置を抽出するに際し、前記受光面の一辺の方向に沿った画素列毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出することを特徴とすることが好適である。
同様に、本発明の３次元形状計測方法においては、前記スリット光照射ステップは、前記スリット光源から、その長軸が前記一定方向と垂直となるようなスリット光を照射し、前記撮像ステップは、その受光面の一辺が前記スリット光の長軸と垂直になるように配置された撮像装置を用いて、前記スリット光の照射された前記測定対象物を撮像し、前記３次元形状算出ステップは、前記撮像装置によって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置を抽出するに際し、前記受光面の一辺の方向に沿った画素列毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出することを特徴とすることが好適である。
画素列毎に過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出することで、全範囲を探索してスリット光の位置を抽出する場合と比較して、スリット光の位置を抽出する処理を高速化することができる。
また、本発明の３次元形状計測システムにおいては、前記撮像装置は、前記スリット光の長軸方向における撮像可能範囲を広げるためのレンズを有していることを特徴とすることが好適である。
このようなレンズを設けることで、スリット光の長軸方向における撮像装置の撮像可能範囲を広げることができる。
【図面の簡単な説明】図１は、３次元形状計測システムの斜視図である。
図２は、３次元形状計測システムのシステム構成図である。
図３は、３次元形状算出部１８ｂにおける３次元形状を算出する手順を示す図である。
図４は、測定対象物１の表面の高さを算出するための手法を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】  本発明の３次元形状計測システムの実施形態について、図面を用いて説明する。
まず、本実施形態の３次元形状計測システムの構成について説明する。図１は本実施形態の３次元形状計測システムの斜視図であり、図２は、本実施形態の３次元形状計測システムのシステム構成図である。
本実施形態の３次元形状計測システム１０は、図１及び図２に示すように、搬送テーブル１２と、スリット光源１４と、カメラ１６（撮像装置）と、コンピュータ装置１８とディスプレイ２０とを備えて構成される。以下、各構成要素について詳細に説明する。
搬送テーブル１２は、一定速度で回転するベルトコンベアによって構成されており、ベルト上に載置された測定対象物１を一定方向（図１のｘ軸正方向）に搬送する。搬送テーブル１２は、例えば、１００ｍ／分程度のスピードで、ベルト上に載置された測定対象物１を搬送する。
スリット光源１４は、搬送テーブル１２によって搬送中の測定対象物１に対してスリット光を照射する。ここで、スリット光源１４は、特に、その長軸がベルトコンベアによる測定対象物の搬送方向（上記一定方向、すなわち図１のｘ軸正方向）と垂直となるようなスリット光を照射する。すなわち、スリット光源１４は、搬送テーブル１２の上方（図１のｚ軸正方向）に配置され、その長軸が図１のｙ軸方向と平行となるようなスリット光を照射する。
スリット光源１４としては、１次元半導体レーザアレイ、半導体レーザとシリンドリカルレンズとの組み合わせ、半導体レーザとレーザ光スキャン機構（例えば回転鏡）との組み合わせなど、種々の構成が採用され得る。
カメラ１６は、搬送テーブル１２においてスリット光の照射される位置の斜め上方に、その受光面の一辺（図１のＹ軸方向）がスリット光の長軸（図１のｙ軸方向）と垂直になるように配置されており、スリット光の照射された測定対象物１を撮像する。カメラ１６には、スリット光の長軸方向における撮像可能範囲を広げるために、スリット光の長軸方向と垂直な方向に中心軸を有するシリンドリカルレンズ１６ａが設けられている。
カメラ１６は、１０２４フレーム／秒以上の高フレームレートを有する。このようなカメラとしては、例えば、フォトロン社のＦＡＳＴＣＡＭ  ｕｌｔｉｍａ１０２４などが考えられる。カメラ１６は、１０２４ピクセル×１０２４ピクセル以上の空間解像度を有することが好ましいが、これは、必要とされる精度に応じて、５１２ピクセル×５１２ピクセル、１２８ピクセル×１２８ピクセルというように適宜変更することもできる。カメラ１６は、ＲＧＢそれぞれが２５６階調（８ビット）以上のカラー画像を撮像するカラーカメラが好ましいが、ＲＧＢそれぞれが２５６階調未満のカラー画像を撮像するカラーカメラや、白黒画像を撮像する白黒カメラを用いることもできる。
コンピュータ装置１８は、物理的には、パーソナルコンピュータやワークステーションなどの汎用コンピュータであり、特定のソフトウェアをインストールすることによって図２に示す入力インタフェース部１８ａ、３次元形状算出部１８ｂ（３次元形状算出手段）、出力インタフェース部１８ｃの機能を実現する。
入力インタフェース部１８ａは、カメラ１６によって得られる画像データを、順次、コンピュータ装置１８に取り込み、取り込んだ画像データを、順次、３次元形状算出部１８ｂに対して出力する。
３次元形状算出部１８ｂは、カメラ１６によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、測定対象物１の３次元形状を算出する。図３は、３次元形状算出部１８ｂにおける３次元形状を算出する手順を示す図である。３次元形状算出部１８ｂは、まず、入力インタフェース部１８ａから出力された２次元の画像データ３０を用いて、受光面のＹ軸方向（スリット光の長軸と垂直な方向）に延びる複数（例えば１０２４本）の画素列３２（例えば１画素×１０２４画素）それぞれにおいて、スリット光の位置３４を抽出する。ここで、３次元形状算出部１８ｂは、カメラ１６によって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置３４を抽出するに際し、受光面のＹ軸方向に延びる画素列３２毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲３６（例えば、前時刻の画像におけるスリット光の位置を中心とした１画素×１６画素）を探索してスリット光の位置３４を抽出する。ここで、全ての画素列３２（例えば１０２４本）について上述の処理を行っても良いし、一定間隔ごとの画素列３２（例えば４本に１本の割合で２５６本）について（いわゆる間引いた状態で）上述の処理を行っても良い。一定間隔ごとの画素列３２について上述の処理を行う場合、次のタイムフレームでは隣の画素列３２の一定範囲３６を算出するようにすることもできる（一定範囲３６が１つの画素列３２内で動くのみならず、隣の画素列３２に対しても移動する）。
３次元形状算出部１８ｂは、続いて、上述の如く抽出されたスリット光の位置３４を用いて、スリット光が照射されている部分について、搬送テーブル１２に対する測定対象物１の表面の高さを算出する。図４は、測定対象物１の表面の高さを算出するための手法を示す図である。図４に示すように、３次元形状算出部１８ｂは、Ｙ軸方向に延びる画素列３２におけるスリット光の位置Ｙ１と、基準線（測定対象物１が存在しない場合において搬送テーブル１２上でスリット光が照射される線）とカメラ１６との距離ｃ、カメラ１６の焦点距離ｆ、カメラ１６の光軸と搬送テーブル１２とのなす角αを用いて、測定対象物１と搬送テーブル１２とカメラ１６との幾何学的な位置関係から、測定対象物１の表面の高さを算出する。なお、図４は、表面の高さの算出手法の一例を示すものであり、測定対象物１と搬送テーブル１２とカメラ１６との幾何学的な位置関係やレンズ系の存在の有無などに応じて算出手法は変わってくる。
３次元形状算出部１８ｂは、Ｙ軸方向に延びる画素列３２すべてについて上述の計算を行うことにより、スリット光の長軸方向（図１のｙ軸方向）について、搬送テーブル１２に対する測定対象物１の表面の高さを算出する。すなわち、３次元形状算出部１８ｂは、測定対象物１をスリット光の長軸方向（図１のｙ軸方向）にスライスしたものの形状を算出する。さらに、３次元形状算出部１８ｂは、スリット光が照射されながら搬送される測定対象物１の画像について、上述の処理を繰り返すことにより、測定対象物１の３次元形状を算出する。すなわち、３次元形状算出部１８ｂは、測定対象物１をスリット光の長軸方向（図１のｙ軸方向）にスライスしたものを図１のｘ軸方向に重ね合わせたものの形状を算出する。
出力インタフェース部１８ｃは、３次元形状算出部１８ｂによって算出された測定対象物１の３次元形状についてのデータをディスプレイ１８に対して出力する。
ディスプレイ２０は、出力インタフェース部１８ｃから出力された、測定対象物１の３次元形状についてのデータを表示する。この場合、ディスプレイ２０は、測定対象物１の３次元形状についての特徴量（搬送テーブル１２に対する最高点の位置および高さなど）を表示してもよいし、測定対象物１の３次元形状を３次元グラフィック表示してもよい。
続いて、本実施形態の３次元形状計測システム１０の動作について説明し、併せて本発明の３次元形状計測方法の実施形態について説明する。３次元形状計測システム１０を用いて測定対象物１の３次元形状を計測するに際しては、まず、測定対象物１を搬送テーブル１２のベルト上に載置し、搬送テーブル１２を一定速度で動かすことによって、ベルト上に載置された測定対象物１を一定方向（図１のｘ軸正方向）に搬送する。また、これと同時に、搬送テーブル１２によって搬送中の測定対象物１に対して、スリット光源１４からスリット光を照射する。
スリット光が照射されながら搬送される測定対象物１は、カメラ１６によって継続的に撮像される。
カメラ１６によって撮像された画像データは、入力インタフェース部１６ａを介して、順次、コンピュータ装置１８に取り込まれ、３次元形状算出部１８ｂに対して出力される。
続いて、３次元形状算出部１８ｂにより、カメラ１６によって撮像された画像におけるスリット光の位置に基づいて、測定対象物１の３次元形状が算出される。まず、入力インタフェース部１６ａから出力された２次元の画像データ３０が用いられ、図３に示すように、受光面のＹ軸方向（スリット光の長軸と垂直な方向）に延びる複数（例えば１０２４本）の画素列３２（例えば１画素×１０２４画素）それぞれにおいて、スリット光の位置３４が抽出される。ここで、カメラ１６によって撮像された各時刻の画像におけるスリット光の位置３４が抽出されるに際しては、受光面のＹ軸方向に延びる画素列３２毎に、過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲３６（例えば、前時刻の画像におけるスリット光の位置を中心とした１画素×１６画素）が探索されてスリット光の位置３４が抽出される。すなわち、次の画像については、今回探索されたスリット光の位置３４に基づいて定められる一定範囲３６が探索されることになる。
続いて、上述の如く抽出されたスリット光の位置３４が用いられ、スリット光が照射されている部分について、搬送テーブル１２に対する測定対象物１の表面の高さが算出される。より具体的には、図４に示すように、Ｙ軸方向に延びる画素列３２におけるスリット光の位置Ｙ１と、基準線（測定対象物１が存在しない場合において搬送テーブル１２上でスリット光が照射される線）とカメラ１６との距離ｃ、カメラ１６の焦点距離ｆ、カメラの光軸と搬送テーブル１２とのなす角αが用いられて、測定対象物１と搬送テーブル１２とカメラ１６との幾何学的な位置関係から、測定対象物１の表面の高さが算出される。
ここで、Ｙ軸方向に延びる画素列３２すべてについて上述の計算が行われ、スリット光の長軸方向（図１のｙ軸方向）について、搬送テーブル１２に対する測定対象物１の表面の高さが算出される。すなわち、測定対象物１をスリット光の長軸方向（図１のｙ軸方向）にスライスしたものの形状が算出される。さらに、スリット光が照射されながら搬送される測定対象物１の画像について、上述の処理が繰り返され、測定対象物１の３次元形状が算出される。すなわち、測定対象物１をスリット光の長軸方向（図１のｙ軸方向）にスライスしたものを図１のｘ軸方向に重ね合わせたものの形状が計測される。
３次元形状算出部１８ｂによって算出された測定対象物の，３次元形状についてのデータは、出力インタフェース部１８ｃを介してディスプレイ１８に対して出力され、ディスプレイ２０に表示される。
続いて、本実施形態の３次元形状計測システムの作用及び効果について説明する。
本実施形態の３次元計測システム１０は、カメラ１６によって撮像された画像におけるスリット光の位置を検出し、当該スリット光の位置に基づいて、搬送テーブル１２に対する測定対象物１の表面の高さを算出する。この場合、スポット光ではなくスリット光を用いていることで、スリット光の長軸方向について、搬送テーブル１２に対する測定対象物１の表面の高さを同時に算出することができる（すなわち、測定対象物１をスリット光の長軸方向にスライスしたものの形状を算出することができる）。さらに、測定対象物１を搬送テーブル１２によって搬送しながら、これらの処理を行うことで、測定対象物１の３次元形状を算出することができる（すなわち、測定対象物１をスリット光の長軸方向にスライスしたものを重ね合わせたものの形状を算出することができる）。すなわち、本実施形態の３次元計測システム１０は、視差情報の算出のような複雑な計算処理を不要とし、高速に３次元形状計測を行うことが可能となる。
また、本実施形態の３次元計測システム１０は、スリット光の位置を抽出するに際し、画素列毎に過去の時刻の画像におけるスリット光の位置に基づいて定められる一定範囲を探索してスリット光の位置を抽出する。従って、全範囲を探索してスリット光の位置を抽出する場合と比較して、スリット光の位置を抽出する処理を高速化することができる。
また、本発明の３次元形状計測システム１０においては、カメラ１６にシリンドリカルレンズ１６ａを設けていることで、スリット光の長軸方向における撮像可能範囲を広げることができる。
【産業上の利用可能性】  本発明は、例えば、製造プロセスにおける製品の３次元形状計測に利用可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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