(57)【要約】  対象物の形状を高精度で計測する。  形状計測システムは、光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光する距離計測ヘッドと、前記反射光に基づいて距離検出波形を生成する距離計測装置と、前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする。
2020170932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光する距離計測ヘッドと、
前記反射光に基づいて距離検出波形を生成する距離計測装置と、
前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項２】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記距離計測装置は、ＦＭＣＷ方式、ＯＣＴ方式、ＴＯＦ方式、または光切断方式を用いて前記反射光に基づいて前記距離検出波形を生成する
の伝搬時間の測定による
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項３】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、前記距離検出波形の前記特徴量として、分散、歪度、尖度、または重心を算出する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項４】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、波形フィッティングに基づいて前記距離検出波形の前記特徴量を算出する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項５】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、前記距離検出波形のピーク強度と周囲の検出波形のピーク強度との相対値に基づいて前記距離検出波形の前記特徴量を算出する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項６】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記補正式、及び前記信頼度重み付け式の少なくとも一方のパラメータは、ユーザが変更可能である
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項７】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、信頼度重み付けされた測定点群を出力する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項８】
請求項７に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、前記信頼度重み付けされた点群に対して、重み付け量に応じてノイズ除去し、フィッティングにより形状を算出する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項９】
請求項1に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、段差を有する前記対象物を計測する場合、複数のピーク点を有する前記距離検出波形の特徴量に基づき、前記段差の位置を算出する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の形状計測システムであって、
前記制御装置は、前記対象物のＣＡＤデータ、及び前記光の照射方向に基づいて前記対象物の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを取得し、前記傾斜角度、前記曲率半径、及び前記粗さに基づいて、前記距離検出波形の前記特徴量を算出する
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載の形状計測システムであって、
前記対象物の前記粗さを表す情報が前記ＣＡＤデータに付加されていない場合、ユーザが前記粗さを表す情報を入力可能である
ことを特徴とする形状計測システム。
【請求項１２】
形状計測システムによる形状計測方法であって、
光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光するステップと、
前記反射光に基づいて距離検出波形を生成するステップと、
前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出するステップと、
前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行うステップと、
を含むことを特徴とする形状計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、形状計測システム、及び形状計測方法に関する。本発明は2019年2月18日に出願された日本国特許の出願番号2019-026172の優先権を主張し、文献の参照による織り込みが認められる指定国については、その出願に記載された内容は参照により本出願に織り込まれる。
【背景技術】
【０００２】
光を用いて非接触で対象物の形状を計測する従来手法では、計測装置と対象物との位置関係や計測環境に起因するノイズによって計測精度が劣化してしまうことがある。【０００３】
この対策として、例えば特許文献1には、同一箇所を複数回計測し、計測再現性が高い箇所は信頼度が高いと重み付けし、計測再現性が低い箇所は信頼度が低いと重み付けし、計測データに対して信頼度重み付けに基づき補正を行うことにより計測データの精度を高める技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−３１６０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
粗い面に対してレーザ光を照射した場合、スペックルが生じる。スペックルはレーザ光等のコヒーレント光を照射した場合に生じる光の干渉現象であり、統計的に求めることができる箇所において、ランダムなタイミングで発生する特徴を有する。上述したように、スペックルの発生はランダムであるが、その反射強度は強い場合が多く、繰り返し再現性は高い場合が多い。そして、粗面が傾斜している場合、レーザ光のビーム径と傾斜角度に依存した計測誤差が生じる。計測誤差は繰り返し再現性が高い場合が多いため、特許文献１に記載の技術のように、計測再現性に基づいて重み付けしたとしても計測データの精度を高めることが困難である。【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、対象物の形状を高精度で計測できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願は、上記課題の少なくとも一部を解決する手段を複数含んでいるが、その例を挙げるならば、以下の通りである。【０００８】
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る形状計測システムは、光を対象物に照射し、前記対象物からの反射光を受光する距離計測ヘッドと、前記反射光に基づいて距離検出波形を生成する距離計測装置と、前記距離検出波形を解析して前記対象物までの計測距離値を算出する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記距離検出波形の特徴量を算出し、補正式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差を補正する処理、及び信頼度重み付け式に前記特徴量を入力して前記計測距離値の誤差の信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一態様によれば、対象物の形状を高精度で計測することが可能となる。【００１０】
上記した以外の課題、構成、及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る形状計測システムの構成例を示す図である。
【図２】図２は、ＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式の原理を説明するための図である。
【図３】図３は、ＦＭＣＷ方式の距離検出波形の一例を示す図である。
【図４】図４は、距離計測ヘッドの構成例を示す図である。
【図５】図５は、走査機構の構成例を示す図である。
【図６】図６は、滑らかな傾斜面に対する距離計測結果の一例を示す図である。
【図７】図７は、粗い傾斜面に対する距離計測結果の一例を示す図である。
【図８】図８は、粗い傾斜面にビームを走査して計測した場合に得られる距離計測結果の一例を示す図である。
【図９】図９は、スペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法を説明するための図である１。
【図１０】図１０は、距離検出波形から統計量に基づいて特徴量を算出する方法の一例を説明するための図である。
【図１１】図１１は、波形フィッティングにより特徴量を算出する方法の一例を説明するための図である。
【図１２】図１２は、滑らかな曲面に対する距離計測結果の一例を示す図である。
【図１３】図１３は、粗い曲面に対する距離計測結果の一例を示す図である。
【図１４】図１４は、制御装置による第１の処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１５】図１５は、距離計測装置のハードウェアの構成例を示す図である。
【図１６】図１６は、第１の処理に対応するＧＵＩ(Graphical User Interface)画面の表示例を示す図である。
【図１７】図１７は、第１の処理の変形例を説明するフローチャートである。
【図１８】図１８は、図１７のステップＳ１１を説明するための図である。
【図１９】図１９は、図１７の変形例に対応するＧＵＩ画面の表示例を示す図である。
【図２０】図２０は、制御装置による第２の処理の一例を説明するフローチャートである。
【図２１】図２１は、対象物の傾斜角度が分かっている場合に距離検出波形から特徴量を算出する方法の一例を説明するための図である。
【図２２】図２２は、ＣＡＤデータに基づいて対象物の傾斜角度、曲率、及び粗さを求める方法の一例を説明するための図である。
【図２３】図２３は、第２の処理に対応するＧＵＩ画面の表示例を示す図である。
【図２４】図２４は、制御装置による第３の処理を説明するためのフローチャートである。
【図２５】図２５は、段差位置を算出する方法の一例を説明するための図である。
【図２６】図２６は、粗面・傾斜面測定時のスペックル位置と距離検出波形との関係を説明するための図である。
【図２７】図２７は、検出波形ピーク強度の連続性を用いて信頼度の高い点を抽出する概念を示す図である。
【図２８】図２８は、ＦＭＣＷ方式に代えることができる光切断方式について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合及び原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、「Ａからなる」、「Ａより成る」、「Ａを有する」、「Ａを含む」と言うときは、特にその要素のみである旨明示した場合等を除き、それ以外の要素を排除するものでないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合及び原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似又は類似するもの等を含むものとする。
【００１３】
＜本発明の一実施の形態に係る形状計測システム１の構成例＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る形状計測システム１の構成例を示している。該形状計測システム１は、距離計測方式としてＦＭＣＷ(Frequency Modulated Continuous Wave)方式を採用する。形状計測システム１は、距離計測装置１００、距離計測ヘッド１１７、制御装置１１９、表示装置１２０、及び走査機構５００（図５）を備える。
【００１４】
距離計測装置１００において、距離計測制御部１１６は、発振器１０２に対して掃引波形信号を送信する。発振器１０２は、レーザ光源１０１に対して三角波電流を注入し、駆動電流を変調する。これにより、レーザ光源１０１は、一定の変調速度で時間的に周波数掃引されたＦＭ(Frequency Modulated)光を発生する。
【００１５】
なお、レーザ光源１０１を外部共振器付き半導体レーザ装置によって構成し、レーザ光源１０１の共振波長を発振器１０２からの三角波状の制御信号により変化させてもよい。この場合、レーザ光源１０１からは時間的に周波数掃引されたＦＭ光が発生する。
【００１６】
レーザ光源１０１が発生したＦＭ光（以下、単に光と称する）は、光ファイバカプラ１０３に導光される。光ファイバカプラ１０３は、導光された光を２分割する。なお、光ファイバカプラ１０３，１０４，１０６，１１１は、ビームスプリッタであってもよい。
【００１７】
光ファイバカプラ１０３によって２分割された光の一方は参照光学系の光ファイバカプラ１０４に導光される。光ファイバカプラ１０４は、さらに光を２分割する。光ファイバカプラ１０４にて２分割された光の一方は、光ファイバ１０５にて一定の光路差を設けた後、光ファイバカプラ１０６にて、光ファイバカプラ１０４にて２分割された光の他方と合波されて受光器１０７に導光される。受光器１０７は、マッハツェンダ干渉計からなる。受光器１０７は、合波された光の光路差に比例した一定の参照ビート信号を検出し、距離計測制御部１１６に出力する。
【００１８】
光ファイバカプラ１０３よって２分割された光の他方はサーキュレータ１０８を通過し、光ファイバカプラ１１１によって分岐される。光ファイバカプラ１１１によって分岐された光の一方は参照ミラー１１２に反射して参照光となる。光ファイバカプラ１１１によって分岐された光の一方は、計測光として接続ケーブル１１８を通過して距離計測ヘッド１１７に導光され、光ファイバコリメータ１１３によって空間に出射し、ビーム走査機構１１４によってビーム走査され、対象物１１５に照射される。
【００１９】
対象物１１５で反射した反射光は、再びビーム走査機構１１４、及び光ファイバコリメータ１１３を通過し、参照ミラー１１２に反射された参照光と光ファイバカプラ１１１にて合波され、サーキュレータ１０８により受光器１０９に導光される。
【００２０】
受光器１０９は、受光器１０７と同様、マッハツェンダ干渉計からなる。受光器１０９は、参照光と反射光との干渉によって発生する計測ビート信号を検出し、距離計測制御部１１６に出力する。
【００２１】
距離計測制御部１１６は、受光器１０７からの参照ビート信号をサンプリングクロックとして、受光器１０９からの計測ビート信号をＡ／Ｄ変換する。
【００２２】
または、距離計測制御部１１６は、参照ビート信号と計測ビート信号とを一定のサンプリングクロックでサンプリングする。すなわち、参照ビート信号は、ヒルベルト変換を行うことにより、９０度位相のずれた信号を作り出すことができ、ヒルベルト変換の前後の参照信号から、信号の局所位相を求めることが可能であるため、この位相を補間することで、参照信号が一定の位相となるタイミングを求めることができる。このタイミングに合わせて、計測ビート信号を補間サンプリングすることで、参照信号を基準として計測信号をリサンプリングすることが可能となる。
【００２３】
または、距離計測制御部１１６は、内蔵するＡＤ／ＤＡ変換機により参照ビート信号をサンプリングクロックとして計測信号をサンプリングしてＡ／Ｄ変換しても、同様の効果を奏する。
【００２４】
さらに、距離計測制御部１１６は、距離計測方式にＦＭＣＷ方式を用いてビート信号を解析し、その結果得られる距離計測データを制御装置１１９に送信する。
【００２５】
なお、図１に示された構成例において、距離計測ヘッド１１７の内部に距離計測装置１００、及び制御装置１１９が含まれてもよい。また、距離計測装置１００の内部に制御装置１１９が含まれてもよい。
【００２６】
次に、距離計測制御部１１６における、ＦＭＣＷ方式を用いてビート信号を解析して距離計測データを算出する方法について、図２及び図３を参照して説明する。
【００２７】
図２は、ＦＭＣＷ方式の原理を説明するための図である。受光器１０９に対する参照光２０１と計測信号２０２とそれぞれの到達時間には時間差Δtがあるが、この間にレーザ光源１０１からのＦＭ光の周波数は変化している。よって、受光器１０９では、この周波数差に等しいビート周波数ｆｂのビート信号が検出される。周波数掃引幅をΔνとし、Δνだけ変調するのに要する時間をＴとすると、次式（１）の関係がある。
【００２８】
【数１】
2020170932.tif 000003
【００２９】
対象物１１５までの距離Ｌは、時間差Δｔの間に光が進む距離の半分である。よって、距離Ｌは、大気中の光速度ｃを用い、次式（２）によって算出できる。
【００３０】
【数２】
2020170932.tif 000004
【００３１】
距離Ｌとビート周波数ｆｂは線形な関係にある。よって受光器１０９で得られた計測信号にＦＦＴ（First Fourier Transform：高速フーリエ変換）を行い、ピーク位置と大きさを求めれば、対象物１１５の反射位置と反射光量を求めることができる。
【００３２】
次に、図３は、反射強度プロファイルから対象物１１５の表面における反射位置を求める方法を説明するための図であり、ＦＭＣＷ方式の距離検出波形の一例を示している。同図において、横軸はＦＦＴの周波数軸、縦軸は反射強度である。
【００３３】
同図に示すように、距離検出波形３０１のピーク点付近は離散的なデータとなる。ここでピーク幅ｗは、距離分解能ｃ/２Δνによって計算される。具体的には、ピーク点付近の３点以上のデータを用いて、２次関数またはガウス関数といった関数を当てはめ、当てはめられた関数のピークを用いると、距離分解能以上の精度で計測対象の位置を求めることが可能となる。
【００３４】
なお、ビート周波数の解析の一例としてＦＦＴを挙げたが、ビート周波数の解析には例えば最大エントロピー法を用いてもよい。この場合、ＦＦＴよりも高分解能にピーク位置を検出することができる。
【００３５】
また、距離計測制御部１１６は、距離計測方式にＦＭＣＷ方式を用いるようにしたが、ＯＣＴ(Optical Coherence Tomography)、ＴＯＦ(Time OF Flight)のような他の光の伝搬時間の計測方式を採用してもよい。
【００３６】
次に、図４は、距離計測ヘッド１１７の構成例を示している。距離計測ヘッド１１７は、距離計測装置１００から接続ケーブル１１８を介して供給される計測光を光ファイバコリメータ１１３によって空間に出射し、出射した光をビーム走査機構１１４に相当する光路切り替え素子４０７によって偏向して、対象物１１５に照射する。
【００３７】
光路切り替え素子４０７は、プローブ先端部４０６によって保持されており、プローブ先端部４０６は回転機構４０５に保持されており、回転機構４０５が回転することで、光路切り替え素子４０７が回転し、対象物１１５の断面形状を計測することが可能となる。対象物１１５の断面形状を計測するためには距離計測データと回転モータの回転角度の情報が用いられる。
【００３８】
なお、図４に示された構成例は一例であって、ビーム走査機構１１４として、ガルバノミラーを用いてビームを走査してもよい。ガルバノミラーを１つ用いた場合、測定光を１次元的に走査することが可能であり、２つ用いた場合、測定光を２元的に走査することができる。またビーム走査機構１１４として、ＭＥＭＳミラーやポリゴンミラー等のように光を偏向し、走査可能な他の機構を用いて走査してもよい。
【００３９】
なお、距離計測装置１００の距離計測制御部１１６には、距離計測ヘッド１１７から、プローブ先端部４０６の長さ、ビームの偏向角度、ビーム走査角度等の情報が入力される。これらの情報は距離計測制御部１１６にて対象物１１５の３次元形状点群を生成する際に用いられる。
【００４０】
次に、図５は、距離計測ヘッド１１７を３次元に走査するための走査機構５００の構成例を示している。走査機構５００は、距離計測ヘッド１１７をガントリーステージで移動させて対象物１１５の形状を計測するためのものである。
【００４１】
門型の走査機構５００は、Ｙ軸方向に移動するＹ軸移動機構５０１の上に、Ｘ軸方向に移動するＸ軸移動機構５０２が搭載されており、さらにＸ軸移動機構５０２にＺ軸方向に移動するＺ軸移動機構５０３が搭載されている。これにより、走査機構５００は、距離計測ヘッド１１７を対象物１１５の周囲で３次元的に移動させることができる。
【００４２】
なお、Ｙ軸移動機構５０１、Ｘ軸移動機構５０２、及びＺ軸移動機構５０３は、制御装置１１９からの制御に従って駆動し、距離計測ヘッド１１７を３次元に走査する。
【００４３】
同図に示されるように、走査機構５００により距離計測ヘッド１１７を走査することにより、高機能な非接触形状計測を実現することが可能となる。なお、対象物１１５が小さく、Ｚ軸方向に対する移動のみで形状が計測できる場合は、対象物１１５の位置が一意に定まるように冶具で位置決めし、Ｚ軸移動機構５０３のみを移動させて、計測してもよい。
【００４４】
なお、走査機構５００を用いずに、一般的な３軸加工機を用いて距離計測ヘッド１１７を走査させてもよい。その場合、３軸加工機では、Ｚ軸は工具側、Ｘ軸及びＹ軸は対象物側に設けることが多いので、工具の代わりに距離計測ヘッド１１７を把持させることで、３軸加工機によるオンマシン計測を実現することが可能となる。また、多自由度ロボットに距離計測ヘッド１１７を把持、移動させるようにしてもよい。
【００４５】
＜対象物１１５の表面が傾斜面である場合の距離計測結果について＞
次に、対象物１１５の表面が傾斜面である場合の距離計測結果について、図６〜図８を参照して説明する。
【００４６】
図６は、対象物１１５の表面が滑らかな傾斜面である場合の距離計測結果の一例を示している。同図に示されるように、対象物１１５に照射するレーザ６０１の強度分布はガウシアン分布であり、対象物１１５におけるビーム径をＤとする。ここでレーザ６０１が対象物１１５の傾斜面６０４（傾斜角度θ）に照射された場合、ビーム照射領域ではＤ・sinθの距離差が生じる。傾斜面６０４からの反射光強度が均一な場合、検出される距離検出波形６０２は、麓幅がＤ・sinθとなるガウシアン分布をした形状となる。ＦＭＣＷ方式に基づく距離計測の場合、図３に示された、距離分解能とガウシアン分布との畳み込みをした距離検出波形６０２が得られる。距離検出波形６０２のピーク点６０３は、ガウシアン分布の中心となり、検出されたピーク点６０３の距離軸の値が距離計測値となる。
【００４７】
図７は、対象物１１５の表面が粗い傾斜面である場合の距離計測結果の一例を示している。粗い傾斜面７０４に対してレーザ６０１を照射した場合、スペックルが生じる。スペックルはレーザ等のようなコヒーレント光を照射した場合に生じる光の干渉現象であり、その発生箇所は統計的に求められ、ランダムなタイミングで発生し、部分的に反射強度が強くなる特徴を有する。
【００４８】
例えば同図に示されるように、レーザ６０１が対象物１１５の粗い傾斜面７０４の左端でスペックル強度７０５が強く検出されたとする。この場合、距離検出波形７０２が検出されて、図６に示されたガウシアン分布の距離検出波形６０２とは異なる形状となる。この場合、ピーク点７０３は距離検出波形７０２の麓幅の端であって、図６に示されたピーク点６０３とずれるため、距離計測値に誤差を生じることになる。
【００４９】
図８は、対象物１１５の粗い傾斜面７０４に対してレーザ６０１を走査した場合の距離計測結果の一例を示している。レーザ６０１が傾斜面７０４を照射している場合、ある位置のスペックル起因の反射光強度が強いときには、その位置をピーク点として検出するため、そのピーク点が距離計測値となる。次に、レーザ６０１を走査して、傾斜面７０４の次の位置の距離を計測するが、レーザ６０１はビーム径Ｄを有するので、先ほど検出されたスペックルにレーザ６０１が照射されることがあり、その場合、再び、そのスペックル起因の反射光強度が強くなり、その点をピーク点として再び検出してしまい、ピーク点での位置が走査後のビーム位置に対応する距離計測値になってしまう。
【００５０】
いまの場合、傾斜面を走査して距離を計測しているので、本来であれば前回と今回の距離計測値は異なる値であるはずだが、あるスペックルに対してレーザ６０１が照射されている間は、距離計測値が変化しない現象が生じる。そして、そのスペックルからレーザ６０１が外れると、次に支配的なスペックルに対してピーク点が検出されるため、結果として、図８に示されたように、段差幅Ｄ・sinθの階段状の距離計測値が得られることになる。ただし、スペックルは統計的に発生するため、距離計測値は必ずしも階段状になるとは限らない。
【００５１】
＜スペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法＞
次に、対象物１１５の粗い傾斜面にて発生し得るスペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法について説明する。本実施形態では、該対処方法としては、測定距離値の補正処理、及び信頼性重み付け処理の少なくとも一方を行う。
【００５２】
図９は、スペックル起因の計測距離値の誤差への対処方法の概念を示している。図７を参照して上述したように、スペックル起因の計測距離値の誤差は、スペックルの発生位置によって、距離検出波形が歪むために発生する。計測距離値の誤差は距離検出波形の歪みが大きいほど大きくなる。そこで、距離検出波形の形状の特徴量を算出し、算出した特徴量に基づき、測定距離値の補正処理及び信頼度重み付け処理の少なくとも一方を行う。
【００５３】
図１０は、距離検出波形から特徴量を算出する処理を説明するための図である。以下、距離検出波形の特徴量として、例えば、歪度を用いる方法について説明する。同図に示されるように、距離検出波形を構成する点の数をｎ個、各点間の距離をｘｉ、検出強度をｐｉ、平均距離をｘａ、標準偏差をσとした場合、歪度Ｓは次式（３）（特徴量算出式）によって求めることができる。
【００５４】
【数３】
2020170932.tif 000005
【００５５】
さらに、次式（４）（補正式）に示すように、求めた歪度Ｓの三乗根に対して係数αを乗算すれば、補正量Ｃを求めることができる。
【００５６】
【数４】
2020170932.tif 000006
【００５７】
係数αは、実験に基づいて決めてもよいし、スペックル発生をモデル化した光学シミュレーションに基づいて決めてもよい。なお、式（４）は、補正量Ｃを求めるための補正式の一例であり、補正式は式（４）以外の数式を用いてもよい。
【００５８】
また、次式（５）（信頼度重み付け式）に示すように、求めた歪度Ｓに対して係数βを掛けることで、信頼度重み付け量ｗを求めることができる。
【００５９】
【数５】
2020170932.tif 000007
【００６０】
係数βは、実験に基づいて決めてもよいし、スペックル発生をモデル化した光学シミュレーションに基づいて決めてもよい。なお、式（５）は、信頼度重み付け式の一例であり、信頼度重み付け式は式（５）以外の数式を用いてもよい。
【００６１】
なお、式（３）では、距離検出波形の特徴量として歪度Ｓを算出したが、特徴量は歪度Ｓに限られない。例えば、分散、尖度等の統計量を特徴量として算出してもよい。
【００６２】
また、他の特徴量の算出方法として、波形フィッティングを用いてもよい。図７を参照して説明したように、スペックルによっては、ある位置での反射強度が強くなるため、距離検出波形に歪みが生じる。その検出波形の形状は、複数個所からの反射光を重ね合わせた分布となる。そこで、複数個の波形を用いてフィッティングすることで、距離検出波形に最も類似した波形を算出することができる。
【００６３】
次に、図１１は、波形フィッティングを用いた特徴量算出方法について説明するための図である。同図の場合、実線で表す距離検出波形７０２に対して、破線で表す２本の波形１１０１，１１０２をフィッティングしているが、フィッティングに用いる波形は２本に限らず、２本以上であってもよい。
【００６４】
フィッティングパラメータは、波形１１０１，１１０２の中心座標、ピーク値、分散、及び位相である。フィッティングにおいては、距離検出波形７０２に最も当てはまるように、波形１１０１，１１０２の各パラメータの値を決定する。決定したパラメータを特徴量とし、この特徴量を用いて補正量又は信頼度重み付け量を決定する。
【００６５】
例えば、波形１１０１の中心座標としてｘ１、波形１１０２の中心座標としてｘ２が決定した場合、その中間値である座標ｘ３を補正値として用いてもよい。又は、座標ｘ３と距離検出波形７０２のピーク点１１０３の座標ｘとの差分ｘ３−ｘを信頼性重み付け量として用いてもよい。
【００６６】
なお、図１１を参照して説明した波形フィッティングの方法と、それを利用した補正方法及び信頼度重み付け方法は一例であって、他の方法を用いてもよい。
【００６７】
＜対象物１１５の表面が曲面である場合の距離計測結果について＞
次に、対象物１１５の表面が曲面である場合の距離計測結果について、図１２及び図１３を参照して説明する。
【００６８】
図１２は、対象物１１５の表面が滑らかな曲面である場合の距離計測結果の一例を示している。同図において対象物１１５の曲面１２０３からの反射光強度は均一であり、所定のビーム径を有するレーザ６０１が曲面１２０３に照射された場合を考える。この場合、レーザ６０１の照射位置によって、曲面１２０３の法線方向ベクトルが異なるので、レーザ６０１の左側における曲面の法線ベクトル１２０１はビーム照射方向を向き、レーザ６０１の右側における曲面の法線ベクトル１２０２はビーム照射方向に対して右側に傾きを持つ。
【００６９】
この場合、ビーム照射方に向かう法線ベクトル１２０１の方向に反射する反射光の方が、法線ベクトル１２０２の方向に反射する反射光よりも反射光強度に比べて強くなる。よって、距離検出波形１２０５は、ガウシアン分布に歪みが生じた形状となり、ビーム中心位置に対してより近距離側にピーク点１２０６が検出される。さらに、この曲面１２０３に対してレーザ６０１を走査して距離計測を行った場合、各計測位置においてビーム中心位置に対して近距離側にピーク点が検出される。この結果、実際の曲面１２０３よりも曲率半径が大きい曲線（距離計測値）１２０４が計測されてしまうことになる。
【００７０】
図１３は、対象物１１５の表面が粗い曲面である場合の距離計測結果の一例を示している。同図に示されるように、粗い曲面１３０１に対してレーザ６０１を照射した場合、図７に示された場合と同様、スペックル起因の階段状の誤差が生じる。この結果、実際の曲面１３０１よりも曲率半径が大きく、かつ、階段状の誤差が発生した曲線（距離計測値）１３０２が計測されてしまうことになる。
【００７１】
対象物１１５の曲面を計測した場合に生じる距離誤差についても、上述した傾斜面を計測した場合に生じる距離誤差と同様、距離検出波形の形状の歪みが原因である。そこで、曲面に対する補正又は信頼性重み付けに対しても、図１０を参照して説明した歪度を特徴量として用いた補正又は信頼性重み付けや、図１１を参照して説明した波形フィッティングによって求まるパラメータを特徴量とする補正又は信頼性重み付けを適用することが可能である。
【００７２】
＜制御装置１１９による第１の処理＞
次に、図１４は、スペックル起因の距離計測誤差に対処するための制御装置１１９による第１の処理の一例を示している。該第１の処理は、スペックル起因の距離計測誤差への対処として、補正処理、及び計測点群に対して信頼度重み付けをする処理の少なくとも一方を行うものである。
【００７３】
はじめに、第１の処理に対する入力情報１４００について説明する。入力情報１４００には、距離計測情報１４０３、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４、補正パラメータ１４０５、及び信頼度重み付けパラメータ１４０６を含む。
【００７４】
距離計測情報１４０３は、図１を参照して説明した距離計測装置１００によって計測された距離計測データ（距離検出波形）や回転機構４０５（図４）の回転角度データ等である。
【００７５】
距離計測データは、ビート周波数に対するFFT結果の全データでもよいし、データ量が多い場合はピーク検出された点とその前後のｎ点分のデータであってもよい。ここで、ｎは距離検出波形を特徴付けるために必要な点数であって、事前に実験にて決定するか、光学シミュレーションによって決定する。ｎは固定値としてもよいし、パラメータとして変更できるようにしてもよい。
【００７６】
距離計測ヘッド走査機構情報１４０４では、距離計測ヘッド１１７の走査機構５００（図５）の３軸の走査座標である。
【００７７】
補正パラメータ１４０５及び信頼度重み付けパラメータ１４０６は、以下に説明する補正又は信頼度重み付けを行う際に必要なパラメータである。
【００７８】
第１の処理では、はじめに、制御装置１１９が、距離計測装置１００から距離検出波形を取得し(ステップＳ１)、次に、距離検出波形から特徴量を算出する(ステップＳ２)。次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う(ステップＳ３)。このときに補正パラメータ１４０５又は信頼度重み付けパラメータ１４０６を用いて、補正量や信頼度重み付け量を調整することが可能である。次に、制御装置１１９が、ステップＳ３で求めた信頼度重み付き距離と、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４としての距離計測ヘッド１１７の走査座標と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度データ等とに基づいて、信頼度重み付けされた３次元点群座標を算出する(ステップＳ４)。そして、制御装置１１９が、出力情報１４０２として、信頼度重み付き点群１４１１を出力する。
【００７９】
次に、図１５は、制御装置１１９のハードウェアの構成例を示している。制御装置１１９は、例えば、一般的なコンピュータからなり、ＣＰＵ(Central Processing Unit)１５０１、メモリ１５０２、及び記憶デバイス１５０３を備える。ＣＰＵ１５０１は、メモリ１５０２にロードされた所定のプログラムを実行することにより、図１４に示された第1の処理等を実行する。メモリ１５０２は、上述したプログラムや処理途中のデータを保持する。記憶デバイス１５０３は、記憶デバイス１５０３には特徴量算出式、補正式、信頼度重み付け式等を保存する。
【００８０】
次に、図１６は、第１の処理によって表示装置１２０に表示されるＧＵＩ画面１６００の表示例を示している。
【００８１】
ＧＵＩ画面１６００には、距離計測情報表示欄１６０１、距離計測ヘッド走査機構情報表示欄１６０２、補正パラメータ表示欄１６０３、信頼度重み付けパラメータ表示欄１６０４、及び信頼度重み付き点群表示欄１６０５が設けられている。
【００８２】
距離計測情報表示欄１６０１には、距離計測ヘッド１１７の識別情報が表示される。距離計測ヘッド走査機構情報表示欄１６０２には、走査機構５００の識別情報が表示される。補正パラメータ表示欄１６０３には、ユーザが補正パラメータを入力、設定することができる。信頼度重み付けパラメータ表示欄１６０４には、ユーザが信頼度重み付けパラメータを入力、設定することができる。信頼度重み付き点群表示欄１６０５には、信頼度重み付き点群が表示される。
【００８３】
例えばユーザは、信頼度重み付き点群表示欄１６０５に表示された信頼度重み付き点群を見て、補正パラメータや信頼度重み付けパラメータを変更することが可能である。
【００８４】
＜第１の処理の変形例＞
次に、図１７は、第１の処理の変形例を示すフローチャートである。該変形例は、第１の処理（図１４）に対して点群処理（ステップＳ１１，Ｓ１２）を追加したものである。
【００８５】
点群処理では、第１の処理の結果である信頼度重み付き点群１４１１の他、入力情報１７００として、ノイズ除去パラメータ１７０３、及びフィッティングパラメータ１７０４が入力され、制御装置１１９が、信頼度重み付き点群１４１１に対してノイズ除去、及びフィッティングを行う（ステップＳ１１）。次に、制御装置１１９が、ステップＳ１１の結果得られる３次元形状データ１７０７を出力情報１７０２として出力する（ステップＳ１２）。
【００８６】
図１８は、ステップＳ１１における、信頼性重み付き点群１４１１に対して、ノイズ除去及びフィッティングによって形状を算出する処理について説明する。
【００８７】
ステップＳ１１では、距離計測ヘッド１１７によって計測された信頼度重み付き点群１４１１のうち、信頼度が低い点については、真の形状から外れている可能性が高いため、ノイズと判断して除去する。そして、除去せずに残った点群に対して、信頼度重み付け量に基づきフィッティングを行う。フィッティングの一例として、ポリゴンを用いて面を形成する場合が考えられる。信頼度の重みに応じてポリゴンを形成することで、精度良く３次元形状１８００を算出することが可能となる。ポリゴンとしては三角形や四角形が考えられるが、それ以上の多角形であってもよい。
【００８８】
次に、図１９は、第１の処理の変形例によって表示装置１２０に表示されるＧＵＩ画面１９００の表示例を示している。ＧＵＩ画面１９００は、ＧＵＩ画面１６００（図１６）に対して、ノイズ除去パラメータ設定欄１９０１、フィッティングパラメータ設定欄１９０２、及び３次元形状データ表示欄１９０３を追加したものである。
【００８９】
ノイズ除去パラメータ設定欄１９０１には、ユーザがノイズ除去パラメータを入力、設定することができる。フィッティングパラメータ設定欄１９０２には、ユーザがフィッティングパラメータを入力、設定することができる。
【００９０】
例えば、ユーザは３次元形状データ表示欄１９０３に表示された３次元形状データを見て、ノイズ除去パラメータやフィッティングパラメータを変更することが可能である。
【００９１】
以上の説明では、対象物１１５の傾斜面や曲面が粗い場合に生じ得る計測距離の誤差について説明した。しかしながら、ＦＭＣＷ方式においては、対象物１１５の表面が傾斜面や曲面でなくても粗い場合には計測距離の誤差が発生し得る。
【００９２】
ＦＭＣＷ方式は、参照光と計測光との干渉ビート周波数から距離を算出するが、光の干渉を用いているため、面の粗さの影響で参照光と計測光との光の波長オーダで位相がずれるとビート周波数がずれてしまい計測距離に誤差を生じる可能性がある。ただし、誤差が生じた場合でも計測点の連続性から粗さ起因の誤差を低減できる可能性がある。
【００９３】
＜制御装置１１９による第２の処理＞
次に、対象物１１５のＣＡＤ(Computer Aided Design)データを制御装置１１９が取得できる場合に実行可能な第２の処理について説明する。
【００９４】
対象物１１５のＣＡＤデータが取得できる場合、対象物１１５に対する距離計測ヘッド１１７の位置と姿勢から、対象物１１５の照射角度や曲率半径が求まるので、それを特徴量に用いて補正及び信頼度重み付けの少なくとも一方を行う。
【００９５】
対象物１１５の照射角度や曲率半径が分かれば、さらに精度を高めて補正又は信頼度重み付けを行うことができる可能性がある。また、対象物１１５の表面の粗さ情報も追加することで、さらに精度よく補正又は信頼度重み付けを行うことができる可能性がある。粗さ情報は、ＣＡＤデータに付属している場合は、その情報を用い、ＣＡＤデータに付属していない場合は、ＧＵＩ画面にてユーザが粗さ情報を入力すればよい。
【００９６】
図２０は、制御装置１１９による第２の処理の一例を説明するフローチャートである。第２の処理に対する入力情報２０００は、入力情報１４００（図１４）に対象物ＣＡＤ情報２００１、対象物粗さ情報２００２、及び距離計測ヘッド位置/姿勢情報２００３を追加したものである。
【００９７】
第２の処理では、はじめに、制御装置１１９が、対象物１１５と距離計測ヘッド１１７との相対位置を決定する(ステップＳ２１)。次に、制御装置１１９が、対象物ＣＡＤ情報２００１と距離計測ヘッドの位置/姿勢情報２００３から照射光に対する対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを求める(ステップＳ２２)。次に、制御装置１１９が、距離計測装置１００から距離検出波形を取得する(ステップＳ２３)。次に、制御装置１１９が、ステップＳ２２で求めた対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さに基づき距離計測波形から特徴量を算出する（ステップＳ２４）。
【００９８】
次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を実行する(ステップＳ２５)。次に、制御装置１１９が、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度等と、ステップＳ２５で求めた信頼度重み付き距離とに基づいて、信頼度が重み付けされた３次元点群を算出する(ステップＳ２６)。そして、制御装置１１９が、出力情報２００４として、照射光に対する対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さの情報を付加したＣＡＤ情報２０１０と、信頼度重み付き点群２０１１を出力する。
【００９９】
なお、第２の処理については、第１の処理の変形例（図１７）と同様、出力された信頼度重み付き点群２０１１を利用してノイズ除去やフィッティングを行い、高精度に形状を算出できるように変形することができる。
【０１００】
次に、図２１は、ＣＡＤデータに基づき対象物１１５の斜面の傾斜角度が事前に分かっている場合の補正又は信頼度重み付け方法の一例を説明するための図である。
【０１０１】
事前に傾斜角度θが分かっている場合、ビーム径Ｄから距離差Ｄ・ｓｉｎθを算出できる。この場合、距離検出波形７０２のピークの麓幅２１０１がわかり、ピークの麓幅２１０１を特徴量として、例えば、その中央位置２１００をピーク点として補正することが可能となる。又はピーク点の座標ｘｃと距離検出波形７０２のピーク座標ｘとの差分ｘｃ−ｘを信頼性重み付け量として用いてもよい。ただし、図２１で示した補正方法又は信頼度重み付け方法は一例であって、他の方法を用いてもよい。
【０１０２】
次に、図２２は、ＣＡＤデータ、及び対象物１１５と距離計測ヘッド１１７との相対位置に基づいて、対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを求める方法を説明するための図である。
【０１０３】
対象物１１５に対して距離計測ヘッド１１７から照射されるビームの入射角度は、対象物１１５のＣＡＤデータと、距離計測ヘッド１１７の位置/姿勢に基づき、幾何学的に制御装置１１９が算出することが可能であり、照射光に対する計測対象の傾斜角度、曲率半径を求めることができる。粗さ情報はＣＡＤデータに付加されている場合はレーザが照射される場所の粗さ情報を用い、付加されていない場合はＧＵＩ画面を用いてユーザが入力、設定した値を用いる。そして、制御装置１１９が傾斜角度、曲率半径、及び粗さの算出結果を対象物ＣＡＤ情報２００１に付加させる。
【０１０４】
次に、図２３は、第２の処理によって表示装置１２０に表示されるＧＵＩ画面２３００の表示例を示している。ＧＵＩ画面２３００は、ＧＵＩ画面１６００（図１６）に対して、対象物ＣＡＤ情報表示欄２３０１、対象物粗さ情報表示欄２３０２、距離計測ヘッドの位置／姿勢表示欄２３０３、及び対象物傾斜角度、曲率半径、及び粗さ表示欄２３０４を追加したものである。
【０１０５】
対象物ＣＡＤ情報表示欄２３０１には、対象物ＣＡＤ情報の取得先（ファイルパス）が表示される。対象物粗さ情報表示欄２３０２には、対象物粗さ情報の取得先（ファイルパス）が表示される。距離計測ヘッドの位置／姿勢表示欄２３０３には、距離計測ヘッドの位置／姿勢情報の取得先（ファイルパス）が表示される。対象物傾斜角度、曲率半径、及び粗さ表示欄２３０４には、対象物１１５の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを付加したＣＡＤデータが表示される。
【０１０６】
＜制御装置１１９による第３の処理＞
次に、制御装置１１９による第３の処理について説明する。
【０１０７】
第３の処理では、対象物１１５のＣＡＤデータの代わりに、距離計測データの連続性に基づき、対象物１１５の計測領域の傾斜角度、曲率、及び粗さを求め、これらに基づき、精度を高めて補正及び信頼度重み付けの少なくとも一方を行う。
【０１０８】
図２４は、制御装置１１９による第３の処理の一例を説明するフローチャートである。第３の処理に対する入力情報１４００は、第１の処理（図１４）に対する入力情報１４００と同様である。
【０１０９】
第３の処理では、はじめに、制御装置１１９が、距離計測情報１４０３から距離検出波形を取得し(ステップＳ３１)、次に、距離検出波形から特徴量を算出する(ステップＳ３２)。次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う(ステップＳ３３)。このときに補正パラメータ１４０５又は信頼度重み付けパラメータ１４０６を用いて、補正量や信頼度重み付け量を調整することが可能である。次に、制御装置１１９が、距離計測ヘッド走査機構情報１４０４としての距離計測ヘッド１１７の走査座標と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度データ等と、ステップＳ３３で求めた信頼度重み付き距離とに基づき、信頼度重み付けされた３次元点群座標を算出する(ステップＳ３４)。
【０１１０】
次に、制御装置１１９が、計測点群の連続性から計測対象領域の傾斜角度、曲率半径、及び粗さを算出する(ステップＳ３５)。次に、制御装置１１９が、ステップＳ３５で算出した傾斜角度、曲率半径、及び粗さの情報に基づいて、再び距離検出波形から特徴量を算出する（ステップＳ３６)。次に、制御装置１１９が、補正式に特徴量を入力して補正する処理、及び信頼度重み付け式に特徴量を入力して信頼度重み付けを行う処理の少なくとも一方を行う(ステップＳ３７)。このときに補正パラメータ１４０５又は信頼度重み付けパラメータ１４０６を用いて、補正量や信頼度重み付け量を調整することが可能である。次に、制御装置１１９が、距離計測ヘッド１１７の走査座標と、距離計測情報１４０３としての回転機構４０５の回転角度データ等と、ステップＳ３７で求めた信頼度重み付き距離とに基づき、信頼度重み付けされた３次元点群座標を算出する(ステップＳ３８)。そして、制御装置１１９が、出力情報１４０２として、信頼度重み付き点群１４１１を出力する。
【０１１１】
なお、第３の処理については、第１の処理の変形例（図１７）と同様、出力された信頼度重み付き点群２０１１を利用してノイズ除去やフィッティングを行い、高精度に形状を算出できるように変形することができる。
【０１１２】
＜段差を有する対象物１１５の計測について＞
次に、図２５は、対象物１１５が有する段差２５０１を精度良く求める方法について説明するための図である。対象物１１５の段差２５０１を計測する場合、段差２５０１の上面からの反射光と下面からの反射光とが同時に検出されるため、検出ピークが２箇所検出される。
【０１１３】
そこで、レーザ６０１を走査した際に得られる距離検出波形から段差のエッジを求める。同図の上段に示すように、レーザ６０１の中心が段差２５０１の手前にある場合は上面への照射面積が大きいため、上面からの反射光強度２５０２が強くなり、下面からの反射光強度２５０３は弱くなる。次に、レーザ６０１を右方向に走査し、レーザ６０１の中心が段差にある場合、上面と下面からの反射光強度２５０２，２５０３が等しくなる。さらに、レーザ６０１を右方向に走査し、レーザ６０１の中心が段差２５０１を超えると、上面からの反射光強度２５０２は弱くなり、下面からの反射光強度２５０３が強くなる。
【０１１４】
よって、上面と下面の反射光強度２５０２，２５０３が等しくなったときの距離計測ヘッド１１７の位置を段差２５０１の位置とみなせば、精度良く、段差２５０１の位置を求めることができる。なお、レーザ６０１の走査が離散的で上面と下面の強度が等しくならない場合は、前後の走査結果から補間によって、強度比が等しくなる位置を求めればよい。
【０１１５】
ただし、上面と下面との光の反射率が異なる場合は、上面と下面からの反射光強度が等しくなる点が段差の位置にはならない。その場合、レーザ６０１の全体が段差２５０１の手前にある場合に得られる上面からの反射光強度２５０２から上面の反射光強度の強さを求め、レーザ６０１の全体が段差２５０１を超えた場合に得られる下面からの反射光強度２５０３から下面の反射光強度の強さを求め、その比から反射率の違いを求めてから、段差２５０１の位置を求めればよい。
【０１１６】
また、段差２５０１の高さが大きくなると下面からの反射光の一部が段差２５０１に遮られるために反射光量が減少する可能性がある。減衰量はレーザ６０１の入射角度と段差距離によって幾何学的に決まるので、計測された上面と下面の距離差から段差の高さを求めて、さらに減衰量を算出して、求まった減衰量を考慮した上面と下面の反射光量比から段差２５０１の位置を求めればよい。
【０１１７】
＜変形例＞
距離検出波形の特徴量として、距離検出波形のピーク強度情報を用いてもよい。
【０１１８】
図２６は、粗面・傾斜面測定時のスペックル位置と距離検出波形との関係を説明するための図である。
【０１１９】
照射ビーム６０１は、ガウシアン分布をしており、スペックルがビームの端で発生した場合、検出波形は２７０１に示すように歪むとともに検出強度が弱くなる。次にビーム走査し、スペックルがビーム中央で発生した場合、検出波形２７０２に示すように歪みが少なくなるとともに検出強度が強くなる。さらにビーム走査し、スペックルがビームの端で発生した場合、検出波形は２７０３に示すにように再び歪むとともに検出強度が弱くなる。そこで検出波形ピーク強度の連続性を用いることで、信頼度の高い点を抽出する。
【０１２０】
図２７は、検出波形ピーク強度の連続性を用いて信頼度の高い点を抽出する概念を示している。
【０１２１】
粗面・傾斜面に対してビーム走査して得られる距離計測結果は階段状になる。階段の周期はビームスポットサイズに依存する。このときに得られる検出波形ピーク強度をプロットすると、階段の周期に対応した分布を有する。スペックルがビームの端にあるときに強度は弱くなり、スペックがビーム中心に位置するときに強度が極大値となり、スペックルがビーム中心から外れると強度は弱くなる。よって強度が極大値となる点を抽出することで、計測誤差を低減して精度よく実形状を求めることが可能となる。
【０１２２】
極大値の算出方法としてはピーク点抽出後に、前後の点を用いて３点によるピーク補間により、精度を上げることが可能である。またはビームはガウシアン分布をしているので、ガウシアンフィッティングにより、ピークを精度良く求めてもよい。
【０１２３】
ここまで強度極大値のみを抽出することを述べたが、強度情報を用いて信頼度重み付けをしてもよい。具体的には、前記の方法で、ピーク強度の連続性から、強度極大値と強度極小値を求め、極大値に対応する点の重みを最も重くし、極小値に対応する点の重みを最も軽くし、その間の点はピーク強度に基づいて補間により、極大値と極小値の間の重み付けを行う。補間は例えば、線形補間を用いる。重み付けされた点群は、第1の処理の変形例(図１７)と同様、出力された信頼度重み付き点群を利用してノイズ除去やフィッティングを行い、高精度に形状を算出することができる。
【０１２４】
また、第1の処理にて説明した歪度や尖度などの特徴量を用いて誤差を補正して減少させた上で、ピーク強度に基づく重み付けを行うことで、さらに誤差を低減することが可能である。
【０１２５】
なお、上述した実施の形態では、距離検出波形の特徴量を、歪度、尖度、フィッティングを用いて検出したが、重心を用いて検出するようにしてもよい。
【０１２６】
＜ＦＭＣＷ方式に代えることができる光切断方式について＞
次に、図２８は、ＦＭＣＷ方式に代えることができる光切断方式について説明するための図である。
【０１２７】
光切断方式は、光源２６００からライン状ビーム２６０１を対象物１１５に照射する。対象物１１５に照射されたライン状ビーム２６０１をカメラ２６０３で撮像すると、得られる画像には、対象物１１５の形状に沿った光切断線２６０４が形成される。光切断線２６０４から対象物１１５の形状を算出することが可能となる。ライン状ビーム２６０１の強度プロファイルは、ガウシアン分布２６０５をしており、通常、光切断線２６０４の強度もガウシアン分布となる。しかしながら、対象物１１５の表面が粗い場合、スペックルが生じ、距離検出波形２６０６に歪みが生じてしまい、ピーク点を誤って検出し、計測距離に誤差を生じ得る。そこで、図１０、１１を参照して説明した方式と同様、対象物１１５の形状の特徴量から計測距離の補正、及び信頼度重み付けの少なくとも一方を行えば、精度良く対象物１１５の形状を算出することが可能となる。
【０１２８】
以上、本発明に係る実施形態及び変形例の説明を行ってきたが、本発明は、上記した実施形態の一例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態の一例は、本発明を分かり易くするために詳細に説明したものであり、本発明は、ここで説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施形態の一例の構成の一部を他の一例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の一例の構成に他の一例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の一例の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることもできる。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、図中の制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、全てを示しているとは限らない。ほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【０１２９】
また、上記の距離計測システムの構成は、処理内容に応じて、さらに多くの構成要素に分類することもできる。また、１つの構成要素がさらに多くの処理を実行するように分類することもできる。
【符号の説明】
【０１３０】
１・・・形状計測システム、１００・・・距離計測装置、１０１・・・レーザ光源、１０２・・・発振器、１０３・・・光ファイバカプラ、１０４・・・光ファイバカプラ、１０５・・・光ファイバ、１０６・・・光ファイバカプラ、１０７・・・受光器、１０８・・・サーキュレータ、１０９・・・受光器、１１１・・・光ファイバカプラ、１１２・・・参照ミラー、１１３・・・光ファイバコリメータ、１１４・・・ビーム走査機構、１１５・・・対象物、１１６・・・距離計測制御部、１１７・・・距離計測ヘッド、１１８・・・接続ケーブル、１１９・・・制御装置、１２０・・・表示装置、２０１・・・参照光、２０２・・・計測信号、３０１・・・距離検出波形、４０５・・・回転機構、４０６・・・プローブ先端部、４０７・・・光路切り替え素子、５００・・・走査機構、５０１・・・Ｙ軸移動機構、５０２・・・Ｘ軸移動機構、５０３・・・Ｚ軸移動機構、６０１・・・レーザ、６０２・・・距離検出波形、６０３・・・ピーク点、６０４・・・傾斜面、７０２・・・距離検出波形、７０３・・・ピーク点、７０４・・・傾斜面、７０５・・・スペックル強度、１１０１，１１０２・・・波形、１１０３・・・ピーク点、１２０１，１２０２・・・法線ベクトル、１２０３・・・曲面、１２０４・・・距離計測値、１２０５・・・距離検出波形、１２０６・・・ピーク点、１３０１・・・曲面、１３０２・・・距離計測値、１４００・・・入力情報、１４０２・・・出力情報、１４０３・・・距離計測情報、１４０４・・・距離計測ヘッド走査機構情報、１４０５・・・補正パラメータ、１４０６・・・信頼度重み付けパラメータ、１４１１・・・信頼度重み付き点群、１５０１・・・ＣＰＵ、１５０２・・・メモリ、１５０３・・・記憶デバイス、１６００・・・ＧＵＩ画面、１６０１・・・距離計測情報表示欄、１６０２・・・距離計測ヘッド走査機構情報表示欄、１６０３・・・補正パラメータ表示欄、１６０４・・・信頼度重み付けパラメータ表示欄、１６０５・・・信頼度重み付き点群表示欄、１７００・・・入力情報、１７０２・・・出力情報、１７０３・・・ノイズ除去パラメータ、１７０４・・・フィッティングパラメータ、１９００・・・ＧＵＩ画面、１９０１・・・ノイズ除去パラメータ設定欄、１９０２・・・フィッティングパラメータ設定欄、２０００・・・入力情報、２００１・・・対象物ＣＡＤ情報、２００２・・・対象物粗さ情報、２００３・・・距離計測ヘッド位置/姿勢情報、２００４・・・出力情報、２０１０・・・ＣＡＤ情報、２０１１・・・信頼度重み付き点群、２１００・・・中央位置、２１０１・・・麓幅、２３００・・・ＧＵＩ画面、２３０１・・・対象物ＣＡＤ情報表示欄、２３０２・・・対象物粗さ情報表示欄、２３０３・・・距離計測ヘッドの位置／姿勢表示欄、２３０４・・・粗さ表示欄、２５０１・・・段差、２５０２・・・反射光強度、２５０３・・・反射光強度、２６００・・・光源、２６０１・・・ライン状ビーム、２６０３・・・カメラ、２６０４・・・光切断線、２６０５・・・ガウシアン分布、２６０６・・・距離検出波形、ｃ・・・距離分解能
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【国際調査報告】
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