特許 7669526 ワーク計測装置およびワーク計測方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-04-18

(45)【発行日】2025-04-28

(54)【発明の名称】ワーク計測装置およびワーク計測方法

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20250421BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 K

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023565762

(86)(22)【出願日】2021-12-08

(86)【国際出願番号】 JP2021045061

(87)【国際公開番号】W WO2023105664

(87)【国際公開日】2023-06-15

【審査請求日】2024-03-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000010076

【氏名又は名称】ヤマハ発動機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004303

【氏名又は名称】弁理士法人三協国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 政二

【審査官】櫻井 仁

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－２４２２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１０５８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０６８９８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／００２６８７７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

計測対象のワークに対してライン光を照射する第１光源と、
前記ワークに対して通常照明光を照射する第２光源と、
前記ライン光および前記通常照明光が照射された前記ワークおよびその周辺の画像を取得可能な撮像部と、
前記ワークを所定の送り方向に相対移動させる移動機構と、
前記撮像部、前記第１光源、前記第２光源および前記移動機構の動作を制御する制御部と、
前記撮像部が取得した画像に基づき、前記ワークについての二次元データおよび三次元データを求める計測部と、を備え、
前記制御部は、前記移動機構により前記ワークを移動させつつ、前記第１光源および前記第２光源を同時に点灯させた状態で、前記撮像部に所定のカメラスケール単位で前記ワークの撮像動作を行わせ、
前記計測部は、
前記カメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出するとともに、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置の輝度分布マップを生成し、
前記輝度分布マップに基づき、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出する、ワーク計測装置。

【請求項2】

請求項１に記載のワーク計測装置において、
前記計測部は、前記輝度分布マップにおいて、前記ライン光に基づく高さ情報が現れる領域を前記三次元データの取得する３Ｄ領域とし、他の領域を前記二次元データの取得する２Ｄ領域と設定する、ワーク計測装置。

【請求項3】

請求項２に記載のワーク計測装置において、
前記計測部は、前記３Ｄ領域の情報に基づき光切断法により前記注目位置の高さを求めて前記三次元データを取得し、前記２Ｄ領域の輝度データに基づき前記注目位置の前記二次元データを取得する、ワーク計測装置。

【請求項4】

請求項２又は３に記載のワーク計測装置において、
前記計測部は、前記輝度分布マップにおいて前記３Ｄ領域が所定の領域幅よりも広い領域に設定されている場合、当該輝度分布マップの輝度平均値を算出して前記二次元データを求める、ワーク計測装置。

【請求項5】

請求項２～４のいずれか１項に記載のワーク計測装置において、
前記撮像部は、画素がマトリクス配列された撮像素子を備え、
前記計測部は、前記撮像素子が取得する全画像エリアのうち使用する一部を指定するＲＯＩ指定が可能であり、
前記３Ｄ領域は、ＲＯＩ指定の範囲に基づき設定される、ワーク計測装置。

【請求項6】

計測対象のワークの二次元データおよび三次元データを取得するワーク計測方法であって、
前記ワークを相対移動させつつ、ライン光および通常照明光を同時に前記ワークに照射した状態で、所定のカメラスケール単位で前記ワークの画像を取得し、
前記カメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出するとともに、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置の輝度分布マップを生成し、
前記輝度分布マップに基づき、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出する、ワーク計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、計測対象のワークの二次元データおよび三次元データを取得するワーク計測装置および計測方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ワークの高さ計測を非接触で行う方法として、光切断法が知られている。光切断法では、ライン光が照射されたワークをスキャン撮像し、その撮像画像から三角測量の原理にてワークの高さを求める。特許文献１には、光切断法を用いたワークの三次元形状計測装置が開示されている。特許文献１の計測装置では、スキャンで得られた画像の注目点のピクセルの輝度値を時系列順に並べ、前記注目点の輝度変化を求めている。

【0003】

特許文献２には、ワークの三次元形状と二次元テクスチャ画像とから、ワークの三次元モデルを生成する装置が開示されている。特許文献２の計測装置では、ワークの三次元データおよび二次元データを同時取得するために、三次元計測用の第１光源および第１受光部と、二次元計測用であって前記第１光源とは波長の異なる第２光源および第２受光部とを備えている。

【0004】

しかし、特許文献１のように、ワークの三次元データだけを求める計測装置を用いた場合、ワークの二次元データの取得のためには、当該ワークに対する別途の計測工程が必要となる。一方、特許文献２の計測装置によれば、ワークの三次元計測用および二次元計測用として、それぞれ光源およびカメラが必要となり、装置が複雑化する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１５－１０５８８３号公報

【文献】特開２００６－１６２３８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の目的は、ワークの二次元データおよび三次元データを、作業性良く且つ装置を複雑化させることなく計測できるワーク計測装置および計測方法を提供することにある。

【0007】

本発明の一局面に係るワーク計測装置は、計測対象のワークに対してライン光を照射する第１光源と、前記ワークに対して通常照明光を照射する第２光源と、前記ライン光および前記通常照明光が照射された前記ワークおよびその周辺の画像を取得可能な撮像部と、前記ワークを所定の送り方向に相対移動させる移動機構と、前記撮像部、前記第１光源、前記第２光源および前記移動機構の動作を制御する制御部と、前記撮像部が取得した画像に基づき、前記ワークについての二次元データおよび三次元データを求める計測部と、を備え、前記制御部は、前記移動機構により前記ワークを移動させつつ、前記第１光源および前記第２光源を同時に点灯させた状態で、前記撮像部に所定のカメラスケール単位で前記ワークの撮像動作を行わせ、前記計測部は、前記カメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出するとともに、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置の輝度分布マップを生成し、前記輝度分布マップに基づき、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出する。

【0008】

本発明の他の局面に係るワーク計測方法は、計測対象のワークの二次元データおよび三次元データを取得するワーク計測方法であって、前記ワークを移動させつつ、ライン光および通常照明光を同時に前記ワークに照射した状態で、所定のカメラスケール単位で前記ワークの画像を取得し、前記カメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出するとともに、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置の輝度分布マップを生成し、前記輝度分布マップに基づき、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係るワーク計測装置のハード構成を簡略的に示す模式図である。

【図2】図２は、前記ワーク計測装置の電気的構成を示すブロック図である。

【図3】図３（Ａ）～（Ｃ）は、光切断法によるワークの高さ計測の手法を示す模式図である。

【図4A】図４Ａは、ワークの注目位置に対する撮像状況を示す図である。

【図4B】図４Ｂは、ワークの注目位置に対する撮像状況を示す図である。

【図4C】図４Ｃは、ワークの注目位置に対する撮像状況を示す図である。

【図4D】図４Ｄは、ワークの注目位置に対する撮像状況を示す図である。

【図5】図５（Ａ）は、前記注目位置の輝度分布マップの一例を示す図、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶＢ－ＶＢ線に沿う輝度値を示すグラフである。

【図6】図６（Ａ）～（Ｅ）は、前記輝度分布マップからワークの二次元データおよび三次元データを導出する過程を説明するための図である。

【図7】図７は、本実施形態のワーク計測装置を用いたワークの二次元データおよび三次元データの導出処理を示すフローチャートである。

【図8】図８（Ａ）～（Ｄ）は、変形例に係る輝度分布マップからワークの二次元データおよび三次元データを導出する過程を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。本発明に係るワーク計測装置は、各種の工業製品、半製品、機械部品、電子部品、食品、農産物などの、計測対象のワークの二次元計測および三次元計測に広く適用することができる。例えば、基板に実装された部品をワークとして二次元・三次元計測を行う場合に、本発明のワーク計測装置は好適である。

【0011】

［装置構成］
図１は、本実施形態に係るワーク計測装置１のハード構成を簡略的に示す模式図である。ワーク計測装置１は、第１光源２、第２光源３、カメラ装置４（撮像部）、移動モータ５（移動機構）および制御部６を備えている。ワーク計測装置１は、基台５１上のワークＷの二次元データ（輝度計測データ）および三次元データ（高さ計測データ）を導出する装置である。ここでは、ワークＷとしてマウスが基台５１上に載置されている例を示している。基台５１の表面は、高さ計測の際の基準高さ面となる。ワークＷが実装基板上の部品である場合、基台５１は当該部品が実装された基板となる。

【0012】

第１光源２は、スリット状の光を発生する光源であって、計測対象のワークＷに対してライン光ＳＬを照射する。例えば第１光源２としては、レーザ光源と、当該レーザ光源が発するレーザ光を扇型に広がるスリット光に変換する光学部品とを含む光源装置を適用することができる。本実施形態では第１光源２は、ワークＷの鉛直上方からライン光ＳＬを照射するよう配置されている例を示している。

【0013】

第２光源３は、ワークＷに対して通常照明光ＴＬを照射する。図１では、図示簡略化のため通常照明光ＴＬを円錐型に拡がる拡散光の態様で示しているが、実際の通常照明光ＴＬは、ワークＷに対して全方位から光線を照射可能な無指向性の照明光である。第２光源３は、例えば多数のＬＥＤがマトリクス搭載された基板を、指向方向を異ならせて環状に配列してなる光源装置を適用することができる。ワークＷに対して無指向性の照明光を照射可能である限りにおいて、第２光源３の配置形態には特に制限はない。

【0014】

カメラ装置４は、ライン光ＳＬおよび通常照明光ＴＬが照射されたワークＷおよびその周辺の画像を取得する。カメラ装置４は、基台５１の鉛直方向に対して傾いた撮像光軸ＡＸを有している。すなわちカメラ装置４は、ライン光ＳＬの投影軸に対して傾いた撮像光軸ＡＸを具備している。これらの軸配置は、光切断法によりワークＷの三次元形状を計測するための配置である。なお、撮像光軸ＡＸを鉛直方向に配置し、ライン光ＳＬの投影軸を撮像光軸ＡＸに対して傾けて配置する構成としても良い。

【0015】

移動モータ５は、ワークＷを所定のワーク送り方向Ｆに相対移動させる移動機構の駆動源である。ワークＷの相対移動の態様としては、第１光源２、第２光源３およびカメラ装置４の測定系を固定配置として、ワークＷおよび基台５１をワーク送り方向Ｆに移動させる態様と、静置されたワークＷおよび基台５１に対して前記測定系をワーク送り方向Ｆにスキャン移動させる態様とを例示することができる。移動モータ５は、前者の場合にはワークＷおよび基台５１を移動させるコンベア等の駆動源、後者の場合には前記測定系をガイドレール等に沿って移動させる駆動源となる。

【0016】

制御部６は、マイクロコンピュータやパーソナルコンピュータ等からなり、第１光源２、第２光源３、カメラ装置４および移動モータ５の動作を制御する。具体的には制御部６は、第１光源２によるライン光ＳＬの照射動作、第２光源３による通常照明光ＴＬの照射動作、カメラ装置４によるワークＷの撮像動作、並びに、移動モータ５によるワークＷの送り動作、つまりスキャン動作などを制御する。

【0017】

［ワーク計測装置の電気的構成］
図２は、ワーク計測装置１の電気的構成を示すブロック図である。カメラ装置４は、撮像素子４１、画像メモリ４２、計測部４３、設定記憶部４４およびＩ／Ｆ部４５を備えている。撮像素子４１は、光電変換素子からなる画素がマトリクス配置されたセンサである。撮像素子４１としては、画素の読み出し範囲を定めるＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）の指定が可能なＣＭＯＳセンサを用いることが望ましい。

【0018】

画像メモリ４２は、撮像素子４１が取得した画像データを一時的に格納する。計測部４３は、撮像動作により取得されたワークＷの画像、つまり画像メモリ４２に格納された画像データに基づき、当該ワークＷの二次元データおよび三次元データを求める。本実施形態では、計測部４３がカメラ装置４に装備されている例を示すが、計測部４３は制御部６若しくは他の外部装置に装備されていても良い。設定記憶部４４は、計測部４３の計測動作に関連する各種設定データやパラメータ等を記憶する。後述する輝度分布マップＭにおける２Ｄ領域および３Ｄ領域を区画する基準位置に関する設定値を、設定記憶部４４に格納させても良い。Ｉ／Ｆ部４５は、制御部６とデータ通信を行わせるためのインターフェース回路である。

【0019】

計測部４３は、機能的に画像配列部４３１、高さ算出部４３２、輝度算出部４３３およびＲＯＩ設定部４３４を含む。画像配列部４３１は、撮像素子４１により所定のカメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、ワークＷの注目位置に対応する画像データを抽出する。さらに、画像配列部４３１は、抽出された画像データを時系列順に並べて、当該注目位置についての輝度分布マップＭ（図５）を生成する。

【0020】

高さ算出部４３２は、ワークＷの三次元データの導出のため、輝度分布マップＭに基づき、ワークＷの各注目位置の高さを光切断法により求める処理を実行する。輝度算出部４３３は、ワークＷの二次元データの導出のため、輝度分布マップＭに基づき、各注目位置の輝度を求める処理を実行する。ＲＯＩ設定部４３４は、撮像素子４１のＲＯＩを指定する。ＲＯＩのワーク送り方向Ｆのレンジ、つまりプロファイル方向のレンジを広くするほど、計測対象のワークＷの高さレンジが拡張され、より高いワークＷの三次元計測が可能となる。

【0021】

制御部６は、移動モータ５を備えた移動機構によりワークＷをワーク送り方向Ｆへ移動させつつ、第１光源２および第２光源３を同時に点灯させた状態で、カメラ装置４に所定のフレームレートでワークＷの撮像動作を行わせる。すなわち、撮像素子４１の画素列のサイズに比例したピッチ毎、換言するとカメラスケール単位で、制御部６はカメラ装置４に撮像動作を行わせる。制御部６は、所定のプログラムが実行されることにより、機能的にカメラ制御部６１、光源制御部６２、モータ制御部６３、データ記憶部６４およびＩ／Ｆ部６５を具備するように動作する。

【0022】

カメラ制御部６１は、カメラ装置４を制御して、相対移動するワークＷを所定のカメラスケール単位で撮像させる。この撮像により、ワークＷの多数枚のフレーム画像が取得され、画像メモリ４２に格納される。前記カメラスケール単位は、ワークＷの相対移動距離と、撮像素子４１の画素列上のサイズとが比例関係となるように設定される。

【0023】

光源制御部６２は、カメラ装置４によるワークＷの撮像時に、第１光源２および第２光源３を同時に点灯させる。これにより、ライン光ＳＬおよび通常照明光ＴＬの双方の、ワークＷからの反射光を同時にカメラ装置４に入射させることができる。モータ制御部６３は、カメラ装置４によるワークＷの撮像時に、移動モータ５を制御して、ワークＷおよび基台５１をワーク送り方向Ｆへ所定の移動速度で相対移動させる。データ記憶部６４は、カメラ装置４の計測部４３から送信される、ワークＷの二次元データおよび三次元データを記憶する。Ｉ／Ｆ部６５は、カメラ装置４とデータ通信を行わせるためのインターフェース回路である。

【0024】

［光切断法による高さ計測］
図３（Ａ）～（Ｃ）を参照して、ワーク計測装置１において実行可能な、光切断法による三次元計測（高さ計測）について説明を加えておく。図３（Ａ）に示す通り、ここでは測定対象として、直方体のワークＷが基台５１に搭載されている例を示している。高さ計測には、上述のカメラ装置４と、ライン光ＳＬを発する第１光源２とが用いられる。図１とは異なり図３（Ａ）では、撮像光軸ＡＸが鉛直方向となるようにカメラ装置４が配置され、ライン光ＳＬの投影光軸が当該撮像光軸ＡＸに対して所定の交差角θを持つように第１光源２が配置されている例を示す。

【0025】

図３（Ｂ）は、ワークＷにライン光ＳＬが照射される、あるスキャン位置でカメラ装置４が取得するフレーム画像Ｆ０１を示している。ライン光ＳＬがワークＷを含む領域に照射されると、ワークＷの周囲の基台５１からの、つまり基準高さからの反射光ＲＬ１と、ワークＷの上面からの反射光ＲＬ２とがカメラ装置４にて撮像される。ライン光ＳＬが斜光であってワークＷが高さを持つので、フレーム画像Ｆ０１上において、反射光ＲＬ１、ＲＬ２はＸ座標の互いに異なる位置に観測される。具体的には、反射光ＲＬ１は座標ｘ１１に、反射光ＲＬ２は座標ｘ１１よりもワーク送り方向Ｆの上流側に位置する座標ｘ１２に表れる。

【0026】

図３（Ａ）の点Ｐ０にライン光ＳＬが照射された場合を、計算上の高さ＝０の地点と扱う。そうすると、図３（Ｃ）に示すように、交差角θを用いた三角測量の原理より、座標ｘ１１の高さはｈ１、座標ｘ１２の高さはｈ２という高さデータを得ることができる。以降、後続のフレーム画像Ｆ０２、Ｆ０３が順次撮像され、ワークＷの異なる位置の画像が取得される。これにより、フレーム画像Ｆ０２では座標ｘ２１、ｘ２２の高さデータが、フレーム画像Ｆ０３では座標ｘ３１、ｘ３２の高さデータが取得される。言うまでもなく、実際のカメラスケール単位は、図例よりも遙かに狭ピッチである。

【0027】

以上のようなスキャン動作により取得された複数の高さデータを統合することで、ワークＷの三次元データを求めることができる。なお、各フレーム画像Ｆ０１、Ｆ０２、Ｆ０３で取得される高さデータは、反射光ＲＬ１、ＲＬ２が異なるＸ座標位置に照射された結果に基づく。このため、データ統合に際しては、例えばフレーム画像Ｆ０１においてワークＷの領域で得られた座標ｘ１２の高さデータと、その後のスキャン位置で基台５１の領域で得られた座標ｘ１２の高さデータとを整合させる高さテーブルが作成しても良い。

【0028】

［二次元データおよび三次元データの同時取得］
続いて、ワーク計測装置１における二次元データおよび三次元データの同時取得について説明する。図４Ａ～図４Ｄは、ワークＷの注目位置Ｎに対する撮像状況を示す図である。図４Ａ～図４Ｄでは、高さｈを有する直方体状のワークＷを、カメラ装置４の撮像素子４１に対してワーク送り方向Ｆに相対移動させながら、所定のカメラスケール単位で当該ワークＷの撮像が行われる状態を示している。

【0029】

ワークＷに対しては、第１光源２が発するライン光ＳＬと、第２光源３が発する図略の通常照明光ＴＬとが同時に照射されている。このため、撮像素子４１にはワークＷに照射されたライン光ＳＬの反射光であるライン反射光ＲＬと、通常照明光ＴＬの反射光である通常反射光ＲＴとが同時に入射する。なお、ライン反射光ＲＬとしては、ｈ＝０の位置からのライン反射光ＲＬ１と、高さｈからのライン反射光ＲＬ２とが示されている。

【0030】

ワークＷには、二次元データおよび三次元データを求めるべき注目位置Ｎを示している。注目位置Ｎのワーク送り方向Ｆのサイズは、一つのフレーム画像および次のフレーム画像の撮像ピッチ間に当該ワークＷが移動する距離に相当する。撮像素子４１に付されている画素列Ｌ１～Ｌ１０は、前記撮像ピッチに対応する画素数を備えた画素列である。注目位置Ｎは、ワーク送り方向Ｆに移動されながら、連続的に撮像される１０枚のフレーム画像Ｆ１～Ｆ１０において、画素列Ｌ１～Ｌ１０の各々に順次撮像されることになる。このうち、図４Ａ～図４Ｄでは、３番目～６番目のフレーム画像Ｆ３～Ｆ６の撮像状況を示している。なお、ｈ＝０のライン反射光ＲＬ１は、画素列Ｌ４に入射する設定である。

【0031】

図４Ａのフレーム画像Ｆ３では、注目位置Ｎは未だライン光ＳＬの照射位置には到達していない。このため、フレーム画像Ｆ３において注目位置Ｎが撮像される画素列Ｌ３で取得される画像データＦ３－Ｌ３は、通常反射光ＲＴのみからなる画像データとなる。フレーム画像Ｆ３よりも先に撮像されるフレーム画像Ｆ１，Ｆ２も同様である。

【0032】

図４Ｂのフレーム画像Ｆ４では、注目位置Ｎは画素列Ｌ３のワーク送り方向Ｆの下流側に隣接する画素列Ｌ４で撮像される。フレーム画像Ｆ４においても、ワークＷからの通常反射光ＲＴが画素列Ｌ４に入射する。また、注目位置Ｎとワーク送り方向Ｆの同位置にあるｈ＝０の領域からのライン反射光ＲＬ１も、画素列Ｌ４に入射する。このため、フレーム画像Ｆ４において注目位置Ｎが撮像される画素列Ｌ４で取得される画像データＦ４－Ｌ４は、通常反射光ＲＴにライン反射光ＲＬ１が重畳された画像データとなる。

【0033】

図４Ｃのフレーム画像Ｆ５では、注目位置Ｎは画素列Ｌ５で撮像される。フレーム画像Ｆ５においても、ワークＷからの通常反射光ＲＴが画素列Ｌ５に入射し、さらに、ワークＷの高さｈの領域からのライン反射光ＲＬ２が画素列Ｌ５に入射する。従って、フレーム画像Ｆ５において注目位置Ｎが撮像される画素列Ｌ５で取得される画像データＦ５－Ｌ５は、通常反射光ＲＴにライン反射光ＲＬ２が重畳された画像データとなる。

【0034】

一方、図４Ｄのフレーム画像Ｆ６が撮像されるタイミングでは、注目位置Ｎはライン光ＳＬの照射位置を通過している。このため、フレーム画像Ｆ６において注目位置Ｎが撮像される画素列Ｌ６で取得される画像データＦ６－Ｌ６は、専ら通常反射光ＲＴの画像データとなる。なお、図４Ａ～図４Ｄではライン光ＳＬが単純な線状光として描かれているが、実際のライン光ＳＬはワーク送り方向Ｆにガウス分布状の光強度分布を持つ。このため、画像データＦ６－Ｌ６が、通常反射光ＲＴにライン反射光ＲＬ２の一部が重畳された画像データとなる場合もある。フレーム画像Ｆ６よりも後に撮像されるフレーム画像Ｆ７～Ｆ１０は、通常反射光ＲＴだけが入射する画像となる。

【0035】

以上の通り、図４Ａ～図４Ｄの画像データＦ３－Ｌ３～Ｆ６－Ｌ６を含む、フレーム画像Ｆ１～Ｆ１０は、画像メモリ４２（図２）に一時的に記憶される。計測部４３の画像配列部４３１は、画像メモリ４２に格納されたフレーム画像Ｆ１～Ｆ１０の中から、注目位置Ｎに対応する画像データを抽出する。さらに、画像配列部４３１は、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置Ｎの輝度分布マップを生成する。同様の処理を、ワークＷの他の部位を注目位置Ｎとして繰り返す。

【0036】

図５（Ａ）は、注目位置Ｎの輝度分布マップＭの一例を示す図である。図中のｘ方向は、画像データを時系列順に配列する方向であって、ワークＷの高さデータが表出するプロファイル方向である。ｙ方向は、ワーク送り方向Ｆと直交するワークＷの幅方向であって、ライン光ＳＬの延在方向である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）のＶＢ－ＶＢ線に沿う輝度値を示すグラフである。

【0037】

図５（Ａ）に例示する輝度分布マップＭは、フレーム画像Ｆ１～Ｆ１０の各々において、注目位置Ｎについて取得された画像データＦ１－Ｌ１～Ｆ１０－Ｌ１０をｘ方向に並べて作成されている。つまり、輝度分布マップＭは、フレーム画像Ｆ１～Ｆ１０におけるある一つの注目位置Ｎの輝度変化を示している。

【0038】

図４Ｂに示したように、画像データＦ４－Ｌ４には、ｈ＝０の領域からのライン反射光ＲＬ１が含まれている。従って、輝度分布マップＭのＦ４－Ｌ４の領域には、ライン反射光ＲＬ１に対応する輝度データＤ１１が計測されている。また、図４Ｃに示したように、画像データＦ５－Ｌ５には、ワークＷの高さｈの領域からのライン反射光ＲＬ２が含まれている。従って、輝度分布マップＭのＦ５－Ｌ５の領域には、ライン反射光ＲＬ２に対応する輝度データＤ１２が計測されている。一方、通常反射光ＲＴは、全ての画像データＦ１－Ｌ１～Ｆ１０－Ｌ１０に含まれている。このため、図５（Ｂ）に示すように、輝度分布マップＭの全領域において、通常反射光ＲＴに対応する輝度データＤ２が計測されている。ＶＢ－ＶＢ線上では、ライン反射光ＲＬ２の輝度データＤ１２が突出して高い輝度値を示している。輝度データＤ１２が方形波ではなく三角波の形状となるのは、既述の通りライン光ＳＬがガウス分布の光強度分布を有するからである。

【0039】

上述の輝度分布マップＭに基づき、計測部４３の高さ算出部４３２は、注目位置Ｎの高さデータ、つまり三次元データを、輝度算出部４３３は、注目位置Ｎの輝度データ、つまり二次元データを導出する。図６（Ａ）～（Ｅ）は、輝度分布マップＭからワークの二次元データおよび三次元データを導出する過程を説明するための図である。

【0040】

データ導出に際して画像配列部４３１は、輝度分布マップＭ上に、図６（Ａ）に示すように、二次元データを取得する２Ｄ領域Ｍ１と、三次元データを取得する３Ｄ領域Ｍ２とを設定する。３Ｄ領域Ｍ２は、輝度分布マップＭにおいてライン光ＳＬに基づくワークＷの高さ情報が現れる領域に設定され、２Ｄ領域Ｍ１は、その他の領域に設定される。図５（Ａ）に例示する輝度分布マップＭでは、高さ情報が現れるのは、画像データＦ４－Ｌ４～Ｆ１０－Ｌ１０の領域であるので、当該領域が３Ｄ領域Ｍ２に設定される。この場合、２Ｄ領域Ｍ１は、画像データＦ１－Ｌ１～Ｆ３－Ｌ３の領域となる。

【0041】

３Ｄ領域Ｍ２の範囲は、ＲＯＩ設定部４３４による撮像素子４１のＲＯＩの指定範囲により調整することができる。撮像素子４１は、マトリクス配列された多数の画素を有し、これら画素群の二次元配列範囲が画像を取得可能な画像エリアとなる。ＲＯＩ設定部４３４は、撮像素子４１が取得する全画像エリアのうち使用する一部を指定するＲＯＩ指定を行う。ワーク送り方向Ｆのレンジの広いＲＯＩ指定を行えば、計測可能なワークＷの高さレンジを拡張できる。ＲＯＩ設定部４３４は、ワークＷの種別に応じて、適宜な範囲を有するＲＯＩ指定を行う。ＲＯＩ指定に基づく２Ｄ領域Ｍ１および３Ｄ領域Ｍ２の設定値は、設定記憶部４４に格納される。

【0042】

図６（Ｂ）に示すように、輝度算出部４３３は、２Ｄ領域Ｍ１に任意に設定したデータ取得ラインＧ１上において、所定数の輝度データを抽出する。データ取得ラインＧ１は、１ラインのみでも良いし、複数ラインでも良い。図６（Ｃ）は、データ取得ラインＧ１に沿って任意のピッチで抽出された輝度データを示すグラフである。通常反射光ＲＴは、無指向性の通常照明光ＴＬの反射光であるが、データ取得ラインＧ１上の輝度データには、ある程度の輝度値のバラツキが生じる。輝度算出部４３３は、抽出した輝度データ群の例えば平均値、最大値、あるいは中央値を求める処理を行って一つの輝度データを導出する。この輝度データが、注目位置Ｎの二次元データとなる。

【0043】

高さ算出部４３２は、図６（Ｄ）に示すように、３Ｄ領域Ｍ２において、ワークＷの最高位置を相当する輝度データＤ１２をｘ方向に横切るデータ取得ラインＧ２上において、所定数の輝度データを抽出する。図６（Ｅ）は、データ取得ラインＧ２に沿って任意のピッチで抽出された輝度データを示すグラフである。この輝度データの波形には、通常反射光ＲＴの輝度成分で嵩上げされた輝度データＤ１２のピーク値ＴＤが現れる。ピーク値ＴＤは、ワークＷの高さｈを正確に表す輝度データとなる。高さ算出部４３２は、例えば重心計算や位相計算によりピーク値ＴＤを求め、輝度データＤ１２の高さ位置とする。同様に、輝度データＤ１１についてもピーク値を求め、ｈ＝０の高さ基準位置とする。このようにして得た輝度データＤ１１、Ｄ１２の各ピーク値に基づき、高さ算出部４３２は光切断法により注目位置Ｎの高さを求めることで、三次元データを取得する。

【0044】

［データ導出処理のフロー］
図７は、本実施形態のワーク計測装置１を用いたワークＷの二次元データおよび三次元データの導出処理を示すフローチャートである。ワークＷの計測の開始に際し、ＲＯＩ設定部４３４が撮像素子４１のＲＯＩ指定を行う（ステップＳ１）。ワークＷの高さが予め想定されている場合、このＲＯＩ指定は上述の２Ｄ領域Ｍ１および３Ｄ領域Ｍ２の設定に繋がる。予め、設定記憶部４４に２Ｄ領域Ｍ１および３Ｄ領域Ｍ２の範囲の設定を記憶させておき、ステップＳ１で前記設定を読み出すようにしても良い。

【0045】

次に、ワークＷのスキャンが実行される（ステップＳ２）。スキャンに際し、制御部６の光源制御部６２は、第１光源２および第２光源３を同時に点灯させて、ライン光ＳＬおよび通常照明光ＴＬをワークＷに照射させる。モータ制御部６３は、移動モータ５を動作させて、ワークＷを所定速度でワーク送り方向Ｆへ移動させる。カメラ制御部６１は、カメラ装置４を制御して、所定のカメラスケール単位でワークＷのフレーム画像を連続的に撮像させる。取得されたフレーム画像データは、画像メモリ４２に一時的に格納される（ステップＳ３）。

【0046】

その後、計測部４３が画像メモリ４２から画像データを読み出して、ワークＷの計測データを導出する処理を実行する。先ず、計測部４３は、ワークＷに対して、注目位置Ｎを設定する（ステップＳ４）。注目位置Ｎは、ワークＷの表面を細分化してｎ個設定される。次いで、画像配列部４３１が、カウンタをＮ＝１に設定して、画像メモリ４２内のフレーム画像の各々から、１番目の注目位置Ｎの画像データを抽出する（ステップＳ５）。この画像データは、例えば図４Ａ～図４Ｄに示した、画像データＦ３－Ｌ３～Ｆ６－Ｌ６である。さらに、画像配列部４３１は、抽出された画像データを時系列順に並べて、当該注目位置Ｎの輝度分布マップＭを生成する（ステップＳ６）。輝度分布マップＭの具体例は、図５（Ａ）に示されている。

【0047】

続いて、高さ算出部４３２が、輝度分布マップＭの３Ｄ領域Ｍ２から輝度データを読み取る（ステップＳ７）。３Ｄ領域Ｍ２は、図６（Ａ）の輝度分布マップＭに例示する通りであり、輝度データの読取は、図６（Ｄ）のデータ取得ラインＧ２に沿った輝度データの抽出に相当する。次に、高さ算出部４３２は、図６（Ｅ）に例示したように、抽出した輝度データの波形のピーク値ＴＤを求めることで、ライン光ＳＬ（ライン反射光ＲＬ）の中心位置を求める処理を実行する（ステップＳ８）。これにより、ワークＷの高さｈの位置が特定される。そして、高さ算出部４３２は、ｈ＝０となる高さ基準位置を参照して、光切断法により注目位置Ｎの高さに相当する三次元データを導出する（ステップＳ９）。

【0048】

次に、輝度算出部４３３が、輝度分布マップＭの２Ｄ領域Ｍ１から輝度データを読み取る（ステップＳ１０）。３Ｄ領域Ｍ２は、図６（Ａ）の輝度分布マップＭに例示する通りであり、輝度データの読取は、図６（Ｂ）のデータ取得ラインＧ１に沿った輝度データの抽出に相当する。続いて輝度算出部４３３は、抽出した輝度データの平均値を求める等して、注目位置Ｎの輝度に相当する二次元データを導出する（ステップＳ１１）。ステップＳ９およびステップＳ１１で各々導出された三次元データおよび二次元データは、制御部６に転送され、データ記憶部６４に格納される（ステップＳ１２）。

【0049】

続いて、計測部４３は、注目位置Ｎの処理個数を示すカウンタが、ステップＳ４で設定したｎ個に到達しているか否か、つまりＮ＝ｎを満足するか否かを判定する（ステップＳ１３）。Ｎ＝ｎではない場合（ステップＳ１３でＮＯ）、計測部４３は、Ｎ＝Ｎ＋１としてカウンタをインクリメントし（ステップＳ１４）、ステップＳ５に戻って次の注目位置Ｎに対して同様の処理を実行する。一方、Ｎ＝ｎである場合（ステップＳ１３でＹＥＳ）、計測部４３は処理を終える。

【0050】

以上の通り、本実施形態のワーク計測装置１によれば、第１光源２のライン光ＳＬをワークＷに照射したライン反射光ＲＬを撮像することで、光切断法により当該ワークＷの三次元データを求めることができる。また、第２光源３の通常照明光ＴＬをワークＷに照射した通常反射光ＲＴを撮像することで、当該ワークＷの二次元データを求めることができる。制御部６は、ワークＷを移動させつつ第１光源２および第２光源３を同時に点灯させた状態で、カメラ装置４に撮像動作を実行させる。このため、カメラ装置４は、二次元および三次元の計測データの双方を抽出可能なフレーム画像を取得できる。

【0051】

取得されたフレーム画像群から作成される注目位置Ｎの輝度分布マップＭは、ライン反射光ＲＬおよび通常反射光ＲＴに基づく輝度情報であって、当該注目位置Ｎについての二次元および三次元情報を含む輝度分布情報となる。従って、輝度分布マップＭから、注目位置Ｎの二次元データおよび三次元データを導出することができる。このように、本実施形態に係るワーク計測装置１によれば、ワークＷの二次元データおよび三次元データを、一つのカメラ装置４を用いた一回のワークＷのスキャン動作で取得できる。従って、作業性良く且つ装置を複雑化させることなくワークＷを計測できる。

【0052】

［変形例］
図８（Ａ）～（Ｄ）は、変形例に係る輝度分布マップＭＡからワークＷの二次元データおよび三次元データを導出する過程を説明するための図である。変形例では、計測部４３は、輝度分布マップＭＡにおいて３Ｄ領域が所定の領域幅よりも広い領域に設定されている場合、輝度分布マップＭＡの輝度平均値を算出して二次元データを求める例を示す。

【0053】

図８（Ａ）に示すように、変形例に係る輝度分布マップＭＡにおいて３Ｄ領域のプロファイル方向（ｘ方向）の範囲は、図６（Ａ）の３Ｄ領域の範囲が広く設定されている。３Ｄ領域の範囲は、ＲＯＩ設定部４３４がワーク送り方向Ｆに広いＲＯＩ指定を行うことで拡張することができる。３Ｄ領域を拡張すると、ワークＷの高さ計測のレンジが大きくなる。従って、高さ基準の輝度データＤ１１に対し、輝度分布マップＭＡ上で相当離間した位置に現れる輝度データＤ１２Ａを計測できる。つまり、より背の高いワークＷの高さ計測を行うことが可能となる。

【0054】

３Ｄ領域の高さレンジが十分に大きく取られている輝度分布マップＭＡの場合、例えば３Ｄ領域のプロファイル方向の範囲が２Ｄ領域の２倍～５倍程度に設定されている場合、カメラ装置４により撮像される画像におけるライン光ＳＬ（ライン反射光ＲＬ）の成分は相対的に小さくなる。従って、輝度分布マップＭＡの輝度平均値は、二次元データに対応する輝度データに近似する。

【0055】

上記の知見に基づき変形例では、図８（Ｂ）に示すように、計測部４３は輝度データＤ１２をｘ方向に横切るデータ取得ラインＧ３に沿って、任意のピッチで輝度データを抽出する。図８（Ｃ）は、抽出された輝度データのｘ方向の分布を示すグラフである。輝度算出部４３３は、データ取得ラインＧ３に沿って抽出された複数の輝度データの輝度平均値を算出する。この輝度平均値を、ワークＷの注目位置Ｎについて近似的に導出された二次元データと扱う。

【0056】

高さ算出部４３２は、同じくデータ取得ラインＧ３に沿って抽出された複数の輝度データを用い、図８（Ｄ）に示すような輝度データを示すグラフを作成する。そして高さ算出部４３２は、上述の実施形態と同様にして輝度データＤ１２のピーク値ＴＤを求めるとともに、光切断法により注目位置Ｎの高さを求めることで、三次元データを取得する。このような変形例によれば、一つのデータ取得ラインＧ３に沿った輝度データ抽出により二次元データおよび三次元データを導出できるので、計測作業を簡素化することができる。

【0057】

［上記実施形態に含まれる発明］
本発明の一局面に係るワーク計測装置は、計測対象のワークに対してライン光を照射する第１光源と、前記ワークに対して通常照明光を照射する第２光源と、前記ライン光および前記通常照明光が照射された前記ワークおよびその周辺の画像を取得可能な撮像部と、前記ワークを所定の送り方向に相対移動させる移動機構と、前記撮像部、前記第１光源、前記第２光源および前記移動機構の動作を制御する制御部と、前記撮像部が取得した画像に基づき、前記ワークについての二次元データおよび三次元データを求める計測部と、を備え、前記制御部は、前記移動機構により前記ワークを移動させつつ、前記第１光源および前記第２光源を同時に点灯させた状態で、前記撮像部に所定のカメラスケール単位で前記ワークの撮像動作を行わせ、前記計測部は、前記カメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出するとともに、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置の輝度分布マップを生成し、前記輝度分布マップに基づき、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出する。

【0058】

本発明の他の局面に係るワーク計測方法は、計測対象のワークの二次元データおよび三次元データを取得するワーク計測方法であって、前記ワークを相対移動させつつ、ライン光および通常照明光を同時に前記ワークに照射した状態で、所定のカメラスケール単位で前記ワークの画像を取得し、前記カメラスケール単位で順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出するとともに、抽出された画像データを時系列順に並べて当該注目位置の輝度分布マップを生成し、前記輝度分布マップに基づき、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出する。

【0059】

上記のワーク計測装置または計測方法によれば、第１光源のライン光をワークに照射した反射光を撮像部に撮像させることで、光切断法により当該ワークの三次元データを求めることができる。また、第２光源の通常照明光をワークに照射した反射光を撮像部に撮像させることで、当該ワークの二次元データを求めることができる。なお、通常照明光は、ワークに対して全方位から光線を照射可能な無指向性の照明光である。そして、制御部が第１光源および第２光源を同時に点灯させた状態で、撮像部に撮像動作を実行させる。このため、前記撮像部は、二次元および三次元の計測データを抽出可能な画像を、カメラスケール単位に沿った撮像毎に取得できる。

【0060】

さらに計測部は、ワークを移動させながら順次撮像された画像の各々から、前記ワークの注目位置に対応する画像データを抽出する。抽出された画像データを時系列順に並べることで、当該注目位置の輝度分布マップが生成される。この輝度分布マップは、前記ライン光および通常照明光の反射光に基づく輝度情報であって、ある一つの注目位置についての二次元および三次元情報を含む輝度分布情報となる。従って、前記輝度分布マップから、前記注目位置の二次元データおよび三次元データを導出することができる。このように、本発明に係るワーク計測装置または計測方法によれば、ワークの二次元データおよび三次元データを、一つの撮像部を用いた一回のワークのスキャン動作で取得することが可能である。従って、作業性良く且つ装置を複雑化させることなくワークを計測できる。

【0061】

上記のワーク計測装置において、前記計測部は、前記輝度分布マップにおいて、前記ライン光に基づく高さ情報が現れる領域を前記三次元データの取得する３Ｄ領域とし、他の領域を前記二次元データの取得する２Ｄ領域と設定することが望ましい。

【0062】

このワーク計測装置によれば、輝度分布マップにおいて高さ情報が現れる領域外に２Ｄ領域が設定されるので、二次元データおよび三次元データを確実に峻別して取得させることができる。

【0063】

上記のワーク計測装置において、前記計測部は、前記３Ｄ領域の情報に基づき光切断法により前記注目位置の高さを求めて前記三次元データを取得し、前記２Ｄ領域の輝度データに基づき前記注目位置の前記二次元データを取得することが望ましい。

【0064】

このワーク計測装置によれば、光切断法に基づき注目位置の三次元形状を求め、輝度データに基づき注目位置の色彩、模様などを求めることが可能となる。

【0065】

上記のワーク計測装置において、前記計測部は、前記輝度分布マップにおいて前記３Ｄ領域が所定の領域幅よりも広い領域に設定されている場合、当該輝度分布マップの輝度平均値を算出して前記二次元データを求めることが望ましい。

【0066】

輝度分布マップにおいて３Ｄ領域の高さレンジが十分に大きく取られている場合、撮像される画像におけるライン光の成分は相対的に小さくなる。従って、輝度分布マップの輝度平均値は、二次元データに対応する輝度データに近似する。上記のワーク計測装置によれば、二次元データの導出を簡素化することができる。

【0067】

上記のワーク計測装置において、前記撮像部は、画素がマトリクス配列された撮像素子を備え、前記計測部は、前記撮像素子が取得する全画像エリアのうち使用する一部を指定するＲＯＩ指定が可能であり、前記３Ｄ領域は、ＲＯＩ指定の範囲に基づき設定することができる。

【0068】

このワーク計測装置によれば、ワークの想定高さなどに応じて、ＲＯＩ指定の範囲を適宜調製することで、的確にワークの三次元データを取得することができる。

【符号の説明】

【0069】

１ ワーク計測装置
２ 第１光源
３ 第２光源
４ カメラ装置（撮像部）
４１ 撮像素子
４３ 計測部
４３１ 画像配列部
４３２ 高さ算出部
４３３ 輝度算出部
４３４ ＲＯＩ設定部
５ 移動モータ（移動機構）
６ 制御部６
Ｆ ワーク送り方向
ＳＬ ライン光
ＴＬ 通常照明光
ＲＬ ライン反射光
ＲＴ 通常反射光
Ｗ ワーク
Ｎ 注目位置
Ｍ 輝度分布マップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】