JP3149632B2 - 断面形状認識装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、三角測量の原理を利用
して被測定物の各位置までの距離を連続的に測定するこ
とにより、当該被測定物の断面形状あるいは輪郭を認識
する断面形状認識装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、断面形状認識装置としては図１
に示すようなものがある。なお、図８は、従来の断面形
状認識装置の制御部を示すブロック図である。図１に示
すように、この断面形状認識装置は、被測定物にスポッ
ト光Ｌｓを照射して当該被測定物に照射像を形成するス
ポット光源１を有している。このスポット光源１は、半
導体レーザであり、半導体レーザ駆動部２に接続されて
いる。また照射像からの反射光Ｌｒを受光する一次元Ｃ
ＣＤセンサ３を有している。この一次元ＣＣＤセンサ３
の前面には、反射光Ｌｒを集光するレンズ４が取り付け
られている。図３に示すように、一次元ＣＣＤセンサ３
は、一直線に並ぶフォトダイオードつまり画素５からな
る受光部３ａを有しており、レンズ４を通過した照射像
からの反射光Ｌｒを、これらの画素５において受光して
いる。そして反射光Ｌｒを受光した画素５の位置を基に
照射像の方向を検出している。なお各画素５は、所定時
間内の受光量に応じて生じる電荷の量を基に受光量を検
出している。このようにして、一次元ＣＣＤセンサ３に
対する照射像の方向を検知すると、この方向から算出さ
れる角度を基に三角測量の原理を利用して照射像までの
距離を算出できる。この算出方法は、例えば、特願平５
−３１９８６号(特開平６−２４１７８４号公報)の発明
の詳細な説明に開示されているような方法である。

【０００３】また断面形状認識装置は、回転自在に支持
されモータ６（駆動手段）により回転駆動されるミラー
７（反射手段）を有している。なおモータの回転軸に
は、モータ６の回転量を示すパルス信号を出力するエン
コーダ８が接続されている。このミラー７は、スポット
光源１からのスポット光Ｌｓを被測定物に向けて照射さ
せると共に、被測定物（図示せず）上に形成される照射
像からの反射光Ｌｒを一次元ＣＣＤセンサ３に向けて導
く部材であり、このミラー７を回転させると、スポット
光Ｌｓにより被測定物をスキャンできる。したがって、
スポット光Ｌｓで被測定物をスキャンしつつ照射像まで
の距離を連続的に測定することにより、断面形状を認識
できる。

【０００４】しかし、上記の被測定物上の照射像は、一
般に、光が照射されている部分とされていない部分の境
が明瞭ではない。このように、反射光などを受光するよ
うな場合は、その受光範囲は拡がりを有することになる
ので、各画素５での受光量は図４に示すグラフのよう
に、照射像の輝度に対応する分布になる。

【０００５】したがって、従来においては、例えば最も
受光強度が大きい画素の位置から照射方向を決定した
り、または各画素の位置と各画素での受光強度とを用い
て、次に示す式（１）から光重心の位置つまり照射され
る光の量が両側で均衡する位置を示す値Ｋを求め、この
位置を受光位置とみなして照射方向を決定したりしてい
る。なお、ｉは一次元センサの画素の位置が何ビット目
かを示す値であり、ｖｉは一次元センサのｉビット目の
画素における出力値である。

【０００６】

【数１】

【０００７】ここで、光重心の位置を求めて照射像の方
向を決定する工程を説明する。ミラー７を駆動するモー
タ６が作動されると、モータ６の回転軸に接続するエン
コーダ８のパルス信号がカウンタ９によりカウントさ
れ、スポット光Ｌｓの照射方向がメモリ１０に記憶され
る。スポット光Ｌｓの照射方向が検出されると、そのス
ポット光Ｌｓが照射され形成される照射像からの反射光
を一次元ＣＣＤセンサ３により受光し、その受光量の測
定値をビデオバッファ１１に出力する。ビデオバッファ
１１に出力された測定値は、同時に、各画素５毎Ａ／Ｄ
コンバータ１２により受光量の測定値を示す数値に変換
され、逐次メモリ１０に記憶される。全ての画素５の測
定データの数値化が終了すると、メモリ１０に記憶され
る照射方向のデータつまり角度と数値化された受光量の
測定値とがＣＰＵ１３に読み込まれ、式（１）により光
重心の位置が算出される。

【０００８】この光重心の位置と、予め準備されている
光重心位置と距離との換算テーブル（図示せず）とか
ら、照射像までの距離が算出される。なお換算工程およ
び換算テーブルは、例えば特願平５−３１９８６号の発
明の詳細な説明に開示されている。このような処理を、
スポット光で被測定物をスキャンしながら連続的に行う
ことにより、断面形状を認識している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、受光し
た光の量に応じて生じる電荷の量を基に受光量を検出す
る画素５には、通常、電荷の収容能力に制限があるの
で、強い強度の光を受光して、収容能力以上の電荷が生
じると、いわゆる電荷の飽和現象が発生し、収容できな
い電荷が溢れてしまう。この場合、画素の測定値は、実
際の受光量を示さない。

【００１０】このような不具合が、例えば最も受光量が
多い画素や，これに隣接する画素において発生すると、
各画素の受光量の分布を示すグラフは、図５に示すよう
になり、受光量が最も多い画素の位置や、その画素での
受光量の測定値を検出することができない。またこのよ
うなグラフからは、正確な光重心の位置を算出すること
ができない。このような不具合は、単位受光量当たりの
発生電荷量を小さくすることにより回避できるが、単位
受光量当たりの発生電荷量をあまりに小さくすると、測
定精度が低下してしまう。したがって、各測定毎に、単
位受光量当たりの発生電荷量を決定するといった方法も
考えられるが、上記のような不具合を常に防げるもので
はない。

【００１１】そこで本発明の発明者は、相前後する距離
測定作業において測定された受光量の測定値のグラフの
形状つまり増加減少傾向が極めて近似していることに着
目して、本発明をなすに至った。本発明に係る断面形状
認識装置は、一部の画素の受光量測定の出力値が実際の
受光量を示す値ではない場合に、その実際の受光量を示
していない一部の画素の測定値を、過去の受光量測定値
を用いて実際の測定値に対応する値に補正することによ
り、上記問題点を解決することを目的としている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るための本発明の断面形状認識装置は、被測定物にスポ
ット光を照射して当該被測定物に照射像を形成するスポ
ット光源と、この照射像からの光の受光量を測定する複
数の受光部材からなる受光手段と、前記スポット光を前
記被測定物に導くと共に前記照射像からの光を前記受光
手段に導く反射手段と、当該反射手段を回転させて前記
スポット光を走査させる駆動手段と、前記複数の受光部
材における受光量の測定値を基に前記照射像の重心位置
を算定すると共に当該重心位置までの距離を算出する演
算手段とを有する断面形状認識装置において、当該断面
形状認識装置により既に測定された過去の受光量の測定
値を記憶する記憶手段と、前記複数の受光部材の一部の
受光部材が測定可能範囲を超える光を受光して測定可能
な範囲の限界値が測定値として出力され実際の受光量を
示していない場合に、前記記憶手段により記憶された前
記過去の測定値を基にして実際の受光量を示す値を算出
して補正する補正手段とを設けたことを特徴とする。

【００１３】

【作用】受光部材が測定可能範囲を超える光を受光する
と、その受光部材からは、実際の受光量を示していない
測定値が出力される。このような場合に、実際の受光量
を示していない測定値を、過去の測定値を用いて、実際
の受光量に相当する値に補正する。

【００１４】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。なお、既に説明した部材には同一の符号を
付す。図１は、本実施例の断面形状認識装置のセンサ部
２０、すなわちスポット光源１と、一次元ＣＣＤセンサ
３と、ミラー８とを有する部分の構造を示す概念図であ
る。この部分の構造は従来の装置と同様である。また図
２は、一次元ＣＣＤセンサ３の各種測定値から被測定位
置までの距離を算出する制御部と、センサ部２０の一部
とを示すブロック図である。

【００１５】図１に示すように、断面形状認識装置のセ
ンサ部２０には、スポット光を照射するスポット光源１
が取り付けられている。このスポット光源１の照射口
は、口径を自在に変化させることができるものであるの
で、被測定物の表面状態や測定精度などにより適宜選択
される。またセンサ部２０には、スポット光源１からの
スポット光Ｌｓを被測定物に向けて反射するミラー７が
回転自在に取り付けられており、モータ６により駆動さ
れている。したがって、モータ６によりミラー７を回転
させることにより、スポット光Ｌｓで被測定物をスキャ
ンすることができる。なお距離測定は、表面段差が少な
い比較的滑らかな表面を有する物体を被測定物とする場
合、数ミリ秒毎に行っている。このモータ６の駆動軸に
は、モータ６の回転位置を示すパルス信号を生成するエ
ンコーダ８が接続されている。したがってエンコーダ８
からの回転駆動信号をカウンタ９によりカウントしてモ
ータ６の位置を検知することにより、ミラー７の位置を
検知でき、スポット光Ｌｓの照射方向を検出することが
できる。なお、検出されたスポット光Ｌｓの照射方向は
メモリ１０に記憶される。

【００１６】さらにセンサ部２０には、被測定物上のス
ポット光Ｌｓの照射像からの光を受光する一次元ＣＣＤ
センサ３が取り付けられている。図示するように、この
一次元ＣＣＤセンサ３の前面には、スポット光Ｌｓの照
射像など測定対象からの反射光Ｌｒを通過させるレンズ
４が取り付けられており、このレンズ４を通過した反射
光Ｌｒを受光する受光部３ａを有している。この受光部
３ａは、図３に示すように、直線に並ぶ多数の画素５か
らなっており、測定対象である照射像からの反射光Ｌｒ
を受光した画素５の位置によって、受光した光の照射方
向を検出している。なお、受光位置の幅方向のずれを考
慮し、幅の広い画素を用いたり、画素の列を２列以上に
したりしてもよい。一次元ＣＣＤセンサ３の各画素５に
より測定された受光量の測定データは、図２に示すビデ
オバッファ１１に画像データとして出力される。ビデオ
バッファ１１に出力された測定データは、同時に、各画
素５毎にＡ／Ｄコンバータ１２により数値に変換され、
逐次メモリ１０に記憶される。

【００１７】なお図２に示すように、このメモリ１０は
バス２１を介してＣＰＵ１３、ＲＯＭ２２、ＲＡＭ２３
およびレジスタ２４に接続されており、メモリ１０に記
憶されている数値化された測定値を自在に転送できるよ
うになっている。つまり、メモリ１０に記憶される測定
値をＣＰＵ１３に読み込んだり、演算の中途で算出され
る数値をレジスタ２４に書き込んだり、レジスタ２４の
数値を読み込んだりすることができる。このうちＣＰＵ
１３は、受光量の測定値から光重心の位置を算出する
が、本実施例では、後ほど説明する比較工程と、補正工
程とを行う補正手段にもなっている。

【００１８】またこのバス２１には、一次元ＣＣＤセン
サ３により、過去において測定された測定データを保存
する過去ビデオバッファ用メモリ３１と、過去の測定値
から算出される光重心の位置などの数値が保存される過
去数値用メモリ３２が接続されている。したがって、過
去の測定値や光重心の位置を示す数値を用いて、実際の
受光量を示していない測定値を、実際の受光量に相当す
る値に補正することができる。

【００１９】このような断面形状認識装置により、被測
定物の断面形状を測定する際の動作の流れを説明する。
まずスポット光源１から被測定物に向けてスポット光Ｌ
ｓを照射し、被測定物上にスポット光Ｌｓの照射像を形
成する。そして照射像からの反射光Ｌｒを、一次元ＣＣ
Ｄセンサ３で受光する。図３に示すように、一次元ＣＣ
Ｄセンサ３は多数の画素５を有しており、各画素５での
受光量の測定データは、ビデオバッファ１１に蓄積され
る。そしてこれら一回の測定での測定値の集まり、つま
り測定データ群は、同時にＡ／Ｄコンバータにより各画
素５毎に数値化され、一つの測定値群としてメモリ１０
に記憶される。

【００２０】次に、この測定値群の測定値の中に、補正
する必要のある測定値があるか否かを判断する。この判
断は、画素５の測定値として、測定可能範囲の最大値を
示す測定値が存在するか否かで判断する。測定値が測定
可能範囲の最大値である画素が、実際にはさらに多くの
光を受光している場合、その測定値を補正する必要があ
るからである。

【００２１】このとき、測定可能範囲の最大値を示す値
が存在せず、図４に示すように、各画素５の実際の受光
量の分布が全体に亘って測定されている場合は、測定値
を補正する必要がない。したがって、先に示した式
（１）に、各画素５の位置と、その位置での受光量の測
定値を代入して、光重心の位置を算出し、これを基に決
定される照射像の方向と、三角測量の原理とにより、照
射像までの距離を算出する。一方、測定可能範囲の最大
値を示す値が存在する場合、つまり図５に示すように、
グラフから受光量が極大である位置が読み取れない場合
は、実際の受光量を示していない測定値を、実際の受光
量に対応する値に補正する必要がある。

【００２２】その工程は、次に示すとおりである。測定
値群の中に、画素５の測定可能範囲の最大値を示す測定
値が存在し、補正の必要があると判断されると、その測
定値群の測定値と、補正の必要がなかった過去の測定値
群の測定値とを比較する。比較に用いる過去の測定値群
には、通常、直近つまり数ミリ秒前に行った測定での測
定値群を用いる。この比較では、処理中の測定値群のグ
ラフと、過去の測定値群のグラフとを、縦軸の値つまり
受光量の測定値の増加減少傾向が一致するような位置
で、重ね合わせることを目的としている。

【００２３】比較を行う比較工程を、図７に示す比較ル
ーチンを用いて具体的に説明すると、まず処理中の測定
値群のグラフＧ１と、過去の測定値群のグラフＧ２と
を、図６に示すように、同一のシートに描く（Ｓ１）。
このとき、グラフ相互Ｇ１，Ｇ２をＹ軸方向に相対平行
移動させ、光を受光していない画素５の受光量の測定値
レベルを相互に一致させる。

【００２４】次に、処理中の測定値のグラフについて、
所定の画素（In₁ ）からIn₂ 個目の画素までの受光量の
総和Ｓf を式（２）によって求めると共に、In₃ 個目か
ら所定の位置の画素（In₄ ）までの画素の受光量の総和
Ｓb を式（３）によって求める（Ｓ２）。また同様に、
過去の測定値のグラフについても、所定の画素（In₁）
からIn₂ 個目の画素までの受光量の総和Ｓ f´を式
（４）によって求めると共に、In₃ 個目から所定の位置
の画素（In₄ ）までの画素の受光量の総和Ｓ b´を式
（５）によって求める（Ｓ３）。

【００２５】

【数２】

【００２６】なお各総和を求める際には、先に一致させ
た測定値レベルを基準つまり０としている。また、In₁
〜In₄ の数値は、比較工程において説明の都合上用いて
いる画素位置を示す数値であり、実際の測定時の画素位
置を現すものではない。このようにして算出した数値を
式（６）に代入して、評価関数Ｈを求める（Ｓ４）。こ
の一連の工程（Ｓ１〜Ｓ４）からなる比較作業を、グラ
フ相互をＸ方向に一画素ずつ相対平行移動させる毎に行
い、評価関数が最も小さくなるグラフの重ね合わせ位置
を求める。なお、ここで説明した工程は、原理を容易に
理解するための工程であり、同様の原理に基づく他の方
法を用いてもよいのはもちろんである。また最適の重ね
合わせ位置を決定する評価方法は、この原理に基づく方
法に限られるものでなく、例えば、Ｘ軸の値が同一であ
る各グラフの測定値、つまりこの実施例であれば、画素
位置がInである処理中の測定値Ｖ´を過去の測定値Ｖ″
で割るという作業をIn₁ からIn₂ までの画素と、In₃ か
らIn₄ までの画素について行い、求められた数値群の標
準偏差が最も小さくなる位置を最も適する重ね合わせ位
置とするなどというように、種々の方法を用いることが
できる。

【００２７】比較工程で最適の重ね合わせ位置が求まる
と、この最適の重ね合わせ位置での比率と、過去の測定
値とを基に、実際の受光量が示されていない測定値を、
実際の受光量に対応する値に補正する（補正工程）。つ
まり、過去の測定値であるｖ″にＨを乗じて二点鎖線上
のｖ′をもとめるのである。

【００２８】このようにして測定値を補正すると、光重
心の位置を求める際に、図６において二点鎖線で示され
る分の受光量を用いることができるようになる。この部
分の受光量を用いるようになると、より正確な光重心を
求めることができる。つまり、例えば、二点鎖線で示す
領域Ｐを含めない場合、Ｉｎ₂からＩｎ₃までの画素での
受光量の測定値は一定ということになる。しかし、実際
には二点鎖線で示されるように、その区間での受光量の
変化が非常に大きい場合もある。この場合などは、光重
心の位置を求める際、二点鎖線で示す領域Ｐの受光量が
最も重要である。また、図５に、破線で示されるような
測定誤差Ｍが生じていた場合、その誤差Ｍが、光重心の
位置算出に及ぼす影響は、二点鎖線で示す領域Ｐを含め
るか否かにより、大きく異なってくる。

【００２９】このようにして、処理中の測定値の補正が
終了すると、補正が必要ない場合と同様に、式（１）に
各画素位置と、その画素での受光量の測定値を代入し
て、光重心の位置を算出する。そして、これを基に決定
される照射像の方向と、三角測量の原理とにより、照射
像までの距離を算出する。

【００３０】光重心の位置が算出されると、この光重心
の位置と、予め準備されている光重心位置と距離との換
算テーブルとから、照射像までの距離を算出する。この
ような一連の作業を、スポット光で被測定物をスキャン
しながら連続的に行い、断面形状を認識する。

【００３１】このように、本発明にあっては、一部の受
光部材が測定可能範囲を超える光を受光し、実際の受光
量を示していない値が測定値として出力される場合に、
その実際の測定値を、過去の測定値を基にして算出し補
正するので、光重心の位置をより正確に測定することが
できる。したがって、より正確に被測定位置間での距離
を測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 断面形状認識装置を示す概略平面図である。

【図２】 実施例の断面形状認識装置の制御部を示すブ
ロック図である。

【図３】 一次元ＣＣＤセンサの受光部を示す平面図で
ある。

【図４】 受光量の測定値から描いたグラフを示す図で
ある。

【図５】 受光量の測定値から描いたグラフを示す別の
図である。

【図６】 ２つのグラフを重ね合わせて描いた状態を示
す図である。

【図７】 比較工程を示すフローチャート図である。

【図８】 従来の断面形状認識装置の制御部を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１…スポット光源、 ３…一次元ＣＣ
Ｄセンサ、８…ミラー、 １０…
メモリ、１３…ＣＰＵ、 ３１…
過去ビデオバッファ用メモリ、３２…過去数値データ用
メモリ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定物にスポット光を照射して当該被
   測定物に照射像を形成するスポット光源と、この照射像
   からの光の受光量を測定する複数の受光部材からなる受
   光手段と、前記スポット光を前記被測定物に導くと共に
   前記照射像からの光を前記受光手段に導く反射手段と、
   当該反射手段を回転させて前記スポット光を走査させる
   駆動手段と、前記複数の受光部材における受光量の測定
   値を基に前記照射像の重心位置を算定すると共に当該重
   心位置までの距離を算出する演算手段とを有する断面形
   状認識装置において、 当該断面形状認識装置により既に測定された過去の受光
   量の測定値を記憶する記憶手段と、 前記複数の受光部材の一部の受光部材が測定可能範囲を
   超える光を受光して測定可能な範囲の限界値が測定値と
   して出力され実際の受光量を示していない場合に、前記
   記憶手段により記憶された前記過去の測定値を基にして
   実際の受光量を示す値を算出して補正する補正手段とを
   設けたことを特徴とする断面形状認識装置。