JPH076775B2 - 三次元形状データ取込み装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は被測定物体の三次元形状を非接触で光学的に計
測する三次元形状計測装置に関する。

［従来の技術］ 被測定物体へ計測光を照射し、被測定物体の表面で反射
した計測光を捕えて被測定物体の形状を計測する非接触
式の形状計測装置が知られており、各方面の分野におい
てその応用が期待されている。

第７図には、上述した被測定物体の形状を光学的に計測
する形状計測装置の原理が示されている。なお、ここで
は、簡単のため、二次元形状計測について説明する。

第７図において、レーザ光源などの測定光照射手段Ｐか
らＸ軸に対して所定角度θａで照射された測定光100
は、被測定物体Ｑの計測点Ｒで散乱され、その散乱光の
うち特定角度の反射測定光110は、測定原点０に角度θ
ｂで到達する。

従って、第７図に示す幾何学的な構図からも理解される
ように、計測点Ｒの座標は、点Ｏと点Ｐとの間の距離を
Ｌとし、この距離Ｌと、測定光の照射角度θａ及び反射
測定光の入射角度θｂと、を用いて解析することが可能
である。

そして、上記反射測定光110の入射角度θｂを求めるた
めに、計測原点Ｏに対して被測定物体Ｑと反対側に受光
素子がマトリックス配置された例えばCCDなどの撮像素
子を設けることにより、その反射測定光110の受光位置
Ｓから前記角度θｂを求めることができる。

すなわち、撮像素子10の中心Ｃから受光点Ｓまでの距離
をｘとし、また、撮像素子10の中心Ｃと計測原点Ｏとの
距離をｙとすると、このｘ及びｙから三角関数を用いて
前記角度θｂを算出することが可能であり、さらに計測
点Ｒの座標を求めることが可能である。

なお、実際の形状計測装置では、計測原点Ｏの位置に光
集束レンズを設け、その光集束レンズで反射測定光110
を集束させて、撮像素子10へ投影させているが、この場
合においても、上述同様に、撮像素子10における受光位
置Ｓから計測点Ｒの座標を求めることが可能である。

ここで、第７図には、被測定物体Ｑの二次元形状を計測
する原理を示したが、このことは三次元形状計測におい
ても同様である。つまり、測定光100をＺ方向に偏向走
査することにより、あるいはＺ方向に広がりを有するス
リット光を用いることにより、被測定物体Ｑの三次元形
状を計測することが可能である。

以上のような原理を用いた従来の形状計測装置において
は、撮像素子10が例えばCCDなどで構成されているた
め、受光点Ｓの位置を求めるために全受光素子のスキャ
ニングが必要とされ、このような走査時間に依存して形
状計測を高速で行うことができず、例えば運動する物体
などの形状計測を行えないという課題があった。

そこで、特開昭62−228106号公報で被測定物体の形状を
高速に計測することのできる形状計測装置が提案されて
いる。

第６図には、その形状計測装置の構成の概念が示されて
いる。

第６図において、測定光（スリット光）100の照射角度
（偏向角度）θは、θ信号発生器12にて検出され、さら
にそのθ信号発生器12からθ信号が出力されている。

一方、被測定物体Ｑにて反射された反射測定光（反射ス
リット光）110は、撮像装置14に入射され、撮像装置14
に設けられた二次元配列型フォトセンサ16に到達する。

この二次元配列型フォトセンサ16は、それぞれ独立した
フォトセンサを二次元マトリックス状に配置したもので
あり、各ホトセンサからは独立したトリガ信号が出力さ
れる。

そして、その各トリガ信号は、θ情報記憶素子群18を構
成する各記憶素子にそれぞれ対応して送出されており、
各記憶素子では、トリガ信号の入力にて前記θ情報を格
納する。

従って、測定光を照射角度毎に切断して照射を行うこと
なく、連続的に偏向走査しながら照射し、同時に、受光
点Ｓに照射角度θを対応させて被測定物体Ｑの三次元形
状情報を取り込むことが可能である。

そして、このようにθ情報記憶素子群18の各記憶素子に
格納されたθ情報は、それぞれ読み出されて、三次元形
状解析回路にて、その各記憶素子のアドレスと、そのθ
情報と、から被測定物体Ｑにおける計測ラインＲの各点
の座標（X,Y,Z）が求められる。

なお、光切断を行うことなく高速に三次元形状計測を行
うことができる装置としては、この他に、例えば特願平
２−46946及び特願平２−46947で提案された装置が挙げ
られる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、このように被測定物体の形状を測定する
場合においては、測定光照射領域と反射測定光受光領域
とで定まる計測可能範囲に被測定物体を的確に位置させ
る必要があるが、上記従来の形状計測装置では、計測対
象となる被測定物体の位置決め、あるいは形状測定装置
自体の位置決めが簡便に行えないという課題があった。

すなわち、従来においては、上記計測可能範囲に被測定
物体が存在しているか否かの判断は、もっぱら目視によ
り行われ、このため機動性のある迅速な形状計測が行え
なかった。

また、このような形状計測に係る各部材の位置決めの煩
雑化は、適正な形状データ取込みまでの時間遅延をもた
らし、このようなことから、本来の形状計測以外の位置
決めに係る不必要な測定光照射を生じ、測定光の光源の
寿命を早めると共に、場合によっては、長時間測定光を
被測定物体に照射することに起因する被測定物体への悪
影響が危惧されていた。

従って、形状計測を行う前に、測定対象を確認すること
のできる装置が要望されていた。

本発明は、上記従来の課題に鑑みなされたものであり、
その目的は、計測対象を濃淡画像表示して、形状計測前
及び形状計測中に計測対象を確認することのできる三次
元形状データ取込み装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明は、計測用スリット
光を偏向走査しながら照射するスリット光照射手段と、
前記スリット光の偏向角度情報を出力する偏向角度情報
出力手段と、計測対象となった物体の表面で反射された
スリット光のみを透過させるスリット光抽出フィルタを
有し、そのスリット光抽出フィルタを透過したスリット
光を受け、その受光位置に前記偏向角度情報を対応させ
た三次元形状情報を取り込む形状情報取込み手段と、前
記物体の表面で反射されたスリット光と同一の光学経路
を通ってくる光のうちでスリット光以外の光成分を透過
させるスリット光排除フィルタを有し、計測対象を撮像
し、その計測対象の濃淡画像情報を出力する計測対象画
像化手段と、前記濃淡画像情報を表示する計測対象表示
手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明は、携帯型に形成されたデータ取り込み装
置本体には、少なくとも前記スリット光照射手段，前記
形状情報取込み手段，及び前記計測対象画像化手段が組
み込まれたことを特徴とする。

［作用］ 上記構成によれば、計測対象は計測対象画像化手段にて
濃淡画像に処理され、さらに計測対象表示手段にて濃淡
画像表示されることになる。

従って、例えば計測対象を常時表示させることにより、
三次元形状計測を行う前に計測対象が画像を通して確認
される。

本発明では、形状情報取込み手段にスリット光抽出フィ
ルタが設けられ、計測対象画像化手段にスリット光排除
フィルタが設けられているので、形状計測中においても
スリット光に影響されずに計測対象が画像化できる。

また、データ取込み装置本体を携帯型に形成し、さらに
各構成を組み込むことにより、計測対象の表示画像を確
認しながら装置本体を移動させて所望の被測定物体にそ
の計測対象を合致させることができ、データ取込みに係
る装置本体の機動性のある簡便な位置決めが可能とな
る。

［実施例］ 以下、本発明の好適な実施例を図面に基づいて説明す
る。

第１図には、本発明の三次元形状計測装置の構成が示さ
れており、ここにおいて、本発明に係る三次元形状デー
タ取込み装置30は、三次元形状解析を行う装置本体に伝
送ケーブルにより接続されている。

まず、測定光であるスリット光の照射手段について説明
する。

スリット光照射手段は、レーザ光を発生するレーザ光源
32と、このレーザ光源32から発射されたレーザ光をスリ
ット光に形成するスリット光形成レンズ34と、このスリ
ット光形成レンズ34を透過したレーザ光を偏向する偏向
手段であるポリゴンミラー36とから構成されている。こ
こで、ポリゴンミラー36は、一定各速度ωで常時回転
し、この回転によりスリット光は所定偏向角度内で偏向
走査されている。

ここで、その偏向走査に係る初期角度を検出するため
に、ポリゴンミラー36の近傍にはフォトダイオード40が
配置されており、さらにこのフォトダイオード40からの
光検出信号は、θ信号発生器42に送出されている。

そして、このθ信号発生器42は、送られてくる光検出信
号Ｓに基づいて、スリット光100の偏向角度を表すθ信
号を出力している。

三次元形状データ取込み装置30から発射されたスリット
光100は、被測定物体Ｑの表面で散乱反射され、散乱反
射された光はレンズ系Ａで集束された後、レンズ系Ｂに
導かれている。

ここで、レンズ系Ｂには、後述するように、ハーフミラ
ーあるいはプリズムなどのビームスプリッタなどが用い
られている。レンズ系Ｂを透過したスリット光112は、
形状データ取込み部50に入射されている。

この形状データ取込み部50は、入射される光112のうち
前記スリット光の特定波長のみを透過するフィルタ52
と、このフィルタ52を透過したスリット光を受光するフ
ォトセンサ群54と、このフォトセンサ群54の各フォトセ
ンサに対応して記憶素子が設けられたθ情報記憶素子群
56とから構成されている。

そして、前記フォトセンサ群54は、第６図を用いて説明
したように、二次元配列型フォトセンサが用いられてお
り、スリット光112の受光位置を受光フォトセンサのア
ドレスから判断可能としている。

前記θ情報記憶素子群56には、前述したθ信号発生器42
からθ信号が入力されており、各記憶素子には、そのθ
信号が並列的に供給され、各記憶素子は、前記ホトセン
サの受光に係るトリガ信号に基づいてθ情報を格納す
る。

形状データ取込み部50にて取り込まれた被測定物体Ｑの
三次元形状情報は、読み出されて三次元形状計測装置本
体に設けられた三次元形状解析回路60に送られている。

ここで、上述したように、この三次元形状データは、θ
情報記憶素子群56の各素子のアドレスに前記θ情報を対
応させたものである。

そして、前記三次元形状解析回路60では、前記各記憶素
子のアドレスｎとθ情報とを用いて被測定物体Ｑの表面
各点の座標を算出している。

次に、計測対象の濃淡画像を取り込み、さらに表示する
手段について説明する。

装置の向きで定まる計測対象の光学像は、前記レンズ系
Ａ及び前記レンズ系Ｂを介して計測対象画像化部62に導
かれている。

つまり、計測用のスリット光110と同一の光学経路を介
して計測対象を撮像することが可能であり、前記形状デ
ータ取込み部50に結像される計測対象の像と同一の像を
濃淡画像化することが可能である。

計測対象画像化部62は、レンズ系Ｂで分岐された一方の
光114のうちスリット光100の波長以外の光のみを透過す
る光学フィルタ64と、この光学フィルタ64を透過した光
を受光するCCDからなる撮像素子66とから構成されてい
る。つまり、前記光学フィルタ64にて、前記スリット光
が排除されている。

撮像素子66にて結像された測定対象の濃淡画像情報は、
読み出されて表示器68に送出されている。

そして、表示器68では、三次元形状データ取込み装置30
における計測対象の濃淡画像が表示されることになる。

なお、本実施例の三次元形状データ取込み装置30におい
ては、計測対象は、常時、表示器68に表示されている。

ここで、本実施例では、計測対象の濃淡画像情報200及
び三次元形状情報210は、図示されていない画像合成部
に送出されており、被測定物体を三次元画像として空間
表現的に画像処理し、更に表示を行っている。

本実施例の三次元形状データ取込み装置30は、以上の構
成からなり、以下に、装置の内部構造及び外観について
説明する。

第２図には、本実施例の三次元形状データ取込み装置30
の内部構成を示す断面図が図示されている。

また、第４図には、装置を前方から見た斜視図が示され
ており、さらに第５図には、装置を後方から見た斜視図
が示されている。

第２図において、本体ケース70の計測側前部70Aには、
第１図で示したレーザ光源32が配置されており、また、
前部70A内の下方にはポリゴンミラー36が設けられてい
る。

そして、このポリゴンミラーにて反射されたスリット光
を装置30の外部に発射させるために、本体ケース前部70
Aの計測側前面下方には、透明部材からなる曲面形状の
照射部71が形成されている。

本体ケース前部70Aの上方には、レンズ系A80が設けられ
ており、被測定物体にて反射されたスリット光は、この
レンズ系A80から入射される。

本体ケース70の上部に形成された空洞70Bには、レンズ
系Ｂを成すハーフミラー74が導かれた光に対して所定角
度をもって配置されている。

そして、ハーフミラー74の後方には、上述した形状デー
タ取込み部50が配置され、さらに、ハーフミラー74の下
方には、測定対象画像化部62が配置されている。

ここで、第３図を用いて、三次元形状データ取込み装置
30に入射される光の光路について説明する。

入射される光120は、レンズ系A80を透過して、レンズ系
Ｂを成すハーフミラー74に導かれている。

そして、このハーフミラー74により入射光は２系統に分
岐され、分けられた一方の入射光が形状データ取込み部
50に導かれ、分けられた他方の入射光が計測対象画像化
部62に導かれている。

すなわち、本実施例においては、このハーフミラー74を
用いたことにより、形状データ取込み部50及び計測対象
画像化部62にそれぞれ同一の計測対象の像を結像させる
ことが可能であり、操作者は表示器68に表示される計測
対象の濃淡画像を確認しながら、容易かつ確実に装置の
位置決めを行うことができる。

ここで、本体ケース70の後部70Cには、表示器68が組み
込まれている。

ここで、表示器68は、本実施例においてLCDや小型ブラ
ウン管などから構成される。ここで、その表示器68の表
示面は操作者が見易いように、やや上方に向けて斜めに
取り付けられている。

本体ケースの中央部70Dには、スリット光照射をオン／
オフ制御するスイッチ76が設けられている。

本実施例において、このスイッチ76は、ピストルにおけ
る引金と同様の構造を成しており、操作者が把持部70C
を把持した状態で、例えば人差指をスイッチ76に掛ける
ことが可能である。

なお、第２図においては、第１図で示したその他の構成
が設けられているが、図示省略されている。

ここで、第１図で示したθ信号発生器42は、この三次元
形状データ取込み装置内に設けることは必要とされず、
三次元形状計測装置本体内に組み込んでも良い。

また、表示器68を本体ケース70から分離し、伝送ケーブ
ルにより接続しても良い。

本実施例の三次元形状データ取込み装置30は、以上のよ
うに携帯型に構成され、更に上記各構成が組み込まれた
ので、極めて機動性に富み、かつ表示画像を確認しなが
ら正確かつ容易に被測定物体の三次元形状計測を行うこ
とが可能である。

特に、三次元形状計測に係る装置の位置決めの際には、
スリット光を照射せずに、行うことができ、位置決めが
された後に、スイッチ76を操作してスリット光を照射し
て三次元形状計測が行えるので、レーザ光を長時間照射
することに起因する被測定物体への悪影響やレーザ光源
の劣化を防止しつつ、迅速な三次元形状計測を行えると
いう効果を有する。

なお、本実施例においては、形状データ取込み部50に高
速処理可能なものを用いたため、このような携帯型にし
ても、手振れによる影響を受けずに、精度の良い三次元
形状計測を行うことができる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明に係る三次元形状データ取
込み装置によれば、測定対象を濃淡画像化して、さらに
表示させることができるので、計測対象を確認しつつ確
実な三次元形状計測を行うことができる。

また、データ取込み装置本体を携帯型に形成し、さらに
各構成を組み込むことにより、機動性のある迅速かつ容
易な三次元形状計測におけるそのデータ取込みが可能で
ある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明に係る三次元形状データ取込み装置のブ
ロック図、 第２図は装置の内部構造を示す断面図、 第３図は装置の要部斜視図、 第４図は装置を前方から見た斜視図、 第５図は装置を後方から見た斜視図、 第６図は従来の三次元形状計測装置の説明図、 第７図は非接触式形状計測の原理説明図である。 30……三次元形状データ取込み装置 32……レーザ光源 36……ポリゴンミラー 42……θ信号発生器 50……形状データ取込み部 54……フォトセンサ群 56……θ情報記憶素子群 60……三次元形状解析回路 62……計測対象画像化部 66……撮像素子（CCD） 68……表示器 100……測定光（スリット光） 110……反射測定光（反射スリット光）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】計測用スリット光を偏向走査しながら照射
   するスリット光照射手段と、 前記スリット光の偏向角度情報を出力する偏向角度情報
   出力手段と、 計測対象となった物体の表面で反射されたスリット光の
   みを透過させるスリット光抽出フィルタを有し、そのス
   リット光抽出フィルタを透過したスリット光を受け、そ
   の受光位置に前記偏向角度情報を対応させた三次元形状
   情報を取り込む形状情報取込み手段と、 前記物体の表面で反射されたスリット光と同一の光学経
   路を通ってくる光のうちでスリット光以外の光成分を透
   過させるスリット光排除フィルタを有し、計測対象を撮
   像し、その計測対象の濃淡画像情報を出力する計測対象
   画像化手段と、 前記濃淡画像情報を表示する計測対象表示手段と、 を有することを特徴とする三次元形状データ取込み装
   置。
2. 【請求項２】請求項（１）記載の三次元形状データ取込
   み装置において、 携帯型に形成されたデータ取込み装置本体には、 少なくとも前記スリット光照射手段，前記形状情報取込
   み手段，及び前記計測対象画像化手段が組み込まれたこ
   とを特徴とする三次元形状データ取込み装置。