JP2000131032A - 三次元形状計測方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被計測物の三次元形状を非接触計測で高精度
にかつ高速に行うことができる技術が求められていた。 【解決手段】 ラインレーザ光１５を被計測物６に照射
し、その反射光が変化する状態をカメラで計測して被計
測物の形状を得る計測方法であって、複数のカメラは、
粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂと精密計測用カメラ１９
ａ，１９ｂとからなり、レーザ発振器１６とカメラを被
計測物に対して１回走査して粗計測用カメラで粗計測を
行い、粗計測用カメラから出力される第１の画像出力デ
ータに基づいて被計測物の第１の三次元形状計測データ
を生成し、精密計測用カメラを走査する際に精密計測用
カメラと被計測物表面とが所定の距離を保って移動可能
な移動制御データを第１の三次元形状計測データから生
成し、移動制御データに基づいて、レーザ発振器と精密
計測用カメラを走査して精密計測用カメラで精密計測を
行い、精密計測用カメラから出力される第２の画像出力
データに基づいて被計測物の第２の三次元形状計測デー
タを生成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作物，各種金
型，各種製品など被計測物の三次元形状を非接触で精密
にかつ高速に計測するための方法およびその装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種金型，各種製品など被計測物
の三次元形状を計測する必要性が高まっている。しか
も、計測の高速化，高精度化が求められている。被計測
物の三次元形状を測定する測定機としては三次元測定機
が知られている。この三次元測定機では、テーブル上に
被計測物を置き、タッチセンサを被計測物の各点に接触
させ、その接触したときの３軸方向の座標値を読み取
り、その座標値から被計測物の三次元形状を計算して求
めている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、形状計
測を精密に行う場合には、微小間隔毎にたくさんの計測
点について一点ずつタッチセンサを接触させて座標値を
求めなくてはならず、形状計測に長時間かかってしまう
という課題があった。また、被計測物の種類によって
は、接触式の形状計測を好まないものもあった。また、
光切断法を利用した非接触式の計測装置もあった。しか
し、精密な形状計測を行う計測装置は、被計測物の凹凸
方向の計測可能範囲が狭く、平面に近い形状のものしか
形状計測することができないという課題があった。

【０００４】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、被計測物の三次元形状を非接触計測
で高精度にかつ高速に行うことができる三次元形状計測
方法およびその装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明にかかる三次元形状計測方法は、照射光光源
部から帯状ビームの照射光を被計測物の表面に照射し、
この照射光の前記被計測物表面で反射した反射光が前記
被計測物の形状に応じて変化する状態を、前記照射光の
光軸に対して所定の角度を有する位置に設けられた複数
のカメラで計測することにより、前記被計測物の形状を
得る計測方法であって、前記複数のカメラは、所定の計
測範囲を計測可能な第１のカメラと、この第１のカメラ
より狭い計測範囲を高精度に計測可能な第２のカメラと
からなり、前記照射光光源部および前記第１のカメラを
前記被計測物に対して走査方向に少なくとも１回走査す
るとともに前記第１のカメラで計測する第１の計測を行
い、前記第１のカメラから出力される第１の画像データ
に基づいて、前記被計測物の概略の三次元形状を示す第
１の三次元形状計測データを生成し、前記第２のカメラ
を前記走査方向に走査する際にこの第２のカメラと前記
被計測物の表面とが所定の距離をほぼ保って移動可能な
移動制御データを前記第１の三次元形状計測データから
生成し、この移動制御データに基づいて、前記照射光光
源部および前記第２のカメラを走査するとともに前記第
２のカメラで計測する第２の計測を行い、前記第２のカ
メラから出力される第２の画像データに基づいて、前記
被計測物の精密な三次元形状を示す第２の三次元形状計
測データを生成する。

【０００６】前記第２の計測は、前記被計測物の被計測
面と向かい合う平面であるとともに前記走査方向を含む
平面においてこの走査方向と直交する方向に関して分割
して計測を行うものであり、前記移動制御データは、前
記分割する方向の分割数と前記第１の三次元形状計測デ
ータとから生成され、前記第２のカメラと前記被計測物
の表面とが所定の距離をほぼ保って移動可能な分割毎の
移動制御データであり、前記第２の計測を分割数分繰り
返し、前記第２のカメラから出力される分割毎の前記第
２の画像データに基づいて分割毎の前記第２の三次元形
状計測データを生成するとともに、全体を一つの三次元
形状計測データに合成することにより、前記被計測物の
全体の三次元形状計測データを生成するのが好ましい。

【０００７】前記第１のカメラと前記第２のカメラは、
前記分割方向の所定の位置に同一の角度位置に設けられ
たそれぞれ一対のカメラであり、一対の前記第１のカメ
ラおよび一対の前記第２のカメラからそれぞれ出力され
た画像データに基づいて、前記三次元形状計測データを
生成するのが好ましい。

【０００８】前記方法を実施する上で好適な三次元形状
計測装置は、帯状ビームの照射光を被計測物の表面に照
射し、この照射光の前記被計測物表面で反射した反射光
が前記被計測物の形状に応じて変化する状態を、前記照
射光の光軸に対して所定の角度を有する位置に設けられ
た複数のカメラで計測することにより、前記被計測物の
形状を得る計測装置であって、移動可能な移動台に取り
付けられ前記帯状ビームを発光する照射光光源部と、前
記移動台の前記照射光光源部の両側に配置され、所定の
計測範囲の計測が可能な第１のカメラと、この第１のカ
メラの近傍に、かつ前記移動台の前記照射光光源部の両
側に配置され、前記第１のカメラより狭い計測範囲を高
精度に計測可能な第２のカメラと、互いに直交する第
１，第２および第３の方向に、前記移動台を前記被計測
物に対して相対的にそれぞれ移動させる第１，第２およ
び第３の駆動部と、前記第１のカメラおよび前記第２の
カメラで得られた画像データを前記被計測物の三次元形
状計測データに生成処理する形状計測データ処理部と、
前記第１のカメラで得られた前記画像データから前記形
状計測データ処理部で生成された前記三次元形状計測デ
ータから、前記第２のカメラで計測する際の走査方向の
移動に同期させて前記被計測物の表面と前記第２のカメ
ラとの間隔がほぼ一定となるように移動させる移動制御
データを生成する移動制御データ生成部とを備えてい
る。

【０００９】この三次元形状計測装置において、前記第
２のカメラによる計測は、前記被計測物の被計測面と向
かい合う平面であるとともに前記走査方向を含む平面に
おいてこの走査方向と直交する方向に関して分割して計
測を行うものであり、前記移動制御データは、前記分割
する方向の分割数と、前記第１のカメラで得られた前記
画像データから生成された前記三次元形状計測データと
から生成され、前記第２のカメラと前記被計測物の表面
とが所定の距離をほぼ保って移動可能な分割毎の移動制
御データであり、前記第２の計測を分割数分繰り返し、
前記第２のカメラから出力される分割毎の前記画像デー
タに基づいて分割毎の三次元形状計測データを生成する
とともに、全体を一つの三次元形状計測データに合成す
ることにより、前記被計測物の全体の三次元形状計測デ
ータを生成するのが好ましい。

【００１０】なお、前記第２のカメラの光学レンズ先端
部を、前記第１のカメラの光学レンズ先端部より前記被
計測物に近づくように配置するのが好ましい。好ましく
は、前記照射光光源部はレーザ発振器であり、前記帯状
ビームはこのレーザ発振器が発光したラインレーザ光で
ある。なお、前記被計測物を載置する被計測物載置台は
割り出し可能になっているものであるのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる実施の形態
の一例を図１から図８を参照して説明する。図１は本発
明の一実施形態にかかる三次元形状計測装置の左側面
図、図２は図１のII−II線矢視図（背面図）、図３は図
２のIII 線平面図、図４は三次元形状計測装置の部分拡
大平面図、図５は図４のＶ線拡大矢視図である。

【００１２】図１から図３に示すように、三次元形状計
測装置（以下、計測装置と記載）１は、キャスタ３を介
して床面２上に移動可能に設置された基台４を備えてお
り、基台４の上部に計測用の各種機器が配置されてい
る。計測装置１は、照射光光源部１６から帯状の光ビー
ムであるラインレーザ光１５を工作物，金型，各種製品
など被計測物６の表面（被計測面）６ａに照射し、この
ラインレーザ光１５が被計測物６の表面で反射した反射
光が被計測物６の形状に応じて変化する状態を、ライン
レーザ光１５の光軸に対して所定の角度を有する位置に
設けられた複数のカメラで光学的に計測することによ
り、被計測物６の三次元形状のデータを得るようになっ
ている。基台４の上面には板状のベース５が固定されて
いる。ベース５には、被計測物６を載置する被計測物載
置装置７が取付けられており、被計測物載置装置７は計
測装置１の一方の側に位置している。なお、被計測物６
が載置されている位置の方向（すなわち、図１の右方
向）を、計測装置１の前方として説明する。

【００１３】被計測物載置装置７は、被計測物６を載置
する被計測物載置台８と、被計測物載置台８を回転可能
に支持するとともに自動的に割出し可能な割出し装置９
とを備えている。なお、被計測物６を被計測物載置台８
に固定するようにしてもよい。割出し装置９は、ベース
５の上面に立設固定された支持部材１１により支持され
ている。割出し装置９は、割出し用モータ１０により駆
動され、被計測物載置台８を所定の角度（たとえば、９
０度）ずつ間欠的に順次回転させて、被計測物６を所定
の姿勢に自動的に位置決めする。

【００１４】ラインレーザ光１５は、照射光光源部とし
てのレーザ発振器１６で発光する。レーザ発振器１６は
移動台１７に取付けられている。第１の計測（粗計測）
を行うために所定の範囲を計測可能な一対の第１のカメ
ラ（粗計測用カメラ）１８ａ，１８ｂが、レーザ発振器
１６の両側に配置されて、移動台１７の上方に支持台３
１，３１を介して取付けられている。たとえば、粗計測
用カメラ１８ａ，１８ｂは、所定の大きさの被計測物を
一回で全体の計測が可能なものである。第２の計測（精
密計測）を行うための一対の第２のカメラ（精密計測用
カメラ）１９ａ，１９ｂが、粗計測用カメラ１８ａ，１
８ｂの近傍に、かつレーザ発振器１６の両側に配置され
て移動台１７に取付けられている。すなわち、両方の精
密計測用カメラ１９ａ，１９ｂの上方に、粗計測用カメ
ラ１８ａ，１８ｂがそれぞれ配設されている。精密計測
用カメラ１９ａ，１９ｂは、粗計測用カメラ１８ａ，１
８ｂより狭い計測範囲を高精度に計測可能である。

【００１５】粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂの光学レン
ズ先端部（前方端部）１２ａ，１２ｂより、精密計測用
カメラ１９ａ，１９ｂの光学レンズ先端部（前方端部）
２０ａ，２０ｂの方を被計測物６に近づくように配置し
ている。なお、粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂと精密計
測用カメラ１９ａ，１９ｂを一対ずつ設けた場合を示し
たが、それぞれ三個以上設けると、被計測物６を計測す
る時の死角が少なくなるので好ましい。各カメラは、そ
れぞれ四個以上の偶数個設ければデータ処理が容易にな
る点で好ましい。また、精密計測用カメラ１９ａ，１９
ｂの直上に粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂをそれぞれ設
けているが、直上でない場合であってもよい。

【００１６】移動台１７は、互いに直交するＸ軸方向
（第１の方向），Ｙ軸方向（第２の方向），Ｚ軸方向
（第３の方向）にそれぞれ移動可能になっている。Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸は、被計測物６側から後方を見た時の左右方
向，上下方向，前後方向である。ベース５上には、第１
移動台２３を走査方向であるＸ軸方向に移動させるため
の、第１の駆動部としてのＸ軸駆動部９５のＸ軸駆動本
体２１が設けられている。第１移動台２３の上部には第
１の支持部材２２が固定されている。第１移動台２３
は、直動ころがり案内（図示せず）によってＸ軸方向に
移動可能に支持されている。また、第１移動台２３は、
Ｘ軸用サーボモータ２４，ボールねじ（図示せず）によ
りＸ軸方向に移動制御される。

【００１７】第１の支持部材２２には、第２移動台９１
をＹ軸方向に移動させるための、第２の駆動部としての
Ｙ軸駆動部９６のＹ軸駆動本体９０が固定されている。
第２移動台９１は、直動ころがり案内（図示せず）によ
ってＹ軸方向に移動可能に支持されている。また、第２
移動台９１は、Ｙ軸用サーボモータ２７，ボールねじ
（図示せず）によってＹ軸方向に移動制御される。第２
移動台９１には、移動台１７をＺ軸方向に移動させる第
３の駆動部としてのＺ軸駆動部９７の取付け台９２が固
定されている。取付け台９２に対して、Ｚ軸駆動部９７
のＺ軸駆動本体２５が、直動ころがり案内によってＺ軸
方向に移動可能に支持されている。また、Ｚ軸駆動本体
２５は、Ｚ軸用サーボモータ２９，ボールねじ（図示せ
ず）によってＺ軸方向に移動制御される。移動台１７
は、Ｚ軸駆動本体２５に固定されて、Ｘ軸方向に延びた
細長い形状をなしている。

【００１８】Ｘ軸用サーボモータ２４，Ｙ軸用サーボモ
ータ２７，Ｚ軸用サーボモータ２９，割出し用モータ１
０等は、ＮＣ装置（数値制御装置）３８の制御部３７に
より制御されている。ＮＣ装置３８は、制御部３７のほ
かに、ディスプレイ４２など表示手段，キーボードなど
入力手段（図示せず）等を備えている。移動台１７は、
Ｘ軸駆動部９５，Ｙ軸駆動部９６，Ｚ軸駆動部９７によ
り、それぞれ最大のＸ軸ストロークＳ_X ，Ｙ軸ストロー
クＳ_Y ，Ｚ軸ストロークＳ_Z の範囲内で移動する。

【００１９】図３から図５に示すように、レーザ発振器
１６は、移動台１７の長手方向（Ｘ軸方向）の中央部上
面に、Ｚ軸方向の被計測物側に発光部を向けて固定され
ている。ラインレーザ光１５は、レーザ発振器１６から
Ｚ軸方向に発光されて被計測物１６の表面６ａに照射さ
れる。移動台１７の上面の両側には、一対のフレーム３
０が、レーザ発振器１６の両側に配設されかつ位置調節
可能に取付けられている。精密計測用カメラ１９ａ，１
９ｂは、両方のフレーム３０の上面に設けられた板材３
４を介して位置調節可能に取付けられ、ラインレーザ光
１５の光軸に対して左右対称の斜め方向にかつ水平方向
に配置されている。移動台１７には、複数（たとえば、
三本）の支持棒を備えた支持台３１が固定されている。
粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂは、支持台３１の上面に
位置調節可能に取付けられている。したがって、移動台
１７上に固定されたレーザ発振器１６，粗計測用カメラ
１８ａ，１８ｂおよび精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂ
は、全体が一体的になって被計測物６に対してＸ，Ｙ，
Ｚ軸方向に相対的に移動動作する。

【００２０】精密計測用カメラ１９ａ（または、１９
ｂ）の中心線ＣＬ₁ と粗計測用カメラ１８ａ（または、
１８ｂ）の中心線ＣＬ₂ は、互いに平行になっている。
なお、図４に示すように、上下方向に重なった位置にあ
る中心線ＣＬ₁ ，ＣＬ₂ と、ラインレーザ光１５の光軸
とのなす角度θは、上方から見て４５度であれば平均的
に高精度に計測できる点で好ましいが、４５度以外の角
度であってもよい。このようにＹ軸方向の所定の位置に
同一の角度位置に設けられている粗計測用カメラ１８
ａ，１８ｂおよび精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂとし
ては、ＣＣＤ（電荷結合素子）カメラが使用されてい
る。なお、照射光で照射された被計測物の反射光から画
像データを出力できるカメラであれば、ＭＯＳ形撮像素
子を利用したカメラなど他の種類のカメラであってもよ
い。

【００２１】図１に示すように、形状計測データ処理部
４０は、粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂから出力される
第１の画像データと、精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂ
から出力される第２の画像データとをそれぞれ処理する
機能を有している。形状計測データ処理部４０は移動制
御データ生成部４１を備えている。形状計測データ処理
部４０は、データ処理装置としてのパーソナルコンピュ
ータ（以下、パソコンと記載）４４に含まれている。パ
ソコン４４は、外部機器用のインターフェース（たとえ
ば、ＲＳ２３２Ｃインターフェース）４５を介して、Ｒ
Ｓ２３２Ｃ等の規格に基づいてデータ転送を行う通信手
段によりＮＣ装置３８に接続されている。なお、形状計
測データ処理部４０をＮＣ装置３８に設けてもよい。形
状計測データ処理部４０で生成されたデータは、パソコ
ン４４側のディスプレイ４６など表示手段で表示され
る。なお、このデータをＮＣ装置３８のディスプレイ４
２に送ってここで表示することも可能である。

【００２２】計測装置１で被計測物６の三次元形状を計
測する場合には、まず、粗計測（第１の計測）を行う。
Ｙ軸方向について、被計測物６の中央部近傍を粗計測用
カメラ１８ａ，１８ｂが通過するように、Ｙ軸駆動部９
６で移動台１７をＹ軸方向に移動させる。Ｚ軸方向につ
いて、被計測物６のＺ軸方向の凹凸のほぼ中央部に一対
の粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂの中心が一致するよう
に、Ｚ軸駆動部９７で移動台１７をＺ軸方向に移動させ
る。次に、Ｘ軸駆動部９５を駆動して、移動台１７を走
査方向（Ｘ軸方向）に移動させる。粗計測では、レーザ
発振器１６と粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂを、被計測
物６に対してＸ軸方向に少なくとも１回（本実施形態で
は、１回）走査するとともに、粗計測用カメラ１８ａ，
１８ｂで計測する。粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂは、
広い計測範囲（視野）と広い焦点深度を有するものであ
り、精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂより分解能は若干
劣るものである。

【００２３】次いで、形状計測データ処理部４０は、粗
計測用カメラ１８ａ，１８ｂから出力される画像データ
（第１の画像データ）から、被計測物６の概略の三次元
形状を示す点群データ（第１の三次元形状計測データ）
を生成する。移動制御データ生成部４１で、この点群デ
ータと点群データの座標データ（第１の三次元形状計測
データ）から移動制御データを生成する。この移動制御
データは、形状計測データ処理部４０から制御部３７に
出力される。すなわち、焦点深度の狭い精密計測用カメ
ラ１９ａ，１９ｂでも形状計測が可能なように、被計測
物６の概略形状に合わせて移動台１７をＸ軸方向に走査
するとき、移動台１７をＺ軸方向に移動させて、被計測
物６の表面と精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂの間隔を
ほぼ一定にするための移動制御データを生成して制御部
３７に出力する。

【００２４】次いで精密計測（第２の計測）を行う。こ
の精密計測では、移動制御データに基づいて、レーザ発
振器１６と精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂを走査する
とともにこの精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂで計測す
る。精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂから出力される画
像データ（第２の画像データ）に基づいて、被計測物６
の精密な三次元形状を示す精密形状計測データ（第２の
三次元形状計測データ）を生成することになる。

【００２５】精密計測について説明する。この精密計測
では、精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂで一度に計測可
能な範囲が狭いため、被計測物６をＹ軸方向（被計測物
の表面６ａと向かい合うＸ−Ｙ平面において走査方向と
直交する方向）に関して複数のバンドに分割し計測す
る。これは、あたかも、被計測物６をＸ−Ｚ平面で複数
に分割して計測することになる。この場合の移動制御デ
ータは、Ｙ軸方向（分割する方向）のバンド位置（分割
位置）と第１の三次元形状計測データとから生成され、
精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂと被計測物６の表面６
ａとが所定の距離をほぼ保って移動可能な分割毎の移動
制御データである。

【００２６】制御部３７から出力される制御信号で、前
記移動制御データにしたがってＸ軸駆動部９５を駆動す
ることにより、レーザ発振器１６と精密計測用カメラ１
９ａ，１９ｂを被計測物６に対してＸ軸方向に走査す
る。この走査動作中に、Ｚ軸駆動部９７を駆動すること
により、精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂを、Ｘ軸方向
の移動に同期させて被計測物６の表面６ａに対してＺ軸
方向に関して常にほぼ一定の距離Ｌを保つようにＺ軸方
向に移動させる。

【００２７】このように、精密計測を行う時にはＸ軸駆
動部９５およびＺ軸駆動部９７を駆動し、次のバンドに
移動する時にはＹ軸駆動部９６を駆動することにより、
精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂがＸ軸方向に走査して
精密計測を行う動作を、複数のバンドに分割した数と同
じ回数繰り返して行う。形状計測データ処理部４０は、
精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂによる精密計測で得ら
れるバンド数と同数の分割毎の画像データに基づいて、
分割毎の精密形状計測データを生成するとともに、全体
を一つの精密形状計測データに合成することにより、被
計測物６の全体の精密な三次元形状を示す精密形状計測
データを生成する。すなわち、各バンド毎の画像データ
から各バンド毎の点群データを求め、このバンド毎点群
データを合成して全体の点群データを作成する。この精
密形状計測データを、パソコン４４側のディスプレイ４
６に表示して確認することができる。

【００２８】オペレータは、パソコン４４の入力手段か
らパソコン側ディスプレイ４６の画面上で下記のような
パラメータを設定することができる。 （１）スキャン（走査）の大きさ設定 スキャンの幅×高さ （２）スキャンのスピード設定 ・粗計測 ・精密計測 （３）精度の設定 シャッター間隔 （４）スキャン部分の選択 途中飛ばし

【００２９】「スキャンの幅×高さ」は、レーザ発振器
１６とカメラ１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂが、Ｘ軸
方向に走査する範囲と、Ｙ軸方向の範囲である。このパ
ラメータを設定することにより、前記カメラ等が被計測
物６の計測範囲を越えて無駄に移動動作することを防止
している。粗計測と精密計測の「スキャンのスピード設
定」をすることにより、たとえば、粗計測の場合には高
速の走査速度で走査して計測時間を短縮し、精密計測の
場合には、粗計測時の走査速度より遅い走査速度で走査
して高精度に計測することができる。「シャッター間
隔」は、１回の走査中にカメラのシャッターを切る回数
（たとえば、１００回，２０回など）を示している。こ
のシャッター間隔を設定することにより、一回の走査中
にカメラで画像データを得る回数を設定して計測の精度
を調整することができる。ところで、被計測物６がたと
えばタイヤのようなドーナツ状のものである場合に、こ
の被計測物６を複数のバンドに分割した場合には、円環
内の空間部分を計測する動作を行って無駄が生じること
がある。そこで、「スキャン部分の選択」では、この空
間部分の「途中飛ばし」を設定することにより、この空
間部分の計測を省略して計測動作の無駄を防止してい
る。

【００３０】次に、被計測物６の三次元形状を計測する
手順について説明する。図６および図７は、それぞれ粗
計測および精密計測の手順を示すフローチャート、図８
は形状計測データの作成の処理手順を示すフローチャー
トである。被計測物６の三次元形状の計測で、粗計測の
みでよい場合には図６に示す粗計測の手順を行う。被計
測物６を精密に計測したい場合には、この粗計測の手順
を行った後、図７に示す精密計測の手順を行うことにな
る。

【００３１】オペレータが計測装置１とパソコン４４を
オンして、パソコン側ディスプレイ４６に計測用の画面
を表示することにより計測動作が準備完了となる。粗計
測を行う場合には、図６に示すように、パソコン側ディ
スプレイ４６の画面上で粗計測のモードを選択する（ス
テップ１０１）。この選択操作により、スタート信号が
パソコン４４からＮＣ装置３８に出力されて、ＮＣ装置
３８による制御が開始される（ステップ１０２）。制御
が開始され、計測装置１の計測動作がスタートし、所定
のスタート点から移動し始めた移動台１７の移動速度が
一定になった後、ＮＣ装置３８から計測スタート信号が
出力されると、計測装置１は計測動作を開始する。計測
スタート信号はパソコン４４にも送られる（ステップ１
０３）。

【００３２】計測動作では、制御部３７は、Ｘ軸駆動部
９５，Ｙ軸駆動部９６，Ｚ軸駆動部９７を制御して、レ
ーザ発振器１６と粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂが固定
されている移動台１７のＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向の位置を
制御する。移動台１７を、被計測物６の形状が計測可能
なＹ軸方向，Ｚ軸方向の所定の位置に移動させる。すな
わち、Ｙ軸方向については被計測物６の中央部近傍に位
置させ、Ｚ軸方向については、被計測物６の計測側表面
が焦点深度内になるように位置させる。走査動作では、
Ｙ軸，Ｚ軸方向には移動させずに、Ｘ軸駆動部９５を駆
動して、移動台１７を開始点から所定の終了点まで所定
の走査速度で１回移動させる。すると、レーザ発振器１
６と粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂは、Ｘ軸方向に１回
移動する。

【００３３】レーザ発振器１６から発光されるラインレ
ーザ光１５が被計測物６の表面６ａに照射され、その反
射光が被計測物６の形状に応じて変化する状態を粗計測
用カメラ１８ａ，１８ｂで計測する。粗計測用カメラ１
８ａ，１８ｂがシャッターを切って撮像した画像データ
は、パソコン４４の形状計測データ処理部４０に順次取
得される（ステップ１０４）。移動台１７が所定の終了
点に到着すると、計測動作が終了する（ステップ１０
５）。移動台１７は、この計測終了点で所定時間停止す
るドウエルの後（ステップ１０６）、Ｘ軸駆動部９５に
駆動されてＸ軸方向のスタート点に戻る（ステップ１０
７）。

【００３４】形状計測データ処理部４０は、粗計測用カ
メラ１８ａ，１８ｂから取得した画像データに基づい
て、被計測物６の概略の三次元形状を示す粗形状計測デ
ータ（すなわち、点群データ）を生成する。移動制御デ
ータ生成部４１は、この点群データから移動制御データ
を生成する。この移動制御データは、被計測物６をＹ軸
方向に関して所定間隔（すなわち、設定した「スキャン
の高さ」であり、たとえば２０ｍｍ）で複数のバンドに
分割した場合の、被計測物６の各Ｘ座標に対応するＺ座
標の値（各バンド毎におけるＺ軸形状追従座標データ）
である各バンド毎のデータバンド数分生成したデータで
ある。すなわち、この移動制御データは、レーザ発振器
１６と精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂが固定された移
動台１７がＸ軸方向に走査移動する時に、そのバンドに
おけるＺ軸方向に移動すべき位置を含むものである。そ
のために、前記Ｚ軸形状追従座標データは、精密計測用
カメラ１９ａ，１９ｂを被計測物６の表面６ａに対して
常にほぼ一定距離Ｌ（たとえば、６５ｍｍ）を保つよう
に移動させるために、被計測物６の表面６ａの座標値に
一定値を加算（または、減算）した値になっている。

【００３５】この移動制御データは、パソコン４４の移
動制御データ生成部４１からＮＣ装置３８に転送される
（ステップ１０８）。こうして、粗計測が終了すると、
終了した旨の信号がＮＣ装置３８からパソコン４４に出
力され（ステップ１０９）、粗計測の手順が終了する。
図６に示す粗計測で移動制御データが生成されているの
で、図７に示す精密計測の手順に移行することができ
る。この粗計測の手順によれば、粗形状計測データが被
計測物６の概略の三次元形状を示しているので、この粗
形状計測データをそのまま表示等することも可能であ
る。

【００３６】図７に示すように、精密計測を行う場合に
は、パソコン側ディスプレイ４６の画面上で精密計測モ
ードを選択する（ステップ２０１）。スタート信号がパ
ソコン４４からＮＣ装置３８に出力されると、制御が開
始する（ステップ２０２）。計測装置１の計測動作がス
タートし、スタート点から移動し始めた移動台１７の移
動速度が一定になった後、ＮＣ装置３８から計測スター
ト信号が出力されると、計測装置１は計測動作を開始す
る。計測スタート信号はパソコン４４に送られる（ステ
ップ２０３）。この時、移動台１７は、精密計測用カメ
ラ１９ａ，１９ｂが被計測物６の最上部（または、最下
部）の１バンドを計測するように、Ｙ軸駆動部９６によ
り所定の高さ位置（Ｙ軸方向位置）に移動している。

【００３７】Ｘ軸駆動部９５は、移動台１７を粗計測時
の走査速度より遅い走査速度でＸ軸方向に移動させ、Ｚ
軸駆動部９７は、移動制御データに基づいて、被計測物
６のＺ軸方向の形状に対応してＺ軸方向に追従動作をす
る。これにより、精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂは、
常に被計測物６の表面６ａとほぼ一定距離Ｌを保って、
レーザ発振器１６より発光されるラインレーザ光１５の
照射による反射光を計測する。精密計測用カメラ１９
ａ，１９ｂで計測された画像データは、パソコン４４の
形状計測データ処理部４０に取得される（ステップ２０
４）。

【００３８】やがて、移動台１７が終了点に到着して１
バンドの計測が終了した後（ステップ２０５）、全バン
ドの計測が終了したか否かを判断する（ステップ２０
６）。被計測物６が複数のバンドに分割されていて、全
バンドの計測が終了していない場合には、移動台１７
は、所定の終了点で所定の時間停止するドウエルの後
（ステップ２０７）、Ｘ軸方向に移動してこのバンドに
おけるスタート点に戻る（ステップ２０８）。Ｙ軸駆動
部９６を駆動して、移動台１７を所定距離（すなわち、
設定した「スキャン高さ」）だけ下降動作（または、上
昇動作）させ、レーザ発振器１６と精密計測用カメラ１
９ａ，１９ｂを次のバンドに移動させた後、ステップ２
０２に戻ってこのバンドにおける計測動作を繰り返す
（ステップ２０９）。

【００３９】こうして、ステップ２０２から２０９まで
をバンド数と同じ回数繰り返して、全部のバンドの計測
が終了すると（ステップ２０６）、移動台１７は、終了
点で所定時間のドウエルの後（ステップ２１０）、Ｘ，
Ｙ，Ｚ軸におけるスタート点に戻る（ステップ２１
１）。精密計測が終了すると、計測終了の信号がＮＣ装
置３８からパソコン４４に出力され、精密計測の手順が
終了する（ステップ２１２）。被計測物６の形状計測が
一方の側だけでよい場合にはこれで計測を終了する。被
計測物６の全周面の形状計測が必要な場合には、制御部
３７からの指令により割出し装置９が動作して、被計測
物６を所定角度回転させて割出しを行う。割出しの後、
上述の粗計測と精密計測の動作を繰り返すことになる。
このようにして、被計測物６の全体の三次元形状を自動
的に計測することができる。

【００４０】上述の粗計測および精密計測では、移動台
１７が走査動作を開始する位置を、同一のＸ座標値上の
スタート点にしているので、粗形状計測データおよび精
密計測データをそれぞれ生成するデータ処理を容易に行
うことができる。なお、データ処理が可能であれば、Ｘ
軸方向の行きの動作と戻りの動作の両方を走査動作と
し、粗形状計測データおよび精密形状計測データを得る
ようにしてもよい。このようにすれば、計測時間がさら
に短縮するので好ましい。

【００４１】次に、粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂと精
密計測用カメラ１９ａ，１９ｂで得られた画像データか
ら、点群データである形状計測データの作成の処理手順
を図８を参照して説明する。図８に示すように、パソコ
ン４４で粗計測モードを選択しスタートの指令を入力す
ると、粗計測動作が開始する（ステップ３０１）。粗計
測用カメラ１８ａ，１８ｂなどをＸ軸方向に１回走査す
ると、形状計測データ処理部４０が、画像データを取得
するとともに点群データを求める粗計測処理を行う。こ
の粗計測処理では、粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂから
取得される画像データに基づいて処理を行う。画像デー
タをパソコン４４内に取り込み、有意データを抽出し、
その有意データの画素（ピクセル）座標を決定する。そ
して、この画素座標を被計測物の実座標系の座標値に変
換する。この変換されたデータが点群データとなる。

【００４２】このＸ，Ｙ，Ｚ座標の点群データはファイ
ル５０に保存される（ステップ３０２）。この点群デー
タをパソコン側ディスプレイ４６に表示することができ
るので、形状計測の結果を確認することができる（ステ
ップ３０３）。次いで、移動制御データ生成部４１は、
点群データから移動制御データを生成しファイル５１に
保存した後（ステップ３０４）、この移動制御データを
ＮＣ装置３８に送信する（ステップ３０５）。ステップ
３０１〜３０５が粗計測処理Ｂである。

【００４３】次に、パソコン側ディスプレイ４６の画面
上で精密計測モードを選択し、スタート指令を入力する
と、精密計測動作が開始する（ステップ３０６）。精密
計測用カメラ１９ａ，１９ｂは、被計測物６のＹ軸方向
の各バンド（分割）毎にＸ軸方向に走査しながらＺ軸方
向に移動することにより、バンド数と同数の精密な画像
データを得る。形状計測データ処理部４０は、バンド毎
の精密な画像データに基づいて、各バンド毎点群データ
を求め、それぞれファイル５２，５３，５４等に保存す
る（ステップ３０７）。この画像データから点群データ
を求める処理は、粗計測時の処理と同一である。

【００４４】次いで、形状計測データ処理部４０は、バ
ンド毎の点群データを合成する処理を行って、被計測物
６の精密な三次元形状を示す一つの精密形状計測データ
を生成する処理を行う（ステップ３０８）。こうして生
成した全体の点群データはファイル５５に保存される。
また、この点群データはパソコン側ディスプレイ４６に
精密形状計測結果として表示され（ステップ３０９）、
計測処理を終了する。ステップ３０６〜３０９が精密計
測処理Ｃである。

【００４５】本発明の粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂ
は、計測可能範囲（視野，焦点深度）が大きいので、被
計測物６に多少の凹凸があっても全体を一回で計測可能
である。一方、精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂは、粗
計測用カメラの計測結果から生成される移動制御データ
に基づいて制御されて計測動作を行う。したがって、分
解能をよくするために計測可能範囲が小さい精密計測用
カメラ１９ａ，１９ｂでも計測が可能となる。粗計測で
は被計測物６の概略形状を把握することができ、精密計
測では、粗計測の結果を利用して、必要な箇所を重点的
に精密に計測することができる。その結果、被計測物６
の三次元形状の精密計測を高速かつ高精度に行うことが
できる。また、被計測物６の凹凸方向の計測可能範囲を
広くすることができるので、平面形状以外の立体的な被
計測物の計測も可能になる。このように、粗計測後に精
密計測を行って精密形状計測データを得ることができる
が、粗計測と精密計測の選択操作をパソコン側ディスプ
レイ４６の画面上で簡単に行うことができるので、粗計
測のみを行って粗形状計測データを得ることもでき、計
測方法の自由度が広がる。

【００４６】精密計測用カメラ１９ａ，１９ｂを粗計測
用カメラ１８ａ，１８ｂより被計測物６に近づけて配置
したので、粗計測から精密計測に切換えた時に、移動台
１７をＺ軸方向に大きく動かす必要がない。したがっ
て、Ｚ軸方向の装置全体の寸法をコンパクトにすること
ができる。また、粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂは被計
測物６より離れた後方に位置しているので、精密計測時
に粗計測用カメラ１８ａ，１８ｂが被計測物６と干渉す
る恐れがない。

【００４７】被計測物６としては、金型，各種製品のほ
か、製鉄所で製造中の高熱の鉄材など金属材，花や木な
ど植物，土器など歴史的文化遺産，人体の全部または一
部などであってもよい。なお、各図中同一符号は同一ま
たは相当部分を示す。

【００４８】

【発明の効果】本発明は上述のように構成したので、被
計測物の三次元形状を非接触計測で高精度にかつ高速に
行うことができる。また、選択操作により粗計測のみを
行うこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１から図８は本発明の実施形態の一例を示す
図で、図１は三次元形状計測装置の左側面図である。

【図２】図１のII−II線矢視図である。

【図３】図２のIII 線平面図である。

【図４】前記三次元形状計測装置の部分拡大平面図であ
る。

【図５】図４のＶ線拡大矢視図である。

【図６】粗計測の手順を示すフローチャートである。

【図７】精密計測の手順を示すフローチャートである。

【図８】形状計測データの作成の処理手順を示すフロー
チャートである。

【符号の説明】

１ 三次元形状計測装置 ６ 被計測物 ６ａ 被計測物の表面（被計測面） ８ 被計測物載置台 １２ａ，１２ｂ 粗計測用カメラの光学レンズ先端部 １５ ラインレーザ光（帯状ビーム） １６ レーザ発振器（照射光光源部） １７ 移動台 １８ａ，１８ｂ 粗計測用カメラ（第１のカメラ） １９ａ，１９ｂ 精密計測用カメラ（第２のカメラ） ２０ａ，２０ｂ 精密計測用カメラの光学レンズ先端
部 ４０ 形状計測データ処理部 ４１ 移動制御データ生成部 ９５ Ｘ軸駆動部（第１の駆動部） ９６ Ｙ軸駆動部（第２の駆動部） ９７ Ｚ軸駆動部（第３の駆動部） Ｌ 一定の距離 Ｘ 第１の方向 Ｙ 第２の方向 Ｚ 第３の方向 θ 所定の角度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今枝 明憲 千葉県松戸市松戸1307−１ 松戸ビルディ ング12階 株式会社ソフトウイング内 Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA53 DD03 DD06 FF04 FF43 GG04 HH05 JJ03 JJ05 JJ26 MM03 MM04 MM07 PP12 PP22 QQ24 3C029 AA06 AA40 BB01 BB10

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照射光光源部から帯状ビームの照射光を
   被計測物の表面に照射し、この照射光の前記被計測物表
   面で反射した反射光が前記被計測物の形状に応じて変化
   する状態を、前記照射光の光軸に対して所定の角度を有
   する位置に設けられた複数のカメラで計測することによ
   り、前記被計測物の形状を得る計測方法であって、 前記複数のカメラは、所定の計測範囲を計測可能な第１
   のカメラと、この第１のカメラより狭い計測範囲を高精
   度に計測可能な第２のカメラとからなり、 前記照射光光源部および前記第１のカメラを前記被計測
   物に対して走査方向に少なくとも１回走査するとともに
   前記第１のカメラで計測する第１の計測を行い、 前記第１のカメラから出力される第１の画像データに基
   づいて、前記被計測物の概略の三次元形状を示す第１の
   三次元形状計測データを生成し、 前記第２のカメラを前記走査方向に走査する際にこの第
   ２のカメラと前記被計測物の表面とが所定の距離をほぼ
   保って移動可能な移動制御データを前記第１の三次元形
   状計測データから生成し、 この移動制御データに基づいて、前記照射光光源部およ
   び前記第２のカメラを走査するとともに前記第２のカメ
   ラで計測する第２の計測を行い、 前記第２のカメラから出力される第２の画像データに基
   づいて、前記被計測物の精密な三次元形状を示す第２の
   三次元形状計測データを生成することを特徴とする三次
   元形状計測方法。
2. 【請求項２】 前記第２の計測は、前記被計測物の被計
   測面と向かい合う平面であるとともに前記走査方向を含
   む平面においてこの走査方向と直交する方向に関して分
   割して計測を行うものであり、 前記移動制御データは、前記分割する方向の分割数と前
   記第１の三次元形状計測データとから生成され、前記第
   ２のカメラと前記被計測物の表面とが所定の距離をほぼ
   保って移動可能な分割毎の移動制御データであり、 前記第２の計測を分割数分繰り返し、前記第２のカメラ
   から出力される分割毎の前記第２の画像データに基づい
   て分割毎の前記第２の三次元形状計測データを生成する
   とともに、全体を一つの三次元形状計測データに合成す
   ることにより、前記被計測物の全体の三次元形状計測デ
   ータを生成することを特徴とする請求項１に記載の三次
   元形状計測方法。
3. 【請求項３】 前記第１のカメラと前記第２のカメラ
   は、前記分割方向の所定の位置に同一またはほぼ同一の
   角度位置に設けられたそれぞれ一対のカメラであり、 一対の前記第１のカメラおよび一対の前記第２のカメラ
   からそれぞれ出力された画像データに基づいて、前記三
   次元形状計測データを生成することを特徴とする請求項
   １または２に記載の三次元形状計測方法。
4. 【請求項４】 帯状ビームの照射光を被計測物の表面に
   照射し、この照射光の前記被計測物表面で反射した反射
   光が前記被計測物の形状に応じて変化する状態を、前記
   照射光の光軸に対して所定の角度を有する位置に設けら
   れた複数のカメラで計測することにより、前記被計測物
   の形状を得る計測装置であって、 移動可能な移動台に取り付けられ前記帯状ビームを発光
   する照射光光源部と、 前記移動台の前記照射光光源部の両側に配置され、所定
   の計測範囲の計測が可能な第１のカメラと、 この第１のカメラの近傍に、かつ前記移動台の前記照射
   光光源部の両側に配置され、前記第１のカメラより狭い
   計測範囲を高精度に計測可能な第２のカメラと、 互いに直交する第１，第２および第３の方向に、前記移
   動台を前記被計測物に対して相対的にそれぞれ移動させ
   る第１，第２および第３の駆動部と、 前記第１のカメラおよび前記第２のカメラで得られた画
   像データを前記被計測物の三次元形状計測データに生成
   処理する形状計測データ処理部と、 前記第１のカメラで得られた前記画像データから前記形
   状計測データ処理部で生成された前記三次元形状計測デ
   ータから、前記第２のカメラで計測する際の走査方向の
   移動に同期させて前記被計測物の表面と前記第２のカメ
   ラとの間隔がほぼ一定となるように移動させる移動制御
   データを生成する移動制御データ生成部とを備えたこと
   を特徴とする三次元形状計測装置。
5. 【請求項５】 前記第２のカメラによる計測は、前記被
   計測物の被計測面と向かい合う平面であるとともに前記
   走査方向を含む平面においてこの走査方向と直交する方
   向に関して分割して計測を行うものであり、 前記移動制御データは、前記分割する方向の分割数と、
   前記第１のカメラで得られた前記画像データから生成さ
   れた前記三次元形状計測データとから生成され、前記第
   ２のカメラと前記被計測物の表面とが所定の距離をほぼ
   保って移動可能な分割毎の移動制御データであり、 前記第２の計測を分割数分繰り返し、前記第２のカメラ
   から出力される分割毎の前記画像データに基づいて分割
   毎の三次元形状計測データを生成するとともに、全体を
   一つの三次元形状計測データに合成することにより、前
   記被計測物の全体の三次元形状計測データを生成するこ
   とを特徴とする請求項４に記載の三次元形状計測装置。
6. 【請求項６】 前記第２のカメラの光学レンズ先端部
   を、前記第１のカメラの光学レンズ先端部より前記被計
   測物に近づくように配置したことを特徴とする請求項４
   または５に記載の三次元形状計測装置。
7. 【請求項７】 前記照射光光源部はレーザ発振器であ
   り、前記帯状ビームはこのレーザ発振器が発光したライ
   ンレーザ光であることを特徴とする請求項４，５または
   ６に記載の三次元形状計測装置。
8. 【請求項８】 前記被計測物を載置する被計測物載置台
   は割り出し可能になっているものであることを特徴とす
   る請求項４から７のいずれかの項に記載の三次元形状計
   測装置。