JP2001235313A - 三次元形状測定装置 - Google Patents

三次元形状測定装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】影が生じにくい構成で、三次元形状の高速測定
を行うことができる三次元形状測定装置 【解決手段】スキャナ50を備えた結像系(レンズ7
3、レンズ74)の物体面に、ピンホール・アレイ40
を光軸に対して傾けて設置する。像面には光軸に対して
傾いた二次元光点アレイが形成され、これを対象物60
に投影する。対象物上に形成されたピンホールの像45
からの反射光をピンホール・アレイ40に通し、検出器
アレイ20で透過光量を測定する。スキャナ50を駆動
して、三次元空間を走査することができる。ピンホール
・アレイ40を透過する反射光の強度が大きくなる位置
を測定することにより、対象物60の表面形状の情報を
得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光を利用した三次
元形状測定に関する。
【0002】
【技術的背景】三次元形状計測は、大別すると図1に示
すように、多様な方法がある。金型、機械工学、電気・
電子、光学分野のみならず、生体や軟質の三次元計測に
対しても応用が行われている。この三次元形状計測で
は、自由曲面や複雑な形状計測を行えるようになってい
る。このため、より高精度・高分解能が求められると共
に、高速な測定が望まれている。このため、図1に示す
ような多様な三次元形状計測の中でも、光を利用した非
接触法の研究開発が盛んである。光を利用した非接触三
次元測定には、例えば、図1に示した光切断法、光走査
法や、モアレ・トポグラフィー法等がある。これらの計
測の多くは、デフォーカス時の光強度の低下を利用した
光共焦点法を用いている。この方法による測定では、影
が生じるための死角を無くし、測定速度を上げるために
は、対象物体か測定系の移動が必要となり、高速化に限
界がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、影が
生じにくい構成で、三次元形状の測定を行うことができ
る三次元形状測定装置を得ることである。
【0004】
【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、光を用いて、物体の三次元形状を計測す
る三次元形状測定装置において、光軸に対して角度を持
った二次元光源と、前記二次元光源を前記物体上で結像
するように投影する光学系と、前記測定物体からの、前
記二次元光源像の反射光又は透過光の強度を検出するセ
ンサと、前記二次元光源像を複数形成する手段とを備
え、検出した複数の二次元光源像の、反射光又は透過光
の検出データにより、三次元形状を形成することを特徴
とする。この構成により、影を生じず、三次元形状の測
定を高速に行うことができる。
【0005】前記三次元形状の形成は、光軸方向をz軸
とし、光軸に対して垂直な方向の座標をx、yとしたと
き、検出した複数の二次元光源像から、全てのx、y座
標について、光の強度が最大となるz軸座標を求めて、
三次元形状とする。光の強度が最大となるz軸座標を求
めるとき、凸型の関数に得られたデータを当てはめるこ
とにより、最大となるz軸座標を求めることもできる。
このようにして、各x,y座標におけるz軸上の点を求
めて、三次元形状を得ることができる。二次元光源像を
複数形成する前記手段は、前記光学系に挿入した走査手
段とすることができる。これにより、計測対象を動かさ
ずに測定できるので、高速に測定することができる。そ
の走査手段を、回転運動する反射鏡を用いたミラー・ス
キャンとすることができる。前記二次元光源は、二次元
の点光源アレイとして、例えば、平行光線とピンホール
又は回析光学素子のアレイ,発光ダイオード・アレイ、
又は、レーザ・ビームの二次元走査等を用いることがで
きる。このとき、物体からの反射光又は透過光を、前記
二次元の点光源アレイと同じ構成のピンホール・アレイ
を介して光の強度を検出することもできる。また、前記
二次元光源は、正弦波状の光強度分布を有する平面光源
であり、検出した複数の二次元光源像の、反射光又は透
過光の検出データを周波数フィルタリングしてから、三
次元形状を形成することもできる。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図面を参照
して詳細に説明する。本発明では、奥行き方向の計測を
行うために、二次元の面光源を光軸方向に対して傾斜し
て配置しておき、共焦点方式でその像の物体からの反射
光を光検出器で測定し、光学的に走査することで三次元
形状を測定する。図2を用いて、実施形態の構成例を説
明する。この構成では、面光源を点光源アレイで構成す
るために、光源10からの光をレンズ71で平行光線と
した後に、二次元のピンホール・アレイ40を通してい
る。スキャナ50を備えた結像系(レンズ73、レンズ
74)の物体面に、ピンホール・アレイ40を光軸に対
して0度から90度の間の角度に傾けて設置する。像面
には光軸に対して傾いた二次元光点アレイが形成され、
これを対象物60に投影する。対象物上に形成されたピ
ンホールの像45からの反射光をピンホール・アレイ4
0に通し、検出器アレイ20で透過光量を測定する。光
点が測定物体で焦点を結んでいる場合、反射光がピンホ
ール・アレイ40上で像を結ぶので、透過光量が大きく
なる。ピンホール・アレイ40も傾けることにより、傾
いた断面像を測定することができる。スキャナ50を駆
動して、光軸に対して垂直で傾斜面の法線ベクトルの成
分を含む方向に傾斜光点の像45を移動させることによ
り、三次元空間を走査することができる。ピンホール・
アレイ40を透過する反射光の強度が大きくなる位置を
測定することにより、対象物60の表面形状の情報を得
ることができる。
【0007】この表面形状の求め方を詳しく説明する。
スキャナ50のそれぞれの位置に対して、光センサ・ア
レイ20により光強度を検出して、複数の二次元データ
を得る。光点が物体上で焦点を結んでいるときが光量最
大であることを用いて、得られた複数の二次元データを
積み重ねて受光三次元データとする。さて、ある対象物
の置かれた平面上のx,y座標に対して垂直のz軸が光
軸である。これを利用して、求めた複数の二次元データ
のあるx,y座標の点における全ての光強度を比較し
て、最大光量となるz軸座標を求める。同様にして全て
のx、y座標について、光強度が最大となるz軸座標を
求めて、表面形状データとする。光強度が最大となるz
軸座標を求めるときに、ガウス関数などの凸型の関数
を、得られたz軸方向の強度分布のデータに当てはめる
ことにより、光強度の最大値を得る位置をより正確に求
めることができる。
【0008】<実施例>実施例とした形状計測システム
(図3参照)では、光源10はハロゲン・ランプ、ピン
ホール・アレイ40は金属薄膜のエッチングにより作成
したものを使用した。ピンホールの直径を50μmと
し、x方向に150μm、y方向に300μmのピッチ
で配置した。有効ピンホール部は10mm角である。こ
のピンホール・アレイ40が光軸に対して約45度傾く
ように設置してある。このピンホール・アレイ40によ
り、対象物体60に対して傾斜光点アレイを投影し、ミ
ラー50を回転しながら走査して、反射光をCCDカメ
ラ20で測定した。上述の実施形態と異なり、CCDカ
メラはピンホール・アレイを介さずに反射光を検出して
いる。
【0009】図4に、直径3.2mmの白色球を対象物
体としたときの観測像を示す。図4(a)〜(d)に示
した各観測画像の例で、スキャナの異なる位置での面像
が得られていることが分かる。この様に走査しながら、
ミラー・スキャナ位置と同期して13回測定を行った。
この様な測定画像からピンホール位置でサンプリングを
行い、ある閾値以下の光強度の場所は、背景とみなし
て、マスキングを行う。それぞれのスキャナ位置に対応
する結像の位置関係から、得られたデータの平面上の各
点に対して物体における座標を決定する。測定データ間
で物体の奥行き方向ごとに光強度の最大値を求め、その
最大値をとる奥行き方向の位置を物体の表面の存在位置
として決定する。得られた物体表面形状の測定結果を図
5に示す。図5に示した形状は、スムージング処理を行
い、ノイズを除去している。
【0010】<他の実施形態>図2に示した実施形態の
構成とは異なり、光源としたピンホール・アレイ40を
介さずに、検出器アレイ20の前に、光源側のピンホー
ル・アレイ40と同様の構成のピンホール・アレイを光
軸に対して同じ傾斜角度で設置してもよい。また、上述
に実施形態で用いられているピンホール・アレイ40の
ピンホールそれぞれに対してマイクロレンズを用いるこ
とにより、光の利用効率を高めることができる。上述の
実施形態では、二次元の点光源を得るのに、光源からの
平行光に対してピンホール・アレイを設置しているが、
他にも、例えば、発光ダイオード・アレイを用いたり、
レーザ・ビームを二次元走査したり、光点アレイを形成
する回析光学素子を用いたりすることができる。複数の
断面像を得るための走査として、光源にコヒーレント光
を用い、音響光学素子により回析させ、回折角を変化さ
せることで、上述のミラー・スキャナと同様の走査を行
うことができる。また、上述の実施形態では、点光源に
よるパターンを用いて形状を検出しているが、これ以外
にも、光軸に対してある角度で設置された、正弦波状の
濃度分布を有する平面光源を用いてもよい。この場合、
得られた像を周波数フィルタリングすることにより、相
対的に最大となる光強度を検出して、焦点の合致を求
め、三次元形状を形成する。図2における対象物体60
がコンベアに乗っている等、光軸に対して測定物体が移
動している場合は、図2のミラー・スキャナ50は不要
となる。図2に示した測定系で、光の検出を対象物60
の下方で行い、透過光を検出する構成とすると、透過物
体の計測にも使用できる。また、焦点の異なるような斜
めの光源を用いているために、このシステムは、例えば
透明媒体の体積中に屈折率が変化した微小な部分を多層
に分布させることで情報を記録している多層光メモリの
読み出しにも応用できる。
【0011】<本発明の利点>このような構成を用いる
ことにより、本発明には以下のような利点がある。本発
明では、光の投影とその反射の検出が同一方向なので、
光切断法などの三角計測に基づく手法で問題となる影が
生じない。また、スキャナによる光学的走査を利用して
いるため、物体の移動が不要で、高速化ができる。干渉
を測定に用いていないため、振動に対する耐性が高い。
相対的に一番反射光が強いものを検出しているために、
測定物の各部分の光吸収による反射光の強度差の影響を
抑えることができる。反射光の検出後の三次元形状生成
処理が簡単であり、高速信号処理により、実時間化しや
すい。この構成による三次元像の形成は、体積走査型の
立体表示と原理的に適合性がよいので、立体テレビジョ
ン・システムの可能性がある。
【0012】
【発明の効果】本発明の構成により、影による死角が生
じず対象物の三次元形状を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の三次元形状計測について示した図であ
る。
【図2】実施形態の構成を示す図である。
【図3】実施例の構成を示す図である。
【図4】実施例から得られた対象物(球)の計測画像例
である。
【図5】計測画像から生成された対象物の形状を示す図
である。
【符号の説明】
10 光源 20 検出器アレイ(CCDカメラ) 30 ビーム・スプリッタ 40 ピンホール・アレイ 45 ピンホール・アレイの像 50 ミラー・スキャナ 60 対象物 71,72,73,74 レンズ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を用いて、物体の三次元形状を測定す
    る三次元形状測定装置において、 光軸に対して角度を持った二次元光源と、 前記二次元光源を前記物体上で結像するように投影する
    光学系と、 前記測定物体からの、前記二次元光源像の反射光又は透
    過光の強度を検出するセンサと、 前記二次元光源像を複数形成する手段とを備え、検出し
    た複数の二次元光源像の、反射光又は透過光の検出デー
    タにより、三次元形状を形成することを特徴とする三次
    元形状測定装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の三次元形状測定装置に
    おいて、 前記三次元形状の形成は、光軸方向をz軸とし、光軸に
    対して垂直な方向の座標をx、yとしたとき、検出した
    複数の二次元光源像から、全てのx、y座標について、
    光の強度が最大となるz軸座標を求めて、三次元形状と
    することを特徴とする三次元形状測定装置。
  3. 【請求項3】 請求項2に記載の三次元形状測定装置に
    おいて、 光の強度が最大となるz軸座標を求めるとき、凸型の関
    数に得られたデータを当てはめることにより、最大とな
    るz軸座標を求めることを特徴とする三次元形状測定装
    置。
  4. 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の三次元
    形状測定装置において、 二次元光源像を複数形成する前記手段は、前記光学系に
    挿入した走査手段であることを特徴とする三次元形状測
    定装置。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載の三次元形状測定装置に
    おいて、前記走査手段は、回転運動する反射鏡を用いた
    ミラー・スキャンであることを特徴とする三次元形状測
    定装置。
  6. 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の三次元
    形状測定装置において、前記二次元光源は、二次元の点
    光源アレイであることを特徴とする三次元形状測定装
    置。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載の三次元形状測定装置に
    おいて、 前記二次元の点光源アレイを、平行光線とピンホール又
    は回析光学素子のアレイ,発光ダイオード・アレイ、お
    よびレーザ・ビームの二次元走査の中から選択して構成
    することを特徴とする三次元形状測定装置。
  8. 【請求項8】 請求項6又は7に記載の三次元形状測定
    装置において、 物体からの反射光又は透過光を、前記二次元の点光源ア
    レイと同じ構成のピンホール・アレイを介して光の強度
    を検出することを特徴とする三次元形状測定装置。
  9. 【請求項9】 請求項1〜5のいずれかに記載の三次元
    形状測定装置において、 前記二次元光源は、正弦波状の光強度分布を有する平面
    光源であり、検出した複数の二次元光源像の、反射光又
    は透過光の検出データを周波数フィルタリングしてか
    ら、三次元形状を形成することを特徴とする三次元形状
    測定装置。
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